取心管取心過程管壁溫度測定試驗(yàn)研究

韓恩光，王兆豐，2，劉 勉，柯 巍，王 龍

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

煤層瓦斯含量是煤礦瓦斯危險程度評價、瓦斯災(zāi)害防治以及瓦斯資源開發(fā)利用不可或缺的參數(shù)。取心管取心是測定煤層瓦斯含量的常用技術(shù)手段之一。在取心管取心過程中，取心鉆頭及取心管與煤層摩擦產(chǎn)生大量熱使煤心溫度升高。隨著煤心溫度的升高，煤對瓦斯的吸附能力及吸附量減小[1-2]，使得取心過程中煤心瓦斯大量解吸，造成煤層瓦斯含量測定結(jié)果不準(zhǔn)確。為了準(zhǔn)確測定煤層瓦斯含量，王兆豐等[3-4]提出低溫（0℃以下）取樣的方法，通過取心管內(nèi)置冷凍劑抵御取心過程外部摩擦熱量的侵入并在有限的時間內(nèi)將煤心溫度迅速降低。所以取心過程中取心鉆頭及取心管與煤層摩擦的產(chǎn)熱情況研究對低溫取心技術(shù)中冷凍劑量的確定尤為重要。

針對鉆頭鉆進(jìn)過程中的產(chǎn)熱情況，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了研究。Beste等[5]研究了巖石中鉆頭鉆進(jìn)過程，估計(jì)鉆頭平均溫度為500℃左右。Eyup Bagci[6-7]等研究了主軸轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度對鉆頭溫度的影響關(guān)系，不同的主軸轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度會有不同的溫度，最高250℃左右，平均約為150℃，且5 s之內(nèi)溫度會上升到100℃。楊曉峰[8-9]利用紅外熱像儀對硬質(zhì)灰?guī)r鉆掘過程的紅外熱像進(jìn)行研究，研究表明鉆頭附近最高溫度達(dá)到50℃左右。李忠華[10]利用自制的鉆頭測溫裝置，在自制試件中進(jìn)行鉆進(jìn)測試。研究表明鉆進(jìn)速度對鉆頭溫度變化影響很大，若推進(jìn)速度快，則單位孔長的鉆頭溫度偏低，反之鉆頭溫度偏高。上述研究都是基于鉆頭在巖石中的鉆進(jìn)過程。目前國內(nèi)對煤層中鉆頭鉆進(jìn)過程中的產(chǎn)熱鮮有研究。為此利用自制的隨鉆測溫裝置對取心管取心過程中取心管壁溫度進(jìn)行全程測量記錄。分析取心管壁溫度的變化過程。對低溫取心技術(shù)中冷凍劑量的確定提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 測溫裝置

測溫裝置如圖1，該裝置的主要功能就是實(shí)時測量記錄鉆孔取心過程中取心管壁的溫度變化，構(gòu)成該裝置的組件主要有：溫度傳感器、電路板、固定螺釘、隔熱陶瓷、不銹鋼管壁及附屬線路。

圖1 測溫裝置示意圖

1）溫度傳感器。測量范圍為0～300℃，測量誤差為±0.5℃，分別布置在測溫管上蓋及兩側(cè)管壁上，分別用于測量取心管內(nèi)部及外壁溫度。

2）電路板。用于存儲采集的溫度數(shù)據(jù)。

3）固定螺釘。分別在測溫管壁的溫度傳感器所對應(yīng)的管壁另一側(cè)設(shè)置了六棱螺釘，便于安裝拆卸溫度傳感器。

4）隔熱陶瓷。布置在測溫管上蓋溫度傳感器探頭出口，用于隔絕上蓋溫度對傳感器探頭的影響。

5）外壁。材質(zhì)為不銹鋼，兩端開口（有蓋），直徑為89 mm，長度為370 mm。直徑尺寸和取心管直徑尺寸相同。

在取心過程中該裝置一端與取心管連接，另一端與鉆桿連接。

2 取心管壁溫度測定試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)在河南焦煤集團(tuán)九里山煤礦進(jìn)行。九里山礦位于焦作礦區(qū)東部、太行山南麓，距離焦作市區(qū)18 km，井田面積17.5 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90萬t/a，2011年核定生產(chǎn)能力100萬t/a，截止2015年底可采儲量為6 245萬t。試驗(yàn)地點(diǎn)為二1煤層一水平一五采區(qū)東四工作面回風(fēng)巷。工作面煤層原始瓦斯含量為31 m3/t，煤層瓦斯壓力為1.74 MPa，煤層瓦斯吸咐常數(shù)a=41.841 m3/t，b=0.985 MPa-1，煤的灰分Ad=7.64%，揮發(fā)分V=11.19%，水分W=1.87%。煤層透氣性系數(shù)0.2～0.457 m2/（MPa2·d），鉆孔瓦斯流量 0.015～0.04 m3/(min·hm），衰減系數(shù) 0.012 6～0.038 9 d-1，煤層透氣性差，抽采較為困難。

2.2 取心鉆孔布置及施工

考慮到測溫裝置外徑較大（φ89 mm），鉆桿外徑較小（φ73 mm）。兩者通過變徑連接，在取心退鉆過程中可能發(fā)生卡鉆情況,且當(dāng)取心深度越大，發(fā)生卡鉆概率越大，并考慮到測溫裝置的續(xù)航時間;設(shè)計(jì)取心深度為10、20、30 m。在東四工作面回風(fēng)巷163、164、165 m處各布置1個傾角為12°的取心鉆孔，對比不同取心深度取心管壁溫度變化情況。試驗(yàn)鉆機(jī)為鐵福來ZDY4500LXY履帶式液壓鉆機(jī)，額定轉(zhuǎn)矩為 1 000～4 500 N·m，額定轉(zhuǎn)速為 60～215 r/min；擴(kuò)孔鉆頭直徑為φ112 mm，鉆桿直徑為φ73 mm，取心鉆頭直徑為108 mm，取心管直徑為φ89 mm，長度為1.5 m，取心管以及測溫裝置和鉆桿之間通過變徑接頭連接。

首先使用鉆機(jī)在設(shè)計(jì)位置施工鉆孔，鉆孔深度達(dá)到10 m時停止鉆進(jìn)取出鉆桿將鉆頭取下，換上取心管及測溫裝置，然后鉆機(jī)工作將取心管及測溫裝置向鉆孔中推進(jìn)，待取心管推進(jìn)至10 m深后，繼續(xù)鉆進(jìn)取心管開始取心。取心結(jié)束后推出鉆桿取出煤樣。然后依次以相同鉆速測定取心深度為20、30 m的取心管壁溫度。

3 取心管取心過程管壁溫度變化分析

根據(jù)上述試驗(yàn)步驟，利用測溫裝置記錄了取心管取心過程中取心深度為10、20、30 m時的溫度變化數(shù)據(jù)，取心過程取管壁溫度變化曲線如圖2。

分析圖 2（a）～圖 2（c）可以看出，改變?nèi)由疃龋⌒墓苋⌒倪^程中管壁溫度變化趨勢一致，主要分為3個階段，溫度緩慢上升階段、快速上升階段和緩慢下降階段。

如圖2（a），當(dāng)取心深度為10 m時：①在階段Ⅰ中，管壁溫度比較穩(wěn)定，此階段對應(yīng)著安裝取心管及測溫裝置的過程，管壁溫度由試驗(yàn)地點(diǎn)環(huán)境溫度決定；②在階段Ⅱ中，管壁溫度緩慢上升，此階段對應(yīng)著推進(jìn)取心管至取樣位置的進(jìn)鉆過程，雖然在取心之前已經(jīng)施工過取心鉆孔，但孔內(nèi)仍有殘留的煤渣，與此同時，在鉆桿退出之后，受地壓、重力等因素的影響，孔洞會發(fā)生形變，從而導(dǎo)致在取心進(jìn)鉆過程，取心管壁會與孔洞內(nèi)壁及煤渣摩擦，造成其溫度緩慢上升；③在階段Ⅲ中，溫度快速上升，此階段對應(yīng)著取心管采集煤樣的過程，在該過程，取心鉆頭切削煤層、管壁與煤層劇烈摩擦產(chǎn)生大量熱量使管壁溫度迅速上升，采樣結(jié)束時其溫度升至最高值；④在階段Ⅳ中，溫度緩慢下降，此階段對應(yīng)著將取心管退出鉆孔的退鉆過程，在該過程，由于本次試驗(yàn)選用的取心管、測溫管的外徑大于鉆桿，受到圍壓、應(yīng)力等因素的影響，孔洞在退鉆之前會發(fā)生形變，因此在退鉆過程取心管壁與孔洞仍有摩擦，同時，孔洞內(nèi)的溫度經(jīng)過剛剛的采集煤樣過程仍然處于較高溫度，取心管內(nèi)的煤心溫度也比較高，這些因素的存在都會作用于取心管壁，向其輸入熱量，該過程熱量的輸入強(qiáng)度不足以使管壁溫度繼續(xù)升高，但會阻礙管壁的自然冷卻，造成其溫度緩慢下降。

圖2 取心過程取心管壁溫度變化曲線

取心過程各階段所需時間及溫變速率見表1。

表1 取心過程不同階段所需時間及溫變速率

結(jié)合圖2（d）及表1中數(shù)據(jù)可以看出：

1）不同取樣深度，采集煤樣過程所需時長基本相同，均為3 min左右。這是因?yàn)槿⌒墓艿拈L度固定，都為1.5 m，且鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速及推進(jìn)速度都是一致的，因此采集相同長度相同質(zhì)量的煤心所需的時間也基本一致。取心管壁最高溫度隨取樣深度的增加而增加，在此次試驗(yàn)中最高溫度出現(xiàn)在取樣深度為30 m時的煤樣采集過程中，取心管壁最高溫度為98.32℃。

2）同一取樣深度，進(jìn)鉆時長小于退鉆時長，進(jìn)鉆時的升溫速率高于退鉆時的降溫速率。這是因?yàn)樵谶M(jìn)鉆時施工人員安裝鉆桿的時間比退鉆時卸鉆桿所需時間短，導(dǎo)致進(jìn)鉆時間小于退鉆時間。在進(jìn)鉆之前，取心管壁處于常溫環(huán)境之中，在進(jìn)鉆過程中，雖然在取心之前利用大直徑鉆頭（φ112 mm）工過取心孔，但隨著鉆桿的退出，孔洞受到應(yīng)力影響會發(fā)生形變，截面積減小，同時可能會出現(xiàn)塌孔等情況，造成在推進(jìn)取心管時孔洞與管壁仍然會發(fā)生劇烈摩擦，使管壁溫度迅速上升，在采集煤樣結(jié)束時管壁溫度達(dá)到最高值。在退鉆過程，管壁通過自然冷卻降溫，此時孔洞內(nèi)的溫度經(jīng)過剛剛的采集煤樣過程仍然處于較高溫度，其與管壁的溫差要低于進(jìn)鉆時管壁與摩擦接觸面的溫差，同時在退鉆時管壁與孔洞仍有摩擦，阻礙了管壁的自然冷卻速度，因此退鉆降溫速率低于進(jìn)鉆升溫速率。

4 結(jié)語

1）取心過程溫度變化主要分為3個階段，溫度緩慢上升階段、快速上升階段和緩慢下降階段，分別對應(yīng)著進(jìn)鉆、取心和退鉆過程。

2）取心管壁最高溫度隨取樣深度的增加而增加，在試驗(yàn)中最高溫度出現(xiàn)在取樣深度為30 m時的煤樣采集過程中，取心管壁最高溫度為98.32℃。

3）同一取心深度，取心過程進(jìn)鉆所需時長小于退鉆所需時長，進(jìn)鉆時升溫速率高于退鉆時的降溫速率；不同取心深度采集煤樣所需時間基本一致。