| Пріоритети: | Винахід відноситься до гірської справи і може бути використане для підвищення ефективності зволоження крайових зон вугільних пластів з метою боротьби з раптовими викидами вугілля та газу шляхом оперативного та надійного визначення вологості вугільного пласта при зволоженні. Технічним результатом є збільшення оперативності та підвищення безпеки щодо вологості вугілля у вугільному пласті в шахтних умовах при зволоженні крайових зон ударо- та викидонебезпечних вугільних пластів. У способі пневмосвердлом свердлять свердловину в боці підготовчого вироблення, визначають швидкість свердління до зволоження і після зволоження вугільного пласта, а приріст вологості визначають з результатів зіставлення вимірювань швидкості свердління та результатів попередніх лабораторних досліджень.
Малюнки до патенту Україна 2513465
Винахід відноситься до гірської справи і може бути використане для підвищення надійності та ефективності контролю за процесом зволоження крайових зон вугільних пластів, які застосовуються з метоюзапобігання гірським ударам та раптовим викидам вугілля та газу.
Одним із основних параметрів при оцінці ефективності попереднього зволоження вугільних пластів є вологість вугілля.
Відомий спосіб визначення вологості вугілля ваговим методом. Для цього вибурюють із вугільного пласта, для якого потрібно визначити вологість, зразки вугілля у вигляді кернів. Потім зразки поміщають у вологонепроникні контейнери і доставляють до лабораторії, де й проводять подальші дослідження. У лабораторних умовах шляхом зважування визначають масу зразків до висушування та після висушування до постійної маси при температурі 105±2°C [ГОСТ 5180-84 (2005): Грунти. Методи лабораторного визначення фізичних характеристик. Розрахунок вологості зразків вугілля роблять за формулою
,
де W – вологість зразка, %;
m, m 0 - маса зразка до висушування та після висушування до постійної маси, відповідно, кг.
У процесі зволоження вугільного пласта у певних місцях також методом буріння проводять відбір проб вугілля та здійснюють доставку до лабораторії для визначення вологості.
Недоліком даного способу є низька оперативність щодо вологості, оскільки вимагає спеціальних лабораторних умов і відповідного обладнання.
Ближчим по суті є спосіб визначення вологості вугілля у вугільному шарі шляхом електрометричних вимірів. Для цього у підготовчому виробленні в зоні попереднього зволоження вугільного масиву проводять відбір зразків для попередніх лабораторних досліджень шляхом вибурювання кернів з вугільного пласта [Оцінка ударо- та викидонебезпечності зволожених зон вугільних пластів / В.В.Дірдін [та ін.]; за ред. П.В. Єгорова; КузДТУ, Зап.-сиб. відд-няРАЄН. Кемерово: Кузбассвузіздат, 2000, 134 с]. У лабораторних умовах керни досліджують та встановлюють функціональну залежність між питомим опором вугілля та його вологістю у вигляді
W=f( ),
де – питомий опір вугілля.
Потім у підготовчій виробленні в зоні попереднього зволоження вугільного пласта бурять контрольні свердловини. У свердловини встановлюють спеціальні електроди, які потім підключають до спеціального використовуваного для цих цілей електровимірювального приладу, іскробезпечного омметра (вольтметр). У процесі зволоження вимірюють питомий опір вугілля, а величину вологості визначають за функціональною залежністю W=f( ), попередньо отриманої в лабораторних умовах.
Недоліком цього є використання спеціального іскробезпечного устаткування. У деяких випадках використання електрометричного обладнання при проведенні підготовчих виробок по вугільних пластах, схильних до раптових викидів вугілля та газу, заборонено, що призводить до необхідності використання інших способів визначення вологості вугільного пласта.
Технічним результатом пропонованого винаходу є збільшення оперативності та підвищення безпеки при визначенні вологості вугілля у вугільному пласті в шахтних умовах при зволоженні крайових зон ударо- та викидонебезпечних вугільних пластів.
Зазначений технічний результат досягається тим, що спосіб оперативного визначення вологості вугільного пласта включає попередні лабораторні дослідження на зразках вугілля, вибурених з вугільного пласта, що підлягає зволоженню, свердління контрольних свердловин у крайовій частині вугільного масиву, згідно винаходу вологість вугільного пласта визначають за швидкістю свердління контрольноївикористовуючи номограму чи функцію
де W – вологість зразків вугілля, %;
З - швидкість свердління, м/с;
одержані попередньо за результатами лабораторних досліджень.
На фіг.1 представлена принципова схема установки для визначення швидкості свердління зразка вугілля в лабораторних умовах, де 1 - верстат; 2 – зразок вугілля; 3 – свердло; 4 – динамометр.
На фіг.2 представлена одержана графічна залежність (лінія тренду, номограма) вологості вугілля від швидкості свердління W=f(C), отримана з використанням програми MS EXCEL.
На фіг.3 представлена схема розташування контрольних точок щодо зволожуючої свердловини: 1 - зволожуючі свердловини у підготовчому виробленні; 2 - точки свердління контрольних свердловин для вимірювання швидкості свердління; 3 – розрахункова зона зволоження вугільного пласта; 4 – насосна установка.
Спосіб оперативного визначення вологості вугільного пласта здійснюють наступним чином.
За допомогою бурової коронки і пневмосвердла проводять вибурювання зразків вугілля у вигляді кернів у підготовчій виробці з вугільного пласта, де планують зволоження.
У лабораторних умовах проводять дослідження отриманих зразків вугілля: визначають вологість зразків вугілля та швидкість свердління. За допомогою свердлильного верстата встановлюють залежність між швидкістю свердління та вологістю зразків вугілля.
Швидкість свердління визначають таким чином (фіг.1):
- встановлюють зразок вугілля на свердлильний верстат;
- Встановлюють постійне навантаження на свердло за допомогою динамометра;
- за допомогою секундоміра вимірюють час свердління t, а за допомогою штангенциркуля глибину свердління h;
- швидкість свердління визначають за формулою
де h – глибина свердління, м;
t – час свердління, с.
Вологість зразків вугілля визначають наступним чином:
- зразок вугілля зважують на лабораторних терезах для визначення маси m до висушування;
- зразок вугілля висушують у сушильній шафі при температурі 105±2°C до постійної маси і знову зважують;
- Визначають вологість зразка вугілля за формулою
,
де W – вологість зразка вугілля, %;
m, m 0 - маса зразка вугілля до висушування і після висушування до
постійної маси відповідно кг.
Аналогічно проводять дослідження з іншими зразками вугілля за різних вологостей. За результатами досліджень у програмі MS EXCEL будують графічну залежність вологості зразків вугілля від швидкості свердління W=f(C), для якої засобами програми отримують лінію тренду та її функціональну залежність (фіг.2):
де k і b – константи лінії тренду.
У шахтних умовах після проведення зволоження в контрольних точках вугільного пласта згідно схеми на фіг.3 за допомогою пневмосвердла свердлять свердловину діаметром 43 мм в глиб вугільного масиву на глибину 3- 4 м, при цьому фіксують: глибину свердління, вироблене зусилля під час свердління та час свердління одного метра довжини свердловини, а за формулою
де h – глибина свердління, м;
t - час свердління, с,
роблять розрахунок швидкості свердління З.
Використовуючи функціональну залежність або номограму, отриману в лабораторних умовах, встановлюють вологість вугільного пласта контрольних точках. Для цього, знаючи швидкість буріння C 0 до зволоження вугільного пласта при його природній вологості W 0 визначають параметр b 1 для шахтних умов з рівняння: W 0 =k 1 C 0 +b 1 . У цьому k 1 =k. Отримаємо: b 1 = W 0-k 1 C 0 . Використовуючи отриману функцію для шахтних умов, визначають вологість вугільного пласта після проведення зволоження за формулою W=KC+b 1 де С - швидкість буріння контрольної свердловини після зволоження.
Приклад здійснення способу оперативного визначення вологості викидонебезпечного вугільного шару.
Виготовляють зразки кам'яного вугілля правильної геометричної форми, зразки, наприклад, вибурюють однаковим способом по відношенню до напластування з вугільного пласта (шахта "Північна", пласт "Верхній", вихід летких - 28%, марка КЖ), обробляють торці на токарному або точильному верстаті і після обробки зразки вугілля приймають такі геометричні розміри:
висота Н обр = 56 · 10 -3 м;
діаметр d 0бp = 43 · 10 -3 м.
Виготовляють 10 зразків вугілля. Потім у лабораторних умовах виробляють зволоження кількох зразків вугілля, так щоб усі зразки вугілля мали різну вологість від 0 до 6%. На свердлильному верстаті виробляють свердління отвору діаметром d=8,0 мм на глибину h=3 см зразка, при цьому за допомогою динамометра фіксують постійне зусилля при свердлінні, а секундоміром - час свердління / (фіг.1).
Швидкість свердління визначають за формулою
де h – глибина свердління, м;
t – час свердління, с.
Зусилля, що додається, має бути таким, щоб тиск, створюваний на свердло, при свердлінні в лабораторних умовах і в шахті був однаковим:
де Р=13,84 - зусилля, що додається до свердлу, Н;
d – діаметр свердла, м.
Швидкість обертання свердла має бути однаковою.
Потім кожного зразка вугілля після свердління визначають його вологість. Для цього зразок вугілля зважують, визначають масу до висушування m, зразок вугілля висушують у сушильній шафі притемпературі 105±2°C до постійної маси m 0 і знову зважують, визначають вологість зразка за формулою
,
де W – вологість зразка вугілля, %;
m, m 0 - маса зразка вугілля до висушування та після висушування до постійної маси, відповідно, кг.
Аналогічно проводять дослідження з іншими зразками за різних вологостей.
У програмі MS EXCEL будують графічну залежність вологості зразків вугілля від швидкості свердління W=f(C), на яку засобами програми отримують лінію тренда та її функціональну залежність: W=kC+b або W=1,0215С-3,2184 (фіг. 2), k та b - константи лінії тренду.
У шахтних умовах після проведення зволоження в контрольних точках згідно зі схемою на фіг.3 за допомогою пневмосвердла свердлять свердловини діаметром 43 мм у глиб вугільного пласта на глибину 3-4 м, при цьому фіксують: глибину свердління, вироблене зусилля під час свердління і час свердління одного метра довжини свердловини, а за формулою
де h – глибина свердління, м;
t - час свердління, з, роблять розрахунок швидкості свердління.
Використовуючи функціональну залежність або номограму, одержану за допомогою програми MS EXCEL на основі результатів лабораторних досліджень, встановлюють вологість вугільного пласта у контрольних точках. Для цього, знаючи швидкість свердління C 0 =4 см/хв. У цьому k 1 =k. Отримаємо: b l = W 0 -1,0215С0 = 1,5-1,0215-4 = -2,586.
Після зволоження вугільного пласта вимірюють швидкість буріння контрольної свердловини: см/хв.
Використовуючи отриману функцію для шахтних умов, визначаємо вологість вугільного пласта після зволоження:W = 1,0215С-2,586 = 1,0215 · 8-2,586 = 5,586%.
Таким чином, досягається технічний результат, який полягає у збільшенні оперативності одержуваних результатів за рахунок відсутності проведення лабораторних досліджень на пробах вугілля після зволоження та підвищення безпеки під час проведення профілактичних робіт, оскільки не використовується електрометричне обладнання у підготовчому виробленні.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
Спосіб оперативного визначення вологості вугільного пласта, що включає попередні лабораторні дослідження на зразках вугілля, вибурених з вугільного пласта, що підлягає зволоженню, свердління контрольних свердловин в крайовій частині вугільного масиву, який відрізняється тим, що вологість вугільного пласта визначають за швидкістю свердління контрольної свердловини. W=f(C), де W - вологість зразків вугілля, %; C - швидкість свердління, м/с, отримані попередньо за результатами лабораторних досліджень.
