книги из ГПНТБ / Клебанов, Ф. С. Аэродинамическое управление газовым режимом в шахтных вентиляционных сетях

А К А Д Е М И Я Н А У К СССР

МИНИСТЕРСТВО УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СССР

Ордена Трудового Красного Знамени Институт, горного дела им. А. А. Спочинсиого

Ф. С. КЛЕБАНОВ

АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ

УПРАВЛЕНИЕ ГАЗОВЫМ РЕЖИМОМ В ШАХТНЫХ

ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СЕТЯХ

И З Д А Т Е Л Ь С Т В О « Н А У К А »

МОСКВА 1974:______________________ — — -

к о н т р о л ь н ы й © к 3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Улучшение условий труда и техники безопасности при подземной до­ быче угля в большой степени предопределяется повышением эффектив­ ности вентиляции. В настоящее время на вентиляцию приходится 8090% нагрузки по выносу из шахты избыточных количеств газа, пыли и тепла. Несмотря на развитие и совершенствование дегазации, спо­ собов борьбы с пылью и теплового кондиционирования воздуха, эта на­ грузка и в дальнейшем будет высокой.

Однако с ростом интенсивности добычи угля и концентрации горных работ к вентиляции предъявляются качественно новые требования и, в первую очередь, в связи с проблемой выделения метана. Большой де­ бит газа и неравномерность его распределения в вентиляционной сети, ограниченная пропускная способность (по воздуху) наиболее газообиль­ ных выработок, огромный расход воздуха и, следовательно, большая депрессия и расход энергии на проветривание, а также ряд обстоя­ тельств, связанных с пылевым и тепловым факторами, не позволяют решить задачу повышения эффективности проветривания наиболее прос­ тым путем - большей подачей воздуха в шахту. Увеличение подачи воздуха оказывается нерациональным и по той причине, что количество воздуха, подаваемого в шахту, обычно вполне достаточно для разжи­ жения общего дебита газа в среднем до допустимой величины.

В связи с этим в современных условиях и тем более в будущем сущ­ ность шахтной вентиляции должна заключаться не столько в транспор­ тировании воздуха, сколько в аэродинамическом управлении газовым ре­ жимом на основе более детального учета характеристик источников га­ за и вентиляционной сети.

Такой подход к вентиляции диктуется также известными поисками путей преодоления газового барьера в шахтах в виде предложений об увеличении допустимых концентраций газа в вентиляционных струях, проектов создания закрытых забоев с инертной по отношению к взры­ вам атмосферой, разработки автоматизированных систем воздухораспре-

деления.

Изложенное предопределяет необходимость более глубокого иссле­ дования аэрогазодинамики вентиляционных сетей угольных шахт. Поста­ новка и решение таких задач образуют новое направление исследований в области шахтных вентиляционных сетей, которое может быть назва­ но диффузионным и заключается в определении закономерностей фор­ мирования газового режима в выработках в зависимости от вентиляци­ онных факторов. Эти исследования являются естественным продолжени­ ем двух предшествующих этапов развития науки о шахтных вентиляци­ онных сетях - энергетического (задачи аэродинамических сопротивле­ ний) и топологического (задачи распределения воздуха в разветвлен­ ной сети).

3

Исследования в диффузионном направлении необходимы как научная основа для изыскания и совершенствования способов аэродинамическо­ го управления газовым режимом в разветвленной шахтной вентиляцион­ ной сети. Сущность этих способов состоит в пространственном н вре­ менном перераспределении объемов газа, переносимого -шахтными вен­ тиляционными потоками. Оно может заключаться в осуществлении дол­ говременных мероприятий в стабильных аэрогазодинамических условиях, а также в оперативном изменении вентиляционных параметров или в не­ прерывном автоматическом контроле и регулировании вентиляционного процесса. Последнее связано с внесением в вентиляционную сеть отног сительно частых аэродинамических возмущений и возникновением в ней нестационарности газового режима самого различного вида.

Основным процессом, определяющим установившиеся и нестационар­ ные газовые режимы в разветвленной вентиляционной сети, является про­ дольная турбулентная диффузия газа в воздушном потоке.

В.Н. Воронин [ 1 ] исследовал изменение концентрации взрывных га­ зов по длине тупиковых выработок, проветриваемых нагнетательным спо­ собом, и впервые сформулировал задачу об определении загазованности тупиковой выработки при непрерывном (во времени и по длине выра­ ботки) выделении газа. Кроме того, В.Н. Ворониным был детально ис­ следован специальный вид газовой нестационарности, связанный с пе­ риодическим проветриванием камерообразных выработок от взрывных газов при постоянном расходе воздуха.

Механизм продольной диффузии примеси в ламинарном и турбулент­ ном потоках впервые исследовал Дж.Тейлор [2, 3]. Применительно к воздуховодам типа горных выработок аналогичная задача решалась позднее Дж.Р. Ход'кинсоном и С.Дж. Личем [4], а также В.Маасом и Т.Вильдшутом [5], В физико-химической гидромеханике известна зада­ ча о распределении импульса примеси в турбулентном потоке жидкости, движущейся в одиночной трубе.

Можно отметить, что предшествующие исследования, во-первых, ка­ сались в той или иной мере только вопроса о механизме рассеяния при­ меси в единичном воздуховоде и, во-вторых t относились к стационар­ ным режимам движения воздуха. Постановка и решение комплекса за­ дач о нестационарности концентраций примеси в разветвленной сети при внесении в нее аэродинамических возмущений стали известны относи­ тельно недавно.В этом направлении исследовалась вначале частная : задача - о газовой нестационарности в исходящей вентиляционной струе выемочного участка [6-11] и задача о газовой нестационарности при реверсии вентиляции [12].

Газовая нестационарность в сетях выемочных участков шахт Куз­ басса экспериментально исследовалась А.А. Мясниковым [13].

В последние годы изучалась также структура загазованности выра­ боток вблизи от источников газа - так называемое расслоение газа, К.З. Ушаков [14] впервые в комплексе исследовал локальные газоди­ намические эффекты в шахтной вентиляционной сети, доведя анализ до разработки метода расчета количества воздуха, необходимого для про­ ветривания шахт по фактору указанных локальных эффектов.

4

Глава I.

ИСТОЧНИКИ ГАЗА В ШАХТНОЙ ВЕНТИЛЯЦИОННОЙ СЕТИ

1.Общие положения

Внастоящее время различают три группы оценок источников газа

вугольных шахтах;

1)общая оценка газообильности шахт и выработок (прогноз);

2)исследование локальной газовой структуры вблизи обильных ис­ точников газа (около выемочных машин, в местах сосредоточенного вы­ деления газа з штреках и т.д.);

3)определение абсолютных параметров источников газа, характери­ зующих их интенсивность (объемная скоро.сть), и их изменчивость во времени.

Каждая из этих групп имеет определенные границы исходных пред­ посылок и определенную область приложений.

Исследования первой группы, т.е. относящиеся к вопросу о прогнозе газообильности шахт, имеют наиболее давнюю историю, и их результа­ ты образуют соответственно наиболее обширную и известную систему представлений о причинах газообильности и методах ее определения.

Главная цель исследований в- области прогноза газообильности состо­ ит в выяснении генезиса газа для определения геологических, физико­ химических и горнотехнических условий, предопределяющих характер и объемы поступления газа в шахтные выработки. В качестве основного параметра количественной характеристики источников газа при прогно­ зе используется величина относительной газообильности шахт и выра­ боток (м СН^/тугля).

Понятие об относительной газообильности первоначально возникло в связи с необходимостью иметь обобщенный показатель газовых условий в действующих шахтах. В дальнейшем величина относительной газообнль ности стала использоваться в прогнозе газовых условий проектируемых шахт и в вентиляционных расчетах по газовому фактору. Ее применение не стало ограничиваться получением только обшей характеристики га­ зообильности шахты, но и стало служить для дифференцированного оп­ ределения дебита газа из различных источников. Так, "Временная ин­ струкция по прогнозу., метанообильности угольных шахт СССР" [17] при определении метанообильности выработок шахтопласта q1UMвыделяет не­ сколько видов относительной метанообильности: средняя относительная метанообильность выработок выемочных участков qc 1относительная

6

метанообильность, обусловленная метановыделением из старых вырабо­

В свою очередь относительная метанообильность каждого выемоч­ ного участка qy в соответствии с той же инструкцией складывается из величин: относительной метанообильности, обусловленной выделением

метана из разрабатываемого пласта qj ; относительной метанообильнос- • ти, обусловленной метановыделением из сближенных угольных пластов

Ц2 I относительной метанообильности, обусловленной метановыделением из вмещающих пород q-j.

При оперировании величиной относительной метанообильности выпада­ ет из поля зрения временной фактор и в значительной мере - простран­ ственный, так как относительная г.ззэобилыгость связывается только с глубиной разработки. Однако на протяжении нескольких десятилетий по­ нятие об относительной газообильности применяется при проектировании вентиляции угольных шахт и занимает преимущественное положение во многих "газовых" вопросах. В последнее время намечается использо­ вание абсолютных величин для оценки общего уровня газовыделения в шахтах и выработках [18, 19].

Исследования второй группы - определение локальной структуры за­ газованности вентиляционной струи - получили развитие сравнительно недавно и концентрируются вокруг вопросов о так называемом расслое­ нии газа и местных скоплениях его.

Эффект расслоения газов становится заметным лишь при относитель­ но небольших скоростях движения воздуха в выработке и достаточно большой интенсивности источника газа, чем и объясняется тот факт,что практически этот эффект проявляется на более или менее значительной протяженности главным образом в подготовительных выработках.

Местные скопления газа, т.е. области с повышенными концентрация­ ми газа, обнаруживаются около работающих выемочных машин. Их изу­ чение, так же как и явление расслоения газа, представляет специальный вопрос, относящийся к малым участкам вентиляционной сети.

Висследованиях третьей группы можно выделить два направления:

водном из них рассматриваются вполне детерминированные абсолют­

ные параметры источников газа, которые изменяются во времени по то­ му или иному закону, определяемому внутренним механизмом выделе­ ния газа из угля; в другом - изучается статистическая неравномер­ ность дебита газа в связи с задачей определения коэффициента нерав­ номерности газовыделения.

В этой работе, говоря об источниках газа, везде .используются пред­ ставления об абсолютных детерминированных параметрах газовыделения. Ввиду того, что для задач аэрогазодинамики вентиляционных сетей не существен внутренний механизм выделения газа из угля (из плоскостей обнажения пласта или из отбитого угля), так как аэродинамические фак­ торы не могут влиять на этот внутренний механизм, используются па­ раметры и зависимости, описывающие внешнее проявление источников газа.

7

Все многообразие конкретных причин, определяющих источники газа, можно свести к четырем основным признакам, характеризующим внеш­ нее появление источников газа в шахтной вентиляционной сети [20]:

1) геометрические размеры источника - точечный, линейный, рас­ пределенный;

2)продолжительность действия источника - мгновенный, импульс­ ный, постоянный;

3)кинематика источника - подвижный, неподвижный;

4)направление движения по отношению к вентиляционной струепо

струе, против струи.

Под точечным источником подразумевается источник, все линейные размеры которого несоизмеримо меньше длины выработки, где дейст­ вует источник, под линейнымисточник, у которого только один из размеров соизмерим с длиной горной выработки. Примером точечного источника может служить газовыделение в окрестности рабочего орга­ на работающей выемочной машины. В зависимости от соотношения вре­ мени работы машины и длительности однократного воздухообмена дан­ ной выработки газовыделение можно рассматривать как работу мгно­ венного, импульсного или непрерывного точечного источника.

Период однократного воздухообмена в горной выработке определяет­ ся как время, в течение которого выделенный в начальном сечении вы­ работки некоторый объем воздуха достигает конечного сечения выра­ ботки, перемещаясь со средней скоростью воздушного потока.

Если время работы выемочной машины мало по сравнению с перио­ дом воздухообмена (кратковременный пуск машины), то выделение га­ за в этом случае можно представить в виде действия мгновенного то­ чечного источника. Если же это время достаточно велико, то газовы­ деление в окрестности машины в этот период можно рассматривать как работу непрерывно движущегося источника газа. Если длительность ра­ боты машины соизмерима с периодом однократного воздухообмена в лаве, но меньше него, то можно считать, что газ выделяется импульс­ ным источником.

В качестве точечного неподвижного непрерывного источника можно также рассматривать выходное сечение лавы относительно вентиляцион­ ной выработки, причем характер газовыделения из такого источника может быть описан функцией изменения концентрации газа во времени в выходном сечении лавы. Вид функции в свою очередь определяется процессами, происходящими в лаве и оказывающими влияние на форми­ рование газовой обстановки в лаве.

Примером непрерывного неподвижного точечного источника в шах­ те может служить газовыделение из опережающих частей вентиляцион­

ного и откаточного штреков в месте их сопряжения с лавой относитель­ но самих штреков.

К такому же эффекту, что и действие точечного источника, приво­ дит резкое (неплавное) изменение-расхода воздуха в горной выработ­ ке. Если расход воздуха резко изменить на очень короткое время по сравнению с периодом однократного воздухообмена данной выработки, то можно считать, что возникшее изменение в распределении концент­ рации газа в воздушном потоке обусловлено появлением (либо исчез-

8

новением) мгновенного точечного источника. При этом следует отме­

участок, можно считать, что источник появляется (либо исчезает) в начальном сечении выработки. Когда же расход воздуха изменяется на время, значительно превышающее период однократного воздухообмена, то возникший эффект равносилен появлению (исчезновению) непрерыв­ ного точечного источника.

Если указанные времена соизмеримы, то можно сказать, что в дей­ ствие вступил (прекратил работу) импульсный точечный источник.

Следующим видом источников газа являются линейные источники пос­ тоянной длины. Понятие линейный означает в данном случае одномер­ ную протяженность источника, распределенность, но не характеризует закономерность изменения удельной интенсивности газовыделения по длине источника. Источники этого типа могут быть также мгновенны­ ми, импульсными и непрерывными по режиму их действия и могут нахо диться в состоянии покоя или движения. Однако имеющиеся в шахте линейные источники газа позволяют выделить только два вида ис­ точников этого типа, а именно неподвижные мгновенные и неподвижные непрерывнодействующие.

Примером линейного мгновенного неподвижного источника может служить кратковременное повышение газовыделения в лаву из вырабо­ танного пространства в период посадки основной кровли.

В качестве линейного непрерывного неподвижного источника можно рассматривать газовыделение из обнаженной поверхности угольного пласта в ремонтную смену. Кроме того, в качестве распределенного неподвижного непрерывного источника постоянной длины можно рассмат­ ривать газовыделение из выработанного пространства, а также выделе­

ники с изменяющейся во времени длиной. За источник такого типа мож­ но принять газовыделение из вновь обнажаемой поверхности угля при

ны. В то же время при работе машины сокращается длина ранее обна­ женной поверхности угольного пласта, что соответствует случаю линей­ ного источника с уменьшающейся длиной.

Газовыделение из обнаженной поверхности угольного пласта и вме­ щающих пород в опережающих частях откаточного и вентиляционного штреков также может служить примером линейного (распределенного) источника с изменяющейся длиной.

Газовыделение в шахте можно рассматривать как результат суммар­ ного действия различного рода источников, объединенных той или иной пространственно-временной схемой и выделяющих газ в режиме, опре­ деляемом технологической, схемой разработки и проветривания.

9