Подготовительная выработка при проведении может состоять из двух частей, отличающихся способом проветривания. В этом варианте основная часть выработки проветривается за счёт общешахтной депрессии через сбойки с параллельной выработкой, а тупиковая – с помощью вентилятора местного проветривания (ВМП). Для проветривания тупиковой части применяют в основном нагнетательный способ подачи свежего воздуха.

Опыт показал, что в тупиковой части выработки происходят взрывы метановоздушной смеси. Это значит, что во время проходческих работ в призабойном пространстве выработки образуется взрывоопасная концентрация метана. Причины воспламенения метановоздушной смеси могут быть различными, в том числе и нарушения людьми правил техники безопасности. Но причиной взрыва становятся локальные скопления взрывоопасных метановоздушных смесей у забоя или в других местах призабойного пространства.

На первый взгляд, самый простой способ предотвращения образования этих скоплений состоит в подаче достаточного объёма воздуха для разбавления дебита метана. При проектировании горных работ расход воздуха определяется по отраслевой методике [1]. При этом учитываются требования Правил безопасности [2] по соблюдению максимально допустимой концентрации метана у забоя, в местах локальных скоплений и в исходящем потоке на выходе из тупиковой части выработки. Однако в основу расчёта расхода воздуха положено упрощённое представление о динамике воздушных потоков в призабойном пространстве. За базовый принимается расход воздуха, доставляемый вентилятором до призабойного пространства, т.е. на выходе из выходного отверстия вентиляционной трубы.

Этот расход определяется по формуле [1]:

i – дебит метана, м³/мин; С, С₀ – соответственно максимально допустимая концентрация метана у забоя и концентрация метана в свежей струе воздуха, %.

Расход воздуха Q_з проверяется по минимально допустимой скорости движения свежего воздуха, который растекается по плоскости забоя выработки

V_з – минимальная скорость движения воздуха у забоя по ПБ для диффузионного разбавления выделяющегося метана, м/с; S_чер – площадь поперечного сечения выработки у забоя, м². Для дальнейших расчётов принимается большее значение расхода воздуха Q_з.

По нашему мнению, отраслевая методика не учитывает физических процессов, которые возникают в атмосфере выработки, ограниченной с одной стороны и имеющей большую длину. Свежий воздух, отрываясь от вентиляционной трубы, движется к преграде впереди и ограничен боками выработки и движущимся в обратном направлении потоком воздуха, выносящего от забоя метан. Основная задача при изучении аэродинамики этих потоков заключается в установлении движущих сил, которые перемещают массы воздуха в потоках. Необходимо говорить и исследовать перемещение не объёмов, а масс воздуха, которые имеют свои физические законы и характеристики.

В результате шахтных замеров, физического исследования на модели выработки и теоретического обоснования нами были установлены:

- силы, которые перемещают массы потока свежего воздуха в сторону забоя в шахтном воздухе призабойного пространства;

- закономерности перемещения потока свежего воздуха в ограниченном пространстве;

- физические процессы изменения давления и плотности свежего воздуха у забоя выработки;

- силы, которые перемещают исходящие от забоя потоки до устья выработки;

- влияние доставляемого до забоя расхода свежего воздуха и длины тупиковой части выработки на повышение концентрации метана у забоя и в призабойном пространстве при постоянном его дебите.

Известно, что на выходе из вентиляционной трубы должно быть динамическое давление, равное

r – плотность свежего воздуха, подаваемого в призабойное пространство, кг/м³

V₀ – осреднённая скорость свежего воздуха в выходном отверстии, м/с.

Рисунок 1 – Движение струи свежего воздуха до лобового сопротивления

В выработке и в её призабойном пространстве шахтный воздух имеет давление, величина которого больше атмосферного на поверхности. Свежая струя воздуха движется к забою за счёт своей кинетической энергии. Величина этой энергии пропорциональна площади поперечного сечения выходного отверстия и кубу скорости струи воздуха на выходе. Дальнобойность струи зависит от величины энергии струи, и не зависит от площади поперечного сечения забоя выработки. В Шахтинском институте ЮРГТУ (НПИ) авторами [3] было установлено, что объёмы расхода свежего воздуха на выходе из вентиляционной трубы Q₀ и доставленного до забоя Q_з, не равны, т.е. Q_з A Q₀. Было установлено, что расход подаваемого в призабойное пространство воздуха необходимо определять с учётом кинетической энергии свежей струи и уменьшения этого объёма при движении к забою по формуле:

d₀ – диаметр выходного отверстия трубы, м; l – расстояние от выходного отверстия трубы до забоя выработки, м. Для изучения закономерностей движения свежей струи была изготовлена модель выработки. Соблюдались критерии линейного подобия параметров выработки и нового энергетического подобия струй воздуха.

Рисунок 2 – Движение потока свежего воздуха от лобового сопротивления до забоя

Вентилятором по вентиляционной трубе подавалась окрашенная струя воздуха, движение которой фотографировалось кинокамерой (рис. 1). Струя в начале своего движения встречает сопротивление шахтного воздуха, а затем начинает перемещаться в сторону забоя. При этом пространство, заполненное частицами движущегося воздуха, называемое потоком, изгибается. Периферийная часть этого потока останавливается и затем движется в боковую сторону. При достижении лобового сопротивления, которым может быть проходческий комбайн, бурильная установка, погрузочная машина и др., линии тока свежего воздуха продолжают изменяться. Объём основного потока, который движется в сторону забоя, уменьшается.

За лобовым сопротивлением (рис. 2) основная часть потока в виде компактной струи продолжает движение в сторону забоя. Однако траектория многих частиц свежего воздуха направлена в сторону от направления основной массы потока. Площадь поперечного сечения основной струи расширяется. Объём образующейся «бахромы» утечек свежего воздуха также расширяется. Скорость движения утечек небольшая. По достижению плоскости забоя потоки свежего воздуха разворачиваются вниз, а затем начинают движение в обратную сторону, от забоя.

Рисунок 3 – Начало движения исходящего потока воздуха от забоя выработки

В результате анализа движения воздушных потоков (рис. 1–2) можно сделать вывод, что после истечения из трубы диаметр или объём струи на небольшом отрезке пути незначительно увеличился. На этом участке нет ответвления частиц потока воздуха в сторону. За пределами этого участка дальнейшее увеличение диаметра потока ограничивается кровлей выработки. В результате струя свежего воздуха смещается вниз и под углом a < 90° к этой плоскости достигает плоскости забоя.

Движение исходящего потока воздуха от забоя начинается не сразу после достижения им забоя (рис. 3), а после заполнения призабойного пространства. Вначале идёт нагнетание дополнительного объёма свежего воздуха к забою (фото 11 и 12 на рис. 3). При этом визуально наблюдается рост плотности потока у забоя.

Результаты экспериментальных исследований позволяют сделать следующие выводы:

- струя свежего воздуха вначале встречает сопротивление окружающего шахтного воздуха, вытесняет его, а затем беспрепятственно движется к забою;

- после разворота у забоя струя начинает движение к устью выработки, увлекая «бахрому» утечек свежего воздуха;

- у забоя выработки плотность воздуха выше, чем в исходящем потоке.

Рассмотрим физические процессы, происходящие в потоках воздуха.

Определение давления свежего воздуха на забой. Замерами установлено, что струя на забой может падать под углом менее 90°. На величину угла влияет расстояние трубы от кровли выработки и перекос концевого звена трубы. Для анализа примем, что струя свежего воздуха падает на плоскость забоя под углом a и растекается по забою (рис. 4). В струе у забоя нет утечек воздуха в окружающую атмосферу. Через поперечное сечение диаметром d₀ падающей струи за 1 секунду проходит такая же масса воздуха, что и через поперечное сечение обоих образовавшихся струй диаметром d₁ и d₂. Тогда

V_стр, V₁, V₂ – соответственно скорости движения воздуха в падающей и в образовавшихся после растекания по забою струях, м/с.

Рисунок 4 – Расчетная схема для определения скорости движения воздушных струй у забоя выработки
Δm - элементарная масса воздуха; d₀ - диаметр струи свежего воздуха, добрасываемого до забоя выработки; d₁,d₂ - соответственно диаметры потоков воздуха по плоскости забоя; V_стр, V₁, V₂ - соответственно скорость воздуха в падающей и в образовавшихся после растекания по забою струях; α - угол падения струи на плоскость забоя выработки

В области сечения I–I (см. рис. 4) в удельном объёме воздуха w₁ силы давления совершают работу А₁ = р₁w₁. В области сечения II–II работа сил давления отрицательна и равна А₂ = –р₂w₂. Полная работа внешних сил равна р₁w₁ = р₂w₂. Но w₁ = w₂ (считаем, что воздух несжимаем при этом давлении). Давления во всех струях одинаковое и равное атмосферному давлению в призабойном пространстве (так как нами принято, что из струи нет утечек в окружающую атмосферу). Поэтому работа сил давления А = 0. По теореме о кинетической энергии изменение кинетической энергии массы Dm воздуха равно А.

Следовательно, кинетическая энергия частиц воздуха и их скорость остаются постоянными:

Из уравнения (5) видно, что скорость у забоя не зависит от площади поперечного сечения выработки, а будет такой, как в струе свежего воздуха у забоя. Поэтому нет необходимости проверять расход воздуха по скорости у забоя выработки по формуле (2), так как V_з = V_стр.

Из уравнения (4) получаем

Так как на струю не действуют какие-либо внешние горизонтальные силы, горизонтальная проекция импульса перемещаемой струи воздуха должна оставаться постоянной. Диаметры струй на плоскости забоя определятся по формулам

В том месте, где струя ударяется о плоскость, она искривляется и давление отличается от атмосферного. Так как сила F, действующая на струю со стороны плоскости, равна скорости изменения проекции импульса K струи на ось Y, перпендикулярно к плоскости, то

где импульс силы

V_стр – осреднённая скорость движения струи свежего воздуха на подходе к забою, м/с; S_в – площадь поперечного сечения струи свежего воздуха у забоя, м².

Поэтому сила, с которой струя свежего воздуха действует на забой, равна

Площадь зоны повышенного давления струи примерно равна площади S_в струи, падающей на забой. Поэтому давление струи свежего воздуха у забоя выработки равно

Определение кинетической энергии струи воздуха у забоя. Для обеспечения движения исходящей струи воздуха необходимо, чтобы давление свежего воздуха у забоя было достаточно высоким для проталкивания исходящего потока до устья выработки

α_в – коэффициент аэродинамического сопротивления выработки, кг·с²/м³; Р – периметр сечения выработки, м; S – площадь поперечного сечения выработки на участке от забоя до устья выработки, м²; L – длина выработки от устья до забоя, м; Q₀ – расход свежего воздуха, истекающего их выходного отверстия вентиляционной трубы в призабойное пространство, м³/с.

Из формулы (7) определяем критическое значение длины выработки, меньше которого исходящий воздух будет двигаться от забоя к устью за счёт кинетической энергии свежего воздуха, подаваемого к забою выработки

Во время проведения выработки, её длина L постоянно увеличивается и по достижению критического значения (L = L_кр) движение исходящего потока по выработке должно прекратиться, т.к. кинетической энергии становится недостаточно для перемещения этого воздушного потока. Определение увеличения статического давления и плотности воздуха у забоя. Одновременно при постоянной работе вентилятора начинается процесс локального повышения давления шахтного воздуха в зоне нагнетания.

Это вытекает из физического закона Бойля-Мариотта:

pQ = const при T = const, G = const,

G – масса газа, кг; Q – объём газа, м³.

Из этого закона вытекает, что повышение давления воздуха у забоя приводит к увеличению его плотности r1 > r.

При длине выработки L₁, превышающей первое критическое значение Lкр, давление и плотность шахтного воздуха у забоя увеличатся.

Изменение плотности, объёма и скорости движения воздуха и концентрации метана у забоя при увеличении длины выработки. Определим необходимую плотность воздуха у забоя при длине выработки L₁ по формуле (8) или из соотношения

В соответствии с физическим законом Бойля-Мариотта поток свежего воздуха Q_зз, достигнув забоя, уменьшается в объёме обратно пропорционально увеличению плотности

Это значит, что нарушаются условия сохранения диаметров и скорости в струе и возле забоя (уравнения 5 и 6) , т.е.

Концентрация метана у забоя С (%), которая была при Q_з до первой критической длины выработки, будет увеличиваться прямо пропорционально увеличению давления и плотности

i – дебит метана в забое выработки, м³/с.

Скорость движения воздуха у забоя (см. рис. 4) уменьшится в результате повышения плотности воздуха и станет равной

Скорость Vз.1 должна быть больше минимально допустимой по ПБ:

Выводы

Физические процессы, протекающие в атмосфере у забоя при подаче к нему воздуха, не учитываются в используемой в настоящее время расчётной формуле расхода воздуха по газовому фактору. Движение свежей струи и исходящих потоков в призабойном пространстве и в горной выработке зависит от энергетического потенциала нагнетаемого в призабойное пространство свежего воздуха. Вначале воздух движется за счёт динамического давления нагнетаемого воздуха. Затем, при превышении определённого критического значения длины выработки, у забоя повышается давление вследствие увеличения плотности воздуха. В результате расчётный объём свежего воздуха уменьшается и повышается концентрация метана. Скорость воздуха у забоя такая же, как и в струе свежего воздуха на подходе к забою. Определение расхода воздуха в зависимости от площади забоя выработки по уравнению (2) не отражает аэродинамики в забое.

Список литературы

1. Руководство по проектированию вентиляции угольных шахт. Ротапринт МакНИИ. Макеевка-Донбасс, 1989. -319 с.
2. Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ 05-618-03). Серия 05. Выпуск 11/ Колл. авт. - М.: ГУП «Научно-технический Центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2003. -296 с.
3. Артемьев В.Б., Колесниченко Е.А., Колесниченко И.Е., Ткачук Р.В. Энергетическая концепция проветривания призабойного пространства подготовительных выработок. Журнал «Горная Промышленность», №3/2008 г. - с. 22–24.