Спосіб визначення типу газодинамічних явищ

Спосіб визначення типу газодинамічних явищ, який включає відбір проб вугілля з непорушеної і підданої газодинамічному руйнуванню зони пласта, обробку проб: подрібнення, висушування, вакуумування, насичення їх метаном, який відрізня ється тим, що визначають ступінь десорбції метану з обох видів проб при кімнатній температурі та температурі, яка не перевищує 50 °С, розраховують енергію активації виходу метану з вугілля E для зразків з непорушеної зони Eф і підданої га Винахід належить до вугільної промисловості і може бути використаний для визначення типу газодинамічного явища (ГДЯ), що відбулося при підземній розробці пологих пластів будь-якого ступеня газоносності. Визначення типу газодинамічного явища в пласті має важливе значення для правильного вибору заходів для боротьби з ним. Для кожного типу газодинамічного явища існують свої методи боротьби. Встановлення типу газодинамічного явища необхідне і для комісії по розслідуванню виникнення аварії на шахті, для визначення рекомендацій по подальшому відпрацюванню вугільного пласта. Відомий спосіб визначення типу газодинамічного явища, описаний в патенті Російської Феде5 рації №2011975, МПК G01N24/10, публ. 30.04.1994р., згідно з яким для підвищення достовірності ідентифікації, відбирають з продуктів визначуваного явища подрібнену частину вугілля з розміром гранул менше 0,2мм, реєструють спектр електронного парамагнітного резонансу і за наявністю сигналу заліза в суперпарамагнітному стані ідентифікують газодинамічне явище як раптовий викид вугілля і газу. До недоліків даного способу можна віднести недостатню точність визначення ГДЯ, обумовлену тим, що наявність заліза не дає повної інформації про викидонебезпечну зону, залізо завжди присутнє у вигляді фонового у вугіллі марок Г-А, які схильні до викидів, суперпарамагнітне залізо зустрічається у вугіллі виключно рідко. При кваліфікації ГДЯ у відомому способі не враховують газ, що виділився. Крім того, для здійснення способу потрібні значні працевитрати, пов'язані із апаратурою, тривалістю і складністю здійснюваних вимірювань. Найближчим за технічною суттю до способу, що заявляється, є спосіб визначення типу газодинамічного явища, що відбулося у вугільному пласті, описаний в авторському свідоцтві СРСР зодинамічному руйнуванню зони Егдя , вводять критерій типу газодинамічного явища ВЕ як відношення різниці енергій активації непорушеної зони E ф і підданої газодинамічному руйнуванню зони Егдя до енергії активації підданої газодинамічному руйнуванню зони Егдя Еф  Егдя , Егдя визначають тип газодинамічного явища за умови: якщо ВЕ  4 - раптовий викид, якщо 1  ВЕ  4 (19) UA (11) 95668 (13) раптове віджимання, якщо ВЕ  1 - гірничий удар. C2 ВЕ  3 5 №1709113, МПК E21F5/00, опуб. 31.01.1992р., Бюл. №4. Згідно з цим способом для точного визначення типу газодинамічного явища, що відбулося у вугільному пласті, здійснюють відбір проб вугілля з непорушеної і підданої газодинамічному руйнуванню зони пласта, обробляють проби, а саме: подрібнюють, висушують, вакуумують і насичують їх метаном, після чого проводять реєстрацію спектрів ЯМР обох проб. Визначають інтенсивність широких і вузьких ліній спектрів, їх відношення, будують графіки зміни в часі. Якщо відношення інтенсивності вузької і широкої ліній ЯМР проби з непорушеної зони і швидкості їх зміни співпадають, тоді явища відносять до обвалень пласта. Якщо вказане відношення перевищує відношення інтенсивності з непорушеної зони в два і більше разів, а швидкість їх зміни менша, ніж в два рази, явища відносяться до раптових викидів. Даний спосіб забезпечує визначення двох типів ГДЯ, а саме: викид і обвалення для крутих вугільних пластів. Спосіб базується на використанні сорбційної здатності газу метану, вимірювання проводять за невеликий проміжок часу (15 хвилин, час зняття спектра ЯМР). У відомому способі не враховують дифузійні характеристики вугілля, що позначається на достовірності результатів, які одержують при кваліфікації типу ГДЯ, особливо при викидах невеликої інтенсивності та на пластах пологого падіння. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення способу визначення типу газодинамічних явищ шляхом розширення його функціональних можливостей за рахунок використання параметрів масопереносу метану з вугілля, які характеризують дифузійні характеристики вугілля, що дозволить підвищити достовірність визначення типу ГДЯ в складних гірничо-геологічних умовах. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в способі класифікації газодинамічного явища, який включає відбір проб вугілля з непорушеної і підданої газодинамічному руйнуванню зони пласта, обробку проб: подрібнення, висушування, вакуумування, насичення їх метаном, згідно з винаходом визначають ступінь десорбції метану з обох видів проб при кімнатній температурі та температурі, яка не перевищує 50°С. Розраховують енергію активації виходу метану з вугілля E для зразків з непорушеної E ф і підданої газодинамічному руйнуванню зони Егдя . Вводять критерій типу газодинамічного явища ВЕ як відношення різниці енергій активації непорушеної E ф і підданої газодинамічному руйнуванню зони Егдя до енергії активації підданої газодинамічному руйнуванню зони Егдя Еф  Егдя . ВЕ  Егдя За значенням критерію ВЕ визначають тип газодинамічного явища за умови: якщо ВЕ  4 95668 4 раптовий викид, якщо 1  ВЕ  4 - раптове віджимання, якщо ВЕ  1 - гірничий удар Причино-наслідковий зв'язок між ознаками винаходу і технічним результатом, який досягається, встановлюється таким чином. Заявлений спосіб ґрунтується на визначенні дифузійних характеристик вугілля, які більш повно характеризують тріщинувато-пористу структуру вугільної речовини. Це підвищує достовірність результатів, які одержують, мінімум на 50 %. Визначення типу ГДЯ в прототипі проводять на основі обліку метану, який сорбується протягом 15 хвилин, часу зняття спектра ЯМР, що не відображає дифузійні характеристики вугілля, особливо при викидах невеликої інтенсивності. В запропонованому способі зняття дифузійних характеристик відбувається протягом 4 годин, що більш повно характеризує зміни в структурі вугілля. Крім того, в прототипі використовується відмінність в сорбційній здатності викинутого вугілля і вугілля з цілика, а обрушене вугілля розглядається як вугілля з цілика. Суттєва ознака, що пов'язана з визначенням ступеня десорбції метану з обох видів проб при кімнатній температурі і температурі, що не перевищує 50°С, необхідна для того, щоб визначити енергію активації виходу метану з вугілля. Визначення параметрів десорбції при температурі, яка не перевищує 50°С, обумовлено тим, що при більш високій температурі у вугіллі починаються окислювальні процеси, які істотно впливають на шукані параметри. Суттєва ознака, яка пов'язана із визначенням енергії активації виходу метану з вугілля E для зразків з непорушеної E ф і підданої газодинамічному руйнуванню зони Егдя , необхідна для того, щоб визначити ступінь пошкодженності вугілля після ГДЯ. Енергія активації E визначає, яку середню енергію потрібно передати речовині, щоб вона вступила в реакцію. У випадку з вугіллям енергія активації визначає, яку енергію потрібно витрачати на відрив молекул газу, які були сорбовані. Чим вона менша, тим більше була порушена структура вугілля і навпаки (див. Стандарт підприємства «Метод определения времени образования в горных выработках, пройденных по пласту, опасных концентраций метана и других углеводородов при пожарах с учетом сорбционных свойств угля»: - Введен в действие ЦШ ГВГСС от 01.11.2002г. приказ №143/1-18с. (далі - Д1)). На підставі теоретичного аналізу і отриманих експериментальних результатів авторами був введений критерій типу газодинамічного явища ВЕ як відношення різниці енергій активації непорушеної E ф і підданої газодинамічному руйнуванню зони Егдя до енергії активації, підданої газодинамічному руйнуванню зони Егдя Еф  Егдя . ВЕ  Егдя 5 За значенням критерію ВЕ визначають тип газодинамічного явища за умови: якщо ВЕ  4 раптовий викид, якщо 1  ВЕ  4 - раптове віджимання, якщо ВЕ  1 гірничий удар. Заявлений спосіб визначення типу газодинамічного явища був випробуваний у вугільному пласті m3 «Олександровський» ОП «Шахта ім. О.Ф.Засядька» в забої 18-го західного конвеєрного штреку. Для визначення ГДЯ відбирали проби вугілля з непорушеної і підданої газодинамічному руйнуванню зон пласта. Отримане вугілля заздалегідь подрібнювали до отримання двох фракцій 2-2,5 і 0,4-0,5мм, після чого висушували, дегазували і поміщали в систему високого тиску для насичення їх метаном. Тиск метану, яким насичують, 10МПа. Зразки в системі витримували протягом 10 днів. Метанонасичені зразки однієї фракції розділяли на дві порції, одну з яких поміщали на аналітичні ваги, іншу - на ваги-вологомір, і вимірювали втрату маси зразками протягом 4 годин при кімнатній температурі і температурі 50°С відповідно. З отриманих даних визначали кількість метану, яка була сорбована (початкову метаноємність) і порівнювали її з поточною на кожному тимчасовому інтервалі. Після чого, керуючись методикою (див. Д1), обчислювали ефективний коефіцієнт дифузії за формулою, який необхідний для обчислення енергії активації: R 2 lnQ1  R 2 lnQ 2 1 , D 2 (1) Q1 6t ln Q2 де R1,2 - розмір фракцій вугілля, мм; t - час десорбції, с; Q1,2 - залишковий вміст метану в зразку за час десорбції, відповідний кожній фракції. Підставляємо дані і визначаємо фонове значення ефективного коефіцієнта дифузії. При кімнатній температурі: 2,252 ln0,934  0,452 ln0,955 2 D  8,4  10  9 м /с. 0,934 6  300  ln 0,955 При температурі 50 °С: 2,252 ln0,654  0,452 ln0,67 2 D  4,7  10  8 м /с. 0,654 6  300  ln 0,67 Визначаємо значення ефективного коефіцієнта дифузії в зоні ГДЯ. При кімнатній температурі: 2,252 ln0,945  0,452 ln0,976 2 D  4,8  10  9 м /с. 0,945 6  300  ln 0,976 При температурі 50 °С: 2,252 ln0,664  0,452 ln0,743 2 D  9,9  10 9 м /с. 0,664 6  300  ln 0,743 95668 6 Ефективний коефіцієнт дифузії характеризує, яка кількість речовини проходить через одиницю площі в одиницю часу і характеризує пористість речовини і розчинність газу в ньому. Вивчення кінетики дифузії азоту і метану при різних температурах встановило експоненціальну залежність коефіцієнта дифузії у вугіллі від температури: D  D0 exp E / kbT . Тут E - енергія активації дифузійного процесу, D0 ~ передекспоненціальний множник, величина якого залежить від властивостей як поглинальної речовини (газу), так 2 і поглинача (вугілля), м /сек. Енергія активації визначає швидкість протікання термоактивованого процесу при заданій температурі. Величина енергії активації може надто суттєво залежати від значень зовнішніх параметрів, що визначають стан тіла: механічних напруг, вогкості, напруженості електричного поля і т. і. Значення енергій активації E ростуть із збільшенням розміру адсорбованих молекул, відповідно зі зменшенням діаметра пор. Із значення енергії активації, необхідної для здійснення дифузії даного адсорбата при певній температурі, можна судити про наявність і про відносну кількість мікропор молекулярних розмірів, які характеризують це явище. Явище активованої дифузії обумовлене мікропорами, а точніше їх отворами і звуженнями. Саме діаметри цих отворів і звужень повинні бути ~ 0,5 нм, а діаметри самих мікропор можуть бути значно більшими. Високі значення енергії активації дифузії в кам'яному вугіллі середнього ступеня метаморфізму вказують на те, що в них відносна кількість цих звужень і малих отворів мікропор найбільша. Визначення енергії активації проводиться шляхом вимірювання швидкості дифузійного процесу при різних температурах. Розрахунок енергії активації дифузії метану з вугілля проводиться по формулі: TT D E  R 1 2 ln 1 , (2) T1  T2 D 2 де T1, T2 - температура, при якій визначаються D1 і D 2 (Т1=293 К; Т2=323 K), R - універсальна газова постійна, Дж/моль град. Енергія активації дифузії метану з вугілля в непорушеній зоні: 298  323 4,7  108 E  8,31 ln  55,4 кДж/моль. 298  323 8,4  10 9 Енергія активації дифузії метану з вугілля в зоні ГДЯ: 298  323 4,8  10 9 E  8,31 ln  23 кДж/моль. 298  323 9,9  10  9 Підставляючи значення у виведену авторами формулу, одержуємо, що критерій типу газодинамічного явища ВЕ дорівнює: ВЕ  55,4  23  14 . , 23 7 Виходячи з зазначеного та введених авторами умов визначення типу ГДЯ по значенню параметра ВЕ , дане явище слід визначати як раптове віджимання, що і було підтверджене висновками експертної комісії по розслідуванню газодинамічного явища. Запропонований спосіб був апробований, та доведена його застосовність. Перевірено, що спосіб дозволяє достовірно визначати тип газодина Комп’ютерна верстка Н. Лисенко 95668 8 мічих явищ, і не тільки двох, як у прототипі, а трьох видів: раптовий викид, раптове віджимання і гірничий удар. Крім того, за рахунок використання параметрів масопереносу метану з вугілля, спосіб є більш чутливим і дозволяє класифікувати ГДЯ на пологих пластах при викидах невеликої інтенсивності. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601