含瓦斯煤低溫取芯過程煤芯溫度變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究*

王兆豐，劉 勉，韓恩光，馬向攀

(1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作454000；2.煤礦災(zāi)害預(yù)防與搶險(xiǎn)救災(zāi)教育部工程研究中心，河南 焦作454000)

0 引言

煤層瓦斯含量是煤礦治理的基礎(chǔ)參數(shù)[1]，是瓦斯突出危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測(cè)、區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)的主要指標(biāo)，對(duì)于預(yù)測(cè)突出危險(xiǎn)性具有良好的敏感性[2]。因此，煤層瓦斯含量的測(cè)定十分重要。目前測(cè)定瓦斯含量的方法主要采用《煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法》(GBT 23250—2009)[3-4]，其具有測(cè)定速度快、布點(diǎn)受地質(zhì)條件影響小等優(yōu)點(diǎn)[5]，但該方法在鉆孔取芯過程中會(huì)使煤樣溫度升高，引起瓦斯放散量過多，導(dǎo)致?lián)p失量推算出現(xiàn)偏差，從而造成煤層瓦斯含量測(cè)值不準(zhǔn)確[6-7]。

基于煤的瓦斯放散速度隨溫度升高而增加的性質(zhì)[8-12]，王兆豐等[13-14]提出了低溫(0℃及以下)取樣方法，以期通過降溫抑制瓦斯放散來提高瓦斯含量測(cè)值的準(zhǔn)確性。前期結(jié)果表明，低溫取樣可以增加煤對(duì)瓦斯的吸附性能，減慢瓦斯放散速度，尤其是對(duì)解吸初期影響較大，低溫對(duì)煤中的瓦斯放散具有抑制作用；康博等[15]研究發(fā)現(xiàn)降低環(huán)境溫度可以增加煤的瓦斯吸附能力，減少井下鉆孔取芯過程的漏失瓦斯量。這些研究為低溫環(huán)境取芯打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

煤芯溫度和取芯時(shí)間是影響取芯過程瓦斯損失量的主要因素。本文采用自制低溫取芯模擬裝置，模擬井下鉆孔取芯過程中的熱力學(xué)過程，研究不同外熱輸入強(qiáng)度下的含瓦斯煤低溫環(huán)境取芯過程煤芯溫度變化規(guī)律，為低溫取芯煤芯瓦斯解吸規(guī)律的研究提供溫度變化依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)過程熱力學(xué)分析

1.煤樣；2.取芯管外壁。

為了減少取芯過程瓦斯的損失量，既需要隔絕打鉆過程摩擦熱量對(duì)煤芯溫度的作用，又需要使煤芯溫度降低。如圖2所示，通過改造取芯管，在煤樣與取芯管壁之間預(yù)留一定體積的空倉(cāng)，添加制冷劑為煤樣創(chuàng)造低溫環(huán)境。在本實(shí)驗(yàn)中通過在取芯管外壁布置1層加熱帶模擬打鉆過程的摩擦熱。因此，在實(shí)驗(yàn)過程中，煤樣主要受到來自加熱帶輸出熱量的作用和制冷劑吸收熱量的作用?？砂衙簶?、制冷劑、加熱帶、模擬裝置(包含冷凍罐罐壁、煤樣罐罐壁，材質(zhì)為不銹鋼，導(dǎo)熱系數(shù)為16.28 (W·m-1·K-1)，實(shí)驗(yàn)中主要用于熱量傳遞)視為1個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)。

1.煤樣；2.取芯管外壁；3.冷凍劑；4.隔熱層；5.加熱帶。

對(duì)于該系統(tǒng)，系統(tǒng)吸收的熱量來自加熱帶輸出的熱量，熱量進(jìn)入系統(tǒng)后，系統(tǒng)內(nèi)能改變，制冷劑消耗向系統(tǒng)外釋放氣體帶走一部分能量。系統(tǒng)與外界之間既有能量傳遞，又有物質(zhì)交換，因此是1個(gè)開口系統(tǒng)[18]。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，在一個(gè)時(shí)間段(Δt)內(nèi)，儲(chǔ)存在開口系統(tǒng)內(nèi)的能量增大的值，必定等于進(jìn)入開口系統(tǒng)的能量減去離開開口系統(tǒng)的能量[19]，即：

ΔU=Q1-Q2

(1)

式中：Q1為系統(tǒng)從外界吸收的熱量，J；Q2為離開系統(tǒng)的熱量，J；ΔU為系統(tǒng)內(nèi)能增加量，J。

本實(shí)驗(yàn)的主要研究對(duì)象是低溫取芯過程的煤芯溫度變化，為研究方便，將系統(tǒng)簡(jiǎn)化為只包含加熱帶、冷凍劑和煤樣3個(gè)研究對(duì)象。由公式(1)可推出煤芯的內(nèi)能變化量等于加熱帶輸入的熱量與制冷劑吸收的熱量之差，而內(nèi)能的變化量決定著煤芯溫度的變化。

(2)

煤芯溫度變化主要分為2個(gè)階段：降溫和升溫階段。降溫階段指的是煤芯溫度從初始溫度降至最低溫度的階段，升溫階段是指煤芯溫度從最低溫度回升到初始溫度的階段。

實(shí)驗(yàn)過程中的制冷劑是定量的，當(dāng)加熱帶熱量輸出強(qiáng)度增大時(shí)，其與制冷劑之間的溫差變大，加熱帶輸出的熱量傳遞到制冷劑的速度增大，即加快了制冷劑的吸熱速度，加速了煤芯溫度的下降。

2 實(shí)驗(yàn)方法及過程

2.1 煤樣與制冷劑選擇

實(shí)驗(yàn)煤樣選自山西呂梁市柳林縣興無煤礦4號(hào)煤層42110工作面。針對(duì)井下取芯管取芯，取出的煤樣可以近似看成型煤，因此，本實(shí)驗(yàn)通過專用模具將采集煤樣壓制成型煤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并選用干冰作為制冷劑。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

依托自行搭建的低溫取芯模擬裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示。

1.甲烷瓶；2.充氣罐；3.數(shù)據(jù)采集器；4.加熱帶溫度顯示器；5.無級(jí)調(diào)壓器旋鈕；6.加熱帶；7冷凍罐；8.煤樣罐；9.真空計(jì)；10.真空泵；11.解吸儀；12，13.壓力表；14.壓力傳感器；15.溫度傳感器；16.隔熱層；a,b,c,d,e,f.閥門；g.玻璃三通閥。

實(shí)驗(yàn)裝置主要可以分為以下幾個(gè)部分：

1)真空脫氣系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)充氣罐、煤樣罐及實(shí)驗(yàn)管路的真空脫氣，主要由真空規(guī)管、復(fù)合式真空計(jì)、真空泵等構(gòu)成；模擬實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)驗(yàn)管路、充氣罐、煤樣罐的體積標(biāo)定均由該系統(tǒng)承擔(dān)。

2)定量充氣系統(tǒng)

定量充氣系統(tǒng)主要由甲烷瓶(濃度99.99%)、壓力表、充氣罐、管路以及閥門等組成。該系統(tǒng)的主要功能是往煤樣罐中充入定量甲烷氣體，確保煤樣罐中煤與甲烷在某一壓力下吸附平衡。

3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組件主要有：溫度傳感器、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集箱、計(jì)算機(jī)(含顯示器)及附屬線路。

4)加熱控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由加熱帶溫度顯示器、無極調(diào)壓器、電源及相關(guān)線路組成。

5)模擬系統(tǒng)

模擬系統(tǒng)是整個(gè)模擬裝置的核心部分。該系統(tǒng)主要由加熱帶、冷凍罐、隔熱層、煤樣罐、溫度傳感器以及相關(guān)連接管路組成。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1)將采集的煤樣壓制成型煤后，對(duì)煤樣進(jìn)行干燥、稱重、裝罐，在確保裝置氣密性完好密閉的情況下，對(duì)煤樣真空脫氣。

2)設(shè)定系統(tǒng)溫度。在開啟加熱帶電源后，通過調(diào)節(jié)無級(jí)調(diào)壓器旋鈕設(shè)置加熱強(qiáng)度，使加熱帶溫度保持在30℃。

3)充氣吸附平衡。通過高壓充氣系統(tǒng)使氣體充入煤樣罐內(nèi)，同時(shí)關(guān)閉充氣罐閥門，保持煤樣在此溫度下吸附瓦斯，當(dāng)煤樣罐內(nèi)壓力達(dá)到2.0 MPa且保持3 h不變時(shí)，即認(rèn)為煤樣達(dá)到吸附平衡。

4)添加制冷劑，設(shè)置加熱帶加熱強(qiáng)度。迅速在煤樣罐外的冷凍倉(cāng)內(nèi)加入1.5 kg干冰，并確保填充均勻。添加完成后調(diào)節(jié)無級(jí)調(diào)壓器旋鈕至刻度5。

5)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。通過布置在煤樣中央的溫度傳感器記錄煤芯溫度變化，直至煤芯溫度恢復(fù)至初始溫度。

6)重復(fù)步驟1)～5)，依次改變吸附平衡壓力為1.5，1.0和0.5 MPa，每個(gè)吸附平衡壓力下開展不同加熱強(qiáng)度(55.87，128.95，214.96 W)的實(shí)驗(yàn)，全部做完，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 外加熱源熱量輸出強(qiáng)度對(duì)煤芯溫度變化的影響

在添加定量制冷劑的基礎(chǔ)上，分別在吸附平衡壓力為2.0，1.5，1.0和0.5 MPa時(shí)，通過改變外加熱源熱量輸出強(qiáng)度，觀測(cè)煤芯溫度變化情況如圖4所示。

3.1.1 變溫時(shí)間分析

從圖4可以看出，在實(shí)驗(yàn)過程中，煤芯溫度變化主要分為2個(gè)階段：降溫和升溫階段。各階段所需時(shí)間及最低溫度點(diǎn)具體數(shù)值見表1。

圖4 各吸附平衡壓力下，不同外加熱源熱量輸出強(qiáng)度煤芯溫度變化特性Fig.4 Under each adsorption equilibrium pressure, the temperature variation characteristics of coal under the different heat output intensity of the external heat source

表1 變溫過程中降溫時(shí)間與升溫時(shí)間Table 1 The cooling time and heating up time during temperature-changing process

在降溫階段，降溫時(shí)間隨著外加熱源輸出熱量強(qiáng)度的增加均減小，如圖5所示，加熱源熱量輸出強(qiáng)度為55.87 W時(shí)各壓力對(duì)應(yīng)的降溫時(shí)間明顯大于128.95 W時(shí)的降溫時(shí)間；更能夠說明這一點(diǎn)的是降溫時(shí)間的平均值隨熱量輸出強(qiáng)度的增加而減小：55.87，128.95，214.96 W時(shí)各平衡壓力下煤芯的平均降溫時(shí)間分別為74.67，68.41，62.18 min。這是因?yàn)殡S著外加熱源輸出熱量強(qiáng)度的增加，加熱帶與干冰之間的溫差變大，傳熱速率加快，單位時(shí)間內(nèi)干冰吸收的熱量增加，其升華速度加快，吸熱速度也加快，促進(jìn)了煤芯溫度的下降。

圖5 降溫時(shí)間與外加熱源輸出熱量強(qiáng)度關(guān)系Fig.5 The relation charts between cooling time and the heat output intensity of the external heat source

在升溫階段，如圖6所示，不同外加熱源熱量輸出強(qiáng)度對(duì)煤芯溫度的影響十分明顯。熱量輸出強(qiáng)度越低，升溫所需時(shí)間越長(zhǎng)，熱量輸出強(qiáng)度越高，則所需時(shí)間越短。例如，當(dāng)吸附平衡壓力為2.0 MPa、輸出熱量強(qiáng)度為55.87 W時(shí)，從最低溫度恢復(fù)至20℃所需時(shí)間為216 min；輸出熱量強(qiáng)度為128.95 W時(shí)，從最低溫度恢復(fù)至20℃所需時(shí)間為122 min，遠(yuǎn)小于輸出熱量強(qiáng)度為55.87 W時(shí)的狀態(tài)；同樣，當(dāng)輸出熱量強(qiáng)度調(diào)至128.95 W時(shí)，升溫時(shí)間更短。這是因?yàn)楫?dāng)煤芯在逐漸降溫的過程中，干冰不斷消耗，制冷強(qiáng)度逐漸降低。升溫過程所需要的熱量基本都是由加熱帶所輸出的熱量提供，加熱帶的熱量輸出強(qiáng)度越大，其與干冰溫差越大，傳熱速率越高，加快了干冰的升華速度，從而加速了煤芯的降溫，而干冰是定量的，煤芯的降溫時(shí)間就隨之縮短，升溫開始時(shí)間較之熱量輸出強(qiáng)度較低時(shí)提前。在升溫過程中，干冰升華吸收的熱量小于加熱帶通過氣體傳遞到煤樣罐上的熱量，隨著升溫過程的進(jìn)行，熱量輸出強(qiáng)度越大，加熱帶在單位時(shí)間傳遞的熱量越大，既加快了干冰的消耗速度，也增加了煤芯吸收的熱量，升溫速度也就越快，升溫所需時(shí)間也隨之縮短。

圖6 升溫時(shí)間與外加熱源輸出熱量強(qiáng)度關(guān)系Fig.6 The relation charts between heating up time and the heat output intensity of the external heat

綜合煤芯降溫升溫2個(gè)階段，可以看出，在同一吸附平衡壓力下，保持外加熱源熱量輸出強(qiáng)度恒定，煤芯降溫所需時(shí)間要小于升溫所需時(shí)間。例如當(dāng)吸附平衡壓力為0.5 MPa、加熱強(qiáng)度為55.87 W時(shí)，降溫時(shí)間為81.65 min，升溫時(shí)間則需要238.43 min。這是在因?yàn)榻禍剡^程中，煤芯吸收的冷量直接來自于干冰，干冰與煤樣之間直接接觸，傳熱效率較高。與此同時(shí)，加熱帶輸出的熱量促進(jìn)了干冰的升華，即加快了煤芯溫度的下降速度。隨著干冰的逐漸消耗，其制冷強(qiáng)度逐漸衰減，加熱帶的熱量輸出強(qiáng)度保持恒定，煤芯溫度下降速度減慢直至停止，煤芯開始升溫。當(dāng)干冰消耗到一定程度時(shí)，加熱帶與煤芯之間干冰消耗掉的部分就形成了1個(gè)存在氣體的空間，隨著干冰的消耗，這個(gè)空間會(huì)越來越大直至充滿整個(gè)冷凍罐，加熱帶不能與煤芯直接接觸，熱量只能通過氣體傳遞，效率較低，升溫時(shí)間就較長(zhǎng)。

3.1.2 低溫環(huán)境持續(xù)時(shí)間分析

溫度對(duì)煤芯瓦斯的吸附解吸有很大的影響。溫度越高，瓦斯解吸速度越快，反之，則會(huì)抑制瓦斯解吸。因此，煤芯處于低溫狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間對(duì)于整個(gè)取芯過程十分重要，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，瓦斯解吸在低溫環(huán)境中的抑制時(shí)間越長(zhǎng)，取芯過程中的瓦斯損失量就會(huì)越小。根據(jù)圖4所示，外加熱源熱量輸出強(qiáng)度越低，煤芯在低溫環(huán)境中的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，具體測(cè)試數(shù)值見表2。這是因?yàn)槔鋬鰟┡c煤芯之間的溫度變化是1個(gè)熱傳遞過程，煤芯維持低溫狀態(tài)主要源于干冰的吸熱，帶走煤芯的熱量，外加熱源熱量輸出強(qiáng)度的增大雖然促進(jìn)了干冰的升華，加快了煤芯溫度的下降速度，但也增加了干冰的消耗速度。在干冰定量的條件下，煤芯溫度開始上升的時(shí)間提前，并且熱量輸出強(qiáng)度越大，加熱帶與煤樣之間的傳熱速率越高，升溫時(shí)間越短，處于低溫環(huán)境的時(shí)間也就越少。

表2 煤芯溫度在0℃以下持續(xù)時(shí)間Table 2 The coal temperature maintains below 0℃

3.2 吸附平衡壓力對(duì)煤芯溫度變化的影響

在外加熱源熱量輸出強(qiáng)度恒定時(shí)，對(duì)不同初始吸附平衡壓力(2.0，1.5，1.0，0.5 MPa)下的煤芯溫度進(jìn)行測(cè)試，以外加熱源熱量輸出強(qiáng)度為128.95 W為例，煤芯溫度變化曲線如圖7(a)所示。

3.2.1 降溫時(shí)間分析

如圖7(a)所示，在外加熱源熱量輸出強(qiáng)度恒定時(shí)，改變吸附平衡壓力，煤芯均能在很短時(shí)間內(nèi)降至0℃，均在8 min以內(nèi)。例如，當(dāng)吸附平衡壓力為0.5 MPa時(shí)，煤芯溫度從20℃降到0℃的時(shí)間為7.3 min；吸附平衡壓力為1.0 MPa時(shí)，需要6.7 min。同樣，如圖5(b)所示，外加熱源熱量輸入強(qiáng)度為128.95 W時(shí)，不同吸附平衡壓力下煤芯降至0℃的時(shí)間均在8 min以內(nèi)。這是因?yàn)槿绻?2)所示，煤芯溫度的變化主要是熱量傳遞的作用，吸附平衡壓力的變化對(duì)系統(tǒng)內(nèi)熱量傳遞的影響較小。

圖7 不同外加熱源熱量輸出強(qiáng)度下，不同吸附平衡壓力煤芯溫度變化特性對(duì)比Fig.7 Under the different heat output intensity of the external heat source ,the comparison of temperature variation characteristics of coal at different adsorption equilibrium pressure

3.2.2 低溫(0℃及以下)環(huán)境持續(xù)時(shí)間分析

由圖7(a)可以看出，保持外加熱源熱量輸出強(qiáng)度恒定，在不同吸附平衡壓力下的煤樣在低溫環(huán)境中的持續(xù)時(shí)間都能保持在130 min以上。例如，加熱強(qiáng)度為128.95 W時(shí)，在吸附平衡壓力為1.0 MPa的情況下，低溫環(huán)境持續(xù)時(shí)間為168 min，吸附平衡壓力為1.5 MPa的情況下，低溫環(huán)境持續(xù)時(shí)間為183 min。結(jié)合圖7(b)及表2可以看出，改變吸附平衡壓力，煤樣均能在低溫狀態(tài)維持較長(zhǎng)時(shí)間，可達(dá)到130 min以上。

3.3 煤芯溫度變化規(guī)律分析

在實(shí)驗(yàn)過程中，如圖4、圖7所示，改變外加熱源熱量輸出強(qiáng)度或者瓦斯吸附平衡壓力，煤芯溫度均呈“U”形變化，經(jīng)歷快速降溫(初始溫度降至0℃)、低溫維持(0℃以下)和溫度回升(最低溫度升至初始溫度)3個(gè)階段。在不同外加熱源熱量輸出強(qiáng)度或者瓦斯初始吸附平衡壓力的條件下，快速降溫階段所需時(shí)間均在8 min以內(nèi)，低溫維持時(shí)間在130 min以上。這表明該模擬裝置可以實(shí)現(xiàn)在壓力多變的環(huán)境中短時(shí)間內(nèi)將煤樣溫度降至0℃以下，且維持較長(zhǎng)時(shí)間。

4 工程指導(dǎo)意義

為了提高取樣質(zhì)量及瓦斯含量測(cè)定的準(zhǔn)確性，減少取芯過程瓦斯漏失量，基于煤對(duì)瓦斯吸附能力隨溫度降低而增強(qiáng)，瓦斯解吸速度隨溫度降低為減慢的認(rèn)識(shí)，提出低溫取芯技術(shù)，試圖在取樣過程中，利用制冷劑將煤芯溫度迅速降低至0℃以下，抑制瓦斯解吸，減小取芯過程中的損失量。本實(shí)驗(yàn)通過研究低溫取芯過程中的溫度變化規(guī)律，為低溫取芯技術(shù)在工程應(yīng)用中提供了重要理論依據(jù)，即低溫取芯技術(shù)可以在很短的時(shí)間內(nèi)將取芯管內(nèi)的煤樣溫度降低到0℃以下，并且使煤樣保持在低溫環(huán)境較長(zhǎng)時(shí)間，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，煤芯在不同的外加熱源熱量輸出強(qiáng)度和吸附平衡壓力下的降溫時(shí)間均小于8 min，低溫環(huán)境持續(xù)時(shí)間都可達(dá)到130 min以上，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)取芯的時(shí)間要求，并可適用于煤層瓦斯壓力多變的環(huán)境。

5 結(jié)論

1)在定量冷凍劑的條件下，隨著外加熱源熱量輸出強(qiáng)度的增大，同一平衡壓力下煤芯在低溫(0℃及以下)環(huán)境持續(xù)時(shí)間減小，降溫速度隨著加熱強(qiáng)度的增大而加快，降到所需低溫環(huán)境(0℃及以下)的時(shí)間小于8 min。

2)保持外加熱源熱量輸出強(qiáng)度恒定，改變吸附平衡壓力，煤芯溫度降至0℃的降溫時(shí)間均小于8 min，處于低溫環(huán)境中的時(shí)間都能穩(wěn)定在130 min以上。

3)在模擬低溫取芯過程中，煤芯溫度呈“U”形變化，經(jīng)歷快速降溫、低溫維持和溫度回升3個(gè)階段。