Способ определения выбросоопасности каменных углей и устройство для его осуществления

 

Использование: для прогнозирования выбросоопасности зон угольных пластов. Отбирают пробы угля и осуществляют поляризацию образцов в процессе охлаждения от 200 до -196°С. Затем образцы нагревают от -196 до 200°С и измеряют при нагреве электрические заряды, выделяемые образцом. По величине последних определяют категорию выбросоопасности углей. Устройство содержит расположенную в печи измерительную ячейку с электродами, соединенную с источником поляризующего напряжения. Новым является снабжение зарядовым усилителем, устройством сравнения и индикатором. Измерительная ячейка через коммутатор соединена с входами источника поляризующего напряжения и зарядового усилителя. Выходы последнего и источников порогового напряжения соединены с входом устройства сравнения, выход которого соединен с индикатором. 2 с.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к угольной промышленности и может быть использовано при прогнозировании выбросоопасных зон угольных пластов.

Известен разработанный Макеевским НИИ по безопасности работ в горной промышленности способ прогноза выбросоопасности угольных пластов перед их вскрытием [1] . Сущность способа заключается в определении перед вскрытием одиннадцати показателей, характеризующих напряженное состояние в углях, состав и особенность поведения газа, а также физико-механические свойства угля. Однако эффективность указанного метода прогноза оказалась около 65% [2] . Это свидетельствует о недостаточной информативности комплекса традиционных показателей выбросо- опасности. Кроме того, недостатками указанного способа являются очень высокая сложность его реализации и большая трудоемкость [3].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ определения выбросоопасности углей, принимаемый за прототип [4]. Сущность этого способа заключается в отборе из угольного пласта проб угля, приготовлении из них образцов, поляризации образцов при комнатной температуре и измерении максимальной величины (амплитуды) тока термостимулированной деполяризации, по которой угли относят к различным категориям выбросоопасности. Способ частично устраняет недостатки, присущие вышепере- численным аналогам. Надежность прогнозирования повышается за счет увеличения разницы между амплитудами термостимулированного тока и между наиболее опасными и неопасными углями: отношение сигналов между такими углями может достигать 260 раз. Однако для промежуточной категории углей - опасной - величина амплитуды термостимулированного тока значительно снижается и становится близкой к амплитуде термостимулированного тока для неопасных углей. Отношение амплитуд тока для опасных и неопасных углей может составлять всего 1,5-2 раза, что делает прогноз недостаточно надежным. Устройство содержит источник поляризующего напряжения, к выходу которого подсоединена измерительная ячейка с прижимными металлическими электродами, находящимися в печи; электроды измерительной ячейки подсоединены к входу усилителя тока; выход усилителя тока подсоединен к входу самописца. Устройство работает следующим образом. При комнатной температуре испытываемый образец угля, помещенный в измерительную ячейку, поляризуют постоянным электрическим полем напряженностью 11-13 кВ/см от источника напряжения. После окончания поляризации источник поляризующего напряжения выключают: включают нагрев печи и регистрируют с помощью усилителя тока электри- ческий ток, выделяемый испытываемым образцом угля. На диаграммной бумаге самописца записывается вид зависимости термостимулированного тока от температуры и определяется максимальное значение амплитуды тока. По зависимости от полученной величины тока угли относят к одной из трех категорий: наиболее опасные; опасные; неопасные.

Цель изобретения - повышение надежности определения выбросоопасности каменных углей.

Поставленная цель достигается тем, что на исследуемом участке отбирают пробы угля и изготавливают из них образцы. Затем поляризацию образцов осуществляют в процессе охлаждения от 200 до -196^оС. После окончания поляризации образцы нагревают от -196^о до 200^оС, и в процессе нагрева регистрируют электрический заряд, выделяемый образцом во внешнюю электрическую цепь, по величине которого определяют склонность углей к внезапным выбросам.

Устройство для реализации способа содержит измерительную ячейку, расположенную в печи, соединенную посредством коммутатора с выходом источника поляризующего напряжения и со входом зарядового усилителя. Выходы зарядового усилителя и источников порогового напряжения соединены со входом устройства сравнения, выход которого соединен со входом индикатора.

В отличие от прототипа в заявляемом способе измеряют не амплитуду электрического тока, а величину электрического заряда, выделяемого образцом в процессе нагрева измерительной ячейки. Отличие заявляемого способа от прототипа состоит в том, что в способе-прототипе поляризацию образцов проводят при комнатной температуре, а в заявляемом способе - в процессе охлаждения образца от 200 до -196^оС. Деполяризация образцов в заявляемом способе также производится в более широком диапазоне температур - от -196 до 200^оС, в то время как в способе-прототипе - от 20 до 100^оС.

Заявляемое устройство, в отличие от прототипа содержит новые блоки: зарядовый усилитель, коммутатор, источники порогового напряжения, устройство сравнения и индикатор.

Проведенные исследования показали наличие связи между концентрацией аккумулируемого каменным углем электрического заряда и выбросоопасностью углей. Было установлено, что заряды захватываются ловушками - электрически активными дефектами структуры каменных углей. Обнаружено, что имеет место значительное распределение концентрации ловушек по энергии активации. В этом случае высвобождение связанного заряда происходит не при определенной температуре, а в некотором интервале температур, величина которого зависит от интервала распределения ловушек по энергии активации. В способе-прототипе в качестве параметра определения выбросоопасности была выбрана максимальная величина термостимулированного тока. Такой способ будет эффективен, если все захваченные образцом угля заряды высвобождаются при определенной температуре. В таком случае спектрограмма термостимулированного тока будет содержать один острый максимум тока (фиг. 1, кривая 1). Однако наличие распределения ловушек по энергиям активации для многих исследованных проб углей приводит к размытию максимумов тока (фиг. 1, кривая 2). В результате возможны случаи, когда образец угля, аккумулирующий больший электрический заряд, имеет меньшую амплитуду термостимулированного тока, что может приводить к ошибкам в прогнозе по способу-прототипу. (Электрический заряд, выделяемый образцом во внешнюю электри- ческую цепь, пропорционален площади под кривой термостимулированного тока, фиг. 1). Заявляемый способ устраняет недостаток, присущий способу-прототипу: регистрируется не амплитуда тока, а электри- ческий заряд, что значительно (в 12 раз) повышает надежность определения выбросоопасности. Наряду с группой ловушек, разрушающихся в интервале температур от 20 до 80-100^оС, существуют группы ловушек, разрушающихся как выше, так и ниже по температуре по сравнению с указанным интервалом (типичная спектрограмма термостимулированного тока приведена на фиг. 1, кривая 2). Поэтому расширение диапазонов поляризации образцов углей и последующей регистрации электрического заряда позволяет дополнительно повысить надежность определения выбросоопасности. Нижний предел температуры (-196^оС) выбран по соображениям доступности хладагента - жидкого азота. Верхний температурный предел (200^оС) связан с процессом необратимого разложения угля: выше указанной температуры термостимулированные токи перестают быть воспроизводимыми и носят случайный характер. Таким образом, регистрация электрического заряда для повышения надежности определения выбросоопасности каменных углей не следует явным образом из уровня техники.

Для доказательства работоспособности заявляемого способа и устройства для его осуществления отбирались пробы углей как непосредственно из полостей выброса (в таблице отмечены как наиболее опасные), так и на удалении до 10-15 м от полостей выброса (в таблице отмечены как "опасные") или из мест, где при аналогичных условиях выбросов никогда не происходило (в таблице отмечены как неопасные). Пробы углей брались в производственных объединениях Гуковуголь, Ростовуголь, Артемуголь, Лисичанскуголь, Первомайскуголь.

Исследуемые пробы угля измельчались и прессовались в виде дисков. Полученные образцы помещались в устройство, блок-схема которого приведена на фиг. 2.

Устройство содержит коммутатор 1, измерительную ячейку 2, расположенную в температурной камере 3, источник поляризующего напряжения 4, зарядовый усилитель 5, устройство сравнения 6, источники пороговых напряжений 7, 8, индикатор 9. В положении А коммутатор 1 подключает выход источника поляризующего напряжения к измерительной ячейке 2 с испытываемым образцом угля. Температурная камера 3 охлаждает измерительную ячейку 2 с образцом от 200 до -196^оС. После окончания процесса поляризации коммутатор 1 в положении Б подключает измерительную ячейку 2 с испытываемым образцом угля ко входу зарядового усилителя 5. Температурная камера 3 нагревает измерительную ячейку 2 с образцом от -196^о до 200^оС. Электрический заряд, выделяемый в процессе нагрева испытываемым образцом, усиливается зарядовым усилителем и поступает на вход устройства сравнения 6. На вход устройства сравнения 6 поступают также сигналы от источников пороговых напряжений 7 и 8. Устройство сравнения 6 сравнивает сигнал, полученный с выхода зарядового усилителя 5, с сигналами, полученными с выходов источников пороговых напряжений 7 и 8. Сигнал с выхода устройства сравнения 6 поступает на вход индикатора 9, на котором отображаются результаты сравнения. Результаты испытаний образцов углей представлены в таблице. Из таблицы видно, что величина Q резко различается: для наиболее опасных углей Q > 2˙ 10^-6 Кл; для опасных углей 10^-7 < Q < 2 ˙10^-6 Кл; для неопасных углей Q < 10^-7 Кл. Особенно значительные преимущества у заявляемого способа по сравнению со способом-прототипом наблюдаются при сравнении параметров, получаемых для опасных и неопасных углей: для опасных и неопасных углей минимальное отношение величин I составляет 1,7 раза, в то время как для Q это отношение составляет 12 раз, т.е. даже при наиболее неблагоприятных условиях проведения прогнозирования заявляемый способ оказывается почти на порядок чувствительнее способа-прототипа.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫБРОСООПАСНОСТИ КАМЕННЫХ УГЛЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.

1. Способ определения выбросоопасности каменных углей, включающий отбор проб угля на исследуемом участке, изготовление из них образцов, поляризацию образцов, измерение их электрических характеристик и определение категории выбросоопасности по величине электрической характеристики, отличающийся тем, что поляризацию образцов осуществляют в процессе охлаждения от 200 до 196^oС, затем образцы нагревают от 196 до 200^oС и измеряют электрические заряды, выделяемые образцами во внешнюю электрическую цепь, по величине которых определяют категорию выбросоопасности углей.

2. Устройство для определения выбросоопасности каменных углей, включающее измерительную ячейку с электродами, расположенную в печи и соединенную с источником поляризующего напряжения, отличающееся тем, что оно снабжено зарядовым усилителем, коммутатором, источником порогового напряжения устройством сравнения и индикатором, при этом измерительная ячейка через коммутатор соединена с входами источника поляризующего напряжения и зарядового усилителя, а выходы зарядового усилителя и источников порогового напряжения соединены с входом устройства сравнения, выход которого соединен с входом индикатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3