О динамике изменения газообильности шахт ОАО «Воркутауголь» в условиях приближения к центральной части мульды Воркутского месторождения

Веселов А.П.; Гавриш А.Н.; Скатов В.В.; Эннс А.А.

УЛК 622.794.621.928.97

А.М. Кириченко, В.И. Мулявко, С.Н. Панова

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПЫЛЕОСАЖЛЕНИЯ В ВЕРТИКАЛЬНОЙ КАМЕРЕ С ВОЛОКОННЫМИ КОАГУЛЯТОРАМИ

Приведено теоретическое обоснование некоторых аспектов пылеулавливания камерой с волоконными шторами.

Из всех простейших пылеулавливающих аппаратов наибольшей стабильностью в работе обладают гравитационные пылеосадительные камеры. Для повышения эффективности их работы на пути движения пылевых потоков устанавливают капроновые волоконные шторы [1]. Кроме гравитационного осаждения в аппарате происходит процесс фильтрации газа через волоконные шторы, где работают такие механизмы как зацепление, касание, инерционного осаждения, диффузионное осаждение, осаждение под действием электрических сил, термофорез и др, причем работают одновременно. Рассмотрим основные механизмы осаждения частиц на одно волокно.

Инерционное осаждение аэрозоля из потенциального потока на бесконечно длинный круглый цилиндр.

При обтекании круглого цилиндра запыленным потоком, частицы, обладая большей инерцией, чем молекулы газа, продолжают двигаться поперек изогнутых линий тока (рис. 1) и осаждаются на его поверхности. Это и есть инерционное осаждение. Эффективностью инерционного осаждения считают отношение предельного расстояния, при котором частица приблизится к цилиндру на расстояние своего радиуса, к радиусу цилиндра (траектория 6 на рис. 1):

И

п = я (1)

Если газовый поток движется стационарно, а частица настолько мала, что для силы сопротивления среды применим закон Стокса ( но не настолько мала, чтобы включить поправку Кенингема-Милликена, которая для частиц в интервале от 3 до 10 мкм изменяется в пределах от 1,03 до 1,0), то траекторию движения частиц можно описать уравнением Навье-Стокса, которое в проекциях на оси координат, введенных как показано на рис. 1 б, имеет вид:

ауУ 1

= ~(7у -Уу ).

аг Т х х" аг т у (2)

Проекции скорости газового потока определим по формулам, предложенным в [2]:

и, = П»

1-

Г)2/ 2 2 \

я (х - у ) (х2 + у 2)2

2Я 2ху

( х 2 + У2)2

(3)

где П » - скорость г рической нити, м/с.

Выполнить аналитическое интегрирование уравнения (2) для определения зависимостей скорости и координаты частицы в любой момент времени не предоставляется возможным. Поэтому, для получения траектории и параметров движущейся частицы, применяют численное интегрирование.

Решение этой задачи на ЭВМ для гранитной пыли выполнено в [1]. Используя результаты этих вычислений, нами получено уравнение для расчета эффективности осаждения частиц на цилиндрическую поверхность:

0,1Т7 »

Пи =1 - ехР

(4)

где т =

ач рч 18^

инерционный параметр частицы, с;

Сч, сч - диаметр и плотность вещества частицы, м; мг - коэффициент динамической вязкости газа, Эффективность инерционного осаждения частиц на один ряд волокон, с учетом влияния их друг на друга и неоднородности его заполнения, найдем по формуле:

Я + ач /г-ч

пи = п ■ Кя+п <5)

где 21 - расстояние между волокнами, м.

Считая, что в слое шторы толщиной Сх содер-

ах

-параллельных рядов волокон, опре-

/— ;

л/3 (Я +1)

делим на сколько уменьшится концентрация аэрозоля при прохождении через него:

ап =- пП

я + а,.

ах

2(Я +1) Т3(Я +1)'

(6)

Отсюда следует, после разделения переменных и интегрирования, что поскок частиц сквозь штору толщиной Н равен:

— = - ехр п0

-ПпН

я + ач

2-/3(я +1)

2

(7)

а эффективность улавливания монодисперсной пыли всей волоконной шторой с учетом формулы (4), равна

Пш =1 - ехР I- н

я + ач

2л/з( я +1 )2

1 - ехР(

0,1 ТУ» я + 0,5ач

(8)

Результаты расчета значений эффективности осаждения пылевых частиц от их размеров, лежащих в интервале от 0,02 до 10 мкм, на волоконной шторе толщиной 10 см, состоящей из отдельных свободно свисающих волокон радиусом 5 и 25 мкм, при скорости фильтрации 0,35 м/с, приведены на рис. 2 (кривые 5-8). Как видно из рисунка, при столь малой скорости фильтрации, частицы диамет ром

п

)

менее 1 мкм практически не осаждаются, т.е. для их осаждения инерционный механизм не работает.

Значение же эффективности улавливания более крупной монодисперсной пыли несколькими после-

Рис. 1. Инерционное и диффузионное осаждение частиц (радиус волокна 25 мкм): 1, 3 - диаметр частицы 10 мкм; 2 -6-5 мкм; 4 - 5-5 мкм

довательно установленными шторами рассчитывается по формуле:

П = і - (1 -пш )п

(9)

где т - количество штор.

Диффузионное осаждение аэрозоля из потенциального потока на волоконную штору.

Решим упрощенную задачу диффузионного осаждения аэрозоля на цилиндрическую поверхность. Принимаем, что за время t на поверхность волокна осаждаются все частицы, находящиеся от нее на очень малом расстоянии, меньше, чем (см. рис. 1,в)

5 = 2

Ддх ґ

(10)

где Дд - коэффициент диффузии, м /с.

Распределение скоростей вблизи цилиндрической поверхности при установившемся ламинарном течении задано уравнениями (3), а приближенно можно представить в виде [3]:

(11)

Поскольку непосредственно у поверхности волокна скорость потока равна нулю, то средняя скорость течения в рассматриваемом слое будет:

< и >=- и, 2

З 5(Я + І)

2

(12)

За время t находящаяся в этом слое частица может пройти максимальное расстояние, равное половине длины окружности, т.е.

пЯ = 1,5 и о

5( Я + І ) ' І2

ґ

(13)

Исключив время из уравнений (10) и (13), получим

5 = ( 8Дді2я )1/3

(14)

37»(я +1)

Поток аэрозоля у поверхности волокна, в очень тонком слое толщиной д , равен:

5

иа(5) =

352пи о

0

2І

2

-(Я + І)

(15)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Так как полный поток частиц составляет (я +1)пП» , то эффективность диффузионного осаждения частиц на волокне равна

Пд = 1,552І -2,

(16)

или, после подстановки в это уравнение значения толщины слоя (14), получим:

Пд = 2 х Ж

V І 4и О

п

о

Расчеты эффективности диффузионного осаждения, выполненные по формуле (17),для волоконной шторы с теми же параметрами и при той же скорости фильтрации, что и при инерционно осаждении, приведены на рис. 2 (кривые 1-4).

Как видно из рисунка, эффективность диффузионного осаждения частиц увеличивается при уменьшении диаметров частиц и осадительного волокна, а также расстояния между волокнами 1. Необходимо отметить, что на том же скоростном режиме плохо осаждаются частицы диаметром близким к 1 мкм. Поэто-

1. Панова С.Н. Разработка способов и средств пылеулавливания при переработке гранитов. Автореферат диссертации на соискание научной степени канд. техн. наук, КТУ Украина г. Кривой Рог, 1998.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Кириченко А.М, Мулявко В.И, Панова С.Н. - Украина.

му для эффективного включения диффузионного механизма осаждения следует уменьшить скорость фильтрации. А для увеличения эффективности инерционного осаждения частиц - увеличить скорость фильтрации. Эти обстоятельства привели к необходимости разработки такой пылевой камеры, у которой скорость фильтрации пылегазового потока через очередную волоконную штору заметно уменьшалась бы. Таким аппаратом может быть вертикальная пылеосадительная камера с радиально расходящимся потоком очищаемого воздуха [4].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Багрий И.С., Мулявко В.И., Бережной В.И., Панова С.Н., Мулявко С.В., Мойса Г.П., Михетко Ю.Б./- Опубл в Б.И. №4, 29.08.1997, С.

2. Ламб Г Гидродинамика. - М.: Гостехиздат,1947.

3. Фукс H.A. Механика аэрозолей. - М.: Изд-во AH СССР, 1955, - С. 352.

4. Патент № 16983 A, В01Д 46/06 Пылеуловитель /Кириченко А.М.,

УЛК 622.794.621.928.97

А.П. Веселов, А.Н. Гавриш, В.В. Скатов, А.А. Эннс

О ЛИНАМИКЕ ИЗМЕНЕНИЯ ГАЗООБИЛЬНОСТИ ШАХТ ОАО «ВОРКУТАУГОЛЬ» В УСЛОВИЯХ ПРИБЛИЖЕНИЯ К ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ МУЛЬЛЫ ВОРКУТСКОГО МЕСТОРОЖЛЕНИЯ

В

оркутское месторождение представляет собой мульду, ось которой ориентирована на северо-восток. Длина мульды 34 км, при наибольшей ширине 13 км. Падение пластов от 5-70 на юге до 17-300 на севере. По направлению к оси мульды углы падения уменьшаются, формируя плоское дно мульды. Глубина залегания пластов 1200 м, глубина ведения горных работ 8001040 м.

При принятом порядке отработки месторождения, который ведется уже 50 лет от краев мульды к ее оси на сокращающийся массив отработано почти 74 % всей площади мульды, исключая южное замыкание.

Основные отрабатываемые пласты: Мощный. Тройной, Четвертый и Пятый склонны к газодинамическим проявлениям. Пласты Мощный и Тройной являются

опасными по выбросам угля и газа, а также горным ударам. Пласт Четвертый, залегающий ниже Тройного относится к угрожаемым, а на отдельных участках и опасным по горным ударам. Месторождение отличается высокой газообильностью пластов свиты. На глубине 900-1000 м газоносность угольных пластов составляет 25-28 м3/т, а относительная га-зообильность шахт 60-125 м3/т. В настоящее время по периметру месторождения располагаются как отработанные поля шахт: «Промышлен-ная», «Центральная», «Юр-Шор», так и поля шахт продолжающих отработку месторождения до нижних границ, совпадающих с осью мульды. Шахты «Северная» и «Заполярная», располагаются в северном и южном замыкании мульды. Шахты «Воркутинская» и «Комсомольская» на восточном и западном крыльях.

Шахты «Северная», «Воркутинская», «Комсомольская» и «Заполярная» являются перспективными шахтами, отрабатывающими Воркутское месторождение. Промышленные запасы позволяют эксплуатировать их еще 30-50 лет.

Общей особенностью технологических схем этих шахт является их формирование на базе реконструкции и объединения более мелких шахт, отрабатывавших краевую часть мульды. Поэтому действующие шахты характеризуются значительной протяженностью поддерживаемых выработок, высокими эксплуа-

тационными затратами и расходами на выполнение профилактических мероприятий по сохранению безопасных условий ведения работ.

Все шахты работают по временным технологическим схемам с транспортом угля из уклонных полей конвейерами по капитальным уклонам. Основными схемами подготовки действующих и перспективных горизонтов являются блочная, с односторонними или двухсторонними панелями, и погоризонтная.

Порядок отработки панелей - нисходящий, выемочных участков - обратный. В двухсторонних панелях порядок отработки выемочных участков последовательный. Схема проветривания выемочных участков -прямоточная с выдачей исходящей вентиляционной струи на фланговую вентиляционную выработку. Основным мероприятием по предотвращению динамических и газодинамических проявлений горного давления принята опережающая отработка защитных пластов - Четвертого и Пятого.

Технологические схемы всех шахт включают применение дегазации пластов-спутников из горных выработок с каптажем метановоздушной смеси на поверхность по дегазационным трубопроводам к вакуум-насосными установками поверхностного комплекса. Для повышения производительности ведения очистных и подготовительных работ ОАО «Воркутауголь» приняло стратегическое направление на использование механизированных комплексов нового поколения, внедрение более производительного проходческого оборудования, транспортных средств, при одновременном совершенствовании технологии и планирования горных работ. Однако, в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях эта проблема не может быть решена без серьезной проработки вопросов управления газовыделением и управления состоянием массива в условиях отработки сближенных пластов. Особенно актуально решение этих вопросов для пласта Четвертого, который отрабатывается первым в свите и является защитным по отношению к вышележащему пласту Тройному.

В соответствии со сложившимися техникоэкономическими условиями необходимые нагрузки на очистные забои по пласту Четвертому должны быть не ниже 2400 т/сут., по пласту Тройному - 3600 т/сут., при суточном подвигании очистных забоев не менее 6 м. Технические характеристики комплексов КМ-138 внедряемых по пласту Четвертому позволяют обеспечить заданные нагрузки. Однако шахтные вентиляционные сети не позволяют увеличить максимальные нагрузки на очистной забой по газовому фактору до вышеуказанных величин. Основным сдерживающим фактором увеличения нагрузки на очистные забои является возрастающая с глубиной ведения горных работ га-зообильность шахт. Так за истекшие 25 лет относительная газообильность по шахтам ОАО «Воркутауголь» изменилась следующим образом:

- шахта «Северная» - с 48-50 м3/т до 88-100 м3/т;

- шахта «Воркутинская» - с 43-50 м3/т до 128-130 м3/т;

- шахта «Комсомольская»» - с 45-50 м3/т до 65-70 м3/т;

- шахта «Заполярная» - с 35-40 м3/т до 53-60

м3/т.

Рост газообильности шахт объясняется несколькими факторами:

• изменением с глубиной метаноносности угольных пластов;

• увеличением площади выработанных пространств;

• увеличением газоотдачи угольных пластов в условиях уменьшающегося ядра центральной части мульды.

Влияние этих факторов на рост газообильности различно.

В настоящее время хорошо изучено изменение природной метаноносности с глубиной залегания угольных пластов. Она носит закономерный характер, описывается эмпирическими уравнениями и может быть спрогнозирована.

Для шахт ОАО «Воркутауголь» изменение природной метаноносности с увеличением глубины отработки описывается уравнениями:

13705

Для шахты «Воркутинская» У = 48 - -

Для шахты «Комсомольская» У = 45 -

х + 304 17002

х + 410

13705

Для шахты «Северная» У = 34,5-----------,

х + 474

где X - глубина от абсолютной отметки поверхности метановой зоны.

Влияние остальных факторов на динамику изменения газообильности требует серьезного и детального изучения. Совершенно не изучен вопрос влияния газо-выделения из выработанных пространств ранее отработанных выемочных участков и горизонтов на газообильность шахт. Значительное число (до 8-10) последовательно отрабатываемых столбов по бесцеликовой технологии создают условия для накопления метана в выработанном пространстве и его последующего выделения в выработки с исходящими вентиляционными струями. Вопрос возможного увеличения выделения метана в центральной части мульды Воркутского месторождения по мере ее отработки требует также серьезной научной проработки. Уже сейчас краевые части угольного массива испытывают повышенное горное давление, которое будет возрастать по мере уменьшения ядра мульды. Эти явления зафиксированы в работах лаборатории горно-подготовительных работ института «ПечорНИИпроект». Эти проблемы требуют интенсификации научно-исследовательских работ по всем рассматриваемым направлениям.

Изучение всех факторов, определяющих изменение газообильности угольных пластов шахт ОАО «Воркутауголь» позволит прогнозировать газообильность шахт и выемочных участков и своевременно разрабатывать мероприятия по повышению нагрузок на угледобывающие комплексы и совершенствовать технологию подготовки и ведения очистных работ.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Веселов А.П., Гавриш А.Н., Скатов В.В. - ОАО «Воркутауголь». Эннс А.А. - ПечорНИИпроект.

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова: Заметки:

Дата создания:

Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:

Полное время правки: Дата печати:

При последней печати страниц: слов: знаков:

КИРИЧЕ~1

АІехаМге Каїаіоу

05.07.2002 11:09:00 16

28.11.2008 18:36:00 Таня

73 мин.

28.11.2008 18:58:00 5

2 190 (прибл.)

12 486 (прибл.)

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Веселов А. П., Гавриш А. Н., Скатов В. В., Эннс А. А.