瓦斯含量测定中取心管管壁温度变化特性研究.pdf

第 ４８ 卷第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ􀆱 ４８ Ｎｏ􀆱 ６ ２０２０ 年６ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊｕｎ.２０２０ 移动扫码阅读 马树俊ꎬ王兆丰ꎬ韩恩光ꎬ等.瓦斯含量测定中取心管管壁温度变化特性研究[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０２０ꎬ４８６ ９５－１０１􀆱 ｄｏｉ１０􀆱 １３１９９/ ｊ􀆱 ｃｎｋｉ􀆱 ｃｓｔ􀆱 ２０２０􀆱 ０６􀆱 ０１１ ＭＡ ＳｈｕｊｕｎꎬＷＡＮＧ ＺｈａｏｆｅｎｇꎬＨＡＮ Ｅｎｇｕａｎｇꎬｅｔ ａｌ.Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｒｉｎｇ ｔｕｂｅ ｗａｌｌ ｄｕｒｉｎｇ ｇａｓ ｃｏｎｔｅｎｔ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ [Ｊ]. Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０２０ꎬ４８ ６９５ － １０１􀆱 ｄｏｉ １０􀆱 １３１９９/ ｊ􀆱 ｃｎｋｉ􀆱 ｃｓｔ􀆱 ２０２０􀆱 ０６􀆱 ０１１ 瓦斯含量测定中取心管管壁温度变化特性研究 马树俊１ꎬ王兆丰１ꎬ２ꎬ韩恩光３ꎬ王 龙１ꎬ董家昕１ １. 河南理工大学 安全科学与工程学院ꎬ河南 焦作 ４５４０００ꎻ２. 煤矿灾害预防与抢险救灾教育部 工程研究中心ꎬ河南 焦作 ４５４０００ꎻ３. 中煤科工集团重庆研究院有限公司ꎬ重庆 ４０００３７ 摘 要为确定煤矿冷冻取心过程所需合理冷冻剂量ꎬ对取心管取心过程管壁温度变化特性研究是解 决此问题的关键ꎮ 使用自主研发的取心管自动测温装置ꎬ分别进行了取心深度为 ５、２０、４０ ｍ 下取心 管管壁温度测试下管阶段、切削阶段和退钻阶段ꎮ 通过建立取心管管壁传热模型ꎬ基于顺序函数 法求解二维非稳态导热反问题ꎬ验证并分析了取心过程管壁温度变化规律ꎮ 研究结果表明在下管阶 段ꎬ取心深度较大４０ ｍ时ꎬ存在取心管快速升温的现象ꎻ在切削阶段ꎬ不同取心深度下ꎬ取心管温度 均在切削进行一段时间后开始迅速升高ꎬ切削结束时升至最高值ꎻ在退钻阶段ꎬ取心管温降速度基本 相同ꎬ处于一个缓慢降温的状态ꎻ利用顺序函数法求解重构的取心管管壁模拟温度与现场实测温度吻 合良好ꎬ误差小ꎮ 研究结果可为煤层瓦斯含量测定低温冷冻取心装置的开发提供参考ꎮ 关键词冷冻取心ꎻ取心深度ꎻ管壁温度ꎻ顺序函数法ꎻ导热反问题 中图分类号ＴＤ７１２ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６２０２００６－００９５－０７ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｒｉｎｇ ｔｕｂｅ ｗａｌｌ ｄｕｒｉｎｇ ｇａｓ ｃｏｎｔｅｎｔ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ＭＡ Ｓｈｕｊｕｎ１ꎬＷＡＮＧ Ｚｈａｏｆｅｎｇ１ꎬ２ꎬＨＡＮ Ｅｎｇｕａｎｇ３ꎬＷＡＮＧ Ｌｏｎｇ１ꎬＤＯＮＧ Ｊｉａｘｉｎ１ １.Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＨｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＪｉａｏｚｕｏ ４５４０００ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＭＯＥ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ Ｄｉｓａｓｔｅｒ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ＲｅｓｃｕｅꎬＪｉａｏｚｕｏ ４５４０００ꎬＣｈｉｎａꎻ ３. Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＣｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＧｒｏｕｐꎬＣｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００３７ꎬＣｈｉｎａ 收稿日期２０１９－１１－２５ꎻ责任编辑王晓珍 基金项目国家自然科学基金资助项目５１２７４０９０ꎬ５１７０４１００ꎻ河南省高校科技创新团队支持计划资助项目１７ＩＲＴＳＴＨＮ０３０ꎻ河南省高等学校重 点科研资助项目１９Ｂ４４０００２ 作者简介马树俊１９９５ꎬ男ꎬ河南濮阳人ꎬ硕士研究生ꎮ Ｔｅｌ１８３３９７５５２６７ꎬＥ－ｍａｉｌ２５３６６２３３２８＠ ｑｑ.ｃｏｍ ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｄｏｓａｇｅ ｏｆ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｒｉｎｇꎬ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｓ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｂｅ ｗａｌｌ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ. Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｌｆ－ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｃｏｒｉｎｇ ｔｕｂｅꎬｔｈｅ ｃｏｒｉｎｇ ｔｕｂｅ ｗａｌｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｅｓｔ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ａｔ ｔｈｅ ｃｏｒｉｎｇ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ５ꎬ ２０ ａｎｄ ４０ ｍ ｌｏｗｅｒ ｔｕｂｅ ｓｔａｇｅꎬ ｃｕｔｔｉｎｇ ｓｔａｇｅꎬ ａｎｄ ｒｅｔｒａｃｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ. Ｂｙ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｂｅ ｗａｌｌ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｉｎｇ ｔｕｂｅꎬ ｔｈｅ ｉｎ￣ ｖｅｒｓｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｕｎｓｔｅａｄｙ ｈｅａｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｗａｓ ｓｏｌｖｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｎｇｅ ｌａｗ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｂｅ ｗａｌｌ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｉｎ ｔｈｅ ｔｕｂｅ ｌｏｗｅｒｉｎｇ ｓｔａｇｅꎬ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｏｒｉｎｇ ｄｅｐｔｈ ｗａｓ ｌａｒｇｅｒ ４０ ｍꎬ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｃｏｒｉｎｇ ｔｕｂｅ ｒｏｓｅ ｒａｐｉｄｌｙ. Ｉｎ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｓｔａｇｅꎬ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｒｉｎｇ ｄｅｐｔｈｓꎬ ｔｈｅ ｔｅｍ￣ ｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｉｎｇ ｔｕｂｅ ｂｅｇａｎ ｔｏ ｒｉｓｅ ｒａｐｉｄｌｙ ａｆｔｅｒ ａ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇꎬ ａｎｄ ｒｅａｃｈｅｄ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｖａｌｕｅ ａｔ ｔｈｅ ｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ. Ｉｎ ｔｈｅ ｗｉｔｈｄｒａｗａｌ ｓｔａｇｅꎬ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｒｏｐ ｒａｔｅ ｏｆ ｃｏｒｉｎｇ ｔｕｂｅ ｗａｓ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｔｈｅ ｓａｍｅꎬ ａｎｄ ｉｔ ｗａｓ ｉｎ ａ ｓｌｏｗ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｔａｔｅ. Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｔｅｍ￣ ｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｃｏｒｅ ｔｕｂｅ ｗａｌｌ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｉｎ ｇｏｏｄ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｍｅａｓ￣ ｕｒｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｗａｓ ｓｍａｌｌ.Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｒｅｅｚｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｒｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｇａｓ ｃｏｎｔｅｎｔ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｆｒｏｚｅｎ ｃｏｒｉｎｇꎻ ｃｏｒｉｎｇ ｄｅｐｔｈꎻ ｔｕｂｅ ｗａｌｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅꎻ ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄꎻ ｉｎｖｅｒｓｅ ｈｅａｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ５９ ２０２０ 年第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４８ 卷 ０ 引 言 煤层瓦斯含量不仅是我国煤矿瓦斯危险程度评 价、瓦斯灾害治理及煤层瓦斯资源开发利用不可或 缺的基础参数ꎬ还是煤与瓦斯突出危险性预测、区域 防突措施效果检验的主要指标[１]ꎮ 因此ꎬ瓦斯含量 测值的可靠性和准确性至关重要ꎮ 目前ꎬ井下煤层 瓦斯含量的测定方法主要有直接法和间接法[２]ꎮ 间接法由于煤层原始瓦斯压力测定工艺复杂且周期 较长、成功率低、成本高等原因ꎬ煤矿现场较少采用ꎬ 主要采用井下直接测定法[３－５]ꎮ ＧＢ/ Ｔ ２３２５０２００９ 煤层瓦斯含量井下直接测定方法规定煤矿井下 瓦斯含量测定须采用取心管取心法或其他验证有效 的定点取样方法[６]ꎮ 而在钻孔取心过程中ꎬ利用取 心管采集煤心会存在所取煤样一端长时间暴露ꎬ取 心钻头与煤壁切削产热以及取心管管壁与孔壁摩擦 生热导致取心管和管内煤样温度升高而加速煤样解 吸瓦斯并使煤产生变质的问题ꎬ这一点在工程实践 中已达成共识ꎮ 基于煤的瓦斯放散速度随温度升高而加快的性 质[７－１０]ꎬ文献[１１－１２]提出了冷冻０ ℃ 及以下取 心方法ꎬ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ꎮ 近年来ꎬ一些学者亦开展了低温 环境下０ ℃以下煤的吸附/ 解吸试验ꎮ 陈昌国[１３] 研究了－２１、０ ℃ 两个低温点无烟煤的瓦斯吸附性 能ꎬ发现随温度降低ꎬ瓦斯吸附量增加ꎬ吸附平衡时 间随之增长ꎻ文献[１４－１５]试验研究了低温条件下 煤中瓦斯解吸规律ꎬ证明低温下煤中瓦斯解吸速度 比常温和高温下慢许多ꎬ煤体冷冻取样技术的使用 能够实现对煤体瓦斯解吸的抑制ꎬ验证了冷冻取心 技术的合理性ꎻ文献[１６－１７]通过搭建高/ 低温瓦斯 吸附解吸试验平台ꎬ开展了低温、常温环境下煤中瓦 斯吸附/ 解吸特性研究ꎬ发现低温环境下温度对煤的 瓦斯吸附影响明显ꎬ温度越低ꎬ煤的瓦斯吸附量越 大ꎬ而解吸量、解吸率和解吸速度均越小ꎬ从理论上 证实了低温取心的可行性ꎻ文献[１８－１９]进行了不同 加热功率下冷冻取心过程瓦斯解吸试验模拟ꎬ发现变 温过程中煤心瓦斯解吸量变化分为前期增加、中期 稳定和后期增长 ３ 个阶段ꎬ但该程序变温条件缺乏现 场实测温度依据ꎬ与冷冻取心过程的温度边界条件相 差较大ꎮ 以上学者对低温环境下煤心吸附/ 解吸瓦斯 做了一定的研究工作ꎬ但冷冻取心过程是在既有外部 热源又有内部冷源的变温环境中进行的ꎬ针对此过程 取心管壁与煤壁摩擦的产热量、促使煤心降温所需合 理冷冻剂量并未进行考察ꎮ 基于此ꎬ采用自主研制的 取心管自动测温装置ꎬ开展钻孔取心过程中取心管管 壁温度变化特性研究至关重要ꎮ 确定取心管管壁温度分布有一定的困难ꎮ 由于 取心过程中取心管管壁与煤壁的剧烈摩擦影响ꎬ直 接在取心管表面放置热电偶传感器会使温度测量结 果有较大的误差ꎮ 传热学反问题方法为此类问题提 供了新思路ꎮ 因此ꎬ本研究通过在取心管管壁内部 布置 ｋ 型热电偶传感器ꎬ实现对管壁温度的实时测 定ꎬ并基于顺序函数法[２０]求解导热反问题ꎬ以取心 管内部测点处温度作为输入ꎬ直接反演取心管表面 热流密度ꎬ从而获得随时间和空间变化的取心管表 面温度分布ꎮ １ 试验装置 为了实时测定取心过程中取心管管壁及煤心温 度ꎬ自主研制了一套取心管自动测温装置ꎬ如图 １ 所 示ꎮ 该装置主要包括测温电路板和定制取心管ꎮ 测 温电路板主要由微控制单元模块、测温模块、数据存 储模块、实时时钟模块、电源模块等 ５ 个模块组成ꎻ 定制取心管和常规取心管形状相似ꎬ均为中空圆筒 状ꎬ直径 ７５ ｍｍꎬ长 ５００ ｍｍꎬ其前端可以通过螺纹连 接直径 ７５ ｍｍ 的取心钻头ꎬ定制取心管安装钻头后 长度为 ５７０ ｍｍꎬ如图 ２ 所示ꎮ 与常规取心管相比ꎬ 不同点如下 １末端通过螺纹连接测温电路板的外壳ꎬ而不 是普通钻杆ꎮ ２定制取心管管壁略微加厚ꎬ使用电脉冲沿取心 图 １ 取心管自动测温装置示意 Ｆｉｇ.１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｒｉｎｇ ｔｕｂｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ 图 ２ 定制取心管 Ｆｉｇ.２ Ｃｕｓｔｏｍｉｚｅｄ ｃｏｒｉｎｇ ｔｕｂｅ ６９ 马树俊等瓦斯含量测定中取心管管壁温度变化特性研究２０２０ 年第 ６ 期 管轴向方向打了２ 个深孔长度分别为２７５、１２５ ｍｍꎬ直 径为 １ ｍｍꎬ可以分别插入同孔深的 ｋ 型热电偶传 感器 Ｔ１和 Ｔ２测温范围 ０６００ ℃ꎬ用以测量取心 过程中取心管管壁不同位置处的温度ꎮ ３取心管末端预留一个带有螺纹的孔ꎬ可以固 定一个 ｋ 型传感器 Ｔ３ꎬ用以测量取心过程进入取心 管中的煤心温度ꎮ ２ 取心管管壁温度测定试验 ２.１ 试验场及钻孔布置 试验点选在焦煤集团九里山煤矿 １５０９１ 回风巷 道ꎮ 考虑到钻孔测温深度宜超出巷道调热圈深度及 测温装置的续航时间等两方面ꎬ分别设计了取心深 度为 ５、２０、４０ ｍ 的测温钻孔ꎬ在 １５０９１ 回风巷进行 顺层钻孔施工ꎬ钻孔间距为 １ ｍꎬ如图 ３ 所示ꎮ 图 ３ 取心钻孔施工示意 Ｆｉｇ.３ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｃｏｒｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ２.２ 试验过程 １在测温地点ꎬ使用 ９３ ｍｍ 钻头、７３ ｍ 钻杆 施工取心钻孔ꎬ待钻孔施工至 ４.５ ｍ 时ꎬ停止钻进并 利用压风清理钻孔ꎬ退出钻杆ꎮ ２迅速取下 ９３ ｍｍ 钻头ꎬ同时安装好取心管 自动测温装置ꎬ钻机工作ꎬ下管至钻孔底部ꎬ开始切 削孔底煤体进行取样测温ꎬ正常推进一个取心管长 度０.５ ｍꎮ ３取心结束后ꎬ将钻杆退出并卸下取心管ꎬ倒 出取心管中煤样ꎬ至此ꎬ取心深度为 ５ ｍ 下取心管管 壁温度测试工序结束ꎮ ４待取心管冷却至环境温度后ꎬ在相邻位置１ ｍ处ꎬ钻机以相同转速ꎬ重复步骤 １３ꎬ进行钻 孔深度分别为 ２０、４０ ｍ 的取心管管壁温度测试 作业ꎮ ３ 测温结果及分析 对本研究所进行的 ３ 组取心深度测温试验数据 整理分析ꎬ温度传感器 Ｔ１、Ｔ２和 Ｔ３的温度变化曲线 如图 ４ 所示ꎬ不同取心深度下各取心阶段测定的具 体数值见表 １ꎮ 图 ４ 取心过程中取心管温度变化曲线 Ｆｉｇ.４ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｃｏｒｉｎｇ ｔｕｂｅ ｄｕｒｉｎｇ ｃｏｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ 表 １ 取心过程中各阶段测温数据 Ｔａｂｌｅ １ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｄａｔａ ｉｎ ｅａｃｈ ｓｔａｇｅ ｏｆ ｃｏｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ 取心 深度/ ｍ 见煤温度下管阶段切削结束时温度切削阶段出孔温度退钻阶段全程最高温度 时长/ ｓＴ１/ ℃Ｔ２/ ℃Ｔ３/ ℃时长/ ｓＴ１/ ℃Ｔ２/ ℃Ｔ３/ ℃时长/ ｓＴ１/ ℃Ｔ２/ ℃Ｔ３/ ℃Ｔ１/ ℃Ｔ２/ ℃Ｔ３/ ℃ ５２１０２０.２２０.１２０.０１７９４８.４２５.０２３.３９９４５.２２５.４２２.４４８.４２５.０２３.４ ２０３８０２２.１２１.８２１.０１７０７５.０４０.３２３.８４０５４３.４２９.８２７.１７５.０４０.３３２.６ ４０７８８２５.４２６.４２３.３１６６９８.４５５.３２７.２９４６３７.４２２.０２１.３９８.４５５.３４０.９ 注Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３为温度传感器 Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３的温度读数ꎮ 由图 ４ 及表 １ 可以看出ꎬ不同取心深度下ꎬ温度 传感器 Ｔ１、Ｔ２和 Ｔ３温度变化规律基本趋于一致ꎮ 以 取心深度 ４０ ｍ 为例分析ꎬ在下管阶段ꎬ温度传感器 Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３在进钻分别进行 ２９０、３０１、３１８ ｓ 后开始升 温ꎬ至 ３３４、３４２、５２３ ｓ 时达到极大值ꎮ ７９ ２０２０ 年第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４８ 卷 此后开始降低ꎻ在切削阶段ꎬ切削开始时温度传 感器 Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３均缓慢升温ꎬ在取心管与孔底煤体分 别切削 ９４、１０７、１１６ ｓ 后开始快速升温ꎬＴ１、Ｔ２均在切 削结束时９５４ ｓ升至最高值 ９８.４、５５.３ ℃ꎬ而 Ｔ３在 切削结束一段时间后１ ０００ ｓ升至最高值 ４０.９ ℃ꎻ 在退钻阶段ꎬＴ１、Ｔ２及 Ｔ３温降速度基本相同ꎬ处于同 步缓慢降低状态ꎮ 笔者认为ꎬ当取心深度不大５、２０ ｍ时ꎬ下管 阶段取心管管壁与钻孔壁的摩擦产热量较小ꎬ对取 心管温度影响不明显ꎬ表明下管过程中ꎬ钻孔变形不 大ꎻ当取心深度较大４０ ｍ时ꎬ下管阶段 Ｔ１、Ｔ２及 Ｔ３ 存在明显升温现象ꎬ表明在下管过程中取心管受到 了孔洞变形的影响ꎬ取心管管壁与孔壁发生了剧烈 摩擦ꎬ导致取心管温度迅速升高ꎮ 当取心深度为 ２０、４０ ｍ 时ꎬ切削开始阶段 Ｔ１、Ｔ２存在缓慢升温现象ꎬ 其主要原因是ꎬ当取心钻头刚开始旋转切削孔底煤体 时ꎬ钻孔底存在有残留的破碎煤屑ꎬ孔底煤体不平整 且较松软ꎬ无法卡紧取心钻头ꎬ导致取心管及钻杆抖 动ꎬ使得取心管与孔壁发生撞击及摩擦并产生热量ꎬ 造成取心管管壁温度缓慢升高ꎮ Ｔ３温度变化滞后于 Ｔ１和 Ｔ２的主要原因是ꎬ一方面ꎬ传感器 Ｔ３处于取心管 末端ꎬ与 Ｔ１、Ｔ２相比距离取心钻头较远ꎬ取心钻头切削 孔底煤体产热需经热传导过程依次作用于 Ｔ１、Ｔ２和 Ｔ３ꎬ存在时间差效应ꎻ另一方面ꎬＴ１、Ｔ２布置于取心管 管壁内部ꎬ而传感器 Ｔ３处于取心管末端靠中心位 置ꎬ距取心管管壁较 Ｔ１、Ｔ２长ꎬ则取心管管壁与钻孔 壁摩擦生热会先作用于 Ｔ１、Ｔ２ꎬ然后才能传导至 Ｔ３ꎮ ４ 取心管管壁温度分布数值模拟结果及讨论 为了获得随时间和空间变化的取心管表面温度 分布ꎬ本研究通过建立取心管管壁传热模型ꎬ基于顺 序函数法求解导热反问题ꎬ并分析了模拟温度与实 测温度的误差ꎮ ４.１ 取心管管壁传热模型 对取心管管壁传热模型作如下假设①取心管 内壁与末端均绝热ꎻ②取心管外壁均匀受热ꎻ③假设 取心管外壁前 ３４ ｃｍ 受热相同ꎬ后 ２３ ｃｍ 受热相同ꎮ 以取心管半剖面为研究对象ꎬ如图 ５ 所示ꎮ 图 ５ 取心管传热半剖面示意 Ｆｉｇ.５ Ｈａｌｆ ｓｅｃｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｒｉｎｇ ｔｕｂｅ 取心管温度分布 Ｔｘꎬｙꎬｔ满足如下二维非稳 态导热控制方程[２１] ρｃ Ｔ ∂Ｔ ∂ｔ ＝ ∂ ∂ｘ λ Ｔ ∂Ｔ ∂ｘ ＋ ∂ ∂ｙ λ Ｔ ∂Ｔ ∂ｙ ０ ≤ ｘ ≤ Ｌｘꎬ０ ≤ ｙ ≤ Ｌｙꎬｔ ０１ 边界条件 ∂Ｔ ∂ｙ ＝ ０ ０ ≤ ｘ ≤ Ｌｘꎬｙ ＝ ０ꎬｔ ０ ∂Ｔ ∂ｘ ＝ ０ ｘ ＝ ０ꎬ０ ≤ ｙ ≤ Ｌｙꎬｔ ０ ∂Ｔ ∂ｘ ＝ ０ ｘ ＝ Ｌｘꎬ０ ≤ ｙ ≤ Ｌｙꎬｔ ０ － λＴ ∂Ｔ ∂ｙ ＝ ｑ １ｔ ０ ≤ ｘ ≤ ０.６Ｌｘꎬｙ ＝ Ｌｙꎬｔ ０ － λＴ ∂Ｔ ∂ｘ ＝ ｑ ２ｔ ０.６Ｌｘ≤ ｘ ≤ Ｌｘꎬｙ ＝ Ｌｙꎬｔ ０ ２ 初始条件 Ｔ ｘꎬｙꎬｔ０ ＝ Ｔ０ｘꎬｙ３ 式中ρ 为取心管材料密度ꎬｋｇ/ ｍ３ꎻｃＴ为随温度变 化的比热容ꎬＪ/ ｋｇ􀅱℃ꎻ ∂Ｔ/ ∂ｔ 为温度随着时间的 变化率ꎻλＴ为随温度变化的热导率ꎬＷ/ ｍ􀅱Ｋꎻ ∂Ｔ/ ∂ｘ 为温度在 ｘ 方向上的变化率ꎻ ∂Ｔ/ ∂ｙ 为温度 在 ｙ 方向上的变化率ꎻｘ 为长度方向上某点至原点 的距离ꎬｃｍꎻｙ 为厚度方向上某点距原点的距离ꎬ ｃｍꎻｔ 为时间ꎬｓꎻＬｘ和 Ｌｙ分别为取心管的长度和厚 度ꎬｃｍꎻｑ１ｔ和 ｑ２ｔ分别为取心管外壁前 ３４ ｃｍ 和 后 ２３ ｃｍ 的热流密度ꎬＪ/ ｍ２􀅱ｓꎻＴ０ｘꎬｙ为取心管 的初始温度分布ꎬ℃ꎮ ４.２ 反演取心管表面热流的顺序函数法 顺序函数法求解传热反问题是利用取心管内部 的 Ｎ 个测点在 Ｋ 个时刻的测量温度 Ｙｊꎬｋｊ ＝ １ꎬ２ꎬ ３ꎬ􀆻ꎬＮꎬｋ＝１ꎬ２ꎬ３ꎬ􀆻ꎬＫ反演 ｑ１ｔ和 ｑ２ｔꎮ 这里 取 Ｎ＝２ꎬ温度测点 Ｔ１和 Ｔ２位置如图 ５ 所示ꎮ 采用顺序函数法[２０]依次反演各个时刻的表面 热流ꎬ设 ｔｍ时刻前 ｍ－１ 个时刻的热流密度估计值 ｑ１ꎬｑ２ꎬ􀆻ꎬｑｍ－１和 ｔｍ－１时刻的温度分布已知ꎬ估计边 界热流 ｑｍ时ꎬ首先假定ｔｍꎬｔｍ＋ｒ －１内的热流密度变 化满足 ｑｍ ＝ ｑ ｍ＋１ ＝ 􀆻 ＝ ｑｍ＋ｒ－１ ４ 定义向量 ｑｊ ｑΤ ｊ ＝ｑｊ１ ꎬｑｊ２ ꎬ􀆻ꎬｑｊｎ ꎬ􀆻ꎬｑｊｐ [] ｎ ＝ １ꎬ２ꎬ􀆻ꎬｐ 式中ｐ 为每个时刻的待反演热流数ꎻｒ 为预先选择的未 来时间步ꎮ ８９ 马树俊等瓦斯含量测定中取心管管壁温度变化特性研究２０２０ 年第 ６ 期 定义 ｑｍ的目标函数 Ｊｑｍꎬ选择[ｔｍꎬｔｍ＋ｒ－１] 时间区间内的测量温度和计算温度之差的平方和作 为目标函数ꎮ Ｊｑｍ ＝ ∑ Ｎ ｊ ＝ １ ∑ ｒ ｉ ＝ １ Ｙｊꎬｍ＋ｊ－１ － Ｔ ｊꎬｍ＋ｉ－１ ｑｍ[] ２ ５ 式中Ｙｊꎬｍ＋ｉ－１和 Ｔｊꎬｍ＋ｉ－１ｑｍ分别为测点 ｊ 在 ｔｍ＋ｉ－１时刻 的温度测量值和计算值ꎮ 假定在求解区间ｔｍꎬｔｍ＋ｉ －１ 内热物性保持不 变ꎬ且 λ ＝ λ ｔｍ－１ꎬｃ＝ｃｔｍ－１ꎮ 将测点 ｊ 的计算温 度在 ｑｍ ＝ ｑ ０ ｍ处泰勒展开ꎬ得 Ｔｊꎬｍ＋ｉ－１ｑｍ ＝ Ｔｊꎬｍ＋ｉ－１ｑ０ ｍ ＋∑ ｐ ｎ ＝ １ Ｚｊꎬｉꎬｎｑｍｎ － ｑ０ ｍ ｎ [] ６ 式中 Ｚｊꎬｉꎬｎ＝ ∂Ｔｊꎬｍ＋ｉ－１/ ∂ｑｍｎ 为热流分量 ｑｍｎ单 位扰动下的测点温度响应值ꎮ 将式６代入式５ꎬ并令 ∂Ｊｑｍ / ∂ｑｍｎ ＝ ０ 可得 ｑｍ的求解表达式[２０]ꎮ ４.３ 取心管表面热流反演及温度预测 利用 Ｍａｔｌａｂ 软件并基于顺序函数法对取心管 管壁传热模型求解ꎬ其中计算参数如下 取心管管壁导热系数/ Ｗ􀅱ｍ －１ 􀅱Ｋ －１ ２１.５ 取心管管壁恒压热容/ Ｊ􀅱ｋｇ －１ 􀅱Ｋ －１ ５００ 取心管管壁密度/ ｋｇ􀅱ｍ －３ ７ ９００ 取心管管壁长度/ ｍ０.５７ 取心管管壁厚度/ ｍ０.０１ 长度方向上网格数５０ 厚度方向上网格数２０ 不同取心深度下取心管表面热流密度反演结果 如图 ６ 所示ꎻ基于反演的取心管表面热流密度ꎬ并在 此基础上重构了取心管表面温度ꎬ获得整个取心过 程中的取心管管壁温度分布ꎬ如图 ７ 所示ꎮ ４.４ 误差分析 为验证所建立取心管管壁传热模型的有效性ꎬ 对取心管管壁温度观测点模拟值与实测值进行百分 比误差分析ꎬ计算公式为 δ ＝ Ｔｍ － Ｔ ｚ Ｔｚ １００％７ 式中δ 为百分比误差ꎻＴｍ为模型计算的模拟温 度ꎬ℃ꎻＴｚ为取心现场实测温度ꎬ℃ꎮ 对图 ７ 中模拟温度与实测温度进行百分比误差 分析ꎬ结果如图 ８ 所示ꎮ 图 ６ 不同取心深度下取心管表面热流密度的反演结果 Ｆｉｇ.６ Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｈｅａｔ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｃｏｒｉｎｇ ｔｕｂｅ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｒｉｎｇ ｄｅｐｔｈｓ 图 ７ 取心管管壁温度分布 Ｆｉｇ.７ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｒｉｎｇ ｔｕｂｅ ｗａｌｌ ９９ ２０２０ 年第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４８ 卷 图 ８ 不同取心深度下温度观测点温度模拟值与实测值百分比误差 Ｆｉｇ.８ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｅｒｒｏｒ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｒｉｎｇ ｄｅｐｔｈｓ 由图 ８ 可以看出ꎬ当取心深度为 ５ ｍ 时ꎬ取心管 Ｔ１和 Ｔ２的模拟温度与实测温度的百分比误差基本 保持在 ３％以内ꎻ当取心深度分别为 ２０、４０ ｍ 时ꎬ取 心管 Ｔ１和 Ｔ２的模拟温度与实测温度的百分比误差 基本保持在 ２％以内ꎮ 证明了本研究所建立取心管 管壁传热模型的可靠性及反演求得取心管表面温度 分布的准确性ꎮ ５ 结 论 １开展了钻孔取心过程中取心管管壁温度测 试试验ꎬ试验发现ꎬ在下管阶段ꎬ当取心深度较大 ４０ ｍ时ꎬ存在取心管温度快速升高的现象ꎻ在切 削阶段ꎬ不同取心深度下ꎬ取心管温度均呈现出切削 进行一段时间后开始迅速升高ꎬ切削结束时升至最 高值的规律ꎻ在退钻阶段ꎬ取心管温降速度基本相 同ꎬ处于一个缓慢降低的状态ꎮ ２建立了预测取心管表面温度分布的传热模 型ꎬ基于顺序函数法求解导热反问题ꎬ以取心管测点 处温度作为输入ꎬ可以准确反演出整个取心过程中 取心管表面的热流分布情况ꎮ ３通过现场实测取心管温度与模型计算模拟 温度对比分析ꎬ结果表明ꎬ实测管壁温度变化曲线与 模拟结果吻合良好ꎬ误差小ꎬ证明了取心管管壁传热 模型的可靠性及反演所得取心管表面温度的准 确性ꎮ ４本研究不仅为确定冷冻取心过程所需合理 冷冻剂量提供了充实的试验基础ꎬ也为冷冻取心煤 心瓦斯解吸规律的研究提供了可靠的温度变化 依据ꎮ 参考文献Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ [１] 王兆丰ꎬ刘 军.我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨 [Ｊ].煤矿安全ꎬ２００５ꎬ３６３２９－３２. 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