Аэрология

S
2 3 Ч Г^Р 10 11 12

кг

ж-

Сравнение С U С Цоп

Г

С < mcdm

RL

—»-

Сравнение ffL Ufa HP

RL^nRiKp

—»»

"c

0^й с S

i{D

,

6

С>тСдоп

'

Ri>nRihp

7

'

'■

■

*

J * ■

8

1uc >0uc

^1

Рис. 15.18. Алгоритм расчета расхода воздуха динамическим методом
Можно также пренебречь и переносом перпендикулярно к ос­новному движению в плоскости, параллельной газоотдающей по­верхности. Например, при газовыделении с плоскости г = 0 можно пренебречь разностью газовых потоков в направлении оси Оу, т. е.
(d/dy)[(D_Jy + D_K)(dc/dy)]ttO.
Тогда из уравнения (15.42) получим
а_с (дс/дх) = (д/dz) [ФД + D_M) (дс/дг)]. (15.56)
Уравнение (15.56) необходимо решать совместно с уравне­нием движения и с учетом выражения (15.53). Решение осуще­ствляется по схеме, показанной на рис. 15.18. Вначале принима­ется нулевое приближение
где £=1/с_доп — коэффициент разбавления газа; с_доп — допустимая концентрация газа в выработке; S — поперечное сечение выра­ботки.
Затем определяется профиль концентрации с (г) и произво­дится сравнение концентрации в профиле с ее допустимым зна­чением Сдоп- Если везде с^/пс_ДОп (где т< 1 — коэффициент на­дежности), то для диффузии пассивной примеси расчет заканчи­вается. В качестве средней скорости принимается ₀и_с. Если же где либо с>тс_ДОп (позиция 6 на рис. 15.18), то расчет повторя^-ется при других значениях коэффициентов трения газоотдающей поверхности a_w и выработки в целом ао, высоты выработки Я или средней скорости движения воздуха и_с. Если вариация этими па­раметрами не дает требуемого уменьшения концентрации, то не­обходимо применять дегазацию, т. е. уменьшить газовыделение. Для активных газов, если условие 4 (см. рис. 15.18) соблюдено, то вычисляются значения числа Ричардсона по всей области те­чения, которые сравниваются с его критическим значением. Если Ri^ftRi_Kp (м<1—коэффициент надежности), то расчет заканчи-
229

вается. В качестве средней скорости принимается минимальное значение и_с, обеспечивающее выполнение условия 4. Если же Ri>ftRi_KP, то расчет повторяется при измененных параметрах вен­тиляции (cc_w, ceo, Я, и_с, /). Для пассивных газов расчет ведется по цепочке /—2—3—4—5 с вариацией параметрами 7 и 8 при необходимости, а для активных газов — по цепочке 1—2—3—4— 9—10—11—12 с вариацией параметрами 7 и 8. Если в выработку воздух поступает с некоторой начальной концентрацией газа, по­следняя должна суммироваться с расчетной концентрацией. Ди­намический метод, основанный на законах газовой динамики, це­лесообразно использовать при больших газовыделениях. При малых газовыделениях с достаточной надежностью может быть применен статический метод.
15.7. Подобие газодинамических процессов
Шахтные газодинамические процессы протекают в движущемся воздухе. Поэтому при их моделировании необходимо прежде всего соблюсти подобие движения воздушных потоков. Это подобие оп­ределяется геометрическим и кинематическим подобием, а также критериями динамического подобия. Кроме аэродинамического по­добия, при моделировании газодинамических процессов необхо­димо соблюдение газодинамического подобия, которое слагается из подобия процессов газопереноса и подобия начальных и гранич­ных условий (условие однозначности). Смысл подобия процессов газопереноса состоит в равенстве отношений соответствующих по­токов газа в натуре и модели. Критериями газодинамического по­добия являются:
молекулярный критерий Пекле
Pe_M = u_cD/D_M, (15.57)
характеризующий отношение конвективного и молекулярного по­токов газа;
турбулентный критерий Пекле
Pe_T^u_cD/D_T, (15.58)
характеризующий отношение конвективного и турбулентного диф­фузионного потоков газа,
где и_с— средняя скорость воздуха в поперечном сечении вы­работки, м/с; D — гидравлический диаметр выработки, м; D_UD_T — коэффициенты соответственно молекулярной и турбулентной диф­фузии, м²/с.
Молекулярный критерий Пекле характеризует соотношение конвективного и молекулярного потоков, а турбулентный — со­отношение конвективного и турбулентного диффузионного потоков.
В качестве критериев однозначности, характеризующих гра­ничные условия, принимаются либо средняя по сечению концен-230
грация Газа на входе (выходе) в объект, либо средний поток газа в выработку с ее поверхности, либо критерий Нуссельта
Nu = <7cD/D_M, (15.59)
где q_c — средний поток газа в выработку с поверхности.
Критерий Nu характеризует отношение потока газа в выра­ботку с ее поверхности к молекулярному диффузионному потоку газа. Так как на поверхности выработки существует только моле­кулярный диффузионный перенос (движение воздуха на поверх­ности отсутствует), критерий Нуссельта характеризует также от­ношение скорости подвода газа к потоку к скорости его отвода от поверхности выработки в поток.
При моделировании можно использовать критерии подобия, получающиеся от перемножения или деления газодинамических и аэродинамических критериев:
молекулярный и турбулентный критерии Прандтля
Pr_M = v/D_M; Pr_T = v/D_T; (15.60)
молекулярный и турбулентный критерии Фурье
Fo_M - IWD; Fo_t - D_tt/D, (15.61)
где v—кинематический коэффициент вязкости воздуха, м²/с; т — продолжительность протекания газодинамического процесса, с.
Критерии Прандтля характеризуют отношение сил вязкого (молекулярного) трения к молекулярному или турбулентному га­зовому потоку газа, а критерии Фурье — отношение молекуляр­ного или турбулентного потока газа к средней скорости на объ­екте. Критерии Фурье являются критериями нестационарного га­зопереноса.
Приведенные критерии являются основными критериями га­зодинамического подобия. Из дополнительных критериев исполь­зуется число Ричардсона.
16. ПРОЦЕССЫ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ В ШАХТАХ
16.1. Газовыделение с обнаженной поверхности горного массива
Газовыделение с обнаженной поверхности горного массива имеет место при вскрытии газоносных пород. Движущей силой газовы­деления является разность давлений газа в массиве и воздуха в выработке. Интенсивность газовыделения тем больше, чем больше давление газа в массиве и чем больше его газопроницае­мость. Наиболее характерным является процесс выделения ме­тана с обнаженной поверхности угольного пласта. В первые 1— 2 мес после обнажения пласта интенсивность выделения метана быстро уменьшается, после чего темп ее уменьшения замедля­ется (рис. 16.1). Продолжительность периода после обнажения массива, по истечении которого выделение газа с обнаженной
23J

0,00 0,01
	.
	V

5,0

Z,5

z

1

О

3

4

6

7

^л/mun

	-3
4 "Л	\У^5
2

9 г^мес
Рис. 16.1. График изменения во времени t интенсивности метановыдсления / с 1 м² обнаженной поверхности угольных пластов:
U 2 ~ соответственно для угольных пластов h_lQ и h_l(/ (в Донбассе); 3, 4, 5 — соответст­венно для угольных пластов /С,₈, Ки, К_№ {в Карагандинском бассейне)
поверхности прекращается, называется периодом дрениро­вания, который для угольных пластов находится в пределах 6—12 мес. В результате газовыделения из массива в последнем образуется зона дренирования, газоносность которой меньше газоносности нетронутого массива. Последняя изменяется от некоторой минимальной величины на кромке обнажения мас­сива до газоносности нетронутого массива на внутренней границе зоны. Глубина этой зоны от плоскости обнажения изменяется во времени и достигает максимальной величины по истечении пе­риода дренирования. Для угольных пластов она находится в пре­делах 30—40 м.
16.2. Газовыделение из отбитой горной массы

2*+0t,M\iH

60

1Z0 то

о

/,м*/г

Рис. 16.2. График изменения во вре мени t интенсивности метановыде ления / из отбитого угля
232

Процесс газовыделения из отбитой горной массы аналогичен про­цессу газовыделения с обнаженной поверхности горного массива. Так, рассматривая кусок отбитой газоносной породы как неболь­шой массив, можно предположить, что газовыделения из отби­того куска и массива должны быть качественно подобны и от­личаться лишь количественно. Опыт подтверждает это предпо­ложение. Газовыделение из ку­ска отбитой горной массы вслед­ствие его малых размеров менее интенсивно, чем из массива, и за­тухает значительно быстрее. Так, за первые 10 мин после отделе­ния угля от массива интенсив­ность газовыделения уменьша­ется примерно в 2 раза (рис. 16.2). Интенсивность газовыде­ления и продолжительность его
затухания тем меньше, чем меньше размеры кусков отбитой гор­ной массы. Период дренирования отбитого угля составляет 10— 12 ч. Метановыделение из отбитого угля в начальный момент после отделения его от массива зависит от начальной газоносно­сти угля, его физико-механических свойств, крупности кусков и составляет 0,02 м³/(т • мин) и более.
16.3. Газовыделение при взрывных работах
При взрывных работах происходит выделение газов, образую­щихся в результате взрывного разложения ВВ (газы ВВ). Если взрывные работы ведутся в газоносных породах, то после взрыва в выработке наблюдается повышенное выделение содержащихся в породах газов. Газы ВВ выделяются в выработку мгновенно, заполняя ее на некоторое расстояние от места взрыва, называе­мое зоной отброса газов, длина которой для тупиковой выработки (м) определяется по формуле А. И. Ксенофонтовой

(16.1)
L_OT = 15 + 5/5,
где В — количество одновременно взрываемого ВВ, кг.
Из формулы (16.1) видно, что длина зоны отброса газов за­висит от количества одновременно взрываемого ВВ (чем больше количество одновременно взрываемого ВВ, тем больше образу­ется газов ВВ и тем на большее расстояние от забоя они отбра­сываются при взрыве). Количество газов (м³), выделяющихся при взрыве, зависит от расхода ВВ и его газовости и определяется по формуле
/ = В/в.в, (16-2)

газов, выделяющихся при Jt M^3/^MUH 6
9 Z	^	-—

где /_в-в — газовость ВВ — количество взрыве 1 кг ВВ (при взрывании угля /_в. в= ЮО; при взрывании породы
/в. в = 60), Л.
Большая газовость ВВ при взры­вании угля по сравнению с газо-востью ВВ при взрывании породы объясняется взаимодействием про­дуктов взрыва с углем.

О /0 20 30 ^0 <Ш,мин
Рис. 16.3. График изменения во времени t интенсивности метановыделения / в приза-бойнуго часть тупиковой вы­работки, проводимой в уголь­ном пласте,
833

При взрывании газоносных пород в выработку выделяется также до­полнительное количество содержа­щегося в породах газа (например, метана). В первый период после взрыва происходит резкий рост ин­тенсивности газовыделения в выра­ботку (рис. 16.3). Это объясняется по­явлением свежих обнаженных поверх­ностей газоносных пород, с которых

интенсивность газовыделения выше, чем со старых, и дополни­тельным газовыделением из отбитой горной массы. После до­стижения максимального значения интенсивность газовыделения в выработку начинает уменьшаться. Характер этого уменьше­ния аналогичен характеру изменения во времени газовыделе­ния с обнаженной поверхности горных пород (см. рис. 16.1) и из отбитой горной массы (см. рис. 16.2). Через некоторое время ин­тенсивность газовыделения в выработку достигает уровня, су­ществовавшего до взрыва.