Исследование процесса массопереноса при пульсирующей вентиляции в выработанном пространстве

Основным средством создания нормальных атмосферных условий в шахтах является проветривание, в значительной мере содействующее повышению производительности труда горнорабочих. Роль вентиляции возрастает с увеличением производственной мощности шахт и переходом работ на глубокие горизонты, так как при этом повышается газоносность месторождений, растет число пластов, склонных к внезапным выбросам угля и газа, повышается температура горных пород, возрастает интенсивность выделения пыли, ухудшаются микроклиматические условия в горных выработках.

В связи с этим в шахты необходимо подавать большее количество воздуха при более значительном напоре, что вызывает увеличение его потерь. Поэтому и теоретическое, и практическое решение вопросов борьбы с утечками воздуха имеет важное значение при проектировании и осуществлении проветривания шахт. Изучение утечек воздуха в шахте представляет собой трудоемкую и сложную задачу, поставленную академиком А.А. Скочинским и созданными им научно исследовательскими институтами, разработку которой продолжил К.З. Ушаков.

При движении воздуха по горным выработкам некоторая часть его теряется, в виде утечек. К утечкам воздуха в шахтах относятся все потери воздуха (переходящего со свежей струи на испорченную), которые происходят по пути его движения от поверхности до очистных и подготовительных забоев.

Величина утечек зависит от следующих факторов:

• •    количества воздуха, поступающего в шахту;

• •    производственной мощности шахты;

• •    газообильности шахты, определяющей в основном необходимое количество воздуха;

• •    глубины ведения работ.

Влияние других возможных факторов еще не исследовано в должной мере, что не позволяет с уверенностью говорить об их значительности.

Различают утечки местные и непрерывно распределенные. К первым относятся утечки в околоствольном дворе и через вентиляционные сооружения (перемычки, вентиляционные двери, шлюзы, кроссинги, надшахтные здания и т.п.), ко вторым — утечки через выработанное пространство участка, бутовые полосы, ограждающие горные выработки и параллельные выработки. Учесть влияние утечки воздуха через какое-либо сооружение на обеспеченность воздухом очистных забоев или увеличение сечений выработок простым математическим аппаратом невозможно – степень такого влияния зависит от места утечки в вентиляционной системе.

Величина утечек через выработанное пространство участка зависит от мощности разрабатываемого пласта, физико-механических свойств боковых пород, обводненности месторождения, способа управления горным давлением, состояния воздухопроводящих выработок, величины общешахтной депрессии и т.п. Считается, что наиболее интенсивные утечки воздуха через выработанное пространство происходят на расстоянии 100 – 200 м от лавы.

При расчете количества утечек воздуха через выработанное пространство предполагается, что плотность обрушенных пород по восстанию одинакова, а аэродинамическое сопротивление его изменяется пропорционально длине лавы.

Пористость выработанного пространства вдоль штреков неодинакова и зависит от свойств обрушаемых пород и давления вышележащих породных масс.

Выработанное пространство по аэродинамическим свойствам можно разделить на три зоны:

• •    зона свежеобрушенных и недостаточно уплотненных пород на расстоянии до 30 – 100 м от лавы; в этой зоне наблюдаются

максимальные утечки воздуха через выработанное пространство;

• •    зона пород, уплотненных давлением прогибающейся или обрушивающейся кровли, распространяется на расстояние до 500 – 700 м от лавы; в ней на единицу длины утечки воздуха

сравнительно небольшие;

• •    зона сдавленных пород располагается на расстоянии более 700 м, величина свободного объема в ней очень мала и утечки воздуха почти отсутствуют.

Правильный расчет количества утечек воздуха на газообильных шахтах имеет большое значение, т.к. выработанное пространство является не только местом утечки воздуха, но и коллектором большого скопления метана, который при определенных условиях может вызвать быстрое загазирование рабочего пространства и быть причиной взрывов.

Для обеспечения взрывобезопасности необходимо совершенствовать способ прогнозирования дебита метана и расчёт необходимого расхода воздуха. Дебит метана зависит от многих факторов, но основным является метаноносность источников его выделения. Недостоверные и заниженные данные о дебите метана могут приводить к ошибочному определению необходимого расхода воздуха, поэтому при расчете стоит учитывать тот фактор, что природная метаноносность в пласте в пределах шахтного поля или выемочного столба неоднородна.

Для прогнозирования изменения метаноносности недостаточно нескольких проб, а нужно знать фациально-геотектонические условия торфонакопления и физико-химические условия углеобразования на разрабатываемом участке пласта. На рис.1 приведены результаты определения метаноносности угля в пласте «Мощном» Воркутского месторождения при проведении подготовительной выработки. На рис. 1б показано изменение метаноносности угля по восстанию выемочного столба. При подработке этих участков пласта в выработанное пространство будет поступать метан также неравномерно [1].

а) д. м3/т

Рис. 1 Изменение метаноносности 1 т угля по штреку 1221-С (сплошная линия в выбросоопасном слое; пунктирная линия - в прочных пачках)

а) на прямолинейном участке штрека; б) после первого поворота штрека

Степень использования воздуха, подаваемого в шахты, зависит от величины утечек. Из-за утечек имеют место случаи, когда мощности установленных вентиляторов не соответствуют действительным потребностям шахт. Не говоря уже об экономической стороне вопроса. Установлено, что непроизводственные затраты средств на электроэнергию в год, вызванные только утечками воздуха, исчисляются тысячами рублей. Кроме того, утечки воздуха через выработанное пространство и трещины в полезном ископаемом способствуют его самовозгоранию.

В 1968 году А.Ф. Милетичем была высказана идея, что утечки воздуха через вентиляционные двери могут быть полезными в том случае, если они способствуют проветриванию расположенных за ним выработок. Исходя из этого, имеет смысл более глубокое исследование утечек воздуха. Например, заслуживает изучения вопрос, нет ли возможности применить утечки для создания равномерной концентрации метана в выработанном пространстве.

Исследования, проведенные на 32 пластах пологого, наклонного и крутого падения шахт Донбасса, при различных способах управления кровлей показали, что режим движения утечек через выработанное пространство не является постоянным. Считается, что вблизи лавы он турбулентный, а на расстоянии 100 – 200 м от лавы в выработанном пространстве он постепенно переходит в ламинарный. Таким образом, из-за неравномерности распределения утечек по выработанному пространству, а так же из-за неравномерного распределения метаноносности в пласте, определение мест скоплений опасных концентраций является весьма сложной задачей. Можно предположить, что использование устройства, генерирующего импульсы давления (пульсатор), распложенного вблизи выработанного пространства, позволит усреднить концентрацию в нем, то есть позволит создать управляемый массоперенос для перемешивания газо-воздушной смеси с метаном с целью управления концентрацией газа.

Для получения более точных данных требуется проведение исследований по распределению воздуха в системе выработка -выработанное пространство, в то время как расчёт воздушных потоков выработанного пространства является одной из самых трудоёмких и наиболее сложных при расчёте задач вентиляции.

Рассматривая выработанное пространство необходимо принимать во внимание зоны обрушения, являющиеся препятствием на пути движения воздуха, а так же метан, скапливающийся там. Данную задачу для каждого частного случая следует решать отдельно, так как она определяется конкретными граничными условиями, которые для различных схем вентиляции различны.

В связи с отсутствием возможности проведения исследований непосредственно в выработанном пространстве горнодобывающего предприятия одним из возможных путей решения задачи является физическое моделирование процессов протекающих в выработанном пространстве. Условия подобия в случае физического моделирования сводятся к соблюдению геометрического, кинематического и динамического подобия.

Геометрическое подобие означает, что все линейные размеры области сечения в модели изменены в определённое и постоянное для всех линейных элементов число раз относительно соответствующих размеров в натуре. Отношение линейных размеров сходственных элементов модели (lм) и натуры (lн) называется геометрическим масштабом моделирования (ml). Условия геометрического подобия:

l m, = — = inv, l      li для всех сходственных линейных элементов области течения.

Кинематическое подобие означает, что для всех сходственных точек области течения выполняются условия:

u mu = —- = inv, uí где mu – кинематический масштаб моделирования;

u м , u н – скорость движения среды соответственно в модели и натуре.

Динамическое подобие означает, что силы в модели и натуре должны быть соответственно направлены и пропорциональны.

Так же при моделировании процессов должно соблюдаться подобие движения среды – аэродинамическое подобие, а также подобие процессов газопереноса – газодинамическое подобие.

В выражениях использован символ «inv», что обозначает «инвариантный», или «неизменный». Этот символ означает неизменность масштабов моделирования для сходственных точек областей движения и соответствующих моментов времени. Для произвольных точек и моментов времени неизменности масштабов в общем случае не будет. Символ «inv» отличается от символа «const», который применительно к рассмотренным масштабам означал бы неизменность для всех, не только сходственных, точек области движения и моментов времени [2].

Для того чтобы сформировать подобие процессов стоит обратиться к известным критериям подобия в частности к таким как:

Число Рейнольдса (Re) — критерий подобия, характеризующий режим движения вязкой жидкости:

Re = —, u где ρ — плотность среды, кг/м³;

v — характерная скорость, м/с;

l — характерный размер, м;

υ — динамическая вязкость среды, Н∙с/м2.

Число Фруда (Fr) — критерий подобия движения жидкостей и газов. Применяется в случаях, когда существенно воздействие внешних сил.

Число Фруда характеризует соотношение между силой инерции и внешней силой, в поле которой происходит движение, действующими на элементарный объём жидкости или газа:

Fr  ^g- vг ’ где v — характерный масштаб скорости;

g — ускорение, характеризующее действие внешней силы;

l — характерный размер области, в которой рассматривается течение.

Число Кармана  (Ka) — критерий подобия, показывающий отношение среднего квадратичного пульсационных составляющих компонентов скорости потока жидкости к скорости течения. Эта величина служит мерой турбулентности потока и определяется следующим образом:

Ka

V 1 x ² + У y ² + v z ²

VV\   3

где V x , V y , V z , — пульсационная скорость потока в направлении осей X, Y, Z.

V — скорость течения.

При создании модели предлагается обратить наибольшее внимание на внешние силы, действующие в данной системе: вязкость воздуха, воздухопроницаемость обрушенных пород и ряд факторов, который может быть расширен в процессе исследований.

Развивая идею применения числа Кармана для моделирования, хотелось бы отметить, что наиболее простыми фильтрационными потоками являются прямолинейные. Поэтому наблюдается тенденция по избавлению от пространственного характера потоков и приведению их к одномерным. Однако для большей части схем вентиляции фильтрационные потоки обладают ярко выраженным пространственным характером. В этом случае пренебрежение трёхмерным характером фильтрационных потоков при решении практических задач недопустимо.

Исходя, из вышеизложенного можно предположить, что с точки зрения науки и практической ценности необходимо изучить возможность применения утечки воздуха для создания равномерной концентрации метана в выработанном пространстве на начальном этапе на базе физического моделирования. При физическом моделировании следует опираться на сохранении подобия в модели с помощью критериев. В связи со сложностью описательного процесса на начальном этапе следует перейти от пространственного характера потоков к одномерным.