книги / Рудничная вентиляция
..pdfФормулы для расчета интенсивности метановыделення с обнаженной поверхности угольных пластов
Формулы
gn “ £no/j/T
gn — ZignolV1+ 1
Su = SnoVil(t ~h *)
gn = gno* n‘ (для 3 < / < 400 сут)
gn = gnotn* 1
|
|
Автор |
Обозначение величин |
|
||
Г. Д. Лидин |
аг — коэффициент с |
размер |
||||
А. Э. Петросян |
||||||
|
|
|
ностью Le/T |
|
|
|
Н. |
И. |
Линденау, |
т — условное время |
дрени |
||
A. |
А. |
Мясников, |
рования пласта |
|
|
|
B. |
М. |
Маевская |
|
|
|
|
и др. |
Петросян, |
ni — экспериментальный |
ко |
|||
А. |
Э. |
|||||
И. |
В. |
Сергеев, |
эффициент |
|
|
|
Н. |
И. Устинов |
|
|
|
|
|
М. |
А. |
Ермеков, |
/1а — показатель темпа |
сни |
||
В. Р. Тен, T. Н. Ка |
жения |
газовыделения |
|
|
||
линина |
и др. |
(рис. |
13.2) |
|
|
|
* п = £ п о П - //(0 ,8 5 /+ 12)] |
В. Е. Брыляков |
/ — в сутках |
|
|||||
(для шахт |
Челябинского |
|
|
|
|
|
|
|
бассейна) |
|
|
|
|
|
|
|
|
gn = gno exp (—«»0 |
Б. |
Г. |
Тарасов, |
я8 — экспериментальный ко |
||||
|
|
А. |
С. |
Рябченко, |
эффициент |
|
||
|
|
И. Д. Мащенко |
|
|
|
|
||
gn = ntG exp (—n«0 |
Б. |
Г. |
Тарасов, |
G — газовыделение с едини |
||||
|
|
А. |
С. |
Рябченко, |
цы |
поверхности пласта за |
||
|
|
И. Д. Мащенко |
весь |
период дренирования; |
||||
|
|
|
|
|
л4 — экспериментальный ко |
|||
|
|
|
|
|
эффициент |
|
||
gn — gt (ai + blt~ c't) |
С. Н. Осипов |
ga — газовыделение с едини |
||||||
|
|
|
|
|
цы обнаженной |
поверхности |
||
|
|
|
|
|
пласта в единицу времени че |
|||
|
|
|
|
|
рез |
3 |
ч после |
обнажения; |
|
|
|
|
|
д2. ^i» |
С1 — эксперименталь |
||
|
|
|
|
|
ные |
постоянные |
(табл. 13.2) |
|
в пласте с |
углом падения |
более 45° на |
1м |
|
пласта; |
t — время |
||
с момента обнажения, сут. |
|
|
(сут) |
после обнажения |
||||
Время |
максимального газовыделения |
|||||||
|
U |
|
= 1,1Ч'°*93;с-о.™ |
|
|
(13.7) |
||
Газовыделение с обнаженной поверхности сильвинитового пла ста «Красный II» Верхнекамского месторождения калийных
солей при проведении выработки комбайном, по данным И. И. Мед ведева,
Рис. 13.2. График зависимости коэф фициента пг от природной метаноносности пласта х для Карагандинского бассейна:
1 — пласты нижней группы (at, ft„ ft?, ftti);
2— пласты верхней группы (ft»e—kit,klA—
ftie)
уот.м3/(мин-т)
Рис. 13.3. График газовыделения из отбитого угля:
/ — пласт «Фелико (шахта нм. 50-летия Октябрьской революции. Карагандинский
бассейн); 2 |
— пласт «Новый» (там же); |
||
3 — пласты |
«Прокопьевский» |
(шахта |
|
«Коксовая», |
Кузбасс), |
«Характерный» |
|
(шахта нм. Ворошилова. Кузбасс), fts «Дроновскнй» (шахта № 1, Донбасс), ft4 (шахта «Холодная балка», Донбасс); 4 — пласт «Верхняя Марианна» (шахта «Дубовская»,
Карагандинский |
бассейн); |
5 — пласт |
|
«Двойной» |
(шахта |
«Шахтннская», Кара |
|
гандинский |
бассейн) |
|
|
Рис. 13.4. График газовыделения из отбитого угля пласта «Болдыревского» (шахта им. Кирова, Кузбасс):
/, 2 н 3 — при крупности зерна соответ ственно 0,14—1,5, 0,3—5 н 5—10 мм
Метановыделение из отбитого угля g0T аналогично метановыделению с обнаженной поверхности пласта, однако затухает значительно быстрее (рис. 13.3). Оно зависит от газоносности, проницаемости и фракционного состава отбитого угля (рис. 13.4)
иописывается приведенными ниже выражениями. Согласно данным А. Э. Петросяна и др.,
gor = А (И - С) " 1- В, |
(13.9) |
или |
|
£от = £ото(<+ I)-"1. |
(13.10) |
где А, В, С — экспериментальные коэффициенты; g0T — газовыделение из отбитого угля в единицу времени на единицу его
152
Т а б л и ц а |
13.2 |
|
|
|
|
|
Значения постоянных a,, &i. Ci |
|
|
|
|
||
П л аст |
MV(IH IH * м*) |
а* |
*1 |
Ct |
||
Донбасс: |
|
|
|
|
|
|
qf |
|
0 ,0 0 5 |
0 .9 |
5 .2 |
0 ,0 2 5 |
|
Ih |
|
0 ,0 1 2 |
0 ,9 |
5 |
,2 |
0 ,0 2 5 |
I t |
|
0 ,0 0 9 |
0 ,9 |
1.7 |
0 ,0 2 5 |
|
ь\ |
|
0 ,0 0 4 |
0 ,9 |
1.7 |
0 ,0 2 5 |
|
Кузбасс: |
|
|
|
|
|
|
Et, Е» |
|
0 ,0 0 5 |
0 ,9 |
10 |
|
0 ,0 2 5 |
K i |
месторожде |
0 ,0 0 6 |
0 ,9 |
10 |
|
0 ,0 2 5 |
Воркутское |
0 ,0 0 7 |
0 ,9 |
10 |
|
0 ,0 2 5 |
|
ние, пласт IV
массы; #ото — то же, в момент отбойки; / + 1 — время, истекшее с момента отбойки угля, мин; п6 — экспериментальный коэффи циент, зависящий от фильтрационных свойств угля. Для Кара
гандинского бассейна л, = |
0,8-=-0,88 (пласт klt) и 0,69 (пласт А10). |
|
При взрывном способе отбойки |
|
|
£о, = |
900£ПО/( М - 5), |
(13.11) |
где gor — газовыделение |
из отбитого угля, |
мУ(мин-т); gn0 — |
начальная интенсивность выделения метана с обнаженных поверх
ностей |
пласта, м9/(мин.м2); t — время, |
истекшее с момента от |
||
бойки |
угля, мин. |
|
|
12 ч |
По данным М. А. Фролова и А. И. Боброва, для t |
||||
|
got = £ото exp (—kt), |
(13.12) |
||
где к — коэффициент, |
зависящий от свойств и размеров фракций |
|||
угля. |
|
|
|
|
Известна зависимость |
|
|
||
|
got =*о(1 — ехр(//<0)>/3], |
(13.13) |
||
где х0 — природная |
газоносность угля; |
t0 — время, |
в течение |
|
которого выделяется 63 % общего количества газа; в зависимости от крупности угля изменяется от нескольких минут (размер фрак ции не менее 0,076 мм) до нескольких недель (размер фракции более 3 мм).
Выделение СО, из отбитого угля |
|
g = a, exp (—0,02/), |
(13.14) |
где а, — экспериментальный коэффициент; t — время. Абсолютные значения g для углекислого газа невелики. Метановыделение из 1 т транспортируемого угля, по данным
М. А. Ермекова и др.,
г = go» о*"’-
A I , м3/мин
Рис. 13.5. График метановыделения в |
Рис. 13.6. График газовыделения в за |
тупиковую часть пласта «Феликс» на |
бое тупиковой выработки после взрыва |
шахте им. 50-летия Октябрьской рево |
(пласт «Верхняя Марианна», шахта им. |
люции (Карагандинский бассейн) |
Костенко, Карагандинский бассейн): |
|
Д/ — увеличение газовыделения; f — вре |
|
мя после взрыва |
комбайнами основное газовыделение происходит из отбиваемого угля. После включения комбайна концентрация метана в забое нарастает до некоторого предела, при прочих равных условиях зависящего от эффективности вентиляции призабойного про странства.
Ниже приведены значения коэффициента прироста метановыделения kx при работе комбайна типа ПК-3 относительно метановыделения с неподвижных обнаженных поверхностей в тупиковых выработках шахт Карагандинского бассейна.
Пласт |
«Верхняя Марианна» |
«Феликс» |
|
Расстояние от забоя, м |
20 |
90 |
15 |
kx |
1,6—2,5 |
1,2 |
2 |
Метановыделение в тупиковые выработки, проводимые с по стоянной скоростью по угольному пласту, с обнаженных поверх ностей пласта на определенном расстоянии от забоя является стационарным. Метановыделение с единицы обнаженной поверх ности (с единицы длины выработки) g уменьшается от забоя к устью выработки; суммарное метановыделение / с обнаженных поверхностей пласта нарастает от забоя к устью, достигая макси мума на расстоянии от забоя /э, соответствующем концу зоны дренирования (рис. 13.5). Концентрация метана изменяется ана логично, если утечки чистого воздуха из трубопровода в вы работку незначительны (нагнетательная вентиляция); при значи тельных утечках концентрация может уменьшаться к устью.
При буровзрывном способе проведения выработок основное газовыделение происходит при взрывных работах. При этом в воздух выделяются метан (при проведении выработок по метано-
носным пластам) и газообразные продукты разложения ВВ (СО, оксиды азота и др.).
Наибольшее количество метана выделяется из отбитого угля. Газовыделение зависит от газоносности, фильтрационных свойств пласта и количества отбиваемого угля. Газовыделение быстро
нарастает в первый момент после взрыва (в 2 — |
2 0 раз и достигает |
|||
6 —9 м’/мин), |
через 0,5—4 ч оно снижается до |
первоначального |
||
значения (рис. 13.6). Увеличение выделения |
метана (м3/мин) |
|||
при взрывных работах описывается зависимостью |
||||
|
|
Д/ = a j n*exp (— b2i), |
(13.17) |
|
где a», n6, |
bt |
— экспериментальные |
коэффициенты; t — время |
|
после взрыва, |
или |
|
|
|
|
|
Д/ = 500£ото/(t + |
5), |
(13.18) |
где goto — средняя интенсивность метановыделения с обнаженной поверхности пласта в течение первых суток после обнажения, м3/(мин-м2); / — время после взрыва, мин.
При 0 •< t •< 30 мин
Д/ = 1,8W (1,8 + 0, |
(13.19) |
где / шах — максимальная интенсивность метановыделения |
в при |
забойное пространство после взрывания по углю, м#/мин. |
парных |
В устье тупиковых частей сбиваемых между собой |
выработок на 30-й минуте после взрыва газовыделение может превосходить таковое до взрыва в 1,5—8,5 раза, на 60-й минуте — в 1,3—4,8 раза.
Приближенно в момент взрыва в выработку выделяется 0,25Д/ метана; за период 0,257 после взрыва — 0.57Д7; за период 0,5 7 —
0.82Д/, |
где 7 — время после взрыва, в течение |
которого газо |
||
выделение в выработку превышает таковое до взрыва. |
||||
|
Время (мин), в течение которого концентрация метана в забое |
|||
достигает максимальной величины, |
|
|
||
|
|
7’шах= l,65(/TpSB/Qc)°.«>, |
|
(13.20) |
где |
/тр — расстояние от конца вентиляционного трубопровода |
|||
до |
забоя, м; S„ — площадь поперечного сечения |
выработки, ма; |
||
Qс — расход воздуха в зоне смешения, м3/мин. |
lTVSJQ 0-< 3,5; |
|||
/тр |
Условия применения формулы (13.20): 0,2 |
-< |
||
1 2 |
м, скорость воздушного потока на |
выходе из трубо |
||
провода |
более 2 м/с. |
|
|
|
|
Бурение шпуров по углю вызывает увеличение газовыделения |
|||
в призабойной зоне (1 0 — 2 0 м от забоя) до 1 0 |
%. |
|
||
|
При погрузке отбитого угля концентрация метана возрастает |
|||
иногда в 1,5 раза. |
|
|
||
|
Абсолютное количество газов ВВ, образующихся при взрыв |
|||
ных работах, |
|
|
||
|
|
Свв = 57вв» |
|
(13.21) |
9ь.
Рис. 13.7. Интенсивность метановыделения из выработанного пространст ва на вентиляционные штреки шахт Донбасса:
1 , 2 — шахта «Кировская»; 3, 4 — шахта
№20
Рис. 13.8. График изменения интенсив ности выделения метана из выработан ного пространства в лаву при трехсто роннем примыкании его к вентиляцион ной струе (по Ф. С. Клебанову):
/ —г,> г* > г*; 2 —тх —гл < г,; 3 — гх < г%< г.
где В — расход |
ВВ; |
/ вв— газовость ВВ. |
Для угольных шахт |
||
при взрывании |
по |
углю |
/ вв = 100 л/кг, |
по породе — 40 л/кг; |
|
для рудных шахт |
/ вв = |
40 л/кг. |
|
||
Метановыделение |
из |
выработанных пространств добычных |
|||
участков угольных шахт происходит в вентиляционный штрек и в призабойное пространство лавы. Метановыделение в вентиля ционный штрек как функция расстояния от лавы может рассма триваться стационарным. Суммарное метановыделение из выра ботанного пространства в вентиляционный штрек возрастает по мере удаления от лавы, стремясь к некоторому пределу, кото рый обычно достигается на расстоянии 100—250 м в зависимости от способа управления кровлей, свойств вмещающих пород, наличия сближенных пластов, схем вентиляции. В некоторых случаях рост газовыделения наблюдается на расстоянии до 1 0 0 0 м от лавы.
Метановыделение из выработанного пространства, отнесенное
к 1 м вентиляционного штрека, |
|
£в. п = °io ехр (—Ь3х), |
(13.22) |
где ÛIO, Ь3 — экспериментальные коэффициенты; |
х — расстояние |
от лавы (рис. 13.7). Аналогично происходит выделение на венти ляционный штрек углекислого газа.
Метановыделение из выработанного пространства в лаву изме няется по ее длине L„ и зависит от схемы вентиляции добычного
£ л , м 5/м и н |
|
|
|
|
|
|
||
«V |
|
|
|
|
|
|
У |
|
0JS |
|
______________________ / |
|
|||||
0,3 |
|
|
|
|||||
0,1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
-о |
î |
î |
î |
î |
î |
î |
i |
l |
|
10 |
3 0 |
5 0 |
70 |
9 0 |
110 |
130 |
х м |
Рис. 13.9. График изменения суммар ного метановыделения в лаву Gn по ее длине х при столбовой системе разра* ботки
Рис. 13.10. График газовыделения при работе добычного комбайна КМ-52М (исходящая струя лавы):
Î — пласт / ' «Берестовский» (шахта № 18-бис,
производительность 2,2 т/ыин; 2 — пласт k l t «Верхняя Марианна» (шахта «Дубовская», Карагандинский бассейн), скорость комбайна 1,5 м/мин, производительность 0,54 т/мнн
участка и сопротивления 1 м откаточного штрека rlf лавы га и вентиляционного штрека г3 (рис. 13.8).
Метановыделение из выработанного пространства зависит от времени его существования t:
gВ. П = Oil exp (—btt), |
(13.23) |
где ап , bt — экспериментальные коэффициенты. Метановыделение в лаву происходит с обнаженной поверх
ности пласта, из отбитого угля и выработанного пространства. Суммарное метановыделение в лаву увеличивается в направлении от входа в нее до выхода вначале линейно, в конце возможен более быстрый рост (рис. 13.9).
Метановыделение при работе добычных комбайнов характери зуется быстрым увеличением в первые минуты после начала работы комбайна с последующей стабилизацией на более высоком
уровне, который зависит от производительности |
комбайна |
(рис. 13.10). Иногда газовыделение после резкого |
увеличения |
вначале работы комбайна в последующем несколько снижается,
азатем стабилизируется.
Метановыделение из выработанных пространств ранее от работанных этажей в угольных шахтах зависит от времени суще ствования выработанного пространства, условий питания его газом (наличие сближенных пластов, их газоносность, удален ность, характер вмещающих пород и др.), условий вымывания газа (схема примыкания к выработкам, фильтрационные харак теристики выработанного пространства, депрессия, под которой оно находится, и др.), размеров выработанного пространства.
Изменение метановыделения с единицы площади выработан ного пространства во времени
gв. п = а«£в. ni ехр (— bbt), |
(13.24) |
Характеристика газовыделения |
при работе |
|
|
погрузочно-транспортных машин с ДВС |
|
|
|
|
|
Г азовыделенне |
|
Тип машины |
общее, 10* м*/с |
в том числе NOS( |
|
|
|||
|
10* м*/с |
||
|
|
|
|
СТ-5А, двигатель ОМ-346 |
6.3— |
18 |
3,82—11,7 |
СТ-5А, двигатель Ф6Л-714 |
7.3—22 |
|
2,9—8,8 |
СТ-2Б, двигатель Ф6Л-912В |
5,5—16,5 |
|
1,8-5,5 |
где а12, Ьь — экспериментальные коэффициенты; gB, п 1 — метановыделение с единицы площади выработанного пространства к концу первого месяца после окончания проветривания выемоч ного участка; t — время.
В условиях Донбасса метановыделение из старых выработан ных пространств продолжается до 1 0 лет.
Газовыделение при работе двигателей внутреннего сгорания
(ДВС) зависит от конструкции двигателя, его состояния, мощ ности, режима работы, состава топлива. Выхлопные газы содер жат N2, 0 2, Н2, пары Н20, оксиды азота, СО, С02, альдегиды, углеводороды, S02, сажу. В табл. 13.3 приведены показатели газовыделения при работе ДВС на рудниках Норильского ГМК.
13.3. Процессы газопереноса
13.3.1. Общие сведения
Количество вещества, переносимое воздушным потоком в еди ницу времени через плоскость, площадь которой равна единице, называется потоком вещества (величина векторная).
Конвективный поток /„ вызывается увлечением вещества воздушным потоком; проекции конвективного потока на оси координат:
/к* ^ |
/ну = cv\ jKZ= cw, |
(13.25) |
где с — концентрация вещества в воздухе; и, v, w — проекции скорости воздушного потока на координатные оси.
Диффузионный молекулярный поток /м вызывается молеку лярной диффузией вещества; проекции потока на оси координат:
iuX = - D u ^ r ; /„„ = -£ > „ -g -; /мх = - 0 м - | - , (13.26)
где Du — коэффициент молекулярной диффузии (табл. 13.4); зависит от свойств диффундирующих газов, их содержания (слабо), давления (обратно пропорционален ему) и температуры (с увели-
Т а б л и ц а |
13.4 |
|
|
Значения коэффициента молекулярной диффузии |
|
||
Диффундирующее вещество |
Температура, *С |
О„-10\ м»/с |
|
|
и среда |
||
Аммиак в воздухе |
0 |
0,217 |
|
Аргон в гелии |
15 |
0,706 |
|
Бензол в воздухе |
0 |
0,75 |
|
Водород в азоте |
12,5 |
0,739 |
|
Водород в кислороде |
0 |
0,722 |
|
То же |
|
14 |
0,778 |
Водород в метане |
0 |
0,625 |
|
Водород в воздухе |
— |
0,634 |
|
Воздух в водороде |
17 |
0,661 |
|
Воздух в кислороде |
0 |
0,178 |
|
Кислород в азоте |
0 |
0,171 |
|
То же |
|
12,5 |
0,203 |
Метан в воздухе |
— |
0,196 |
|
Оксид углерода в воздухе |
— |
0,129—0.138 |
|
Углекислый |
газ в водороде |
0 |
0.556 |
Углекислый |
газ в воздухе |
0 |
0,142 |
Углекислый |
газ в кислороде |
0 |
0,182 |
Углекислый газ в метане |
0 |
0,146 |
|
чением температуры увеличивается |
пропорционально Т иь, где |
Т — абсолютная температура; 0,5 < |
b < 1). Коэффициент диф |
фузии одного газа в другом равен коэффициенту диффузии второго газа в первом.
Диффузный турбулентный поток /т вызывается турбулентной диффузией вещества; проекции потока на оси координат:
/тх = D t x " 5 7 ; /т у — D T ÿ - Q j j - y jrz — Drz~fe~t (1 3 .2 7 )
где DTX, Dru, D „ — коэффициенты турбулентной диффузии в на правлении соответствующих осей координат. DT зависит от свойств диффундирующих газов, их содержания, интенсивности турбулентности, угла наклона выработки, условий газовыделения в выработку (из кровли, почвы, боков). Для пассивной примеси DT связан с коэффициентом турбулентного обмена для импульса е:
Di, п/в = вц, |
(13.28) |
где £>т, п — коэффициент турбулентной диффузии пассивной при меси; а13 имеет значения от 1 до 1,43.
Для активной примеси 146]
DT.. = Dr. и(1 - Ш1/2 - 2RT+ 2Rï3/2 + Ri2 - Ш5' 2), (13.29)
Ri = Ri/Ri„p;