Способ определения интенсивности газовыделения из разрушенного угля

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для определения выбросоопасности угольных пластов при подземной разработке.

Известен способ определения газовыделения из отбитого угля [Шевченко Л.А., Ливинская С.Н. Газовыделение из отбитого угля при интенсивной отработке угольных пластов / Вестник КузГТУ, 2015 г. №1, С. 164-166], включающий определение массы угля на лавном конвейере, значений газоносности краевой части пласта x₀, остаточной газоносности угля, выходящего из лавы х_ост, и расчет газовыделения из отбитого угля в лаве по формуле:

где S - площадь среднего поперечного сечения транспортируемого угля на лавном конвейере;

- длина лавы;

γ - плотность разрыхленного угля на конвейере;

x₀ - газоносность краевой части пласта;

х_ост - остаточная газоносность угля, выходящего из лавы.

Недостатком данного способа является то, что он не позволяет определять интенсивность газовыделения, т.е. газовыделение в единицу времени, играющую ключевую роль при определении выбросоопасности угольного пласта.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является известный способ определения интенсивности газовыделения из разрушенного угля [Борисенко А.А. Условия возникновения и механизм внезапных выбросов и других газодинамических явлений в шахтах // Научные сообщ. ИГД им. А.А. Скочинского, выпуск 182, 1979 г.], включающий отбор проб в шахтных условиях, разрушение пробы угля и определение метановыделения из разрушенного угля по формуле:

где d - показатель, характеризующий способность угля к газоотдаче;

Р - давление газа;

- приведенный радиус частиц разрушенного угля;

t - время с момента разрушения угля.

К числу преимуществ данного способа относятся: учет особенностей каменного угля к газоотдаче, газового давления и времени, прошедшего с момента разрушения.

Недостатками данного способа являются: неопределенность в плане последовательности и особенностей измерения параметров d и Р, которые зависят от ряда факторов, в том числе от времени, места, способа измерения и горнотехнических условий, связанных с вторичными осадками основной кровли. Это приводит к неточности расчета интенсивности газовыделения и последующего прогноза выбросоопасных ситуаций.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения интенсивности газовыделения из разрушенного угля.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения интенсивности газовыделения из разрушенного угля, включающем отбор проб в шахтных условиях за зоной влияния выработки, разрушение пробы угля и измерение выделившегося газа, согласно изобретению, пробу угля в шахте отбирают в шпуре, пробуренном из подготовительной выработки диаметром 43 мм, с глубины 3,5÷5,5 м с помощью керноотборника, который механически соединен с буром из витой стали, и помещают в герметичный стальной стакан, имеющий в крышке штуцер для подключения внешнего манометра для измерения газового давления, термосопротивление во внутренней области с выведенными контактами для измерения температуры и стальной стержень для разрушения пробы угля при вращении, после чего в течение 1,5÷2 часов стакан с пробой угля доставляют в лабораторию и по манометру определяют газовое давление в стакане, затем пробу в течение 1 мин последовательно от 3 до 5 раз подвергают разрушению, каждый раз поддерживая конечную температуру по первому циклу для исключения дополнительных тепловых эффектов, определяют приращение газового давления и средневзвешенный радиус частиц угля, после чего строят график зависимости приращения давления в стакане от средневзвешенного радиуса частиц угля, с помощью которого рассчитывают число молей газа на единицу массы угля, выделившегося в процессе разрушения пробы, далее определяют удельную интенсивность газовыделения в зависимости от времени.

Отличительные от прототипа признаки заключаются в том, что определены места отбора проб угля, последовательность и совокупность операций для определения интенсивности газовыделения в зависимости от средневзвешенного радиуса частиц угля. Заявляемый способ определения интенсивности газовыделения из разрушенного угля поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана экспериментальная зависимость средневзвешенного радиуса частиц угля от времени разрушения для данного шахтопласта; на фиг. 2 - график зависимости суммарного газовыделения при разрушении угля от средневзвешенного радиуса частиц угля для разных моментов времени.

Способ осуществляют следующим образом. Пробу угля в шахте отбирают в шпуре, пробуренным из подготовительной выработки диаметром 43 мм, с глубины 3,5÷5,5 м с помощью керноотборника, механически соединенного с буром из витой стали, которую помещают в герметичный стальной стакан, имеющий в крышке штуцер для подключения внешнего манометра для измерения газового давления, термосопротивление во внутренней области с выведенными контактами для измерения температуры и стальной стержень для разрушения пробы угля при вращении. В течение 1,5÷2 часов стакан с пробой угля доставляют в лабораторию и по манометру определяют газовое давление в стакане ΔР₀. Затем пробу угля в течение 1 мин подвергают разрушению, фиксируют конечную температуру, измеряют приращение газового давления и с помощью ситового анализа определяют средневзвешенный радиус частиц угля по формуле:

где r_i - радиус частицы i-той фракции;

n - число фракций;

ΔV_i - объем i-той фракции;

V - объем пробы угля.

Измеряют массу пробы угля, после чего всю пробу угля вновь помещают в стакан и вращают в течение 1 мин, фиксируя конечную температуру и средневзвешенный радиус частиц. Измерения повторяют раз и строят график зависимости приращения давления в стакане от средневзвешенного радиуса частиц угля, который аппроксимируют выражением:

где ΔР₀ - первоначальное давление газа в стакане;

γ, b - постоянные, которые определяют из полученной экспериментальной зависимости для каждого пласта;

r - средневзвешенный радиус частиц угля.

Далее рассчитывают число молей газа, выделившегося в процессе разрушения из единицы массы угля, по формуле:

где m - масса пробы угля;

ΔР₀ - первоначальное давление газа в стакане;

γ, b - постоянные, которые определяют из полученной экспериментальной зависимости для каждого пласта;

r - средневзвешенный радиус частиц угля;

R - универсальная газовая постоянная, R=8,31 Дж/К⋅моль;

Т₁ - термодинамическая температура пробы угля при разрушении.

Удельную интенсивность газовыделения, приведенную к условиям Р_атм=10⁵ Па и Т₀=288 К, находят по формуле:

где - число молей газа, выделившегося в процессе разрушения из единицы массы угля;

z - коэффициент сжимаемости газа, z=0,888;

R - универсальная газовая постоянная, R=8,31 Дж/К⋅моль;

T₀ - термодинамическая температура, Т₀=288 К;

Р_атм - атмосферное давление, Р_атм=10⁵ Па;

Δt - время.