Определение объема воздуха, вмещаемого выработанными пространствами Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

любом случае предпочтение должно отдаваться установке ГВУ у вентиляционного ствола, т.е. там, где нет движения транспорта и грузов. В данном случае намного упрощается конструкция ГВУ, т.к. отпадает необходимость в сооружении дорогостоящих вентиляционных устройств (шлюзов, к примеру). Размещение ГВУ у воздухоподающего ствола требует сооружения шлюза, выдерживающего перепад давления, развиваемого этим ГВУ, а случайное разрушение шлюза приведет к нарушению всей вентиляционной системы шахты, т.е. к серьезной аварии, требующей остановки работ в шахте.

Проведенные расчеты выполнены без осуществления каких-то специальных мероприятий по дополнительной изоляции выработок, чтобы уменьшить протекание воздушных масс по выработанным пространствам. Однако, предусмотрев специальные вентиляционные выработки (базовые вентиляционные горизонты), можно

еще более повысить эффект от работы подземных вентиляторных установок. Идя подобным образом, были выбраны места размещения подземных вентиляторных установок и базовых горизонтов при реконструкции вентиляционной системы одной из шахт ОАО «Севуралбокситру-да», при которых обеспечивались минимальные просачивающиеся через выработанные пространства объемы воздуха. Таким образом установка ГВУ в подземных условиях достигает три цели: - повышается безопасность работ подземных рабочих, т.к. уменьшается просос воздуха с поверхности и сводятся к минимуму рециркулирующие по выработанным пространствам объемы воздуха; - обеспечивается более экономичная работа вентиляторных установок; -увеличиваются перепады давления в пределах выработок рабочих горизонтов, что делает эту часть вентиляционной системы более управляемой.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алборов ИД., Худиев Ч.М. Аэродинамическое со- 2. Ярцев В.А. Аэродинамическое сопротивление об-

противление зон обрушения // Безопасность труда в про- рушений // Горный журнал. Известия ВУЗов. -1966. - № мышленности. - 1995. - № 3. - С. 23-27. 2. - С. 50-56.

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

Мохирев Н.Н. - ПермГТУ,

Попов А.С., Шадрин М.А., Зилеев Г.П. - ОАО "Севуралбокситруда".

---------------------------------------------- © Н.Н. Мохирев, 2004

УДК 622.41/.46 Н.Н. Мохирев

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМА ВОЗДУХА, ВМЕЩАЕМОГО ВЫРАБОТАННЫМИ ПРОСТРАНСТВАМИ

Семинар № 5

ТГ ри отработке месторождений, когда ется ее жесткое поддержание на оставляемых

способом управления кровлей явля- целиках, появляются выработанные простран-

ства с большими объемами пустот. Эти пустоты измеряются иногда миллионами м3 и, если они не изолированы от эксплуатируемых выработок, т.е. являются открытыми, начинают оказывать значительное влияние на режимы вентиляции.

Выработанные пространства, имеющие объем пустот У, всегда заполнены воздухом. При изменении внешнего давления в эти пространства дополнительно поступает воздух объемом А<2 или же, наоборот, при уменьшении давления пространства отдают излишки воздуха вместе с газами, накапливающимися в них. Это явление известно [1, 2, 3] и касается в основном выработанных пространств отдельных лав угольных шахт, обладающих сравнительно небольшими объемами пустот, но которые являются источниками поступления горючих газов в забои лав.

Нормальный режим вентиляции достаточно долгий по времени, а поэтому заключенный в пустотах выработанных пространств воздух приобретает температуру, равную температуре окружающих пород. При изменении начального давления р1 в сторону увеличения р2 объем заключенного в пустотах воздуха У1 сожмется до значения У2. Данный процесс при постоянной температуре Т и массе воздуха т описывается уравнением

РгУ]= Р2-У2- (1)

Это известный закон Бойля-Мариотта. Величину р2 можно выразить через р1 + Ар, где Ар - приращение давления. Первичный объем заполняющего пустоты воздуха У1 сожмется до У2, а освободившееся пространство пустот заполнится поступившим извне воздухом. Этот объем воздуха определится коэффициентом сжатия К = У1 / У2, с учетом которого уравнение (1) запишется

Рі • У1 =

(р +Ар) • у

откуда

К = 1 +

К

Ар

Рі

(2)

(3)

Диапазон измеряемых давлений жидкостей и газов лежит в огромных пределах (от 0 до 1010 Па), причем различают задачи измерения абсолютного атмосферного давления, избыточного давления, вакуума (давления ниже атмосферного) и разности двух давлений (перепада давления). В связи с этим рассматриваемая в статье задача ставится с учетом следую-

щих условностей: абсолютное давление принимается в качестве условного нуля - р1, избыточное давление - Ар. Чтобы определить общий объем воздуха Q, заключенный в объеме пустот У1, необходимо равенство (3) умножить на величину У1, тогда

Ар ■ У1

б = к-у, = у +-

(4)

Рі

При произвольной массе воздуха т и молекулярной массе М, равной т/и, состояние газов описывается уравнением Менделеева-Клайперона, которое для описываемого случая будет иметь вид

т ■ Я ■ Т

Р1У =----------а—, (5)

М

где Ям = Я -р - универсальная газовая постоянная, одинаковая для всех газов [4]. Ям = 8310 дж / (кмоль-К); ц - молярная масса.

Из (5) следует

т • Я • Т

Р1 =---------*—. (6)

У -м

С учетом (6) равенство (4) примет вид:

Ар • У12 -р

б = у, +

(7)

При изменении режимов работы вентиляторов (включение, реверс, смена производительности) влияние на них оказывает не весь воздух, помещенный в пустоты выработанного пространства, а только его избыток Ж.1 (при нагнетательном проветривании) или недостаток (при всасывающем проветривании). С учетом этого (7) запишется

= Ар-у -р т ■ Яр- Т

(8)

где т = р-У1 - масса газа, кг; р - плотность воздуха, кг/м3; Т = (273,15 + Г) - температура, К; Г - температура воздуха (пород), °С.

Для атмосферного воздуха молярная масса согласно [4] равна 28,96 кг/кмоль. Рудничная атмосфера несколько отличается от атмосферного воздуха. Усредненные данные многолетних измерений, к примеру, в калийных рудниках показывают, что среднее содержание кислорода на расстоянии в 1 км от околоствольного двора равняется 20,5 %, азота 79,0 % и углекислого газа 0,5 % [5]. Молярную массу приведенного состава можно определить по относительной молекулярной массе М, равной отношению массы молеку-

Лб = 0,003479 •-

Ар • уі

(10)

Рис. 1. К выводу формулы

поверхности, т.е. в точке 1, составляет В1, а температура воздуха - Г1, но тогда на основании [1, 2] плотность воздуха в этой точке будет равна

р1 = 0,4645 ■

В

(273,15 + О

(12)

лы вещества к 1/12 части массы атома изотопа углерода-12 [6]. К примеру, относительная атомная масса кислорода согласно [6] равна 15,999, молекулярная (02) - 31,998, молярная масса в составе воздуха ро = 0,205-31,998 = 6,56 кг/кмоль. Аналогичным образом определяется молярная масса остальных составляющих рудничного воздуха, тогда р = -£/4 = 28,91 кг/кмоль. (9)

Подставив в (8) значения т, Т и (9), будем иметь

р■ (273,15 + Г)

Если принять значение плотности рудничного воздуха р = 1,2 кг/м [1], а избыточное давление Ар выразить в даПа, тогда окончательно получаем

^ = 0029--------^_________. (11)

р- (273,15 + Г)

Из формулы видно, что избыточный объем воздуха, размещаемый в пустотах выработанного пространства, имеет прямую зависимость от избыточного давления и обратную от температуры окружающих пород. Действительно, воздух при увеличении его температуры расширяется при неизменном объеме пустот и часть его выходит из выработанного пространства.

В формуле (11) плотность воздуха принята величиной постоянной из условия, что длительно находящийся в выработанном пространстве воздух имеет неизменную температуру и давление, соответствующее нормальному режиму вентиляции. Однако при изменении вентиляционного режима и наполнении пустот воздухом параметры поступающего воздуха уже другие. Этот процесс можно рассмотреть на примере рис. 1. Пусть вертикальная длина ствола 1-2 равняется Н. На этой же глубине для простоты рассуждений находятся выработанные пространства. Атмосферное давление на

Соответственно плотность воздуха в точке 2 будет равна

в

р, = 0,4645-----------2-----, (13)

(273,15 + Г2)

а среднеарифметическая плотность в стволе 12

Р1-2 = 0,5 {Р1 + Р2) .

Абсолютное атмосферное давление в точке 2 будет отличаться от давления на поверхности на величину веса столба воздуха в стволе за минусом падения депрессии в данном стволе, т.е.

В2 = В1 + 0,07353 (Р1.2-Н - Я-2ф, (14)

где Д1-2 - аэродинамическое сопротивление ствола 1-2, даПа-с /м ; . - расход воздуха в руднике, м3/с.; 0,07353 - коэффициент перевода из даПа в мм рт. ст.

С учетом (14) зависимость (13) примет вид

рг = 0,4645 ■

В1 + 0,07353 ■ (Рі_г ■ Н - Я1_2 • б ) , (15)

273,15 + и

С учетом (15) и (12) средняя плотность воздуха в стволе 1-2 будет равна

- 0,2322

А

В + 0,07353 ■ (д_2 ■ Н -Я1_2 ■ б2)

273,15 + £

273,15 +

Р\

(16)

В равенстве (16) в левой и правой частях фигурирует неизвестная величина р1-2. Решим это равенство относительно р1.2, тогда будем иметь:

"в, -(546,3 + Г, + Г2) -0,07353 -Д, 2 -. -(273,15 + Г,) (273,15 + Г1) ■ (273,15 + Г2 - 0,01707 ■ Н)

(17)

Плотность воздуха в точке 3 на рис. 1 будет отличаться от плотности воздуха в точке 2 только тем, что атмосферное давление в точке 3 уменьшится на величину падения депрессии в ветви 2-3, т.е. на величину Я2.3{)

р3 = 0,4645 •

В, + 0,07353• (а_2 • Н -Я,_2 • в2 -Я2_3 • в2)

(273,15 + £2)

(18)

Рис. 2. Зависимость вместимости пустот выработанного пространства от температуры воздуха на поверхности (а) и давления (б)

Но р3 - это плотность воздуха, который начнет заполнять выработанное пространство при остановке ВУГП под действием созданного в нем разрежения Ар = Я1.2{1 + Я2-312. Подставим данную величину Ар в (18), тогда окончательно получим

р3 = 0,4645 •

В1 + 0,07353 • (р1_2 • Н -Ар)

273,15 + и

.(19)

На основании ранее проведенных исследований выявлено [7], что при опускании воздуха в рудники глубиной до 500 м он за счет поджатая увеличивает свою температуру в среднем на 0,00767 град. на 1 м, при глубине более 500 м - в среднем на 0,00827 град. на 1 м [8]. Следовательно, температуру воздуха в точке 2 на рис. 1 можно выразить как Г2 = Г1 + 0,00767-Я,

но тогда выражение (11) для условий рис. 1 примет вид:

Ар • у 1

Д. = 0,3479 •

(20)

где

Л

ръ ■ (273,15 + Г)

= 04645. В1 + 0,07353 ■ (А_2 ■Н -Ар). (21)

Итак, получены две формулы (11) и (20) для определения избытка воздуха А., помещаемого (извлекаемого) в выработанные пространства неизменного объема У под действием избыточного давления (депрессии) Ар. Анализ этих формул для условий, приближенных к реальным, показал следующее:

1. Зависимость А. обратно пропорциональна от температуры воздуха в выработанном пространстве. Анализ этой зависимости в пределах температур от +4 до +16 0С показал, что прямые (11) и (20), имея начальную разность конечных величин А. в 2,3 %, при увеличении температуры имеют конечную разность в 2,1 %, т.е. эти две прямые сходятся. Обратно пропорциональная зависимость естественна: при неизменном объеме пустот У увеличение температуры находящегося в них воздуха приведет к его расширению и излишки воздуха при неизменном давлении будут вытесняться.

2. При увеличении температуры воздуха на поверхности объем содержащегося в пустотах избытка воздуха А. по формуле (20) увеличивается (прямая 1 на рис. 2, а), по формуле (11) - это величина постоянная (прямая 2). Действительно, при увеличении температуры наружного воздуха атмосферное давление в точке 2 на рис. 1 уменьшается и эффективность действия давления Ар увеличивается.

3. Зависимость А. от Ар прямо пропорциональна для обеих формул (11) и (20) (соответственно прямые 1 и 2 на рис. 2, б). Начальная разность при вычислении значений А. не превышает 0,23 %, конечная возрастает до значения 1.8 %, т.е. прямые 1 и 2 расходятся с увеличением Ар.

4. Зависимость А. от вертикальной длины стволов Н и атмосферного давления на поверхности В[ обратно пропорциональна для формулы (20). Причина та же, что и в пункте 2. Разность в значениях А., определяемых по двум формулам, колеблется при возрастании Н с 50 до 800 м - с 0,018 до 10,8 %, при возрастании В1 с 720 до 790 мм рт. ст. - с 1,7 до 7,6 %.

273,15 + Г1 + 0,00767 ■ Н

При средних значениях Н и В1 (400 м и 760 мм определении дополнительного объема воздуха

рт. ст.) разность в определении Л. по обеим в выработанных пространствах большинства

формулам не превышает 2,0 %, т.е. ошибка в рудников не будет превышать 2,5 %.

1. Комаров В.Б., Килъкеев Ш.Х. Рудничная вентиляция: Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Недра, 1969. - 416 с.

2. Аэрология горных предприятий: Изд 3-е, перераб. и доп. / Ушаков К.З., Бурчаков А.С., Пучков Л.А., Медведев И.И. М.: Недра, 1987. -421 с.

3. Пучков Л.А., Каледина Н.О. Динамика метана в выработанных пространствах шахт. - М.: МГГУ, 1995. -313 с.

4. Френкель М.И Поршневые компрессоры. - Л.: Машиностроение, 1969. - 415 с.

5. Медведев ИИ, Полянина Г.Д. Газовыделе-ния на калийных рудниках. - М.: Недра, 1974. -168 с.

----------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

6. Краткий справочник физико-химических величин: Изд. 2-е, пераб. Под ред. Равделя А.А. и Пономаревой А.М. - М.: Химия, 1983. - 232 с.

7. Мохирев Н.Н. Разработка современных методов и средств обеспечения высокоэффективного проветривания рудников, обладающих малыми аэродинамическими сопротивлениями: Дис. ... д-ра техн. наук / Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 1994.- 302 с.

8. McPherson MJ., Robinson G. Barometric survey of shafts at Baulby Mine, Cleveland Potash // Journal of Mine Ventilation Society of South Africa. -1980. -V. 33, № 9. -P. 145-164.

— Коротко об авторок ---------------------------

Мохирев Н.Н. - ПермГТУ,

Попов А. С., Шадрин М.А., Зилеев Г.П. - ОАО "Севуралбокситруда".

--------Ф

■V--------

--------------------------------------------------- © Ю.М. Карташов, 2004

УДК 622.807:622.411.33 Ю.М. Карташов

СПОСОБ БОРЬБЫ С ПЫЛЬЮ И ГАЗОМ МЕТАНОМ НА УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

Семинар № 5

~П России около 70 % угольных шахт от -Ш-* их общего числа относятся к опасным по газу метану, а 90 % угольных пластов - к опасным по взрывам пыли. Анализ аварий на шахтах РФ [1] свидетельствует о том, что за последние 10 лет количество вспышек и взрывов метана возросло в 2 раза, при этом более 85 % взрывов угольной пыли было инициировано взрывами (воспламенениями) метана. Вспышки метана иногда приводили к крупным взрывам газопылевоздушных смесей с человече-

скими жертвами и материальными потерями. Кроме того, угольная или породная пыль при длительном воздействии на человека приводит к профессиональному заболеванию - пневмо-кониозу. Многолетняя практика горных работ с применением комбайнов и буровых машин показала, что используемые при этом способы и средства борьбы с пылью не обеспечивают высокой степени безопасности и комфортности труда, а снижение концентрации пыли на рабочих местах экипажа до санитарных норм и