CC BY
17
- © Е.А. Колссничснко, Е.И. Любомищснко,
2015
УДК 622.86
Е.А. Колесниченко, Е.И. Любомишенко
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МЕТАНОВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ВЫБОР ВЕНТИЛЯТОРА
Представлены экспериментальные данные, полученные в результате моделирования на физической модели тупиковой выработки изменения статического и динамического давления в вентиляционной сети при нагнетательном способе вентиляции. Замеры производились при трёх вариантах технологического оборудования, расположенного в призабойном пространстве тупиковой выработки. Для подачи воздуха в вентиляционную систему применяли два вентилятора с различными аэрологическими характеристиками. Приведены результаты сравнения экспериментальных и расчётных данных по отраслевой методике. Доказано, что при проектировании параметров вентиляции забоев, оборудованных высокопроизводительными проходческими комбайнами, необходимо учитывать не только потери статического давления, но и потери динамического давления в вентиляционной сети.
Ключевые слова: тупиковая выработка, нагнетательный способ, потери статического давления, потери динамического давления, вентиляция, вентиляционная сеть, взрывобезопасность.
Проведение подготовительных выработок комбайновым способом сопровождается образованием горючей смеси метана с воздухом. Взрывобезопасность этой смеси достигается выбором параметров вентиляционной сети и вентилятора местного проветривания, при которых будет обеспечена безопасная концентрация метана при проведении выработки на всю расчётную длину. Вентиляция продолжает оставаться основным способом обеспечения взрывобезопасности в метанообильных тупиковых выработках. В последние годы применяют вентиляторы местного проветривания ВМВ0-8А, ВМЭ-12м, ВМЭ-2-10А, способные подавать в вентиляционную сеть от 1000 до 1300 м3/мин свежего воздуха. Однако про-
должающиеся взрывы с участием метана в шахтах России, Китая, Украины, Казахстана, Турции, Сербии, Австралии, США показывают, что не во всех тупиковых выработках обеспечена взрывобезопасность.
Параметры вентиляционной сети и выбор производительности вентилятора местного проветривания производятся на стадии проектирования. Основным вопросом при расчёте является состав вентиляционной сети. Концепция вентиляции сформировалась по результатам исследований в 60-е годы прошлого столетия. В соответствии с отраслевым «Руководством по проектированию угольных шахт» в вентиляционную сеть входит вентилятор местного проветривания (ВМП) и вентиляционные трубы. При выборе расхода воздуха вентилятора учитываются только потери статического давления воздуха в вентиляционных трубах. Динамическое давление и скорость воздуха по всей длине трубы не изменяются. Статическое давление в конце вентиляционной трубы равно нулю, т.е. вентилятор не затрачивает энергию для перемещения воздуха.
По мнению авторов, такое представление о вентиляционной сети не совпадает с задачами вентиляции. Вентилятор должен затратить столько энергии (давления), чтобы постоянно подавать необходимый расход свежего воздуха до забоя и разбавлять выделившийся метан до безопасной концентрации. Но чтобы постоянно разбавлять метан, вентилятор должен образовавшуюся метановоздушную смесь вытеснять от забоя за пределы тупиковой выработки. Расчёты чисел Рейнольдса показали, что при современных расходах воздуха в вентиляционных трубах образуются турбулентные потоки и происходят потери не только статического, но и динамического давления воздуха.
Целью исследований было установление влияние стеснённых условий горной выработки и горнопроходческого оборудования на закономерности изменения давления воздуха в вентиляционной сети, включающей вентиляционные трубы, при-забойное пространство и тупиковую часть выработки для определения полных потерь давления вентилятором местного проветривания.
Экспериментальные исследования производились при нагнетательном способе вентиляции на модели выработки. Мо-
дель выполнена в соответствии с линейными критериями подобия параметров 1:13 и энергетического подобия воздушных потоков. Замеры давления и напора производились сертифицированным измерителем давления МБГО-2 сотрудниками ОВГСО (рис. 1). Для подачи воздуха применяли два вентилятора с различными аэродинамическими характеристиками. Для исследования были приняты 4 варианта схем:
1 вариант - вентиляционная сеть из вентилятора и вентиляционной трубы вне выработки;
2 вариант - замеры в выработке при отсутствии оборудования в призабойной зоне;
3 вариант - при нахождении установки модели УП250 в призабойном пространстве;
4 вариант - при установке модели проходческого комбайна в призабойном пространстве.
Перемещение воздуха вентилятором по вентиляционной трубе представляем следующим образом. При неработающем вентиляторе плотность воздуха и атмосферное давление в вентиляционной трубе и в окружающей среде одинакова, скорость движения воздуха в трубе равна нулю. При работе вентилятор рабочим органом перемещает в единицу времени некоторую массу воздуха из окружающей атмосферы в начало вентиляционной трубы. В результате удельная плотность за вентилятором увеличивается на эту массу. Воздух будет перемещаться по трубе в результате расширения от большей плотности к меньшей. Из закона Гей-Дюссака и Бойля-Мариотта получаем, что полное давление воздуха в конце трубы будет меньше. Расчёты, выполненные в соответствии с законом сохранения массы при перемещении воздуха по вентиляционной трубе с одинаковой площадью поперечного сечения по всей длине, показали, что при турбулентном режиме скорость воздуха по длине трубы уменьшается [1].
Результаты замеров давления воздуха в трубе вне выработки.
В этих условиях динамическое давление в трубе при работе вентилятора № 1 уменьшилось с 41 до 13 Па, т.е. на 28 Па (на 68 %). При этом скорость воздуха в трубе уменьшилась с 8,27 м/с до 4,65 м/с. При работе вентилятора с большей производительностью динамическое давление в трубе снизилось от 90 до 40 Па, т.е. на 55,6 %. При этом скорость воздуха уменьшилась от 12,25 до 8,17 м/с.
Рис. 1. Замеры прибором МБГО-2 давления воздуха перед истечением его из вентиляционной трубы
Таблица 1
Результаты замера динамического давления и скорости воздуха в вентиляционном трубопроводе вне модели выработки
вмп Замеры Замеры в трубе перед Соотно-
за вентилятором выходным отверстием шение, %
динамиче- скорость динамиче- скорость Уо / Ув
ское дав- воздуха, ское дав- воздуха, У0,
ление, Па Ув, м/с ление, Па м/с
№ 1 41 8,27 13 4,65 56,2
№ 2 90 12,25 40 8,17 66,7
Таким образом, экспериментальные замеры подтвердили теоретические расчёты о потерях динамического давления и соответственно уменьшении скорости воздуха в трубе.
Результаты замеров при отсутствии оборудования в приза-бойной зоне.
При работе вентилятора № 1 потери статического давления воздуха в вентиляционной трубе от величины давления у вентилятора составили 17 Па (68 %), а динамического - 6 Па (35 %). Скорость воздуха в вентиляционной трубе снизилась от 5,32 м/с до 4,28 м/с, а в призабойном пространстве - до 0. При работе вентилятора № 2, производительность которого в 1,83 раза больше, чем у вентилятора № 1, давление воздуха, развиваемое вентилятором, увеличилось в 2,64 раза. Потери статического давления в вентиляционной трубе составили 49 Па (74 %), а динамического - 13 Па (26 %). Скорость воздуха в вентиляционной трубе снизилась от 9,13 м/с до 7,85 м/с, а в
призабойном пространстве — до 1,83 м/с (рис 2 и 3). Статическое давление воздуха в призабойном пространстве при работе вентилятора № 1 было 6 - 8 Па, при работе вентилятора № 2 увеличилось в 2 раза до 12 -17 Па.
Результаты замеров при нахождении в призабойном пространстве УП250.
Потери статического давления воздуха при работе вентилятора № 1составили 6 Па (26 %), а динамического - 13 Па (57 %). Скорость воздуха в вентиляционной трубе снизилась от 6,2 м/с до 4,08 м/с, а в при-забойном пространстве — до 0. При работе более производительного вентилятора № 2 статическое давление воздуха, развиваемое вентилятором, увеличилось на 34 Па (на 148 %). При этом потери статического давления в трубе составили 17 Па (30 %). Динамическое давление воздуха у вентилятора
Рис. 2. Графики изменения динамического давления струи свежего воздуха в вентиляционной трубе и в призабойном пространстве: 1, 2, 3- при работе вентилятора № 1; 4, 5, 6- при работе вентилятора № 2; 1, 4 - соответственно при отсутствии оборудования; 2, 5 - при установке УП250; 3, 6 - с проходческим комбайном; 1 - расстояние от выходного отверстия вентиляционной трубы до забоя выработки
р,
Па к-
110
100
\
90
\
80
1
70 е
60
50
40 • — -5 - - — —
\
30 1 Ч_ 1
20 И 4
10 ВМП 1- =
2 3 4 5 6 7 1.
вентиляционная труба
призабойное пространство
Рис. 3. Графики изменения статического давления в вентиляционной трубе и в призабойном пространстве (подрисуноч-ные надписи как на рис. 2)
увеличилось на 304 %, а потери динамического давления в трубе составили 40 Па (57 %). Скорость воздуха в вентиляционной трубе уменьшилась с 10,8 м/с до 7,07 м/с, а в приза-бойном пространстве - до 2,24 м/с. По длине вентиляционной трубы скорость воздуха снизилась от 6,2 м/с до 4,08 м/с, а в призабойном пространстве - до 0. Статическое давление воздуха в призабойном пространстве при работе вентилятора № 1 составляло 17-25 Па. При работе более производительного вентилятора статическое давление увеличилось в 2,2 -2,35 раза, т.е. до 40-50 Па.
Результаты замеров при нахождении комбайна в приза-бойном пространстве.
При работе вентилятора № 1 потери статического давления воздуха составили 4 Па (9 %), а динамического - 17 Па (71 %). Скорость воздуха в вентиляционной трубе снизилась с 6,32 м/с до 3,4 м/с, а в призабойном пространстве - до 1,29 м/с. При работе вентилятора № 2 статическое давление воздуха, развиваемое вентилятором, увеличилось на 70 Па (на 249 %). Потери статического давления воздуха составили 40 Па (34 %). Динамическое давление у вентилятора увеличилось на 196 %, а потери динамического давления составили 29 Па (62 %). Скорость воздуха в вентиляционной трубе уменьшилась от 8,85 м/с до 5,48 м/с, а у забоя выработки - до 2,58 м/с. При работе вентилятора № 1 статическое давление воздуха в призабойном пространстве было 43 - 33 Па, а при увеличении производительности вентилятора повысилось в 1,79 - 2,0 раза и составило 77 - 67 Па.
В результате экспериментальных замеров были сделаны важные выводы. В вентиляционных трубах происходят потери не только статического, но и динамического давления. Абсолютные значения статического давления вентилятора зависят от объёмных параметров оборудования, установленного в призабойном пространстве. Наибольшее давление вентилятор должен создавать при нахождении в призабойном пространстве габаритных проходческих комбайнов. Статическое давление перед выходом из вентиляционной трубы не равно нулю, а его значение такое, как и в призабойном пространстве. Это давление является избыточным по отношению к давлению за пределами тупиковой выработки.
Полное давление вентилятора местного проветривания равно сумме потерь статического и динамического давления в
вентиляционных трубах и статического давления в призабойном пространстве. Это давление необходимо для перемещения ме-тановоздушной смеси от призабойного пространства за пределы выработки. Величина этого давления определяется по формуле
Кол = ^ст.тр. + ^лин.тр. + К. выр.,Па
где НсТт1р - потери статического давления в вентиляционной трубе, Па; Ьдин.тр - потери динамического давления в трубе, Па; Ьст.выр. - статическое давление в призабойном пространстве, Па.
По отраслевой методике величина полных потерь давления вентилятором в вентиляционной сети определяется по формуле
Кол = К.тр., Па.
В результате замеров давления воздуха в вентиляционной трубе без присутствия оборудования в призабойном пространстве установлено, что потери динамического давления воздуха составляют 27 % от потерь статического давления и 21 % от полных потерь давления в трубе. При нахождении проходческого комбайна в призабойном пространстве потери динамического давления воздуха составляли 72 % от потерь статического давления и 42 % от полных потерь давления в трубе.
Выполненные расчёты по отраслевой методике для реальных условий показали, что потери динамического давления в трубе составили 28 % от потерь статического давления воздуха и 22 % от полных потерь давления в трубах.
Сравнение полученных данных показало, что расчётные значения потерь статического давления по отраслевой методике совпадают с результатами замеров при отсутствии оборудования в призабойном пространстве. Поэтому эту методику расчёта потерь статического давления можно использовать только при буровзрывном способе проведения выработок без нахождения объёмного технологического оборудования в призабойном пространстве. Но при расчётах необходимо учитывать и потери динамического давления. В современных забоях при комбайновом способе проведения выработок изменились физические параметры воздушных потоков. Вырос удельный вес потерь динамического давления по сравнению с потерями статического в 2 раза. А соотношение потерь динамического и статического давления увеличилась в 2,67 раза.
Вывод
Учёт всех потерь давления в вентиляционной сети позволит повысить взрывобезопасность при работе высокопроизводительных проходческих комбайнов.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Концепция проектирования системы вентиляции, обеспечивающей снижение риска взрывов метана и угольной пыли в забоях тупиковых выработок / Е.А. Колесниченко, В.Б. Артемьев, И.Е. Колесниченко, Е.И. Ёюбо-мищенко // Уголь. - 2013. - № 2. — С. 39-42. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Колесниченко Е.А. — профессор, [email protected], Любомищенко Е.И. — доцент, [email protected],
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова.
UDC 622.86
EXPERIMENTAL RESEARCH OF PHYSICAL METHANE-AIR FLOW, CHARACTERISTICS INFLUENCING ON AUXILIARY FAN SELECTION
Kolesnitchenko E.A., professor of the chair «Building and Techno spherical Safety», [email protected], Southern Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Pla-tov, Russia,
Liubomistchenko E.I., associate Professor of the chair «Building and Techno-spherical Safety», [email protected], Southern Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platov, Russia.
There is experimental data obtained as a result of testing on physical simulator of blind drift changes of static and velocity pressure in blowing ventilation system is shown in the article. Readings were taken for different equipment placed at face area of blind drift. Auxiliary fans with different aerodynamic characteristics were used to boost air into ventilation system. Results of comparison of calculated and measured data are presented. According to the outcomes of research it is proven that for calculation of specifications of blind drifts equipped with high-performance continuous heading machines it is necessary to take in consideration not only static pressure losses but velocity pressure losses in ventilation system as well.
Key words: blind drift, blowing system, static pressure losses, velocity pressure losses, ventilation, airflow distribution system, explosion safety.
REFERENCES
1. Koncepcija proektirovanija sistemy ventiljacii, obespechivajushhej snizhenie riska vzryvov metana i ugol'noj pyli v zabojah tupikovyh vyrabotok (A Concept of Designing a Ventilation System Ensuring Lower Methane & Powdered Coal Explosion Risks in Cul-de-sac Long wall)/ E.A. Kolesnichenko, V.B. Artem'ev, I.E. Kolesnichenko, E.I. Ljubomish-henko // Ugol'. 2013. No 2. pp. 39-42.
