含瓦斯煤低温取芯过程煤芯温度变化规律实验研究*

王兆丰，刘 勉，韩恩光，马向攀

(1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作454000；2.煤矿灾害预防与抢险救灾教育部工程研究中心，河南 焦作454000)

0 引言

煤层瓦斯含量是煤矿治理的基础参数[1]，是瓦斯突出危险性区域预测、区域防突措施效果检验的主要指标，对于预测突出危险性具有良好的敏感性[2]。因此，煤层瓦斯含量的测定十分重要。目前测定瓦斯含量的方法主要采用《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》(GBT 23250—2009)[3-4]，其具有测定速度快、布点受地质条件影响小等优点[5]，但该方法在钻孔取芯过程中会使煤样温度升高，引起瓦斯放散量过多，导致损失量推算出现偏差，从而造成煤层瓦斯含量测值不准确[6-7]。

基于煤的瓦斯放散速度随温度升高而增加的性质[8-12]，王兆丰等[13-14]提出了低温(0℃及以下)取样方法，以期通过降温抑制瓦斯放散来提高瓦斯含量测值的准确性。前期结果表明，低温取样可以增加煤对瓦斯的吸附性能，减慢瓦斯放散速度，尤其是对解吸初期影响较大，低温对煤中的瓦斯放散具有抑制作用；康博等[15]研究发现降低环境温度可以增加煤的瓦斯吸附能力，减少井下钻孔取芯过程的漏失瓦斯量。这些研究为低温环境取芯打下了坚实的理论基础。

煤芯温度和取芯时间是影响取芯过程瓦斯损失量的主要因素。本文采用自制低温取芯模拟装置，模拟井下钻孔取芯过程中的热力学过程，研究不同外热输入强度下的含瓦斯煤低温环境取芯过程煤芯温度变化规律，为低温取芯煤芯瓦斯解吸规律的研究提供温度变化依据。

1 实验过程热力学分析

1.煤样；2.取芯管外壁。

为了减少取芯过程瓦斯的损失量，既需要隔绝打钻过程摩擦热量对煤芯温度的作用，又需要使煤芯温度降低。如图2所示，通过改造取芯管，在煤样与取芯管壁之间预留一定体积的空仓，添加制冷剂为煤样创造低温环境。在本实验中通过在取芯管外壁布置1层加热带模拟打钻过程的摩擦热。因此，在实验过程中，煤样主要受到来自加热带输出热量的作用和制冷剂吸收热量的作用。可把煤样、制冷剂、加热带、模拟装置(包含冷冻罐罐壁、煤样罐罐壁，材质为不锈钢，导热系数为16.28 (W·m-1·K-1)，实验中主要用于热量传递)视为1个热力学系统。

1.煤样；2.取芯管外壁；3.冷冻剂；4.隔热层；5.加热带。

对于该系统，系统吸收的热量来自加热带输出的热量，热量进入系统后，系统内能改变，制冷剂消耗向系统外释放气体带走一部分能量。系统与外界之间既有能量传递，又有物质交换，因此是1个开口系统[18]。根据热力学第一定律，在一个时间段(Δt)内，储存在开口系统内的能量增大的值，必定等于进入开口系统的能量减去离开开口系统的能量[19]，即：

ΔU=Q1-Q2

(1)

式中：Q1为系统从外界吸收的热量，J；Q2为离开系统的热量，J；ΔU为系统内能增加量，J。

本实验的主要研究对象是低温取芯过程的煤芯温度变化，为研究方便，将系统简化为只包含加热带、冷冻剂和煤样3个研究对象。由公式(1)可推出煤芯的内能变化量等于加热带输入的热量与制冷剂吸收的热量之差，而内能的变化量决定着煤芯温度的变化。

(2)

煤芯温度变化主要分为2个阶段：降温和升温阶段。降温阶段指的是煤芯温度从初始温度降至最低温度的阶段，升温阶段是指煤芯温度从最低温度回升到初始温度的阶段。

实验过程中的制冷剂是定量的，当加热带热量输出强度增大时，其与制冷剂之间的温差变大，加热带输出的热量传递到制冷剂的速度增大，即加快了制冷剂的吸热速度，加速了煤芯温度的下降。

2 实验方法及过程

2.1 煤样与制冷剂选择

实验煤样选自山西吕梁市柳林县兴无煤矿4号煤层42110工作面。针对井下取芯管取芯，取出的煤样可以近似看成型煤，因此，本实验通过专用模具将采集煤样压制成型煤进行实验，并选用干冰作为制冷剂。

2.2 实验装置

依托自行搭建的低温取芯模拟装置进行实验，实验装置示意图如图3所示。

1.甲烷瓶；2.充气罐；3.数据采集器；4.加热带温度显示器；5.无级调压器旋钮；6.加热带；7冷冻罐；8.煤样罐；9.真空计；10.真空泵；11.解吸仪；12，13.压力表；14.压力传感器；15.温度传感器；16.隔热层；a,b,c,d,e,f.阀门；g.玻璃三通阀。

实验装置主要可以分为以下几个部分：

1)真空脱气系统

该系统主要负责充气罐、煤样罐及实验管路的真空脱气，主要由真空规管、复合式真空计、真空泵等构成；模拟实验过程中的实验管路、充气罐、煤样罐的体积标定均由该系统承担。

2)定量充气系统

定量充气系统主要由甲烷瓶(浓度99.99%)、压力表、充气罐、管路以及阀门等组成。该系统的主要功能是往煤样罐中充入定量甲烷气体，确保煤样罐中煤与甲烷在某一压力下吸附平衡。

3)数据采集系统

构成数据采集系统的组件主要有：温度传感器、压力传感器、数据采集箱、计算机(含显示器)及附属线路。

4)加热控制系统

该系统主要由加热带温度显示器、无极调压器、电源及相关线路组成。

5)模拟系统

模拟系统是整个模拟装置的核心部分。该系统主要由加热带、冷冻罐、隔热层、煤样罐、温度传感器以及相关连接管路组成。

2.3 实验步骤

1)将采集的煤样压制成型煤后，对煤样进行干燥、称重、装罐，在确保装置气密性完好密闭的情况下，对煤样真空脱气。

2)设定系统温度。在开启加热带电源后，通过调节无级调压器旋钮设置加热强度，使加热带温度保持在30℃。

3)充气吸附平衡。通过高压充气系统使气体充入煤样罐内，同时关闭充气罐阀门，保持煤样在此温度下吸附瓦斯，当煤样罐内压力达到2.0 MPa且保持3 h不变时，即认为煤样达到吸附平衡。

4)添加制冷剂，设置加热带加热强度。迅速在煤样罐外的冷冻仓内加入1.5 kg干冰，并确保填充均匀。添加完成后调节无级调压器旋钮至刻度5。

5)数据监测。通过布置在煤样中央的温度传感器记录煤芯温度变化，直至煤芯温度恢复至初始温度。

6)重复步骤1)～5)，依次改变吸附平衡压力为1.5，1.0和0.5 MPa，每个吸附平衡压力下开展不同加热强度(55.87，128.95，214.96 W)的实验，全部做完，实验结束。

3 实验结果及分析

3.1 外加热源热量输出强度对煤芯温度变化的影响

在添加定量制冷剂的基础上，分别在吸附平衡压力为2.0，1.5，1.0和0.5 MPa时，通过改变外加热源热量输出强度，观测煤芯温度变化情况如图4所示。

3.1.1 变温时间分析

从图4可以看出，在实验过程中，煤芯温度变化主要分为2个阶段：降温和升温阶段。各阶段所需时间及最低温度点具体数值见表1。

图4 各吸附平衡压力下，不同外加热源热量输出强度煤芯温度变化特性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 变温过程中降温时间与升温时间Table 1 The cooling time and heating up time during temperature-changing process

在降温阶段，降温时间随着外加热源输出热量强度的增加均减小，如图5所示，加热源热量输出强度为55.87 W时各压力对应的降温时间明显大于128.95 W时的降温时间；更能够说明这一点的是降温时间的平均值随热量输出强度的增加而减小：55.87，128.95，214.96 W时各平衡压力下煤芯的平均降温时间分别为74.67，68.41，62.18 min。这是因为随着外加热源输出热量强度的增加，加热带与干冰之间的温差变大，传热速率加快，单位时间内干冰吸收的热量增加，其升华速度加快，吸热速度也加快，促进了煤芯温度的下降。

图5 降温时间与外加热源输出热量强度关系Fig.5 The relation charts between cooling time and the heat output intensity of the external heat source

在升温阶段，如图6所示，不同外加热源热量输出强度对煤芯温度的影响十分明显。热量输出强度越低，升温所需时间越长，热量输出强度越高，则所需时间越短。例如，当吸附平衡压力为2.0 MPa、输出热量强度为55.87 W时，从最低温度恢复至20℃所需时间为216 min；输出热量强度为128.95 W时，从最低温度恢复至20℃所需时间为122 min，远小于输出热量强度为55.87 W时的状态；同样，当输出热量强度调至128.95 W时，升温时间更短。这是因为当煤芯在逐渐降温的过程中，干冰不断消耗，制冷强度逐渐降低。升温过程所需要的热量基本都是由加热带所输出的热量提供，加热带的热量输出强度越大，其与干冰温差越大，传热速率越高，加快了干冰的升华速度，从而加速了煤芯的降温，而干冰是定量的，煤芯的降温时间就随之缩短，升温开始时间较之热量输出强度较低时提前。在升温过程中，干冰升华吸收的热量小于加热带通过气体传递到煤样罐上的热量，随着升温过程的进行，热量输出强度越大，加热带在单位时间传递的热量越大，既加快了干冰的消耗速度，也增加了煤芯吸收的热量，升温速度也就越快，升温所需时间也随之缩短。

图6 升温时间与外加热源输出热量强度关系Fig.6 The relation charts between heating up time and the heat output intensity of the external heat

综合煤芯降温升温2个阶段，可以看出，在同一吸附平衡压力下，保持外加热源热量输出强度恒定，煤芯降温所需时间要小于升温所需时间。例如当吸附平衡压力为0.5 MPa、加热强度为55.87 W时，降温时间为81.65 min，升温时间则需要238.43 min。这是在因为降温过程中，煤芯吸收的冷量直接来自于干冰，干冰与煤样之间直接接触，传热效率较高。与此同时，加热带输出的热量促进了干冰的升华，即加快了煤芯温度的下降速度。随着干冰的逐渐消耗，其制冷强度逐渐衰减，加热带的热量输出强度保持恒定，煤芯温度下降速度减慢直至停止，煤芯开始升温。当干冰消耗到一定程度时，加热带与煤芯之间干冰消耗掉的部分就形成了1个存在气体的空间，随着干冰的消耗，这个空间会越来越大直至充满整个冷冻罐，加热带不能与煤芯直接接触，热量只能通过气体传递，效率较低，升温时间就较长。

3.1.2 低温环境持续时间分析

温度对煤芯瓦斯的吸附解吸有很大的影响。温度越高，瓦斯解吸速度越快，反之，则会抑制瓦斯解吸。因此，煤芯处于低温状态的持续时间对于整个取芯过程十分重要，持续时间越长，瓦斯解吸在低温环境中的抑制时间越长，取芯过程中的瓦斯损失量就会越小。根据图4所示，外加热源热量输出强度越低，煤芯在低温环境中的持续时间越长，具体测试数值见表2。这是因为冷冻剂与煤芯之间的温度变化是1个热传递过程，煤芯维持低温状态主要源于干冰的吸热，带走煤芯的热量，外加热源热量输出强度的增大虽然促进了干冰的升华，加快了煤芯温度的下降速度，但也增加了干冰的消耗速度。在干冰定量的条件下，煤芯温度开始上升的时间提前，并且热量输出强度越大，加热带与煤样之间的传热速率越高，升温时间越短，处于低温环境的时间也就越少。

表2 煤芯温度在0℃以下持续时间Table 2 The coal temperature maintains below 0℃

3.2 吸附平衡压力对煤芯温度变化的影响

在外加热源热量输出强度恒定时，对不同初始吸附平衡压力(2.0，1.5，1.0，0.5 MPa)下的煤芯温度进行测试，以外加热源热量输出强度为128.95 W为例，煤芯温度变化曲线如图7(a)所示。

3.2.1 降温时间分析

如图7(a)所示，在外加热源热量输出强度恒定时，改变吸附平衡压力，煤芯均能在很短时间内降至0℃，均在8 min以内。例如，当吸附平衡压力为0.5 MPa时，煤芯温度从20℃降到0℃的时间为7.3 min；吸附平衡压力为1.0 MPa时，需要6.7 min。同样，如图5(b)所示，外加热源热量输入强度为128.95 W时，不同吸附平衡压力下煤芯降至0℃的时间均在8 min以内。这是因为如公式(2)所示，煤芯温度的变化主要是热量传递的作用，吸附平衡压力的变化对系统内热量传递的影响较小。

图7 不同外加热源热量输出强度下，不同吸附平衡压力煤芯温度变化特性对比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 低温(0℃及以下)环境持续时间分析

由图7(a)可以看出，保持外加热源热量输出强度恒定，在不同吸附平衡压力下的煤样在低温环境中的持续时间都能保持在130 min以上。例如，加热强度为128.95 W时，在吸附平衡压力为1.0 MPa的情况下，低温环境持续时间为168 min，吸附平衡压力为1.5 MPa的情况下，低温环境持续时间为183 min。结合图7(b)及表2可以看出，改变吸附平衡压力，煤样均能在低温状态维持较长时间，可达到130 min以上。

3.3 煤芯温度变化规律分析

在实验过程中，如图4、图7所示，改变外加热源热量输出强度或者瓦斯吸附平衡压力，煤芯温度均呈“U”形变化，经历快速降温(初始温度降至0℃)、低温维持(0℃以下)和温度回升(最低温度升至初始温度)3个阶段。在不同外加热源热量输出强度或者瓦斯初始吸附平衡压力的条件下，快速降温阶段所需时间均在8 min以内，低温维持时间在130 min以上。这表明该模拟装置可以实现在压力多变的环境中短时间内将煤样温度降至0℃以下，且维持较长时间。

4 工程指导意义

为了提高取样质量及瓦斯含量测定的准确性，减少取芯过程瓦斯漏失量，基于煤对瓦斯吸附能力随温度降低而增强，瓦斯解吸速度随温度降低为减慢的认识，提出低温取芯技术，试图在取样过程中，利用制冷剂将煤芯温度迅速降低至0℃以下，抑制瓦斯解吸，减小取芯过程中的损失量。本实验通过研究低温取芯过程中的温度变化规律，为低温取芯技术在工程应用中提供了重要理论依据，即低温取芯技术可以在很短的时间内将取芯管内的煤样温度降低到0℃以下，并且使煤样保持在低温环境较长时间，根据实验结果可知，煤芯在不同的外加热源热量输出强度和吸附平衡压力下的降温时间均小于8 min，低温环境持续时间都可达到130 min以上，能够满足现场取芯的时间要求，并可适用于煤层瓦斯压力多变的环境。

5 结论

1)在定量冷冻剂的条件下，随着外加热源热量输出强度的增大，同一平衡压力下煤芯在低温(0℃及以下)环境持续时间减小，降温速度随着加热强度的增大而加快，降到所需低温环境(0℃及以下)的时间小于8 min。

2)保持外加热源热量输出强度恒定，改变吸附平衡压力，煤芯温度降至0℃的降温时间均小于8 min，处于低温环境中的时间都能稳定在130 min以上。

3)在模拟低温取芯过程中，煤芯温度呈“U”形变化，经历快速降温、低温维持和温度回升3个阶段。