Исследование закономерностей движения метановоздушной смеси в подземных дегазационных газопроводах угольных шахт Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

---------------------------------- © В.А. Малашкина, Н.А. Вострикова,

2004

УДК 622.411.33:533.17

В.А. Малашкина, Н.А. Вострикова

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В ПОДЗЕМНЫХ ДЕГАЗАЦИОННЫХ ГАЗОПРОВОДАХ УГОЛЬ-НЫХШАХТ

Семинар № 5

ТУ последние годы в связи с увеличени-

-Я-* ем глубины угледобывающих шахт возрастает их газообильность. Для поддержания необходимой, определяемой Правилами безопасности, концентрации метана в шахтной атмосфере применяется вентиляция выработок и различные способы дегазации. Установленные пределы увеличения скорости движения воздуха, подаваемого в горные выработки средствами вентиляции, не позволяют обеспечить поддержание безопасных значений концентрации метана в шахтной атмосфере. В связи с этим большое значение приобрела дегазация источников метана.

Откачиваемый из угольных шахт метан представляет собой высококалорийное, экологически чистое топливо, а также ценное химическое сырье. По своим тепловым характеристикам 1000 м3 метана эквивалентны 1,3—1,5 т угля [1]. В настоящее время в странах СНГ полезно используется только около 10% от общих объемов добываемого метана, остальное же количество шахтного метана, не являющегося кондиционным, в большинстве случаев выбрасывается в атмосферу. Таким образом, для обеспечения возможности использования добываемого газа потребителем и одновременно для уменьшения вредных выбросов в атмосферу, важной задачей является обеспечение на выходе из дегазационной системы метановоздушной смеси с концентрацией метана, не ниже требуемой потребителем (не менее 45 %)

[2]. Одновременно с этой задачей решается вопрос о наиболее эффективной дегазации разрабатываемых источников метана. Все вышесказанное выдвигает ряд требований как к конструктивным параметрам дегазационной установки, так и к технологии извлечения и транс-

портирования метановоздушной смеси от скважин на поверхность или к потребителю.

Однако, дегазационные установки, спроектированные согласно «Руководству по дегазации ...», как правило при эксплуатации не обеспечивают расчетных показателей концентрации метана на выходе системы и имеют в своем составе значительное количество воздуха. Поступление воздуха внутрь системы из окружающей шахтной среды происходит как за счет недостаточной герметизации устьев скважин, так и по причине подсосов воздуха через неплотности соединений звеньев труб при транспортировании метановоздушной смеси по вакуумному подземному дегазационному трубопроводу. Таким образом, для обеспечения эффективной работы дегазационной установки необходимо применять эффективные методы диагностики и контроля работы дегазационной установки, позволяющие оперативно контролировать гидродинамические режимы движения смеси, а также изменение ее состава в процессе транспортирования, что позволит своевременно принимать соответствующие меры по обеспечению и поддержанию рациональной работы дегазационной системы в целом.

Для любой дегазационной системы важен вопрос о правильности выбранной технологии отсасывания и транспортирования метановоздушной смеси от скважин на поверхность или к потребителю, то есть о рациональных режимах работы скважины и рациональных режимах движения газовой смеси по вакуумному подземному дегазационному трубопроводу на поверхность. В связи с этим при проведении анализа гидродинамических режимов движения каптируемой метановоздушной смеси следует учитывать, что добываемая газовая смесь

помимо метана и подсасываемого воздуха включает в свой состав водяные пары, а также капельную воду, угольную и породную пыль, поступающие вместе с газом из дегазационных скважин. Следовательно, транспортируемая смесь является влажной метановоздушной смесью, и в своей основе - это трехфазная смесь

[3]. Создание и поддержание рационального гидродинамического режима движения смеси метан-воздух-водяные пары по вакуумному подземному дегазационному трубопроводу позволит обеспечить при заданных конструктивных параметрах системы рациональные величины расхода смеси и максимальную концентрацию метана у входа в вакуум-насосную станцию.

Исследование закономерностей движения влажной метановоздушной смеси в вакуумном подземном дегазационном трубопроводе было проведено по результатам вакуумно-газовой съемки в трубопроводе дегазационной уста-

Рис. 1. Схема дегазационной установки: 1 - дегазационные скважины; 2 - вакуумный подземный дегазационный трубопровод; 3 - вакуум-насосная станция

новки, схема которой приведена на рис. 1.

Характер движения влажной метановоздушной смеси по подземному газопроводу турбулентный, соответствующий квадратичной области /3/, и характеризуется тремя основными критериями подобия: числами Рейнольдса, Фруда и Эйлера. При движении влажной газовоздушной смеси силы инерции входящих в ее состав компонентов различны, поскольку имеют разные массы. Также различна и вязкость компонентов смеси, определяющая силы внутреннего трения в транспортируемой смеси. Соотношение этих сил, возникающих в смеси, отражает число Рейнольдса

у!р

Яе = -

(1)

где V - скорость трехфазной смеси ме-тан-воздух-пары воды, м/с; I - характерный линейный размер, м; р - плотность влажной метановоздушной смеси, кг/м3; ц - коэффициент динамической вязкости транспортируемой по вакуумному подземному дегазационному трубопроводу трехфазной смеси ме-тан-воздух-пары воды, Па-с.

Коэффициент динамической вязкости более наглядно, по сравнению с коэффициентом кинематической вязкости, характеризует влияние сил вязкости, возникающих во влажной метановоздушной смеси при ее движении по подземному газопроводу, и зависит от состава смеси, давления и температуры [4]

ашмш + а1М1 +(Д - ам - а )Ма ашмш , а1М1 , 0 - а - а )М а

м = -

(2)

Мм

А

где ам и а - объемное содержание соответственно метана и сухого воздуха в метановоздушной смеси, доли ед.; щ и /Ца - динамическая вязкость соответственно метана, сухого воздуха и водяного пара, Пас; м , М1

и М ^ - молекулярная масса соответственно

метана, сухого воздуха и водяного пара.

Согласно «Правилам измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами» [5] динамическая вязкость каждого, входящего в состав трехфазной смеси, элемента определяется зависимостью

Н = 2,6702 -10"6^1МгТ , (3)

где М ■ ~ молекулярная масса г-го элемента,

входящего в состав трехфазной смеси; Т - абсолютная температура потока метановоздушной смеси перед сужающим устройством, К; аш - потенциал Штокмайера, Е; Пм - интеграл столкновений, определяемый в зависимости от температуры среды, К.

Поскольку коэффициент динамической вязкости метана является меньшей величиной по сравнению с динамической вязкостью остальных компонентов смеси, то уменьшение концентрации метана в каптируемой смеси приводит к повышению напряжений, вызываемых вязкостью и возникающих при движении смеси по вакуумному трубопроводу. На рис. 2.

/иЛ05,ГЬ.-с

^■10

15,0

14,8

14,7

Па • с

Рис. 2. График зависимости величины коэффициента динамической вязкости р влажной метановоздушной смеси от концентрации метана ам

V = /(Г, ам ,р) ■ (5)

Плотность влажной метановоздушной смеси является функцией ее состава [5]

Р = аиРи + рг + аАрА

графически представлена зависимость коэффициента динамической вязкости трехфазной смеси от концентрации метана.

Также и при изменении температуры каптируемой смеси гидродинамическое движение последней приобретет иной характер, поскольку температура оказывает основное влияние на интенсивность теплового хаотического перемещения молекул смеси, и так как температура влажной смеси снижается при ее движении от скважин на поверхность, - величина сил внутреннего трения будет убывать. Давление же, создаваемое в дегазационной системе для транспортирования смеси, не оказывает существенного влияния на величину динамической вязкости (рис. 3), поскольку значимо только при относительно больших значениях: при повышении абсолютного давления газа до 9 МПа коэффициент динамической вязкости увеличивается приблизительно в 5 раз [6].

Согласно [7] зависимость коэффициента динамической вязкости от давления

М = Мо^ ” - (4)

где Ц И /!о - коэффициенты динамической вязкости соответственно при давлении р и р0; а -коэффициент, зависящий от рода жидкости.

Таким образом, внутреннее трение трехфазной каптируемой смеси, создаваемое вязкостью, в большей степени определяется концентрацией входящих в ее состав компонентов и температурой, и в меньшей - абсолютным давлением смеси. Учитывая зависимости (2, 3 и 4), коэффициент динамической вязкости

где р, рА, рми Р1

(6)

плотность соответст-

р, кПа

венно влажной метановоздушнои смеси, водяного пара, метана и сухого воздуха при данном давлении и температуре смеси, кг/м3; а^ -

концентрация водяных паров в транспортируемой смеси, доли ед.

Поскольку концентрация метана в смеси является одним из основных контролируемых параметров, обеспечивающих безопасность и оптимальность функционирования системы, то плотность влажной метановоздушной смеси рассмотрим как зависимость от первой. Согласно [3]

р = 36,53ама33 р°*9Т -2А9, (7)

где р - абсолютное давление метановоздушной смеси, Па; Т - температура смеси, К.

Плотности остальных компонентов смеси, как физические свойства смеси, относятся к условиям однозначности, и поэтому плотность влажной метановоздушной смеси

р = / К >р>Т) (8)

Очевидно, что при изменении состава, а, следовательно, и плотности, каптируемой смеси вследствие происходящих подсосов воздуха, изменится и соотношение главных действующих сил: инерции и внутреннего трения. Увеличение плотности влажной метановоздушной смеси вследствие повышения концентрации воздуха и уменьшения концентрации метана способствует возрастанию и действующих в потоке сил инерции, поскольку молекулярный вес воздуха больше, по сравнению с молекулярным весом метана. Вследствие этого изменится и гидродинамический режим движения смеси. Несмотря на то, что уменьшение концентрации метана в газовом потоке приводит к повышению вязкости смеси, увели-

Рис. 3. График зависимости коэффициента динамической вязкости р от абсолютного давления смесир

14,9

Рис. 4. График зависимости числа Рейнольдса от изменения концентрации метана в трехфазной смеси метан-воздух-пары воды при ^ _ 6 м3/мин и

р = 60 кПа*

Бг = — ’

(12)

чение сил инерции молекул смеси вследствие изменения плотности оказывает большее влияние на изменение гидродинамического режима движения. На рис. 4 можно видеть влияние изменения концентрации метана в смеси на соотношение сил инерции и внутреннего трения, выраженное числом Рейнольдса, при постоянных параметрах абсолютного давления и объемного расхода.

К условиям однозначности в данном случае относятся:

- характерный линейный размер, в данном случае - диаметр трубопровода С, м;

- физические свойства метановоздушной смеси: потенциал Штокмайера, молекулярная масса каждого компонента М, входящего в состав метановоздушной смеси.

Скорость газового потока при транспортировании по подземному трубопроводу определяется зависимостью

у=£=40_> (9)

£ жС2

где £ - объемный расход влажной метановоздушной смеси, м3/мин; £ - площадь поперечного сечения потока смеси, м ; С - диаметр участкового вакуумного подземного дегазационного трубопровода, м.

Или

V = / (£), (10)

что определяет силы инерции, действующие в движущемся потоке. Таким образом, учитывая зависимости (1, 5, 8 и 10), число Рейнольдса для влажной метановоздушной смеси

Яе = / (£,а м,р, Т). (11)

Число Фруда в рассматриваемом случае характеризует гидродинамическое движение трехфазной смеси метан-воздух-пары воды. Оно отражает отношение сил инерции частиц смеси к силам тяжести

где I - характерный геометрический размер, м;

V - скорость трехфазной смеси метан-воздух-пары воды, м/с.

Учитывая условия однозначности, а также зависимость (10), - число Фруда может быть представлено как

Бг = / (£), (13)

т.е. число Фруда является функцией одного параметра - расхода влажной метановоздушной смеси в дегазационном трубопроводе.

Отношение сил давления к силам инерции характеризуется критериальным числом Эйлера. При этом отсутствует влияние на газовый поток сил тяжести и вязкости.

Ар ,

Ей = -

(14)

ру

где Др - перепад давления на участке трубопровода, Па.

Ф = р2 - Л, (15)

где р1 и р2 - абсолютное давление в газопроводе соответственно в начале и в конце участка, Па;

Таким образом, учитывая зависимости (8 и 10), число Эйлера можно представить следующей зависимостью

Ей = /(р1, Р2,ам ,£,Т). (16)

С помощью графического анализа приведенных зависимостей чисел подобия Рейнольдса, Фруда и Эйлера можно установить интервалы данных чисел, отражающих рациональный гидродинамический режим движения смеси, в пределах которого будут обеспечиваться заданные концентрация метана в метановоздушной смеси и расход смеси на входе в вакуум-насосную станцию.

Исследуя реальный гидродинамический режим движения влажной смеси по подземному трубопроводу, можно делать выводы о том, работает ли дегазационная система рационально или установившееся движение является неэффективным. Таким образом, создание и под-

держание рационального гидродинамического движения влажной метановоздушной смеси в вакуумном подземном дегазационном трубопроводе, позволит обеспечить максимальную

величину концентрации метана на входе в ва-куум-насосную станцию при минимально возможном и стабильном объемном расходе смеси.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тризно С.К., Козырева Е.Н. Комплексный подход к проблеме метана угольных шахт// Безопасность труда в промышленности, №4 1999. - С. 35-37.

2. Руководство по дегазации угольных шахт - М., 1990 - 192 с.

3. Малашкина В.А. Дегазационные установки: Учеб. пособие. - М.: Изд-во МГГУ, 2000 - 190 с.

4. Гейер В.Г., Дулин B.C., Заря А.Н. Гидравлика и гидропривод: Учеб. для вузов. - М.: Недра, 1991 - 331 с.

5. Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами: РД50-213-80/ Госкомстандарт СССР; 1982 - 319 с.

6. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам / Под общ. ред. Б.Б. Некрасова -Минск: Вышейшая школа, 1985 - 382 с.

7. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Уч-к для машиностроительных вузов / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б. Б. Некрасов и др. - М.: Машиностроение, 1982 - 423 с.

— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------

Малашкина В.А. - профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет. Вострикова Н.А. - инженер, ОАО «Метромаш».

------------------------------- © С.К. Баймухаметов, В.И. Тонких,

А.И. Полчин, Н.Н. Грозное, 2004

УДК 622.411.33:533.17

С.К. Баймухаметов, В.И. Тонких, А.И. Полчин, Н.Н. Грозное

ПРОБЛЕМЫ ГАЗОНОСНОСТИ И ВЫБРОСООПАСНОСТП ПЛАСТА БвВ КАРАГАНДИНСКОМ УГОЛЬНОМ БАССЕЙНЕ

Семинар № 5

¥ ¥ ачиная с 60 годов XX века при разра-_Ж .Ж ботке пласта (!6 в Карагандинском угольном бассейне начали происходить внезапные выбросы угля и газа и другие газодинамические явления с тяжелыми последствиями.

Несмотря на участие в решении проблем предотвращения внезапных выбросов угля и газа ведущих научных коллективов Минуглепрома СССР и ВУЗов (в том числе ВНИМИ, ВостНИИ,

ИГД им.Скочинского, МГИ и др.), а также производственников, проблема не решена до сих пор. Причинами такого положения мы считаем недостаточную изученность природы генезиса и закономерности газонакопления пластов Долин-ской свиты Карагандинского бассейна.

Одной из особенностей всех угольных пластов Долинской свиты является скачкообразный рост газоносности с определенной глубины залегания пласта, причем глубина этой зоны различ-