книги из ГПНТБ / Патрушев М.А. Проветривание высокомеханизированных лав

Б

Рис. 7. Распределение концентра­ ций метана на сопряжении лавы с вентиляционной выработкой при воэвратноточной схеме проветри­ вания и столбовой системе разработки

ния. Несмотря на это, содержание метана в исходящих струях участков dy4 в ряде случаев составляло 1,5—(2%. На большинстве участков 40—50% 'метана выносило из выработанного в рабочее пространство. По рассматривае­ мым пластам 81% участков проветривалось неудовлет­ ворительно, H(j только по некоторым из них причиной было недостаточное количество подаваемого воздуха, т. е. коэффициент обеспеченности £0б <1.

Итак, применяемые на газовых шахтах старые схе­ мы проветривания не только ограничивают рост нагруз­ ки на лаву, возможности оснащения очистных 'забоев высокопроизводительной техникой и повышения на базе этого технико-экономических показателей работы пред­ приятий, но и не обеспечивают необходимой безопаснос­ ти труда рабочих.

21

Г Л А В А II. ПРОВЕТРИВАНИЕ ВЫЕМОЧНЫХ УЧАСТКОВ ПО НОВЫМ СХЕМАМ С ВЫДАЧЕЙ

ИСХОДЯЩЕЙ СТРУИ НА ВЫРАБОТАННОЕ ПРОСТРАНСТВО

Особенности аэродинамики выемочного участка

Наличие дополнительных воздуховодов в новых схе­ мах проветривания с обособленным разбавлением и уда­ лением вредностей по источникам поступления в руднич­ ную атмосферу в сравнении со старыми схемами с по­ следовательным разбавлением вносит существенные из­

ся и смешивается со струей, движущейся по лаве. За­ тем часть потока через выход из лавы поступает в выработку и непосредственно в исходящую струю, а часть направляется в выработанное пространство.

Другая особенность проявляется в более интенсив­ ном влиянии исходящей струи на движение газовоздушных потоков в выработанном пространстве. Связано это с тем, что дебит исходящей струи в новых схемах всег­ да на много больше, поток мощнее, со значительной по­ терей депрессии в вентиляционной выработке. Чем выше депрессия этой выработки, тем на большей длине наблю­ даются утечки и рассредоточеннее поступает метан.

Из упрощенной схемы вентиляционных соединений

22

(рис. 8, табл. 6) видно, что она осложнена тремя обоб­ щающими диагоналями: ветвь 5—2 — утечки воздуха из рабочего в выработанное пространство в верхней части лавы; ветвь 8—6—то же, в нижней части и ветвь 11—8— часть дополнительного потока, расширяющегося при до­ стижении им лавы (утечки воздуха в средней части ла­ вы не рассматриваем, так как опрокидывание их прак­ тически маловероятно).

Опрокидывание струи в первой диагонали имеет мес­ то при более сильном уплотнении пород выработанного пространства в средней части лавы, чем в верхней. Во второй диагонали поток изменяет направление движе­ ния при уплотнении изолятора, т. е. увеличении аэроди­ намического сопротивления ветви 6—12.

Направление движения воздуха в ветви И —8 опре­ деляется рядом факторов, основные из которых: соот­ ношение поперечных сечений лавы и дополнительной вы­ работки, а также скоростей движения воздуха в них; аэродинамическое сопротивление дополнительной выра­ ботки на участке, расположенном напротив выхода из лавы, т. е. ветви 11—10 и частично ветви 10—12; возду­ хопроницаемость, в дальнейшем плотность изолятора (ветвь 6—12) и др.

В общих утечках воздуха через выработанное про­ странство можно выделить три основных составляю­ щих, представленных ветвями: 3—2 — первая, 5—2, 8—6 и 7—4 — вторая и 8—12 — третья, т. е.

23

Из условия равенства депрессий между узловыми точками, куда входят утечки, можно записать:

R hs

Следовательно, утечки QBX.н и QBX.K определяются аэродинамическими сопротивлениями входа и выхода из лавы, начального участка вентиляционной выработки, плотностью изоляторов и дебитом основного потока. Чем выше сопротивления /?вх, /? вых, / ? и.н и ниже плотность изолятора, тем больше утечки воздуха.

Сростом расхода дополнительного потока возрастает

ирасход струи в ветви 11—8 и турбулизация потоков на выходе из лавы. При этом дополнительный поток как бы «отжимает» основной в сторону выработанного прост­

ранства, от чего растет Qbx.k Взаимодействие дополни­ тельного потока со струей воздуха, исходящей из лавы, не позволяет правильно замерить расход воздуха на выходе из очистного забоя. Поэтому величину общих утечек воздуха можно определить только как разность

24

Описание движения воздуха по участку

На выемочном участке воздух движется по каналам (выработкам) и по выработанному пространству, за­ полненному кусками породы (рис. 9, а). Движение воз­ духа по выработкам с достаточной для практических расчетов точностью можно считать турбулентным. В зо­ нах обрушения наблюдается фильтрационное течение воздуха через крупнокусковую пористую среду. Этот вид движения значительно отличается от классического тем, что даже при незначительных перепадах давления и де­ бите воздуха наблюдается заметное действие как вязко­ стных, так и инерционных сил. Указанные силы опреде­ ляют закон фильтрации утечек воздуха в выработанном

25

воздуха через выработанное пространство, разработанные.на базе как первого, так и второго законов для обыч­ ных старых схем, в большой степени связаны с априор­ ным знанием линий тока воздуха. Для новых схем про­ ветривания эти методы нельзя использовать, так как фор­ ма линий тока здесь существенно зависит не только от аэродинамического сопротивления выработанного про­ странства, но и от соотношения между расходами возду­ ха Qо и Qa. Оставляя все параметры схемы постоянными

и меняя лишь соотношение Wo , получим самые разно-

образные линии тока.

В настоящем параграфе излагается метод определе­ ния количества воздуха в вентиляционной выработке на любом расстоянии от лавы или утечек его через вырабо­ танное пространство, основанный на исследовании урав­ нений фильтрационного движения и не использующий априорного задания линий тока. Поскольку выработан­ ное пространство и примыкающие к нему выработки име­ ют аэродинамическую связь между собой, то решаем задачу в общем, не разделяя общий поток воздуха на потоки, двигающиеся по выработкам, и утечки через выработанное пространство. Из этих соображений при­ нята двучленная формула закона сопротивления движе­ нию воздуха в целом по выемочному участку. Вырабо­ танное пространство представляется как некая простран­ ственная полость, заполненная кусками породы произ­ вольной формы и размеров (рис. 9, б). Объем и граница этой полости, расположение кусков, их плотность и т. п. считаются заранее неизвестными. На границе ее прохо­ дит свободный от породы канал (вентиляционная выра­ ботка) заданной формы и размеров.

При выведении основного уравнения движения воз­ духа по выемочному участку [32] приняты следующие допущения: процесс является установившимся, т. е. воз­ можные отклонения в начальной стадии работы участ­ ка не учитываются; процесс является квазистационарным, т. е. связывая систему координат с перемещающим­ ся фронтом работ, получаем процесс, неизменный во вре­ мени относительно подвижной системы координат (в связи со сравнительно одинаковой скоростью подвигания лавы в пределах участка, такое предположение яв­

26

ляется естественным); метан, выделяющийся в выработ­ ки и выработанное пространство, не влияет на фильт­ рацию воздуха через пористую среду (пренебрегая влия­ нием метана', допускаем незначительную погрешность, поскольку доля его в объеме утечек не превышает

5-10% ).

Полагаем, что по каждой из координат движение воз­ душной смеси подчиняется двучленной формуле закона сопротивления. Запишем ее в следующем виде:

г/, г ” (г=1,2,3) — удельные аэродинамические сопротив­ ления в направлении £-й оси коорди­

Если в уравнениях Эйлера пренебречь инерционными силами и выразить из них Рх, Р у, Р г, то после подста­ новки в уравнения (7) получим

Окончательные уравнения, обобщающие уравнения Н. Е. Жуковского, когда нельзя пренебречь турбулент­ ными явлениями в потоке, получаются после подстанов­ ки уравнений (8) в уравнения Эйлера (при фильтраци­ онном движении ранее пользовались законом Дарси, что приводило к классическим уравнениям Н. Е. Жуковско­ го [6]) и имеют вид:

и2+ иих -f vuy + wuz;

27

Найденные уравнения совпадают (с точностью до обозначений) .с уравнениями Е. М. Минского [23], полу­ ченными из более общих соображений и более длин­ ным путем. Однако методика Е. М. Минского позволяет получить информацию относительно коэффициентов со­ противления

Обозначения -параметров у, р, kn, V приведены в сле­ дующем параграфе. Используя уравнения (9), уравне­ ние неразрывности потока и / -f v y' =0 и граничное условие и,-и, и>=0 на свободных участках границы (ус­ ловие прилипания), после усреднения уравнений фильт­ рационного движения получим:

Это уравнение является основным. Анализ его в об­ щем виде весьма сложен и приводит к решению, которое невозможно записать в явном виде. Полагаем г'(х) =0, что соответствует чисто турбулентному движению воз­ духа по участку в направлении оси х ; г ( х ) = г{х).Тогда,

решая основное уравнение с начальным условием и(о) = = «о получим

получим конечную формулу для определения расхода воздуха в вентиляционной выработке на расстоянии х от лавы:

28

или, принимая второй член в формуле (12) равным ну­ лю, получим:

Q(x) ~ Q y4 [1-П +*в*.к)е-гох ]+ (0л.и+ QA)e~ro* , м а/сек. (13)

Расчет расхода воздуха в вентиляционных струях участка

Распределение воздуха по выработкам участка при схемах проветривания с обособленным разбавлением ме­ тана. по источникам поступления в рудничную атмосфе­ ру (рис. 10) должно соответствовать газовому балансу

Ряс. 10. Расчетная схема для определения утечек и депрессии выемочного участка

участка. При этом дополнительный поток вместе с утеч­ ками воздуха разбавляет метан, поступающий из вы­ работанного пространства и других источников, а ос­ тальная часть воздуха (Qy4—Qa—QyT) — метан, выделя­ ющийся из разрабатываемого пласта. Следовательно, рациональное распределение воздуха, невозможно без знания величины утечек воздуха через выработанное пространство. Отсюда. распределение воздуха, будет оп­ тимальным, если дебит его в каждой выработке для разбавления газа до допустимой концентрации будет соответствовать выделяющемуся в нее количеству ме­ тана.

Общее уравнение, связывающее величину депрессии, утечек и их распределение по длине вентиляционной вы­ работки, имеет вид [33]:

29

откуда величина утечек воздуха находится по формуле

Формула (14) не учитывает резкого увеличения уте­ чек воздуха на выходе из лавы (участок 5—8 м от вен­ тиляционной выработки), что связано со,сложностью их аналитического описания. Между тем анализ результа­ тов газовоздушных съемок показывает, что утечки воз­ духа на данном участке достигают 60% от общей их ве­ личины. Поэтому их надо учитывать при расчете. Коли­ чество воздуха, входящее в выработанное пространство на сопряжении лавы с вентиляционным штреком, мож­

Как видно из формулы (14), величина утечек QyT за­ висит от депрессии участка Нуч, поэтому расчет QyT про­ изводится итерационным методом, который заключается в следующем. По газообильностям участка / уч и пласта/пл определяем общее количество воздуха, подаваемого на участок Qy4 и проходящего по лаве <3Л.И- По табл. 7 в зависимости от типа изолятора принимаем коэффициент утечек воздуха kyr. Затем определяем распределение воз­ духа по участку в м31сек:

—Qy4 ~~ Q01

иориентировочную величину депрессии hy4 по формуле

30