Способ выбора поверхностно-активных веществ при увлажнении каменных углей

 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для повышения эффективности увлажнения краевых зон угольных пластов путем повышения надежности выбора ПАВ. Технический результат - снижение трудоемкости, повышение точности и надежности выбора ПАВ для обеспечения эффективности увлажнения краевых зон ударо- и выбросоопасных угольных пластов. Сущность изобретения. Изготовляют образцы каменного угля правильной геометрической формы, определяют их массу в воздушно-сухом состоянии, и опускают на глубину Н_погр один из них в водный раствор ПАВ на время от трех до 24 ч. Далее определяют глубину погружения образца в раствор ПАВ, снимают излишнюю жидкость с поверхности, определяют массу увлажненного образца, считывают угол смачивания Θ. Затем повторяют измерения минимум четыре раза для последовательно увеличивающейся концентрации ПАВ, строят график зависимости угла смачивания Θ относительно концентрации. Аналогично проводят исследования для других ПАВ. Наиболее эффективное ПАВ и его концентрацию С определяют из графических зависимостей Θ = f(С) по минимальному значению угла смачивания для всех кривых. Угол смачивания рассчитывают по формуле где ρ_ж, ρ_к - плотность жидкости и кажущаяся плотность соответственно, кг/м³; g - ускорение свободного падения; Р_раб - рабочая пористость; α_ж-г - коэффициент поверхностного натяжения, S_уд - удельная поверхность капилляров, м²/кг; Δ_m - приращение массы образца, кг; S_осн - площадь основания образца, м²; Н_погр - глубина погружения, м. 3 ил.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для повышения эффективности увлажнения краевых зон угольных пластов, применяемого с целью предотвращения горных ударов и внезапных выбросов угля и газа.

Одним из основных параметров при выборе типа поверхностно-активного вещества (ПАВ) и его концентрации является угол смачивания.

Известен способ определения угла смачивания на границе твердой, жидкой и газообразной фаз. Для этого отбирают образцы горной породы со сравнительно ровной поверхностью площадью около 10 см². С помощью шифровального круга, наждачной бумаги и корундового порошка изготовляют аншлиф. На приготовленную поверхность наносят каплю жидкости и с помощью пучка света проецируют боковое изображение капли на экран, где очерчивают контур капли, сидящей на поверхности твердого тела и через точку соприкосновения трех фаз проводят касательную к контуру капли, по углу наклона которой измеряют краевой угол [1] . В частности, этим способом определялся угол смачивания для системы вода - уголь - газ и оптимальная концентрация смачивателя ДБ при увлажнении угольных пластов. Относительная погрешность определения угла смачивания при этом составляет 10 - 12%, а оптимальной концентрации - 10-16%. Причем количество измерений для одного угольного пласта при определении угла смачивания составляет от 20 до 40, а концентрации - от 210 до 240 [2].

Недостатком данного метода является зависимость результатов определения угла смачивания от чистоты и степени окисленности поверхности, времени растекания (гистерезис смачивания), геометрических погрешностей и других факторов.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому изобретению способ определения угла смачивания по скорости поднятия жидкости в капиллярах. Для этого определяют время и высоту поднятия жидкости, а угол смачивания рассчитывают по формуле [3].

где τ, h - время и высота поднятия жидкости; r - радиус капилляра, м; η - динамическая вязкость жидкости, Па·с; ΔP - давление, рассчитываемое по разности плотностей жидкости и окружающей среды, т.е.

ΔP = (ρ_ж-ρ_окр.ср)gh, g - ускорение свободного падения.

Выбор эффективного смачивателя для непрозрачных пористых сред по этому способу осуществляют на кернах угля диаметром 4 см и высотой 10-15 см, боковая поверхность которых покрыта клеем БФ-6 или парафином [4]. Нижнюю часть угольного керна опускают в воду на время от трех до 24 ч. После чего образцы разрезают на части, для каждой из которых определяют влажность и устанавливают максимальную высоту поднятия. Повторяя измерения, для различных смачивателей и концентрации выбирают наиболее эффективные ПАВ.

Недостатками данного способа являются высокая трудоемкость, низкая оперативность и точность.

Целью предлагаемого изобретения является снижение трудоемкости, повышение точности и надежности выбора ПАВ для обеспечения эффективности увлажнения краевых зон ударо- и выбросоопасных угольных пластов.

Указанная цель достигается тем, что, как и в известном способе, изготовляют образцы каменного угля правильной геометрической формы, определяют их массу в воздушно-сухом состоянии и опускают на глубину H_погр один из них в водный раствор ПАВ на время от трех до 24 ч. Дополнительно определяют глубину погружения образца в раствор ПАВ, снимают излишек жидкости промокательной бумагой и определяют массу увлажненного образца, а угол смачивания рассчитывают по формуле (2) где ρ_ж, ρ_к - плотность жидкости и кажущаяся плотность соответственно, кг/м³; g - ускорение свободного падения; P_раб - рабочая пористость; α_ж-г - коэффициент поверхностного натяжения;
S_уд - удельная поверхность капилляров, м²/кг;
Δm - приращение массы образца, кг;
S_осн - площадь основания образца, м²;
H_погр - глубина погружения, м.

После этого повторяют измерения минимум четыре раза для последовательно увеличивающейся концентрации ПАВ, строят график зависимости угла смачивания раствора относительно концентрации ПАВ и проводят подобные измерения с другими ПАВ на подобных образцах, а наиболее эффективное ПАВ и его концентрацию определяют из графических зависимостей по минимальному значению угла смачивания для всех кривых.

Технический результат состоит в следующем:
а) не требуется механического разрушения образца, а следовательно, уменьшаются энергозатраты на осуществление способа;
б) увеличивается точность результатов за счет исключения процесса деления образца, предотвращая этим испарение влаги или ее привнесение в образец и влияние окислительно-восстановительных процессов;
в) увеличивается надежность получаемых результатов за счет проведения нескольких опытов на одном и том же образце, т.е. сохраняются условия измерения, а также за счет близости способа к реальным процессам, проходящим в угольном пласте при его увлажнении.

Увеличение точности и надежности при выборе эффективного ПАВ позволяет повысить безопасность горных работ при увлажнении угольных пластов в целях борьбы с горными ударами и внезапными выбросами угля и газа.

Более близкого по сущности и эффективности к предлагаемому изобретению в публикациях за последние годы не найдено.

На фиг. 1 представлено поднятие жидкости по одиночному капилляру, где 2 - адсорбированная жидкость; 1 - стенка капилляра; d_к - диаметр капилляра; d_эф - эффективный диаметр капилляра.

На фиг. 2 представлено поднятие жидкости по капиллярам гидрофильного образца горной породы, где 1 - кювета; 2 - крышка, предохраняющая жидкость от испарения; 3 - граница раздела двух фаз (жидкость - газ) внутри пористого пространства образца; 4 - тонкий слой чистого просеянного песка; 5 - раствор ПАВ; H_обр - высота образца; H_погр - глубина погружения образца в жидкость; h_экв, h_подн - высота поднятия жидкости по капиллярам образца относительно OX и O'X' соответственно.

На фиг. 3 представлен графический метод выбора оптимального ПАВ и его концентрации, где Θ - угол смачивания; C - концентрация ПАВ в растворе, %; 1, 2, 3 - соответственно растворы ПАВ1, ПАВ2, ПАВ3.

Способ выбора поверхностно-активных веществ при увлажнении каменных углей осуществляют следующим образом. Изготовляют образцы каменного угля правильной геометрической формы, например, образцы выбуривают одинаковым способом по отношению к напрастованию из кусков каменного угля (шахта "Северная", пласт "Верхний", выход летучих - 28%, марка КЖ), обрабатывают торцы на токарном станке, и после обработки образцы принимают следующие геометрические размеры:
высота H_обр = 56·10^-3 м;
диаметр d_обр = 45·10^-3 м.

Изготовляют по пять образцов на каждое ПАВ. Исследуют, например, три ПАВ:
1. Далее с помощью весов ВЛА-200 г-М определяют массу образцов в воздушно-сухом состоянии. Для первого образца
m_{возд-сух} = 108,1·10^-3 кг.

2. Образцы помещают в кюветы с водными растворами ПАВ. В каждой кювете концентрация C (%) ПАВ увеличена на 0,02%. С помощью линейки измеряют глубину погружения H_погр (фиг. 2). Для первого образца H_погр = 3·10^-3 м.

3. Через время τ = 24 ч образцы вынимают, снимают излишнюю влагу промокательной бумагой, взвешиванием определяют массу после частичного увлажнения. Для m_увл = 109,5·10^-3 кг.

4. Определяют полную влагоемкость образцов путем полного погружения в раствор ПАВ в эксикаторе, из которого в течение 20 мин откачивают воздух с помощью форвакуумного насоса, и после снятия излишней влаги с поверхности взвешивают.

Для m_{увл max} = 111,8 · 10^-3 кг.

5. По измерениям производят следующие расчеты:
а) площадь основания

б) объем образца
V_обр = S_оснH_обр = 8,68·10^-5 м³;
в) рабочая пористость

г) прирост массы за время увлажнения τ = 24 ч
Δm = m_увл-m_{возд-сух}= 1.41·10^-3 кг.
д) угол смачивания

где g = 9,81 м/с²;
ρ_к = 1219 кг/м³ - кажущаяся плотность образца;
α_ж-г = 0,073 H/м - для воды;
S_уд = 10 м²/кг;
cosΘ = 0,00873;
Θ = 89,5^oC;
ρ_ж = 1000 кг/м³ - плотность воды.

Повторяя пп. 2-5 минимум четыре раза для последовательно увеличивающейся концентрации ПАВ, по результатам расчета Θ в зависимости от концентрации ПАВ С (%) строят графическую зависимость Θ = f(C) (фиг.3). Определяют минимум для каждой кривой. Затем определяют наиболее эффективное ПАВ и его оптимальную концентрацию по главному минимуму.

Формула для расчета угла смачивания Θ (2) была получена следующим образом.

Высота поднятия жидкости по капиллярам относительно уровня жидкости в кювете 1 (фиг. 2) [5]:

где ε_уд - удельный объем пор, м³/кг, равный

С другой стороны, учитывая эффект уменьшения фильтрующего объема пор угля за счет пленки жидкости 2 (фиг. 1), адсорбированной на поверхности пор [6] , высота поднятия жидкости по капиллярам относительно основания образца (фиг. 2)

h_экв и h_подн связаны соотношением (фиг. 2)
H_погр = h_экв - h_подн. (6)
Подставляя в (6) соотношения (3), (4), (5) и преобразовывая, получим расчетную формулу (2) для угла смачивания Θ.
Для определения S_уд (см. формулу (2)) можно воспользоваться результатами работы [2] , в которой эта величина определена для различных марок угля по адсорбции паров воды методом весов Мак-Бена и теории БЭТ.

Источники информации
1. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. - М.: Химия, 1975. - 512 с.

2. Панасейко С. П. Исследование и разработка способов повышения эффективности профилактического увлажнения угольных пластов путем предварительной их гидрофилизации. Автореф. . . . канд.техн. наук: 05.26.01. - Кемерово: КузПИ, 1973. -22 с.

3. Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание. - М.: Химия, 1974. - 413 с.

4. Чернов О.И., Розанцев Е.С. Подготовка шахтных полей с газовыбросоопасными пластами. - М.: Недра, 1975. - 287 с.

5. Макрокинетика процессов в пористых средах (Топливные элементы). - М.: Наука, 1971. - 363 с.

6. Чернов О.И., Черкасов В.С., Вологодский В.А. Особенности массопереноса воды в угольном массиве и математическая модель процесса увлажнения пласта // Борьба с газом и внезапными выбросами в угольных шахтах. - Кемерово: ВостНИИ. - 1973. - Т. 20. - С. 89-104.

Формула изобретения

Способ выбора поверхностно-активных веществ для увлажнения каменных углей, включающий подготовку образцов правильной геометрической формы, определение их массы в воздушно-сухом состоянии, погружение нижней части образца в водный раствор ПАВ на время от трех до 24 ч, отличающийся тем, что дополнительно определяют глубину погружения образца в раствор, массу увлажненного образца и угол смачивания Θ по формуле

где ρ_ж - плотность жидкости, кг/м³;
g - ускорение свободного падения, м/с²;
P_раб - рабочая пористость;
α_ж-г - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;
S_уд - удельная поверхность капилляров, м²/кг;
ρ_к - кажущаяся плотность, кг/м³;
Δm - приращение массы образца, кг;
S_ост - площадь основания образца, м²;
H_погр - глубина погружения образца, м,
повторяют измерения минимум четыре раза для последовательно увеличивающейся концентрации ПАВ, строят график зависимости угла смачивания раствора относительно концентрации ПАВ, после чего проводят подобные измерения с другими ПАВ на подобных образцах, а наиболее эффективное ПАВ и его концентрацию определяют из графических зависимостей по минимальному значению угла смачивания для всех кривых.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3