книги из ГПНТБ / Слепых, В. Ф. Прогнозный расчет вентиляционных систем рудников

Необходимая точность получения сопротивлений выработок для расчета вентиляционной сети

Как было показано, ошибки при определении параметров выработок для производства расчетов в общем случае весьма велики. Однако эти параметры являются лишь исходными данными для последующего проведения расчетов сети с целью достижения в натуре заданного распределения возду­ ха. Отсюда очевидно, что допустимые погрешности при рас­ чете сопротивлений ветвей необходимо устанавливать из условия, чтобы ошибки в рассчитанных дебитах ветвей не превышали общепринятой в рудничной вентиляции величи­ н ы — 10%. В соответствствии с этим на основании зависи­ мостей (2.1), (2.3), (2.5) можно записать

(2.26)

В расчетах вентиляционных сетей принято, что невязки депрессий в замкнутых контурах также должны быть не бо­ лее 10%, это относится и к каждой входящей в них ветви. Таким образом, при максимально допустимых ошибках в расчете дебита и депрессии допустимое значение погрешнос­ ти определения сопротивления ветвей в соответствии с зави­ симостью (2.26) должна быть не выше 17,3%.

На современном уровне развития методов расчета венти­ ляционных сетей, особенно с использованием ЭВМ, невязки по контурам, а следовательно, и ошибки по депрессии в вет­ вях могут составлять не более 1—2%, тогда допустимое зна­ чение погрешности определения сопротивления ветвей увели­ чивается до 20 %. Однако эти пределы установлены для отдельных ветвей. Чтобы проверить возможность их примене­ ния к вентиляционным сетям, рассмотрим схему с известны­ ми истинными значениями параметров всех ветвей. Причем значения сопротивлений ветвей, определенные на основании

депрессионной съемки, получены с ошибкой - д - ' .

31

где R„, qS! — истинные значения параметров сети. Расчетное значение ее также будет отличаться от истинной, поскольку сопротивления ветвей определены с ошибкой и составляют

Но в соответствии с условием

откуда дебиты ветвей и системы в целом определяются из

Из сравнения зависимостей (2.28) и (2.29) видно, что

1+2* =

~д.

откуда

(2.30)

Решение этого уравнения позволит определить величину допустимой погрешности при определении сопротивлений ветвей, обеспечивающих получение значений дебитов ветвей расчетным путем с любой заранее заданной точностью. Необ­ ходимо учитывать, что увеличение сопротивления, если ошибка при его определении положительная, вызывает сни­ жение дебита, т. е. в этом случае ошибка в расчете количест­ ва воздуха отрицательная и наоборот.

Основываясь на общепринятой в рудничной вентиляции точности расчетов ± 1 0 % [22] и решая уравнение в соответ­ ствии с этими условиями, получим два предельно допусти­ мых значения ошибки в определении сопротивлений ветвей :

а) для случая, когда величина сопротивления определена

32

_ ™ ? = 1 _ - — L _ = 0 , 1 7 , и л и 17%;

б) для случая, когда сопротивление определено с ошибкой

Полученные значения позволяют сделать некоторые выводы. При определении величины сопротивления ветвей венти­ ляционной сети ошибки в сторону завышения приводят к меньшим погрешностям в рассчитанных по ним значениям дебитов воздуха по ветвям. Если ошибка по Л в этом случае равна ошибке в меньшую сторону, то ошибка в определении

Практически задачи расчета распределения воздуха в се­ ти можно решать исходя из любых отмеченных выше усло­ вий. Важно знать тип решаемой задачи, в соответствии с чем и намечаются маршруты депрессионной съемки для получе­ ния исходных данных с заданной точностью.

В общем случае основной задачей вентиляции является обеспечение мест ведения работ потребным количеством све­ жего воздуха при сохранении общешахтной депрессии в за­ данных пределах. Иными словами, для участков сети, пред­ ставляющих собой очистные блоки, расчет проводится из

Анализируя рассчитанные по формулам (2.24), (2.25) и приведенные на рисунках 2 и 3 погрешности при измерении аэродинамических параметров вентиляционных сетей, можно установить, что наиболее точные результаты получаются при

сая, Зыряновска, Белоусовском и Иртышском, встречаются лишь в основных воздушных магистралях очистных участ­ ков, флангов шахтного поля и горизонтов в целом. Число таких выработок в зависимости от сети и ее дебитов по этим рудникам не превышает 50%.

Для получения более точных значений аэродинамических сопротивлений в выработках с параметрами ниже указанных пределов можно рекомендовать искусственное повышение ко­ личества воздуха, проходящего по выработке, до достижения необходимых значений F и Я . Предлагаемые в работе [31] способы укрупнения участков или увеличения сопротивле­ ния непригодны, поскольку в первом случае нельзя получить сопротивление каждой входящей в данный участок выработ­ ки отдельно, а во втором — истинную величину сопротив­ ления.

Более точные значения аэродинамических сопротивлений получаются в лучшем случае лишь для небольшого количе­ ства выработок, аэродинамические характеристики которых находятся в указанных пределах. Во всех прочих случаях погрешности могут быть настолько велики, что исключат саму возможность расчетов схем проветривания. Следова­ тельно, для данного типа выработок наилучшим способом установления сопротивления является расчетный (через ко­ эффициент аэродинамического сопротивления а). При этом

34

величина а должна определяться для всех встречающихся на руднике типов выработок, параметры которых обеспечивают минимальные погрешности многократным измерением. Если невозможно получить эти данные при естественном распре­ делении, необходимо воспользоваться методом искусственно­

нимальных погрешностей входящих в формулу величин равна

т. е. немного выше погрешности при определении сопротивле-

ния тех же выработок І - д - =16,3% J. Ошибка расчета сопро­ тивлений через значение а, найденное для данного типа вы­ работок через измерения в натуре, составит

m

К а к видно, при определении сопротивлений этим спосо­ бом ошибки лишь на 0,7 % превышают фактически измерен­ ные в натуре на участках с параметрами, обеспечивающими получение исходных данных с минимальными погреш­ ностями.

Очевидно, что рекомендуемый в работе [2] 'эксперимен­ тальный путь определения численных значений аэродинами­ ческих сопротивлений выработок не может быть признан единственно правильным.

Для получения исходных данных с необходимой точ­ ностью нужно использовать оба способа — непосредственно­ го измерения в натуре и расчетный. Можно заключить, что

35

на рассмотренном этапе развития теории вентиляционных сетей точность получаемых исходных данных не соответст­ вует методике и способам расчета аэродинамических харак­ теристик ветвей с заданной точностью. Отсюда вытекает необходимость разработки новых приборов для измерения депрессий и особенно скоростей движения воздуха.

Полученные зависимости показывают, что для определе­ ния сопротивления с установленной выше точностью погреш­

mR

-д- > 16,3/0.

2.Для получения характеристик выработок по депрессии

иколичеству воздуха с погрешностью не выше 5—7% преде­

+23%.

4.Сопротивления выработок с малыми депрессиями и скоростью движения воздуха целесообразнее определять че­ рез коэффициент аэродинамического сопротивления а.

5.Для получения исходных данных по аэродинамиче­ ским сопротивлениям всех ветвей вентиляционной сети с погрешностью не более 15% необходимы приборы, обеспечи­

£1

< 4 — 6% по всей шкале.

36

Г л а в а 3

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ

При совершенствовании действующих и осуществлении на практике рассчитанных оптимальных схем проветрива­ ния важную роль играют так называемые изолирующие вентиляционные сооружения. Любая схема в натуре осущест­ вляется установкой этих сооружений, обеспечивающих соз­ дание основных магистралей подвода свежего и выдачи отра­ ботанного воздуха. Используемые при этом типы вентиляци­ онных сооружений должны соответствовать условиям места установки в сети по перепаду давления и потере воздуха.

Ниже рассматриваются способы определения необходи­ мых аэродинамических характеристик каждого типа изоли­ рующего вентиляционного сооружения. Последние рассмот­ рены по виду материала, применяемого для их изготовления [43], определяющего конструкцию и аэродинамические ха­ рактеристики. В качестве типовых вентиляционных сооруже-

•ний приняты наиболее распространенные в рудничной прак­ тике [3, 4, 15, 17, 43—48].

Аэродинамическая характеристика изолирующих вентиляционных сооружений

В настоящее время качество вентиляционных сооружений оценивается по абсолютному или относительному количеству воздуха, просачивающемуся через них, воздухопроницае­ мости и величине сопротивления.

Оценка по количеству воздуха в абсолютном выражении несколько условна. Поскольку потери в общем виде пропор­ циональны Vh, эта характеристика не является постоян­ ной и для одного сооружения. Относительные потери, вы­ раженные в процентах от проходящего мимо сооружения ко­ личества воздуха, остаются неизменными при сохранении сопротивления сети. Но и эта характеристика условна, пото-

37

му что, как показывает опыт, сопротивление сети не остается постоянным в пределах одной шахты.

Более полно учитываются все факторы, влияющие на по­ тери воздуха через сооружение, при оценке качества коэффи­ циентом воздухопроницаемости. Сущность этого коэффици­ ента определяют по-разному. Одни за указанный коэффици­

1 мм вод. ст. [3, 49], другие — количество воздуха, просачи­ вающееся через 1 м периметра перемычки толщиной в 1 м при депрессии в 1 мм вод. ст. [16, 17, 44]. Второй вариант предпочтительней, поскольку основная часть воздуха (80— 90%) просачивается по периметру перемычек.

Характеристика степени герметичности перемычек по ве­ личине эквивалентного отверстия, приходящегося на едини­ цу ее площади [27], аналогична таковой по приведенному значению сопротивления [17]. Однако приведенными харак­ теристиками нельзя пользоваться при расчете сетей, так как основным параметром при расчетах является аэродинамиче­ ское сопротивление ветви. Сопротивление вентиляционного сооружения зависит от свойств материала, качества испол­ нения, конструкции, размеров и т. д. Эта величина, как ха­ рактеристика сооружений, не совсем наглядна и не позво­ ляет сравнивать их между собой. При прочих равных усло­ виях, сопротивление сооружения зависит от его площади. Следовательно, сравнение можно проводить лишь для соору­ жений с равной площадью.

Приведенное к одной площади сопротивление определяет­ ся по формуле

она позволяет включать в расчетные схемы проветривания ветви, представлющие собой утечку воздуха через них. По­ этому в дальнейшем рассматриваются в основном аэродина­ мические сопротивления вентиляционных сооружений при­ менительно к различным типам [46]. Конструктивное испол­ нение их общеизвестно [17, 43 и др.].

Для расчета величины аэродинамического сопротивления вентиляционных сооружений важно точно установить закон движения воздуха через их неплотности. По данному вопро­ су высказывались различные мнения. Большинство исследо­ ваний, проведенных в практических условиях, показало, что течение воздуха через неплотности перемычки и двери во

38

всех случаях почти точно следует квадратичному закону [3, 4, 15, 17, 44, 47, 48, 50]. Более того, если после возведения перемычки показатель степени 1,8, то с течением времени он достигал 2 [17], так как со временем в теле и местах при­ мыкания перемычки к породам образуются постоянные каналы.

Наиболее простым, экономичным и надежным способом изоляции рудоспусков считается засыпка их породной ме­ лочью. Для определения потерь воздуха за счет фильтрации через кусковатую среду предлагаются формулы отдельно для турбулентного, ламинарного и переходного режимов движе­ ния [3, 44, 51]. В каждом из этих случаев предполагается, что режим движения заранее известен, что практически воз­ можно только при расчете схемы проветривания по данным депрессионной съемки. Каждый рудоспуск с рудой или засы­ панный участок камеры в этом случае должен быть измерен отдельно и как минимум при двух режимах. При расчетах сопротивлений зон обрушения Уральских рудников рассмат­ риваются вообще только два режима —ламинарный и тур­ булентный [51].

А. Ф. Милетич [44] для установления режима движения предлагает предварительно определять Re через действитель­ ную скорость движения воздуха и эквивалентный диаметр куска (d0KB) при условии, если точно известен грануломет­ рический состав кусковатой среды и ее пористость. Сравне­ ние рассчитанного значения числа Рейнольдса (Re) с кри­ тическим дает возможность установить режим движения. Однако, как отмечает автор, каждая смесь кусков имеет свое критическое значение Re и переходную область из ламинар­ ного в турбулентный режим. Значит необходимо для каждо­ го фракционного состава предварительно устанавливать ве­ личины Re экспериментальным путем. Метод графического определения режимов движения [52] исходит из тех же ве­ личин.

Как видно, рассмотренные случаи основываются на экс­ периментальных константах, определяемых предварительно для конкретных условий. Это затрудняет расчет при проек­ тировании, поскольку необходимые расчетные величины трудно выбрать заранее. Производственные исследования по­

и апатитовых рудниках [53]. Анализом установлено, что ре­ шающее значение в данном случае имеет фракционный состав. Так, при засыпке рудоспусков соляной мелочью с '50 % кусков диаметром 1 мм показатель степени равен 1,6—

39

1,8. Однако уже при фракционном составе 10—100 мм, составляющем от 40% ( d c p = 19 мм) до 65% ( г і с р = 3 2 л ш ) о т общего их количества, режим движения квадратичный. Уста­ новлено, что промежуточный закон с течением времени пере­ ходит в квадратичный [17].

Исследования режимов движения воздуха через кусковатую среду проведены также и на апатитовых рудниках [53] . На основании большого экспериментального материала [54] и производственных данных аэродинамики обрушенного мас­ сива пород [55] установлена целесообразность применения предложенного ранее [15] и принятого в газовой динамике двучленного закона сопротивления

где h — перепад давления через обрушенные горные поро­ ды, мм вод. ст.;

q — количество проходящего воздуха, м3/сек;

а— коэффициент, зависящий от вязкостных свойств те­ кучего и проницаемости пористой среды. Соответ­ ствует аэродинамическому сопротивлению R' при ламинарном движении 'воздуха, подчиняющемуся закону h=R'q ;

Ъ— коэффициент, связанный с действием турбулентных

иинерционных сил. Соответствует аэродинамическо­ му сопротивлению среды при турбулентном режиме движения воздуха, характеризующемуся законом

Основными характеристиками пористой среды, приняты­ ми в газовой динамике, считаются коэффициенты проницае­ мости k (м2) и макрошероховатости I (м). С величинами с и & [12] эти коэффициенты связаны зависимостями

но считать удельными аэродинамическими сопротивлениями при ламинарном г' и турбулентном г" режимах движения :

40