Файл: Клебанов, Ф. С. Аэродинамическое управление газовым режимом в шахтных вентиляционных сетях.pdf

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