Пристрій для виміру ефективної дифузії газу в вугіллі

Реферат: Пристрій для виміру ефективної дифузії газу в вугіллі належить до гірничого виробництва, переважно до вугільної промисловості. Пристрій містить корпус, усередині якого розміщені блок живлення, блок накопичення газу, виконаний у вигляді герметичного контейнера з пробовідбірником для штибу і датчиком тиску, блок електронний, оснащений процесором, електронним перемикачем та таймером, панель управління, індикатор і комунікаційний порт, наприклад USB. Пристрій додатково оснащений блоком накопичення даних, а блок електронний - пристроєм пам'яті та обчислюваним вузлом, причому виходи основного та додаткового датчиків тиску з'єднані з входами процесора, виходи якого через перші виходи електронного перемикача, що з'єднаний із таймером, підключені до індикатора та пристрою пам'яті, а другі виходи електронного перемикача, відповідно, з'єднані з обчислюваним вузлом, виходи якого підключені до індикатора та комунікаційного порту. Технічний результат: забезпечується спрощення процесу вимірювання ефективної дифузії газу в вугіллі. UA 105584 C2 (12) UA 105584 C2 UA 105584 C2 5 10 Винахід належить до гірничого виробництва, переважно до вугільної промисловості, й може бути використаний в шахтах для визначення ефективної дифузії у вугіллі в місці відбору проби в реальному часі. Для прогнозування газодинамічних явищ у масиві гірничих порід необхідні знання кінетики десорбції метану - ефективної дифузії Dt  , яка використовується для прогнозу ступеня викидонебезпечності (Греков С.П., Березовский А.А., Кошовский Б.И., Смоланов И.Н. Метановыделение из частиц угля в закрытых объемах. Горноспасательное дело. – Донецк, 2002. - С. 56-65). Ефективна дифузія Dt  вираховується із залежностей кількості десорбованого метану в часі, що реєструється одночасно в двох герметичних ємностях із пробовідбірниками із штибом фракціями R1 та R 2 , по формулі, яка була наведена в роботі - Щербань А.Н., Цирульников А.С. Методика визначення газопроникності вугільних пластів. - К.: АН УРСР, 1956. - 35с. Di t   15 2 R1 ln Q 2  R 2 ln Q1 , (1) 2 Q2 6 t i ln( ) Q1 де R1,R2 - розмір фракцій зразків, R1  R2 ; Q1, Q2 - відносні величини залишкової кількості метану на момент часу t i в вугіллі фракцій Q t  Q t  R1 та R 2 (Q1  1  1 ), (Q 2  1  2 ) ; Q1max Q 2 max t i - час вимірювання (15-30 хвилин з інтервалом 0,5-1 хвилина). 20 25 30 35 40 45 50 Відомий пристрій, що описаний у патенті України на винахід № 96884, МПК: E21F5/00, G01L7/00, опубл. 12.12.2011, бюл. № 23, 2011 p., містить блок накопления газу, блок електронний з процесором і індикатором, усередині корпусу розміщені блок живлення, блок накопичення газу і блок електронний, блок накопления газу виконаний у вигляді герметичного контейнера з пробовідбірником зі штибом і датчиком тиску, блок електронний додатково оснащений блоком порівняння, що містить дані по тестуванню досліджуваного вугільного пласта у лабораторних умовах й таймером, причому вихід датчика тиску з'єднаний із входом процесора, вихід якого через електронний перемикач, що з'єднаний із таймером, підключений до входу блока порівняння, на зовнішній поверхні корпуса розміщена панель управління, індикатор і порт-USB, причому панель управління взаємозв'язана із блоком живлення та через таймер із індикатором, який взаємозв'язаний із блоком порівняння і електронним перемикачем. Цей пристрій був створений для оперативного виміру тиску газу в вугіллі й газоносності вугільного пласта в шахті в місці відбору проби шляхом використання інтегральної десорбометрії, що коригує з ефективною дифузією Dt  . До недоліків відомого пристрою можна віднести те, що для його роботи необхідно заздалегідь виконати тестування досліджуваного вугільного пласта у лабораторних умовах та занести результати цих досліджень до приладу, що потребує спеціального обладнання та витрату часу. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення пристрою для виміру ефективної дифузії газу у вугіллі, шляхом модифікації конструкції пристрою. За рахунок чого спрощується процес вимірювання, оскільки стає непотрібне попереднє тестування вугільного пласта у лабораторних умовах. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій для виміру ефективної дифузії газу в вугіллі, що містить корпус, усередині якого розміщені блок живлення і блок накопичення газу, виконаний у вигляді герметичного контейнера з пробовідбірником для штибу і датчиком тиску, блок електронний, оснащений процесором, електронним перемикачем та таймером, панель управління, індикатор і комунікаційний порт, наприклад USB, відповідно до винаходу додатково оснащений блоком накопичення, а блок електронний - пристроєм пам'яті та обчислюваним вузлом, причому виходи основного та додаткового датчиків тиску з'єднані з входами процесора, виходи якого через перші виходи електронного перемикача, що з'єднаний із таймером, підключені до індикатора та пристрою пам'яті, а другі виходи електронного перемикача, відповідно, з'єднані з обчислюваним вузлом, виходи якого підключені до індикатора та комунікаційного порту. Додатковий блок накопичення, що введений у пристрій, забезпечує вимірювання та накопичення даних про тиск із штибу вугільного зразка фракції R 2 , в той час як перший блок накопичення забезпечує вимірювання та накопичення даних про тиск із штибу вугільного зразка 1 UA 105584 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 фракції R1 . Таким чином даний пристрій забезпечує одночасне вимірювання та накопичення даних із штибу двох вугільних зразків R1,R2 . Блок електронний додатково оснащений пристроєм пам'яті та обчислюваним вузлом для розрахунку ефективної дифузії Dt  , що спрощує процес вимірювання, оскільки забезпечується оперативне визначення ефективної дифузії газу у вугіллі без попереднього тестування вугільного пласта у лабораторних умовах. З'єднання блоків та елементів блоків дозволяє забезпечити вимір залежностей тиску газу у часі, передачу їх у пристрій пам'яті, далі в обчислюваний вузол для розрахунку ефективної дифузії Dt  , до індикатора та комунікаційного порту. На фіг. 1 представлена блок-схема пристрою. Пристрій для виміру ефективної дифузії газу Dt  в вугіллі містить корпус 1, усередині якого розміщений блок 2 живлення, блок накопичення газу, який включає герметичний контейнер 3 із пробовідбірником 4, усередині якого знаходиться штиб зразка вугільного пласта фракції R1 і датчик 5 тиску. Так само усередині корпуса 1 розміщений електронний блок, який включає процесор 6, таймер 7 та керований ним електронний перемикач 8. На зовнішній поверхні корпуса 1 розташована панель керування 9 із кнопкою 10, за допомогою якої включають блок 2 живлення та таймер 7, який задає послідовність і тривалість роботи пристрою. На зовнішній поверхні корпуса 1 також розташований індикатор 11 та комунікаційний порт 12 для підключення даного пристрою до зовнішніх пристроїв. Крім того, усередині корпуса 1 розміщений додатковий герметичний контейнер 13 із пробовідбірником 14, усередині якого знаходиться штиб зразка вугільного пласта фракції R2 і датчик 15 тиску, пристрій пам'яті 16 та обчислювальний вузол 17. Блок 2 живлення з'єднаний із датчиками тиску 5 і 15, процесором 6, таймером 7, електронним перемикачем 8, панеллю керування 9, індикатором 11, пристроєм пам'яті 16 і обчислювальним вузлом 17. При цьому виходи датчиків тиску 5 і 15 з'єднані з входами процесора 6, першій вихід якого через електронний перемикач 8 може бути з'єднаний або з індикатором 11 та пристроєм пам'яті 16, або із першим входом обчислювального вузла 17, а другий вихід через електронний перемикач 8 може бути з'єднаний або з індикатором 11 та пристроєм пам'яті 16, або з другим входом обчислювального вузла 17. Виходи обчислювального вузла 17 з'єднані з індикатором 11 та комунікаційним портом 12. Кнопка 10 панелі керування 9 з'єднана з блоком 2 живлення, таймером 7 і електронним перемикачем 8. Пристрій, що заявляється, працює таким чином. У пробовідбірнику 4 розміщують штиб зразка вугільного пласта фракції R1, розміром 0,4-0,5 мм, а у пробовідбірнику 14 розміщують штиб зразка вугільного пласта фракції R2, розміром 1-1,6 мм. Пробовідбірник 4 розміщують у герметичному контейнері 3, а пробовідбірник 14 розміщують у герметичному контейнері 13. Далі натискають кнопку 10 на панелі керування 9. Завдяки цьому вмикається блок живлення 2, електронний перемикач 8, який з'єднує перший та другий вихід процесора 6 з індикатором 11 та пристроєм пам'яті 16, та таймер 7, що починає відлік часу, що може сягати від 15 до 30 хвилин для різних умов вимірювання. Із штибу зразків вугільного пласта фракцій R1 та R2 починає виділятися газ, що при незмінному об'ємі герметичних контейнерів 3 та 13 приводить до поступового у часі підвищення тиску. Відліки тиску P1i та P2i за допомогою датчиків тиску 5 та 15, що відбуваються з періодичністю 0,5-1 хвилини, відображаються на індикаторі 11 та заносяться до пристрою пам'яті 16. По закінченні відліку часу таймером 7 електронний перемикач 8 переключає перший та другий виходи процесора 6 на обчислювальний вузол 17 і відліки тиску P1i та P2i з пристрою пам'яті 16 передаються на обчислювальний вузол 17. Після цього обчислювальний вузол 17 опрацьовує відліки тиску P1i та P2i , вираховує ефективну дифузію газу в вугіллі Dt  . Використовуючи рівняння стану ідеального газу P  V  m  R  T при T,R, V  const , формула (1) M записується у вигляді:   P  P  2 R 2  ln1  1i   R1  ln1  2i  2  P   P  k1  k1  ,(2)   Dt   P1i    1  Pk1  6  t  ln  P2i   1  Pk1   50 де - R1,R2 - розмір фракцій зразків, R1  R2 ; 2 UA 105584 C2 P1i - поточний тиск в кюветі з вугіллям фракції R1 ; P2i - поточний тиск в кюветі з вугіллям фракції R 2 ; Pk1 - кінцевий тиск метану в кюветі з вугіллям фракції R1 після закінчення виміру; 5 10 15 20 25 30 t - час виміру. Виходячи з того, що вміст метану у вугіллі двох фракцій однаковий і десорбція з меншій проходить швидше, за Pmax приймається тиск Pk1 - кінцевий тиск метану в пробовідбірнику з вугіллям меншій фракції після закінчення виміру. Експлуатаційні випробування пристрою проводилися на пласті m3 в конвеєрному штреку третьої західної лави ПК 74+6,0 м. ОП "Шахта Чайкино ГП" "Макєєвуголь" 09.10.2012. Вугільний пласта складної будови. Марка вугілля Ж. Вугільний пласт m3 - небезпечний по раптових викидах, небезпечний по вибуховій пилу, по гірських ударах, що загрожують, не схилений до самозаймання, небезпечний по суфлярним виділенням метану. 3 Природна газоносність 18-21 м /т. Бурили шпур по вугільному пласту до глибини 1,3 м і опрацьовували, тобто бурова штанга проверталася без просування вперед до повного виходу гірської маси. Після цього продовжували буріння шпура до глибини 1,5 м і збирали подрібнене вугілля, яке висипали з шпура в касету з сит з осередками - розміром 0,4 мм; 0,5 мм; 1,0 мм; 1,6 мм. Подалі відсіювали на ситах гранули розміром 0,40,5 мм і 1,01,6 мм і помішували в пробовідбірники до повного їх заповнення. Час на всі операції від початку буріння шпура по вугіллю і перебурування вугільного пласта до заповнення пробовідбірників не перевищував 5 хвилин. Проводилася щохвилинна фіксація свідчень десорбції метану з вугілля для кожної фракції. Після закінчення виміру відбувався розрахунок ефективного коефіцієнта дифузії від часу виходу метану. Результати вимірювання приведені в таблиці (див. фіг. 2). Необхідно відзначити, що результати вимірювань, які отримані за допомогою пристрою, що заявляється, в шахтних умовах близькі до результатів вимірювань, отриманих в лабораторних умовах і опублікованих в роботі Греков С.П., Березовский Α.Α., Кошовский Б.И., Смоланов И.Н. Метановыделение из частиц угля в закрытых объемах. Горноспасательное дело. – Донецк, 2002. - С. 56-65, а саме: Dt  , зміряне за допомогою пристрою складає 2,1·10-9 м2/с, a Dt  зміряне в лабораторних умовах - 1,8·10-9 м2/с. Крім того, вимірювання, які проводилися в лабораторних умовах значно складніші і тривалі за часом, оскільки пов'язані з насиченням газом метаном вугільних фракцій і тривають від 20 до 25 днів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 Пристрій для виміру ефективної дифузії газу в вугіллі, що містить корпус, усередині якого розміщені блок живлення, блок накопичення газу, виконаний у вигляді герметичного контейнера з пробовідбірником для штибу і датчиком тиску, блок електронний, оснащений процесором, електронним перемикачем та таймером, панель управління, індикатор і комунікаційний порт, наприклад USB, який відрізняється тим, що пристрій оснащений додатковим блоком накопичення, а блок електронний - пристроєм пам'яті та обчислюваним вузлом, причому виходи основного та додаткового датчиків тиску з'єднані з входами процесора, виходи якого через перші виходи електронного перемикача, що з'єднаний із таймером, підключені до індикатора та пристрою пам'яті, а другі виходи електронного перемикача, відповідно, з'єднані з обчислюваним вузлом, виходи якого підключені до індикатора та комунікаційного порту. 45 3 UA 105584 C2 4 UA 105584 C2 Комп’ютерна верстка О. Рябко 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 5