Способ определения зольности и теплотворной способности ископаемых углей

 

Использование: геология, геофизика, угольная промышленность, в частности при геофизических исследованиях угольных скважин. Сущность изобретения: исследуемую среду облучают импульсным потоком быстрых нейтронов с энергией 14 мэВ, предпочтительно с использованием импульсного генератора нейтронов с частотой повторения 20 - 100 импульсов в 1 с. Проводят регистрацию наведенного гамма-излучения (Ni), между импульсами нейтронов от t₃ = 2000 - 5000 мкс до Т, где t₃ - начальная задержка после окончания импульса нейтронов, Т - период следования нейтронных импульсов, в области энергий более 2,5 - 3,0 мэВ от изотопа азот-16, образующего по реакции 0 (n, p/N). Затем определяют интенсивность потока наведенного гамма-излучения от вмещающих пород (N). Рассчитывают параметр = N/N, по величине которого, используя априорно установленные зависимости, оценивают зольность и теплотворную способность углей. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к дистанционным методам бескернового изучения элементного состава геологических сред, а более конкретно к группе методов, основанных на использовании эффекта активации ядер стабильных изотопов быстрыми или тепловыми нейтронами, и может быть использовано в геологии, геофизике, угольной промышленности и других областях народного хозяйства.

Известен способ определения зольности углей, заключающийся в облучении исследуемых пластов угля потоком мягких гамма-квантов (с энергией Е < 300 кэВ) и регистрации на некотором расстоянии от источника первичных гамма-квантов потока многократно рассеянного гамма-излучения. О качестве углей судят по степени поглощения рассеянного гамма-излучения в угольном пласте аналог [1] Недостатком аналога является невысокая глубинность исследований. По этой причине способ неэффективен при исследовании сред с изменяющейся геометрией измерений: в интервалах развития каверн при изучении угольных пластов в скважинах; при изменении толщины угля при оценке качественных показателей на конвейерной ленте. Кроме того, на показания способа сильное влияние оказывают вариации вещественного состава, главным образом, изменения в соотношениях содержаний легких (SiO₂, Al₂O₃, MgO) и тяжелых (Fe₂O₃, FeO, CaO) окислов. Поскольку основной процесс поглощения мягких гамма-квантов идет на атомах тяжелых элементов, это приводит к большим погрешностям определения качества углей при неконтролируемом изменении содержаний тяжелых окислов.

Наиболее близким по технической реализации и физической сущности является способ определения зольности углей, основанный на облучении потоком нейтронов и регистрации наведенного гамма-излучения от ядер изотопа Al-28, образующегося в углях по реакциям Si²⁸ (n, p) Al²⁸ и Al²⁷ (n, γ) Al²⁸. Кремнезем (SiO₂), и глинозем (Al₂O₃) составляют основную часть зольностью и теплотворной способностью имеет место сильная корреляционная связь, позволяющая в принципе определять качественные характеристики углей с точностью, удовлетворяющей требованиям угольной промышленности [2] Основным недостатком прототипа является сильная зависимость парциальных вкладов указанных выше реакций от скважинных условий и нейтронных параметров угольных пластов. Это связано с тем, что ядерная реакция на ядрах кремния является пороговой и протекает при энергии нейтронов более 4,5 мэВ. Вторая ядерная реакция на ядрах алюминия протекает на тепловых нейтронах. При изменении нейтронных параметров пласта (макросечения поглощения, длины замедления и диффузии) или диаметра скважины вклады от ядер кремния и алюминия в суммарный регистрирумый эффект изменяются нелинейно. По существу, не имея сведений о нейтронных параметрах пласта, невозможно определять парциальные эффекты, а следовательно, с требуемой точностью рассчитать содержания кремния, алюминия и соответственно качественные характеристики углей. По этой причине метод не получил широкого применения для бескерновой оценки качества углей.

Технической задачей изобретения является повышение точности определения зольности и теплотворной способности ископаемых углей.

Поставленная задача достигается тем, что в способе, заключающемся в облучении исследуемой среды потоком нейтронов и регистрации потока наведенного гамма-излучения, по интенсивности которого, используя априорно установленные зависимости, определяют зольность и теплотворную способность ископаемых углей, облучение осуществляют импульсным потоком быстрых нейтронов с энергией 14 мэВ, а регистрацию наведенного гамма-излучения (Ni) проводят в интервалах времени от t 2000 5000 мкс до Т между импульсами нейтронов, где t начальная задержка после окончания импульса нейтронов, Т период следования нейтронных импульсов в области энергий гамма-квантов более 2,5 3,0 мэВ от изотопа азот-16, образующегося по реакции 0¹⁶(n, p)N¹⁶, определяют интенсивность потока наведенного гамма-излучения от вмещающих пород (No), рассчитывают параметр Ni/No, по величине которого оценивают зольность и теплотворную способность ископаемых углей.

Указанные отличительные признаки не встречены в известных технических решениях. На основании отмеченного предполагаемый объект изобретения удовлетворяет критерию "существенные отличия". Физическая сущность способа может быть понята из нижеследующего анализа элементного состава и ядерно-геофизических характеристик изотопов, образующихся при облучении углей потоком быстрых нейтронов. Ископаемые угли представляют собой двухкомпонентную среду, состоящую из органической и минеральной масс. Органическая масса различных типов углей (бурых, каменных, антрацитов) состоит из углерода (60 96%), водорода (1 12%), кислорода (2 10%), азота (1 3%), и незначительного количества серы и фосфора. Минеральная часть углей представлена на 65 85% кремнеземом (SiO₂), 8 12% глиноземом (Al₂O₃), окислами железа Fe₂O₃ (4-8%), магния MgO (3 4%), кальция СаО (8 3%) калия K₂O и натрия Na₂O (1 2%).

Причем уменьшение в зольном остатке легких окислов (SiO₂, MgO), как правило, сопровождается повышением содержаний глинозема (Al₂O₃), окислов железа и кальция. Дисперсия в абсолютных содержаниях щелочных окислов (K₂O, Na₂O), а также магния вследствие небольших их концентраций невысокая не более 2% для каждого из окислов. Все компоненты зольного остатка содержат в связанном виде кислород.

В общем случае модель состава минеральной части угля может быть представлена уравнением баланса следующего вида: 100% (65 75%) SiO₂ + (18 12%) Al₂O₃ + (8 3%) CaO + 3 (3-4%) MgO + (8-4%) Fe₂O₃ + (8-3%) CaO + (3-4%) MgO + (3-2%) K₂O + (2-3%) Na₂O.

Нетрудно видеть, что основным компонентом зольного остатка являются не тяжелые (Fe, Ca), а легкие (Si, Al) породообразующие элементы, и кислород, входящий в состав всех окислов. При среднем составе углей, равном 70% SiO₂; 15% Al₂O₃; 5,5% CaO; 3,5% MgO; 2,5% K₂O, весовое содержание кислорода составляет 46,4% При изменении содержаний окислов, в соответствии с приведенной выше моделью состава минеральной части, абсолютная дисперсия весового содержания кислорода составляет ±1,43% тогда как дисперсии SiO₂, Al₂O₃ и SiO₂ + Al₂O₃ равны соответственно ±5% +3% ±3% Относительные дисперсии в содержаниях кислорода, кремния, алюминия и Si + Al равны, соответственно 3,08; 7,1; 20,0 и 3,5% Таким образом, из проведенного анализа видно, что наиболее тесная связь минеральной части углей прослеживается с суммарным содержанием кислорода и суммой кремния и алюминия. Кислород, входящий в органическую часть золы, несущественно увеличивает дисперсию вследствие его постоянной концентрации, величина которой зависит от типа углей и генетических условий формирования месторождений. Соответственно для разных угольных бассейнов и даже отдельных месторождений содержание кислорода в органической массе изменяется. Поэтому для определения качественных показателей углей (зольности и теплотворной способности) необходимо для каждого месторождения устанавливать конкретный вид корреляционной зависимости As a₁O(O) a_o; (1) Q B₁ B₂P(O); (2) где а₁ и a_o угловой коэффициент и постоянный член зависимости (1); B₁ и B₂ то же, для зависимости (2); As зольность углей;
Q теплотворная способность углей;
P(O) содержание кислорода в углях.

Для количественного определения содержания кислорода в углях может быть предложен нейтронный активационный метод, основанный на использовании ядерной реакции O¹⁶ (n, p)N¹⁶. Указанная ядерная реакция протекает на быстрых нейтронах с порогом 10,0 мэВ. Макросечение этой реакции относительно высокое и составляет 0,0034 см²/г при содержании в природной смеси исходного стабильного изотопа О¹⁶, равном 99,76% Образующийся в результате искусственно радиоактивный изотоп N¹⁶ обладает очень благоприятными активационными характеристиками: небольшим периодом полураспада Т 7,4 с и высоким выходом жестких гамма-квантов Е 7,1 мэВ (11%) и 6,1 мэВ (55%). Последнее обстоятельство позволяет реализовать практически бесфоновые измерения наведенного эффекта от изотопа N¹⁶ путем пороговой дискриминации на уровне 2,5 3,0 мэВ. Все прочие изотопы, образующиеся по реакциям на быстрых и тепловых нейтронах, испускают гамма-кванты с энергией менее 3,0 мэВ. Исключением являются лишь ядра фтора, реакция на которых приводит к образованию того же изотопа. Однако содержания фтора в углях составляют менее 0,05% вследствие чего влияние его в реальных условиях ничтожно.

Другой помехой является гамма-излучение радиационного захвата, образующееся после термализации быстрых и захвата тепловых нейтронов ядрами элементов горных пород. Аппаратурный гамма-спектр радиационного захвата простирается вплоть до 10 мэВ. Для исключения этого излучения целесообразно использовать импульсные генераторы нейтронов с энергией на 14 мэВ.

Поскольку гамма-кванты радиационного захвата высвечиваются мгновенно (t < 10^-12 с), а время жизни тепловых нейтронов в реальных геологических средах не превышает 2000 мкс, выбором начальной задержки t₃ в пределах от 2000 до 5000 мкс удается полностью исключить компоненту радиационного захвата и обеспечить таким образом оптимальные условия для регистрации чистого наведенного эффекта от ядер кислорода по изотопу N-16,
Для практической реализации способа предпочтительней использование импульсного генератора нейтронов с частотой повторения 20 100 импульсов в 1 с. В этом случае чистое время измерения наведенного эффекта составит от 5-8 до 45-48 μсек,, что обеспечит высокую статистик отсчетов и требуемую точность определения содержания кислорода.

К числу мешающих природных факторов, оказывающих влияние на регистрируемый наведенный эффект, относится объемная плотность и водородосодержание. Однако при оценке качества углей по наведенному гамма-излучению кислорода, оба эти фактора, напротив, являются положительными, так как приводят к пропорциональному усилению эффекта по мере уменьшения зольности углей. В частности, для каменных углей содержание водорода и объемная плотность при уменьшении зольности углей от 100 до 0% изменяются от 0 до 12% и от 1,7 до 1,24 г/см. Последнее проявляется в пропорциональном уменьшении наведенного эффекта от ядер кислорода примерно на 47% и 8% В прототипе оба отмеченных фактора являются мешающими, приводящими к ослаблению регистрируемого эффекта от изотопа Аl-28.

Для определения содержания кислорода в угольных пластах, пересекаемых скважиной, измерения, благодаря малому периоду полураспада изотопа N-16 могут осуществляться в непрерывном варианте при скорости подъема (N) измерительного зонда
v=λl; (3)
где ln 2/T постоянная распада изотопа N-16;
l длина зонда, равная расстоянию между мишенью генератора и детектором гамма-квантов.

С целью снижения инерционных искажений, повышения статистической точности измерений и детальности исследований, длину зонда целесообразно устанавливать равной l 0,5 1 м. В этом случае оптимальная скорость измерений в условиях скважин составит 170 340 м/ч.

При анализе проб для получения статистически устойчивых результатов, время активации, остывания и измерений выбираются равными соответственно t_a 20 30 с, t_o 2 5 с и t_n 15 20 с. Достаточно высокое время паузы необходимо для транспортировки пробы угля от генератора к детектору.

При оценке качества углей на транспортерной ленте расстояние между источником быстрых нейтронов и детекторов гамма-излучения выбирается примерно таким же, как и при исследовании скважин, т.е. 0,5 1 м. В качестве детектора наведенного гамма-излучения используется сцинтилляционный кристалл NaI (Tl) или CsI (Tl) возможно максимального размера: при исследовании скважин диаметром 59 76 мм монокристаллы размером 30 х 160 мм и 50 х 150 мм в скважинах диаметром более 100 мм. Для анализа проб или угля на транспортерной ленте в процессе добычи и переработки предпочтительней использование сцинтилляционных блоков с монокристаллами размером 100 х 100 или 150 х 100 мм.

В качестве аналитического параметра для определения содержания кислорода и соответственно зольности и теплотворной способности углей используется величина отношения регистрируемого эффекта в 1-ом интервале (пробе) на скорость счета вмещающих пород (эталонной пробе). Этот параметр не зависит от изменения выхода нейтронов генератора и, кроме того, позволяет исключить влияние ряда дестабилизирующих факторов: изменения чувствительности детектора во времени, неточности установки длины зонда и др. Практическая реализация способа возможна с использованием обычной спектрометрической аппаратуры нейтронного активационного метода, рассчитанной на применение импульсного генератора нейтронов с энергией 14 мэВ. В частности, для исследования скважин может быть использован аппаратурно-методический комплекс ЦСП-2ИНК-48НС, ОКР по которому завершен ВНИИГИС в 1991 г.

Скважинный прибор АК имеет диаметр 48 мм, содержит два спектрометрических детектора, располагающихся от импульсного генератора нейтронов с энергией 14 мэВ на расстоянии 30 и 50 см. Аппаратура обеспечивает регистрацию полных гамма-спектров по 256 каналам с заданным шагом квантования по глубине и последующую запись диаграмм на принтер в любом энергетическом диапазоне спектра. Предложенный способ испытан в скважинах Донбасского угольного бассейна.

На чертеже приведен пример применения способа определения качества углей по скважине НН-5162, а также результаты по прототипу. Качественный анализ свидетельствует примерно о равной достоверности обоих способов. Положение угольных пластов отчетливо фиксируется как на диаграмме кислородного каротажа (НАК-N¹⁶), так и на диаграмме по изотопу Аl-28 (НАК-Аl²⁸). Однако результаты статистической обработки данных по 17 угольным пластам показали, что точность количественного определения зольности и теплотворной способности предложенным способом в 1,5 раза выше. Конкретный вид зависимостей при оценке зольности (As) и теплотворной способности (Q) углей имеют следующий вид:
As 1,78 (Аl) 3,6% (прототип)
As 21,7P(O) 1,42% (предлагаемый способ)
Q 103 3,35[P(Al) 2,5] кДж/кг (прототип)
Q 103 107-6 [P(O) 1,92] кДж/кг (предлагаемый способ)
Среднеквадратичные абсолютные погрешности определения зольности по предложенному способу и прототипу составляют соответственно ±1,76% и ±2,47% теплотворной способности ±5,2 кДж/кг и ±2,91 кДж/кг.

Кроме отмеченного, важным преимуществом предложенного способа является более высокая производительность исследований, составляющая 150-400 м/ч против 50 100 м/ч по изотопу Al-28 (прототипу). При лучшей точности последнее обстоятельство позволяет примерно вдвое снизить затраты времени на исследование скважины и примерно во столько же раз стоимость работ.

Ожидаемый экономический эффект от применения предложенного объекта изобретения за счет снижения погрешности количественного определения зольности и теплотворной способности составляет около 12 руб. на 1 п.м. скважин. Если учесть, что объем бурения на уголь в Российской Федерации составляет несколько сотен тысяч погонных метров, суммарный годовой экономический эффект может составить 2 5 млн руб в год. Внедрение метода может быть осуществлено немедленно с использованием серийной аппаратуры СЦП-2ИНК-48НС. или др.

Формула изобретения

1. Способ определения зольности и теплотворной способности ископаемых углей, заключающийся в облучении исследуемой среды потоком нейтронов, регистрации потока наведенного гамма-излучения от изотопа-индикатора и последующем определении зольности А_s и теплотворной способности Θ по априорно установленным корреляционным зависимостям вида A_s(Θ)=α_o+α₁P, где α_o и α₁- свободные члены и угловые коэффициенты зависимостей, Р содержание элемента-индикатора в исследуемой среде, отличающийся тем, что в качестве элемента-индикатора зольности и теплотворной способности углей используют кислород, для чего определяют интенсивность наведенного гамма-излучения от изотопа азот-16 (N₁), образующегося по реакции O¹⁶ (N, Р)N¹⁶ при облучении среды импульсным потоком быстрых нейтронов, определяют интенсивность потока наведенного гамма-излучения от ядер кислорода на вмещающих породах N₀, рассчитывают параметр η=N_i/N_o, по величине которого определяют содержание кислорода и, используя априорно установленные корреляционные зависимости, оценивают зольность и теплотворную способность углей.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что регистрацию интенсивности наведенного гамма-излучения от ядер кислорода проводят между импульсами нейтронов, испускаемых генератором быстрых нейтронов с энергией 14 мэВ, в интервалах времени от t₃ 2000 5000 мкс до Т, где t₃ - начальная задержка после окончания импульса нейтронов, Т период следования нейтронных импульсов в области энергий не менее 2,5 мэВ.

РИСУНКИ

Рисунок 1