煤层冻结取芯过程中煤芯温度的时变特性及其对瓦斯含量精准测定的影响

本文通过现场测试与数值模拟相结合，研究了煤层冻结取芯过程中煤芯温度的动态变化规律。作者在古汉山矿开展原位取芯管测温试验，结合实验室煤体力学参数测试和二分法反演导热系数，建立了取芯系统-煤体-煤芯的热力学耦合模型。研究发现：冻结取芯能显著降低煤芯温度（局部制冷效率达90%），抑制瓦斯解吸（解吸抑制率40%-46%），为瓦斯含量（CSG）精准测定和煤矿安全开采提供了重要理论依据。

　　

Highlight

本研究通过创新性融合现场测试与数值模拟，揭示了冻结取芯技术对煤芯温度场的调控机制，为破解瓦斯含量（CSG）测定中"热扰动-解吸失真"技术瓶颈提供了新思路。

Determination of basic mechanical parameters

煤样取自河南焦作古汉山矿21煤层16采区16041工作面。力学测试显示（表1），煤样在围压条件下的黏聚力为10.56 MPa，内摩擦角达38.97°。

Basic theory of thermodynamics

取芯过程分为三个阶段：推进阶段、切割阶段和提钻阶段。我们基于热力学基本理论，建立了各阶段的三维动态有限元模型。

Core sampling system ? thermodynamic model of coal body

采用ABAQUS有限元软件的显式动态（温度-位移耦合）分析模块，构建了取芯钻齿切削煤体的热-力耦合模型，解决了传统方法难以实测煤芯温度的难题。

Selection of refrigerant and refrigeration method

对比液氮法、氟利昂法和干冰法（solid CO₂）三种制冷方式，最终选择干冰直接接触制冷（制冷效率11.38%）。干冰升华无残留的特性完美契合取芯管密封要求（表4）。

Conclusion

研究表明：取芯深度越大，煤芯达到的最高温度越高，未钻进时间与散热时间延长导致最终温度更接近环境温度。纵向截面中心区制冷效率最高（近90%），而取芯管端部中心轴区域效率最低（约20%）。冻结取芯技术可有效降低取芯过程温度，抑制瓦斯解吸，将瓦斯含量测定精度提升40%以上。