книги из ГПНТБ / Клебанов, Ф. С. Аэродинамическое управление газовым режимом в шахтных вентиляционных сетях
.pdf5. З а к о н со х р а н ен и я м ассы в п р и м ен ен и и к п ер ех о д н ы м газо в ы м р еж и м а м
Многие виды переходных режимов характеризуются превышением пи ковых концентраций газа А- и Bjjj над начальной установившейся концентрацией dj j . Возникает вопрос, не противоречит ли это закону сохранения массы, или, другими словами, откуда берется кажущееся избыточным количество газа на формирование повышенных концентра ций, сохраняющихся в течение довольно продолжительного времени?
Рассмотрим детально этот вопрос и покажем, что закон сохранения массы не противоречит зависимостям, описывающим переходные режимы. Для определенности изложения будем рассматривать случай увели
чения количества воздуха, поступающего в данное параллельное соеди
нение, т.е. О2> 0 1 и Т[22 < ^222- Анализ сводится к определению объема газа, который выносится в
общую струю за период переходного режима.
Используя принятые в настоящей работе обозначения, можно началь ное положение в ветвях соединения (в момент t = 0 ) характеризовать так (рис. 19,а): ветвь 1 наполнена газовоздушной смесью с концентра цией газа,равной Сщ , ветвь 2 - смесью с концентрацией ^; в об шей ветви за узлом слияния двух вентиляционных струй концентрация газа равна dj ^
В момент t = Т [22, т. |
е. когда |
пройдет время, равное периоду одно |
|
кратного обмена |
воздуха |
в ветви |
1, воздух с концентрацией газа Cj j j |
будет полностью |
вытеснен из ветви 1 и его место займет воздух с |
||
концентрацией С122 (рис. 19,6). |
|
||
В ветви 2 (длинная ветвь) к этому моменту обмен воздуха произой |
|||
дет лишь частично: слева от точки М на длине |
|
v222^122 концентрация |
газа изменится и будет равна ^222» а справа от |
точки М на длине |
|
Х2 - v222^122 будет по-прежнему равна С2Ц» |
в |
общей ветви концент |
рация будет равна А22 • Определим абсолютное количество (объем) газа, который будет вы
несен в |
общую ветвь за период Tj22 ’ оно будет равно сумме |
||
C111V1 + c211q222T122’ |
(IV,36) |
||
где Vj - |
объем ветви 1 на длине Xj. |
|
|
Объемы Vj и V2 можно выразить через расходы воздуха в ветвях |
|||
и время |
|
|
|
V, “ Ч122Т122: |
(IV,37) |
||
V2 = |
22 Т222* |
||
|
|||
Подставляя выражение (IV,37) в сумму (IV,36), |
получим |
||
(clll4l22 + С2114222^Т122‘ |
(IV,38) |
||
91
|
1е< |
h . |
|
|
|
|
|
|
|
c)t1 |
|
|
сги |
|
> |
|
v// |
|
|
|
|
q |
|
|
\ cm |
Jrn |
|
|
|
|
|
|
|
ctzz |
A |
|
|
|
|
|
CZZ2 |
П CZ11 |
|
&z |
q*' |
Zz^zttTm > |
|
|
uzzzTnz |
||
- |
№ |
% |
|
|
ctzz |
|
czzz |
|
^ |
c |
|
>
t^2
■ t= D
- f t
A ZZ
• t - T t n
Puc.19.К анализу зависимостей, описывающих переходные газовые режимы
Вт ■ t =г,. f t
лЬ>Ту7
~*~Qz
В момент t = Т222 ’ т,е* к°гда пройдет время, равное длительности однократного обмена воздуха в ветви 2, положение в вентиляционном соединении будет таким, какое изображено на рис. 19, в: в ветви 1 кон центрация равна Cj22i на всем протяжении ветви 2 с222 > в общей вет-
ви Bj22e |
положение характеризуется |
схемой,. изобра |
Наконец, при t > Т222 |
||
женной на рис. 19, г. |
|
|
Количество (объем) газа, вынесенного в общую ветвь за интервал |
||
времени от момента t = |
Т^22 Д° момента t = Т222 |
|
С122 4i 22 ^Т222—Т122^ + С211 ^X2^V222 Т122^ S2 = |
|
|
= с122сг122Т222—c122cIl22T122+ c211V1 ~ °211^222 Т122» |
(IV ,39) |
|
где S2 - площадь поперечного сечения ветви 2. |
|
|
92
Складывая выражения (IV.38) и (IV,39), получим общее количест во (объем) газа, вынесенного в исходящую вентиляционную струю за период переходного газового режима Tj22
с111 V1 t C211V2 + С122^122^222 “ ^122^
= C1HV1 + C211V2 + G1 (Т222 ~ Т1-22^
С другой стороны, если судить об этом количестве газа по пара метрам общей ветви, то приходим к выражению
^2^22^122 + ^2^122 ^222 ~^122^ |
|
|
(IV,41) |
|
В выражении (IV, 41) |
первое слагаемое есть |
абсолютное количест |
||
во газа, поступающее в общую ветвь за период |
Ту22' |
в течение |
кото |
|
рого концентрация газа в общей вентиляционной струе |
(см. рис. |
19, |
||
правее узловой точки А) |
была равна А22» Второе слагаемое определя |
|||
ет количество газа, поступившего в общую ветвь за вторую часть пере
ходного режима, |
т.е. за |
период (Х222—^ 122 |
в течение которого кон |
||||||
центрация газа |
в |
общей ветви была равна В]2 2 * Очевидно, что выра |
|||||||
жения (IV,40) |
и (IV,41) |
должны быть равны друг другу |
|
||||||
С111 Vl + °211V2 + G1 ^Т222-Т 122^ " |
|
|
|
||||||
= С>2А22Т122 + ^2В122^Т222~Т122^ |
|
|
(IV,42) |
||||||
Далее анализ заключается в том, чтобы показать, что равенство |
|||||||||
(IV,42) |
|
представляет собой тождество. Используем для этой |
цели |
||||||
формулы (11,21) |
|
и (IV,25), |
определяющие концентрации А22 и |
В[22* |
|||||
Подставляя в первую часть равенства (IV,42) |
выражения для |
и |
|||||||
Bj22, получим |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
^122 |
|
|
|
|
®222 |
|
|
|
G1 |
_ |
^122 + G1 ^222~^122^ + G |
^222 ' |
(IV,-43) |
|||||
|
9111 |
|
|
|
|
g2n |
|
|
|
Используя соотношения |
(IV,37) |
и принимая во внимание, что |
|||||||
А _ |
|
СЦ 1 |
и |
|
|
с211 * |
|
|
|
^i и. |
9211 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
||||
получаем из формулы (IV,43)
C111V1 + C222V2 + G1 (Т222 — Т 122^'
93
т.е. в точности левую часть равенства |
(1V,42). Тем самым доказано |
||||
тождество равенства |
(IV, 42). |
|
|
||
Рассмотрим несколько частных случаев. |
|||||
1) Tj22= Т222 = Т. |
В этом случае согласно формулы (IV, 42) име |
||||
ем |
|
|
|
|
|
'111 V1 |
^222v2 |
|
|
||
а22 — |
|
|
|
|
|
Q?T |
|
|
|
||
или с учетом формулы (IV,37) |
|
|
|||
С1ЦЧ111 + ° 222ч222 |
Gj * G2 |
|
|||
- |
d22. |
||||
А22 " |
|
|
|||
|
|
q2 |
|
||
|
|
|
|
||
Таким образом, при равенстве периодов однократного обмена воз духа в ветвях параллельного соединения первая пиковая концентрация в переходном режиме всегда равна установившейся концентрации газа по окончании переходного режима,
2) ^122 = О* Из равенства (IV,42) получаем
C111V1 + C222V2 + G1T222 = ^2 В122Т222*
При Т122 = 0 объем Vj = 0. Следовательно,
С222 4222 Т222 + G1Т222= G2B122T222>
откуда
|
Gl +G2 |
В122 |
д2 " d22’ |
т.е. при равенстве нулю периода однократного обмена воздуха в пер вой ветви параллельного соединения вторая пиковая концентрация газа в переходном режиме всегда равна установившейся концентрации газа по окончании переходного режима.
Глава V
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
1.Описание шахтных наблюдений за переходными газовыми режимами
Схема проветривания участка, расположение пунктов наблюдений на вентиляционном штреке и размеры сечений выработки в условиях экс периментов № 1-3 показаны на рис. 20.
В период наблюдений участок характеризовался следующими основ ными данными: длина лавы 120 м; мощность пласта 0,7 м; угол паде ния пласта 8 . Изменение подачи воздуха на участок осуществлялось вентиляционными дверями, установленными в вентиляционном ходке.
Эксперимент N° 1, Измеренные расходы воздуха в эксперименте,
= |
5,37 |
0 2 = 10,15 |
Q3 |
= 6,20 |
||
Яги |
= |
4,77 |
q211 |
8.4б |
Ч231 |
~ 8.34 |
ЧШ = |
0,60 |
Я121 = |
1)60 |
Ч131 |
- 0,86 |
|
Здесь принята система обозначения величин, в соответствии с ко торой ветвь с квадратичным законом сопротивления движению возду ха имеет первой цифрой индекса 2, а с линейным законом - первую цифру 1. Квадратичная ветвь - это лава со штреками, линейная - вы работанное пространство.
Измерение концентрации газа в начальном установившемся режиме проветривания участка составило: djj = 0,65%; c2 jj = 0,43%.
На основании этих данных можно вычислить абсолютные величины количеств газа в ветвях вентиляционного соединения
Gj - djjQj - 0,065*5,37 = 3,50*10 2 м3/сек;
С2 = ci п 4221 = 0,0043*4,77 = 2,05*10-2 м3/сек;
G, = G - G2 = (3,50-2,05)*10~2 = 1,45-10~2 м3/сек
95
и среднюю концентрацию газа в атмосфере выработанного пространства
Ч |
_ 1.45-1Q-2 |
'111 |
0,024(2,4%). |
4111 |
0,6 |
Таким образом, начальная газовая ситуация в условиях экспери мента № 1 характеризуется неравенством
'111 > dll > С2111
График изменения концентрации газа в исходящей вентиляционной струе участка в период переходного газового режима (см. рис. 20) ка чественно подобен теоретическим графикам (см. табл. 7, режим 1}. От личие состоит лишь в том, что в эксперименте не были зафиксированы первые пиковые концентрации (А2 1 и А31 )•
Вторые пиковые концентрации совершенно определенно были зафик сированы как при увеличении расхода воздуха ( f ^ l ^ ’ так и ПРИ по_
следуюшем уменьшении расхода воздуха до примерно исходной величи ны (В2з 1 )•
Из графика (см. рис. 20) видно, что период переходного газового режима в случае увеличения расхода воздуха намного меньше, чем в случае уменьшения расхода воздуха. Это вполне согласуется с общими представлениями о продолжительности переходных газовых режимов.
Эксперимент N° 2 начался сразу же с увеличением расхода воздуха. Установившиеся концентрации газа в исходящей струе участка и вен
тиляционной струе на выходе из лавы после первоначального увеличения расхода воздуха составили: d2j = 0,47%; с221 = 0,16%.
Следовательно, дебит газа на участке
'G = с!210г = 0.0047*10,04 = 4,7*10"*2 м3,/сек;
в вентиляционной струе на выходе из лавы
G2 = c221q22 i = 0,0016-8,27 = 1,32*10—2 м3/сек;
в выработанном пространстве
Gj = G - G2 = (4,70-1,32)*10—2 = 3,38*10—2 м3./сек.
Концентрация газа в атмосфере выработанного пространства
G |
3,38-Ю-2 |
|
'121 |
1,91*10 2 (1,91%). |
|
1,77 |
||
4121 |
96
|
435м |
|
|
|
|
28011 |
|
3 |
z |
---------- J4 к |
|
3=4,5п2 |
3=3,Он2 |
3=4,5 м Ц М Яммная лада, |
|
Рис,?0.График переходного |
|
пР |
пласт 1ц |
|
|
|
|
газового режима |
- |
|
|
|
|
|
|
в эксперименте N° 1 10 северный штрек,\ ^ 1 0 июжный. штрекM l |
|
||
пласт I ц |
пласт I у |
|
|
--sj
Начальная газовая ситуация перед уменьшением расхода воздуха в данном случае характеризуется неравенством
с 121 > ^21 > с221 ^ 2 ij < ^li]^'
В эксперименте № 2 были четко зафиксированы два вида переходных режимов, причем в отличие от эксперимента № 1 удалось достаточно определенно выделить и первую пиковую концентрацию газа (рис. 21).
Рис,21^График переходного газового режима в эксперименте N? 2
Эксперимент N° 3. Начальные и измененные расходы воздуха в экспе
рименте № 3, M 'VceK: |
|
|
|
||
Qj = 6,20 |
|
|
$2 = |
10'60 |
|
q2 U =5,55 |
|
|
Ч221 = 8 >94 |
||
qi n =0,65 |
|
|
4121 = |
||
Измеренные величины концентрации газа |
в данном случае: dj j = |
||||
= 0,53%; |
с2И = 0,12%. |
|
|
|
|
Следовательно, |
|
|
|
||
G = 0,0053- 6,20 = 3,29-10—2 |
м3/сек; |
|
|||
G2 = 0,0012-5,55 = 0,67*10—2 м3./сек; |
|
||||
Gj = |
0,62-10“ 2 м3/сек; |
|
|
|
|
|
'Cl |
2,62-10~2 |
= 0,04 (4%). |
|
|
СН Г |
q— |
|
|||
0,65 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
98
•Рис.^г.График переход |
- ОО |
а и |
|
ного газового |
|
”°"U "15% |
|
режима в экспе |
|
|
|
рименте № 3 |
|
вгг1 |
*21 . |
Г\»
10,8rt3А ем
tv4ем |
|
|
|
|
20 |
00 |
00 |
80 |
100 Ь,нин |
Иэ полученных выше результатов видно, что в эксперименте № 3, как и в предыдущих двух экспериментах, начальная газовая ситуация на участке характеризуется неравенством
С1П > dll > с211 ^T2ij < Tlij)* '
В эксперименте N° 3 были получены данные, качественно полностью совпадающие с результатами теоретического анализа (рис. 22), причем с наибольшей четкостью была зафиксирована вторая пиковая концентра ция (В221 ) и с меньшей четкостью - первая пиковая концентрация
(^21)*
Схема проветривания участка в экспериментах № 4-7 возвратноточ ная с вентиляционным штреком в выработанном пространстве (рис. 23).' В период проведения наблюдений длина лавы составляла 120 м, мощ ность пласта 1,25 м. 2
Эксперимент N° 4. Расходы воздуха в эксперименте, м /сек:
0j = |
7,75 ' |
02 = 13,00 |
03 = |
8,66 |
|
Ч211 = 0,70 |
Я221 |
= 11,30 |
Д231 |
= 7,75 |
|
4 ц 1 |
= 1,05 |
Ч121 |
= 1»70 |
4131 = 0*?1 |
|
Концентрации метана в начальном установившемся режиме провет ривания: dji = 1,01%; С2П “ 0,72%..
Следовательно,
G = |
dllQl = |
0,0101-7,75 = 7,82*10 2 м3,/сек; |
G2 = |
С2 j 1 q211 = 0,0072-6,70 = 4,82-10~2 м 3/еек; |
|
Gj = |
G-G2 = |
3,00-Ю- 2 м3./сек; |
99