СПОСОБ ВЫБОРА ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ УВЛАЖНЕНИИ КАМЕННЫХ УГЛЕЙ ПО КОЭФФИЦИЕНТУ ПРОНИЦАЕМОСТИ
SURFACTANT SELECTION METHOD FOR WETTING OF HARD COALS USING PERMEABILITY COEFFICIENT

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для повышения эффективности увлажнения краевых зон угольных пластов, применяемого с целью предотвращения горных ударов и внезапных выбросов угля и газа и других опасностей.
Известен способ определения коэффициента проницаемости угля или твердого пористого тела. Для этого выбуривают образцы горной породы со сравнительно одинаково заданными формой и размерами.
Образцы устанавливают в обойму и помещают в кювету (кернодержатель), через которую прокачивают исследуемый раствор ПАВ под высоким давлением. По измеренным объемам профильтрованной жидкости и времени фильтрации определяют коэффициент проницаемости [ГОСТ 26450_2-85 Породы горные. Метод определения коэффициента абсолютной газопроницаемости при стационарной и нестационарной фильтрации]. Относительная погрешность определения коэффициента проницаемости составляет 11-20%, а оптимальной концентрации - 11-18%. Причем количество измерений для одного угольного пласта при определении коэффициента проницаемости от 20 до 40, а концентрации - от 110 до 200.
Недостатком данного метода является зависимость результатов определения коэффициента проницаемости от направления фильтрации, метод имеет сложное материалоемкое оборудование, процесс выбуривания образцов угля сложен для соблюдения точно заданных параметров.
Известен способ определения эффективного поверхностно-активного вещества (ПАВ) по минимальному значению краевого угла смачивания.
2
Для этого отбирают образцы горной породы со сравнительно ровной поверхностью площадью около 10 см. С помощью шифровального круга, наждачной бумаги изготовляют аншлиф. На приготовленную поверхность наносят каплю исследуемой жидкости и с помощью пучка света проецируют боковое изображение капли на экран, где очерчивают контур капли, сидящей на поверхности твердого тела, и через точку соприкосновения трех фаз проводят касательную к контуру капли, по углу наклона которой измеряют краевой угол смачивания Θ.
Повторяя измерения краевого угла смачивания минимум 20 раз для последовательно увеличивающейся концентрации ПАВ, строят график зависимости краевого угла смачивания от концентрации ПАВ в растворе Θ=f(C). Аналогично проводят исследования для других ПАВ. Наиболее эффективное ПАВ и его концентрацию С определяют из графических зависимостей по минимальному значению краевого угла смачивания Θ [1. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. - М: Химия, 1975. - 512 с, 2. Трубицына Д.А. Экспресс-метод оценки эффективности применения смачивателей для борьбы с пылью // Вестник ВостНИИ. - Кемерово: ВостНИИ, №2, 2010, С.202-206].
В частности, этим способом определялся угол смачивания для системы жидкость-уголь-газ и оптимальная концентрация смачивателя ДБ при увлажнении угольных пластов. Относительная погрешность определения угла смачивания при этом составляет 15-21%, а оптимальной концентрации - 14-23%. Причем количество измерений для одного угольного пласта при определении угла смачивания составляет от 20 до 40, а концентрации - от 150 до 240.
Недостатком данного метода является зависимость результатов определения угла смачивания от чистоты и степени окисленности поверхности, времени растекания (гистерезис смачивания), геометрических погрешностей и других факторов.
Одним из основных параметров при выборе типа поверхностно-активного вещества (ПАВ) и его концентрации в растворе является коэффициент проницаемости.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение безопасности горных работ при отработке ударо- и выбросоопасных угольных пластов после увлажнения краевых зон угольного массива.
пр.
Указанный технический результат достигается тем, что способ выбора ПАВ при увлажнении каменных углей по коэффициенту проницаемости включает отбор образцов угля на участке, где предполагается проведение профилактического увлажнения, изготовление кернов и проведение лабораторных исследований на кернах, согласно изобретению установку измерительного цилиндра осуществляют непосредственно на образец, определяют объем профильтрованного водного раствора ПАВ, время фильтрации, коэффициент проницаемости K определяют по формуле
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>V</mi><mi>η</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>h</mi><mi>Δ</mi><mi>P</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>,                        (1)</mtext></mrow>
3
где V - объем жидкости, прошедшей через образец за время t, м;
η - динамическая вязкость воды, Па·с;
ΔР=ρgH - гидростатическое давление жидкости, Па;
3
ρ - плотность жидкости, кг/м;
2
g=9,81 м/с - ускорение свободного падения;
Н - высота столба жидкости относительно образца, м;
h - глубина отверстия, м;
1
2
x=d/2, х - радиус отверстия и внешней поверхности зоны фильтрации, соответственно, м.
Затем, повторяя измерения, минимум четыре раза для последовательно увеличивающейся концентрации ПАВ, строят график зависимости коэффициента проницаемости относительно концентрации ПАВ и проводят подобные измерения с другими ПАВ на подобных образцах, а наиболее эффективное ПАВ и его концентрацию определяют из графических зависимостей по максимальному значению коэффициента проницаемости.
На фиг.1 представлена схема лабораторной установки для определения коэффициента проницаемости, где 1 - крышка, предохраняющая жидкость от испарения из цилиндра; 2 - измерительный цилиндр; 3 - герметизирующий слой; 4 - образец угля.
пр.
На фиг.2 представлен графический метод выбора оптимального ПАВ и его концентрации, где K - коэффициент проницаемости угля; С - концентрация ПАВ в растворе, %.
На фиг.3 представлена схема фильтрации жидкости в образце угля.
Способ выбора поверхностно-активных веществ при увлажнении каменных углей по коэффициенту проницаемости осуществляют следующим образом.
С помощью буровой коронки и пневмосверла производят выбуривание образцов угля в виде кернов в подготовленной выработке из угольного пласта, где планируют произвести увлажнение.
пр.
Производят отбор образцов для лабораторных исследований массой 100-300 г. Затем в лабораторных условиях просверливают отверстие диаметром 4 мм по центру по оси керна в крест напластования или по напластованию на глубину 2/3 высоты образца h, в отверстие вставляют измерительный цилиндр емкостью 5-10 мл, место соединения цилиндра с образцом герметизируется, например, парафином или клеем «Момент». В цилиндр наливают исследуемую жидкость. Определяют объем профильтрованной жидкости, время фильтрации, форму и размеры зоны фильтрации, анизотропию процесса фильтрации оценивают по выступившим на поверхности образца кристаллам соли. Коэффициент фазовой проницаемости Kпористой среды определяют по формуле
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>V</mi><mi>η</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>h</mi><mi>Δ</mi><mi>P</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>,                                     (1)</mtext></mrow>
3
где V - объем жидкости, прошедшей через образец за время t, м;
η - динамическая вязкость воды, Па·с;
ΔР=ρgH - гидростатическое давление жидкости, Па;
3
ρ - плотность жидкости, кг/м;
2
g=9,81 м/с - ускорение свободного падения;
Н - высота столба жидкости относительно образца, м;
h - глубина отверстия, м;
1
2
х=d/2, х - радиус отверстия и внешней поверхности зоны фильтрации, соответственно, м, (фиг.3).
пр.
После этого повторяют измерения минимум четыре раза для последовательно увеличивающейся концентрации ПАВ, строят график зависимости коэффициента проницаемости K относительно концентрации ПАВ С и проводят подобные измерения с другими ПАВ на подобных образцах, а наиболее эффективное ПАВ и его концентрацию определяют из графических зависимостей по максимальному значению коэффициента проницаемости (фиг.2).
Таким образом, достигается технический результат, который состоит в повышении безопасности горных работ путем увеличения оперативности получаемых результатов, увеличения надежности получаемых результатов и простотой используемого оборудования. Предлагаемый способ позволяет оценить микроскопическую проницаемость в локальной зоне массива, удобен для исследования влияния растворов ПАВ на фильтрационные свойства и др.
Увеличение точности и надежности при выборе эффективного ПАВ позволяет повысить безопасность горных работ при увлажнении угольных пластов в целях борьбы с горными ударами и внезапными выбросами угля и газа.
Пример осуществления способа выбора поверхностно-активных веществ при увлажнении каменных углей по коэффициенту проницаемости.
1. Изготовляют образцы каменного угля правильной геометрической формы, например образцы выбуривают одинаковым способом по отношению к напластованию из кусков каменного угля (шахта "Северная", пласт "Верхний", выход летучих - 28%, марка КЖ), обрабатывают торцы на токарном или точильном станке и после обработки образцы принимают следующие геометрические размеры:
обр
-3
высота Н=56·10 м;
o6p
-3
диаметр d=45·10 м.
2. Изготовляют по пять образцов на каждое ПАВ. Исследуют, например, три ПАВ: «Эльфор», Сульфанол, смачиватель ДБ.
3. Сверлят отверстия диаметром 4,0 мм по оси керна на глубину 2/3 высоты образца h=0,035 м, (фиг.1) и устанавливают измерительный цилиндр емкостью 10 мл на высоту H=0,35 м относительно образца, а место соединения герметизируют клеем «Момент».
4. Производят измерение основных характеристик процесса фильтрации исследуемой жидкости через опытный образец угля и расчет коэффициента проницаемости по формуле:
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mi>K</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>V</mi><mi>η</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>h</mi><mi>Δ</mi><mi>P</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>=</mo><mfrac><mrow><mtext>2</mtext><mtext>,5</mtext><mo>⋅</mo><msup><mrow><mtext>10</mtext></mrow><mrow><mtext>-6</mtext></mrow></msup><mo>⋅</mo><mn>0,001</mn></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mn>0,035</mn><mo>⋅</mo><mn>3433,5</mn><mo>⋅</mo><mn>1800</mn></mrow></mfrac><mtext> ln</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>0,0225</mn></mrow><mrow><mn>0,004</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mtext>3</mtext><mtext>,18</mtext><mo>⋅</mo><msup><mn>10</mn><mrow><mo>−</mo><mn>15</mn></mrow></msup><msup><mtext>м</mtext><mtext>2</mtext></msup></mtd></mtr></mtable>
,
-6
3
где V=2,5·10 м - объем жидкости, прошедшей через образец за время t=1800 с;
η=0,001 Па·с - динамическая вязкость воды;
ΔР=ρgH=1000·9,81·0,35=3433,5 Па - гидростатическое давление жидкости;
3
ρ=1000 кг/м - плотность жидкости;
2
g=9,81 м/с - ускорение свободного падения;
Н=0,35 м - высота столба жидкости относительно образца;
h=0,035 м - глубина отверстия, м;
1
2
х=0,004 м, x=0,0225 м - радиус отверстия и внешней части керна, соответственно.
пр.
Повторяя пп.1-4 минимум четыре раза для последовательно увеличивающейся концентрации ПАВ, по результатам расчета. Затем повторяют измерения четыре раза для последовательно увеличивающейся концентрации ПАВ, строят график зависимости коэффициента проницаемости относительно концентрации. Аналогично проводят исследования для других ПАВ. Наиболее эффективное ПАВ и его концентрацию С определяют из графических зависимостей K=f(C) по максимальному значению коэффициента проницаемости определяют наиболее эффективный ПАВ и его концентрацию (фиг.2).
пр.max
-14
2
Оптимальным ПАВ является смачиватель марки «Эльфор» в концентрации 0,002% при максимальном коэффициенте проницаемости K=12·10 м.
Формула (1) для расчета коэффициента проницаемости была получена следующим образом.
Уравнение Дарси можно записать в виде
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mfrac><mi>S</mi><mi>η</mi></mfrac><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>P</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>x</mi></mrow></mfrac></mrow>
,
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>V</mi><mi>t</mi></mfrac><mo>=</mo><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>s</mi><mi>t</mi></mrow>
где
- расход жидкости;
3
V - объем жидкости, прошедшей через образец за время t, м;
η=0,001 Па·с - динамическая вязкость воды, Па·с;
х - расстояние от оси отверстия до поверхности фильтрации, м;
Р=ρgH - гидростатическое давление жидкости, Па;
Н - высота столба жидкости относительно образца, м;
2
S - площадь поверхности, через которую происходит фильтрация жидкости, м (фиг.3);
пр.
2
K - коэффициент фазовой проницаемости пористой среды, м.
Из последнего выражения
<mrow><mi>Q</mi><mfrac><mi>η</mi><mi>S</mi></mfrac><mi>d</mi><mi>x</mi><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mi>d</mi><mi>P</mi></mrow>
,
где S=2πxh; h - глубина отверстия, м.
Интегрируем, получим
<mrow><mi>Q</mi><mi>η</mi><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub></mrow></munderover><mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>x</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>x</mi><mi>h</mi></mrow></mfrac></mrow></mrow></mstyle><mo>=</mo><msub><mi>K</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></munderover><mrow><mi>d</mi><mi>P</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow>
,
1
2
где x, x - радиус отверстия и внешней поверхности зоны фильтрации, соответственно, м.
Из последнего выражения формула для расчета коэффициента проницаемости имеет вид:
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>V</mi><mi>η</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>h</mi><mi>Δ</mi><mi>P</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
.