Способ контроля за степенью заполнения выработанного пространства Советский патент 1992 года по МПК E21F15/00 

Изобретение относится к горной промышленности и может найти применение при подземной разработке месторождений полезных ископаемых с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями, в частности при контроле за степенью заполнения выработанного пространства при его закладке.

Важным условием, обеспечивающим эффективное поддержание кровли искусственными целиками, является качественный подпор закладкой вмещающих пород. Поэтому необходим непрерывный и надежный контроль за положением закладочной смеси в закладываемом выработанном пространстве.

Известен способ контроля за степенью заполнения выработанного пространства при его закладке, который заключается в

размещении под кровлей выработанного пространства аэростатов, внутри которых расположены датчики измерения давления газа, а об уровне судят по изменению давления газа в аэростатах до и после окончания закладки выработанного пространства.

Недостатком данного способа является его трудоемкость - наличие грузонесущего аэростата диаметром 1-2 м, гирлянды аэростатов диаметром 0,3-0,6 м, наполнения их гелием, размещение датчиков давления, а также большим количеством комммутаци- онных проводов,все перечисленные факторы затрудняют практическое применение способа на рудниках.

На информативность способа влияет количество аэростатов Гирлянде, т.е. этот способ не позволяет определять уровень закладки в закладываемом пространстве в любой момент времени.

ч| 00

ГО

ю

00

ю

со

Известен способ контроля за степенью заполнения выработанного пространства при его закладке, заключающийся в измерении электрического тока через электроды, размещенные в выработанном пространст- ве.

Недостатком этого способа является его значительная трудоемкость, невысокая информативность, т.е. невозможность определить уровень закладки в любой момент времени производства закладочных работ. С целью повышения информативности необходимо увеличивать число электродов, одновременно уменьшая расстояния между ними, что ведет к увеличению числа комму- тационных проводов.

Известен способ контроля за степенью заполнения выработанного пространства при его закладке, включающий установку электродов в контролируемом интервале выработанного пространства, измерение электрических параметров цепи и определение уровня смеси.

Недостатком этого способа является, что неучитывается изменение ионной кон- центрации раствора при изменении состава смеси, что сказывается на информативности способа. Другим недостатком способа является значительная трудоемкость.

Целью изобретения является повыше- ние информативности определения уровня закладки в любой момент времени производства закладочных работ и снижение трудоемкости.

Цель изобретения достигается тем, что в выработанном пространстве устанавливают заземленный электрод и в контролируемом интервале сплошной вертикальный электрод выполненный, например, из стек- лоуглерода, измеряют величину разрядного тока между электродами, а уровень закладочной смеси определяют по глубине погру- жения сплошного электрода, устанавливаемой из выражения

AI ЬСо

Н

ческую ячейку - сплошной электрод, заземленный электрод и электролит (закладочный раствор) определяется электрохимическими процессами протекающими в двойном электрическом слое,- концентрацией ионов и механизмом движения ионов в растворах электролитов.

Перенос заряда в жидкости разделяется на три механизма: миграция, диффузия и конвекция.

В водных растворах электролитов молекулы растворенного вещества (цемента) диссоциируют на ионы. Для системы с большим избытком ионов основным механизмом движения является диффузия и конвекция. Диффузия ионов возникает благодаря их непрерывному восстановлению и окислению на электродах, что поддерживает постоянный градиент концентрации раствора, т.е. поддерживается стационарная

Hf

диффузия ( -т- 0), в результате чего миграция ионов снижается до минимума. Для неподвижного раствора находящегося в выработанном пространстве конвекция практически отсутствует. Таким образом в рассматриваемой системе практически наблюдается только диффузия.

Как известно, плотность диффузионного тока определяется выражением

Jw4 - -De Л С,(1)

;(1а)

где D - коэффициент диффузии;

е - заряд ионов;

С - концентрация ионов в растворе твердеющей среды;

I - сила тока;

S - площадь поверхности сплошного электрода;

J - плотность тока.

Рассмотрим неподвижный электролит. Линейные размеры измерительного электрода много больше толщины диффузного

СЛОЯ 5д.

В стационарном случае распределение концентрации С ионов определяется уравнением Лапласа:

Использование: контроль за степенью заполнения выработанного пространства. Сущность изобретения: устанавливают заземленный электрод и вертикальный электрод в контролируемом интервале выработанного пространства. Измеряют величину разрядного тока, которая пропорциональна глубине погружения и по ней судят об уровне закладочной смеси.

где I - величина разрядного тока, А;

Со концентрация ионов в растворе 50

кг экв закладочной смеси,

м

А - постоянная, 1500

кг экв м А

b - ширина электрода (стеклоуглерод- ного).

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что электрический ток протекающий через электрохимиUC 0 f +l7+f -°

(2)

Выберем систему координат, начало координат на измерительном электроде, а ось Z направлена по нормали к электроду, к поверхности ограниченной диффузным слоем. Граничные условия имеют следующий вид:

C/Z 0 Ci - концентрация ионов на поверхности измерительного электрода; (3)

C/Z - дд - С2 - концентрация ионов на участке диффузного слоя.

Таким образом концентрация ионов С зависит только от координаты Z. Из (2) можем записать

ЈЈ- dZ2

Интегрируя уравнение (4) получим следующее выражение: dC

TZ

- AI

05)

C(Z) AiZ + A2(5а)

Используя граничные условия (3), найдем At и Аг из уравнения (5а): С(о) Ci - А2; С((5д) - С2 - AI бд+ Ci

Го . Ci отсюда AI - (6)

Из(1)1--80е AC--SDej|,

с учетом (5) и (6)

I - -SDeAi - -SDe(Cz - Ci)/ dg(7)

При кратковременном разряде электрохимической ячейки, ячейка восстанавливается, т.е. за рассматриваемый период времени количество ионов остается постоянным. Запишем это условие:

(Z)dZ- 5gCo(8)

где Со концентрация ионов при их однородном распределении по электрохимической ячейке.

Подставим (5а) и (6) в уравнение (8) Ci Z(J2 + s с, dZ dg Co,

о3g

C2-Ci

f 5g Co,

Og

C2 + Ci - 2Co(9)

Из (Т) с учетом (9) получим следующее выражение

1 dg eDSCi - eDSCa -eDS(2Co-C2)-eDSC2-2eDSCo - 2eDSC2;

- -TFDlr 10

аналогично I 5g - eDSCi - eDS(2Co - Ci) - 2eDSCi - 2eDSCo:

C -co+dr -s(10a)

Отношение концентраций Сг/Ci выражается через разность потенциалов (электродный потенциал), возникающий на границе электрод-электролит с помощью известного соотношения Нернста

.(11)

где Т - температура; k - постоянная Больц- мана.

Подставим (10) и (Юа) в уравнение (11)

ii-iili Co -I-1 0fl/2 e D S

и e m Со -1 5g/2 e D S

eeU/ltT2CoeDS-eeU/kTI dg-2CoeDS + dg

10

2CoeDS feeUAT-l

«g

eeUAT-f 1

(12)

сле5)

(5а)

найS Hb,(13)

где H - длина (высота) сплошного измери- 5 тельного электрода;

b - ширина измерительного электрода.

Подставим значение S из (13) в полученное уравнение (12).

0

5

0

2CoeDHb feeU/kT-1

H

а

Л

UeU/kT + 1 ieUAT + l

; отсюда

(14)

2 Со e D b I e eu/k -j- 1

Расчетами установлено, что еУ kT, поэтому можно принять, что

e eU/k Т + 1 д|,,, с учетом этой поправки

e eu/k Т - 1

выражение (14) принимает следующий вид:

н

2CoeDb

(15)

D

С другой стороны дд т- (5)

где ki - постоянная - коэффициент растворения. Подставим значение ki в выражение

15

I

.Н

2 Coebki

(16)

В условиях закладочных работ твердеющими смесями 2eki const, обозначим

п . - А, и получим окончательное выражение для определения степени заполнения выработанного пространства закладочной смесью:

НAIFCo

(17)

Со - концентрацию ионов в твердеющей смеси можно определить известными методами (6), например, измеряя на поверхности закладочного комплекса диффузионный ток

Ig при (W COnSt) ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТИ Вращения электрода. Из графика определяется концентрация ионов, которая является линейной функцией Ig.

Для определения постоянной А, в металлической форме размещался электрод из стеклоуглерода, ширина которого составляла b - 1,4 м, и высотой Н - 0,5 м. Вывод от стеклоуглерода и заземленного провода подсоединяли к электроизмерительному прибору М2020. Приготавливалась твердеющая смесь, концентрация ионов Со предварительно определялась по данным диффузионного тока измеренного с помощью полярографа универсального ПУ- 1, в комплекте с ЛКД4-003, при постоянной скорости вращения специального электрода. Смесь заливалась в форму порциями, при этом замеряли высоту заполнения емкости закладочной смесью и величину разрядного тока I. На основе полученных данных, при различных концентрациях, опд НЬСо ределили из выражения А

I

А 1500

кг экв

, погрешность установленм А

ной А не превышает 10%, при доверительной вероятности 0,95.

Способ был осуществлен на Жезкент- ском ГОКе, в слое размещался электрод из стеклоуглерода на изоляторе (Ь - 1,4 10 м) высотой 3 м, вывод от него и заземленного провода подсоединялись к электроизмерительному прибору. Концентрация ионов измерялась на поверхности закладочного комплекса. В процессе заполнения камеры закладочной смесью измеряли величину разрядного тока,- И - 1 А, 12-3,5 10 3А,

0

5

0

5

0

5

з - 6,2 А, при Со - 250 Кг кв были

MJ

получены следующие значения Hi - 0,43 м, Hz - 1,7 м, Нз - 2,7 м. Достоверность полученных данных контролировались с помощью мерного провода, на конце с поплавком, опускаемого с подэтажа в закладываемое пространство.

Формула изобретения

Способ контроля за степенью заполнения выработанного пространства при его закладке, включающий установку электродов в контролируемом интервале выработанного пространства, измерение электрических параметров цепи и определение уровня закладочной смеси, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности определения уровня закладки в любой момент времени производства закладочных работ и снижения трудоемкости, в выработанном пространстве устанавливают заземленный электрод и в контролируемом интервале - сплошной вертикальный электрод, выполненный, например из стеклоуглерода, измеряют величину разрядного тока между электродами, а уровень закладочной смеси определяют по глубине погружения сплошного электрода, устанавливаемой из выражения А FCo где I - величина разрядного тока, А;

Со концентрация ионов в растворе закладочной смеси, кг экв/м3;

А - постоянная, 1500 кг экв/м А;

b - ширина электрода.

Н