УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ДИФФУЗИИ ГАЗА В УГЛЕ Российский патент 2015 года по МПК E21F5/00 

Изобретение относится к горному производству, преимущественно к угольной промышленности и может быть использовано в шахтах для определения эффективной диффузии газа в угле в месте отбора пробы в реальном времени.

Для прогнозирования газодинамических явлений в массиве горных пород необходимы знания кинетики десорбции метана - эффективной диффузии D(t), используемой для прогноза степени выбросоопасности (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).

Эффективная диффузия D(t) рассчитывается из зависимости количества десорбированного метана во времени, который регистрируется одновременно в двух герметичных емкостях с пробоотборниками со штыбом фракциями R₁ и R₂ по формуле, приведенной в работе - Щербань А.Н., Цирульников А.С. Методика определения газопроницаемости угольных пластов. К.: АН УССР, 1956. - 35 с.

где R₁, R₂ - размер фракций образцов, R₁<R₂;

Q₁, Q₂ - относительные величины остаточного количества метана на момент времени t_i в угле фракций R₁ и R₂ $$(Q_1=1-\frac{Q_1(t)}{Q_1{}_{\max }})$$ $$(Q_2=1-\frac{Q_2(t)}{Q_2{}_{\max }})$$ ;

t_i - время измерения (15-30 минут с интервалом 0,5-1 минута).

Известно устройство, описанное в патенте Украины на изобретение № 96884, МПК: E21F 5/00, G01L 7/00, опубл. 12.12.2011, бюл. № в 23, 2011 г., содержащее корпус, внутри которого размещен блок электронный, блок накопления газа, выполнений в виде герметического контейнера с пробоотборником, содержащем штыб и датчик давления, блок электронный, снабженный блоком сравнения, который содержит данные по тестированию исследуемого угольного пласта в лабораторных условиях и таймер, причем выход датчика давления соединен со входом процессора, выход которого через электронный переключатель соединен с таймером, подключенным к входу блока сравнения, на внешней поверхности корпуса размещена панель управления, индикатор и порт-USB, причем панель управления взаимосвязана с блоком питания, а через таймер с индикатором, взаимосвязанным с блоком сравнения и электронным переключателем.

Данное устройство было создано для оперативного измерения давления газа в угле и газоносности угольного пласта в шахте в месте отбора пробы путем использования интегральной десорбции, которая коррелирует с эффективной диффузией D(t).

К недостаткам известного устройства относится то, что для его работы необходимо предварительно производить тестирование исследуемого угольного пласта в лабораторных условиях и вводить результаты тестирования в прибор, для чего необходимо специальное оборудование и дополнительные затраты времени.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования устройства для измерения эффективной диффузии газа в угле путем модификации конструкции устройства. За счет чего упрощается процесс измерения, поскольку оно исключает необходимость предварительного тестирования угольного пласта в лабораторных условиях.

Поставленная задача решается за счет того, что устройство для измерения эффективной диффузии газа в угле, содержащее корпус, внутри которого размещен блок питания, блок накопления газа, выполненный в виде герметичного контейнера с пробоотборником для штыба и датчиком давления, блок электронный, снабженный процессором, электронным переключателем и таймером, панель управления, индикатор и коммуникационный порт, например, USB, согласно изобретению дополнительно снабжено блоком накопления, а блок электронный - устройством памяти и вычислительным узлом. Причем выходы основного и дополнительного датчиков давления соединены с входами процессора, выходы которого через первые выходы электронного переключателя, соединенного с таймером, подключены к индикатору и устройству памяти, а вторые выходы электронного переключателя, соответственно, соединены с вычислительным узлом, выходы которого подключены к индикатору и коммуникационному порту.

Блок накопления, дополнительно введенный в устройство для измерения эффективной диффузии газа в угле, обеспечивает измерение и накопление данных о давлении из штыба угольного образца фракции R₂, в то время как первый блок накопления обеспечивает измерение и накопление данных о давлении из штыба угольного образца фракции R₁. За счет этого данное устройство обеспечивает одновременное измерение и накопление данных из штыба двух угольных образцов R₁, R₂.

Блок электронный дополнительно оснащен устройством памяти и вычислительным узлом для расчета эффективной диффузии D(t), что упрощает процесс измерения, поскольку обеспечивается оперативное определение эффективной диффузии газа в угле без предварительного тестирования угольного пласта в лабораторных условиях.

Соединение блоков и элементов блоков позволяет обеспечить измерение зависимостей давления газа от времени, передачу их в устройство памяти, дальше в вычислительный узел для расчета эффективной диффузии D(t) к индикатору и коммуникационному порту.

На фигуре 1 представлена блок-схема устройства.

Устройство для измерения эффективной диффузии газа D(t) в угле содержит корпус 1, внутри которого размещен блок 2 питания, блок накопления газа, включающий герметический контейнер 3 с пробоотборником 4, внутри которого находится штыб образца угольного пласта фракции R₁ и датчик 5 давления. Также внутри корпуса 1 размещен электронный блок, включающий процессор 6, таймер 7 и управляемый им электронный переключатель 8. На внешней поверхности корпуса 1 расположена панель управления 9 с кнопкой 10, посредством которой включают блок 2 питания и таймер 7, задающий последовательность и длительность работы устройства. На внешней поверхности корпуса 1 также расположен индикатор 11 и коммуникационный порт 12 для подключения данного устройства к внешним устройствам. Кроме того, внутри корпуса 1 размещен дополнительный герметический контейнер 13 с пробоотборником 14, внутри которого находится штыб образца угольного пласта фракции R₂ и датчик 15 давления, устройство памяти 16 и вычислительный узел 17. Блок 2 питания соединен с датчиками давления 5 и 15, процессором 6, таймером 7, электронным переключателем 8, панелью управления 9, индикатором 11, устройством памяти 16 и вычислительным узлом 17. Причем выходы датчиков давления 5 и 15 соединены со входами процессора 6, первой выход которого через электронный переключатель 8 может быть соединен или с индикатором 11 и устройством памяти 16, или с первым входом вычислительного узла 17, а второй выход, через электронный переключатель 8 может быть соединен или с индикатором 11 и устройством памяти 16, или со вторым входом вычислительного узла 17. Выходы вычислительного узла 17 соединены с индикатором 11 и коммуникационным портом 12. Кнопка 10 панели управления 9 соединена с блоком 2 питания, таймером 7 и электронным переключателем 8.

Заявляемое устройство работает следующим образом. В пробоотборник 4 размещают штыб образца угольного пласта фракции R₁ размером 0,4-0,5 мм, а в пробоотборник 14 размещают штыб образца угольного пласта фракции R₂ размером 1-1,6 мм. Пробоотборник 4 размещают в герметичном контейнере 3, а пробоотборник 14 размещают в герметичном контейнере 13. Дальше нажимают кнопку 10 на панели управления 9. Благодаря этому включается блок питания 2, электронный переключатель 8, который соединяет первый и второй выход процессора 6 с индикатором 11 и устройством памяти 16, и таймер 7 начинает отсчет времени, что может длиться от 15 до 30 минут для разных условий измерения. Из штыба образцов угольного пласта фракций R₁ и R₂ начинает выделяться газ, что при неизменном объеме герметичных контейнеров 3 и 13 приводит к постепенному повышению давления со временем. Отсчет давления P_1i и P_2i посредством датчиков давления 5 и 15, проводится с периодичностью 0.5-1 минуты, отображается на индикаторе 11 и заносится в устройство памяти 16. По окончании отсчета времени таймером 7 электронный переключатель 8 переключает первый и второй выходы процессора 6 на вычислительный узел 17 и полученные результаты давления P_1i и P_2i из устройства памяти 16 передаются на вычислительный узел 17. После этого вычислительный узел 17 прорабатывает результаты давления P_1i, и P_2i и рассчитывает эффективную диффузию газа в угле D(t).

Используя уравнение состояния идеального газа $$P\cdot V=\frac{m}{M}\cdot R\cdot T$$ при T, R, V=const, формула (1) записывается в виде:

где - R₁, R₂ - размер фракций образцов, R₁<R₂;

P_1i, - текущее давление в кювете с углем фракции R₁,

p_2i - текущее давление в кювете с углем фракции R₂,

P_k1 - конечное давление метана в кювете с углем фракции R₁ по завершении измерения;

t - время измерения.

Исходя из того, что содержание метана в угле двух фракций одинаковое, а десорбция с меньшей проходит быстрее, за P_max принимается давление P_k1 - конечное давление метана в пробоотборнике с углем меньшей фракции по завершении измерения.

Эксплуатационные испытания устройства проводились на пласте m₃ в конвейерном штреке третьей западной лавы ПК 74+6,0 м. ОП "Шахта Чайкино ГП" «Макеевуголь» 09.10.2012.

Угольный пласт сложного строения. Марка уголь Ж. Угольный пласт m₃ - опасный по внезапным выбросам, опасный по взрыву пыли, угрожаемый по горным ударам, не склонный к самовозгоранию, опасный по суфлярным выделениям метана. Природная газоносность 18-21 м³/т.

Бурили шпур по угольному пласту на глубину 1,3 м и прорабатывали, то есть буровая штанга проворачивалась без продвижения вперед до полного выхода горной массы. После этого продолжали бурение шпура до глубины 1,5 м и собирали измельченный уголь, высыпали его с шпура в кассету из сит с ячейками - размером 0,4 мм; 0,5 мм; 1,0 мм; 1,6 мм. Затем отсеивали на ситах гранулы размером 0,4-0,5 мм и 1,0-1,6 мм и помещали в пробоотборники до полного их заполнения. Время на все операции от начала бурения шпура по углю и перебуривания угольного пласта к заполнению пробоотборников не превышало 5 минут. Проводилась ежеминутная фиксация сведений десорбции метана из угля для каждой фракции. По завершении измерения происходил расчет эффективного коэффициента диффузии от времени выхода метана. Результаты измерения приведены в таблице (см. фиг. 2). Необходимо отметить, что результаты измерений, которые были получены посредством заявляемого устройства в шахтных условиях, близки к результатам измерений, полученных в лабораторных условиях и опубликованных в работе 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, а именно: D(t), измеренное посредством устройства, составляет 2,1·10-9 м²/с, а D(t), измеренное в лабораторных условиях, - 1,8·10-9 м²/с. Кроме того, измерения, проводимые в лабораторных условиях, значительно более сложные и продолжительные по времени, поскольку связаны с насыщением газом метаном угольных фракций и длятся от 20 до 25 дней.

Изобретение относится к горному делу, преимущественно к угольной промышленности и может быть использовано в шахтах для определения эффективной диффузии газа в угле в месте отбора пробы в реальном времени. Техническим результатом является обеспечение упрощения процесса измерения эффективной диффузии газа в угле. Предложено устройство для измерения эффективной диффузии газа в угле, содержащее корпус, внутри которого размещен блок питания, блок накопления газа, выполненный в виде герметического контейнера с пробоотборником для штыба и датчиком давления, блок электронный, оснащенный процессором, электронным переключателем и таймером, панель управления, индикатор и коммуникационный порт, например, USB. При этом устройство снабжено дополнительным блоком накопления и датчиком давления, а блок электронный - устройством памяти и вычислительным узлом. Причем выходы основного и дополнительного датчиков давления соединены со входами процессора, выходы которого через первые выходы электронного переключателя, соединенного с таймером, подключены к индикатору и устройству памяти, а вторые выходы электронного переключателя, соответственно, соединены с вычислительным узлом, выходы которого подключены к индикатору и коммуникационному порту. 2 ил.

Устройство для измерения эффективной диффузии газа в угле, содержащее корпус, внутри которого размещен блок питания, блок накопления газа, выполненный в виде герметичного контейнера с пробоотборником для штыба и датчиком давления, блок электронный, снабженный процессором, электронным переключателем и таймером, панель управления, индикатор и коммуникационный порт, например, USB, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным блоком накопления и датчиком давления, а блок электронный - устройством памяти и вычислительным узлом, причем выходы основного и дополнительного датчиков давления соединены с входами процессора, выходы которого через первые выходы электронного переключателя, соединенного с таймером, подключены к индикатору и устройству памяти, а вторые выходы электронного переключателя, соответственно, соединены с вычислительным узлом, выходы которого подключены к индикатору и коммуникационному порту.