книги / Рудничная аэрология.-1

могут существенно изменять осредненное скоростное поле потока, особенно в областях около стенок выработок, где наиболее часто происходит образование газо-воздушных слоев повышенной кон­ центрации.

§ 83. Стационарные газодинамические процессы в шахтах

Стационарные газодинамические процессы наблюдаются при постоянных во времени вентиляционном режиме и дебите источника газовыделения.

Примером стационарного газовыделения является выделение газа с обнаженных поверхностей горных пород, из выработанных пространств при неизменном режиме вентиляции и т. п.

а

б

----Щ

й___

6

Рис. 125. Общая картина диффузии газа в выработке

В этих случаях у газоотдающей поверхности образуется диффу­ зионный пограничный слой, простирающийся от стенки в глубь потока до мест, где концентрация диффундирующего газа перестает изменяться (становится постоянной или равной нулю). В зависи­ мости от условий диффузионный пограничный слой может заполнять всю выработку или только ее часть. На рис. 125, а изображены эпюры концентраций и указана толщина диффузионного погранич­ ного слоя при интенсивном конвективном переносе и сравнительно малой интенсивности газовыделения. На рис. 125, б показано раз­ витие диффузионного слоя при большой интенсивности газовыделе­ ния и малой интенсивности конвективного переноса. В. этом случае диффузионный пограничный слой на сравнительно небольшом рас­

z — расстояние по нормали от газоотдающей стенки;

Ô — толщина диффузионного слоя в данном сечении потока (см. рис. 125);

а и Ъ — постоянные, зависящие от условий диффузии.

При постоянной интенсивности газовыделения по длине выра­ ботки концентрация газа на газоотдающей поверхности возрастает вдоль по потоку и уменьшается с увеличением скорости (числа Рей­ нольдса) потока (рис. 128) (на рисунке х/Ь — отношение координаты точки к приведенному диаметру выработки).

Существенное влияние на процесс диффузии активных газов оказывают угол наклона выработки и направление движения воз­

Концентрация метана в слоевых скоплениях может достигать 90%, их толщина — 70 еле, протяженность вдоль выработки — мно­ гих десятков метров. Встречались случаи, когда слои метана двига­ лись вверх по выработке со скоростью до 0,25 м/сек. В подобных условиях взрывные работы, неисправность электропроводки, нару­ шение взрывобезопасности машин и механизмов и т. п. могут при­ вести к взрыву.

Скопление тяжелых газов у почвы вызывает опасность от­ равления или удушья горнорабочих.

Опасность усугубляется тем, что слоевые скопления газа не всегда обнаруживаются, так как весьма часто при этом средняя концентрация газа в исходящей из выработок струе может нахо­ диться в пределах нормы.

Слоевые скопления могут образовываться при выделении газа из суфляров, с обнаженной поверхности пласта и из отбитого угля в условиях высокой интенсивности газовыделения и малых ско­ ростей движения воздуха. При этом градиенты концентраций увели­ чиваются, а градиенты скоростей уменьшаются, что, согласно урав­ нению (XIV,34), приводит к увеличению числа Ri.

Влияние угла наклона выработки и направления движения воз­ духа на развитие слоя сложно. С одной стороны, с увеличением угла наклона уменьшается нормальная составляющая локальных объемных сил (см. рис. 123), что улучшает условия перемешивания, причем в восходящем потоке это влияние больше. Если метановый слой развился настолько, что начинает перемещаться вдоль выра­ ботки под действием интегральных объемных сил (разности удель­ ных весов слоя и воздуха в основном потоке), то увеличение угла наклона выработки увеличивает скорость этого движения. Тогда при восходящем потоке воздуха скорость слоя относительно основ­ ного потока уменьшается, в результате ухудшается перемешивание; при нисходящем потоке относительная скорость движения этого слоя возрастает, что улучшает перемешивание.

Развитие слоя в наклонной выработке определяется совокупным влиянием этих процессов. В экспериментах МГИ образование слоев метана у кровли наблюдалось чаще при нисходящем движении 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 направле­ нии, перпендикулярном кровле, в высоких выработках меньше, чем в более низких выработках, в результате чего, согласно выражению (XIV,34), увеличиваются числа Ri.

Увеличение шероховатости в общем способствует диффузии газа в поток. При этом, однако, необходимо иметь в виду, что с увеличе­ нием шероховатости стенки уменьшаются скорость воздушного потока вблизи от нее (см. § 38) и, следовательно, конвективный перенос газа вдоль потока. Последнее способствует скоплению газа у стенки. При самостоятельном движении слоя в наклонной вьхработке под действием разности удельных весов увеличение шеро­ ховатости стенки уменьшает скорость слоя; это способствует сниже­ нию его скорости относительно основного воздушного потока при их встречном движении, а также при движении в одинаковом направ­ лении в случае малых скоростей воздуха, что в итоге затрудняет диффузию газа из слоя в поток.

С газодинамической точки зрения для слоевого скопления харак­ терно замедление поперечного переноса газа в пределах скопления. Согласно выражениям (XIV,7) это влечет за собой уменьшение нор­ мальных производных от концентраций (а также коэффициентов

диффузии). В результате эпюры с при отсутствии слоевого скопле­ ния и при слоевом скоплении имеют вид, изображенный на

РИс. 129. Как видно, при слоевом скоплении кривая с (z) имеет точ­ ку перегиба. Поэтому в газодинамическом смысле слоевым скопле­ нием следует считать такое скопление газа у стенки выработки, кривая распределения концентраций в котором имеет точку пере­ гиба и длина которого вдоль выработки значительно (например, в 5 и более раз) превосходит его толщину. При этом целесообразно счИтать, что толщина слоевого скопления равна расстоянию по

нормали от стенки выработки до точки перегиба кривой концентра­ ций. На рис. 130 изображено распределение концентраций 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 если в пределах слоя концентрация газа не пре-

Рис. 129. Распределение концентраций газа в поперечном сече­ нии выработки:

а — при интенсивной диффузии газа в поток; б — при его слоевом скоп­ лении

вышает допустимых пределов. В этом случае нельзя гарантировать,

Слоебое скопление

Рис. 130, Распределение концентраций по длине слоевого скопле­ ния газа у кровли выработки

понимается наличие в потоке воздуха достаточно протяженного участка у стенки выработки, в пределах которого концентрация газа превышает допустимую норму. Очевидно, что при слоевом загазировании концентрация 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 при иср^ 0,5 ч- 1 м/сек.

Весьма эффективным средством борьбы является также снижение газовыделения в выработку, например, путем дегазации прилега­ ющего массива угля.

При невозможности или нецелесообразности увеличения ско­ рости воздуха или применения дегазации можно использовать взвих­ ривающие трубопроводы местного проветривания. Из трубопровода

б

Рис. 131. Взвихривающие трубопроводы

через специальные отверстия, расположенные на определенном рас­ стоянии одно от другого по его длине, производится рассредоточен­ ный выпуск воздуха в виде обычных (рис. 131, а) или закрученных

а

СлоеВос скопление

Перемычка

Перемычка

Рис. 132. Применение перемычки для ликвидации слоевого скопления метана

(Р*с. 131, б) свободных струй, которые взвихривают, частично раз­ бавляют и удаляют газ из слоевого скопления. Аналогично можно исйользовать рассредоточенный выпуск сжатого воздуха.

При наличии сжатого воздуха можно для ликвидации небольших скоплений газа использовать эжекторы, засасывающие газ у кРовли и выбрасывающие его в поток.

Для борьбы со слоевыми скоплениями используются также легкие перемычки или парусы, перекрывающие нижнюю часть выработки (Р*с. 132, а). Их действие основано на увеличении скорости струи вследствие ее поджатия, что способствует выдуванию газа из подкРовельного пространства (рис. 132, б). Недостатком перемычек

является увеличение сопротивления выработки и, как следствие, снижение в ней расхода воздуха, что может привести к общему загазированию. Кроме того, зона действия таких перемычек по длине выработки невелика. Их достоинством является простота конструк­ ции и быстрота воздействия.

Исследования МГИ показали, что вместо сплошных перегородок целесообразно использовать сетчатые с размером ячеек примерна 3 x 3 мм, перекрывающие сечение примерно на 2/з высоты, считая от почвы. Зона действия у таких перемычек значительно больше, чем у сплошных, а сопротивление их настолько мало, что им можно пренебречь.

Рис. 133. Направляющие щитки у кровли

Для ликвидации слоевых скоплений метана у кровли иногда применяют наклонные щитки, направляющие часть воздушного потока к кровле (рис. 133). Эффективность таких щитков, однако, невысока.

Работами МакНИИ показана возможность разрушения слоев метана акустическими сиренами. С этой же целью МакНИИ пред­ лагает применять продольную перегородку под кровлей, в простран­ ство над которой работает вентилятор местного проветривания (рис. 134).

§ 84. Принцип динамического расчета вентиляции газовых выработок

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

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

k - 2 — L

Яс

будет постоянно во всех частях выработки, т. е. концентрация с также будет постоянна во всей выработке. Однако у газоотдающих поверхностей концентрации выше, чем в ядре потока, и выше, чем средняя концентрация газа в сечении. Из этого следует, что в выра­ ботке, где происходят процессы диффузии, всегда должны быть зоны с концентрацией газа, превышающей среднюю по выработке

ссР = -£-* Следовательно, при расчете воздуха по формуле (XIV,39)

в отдельных местах выработки концентрация газа будет больше допустимой расчетной величины. Тем самым создается потенциальная возможность для слоевого загазирования и образования слоевых скоплений газа.

Методы расчета, основанные на использовании формул типа (XIV,39) и, следовательно, не учитывающие диффузионных процес­ сов 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 коэффи­

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

Во-вторых, количество воздуха можно определить путем реше­ ния уравнения диффузии (XIV,26) для конкретных условий. Обычно

потоками вдоль выработки можно пренебречь в связи с их малой

как можно пренебречь и переносом в плоскости, параллельной газо­ отдающей поверхности. Например, при газовыделении с плоскости z = 0 можно пренебречь переносом в направлении оси Оу, т. е.

£ К » + л . ) £ ] ~ о .

Тогда ив уравнения (XIV,26) получим

(XIV,41)

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

На рис. 135 изображена принципиальная схема расчета коли­ чества воздуха (средней скорости иср) для выработки с газовыделе-

сдоп

центрация газа в выработке; S — сечение, выработки. Затем реше­ нием уравнения (XIV,41) определяется профиль концентрации с (z)

5

Рис. 135. Схема расчета по динамическому методу

и производится сравнение расчетных концентраций с допустимой сдоп.

Если везде с ^ т с лоп ( т < 1 — коэффициент надежности), то для диффузии пассивной примеси расчет заканчивают: в качестве сред­

ней скорости принимают 0мср. Если же где-либо с > т с доп (случай 6), расчет повторяют при измененных параметрах: коэффициентах трения газоотдающей поверхности awи выработки в целом а 0, высоте выработки Н или средней скорости иср — до соблюдения условия 4 по рис. 135. Если вариация этими параметрами не дает требуемого

снижения с, необходимо применить дегазацию (уменьшение g). Для активных газов, если условие 4 соблюдено, рассчитываются

числа Ричардсона во всей области течения и сравниваются с крити­ ческим числом Ричардсона. Если R i ^ t t R i Kp (n < 1 — коэффи­ циент надежности), расчет заканчивают: в качестве средней скорости принимают минимальное значение ыср, обеспечивающее выполнение условия 4. Если же Ri > n RiKP, расчет повторяют при измененных параметрах вентиляции (аш, а 0, Я , иср, q).

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