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

который с течением времени уменьшается. Это уменьшение происходит по некоторой затухающей кривой, в качестве которой можно принять, например, экспоненту, выраженную формулой (1,4).

Ввиду относительно большой длины лавы разные участки ее обнажа­ ются с заметным сдвигом во времени, следствием чего является не­ которая неравномерность по длине лавы удельного дебита газа для каж­ дого данного момента времени, (рис. 5, пунктирная линия). Очевидно, что чем больше скорость подачи выемочной машины, тем меньше раз­ ница во времени обнажения нижней и верхней частей пласта в-лаве и тем меньше разница в величинах g(0) и g(L), указанных на рис. 5.

Выше было сказано, что в соответствии с фактическими данными по­ казатель степени в законе (1,4) для периода обнажения поверхности

торого максимального уровня, обусловленного регулярной работой вы­ емочной машины, до начального (фонового) уровня происходит пример­

Как видно, скорость замедления газовыделения с поверхности обна­ женного пласта в лаве намного выше, чем с поверхности угля, обна­ женного в подготовительной выработке.

Это свидетельствует о том, что для каждого фиксированного момен­ та времени эпюра удельного дебита газа с поверхности обнажения плас­ та в лаве очень близка к прямоугольнику (рис. 5, заштрихованная часть),

20

За достаточно большие интервалы времени (десятки часов) величи­ на удельного дебита газа через поверхность обнажения пласта в лаве заметно падает.

Исходя из прямоугольной эпюры удельного дебита газа с поверхнос­ ти обнажения угольного пласта в лаве, можно легко определить поря­ док этой величины, зная количество газа в вентиляционной струе на

Второй источник газа в лаве - отбитый уголь.

Прежде чем приводить результаты прямых инструментальных опре­ делений интенсивности выделения газа из отбитого угля, полученных рядом исследователей в лабораторных условиях, установим приблизи­ тельный порядок этой величины на основании данных о количестве га­ за, поступающем в лаву, и некоторых очевидных соображений о пло­ щади газоотдающей поверхности отбитого угля.

Процесс выделения газа из угля определяется сложным комплексом физико-химических и механических факторов. Суммарным эффектом дей­ ствия этих факторов является истечение газа с внешней поверхности угля. Именно по этой причине и принято характеризовать интенсивность газовыделения удельной величиной по отношению к площади обнажения угля (м3/мин-м2).

Площадь поверхности частиц отбитого угля зависит от размеров час­ тиц и фракционного состава объема отбитого угля. Примерный состав фракций отбитого угля приведен в верхних трех строках табл. 1 [36].

проходит данная фракция угля и на котором фракция угля остается. Данные табл. 1 соответствуют результатам исследований Е.С. Жу-

пахиной и Н.И. Устинова [31] о том, что выход мелочи с диаметром зерна до 7 мм составляет около 50% и что им определяется главным образом газоотдача в начальный период после отбойки.

Определим (приблизительно) величину общей поверхности частиц £Г- ля, образующихся при отбойке от массива пласта угля объемом 1 м-\

Принимая частицы отбитого угля за сферы соответствующего диа­ метра, нетрудно определить, что суммарная поверхность частиц дан­ ной крупности, образующихся из 1 м3 массива угля

6фj Sj — i ,

'^

где 9j - выход данной фракции, %;. d j - крупность частиц данной фракции, см.

21

23

Отношение площади поверхности частицы к ее весу

1 = J L

Ру d

следовательно,

отбитого угля по величине площади поверхности частиц угля, находя­ щегося в забое, совпадает (по порядку) с результатами лабораторного определения этой величины.

Вторым важным параметром газовыделения является постоянная вре­ мени, характеризующая скорость снижения удельного дебита газа из от­ битого угля с течением времени.

На рис. 6 в полулогарифмических координатах приведены эксперимен­ тальные данные снижения удельного дебита газа из отбитого угля двух фракций: 0,25 ч 0,5 мм (1) и 15 ч 20 мм (2), полученные в работе [311

Рис.6 . Графики снижения удель­ ного дебита газа от от­ битого угля

Из указанных графиков следует, что показатель степени в экспо­ ненциальной формуле, описывающей уменьшение удельного дебита газа из отбитого угля,

n s 0,014 -1- 0,015 1/мин = 0,8*0,9 1/ч,

24

чему соответствует постоянная времени Т* - 1.U-1.2 4.

I Последние цифры говорят о том, что после-'2-3 час с момента отбой­ ки угля гаэовыделение из отбитого угля практически прекращается,что соответствует результатам В.Ф, Микитченко [37] , согласно которым по истечении 60 4 120 мин. скорость газовыделения из угля в несколько десятков раз меньше первоначальной.

Сопоставляя данные динамики двух основных источников газа в ла­ ве, непосредственно связанных с работой выемочной машины (с плос­ кости обнажения пласта в лаве и из отбитого угля), можно сделать следующие выводы:

удельный дебит газа с плоскости обнажения пласта в лаве на не­ сколько порядков выше (100 4 1000 раз) удельного дебита газа из отби­ того угля;

уменьшение интенсивности выделения газа из отбитого угля проис­

Влияние третьего источника газа в лаве (выработанного простран­ ства) на газовую обстановку в лаве в большой степени определяется направлением потока утечек воздуха в выработанном пространстве .

Здесь ограничимся оценкой количества газа, которое может посту­ пать в лаву в результате притока воздуха из выработанного простран­ ства.

Количество воздуха, притекающего из выработанного пространства в лаву, составляет от нескольких десятков до сотен м^/мин в зави­ симости от схемы проветривания участка и аэродинамического сопро­ тивления выработанного пространства , Концентрация газа в вырабо­ танном пространстве - 3-4%. Следовательно, дебит газа, поступающего

в лаву вместе с притекающим воздухом, может составлять 245 м^/мин. Это количество равняется 20480% общего дебита газа из выработанно­ го пространства на участке.

5.Внешняя дпнампка газовыделения нз разрабатываемого пласта

Анализ внешней динамики выделения газа из рарабатываемого плас­ та [ 29 ]представляет большой интерес ввиду того, что его результаты содержат предпосылки правильного определения тех параметров шахт, которые существенно зависят от газового фактора. Особое значение это приобретает в условиях очень больших нагрузок на лаву, которые пред­ полагаются в шахтах ближайшего будущего.

*

Подробно этот вопрос рассматривается в гл, II.

25

Главным в анализе внешней динамики газовыделения из разрабаты­ ваемого пласта является вопрос соотношения между дебитами газа че­ рез плоскость обнажения пласта и из отбитого угля.

Одновременность процессов выделения газа с обнаженной плоскости забоя и из отбитого угля делает практически невозможным прямое экс­ периментальное разделение этих двух составляющих газового дебита.

Соотношение между ними оценивается на основе уравнений внешней ди­ намики газовыделения из разрабатываемого пласта и известных экспе­ риментальных данных о числовых значениях газодинамических парамет­ ров пласта и отбитого угля.

делью, отражающей закон уменьшения удельного дебита газа со време­

личины и темп, или скорость, с которой происходит ее уменьшение. Чис­ ловым показателем этой скорости служит постоянная времени.

Зная величину гаэоотдаюшей поверхности S, можно выразить форму­ лой средний в интервале от 0 до t дебит газа

Если величины, относящиеся к поверхности обнажения пласта в лаве, пометить индексом 1, а к внешней поверхности кусков отбитого угля - индексом 2, то соответствующие средние дебиты газа будут определять­ ся формулами

где tj - время обнажения поверхности забоя в лаве; tg - время нахожде­

ния отбитого угля в выработках, омываемых свежей вентиляционной струей.

26

Выражая величину t2 через величину tj

0,37;

и принимая во внимание, что интервал времени tj обратно пропорцио­ нален нагрузке на лаву, т,е#

где А - нагрузка на лаву, тыс. т/сут; L - длина лавы, м; m - мощ­ ность пласта, м; Ь - ширина захвата выемочной машины, м; у —удель­ ный вес угля, т/м 3.

Из формул (1,38) и (1,39) следует, что суммарный дебит газа из разрабатываемого пласта, обусловленный, выемкой угля, не возраста­

Такой характер зависимости общего дебита газа из разрабатываемо­ го пласта от интенсивности выемки угля дает основание поставить подругому вопрос о связи между газовым уровнем в лаве и ее произво­ дительностью. Обычно это. сводится к определению максимально допус­ тимой по газовому фактору нагрузки на очистной забой. Учитывая су - , шествование предела, к которому стремится общий дебит газа из раз­ рабатываемого пласта при возрастании нагрузки на лаву, и непрерыв­

27

ное уменьшение приращения газового дебита с ростом нагрузки, можно поставить вопрос об определении минимально предельной нагрузки, до которой наблюдается еще практически заметная связь между произво­ дительностью лавы и величиной соответствующего дебита газа. Если будет возможность обеспечить соблюдение установленных газовых и вентиляционных норм для указанной минимально предельной нагрузки, то это будет означать одновременно, что в данных условиях любое еще большее увеличение нагрузки на лаву не вызовет практически замет­ ного увеличения газового дебита.

На основании формул (1,38) и (1,39) отношение дебита газа с плос­ кости обнажения пласта к дебиту газа с суммарной внешней поверх­ ности кусков отбитого угля будет

А - , со gQ2S2

Рис.7, Графики изменения соот­ ношения между величина­ ми Gj и ’С2 в зависимос­ ти от величины А при различной глубине захва­ та выемочной машины (длина лавы L =125 м, мощность пласта ш = 1м, удельный вес угля

У=114 т/м®)

1 Z 3 £ 5 В 7 8 9 10

А, тыс. т/сут

28

Данные о величинах gQl Т^и S и формула (1,42) приводят к чис­ ловой оценке соотношения между дебитами газа через поверхность об­ нажения пласта и из отбитого угля, которая графически отражена на рис. 7.

Результаты изложенного выше анализа приводят к следующим выво­

дам.

1. Дебит газа в лаве не возрастает беспредельно с увеличением на­ грузки на забой, а стремится к некоторому конечному пределу, причем, чем выше нагрузка на лаву, тем меньше становится приращение деби­ та газа при дальнейшем ее увеличении.

2. В общем дебите газа из разрабатываемого пласта большую долю составляет газ, выделяющийся через плоскость обнажения пласта в ла­ ве, причем отношение между двумя составляющими дебита газа из раз­ рабатываемого пласта не остается постоянными при изменении скорос­ ти выемки угля. С увеличением скорости выемки относительная доля отбиваемого угля возрастает, а поверхности обнажения пласта умень­ шаются; в интервале 0 < А<°» это отношение изменяется b Tj /Т 2 раз.

3. Уменьшение ширины захвата выемочной машины при прочих рав­ ных условиях приводит к увеличению дебита газа через плоскость за­ боя по сравнению с дебитом газа из отбиваемого угля.

6.Внешняя дпяамира выделения газа из отбиваемого угля

Истечение газа из отбиваемого угля представляет собой затухаю­

цесс выделения газа из кусков отбитого угля, может быть принята

О

Согласно (1,46) максимальный объем газа, который может выде­ литься через единицу поверхности угля за достаточно большое время

29

В числовых оценках с помощью зависимостей (1,45)—(I, 47) зна­ чение постоянной времени можно принимать равным ~ 1/3 этого ин­ тервала времени, в течение которого процесс выделения газа из угля почти полностью (на 95-97%) заканчивается.

Известно, что отбитый уголь тех фракций, которые образуются при работе выемочных машин, почти полностью истощается от содержащего ся в нем газа в течение 90-150 мин. Это означает, что постоянная времени имеет величину порядка 30-50 мин.

Имея в виду формулу (1,47), поставим вопрос о том, как влияет размер кусков угля на выделение газа из него.

Будем сравнивать один большой кусок угля с некоторым числом более мелких кусков того же суммарного объема, что и один круп­

где F и Г - площади внешней поверхности соответственно одного боль­ шого и одного малого кусков угля; ,п -число кусков угля меньшего размера, образуемых из одного большого куска; £0 и т -начальный удельный дебит и постоянная времени для малых кусков угля.

^Очевидно, что

так как

где D и d - линейные размеры (диаметры) большого и малого кусков угля; Kq - начальное удельное газосодержание отбитого угля по отно­ шению к площади внешней поверхности и линейному размеру кусков угля.

Определим дебит газа из отбиваемого угля. Если отбитый уголь присутствует в шахте (в выработке) в течение некоторого периода t,

30