Устройство для отбора и исследования газоносных образцов

 

Изобретение относится к горному делу, а именно к устройствам для отбора и исследования образцов из газоносных месторождений полезных ископаемых. Устройство содержит герметичный корпус, средства для подключения измерительных приборов и емкость для размещения пробы, выполненную в виде набора сит. Нижнее сито контактирует со средствами их удержания, расположенными на внутренней поверхности герметичного корпуса, снабженного крышкой, которая имеет канал для присоединения измерительной аппаратуры. Наружные боковые поверхности сит имеют проушины для средств крепления для размещения сит в корпусе и их извлечения из него. 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для отбора и исследования образцов из месторождений полезных ископаемых, преимущественно при ведении горных работ при разработке газоносных месторождений, прежде всего угольных, подверженных газодинамическим явлениям, и геологоразведочных работ на таких месторождениях.

Известен герметичный сосуд для отбора и исследования образцов угля, внутри которого размещен датчик давления и находится контейнер, выполненный для облегчения диффузии газа из пористых металлов, внутрь которого загружается исследуемая проба угля, причем пористые стенки контейнера обеспечивают выход газа из контейнера внутрь герметичного сосуда, а имеющийся предохранительный клапан, срабатывающий при повышении давления в сосуде на 0,5 атм. обеспечивает сброс давления газа в этом сосуде до атмосферного [1] Недостатками этого устройства являются проведение экспериментов при переменном давлении, невозможность получения всего комплекса информации о десорбционно-кинетических характеристиках исследуемых образцов и большая длительность проведения экспериментов (несколько недель). При определении с помощью этого устройства газоносности угля в призабойной зоне пласта полученная при больших перепадах давления динамика газовыделения из штыба не может быть использована для оценки степени выбросоопасности структуры угля, так как фракционный состав исследуемой пробы до момента завершения эксперимента остается неизвестным, а распределение частиц угля по фракциям в исследуемых пробах не является постоянным, в результате чего сравнение и интерпретация полученных данных о динамике газовыделения практически невозможны. Кроме того, очень большая продолжительность проведения экспериментов резко увеличивает их стоимость и не позволяет эффективно использовать имеющееся оборудование и осуществлять повседневный контроль за газоносностью и газодинамическими характеристиками призабойной зоны пласта, так как полученная информация к моменту ее получения уже утрачивает свою ценность, поскольку к моменту получения данных о газоносности призабойной зоны забой выработки уже находится на значительном удалении от того места, где были отобраны образцы для исследования.

Наиболее близким по конструкции к предлагаемому устройству является герметичный измерительный сосуд, имеющий патрубки для присоединения к манометру и к оборудованию для вакуумирования, внутри которого в стакане из проволочной сетки размещают исследуемую пробу угля весом около 70 г, для которой по скорости поглощения газа при повышенном давлении определяют показатель десорбции Δ Р экспресс, характеризующий потенциальную выбросоопасность структуры исследуемых образцов [2] При его использовании угольную мелочь с поверхности забоя или буровую мелочь из скважины просеивают, чтобы получить фракцию 0,25-0,50 мм (2-3 мм для антрацита).

Для определения показателя скорости газоотдачи Δ Р образцов угля этой фракции производят сначала вакуумирование герметичного сосуда с образцом в течение 2 мин, а затем заполняют этот сосуд измерительным газом (окисью азота) из баллона при давлении 2 бар. После этого подача газа прекращается и измерительный сосуд подключают к манометру. В течение следующего периода измерений, длящегося одну минуту, измерительный газ поглощается углем. Вследствие этого происходит снижение газового давления, причем тем быстрее, чем трещиноватее, то есть более газопроницаем, уголь. Через одну минуту измерительный сосуд отключают от манометра и последнее его показание фиксируется. Зарегистрированное давление газа в барах является измеряемым показателем десорбции Δ Р экспресс.

Необходимость проведения исследования скорости поглощения газа отсеянной фракцией угля при повышенном давлении вызвана тем, что отсев из угольной мелочи определенной фракции требует затрат времени, в результате чего удлиняется период времени до момента герметизации исследуемого образца. Это приводит к тому, что в этом случае отсеянная для исследования фракция угля, особенно отобранная в нарушенной зоне пласта, успевает до герметизации десорбировать основное количество газа, поэтому использовать полученную фракцию угля для оценки степени выбросоопасности угля по динамике газовыделения из него уже не имеет смысла. Получаемые же при проведении экспериментов по поглощению отсеянной фракцией угля измерительного газа (окиси азота) при повышенном давлении результаты имеют меньшую практическую ценность, так как являются только качественными и характеризуют только газопроницаемость исследуемых проб, что дает возможность оценить потенциальную выбросоопасность их структуры, но не позволяет получить какую-либо информацию о газоносности угля в призабойной зоне пласта и другие количественные характеристики, необходимые для описания и прогноза интенсивности газовыделения в горные выработки и решения других задач практики горного дела.

Отсев необходимой для исследования фракции угля непосредственно в горной выработке неудобен, особенно в стесненных условиях подготовительных и очистных выработок, имеющих малую высоту при разработке угольных пластов малой мощности, и сопровождается увеличением запыленности горных выработок. Кроме того, использование прибора для определения выбросоопасности структуры угля, возможно лишь в тех горных выработках, где имеется сжатый воздух, необходимый для обеспечения работы часового механизма и всех элементов переключения и управления, и вода под напором для обеспечения вакуумирования измерительной камеры, причем достигаемое разряжение тем больше, чем больше напор в водопроводе. Кроме того, к месту проведения исследований необходимо доставлять баллон с измерительным газом (окисью азота) и сам прибор весом около 17 кг.

В результате вышеизложенного в большинстве случаев в горных выработках производят только отбор проб угля для исследования, а сами исследования выполняют в лаборатории. В связи с тем, что при длительном контакте с воздухом происходит изменение десорбционно-кинетических характеристик угля и, как следствие, изменение скорости поглощения или выделения им газа, для предотвращения этого явления отбор проб угля для лабораторных исследований стремятся производить крупными кусками, причем это стремятся делать даже при отборе образцов в герметически закрывающиеся емкости. Это приводит к необходимости отбора для исследования большого, весом до килограмма и более, количества угля в каждом месте, что затрудняет доставку отобранных проб в лабораторию и требует выполнения тяжелых и трудоемких операций дробления угля и отсева нужной для исследования фракции, которые выполняются обычно вручную. Поэтому лабораторное исследование отобранных в горных выработках образцов не только является трудоемким и требует большего количества персонала для проведения исследований, но и выполняется со значительным запозданием (от нескольких смен до нескольких суток и более). В результате этого полученная информация утрачивает свою ценность, так как к моменту получения результатов исследования забой выработки уже находится на значительном удалении от того места, где были отобраны образцы угля для исследования. Аналогичные проблемы возникают и при геологоразведочных работах на газоносных месторождениях твердых полезных ископаемых.

Цель изобретения повышение информативности результатов физико-химического исследования образцов, отобранных при разработке и разведке газоносных месторождений полезных ископаемых, уменьшение трудоемкости и продолжительности подготовки для исследования нужной фракции этих образцов, расширение области практического использования результатов физико-химических исследований динамики газовыделения из образцов угля и углесодержащих горных пород в практике горного дела, а также повышение на этой основе безопасности разработки газоносных месторождений и интенсивности ведения горных работ.

Цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве емкость для размещения пробы выполнена в виде набора сит с ячейками различного размера, нижнее из которых находится в контакте со средствами их удержания, расположенными на внутренней поверхности герметичного кожуха, снабженного крышкой, имеющей канал для подсоединения измерительной аппаратуры. Наружные боковые поверхности сит снабжены проушинами, в которые пропускаются средства крепления, например шнур или лента, благодаря чему быстро размещают набор сит в корпусе или извлекают из него.

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства, разрез.

Устройство содержит герметичный корпус 1, закрывающийся крышкой 2 со средствами 3 герметизации. На внутренней боковой поверхности корпуса расположены средства 4 для крепления (удержания) емкости для размещения пробы, выполненной в виде набора сит 5 и 5а, нижнее из которых (5) находится в контакте со средствами их удержания, выполненными, например, в виде выступов (4). На верхнюю часть сита 5 опирается сито 5а. Боковые наружные поверхности сит снабжены проушинами 6 для средств 7 крепления, обеспечивающих удобство размещения и удаления сит из корпуса. Верхнее сито для уменьшения пылеобразования закрыто сверху крышкой 8. В крышке 2 выполнен канал 9, проходящий через патрубок 10 для подсоединения устройства к измерительной аппаратуре. Патрубок 10 снабжен краном 11 с разъемным соединением 12, позволяющим присоединять устройство к любой измерительной аппаратуре. Отобранная проба угля обозначена позицией 13, просеянная фракция, необходимая для проведения последующих экспериментов в лабораторных условиях, обозначена позицией 14, а угольная пыль, прошедшая через все сита, обозначена позицией 15.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Отобранную пробу угля 13 загружают в сито 5а с наиболее крупными ячейками, которое для уменьшения пылеобразования закрыто крышкой 8. Это сито устанавливают на сито 5 с более мелкими ячейками, пропускают средства 7 крепления сит (например, шнур или ленту) через проушины 6 сит 5 и 5а и опускают набор сит в корпус 1 до упора сита 5 в средства 4 удержания сит. Корпус 1 устройства герметично закрывают крышкой 2, после чего устройство соединяется с любым оборудованием для определения динамики газовыделения из образцов с помощью разъемного соединения 12. Это позволяет исследовать начальную скорость газовыделения из образцов (динамику газовыделения) непосредственно в горных выработках известными средствами.

После завершения исследования динамики газовыделения из отобранного образца непосредственно в призабойной зоне горной выработки кран 11 закрывают и в месте установки разъемного соединения 12 отсоединяют устройство от оборудования, использовавшегося для определения динамики газовыделения из образца. После этого устройство устанавливают в вертикальном положении в любой таре, предназначенной для транспортировки образцов для последующего исследования в лаборатории. В процессе доставки устройства с находящейся внутри его отобранной пробой угля под влиянием неизбежных при этом встряхиваний происходит рассев отобранной пробы угля по фракциям через находящиеся внутри корпуса 1 сита 5 и 5а (практически количество сит может быть увеличено в случае необходимости получения нескольких различных фракций). Поэтому к моменту доставки пробы в лабораторию она оказывается уже рассеянной на необходимые для исследования фракции.

Использование предлагаемого устройства для отбора и исследования проб угля позволяет: устранить необходимость отсева нужной для исследования фракции угля непосредственно в горных выработках, то есть избежать выполнения трудоемкой операции в неудобных условиях; существенно уменьшить промежуток времени с момента отбора пробы угля до момента его герметизации, что очень важно для повышения точности определения десорбционно-кинетических характеристик образцов и газоносности угля и вмещающих пород по динамике газовыделения из отобранных образцов; снизить запыленность в призабойной зоне; значительно уменьшить возможность изменения десорбционно-кинетических характеристик отобранных образцов угля при взаимодействии с кислородом воздуха и в результате дробления образцов в лабораторных условиях при получении необходимой для исследования фракции, так как время контакта отобранных образцов с воздухом выработки очень короткое, а внутрь герметичной части предлагаемого устройства попадает малое количество воздуха, причем часть даже этого воздуха удаляется из герметичного объема вместе с десорбированным газом во время определения динамики газовыделения из отобранной пробы непосредственно в горной выработке, а дробления угля в лаборатории вообще можно избежать в большинстве случаев, в результате чего нет необходимости отбирать для исследования крупные куски угля для доставки в лабораторию и последующего дробления, что позволяет многократно снизить вес отбираемой пробы угля и соответственно облегчить ее доставку в лабораторию и последующее дробление; можно сразу же после доставки в лабораторию отобранной для исследования пробы в предлагаемом герметичном устройстве извлечь из нее необходимую для исследования фракцию угля, что позволяет или вообще избежать трудоемкого дробления образцов в лаборатории или значительно снизить трудоемкость и продолжительность этой операции в случае, если количество извлеченной из устройства нужной для исследования фракции окажется недостаточным; без каких-либо затрат труда или времени получить дополнительную информацию о фракционном составе отобранной для исследования пробы; сохранить внутри герметичной части предлагаемого устройства весь десорбированный из образца с момента закрытия крана 11 до момента начала исследования этого образца в лаборатории газ, что позволяет определять остаточную газоносность образца и газоносность угля в призабойной зоне пласта.

Проверка эффективности использования предлагаемого устройства была выполнена в лаборатории проблем рудничных газов и пыли Института проблем комплексного освоения недр Российской Академии Наук, а также на шахте "Перевальская" в Селезневском угольном районе Донбасса, в результате чего была экспериментально доказана возможность избежания трудоемкого дробления и рассева угля и обеспечения минимального изменения его свойств перед проведением лабораторных исследований.

Таким образом использование предлагаемого устройства позволяет повысить надежность и информативность исследований газоносных образцов, значительно снизить их трудоемкость и продолжительность, а также улучшить санитарно-гигиенические условия труда и повысить производительность труда выполняющего их персонала, повысить оперативность получения результатов исследования. Это позволит шире и эффективнее проводить исследования газодинамических характеристик угля и вмещающих горных пород непосредственно в горных выработках на всех стадиях ведения горных работ и на этой основе повысить надежность выявления выбросоопасных зон и зон геологических нарушений, точнее учитывать газодинамические характеристики слагающего разрабатываемый пласт угля при прогнозе газообильности горных выработок и при выборе наиболее рациональной и безопасной технологии ведения горных работ и для повышения эффективности его дегазации.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА И ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОНОСНЫХ ОБРАЗЦОВ, содержащее герметичный корпус, емкость для размещения пробы, средства для подключения измерительных приборов, отличающееся тем, что емкость для размещения пробы выполнена в виде набора сит, нижнее из которых размещено на выступах, выполненных на внутренней поверхности герметичного корпуса, снабженного крышкой, имеющей канал для подсоединения измерительной аппаратуры, а наружные боковые поверхности сит снабжены проушинами для средств крепления.

РИСУНКИ

Рисунок 1