книги / Рудничная вентиляция
..pdf12.2.2. |
Утечки |
воздуха через двери |
|
|
|
||
Утечки |
(м3/с) |
через вентиляционную дверь |
|
|
|||
|
|
|
|
Qyr = kiSaVh', |
|
( 12.2) |
|
где А2 — коэффициент воздухопроницаемости двери, |
м*/(Н° ’ 5 с) |
||||||
(табл. |
1 2.2 ); 5 Д— площадь двери, |
м2; h — депрессия через |
|||||
дверь, Па. |
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
12.2 |
|
|
|
|
|
|
Значения |
коэффициента воздухопроницаемости дверей |
|
|
||||
|
|
|
|
|
Ю3, м2/(н°-5.с) |
||
|
|
|
|
|
при боковых |
породах |
|
Тип двери |
|
Тип перемычки |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
монолитных |
трещиноватых |
|
Одностворчатая для про |
Бетонная |
7,03 |
|
10,22 |
|||
хода людей |
|
|
Каменная |
10,22 |
|
15,33 |
|
|
|
|
|
Шлакоблочная |
8,30 |
|
12,45 |
Одностворчатая |
для |
Чураковая |
14,37 |
|
21,71 |
||
Бетонная |
6,71 |
|
8,30 |
||||
транспорта |
|
|
Каменная |
8,30 |
|
10,86 |
|
|
|
|
|
Шлакоблочная |
7,34 |
|
9,58 |
Двустворчатая |
|
Чураковая |
10,54 |
|
12,77 |
||
|
Бетонная |
8,30 |
|
9,26 |
|||
|
|
|
|
Каменная |
9,26 |
|
10,86 |
|
|
|
|
Шлакоблочная |
8,62 |
|
9,90 |
|
|
|
|
Чураковая |
11,18 |
|
12,77 |
Т а б л и ц а |
12.3 |
|
|
|
|
|
|
Значения коэффициента воздухопроницаемости кроссингов |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
103, |
м2/(н°-5.с) |
|
Тип кроссинга |
|
Тип крепи |
при боковых породах |
||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
монолитных |
трещиноватых |
|
Глухой |
|
|
|
Бетонная |
0,57 |
|
1,69 |
|
|
|
|
Каменная |
1,02 |
|
1,79 |
Со шлюзом для прохода |
Шлакоблочная |
0,77 |
|
1,44 |
|||
Бетонная |
13,09 |
|
22,35 |
||||
людей |
|
|
|
Каменная |
21,40 |
|
34,49 |
С одним |
шлюзом |
для |
Шлакоблочная |
16,61 |
|
27,78 |
|
Бетонная |
. 8,94 |
|
13,41 |
||||
транспорта |
|
|
Каменная |
13,09 |
|
20,12 |
|
С двумя |
шлюзами |
для |
Шлакоблочная |
10,86 |
|
16,29 |
|
Бетонная |
14,05 |
|
20,12 |
||||
транспорта |
|
|
Каменная |
19,48 |
|
28,74 |
|
|
|
|
|
Шлакоблочная |
16,61 |
|
23,63 |
Нормы утечек воздуха через кроссинги
|
Утечки воздуха (ма/мнн) |
|
Тип кроссинга |
при породах |
|
|
|
|
|
монолитных |
трещиноватых |
Глухой |
35 |
54 |
Со шлюзом для прохода людей |
45 |
70 |
Со шлюзом для транспорта: |
53 |
77 |
односторонним |
||
двусторонним |
70 |
100 |
12.3.Утечки воздуха через выработанные пространства
Утечки воздуха через выработанные пространства составляют до 40—80 % от количества воздуха, поступающего в забой.
12.3.1. Закон сопротивления и режимы фильтрации
Движение воздуха в выработанных пространствах происходит в ламинарном, промежуточном и турбулентном режимах. В наи более общей форме прямолинейное движение описывается дву членным законом сопротивления:
h = R'Q + R"Q3, |
(12.3) |
где h — депрессия, Па; R' — линейное аэродинамическое сопро тивление, Н с/м5; R" — квадратичное’аэродинамическое сопро тивление, Н с*/м8; Q — утечки, м3/с.
Значения сопротивлений R ' и R” определяются выражениями;
R' - f 4 r .
где р — динамический коэффициент вязкости воздуха, Па-с; k —
коэффициент проницаемости |
выработанного |
пространства, м2; |
||
L — длина |
пути фильтрации |
воздуха, |
м; 5 — площадь филь |
|
трационного |
потока, м2; р — плотность |
воздуха, кг/м3; I — коэф |
||
фициент макрошероховатости, |
м. |
|
|
|
Режим движения воздуха в выработанном пространстве опре |
||||
деляется числом Рейнольдса |
|
|
|
|
|
Re = uk/vl, |
|
|
|
где и — Q/S — скорость фильтрации, |
м/с; v = |
р/р — кинемати |
||
ческий коэффициент вязкости воздуха, м2/с. |
|
|||
При Re |
0,25 имеет место ламинарный режим фильтрации, |
|||
при 0,25 < |
Re < 2,5 — промежуточный и при Re > 2,5 — турбу |
|||
лентный. |
|
|
|
|
Значения эмпирических коэффициентов а » b
О бруш енные породы |
|
|
а |
|
|
b |
Слабые глинистые сланцы |
0 ,0 |
6 |
— 0,1 |
|
1 0 ,2 — 2 0 ,4 |
|
Глинистые сланцы средней крепости |
0 ,0 |
2 — 0 |
,0 5 |
7 ,2 — 10,2 |
||
Крепкие глинистые и песчанистые сланцы |
0 ,0 0 |
6 — 0,0 |
1 |
5 ,2 — 7,1 |
||
Песчаники и известняки |
0 ,0 0 |
3 |
— 0 |
,0 0 5 |
3 , 6 - 5 , 1 |
|
Коэффициент с является функцией ' скорости подвигания за
боя ооч (м/сут): |
|
с = 1,0 ехр [0,1 (5 — о0,)]. |
(12.7) |
На рис. 12.2 представлены зависимости т' (х) и г’ (х) для вы работанных пространств шахт Донбасса.
В условиях разработки мощных крутых пластов Кузбасса (Прокопьевско-Киселевский район) аэродинамическое сопро тивление определяется свойствами обрушаемых пород, вынима емой мощностью пласта /л„ и глубиной разработки (табл.1 2. 8 ,
12,9).
Если наносы представлены горельниками, то коэффициент г необходимо уменьшить в 4,3 раза, а коэффициент г* — в 2,4 раза. При переходе горных работ на второй и третий горизонты коэф фициенты аэродинамического сопротивления рассчитываются по формулам:
г' = a\r'i\ г = а2г/,
где % и О] — коэффициенты пропорциональности (см. табл. 12.9); г) и г/ — коэффициенты аэродинамического сопротивления для условий обработки пласта на первом горизонте (см. табл. 1 2.8 ).
Рис. 12^2. Примеры зависимости коэффициента линейного г' (а) и квадрати чного г (б) аэродинамических сопротивлений выработанных пространств от расстояния х до лавы на шахтах Донбасса
Значения коэффициентов аэродинамического сопротивления rj, |
Н’с/м4 |
|
|||||||
и г}, Н*с2/мБ для условий |
Кузбасса |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
В ынимаемая м ощ ность пласта т в , м |
|
|||
П реобладаю щ ие породы |
|
до |
3 |
|
3 - 6 |
6 - |
9 |
||
кровли |
пласта |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
г/ |
|
г/ |
г/ |
н |
г/ |
т |
|
|
|
|
Г1 |
Ч |
||||
Песчаники |
|
|
1,2 |
|
387,4 |
2 |
407,9 |
4.2 |
438,5 |
Алевролиты |
|
|
3,5 |
|
560,8 |
5,7 |
479,2 |
8,2 |
734,2 |
Аргиллиты |
алевролиты |
5,4 |
|
673 |
8,2 |
530,2 |
10,2 |
968,7 |
|
Песчаники, |
2,6 |
|
489,5 |
4.1 |
448,7 |
6,7 |
611,8 |
||
Песчаники, |
аргиллиты |
3,9 |
|
591,4 |
5,7 |
489,5 |
7,9 |
693,4 |
|
Алевролиты, аргиллиты |
4,7 |
|
632,2 |
7,1 |
520,1 |
9,4 |
877 |
||
Песчаники, |
алевролиты, |
4,3 |
|
611,8 |
6,2 |
509,9 |
8,6 |
836,2 |
|
аргиллиты |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
12.9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Значения коэффициентов |
пропорциональности 0 |
|
|
||||||
|
П реобладаю щ ие породы |
|
|
|
|
||||
|
|
кровли |
пласта |
|
|
|
|
|
|
Песчаники |
|
|
|
|
|
1 ,7 /2 |
1 ,3 /1 ,5 |
|
|
Алевролиты |
|
|
|
|
|
2 ,4 /3 |
1 ,5 /1 ,8 |
|
|
Аргиллиты |
|
|
|
|
|
3 ,2 /5 |
1 ,9 /2 ,2 |
|
|
Песчаники, алевролиты |
|
|
|
2 ,1 /2 ,6 |
1 ,4 5 /1 ,7 |
|
|||
Песчаники, аргиллиты |
|
|
|
2 ,7 /3 ,9 |
1 ,7 /1 ,9 |
|
|||
Алевролиты, аргиллиты |
аргиллиты |
|
2 ,9 /4 ,2 |
1 ,8 /2 ,1 |
|
||||
Песчаники, |
алевролиты, |
|
2 ,8 /4 |
1 ,7 5 /2 |
|
||||
|
• В числителе приведены значения |
коэф ф ициентов д л я |
второго |
г о |
|||||
ризонта, в зн ам ен ателе — д л я |
третьего. |
|
|
|
|
||||
12.3.3. Расчет утечек воздуха через выработанное пространство
Расчет утечек воздуха производится дифференциальными и ин тегральными методами. Дифференциальные методы основаны на определении величины утечек через последовательные элементы выработанного пространства. Для схемы, показанной на рис. 12.3, поток утечек в первом, малом по ширине элементе
1/ V |
+ 4Я,' |
Q2 |
+ - у *о ('о + М чл |
||
<7i = |
2 RÏ |
( 12.8) |
Рис. 12.3. Схема к расчету утечек воз духа через выработанное пространство дифференциальным методом
Рис. 12.4. Интегральные потоки уте чек воздуха через выработанные про странства
во втором элементе
- |
*$ + Y Ri + Щ |
+ - |- * о ('о + М (З л + ? i ) 2] /t п лч |
ç2 = |
Щ |
( 12-9) |
л—1
м 2 № .+*)* f=l
(12.10)
Здесь R'u R 2, Rn — линейные аэродинамические сопротивления (Н -с/м5) соответствующего элемента шириной Хо = Юч-20 м; #î, R"2t Rn — квадратичное аэродинамическое сопротивление того же элемента, Н с2/м8; R„ — аэродинамическое сопротивление лавы, Н-с2/м8; г0 и гв — соответственно аэродинамическое сопротивле ния 1 м откаточного и вентиляционного штреков, Н-с2/м9; Q„ — расход воздуха в лаве, м*/с.
Общие утечки определяются суммой утечек через отдельные элементы.
При более сложной конфигурации потоков утечек необходимо знать распределение линий тока в пределах выработанного про странства. Расчетные зависимости при этом усложняются.
Интегральные методы основаны на расчете общих утечек по направлению некоторого фиктивного потока.
Интегральные утечки для различных схем вентиляции опре деляются по-разному:
|
- R ' W R ' 1+ 4R-Q* (Rn + (r0 + г,) **). |
(12.11) |
|||||||||||||
|
Я ~ |
|
|
|
|
|
2 Я" |
|
|
|
’ |
||||
для |
прямоточной Z-образной схемы (рис. 12.4, б) |
|
|
||||||||||||
|
- |
Я' + //? '* |
+ |
|
4R"Ql (0,5ЯЛ+ v * ) _ |
( 12. 12) |
|||||||||
|
<7 - |
|
|
|
|
|
2Я’ |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
для |
возвратноточной |
U-образной |
схемы (рис. 12.4, в) |
|
|||||||||||
|
|
Я — |
|
|
|
|
2 R" |
|
|
|
» |
(12.13) |
|||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(12.14) |
||
|
|
|
|
R* = ^Pji^/Sn |
|
|
|||||||||
— аэродинамическое |
сопротивление |
лавы; |
а л — коэффициент |
||||||||||||
аэродинамического |
сопротивления |
|
лавы, |
Я с ^ м 4; |
Рл — пери |
||||||||||
метр лавы, м; S n — площадь |
|
поперечного |
сечения |
лавы, |
м2; |
||||||||||
R' и R" — соответственно интегральное линейное и квадратичное |
|||||||||||||||
аэродинамические |
сопротивления |
выработанного пространства, |
|||||||||||||
определяются по зависимостям: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
для возвратноточной П-образной схемы |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
п> _ |
aeL (х*)е |
|
|
|
(12.15) |
||||||
|
|
|
|
^ |
|
|
|
тх |
9 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
р „ |
|
Ьг>ЦхУ'\ |
|
|
(12.16) |
||||||
|
|
|
|
* |
~ |
|
|
т 2х2 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
для прямоточной Z-образной схемы |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
»# |
|
ае (х*)е |
|
|
( |
х* |
. |
L \ |
(12.17) |
|||||
|
* |
|
т l^L*"+ х2 |
U |
+ |
1 |
1 |
2 У’ |
|||||||
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
п>< __ |
Ье2(х*)с'2 |
/ |
2 |
|
| |
L |
(12.18) |
||||||
|
|
д |
“ |
m2 (L2 + хг) |
\ |
с + 2 |
_г 2 ) ’ |
||||||||
|
|
|
|
||||||||||||
для |
возвратноточной U-образной схемы |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
р, |
|
|
2r'Lxl |
|
|
|
(12.19) |
||||
|
|
|
|
* |
“ |
|
«(с+ 1)’ |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
R |
|
|
|
2r’Lxer/2 |
|
|
(1 2.2 0) |
||||
|
|
|
|
~ |
|
sa (с/ 2 |
+ |
1) |
* |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
s —• площадь фильтрационного |
потока, |
определяемая по |
зави |
||||||||||||
симости |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s = |
-g - (L / 2 |
+ |
xr + у |
4 |
+ |
L2/4); |
(1 2.2 1) |
||||||
х* — расстояние от точки приложения линии тока фиктивного потока к выработкам до лавы, определяемое по формулам:
148
|
|
|
X* = |
* • |
|
|
(1 2.2 2) |
|
|
|
|
* |
InX |
’ |
|
|
|
для прямоточной Z-образной схемы |
|
|
|
|||||
|
|
г* _ |
*— *0 . |
|
|
(12.23) |
||
|
|
|
|
In (x/xt) ’ |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
для возвратноточной |
U-образной |
схемы |
|
|
||||
|
|
Y * |
_ |
*Г--*0 |
|
|
(12.24) |
|
|
|
|
|
1п(хг/х0) |
’ |
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
где х — длина |
выработанного |
пространства вдоль |
штрека, м; |
|||||
х„ — начальный |
участок |
расширения |
фильтрационного потока |
|||||
на входе в выработанное пространство (х0 = 1 2 |
м); хг — глубина |
|||||||
проникновения фильтрационного потока, м (хг = |
0,7-H),8L); е — |
|||||||
средний коэффициент |
пористости |
выработанного пространства |
||||||
(е = 0,3-^0,4); |
L — длина |
лавы, м; |
т — мощность |
пласта, м; |
||||
с — эмпирический коэффициент.
При расчете утечек и подсосов воздуха через зоны обрушения шахт и рудников фильтрационные потоки воздуха обычно рас сматриваются как прямолинейные и расчет ведется аналогично расчету распределения воздуха в системе выработок с учетом двучленного закона сопротивления в зонах обрушения.
13.ГАЗОВАЯ ДИНАМИКА ШАХТ
13.1.Общие положения
Газовая динамика шахт — раздел шахтной аэрологии, изуча ющий процессы выделения и переноса газообразных примесей воздуха в шахтах. Основывается на общих законах массопереноса.
Процессы газовыделения и газопереноса в шахтах образуют единый класс шахтных газодинамических процессов.
Концентрация, или содержание, газа в воздухе — отношение количества газа Кг к количеству газовоздушной смеси /Сем в не котором объеме.
Применяются следующие способы выражения концентрации.
Долевая концентрация:
в долях единицы
С= |
Кг/Ксм, |
(13.1) |
в процентах |
|
|
с = |
100/Сг//Ссм. |
(13.2) |
Если количество газа и газовоздушной смеси выражается в еди ницах объема, то концентрация называется объемной долевой, если в единицах массы — массовой долевой.
Соотношение между массовой долевой концентрацией см и
объемной |
долевой соб: |
|
|
|
См = |
собРг/Рсм> |
(13.3) |
где рГ1 |
рсм —соответственно |
плотность газа |
игазовоздушной |
смеси. |
|
|
|
Массовая концентрация имеет размерность М газа/L* газо воздушной смеси (мг/л, мг/м3).
Соотношение между плотностью газовоздушной смеси и кон
центрацией газа |
в ней: |
|
|
И Л И |
Сем = (Ром |
Рв)/(Рг Рв)» |
(13.4) |
|
|
|
|
|
Рсм = Рв |
ДрССМ1 |
(13.5) |
где рв, рг— соответственно плотность воздуха и газа; |
|||
|
Ар = Рв — Рг- |
|
|
13.2. Процессы |
газовыделения |
|
|
Источники газовыделения в |
шахтах:газоносные |
горные по |
|
роды, насыщенные газами подземные воды, химические процессы (окисление, взрывы ВВ и др.), работа двигателей внутреннего сгорания, дыхание людей, некоторые другие.
Метановыделение с обнаженной поверхности угольного пласта go затухает во времени t (рис. 13.1); оно описывается зависи мостью, близкой к экспоненциальной. В табл. 13.1 приведены формулы для расчета этого вида метановыделения (gn0 — интен сивность начального (в первый момент после обнажения) газо выделения; t — время с момента обнажения).
Выделение углекислого газа с обнаженной поверхности уголь ного пласта в условиях восточной части Донбасса в первый период после обнажения возрастает, затем падает. Для лавы газовыделе-
ние, м3/(сут-100 м3), описывается выражением |
|
gn = gu* exp [0,5jc0.5^r-i.6 (2,244 - х°-74 2)], |
(13.6) |
где gno — начальное газовыделение со 100 м3 обнаженной поверх ности пласта через 0,5—4 ч после обнажения, м3/сут; gn0= 0,42х,.48х хф0,74; х — газоносность; мг/г горючей массы; ¥ — число трещин
5п,л/(минм2)
Рис. 13.1. График газовы деления с обнаженной по верхности угольных пластов:
1 , 1 — для пластов Н\о, Мо^До нецкнй бассейн); 3, 4, 5 — для
пластов k ltt k l t , k xо (Караган динский бассейн)
0 |
2 |
4 |
6 |
8 t, мес |