16. Метан. Физико-химические свойства метана.

Метан (CH4)- газ без цвета, вкуса и запаха. Объемная масса – 0,554, 1м3 весит 0,716 кг. У метана большая скорость диффузии, в 1,6 раза больше, чем у воздуха. В воде растворяется мало, при давлении 1013 гПа и температуре 200 С – не более 3,5 объемов в 100 объемах воды.

В рудничном воздухе всегда присутствует не в чистом виде, а вместе с N2 ( в калийных шахтах – 0,2 – 0,4% ), CO2 ( не более 5% ), CO ( 0,5 – 1% ), H2S и SO2 ( незначительное количество, но придают ядовитость ), а также H2 и углеводороды CxHy ( опасны из-за уменьшения температуры вспышки ). В целом влияние примесей, находящихся в рудничном газе в указанных процентах, незначительно.

Метан не ядовит, но снижает количество O2 в рудничном воздухе. При содержании 43% CH4 наступает кислородное голодание, а при 57% - аноксемия.

Температура воспламенения метана 650-7500С. Вспышка его происходит с опозданием: при первоначальной температуре- до 1000С а при 10000С всего 10С. Цвет пламени характеризует в некоторой степени содержание метана в воздухе. При небольших количествах метана цвет пламени- синий, при больших (около 5% )-светло – голубой.

Пределы взрывчатости метана от 5 до 15%.При содержании меньше 5% смесь может гореть около источника с высокой температурой, свыше 15% смесь не взрывается и не горит. Только при притоке кислорода извне эта смесь загорается как светильный газ. Максимальная сила взрыва происходит при содержании СH2 9,5так как в этом случае целиком сгорает кислород. Температура взрыва метана 2200-27000С в замкнутом и 19000С в свободным пространстве.

При взрыве метана выделяется большое количество тепла – около 13 300 ккал из 1 кг газа, тогда как 1 кг черного пороха выделяет при горении 580 ккал, а нитроглицирина – 1500 ккал. По силе взрыва метан значительна слабее вышеприведенных взрывчатых веществ, его плотность заряда при 9,5 % (1/11 объема пространства) состовляет 65 г на 1м3, или , у пороха и у нитроглицерина . Для газовых шахт согласно ПБ установлены следующие пять норм ( % по объему ): исходящая участка ( лавы ) – до 1, исходящая шахты ( крыла ) – до 0,75, поступающая из других забоев – до 0,5, местное скопление в очистных и подготовительных выработках – до 2, около включаемых механизмов после снижения содержания CH4 – 1.

17. Основные характеристики турбулентных свободных струй.

Основные законы, которым подчиняется движение турбулентных свободных струй, те же, что и для ограниченных потоков. Движение их описывается уравнениями (VI, 19), в них также действуют молекулярные и турбулентные напряжения, пульсационные скорости. Однако отсутствие твердых границ определяет и ряд их особенностей.  На рис. 44 представлена схема свободной струи.

Рис. 44. Схема свободной турбулентной струи,   вытекающей   из  отверстия  ко- нечного диаметра:  1 – полюс струи; 2 – начальное сечение; з – внутренняя граница свободной струи; 4 – внешняя граница свободной струи; 5 – переходное сечение; ABC – ядро постоянных скоростей; В"ВАА" – ядро постоянной массы; В" В В' и А" А А' – области присоединенных масс

Точка начала свободной струи носит название полюса струи. Практически, однако, начальное сечение струи всегда имеет некоторые размеры. В этом случае полюс струи определяется как точка пересечения внешних границ струи.  При выходе воздушного потока из начального сечения АВ (см. рис. 44) на его кромке происходит срыв струй, в результате чего образуется расширяющийся турбулентный пограничный слой А'АС В В'. Между его внутренними границами АС и БС находится ядро постоянных скоростей, в пределах которого продольные скорости остаются постоянными (рис. 45) и равными средней скорости в начальном сечении.

Pиc 45. Эпюры скоростей в свободной турбулентной струе

Продольные скорости в свободной струе имеют максимальную величину на ее оси, убывая до нуля на внешней границе. Абсолютные величины скоростей уменьшаются также по мере удаления от начального сечения.  Весьма важным свойством свободных струй является постоянство давления во всем объеме струи и равенство его давлению воздуха вне струи.  Центральное ядро струи, через каждое поперечное сечение которого в единицу времени проходит одно и то же количество воздуха, равное таковому в начальном сечении, называется ядром постоянной массы. Пространство между ядром постоянной массы и внешней границей струи занято присоединенными массами, которые увлекаются ядром постоянной массы и движутся в том же направлении, составляя неотъемлемую часть свободной струи. Объем присоединенных масс увеличивается в направлении движения. Присоединенные массы играют большую роль в массо-обмене между свободной струей и окружающей средой, поскольку они являются «посредником» обмена между чистым воздухом ядра и загрязненным воздухом, в котором распространяется свободная струя. Этот обмен происходит в результате наличия на внешней границе свободной струи поперечных пульсационных составляющих скорости.  Обширные исследования свободных струй в условиях горных выработок выполнил В. Н. Воронин. Дальнобойность свободной струи, по В. Н. Воронину, равна                        (VI,39);  где  S – площадь  поперечного  сечения  выработки;  b – максимальное расстояние от стенки выработки, подающей воздух (или от вентиляционной трубы), до стенки выработки, к которой распространяется свободная струя;  а –коэффициент структуры струи, равный 0,06–0,08. Расход воздуха в произвольном сечении основного участка круглой струи, отстоящего на расстояние х от выходного отверстия радиусом R0, равен                                (VI,40)  где (Q0 – расход воздуха в начальном сечении.  Наибольшая интенсивность турбулентных пульсаций на основном участке струи, определяемая по формуле (VI,34), наблюдается на расстоянии 0,2–0,5 радиуса струи. Интенсивность турбулентности растет вдоль струи, а частота пульсаций падает. В приосевой части струи наблюдаются наибольшие вихри. Характерным является постоянство пути перемешивания в сечении струи и пропорциональность его расстоянию от устья. Закручивание струи значительно увеличивает путь перемешивания и, следовательно, ее перемешивающую способность.  Свободные струи имеют большое значение в шахтной вентиляции: они действуют в камерообразных выработках, в призабойных пространствах тупиковых выработок, проветриваемых нагнетательными вентиляторами, в пространствах между крепежными рамами и т. п.