Аэрология

III. ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА В ШАХТАХ
14. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
В подземных горных выработках постоянно происходят процессы выделения различных вредностей (вредных и взрывчатых газов, пыли, тепла). Поступая в воздушный поток, вредности рассеива­ются в нем и выносятся из шахты. При этом газы частично сор­бируются на тнердых поверхностях, а пыль осаждается на по­верхности выработок. В итоге поступившие в горные выработки вредности перемещаются в них воздушным потоком. Процесс их перемещения называется процессом переноса. В основе процессов переноса лежат общие законы переноса субстанции. Подробно за­кономерности переноса отдельных видов вредностей рассматрива­ются в соответствующих разделах. Характер протекания процес­сов переноса существенно зависит от условий выделения вредно­стей. Так, если вредность выделяется только в забое, то при дальнейшем переносе по выработкам ее концентрация может уменьшаться (вследствие рассеивания) или оставаться постоян­ной по длине выработок. В поперечном сечении выработок на до­статочном удалении от забоя вредность будет распределена рав­номерно. Если же вредность будет поступать в воздушный поток не только из забоя, но и из следующих за ним по струе вырабо­ток, то ее концентрация по мере удаления от забоя будет увели­чиваться, а в поперечном сечении она будет более высокой у вы­деляющих вредность поверхностей, чем в средней части потока. Распределение концентрации вредностей в воздушном потоке за­висит и от закономерностей их выделения по длине выработок и во времени. Поэтому изучение процессов переноса вредностей не­возможно без изучения процессов их выделения. С некоторой ус­ловностью можно сказать, что процесс переноса начинается с процесса выделения. В горных выработках к процессам выделе­ния вредностей относятся процессы газовыделения, пылепоступ-ленпя и теплообмена между их поверхностью и воздушным по­током.
Процесс переноса зависит также от свойств переносимых вред­ностей. Так, при переносе газов существенное значение имеет их плотность. В выработках, где выделяются легкие или тяжелые газы, процессы переноса могут быть затруднены, что может (в свою очередь) привести к скоплению легких газов у кровли, а тяжелых у почвы. Окислы азота хорошо растворяются в воде, что следует учитывать при изучении их переноса в обводненных выработках и использовании орошения. При изучении процессов переноса пыли следует учитывать ее осаждение под действием силы тяжести, коагуляцию при соударениях частиц пыли в про­цессе движения и электризацию. Теплообмен горных пород с воз-
201

духом вызывает изменение плотности воздуха, что оказывает влияние на процесс переноса тепла в воздушном потоке.
Большое влияние на процессы переноса оказывает режим дви­жения воздуха. При ламинарном режиме имеет место преимуще­ственно продольный перенос вредностей (вредности в глубь по­тока почти не распространяются). В результате создаются благо­приятные условия для накопления вредностей у выделяющих их поверхностей горных выработок. Такое накопление вредностей создает опасности и снижает эффективность использования воз­духа, так как центральные части потока почти не участвуют в разбавлении и выносе вредностей. Турбулентный режим дви­жения воздуха более эффективный. Турбулизация воздушного потока усиливает поперечный перенос вредностей и способствует более равномерному их распределению в поперечном сечении потока. Опасность накопления вредностей у поверхностей выра­боток при этом уменьшается и увеличивается эффективность ис­пользования воздуха. Минимально допустимые скорости движе­ния воздуха в выработках всегда обеспечивают турбулентный ре­жим движения.
Различают конвективный перенос вредностей, молекуляр­ный перенос (при котором перемешивание вредностей с чистым воздухом происходит на молекулярном уровне), т. е. молекуляр­ную диффузию (от латинского «диффузио» — растекание), и тур­булентный перенос (при котором происходит перемешивание отдельных объемов чистого воздуха и воздуха, содержащего вред­ности), т. е. турбулентную диффузию. Интенсивность конвектив­ного переноса зависит от средней скорости движения воздуха. С увеличением последней интенсивность конвективного переноса увеличивается. Интенсивность молекулярной диффузии зависит от свойств диффундирующих сред, интенсивности теплового движе­ния молекул, градиента концентрации вредности. При увеличении температуры сред и градиента концентрации вредности интенсив­ность молекулярной диффузии возрастает. Интенсивность турбу­лентной диффузии зависит от свойств диффундирующих сред, интенсивности турбулентности воздушного потока, градиента кон­центрации вредности, условий ее выделения в выработку. С уве­личением турбулентности и градиента концентрации вредности интенсивность турбулентной диффузии возрастает. При выделе­нии легкого газа и тепла из почвы и тяжелого газа из кровли она увеличивается. При выделении тяжелого газа из почвы и легкого газа и тепла из кровли она уменьшается. Интенсивность турбу­лентного переноса на несколько порядков выше интенсивности молекулярного переноса вследствие значительно большей интен­сивности обмена объемами субстанции, чем молекулами. Кон­вективный перенос при нормальной скорости движения воздуха в выработках является наиболее интенсивным. Однако при малой скорости движения воздуха он может оказаться сравнимым с тур­булентным переносом, если турбулизация потока воздуха под­держивается па высоком уровне.
202
Перенос каждой вредности имеет свои особенности, что вызы­вает необходимость выделения их в самостоятельные разделы (шахтная газовая динамика, шахтная пылевая динамика, шахт­ная термодинамика).
Шахтная газовая динамика — раздел аэрологии шахт, изучаю­щий законы выделения и переноса газообразных примесей руд­ничного воздуха в шахтах.
Шахтная пылевая динамика — раздел аэрологии шахт, изучаю­щий законы выделения и переноса пыли в шахтах.
Шахтная термодинамика — раздел аэрологии шахт, изучаю­щий законы теплообмена и распространения тепла в воздушных потоках шахт.
15, ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ШАХТНОЙ ГАЗОВОЙ ДИНАМИКИ
15.1. Физические характеристики шахтных газодинамических процессов
Процессы выделения и переноса газов в шахтах вентиляцион­ными потоками называются шахтными газодинамическими процес­сами. Основными физическими характеристиками этих процессов являются интенсивность газовыделения, концен­трация газа в воздухе, газовый поток, коэффи­циенты диффузии.
Интенсивностью газовыделения называется количество газа (м³), выделяемое в воздух источником газовыделения в единицу времени. Для рассредоточенных источников газовыделения она от­носится к единице поверхности или длины выработки.
Концентрация (или содержание) газа (доли единицы, сте­пень насыщенности воздуха газом) определяется по формуле