книги / Методы математического моделирования рудничных аэрологических процессов и их численная реализация в аналитическом комплексе Аэросеть

После подстановки (2.57) в (2.54) и интегрирования получается нелинейное уравнение для определения искомого удаления s вентиляционной сбойки от рабочего участка:

Qэ также зависит от s. Поскольку Q0 не изменяется при включении эжекторной установки, то весь добавляемый при ее включении расход замыкается направо (см. рис. 2.15), а слева ничего не изменяется. Поэтому

В качестве напорной характеристики эжекторной установки может быть использована полученная выше аналитическая зависимость (2.28) [23], в текущих обозначениях имеющая вид:

71

здесь q – дебит вентилятора (м3/с), f, S и F – сечения конфузора вентилятора, камеры смешения и выработки (м2), ρ – плотность воздуха (кг/м3), g = 9,8. Формулы (2.58)–(2.60) совместно с (2.53)

для определения ρу позволяют рассчитать удаление эжекторной установки от рабочего участка, необходимое для достижения требуемой величины расхода воздуха через него.

В рудниках, проветриваемых фланговым способом, рециркуляция неприменима, поскольку все воздушные потоки движутся в одном направлении, от воздухоподающего – к вентиляционному стволам, находящимся по разные стороны шахтного поля. Однако шахтные поля некоторых рудников, вскрытых стволами с разных сторон поля, разрабатываются дальше, за пределы первоначально намеченных границ. В результате схема проветривания таких рудников становится смешанной, центрально-флан- говой (рис. 2.16). В этом случае также могут появляться труднопроветриваемые участки на границах поля, расход воздуха через которые можно увеличить с помощью рециркуляции. Очевидно, двигатель рециркуляции – эжекторная установка – должна располагаться за пределами фланга поля, т.е. правее вентиляционного ствола по рис. 2.16. Для определения местоположения эжекторной установки могут быть использованы полученные ранее зависимости без каких-либо существенных изменений. Разница заключается лишь в том, что начало оси x переносится из точки B в точку C, источником тяги считается перепад давлений в точках A и C (аналог Р0 ), а общим расходом воздуха считается Q0

(аналог Q0). Таким образом, расчет рециркуляции при смешанной схеме проветривания делается также, как и при центральной, с небольшим изменением исходных данных для расчета модельного коэффициента сопротивления утечек.

В качестве примера на рис. 2.17 представлены результаты расчета расхода воздуха QL через рабочий участок в зависимости от удаления s от него вентиляционной сбойки с эжекторной установкой. Параметры расчета были следующими: сечение сбойки F = 8 м2, эжекторная установка – вентилятор ВМ-12 без конфузора и камеры смешения (S = F, f = 1,131 м2, q = 22,5 м3/с), общий расход воздуха Q0 = 100 м3/с, расход воздуха до прохождения вентиляционной сбойки и включения эжекторной установки

72

QL = 10 м3/с, сопротивление рабочего участка RL = 0,001 кмюрг, депрессия шахтного поля рудника (горизонта или крыла)

P0' P0 R0Q02 = 4 мм вод. ст. Установленный непосредствен-

но вблизи рабочего участка вентилятор-эжектор при заданном наборе параметров увеличивает расход воздуха через участок более чем в шесть раз, на расстоянии 50 м это увеличение снижается до трех раз, на расстоянии 100 м – до двух раз, на удалении 200 м влияние вентилятора уже незаметно.

Рис. 2.16. Рециркуляция в рудниках со смешанной схемой проветривания

Рис. 2.17. Расход воздуха через рабочий участок в зависимости от удаления эжекторной установки от него

73

2.4.2.Проветривание выработок большого сечения

спомощью вентиляторных установок, работающих без перемычки

Для увеличения общего поступления воздуха в рудник наряду с использованием более мощных вентиляторов главного проветривания и вспомогательных подземных вентиляционных установок широкое применение получили компактные маломощные вентиляторы местного проветривания (ВМП). Цель работы такого вентилятора – перераспределение расходов воздуха, т.е. отбор воздуха с того направления, где его достаточно, и подача в том направлении, где его не хватает. Как правило, ВМП устанавливается без перемычки, что увеличивает расход прокачиваемого вентилятором воздуха за счет эжекционного эффекта, возникновение которого имеет место при соблюдении следующих двух условий: 1) аэродинамическое сопротивление проветриваемого участка должно быть достаточно мало (менее 0,01 кмюрг); 2) сечение выработки, в которой установлен ВМП, должно быть достаточно мало для обеспечения стесненности струи вентилятора (порядка 10 м2 и менее). Указанные условия свойственны более всего калийным рудникам, что и явилось причиной широкого использования в них ВМП в качестве эжектирующих установок для улучшения проветривания. В угольных шахтах сопротивления выработок существенно больше (первое условие не выполняется), и потому ВМП без перемычки в них менее эффективны, чем с перемычкой, и используются значительно реже [32].

Второе условие не выполняется в гипсовых шахтах, где сечения выработок рабочей зоны достигают 100 м2 и более, хотя сопротивления их, напротив, значительно меньше, чем в калийных рудниках. Несмотря на малую величину аэродинамического сопротивления гипсовых шахт, проблема недостаточного проветривания удаленных панелей здесь так же, как и в других рудниках, стоит достаточно остро. Ситуация усугубляется тем обстоятельством, что ВМП в данном случае не могут быть размещены в перемычке, а реализация эжекционного эффекта в выработках большого сечения оказывается под вопросом. Струя вентилятора, направленная вглубь такой выработки, не достигая сте-

74

нок выработки и иссякнув, частично или полностью возвращается на всасывающее отверстие вентилятора, создавая бесполезную циркуляцию воздуха вокруг источника тяги. Проблема эта получила свое решение в применении последовательной установки ВМП друг за другом, позволяющей уменьшить циркуляцию, снизить утечки воздуха через отработанное пространство и обеспечить подачу воздуха к местам ведения горных работ. На сегодняшний день этот вид совместного включения вентиляторных установок широко используется на шахте ОАО «Кнауф Гипс Новомосковск».

В связи с необходимостью проведения оценочных расчетов эффективности подобного способа проветривания возникает задача определения по известным дебитам q0 ВМП необходимого расстояния между вентиляторами l + l0 для обеспечения нужного расхода воздуха Q0 < q0 по выработке. Физическая модель перемешивания встречных потоков воздуха (рис. 2.18) основывается на следующих приближениях.

Рис. 2.18. Схема проветривания выработки большого сечения с помощью ВМП

Струя расширяется до половины сечения выработки с неизменным расходом. После раскрытия струи движение воздуха представляет собой горизонтальное движение двух встречных потоков одинакового сечения.

Уменьшение расхода воздуха после раскрытия струи происходит в результате непрерывного перетекания воздуха из прямого в обратный поток в результате вязкого трения потоков между собой.

75

Коэффициент турбулентной вязкости на границе потоков моделируется так же, как и для свободной осесимметричной струи [33].

На расстоянии уменьшения расхода воздуха до Q0 ставится следующий вентилятор, передающий воздух дальше, и т.д.

Для определения длины l0 участка раскрытия струи можно воспользоваться результатами исследований [34], согласно которым стесненная струя расширяется до 40 % сечения выработки на расстоянии

где H – высота выработки, α – угол раскрытия струи (обозначения по рис. 2.18). Для обычной струи α ≈ 25°, а для настилающейся – α ≈ 10÷12°, т.е. l0 настилающейся струи в полтора раза больше, чем обычной. Таким образом, l0 ≈ 2H.

Далее определяется интенсивность перемешивания двух встречных потоков воздуха. Пусть P (x) – перепад давлений по оси y между этими потоками, который приводит к перетеканию воздуха из одного потока в другой (снизу вверх по рисунку). Пренебрежем трением при перетекании:

где ρ – плотность воздуха, а vy (x) – скорость перетекания, т.е.

76

Диссипативная функция (потеря энергии в результате трения в единице объема воздуха в единицу времени) равна:

где η (x) – турбулентная вязкость воздуха, а производная по y

стных производных можно перейти к обычным, поскольку зависимость по y снимается. За время t давление P уменьшится на

P D t D x , и, в силу симметрии между встречными пото- vx

ками, можно заключить, что

Коэффициент турбулентной вязкости η (x) в приближении свободной турбулентности согласно [33] определяется по формуле:

или для расхода

77

где q0 = q (x = 0) – дебит вентилятора.

Учитывая, что x не содержит участка раскрытия настилающейся струи 2H, выражение для определения необходимого для обеспечения расхода воздуха Q0 по выработке расстояния между ВМП принимает вид:

Пусть H = 10 м и q0 = 1500 м3/мин (ВМЭ-12А). Из (2.69) следует, что для обеспечения расхода воздуха Q0 = 500 м3/мин вентиляторы необходимо расположить на расстоянии l + l0 не далее 45 м друг от друга. Если достаточен расход Q0 = 150 м3/мин, то l + l0 может быть увеличено до 70 м.

Наряду с представленной аналитической моделью проветривания отработанного пространства гипсовых рудников была проведена серия численных экспериментов в программном комплексе SolidWorks, позволяющем моделировать движение воздуха на основе численного решения уравнений гидродинамики турбулентной среды. Представленные на рис. 2.19 расчетные значения траекторий движения воздуха и величины эжекционного напора от вентилятора ВМЭ-12А в открытой (на входе и выходе задано атмосферное давление) выработке диаметром 10 м и длиной 500 м определяют несколько иной характер движения воздуха. Циркуляционный вихрь протяженностью 30 м ужимает сечение выработки в несколько раз, играя тем самым роль камеры смешения. Вихрь «питается» энергией струи, но воздух на всасывающее отверстие вентилятора не возвращает. Таким образом, имеет место «сквозное» проветривание с явно выраженной эжекцией воздуха в промежуток между струей и вихрем с эжекционным напором в 20 Па. Расход воздуха при этом увеличивается почти в четыре раза. Очевидно, что такой сценарий движения воздуха может реализовываться только в случае предельно малого аэродинамического сопротивления участка проветривания (в данном случае – сопротивление прямой выработки в 500 м).

78