книги / Рудничная аэрология

При наличии сжатого воздуха можно для ликвидации не­ больших скоплений газа использовать эжекторы, засасывающие газ у кровли и выбрасывающее его в поток.

Для борьбы со слоевыми скоплениями метана используются также легкие перемычки или парусы, перекрывающие нижнюю часть выработки (рис. 126, а). Их действие основано на увеличении скорости струи вследствие ее поджатия, что способствует выдува­ нию газа из подкровельного пространства (рис. 126, б).

Их достоинством является простота конструкции и быстрота возведения. Недостатком перемычек является увеличение сопро­ тивления выработки и, как следствие, снижение в ней расхода

Рис. 127. Применение напра­ вляющих щитков у кровли

воздуха, что может привести к общему загазированию. Кроме того, зона действия таких перемычек по длине выработки не­ велика.

Исследования МГИ показали, что вместо сплошных перегоро­ док целесообразно использовать сетчатые с ячейками размером примерно 3 X 3 мм, перекрывающие сечение примерно на 2/3 высоты, считая от почвы. Зона действия таких перемычек значи­ тельно больше, чем сплошных, а сопротивление их настолько мало, что ими можно пренебречь.

Для ликвидации слоевых скоплений метана у кровли выра­ боток иногда применяют наклонные щитки, направляющие часть воздушного потока к кровле (рис. 127).

Эффективность таких щитков, однако, невысока.

На основании работ МакНИИ установлена возможность раз­ рушения слоевых скоплений метана акустическими сиренами. G этой целью МакНИИ предлагает применять специальные уста­ новки местного проветривания, нагнетающие воздух в направле­ нии основного движения воздуха в выработке; при больших дебитах газа при этом можно использовать продольную перего­ родку (рис. 128).

§ 81. ПРИНЦИП ДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА РАСХОДА ВОЗДУХА ДЛЯ ВЕНТИЛЯЦИИ ГАЗООБИЛЬНЫХ ВЫРАБОТОК

Основой вентиляционных расчетов является правильное опре­ деление расхода воздуха, необходимого для проветривания выра­ боток. В настоящее время для газообильных выработок оно опре­ деляется путем умножения выделяющегося в них количества газа I на заданный коэффициент разбавления к:

Если считать к постоянным для всей выработки, как это при­ нимается в настоящее время, то это будет означать, что отношение

будет постоянно во всех частях выработки, т. е. содержание газа с также будет постоянно по всей выработке. Однако у газоотдаюпщх поверхностей содержание газа выше, чем в ядре потока,

ивыше, чем среднее содержание в сечении. Из этого следует, что

ввыработке, где происходят процессы переноса, всегда должны быть зоны с содержанием газа, превышающим среднее содержание по выработке сср = 1/к. Следовательно, при расчете расхода воздуха по формуле (XIV.39) в отдельных местах выработки содержание газа будет больше допустимой расчетной величины. Тем самым создается потенциальная возможность для слоевогозагазирования и образования слоевых скоплений газа.

Методы расчета, основанные на использовании формул типа (XIV.39) и, следовательно, не учитывающие процессов переноса в выработках, являются с т а т и ч е с к и м и .

Решение возникшей проблемы может быть двояким. Во-первых, в формулу (XIV.39) можно ввести некоторый коэф­

который, вообще говоря, будет иметь свое значение для каждой выработки и даже для каждого режима вентиляции. Очевидно, что для практического использования формулы (XIV.40) необ­ ходим большой объем натурных наблюдений.

Во-вторых, расход воздуха можно определить путем решения уравнения диффузии (XIV.26) для конкретных условий. Обычно

расчет ведется для стационарных условий (dcldt = 0) при движе­

нии воздуха только вдоль выработки (v = w = 0); диффузионными потоками вдоль выработки можно пренебречь в связи с их малой величиной по сравнению с конвективным переносом

как можно пренебречь и переносом перпендикулярно к основному движению в плоскости, параллельной газоотдающей поверхности. Например, при газовыделении с плоскости z = О можно пре­ небречь переносом в направлении оси Оу, т. е.

Тогда из уравнения (XIV.26) получим

(XIV.41)

Уравнение (XIV.41) необходимо решать совместно с уравне­ нием движения (VI.25) или уравнением (VI.26), а также с учетом соотношения (XIV.37) для коэффициента диффузии DT.

На рис. 129 изображена принципиальная схема расчета рас­ хода воздуха (средней скорости иср) для выработки с газовыделением I .

Вначале принимается нулевое приближение 0иср = kl IS, где

ния с (z) и производится сравнение содержания в профиле с до-

ô

Рис. 129. Схема расчета расхода воздуха по динамическому методу

пустимым сдоп. Если везде с ^ тсдоп (т << 1 — коэффициент на­ дежности), то для диффузии пассивной примеси расчет заканчи­ вают: в качестве средней скорости принимают 0иср. Если же где-

либо с ^>тсАОП (позиция 6 на рис. 129), расчет повторяют при измененных параметрах: коэффициентах трения газоотдающей поверхности aw и выработки в целом а0, высоте выработки Н или средней скорости иср — до соблюдения условия 4 (см. рис. 129). Если вариация этими параметрами не дает требуемого снижения с, необходимо применить дегазацию (уменьшить I).

Для активных газов, если условие 4 соблюдено, рассчиты­ вают числа Ричардсона во всей области течения и сравнивают

с критическим числом Ричардсона. Если Ri ^ 7iRi;<p (п < 1 — коэффициент надежности), расчет заканчивают: в качестве средней скорости принимают минимальное значение иср, обеспечивающее выполнение условия 4. Если же Ri > n R iKp, расчет повторяют при измененных параметрах вентиляции (aw, а0, H , иср, I).

Таким образом, для пассивных газов расчет ведется по це­ почке 1—2—3—4—5 с вариацией параметрами 7 и 8 при необхо­ димости, а для активных газов — по цепочке 1—2—3—4—9— 10—11—12 также с вариацией параметрами 7 и 8.

Если в выработку воздух поступает с некоторым начальным содержанием газа, последнее должно суммироваться с содержа­ нием, полученным по приведенному выше расчету.

использовать. Например, при малых газовыделеииях с достаточ­ ной надежностью может быть применен статический метод.

§82. НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ВШАХТАХ

Нестационарным называется газодинамический процесс, ха­ рактеристики которого (содержание газа, интенсивность газовыделения и др.) изменяются во времени. Нестационарные про­ цессы возникают при непостоянстве газовыделения или вентиля­ ционного режима в выработке. Примерами их являются газовыделение с обнаженной поверхности угольного пласта в течение длительного промежутка времени, газовыделение из отбитого угля, процессы диффузии при распространении газового облака вдоль выработки и др.

Все нестационарные газодинамические процессы в шахтах можно разделить на четыре группы по вызывающим их причинам:

При мгновенных источниках газовыделения (взрывные работы, внезапные выбросы газа и т. п.) в выработку за весьма короткий промежуток времени выделяется определенный объем газа, кото­ рый, попадая в воздушный поток, начинает распространяться по выработке. Выброшенное в выработку газовое облако вначале относительно компактно, однако при движении оно растягивается вдоль выработки, занимая все больший и больший объем. В ре­ зультате содержание газа в газовом облаке постоянно уменьшается (см. § 85).

При изменяющейся интенсивности источника газовыделения в выработку в единицу времени выделяется различное количество

газа. Наиболее характерными процессами этого вида являются газовыделения с обнаженной поверхности угольного пласта и газовыделение из отбитого угля.

На рис. 130 представлено изменение во времени интенсив­ ности метановыделения с 1м2 обнаженной площади поверхности

Время, мес

Рис. 130. Изменение во вре­ мени газовыделения с 1 м2 пло­ щади поверхности угольного пласта:

1,2 — пласты hl 0 1 Л1 0 (Донецкий

бассейн); 3, 4, 5 — пласты К,8> К1а, К,о (Карагандинский бассейн)

Рис. 131. График газовыделе­ ния из отбитого угля

замедляется. Время после обнажения пласта, по истечении кото­ рого газовыделение с обнаженной поверхности практически пре­ кращается, называется п е р и о д о м д р е н и р о в а н и я Т. Величина Т находится в пределах 6—12 мес. В результате метано­ выделения из пласта в последнем образуется з о н а д р е н и р о ­ в а н и я , метаноносность угля в которой меньше метаноносности нетронутого массива и изменяется от некоторой минималь­ ной величины на кромке обнажения пласта до метаноносности нетронутого массива на внутренней границе зоны. Глубина этой зоны от плоскости обнажения изменяется во времени и достигает максимальной величины через время Т после обнажения.

Характер метановыделения из отбитого угля сходен с таковым с обнаженной поверхности пласта; отличие носит в основном коли­ чественный характер.

На рис. 131 показано изменение газовыделения из отбитого угля во времени. Как видно из рисунка, темп затухания его

значительно выше, чем темп газовыделения с обнаженной поверх­ ности угольного пласта: за первые 10 мин после отделения угля от массива интенсивность газовыделения из отбитого угля падает примерно в 2 раза. Период дренирования для отбитого угля составляет обычно не более 10—12 ч. Газовыделение в начальный момент после отделения зависит от начальной газоносности угля, его физико-механических свойств и крупности и достигает 0,02 м?/(т- мин) и более.

Кроме этих источников в шахтах имеет место множество дру­ гих источников, газовыделение из которых изменяется во времени {например, выделение газов ВВ из отбитой гбрной массы, измене­ ние газовыделения из сближенных пластов и др.).

При изменяющейся интенсивности источника газовыделения содержание газа в воздушном потоке выработки изменяется соот­ ветственно изменению его интенсивности. Поэтому, например, содержание газа у места, где находится отбитый уголь, вначале сравнительно высокое, а затем быстро падает. Наоборот, при включении комбайна в угольной шахте газовыделение в месте его работы (со свежеобнаженной поверхности забоя и из отбитого угля) вначале быстро возрастает, что приводит к столь же бы­ строму росту содержания газа в выработке.

При изменяющемся режиме вентиляции (переменный расход воздуха в выработке) нестационарные газодинамические про­ цессы могут носить двоякий характер. Если на путях движения воздуха (в выработках и выработанных пространствах) нет ско­ плений газа, то изменение расхода подаваемого воздуха в систему сразу вызывает противоположное по знаку изменение содержания газа: при увеличении расхода воздуха Q уменьшается содержание газа с и наоборот (рис. 132).

Если же на путях движения воздуха имеются скопления газа (в выработанном пространстве, пустотах за крепью и т. п.), то изменение режима вентиляции может привести к неожиданным последствиям. Например, увеличение расхода воздуха Q может вызвать увеличение содержания газа с, а уменьшение расхода воздуха — уменьшение содержания газа. При этом содержание газа изменяется вначале в одном направлении, затем, достигнув точки экстремума (максимума или минимума), изменяется в дру­ гом направлении (например, вначале увеличивается, а затем уменьшается) (рис. 133).

Газодинамические процессы при рециркуляции бывают при местном проветривании тупиковых выработок, при работе подземных вспомогательных вентиляторов и в других случаях.

Рециркуляцией называется многократная циркуляция воз­ духа по какому-либо замкнутому пути (например, от вентилятора местного проветривания (ВМП) в забой тупиковой выработки, далее по выработке к ВМП, через него вновь в забой и т. д.). Если рециркуляция происходит через место выделения какойлибо вредности (например, через тупиковый забой, где выделяется

метан), то при определенных условиях она может привести к зна­ чительному увеличению содержания этой вредности в воздухе, что опасно уже само по себе. Если же этой вредностью является взрывчатый газ, то при работе ВМП он будет постоянно циркули­ ровать через вентилятор, что может привести к взрыву. Условия, при которых содержание вредности в воздухе может достичь опасных пределов, в практических ситуациях не всегда могут

Рис. 132. Характер протекания нестационарного газодинамического про­ цесса при отсутствии скоплений газа

Рис. 133. Характер протекания нестационарного газодинамического про­ цесса при наличии скоплений газа

быть точно оценены. Все обмеченное в общем не позволяет реко­ мендовать вентиляцию с рециркуляцией для применения в шах­ тах. В шахтах, где выделяются горючие и взрывчатые газы, она должна быть запрещена. Там же, где рециркуляция имеет место, должен быть организован строгий контроль за содержанием вредностей в атмосфере выработок.

На рис. 134 изображена установка ВМП, работающего с ре­ циркуляцией. Как видно из рисунка, часть загрязненного воз­ духа Çp, выходящего из тупиковой выработки, вновь засасывается вентилятором и подается в забой; другая "часть выходящего из тупиковой выработки воздуха уносится вентиляционной струей по сквозной выработке А — В,

Пусть в выработку выделяется 1г (в м3/с) вредного газа, дебит вентилятора Q (в м3/с) (для простоты примем, что утечки воздуха в трубопроводе отсутствуют), содержание газа в подаваемом в за­ бой воздухе с', объем выработки V (в м3). Требуется найти со­ держание газа с на выходе из тупиковой выработки.

Из условия сохранения количества газа можно записать сле­ дующее дифференциальное уравнение проветривания тупиковой выработки с рециркуляцией:

I ±dt + Qc' dt — Qcdt = V de, (XIV.42)

где t — время, c.

Первый член в левой части уравнения (XIV.42) определяет количество газа, выделившегося в выработку за время dt (со сте­ нок, с отбитой горной массы и т. п.); второй член определяет количество газа, привнесенное в выработку за время dt с возду­ хом, подаваемым в выработку вентилятором; третий член опре-

Рис.134.СхемаустановкиВМП, работающегосрециркуляцией Рис.135.Графикизменениясодержаниягазавтупиковойвыработкепри рециркуляции

деляет количество газа, вынесенное из выработки за время dt воздушной струей. Разность между количеством газа, поступив­ шим в выработку (сумма первого и второго члена в левой части), и вынесенным из нее (третий член) равна приросту (убыли) коли­ чества газа в выработке за время dt. Этот прирост равен объему выработки V, умноженному на прирост содержания de за время dt. Рассмотренный баланс поступления и выноса газа в выработке -описывается уравнением (XIV.42), которое является линейным дифференциальным уравнением. Интеграл его при начальном условии t = 0, с = с0 имеет вид

где п = Qp/Q — коэффициент рециркуляции.

График выражения (XIV.43) приведен на рис. 135. Кривая 1 •соответствует случаю малых значений начального (до рециркуля­ ции) содержания с0, кривая 2 — случаю больших его значений с'0.

Таким образом, газодинамический процесс при рециркуляции в общем случае нестационарен: при неограниченном времени

проветривания с рециркуляцией (t -+■оо) содержание с стремится к пределу

d = — т±- — . <?(1-В)

Из графика рис. 135 следует, что в условиях нормального проветривания выработки до рециркуляции (с0 мало, точнее с0 <: <Г d) последняя приводит к увеличению содержания газа в воз­ духе (кривая 1)\ при этом содержание газа может достичь опасных пределов. Это является одной из причин нежелательности ре­ циркуляции.

Опасное содержание газа в выработке достигается тем быстрее, чем больше коэффициент рециркуляции п.

Рециркуляция может иметь место не только в случае проветри­ вания тупиковой выработки по схеме рис. 134. Часто она бы­ вает, например, при установке ВМП, проветривающего тупик вентиляционного штрека, в лаве или в вентиляционном штреке за лавой, при работе подземных вспомогательных вентиляторов. Во всех случаях, однако, процесс вентиляции описывается выра­ жением

c = d+be~a1 (XIV.44)

где a, b и d _ коэффициенты, зависящие от условий проветрива­ ния (интенсивности газовыделения, дебита ВМП, коэффициента рециркуляции, объема выработки).

Нестационарные газодинамические процессы по характеру протекания подразделяются на монотонные и экстремальные, периодические и переходные.

При монотонных процессах их характеристики изменяются только в одном направлении (например, содержание газа только уменьшается или только увеличивается). К таким процессам относятся процессы проветривания выработки после взрывных работ; процессы переноса газов при истощении источника газо­ выделения (при газовыделении из отбитой горной массы, с обна­ женной поверхности угольного пласта за длительный период и др.); при изменении интенсивности добычи; при включении или отключении дегазации и т. п. Изображенный на рис. 130 про­ цесс, очевидно, является монотонным.

При экстремальных процессах их характеристики проходят через точку экстремума: максимума или минимума (содержание газа может вначале увеличиваться, а потом уменьшаться, или наоборот). Такие процессы могут происходить в угольных шахтах при изменении режима вентиляции (рис. 133). Они могут иметь место, например, при цикличном изменении добычи.

Периодический процесс характерен повторяющимся увеличе­ нием и уменьшением интенсивности газовыделения и аналогичным изменением содержания газа в воздухе. Обычно причиной такого

процесса является периодическое изменение интенсивности техно­ логических процессов (работа добычных или проходческих ком­ байнов по газоносному углю с периодическими остановками; периодический выпуск руды из магазина после взрывной отбойки, сопровождающийся выделением содержащихся в пустотах между отбитой рудой газов ВВ; периодическое чередование процессов по отбойке газоносного угля с другими производственными про­ цессами (креплением, настилкой путей) и т. п.

На рис. 136 приведена запись изменения содержания метана с во времени t при периодической работе и остановках добычного комбайна в угольной шахте.

Поскольку при периодическом процессе интенсивность газовыделения (или содержание газа) периодически проходит через точки максимума и минимума, т;акой процесс является экстре­ мальным.

Переходный процесс вызывается переходом условий, опреде­ ляющих его течение, из одного стационарного состояния в другое. Изменение этих условий носит название возмущения; целенапра­ вленное возмущение называется регулированием. Глубиной воз­ мущения называется степень изменения условий, а продолжитель­ ностью возмущения — время, в течение которого происходит изменение этих условий.