книги из ГПНТБ / Клебанов, Ф. С. Аэродинамическое управление газовым режимом в шахтных вентиляционных сетях

Из приведенных данных видно, что в среднем S = 0,15.

Величина 6, определяемая по формуле (VI,48), только приблизитель­ но оценивает пустотность выработанного пространства, так как она на­ ряду с .пустотностью характеризует также и скорость изменения кон­ центрации метана в атмосфере выработанного пространства. Этим объ­ ясняется то, что при меньшей величине утечек в большинстве случаев величина 6 имеет большее значение.

5. Связь между вопросами конструирования вентиляционных сетей и регулирования проветривания по газовому фактору

Проблема регулирования проветривания по газовому фактору оказы­ вается тесно связанной с вопросом конструирования рациональных вен­ тиляционных сетей. Эта связь предопределяется тем, что всякое внесе­ ние в вентиляционную сеть с источниками газа возмущений в виде изме­ нения аэродинамических параметров вызывает возникновение газовой нестационарности в ветвях вентиляционной сети.

Задача регулирования проветривания в этих условиях сводится в пер - вую очередь к установлению однозначного различия между долговре­ менными изменениями в газовой обстановке в выработках, требующими того или иного регулирования вентиляционного процесса, и теми из­ менениями, которые являются следствием аэродинамической нестационарности и сохраняются относительно непродолжительное время. Первый этап решения данной задачи состоит в определении начальной аэродина­ мической ситуации в ветвях вентиляционной сети, в определении соот­ ношений между величинами, характеризующими эту начальную ситуацию в различных ветвях. Исходными данными для ответа на этот вопрос слу­ жат сведения о конфигурации вентиляционной схемы, о расположении в ней источников газа и их виде, о начальных вентиляционных параметрах сети. .

Решение вопроса о начальной газовой ситуации в вентиляционной се­ ти является необходимой основой для системного подхода к проблеме регулирования проветривания по газовому фактору, т.е. является свое­ го рода 'началом координат' для решения последующих более сложных вопросов, связанных с определением газовой нестационарности, которая вызывается изменением условий проветривания. Простейшим типом сое­ динения вентиляционных струй•является параллельное.

В гл. II о газовой статике выработок было показано, что для та­ кого вентиляционного соединения в общем случае возможны начальные газовые ситуации пяти различных видов.

Общий анализ газовой нестационарности для этих начальных ситуа­ ций показывает, что даже для такого простого соединения возможна ши­ рокая гамма видов переходных газовых режимов. Добавление третьей ветви в параллельное соединение в огромной степени усложняет поло­ жение с определением связи между изменением условий проветривания и последующей газовой нестационарностью. Это объясняется тем, что

122

добавление еще одной (третьей) ветви в параллельное соединение уве­ личивает необходимое число определяющих аэродинамических параметров с двух до четырех.

Действительно, для соединения из двух ветвей матрица аэродинами­ ческих коэффициентов* имеет такой вид:

и второй ветвей в начальном (первом) положении.

Матрица (IV,49) облегчает определение связи между расходами воз-- духа в ветвях параллельного соединения j j >q211й общим расходом

воздуха; подаваемым в данное соединение Qj . Беря первую строку мат­ рицы, находим

Ql ^1 + К121^Ч111

и из второй строки

Qj = (1 + ^211^211*

Из приведенных равенств следует, что для параллельного соединения из двух струй имеется два независимых параметра. Это могут быть, например, величины (Qt , Кш ); (К21 j, q21 и т.д.

По аналогии с изложенным для соединения из трех параллельных струй имеем такую матрицу аэродинамических коэффициентов:

Под аэродинамическими коэффициентами подразумеваются величины, аналогичные коэффициенту К, рассмотренные в rn .IV ..

123

из которой следуют формулы для связи между расходами воздуха в вет­ вях и общим расходом:

Qj = (1 + к121 + К]31) Я] j ];

Oj = (К2ц + 1 + к23)) q2 n ;

Ql = ^311 + К321 + ^ ^311'

В данном случае число определяющих независимых параметров равно четырем:

(Qi> Ki2i» Ki3i' K23i);

(Ql I K2j i >K23i I K3j j );

(Oji K31 j , K32j, К2ц );

(Ki2i , Kj3i , Я] j 1, K231) и Т.Д.

В общем случае -число независимых параметров N для вентиляцион­ ного соединения из v параллельных ветвей

2

В это число входит множество независимых коэффициентов К плюс одна величина расхода (общего или в какой-либо ветви).

Таким образом имеем

т.е. с увеличением числа ветвей быстро растет общее число определяю­ щих параметров.

Увеличение числа независимых параметров вызывает непреодолимые затруднения уже на первом этапе анализа - при определении общих со­ отношений, характеризующих начальную газовую ситуацию в параллель­ ном соединении вентиляционных ветвей.

Другая сложность состоит в том, что при увеличении числа ветвей параллельного соединения всего на одну единицу быстро растет мно­ жество возможных видов переходных газовых режимов, возникающих вслед за изменением аэродинамических параметров. Так, для соедине­ ния из двух ветвей это множество содержит 74 вида, для трех ветвей оно возрастает до нескольких сотен.

124

Все изложенное приводит к выводу о том, что исчерпывающий ана­ лиз начальной (установившейся) газовой ситуации и газовой нестадионарности, вызываемой изменением условий проветривания, возможен только для простейшего типа соединения - параллельного соединения из двух вентиляционных струй.

Таким образом, если ставится задача об управлении процессом про­ ветривания по газовому фактору, то первое требование к вентиляцион­ ной сети, предъявляемое в связи с данной задачей, состоит в макси­ мально возможном упрощении вентиляционной сети.

Общий анализ газовой ситуации в соединениях с диагональными вет­ вями еще более сложен. Это обстоятельство вместе с известным фак­ том неустойчивости движения воздуха в диагоналях делает невозмож- ■ ным однозначное регулирование проветривания по газовому фактору сложных вентиляционных сетей, содержащих диагональные соединения.

Невозможность точного определения газовой нестационарности в сое­ динениях большей сложности, чем параллельное соединение из двух вет­ вей, наводит на мысль, что при конструировании шахтной вентиляцион­ ной сети необходимо ограничить ее сложность наличием только после­ довательных и параллельных соединений, состоящих не более чем из двух ветвей.

В последнее время наука и техника в ряде случаев ищут наиболее оптимальные решения инженерных задач, заимствуя принципы, осущест­ вленные в природе (бионика) [40]. В природе известны транспортные сети, обладающие большой простотой и гибкостью управления потока переносимой субстанции. Примером может служить система кровообра­ щения млекопитающих (сеть кровеносных сосудов).

С инженерной точки зрения представляют интерес следующие осо­ бенности сети кровеносных сосудов [41 - 43]: в сети крупных сосудов отсутствуют диагональные соединения; в каждом узле соединяется не более двух сосудов; сечение кровеносных, сосудов может изменяться сосудосужающими и сосудорасширяющими мышцами; суммарное сечение • сосудов, отводящих кровь от данного узла, больше, чем сечение подво­

дящего сосуда.

С точки зрения регулируемости системы примечательны слова акал. И.П. Павлова [41] о том, что "крови в теле не хватает для одновремен­ ной работы всех органов, и здесь поэтому применяется принцип преимущест­ венного снабжения! работающих органов: кровь приливает в большем количестве к тем органам, которые работают в данное время... где ор­ ган в покое - там крови мало, где работает - много".

Первые три из указанных особенностей кровеносной сети характери­ зуют главные топологические свойства .этой сети, благодаря которым обеспечивается большая гибкость и определенность управления распре­ делением крови в живом организме.

Последнее положение характеризует принцип управления распределе­ нием крови. Этот принцип полностью соответствует основной задаче ре­ гулирования и автоматизации шахтной вентиляции -рациональному рас­ пределению ограниченного общего объема воздуха по выработкам в за­ висимости от интенсивности производственных процессов, происходящих в них, и объемов выделяющихся вредных примесей.

125

С цепью обеспечения устойчивости и надежности процесса проветри­ вания и повышения интенсивности воздухообмена вентиляционные выра­ ботки соединяют только последовательно и параллельно при наличии в каждом вентиляционном узле не более трех ветвей [44]. При этом сис­ тема воздухоподающих выработок будет топологически симметрична сис­ теме воздухоотводящих.

Организация шахтной вентиляции с непременным соблюдением ука­ занных выше условий на проектной стадии и в процессе эксплуатации во многих случаях совместима с комплексом технологических условий горных работ при различных системах разработки.

6. Диффузионный способ определения коэффициента аэродинамического сопротивления горных выработок

Для определения коэффициента аэродинамического сопротивления гор­ ных выработок а измеряются: перепад давления воздуха на некотором участке выработки с помощью микроманометра, средняя скорость воз­ душного потока с помощью анемометра, геометрические размеры вы­ работки (периметр, площадь, поперечного сечения и длина выбранного участка).

Практически по ддине исследуемого участка выработки изменяются ее размеры, форма поперечного сечения и направление выработки, что приводит к определенной погрешности в последующих вычислениях коэф­ фициента а.Ероме того, обычный способ определения коэффициента аэ­ родинамического сопротивления неприменим в труднодоступных или пол­ ностью недоступных для передвижения людей выработках.

В этих случаях для определения коэффициента а может быть приме­ нен способ, основанный на использовании эффекта рассеивания облака газообразной примеси в потоке воздуха, движущегося по исследуемой выработке [45]. Этот способ заключается в следующем: в некотором начальном сечении исследуемого участка выработки А(рис. 29) выпус­ кается облако примеси (газа); одновременно с выпуском примеси вклю­ чается регистрирующий прибор ( датчик), расположенный в конечном се­ чении исследуемого участка выработки В; облако примеси, подхваченное воздушной струей, по мере приближения к регистрирующему прибору ■ рассеивается. Степень рассеивания зависит от средней скорости потока, расстояния между источником и регистрирующим прибором (датчиком)

и коэффициента турбулентной диффузии потока, величина которого опре­ деляется шероховатостью стенок выработки, нерегулярностью ее сече­ ния по длине данного участка, степенью кривизны выработки.

Датчик осуществляет либо непрерывную, либо дискретную запись из­ мерения средней по сечению концентрации примеси во времени. Постро­ ив по данным датчика, кривую c^/T=f(t) (рис. 30) и определив точки пересечения (tj и t2 ) этой кривой с прямой

с , / ? - (cV t.-max,

е

126

Рис.29,Схема распространения газового облака в вентиляционном по­ токе

А - источник газа; В - прибор, регистрирующий концентра­ цию газа; D - объем распространяющегося по выработке газа

можно определить величину коэффициента продольной турбулентной диф­ фузии К

определена и с помощью двух последовательно расположенных на из­

где tM2 и tMj - соответственно координаты максимумов на записях двух датчиков с = f(t). '

Рис.30'. Схематический график функции Cy/t^fU) для определения величины коэффициента турбулен­ тной диффузии

127

Поскольку коэффициент турбулентной диффузии однозначно связан с коэффициентом аэродинамического сопротивления, то величина а мо­ жет быть определена из формулы

К = 14,28-р-

где S - усредненная площадь поперечного сечения выработки; Р усредненный периметр выработки.

Воспользовавшись формулами (VI, 49) и (VI, 53), получим

Используя существующую зависимость между периметром выработки и ее сечением

способ заключается в том, что, зная для данной выработки число Re =

128

Таким образом, для определения а данным способом должны быть известны т'олько диаметр выработки и средняя скорость потока. На модели ДГИ совместно с кафедрой вентиляции этого института^ про­ водились эксперименты по определению средней скорости потока, коэф­ фициента турбулентной диффузии и коэффициента аэродинамического соппротивления горных выработок диффузионным методом.

Модель представляла собой горизонтальную металлическую круглую трубу диаметром 0,8 и длиной 45 м. На участке трубы длиной 19,5 м имелась футеровка. На этом участке диаметр трубы был 0,67 м. Футе­ ровка начиналась на расстоянии 25,5 м от начала трубы и заканчива­ лась на расстоянии 2 м от конца трубы. Воздух в модель подавался вентилятором, который находился в камере, расположенной в начале трубы. Газом служил метан, который поступал в поток из камеры не­ посредственно у вентилятора. Метан доставлялся в камеру в полиэтиле­ новом мешке объемом около 0,12 м^. Одноразовая порция метана, вво­ димого в поток, имела объем примерно 0,06 м^. Метан поступал в по­ ток в течение 2-3 сек, причем почти по всему сечению одновременно.

Датчики, автоматически регистрирующие и записывающие изменение концентрации метана во времени в данной точке потока, были располо­ жены в двух сечениях трубы. Первый датчик находился на расстоянии 32,9 м от источника метана, а второй на расстоянии 43 м. Датчик представлял собой метанометр МУВ-1 с выносной термогруппой. Ме-

работе принимали участие канд. техн. наук В. А. Долинский, инженеры В. П. Светличный и Г. П.Кривцун.

129

танометр был соединен с самописцем Н370М. Выносные термогруппы метанометров были укреплены на деревянной рейке Внутри трубы, вбли­ зи изолинии средней скорости потока. Средняя скорость потока изме­ рялась анемометром АИ-2.

Метанометры имеют линейную шкалу (50 делений), которая рассчи­ тана на 2%-ную концентрацию метана. Цена одного деления 0,04%. Са­ мописец Н370М имел максимальную скорость протяжки ленты 5400 мм/ч (1,5 мм/сек). Все измерительные приборы находились вне модели на приборном столе. В потоке в двух сечениях трубы находились только выносные термогруппы; на выходе модели устанавливался анемометр АИ-2.

Всего было получено 10 записей изменения концентрации метана во времени либо в точке, отстоящей от источника на расстоянии 32,9 м, либо в точке, .удаленной от источника на расстояние 43 м.

По полученным записям метанометров и формулам (VI, 50) и

(VI, 51) можно определить среднюю скорость потока и затем сравнить ее с показаниями анемометра. Приведенные данные характеризуются удовлетворительным совпадением средних скоростей потока, определен­ ных диффузионным способом и-непосредственным измерением с помощью анемометра.

Следует отметить, что определение средней скорости потока с по­ мощью записей двух метанометров, отстоящих друг от друга на из­ вестном расстоянии, отличается более высокой точностью, чем при ис­ пользовании записи только одного метанометра, находящегося на из­ вестном удалении от источника газа, так как в этом случае исключа­ ется ошибка несинхронности включения источника примеси и метаномет­ ров.

рулон соответствующего самописца до момента регистрации максималь­ ной концентрации в потоке.

Имеющийся разброс значений средних скоростей может быть объяс­ нен тем, что при установке анемометра и выносных термогрупп ме­ танометров в модели имело место некоторое их взаимное смешение

130