Способ определения местного аэродинамического сопротивления газовоздушному потоку газообильной горной выработки

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для предотвращения загазирований рудничной атмосферы в вентиляционных сетях. Сущность изобретения: в проветриваемой горной выработке выбирают объект местного аэродинамического сопротивления (МАС) с необходимыми длиной, сечением и объемом, устраивают в начальном и конечном сечениях объекта МАС пункты, размечают их, замеряют продольные, поперечные высотные отметки пунктов, замеряют аэростатическое давление, температуру, время прохождения газовоздушного потока между пунктами замера, отбирают в пунктах пробы газовоздушной смеси, определяют ее физико-химический состав, молярную массу, плотность, массу газовоздушной смеси и скорость движения потока между пунктами замера, дополнительно определяют калибр выработок входного и выходного участков, замеряют градиент молярной массы между начальным и конечным пунктами, замеряют направление, размеры и форму объекта МАС, потерю напора на преодоление МАС и определяют величину МАС газовоздушному потоку газообильной выработки объекта МАС из математического выражения. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к рудничной аэрологии и может быть использовано для расчетов вентиляции шахт путем определения величины местного аэродинамического сопротивления при преодолении его газовоздушным потоком газообильной горной выработки.

Известен способ определения местного аэродинамического сопротивления (МАС) выработки воздушному потоку, включающий определение потери напора на преодоление местного сопротивления, коэффициента местного сопротивления, скорости движения воздуха до или после местного сопротивления плотности воздуха, площади поперечного сечения и определение МАС из математического выражения [1] Известен также способ определения МАС объекта воздушному потоку, включающий определение длины объекта МАС путем замеров калибра (К) ширины или диаметра выработки до и после МАС, принятие длины начального участка выработки перед МАС равной (12-15)К, длины входного участка, равной (4-5)К, длины выходного участка, равной (12-15)К, и длины рабочего участка, как суммы длин входного и выходного участков, замер в начальном и конечном пунктах рабочего участка, скоростей движения потока, принятие стандартного объемного веса воздуха (γ 1,2 кг/м³), определение потерь напора на преодоление местного сопротивления, безразмерного коэффициента местного сопротивления, замер средней скорости до и после объекта МАС (обычно принимается скорость после объекта МАС) и определение МАС из математического выражения [2] Известен также способ определения аэродинамического сопротивления трения газовоздушному потоку газообильной выработки с целью повышения точности определения величины аэродинамического сопротивления трения газовоздушному потоку путем учета изменяющейся плотности и объема потока за счет его поглощения и газовыделения [3] (прототип).

Недостатками указанных способов является то, что в физико-математическом описании взаимосвязи признаков способа определения местного аэродинамического сопротивления не учитывается одновременное изменение молярной массы, формы, размеров и направления потока, что снижает точность определения величины МАС в газообильной горной выработке.

В этой связи изобретением поставлена задача повышения безопасности труда и улучшения технико-экономических показателей работы шахт путем более достоверного определения величины МАС, а с его учетом расхода воздуха, газообильности и концентрации газа для предотвращения загазирований рудничной атмосферы, остановок горных работ, гибели людей от удушья и взрывов газов различной молярной массы по сравнению с атмосферным воздухом.

Целью изобретения является повышение точности определения величины МАС газовоздушному потоку газообильной выработки путем учета изменяющейся молярной массы за счет притока и оттока газовоздушной смеси в выработки объекта местного сопротивления с изменяющимися направлением, размерами и формой.

Указанные недостатки известных способов устраняются тем, что в проветриваемой горной выработке с МАС выбирают объект местного аэродинамического сопротивления с необходимой длиной, сечением и объемом объекта МАС, устраивают в начальном и конечном сечениях объекта МАС пункты замера, размечают пункты замера, замеряют продольные и поперечные высотные отметки пунктов замера по сечению всему или части сечения, объему всему или части объема, измеряют аэростатическое давление, температуру, время прохождения газовоздушного потока между пунктами замера, отбирают в пунктах замера пробы газовоздушной смеси, определяют ее физико-химический состав, молярную массу, плотность, массу газовоздушной смеси и скорость движения потока между пунктами, дополнительно замеряют калибр (К) выработки входного и выходного участков, измеряют длину соответственно начального, входного, выходного участков, равную 15К, (4-5)К, (12-15)К и рабочего участка, равную сумме длин двух последних, замеряют градиент молярной массы между начальным и конечным пунктами рабочего участка и при наличии градиента определяют направление потока между пунктами замера, замеряют углы поворота выработок в плоскости одной или нескольких, замеряют углы сопряжения кромок выработок с местами изменения площади их сечения, замеряют расстояния до мест изменения направления, сечения и формы выработок, замеряют площади сечения входного и выходного участков, их объемы, замеряют потерю напора на преодоление МАС и определяют величину местного аэродинамического сопротивления газообильной горной выработки объекта МАС из математического выражения где n число пунктов замера (n 1, 2, 3.); n-1, n+1 интервалы осреднения по координате между начальным n-1 и конечным n+1 пунктами замера, включающий осредненный пункт; R местное аэродинамическое сопротивление, Па·c²/м²; h потеря напора на преодоление МАС, Па; ρ плотность газа воздушной смеси в соответствующих пунктах замера, кг/м³, определяется по формуле
где P аэростатическое давление газовоздушного потока, Па;
М молярная масса газовоздушной смеси в соответствующих пунктах замера, кг/моль, определяется по формуле

где К число газов в смеси;
M_j молярная масса j-го газа, кг/моль;
C_j доля j-го газа в смеси, ед;
Т температура газовоздушной смеси в соответствующих пунктах замера, К;
R_г универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К);
V_n объем участка замера, м³, определяется по формуле
V_n S_n-1,n+1 (l_n+1 l_n-1),
где S_n-1,n+1 площадь сечения осредненная по длине (l_n+1 - l_n-1) участка замера, м²;
S_n-1, S_n+1 площади замера соответственно в начальном и конечном пунктах замера, м²;
t_n+1 t_n-1 время движения потока, с;
m_n-1 масса газовоздушной смеси, кг, проходящая через начальный пункт n-1 замера, определяется по формуле
m_n-1 = ρ_n-1,n+1S_n-1U_n-1(t_n+1-t_n-1),
где m_n+1 масса газовоздушной смеси, кг, проходящая через конечный пункт n+1 замера, определяется по формуле
m_n+1 = ρ_n-1,n+1S_n+1U_n+1(t_n+1-t_n-1),
где ρ_n-1,n+1 плотность газовоздушной смеси, осредненная в интервале n-1 и n+1 участков замера, кг/м³;
± Δm = m_n+1-m - дополнительная масса газовоздушного потока, кг, знаки плюс и минус указывают соответственно на увеличение и уменьшение массы газовоздушной смеси, проходящей через конечный пункт замера, по сравнению с начальным пунктом.

Таким образом, существенными отличительными признаками предлагаемого способа являются: изменяющиеся молярная масса, направление, форма и размеры объекта МАС.

Докажем существенность отличительных признаков.

Одним из существенных признаков предлагаемого способа является изменяющаяся молярная масса газовоздушного потока. Опыт работы шахт показывает, что молярная масса потока в объектах МАС газообильных выработок меняется за счет притока и оттока газовоздушной смеси. Зачастую в шахтах наблюдается одновременный приток газа из массива, а также приток или отток газа по сопряженным выработкам.

Для подтверждения этого были проведены замеры молярной массы в продольно неоднородных газовоздушных потоках в начальном и конечном сечениях рабочего участка МАС: поворот выработки под углом 90^o и сужение при притоке газовоздушной смеси пример 1 и при оттоке газовоздушной смеси пример 2 (см. таблицу).

Из таблицы видно, что при притоке газовоздушной смеси потока в объект МАС молярная масса смеси продольно неоднородного потока изменяется, причем градиент изменения молярной массы потока смеси отрицательный, так как в объект МАС поступает метан, молярная масса, которого почти в два раза меньше, чем у воздуха. Уменьшение величины молярной массы газовоздушного потока подтверждается так же наличием положительного градиента молярной массы метана в смеси. Замеры показали, что величина молярной массы потока уменьшилась в 0,98 раза, а молярной массы метана в смеси возросла в 3,8 раза. Аналогичное качественное изменение молярной массы происходит и при оттоке газовоздушной смеси из объекта МАС, когда при оттоке смеси из объекта в него одновременно поступает метан, хотя и с меньшим расходом, чем при притоке, т.е. соответственно 2,5 раза против 8,7 раз. Об этом также свидетельствует разница величин градиентов молярных масс газовоздушного потока и метана в МАС при притоке и оттоке из них газовоздушной смеси. Так при притоке метана в объект МАС разница абсолютной величины градиента молярной массы метана на порядок выше, чем при оттоке из МАС газовоздушной смеси.

Поэтому можно считать доказанным, что учет изменяющейся молярной массы, которая определяет массу газовоздушного потока, позволяет повысить достоверность величины МАС газообильной горной выработки по предлагаемому способу в 2 раза и более по сравнению с известным способом.

Следующим существенным отличительным признаком предлагаемого способа является изменяющиеся направление, размеры и форма выработок объекта МАС, связанные прежде всего с калибром выработки. В известных способах определения МАС калибр выработки не учитывает размеры и форму входного и выходного участков, а учитывает только их длину. Однако при одной и той же длине рабочий участок может иметь разную форму и размеры, которые создают различные условия для скопления в нем газов.

Опыт работы шахт показывает, что изменение направления, размеров и формы выработок приводит к возникновению неоднородных продольных и объемных газовоздушных потоков, которые являются аэростатически неуравновешенными ввиду отличия величины молярной массы "тяжелых" и "легких" газов от молярной массы воздуха.

Продольно неоднородные газовоздушные потоки, у которых молярная масса переменна только по направлению потока, создают ему МАС особенно в наклонных и вертикальных выработках, определяют величину естественной тяги, депрессии (компрессии) вентилятора, расход воздуха, направление и скорость его движения.

Доказательством существенности рассматриваемого отличительного признака являются данные, приведенные в таблице, и пример конкретного исполнения, откуда видно, что величина МАС продольно неоднородного потока в наклонной горной выработке (для условий примера 1) входного участка замера отличается в 3,3 раза от величины МАС выходного участка.

Объемно неоднородные газовоздушные потоки, у которых молярная масса переменна по направлению, размеру и форме потока, создают ему МАС в выработках с любым углом их наклона, приводят к выслаиванию газов с молярной массой меньшей, чем у воздуха у кровли выработки, а газов с молярной массой большей чем у воздуха у почвы, определяют величину естественной тяги, вызывают изменение направления (опрокидывание) потока, загазирование атмосферы, остановку горных работ, гибель людей от удушья и взрывов.

Доказательством существенности рассматриваемого отличительного признака являются наблюдаемые в шахтах Кузбасса случаи, когда на расстоянии до 0,5 м от кровли выработки молярная масса метановоздушной смеси изменяется в 3-4 раза и метановоздушные потоки движутся навстречу вентиляционной струи со скоростью 0,2-0,3 м/с [1]
На фиг.1 представлен участок выработки с МАС, вид сбоку; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

Позиции на чертеже обозначают: горный массив 1; угол наклона выработки 2; объект МАС 3; рабочий участок замера МАС 4; направление участка прямолинейное 5; криволинейное направление 6; угол поворота участка один (прямой, острый, тупой, переменный) -7; углов поворота несколько 8; расположение участка в одной плоскости (горизонтальной, вертикальной, наклонной) 9; расположение участка в нескольких плоскостях 10; сечение участка общее 11; часть сечения 12; сечение участка постоянное 13; расширение 14; сужение 15; расширение и сужение 16; сужение и расширение 17; угол сопряжения кромок выработок 18 (прямой, острый, тупой, переменный); объем участка общий 19; часть объема 20; длина начального участка 21; длина входного участка 22; длина выходного участка 23; начальное сечение 24; конечное сечение -25; пункты замера 26; входящий поток основной 27; кровля выработки 28; почва 29; борт левый 30; борт правый -31; входящий поток дополнительный 32; сопряженная сквозная выработка 33, при необходимых углах наклона, сопряжения и поворота, сопряженная выработка тупиковая 34; исходящий основной поток -35; исходящий дополнительный поток 36.

В горном массиве 1 проходят с необходимым углом наклона 2 объект МАС 3, выбирают в нем проветриваемый рабочий участок 4 с необходимыми резко изменяющимися формой, размерами и направлением: прямолинейным 5 или криволинейным 6; углом поворота прямым, острым, тупым, переменным одним 7 или несколькими 8 углами поворота; расположением участка в плоскости горизонтальной, вертикальной, наклонной одной 9 или в нескольких плоскостях 10; сечением участка общим 11 или частью сечения 12, постоянным 13 или переменным в виде расширения 14, сужения 15, расширения и сужения 16, сужения и расширения 17; углом сопряжения кромок выработок 18 прямым, острым, тупым или переменным; объемом общим 19 или частью объема 20; замеряют сечение входное и выходное участка, определяют их калибры, определяют длину начального участка 21, равную 15 калибрам, входного участка 22, равную 4-5 калибрам, и длину выходного участка 23, равную 12-15 калибрам; определяют общую длину участка замера и его объем; замеряют углы поворота участка; размечают в начальном 24 и конечном 25 сечениях участка пункты 26 замера; замеряют высотные, продольные, поперечные отметки рабочего участка; определяют форму выработок: прямоугольную, трапециевидную, круглую, арочную, сложную; подают в участок замера через входное сечение основной 27 входящий газовоздушный поток, обеспечивают необходимое газовыделение из массива с кровли 28, почвы 29, бортов левого 30 и правого 31 в участок замера, а также поступление дополнительного потока 32 из сопряженной выработки сквозной 33 или тупиковой 34 выработки одной или нескольких примыкающих к участку замера с почвы, кровли и бортов выработки при необходимых углах наклона, сопряжения и поворота; отводят из участка замера через выходное сечение участка исходящий основной газовоздушный поток 35; обеспечивают необходимое поглощение газа массивом кровли, почвы, бортов выработки, а также удаление дополнительного потока 36 по сопряженной одной или нескольким выработкам; замеряют скорость движения потока во входном и выходном участках; замеряют в начальном и конечном пунктах: микроманометром ММН-1 со скоростной трубкой потери напора; микробароневилиром МБ-П аэростатическое давление; термометром температуру; анемометрами: термо-(АТЭ-1), крыльчатым (АСО-3) скорость движения потока; длину участка замера, площадь сечения, объем участка замера мерной рулеткой; отбирают пробы газовоздушной смеси в пунктах замера, определяют ее физико-химический состав и определяют общее МАС объекта замера из математического выражения.

Пример конкретного исполнения предложенного способа определения МАС (приведен для условий, указанных в таблице пример 1).

Для осуществления способа:
замерялся калибр входного и выходного участков К 2,5 м, К 1,9 м;
замерялась длина соответственно начального, входного, выходного и рабочего участков l_o 15K 15·2,5 37,5 м; l_n-1 4·2,5 10 м; l_n+1 12·1,9 23 м; l_n-1 + l_n+1 33 м;
замерялась площадь сечения входного и выходного участков S_n-1 6 м², S_n+1 3,7 м²;
замерялся объем входного, выходного и рабочего участков V_n-1 60 м³, V_n+1 85 м³, V_n 145 м³;
подавался дополнительный поток газовоздушной смеси к выходному сечению из сопряженной выработки и замерялась скорость движения потока во входном и выходном участках V_n-1 0,64 м/с, V_n+1 2,42 м/с;
набирались пробы газовоздушной смеси, определялась молярная масса входного, выходного участков М 28,7 и 28,4 кг/кмоль;
определялся градиент малярной массы газовоздушной смеси на длине рабочего участка ΔM/Δl -9 · 10^-3 кг/(кмоль·м);
замерялось время движения потока между пунктами замера t_n+1 - t_n-1 25,1 c;
замерялась потеря напора на преодоление МАС h 2,0 Па;
замерялось аэростатическое давление, температура и определялась плотность входного и выходного потоков:
определялась масса потока во входном и выходном участках замера m_n-1 1,191·6·0,64·15,6 71,4 кг; m_n+1 1,191·3,7·2,42·9,5 101,3 кг;
определялись знак и величина добавочной массы между входным и выходным участками замера m_n+1 m_n-1 101,3 86,4 13,9 кг;
определялась величина МАС для начального, среднего и конечного пунктов участка замера.

Технико-экономические преимущества предложенного способа состоят в следующем: достигается социальный эффект от улучшения проветривания горных выработок за счет повышения точности расчета МАС.

Формула изобретения

Способ определения местного аэродинамического сопротивления (м.а.с.) газовоздушному потоку газообильной горной выработки, включающий выбор объекта местного аэродинамического сопротивления с необходимой длиной, сечением и объемом объекта, устройство в начальном и конечном сечении объекта м.а.с. пунктов замера, разметку пунктов замера, замер продольных и поперечных высотных отметок пунктов замера по сечению всему или части сечения, объему всему или части объема, замер аэростатического давления, температуры, времени прохождения газовоздушного потока между пунктами замера, отбор в пунктах замера проб газовоздушной смеси, определение ее физико-химического состава, молярной массы, плотности, массы газовоздушной смеси и скорости движения потока между пунктами замера и определение м.а.с. из математического выражения, отличающийся тем, что в объекте м.а.с. с изменяющимся направлением, размерами и формой выработок замеряют калибр (К) выработки входного, выходного участков, измеряют длину соответственно начального, входного участка, выходного участка, равную 15К, (4 5)К, (12 15)К и рабочего участка, равную сумме длин двух последних, замеряют градиент молярной массы между начальным и конечным пунктами рабочего участка и при наличии градиента определяют направление потока, измеряют углы поворота выработок в плоскости одной или нескольких, измеряют углы сопряжения кромок выработок в местах изменения площади их сечения, замеряют расстояния до мест изменения направления, сечений и формы выработок, замеряют площадь сечения входного и выходного участка, их объемы, замеряют потерю напора на преодоление м.а.с. и определяют величину местного аэродинамического сопротивления газовоздушному потоку газообильной горной выработки из математического выражения

где n число пунктов замера (n 1, 2, 3.);
n 1, n + 1 интервал осреднения по координате между начальным n 1 и конечным n + 1 пунктами замера, включающий осредненный пункт;
R местное аэродинамическое сопротивление, Па · с²/м²;
h потеря напора на преодоление м.а.с. Па;
ρ - плотность газовоздушной смеси в соответствующих пунктах замера, кг/м³, определяется по формуле

где P аэростатическое давление газовоздушного потока, Па;
M молярная масса газовоздушной смеси в соответствующих пунктах замера, кг/моль, определяется по формуле

где K число газов в смеси;
M_j молярная масса j-го газа, кг/моль;
C_j доля j-го газа в смеси, ед;
T температура газовоздушной смеси в соответствующих пунктах замера, К;
R_г универсальная газовая постоянная, Дж/(моль К);
V_n объем участка замера, м³, определяется по формуле
V_n=S_n-1,n+1(l_n+1-l_n-1),
где S_n-1,n+1 площадь сечения осредненная по длине (l_n+1 - l_n-1) участка замера, м²;
S_n-1, S_n+1 площадь сечения соответственно в начальном и конечном пунктах замера, м²;
t_n+1 t_n-1 время движения потока, с;
m_n-1 масса газовоздушной смеси, кг, проходящая через начальный n-1 пункт замера определяется по формуле
m_n-1 = ρ_n-1,n+1S_n-1U_n-1(t_n+1-t_n-1),
где m_n+1 масса газовоздушной смеси, кг, проходящая через конечный n+1 пункт замера определяется по формуле
m_n+1 = ρ_n-1,n+1S_n+1U_n+1(t_n+1-t_n-1),
где ρ_n-1,n+1- плотность газовоздушной смеси, осредненная в интервале n-1 и n+1 участков замера, кг/м³;
m_n+1-m = Δm - дополнительная масса газовоздушного потока, кг, при этом знаки "плюс" и "минус" указывают соответственно на увеличение и уменьшение массы газовоздушной смеси, проходящей через конечный пункт замера по сравнению с начальным пунктом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3