取心管取心過程管壁溫度測定試驗研究

韓恩光，王兆豐，2，劉 勉，柯 巍，王 龍

（1.河南理工大學 安全科學與工程學院，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）

煤層瓦斯含量是煤礦瓦斯危險程度評價、瓦斯災害防治以及瓦斯資源開發利用不可或缺的參數。取心管取心是測定煤層瓦斯含量的常用技術手段之一。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果不準確。為了準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熱情況研究對低溫取心技術中冷凍劑量的確定尤為重要。

針對鉆頭鉆進過程中的產熱情況，國內外學者進行了研究。Beste等[5]研究了巖石中鉆頭鉆進過程，估計鉆頭平均溫度為500℃左右。Eyup Bagci[6-7]等研究了主軸轉速和推進速度對鉆頭溫度的影響關系，不同的主軸轉速和推進速度會有不同的溫度，最高250℃左右，平均約為150℃，且5 s之內溫度會上升到100℃。楊曉峰[8-9]利用紅外熱像儀對硬質灰巖鉆掘過程的紅外熱像進行研究，研究表明鉆頭附近最高溫度達到50℃左右。李忠華[10]利用自制的鉆頭測溫裝置，在自制試件中進行鉆進測試。研究表明鉆進速度對鉆頭溫度變化影響很大，若推進速度快，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過程。目前國內對煤層中鉆頭鉆進過程中的產熱鮮有研究。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。對低溫取心技術中冷凍劑量的確定提供實驗依據。

1 測溫裝置

測溫裝置如圖1，該裝置的主要功能就是實時測量記錄鉆孔取心過程中取心管壁的溫度變化，構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管壁上，分別用于測量取心管內部及外壁溫度。

2）電路板。用于存儲采集的溫度數據。

3）固定螺釘。分別在測溫管壁的溫度傳感器所對應的管壁另一側設置了六棱螺釘，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

2.1 試驗地點

試驗在河南焦煤集團九里山煤礦進行。九里山礦位于焦作礦區東部、太行山南麓，距離焦作市區18 km，井田面積17.5 km2，設計生產能力90萬t/a，2011年核定生產能力100萬t/a，截止2015年底可采儲量為6 245萬t。試驗地點為二1煤層一水平一五采區東四工作面回風巷。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a=41.841 m3/t，b=0.985 MPa-1，煤的灰分Ad=7.64%，揮發分V=11.19%，水分W=1.87%。煤層透氣性系數0.2～0.457 m2/（MPa2·d），鉆孔瓦斯流量 0.015～0.04 m3/(min·hm），衰減系數 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?。é?3 mm）。兩者通過變徑連接，在取心退鉆過程中可能發生卡鉆情況,且當取心深度越大，發生卡鉆概率越大，并考慮到測溫裝置的續航時間;設計取心深度為10、20、30 m。在東四工作面回風巷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。試驗鉆機為鐵福來ZDY4500LXY履帶式液壓鉆機，額定轉矩為 1 000～4 500 N·m，額定轉速為 60～215 r/min；擴孔鉆頭直徑為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。

首先使用鉆機在設計位置施工鉆孔，鉆孔深度達到10 m時停止鉆進取出鉆桿將鉆頭取下，換上取心管及測溫裝置，然后鉆機工作將取心管及測溫裝置向鉆孔中推進，待取心管推進至10 m深后，繼續鉆進取心管開始取心。取心結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

根據上述試驗步驟，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時的溫度變化數據，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，改變取樣深度，取心管取心過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），當取心深度為10 m時：①在階段Ⅰ中，管壁溫度比較穩定，此階段對應著安裝取心管及測溫裝置的過程，管壁溫度由試驗地點環境溫度決定；②在階段Ⅱ中，管壁溫度緩慢上升，此階段對應著推進取心管至取樣位置的進鉆過程，雖然在取心之前已經施工過取心鉆孔，但孔內仍有殘留的煤渣，與此同時，在鉆桿退出之后，受地壓、重力等因素的影響，孔洞會發生形變，從而導致在取心進鉆過程，取心管壁會與孔洞內壁及煤渣摩擦，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生大量熱量使管壁溫度迅速上升，采樣結束時其溫度升至最高值；④在階段Ⅳ中，溫度緩慢下降，此階段對應著將取心管退出鉆孔的退鉆過程，在該過程，由于本次試驗選用的取心管、測溫管的外徑大于鉆桿，受到圍壓、應力等因素的影響，孔洞在退鉆之前會發生形變，因此在退鉆過程取心管壁與孔洞仍有摩擦，同時，孔洞內的溫度經過剛剛的采集煤樣過程仍然處于較高溫度，取心管內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度不足以使管壁溫度繼續升高，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

結合圖2（d）及表1中數據可以看出：

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。這是因為取心管的長度固定，都為1.5 m，且鉆機的轉速及推進速度都是一致的，因此采集相同長度相同質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，在此次試驗中最高溫度出現在取樣深度為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，進鉆時長小于退鉆時長，進鉆時的升溫速率高于退鉆時的降溫速率。這是因為在進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，導致進鉆時間小于退鉆時間。在進鉆之前，取心管壁處于常溫環境之中，在進鉆過程中，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，孔洞受到應力影響會發生形變，截面積減小，同時可能會出現塌孔等情況，造成在推進取心管時孔洞與管壁仍然會發生劇烈摩擦，使管壁溫度迅速上升，在采集煤樣結束時管壁溫度達到最高值。在退鉆過程，管壁通過自然冷卻降溫，此時孔洞內的溫度經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鉆升溫速率。

4 結語

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，分別對應著進鉆、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，在試驗中最高溫度出現在取樣深度為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，取心過程進鉆所需時長小于退鉆所需時長，進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。