不同取芯深度下煤层冻结取芯干冰最佳用量的实验与模型研究

为解决煤层瓦斯含量测定中冻结取芯技术制冷剂用量难以精确估算的问题，研究人员通过自主研发的取芯模拟装置，系统研究了不同深度下取芯管温度变化特征及热源强度，建立了基于热力学第一定律的制冷剂用量计算模型。结果表明：随着取芯深度增加，干冰最佳用量从1.26 kg增至2.38 kg，且与取芯深度呈显著线性正相关。该研究为低温冻结取芯技术的开发应用提供了理论指导。

　　

在煤矿安全生产中，瓦斯（煤层气）既是威胁安全的"头号杀手"，也是宝贵的清洁能源。准确测定煤层瓦斯含量对于预防瓦斯事故和高效开发瓦斯资源至关重要。目前，我国主要采用直接法测定煤层瓦斯含量，其中取芯管取样是首选方法。然而，传统取芯过程中钻具与煤壁摩擦产生的热量会加速煤样瓦斯解吸，导致测定结果严重偏低，甚至可能将高瓦斯突出矿井误判为低瓦斯矿井。

针对这一技术瓶颈，河南理工大学安全科学与工程学院的研究团队创新性地提出了冻结取芯技术。该技术通过在取芯管内填充制冷剂（如干冰），快速将煤芯温度降至0℃以下，从而有效抑制瓦斯解吸。但这项技术在实际应用中面临一个关键问题：随着取芯深度增加，取芯管产热量上升，制冷剂用量该如何科学确定？

研究人员通过自主研发的取芯管热效应模拟装置，开展了不同深度（20-140 m）的模拟取芯实验，结合COMSOL Multiphysics软件建立了取芯管热生成模型。主要技术方法包括：（1）使用水泥基复合材料制备煤样模拟体；（2）通过摩擦带模拟取芯管与煤壁的热交换；（3）采用PT100热电阻实时监测管壁温度；（4）基于热力学第一定律计算干冰最佳用量。

温度变化特征分析表明：随着取芯深度增加，取芯管温度逐渐升高但升温速率减缓。在20 m、40 m、60 m、100 m和140 m深度时，管壁峰值温度分别为53.51℃、64.1℃、74.2℃、82.2℃和86.1℃。热源强度模拟发现：取芯管产热量和散热量均随深度增加，但产热速率逐渐减缓而散热速率加快。

基于热平衡原理建立的制冷剂用量模型显示：在上述五个深度下，干冰最佳用量分别为1.26 kg、1.52 kg、1.69 kg、2.01 kg和2.38 kg。数值模拟验证表明，该剂量能使煤芯中心温度始终低于0℃，最低可达245.12 K（-28.03℃）。特别值得注意的是，制冷剂用量与取芯深度呈显著线性正相关（R²=0.991）。

这项发表在《Results in Engineering》的研究具有重要理论和实践价值：首次建立了考虑取芯深度的制冷剂用量计算模型，解决了冻结取芯技术应用中的关键参数优化问题。研究揭示的"深度-热量-剂量"关系为煤矿井下不同取芯工况的制冷剂配置提供了科学依据，将显著提升瓦斯含量测定的准确性。未来研究可进一步结合煤层原位温度、煤体结构损伤度等变量，完善剂量预测模型，推动低温冻结取芯技术的更广泛应用。