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        取心管取心過(guò)程管壁溫度測(cè)定試驗(yàn)研究

        2019-08-05 01:44:32韓恩光王兆豐
        煤礦安全 2019年6期
        關(guān)鍵詞:深度

        韓恩光,王兆豐,2,劉 勉,柯 巍,王 龍

        (1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,焦作454000;2.煤礦災(zāi)害預(yù)防與搶險(xiǎn)救災(zāi)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(xiǎn)程度評(píng)價(jià)、瓦斯災(zāi)害防治以及瓦斯資源開(kāi)發(fā)利用不可或缺的參數(shù)。取心管取心是測(cè)定煤層瓦斯含量的常用技術(shù)手段之一。在取心管取心過(guò)程中,取心鉆頭及取心管與煤層摩擦產(chǎn)生大量熱使煤心溫度升高。隨著煤心溫度的升高,煤對(duì)瓦斯的吸附能力及吸附量減小[1-2],使得取心過(guò)程中煤心瓦斯大量解吸,造成煤層瓦斯含量測(cè)定結(jié)果不準(zhǔn)確。為了準(zhǔn)確測(cè)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(guò)取心管內(nèi)置冷凍劑抵御取心過(guò)程外部摩擦熱量的侵入并在有限的時(shí)間內(nèi)將煤心溫度迅速降低。所以取心過(guò)程中取心鉆頭及取心管與煤層摩擦的產(chǎn)熱情況研究對(duì)低溫取心技術(shù)中冷凍劑量的確定尤為重要。

        針對(duì)鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中的產(chǎn)熱情況,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了研究。Beste等[5]研究了巖石中鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程,估計(jì)鉆頭平均溫度為500℃左右。Eyup Bagci[6-7]等研究了主軸轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度對(duì)鉆頭溫度的影響關(guān)系,不同的主軸轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度會(huì)有不同的溫度,最高250℃左右,平均約為150℃,且5 s之內(nèi)溫度會(huì)上升到100℃。楊曉峰[8-9]利用紅外熱像儀對(duì)硬質(zhì)灰?guī)r鉆掘過(guò)程的紅外熱像進(jìn)行研究,研究表明鉆頭附近最高溫度達(dá)到50℃左右。李忠華[10]利用自制的鉆頭測(cè)溫裝置,在自制試件中進(jìn)行鉆進(jìn)測(cè)試。研究表明鉆進(jìn)速度對(duì)鉆頭溫度變化影響很大,若推進(jìn)速度快,則單位孔長(zhǎng)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(jìn)過(guò)程。目前國(guó)內(nèi)對(duì)煤層中鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中的產(chǎn)熱鮮有研究。為此利用自制的隨鉆測(cè)溫裝置對(duì)取心管取心過(guò)程中取心管壁溫度進(jìn)行全程測(cè)量記錄。分析取心管壁溫度的變化過(guò)程。對(duì)低溫取心技術(shù)中冷凍劑量的確定提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

        1 測(cè)溫裝置

        測(cè)溫裝置如圖1,該裝置的主要功能就是實(shí)時(shí)測(cè)量記錄鉆孔取心過(guò)程中取心管壁的溫度變化,構(gòu)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(cè)溫裝置示意圖

        1)溫度傳感器。測(cè)量范圍為0~300℃,測(cè)量誤差為±0.5℃,分別布置在測(cè)溫管上蓋及兩側(cè)管壁上,分別用于測(cè)量取心管內(nèi)部及外壁溫度。

        2)電路板。用于存儲(chǔ)采集的溫度數(shù)據(jù)。

        3)固定螺釘。分別在測(cè)溫管壁的溫度傳感器所對(duì)應(yīng)的管壁另一側(cè)設(shè)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(cè)溫管上蓋溫度傳感器探頭出口,用于隔絕上蓋溫度對(duì)傳感器探頭的影響。

        5)外壁。材質(zhì)為不銹鋼,兩端開(kāi)口(有蓋),直徑為89 mm,長(zhǎng)度為370 mm。直徑尺寸和取心管直徑尺寸相同。

        在取心過(guò)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(cè)定試驗(yàn)

        2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

        試驗(yàn)在河南焦煤集團(tuán)九里山煤礦進(jìn)行。九里山礦位于焦作礦區(qū)東部、太行山南麓,距離焦作市區(qū)18 km,井田面積17.5 km2,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力90萬(wàn)t/a,2011年核定生產(chǎn)能力100萬(wàn)t/a,截止2015年底可采儲(chǔ)量為6 245萬(wàn)t。試驗(yàn)地點(diǎn)為二1煤層一水平一五采區(qū)東四工作面回風(fēng)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(shù)a=41.841 m3/t,b=0.985 MPa-1,煤的灰分Ad=7.64%,揮發(fā)分V=11.19%,水分W=1.87%。煤層透氣性系數(shù)0.2~0.457 m2/(MPa2·d),鉆孔瓦斯流量 0.015~0.04 m3/(min·hm),衰減系數(shù) 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(cè)溫裝置外徑較大(φ89 mm),鉆桿外徑較?。é?3 mm)。兩者通過(guò)變徑連接,在取心退鉆過(guò)程中可能發(fā)生卡鉆情況,且當(dāng)取心深度越大,發(fā)生卡鉆概率越大,并考慮到測(cè)溫裝置的續(xù)航時(shí)間;設(shè)計(jì)取心深度為10、20、30 m。在東四工作面回風(fēng)巷163、164、165 m處各布置1個(gè)傾角為12°的取心鉆孔,對(duì)比不同取心深度取心管壁溫度變化情況。試驗(yàn)鉆機(jī)為鐵福來(lái)ZDY4500LXY履帶式液壓鉆機(jī),額定轉(zhuǎn)矩為 1 000~4 500 N·m,額定轉(zhuǎn)速為 60~215 r/min;擴(kuò)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(zhǎng)度為1.5 m,取心管以及測(cè)溫裝置和鉆桿之間通過(guò)變徑接頭連接。

        首先使用鉆機(jī)在設(shè)計(jì)位置施工鉆孔,鉆孔深度達(dá)到10 m時(shí)停止鉆進(jìn)取出鉆桿將鉆頭取下,換上取心管及測(cè)溫裝置,然后鉆機(jī)工作將取心管及測(cè)溫裝置向鉆孔中推進(jìn),待取心管推進(jìn)至10 m深后,繼續(xù)鉆進(jìn)取心管開(kāi)始取心。取心結(jié)束后推出鉆桿取出煤樣。然后依次以相同鉆速測(cè)定取心深度為20、30 m的取心管壁溫度。

        3 取心管取心過(guò)程管壁溫度變化分析

        根據(jù)上述試驗(yàn)步驟,利用測(cè)溫裝置記錄了取心管取心過(guò)程中取心深度為10、20、30 m時(shí)的溫度變化數(shù)據(jù),取心過(guò)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?nèi)由疃?,取心管取心過(guò)程中管壁溫度變化趨勢(shì)一致,主要分為3個(gè)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(dāng)取心深度為10 m時(shí):①在階段Ⅰ中,管壁溫度比較穩(wěn)定,此階段對(duì)應(yīng)著安裝取心管及測(cè)溫裝置的過(guò)程,管壁溫度由試驗(yàn)地點(diǎn)環(huán)境溫度決定;②在階段Ⅱ中,管壁溫度緩慢上升,此階段對(duì)應(yīng)著推進(jìn)取心管至取樣位置的進(jìn)鉆過(guò)程,雖然在取心之前已經(jīng)施工過(guò)取心鉆孔,但孔內(nèi)仍有殘留的煤渣,與此同時(shí),在鉆桿退出之后,受地壓、重力等因素的影響,孔洞會(huì)發(fā)生形變,從而導(dǎo)致在取心進(jìn)鉆過(guò)程,取心管壁會(huì)與孔洞內(nèi)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(duì)應(yīng)著取心管采集煤樣的過(guò)程,在該過(guò)程,取心鉆頭切削煤層、管壁與煤層劇烈摩擦產(chǎn)生大量熱量使管壁溫度迅速上升,采樣結(jié)束時(shí)其溫度升至最高值;④在階段Ⅳ中,溫度緩慢下降,此階段對(duì)應(yīng)著將取心管退出鉆孔的退鉆過(guò)程,在該過(guò)程,由于本次試驗(yàn)選用的取心管、測(cè)溫管的外徑大于鉆桿,受到圍壓、應(yīng)力等因素的影響,孔洞在退鉆之前會(huì)發(fā)生形變,因此在退鉆過(guò)程取心管壁與孔洞仍有摩擦,同時(shí),孔洞內(nèi)的溫度經(jīng)過(guò)剛剛的采集煤樣過(guò)程仍然處于較高溫度,取心管內(nèi)的煤心溫度也比較高,這些因素的存在都會(huì)作用于取心管壁,向其輸入熱量,該過(guò)程熱量的輸入強(qiáng)度不足以使管壁溫度繼續(xù)升高,但會(huì)阻礙管壁的自然冷卻,造成其溫度緩慢下降。

        圖2 取心過(guò)程取心管壁溫度變化曲線

        取心過(guò)程各階段所需時(shí)間及溫變速率見(jiàn)表1。

        表1 取心過(guò)程不同階段所需時(shí)間及溫變速率

        結(jié)合圖2(d)及表1中數(shù)據(jù)可以看出:

        1)不同取樣深度,采集煤樣過(guò)程所需時(shí)長(zhǎng)基本相同,均為3 min左右。這是因?yàn)槿⌒墓艿拈L(zhǎng)度固定,都為1.5 m,且鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速及推進(jìn)速度都是一致的,因此采集相同長(zhǎng)度相同質(zhì)量的煤心所需的時(shí)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(yàn)中最高溫度出現(xiàn)在取樣深度為30 m時(shí)的煤樣采集過(guò)程中,取心管壁最高溫度為98.32℃。

        2)同一取樣深度,進(jìn)鉆時(shí)長(zhǎng)小于退鉆時(shí)長(zhǎng),進(jìn)鉆時(shí)的升溫速率高于退鉆時(shí)的降溫速率。這是因?yàn)樵谶M(jìn)鉆時(shí)施工人員安裝鉆桿的時(shí)間比退鉆時(shí)卸鉆桿所需時(shí)間短,導(dǎo)致進(jìn)鉆時(shí)間小于退鉆時(shí)間。在進(jìn)鉆之前,取心管壁處于常溫環(huán)境之中,在進(jìn)鉆過(guò)程中,雖然在取心之前利用大直徑鉆頭(φ112 mm)工過(guò)取心孔,但隨著鉆桿的退出,孔洞受到應(yīng)力影響會(huì)發(fā)生形變,截面積減小,同時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)塌孔等情況,造成在推進(jìn)取心管時(shí)孔洞與管壁仍然會(huì)發(fā)生劇烈摩擦,使管壁溫度迅速上升,在采集煤樣結(jié)束時(shí)管壁溫度達(dá)到最高值。在退鉆過(guò)程,管壁通過(guò)自然冷卻降溫,此時(shí)孔洞內(nèi)的溫度經(jīng)過(guò)剛剛的采集煤樣過(guò)程仍然處于較高溫度,其與管壁的溫差要低于進(jìn)鉆時(shí)管壁與摩擦接觸面的溫差,同時(shí)在退鉆時(shí)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(jìn)鉆升溫速率。

        4 結(jié)語(yǔ)

        1)取心過(guò)程溫度變化主要分為3個(gè)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(duì)應(yīng)著進(jìn)鉆、取心和退鉆過(guò)程。

        2)取心管壁最高溫度隨取樣深度的增加而增加,在試驗(yàn)中最高溫度出現(xiàn)在取樣深度為30 m時(shí)的煤樣采集過(guò)程中,取心管壁最高溫度為98.32℃。

        3)同一取心深度,取心過(guò)程進(jìn)鉆所需時(shí)長(zhǎng)小于退鉆所需時(shí)長(zhǎng),進(jìn)鉆時(shí)升溫速率高于退鉆時(shí)的降溫速率;不同取心深度采集煤樣所需時(shí)間基本一致。

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