王兆豐，劉 勉，韓恩光，馬向攀

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作454000；2.煤礦災害預防與搶險救災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參數(shù)[1]，是瓦斯突出危險性區(qū)域預測、區(qū)域防突措施效果檢驗的主要指標，對于預測突出危險性具有良好的敏感性[2]。因此，煤層瓦斯含量的測定十分重要。目前測定瓦斯含量的方法主要采用《煤層瓦斯含量井下直接測定方法》(GBT 23250—2009)[3-4]，其具有測定速度快、布點受地質條件影響小等優(yōu)點[5]，但該方法在鉆孔取芯過程中會使煤樣溫度升高，引起瓦斯放散量過多，導致?lián)p失量推算出現(xiàn)偏差，從而造成煤層瓦斯含量測值不準確[6-7]。

基于煤的瓦斯放散速度隨溫度升高而增加的性質[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值的準確性。前期結果表明，低溫取樣可以增加煤對瓦斯的吸附性能，減慢瓦斯放散速度，尤其是對解吸初期影響較大，低溫對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)境取芯打下了堅實的理論基礎。

煤芯溫度和取芯時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過程，研究不同外熱輸入強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 實驗過程熱力學分析

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留一定體積的空倉，添加制冷劑為煤樣創(chuàng)造低溫環(huán)境。在本實驗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，在實驗過程中，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?？砂衙簶印⒅评鋭?、加熱帶、模擬裝置(包含冷凍罐罐壁、煤樣罐罐壁，材質為不銹鋼，導熱系數(shù)為16.28 (W·m-1·K-1)，實驗中主要用于熱量傳遞)視為1個熱力學系統(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，又有物質交換，因此是1個開口系統(tǒng)[18]。根據(jù)熱力學第一定律，在一個時間段(Δt)內(nèi)，儲存在開口系統(tǒng)內(nèi)的能量增大的值，必定等于進入開口系統(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。

本實驗的主要研究對象是低溫取芯過程的煤芯溫度變化，為研究方便，將系統(tǒng)簡化為只包含加熱帶、冷凍劑和煤樣3個研究對象。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。

實驗過程中的制冷劑是定量的，當加熱帶熱量輸出強度增大時，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 實驗方法及過程

2.1 煤樣與制冷劑選擇

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

2.2 實驗裝置

依托自行搭建的低溫取芯模擬裝置進行實驗，實驗裝置示意圖如圖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.無級調(diào)壓器旋鈕；6.加熱帶；7冷凍罐；8.煤樣罐；9.真空計；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。

實驗裝置主要可以分為以下幾個部分：

1)真空脫氣系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要負責充氣罐、煤樣罐及實驗管路的真空脫氣，主要由真空規(guī)管、復合式真空計、真空泵等構成；模擬實驗過程中的實驗管路、充氣罐、煤樣罐的體積標定均由該系統(tǒng)承擔。

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、計算機(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、電源及相關線路組成。

5)模擬系統(tǒng)

模擬系統(tǒng)是整個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連接管路組成。

2.3 實驗步驟

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

2)設定系統(tǒng)溫度。在開啟加熱帶電源后，通過調(diào)節(jié)無級調(diào)壓器旋鈕設置加熱強度，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)，同時關閉充氣罐閥門，保持煤樣在此溫度下吸附瓦斯，當煤樣罐內(nèi)壓力達到2.0 MPa且保持3 h不變時，即認為煤樣達到吸附平衡。

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

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

6)重復步驟1)～5)，依次改變吸附平衡壓力為1.5，1.0和0.5 MPa，每個吸附平衡壓力下開展不同加熱強度(55.87，128.95，214.96 W)的實驗，全部做完，實驗結束。

3 實驗結果及分析

3.1 外加熱源熱量輸出強度對煤芯溫度變化的影響

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

3.1.1 變溫時間分析

從圖4可以看出，在實驗過程中，煤芯溫度變化主要分為2個階段：降溫和升溫階段。各階段所需時間及最低溫度點具體數(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 變溫過程中降溫時間與升溫時間Table 1 The cooling time and heating up time during temperature-changing process

在降溫階段，降溫時間隨著外加熱源輸出熱量強度的增加均減小，如圖5所示，加熱源熱量輸出強度為55.87 W時各壓力對應的降溫時間明顯大于128.95 W時的降溫時間；更能夠說明這一點的是降溫時間的平均值隨熱量輸出強度的增加而減?。?5.87，128.95，214.96 W時各平衡壓力下煤芯的平均降溫時間分別為74.67，68.41，62.18 min。這是因為隨著外加熱源輸出熱量強度的增加，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，促進了煤芯溫度的下降。

圖5 降溫時間與外加熱源輸出熱量強度關系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度對煤芯溫度的影響十分明顯。熱量輸出強度越低，升溫所需時間越長，熱量輸出強度越高，則所需時間越短。例如，當吸附平衡壓力為2.0 MPa、輸出熱量強度為55.87 W時，從最低溫度恢復至20℃所需時間為216 min；輸出熱量強度為128.95 W時，從最低溫度恢復至20℃所需時間為122 min，遠小于輸出熱量強度為55.87 W時的狀態(tài)；同樣，當輸出熱量強度調(diào)至128.95 W時，升溫時間更短。這是因為當煤芯在逐漸降溫的過程中，干冰不斷消耗，制冷強度逐漸降低。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，煤芯的降溫時間就隨之縮短，升溫開始時間較之熱量輸出強度較低時提前。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，隨著升溫過程的進行，熱量輸出強度越大，加熱帶在單位時間傳遞的熱量越大，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，升溫所需時間也隨之縮短。

圖6 升溫時間與外加熱源輸出熱量強度關系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度恒定，煤芯降溫所需時間要小于升溫所需時間。例如當吸附平衡壓力為0.5 MPa、加熱強度為55.87 W時，降溫時間為81.65 min，升溫時間則需要238.43 min。這是在因為降溫過程中，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，加熱帶輸出的熱量促進了干冰的升華，即加快了煤芯溫度的下降速度。隨著干冰的逐漸消耗，其制冷強度逐漸衰減，加熱帶的熱量輸出強度保持恒定，煤芯溫度下降速度減慢直至停止，煤芯開始升溫。當干冰消耗到一定程度時，加熱帶與煤芯之間干冰消耗掉的部分就形成了1個存在氣體的空間，隨著干冰的消耗，這個空間會越來越大直至充滿整個冷凍罐，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，升溫時間就較長。

3.1.2 低溫環(huán)境持續(xù)時間分析

溫度對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，則會抑制瓦斯解吸。因此，煤芯處于低溫狀態(tài)的持續(xù)時間對于整個取芯過程十分重要，持續(xù)時間越長，瓦斯解吸在低溫環(huán)境中的抑制時間越長，取芯過程中的瓦斯損失量就會越小。根據(jù)圖4所示，外加熱源熱量輸出強度越低，煤芯在低溫環(huán)境中的持續(xù)時間越長，具體測試數(shù)值見表2。這是因為冷凍劑與煤芯之間的溫度變化是1個熱傳遞過程，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度的增大雖然促進了干冰的升華，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間提前，并且熱量輸出強度越大，加熱帶與煤樣之間的傳熱速率越高，升溫時間越短，處于低溫環(huán)境的時間也就越少。

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

3.2 吸附平衡壓力對煤芯溫度變化的影響

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

3.2.1 降溫時間分析

如圖7(a)所示，在外加熱源熱量輸出強度恒定時，改變吸附平衡壓力，煤芯均能在很短時間內(nèi)降至0℃，均在8 min以內(nèi)。例如，當吸附平衡壓力為0.5 MPa時，煤芯溫度從20℃降到0℃的時間為7.3 min；吸附平衡壓力為1.0 MPa時，需要6.7 min。同樣，如圖5(b)所示，外加熱源熱量輸入強度為128.95 W時，不同吸附平衡壓力下煤芯降至0℃的時間均在8 min以內(nèi)。這是因為如公式(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度下，不同吸附平衡壓力煤芯溫度變化特性對比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)時間分析

由圖7(a)可以看出，保持外加熱源熱量輸出強度恒定，在不同吸附平衡壓力下的煤樣在低溫環(huán)境中的持續(xù)時間都能保持在130 min以上。例如，加熱強度為128.95 W時，在吸附平衡壓力為1.0 MPa的情況下，低溫環(huán)境持續(xù)時間為168 min，吸附平衡壓力為1.5 MPa的情況下，低溫環(huán)境持續(xù)時間為183 min。結合圖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)維持較長時間，可達到130 min以上。

3.3 煤芯溫度變化規(guī)律分析

在實驗過程中，如圖4、圖7所示，改變外加熱源熱量輸出強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個階段。在不同外加熱源熱量輸出強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間均在8 min以內(nèi)，低溫維持時間在130 min以上。這表明該模擬裝置可以實現(xiàn)在壓力多變的環(huán)境中短時間內(nèi)將煤樣溫度降至0℃以下，且維持較長時間。

4 工程指導意義

為了提高取樣質量及瓦斯含量測定的準確性，減少取芯過程瓦斯漏失量，基于煤對瓦斯吸附能力隨溫度降低而增強，瓦斯解吸速度隨溫度降低為減慢的認識，提出低溫取芯技術，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。本實驗通過研究低溫取芯過程中的溫度變化規(guī)律，為低溫取芯技術在工程應用中提供了重要理論依據(jù)，即低溫取芯技術可以在很短的時間內(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)境較長時間，根據(jù)實驗結果可知，煤芯在不同的外加熱源熱量輸出強度和吸附平衡壓力下的降溫時間均小于8 min，低溫環(huán)境持續(xù)時間都可達到130 min以上，能夠滿足現(xiàn)場取芯的時間要求，并可適用于煤層瓦斯壓力多變的環(huán)境。

5 結論

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

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