Файл: Клебанов, Ф. С. Аэродинамическое управление газовым режимом в шахтных вентиляционных сетях.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 30.10.2024
Просмотров: 72
Скачиваний: 0
3.Некоторые общие предельные параметры
исоотношения для источников газа
Результаты изложенного выше анализа не только характеризуют газовыделение в подготовительных выработках, но и позволяют устано вить некоторые зависимости, которые описывают самые общие внешние черты процесса выделения метана из массива угля в полости, образуе мые в этом массиве (выработки, скважины и т.д .). При этом не толь ко выявляются основные параметры, которыми характеризуется процесс газовыделения, но и обнаруживается, что ряд соотношений между ними можно установить без рассмотрения внутренней4 природы процесса вы деления газа из угля (давление газа в пласте, структура угля, сорб ция и т.д .), которая требует для своего выяснения сложного инструмен тального исследования.
В известном смысле мы встречаемся здесь с положением, аналогич ным тому, которое имеет место в термодинамике, где многие соотно шения между свойствами веществ можно понять, ни слова не говоря об атомах, не изучая строения тела [34]. Нечто сходное наблюдается и при изучении процесса естественного радиоактивного распада, кото
рый, несмотря на сложную внутреннюю природу, с внешней стороны опи сывается простой экспоненциальной формулой, содержащей две констан ты: начальное число атомов и период полураспада.
Анализ выделения газа в подготовительную выработку основан по существу на двух опытных фактах: 1 ) через обнаженную поверхность угля происходит выделение газа и 2) удельная интенсивность выделе ния газа через обнаженную поверхность угля уменьшается с течением времени.
В наиболее чистом виде динамика газовыделения прослеживается при равномерном образовании в массиве угля таких полостей, как ту пиковые выработки и скважины.
Процесс газовыделения в тупиковых выработках и скважинах имеет явно нестационарный характер: в период проведения выработки (и при бурении скважины) объемная скорость (дебит) выделяющегося газа возрастает; при остановке выработки (прекращении бурения скважины) газовыделение непрерывно уменьшается и постепенно затухает.
Основой для расчетов нестационарного газовыделения в тупиковых выработках (и скважинах) может служить экспоненциальная зависи мость (1,4), описывающая изменение во времени удельного дебита га
за через поверхность угля. |
|
|
|
|||
В соответствии |
с (1,4) |
изменение объемной скорости выделения га- |
||||
•счза описывается формулой (1,17), |
а нарастание |
абсолютного объема |
||||
г&эа^ - формулой (1,18). |
|
|
|
|||
Из выражений |
(1,17) и (1,18) |
легко получить формулы для макси |
||||
мальных дебита и объема газа - двух основных предельных парамет |
||||||
ров газовыделения: |
|
|
|
|||
п |
|
|
So1 |
gQu l.!:; |
(1,2(1) |
|
|
шах |
lim G(t) = —— = |
||||
|
|
|
|
|
|
|
t -» oo
16
wшах |
lim W(t)= — n = g0 ST*, |
|
( 1, 21) |
|
|
|
|||
где S = uT |
- площадь газоотдающей поверхности, м |
; |
= 1/n - пос |
|
тоянная времени. |
|
|
|
|
Максимальный |
(или установившийся) дебит газа, |
определяемый вы |
||
ражением (1,20), |
может наблюдаться только при проходке достаточно |
|||
длинных тупиковых выработок. При бурении скважин этот максимум де бита не достигается.
Напротив, общий дебит газа в шахте обладает достаточным постоян ством и может рассматриваться в качестве установившегося для дан ных горнотехнических условий и скорости выемки угля. Это позволяет
выразить общий абсолютный дебит газа в данной шахте |
через пер |
|
вичные параметры |
|
|
|
go U |
( 1, 22), |
|
|
|
где |
и ‘и - величины, усредненные по шахте в целом. |
|
Таким образом, по степени достижения установившегося максималь ного дебита газа можно представить последовательный ряд объектов
(рис. 3).
Определенное постоянство максимального дебита газа наблюдается также в лавах при регулярной работе выемочной машины. Между двумя основными предельными параметрами GmaxH Wmax существует соотно
шение, которое устанавливается на основании формул (1,20) |
и (1,21) |
|||
W |
р |
т |
• |
(1,23), |
шах “ umax 1 |
|
|||
Графически (рис. 4) это означает, что площадь, ограниченная кривой 'G(t) и осью абцисс (площадь криволинейной фигуры abc), равна пло щади прямоугольника adef.
тей угля в скважине (1), тупиковой выработке (2) и в шахте (3)
Рис А. График, иллюстрирующий геометрический смысл формулы ( 1,23)
2 8 2 0 .
Го.'о. публичная
иаучмо-твхни.* ад* |
17 |
еийлкотенч с с о р ЭКЗЕМПЛЯР
_ ЧИТАЛЬНОЮ э л п *
Формулы (1,22) и (1,23) определяют еще один предельный усред ненный параметр газовыделения; он может быть назван удельным съе м ок газа с данной газоотдающей поверхности. Чтобы не вводить новых
переменных, |
обозначим эту величину через произведение |
g 0T* |
||
Т* = |
max |
W,max . |
3 , 2 |
(1,24) |
|
------ |
м /м . |
||
go1* |
|
|
|
|
Ориентировочная оценка показывает, что для тупиковых выработок |
||||
g_T* =s500 •+ |
1000 м^/м^; |
дл я скважин по углю g Т* = |
1000 +2000 м^/м' |
|
[35]. |
|
|
0 |
|
Представляет |
интерес определить зависимость от времени той доли |
|||
максимально возможного абсолютного объема газа, который выделится в остановленной выработке или скважине (не достигая еще максималь ного дебита Gmax) к данному моменту времени.
Обозначим через i долю того максимального объема газа, который выделился бы- в данной выработке или скважине за бесконечно большой период времени
W(t) |
|
|
1 = ^ |
- • 100%. |
|
W,max |
|
|
Подставляя в формулу (1,24) выражения для W(t) и Wmax в соот |
||
ветствии |
с (1,18) |
и (1,21), получим |
т |
п |
~nT\ |
пТ - (1 - е |
) е |
|
i = ----------------=----------------100%. |
||
|
|
п 1 |
Разлагая далеё е пТ*в ряд и ограничиваясь |
первыми двумя членами |
ряда, получим при условии t » Т |
|
Гр |
|
i =■(1—е " 1) 100%. |
(1,25) |
Отсюда находим время, в течение которого выработка или скважи на отдает i % максимального объема газа, выделившегося бы в ней за бесконечно большой период времени
1 |
100 |
100 |
(f,26) |
t — In -------- - T J n - = ^ - r |
|||
n |
100—i |
* 100-1 |
|
или в безразмерном |
виде |
|
|
100 •
(1,27)
100—i ’
где "т- —безразмерное время.
18
Из формул (1,25) - (1,27) видно, что при nt = 3 гаэовыделение в тупиковых выработках и скважинах почти полностью затухает: в тече ние безразмерного отрезка времени nt = 3 выделяется около 97% того количества газа, который мог бы выделиться в выработку или скважи ну за бесконечно больший период времени своего существования.
Зная из эксперимента интервал времени, в течение которого газовыделение в выработке или скважине совсем стабилизируется, из равен ства nt —3 можно косвенно определить постоянную времени Т* и об ратную ей величину п.
Если из опыта известно, что в остановленной тупиковой выработке гаэовыделение продолжалось в течение 9 мес, то для такой выработки постоянная времени Т* = 3 мес.
Используя величину постоянной времени, можно показать, что диф ференциальное уравнение, описывающее внешнюю сторону выделения га
за в выработки, |
имеет вид |
|
|
т |
г |
г |
(1,28) |
|
* dt + G = Gmax* |
|
|
Решением уравнения (1,28) является выражение |
(1,17). Из этого |
||
уравнения следует также, что постоянная времени |
определяется отрез |
||
ком, |
который отсекает на линии G=Gmax касательная к кривой G(t), |
||
проведенная в начале координат. |
|
||
Изложенный анализ устанавливает связь между основными парамет рами, которыми характеризуется внешняя сторона процесса газовыделения.
Знание .этих связей дает возможность правильно анализировать и ра ционально систематизировать результаты натурных экспериментов по изучению газовыделения в угольных шахтах.
Приведенные выше предельные параметры и соотношения между ни ми могут служить основой для нового подхода к вопросу об оценке газообильности выработок и шахт, при котором вместо одной характерис тики [величины относительной газообильности (м^/т) ] газовая обста новка будет определяться с учетом двух природных факторов g0 и Т*
иодного технического и -
4.Источники газа в лаве
Влавах в общем случае действуют три источника газа: обнаженная ' поверхность забоя; отбитый уголь; выработанное пространство.
Действие первых двух источников определяется процессами десорб ции и истечения газа из массы угля через внешние поверхности обна жения угля. Интенсивность этих источников сильно зависит от скорос ти образования свежих газоотдающих поверхностей.
Действие третьего источника газа зависит от аэродинамических фак торов.
Основной количественной характеристикой газовыделения с обнажен ной поверхности пласта служит удельный дебит газа (объемная скорость),
\9