Аэрология

О
Рис. 15.9. График времени t расхода концентрации газа
скоплений газа

о -ь

изменения во воздуха Q и с при наличии

Рис. 15.8. График изменения во вре­мени t расхода воздуха Q и концепт-рации газа с при отсутствии скоп­лений газа

Си
Ч				\ v					|\
С]				1			1		1
	I			^		I	1	F	L1
				! 1 1 i i			i ■ 1 i i		- 1 1 1

О tj Ь_г t
Рис. 15.10. График изменения во времени / концентрации метана с при работе (II) и остановке (/) добычного комбайна
нарном режиме, а также газовыделение из участков выработан­ного пространства, расстояние которых до начала вентиляцион­ного штрека постоянно).
При изменяющемся режиме вентиляции (при переменном расходе воздуха в выработке) нестационарные процессы газопе­реноса могут носить двоякий характер. Если на пути движения воздуха (в выработках и выработанном пространстве) нет скоп­лений газа, то изменение расхода воздуха сразу вызывает изме­нение концентрации газа (рис. 15.8). Если же на пути движения воздуха имеются скопления газа, то изменение режима венти­ляции может привести к неожиданным последствиям. Так, уве­личение расхода воздуха может вызвать увеличение концентра­ции газа, а уменьшение расхода воздуха — уменьшение концен­трации газа (рис. 15.9). При этом концентрация газа изменяется вначале в одном направлении, а затем, достигнув точки экстре-
219

мума (максимума или минимума), изменяется в другом направ­лении (например, вначале увеличивается, а затем уменьшается).
Процессы газопереноса при рециркуляции происходят при местном проветривании тупиковых выработок и работе подземных вспомогательных вентиляторов. Различают монотонные, экстре­мальные, периодические и переходные нестационарные газодина­мические процессы.
Характеристики монотонных процессов изменяются во времени только в одном направлении (например, концентрация газа только уменьшается или только увеличивается). Примером их являются процессы проветривания выработки после взрывных работ, газо­переноса при рециркуляции и истощении источников газовыделе­ния (при газовыделении из отбитой горной массы, с обнаженной поверхности за длительный период и др.), изменении нагрузки на лаву, включении или отключении дегазации и др.
Характеристики экстремальных процессов проходят через точку экстремума (например, концентрация газа может вначале увеличиваться, а затем уменьшаться). Такие процессы могут про­исходить в угольных шахтах при изменении режима вентиляции, а также при работе и периодических остановках комбайна.
Периодические процессы характеризуются периодическим уве­личением и уменьшением интенсивности газовыделения и анало­гичным изменением концентрации газа в воздухе (рис. 15.10). Причинами таких процессов являются периодическое изменение ин­тенсивности технологических процессов (работа добычных или проходческих комбайнов по газоносному пласту с периодическими остановками), периодический выпуск руды из магазина после взрывной отбойки, сопровождающийся выделением содержащихся в пустотах между отбитой рудой газов ВВ, периодическое чере­дование процессов по отбойке угля с другими производственными процессами (крепление, настилка пути). Периодически изменя­ется общешахтное газовыделение при периодическом изменении производительности шахты. Так как при периодическом процессе интенсивность газовыделения (или концентрация газа) периоди­чески проходит через точки максимума и минимума, такой про­цесс является разновидностью экстремального газодинамического процесса.
Переходный процесс имеет место при переходе условий, опре­деляющих его течение, из одного стационарного состояния в дру­гое. Переходными могут быть как процессы газовыделения, так и процессы газопереноса. Последние имеют особое значение при ор­ганизации автоматического управления вентиляцией в газовой шахте.
Рассмотренное выше деление газодинамических процессов на стационарные и нестационарные является условным. Любой га­зодинамический процесс, взятый за большой промежуток вре­мени, претерпит изменения. Эти изменения определяются углубле­нием горных работ, изменениями технологии добычи полезного ископаемого, геологических условий при развитии горных работ 220
производительности шахты и другими факторами. Если изменения в газодинамическом процессе несущественны в течение какого-либо интервала времени, то процесс можно считать стационар­ным, который подлежит определению в каждом конкретном случае.
15.4. Диффузия активных газов
Рассмотрим поток воздуха в наклонной выработке (рис. 15.11), плотность которого вследствие происходящих в нем процессов диффузии изменяется, увеличиваясь от кровли к почве. Выделим в потоке некоторый элементарный объем со (см. рис. 15.11), на­ходящийся в данный момент в слое / плотностью р_ь Пусть в сле­дующее мгновенье он переместился под действием пульсацион-ной скорости в слой 2 с плотностью р₂, причем p₂1 и 2 равно или меньше длине пути перемешивания /, т. е. объем со в слое 2 сохраняет еще свою ин­дивидуальность и его плотность примерно равна р_ь Тогда вслед­ствие разности плотностей смеси в объеме <_о и в окружающих его объемах появится направленная вертикально вниз (по на­правлению свободного падения) выталкивающая сила, которая будет стремиться вернуть объем со в исходное положение. Эта сила, отнесенная к единице объема, выразится в виде
/ = g(Pi-p₂), (15.47)
где g— ускорение свободного падения.
Эта сила будет действовать на объем со на всем пути переме­щения из слоя 1 в слой 2.

Рис. 15.11. Схема, поясняющая действие объемных сил при диффузии активного газа

Проекция силы / на ось Ог, равная f_Zt действуя против пуль-сационной скорости, перемещающей объем со, как бы уменьшает ее на некоторую величину vj, которая не зависит от направления пульсационной скорости v_n. При перемещении объема со вниз под действием пульсационной скорости сила f_z также будет препят-

ствовать его движению. Величина ее не изменится, но направлена она будет вверх, т. е. по-прежнему против пульсационной скоро­сти. Приведенные выше рассуждения касались случая, когда плотность потока возрастала от кровли к почве. При уменьшении плотности от кровли к почве те же объемные силы будут способ­ствовать перемещению объема со под действием пульсационных сил, так как их направление будет совпадать с направлением пульсационной скорости, под действием которой происходит пе­ремешивание газов в направлении оси Ох. Поэтому диффузион­ная скорость, под действием которой происходит диффузия ак­тивного газа, выразится в виде
v_M = v_n±Vf. (15.48)
Знак минус в выражении (15.48) принимается при увеличении плотности потока от кровли к почве, знак плюс — при его умень­шении в том же направлении. Выражение (15.48) справедливо и в случае использования среднеквадратичной скорости, т. е.
v_M. с^Уп. c±:Vf_C. (15.49)
При Vf>0, когда плотность потока уменьшается от кровли к почве, объемные силы способствуют перемешиванию газа в на­правлении, перпендикулярном к основному движению; при Vf<0, когда плотность потока увеличивается от кровли к почве, они препятствуют перемешиванию. Уменьшение интенсивности пере­мешивания при v_f<0 является результатом уменьшения попереч­ных пульсационных скоростей, а при постоянной средней скорости потока — результатом уменьшения интенсивности турбулентности. Если отрицательная скорость Vf по абсолютной величине равна пульсационной о_ш то согласно выражению (15.48) v^ = 0 и ин­тенсивность турбулентности (e = v_M/u_c) равна нулю, т. е. в этом случае происходит затухание турбулентности под действием объ­емных сил. Вследствие этого резко уменьшается или совсем пре­кращается турбулентный перенос газа в поперечном направлении и создаются условия для его накопления у газоотдающих поверх­ностей. Затухание турбулентности характеризуется числом Ри­чардсона, определяемым по формуле