冷冻取芯过程含瓦斯煤样温度场演化规律模拟研究.pdf

第4 6 卷第l 期 煤 炭学 报 V 0 1 ．4 6N o ．1 2 0 2 1 年1 月J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y J a n ．2 0 2 l 冷冻取芯过程含瓦斯煤样温度场演化规律模拟研究 王；J I 丰1 ’3 ⋯，王龙2 ，董家昕1 ，王俏1 1 ．河南理工大学安全科学与工程学院，河南焦作4 5 4 0 0 3 ；2 ．湘潭大学环境与资源学院，湖南湘潭4 1 1 1 0 5 ；3 ．煤矿灾害预防与抢险救灾教 育部工程研究中心，河南焦作4 5 4 0 0 3 ；4 ．煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心，河南焦作4 5 4 0 0 3 摘要冷冻取芯技术是一种能显著提高井下煤层瓦斯含量测定精度的取样技术，煤芯温度的高低 直接影响着取芯过程瓦斯损失量的大小。为了研究冷冻取芯过程煤芯温度场的演化规律，依托自 主研发的含瓦斯煤冷冻响应特性模拟平台，开展了不同管壁温度条件下的冷冻取芯煤芯降温物理 模拟试验；并通过建立含瓦斯煤芯气固耦合传热模型，借助C O M S O L 数值模拟软件对现场取样过 程中的煤芯温度场时空分布进行了预测。结果表明常规取芯时，煤芯内部轴向温度瓦随着轴向 高度血及时间￡的增加而升高，可采用P o l y 2 D 函数拟合；径向温度咒也随径向距离d ，￡呈P o l y 2 D 函数升高；当取芯管外壁温度为9 0 一1 5 0 ℃，取芯时长3 0m i n 时的煤芯中心温度分别高达4 6 ．3 ～ 6 2 ．o ℃，取芯时长6 0m i n 时，煤芯中心温度接近管壁的温度。冷冻取芯时，取芯管内的制冷剂能有 效隔绝外壁的切削摩擦热量，并使煤芯迅速降温，前6 0m i n 内为快速降温阶段，随后降温速度减 慢；煤芯内部沿轴向温度基本没有变化，而径向上存在明显的温度梯度，径向温度孔随径向距离 d ，f 的增加呈负指数下降。当冷源强度一定时，随着取芯管外壁温度降低，煤芯所能达到的极限低 温就越低，降温速度也越快；管壁温度分别为9 0 ，1 1 0 ，1 3 0 和1 5 0 ℃时，取芯时长3 0m i n 时煤芯中 心温度降至一2 7 ．3 0 ，一1 3 ．2 0 ，2 ．0 5 和1 6 ．8 0 ℃，取芯6 0m i n 时煤芯内部各点基本降至同一低温，煤 芯导热系数随环境温度降低呈线性减小。 关键词含瓦斯煤样；温度场；冷冻取芯技术；瓦斯含量；降温速度 中图分类号T D 7 1 2文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 l - 0 1 9 9 1 2 S i m u l a t i o no nt h et e m p e r a t u r ee v o l u t i o nl a wo fc o a lc o n t a i l l i n g g a sl nt n el r e e z l n gc o r l n gp r o c e s s W A N GZ h a o f e n g 。，3 ．- ，W A N GL o n 9 2 ，D O N GJ i a x i n l ，W A N GQ i a 0 1 1 ．s 如o o f 矿5 咖桫s c i e ，黜伽dE n g i 船e 增，胁n n nP o 伽e 如n 泌‰妇琳妙，肋∞∞4 5 4 0 0 3 ，吼i 船；2 ．c D z z e 伊∥眈口i r o n 聊Ⅲn n d 尺哪o “删s ，x ；o 唧Ⅱn ‰i 一 僻倦i ￡y ，艇o n ∥肌4 1 l 1 0 5 ，肌i 加；3 ．肘D EE 增i n 钾 昭月∞e 口r c c e n ￡e ro ，c 0 口ZM i 耻D 如∞￡e r 胁孵玎￡如n 口凡dE 胱f 鲈n 叫胍c 耻， o ∞M o4 5 4 0 0 3 ，傩i 胍； 4 ．s ￡n 地c 0 耽6 。m 砌nm 几o ￡ n f 面n ＆n ￡e r 矿c o o f ％小J s 咖妒n n dc 如o n 一积拓n 可矾i 比Ⅱ￡i o n ， ∞z ∞ 4 5 4 0 0 3 ，m i 腿 A b s t r a c t F r e e z i n gc o r i n gt e c h n o l o g yi sak i n do fc o a l - s a m p l i n gm e t h o d ，w h i c hc a ns 培n i f i c a n t l yi m p m v et h em e a s u r e - m e n ta c c u m c yo fu n d e r g r o u n dc o a l b e dg a sc o n t e n t ．N o t a b l y ，t h et e m p e r a t u r eo fc o a lc o r ed i r e c t l ya f f b c t st h ei n h i b i t i o n e f 玷c to fg a sl o s s ．T oi n v e s t i g a t et h et e m p e r a t u r ee V o l u t i o n1 a wo fc o a lc o r ed u r i n gt h ef 琵e z i n gc o r i n gp m c e s s ，as e r i e s o fp h y s i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so fc o a lc 0 0 1 i n gu n d e rd i f k r e n tf ●e e z i n ge n v i r o n m e n t sw e r ec a Ⅱi e do u to nt h es e Ⅱ乙d e v e l o p e dp l a t f b 咖o ff } e e z i n gr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fc o a lc o n t a i n i n gg a s ，a n dt h e nag a s s o l i dc o u p l i n gm o d e lo fh e a t 收稿日期2 0 2 0 一1 2 一1 7修回日期2 0 2 卜0 卜1 3责任编辑钱小静D o I l O ．1 3 2 2 5 ／j c nk i j c c s ．Y G 2 0 ．1 9 6 5 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 2 0 7 4 1 0 7 作者简介王兆丰 1 9 6 3 一 ，男，湖南湘潭人，研究员，博士生导师。E m a i l w z f 3 9 8 8 1 6 3 ．c o m 通讯作者王龙 1 9 8 9 一 ，男，河南平顶山人，讲师，博士。E m a i l 1 8 3 3 6 8 6 0 5 9 6 1 6 3 ．c o m 引用格式王兆丰，王龙，董家昕，等．冷冻取芯过程含瓦斯煤样温度场演化规律模拟研究[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 l ，4 6 1 1 9 9 2 1 0 ， W A N GZ h a o f e n g ，W A N GI J o n g ，D O N CJ i a ] 【i n ，e ta 1 ．S i m u l a t i o no nt h et e m p e r a t u r ee v o l u t i o n1 a wo fc o a lc o n I a i n i n g g a si nl h ef r e e z i n gc 商n gp r o c e s s [ J ] ．J o u m a lo fc h i n ac o a lS 0 c i e t y ，2 0 2 1 ，4 6 1 1 9 9 2 1 0 ． 移动阅读 万方数据 2 0 0 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 t m n s i e rw a se s t a b l i s h e dw i t hC O M S O Ls o f t w a r et o p r e d i c tt h et e m p e r a t u r e6 e l dd i s t r i b u t i o no l c o a lc o r e ．‘I ’h er e s u l t s s h o wt h a ti nt h ec o n v e n t i o n a lc o r i n g ，t h ea x i a lt e m p e r a t u r eo fc o a lr i s e sw i t ht h ei n c r e a s ei na x i a lh e i g h ta n dt i m e ， w h i c hc a nb ef i t t e db yP o l y 2 Df u n c t i o n ，a n ds od o e st h er a d i a lt e m p e r a t u r e ．W h e nt h et e m p e r a t u r eo fc o r i n gt u b ew a U i s9 0 15 0 ℃，t h em i d p o i n tt e m p e r a t u r er e a c h e s4 6 ．3 6 2 ．0 ℃r e s p e c t i v e l ya t3 0m i n ，a n dt h e nt h em i d p o i n tt e m p e r a - t u r ei sc l o s et ot h et u b ew a l lt e m p e m t u r ea t6 0m i n ．W h i l ei nt h ef k e z i n gc o r i n g ，t h ec r y o g e ni nt h et u b ec a ne f k c t i V e - l yp r e v e n tt h eh e a to ft h et u b ew a l la n de n s u r et h ec o a lc o r ec o o ld o w nr a p i d l y ．T h et e m p e r a t u r eo fc o a lc o r er a p i d l y c o o l sd o w ni nt h ef i r s t6 0m i n ，a n ds u b s e q u e n t l yi te n t e r st h es l o wc 0 0 1 i n gs t a g e ．T h ea x i a lt e m p e r a t u r eo fc o a lh a r d l y c h a n g e s ，b u tt h e r ei sas i g n i 6 c a n tg r a d i e n ti nt h er a d i a lt e m p e r a t u r e ，w h i c hp r e s e n t san e g a t i v ee x p o n e n t i a ld e c l i n ew i t h t h er a d i a ld i s t a n c ea n dt i m e ．W h e nt h ef r e e z i n gi n t e n s i t yr e m a i n sc o n s t a n t ，t h ec o o l i n ge f f i c i e n c yo fc o a lc a nb ei m p m v e dw i t ht h ed e c I e a s ei nt h et u b ew a l lt e m p e r a t u r e ．W h e nt h et u b e w a l lt e m p e r a t u r ei s9 0 ，11 0 ，1 3 0a n d1 5 0 ℃，t h e t e m p e r a t u r eo fc o a lm i d p o i n td e c r e a s e st o 一2 7 ．3 0 ，一1 3 ．2 0 ，2 ．0 5a n d1 6 ．8 0 ℃r e s p e c t i v e l ya t3 0m i n ，a n dt h et e m p e r a t u r eo fe a c hp o i n ti nt h ec o a lc o r ea l m o s td e c r e a s e st ot h es a m ea f t e r6 0m i n ．M o r e o v e r ，t h es a m p l et h e 珊a lc o n - d u c t i V i t yl i n e a r l yd e c r e a s e sw i t ht h ea m b i e n tt e m p e m t u r e ． K e yw o r d s c o a lc o n t a i n i n gg a s ；t e m p e r a t u r en e l d ；f r e e z i n gc o r i n gt e c h n o l o g y ；g a sc o n t e n t ；c o o l i n gr a t e 煤层瓦斯含量是突出危险性区域预测、区域防突 措施效果检验和煤矿瓦斯危险程度评价的主要指标， 同时也是煤层气资源勘探开发不可或缺的基础参 数。2J 。近年来，因瓦斯含量测定结果失真导致煤层 瓦斯危险程度误评价，而引发的瓦斯事故屡见不 鲜旧J 。因此，煤层瓦斯含量的准确测定是开展瓦斯 防治的一项极为重要的基础工作。我国目前最常用 的井下直接法测定的煤层瓦斯含量由煤样井下瓦斯 解吸量、实验室残存瓦斯量以及取样过程的瓦斯损失 量3 部分组成H 。5J 。其中前2 者可实测，瓦斯损失量 则是根据煤样在井下前几分钟的解吸规律与取芯时 间推算得到，瓦斯损失量的推算结果受取样方式的影 响很大。 钻屑法取样操作简单但易混样，无法保证煤样 的纯净，其测定结果的可靠性难以保证∞。7 j 。取芯 管法能够实现煤层中定点取样，且取样深度也较 长，但取样过程中由于钻头切削煤体以及管壁与钻 孔壁摩擦等的生热，导致取芯管壁温度升高，加剧 了取样过程煤芯的瓦斯解吸速度，因此真实取芯过 程的瓦斯损失量比常温环境推算值更大旧。1 1 | ，当取 芯时间较长时，所取样品甚至出现不解吸的情况。 正压反循环压风取样2 。”o 和负压引射取样技 术4 叫纠既能够定点取样又可缩短取样时间，但对风 压要求较高，而且以煤芯在常压下的解吸规律来推 算超压或负压环境下的瓦斯损失量与实际不符。 密闭液密闭等保压取芯技术目的是阻止或减少取 芯过程的瓦斯漏失”1 7J ，但密闭液有时不能将煤芯 完全包裹，甚至还会污染煤样，此方法尚未被工程 应用所接受。为抑制取样时管壁升温对煤样瓦斯 损失量推算造成的不良影响，学者们又提出了风水 联动雾化取芯装置8 。1 9J ，通过风力作用雾化高压水 使煤芯降温，但该装置较为繁琐，况且水雾对含瓦 斯煤具有渗吸效应心0 。2 1 】，可将吸附态瓦斯置换出， 促进煤芯瓦斯解吸，会带来新的瓦斯损失量推算误 差。 2 0 1 2 年，笔者团队提出了冷冻取芯煤层瓦斯含 量测定技术心2 。24 | ，即当钻进至预定取芯位置后，换 上冷冻取芯器完成钻削取样，煤芯在制冷剂作用下 迅速降至。以下，尽可能地减缓取芯过程中煤芯瓦 斯解吸，降低瓦斯损失量。该技术目前已在实验室 取得了一系列阶段性成果系统考察了以干冰为冷 源的制冷效果旧5 。2 6 1 ；随后采用外加热源内置干冰的 方法，研究了煤芯在多热源环境下的解吸特性，证 实了冷冻取芯技术能够有效抑制瓦斯解吸旧7 。2 8 1 ；自 主研发了含瓦斯煤冷冻响应特性模拟平台，研究并 建立了变温环境煤芯瓦斯解吸理论模型；研发了多 种型号的冷冻取芯器。 冷冻取芯过程煤芯温降幅度和快慢，不但影响取 芯过程煤芯瓦斯损失量的大小，而且关系到制冷方式 及冷冻剂量优化和瓦斯损失量合理推算模型的建立， 因此明确冷冻取芯过程中煤芯温度场的演化规律极 为关键。笔者在自主研发的含瓦斯煤冷冻响应特性 测试平台上，开展了不同环境条件的冷冻取芯煤芯降 温模拟测试，并采用c o M s 0 L 多场耦合软件，对冷冻 取芯和常规取芯过程中煤芯温度场及其在轴向、径向 的时空分布特征进行了研究。 1 冷冻取芯煤芯温降模拟测试方法 1 ．1 模拟测试方法 冷冻取芯过程中，取芯管内制冷剂产生的冷 万方数据 第l 期王兆丰等冷冻取芯过程含瓦斯煤样温度场演化规律模拟研究 2 0 l 量，一部分要抵抗钻头的切削热和管壁与孔壁问 的摩擦热，另一部分用于使所取煤芯迅速降温，煤 中瓦斯是在冷热源共存的变温环境中解吸的。笔 者团队通过搭建测试平台，对煤芯同时施加冷、热 源，模拟煤芯在冷冻取芯环境下的变温过程，试验 的一般步骤为 1 对样品进行真空脱气，至1 0P a 以下； 2 将样品罐置于3 0 ℃恒温水浴中，向其反复 充入甲烷气体，直至罐内压力达到2M P a 并保持4h 不变，以模拟煤样在未暴露时的吸附平衡状态； 3 将低温反应浴温度设定为某一低温，然后根 据取芯过程实测的管壁温度曲线，开启程序升温油浴 模拟取芯管外壁切削摩擦热量，当油浴温度达到设定 高温时，开启循环泵将导热油引入反应器外夹套中， 样晶罐 同时将样品罐置于反应浴； 4 迅速扣‘开解吸阀门，模拟冷冻取芯过程，实 时监测煤芯不同测点的温度，采集时间间隔为1 5s ， 直至样品罐内的瓦斯不再解吸。 1 ．2 模拟测试设备 团队自主研发的含瓦斯煤冷冻响应特性测试平 台 图1 主要由真空脱气系统、注气吸附系统、程序 控温系统、解吸自动计量系统、自动旋转升降等辅助 系统组成，可实现冷冻取芯过程煤芯的传热模拟。控 温单元采用相互独立的双层夹套反应器营造出冷冻 取芯过程“外热内冷”的温度环境；内／外循环泵可迅 速将制冷反应浴内的冷却液和程序升温油浴内的高 温导热油分别引入到内、外反应夹套中，两夹套紧贴 但互不连通。 高温浴槽 H l 含瓦斯煤冷冻响应特性模拟平台 1 ．3 模拟测试参数 模拟试验的管壁温度条件是根据焦作九里山矿 二．煤层取样过程实测的取芯管温度数据选 取悼弘M ’J 图2 。当保持钻机转速为2 0 0l ／n l i n 、推进 速度0 ．1 7m ／m i n 时，钻孔深度为1 0 ～3 0m 时的管壁 中部传感器最高温度在5 5 ．3 ～9 8 ．3 ℃；且在取芯管 退出钻孔时仍保持高温，降温幅度在1 0 ℃以内。因 此，将模拟试验的加热油浴温度分别设定为6 0 ，7 0 ， 8 0 和9 0 ℃，模拟不同取芯深度时的取芯管外壁温 度。 而采用干冰接触制冷时，煤j 6 ；内部最终所达到的 极限低温为一3 6 ．8 ℃，如图3 所示旧6 l 。为了对比不 同管壁摩擦热温度 6 0 ～9 0 ℃ 对冷冻取j 占过程煤 芯温度的影响，将制冷反应浴的温度统一设定 为一4 0 ℃。根据取样地点的煤层原始瓦斯压力值，没 定含瓦斯煤芯的吸附平衡压力为2M P a 。 图2 取一出过程管壁温度变化曲线 F 嘻2T e m 旷1 1 a t u l l ec L l r v e s ’f l h et u } e w a l li n Ⅷ’i 【1 9p m c e s s 1 - 4 测试样品制备 取芯管在井下煤层取芯时由于钻机的推进挤压， 所取样品大多呈柱状，其物理力学性质与型煤较为相 似。试验样品选用焦作九里山矿二。煤层的无烟煤， 将其研磨筛选出粒径为0 ．1 8 ～0 ．2 5n 伸的煤样，并 向其添加适量蒸馏水搅拌均匀；将煤样装入型煤模具 暑一 里淞 一阀 、＆乏蚰一J ，H㈧幽 ∞∞∞加印如∞如加 p＼毯赠捌她 万方数据 2 0 2 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 4 0 2 0 O 2 0 4 0 6 0 8 0 矧3l ‘冰接触制冷煤芯温度变化【J | i 线 } 、i g ．3r 1 1 P 1 1 1 1 P r n t I I r Pc L l l ’V e s IJ ft ‘ a l 【。 ‘eh y 1 l 了i P1 ．P f ji g P r a I i o n 中，放置在压力加载机上施加与钻机给进力大致相同 约为8 0k N 的载荷，保压6 0 i n ；保压完成后卸载缓 慢退出模具，得到直径5 0 ㈨n ’高度】0 0H 规格的 型煤样品 图4 。为监测煤出内部温度，在确保样品 完整前提下，使用微型台钻在煤芯中心和距叶，心r ／2 处 r 为煤芯、卜径 分别钻进2 个直径2 ．5r n r l l ，深度 5 ．5n Ⅷ的小孔，以安设”1 0 0 型温度传感器。将制 备好的样品放置在1 0 5 ℃恒温箱内，干燥4 8h 后备 用。 2 冷冻过程煤芯温度测试结果及分析 2 ．1 煤芯降温曲线 不同冷冻取芯环境下，煤芯中心和r ／2 测点的温 度变化曲线如图5 所示。煤芯的降温曲线随时问延 长呈现负指数下降的趋势，可采用式 1 进行拟合， 结果见表l 。 7 1 正】e x I 一d ， f 1 式中，7 1 为煤芯任意时刻温度，℃；f 为曲线向下移进 量，即煤芯极限低温，℃；7 j ， f 为初始温度，℃；d 为降 温系数。 ≯ 蜊 赠 均 毯 图5不同锈 甓温度冷冻取芯过程煤芯降温曲线 F 唔5C 训i n g ．L l r v e so f 【1 1 P ㈣I f t - ⋯P 1 1 Ip o i n t si n 。m la Il Ⅲ0 I ．P ⋯f l e e z i l l gl P l l l l l P r a l u I ’e s 表l不同冷冻环境煤芯降温拟合曲线 T a b l el F i t t i n gc u r v e so fc o a lc o o l i n ga td i n 电r e n tf r e e z i n gt e n l p e r a t u r e s 取样过程中前6 0m i n 内为快速降温阶段，4 组试 验中煤芯在6 0n ，i n 时的温降均占总温降的8 0 ％以 上，煤芯制冷效果良好；随后进入缓慢降温阶段， 9 0t n i n 后煤芯降温基本停止。根据傅里| ；1 导热定律 可知，降温初期煤芯径向各点的温度梯度较大，冈此 传热较快；而各点的温差随着持续降温逐渐减小，导 致后期传热减慢。并且降温初期大量瓦斯解吸，也吸 收了部分煤芯热量，随后瓦斯的体积分数降低，参与 万方数据 第l 期乇兆f i 等冷冻取j 琶过程含瓦斯煤样温度场演化规律模拟研究 2 3 传热的气体分子减少。 当取芯管外壁温度分别为6 0 ，7 0 ，8 0 和9 0 ℃ 时，煤芯r ／2 测点在制冷剂作用下降至0 ℃所用时 长分别为1 8 ．5 ，2 3 ．0 ，2 6 ．o 和3 3 ．0n l i n ，降温速度分 别为I ．6 8 ，1 ．3 5 ，1 ．1 9 和0 ．9 4 ℃／n l i l l ；降至一1 0 ℃ 所用时长分别为2 6 ．5 ，3 3 ．o ，4 0 ．8 和5 2 ．Om i l l ，降温 速度分别为1 ．5 4 ，1 ．2 4 ，1 ．0 0 和0 ．7 9 ℃／m i l l 。而中 心测点降至o ℃所用时长分别为2 6 ，3 1 ，3 5 和 4 0n i 1 1 降温速度分别为1 ．1 9 ，1 ．0 0 ，o ．8 9 和0 ．7 8 ℃ ／m i n ；降至一l Oc c 所用时长分别为3 4 ．7 ，4 2 ．0 ，4 8 ．9 和6 0 ．2n l i n ，降温速度分别为1 ．1 8 ，0 ．9 8 ，0 ．8 4 和 0 ．6 8 ℃／m i 一，。当冷源强度一定时，随着管壁摩擦温 度降低，煤芯所能达到的极限低温就越低，降温速度 也越快。这表明较高的管壁摩擦热一定程度上削弱 了煤芯降温效果，制冷剂的冷量大部分要抵消取芯管 外热，只有一部分才能用于煤芯降温。 2 ．2 煤芯导热系数 导热系数是影响煤芯降温过程中热传导的重要 参数，它与环境温度相关一1 。根据实测的降温曲线 采用二分法。32 。逐步逼近，可求出不同冷冻环境下的 煤芯导热系数。二分法的原理为当样品罐温度为7 1 ， 时，首先对煤芯的导热系数范围进行赋值，取为A ．和 A ，；将其分别代入瞬态导热方程即可得到煤芯降温曲 线的计算值，并与试验结果对比，若试验曲线在2 条 模拟曲线之间，则证明煤芯导热系数A 在A I ～A ，否 则重新取值计算；然后取导热系数A 、 A 。 A ／2 ， 再次计算煤芯降温曲线，并观察试验曲线落人那个区 间，再以所落区间导热系数的l ／2 取值逐步逼近，最 终确定重合度最好的曲线所对应的导热系数即可认 为是7 T ．温度下的煤芯导热系数。 取芯外壁8 0 ℃时冷冻取j 占环境下，根据r ／2 测 点的降温曲线采用二分法逼近得到了该温度下的煤 i 芷导热系数；然后将其代入导热方程中模拟出中心测 点的温度曲线，并与实测的中心降温曲线进行对比， 检验结果的准确性，如图6 所示。可以看出，煤芯中 心降温模拟值与试验值基本重合，尺达到0 ．9 9 ，即二 分法适用于求解冷冻取芯过程中的煤芯导热系数。 降温初期前1 5m i n 左右的中心测点实测温度低于模 拟值，造成差值的原因在于瓦斯解吸从煤芯吸收部分 热量，一定程度上促进了煤芯降温，导致模拟值较实 测值偏高。 同样地，采用二分法可以得到不同冷冻环境 下无烟煤样品的导热系数，如图7 所示。导热系 数A 与环境温度7 1 。，的关系为A 0 ．4 0 l 0 ．0 0 5 丁。 p 型 鸡 均 鳖 图6 管壁8 0 ℃时二分法降温模拟值与实测值对比 F i g ．6C n l p a r i s o no fs i n l u l a t e 1a n d1 1 1 e a s u l ‘e 1v a l u e so fd i c h o t o m Ⅷsc o o l i l l ga t 【L 1 1 ew a l lt e n l p e r a I u r eo f8 0o C ， 2 ● 量 ■ ≥ ≤ 鼎 垛 毫； 曲 图7 冷冻环境下煤芯导热系数与温度的关系 F 嶙7 R e l a t i o nI e l w P P nt 1 1 ec o a lt 1 1 e l l l l a l ’ 1L l 【- f i V 时a n t e m p e r a t u I ’ei n 1 1 1 ef I e e z i n ge 1 1 v i I o nn l e n t 3 煤芯温度场分布数值模拟 因煤芯尺寸较小，不足以布置更多的温度传感器 来探究整个煤芯温度场的时空分布；并且取芯时由于 切削煤体，管壁温度从靠近钻头处沿轴向逐渐递 减I2 弘““，物理模拟试验采用低温浴和高温油浴控温， 无法实现样品罐壁温沿轴向梯度分布。为获得冷冻 取芯煤芯温度场分布，需对煤芯变温过程进行数值模 拟。并对试验条件下的测值与数值模拟结果进行比 对，检验数值模拟的可信度。 3 ．1 传热方程 冷冻取芯过程中，煤芯内部热传递为导热和瓦斯 对流换热2 种基本方式。为简化计算，将煤芯视为各 向同性的均质体，并忽略瓦斯解吸和膨胀所吸收的热 量。煤芯导热方程为 3 T p c ，兰 V 一AV7 1 一p c p 正l V7 1 Q 2 一￡ 式中，p 为煤芯密度，k g ／m 3 ；C 。为煤芯比热容，J ／ k g K ；H 为对流速度，n ／s ；V 丁为温度梯度；p 为 热功率密度，w ／m 3 低温环境几乎不存在热辐射，这 里 0 。 甲烷在样品罐内流动由纳维一斯托克斯流动方 万方数据 2 0 4 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 程控制，即 p 笔； p 1 f v H 一v p v 7 7 v 比 v “ 。 一 ∥￡ 孕 v “ ， 偌 j 粤 v p 比 o 3 c ，f 式中，V p 为气体压力梯度； 7 为动力黏度，P a s ；g 为 重力加速度，n ／s ；J 为切向应力张量。 3 ．2 降温传热模型 采用C O M S O LM L l t i p l l y s 豳多物理场耦合软件中 的热传递模块，在二维轴对称坐标下建立矩形集合 体，而后沿中心轴旋转得到了所需要的柱状煤传热模 型 图8 ，其尺寸与降温试验中的煤样大小相同；样 品罐壁厚2 ．5m t ，，，煤芯与样 f I I 罐壁夺隙间距l1 1 1 I n ； 罐内包含甲烷气体。为研究煤芯不同位置处的温度 变化规律，在含瓦斯煤传热模型中等距布置5 条垂直 观测线和4 条水平观测线，以监测煤芯径向及轴向各 点的温度。模型的上、下底面定义为绝热边界，模拟 参数见表2 。 烘．卷 ㈥8 含瓦斯煤j 出传热模 删 F 嘻8 H e a tt r a n s 忙l I n 0 1 P l “m h ‘ J f l t a i l l i n gg a s 3 ．3 基于模拟测试结果的数值模拟验证 冷冻取芯降温模拟试验中，样品罐四周浸没在均 匀的低温浴中，因此没有考虑煤芯沿轴向温度变化。 为验证含瓦斯煤传热模型的准确性，在与冷冻取芯降 温模拟试验相同的温度条件下 取芯管外壁温度 6 0 ～9 0 ℃，内壁一4 0c j C ，将煤芯径向等距测点的模 拟温度曲线与实测结果对比，如图9 所示。 由图9 可知，不同冷冻环境的煤芯r ／2 处和中心 测点的模拟降温曲线与对应，点处实测温度曲线基本 重合，拟合精度达到o ．9 9 ，即所建立的气固耦合传热 模型可靠，可以用来研究煤j 出在取芯过程中的温度场 分布特征。各等距测点的导热过程并非线性传导，沿 径向方向距离煤出小心越远，降温越快。随着降温进 行，1 2 0m i n 后各测点的温度最终降至同一低温，煤芯 内部达到热y J 平衡状态。 表2 煤芯降温传热模拟参数 T a b l e2S i m u l a t i o np a r a m e t e r so ft h ec o a lc I o l i n gm o d e I 参数 值 煤芯导热系数／ w m K “ 煤芯比热／ k J k g K “ 煤芯密度／ g ．t m 。 煤表面发射率 l I l 烷摩尔质f l ； ／ g ．1 1 ⋯l “ ⋯烷的常』l i 热／ k J k g K 。 ⋯烷的导热系数／ w 1 1 1 K “ ⋯烷的动力黏度／ P a s 样I l 罐密度／ g ．【1 1 1 l ’ 罐‘转导热系数／ w m K “ 样I 铺罐常压热弈／ k J k g K “ 罐l 棒表面发射率 U 巳 型 寤 均 鳖 j 。j 迅 小心模拟值 ，．／4 模拟值 ∥2 模拟值 3 4 模拟值 煤壁模拟值 _ ．一∥2 实测值 中心实测值 02 04 06 08 01 0 01 2 0 时问／m i n a 管壁6 0o C 冷冻取占 州川／m i n b 锐‘l 譬9 0 0 C 冷冻墩芯 图9不| I j 】冷冻环境煤芯各测点温度模拟值与实测值对比 F i g ．9C I m l p a r is I n s 1 fs i l l l L l k l I P Ia n 1m P a 吼1 1 1 e 【li P l l l p e r a ⋯I P o f ‘t a I J 1 ．Pa l 1 i f l o r P l l If J ‘e e z i l l g 1 0 n 1 i l i n s 3 ．4 常规取芯煤芯温度场 煤层井下取j 芷 过程巾，取芯管壁温度随取芯深 度、切削转速增加而升高 当取j 出深度6 0t n 时，管壁 温度达到1 5 0 ℃ ㈤。。为模拟深孔取样时的煤芯温 伽m”吣叫∞脚㈣∞5拍m 幔●O K 2幔7 O O 如 加 m 0 m 如 如∞ 万方数据 第1 期l i 兆丰等冷冻取芯过程含瓦斯煤样温度场演化规律模拟研究 2 0 5 度场演化，将验证过的含瓦斯煤传热模型中取芯符顶 端设为温度边界，最高温度分别设为1 5 0 ，1 3 0 ，1 1 0 和 9 0c c ，通过对退钻过程的管壁温变曲线拟合，将4 组 温度边界条件设置如下 管壁最高温1 5 0 ℃7 j ． 12 0 e x p 一o ．0 0 0l f 3 0 3 ．1 5 管壁最高温1 3 0 ℃．。 1 0 0 e x I 一0 ．0 0 02 z 3 0 3 ．1 5 管壁最高温1 1 0 ℃7 1 ．。 8 0 e x p 一0 ．0 0 03 ， 3 0 3 ．1 5 、7 ．．．、 4 管壁最高温9 0 ℃1 ． 6 0 e x p 一0 ．0 0 04 f 3 0 3 ．1 5 3 ．4 ．1 轴向温度分布 管壁温度为1 5 0 ℃时，常规取芯过程中第1 0 ， 2 0 ，3 0 和6 0m i n 时的煤j 卷及取芯管温度场剖面图如 图1 0 所示。由图1 0 可以看出，管壁温度由顶端至底 部逐渐降低，外壁热量从上到下传导。随着时问延 长，煤芯低温区域逐渐减小呈水滴形分布即沿轴 a 1 ，_ l O l l l i “ ▲4 1 61 6 4 0 0 3 8 0 3 6 0 一 V3 0 46 9 ▲4 0 3 ．3 8 ■4 0 0 3 9 0 3 8 0 3 7 3 6 0 B V3 3 4 2 心 蜊 赠 厦 嚣 向越靠近样 占罐顶部温度越高，沿径向越靠近罐壁温 度越高。3 0m i n 时，煤芯中点温度达到6 2 ℃；6 0r n i I ， 时煤芯内部各处均保持高温，样品罐内外温差不大。 这是由于煤芯初始温度较低，取芯过程中持续升温； 而样品罐比热较之煤芯低得多，降温也更快，取芯后 期热量山煤出逐渐传递至样品罐壁。 ▲4 0 9 ．5 8 4 型 I 世 赠 尽 暴 型 0 蜊 赡 匠 撂 图1 0铝；壁1 5 0 c 常规取j 卷过程样品罐温度场剖面 F i g ．1 0‘l 、e n l p e r a t u r e 1 j s t r i l u l i o nI r o f i l e I ’ft h ew h 1 e1 1 1 0 1 e li nt h t - ’o v P n t i o n a l c o r i l