Аэрологическая модель движения воздуха в вентиляционном трубопроводе и подготовительной выработке Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Булекбаева Марина Юрьевна, младший научный сотрудник, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,

Мартынов Виктор Васильевич, старший научный сотрудник, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,

Прохватова Ирина Станиславовна, младший научный сотрудник, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского

THE INFLUENCE OF A JET IMPULSE, CA USED BY A HIGH-SPEED IMPACT,

ON A SPACECRAFT MOTION.

L.P. Zozulya, M.JuBulekbaeva, V.V. Martinov, I.S. Prohvatova

A variant of calculation of the spacecraft centre-of-mass velocity and its angular velocity referred to the centre-of-mass resulting from a jet motion caused by gaseous metal emission due to a high-speed collision with a space debris particle, is shown.

Key word: crater, space debris, jet impulse, spacecraft.

Zozulya Ludmila Petrovna, candidate of technical science, senior researcher, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,

Bulekbaeva Marina Jur 'evna, senior researcher, vka@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,

Martinov Victor Vasilievich, senior researcher, vka@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,

Prohvatova Irina Stanislavovna, senior researcher, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy

УДК 622.41

АЭРОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ ВОЗДУХА В ВЕНТИЛЯЦИОННОМ ТРУБОПРОВОДЕ И ПОДГОТОВИТЕЛЬНОЙ ВЫРАБОТКЕ

Н.М. Качурин, Р.А. Ковалев, А.Н. Качурин, А.Б. Копылов

Полученные зависимости качественно совпадают с результатами натурных наблюдений и позволяют задавать в явном виде скорость воздушного потока в уравнении конвективно-турбулентной диффузии метана, углекислого газа, радона и кислорода в подготовительной выработке. При этом учитывается численное значение коэффициента доставки воздуха, характеризующего утечки воздуха в вентиляционном трубопроводе. А также учитывается связь коэффициента доставки с длиной выработки.

Ключевые слова: подготовительная выработка, воздух, скорость воздушного потока, вентиляционный трубопровод, утечки воздуха, диффузия, аэрологическая модель, безопасность.

С целью установления закономерностей утечек воздуха и аэродинамического сопротивления вентиляционных трубопроводов проводили многочисленные обследования [1 - 3]. В условиях, например, шахт

269

Карагандинского бассейна эксперименты показали, что из 120 трубопроводов общей длиной около 50 км только 3,4 % имеют утечки воздуха в пределах величин, принятых существующими нормативными и справочными изданиями, а в остальных случаях они больше.

Если расчет вентиляционного трубопровода проводить без учета утечек, то дифференциальное уравнение определения депрессии можно

записать в следующем виде [4 - 5]: йктр = (аР / S3) Q^dx , где Нтр - депрессия вентиляционного трубопровода; a - коэффициент аэродинамического сопротивления трения; S - площадь поперечного сечения трубопровода; Qe - подача вентилятора местного проветривания, Qe = const. Если расчет вентиляционного трубопровода выполнять с учетом утечек, то при использовании известного метода его депрессию определяют по формуле

[6]: Нтр = R^QeQs.n = RmphQa, где Ятр - аэродинамическое сопротивление трения в вентиляционном трубопроводе; Qзn - расчетное количество воздуха, необходимое для проветривания подготовительного забоя; h - коэффициент доставки; h = const.

Однако исследования показывают, что коэффициент доставки зависит от длины трубопровода. Тогда для трубопровода с утечками, учитывая изменение коэффициента доставки воздуха по длине трубопровода, дифференциальное уравнение для депрессии трубопровода можно записать в

следующем виде: dhтр = гуд@тр (x)dx, где гуд - аэродинамическое сопротивление трения в расчете на единицу длины вентиляционного трубопровода. Для определения количества воздуха в таком трубопроводе целесообразно использовать дифференциальное уравнение [7]:

dQтр = h(Х) Q

тр

dx Ь

где Ь - длина вентиляционного трубопровода.

Тогда, интегрируя уравнение (1), получим

(1)

Q

тр ( Х )

Qs eXP

1 x

Ljh(X) dX

(2)

где Qв - подача вентилятора местного проветривания.

Таким образом, в общем случае дифференциальное уравнение для депрессии вентиляционного трубопровода можно представить в виде:

dh

тр

гудОв2 exP

1 x

LJh(X) dX

dx .

(3)

Интеграл уравнения (5) на интервале [0, x] имеет вид [8 - 10]:

L

Кр = ГудОв J exP

1 x

-L J h(X) dX

dx .

(4)

Количество воздуха, протекающего по подготовительной выработке с учетом распределенной утечки воздуха, 0ие: йпв (х) = йзп + йут (х);

йут ( Х ) = йв - йтр ( Х ) .

Следовательно,

йт (х ) = &

1 - exp

I /л(?) ах

йв (х )=йв

1 + exp

-Ь/л(х) ах - exp -Ьхл(х) ах

(5)

(6)

Эмпирические зависимости л( х) имеют следующий вид [11]: Вентиляционные трубопроводы из труб МУ диаметром 600 мм: длина звена 20 м

Л( х ) = а + Ьх, (7)

длина звена 10 м

Л( х ) = ( а + Ьх )-1. (8)

где а, Ь - эмпирические коэффициенты

Для текстовинитовых труб зависимость л( х) имеет вид (8), но со

своими эмпирическими коэффициентами. Абсолютное значение коэффициента корреляции для эмпирических зависимостей (7) - (8) мало отличается от 1 [12 - 13].

Для определения скорости воздуха в подготовительной выработке необходимо использовать зависимость (6):

ь

ипв ( х

(х ) =

йв

1 + ехр

-ь]л(х) ¿х - ехр -ь]л(х) ах

(9)

где Бпв - площадь поперечного сечения подготовительной выработки в свету.

Тогда среднюю скорость по длине подготовительной выработки можно определить по формуле:

1 ^

и

ср

ь

| ипв ( х) ¿х .

пв 0

Подставив зависимость (9) в формулу (10), получим,

=а

ср ^

1+ехр

-Ь |л(х) ах- Ь-1 ехр-Ь |лх) ах

1

Ьпв

ь

ах

(10)

(11)

где Ьпв - длина подготовительной выработки. При л=сопб1;, получим,

ипв ( х )= ^

1 + ехр (-л) - ехР

271

х

V ь У

(12)

ь

0

где и™ - максимально возможная скорость воздуха в выработке.

иср = U™

1 + exp (-h)-

L

Lh

1 - exp

L

L

h

(13)

График зависимости безразмерной скорости воздуха в подготовительной выработке и = иср /и<* от коэффициента доставки ^ при ЬлЬпв»1 представлен на рис. 1.

\ N

-- -

□ 0.2 0.4 0.6 0.8 1

л->

Рис. 1. График зависимости безразмерной скорости воздуха в подготовительной выработке и от коэффициента доставки ^

В табл. 1 представлены результаты расчета депрессии трубопровода при подаче ВМП 5 м3/с для различных значений аэродинамического сопротивления. Анализ результатов расчета показывает, что учет утечек воздуха снижает расчетное значение депрессии трубопровода. Это обусловлено тем, что пути утечек воздуха представляют собой параллельные аэродинамические ветви, присоединенные к трубопроводу.

Таблица 1

Результаты расчета депрессии трубопровода при подаче ВМП 5 м3/с

Максимальное аэродинамическое сопротивление трубопровода, Нс/м8 Депрессия трубопровода (даПа), рассчитанная

без утечек h=1 по известной методике при h соответственно равном по предлагаемой методике при h соответственно равном

0,9 0,7 0,5 0,9 0,7 0,5

100 250 225 175 125 158 134 116

130 325 292 228 162 205 175 151

155 388 349 272 194 245 208 180

180 450 405 315 225 284 242 209

225 562 506 393 281 356 303 261

Полученные зависимости качественно совпадают с результатами натурных наблюдений и позволяют задавать в явном виде скорость воздушного потока в уравнении конвективно-турбулентной диффузии метана,

углекислого газа, радона и кислорода в подготовительной выработке. При этом учитывается численное значение коэффициента доставки воздуха, характеризующего утечки воздуха в вентиляционном трубопроводе. А также учитывается связь коэффициента доставки с длиной выработки. Это позволяет учесть влияние утечек воздуха из вентиляционного трубопровода на разбавление и перенос газовых примесей в подготовительной выработке, решая уравнение конвективно-турбулентной диффузии. Следовательно, совокупность данных зависимостей является аэрологической моделью движения воздуха в вентиляционном трубопроводе и подготовительной выработке, позволяющей решать диффузионные задачи обеспечения аэрологической безопасности при проведении подготовительных выработок.

Список литературы

1. Прогноз радоновой опасности и расчет количества воздуха для проветривания очистных участков по радоновому фактору / Н.М. Качурин,

B.И. Ефимов, Г.В. Стась, А.Н. Качурин // Уголь. 2018. № 1. С. 40-44.

2. Ермаков А.Ю., Качурин Н.М., Сенкус В.В. Физическая модель и математическое описание переноса метана в горном массиве сорбирующих пород // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). М.: Горная книга. 2018. № 5. С. 81-88.

3. Качурин А.Н. Феноменологический закон сопротивления и математическое описание фильтрации газов в горном массиве // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле, 2018. Вып. 1. С. 248256.

4. Качурин А.Н. Оценка физико-химических свойств угольного пласта при прогнозе метанообильности // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2018. Вып. 1. С. 256-267.

5. Закон сопротивления и обобщенная математическая модель фильтрации газов в угольных пластах и вмещающих породах / М.В. Грязев, Н. М. Качурин, Г. В. Стась, А. Н. Качурин // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2018. Вып. 3. С. 197209.

6. Качурин Н.М., Ефимов В.И., Стась Г.В. Оценка выделения радона при подземной добыче угля // Уголь. 2017. № 12. С. 38-43.

7. Грязев М.В., Качурин Н.М., Воробьев С.А. Математические модели аэрогазодинамических процессов при подземной добыче угля на различных стадиях отработки месторождений // Записки Горного института. 2017. Т. 223. С. 99-108.

8. Динамика метановыделения в очистной забой при отработке мощных пологих угольных пластов с выпуском подкровельной пачки / Н.М. Качурин, А.Ю. Ермаков, Д.Н. Шкуратский, А.Н. Качурин // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 17. Вып. 4.

C. 170-179.

9. Качурин Н. М., Воробьев С. А., Качурин А. Н. Прогноз метано-выделения с поверхности обнажения угольного пласта в подготовительную выработку при высокой скорости проходки // Горный журнал. 2014. №4. С. 70-73.

10. Качурин А.Н., Афанасьев О.А., Стась В.П. Теоретические принципы обеспечения аэрологической безопасности подготовительных выработок // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2019. Вып. 2. С. 350 - 361.

11. Границы применимости линеаризованных уравнений фильтрации газов и прогноз динамики газовыделения из выработанного пространства / Н. М. Качурин, С. А. Воробьев, О. А. Афанасьев, Д. Н. Шкуратский // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 1. С. 127 - 135.

12. Теоретические положения прогноза газовых ситуаций в угле-кислотообильных шахтах / Н. М. Качурин, Р. А. Ковалев, Д. Н. Шкуратский, С. А. Воробьев // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 14. Вып. 3. С. 74 - 89.

13. Прогноз метановой опасности угольных шахт при интенсивной отработке угольных пластов / Н. М. Качурин, В. И. Клишин, А. М. Борще-вич, А. Н. Качурин // Тула - Кемерово. Изд-во ТулГУ. 2013. 219 с.

Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ecology_ tsu_tula@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ковалев Роман Анатольевич, д-р техн. наук, дир. института, ecology_tsu_tula@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Качурин Александр Николаевич, канд. техн. наук, зам. директора инжинирингового центра, ecology_tsu_tula@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Копылов Андрей Борисович, д-р техн. наук, профессор, ecolo-gy_tsu_tula@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

AEROLOGICAL MODEL OF AIR MOTION IN VENTILATION PIPELINE AND DEVELOPMENT WORKING

N.M. Kachurin, R.A. Kovalev, A.N. Kachurin, A.B. Kopylov

The aerological model of providing safety for development workings is proposed. The obtained dependences qualitatively coincide with the results of field observations and make it possible to explicitly set the air flow rate in the equation of convective-turbulent diffusion of methane, carbon dioxide, radon, and oxygen in the preparatory production. In this case, the numerical value of the air delivery coefficient characterizing the air leakage in the ventilation pipe is taken into account. And also takes into account the relationship of the delivery coefficient with the length of the working.

Key words: development working, air, air flow rate, ventilation pipe, air leaks, diffusion, aerological model, safety.

Kachurin Nikolai Mihailovich, doctor of technical science, professor, chief of a department, ecology_ tsu_tula@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Kovalev Roman Anatolievich, doctor of technical science, director of the institute, ecology_ tsu_tula@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Kachurin Alexander Nikolaevich, candidate of technical science, vice director of engineering center, ecology_ tsu_tula@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Kopylov Andrei Borisovich, doctor of technical science, professor, ecology_ tsu_tula@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 632.15:669; 66-05

ВЛИЯНИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ И ЗДОРОВЬЕ

ЧЕЛОВЕКА

А.Е. Коряков, А.А. Шишкина, П.А. Шишкина

В статье рассматривается влияние металлургического производства на окружающую среду, жизнь и здоровье рабочих предприятий и людей, живущих в зоне непосредственных выбросов. Приведены пути решения экологических проблем, связанных с вредным воздействием предприятий металлургической промышленности.

Ключевые слова: металлургическая промышленность, экология, выбросы, сотрудники, окружающая среда.

Горнодобывающая промышленность относится к числу отраслей с наиболее вредными условиями труда, а выбросы металлургических предприятий (рис. 1) в окружающую среду оказывают заметное воздействие также и на здоровье населения промышленно-урбанизированных территорий [1-5].

3% 4%

21%

■ Энергетика

■ Цветная металлургия

■ Черная 57% металлургия

■ Производство стройматериалов

■ Другое

Рис. 1. Доли различных предприятий в создаваемых загрязнениях

275