Теория и практика пульсирующей вентиляции Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Г орный информационно-аналитический бюллетень

......СЕМИНАР 13

:::::::::: ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА 1 і

МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99

дольного коэффициента диффузии, вызываемого только пульсациями потока, имеем:

В = ^^ Т(1 + 2k - о юб), (2)

где А1- некоторая функция плотности частицы; Т-период пульсирующего

^ К.З. Ушаков, В.Д. Косарев, Ц движения;

А.Э. Филин, 2000 к = 2^/ Т\, ( 3 )

С

УДК 622.421.44

К.З. Ушаков, В.Д. Косарев, А.Э. Филин

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ ВЕНТИЛЯЦИИ

копления метана в горных выработках являются одной из главных причин его взрывов в угольных шахтах. В то же время сейчас нет способов их предупреждения и ликвидации, достаточно эффективных и технологичных. В Московском государственном горном университете был предложен, исследован и апробирован способ, позволяющий решить эту актуальную задачу. Способ основан на придании движению воздуха в выработке регулярного пульсирующего характера. При этом многократно увеличивается турбулизация воздушного потока и, как следствие, поперечный перенос газа от мест его скопления в ядро потока. Последнее приводит к разрушению скоплений.

Рассмотрим поток, содержание газа в котором изменяется в поперечном сечении. На частицу такого потока при его пульсирующем движении в общем случае действуют силы инерции, давления сопротивления среды перемещению частицы относительно соседних частиц, трения и объемные. Составляя их баланс и решая полученное выражение относительно ускорения частицы Ь1, получим:

ьі =

Ь(1 +є) - -Би“ + g р яп р Р Р

Рі

Р

+ Є

(1)

где Ь- ускорение потока; е- коэффициент формы частицы; г - аэродинамическое сопротивление единицы объема потока; с- плотность потока; Б - площадь поперечного сечения выработки; и - скорость потока; к - показатель режима движения; g - ускорение свободного падения; в - угол наклона выработки. Из (1) следует, что частицы потока разной плотности в пульсирующем режиме будут двигаться с разными ускорениями (скоростями): появляется дополнительный сдвиг скоростей, генерирующий дополнительную турбулентность. В этом состоит суть эффективности пульсирующей вентиляции.

Зная ускорение частицы, можно определить такие важные характеристики потока как сдвиг скоростей, путь перемешивания, коэффициент турбулентной диффузии при пульсирующем режиме вентиляции. В частности, для про-

:! 1,, - время прохождения частицей пути

перемешивания; ю- частота пульсаций;

И 6 = <„ - кТ 2,

;; ! Оценка значения О показывает, что его

:! ! величина имеет порядок коэффициента

;турбулемтм0й!1^!^^фф>"!ии при стационарном режиме движения воздуха в выработке.

Важной характеристикой эффективности пульсирующей вентиляции является ее энергоемкость, определяемая дальностью действия источника пульсаций (пульсатора).

Источник работает тем эффективнее, чем при прочих равных условиях больше обслуживаемая им длина выработки (дальность действия). Можно показать (1), что это расстояние зависит от параметров работы пульсатора, аэродинамического сопротивления выработок и скорости движения воздуха в выработке и определяется выражением:

L = 0.5^-

^вп

аРю53

, ^ и0 + —

V 0 Бв ,

(5)

где Бв, Бп - площадь поперечного сечения соответственно выработки и выходного отверстия пульсатора; о - кпд струи, выходящей из пульсатора; с- плотность воздуха в выработке; п - некоторый конструктивны параметр пульсатора; а - коэффициент аэродинамического сопротивления трения выработки; ; ю- частота пульсаций; 5- коэффициент усреднения скорости движения волны пульсации на длине Ь; и0 - скорость движения воздуха в выработке при отсутствии пульсаций; q - средний дебет пульсатора за время одного импульса. Знак «+» соответствует дальности действия пульсатора по потоку, знак «-» - против потока. Из (5) видно, что дальность действия пульсатора уменьшается с увеличением сопротивления выработки (происходит более быстрая дисперсия энергии импульса) и частоты пульсаций. Последнее объясняется уменьшением энергии, выбрасываемой в выработку одним импульсом пульсатора. Важно отметить транспортирующую роль основного потока: с увеличением его скорости ио заметно возрастает дальность действия пульсатора.

Общая эффективность работы пульсатора, очевидно, будет определяться количеством газа, которое выносится в единицу времени из мест его скопления в ядро потока на длине зоны действия пульсатора. Учитывая физический смысл коэффициента диффузии, в качестве критерия эффективности пульсатора К можно взять величину, пропорциональную ДЬ. Можно показать, что величина этого критерия определяется выражением:

К = А, (аю15 + Ью05 + сю-0-5), ,,ч

2 у ’ (6)

Рис. 1. Схема проведения эксперимента по изучению влияния частоты пульсирующего потока на коэффициент турбулентной диффузии: 1 - пульсатор, 2 - метанопровод, 3 - штатив, 4 - насадка для формирования факела метана, 5 - приборо-отборник метана, 6 - интерферометр, 7 - сечение, в котором измеряется концентрация метана, 8 - анемометр

А2 - комплексный параметр, зависящий от характеристик пульсатора, сопротивления выработки и скорости движения воздуха в последней; а, Ь, с- коэффициенты зависимости. Размерность К- м3/с. Из (6) можно получить выражение для оптимальной частоты пульсирующей вентиляции що, которая обеспечивает максимум К:

В заключение обзора теоретических аспектов пульсирующей вентиляции отметим, что последняя интенсифицирует не только перенос газа в

Ь + д/Ь + 12ас

6а

(7)

выработках, но и в выработанных пространствах. Исследования показывают (2), что при расположении пульсатора в выработке, прилегающей к выработанному пространству, глубина его действия в последнем зависит от режима движения воздуха в выработанном пространстве: она существенно больше при турбулентном режиме. Важно также, что эта глубина зависит от условий распространения волн пульсаций в смежной с выработанным пространством выработке (в которой расположен пульсатор).

С целью установления численных значений эффективных параметров пульсирующей вентиляции МГГУ были проведены натурные исследования на базе опытной штольни ВНИИГД и шахты им. Ленина ПО «Донецкуголь». Основными задачами натурных исследований явилось:

• установление диапазона частот пульсирующей вентиляции, при котором происходит наиболее эффективное разрушение слоевых и местных скоплений метана;

• установление оптимального соотношения расхода воздуха, преобразованного в пульсирующий поток и воздуха, проходящего по выработке;

• определение дальности действия пульсирующей вентиляции;

• определение влияния пульсаций различной частоты на изменение коэффициента турбулентной диффузии;

• установление времени разрушения слоевых и местных скоплений метана при различной частоте пульсаций потока.

Исследования велись по двум направлениям. Первое направление включало в себя измерение параметров, определяющих значение коэффициента турбулентной диффузии, с последующим расчетом на этой базе других параметров пульсирующей вентиляции. Второе направление-измерение временных характеристик разрушения слоевых и местных

скоплений метана при различной частоте пульсирующего потока.

Шахтный эксперимент по установлению влияния на коэффициент турбулентной диффузии различных частот пульсирующего потока осуществлялся по методике, схема которой представлена на рис. 1.

В выработке, в центре ядра потока устанавливался точечный источник, к которому подавался метан с расходом, обеспечивающим равенство скоростей истечения метана и средней скорости пульсирующего потока. На расстоянии от точечного источника хі = 0,35 м, по вертикальной оси у производились измерения концентрации метана с шагом 0,05-0,07 м.

На расстоянии 15 м против потока от места измерений располагался «пульсатор» (1)-устройство, преобразующее равномерно движущийся поток в пульсирующий. Пульсатор представляет собой насадку, совмещенную с вентилятором местного проветривания, с помощью которой воздух попеременно выбрасывается с заданной частотой навстречу и спутно воздушному потоку, обеспечивая пульсирующий режим движения

0

Г орный информационно-аналитический бюллетень

нюю скорость движения воздуха в выработке.

По результатам натурных измерений построены кривые распределения концентрации метана от точечного источника при различных значениях частоты пульсирующего потока.

Для каждого из этих распределений были рассчитаны значения коэффициента турбулентной диффузии потока

представленные в табл. 1

Для определения эффективного диапазона частот пульсирующей вентиляции построен график зависимости коэффициента турбулентной диффузии от частоты пульсирующего потока, представленный на рис. 3.

Из рис. 2 следует, что при значениях частоты пульсаций щ =6-8 Гц наблюдается ярко выраженный максимум значения коэффициента турбулентной диффузии.

Эти же значения оптимального диапазона частот пульсирующей вентиляции получены при проведении экспериментов по установлению времени

разрушения слоевого скопления метана.

При фиксации времени снижения концентрации метана в реальном масштабе, т. е. времени характеризующем разрушения слоя, получим следующие значения. При частоте 0 Гц (пульсатор выключен) время естественного разрушения слоя (с 6,5 % до 0,8%) составляло 31 минуту. При оптимальном значении частоты (щ=6-8 Гц) снижение концентрации метана в этих же пределах произошло за 6 минут. Таким образом, при оптимальном значении частоты пульсаций потока разрушение слоевого скопления осуществлялось в 5 раз быстрее.

Анализируя результаты шахтного эксперимента, можно увидеть, что относительная скорость снижения концентрация метана уменьшается с увеличением расстояния от пульсатора. Вполне очевидно, что действие пульсирующей вентиляции будет определяться значением длины, на которой относительная скорость снижения концентрации при оптимальной частоте равна скорости снижения относительной концентрации метана без работы пульсатора (щ=0 Гц).

Построив графики скорости относительно изменения концентрации метана в зависимости от расстояния до пульсатора, получим дальность действия пульсирующей вентиляции (рис. 4). На рисунке пунктирной линией отмечено значение относительного изменение скорости снижения концентрации при щ=0 Гц.

С увеличением средней скорости пульсирующего потока дальность действия пульсирующей вентиляции возрастает, превышая 100 м, при скорости 0,55 м/с. Учитывая, что действие пульсаций распространяется как по потоку, так навстречу ему, можно считать, что участки выработки длиной 200-250 м в районе работы пульсатора могут быть защищены от образования слоевых и местных скоплений метана. Установление оптимального соотношения воздуха, подаваемого на пульсатор ^п) и проходящего по выработке ^в) является одной из основных энергетических характеристик пульсирующей вентиляции.

На рис. 3 представлен график зависимости скорости изменения концентрации в относительных единицах от соотношения воздуха, подаваемого на пульсатор, и проходящего

по выработке Qп ^в. Из графика видно, что при соотношении Qп ^в, приближающимся к 1, относительная скорость снижения концентрации метана падает, т.е. падает эффективность пульсирующей вентиляции. Наибольшая относительная скорость снижения концентрации метана соответствует соотношению Qп ^в«0,1-0,25. Это означает, что при оптимальной частоте <в=6-8 Гц, достаточно преобразовать в пульсирующий поток только 10-25 % воздуха, проходящего по выработке.

Таким образом, на основе проведенных шахтных исследований получены численные значения основных параметров пульсирующей вентиляции, при которых происходит наиболее интенсивное разрушение слоевых скоплений метана. Для выработок сечением 7,5 м2, средней скорости движения воздушного потока иср=0,15-0,6 м/с эти параметры находятся в следующих диапазонах:

• частота пульсаций потока <вэф, Гц.........6-8;

• дальность действия пульсирующей вентиляции, 200-250;

• оптимальное соотношение воздуха, подаваемого на

пульсатор и проходящего по выработке Qп /Ов,.................................0,1-0,25;

• коэффициент турбулентной диффузии на частоте щ=6

Гц возрастает в 2,6 раза и для бетонного крепления имеет значение D, м2/с....9,8*10-4;

• время разрушения слоевого скопления метана составляет, мин..............................6;

• снижение времени разрушения слоевого скопления ме-

тана при эффективной частоте щэф=6-8 Гц по отношению ко времени при стационарном потоке составляет, раз........................5;

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ушаков К. З. Дальность действия 2. Ушаков К. З. Влияние пульсирующей пасность труда в промышленности. 1998,

пульсатора. // Безопасность труда в про- вентиляции на газовыделение из примы- №2.

мышленности. 1997, №1. кающих выработанных пространств.// Безо-

Ш

У

Ушаков Ким Захарович — доктор технических наук, профессор кафедры «Аэрология и охрана труда» МГГУ.

Косарев Виктор Дмитриевич — доцент кафедры «Аэрология и охрана труда» МГГУ. Филин А.Э. — доцент кафедры «Аэрология и охрана труда» МГГУ.

Г