(1)
Предложена система аварийного проветривания метанообильных тупиковых выработок. Исследовано влияние переходного аэродинамического процесса на режим проветривания тупиковой выработки при использовании разработанной системы. Установлено, что длительность переходного процесса зависит от объема изолированного пространства и подачи вентилятора местного проветривания.
Ключевые слова: аэродинамические процессы, система аварийного проветривания, тупиковые выработки, метанообильность, избыточное давление.
НИИГД «Респиратор» разработана система аварийного проветривания тупиковых выработок с высокой метанообильностью [1, 2]. Одним из основных положений разработанной системы вентиляции является наличие избыточного давления в тупиковой выработке. После включения вентилятора местного проветривания (ВМП) свежий воздух в тупиковую выработку подают по нагнетательному трубопроводу, а отработанный воздух выходит из тупиковой выработки по газоотводному трубопроводу и через окно или неплотности в запирающей перемычке. Аэродинамическое сопротивление путей выхода воздуха из тупиковой выработки можно определить по формуле:
|
(1) |
где Rвых – аэродинамическое сопротивление путей выхода воздуха из тупиковой выработки, даПас2/м6; Δh – планируемое избыточное давление в изолированном пространстве, даПа; Qв – планируемая подача ВМП, м3/с.
Установлено, что для нормального функционирования системы проветривания необходимо, чтобы значение избыточного давления было в пределах от 100 до 150 даПа, а подача ВМП равнялась приблизительно 1000 м3/мин. Приняв избыточное давление Δh = 100 даПа, а подачу ВМП Qв = 16,7 м3/с, по формуле (1) получим общее сопротивление путей выхода воздуха из тупиковой выработки: Rвых = 0,36 даПас2/м6. Отметим, что полученное значение в тысячу раз меньше аэродинамического сопротивления шахтных вентиляционных дверей. По сути, ВМП работает на негерметично изолированный участок.
Для того, чтобы повысить давление воздуха в любом изолированном пространстве, в него должно зайти и «оставаться» там определенное количество воздуха, которое можно определить по формуле:
|
(2) |
где Vдоп – дополнительное количество воздуха, поступающее в изолированное пространство, м3; V – суммарный объем пустот (включая лаву и выработанное пространство), м3; р0 – начальное давление воздуха, поступающего в изолированное пространство, даПа; ξ – коэффициент, учитывающий увеличение плотности воздуха при увеличении его давления.
Давление в горных выработках шахт не ниже атмосферного и равно приблизительно 10000 даПа. При применении системы аварийного проветривания тупиковой выработки давление не должно превышать 150 даПа. При этом изменением плотности воздуха в практических расчетах можно пренебречь, т.е. принять ξ = 1,0. Расчеты, проведенные по формуле (2), показывают, что для повышения давления на 100 даПа в изолированном пространстве объемом 106 м3 (включая лаву и выработанное пространство) необходимо дополнительно иметь 10 000 м3 воздуха.
Если допустить, что рассматриваемое пространство герметично, а подача ВМП равна 1000 м3/мин, то длительность наполнения указанного пространства и доведения избыточного давления в нем до требуемого значения составит 10 мин. Рассматриваемый участок является негерметичным, поэтому длительность переходного процесса будет значительно превышать указанное значение. Для определения этого значения был разработан метод моделирования переходных аэродинамических процессов, который заключался в следующем.
Первоначально по формуле (1) определяли аэродинамическое сопротивление путей выхода воздуха из изолированного пространства.
Диапазон изменения давления воздуха в изолированном пространстве делили на n равных интервалов. Значение одного интервала определяли по формуле:
|
(3) |
где Δhинт – изменение давления воздуха в пределах одного интервала, даПа; n – количество интервалов.
Для каждого момента времени, отличающегося от другого давлением воздуха, определяли расходы воздуха через запирающую перемычку и газоотводный трубопровод по формуле:
|
(4) |
где Qвозвр – расход воздуха, возвращающегося из тупиковой выработки через газоотводный газопровод и запирающую перемычку, м3/мин; hn – избыточное давление в тупиковой выработке в фиксированный момент переходного процесса, даПа.
Количество воздуха, остающегося в изолированном пространстве в фиксированный момент времени, определяли по формуле:
|
(5) |
где ΔQi – количество воздуха, остающегося в изолированном пространстве, м3/мин.
Параметр ΔQi характеризует заполняемость изолированного пространства воздухом в процессе повышения в нем давления. Для каждого интервала определяли среднее значение заполняемости. Полагая, что в пределах каждого интервала давление воздуха в изолированном участке изменяется по линейному закону, длительность переходного процесса для каждого интервала определяли по формуле:
|
(6) |
где τпер.i – длительность переходного процесса для каждого интервала, мин; Qср.i – среднее значение количества воздуха, остающегося в изолированном пространстве в течение рассматриваемого интервала (средняя заполняемость), м3/мин.
Общую продолжительность переходного процесса определяли суммированием длительности интервалов, т.е.:
|
(7) |
где τпер – длительность переходного процесса, мин.
При определении длительности переходного процесса для изолированного пространства объемом 106 м3 было принято, что избыточное давление воздуха в тупиковой выработке в установившемся режиме проветривания составляет 100 даПа, аэродинамическое сопротивление путей выхода воздуха, определяемое газоотводной трубой и запирающей перемычкой – 0,36 даПас2/м6, подача ВМП – 1000 м3/мин, а ξ = 1,0. Диапазоны изменения давления воздуха разделим на 10 равных интервалов, т.е. в пределах одного интервала давление будет увеличиваться на 10 даПа. В соответствии с формулой (2) объем дополнительного воздуха, который нужно подать в изолированное пространство в течение одного интервала, равен 1000 м3.
В начальный момент после включения ВГП депрессия запирающей перемычки равна нулю. В соответствии с формулой (1) расход воздуха через нее будет также равен нулю, то же самое можно сказать и о параметрах газоотводного трубопровода. Следовательно, весь воздух, который будет подан в изолированное пространство (тупиковую выработку), останется там. Можно принять, что в первоначальный момент времени Qвозвр.0 = 0.
По мере роста давления воздуха в тупиковой выработке будет увеличиваться его расход через запирающую перемычку и газоотводную трубу. В конце первого интервала по формуле (4) Qвозвр.1 = 316 м3/мин.
Количество воздуха, остающегося в изолированном пространстве в конце первого интервала, в соответствии с формулой (5) равно 684 м3/мин.
Среднее количество воздуха, которое ежеминутно оставалось в изолированном пространстве в течение первого интервала, равно 842 м3/мин.
Длительность первого интервала, рассчитанная по формуле (6), составляет 1,2 мин, т.е. давление воздуха в изолированном пространстве увеличилось на 10 даПа за 1,2 мин.
В конце второго интервала, когда давление воздуха увеличится до 20 даПа, суммарный расход воздуха через запирающую перемычку и газоотводную трубу составил 447 м3/мин, а количество оставшегося воздуха – 553 м3/мин.
В течение второго интервала среднее количество воздуха, которое ежеминутно оставалось в изолированном пространстве, составило 618 м3/мин.
Длительность второго интервала увеличилась до 1,62 мин.
Аналогично произведены расчеты для других интервалов (таблица 1).
Таблица 1 – Результаты моделирования переходных процессов
Анализ полученных результатов расчета показывает, что по мере роста вентиляционного давления длительность интервалов возрастает. Для того, чтобы повысить давление в тупиковой выработке на 10 даПа потребовалось в первом интервале 1,2 мин, в последнем – 39,2 мин. Общая продолжительность переходного процесса равна суммарной длительности интервалов (78,7мин).
Характер заполняемости тупиковой выработки отражен на рис. 1, а рост вентиляционного давления в тупиковой выработке, определяющий продолжительность переходного процесса, иллюстрирует рис. 2.
Рис. 1. Заполняемость изолированного пространства во время переходного процесса
Рис. 2. Рост давления в тупиковой выработке во время переходного процесса
Моделирование вариантов изолированного пространства объемом 105 м3 показало, что в этом случае продолжительность переходного процесса равна 7,87 мин, т.е. в 10 раз меньше по сравнению с объемом 106 м3.
Проведенные исследования показали, что при применении аварийной системы проветривания тупиковых выработок имеет место переходный аэродинамический процесс, длительность которого зависит в основном от объема изолированного пространства и подачи ВМП. При объеме изолированного пространства до 105 м3 в практических расчетах переходный процесс можно не учитывать.
Лебедев В.И. Влияние диаметра газоотводного трубопровода на проветривание тупиковой выработки / В.И. Лебедев, Л.Н. Васильева // Горноспасательное дело: сб. науч. тр. / НИИГД «Респиратор». – Донецк, 2008. – Вып. 45. – с. 103-109.
Пашковский П.С. Проветривание метанообильных тупиковых выработок в аварийных условиях / П.С. Пашковский, В.И. Лебедев, В.З. Брюм // Уголь Украины. – 2008. – № 12. – с. 22-23.
Временное руководство по применению эффективных способов изолированного отвода метана из выработанных пространств за пределы выемочных участков и на поверхность на пологих и наклонных пластах угольных шахт ЗАО УК «Южкузбассуголь» / НЦ ВостНИИ, ЗАО УК «Южкузбассуголь». – Кемерово-Новокузнецк, 2002. – 60 с.
