Автор: Радченко С. А., Матвиенко Н. Г.
Источник: FindPatent.ru
Использование: для определения десорбционно–кинетических характеристик угля и углесодержащих горных пород, их потенциальной выбросоопасности и газоносности в призабойной зоне. Бурят шпуры в угольный массив, производят отбор проб штыба и помещение их в герметичную емкость, измерение динамики газовыделения из штыба и определение количества газа, содержавшегося в угле. Определяют теплоемкость и влажность угля в разрабатываемом пласте, плотность штыба и теплоту десорбции газа из него, геотермическую температуру горных пород, критическое значение величины снижения температуры штыба в выбросоопасных зонах пластов, имеющих аналогичные характеристики, по величине которой разрабатываемую зону пласта относят к выбросоопасным. Определяют для различных моментов времени разности температур между температурой штыба, полученного при бурении эталонного шпура в дегазированной части призабойной зоны исследуемого пласта на том же интервале бурения по длине шпура, что и при отборе исследуемой пробы бурового штыба, и температурой исследоваемого штыба, и максимальную величину для полученных разностей температур. Из математических выражений находят количество десорбированного газа в различные моменты времени и величину диффузионного параметра.
Изобретение относится к горному делу и технике безопасности ведения горных работ и может быть использовано для определения выбросоопасности и газоносности угольных пластов в призабойной зоне и десорбционно-кинетических характеристик угля и углесодержащих горных пород.
Рост интенсивности газовыделения из угля и газоносных горных пород при подземной разработке месторождений полезных ископаемых и строительстве подземных сооружений является основной причиной того, что технические возможности современной проходческой и добычной техники полностью не используются. Остро стоит проблема борьбы с внезапными выбросами угля, породы и газа, с взрывами и загораниями метановоздушных смесей в горных выработках, особенно на больших глубинах.
Поэтому для повышения эффективности и безопасности ведения горных работ при подземной разработке газоносных месторождений необходима надежная информация о газодинамических свойствах угольных пластов, а также других горных пород, пригодная для использования при выборе наиболее надежных схем и технологий вскрытия, подготовки и отработки пластов, способов проветривания и предотвращения газодинамических явлений и решения других многочисленных вопросов практики горного дела.
В связи с тем, что десорбционно-кинетические свойства угля и горных пород необходимо знать для решения широкого круга проблем, возникающих при прогнозе газодинамических явлений и газообильности горных выработок, контроле и управлении газовыделением, большинство применяемых в настоящее время приборов и методов предназначены для получения количественных или качественных показателей, которые можно использовать для решения одной или нескольких конкретных задач практики горного дела, но трудно или вообще невозможно использовать для решения других проблем, связанных с разработкой газоносных угольных месторождений, хотя при их решении также необходима информация о газодинамических свойствах угля и углесодержащих горных пород. Это ведет к распылению сил и средств, резко увеличиваются затраты труда и количество используемых для изучения газовыделения приборов и оборудования, снижается эффективность выполняемых работ и их ценность для практического использования.
Известен способ определения выбросоопасных зон угольного пласта, включающий бурение шпуров, измерение температуры стенок шпура, скорости продвигания выработки, отбор проб штыба, определение газоносности угольного пласта, влажности штыба, геотермической температуры вмещающих угольный пласт пород на глубине разработки угольного пласта и разности между геометрической температурой вмещающих угольный пласт пород и температурой стенок шпура с последующим определением выбросоопасности зоны пласта по эмпирической формуле.
При осуществлении способа газоосность угольного пласта на глубине разработки и естественную влажность штыба определяют стандартными методами, а для установления времени диффузионной релаксации отобранный буровой штыб дегазируют в сорбционной установке, затем осуществляют впуск газа и определяют время и величину сорбции, строят график сорбционно-кинетической зависимости в координатах [a/ao, t1/2] и вычисляют время диффузионной релаксации по формуле = 1/tg2 , где – угол наклона начального прямоугольного участка сорбционно-кинетической кривой; t – время сорбции, с; а – количество метана, сорбированного к моменту времени t, см3/г; ао – равновесное количество сорбированного метана, см3/г.
Недостатками этого способа являются: необходимость проведения не только шахтных, но и длительных лабораторных экспериментов по определению времени диффузионной релаксации, влажности угля и газоносности угольного пласта, что снижает ценность получаемых результатов для практики; необходимость доставки образцов угольного штыба в лабораторию и его длительной дегазации перед началом сорбции метана; определение времени диффузионной релаксации по сорбционно-кинетической кривой, а не по динамике газовыделения из свежего штыба в горной выработке.
Известен способ определения зоны разгрузки угольного пласта (авт.св. СССР N 648742), включающий поинтервальное бурение скважин в угольный массив, отбор проб штыба, соответствующих каждому интервалу, и измерение их температуры, причем границу зоны разгрузки определяют по интервалу бурения, на котором рост температуры штыба сменяется ее понижением.
Для осуществления способа производят отбор проб штыба, тщательно его перемешивают и для исключения интенсивного теплообмена с окружающей средой помещают в закрепляемый сосуд кубической формы с длиной ребра не менее 0,08 м. В центральной части сосуда помещают точечный (по сравнению с объемом сосуда) датчик, с помощью которого измеряют температуру. Измерение температуры штыба на каждом интервале производят в течение 1,5-2 мин после его образования.
Недостатками этого способа являются: использование для осуществления способа довольно большого количества штыба; отсутствие использования информации об изменении температуры штыба за счет десорбции из него газа для получения дополнительной информации о газодинамических свойствах угля; ограниченная область применения способа, предназначенного, главным образом, для выбросоопасных угольных пластов.
Известен метод описания кинетики газовыделения из угля и определение потенциальной выбросоопасности его структуры, который основан на использовании широко применяемого в Великобритании, США и Австралии эмпирического уравнения Айрея, имеющего вид: Vt = A[1 – exp(-(t/to)n)], (1), где Vt – количество газа, см3/г, десорбированного одним граммом угля к моменту времени t, мин; А – количество газа, которое десорбируется из угля до момента установления сорбционного равновесия, см3/г; tо – время, за которое десорбируется 63% газа от величины А, мин; n – показатель степени, зависящий от трещиноватости образца (0 < n < 1).
Как показали экспериментальные исследования, выполненные рядом зарубежных ученых, уравнение Айрея (1) достаточно надежно описывает кинетику газовыделения из угля вплоть до момента времени t=tо. Известно, что для ненарушенных углей показатель степени n обычно изменяется в диапазоне от 0,5 до 0,3, а нарушенные угли выбросоопасной структуры имеют n < 0,3.
Однако, чтобы определить величину показателя степени n, надо знать величины А и tо исследуемой пробы угля, то есть определить степень выбросоопасности угля можно только зная его газоносность, для определения которой требуется продолжительное время. Поэтому метод Айрея не является экспресс-методом и информация о потенциальной выбросоопасности угля может быть получена при его использовании с большим запозданием, когда она уже утрачивает свою ценность. Поэтому используется уравнение Айрея в основном для того, чтобы в удобном виде представлять информацию о кинетике газовыделения из образцов угля и горных пород.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению являются прибор и метод определения газоносности угольных пластов вокруг выработок, предложенные японскими учеными. При этом методе для получения информации о газоносности бурового штыба используются последовательно два прибора: сначала переносной прибор для автоматического измерения и записи давления в десорбционных ампулах, а затем лабораторный стационарный прибор для продолжения измерения давления в десорбционных ампулах и вычисления газоносности угля, причем для определения метаносодержания угля производят изучение динамики газовыделения из бурового штыба, имеющего размер частиц от 1 до 4 мм, образующегося при бурении скважин или шпуров. От 20 до 40 г угля загружают в специальный контейнер, сделанный для обеспечения свободной диффузии из пористого металла. Этот контейнер немедленно помещается в закрывающуюся герметичную емкость (десорбционную ампулу) и начинается замер изменения давления в ней, который производится каждые 30 с в течение 2 ч, причем результаты каждого замера давления фиксируются для последующего анализа и выполнения расчета с помощью компьютера. Если давление в десорбционной ампуле увеличивается на величину, превышающую 5 м водяного столба, газ сбрасывается в атмосферу с помощью специального крана. Измерение после 44 ч продолжается в лаборатории с помощью другого стационарного прибора, с помощью которого оно обычно занимает несколько недель.
Стационарный лабораторный прибор состоит из корпуса, в котором размещаются 12-ть емкостей (десорбционных ампул), устройство для включения каналов с индикаторами, которые показывают, какие каналы включены, датчик температуры и выходы для передачи информации о давлении в ампулах, а также о давлении и температуре в помещении.
При определении газоносности угольных пластов вокруг горных выработок этим методом определяют количество газа, десорбированное штыбом во время его нахождения в переносном приборе Q1, по полученной при этом динамике газовыделения вычисляют количество газа Q2, десорбированного штыбом до момента его герметизации в десорбционной ампуле, и количество газа Q3, определяемое как сумма количества газа, выделившегося из штыба в лаборатории при его разрушении, и остаточной газоносности штыба при атмосферном давлении.
Недостатками описанного прототипа являются: большая продолжительность экспериментов (несколько недель), что резко снижает практическую ценность получаемой информации, приводит к большим затратам времени и средств, затрудняет производство массовых определений газоносности угля и практическое использование полученных результатов; высокая стоимость используемого для реализации данного метода оборудования; малая эффективность и результативность труда специалистов, занимающихся определением газоносности с помощью описанного метода и прибора; недостаточная точность определения газоносности угля, так как эксперименты проводятся при изменяющемся давлении, и отсутствие в результате этого возможности использовать полученные при изучении кинетики десорбции данные для решения других задач практики горного дела; неточность определения газоносности угля в случае, если он имеет очень высокую скорость газоотдачи, так как большая часть газа может успеть десорбироваться с момента образования штыба до момента его герметизации в десорбционной ампуле (это может иметь место в геологически нарушенных зонах угольных пластов, уголь в которых представляет собой естественные брикеты из мельчайших частиц).
Для устранения указанных недостатков предлагается способ определения выбросоопасных зон и газоносности угольных пластов в призабойной зоне, включающий бурение шпуров в угольный массив, отбор проб штыба и помещение их в герметичную емкость, измерение динамики газовыделения из штыба. Определяют количество газа, содержащегося в угле до момента начала бурения шпура путем определения количества десорбированного штыбом газа за время нахождения в емкости и его остаточной газоносности, теплоемкость и влажность угля в разрабатываемом пласте, плотность штыба и теплоту газа из него, геотермическую температуру горных пород, критическое значение величины снижения температуры штаба в выбросоопасных зонах пластов, имеющих аналогичные характеристики, по величине которой разрабатываемую зону пласта относят к выбросоопасным. В течение периода времени до 10 мин одновременно измеряют температуру штыба и динамику газовыделения из него, определяют для различных моментов времени разности температур между штыбом, полученным при бурении эталонного шпура в дегазированной части призабойной зоны исследуемого пласта на том же интервале бурения по длине шпура, что и при отборе исследуемой пробы бурового штыба, и температурой исследуемого штыба и максимальную величину для полученных разностей температур, после чего замеряют только динамику газовыделения из штыба. По результатам замера величины снижения температуры штыба вычисляют количество десорбированного из него газа в различные моменты времени по формуле