18-12-2012_19-20-01 / Аэрология горных предприятий_Лекция_6

Аэрология горных предприятий

Лекция №6

Тема: Основы аэрогазодинамики и динамики аэрозолей горных выработок

Задача вентиляции любых объектов, включая шахты, состоит в подаче чистого воздуха и удалении его, насыщенного различными вредными примесями, и прежде всего газами. При этом основными процессами вентиляции являются перемешивание и вынос газов потоком воздуха. Вентиляция тем эффективнее, чем тщательнее происходит перемешивание газообразных примесей с воздушным потоком и чем быстрее осуществляется их удаление. Замедление этих процессов ведет к накоплению газов в выработках, вызывающему опасные последствия. Поэтому знание основных законов процессов газовыделения и газопереноса в шахтах и умение управлять ими является определяющим в деле организации эффективной вентиляции шахт.

Газодинамические процессы в шахтах разнообразны и определяются природными условиями и характером производственных процессов, связанных с технологией ведения горных работ и применяемой механизацией. Однако, несмотря на свое разнообразие, шахтные газодинамические процессы имеют единую физико-механическую основу. При их изучении используются единые методы описания и анализа. Им присущи следующие особенности, определяемые спецификой горного производства:

-протекание процессов в объемах, одно измерение которых превосходит остальные (штрекообразные выработки, лавы, большинство камер);

-нестационарность в пространстве и времени источников газовыделения;

-наличие газодинамически активных выработанных пространств;

-высокая и неравномерная шероховатость воздухопроводов.

Эти особенности позволяют выделить группу шахтных газодинамических процессов.

Газовая динамика шахт Газовая динамика шахт – раздел шахтной аэрологии, изучающий процессы

выделения и переноса газообразных примесей воздуха в шахтах. Ее целью является обеспечение надлежащей эффективности шахтной вентиляции, позволяющей устойчиво поддерживать требуемую чистоту воздуха в горных выработках. Основная задача газовой динамики шахт – установление закономерностей выделения и распространения газообразных примесей в горных выработках. Практическими результатами изучения этих закономерностей являются методы расчета воздуха для вентиляции горных выработок, методы оценки возможной нагрузки на забои по газовому фактору, параметры контроля и управления вентиляцией и некоторые другие.

В газовой динамике шахт для анализа газодинамических процессов используется два основных метода – дифференциальный и интегральный. Физической основой обоих методов является закон сохранения массы.

Дифференциальный метод базируется на изучении локальных свойств газодинамических процессов и поэтому в нем используются локальные, то есть относящиеся к весьма малому объему пространства, характеристики процесса. Математическим аппаратом этого метода являются дифференциальные уравнения, описывающие процесс «в точке», с соответствующими краевыми условиями. Решение этих уравнений обычно определяет концентрацию газообразной примеси как функцию координат и времени. Дифференциальный метод является наиболее корректным и точным, но и наиболее сложным, поскольку требует знания локальных турбулентных характеристик вентиляционных потоков. В ряде случаев он может быть успешно заменен интегральным методом.

Интегральный метод базируется на изучении газодинамических процессов в определенных конечных объемах (призабойная зона тупиковой выработки, очистной забой и пр.). Поэтому в нем используются усредненные характеристики процесса, определяющие газодинамическое состояние рассматриваемых объемов в среднем (средняя концентрация в объеме, на выходе или на выходе из него, средняя скорость движения воздуха, высота, ширина, длина выработки, ее объем и др.). Использование осредненных характеристик обусловливает относительную простоту математического аппарата и получаемых решений. Но это определяет в принципе его меньшую корректность и точность, хотя в ряде случаев он дает вполне удовлетворительные результаты. Интегральный метод более «практичен», поскольку позволяет довольно просто получать осредненные параметры процесса, являющиеся основой современных методов проектирования и контроля вентиляции шахт.

Следует сделать допущение, что используемый для проветривания горных выработок воздух является однородной средой. Другими словами его химические компоненты перемешаны равномерно. Газообразной примесью такого воздушного потока будет считаться любой газ, поступающий в него. В частности, ими могут быть те же газы, которые входят в состав шахтного воздуха.

Газообразные примеси шахтного воздуха по их динамическим свойствам можно разделить на два класса – пассивные и активные.

Пассивной газообразной примесью является газ, присутствие которого в воздушном потоке не изменяет его диффузионные свойства. Активной примесью называется газ, присутствие которого в воздушном потоке может изменять его диффузионные свойства. Степень изменения диффузионных свойств потока зависит от условий диффузии (степени неравномерности распределения примеси в потоке, скорости потока, интенсивности его турбулентности и пр.), а также от физических свойств газа. Одной из основных физических характеристик газов, определяющих их динамическую активность,

является их плотность. Активными примесями обычно бывают газы, плотность которых существенно отличается от плотности воздуха. В шахтных условиях это метан и углекислый газ.

Различают два основных газодинамических процесса: газоперенос и газовыделение.

Процессом газопереноса называют процесс распространения газа в воздушном потоке, процессом газовыделения – процесс истечения газа в рассматриваемое пространство (выработку, выработанное пространство и пр.) или процесс его поглощения.

Процесс газовыделения определяет граничные условия процесса газопереноса.

Концентрация (содержание) газа в воздухе – отношение количества газа к количеству газовоздушной смеси в некотором объеме.

Концентрация газа может выражаться в долях единицы. В этом случае она определяется по формуле

kсм

где kг – количество газа, содержащееся в газовоздушной смеси; kсм – количество газовоздушной смеси.

Если количество газа и смеси выражаются в объемных единицах, концентрация, определяемая по (1), называется объемной; если эти же количества выражаются в единицах массы, концентрация называется массовой. Определяемые таким образом концентрации являются величинами безразмерными.

В практике используют концентрацию, определяемую также из выражения (1), в котором kг берется в единицах массы, а kсм – в единицах объема. Она имеет размерность мг/л или мг/м3.

Концентрация может выражаться также в процентах; в этом случае она определяется по формуле

Процессы газовыделения Процессы газовыделения и газопереноса в шахтах образуют единый класс

шахтных газодинамических процессов.

Источники газовыделения в шахтах: газоносные горные породы, насыщенные газами и подземные воды, химические процессы (окисление, взрывы ВВ и др.), работа двигателей внутреннего сгорания, дыхание людей, некоторые другие.

Различают следующие виды газовыделения:

–с обнаженной поверхности угольного пласта;

–из отбитого угля;

–выделение газов взрывчатых веществ из отбитой руды

–из выработанного пространства добычных участков угольных шахт

–при работе двигателей внутреннего сгорания.

Метановыделение с обнаженной поверхности угольного пласта затухает во времени, описывается зависимостью, близкой к экспоненциальной. Выделение углекислого газа с обнаженной поверхности угольного пласта в первый период после обнажения возрастает, затем падает.

Рис. График газовыделения с обнаженной поверхности угольных пластов

Метановыделение из отбитого угля аналогично метановыделению с обнаженной поверхности пласта, однако затухает значительно быстрее, зависит от газоносности, проницаемости и фракционного состава отбитого угля. Абсолютные значения газовыделения для углекислого газа из отбитого угля невелики);

Рис. График газовыделения из отбитого угля

Газовыделение в тупиковой выработке слагается из газовыделения с обнаженной поверхности пласта и из отбитого угля, а также из газовыделения при взрывных работах. Величина его зависит от способа проведения выработки. При проведении выработки комбайнами основное газовыделение происходит из отбиваемого угля. После включения комбайна концентрация метана в забое нарастает до некоторого предела, при прочих равных условиях зависящего от эффективности вентиляции призабойного пространства.

Метановыделение в тупиковые выработки, проводимые с постоянной скоростью по угольному пласту, с обнаженных поверхностей пласта на определенном расстоянии от забоя является стационарным. Метановыделение с

единицы обнаженной поверхности (с единицы длины выработки) уменьшается от забоя к устью выработки; суммарное метановыделение с обнаженных поверхностей пласта нарастает от забоя к устью, достигая максимума на некотором расстоянии от забоя, соответствующем концу зоны дренирования.

g

I

g

Рис. График метановыделения в тупиковую часть: g – метановыделение с единицы длины выработки; I – суммарное метановыделение

При буровзрывном способе проведения выработок основное газовыделение происходит при взрывных работах. При этом в воздух выделяются метан (при проведении выработок по метаноносным пластам) и газообразные продукты разложения взрывчатых веществ.

Наибольшее количество метана выделяется из отбитого угля. Газовыделение зависит от газоносности, фильтрационных свойств пласта и количества отбиваемого угля. Газовыделение быстро нарастает в первый момент после взрыва (в 2–20 раз и достигает 6–9 м3/мин), через 0,5–4 ч оно снижается до первоначального значения.

Рис. График газовыделения в забое тупиковой выработки после взрыва

Бурение шпуров по углю вызывает увеличение газовыделения в призабойной зоне (10–20 м от забоя) до 10 %.

При погрузке отбитого угля концентрация метана возрастает иногда в 1,5 раза.

Метановыделение из выработанных пространств добычных участков угольных шахт происходит в вентиляционный штрек и призабойное пространство лавы. Метановыделение в вентиляционный штрек как функция расстояния от лавы может рассматриваться стационарным. Суммарное метановыделение из выработанного пространства в вентиляционный штрек

возрастает по мере удаления от лавы, стремясь к некоторому пределу, который обычно достигается на расстоянии 100–250 м в зависимости от способа управления кровлей, свойств вмещающих пород, наличия сближенных пластов, схем вентиляции. В некоторых случаях рост газовыделения наблюдается на расстоянии до 1000 м от лавы.

Метановыделение из выработанного пространства в лаву изменяется по ее длине и зависит от схемы вентиляции добычного участка и сопротивлений откаточного и вентиляционного штреков, а также сопротивления лавы.

Метановыделение в лаву происходит с обнаженной поверхности пласта, из отбитого угля и выработанного пространства. Суммарное метановыделение в лаву увеличивается в направлении от входа до выхода из нее вначале линейно, в конце возможен более быстрый рост.

Метановыделение при работе добычных комбайнов характеризуется быстрым увеличением в первые минуты после начала работы комбайна с последующей стабилизацией на более высоком уровне, который зависит от производительности комбайна. Иногда газовыделение после резкого увеличения в начале работы комбайна в последующем несколько снижается, а затем стабилизируется.

Метановыделение из выработанных пространств ранее отработанных этажей в угольных шахтах зависит от времени существования выработанного пространства, условий питания его газом (наличие сближенных пластов, их газоносность, удаленность, характер вмещающих пород и др.), условий вымывания газа (схема примыкания к выработкам, фильтрационные характеристики выработанного пространства, депрессия, под которой оно находится, и др.), размеров выработанного пространства. К примеру, в условиях Донбасса метановыделение из старых выработанных пространств продолжается до 10 лет.

Газовыделение при работе двигателей внутреннего сгорания зависит от конструкции двигателя, его состояния, мощности, режима работы, состава топлива.

Процессы газопереноса Количество вещества, переносимое воздушным потоком в единицу

времени через плоскость, площадь которой равна единице, называется потоком вещества (векторная величина).

Конвективный поток jк вызывается увлечением вещества воздушным потоком; проекции конвективного потока на оси координат:

где c – концентрация вещества в воздухе; u, v, w – проекции скорости воздушного потока на координаты оси.

Диффузионный молекулярный поток jм вызывается молекулярной диффузией вещества; проекции потока на оси координат:

где Dм – коэффициент молекулярной диффузии; зависит от свойств диффундирующих газов, их содержания, давления и температуры.

Диффузный турбулентный поток jт вызывается турбулентной диффузией

где Dтx, Dтy, Dтz – коэффициенты турбулентной диффузии в направлении соответсвующих осей координат. Dт зависит от свойств диффундирующих газов, их содержания, интенсивности турбулентности, угла наклона выработки, условий газовыделения в выработку.

Полный диффузионный поток

jп = jм + jт

Уравнение диффузии имеет вид

где f (x, y, z, t) – суммарная плотность источника вещества (называемая также функцией источника): количество вещества, выделяющегося в единицу объема потока за единицу времени.

Слоевые загазирования – относительно протяженная область вдоль кровли или почвы выработки с повышенным содержанием газа. Слоевые скопления – частный случай загазирования, сопровождающийся снижением интенсивности процессов переноса в пределах слоя.

Причины слоевого загазирования – высокая интенсивность газовыделения, низкая скорость движения воздуха, наличие зон рециркуляции. При диффузии активных газов в подобных условиях могут развиваться слоевые скопления.

Содержание метана в слоевых скоплениях может достигать 90–100 %, толщина слоя 0,7 м, протяженность его вдоль выработки – до 270 м.

Впределах слоя происходит уменьшение скорости воздуха, прекращение движения или его опрокидывание; явление усиливается в наклонных выработках. Скорость встречного движения метанового слоя может достигать 0,25 м/с.

Вслое уменьшается турбулентность, возможно ее полное вырождение и развитие ламинарного движения.

Условия образования слоевых скоплений: средняя скорость движения воздуха в выработке менее 0,5 м/с, повышенная высота выработки, суфлярные или другие интенсивные выделения газа в выработку, увеличение средней концентрации газа в потоке, наличие куполов в кровле, арочная форма сечения (для метана). Угол наклона выработки влияет неоднозначно.

Места слоевых скоплений метана: тупиковые выработки (призабойные участки), участки выработок в зоне неустановившегося горного давления, места повышенного газовыделения (суфлярных выделений, пересечения выработками зон геологических нарушений и пр.).

Для предупреждения слоевых скоплений средние скорости движения воздуха в выработке должны быть не менее 0,5–1 м/с; высота выработки должна быть возможно меньшей; активной мерой предупреждения скоплений является дегазация.

Рис. Схемы взвихривающих трубопроводов: а – через вмонтированные в трубопровод патрубки воздух выходит в виде свободных струй; б – направленный поток воздуха создается спиральным кожухом.

Рис. Схемы принудительной вентиляции подкровельного пространства с продольной перегородкой: 1 – перегородка; 2 - трубопровод

Способы разрушения слоевых скоплений: увеличение средней скорости движения воздуха в выработке; применение взвихривающих трубопроводов; применение вентиляторов местного проветривания; установка продольных перегородок вдоль кровли с принудительной вентиляцией подкровельного пространства и без принудительной вентиляции; установка направляющих щитков у кровли.

А

А - А'

А'

Рис. Схема установки направляющих наклонных щитков под кровлей выработки

Переходные газодинамические процессы Переходным называется процесс перехода из одного стационарного

газодинамического состояния в другое. Изменение условий протекания, вызывающее переходный процесс, называется возмущением; целенаправленное возмущение называется регулированием.

Степень изменения определяющего параметра называется глубиной возмущения, а время его изменения – продолжительностью возмущения.

Продолжительность переходного процесса – время, в течение которого устанавливаются значения характеристических величин (концентрация, газовыделения), соответствующие новым условиям.

Существует два основных типа переходных процессов: монотонные и экстремальные.

Рис. Типы переходных газодинамических процессов: а – монотонный; б – экстремальные: 1 – при резком уменьшении расхода воздуха; 2 – при резком увеличении расхода воздуха; 3, 4 – точки экстремума – соответсвенно максимума и минимума концентрации

Монотонным называется переходный газодинамический процесс, при котором концентрация газа (газовыделение) монотонно изменяется от уровня, соответствующего начальному состоянию условий, до уровня, соответствующего их конечному состоянию. Экстремальным называется процесс, при котором изменение условий связано с переходим концентрации газа (газовыделения) через точку экстремума (максимума или минимума).

Переходный процесс может быть комбинированным, то есть монотонным по концентрации газа и экстремальным по газовыделению или наоборот.

Основными характеристиками переходного процесса являются степень изменения концентрации газа и газовыделения в экстремальных точках процесса относительно их значений до возмущения и продолжительность переходного процесса.

Концентрация метана и метановыделение на добычных участках угольных шахт в экстремальных точках переходных процессов могут отличаться от начального в 4–5 раз. Степень увеличения концентрации газа и газовыделения обычно выше, чем степень их уменьшения.

Продолжительность переходных процессов может изменяться от нескольких минут до нескольких суток. Более кратковременны переходные процессы в выработках, более длительны – в выработанных пространствах.

Условия возникновения переходных процессов, монотонных по газосодержанию: абсолютное газовыделение в выработке не зависит от расхода воздуха (газовыделение из разрабатываемого пласта), выработки не граничат с резервуарами газа (лавы при отсутствии газовыделения в их выработанные пространства, выработки в целиках при отсутствии куполов и других мест скопления газа), в выработках нет слоевых скоплений газа. Примыкание к выработкам газообильных выработанных пространств создает особо благоприятные условия для развития экстремальных переходных процессов. При этом увеличение расхода воздуха вызывает увеличение газовыделения в выработки и, как правило, повышение концентрации газа в последних; уменьшение расхода воздуха оказывает обратное влияние.

Пылевая динамика шахт Движение пылевого аэрозоля в горных выработках

Аэрозолями называются дисперсионные системы с газообразной средой и твердой или жидкой дисперсной фазой.

При движении пулевого аэрозоля частицы перемещаются одна относительно другой и относительно неподвижных поверхностей. Уравнение движения частиц пыли