книги / Рудничная аэрология

в (XIV.27) и произведя дифференцирование с учетом выражений (XIV.24), получим

Сопоставляя полученное соотношение с выражением (XIV.23), получаем

■ £ -+ -£ + 4 г = ° - (XIV -3°)

т. е., несмотря на изменение плотности потока воздуха вследствие изменения в нем содержания диффундирующего газа, с м е с ь в о з д у х а и г а з а в е д е т с е б я к а к н е с ж и м а е м а я ж и д к о с т ь.

Особенности диффузии активных газов. Рассмотрим поток воздуха в наклонной выработке,, плотность которого вследствие происходящих в нем процессов диффузии изменяется по оси Ог (рис. 117), увеличиваясь от кровли к почве. Выделим в потоке некоторый элементарный объем со, находящийся в данный момент в слое 1 плотностью рх. Пусть в следующее мгновение он переме­ стится под действием пульсационной скорости в слой 2 плот­ ностью р2, причем р2 <! Pi* Допустим, что расстояние между сло­ ями 1 и 2 равно длине прандтлевского пути перемешивания Z,

Рас. 117. Схема действия объемной силы при диффузии активного газа

т, е. объем со в слое 2 сохраняет еще свою индивидуальность и, следовательно, его плотность равна рх. Тогда вследствие разности Плотностей смеси в объеме со и в окружающих его объемах по­ явится направленная вертикально вниз (по направлению свобод­ ного падения) выталкивающая сила, которая будет стремиться вернуть объем со в исходное положение. Эта объемная сила, отне­ сенная к единице объема, составляет

гДе g — ускорение свободного падения.

ствием объемных сил, в результате чего резко уменьшается или совсем прекращается турбулентный перенос газа в поперечном направлении и создаются условия для его накопления у газо­

( * )

где P — угол наклона выработки к горизонту.

Рис. 118. Изменение RiKP в поперечном сечении модели штрекообразной выработ­ ки ( z / H — отношение координаты точки к высоте выработки):

1 — Re = 1,25 10«; 2 — Re = 3,1 10*

Число Ri пропорционально отношению работы объемных сил к кинетической энергии пульсационного движения в рассматрива­ емой точке потока.

Можно показать, что

2

Ri =

Штрихами здесь обозначены среднеквадратические значения ско­ ростей.

Как отмечалось ранее, при vj = v'n происходит затухание турбулентности. Этому соответствует критическое число Ричард­ сона

R iK P = (^ -)2 (XIV.35)

Поскольку Уп <3 ип, Ri;<p <J1. Исследования МГИ показывают, что отношение ип!ип зависит от числа Рейнольдса потока и увели­ чивается от стенки к его оси (рис. 118). При Re ^ 104 у стенки Rixp ^ 0,05При достаточно большом числе Рейнольдса можно считать, что RiKp постоянно по сечению и приближается к значе­ нию 0,3.

Уменьшение фактических чисел Ричардсона по сравнению с RiKp говорит об улучшении условий турбулентного перемешивания

§ 80. СТАЦИОНАРНЫЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Стационарные газодинамические процессы наблюдаются при достоянных во времени вентиляционном режиме и дебите источ­ ника газовыделения.

Рис. 120. Профили концентрации газа в мо­ дели штрекообразной выработки:

I — Re = 4,93 • 104; 2 — Re = 3,35 • 104; 3 —

Re = 1,65 • iO4

Примерами стационарного газовыделения являются выделения газа с обнаженных поверхностей горных пород за небольшой отрезок времени, из выработанных пространств при неизменном режиме вентиляции.

В этих случаях у газоотдающей поверхности образуется диф­ фузионный пограничный слой, простирающийся от стенки в глубь потока до мест, где содержание диффундирующего газа перестает

изменяться (становится постоянным или равным нулю). В зависи­ мости от условий диффузионный пограничный слой может за­ полнять всю выработку или только ее часть.

На рис. 119, а изображены эпюры содержаний и указана тол­ щина диффузионного пограничного слоя 6 при интенсивном кон­ вективном переносе и сравнительно малой интенсивности газовыделения. На рис. 119, б показано развитие диффузионного слоя при большой интенсивности газовыделения и малой интенсив­ ности конвективного переноса. В этом случае диффузионный пограничный слой на сравнительно небольшом расстоянии от

Рис.12.Изменениесодержаниягазанагазотдающейповерхностивдоль

попотокувмоделиvштрекобразнойвыработки:

1 — Re = 3,35 ? 10-»; г — Re = 4,93 . 10»

начала газоотдающей поверхности заполняет все сечение выра­ ботки. На рис. 119, в показаны диффузионные слои при газовыделении из кровли и почвы.

С увеличением скорости движения воздуха уменьшается тол­ щина диффузионного пограничного слоя; одновременно умень­ шается и содержание газа в этом слое (рис. 120).

Последнее является следствием увеличения удельного веса продольного конвективного переноса по сравнению с поперечным турбулентным переносом при одновременном увеличении их обоих. В результате за одно и то же время частица газа а (рис. 121) при малой скорости воздуха переместится под действием конвектив­ ного ;к1 и турбулентного )т1потоков в положение а' , а при большей скорости под действием непропорционально изменившихся пото­ ков /к2 и /т2 — в положение а". В результате толщина диффузион­ ного елоя уменьшится.

Повышение турбулизации воздушного потока при неизменной его скорости вызовет увеличение только поперечного турбулент­ ного переноса (например, с /т1 до /Т2) ПРИ постоянном конвективном переносе; в результате частица займет положение а '", при этом толщина диффузионного слоя увеличится. На этом свойстве осно­ ван диффузионный метод определения интенсивности турбулент­ ности и коэффициента турбулентного обмена, при котором по­

следние определяются по толщине диффузионного слоя при по­ стоянной интенсивности источника газовыделения.

Распределение содержания газа по толщине потока во всех его сечениях подобно и описываетсяэкспоненциальной кривой типа

%— расстояние по нормали от газоотдающей стенки; Ô—- толщина диффузионного слоя в данном сечении потока (см. рис. 119); а — коэффициент, зависящий от условий диффузии.

При постоянной интенсивности газовыделения по длине выра­ ботки содержание газа на газоотдающей поверхности возрастает вдоль по потоку и уменьшается с увеличением скорости (числа Рейнольдса) потока (рис. 122) (на рисунке x/L — отношение координаты точки к приведенному диаметру выработки).

Существенное влияние на процесс диффузии активных газов оказывают угол наклона выработки и направление движения воздуха в ней (восходящее, нисходящее). В общем случае при выделении легкого газа из кровли условия газопереноса ухуд­ шаются при нисходящем движении воздуха и улучшаются при восходящем движении.

Слоевые скопления газа в выработках. Под слоевым скоплением понимают скопление газовоздушной смеси с относительно высоким содержанием газа в виде слоя, располагающегося обычно вдоль кровли или почвы выработки.

Наиболее часто слоевые скопления метана наблюдаются у кровли выработок. Реже бывают слоевые скопления тяжелых газов (например, углекислого газа) у почвы.

Содержание метана в слоевых скоплениях может достигать 90—400%, их толщина — 70 см, протяженность скоплений вдоль выработки — более 100 м. Иногда слои метана двигались вверх по выработке со скоростью 0,25 м/с. Вшодобных условиях взрыв­ ные работы, неисправность электропроводки, нарушение взрывобезоЪасности машин и механизмов и т. п. могут привести к взрыву.

Скопление тяжелых газов у почвы выработки вызывает опас­ ность отравления или удушья горнорабочих. Опасность усу­ губляется тем, что слоевые скопления газа не всегда обнаружи­ ваются, так как весьма часто при этом среднее содержание газа

висходящей из выработок струе может находиться в пределах нормы.

Слоевые скопления могут образовываться при выделении газа из суфляров, с обнаженной поверхности пласта и из отбитого угля

вусловиях высокой интенсивности газовыделения и малых

скоростей движения воздуха (призабойные участки тупиковых вы­ работок, выработки в зоне неустановившегося горного давления, места суфлярных выделений). При этом градиенты содержания увеличиваются, а градиенты скоростей уменьшаются, что приводит к вырождению турбулентности в пределах слоя, уменьшению поперечного переноса газа от кровли в поток и, как следствие, накоплению его у кровли (см. § 79).

Влияние угла наклона выработки и направления движения воздуха на развитие слоя сложно. С одной стороны, с увеличением угла наклона уменьшается нормальная составляющая локальных объемных сил (см. рис. 117), что улучшает условия перемешива­ ния, причем в восходящем потоке это влияние больше. Если мета­ новый слой развился настолько, что начинает перемещаться вдоль выработки под действием интегральных объемных сил (разности удельных весов слоя и воздуха в основном потоке), то при увели­ чении угла наклона выработки повышается скорость этого дви­ жения. Тогда при восходящем потоке воздуха скорость слоя относительно основного потока уменьшается, в результате чего ухудшается перемешивание; при нисходящем потоке относитель­ ная скорость движения этого слоя возрастает, что улучшает пере­ мешивание.

Развитие слоя в наклонной выработке определяется совокуп­ ным влиянием этих процессов. В экспериментах МГИ образование слоев метана у кровли наблюдалось чаще при нисходящем движе­ нии воздуха. Вопрос этот тем не менее подлежит дальнейшему изучению.

Слои метана чаще появляются в высоких выработках, так как при постоянном количестве воздуха градиенты скорости в напра­ влении, перпендикулярном к кровле, в высоких выработках меньше, чем в более низких выработках, в результате чего, со­ гласно выражению (XIV.34), увеличиваются числа Ri.

Увеличение шероховатости стенок выработки в общем случае способствует диффузии газа в поток. При этом, однако, необходимо иметь в виду, что с увеличением шероховатости стенки умень­ шается скорость воздушного потока вблизи нее (см. § 36) и, следо­ вательно, конвективный перенос газа вдоль потока. Последнее способствует скоплению газа у стенки. При самостоятельном движении слоя в наклонной выработке под действием разности удельных весов в случае увеличения шероховатости стенки умень­ шается скорость слоя; это способствует снижению его скорости относительно основного воздушного потока при их встречном движении, а также при движении в одинаковом направлении в случав малых скоростей воздуха, что в итоге затрудняет диф­ фузию газа из слоя в поток.

С газодинамической точки зрения для слоевого скопления характерно замедление поперечного переноса газк в пределах скопления. Согласно выражениям (XIV.7), это влечет за собой уменьшение нормальных производных от концентрацнй (а также

*

Рис. 123. Распределение содержания газа в поперечном сечении выработки:

а — при интенсивной диффузии rasa в поток; б — при^его слоевом скоплении

Рис. 124. Распределение содержания газа по длине слоевого скопления его у кровли выработки

коэффициентов диффузии). В результате этого эпюры с при отсут­ ствии слоевого скопления и при слоевом скоплении имеют вид изображенных на рис. 123. Как видно из рисунка, при слоевом

скоплении кривая с (z) имеет точку перегиба. Поэтому с точки зрения газодинамики слоевым скоплением следует считать такое скопление газа у стенки выработки, кривая содержания в котором имеет точку перегиба и длина которого вдоль выработки значи­ тельно (например, в 5 раз и более) превосходит его толщину. При этом можно считать, что толщина слоевого скопления равна расстоянию по нормали от стенки выработки до точки перегиба кривой содержания.

На рис. 124 показано распределение содержания газа в пре­ делах слоевого скопления у кровли выработки.

Если в выработке наблюдаются слоевые скопления газа в опре­ деленном выше смысле, это говорит о недостаточной эффективности вентиляции, даже когда в пределах слоя содержание газа не пре­ вышает допустимых пределов. В этом случае нельзя гарантиро­ вать, что со временем содержание газа не увеличится.

о

Слоевое скопление

Рис. 126. Применение перемычки для ликвидации слоевого скопления ме­ тана

Не следует смешивать данное выше определение слоевого скоп­ ления с более общим понятием с л о е в о г о з а г а з и р о в а - н и я. Под последним понимается достаточно протяженный учас­ ток у стенки выработки, в пределах которого содержание газа превышает допустимую норму. При слоевом загазировании кривая содержания может и не иметь точки перегиба.

Естественная мера борьбы со слоевыми скоплениями газа — увеличение скорости движения воздуха. Практика показывает, например, что слоевые скопления метана обычно не наблюдаются

жение газовыделения в выработку, например путем дегазации прилегающего к выработке массива угля.

При невозможности или нецелесообразности увеличения ско­ рости движения воздуха или применения дегазации можно исполь­ зовать взвихривающие трубопроводы местного проветривания или трубопроводы сжатого воздуха. Из трубопровода через спе­ циальные отверстия, расположенные на определенном расстоянии одно от другого по длине, производится рассредоточенный выпуск

разбавляют и удаляют газ из слоевого скопления.