ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Частное техническое решение, имеющее самостоятельное значение.

Известно, что динамические проявления угольных пластов вокруг горных выработок в угольных шахтах сопровождаются интенсивным выделением метана, который взрывается по известным и неизвестным причинам, унося жизни многих горнорабочих.

По данной причине физические свойства углей представляют интерес при геофизической разведке угольных месторождений различными методами. При этом возможности исследований с использованием многих известных геофизических методов ограничены тем, что шахтные переносные приборы, позволяющие решать многие геофизические задачи, изготавливаются промышленностью во взрывоопасном исполнении.

Многие начинания по изготовлению переносных геофизических приборов кустарным способом, например, основанных на регистрации фотонной эмиссии, не поддерживаются государством и горной промышленностью. Свечение алевролитов, аргиллитов и, в особенности песчаников, регистрируется при разрушении образцов в лабораторных условиях и приборы, залитые эпоксидным клеем или другим изолятором, могли бы быть использованы в угольных шахтах.

Известные физические свойства углей характеризуются влажностью, генетическими (петрографическими) различиями, количеством и составом минеральных примесей (зольностью) и степенью метаморфизма (углефикацией). Влажность сильно влияет на величину сопротивления углей. В обнажениях и на выходах углей под наносы сопротивление углей достигает 10 ⁸ - 10 ⁹ ОмЧм.

По плотности угли разного состава различаются слабо: 1,31-1,83 г/см ³, плотность песчаников, встречающихся между пластами, составляет 2,5-3,0 г/см ³.

Песчаники, залегающие в виде длинных консолей над горными выработками, под действием горных работ вибрируют. Части их под действием своей тяжести разламываются и падают с кровли на почву. При этом угольные пласты в окрестностях забоя, испытывают сильные изменения давления. Данный фактор приводит к усилению взаимодействия угля и метана в окрестности забоя. При движении консоли над забоем в сторону кровли давление газа понижается, при движении в обратном направлении в сторону почвы давление газа растет. В призабойной части массива пород параллельно забою образуется система трещин («газовый мешок»).

В начальный момент при изгибе кровли между сорбированным и свободным газом устанавливается равновесие. При обрыве консоли кровли «газовый мешок» начнет периодически сжиматься-расширяться. При первом сжатии количество сорбированного газа увеличивается, а давление газа возрастает. При расширении часть метана переходит из сорбированного состояния в свободное, а при новом сжатии вновь сорбируется. Прежде чем весь метан, покинувший уголь в предыдущем расширении успеет перейти в сорбированное состояние, наступит новое расширение, и в газовый мешок добавится порция газа, что характеризуется убылью в угле сорбированного газа. Последующие циклы сжатия-расширения увеличивают количество свободного метана в «газовом мешке», а давление газа соответственно повышается.

Если перемычка между забоем и системой трещин не выдержит давления, то начнет развиваться внезапный выброс угля и газа.

Для исследования данного естественного явления в лаборатории предлагается установка, представленная на рис.

Установка содержит устройство 1 для импульсного изменения величины давления метана в емкости 5, газовые вентили 2, металлическую емкость 3 с метаном и углем 4, манометр 5, баллон 6 с метаном под давлением 10 МПа, источник импульсного электрического тока 7, содержащий электронный счетчик.

Устройство 1 содержит цилиндрический корпус 8 из нержавеющей стали, электромагниты 9, которые навинчены на торцы цилиндрического корпуса 8 и прижаты к прокладкам 10, изготовленным из меди МОБ толщиной 1,5 мм, ферромагнитный «поршень» в форме диска 11, насаженный жестко во фторопластовое кольцо 12.

Ферромагнитный поршень под действием импульсного магнитного поля, создаваемого поочередно электромагнитами 9 с противоположными полюсами, может перемещаться в обоих направлениях с частотой от 0,1 до 2 Гц, увеличивая и разряжая давление метана над углем 4 в емкости 3.

Для углей средней влажности и сопротивлением 10 6 - 10 9 ОмЧм давление увеличивается в 2,5 раза при частоте его изменения в 0,8-1 Гц

Подача импульсного тока с определенной частотой достигается с помощью источника 7 за счет трех бесконечно включающих и выключающих друг друга последовательно трех электромагнитных реле, через нормально разомкнутые контакты первого и третьего из них подаются импульсные токи на катушки 13 электромагнитов 9. Диэлектрики 16 с малым магнитным сопротивлением жестко соединены с сердечниками электромагнитов.

Катушки 13 содержат по 100 витков медного провода сечением 1,6 мм. На катушки 13 подаётся по кабелям 14 импульсный ток 8А при напряжении 120 В с устройства 7.

Предварительно насыщенные метаном под давлением 5-10 МПа в стальную емкость 3 погружались пробы угля выбросоопасных пластов Кузбасских угольных месторождений фракции 15-25 мм. Периодически изменения величины колебания свободного газа в емкости над поверхностью угля при давлении 0,08, 0,1, 0,2 и 0,3 МПа доводились от 0,5 до 5 Гц. Давление газа в процессе опыта регистрировалось манометром 5, частота изменений давления измерялась электронным счетчиком 15 устройства 7. Давление газа в начале опыта устанавливалось с помощью правого газового вентиля.

Скачки давления в 2,5 раза наблюдались при частоте (0,8-1) Гц, что связано с повышением уровня газовыделения (левый вентиль 2 открыт, правый вентиль закрыт).

Из опытов следует, что сорбция метана углем процесс медленный, а десорбция - быстрый. Эти процессы связаны со степенью влажности углей, их сопротивлением и плотностью, влияющими на скорость химических реакций.

Корпус устройства 1 при работе крепится в горизонтальном положении.

Рис. Функциональная схема установки
для исследования взаимодействия угля и метана