10.4 Режимы движения воздуха в шахтах. Критерий Рейнольдса

Виды движения. В шахтах существуют два основных вида движения воздуха: движение с относительно высокими скоростями по каналам большого диаметра (выработки, трубопроводы, крупные отверстия в перемычках и др.) и фильтрационное движение, т.е. движение с малыми скоростями по каналам весьма малого диаметра (через поры и трещины в нетронутом массиве пород, через обрушенные породы, через перемычки, слои раздробленного угля, песка, глины и т.п.).

Типы потоков. В горных выработках возможны потоки с твердыми границами (в выработках, трубопроводах) и свободные воздушные струи, не имеющие твердых границ (струя, выходящая из нагнетательного трубопровода, из диффузора вентилятора, из выработки малого сечения в выработку большего сечения и др.).

Виды давления. В шахтных вентиляционных потоках существует статическое р_ст и динамическое (скоростное) р_дин(ск) давление.

Первое создается внешними силами (атмосферным давлением на поверхности, вентилятором) и весом столба воздуха, заполняющего выработки от поверхности до данной точки в потоке; оно практически постоянно в поперечном сечении выработки. Статическое давление числено равно потенциальной энергии единицы объема воздуха. Динамическое (скоростное) давление определяет кинетическую энергию единицы объема воздуха:

(10.16)

где  -удельный вес воздуха;

U-скорость воздушного потока;

g-ускорение свободного падения.

Статистическое давление действует во всех направлениях, скоростное – только в направлении скорости потока ( не действует на плоскости, параллельные потоку).

Полное давление (Р₀) в какой-либо точке

P₀=p_ст+p_дин . (10.17)

Депрессия. Депрессией называется разность давлений (энергий) в двух точках потока. Различают депрессию статическую (разность статических давлений), динамическую (разность динамических давлений) и полную (разность полных давлений).

Режимы движения. Существуют два режима движения: ламинарный и турбулентный. Ламинарный режим характеризуется упорядоченным движением частиц воздуха по параллельным траекториям. Перемешивание в потоке происходит в результате взаимопроникновения молекул. При турбулентном режиме движение частиц воздуха хаотично, перемешивание обусловлено взаимопроникновением отдельных объемов воздуха и поэтому оно происходит значительно интенсивнее, чем при ламинарном режиме.

При стационарном ламинарном движении скорость воздушного потока в точке постоянна по величине и направлению; при турбулентном движении ее величина и направление переменны во времени.

Турбулентность является следствием внешних (заносимых в поток) или внутренних (генерируемых в потоке) возмущений. Турбулентность шахтных вентиляционных потоков, как правило, внутреннего происхождения. Ее причина – вихреобразования при обтекании потоком неровностей стен выработок.

Критерием устойчивости турбулентного режима является число Рейнольдса

, (10.18)

где U-средняя скорость движения воздуха в выработке;

D-гидравлический диаметр выработки;

; (10.19)

S -площадь поперечного сечения выработки;

Р- периметр поперечного сечения выработки;

 - кинематическая вязкость воздуха.

Число Рейнольдса, выше которого турбулентное движение устойчиво, называется критическим. Для горных выработок оно равно 1000÷1500, для гладких труб – 2300. В горных выработках движение воздуха, как правило, турбулентное; при фильтрации возможен как ламинарный, так и турбулентный режим.