книги / Рудничная вентиляция
..pdfгде / — дебит источника газовыделения, м*/мин; Q — рас ход воздуха, м*/мин; D — ги дравлический диаметр выра ботки, м.
Слоевые скопления не про исходят при М •< 0,3.
Концентрация метана в лаве
при отсутствии выделения его из выработанного пространства изменяется вдоль лавы по за кону, близкому к линейному, возрастая в направлении дви жения воздуха. Темп ее нара стания увеличивается в ме стах, где в лаву поступает из выработанного пространства воздух с содержанием метана большим, чем в лаве.
При возвратноточной (через целик) схеме вентиляции
Рис. 13.18. График зависимости коэф фициента kcn от угла падения пласта а
с = а1вехр (Ьчх) + с2, |
(13.65) |
Рис. 13.19. Кривые распределения кон |
||||
центрации метана в поперечном сечении |
||||||
где |
а1в, |
Ь7, с2 — эксперимен |
призабойного пространства лавы: |
|||
/ — при наличии газовыделения из выра |
||||||
ботанного пространства в лаву; 2, 3 — при |
||||||
тальные |
коэффициенты; |
х — |
его отсутствии |
|||
отношение |
расстояния |
от |
на |
точки в ней к длине лавы. |
||
чала |
лавы |
до произвольной |
||||
Если пласт вынимается на полную мощность, то распределение концентрации метана с по ширине призабойного пространства / может либо иметь минимум в некоторой точке при наличии газо выделения из выработанного пространства в данном сечении, либо монотонно уменьшаться в сторону выработанного простран ства при отсутствии метановыделения из последнего (рис. 13.19); распределение концентрации метана по высоте изме няется незначительно.
Содержание метана в диффузионном слое, распространяю
щемся от работающего в лаве комбайна, |
|
с = с0 ехр (—а1Ух), |
(13.66) |
где с0 — содержание метана над комбайном; а17 — эксперимен тальный коэффициент, в среднем равный 0,32; х — расстояние от комбайна вдоль лавы по направлению движения воздуха.
Концентрация метана у комбайна изменяется аналогично изменению газовыделения. Для узкозахватных комбайнов и стру гов при 0 •< t •< ГО мин
с = alstb*exp (dt) + с0, |
(13.67) |
171
С ,°/о
Рис. 13.20. График изменения объем ной доли метана в забое тупиковой вы работки после взрыва
|
Рис. 13.21. Графики изменения объем |
|
ной доли СО (а) и N20 6 (б) в забое тупи |
|
ковой выработки, проводимой по углю, |
|
после взрывных работ |
СО,% |
б |
М205,% |
где t — время; с„ — концентрация метана до начала работы ма шины; а18, Ьв, d — экспериментальные коэффициенты (а1в, Ьв уменьшаются при увеличении скорости движения воздуха).
Концентрация метана на вентиляционном штреке умень шается по его длине подобно метановыделению; рост ее часто прекращается раньше роста метановыделения.
Концентрация метана в призабойной зоне тупиковой выра ботки после взрывных работ при постоянной вентиляции изме няется аналогично изменению метановыделения (рис. 13.20) и зависит от тех же факторов, а также от количества подаваемого в забой воздуха. Максимальная объемная долевая концентрация
метана (%) в |
зоне смешения |
* при нагнетательной |
вентиляции |
|
Сс max = |
(180/max//TpSB)( 0 |
,3 9 //TpSB/Qc - 0,1) + |
с0( |
(13.68) |
где / га1х — максимальная интенсивность метановыделения в при забойное пространство после взрывания по углю, м8/мин; с„ — концентрация метана в воздухе, поступающем в зону смешения; остальные обозначения те же, что и в формуле (13.20).
Концентрация газов ВВ в тупиковой выработке после взрыва
зависит от количества одновременно взрываемого ВВ, его состава,
* Зона между забоем и концом нагнетательного трубопровода.
Т а б л и ц а 13.5 Значения ктдля призабойной части тупиковой выработки
'тр/'п |
|
*трЛ*п |
|
*тр/^п |
Ат |
3,22 |
0,247 |
5.4 |
0,335 |
15,8 |
0,672 |
3,57 |
0,262 |
6,35 |
0,395 |
21,85 |
0,744 |
3,93 |
0,276 |
7,72 |
0,46 |
30,8 |
0,81 |
4,28 |
0,287 |
9,60 |
0,529 |
48,1 |
0,873 |
4,8 |
0,3 |
1II |
1 2 ,1 |
0,6 |
|
|
|
|
|
|
|
П р в н е ч а в я е . |
В таблице |
приняты |
следующие обозначения: |
— длина |
сво |
||||||
бодной струи (расстояние от конца |
трубопровода до |
аабоя); |
d „ — приведенный |
диаметр |
|||||||
трубопровода; при расположении его в верхнем или |
нижнем |
углу выработки |
d n |
= |
2d j p |
||||||
(где d rр — диаметр |
трубопровода), при расположении у стенки посредине |
d n |
= |
l . S d ^ p , |
|||||||
интенсивности вентиляции, свойств горных пород; она быстро уменьшается во времени t (рис. 13.21). В выработках, проводимых по углю, присутствие газов ВВ прослеживается в первые 10—15, редко 20 мин после взрыва.
Концентрация любого газа при мгновенном выделении в огра
ниченный объем V (тупиковая выработка и т. п.) и вентиляции свободной турбулентной струей снижается во времени:
с = с0 exp (—QkTt/V), |
(13.69) |
где с0 — начальное (при / = 0) содержание газа в объеме V", Q — количество воздуха, подаваемого в загазированный объем; kr — коэффициент турбулентной диффузии (табл. 13.5); t — время после начала вентиляции.
При непрерывной вентиляции выражение (13.69) описывает часть кривой с (<), расположенную правее точки максимума (рис. 13.20), за начало отсчета времени берется момент достижения максимальной концентрации.
Изменение максимальной концентрации газа в газовой волне, движущейся от забоя к устью тупиковой выработки после взрыва,
при отсутствии утечек |
из трубопровода |
|
|
|
|
О-вшах = ^т^зсо/X* |
(13.70) |
где |
/ э — расстояние от |
трубопровода до забоя; |
х — расстояние |
от |
забоя. |
|
|
|
Концентрация газа при мгновенном газовыделении в сквозные |
||
выработки с большой площадью поперечного сечения (на большей части площади сечения скорость движения воздуха равна средней скорости в сечении, турбулентная диффузия играет существенную роль в процессе переноса)
с = с0 ехр (—Qmt/Va. 0), |
(13.71) |
Рис. 13.22. График изменения объем ной доли оксида углерода при работе автотранспорта в тоннеле:
х — расстояние от забоя
Рис. 13.23. График изменения концен трации метана с по длине тупиковой выработки х :
/ — при плотном трубопроводе; 2 — при утечках чистого воздуха из трубопровода
где с0 — концентрация газа в начальный момент; Q — количество воздуха, проходящего по выработке; т — коэффициент, завися щий от числа Рейнольдса; для камер калийных шахт
т = 0,08 + 0,05 In Re; |
(13.72) |
t — время с момента газовыделения; Ув. 0 — объем зоны отброса газов.
Концентрация отработанных газов, выделяющихся в выра ботку при работе автотранспорта, обычно минимальна в средней части выработки (рис. 13.22) и неизменна во времени. Распреде ленный по длине выпуск чистого воздуха может обеспечить по стоянство концентрации во всей выработке. Оптимальное значение выпуска определяется из выражения
1/Q + (1в/омт) [2/(Q"+ 1)]» < 1, |
(13.73) |
где Q = QB/Q3; QB— количество воздуха, подаваемого в выра ботку вентилятором; Qa — количество воздуха, подаваемого в за бой; LB— длина выработки; ом — скорость движения автома шины; т — время погрузки автомашины в забое.
Концентрация газов по длине выработки х
с |
2£B;J £O_ f____ ______ |
X |
21в_ |
(13.74) |
|
Qa l L B + x ( Q - l ) |
üMT |
2LB+ *(Q - 1) |
|||
|
|
где gB. г — объем выхлопных газов одной машины в единицу времени; с0 — начальная концентрация выхлопных газов.
Максимальная концентрация выхлопных газов наблюдается в предпортальной части тоннеля:
max — с о ё в . г ^ м ^ м Д Q («SüM — Q)]» |
(1 3 .7 5 ) |
где пм — число машин, движущихся в одном направлении; S — площадь поперечного сечения тоннеля; Q — расход воздуха в тон неле.
Критическая длина выработки — это такая длина, на протя жении которой содержание газа в газовом облаке при его движе нии уменьшается до максимально допустимого значения. Для штрекообразных выработок в угольных шахтах при взрывных работах
Z«Kp = 12,55/вв^т/5вЛуТ. Tpi |
(13.76) |
где В — масса одновременно взрываемых ВВ, |
кг; / вв — газо- |
вость ВВ, л/кг; kr — коэффициент турбулентной диффузии; SB—
площадь поперечного |
сечения |
выработки |
в свету, ма; А^т. тр — |
|
коэффициент утечек. |
|
тупиковой |
выработке, |
проводимой |
Концентрация метана в |
||||
по углю, изменяется |
в соответствии с графиками рис. |
13.23. |
||
13.3.3. Переходные газодинамические процессы
Переходным называется процесс перехода из одного стацио нарного газодинамического состояния в другое. Изменение условий протекания, вызывающее переходный процесс, называется воз мущением; целенаправленное возмущение называется регули рованием.
Степень изменения определяющего параметра называется глу биной возмущения, а время его изменения — продолжитель ностью возмущения.
Продолжительность переходного процесса — время, в течение которого устанавливаются значения характеристических величин (концентрация, газовыделения), соответствующие новым усло виям.
Существует два основных типа переходных процессов: моно тонные и экстремальные.
Монотонным называется переходный газодинамический про цесс, при котором концентрация газа (газовыделение) монотонно
изменяется от уровня, |
соответствующего начальному состоянию |
а |
б |
Рис. 13.24. Типы переходных газодинамических процессов:
а |
— |
монотонный; б — экстремальные: 1 — при резком уменьшении расхода воздуха; |
2 |
— |
при резком увеличении его; Д, 4 — точки экстремума — соответственно максимума |
н |
минимума концентрации |
|
условий, до уровня, соответствующего их конечному состоянию (рис. 13.24, а). Экстремальным называется процесс, при котором изменение условий связано с переходом концентрации газа (газовыделения) через точку экстремума (максимума или минимума) (рис. 13.24, б).
Теоретически доказано существование 37 видов переходных процессов. Переходный процесс может быть комбинированным, т. е. монотонным по концентрации газа и экстремальным по газовыделению или наоборот.
Основными характеристиками переходного процесса яв ляются степень изменения концентрации газа и газовыделения в экстремальных точках процесса относительно их значений до возмущения и продолжительность переходного процесса.
Концентрация метана и метановыделение на добычных уча стках угольных шахт в экстремальных точках переходных про цессов могут отличаться от начального уровня в 4—5 раз. Степень увеличения концентрации газа и газовыделения обычно выше, чем степень их уменьшения.
Продолжительность переходных процессов может изменяться от нескольких минут до нескольких суток. Более кратковременны переходные процессы в выработках, более длительны — в выра ботанных пространствах.
Факторы, определяющие характер переходных процессов, весьма разнообразны:
а) глубина возмущения по расходу воздуха определяет степень изменения концентрации (возможно на несколько десятков про центов) и газовыделения (в несколько раз). Чем больше глубина возмущения (до определенного предела), тем больше вероятность появления экстремального процесса и тем больше величина «пиковых» концентраций и газовыделения в точках экстремума по отношению к их начальным значениям. При изменении расхода воздуха на 20—25 % процесс протекает монотонно. При весьма высокой глубине регулирования процесс также может протекать монотонно;
б) характер возмущений, который может быть однократным резким (скачкообразным), многократно резким (ступенчатым), плавным, определяет скорость нарастания возмущения, степень изменения концентрации и газовыделения, а также длительность процесса;
в) скорость нарастания возмущения, характеризующаяся глу биной возмущения в единицу времени, влияет аналогично глу бине возмущения;
г) частота возмущений (число возмущений в единицу времени) определяет тип процесса: при высокочастотных пульсациях рас хода воздуха небольшой амплитуды обычно экстремальные про цессы не возникают;
д) наличие резервуаров газа вблизи путей движения воздуха (слабо или совсем не омываемых воздухом выработанных про-
176
странств, куполов, газовых слоев в выработках) может явиться причиной резкого повышения концентрации газа в выработке и газовыделения; чем больше объем этих резервуаров и кон центрация находящегося в них газа, тем выше всплеск концентра ции и газовыделения;
е) изменение барометрического давления в выработках при изменении расхода воздуха может вызывать повышение (или сни жение) газовыделения в выработки;
ж) утечки воздуха через выработанное пространство способ ствуют выносу дополнительных количеств газа в горные выра ботки при увеличении расхода воздуха (развитию экстремальных процессов);
з) режим движения воздуха в выработанном пространстве определяет величину изменения концентрации газа и газовыделе ния при возмущении: чем ближе он к ламинарному, тем больше эти изменения;
и) от соотношения газовыделения из разрабатываемого пласта и выработанного пространства зависят всплеск концентрации газа в исходящей струе участка и его продолжительность: они тем выше, чем больше удельный вес газовыделения из выработан ного пространства;
к) неравномерность полей концентрации и скорости в попереч ном сечении выработки определяет характер и длительность переходного процесса на выходе из выработки;
л) условия отработки угольного пласта: изменение концентра ции газа и газовыделения в исходящей струи участка больше при наличии газоносных сближенных пластов, управлении кро влей полным обрушением, обратном порядке отработки с П-образ- ной схемой вентиляции.
Условия возникновения переходных процессов, монотонных по газосодержанию: абсолютное газовыделение в выработке не зави сит от расхода воздуха (газовыделение из разрабатываемого пласта), выработки не граничат с резервуарами газа (лавы при отсутствии газовыделения в их выработанные пространства, вы работки в целиках при отсутствии куполов и других мест скопле ния газа), в выработках нет слоевых скоплений газа. Примыкание к выработкам газообильных выработанных пространств создает особо благоприятные условия для развития экстремальных пере ходных процессов. При этом увеличение расхода воздуха вызывает увеличение газовыделения в выработки и, как правило, повышение концентрации газа в последних; уменьшение расхода воздуха оказывает обратное влияние.
Полное описание переходного газодинамического процесса включает уравнения движения, газопереноса, неразрывности и состояния газовоздушной среды (см., например, [11). Возможно также описание этого процесса одним уравнением, включающим
коэффициенты, |
которые учитывают условия движения воздуха |
и переноса газа |
и обычно определяются экспериментально. |
Так, дифференциальное уравнение процесса с (t)
|
аи |
+ |
а го |
+ |
аа с — Q (0 . |
(13.77) |
где а1в, а,0, |
— коэффициенты, зависящие от конечных условий |
|||||
на участке и |
характера |
изменения |
газосодержания |
во времени; |
||
с — концентрация газа; t — время с момента возмущения; Q (t) —
функция расхода воздуха. |
точки |
экстремума (см. |
|||
Участки |
кривых 1 (t) правее |
||||
рис. 13.24, б) |
могут быть описаны выражением |
|
|||
|
|
/ = Ь, ± |
М *" ехр (— but), |
(13.78) |
|
где |
610, bllt Ь1г — экспериментальные коэффициенты; знак «+» |
||||
берется при увеличении расхода, знак «—» — при снижении. |
|||||
13.3.4. |
Газоперенос в камерах |
|
|
||
В е н т и л я ц и я с к в о з н ы х к а м е р с в о б о д н ы м и |
|||||
т у р б у л е н т н ы м и |
с т р у я м и . |
Для |
одиночной камеры |
||
при рассматриваемом способе вентиляции основное уравнение газопереноса
àc/dt + Rtc = R0, |
(13.79) |
где R1 = QkT}VK; R0 = RiCa + IJ V K; |
Q — расход воздуха |
через камеру; kr — коэффициент диффузии чистой свободной струи; — объем камеры; с„ — концентрация газа в поступа ющем в камеру воздухе; /к — интенсивность непрерывного газовыделения в камеру (объем в единицу времени); с — концентрация газа в момент времени t.
Начальное условие: при t = 0 с = с0. Решения уравнения (13.79):
газовыделение периодическое, в камеру поступает чистый
воздух (/„ = 0, |
сп = 0): |
|
|
Q = П У (М 1 In (с0/с); |
(13.80) |
газовыделение |
непрерывное, постоянное во времени |
(dcjdt = 0): |
|
Q = /н /lM c - сп)]. |
(13.81) |
По формулам (13.80), (13.81) определяют расход воздуха, необходимый для вентиляции камеры, если вместо текущей кон центрации с в них подставить максимально допустимую.
При последовательном соединении камер и периодическом гаэовыделении:
при двух камерах основное уравнение для второй камеры
dcjdt + Rtc = Rikrc0 exp (—R ^ , |
(13.82) |
где c0 — начальная концентрация газа во второй камере. Начальное условие для второй камеры: при t = 0 с = с0.
Решение уравнения |
(13.82): |
|
|
(13.83) |
с, = с0 ехр (—/?!<) (1 + #ifcTf), |
|
|||
где Cj — средняя концентрация газа во второй камере; |
камеры |
|||
При трех камерах |
основное уравнение |
для |
третьей |
|
d cl d t + Rxc = |
Я А с0 exp (— Rxt) (2 - |
kt + |
RxkTt). |
(13.84) |
Все значения входящих в формулу величин следует принимать для третьей камеры.
Начальное условие для третьей камеры: при t = 0 с = с0. Решение уравнения (13.84):
с8 = с0 exp ( - Rxt) (1 + Rxk J (2 - kT) + [ R M /2 ] . (13.85)
При последовательном соединении камер и непрерывном газовыделении концентрация газа в п-й камере с„ определяется из выражения
U + |
. п е '( /«) IIkr.. „ (Сп |
- Сип)1, |
(13.86) |
|
где Qn — расход воздуха |
через n-ю камеру; |
/„, |
/ г — интенсив |
|
ность газовыделения в п-ю, l-ю камеру; Лт. 8П |
— коэффициент |
|||
турбулентной диффузии частично загрязненной струи л-й камеры; определяется через коэффициент kT для чистой струи:
|
^Т. en = *Т + (1 ^т) Сип/С'г |
сп — средняя |
концентрация в л-й камере; спп — концентрация |
газа в струе, |
поступающей в л-ю камеру. |
Выражение (13.86) определяет необходимое для вентиляции камеры количество воздуха, если вместо текущей концентрации с„ в него подставить максимально допустимую.
Коэффициент турбулентной диффузии свободной струи круг
лой формы при a ljjyS u -< 0,38 рассчитывается |
по формуле |
kT = (l,35al„/f/~S^) (1 - 1,12a lJ V s l) , |
(13.87) |
где а — коэффициент структуры свободной струи; /„ — длина камеры в направлении движения свободной струи; S„ — площадь поперечного сечения выработки, по которой подводится воздух.
Если |
a l j i f SB > 0,38, |
то значение kT принимается по |
|
табл. 13.6. |
|
если a ljb n > |
|
Для |
плоских свободных струй (при а = 0,1), |
||
> 0,51 |
(где Ьа — ширина |
выработки, по которой |
воздух посту |
пает в камеру), коэффициент турбулентной диффузии принимается
по табл. |
13.7. |
|
Если |
a ljb a < 0,51, то |
|
|
kt = 0,32а/„/6п. |
(13.88) |
179
Т а б л и ц а 13.6
Значение коэффициентов турбулентной диффузии круглой свободной струи k T
alJV'Sn |
|
°'кIVSn |
|
alK lV s n |
‘т |
0,017 |
0,019 |
0,067 |
0,084 |
0,196 |
0,209 |
0,017 |
0,023 |
0,069 |
0,088 |
0,224 |
0,229 |
0,019 |
0,026 |
0,073 |
0,091 |
0,252 |
0,247 |
0,022 |
0,03 |
0,075 |
0,094 |
0,28 |
0,262 |
0,025 |
0,033 |
0,078 |
0,097 |
0,308 |
0,276 |
0,028 |
0,037 |
0,081 |
0,1 |
0,336 |
0,287 |
0,03 |
0,04 |
0,084 |
0,103 |
0,376 |
0,3 |
0,034 |
0,044 |
0,086 |
0,106 |
0,42 |
0,335 |
0,036 |
0,047 |
0,09 |
0,11 |
0,554 |
0,395 |
0,039 |
0,051 |
0,092 |
0,113 |
0,605 |
0,46 |
0,041 |
0,054 |
0,095 |
0,116 |
0,75 |
0,529 |
0,045 |
0,058 |
0,097 |
0,119 |
0,945 |
0,6 |
0,047 |
0,061 |
0,101 |
0,122 |
1.24 |
0,672 |
0,05 |
0,065 |
0,103 |
0,125 |
1,68 |
0,744 |
0,053 |
0,068 |
0,106 |
0,127 |
2,42 |
0,81 |
0,056 |
0,071 |
0,108 |
0,13 |
3,75 |
0,873 |
0,058 |
0,075 |
0,112 |
0,133 |
6,6 |
0,925 |
0,062 |
0,078 |
0,14 |
0,161 |
15,1 |
0,965 |
0,064 |
0,081 |
0,168 |
0,186 |
|
|
Т а б л и ц а 13.7
Значения коэффициентов турбулентной диффузии плоской свободной струи Лт
°'к/ьп |
<к/*п |
|
а1к1ьп |
'к/»п |
*т |
а1к/Ьп |
1к/ьп |
*т |
0,025 |
0,25 |
0,008 |
0,13 |
1,3 |
0,042 |
0,42 |
4,2 |
0,136 |
0,03 |
0,3 |
0,01 |
0.14 |
1,4 |
0,045 |
0,45 |
4,5 |
0,144 |
0,035 |
0,35 |
0,011 |
0,15 |
1,5 |
0,048 |
0,47 |
4,7 |
0.152 |
0,04 |
0,4 |
0,013 |
0,17 |
1,7 |
0,056 |
0,5 |
5 |
0,160 |
0,045 |
0,45 |
0,015 |
0,2 |
2 |
0,064 |
0,6 |
6 |
0,192 |
0,05 |
0,5 |
0,016 |
0,22 |
2,2 |
0,072 |
0,7 |
7 |
0,244 |
0,06 |
0,6 |
0,019 |
0,25 |
2,5 |
0,080 |
0,76 |
7,6 |
0,25 |
0,07 |
0,7 |
0,022 |
0,27 |
2,7 |
0,088 |
1,04 |
10,4 |
0,318 |
0,08 |
0,8 |
0,026 |
0,3 |
3 |
0,096 |
1,48 |
14,8 |
0,4 |
0,09 |
0,9 |
0,029 |
0,32 |
3,2 |
0,104 |
2,28 |
22,8 |
0,496 |
0,1 |
Г |
0,032 |
0,35 |
3,5 |
0,112 |
4 |
40 |
0,604 |
0,11 |
1,1 |
0,035 |
0,37 |
3,7 |
0,120 |
8,9 |
89 |
0,726 |
0,12 |
1,2 |
0,038 |
0,4 |
4 |
0,128 |
35,25 |
352,5 |
0,86 |
Коэффициент структуры свободной струи а равен 0,06—0,1 для круглых струй и 0,1—0,18 для плоских (большие значения соответствуют большей шероховатости выработок, по которым
подается воздух). |
с к в о з н ы х |
к а м е р |
о г р а н и |
В е н т и л я ц и я |
|||
ч е н н ы м и т у р б у л е н т н ы м и |
п о т о к а м и . |
При рас- |
|
180