DE2313398C3

DE2313398C3 - Verfahren zur Ermittlung der Ausbruchsneigung von Gasen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2313398C3
Application number: DE19732313398
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dipl.-Berging. 4630 Bochum Janas
Original assignee: WESTFAELISCHE BERGGEWERKSCHAFTSKASSE 4630 BOCHUM
Current assignee: WESTFAELISCHE BERGGEWERKSCHAFTSKASSE 4630 BOCHUM
Priority date: 1973-03-17
Filing date: 1973-03-17
Publication date: 1980-11-27
Also published as: DE2313398A1; DE2313398B2

Description

. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Ausbruchsneigung von Kohlenflözen, wozu aus dem betreffenden Flöz eine Probe entnommen und in einem Behälter deren Ausgasung gemessen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient der gastechnischen Untersuchung von Kohlenflözen. Es läßt eindeutige Rückschlüsse auf die Methanausbruchsneigung der Kohle zu. Dafür ist die jeweilige Methanabgabegeschwindigkeit maßgeblich, die eine Stoffeigenschaft der Kohle darstellt.

Die Erfindung geht von einem bekannten Verfahren μ aus. Hierbei werden über die Ausgasung der aus einem Bohrloch entnommenen Kohlenproben Meßwerte gewonnen; als Kennwert wird der sogenannte Delta-p-Wert nach Ettinger bestimmt. Bei der Ermittlung des Delta-p-Wertes werden die Kohlenproben auf eine « bestimmte Körnungsfraktion von beispielsweise 0,25-0,5 mm aufbereitet, evakuiert, mit Methan bei 760 Torr sorbiert und gegen ein evakuiertes Volumen entspannt. Die Abnahme des Vakuums liefert dann den Kennwert Delta-p. Die Bestimmung dieses Kennwertes eo erfordert einen erheblichen Aufwand und dauert zu lange, um unter betrieblichen Bedingungen angewandt werden zu können. Der Zeitaufwand liegt bei über 8 Stunden, meist jedoch bei mehreren Tagen. Nachteilig ist ferner, daß das Ergebnis durch wechselnde Ascheanteile verfälscht werden kann. Für die Korrektur sind dann wiederum längere Zeiträume erforderlich.

Es sind außerdem verschiedene Methoden bekanntgeworden, um die Ausbruchsneigung von Kohlenoxyd aus Salzlagerstätten vorauszubestimmen (Zeitschrift Bergbautechnik 1954, S. 444). Die grundsätzliche Schwierigkeit der für diesen Zweck bekanntgewordenen Verfahren besteht darin, einen Kennwert festzulegen, der sich einerseits schnell und leicht messeii läßt, aber andererseits in eindeutiger gesetzmäßiger Beziehung zur Gasausbruchsneigiing der betreffenden Lagerstätte steht. Bislang haben sich diese Forderungen nur mit kristalloptischen Untersuchungen des Bohrmehles oder der Bohrkerne erfüllen lassen, die in der betreffenden Lagerstätte erbohrt werden. Deswegen sind diese Verfahren auf die Bestimmung der Gasausbruchsneigung von Kohlenflözen nicht anwendbar.

Das gilt auch für ein weiteres der aus dem Kalibergbau gekanntgewordenen Verfahren, mit dem Gasausbrüche voransbestimmbar sein sollen (DD-PS 42 201). Hierbei werden nämlich Bohrmehl oder Bohrkerne mehrerer Bohrlöcher bestimmter Länge und Anordnung auf ihren Gasgehalt untersucht, worauf man aus den Gasgehalten Gasgehaltsprofile ermittelt, aus denen auf die Ausbruchsneigung geschlossen werden soll. Darüberhinaus haben solche Verfahren auch den Nachteil, daß sie einen ungewöhnlichen Zeit- und Arbeitsaufwand erfordern, so daß sie für die Routinemessungen im Betrieb nicht in Betracht kommen können.

Bei hinein weiteren der vorbekannten Verfahren (DD-PS 49 308) zur Prognose plötzlicher Ausbrüche in Kali- und Salzlagerstätten werden in die betreffende Lagerstätte Bohrlöcher vorgetrieben, die man abdichtet und in denen man dann den sich aufbauenden Gasdruck mißt. Dieses Verfahren ist auf die Bestimmung der Gasausbruchsneigung von Kohlenflözen nicht anwendbar, weil hierfür die Ausgasungseigenschaften der Kohle maßgeblich sind. Je höher die anfängliche Gasabgabe der Kohle ist, umso höher ist auch die Gasausbruchsneigung. Außerdem beinhaltet das bekannte Verfahren wegen der unterschiedlichen Zeiträume, die zwischen der Herstellung des Bohrloches und seiner Abdichtung zwangsläufig vergehen müssen, Ungenauigkeiten.

Es ist schließlich ein Verfahren bekanntgeworden (DD-r'S 66 153), das ebenfalls die Vorhersage von Gas-Salzausbrüchen im Kali- und Steinsalzbergbau gestatten soll. Hierbei soll das infolge des Bohrvorganges freigesetzte Gas abgesaugt und in einem geeigneten Gas-Meßgerät analysiert werden, wobei die gemessenen Werte Rückschlüsse auf das Vorhandensein gasführender Gesteinszonen bzw. bevorstehender Gas-Salzausbrüche zulassen soll. Aber auch dieses Verfahren führt nicht zur Bestimmung der für die Gasausbruchsneigung aus Kohlenflözen verantwortlichen Stoffeigenschaften der betreffenden Kohle und ist daher ebenfalls für diesen Zweck nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs als bekannt vorausgesetzten Art zu schaffen, das eine objektive Bestimmung der Gasausbruchsneigung ermöglicht und das zur Beurteilung der tatsächlichen Ausbruchsgefahr unter betrieblichen Bedingungen angewendet werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zeitliche Änderung der Ausgasungsgeschwindigkeit der Probe nach der Entspannung des anfänglich vorhandenen Gasdruckes bei Atmosphärendruck gemessen wird.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können zeitliche Änderung der Ausgasungsgeschwindigkeit von Kohlenproben unter objektiven und wiederholbaren

Bedingungen ermittelt werden, so daß der Kennwert der Ausbruchsneigung der untersuchten Probe mit Hilfe der folgenden Formel genau charakterisiert werden kann:

_Wi = W₁ ■ γ- - k

U)

(Anfang der Zeitmessung) und anschließend die desorbierte Methanmenge für gleiche Zeitintervalle markiert Aus der Forrr-el 1 errechnet sich der &-Wert nach

tv, = Ausgasungsgeschwindigkeit zur Zeit Z=/
Wi = Ausgasungsgeschwindigkeit zur Zeit t= 1
Z/ = Zeit nach der Entspannung von Sorptionsgleichgewichtsdruck
fi = 1 min nach der Entspannung vom Sorptions-

gleichgewicMsdruck
k = Potenzfaktor der Ausgasungsgeschwindigkeit

Der jt-Wert normal ausgasender Kohle bleibt konstant und schwankt bei einem Flöz nur um etwa ±1% um seinen Mittel wert. Auch bei Kohlen unterschiedlichen Inkohlungsgrades ist die Veränderung des k- Wertes gering. Bei den meisten Kohienarten liegt der jt-Wert zwischen 0,66 bis 0,70; bei Anthrazitkohle liegt er mit 0,62 bis 0,65 etwas tiefer.

Bei den zum Ausbruch neigenden Kohlen erhöht sich der /r-Wert gegenüber normal ausgasender Kohle sehr stark, indem er bis um 50% über dem normalen k-Wert liegen kann, wobei die Höchstwerte des k-Wertes 0,95 erreichen können. In unmittelbarer Nähe der Ausbruchszone können auch Tiefstwerte von geringer als 0,60 gemessen werden. Diese signalisieren eine Annäherung an eine Ausbruchszone. Die träge Charakteristik der Ausgasung unterhalb der normalen k- Werte weist auf eine Homogenisierung der Kohle hin, die am Saum einer Ausbruchszone durch den starken Gcbirgsdruck, der unterhalb der Destruktionsspannung liegt, verfestigt wurde, zum Unterschied vom Kern der Ausbruchszone, in dem die Destruktionsspannung überschritten wurde, was zu der Zerstörung und Verformung der ursprünglichen Kohlestruktur geführt hat, die als Atomisierung der Kohle bezeichnet wird.

Für das Laboratorium ist eine Ausführungsform der Erfindung bestimmt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Probe nach Entnahme aus dem Flöz in einem Behälter verschlossen wird, der bis zur Einstellung des Sorptionsgleichgewichtes verschlossen bleibt, und daß danach der Behällerinhalt auf Atmosphärendruck entspannt und das Volumen des desorbierten Gases an mindestens drei Zeitpunkten gemessen wird, wobei die erste Messung im vorbestimmten zeitlichen Abstand erfolgt.

Vorrichtungsmäßig wird die gestellte Aufgabe gelöst durch einen verschließbaren Behälter für die Aufnahme der Kohlenprobe, ein daran anschließendes Meßrohr, das von dem Behälter durch ein mit einem Auslaß zur Atmosphäre versehenes Schaltorgan absperrbar ist und in dem unter der Wirkung des desurbierbaren Gases eine Flüssigkeitsblase wandert, durch längs des Meßrohres in vorbestimmten Abständen angeordnete Strahler mit zugeordneten Empfängern für die Durchstrahlung des Meßrohres und durch ein an die Ausgänge der Empfänger über zumindestens einen Verstärker angeschlossenes Registrierg .'..

In diesem Behälter wird das zu untersuchende Kohlegut eingebracht, aus dessen freiem Raum die Luft verdrängt wird, was durch Einspülen von CH4 geschieht. Die Probehälter werden abgeschlossen, bis sich ein Sorptionsgleichgewicht eingestellt hat. Danach wird jeder Behälter gegen atmosphärischen Druck entspannt

log Wj — log
log 'f

Der .Ar-Wert ist unabhängig von der Einwaage, dem Aschegehalt und der sortierten Methanmenge. Deshalb kann mit unterschiedlichem Körnungsgut gearbeitet werden. Es empfiehlt sich jedoch, mit kleineren Körnungsgrößen zwischen 0,! und 0,3 zu arbeiten, um ein schnelleres Sorptionsgleichgewicht zu erreichen. Der k-Wert kann grafisch ermittelt werden, indem auf ein doppellogarithmisches Netz die Werte

I A_h i + 1

Τ/;,7 +T

= B ■ w,, i + 1 (Ordinatenachse)

gegen z0 - i, i + 1 (Abszissenachse) aufgetragen
werden.

1/4,, /' + 1 = Differenz der Anzeige für das Zeitintervall /j, ί + 1

B = Umrechnungskonstante

w,·, / + 1 = Ausgangsgeschwindigkeit im Zeitintervall Ii, i + 1

Die Verbindungskurve dieser Werte ergibt dann 3-) eine Gerade, deren

4(1 Für die Bestimmung der tatsächlichen Ausbruchsgefahr außerhalb der Ausbruchsneigung der Kohle ist die in der Kohle gebundene Gasmenge von entscheidender Bedeutung. Im allgemeinen genügt der Nachweis, daß der desorbierbare Gasinhalt oberhalb von 9 mVt liegt.

4^r> Soll jedoch nach einer vorbeugenden Maßnahme nachgewiesen werden, daß der desorbierbare Gasinhalt unterhalb dieser Grenze liegt, oder liegen keine Ergebnisse einer aktuellen Gasinhaltsbestimmung vor, dann kann der desorbierbare Gasinhalt direkt an der

W Ortsbrust nach dem neuen Verfahren ermittelt werden. Dazu werden Kohlenproben aus unterschiedlichen Tiefen der Bohrlöcher entnommen und desorbometrisch ihre Ausgasungsgeschwindigkeiten ermittelt. Bei der grafischen Auswertung wird dar Anfang der

Yi Ausgasung in die mittlere Zeit der Anbohrung der Kohlenproben gelegt. Das Probegut wird saugend durch das Bohrgestänge in ein Abscheidegefäß aufgefangen. Durch Extrapolation des Verlaufs der Ausgasungsgeschwindigkeit (z. B. im doppellogarithmischen

w> Netz) gegen die Zeit 7= 1 min, ergibt sich die Ausgasungsgeschwindigkeit wi für Z= 1; durch die Integration der Ausgasungskurve für den Zeitbereich, der entsprechend der Körnungsgröße den desorbierbaren Methaninhalt abgrenzt, wird die desorbierbare

b5 Methanmenge bestimmt. Der desorbierbare Methaninhalt ergibt sich aus dem Bezug der desorbierbaren Methanmenge auf das Gewicht der Kohlenprobe.
Dieses kann mit ausreichender Genauigkeit aus dem

I i

Inhalt des Behälters bestimmt werden. Eine Korrektur des desorbierbaren Gasinhalls auf die aschefreie Gewichtseinheit der Kohle ist möglich, nachdem die Kohlenproben über Tage gewogen und ihr Ascheanleil bestimmt wurde. Diese Korrektur ist unterhalb von 1 OP/o meistens nicht von Bedeutung im Hinblick auf die Richtigkeit der unter betrieblichen Bedingungen und unmittelbar nach der Messung getroffenen Aussage.

Bei einer konstanten Einwaage, Körnungsfraktion und unter geringern Ascheanteil läßt sich der desorbierbare Methaninhalt direkt durch eine Umrechnungskonstante auf die integrierte Gasmenge aufgrund des Wertes der Ausgasungsgeschwindigkeit ηί oder der desorbierten Gasmenge q\ bestimmen nach

'/»is = desorbierbarcr Gasinhalt

Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind irn wesentlichen darin zu sehen, daß sich mit dem beschriebenen Verfahren in kürzester Zeil eindeutige und aussagekräftige Meßwerte ermitteln lassen, die Auskunft geben über die Gasausbruchsneigung des Kohlenflözes. Der wesentliche Vorteil des Verfahrens besteht in seiner Einfachheit und der Möglichkeit der Früherkennung der Symptome einer Gasausbruchsgefahr sowie der Möglichkeit der Beurteilung der Ausbruchsgefährdung unter betrieblichen Bedingungen bei niedrigem Kostenaufwand.

Das beschriebene Verfahren läßt sich besonders einfach durchführen auf einer Vorrichtung, die gekennzeichnet ist durch einen verschließbaren Behälter für die Aufnahme der Kohlenprobe, ein daran anschließendes Meßrohr, das von dem Behälter durch ein Schaltorgan absperrbar ist und in dem unter Wirkung der desorbierenden Gase eine Flü; sigkeitsblase wandert, durch längs des Meßrohres in vorbestimmten Abständen angeordnete Strahler mit zugeordneten Empfängern für die Durchstrahlung des Meßrohres und durch ein an die Ausgänge der Empfänger über zumindest einen Verstärker angeschlossenes Registriergerät.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert; es zeigt

F i g. i in beneiViatischer Darstellung eine Vorrichtung zur Bestimmung der Gasausbruchsneigung in Kohlenflözen,

F i g. 2 eine unter Berücksichtigung der Eigenschaften der Vorrichtung geeichte Ableseskala eines schreibenden Registriergerätes zur unmittelbaren Ablesung der Gasausbruchsneigung.

Die in den Figuren dargestellte Vorrichtung dient der Bestimmung der Gasausbruchsneigung in Kohlenflözen. Sie besteht in ihrem grundsätzlichen Aufbau aus einem verschließbaren Behälter 1 mit einem daran angeschlossenen MeBrohr 2. Zwischen Behälter 1 und Meßrohr 2 ist ein Ventil 3 in Form eines Zweiwegehahnes angeordnet. Längs des Meßrohres 2 sind in vorbestimmten Abständen Strahler 4 mit zugeordneten Empfängern 5 angeordnet, mit denen der Durchgang einer Flüssigkeitsblase 6, die unter der Wirkung der aus dem Behälter 1 ausströmenden sorbierenden Gase längs des Meßrohres 2 wandert, registriert wird. Dazu sind die Empfänger 5 über einen Verstärker 7 an ein schreibendes Registriergerät 8 angeschlossen. In Fi g. 1

in ist angedeutet, daß die Strahler 4 an eine Energiequelle 9 angeschlossen sind.

Die beschriebene Vorrichtung arbeitet wie folgt: Der Zeilpunkt der Entspannung der Kohlenprobe vom Sorptionsgleichgewichtsdruck wird dem Uhrwerk des

i^r) Registriergerätes 8 eingegeben. Der Behälter 1 mit der Kohlenprobe wird an das Meßrohr 2 angeschlossen. Das Gas strömt durch die vorgegebene Stellung des Zweiwegehahnes 3 frei in die Atmosphäre ab. Nach dem Ablauf der Zeit/., von der Entspannung wird der Strömungsweg des Gases automatisch durch Umsteuerung des Zweivvegehahnes 3 in das Meßrohr 2 umgeleitet. Die Flüssigkeitsblase 6 wandert unler der Wirkung des desorbierten Gases und passiert den ersten Empfänger 5a unc' zeichnet auf dem Schreibpapier die

2') erste Markierung, die im Einklang mit der ^,,-Marke der Schreiberskala gesetzt ist. Nach dem Durchlauf an den Empfänger 5a. 5b und 5cist die Messung beendet.

Nach Fig. 2 kann der £-Wert direkt z. B. mit Hilfe einer geeigneten Ableseskala ermittelt werden.

jo Durch Projektion der Schreibermarkierungen /.„ /λ, /, gegen die Ableseskala eines gleichbleibenden qvWertes (q\._l = q\h=q\>) ergeben sich Schnittpunkte, die bei y.i = }'h=y, den Gasausbruchsfaktor der Kohlenprobe bestimmen.

Die Ableseskala des Schreibgerätes kann für unterschiedliche /.,-Zeiten geeicht sein, die Schreibskalen der einzelnen Empfänger können farbig unterschieden und für ausreichend dicht belegte Größen der q,-Werte gekennzeichnet sein.

Da die Ableseskala, wie aus F i g. 2 ersichtlich, die Abhängigkeit des Potenzfaktors k von der Entgasungsgeschwindigkeit enthält, kann durch vertikale Projektion der Markierungen /.„ /κ /, die dem zeitlichen Durchgang der Flüssigkeitsblase 6 durch diejenigen Ebenen, die von den Strahlern 4 bzw. den Empfängern 5 gebildet sind, für gleichbleibende qi-Werte der jeweiligen Potenzfaktor k abgelesen und damit die Gasausbruchsneigung unmittelbar bestimmt werden. Genauer kann der Xr-Wert z. B. mit Hilfe eines einfachen

so Nomogramms ermittelt werden, auf dem die Schnittpunkte der Zeiten ttJl_a und /^Z₃ (Ordinatenachsen) den λ- ty Crt uCSuiiiiiicil.

Die tatsächliche Gasausbruchsgefahr unter betrieblichen Bedingungen muß zusätzlich durch die Größe des desorbierbaren Gasinhalts beurteilt werden. Im allgemeinen genügt der Nachweis, daß der desorbierbare Methaninhalt des Flözes oberhalb der Grenze von 9 mVt liegt. Da dieser proportional dem Wert q\ ist, wird der desorbierbare Methaninhalt durch einen entspre-

bO chenden Umrechnungsfaktor direkt für eine bestimmte Körnungsfraktion der Kohle bei einer gleichbleibenden Einwaage der Kohlenprobe mit ausreichender Genauigkeit bestimmt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ermittlung der Ausbruchsneigung von Kohlenflözen, wozu aus dem betreffenden Flöz eine Probe entnommen und in einem Behälter deren Ausgasung gemessen wird, dadurch ge
kennzeichnet, daß die zeitliche Änderung der Ausgasungsgeschwindigkeit der Probe nach der Entspannung des anfänglich vorhandenen Gasdrukkes bei Atmosphärendruck gemesser, wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe nach Entnahme aus dem Flöz in einem Behälter verschlossen wird, der bis zur Einstellung des Sorptionsgleichgewichtes verschlossen bleibt, und daß danach der Behälterinhalt auf Atmosphärendruck entspannt und das Volumen des desorbierten Gases an mindestens drei Zeitpunkten gemessen wird, wobei die erste Messung im vorbestimmten zeitlichen Abstand erfolgt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen verschließbaren Behälter (1) für die Aufnahme der Kohlenprobe, ein daran anschließendes Meßrohr (2), das von dem Behälter (1) durch ein mit einem Auslaß zur Atmosphäre versehenes Schaltorgan (3) absperrbar ist und in dem unter der Wirkung des desorbierbaren Gases eine Flüssigkeitsblase (5) wandert, durch längs des Meßrohres (2) in vorbestimmten Abständen angeordnete jo Strahler (4) mit zugeordneten Empfängern (5) für die Durchslrahlung des Meßrohres (2) und durch ein an die Ausgänge der Empfänger über zumindestens einen Verstärker (7) angeschlossenes Registriergerät (8).