CC BY
48
-------- -....— .... -- ■■ - ■
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 97» МОСКВА, МГТУ, 3.02.97 - 7.02.97 СЕМИНАР 10 «АЭРОЛОГИЯ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ•
К.З. Ушаков, М.А.Сребный В.Д Косарев, О.В.Скопинцева
Московский государственный горный университет
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ГАЗООЕИЛЫЧЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Примерно 85% угольных шахт РФ являются опасными по выделению метана. Технические мероприятия по борьбе с метаном, обеспечению взрыво- и пожаробезопасности, ликвидация последствий взрыва метана, компенсация социальных последствий этих взрывов требуют огромных материальных и капитальных затрат. Фактически рентабельность многих шахт определяется затратами на решение вопросов безопасности по газовому фактору. Т.е. борьба с метаном - это одна из актуальных задач при современной добыче угля как с экономической, так и с социальной точек зрения.
Наибольшую опасность представляют слоевые и местные скопления метана. Борьба с ними требует не только постоянного дорогостоящего контроля, но и больших затрат материальных и людских ресурсов. Но даже наличие всего комплекса необходимых элементов по борьбе со скоплениями метана не гарантирует их ликвидацию, а в ряде случаев, из-за высоких миграционных способностей метана увеличивает потенциальную опасность взрывов. Существующие методы борьбы с метаном и технические средства обеспечивают только локальное действие на скопление метана. Это воздействие, например, увеличение количества воздуха в месте образования слоя или изменение эпюры скоростей потока, приводит к тому, что скопление мигрирует в другую часть выработки, не снижая потенциальную опасность по взрыву.
Принципиально иной подход к проблеме борьбы со скоплениями метана разрабатывается в МГГУ. Его основой является создание заданных характеристик турбулентного потока, при которых само существование слоевых скоплений любых газов на всем протяжении выработки невозможно. Т.е. в данном случае речь идет не о локальном воздействии на слоевые скопления, а об изменении аэродинамических характеристик воздушного потока во всем объеме и длине защищаемой выработки или выработки, опасной по слоевым скоплениям.
Приоритет МГГУ в этой области определяется исследованиями Полякова В.А., который в 1974 г. [1] обнаружил, что процесс перемешивания метана с воздухом в модели выработанного пространства происходит интенсивнее при пульсирующей подаче воздуха в модель.
Дальнейшие теоретические исследования в этой области были проведены К.З.Ушаковым [1 ,2]. Пульсирующее движение воздушного потока рассматривается Ушаковым К.З. как частный случай нестационарного движения, описываемый уравнением Новье-Стокса [2]. В этом случае пульсирующее поступательное движение представляет собой суперпозицию двух движений: основного и поступательного, проходящих в стационарном режиме. Основное движение потока в стационарном режиме достаточно хорошо изучено и не требует пояснений. В данном случае наибольший интерес представляет взаимодей-
шее. Отсюда следует, что при пульсирующем движении объемов с переменной плотностью возникает их относительное движение вдоль потока. Но это движение неминуемо вызывает поперечное перемещение объемов движущейся среды. В итоге пульсирующее движение порождает своеобразную турбулентность, которая усиливает турбулентность основного потока. Это дает основание считать, что турбулентность пульсирующего потока всегда выше, чем турбулентность равномерно движущегося потока и, как следствие, обладает большими возможностями выравнивания плотностей примеси и осреднением концентрации примеси.
Таким образом, специфика пульсирующего движения отражается на увеличении коэффициента турбулентной диффузии, который может быть рассмотрен как сумма коэффициента турбулентной диффузии Дт и коэффициента диффузии пульсирующего движения Д„
До-Дт + Дп ■ (4)
Вполне очевидно, что теоретическая оценка коэффициента Д0 имеет приблизительное значение и его достоверное значение может быть получено только экспериментальным путем.
Теоретические исследования показали перспективность использования пульсирующего потока при разрушении слоевых скоплений метана (впоследствии общее название исследований в этой области получило название “Пульсирующая вентиляция”).
Начальный этап экспериментальных исследований по пульсирующей вентиляции был связан с обоснованием критериев подобия при моделировании процессов га-зопереноса в пульсирующем потоке, выбором способа физического моделирования, изготовление модели, технических и измерительных устройств для фиксации процес-
сов газопереноса, разработкой методики физического моделирования и обработки результатов эксперимента.
Для оценки эффективности пульсирующей вентиляции как способа борьбы со скоплениями метана в сквозных выработках были проведены исследования на гидромодели.
Гидромодель была изготовлена в масштабе 1:30, слой метана имитировался раствором ЫаС1, подкрашенным перманганатом калия. При моделировании обеспечивалась идентичность для модели и натуры критерием гомохронности, числом Фруда, отношением плотностей активного газа и воздуха, отношением дебита источника газа к произведению средней скорости потока на площадь сечения выработки. Пульсации потока с частотой от 1 до 20 Гц генерировались специальным устройством. Перенос примеси фиксировался по изменению электропроводности с помощью специальных датчиков и самописца.
Результаты исследований на гидромодели показали, что коэффициент турбулентной диффузии в пульсирующем потоке увеличивается в 2-7 раз. Флуктация концентрации примеси в точке увеличивается в 4-5 раз. Визуальные наблюдения за слоем примеси показали, что механизм разрушения связан с его набуханием, т.е. его толщина увеличивается в 3-4 раза и соответственно падает концентрация примеси в слое. На границе слоя возникают волновые движения с образованием вихрей, срыв которых осуществляется в движущейся поток. С увеличением частоты пульсаций до 20 Гц амплитуда волновых движений в слое уменьшается и снижается эффективность выноса примеси в поток.
Лабораторные исследования на гидромодели по оценке диффузионных характеристик пульсирующего потока и его воздействие на устойчивость скоплений примеси подтвердили теоретические предпосылки и показали перспективность пульси-
рующей вентиляции как способа борьбы со слоевыми скоплениями метана.
Однако, гидромоделирование не могло дать количественной оценки по ряду параметров пульсирующей вентиляции. Для их получения необходимы только натурные исследования.
Поэтому следующий этап исследований включал в себя натурные эксперименты , основными задачами которых являлось:
• 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 пульсации потока.
Следует подчеркнуть, что первые два параметра важны не только для организации пульсирующей вентиляции, но также определяют требования к пульсаторам, предназначенным для работы в шахтных условиях.
Исследования велись по двум направлениям [3]. Первое направление включало в себя изменение 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 при
различных значениях частоты пульсирующего потока.
Для определения коэффициента турбулентной диффузии используется дифференциальное уравнение распределения примеси в потоке
Решение этого уравнения относительно коэффициента турбулентной диффузии О имеет вид:
и ■ у |
О =-------—, (6)
4.г, • 1п2
где и - усредненная скорость движения потока по направлению оси Ох в точке с координатами (х.\.2): с - концентрация примеси; й - коэффициент турбулентной диффузии;
х,у,2 - координаты;
\г\а - квадрат математического ожидания координаты частицы примеси в плоскости х :=: х 1 на котором с - 0,5с так. х г расстояние по оси Ох, на котором производится измерение распределения концентрации примеси. Из последнего выражения следует, что для определения коэффициента турбулентной диффузии необходимо экспериментально определить распределение концентрации примеси на расстоянии х /.
Шахтный эксперимент по установлению влияния на коэффициент турбулентной диффузии различных частот пульсирующего потока сводится к следующему.
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 х/= 0,35 м, по вертикальной оси Оу
производились измерения концентрации метана с шагом 0,05-0.07 м. Измерения производились интерферометром ШИ-10 с помощью пробоотборника. Постоянство средней скорости пульсирующего потока контролировалось с помощью анемометра АСО-3, установленного на выходе из выработки.
На расстоянии 15 м против потока от места измерений располагался пульсатор.
Во всех экспериментах использовалось четыре фиксированных значения частоты пульсаций: 0; 4; 6; 12 Гц . при которых проводились измерения.
Измерения концентрации метана производились в одной точке под кровлей в грех замерных пикетах, соответственно на расстоянии 10, 15 и 20 м от пульсатора. Эти замерные пикеты имели поперечные перегородки площадью 0.8-1 м , установленные под кровлей перпендикулярно проходящему воздушному потоку и предназначенные для увеличения времени естественного разрушения слоя метана. Образование слоя за этими перегородками осуществлялось с помощью метана, подаваемого по перфорированному шлангу, подвешенному под кровлей. В каждом из замерных пикетов фиксировалось время разрушения слоевого скопления при одних и тех же значениях частоты пульсирующего потока.
По результатам натурных измерений построены кривые распределения концентрации метана от точечного источника при различных значениях частоты пульсирующего потока.
Для каждого из этих распределений по зависимости, представленной выше, был рассчитан коэффициент турбулентной диффузии. Значения коэффициента турбулентной диффузии в зависимости от частоты пульсаций потока представлены в табл.1.
м» пп Частота пульсаций воздушного потока Р, Гц Расчетное значение коэффициента турбулент-Н ной диффузии Ох 104, м2/с |
1 0 3.8
2 3-4 7,56
3 6 9.8
4 12-13 3,12 |
Из таблицы следует, что частота пульсирующего потока определяет значение коэффициента турбулентной диффузии. При частоте ^ = 6 Гц это значение в 2,6 раза превышает значение коэффициента для равномерно движущегося воздушного потока, т.е. при частоте пульсаций ^ = 0 Гц.
Для определения эффективного диапазона частот пульсирующей вентиляции был построен график зависимости коэффициента турбулентной диффузии от частоты пульсирующего потока, из которого следует, что при значениях частоты пульсаций ^=6-8Гц 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. Сущность экспериментов сводилась к измерению скорости снижения концентрации метана в относительных единицах в точках у кровли, соответственно, на расстояниях 10, 15 и 20 м от пульсатора по потоку при различных значениях частоты пульсаций.
Под скоростью снижения концентрации в относительных единицах понимается отношение текущего значения концентрации метана к максимальному деленному на интервал времени, за которое прошло это изменение.
Следует подчеркнуть, что оптимальное значение частоты пульсирующего потока получено на основе двух различных экс-
периментов, что говорит о достоверности полученных результатов.
При фиксации времени снижения концентрации метана в реальном масштабе, т.е. времени, характеризующем разрушение слоя, получены следующие цифры. При частоте 0 Гц (пульсатор выключен) время естественного разрушения слоя с 6,5% до 0,8% составляет 31 минуту. При оптимальном значении частоты, т.е. ^ = 6-7 Гц, снижение концентрации метана в этих же пределах произошло за 6 минут. Таким образом, при оптимальном значении частоты пульсаций потока разрушение слоевого скопления осуществляется в 5 раз быстрее.
Анализ натурных измерений показывает, что относительная скорость снижения концентрации метана уменьшается с увеличением расстояния от пульсатора.
Вполне очевидно, что дальность действия пульсирующей вентиляции будет определяться значением длины, на которой относительная скорость снижения концентрации при оптимальной частоте равна скорости снижения относительной концентрации метана без работы пульсатора ( ^ = 0).
Построив график скорости относительного изменения концентрации метана в зависимости от расстояния до пульсатора можно получить дальность действия пульсирующей вентиляции.
Из анализа графического материала следует, что с увеличением средней скорости пульсирующего потока дальность действия пульсирующей вентиляции возрастает, превышая 100 м, при скорости 0,6 м/с. Учитывая, что действие пульсаций распро-
страняется как по потоку, так и навстречу ему, можно считать, что участки выработки длиной 100-150 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 Qв является одной из основных энергетических характеристик пульсирующей вентиляции.
При соотношении <2п/£>в, приближающимся к 1, относительная скорость снижения концентрации метана падает, т.е. падает эффективность пульсирующей вентиляции. Наибольшая относительная скорость снижения концентрации метана соответствует соотношению Qn/Qв 0,1-0,25. Это означает, что при оптимальной частоте Р= 6-7Гц, достаточно преобразовать в пульсирующий поток только 10-25% воздуха, проходящего по выработке.
Таким образом, на основе проведенных 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 Р, Гц - 6 -7;
• дальность действия пульсирующей вентиляции Ь, м - 100 - 150;
• оптимальное соотношение воздуха, подаваемого на пульсатор и проходящего по выработке Qn /()в -0,1 -0,25;
• коэффициент турбулентной диффузии на частоте Р = 6 Гц возрастает в 2,6 раза и для бетонного крепления имеет значения О, м /с - 9,8 х 104;
• время разрушения слоевого скопления метана составляет Т, мин -6;
• снижение времени разрушения слоевого скопления метана при эффективной частоте Р=6-8 Гц, по отношению ко времени при равномерно движущемся потоке составляет К, раз - 5.
Дальнейшие исследования и практическое внедрение пульсирующей вентиляции на газовых шахтах невозможно без технических средств, преобразующих равномерно движущейся воздушный поток в пульсирующий.
На основе проведенной работы была разработана конструкция, техническая документация и само устройство, преобразующее равномерно движущейся воздушный поток в пульсирующий.
Пульсатор выполнен на базе вентилятора местного проветривания ВМП-5, воздух из которого поступает на распределительное устройство, которое обеспечивает импульсный выброс воздуха спутно воздушному потоку, а затем - навстречу. При этом средняя скорость воздушного потока в выработке и его количество остается постоянным.
Конструкция пульсатора позволяет изменять частоту пульсаций от 2 до 15 Гц, а также изменять соотношение воздуха, подаваемое на вентилятор пульсатора <2п и проходящего по выработке в пределах /£>в - 0,1 до 1. Необходимость изменения этих параметров с помощью пульсатора связана с установлением оптимальных параметров пульсирующей вентиляции.
1. Ушаков К.З. Исследование пульсирующего движения неоднородной газо-воздушной смеси: Отчет по госбюджетной теме «Разработка методов комфортного и безопасного труда в шахтах» МГИ, 1976 г.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
