Способ определения сорбционной способности горных пород и устройство для его осуществления Советский патент 1981 года по МПК G01N21/49 

Изобретение относится к горному делу а именно к разработке газоносных горнык пород и может быть использовано при про гнозе газообильности угольных пластов. Известен способ определения сорбционной метаноемкости объемным методом, с применением промежуточных емкостей для сжатого газа. Для осуществления этого способа известна сорбционная установка, состоящая из двух частей: металлической, рассчитанной на давление до 150 атм, и стеклянной, служащей для измерения объемов газа при давлении не более 1 атм 13Наиболее близким к предлагаемому является способ определения сорбционной метаноемкости углей объемным методом с применением сжатого метана, включающий калибровку установки, замер пустого пространства сорбционной колбы, тщательную подготовку образца к исследованию. Сорбционную колбу помещают в термостат с автоматическим поддержанием температуры, подключают ее к прибору и дегазируют в течение 4 ч. Затем в прибор подается газ под давлением 760 мм рт.сг. Эти операции повторяются до установления в колбе сорбционногр равновесия, что достигается 20-3О впусками в течение 2-3 дней. После установления в кодбе равновесия уголь насыщают метаном из баллона, находящегося под давлением около 50 атм. После этого колбу подсоединяют к сорб- ционному прибору и, откачав газ, приступают к выпускам его через вентиль. После установления в колбе нового сорбционного равновесия производят следующий выпуск газа и так до установления в колбе давления, (явного 1 атм. Обычно число выпусков составляет 7-8, т.е. каждые 5-7 атм. Расчет сорбционной гааоемкостн при 1 атм и количества десорбирюанного газа после каждого выпуска произвоаитч:я по определенным формулам. Устройство (установка) для осуществления предлагаемого способа состоит из стеклянных емкостей-газосборников ( 7ОО-8ОО см), ма3S5номегра, стеклянной гребенки с краном и соеаинигельных резиновых трубок. Для улавливания влаги (при определении метаноемкости естественно-влажных пород) сорбцирнная установка снабжена трубкой с ангидридом, которая помещается межцу колбой и газосборником fs}. Недостатком является то, что для определения сорбционной способности объемным методом требуются большие затраты труда и времени, специальная подготовка образца к исследованию, а также специаль ная подготовка обслуживающего персонала для работы на установке. Цель изобретения - упрощение методики определения, снижение трудоемкости и повышение оперативности определения сорб ционной способности. Поставленная цель достигается тем, что в способе определения сорбционной способности горных пород, основанном на использовании структурного изменения гор ных пород при газонасыщении, образец гор ных пород помещают в камеру высокого давления, герметизируют ее, определяют оптимальное расстояние от образца до источника света, затем камеру вакуумируют, включают источник света, направляют его луч на поверхность образца и люксмет ром определяют интенсивность рассеянного света от поверхностидегазированного образца, затем давление в камере ступенчато повышают и определяют интенсивност рассеянного света на каждой ступени газонасыщения до полного заполнения сорбционного объема образца, а с степени заполнения объема образца газом судят по отношению интенсивности рассеянного света на каждой ступени газонасыщения к ин тенсивности рассеянного света при полном ааполнении сорбционного объема. При этом количественное содержание сорбциоИного газа в образце определяют по формуле ( - содержан 1е сорбированного газа при данном давлении газонасыщения, мл/г гм; 3 - интенсивность рассеянного света от поверхности горных пород при давном уровне газонась щения; - интенсивность рассеянного света от поверхности дегазированного образца; ;3у, - интенсивность рассеянного света от поверхности газонасышенных горных пород с максимальным заполнением сорбционносо объема; 6 Q - максимальное содержание сорбированного газа. Кроме того, оптимальное расстояние от образца горных пород до источника света определ$пот по разности показаний люксметра при включенном и выключенном магнитострикционНом датчике, причем разность ик показаний должна превышать погрешность люксметра не менее чем на 3%. Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит люксометр, камеру высокого давления, в которой установлены зеркальная полусфера, датчик-приемник, электроввод высокого давления, калиброванный узконаправленный источник заключенный во взрывобезопасную оболочку, магнйтострикционный датчик, телескопическая подставка, ввод для подачи высокого давления и вакуумирования камеры и соецинительные герметизирующие узлы. При этом камера высокого давления выполнена разъемной, причем на внутренней стороне ее веркнай части закреплена зеркальная полусфера, в фокусе которой помещен датчик-приемник, подключенный посредством электроввода высокого давления к люксметру, расположенному вне камеры, соосно с датчиком-приемником размещен калиброванный узконаправленный источник света, в нижней же части камеры находится магнйтострикционный датчик с закрепленной на нем телескопической подставкой, а также имеется ввод для подачи и вакуумирования камеры. Предлагаемый способ основан на извест представлениях о том, что при адсорбции газа горных пород имеет место их набухание, т.е. изотропное расширение. Набухание твердых пород связано с объем г ным заполнением микропор газом, в результате чего возникает расклинивающее действие, обуславливающее объемное расширение твердых тел и сопровождающееся увеличением размеров поверхностных дефектов типа , что позволяет использовать данный эффект для оценки содержания сорбированного газа в горных породах. На чертеже представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа. Устройство содержит разъемную камеру высокого давления 1, фокусирующую зеркальную полусферу 2, датчик-приемник 3, алектроввод 4 высокого давления, регистрнруюший прибор (люксметр) 5, узконаправленный калиброванный источник 6 света, вэрывобеаопасную оболочку 7, магнйтострикционный датчик 8, телескопическую подставку 9, ввод 10 для подачи высокого давления и вакуумирования камеры, соединительные герметизирующие узлы 11, герметизирующий узел 12. К верхней части 13 разъемной камеры 1 высокого давления, на внутренней ее стороне закреплена зеркальная полусфера 2, в фокусе которой помещен датчикприемник 3, подключенный посредством электроввода 4 высокого давления к измерительному прибору 5 (люксметру), который расположен вне камеры 1. Соосно с датчиком-приемником 3 размещен калиброванный узконаправленный источник 6 света, заключенный во взрьюобезопасную оболочХу 7. В .нижней части 14 камеры 1 находится магнитострикционный датчик 8 с закрепленной на нем телескопической подставкой 9 для удерживанйя образца горных пород, а также имеется ввод 10 для подачи высокого давления и вакуумирования камеры. Верхняя 13 и нижняя 14 части камеры 1 соединяются посредством соединительных герметизирующих узлов 11, а окончательная герметизация прибора осуществляется после приведения установки в рабочее состояние посредством герметизирующего узла 12, расположенного в нижней части 14 камеры, Способ осуществляют следующим обраОбразец горных пород устанавливают на телескопическую подставку 9, герметически соединяют верхнюю 13 и нижнюю 14 части камеры высокого давления 1 посредством соединительных герметически узлов 11. Включают узконаправленный калиброванный источник 6 света, направляют его луч на образец и определяют интенсивность отраженного рассеянного света датчиком-приемником 3. Если интенсивность отрансенного света не достаточна для срабатывания регистрирующего прибора 5, то образец приближают к источнику 6 света путем раздвигания телескопической подставки 9 до появления показаний люксметра 5, Для точного определения расстояния от образца до источника 6 света включают магнитострикционный датчик 8, посредством которого имитируют изменение объема образца при газонасыщении и по существенности различия интенсивности рассеянного света при включен ном и выключенном магнитострикционном датчике 8 определяют оптимальное расстояние между образцом и источникм 6 света После этого источник 6 света и магнитострикционный датчик 8 выключают и производят полную герметизацию камеры посредством герметизирующего узла 12, расположенного в нижней части камеры 1. Затем включают источник света, камеру 1 вакуумируют. Включают источник 6 света и определяют интенсивность рас сеянного света от поверхности дегазированного образца. После этого образец газонасыщают путем подачи давления в камеру 1 через ввод 10 высокого давления и опять определяют интенсивность рассеянного света. Газонасыщение и определение интенсивности рассеянного света определяют до полного заполнения сорбаионного объема об« разца. Степень заполнения сорбционного объема горных пород газам определ5Пот „Q отношению интенсивности рассеянного света на каждой ступени давления газонасыщения к интенсивности рассеянного света при полном заполнении сорбционного объема. Дпя получения количественного значения сорбционной газоносности При данном давлении предварительно устанавливают максимальную сорбционную газоемкость горных пород и содержание сорбированно го газа определяют по соотношению JVI-DO где - содержание сорбированного газа при данном давлении гаэонасыщения, мл/г гм; 3 - интенсивность рассеянного света от поверхности горных пород при данном уровне газонасыщення; Зр - интенсивность рассеянного свете от поверхности дегазированных . горных пород; 3 - интенсивность рассеянного света от поверхности газонасыщенных горных пород с максимальным заполнением сорбционного объема; Q - максимальное содержание сорбци- онного объема газа. В случае излучения сорбционной способности углей можно использовать табличные данные по максимальным значениям количества сорбированного газа Q , которые для большинства углей известны, что значительно упростит методику исследования. Использование предлагаемых способа и устройства позволит значительно сократить время определения содержания сорбированного газа в горных псфоцах, упростить методику измерений и исключить аналитические расчеты, Особенно целесообразно применение способа и устройства при экспресс-мвГ1 78дах изучений осгагочной газоносносги горных пород. Формула изобретения 1.Способ определения сорбционной спо собности горных аород. основанный на использовании CTpyKtypHoro изменения горных пород при гааонасыщении, отли чающийся тем, что, с целью упро щения методики определения, снижения трудоемкости и повышения оперативности определения сорбционной способности, образец горных пород помещают в камеру высокого давления, герметизируют ее, определяют оптимальное расстояние от образца до источника света, затем камеру вакуумируют, включают источник света, направляют его луч на поверхности образца и люксметром определяют интенсивност рассеянного света от поверхности дегазированного образца, затем давление в камере ступенчато повышают и определяют интенсивность рассеянного света на каждой ступени газонасыщения ао полного заполнения сорбционного объема образца, а о степени заполнения .объема образца газом судят по отношению интенсивности рассеянного света на каждой ступени га- зонасыщения к интенсивности рассеяния света при полном заполнении сорбционного объема. 2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что количественное содер жание сорбционного газа в образце опред ляют по формуле D -U о л q, ) «Зо где q, - содержание сорЬционного газа при данном давлении газонасыщения, мл/г- гм; Л - интенсивность рассеянного света от поверхности горных пород при данном уровне газонасыщения;tJg интенсивность рассеянного света от поверхности дегазированного образца; - интенсивность рассеянного света от поверхности газонасыщен ных горных пород -с максимальным заполнением сорбционного объема; 8 Q - максимальное содержание сорбционного газа. 3.Способ по п. 1, отличающийся тем, что оптимальное расстояние от образца горных пород до источника света определяют по разности показаний люксметра при включенном и выключенном магнитосгрикционном датчике, причем разность их показаний должна превышать погрешность люксметра не менее, чем на 3%. 4.Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее камеру высокого давления, в которой установлены зер- кальная полусфера, датчик-приемник, люксметр) электроввод высокого давления, калиброванный узконаправленный источник света, заключенный во взрывобезопасную оболочку, магнитострикционный датчик, телескопическая подставка, ввод для подачи высокого давления и вакуумирЬвания камеры и соёцинительные герметизирующие узлы, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и оперативности измерения и уменьшения габаритов установки, камера высокого давления выполнена разъемной, причем на внутренней стороне ее верхней части закреплена зеркальная полусфера, в фокусе которой помещен датчик-приемник, подключенный посредством электроввода вьюокого давления к люксметру, расположенному вне камеры, соосно с датчиком-приемником размещен калиброванный узконаправленный источник света, в нижней же части камеры находится магнитострикционный датчик с закрепленной на нем телескопической подставкой, а также имеется ввод для подачи высокого давления и вакуумирования камеры. Источники информации, принятые во в)яимание при экспертизе 1.Методические указания по определению содержания сорбционного и свободного метана в ископаемых углях. Макеевка-Донбасс, 1977, с. 14-17, 21-25. 2.Методические указания по определению содержания сорбционного и свободного метана в ископаемых углях. Макеевка-Донбасс, 1977, с. 7-14 (прототип).

tdneKfnpe-. питании I- ecStmU тени