СПОСОБ ОПЕРАТИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ УГОЛЬНОГО ПЛАСТА
METHOD FOR EFFICIENT DETECTION OF COAL BED MOISTURE

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для повышения надежности и эффективности контроля за процессом увлажнения краевых зон угольных пластов, применяемым с целью предотвращения горных ударов и внезапных выбросов угля и газа.
Одним из основных параметров при оценке эффективности предварительного увлажнения угольных пластов является влажность угля.
Известен способ определения влажности угля весовым методом. Для этого выбуривают из угольного пласта, для которого требуется определить влажность, образцы угля в виде кернов. Затем образцы помещают во влагонепроницаемые контейнеры и доставляют в лабораторию, где и производят дальнейшие исследования. В лабораторных условиях путем взвешивания определяют массу образцов до высушивания и после высушивания до постоянной массы при температуре 105±2°C [ГОСТ 5180-84 (2005): Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик]. Расчет влажности образцов угля производят по формуле
<mrow><mi>W</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>m</mi><mo>−</mo><msub><mi>m</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>m</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>×</mo><mn>100</mn><mi>%</mi></mrow>
,
где W - влажность образца, %;
0
m, m - масса образца до высушивания и после высушивания до постоянной массы, соответственно, кг.
В процессе увлажнения угольного пласта в определенных местах также методом бурения производят отбор проб угля и осуществляют доставку в лабораторию для определения влажности.
Недостатком данного способа является низкая оперативность при определении влажности, поскольку требует специальных лабораторных условий и соответствующего оборудования.
Более близким по сущности является способ определения влажности угля в угольном пласте путем электрометрических измерений. Для этого в подготовительной выработке в зоне предварительного увлажнения угольного массива производят отбор образцов для предварительных лабораторных исследований путем выбуривания кернов из угольного пласта [Оценка ударо- и выбросоопасности увлажненных зон угольных пластов / В.В.Дырдин [и др.]; под ред. П.В. Егорова; КузГТУ, Зап.-Сиб. отд-ние РАЕН. Кемерово: Кузбассвузиздат, 2000, 134 с]. В лабораторных условиях керны исследуют и устанавливают функциональную зависимость между удельным сопротивлением угля и его влажностью в виде
W=f(ρ),
где ρ - удельное сопротивление угля.
Затем в подготовительной выработке в зоне предварительного увлажнения угольного пласта бурят контрольные скважины. В скважины устанавливают специальные электроды, которые затем подключают к специальному используемому для этих целей электроизмерительному прибору, искробезопасному омметру (вольтметр). В процессе увлажнения измеряют удельное сопротивление угля, а величину влажности определяют по функциональной зависимости W=f(ρ), полученной предварительно в лабораторных условиях.
Недостатком этого способа является использование специального искробезопасного оборудования. В некоторых случаях использование электрометрического оборудования при проведении подготовительных выработок по угольным пластам, склонным к внезапным выбросам угля и газа, запрещено, что приводит к необходимости использования других способов определения влажности угольного пласта.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение оперативности и повышение безопасности при определении влажности угля в угольном пласте в шахтных условиях при увлажнении краевых зон ударо- и выбросоопасных угольных пластов.
Указанный технический результат достигается тем, что способ оперативного определения влажности угольного пласта включает предварительные лабораторные исследования на образцах угля, выбуренных из угольного пласта, подлежащего увлажнению, сверление контрольных скважин в краевой части угольного массива, согласно изобретению влажность угольного пласта определяют по скорости сверления контрольной скважины, используя номограмму или функцию
W=f(C),
где W - влажность образцов угля, %;
С - скорость сверления, м/с;
полученные предварительно по результатам лабораторных исследований.
На фиг.1 представлена принципиальная схема установки для определения скорости сверления образца угля в лабораторных условиях, где 1 - сверлильный станок; 2 - образец угля; 3 - сверло; 4 - динамометр.
На фиг.2 представлена полученная графическая зависимость (линия тренда, номограмма) влажности угля от скорости сверления W=f(C), полученная с использованием программы MS EXCEL.
На фиг.3 представлена схема расположения контрольных точек относительно увлажняющей скважины: 1 - увлажняющие скважины в подготовительной выработке; 2 - точки сверления контрольных скважин для измерения скорости сверления; 3 - расчетная зона увлажнения угольного пласта; 4 - насосная установка.
Способ оперативного определения влажности угольного пласта осуществляют следующим образом.
С помощью буровой коронки и пневмосверла производят выбуривание образцов угля в виде кернов в подготовительной выработке из угольного пласта, где планируют произвести увлажнение.
В лабораторных условиях проводят исследования полученных образцов угля: определяют влажность образцов угля и скорость сверления. С помощью сверлильного станка устанавливают зависимость между скоростью сверления и влажностью образцов угля.
Скорость сверления определяют таким образом (фиг.1):
- устанавливают образец угля на сверлильный станок;
- устанавливают постоянную нагрузку на сверло с помощью динамометра;
- с помощью секундомера замеряют время сверления t, а с помощью штангенциркуля глубину сверления h;
- скорость сверления определяют по формуле
C=h/t,
где h - глубина сверления, м;
t - время сверления, с.
Влажность образцов угля определяют следующим образом:
- образец угля взвешивают на лабораторных весах для определения массы m до высушивания;
- образец угля высушивают в сушильном шкафу при температуре 105±2°C до постоянной массы и снова взвешивают;
- определяют влажность образца угля по формуле
<mrow><mi>W</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>m</mi><mo>−</mo><msub><mi>m</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>m</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>×</mo><mn>100</mn><mi>%</mi></mrow>
,
где W - влажность образца угля, %;
0
m, m - масса образца угля до высушивания и после высушивания до
постоянной массы, соответственно, кг.
Аналогично производят исследования с другими образцами угля при различных влажностях. По результатам исследований в программе MS EXCEL строят графическую зависимость влажности образцов угля от скорости сверления W=f(C), для которой средствами программы получают линию тренда и ее функциональную зависимость (фиг.2):
W=kC+b,
где k и b - константы линии тренда.
В шахтных условиях после проведения увлажнения в контрольных точках угольного пласта согласно схеме на фиг.3 с помощью пневмосверла сверлят скважину диаметром 43 мм в глубь угольного массива на глубину 3- 4 м, при этом фиксируют: глубину сверления, производимое усилие во время сверления и время сверления одного метра длины скважины, а по формуле
C=h/t,
где h - глубина сверления, м;
t - время сверления, с,
производят расчет скорости сверления С.
0
0
1
0
1
0
1
1
1
0
1
0
1
Используя функциональную зависимость или номограмму, полученную в лабораторных условиях, устанавливают влажность угольного пласта в контрольных точках. Для этого, зная скорость бурения C до увлажнения угольного пласта при его естественной влажности W, определяют параметр b для шахтных условий из уравнения: W=kC+b. При этом k=k. Получим: b=W-kC. Используя полученную функцию для шахтных условий, определяют влажность угольного пласта после проведения увлажнения по формуле W=KC+b, где С - скорость бурения контрольной скважины после увлажнения.
Пример осуществления способа оперативного определения влажности выбросоопасного угольного пласта.
Изготовляют образцы каменного угля правильной геометрической формы, образцы, например, выбуривают одинаковым способом по отношению к напластованию из угольного пласта (шахта "Северная", пласт "Верхний", выход летучих - 28%, марка КЖ), обрабатывают торцы на токарном или точильном станке и после обработки образцы угля принимают следующие геометрические размеры:
обр
-3
высота Н=56·10 м;
0бp
-3
диаметр d=43·10 м.
Изготовляют 10 образцов угля. Затем в лабораторных условиях производят увлажнение нескольких образцов угля, так чтобы все образцы угля имели различную влажность от 0% до 6%. На сверлильном станке производят сверление отверстия диаметром d=8,0 мм на глубину h=3 см образца, при этом с помощью динамометра фиксируют постоянное прилагаемое усилие при сверлении, а секундомером - время сверления / (фиг.1).
Скорость сверления определяют по формуле
С=h/t=3/0,75=4 см/мин,
где h - глубина сверления, м;
t - время сверления, с.
Прилагаемое усилие должно быть таким, чтобы давление, создаваемое на сверло, при сверлении в лабораторных условиях и в шахте было одинаковым:
<mrow><mi>σ</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>P</mi><mi>S</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mi>P</mi><mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>4</mn></mfrac><mi>π</mi><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>13,84</mn></mrow><mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>4</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mn>3,14</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>0,008</mn></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>276000</mn><mtext> </mtext><mi>П</mi><mi>а</mi></mrow>
,
где Р=13,84 - усилие, прилагаемое к сверлу, Н;
d - диаметр сверла, м.
Скорость вращения сверла должно быть одинаковой.
0
Затем для каждого образца угля после сверления определяют его влажность. Для этого образец угля взвешивают, определяют массу до высушивания m, образец угля высушивают в сушильном шкафу при температуре 105±2°C до постоянной массы m и снова взвешивают, определяют влажность образца по формуле
<mrow><mi>W</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>m</mi><mo>−</mo><msub><mi>m</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>m</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>×</mo><mn>100</mn><mi>%</mi></mrow>
,
где W - влажность образца угля, %;
0
m, m - масса образца угля до высушивания и после высушивания до постоянной массы, соответственно, кг.
Аналогично производят исследования с другими образцами при различных влажностях.
В программе MS EXCEL строят графическую зависимость влажности образцов угля от скорости сверления W=f(C), для которой средствами программы получают линию тренда и ее функциональную зависимость: W=kC+b или W=1,0215С-3,2184 (фиг.2), k и b - константы линии тренда.
В шахтных условиях после проведения увлажнения в контрольных точках согласно схеме на фиг.3 с помощью пневмосверла сверлят скважины диаметром 43 мм в глубь угольного пласта на глубину 3-4 м, при этом фиксируют: глубину сверления, производимое усилие во время сверления и время сверления одного метра длины скважины, а по формуле
C=h/t,
где h - глубина сверления, м;
t - время сверления, с, производят расчет скорости сверления.
0
0
1
0
0
1
1
l
0
0
Используя функциональную зависимость или номограмму, полученную с помощью программы MS EXCEL на основе результатов лабораторных исследований, устанавливают влажность угольного пласта в контрольных точках. Для этого, зная скорость сверления C=4 см/мин скважины до увлажнения при естественной влажности угольного пласта W=1,5%, определяют параметр b для шахтных условий из уравнения: W=1,0215C+b. При этом k=k. Получим: b=W-1,0215С=1,5-1,0215-4=-2,586.
<mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>96</mn></mrow><mrow><mn>12</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>8</mn></mrow>
После увлажнения угольного пласта измеряют скорость бурения контрольной скважины:
см/мин.
Используя полученную функцию для шахтных условий, определяем влажность угольного пласта после проведения увлажнения: W=1,0215С-2,586=1,0215·8-2,586=5,586%.
Таким образом, достигается технический результат, который состоит в увеличении оперативности получаемых результатов за счет отсутствия проведения лабораторных исследований на пробах угля после увлажнения и повышении безопасности при проведении профилактических работ, так как не используется электрометрическое оборудование в подготовительной выработке.