Виды сопротивления горных выработок

Виды сопротивлений горных выработок. При движе­нии воздуха в горных выработках и воздуховодах он преодолевает сопротивление поверхности выработок по­током, что вызывает потери давления потока. Эти поте­ри давления эквивалентны сопротивлению выработок или их депрессии, поэтому могут называться сопротив­лением или депрессией выработок.

Различают три вида сопротивления выработок: со­противления трению, местные сопротивления и лобовые сопротивления. Сопротивление трению горных вырабо­ток при движении воздуха в них является основным со­противлением.

Закон сопротивленияПод законом сопротивления в рудничной вентиляции понимается соотношение между депрессией h и средней скоростью движения воздуха и или его расходом Q. Экспериментально установлено, что такая зависимость имеет параболический характер и выража­ется в виде

 h=R₁uⁿ или h=R₂Qⁿ,

где R₁, R₂ — коэффициенты пропорциональности; п — показатель степени, зависящий от режима движения (при турбулентном ре­жиме п = 2; при ламинарном n=1).

Это выражение называется одночленным законом сопротивления.

При малой скорости движения воздуха показатель n умень­шается, что объясняется увеличением толщины ламинарного по­граничного слоя потока в выработке (а также в пространстве между крепью и боковыми породами. Депрессия выработок рас­считывается при n = 2, что вносит в расчет некоторый запас. В случае просачивания воздуха через целики угля, трещины в по­родах, кирпичную и бутовую кладку, уплотненные участки обру­шенных пород n=1. При утечках воздуха через вентиляционные двери, неуплотненную бутовую кладку, тонкий слой угля в бунке­рах n≈2 (особенно в случае больших депрессий). Однако наиболее часто при фильтрации 1<n<2, что свидетельствует о значитель­ной роли ламинарного течения. В этом случае целесообразно ис­пользовать двучленный закон сопротивления, выра­жаемый в виде

H=R₁΄Q+ R₂΄

где R₁΄, R₂΄ — соответственно линейное и квадратическое сопротив­ление воздухопровода.

Для шахты в целом возможно n<2, что объясняется сущест­венным удельным весом ламинарного движения на шахте. Пока­затель n определяется либо по графику, либо логарифмирова­нием выражения h=R_zQⁿ, с последующей подстановкой в получен­ное выражение h₁, Q₁ и h₂, Q₂, т. е.

ln  = ln h₁ R₂ + n ln Q₁; ln h₂ = ln R₂ + n ln Q_2.

Слагаемое lnR₂ исключается вычитанием одного выражения из другого. Нельзя сильно изменять значение Q, чтобы не изме­нить режим движения.

 

Сопротивление трения

Механизм действия сил сопротивления трения. В связи с тем, что поверхность горных выработок шероховата, движущийся воздух оказывает давление на выступы шероховатости, вследствие чего появляется сила давления. Шероховатость поверхности выработок распределена по их длине и периметру поперечного сечения, в ре­зультате чего силы трения и силы давления распределяются по поверхности выработки и везде проявляются совместно. Обе силы оцениваются по суммарному эффекту, который условно называ­ется силой трения, а вызываемое ею сопротивление — сопротив­лением трения.

В горных выработках, выдержанных по сечению и направлению, основное сопротивление движению воз­духа оказывают элементы крепи. Поток воздуха, подойдя к элементу крепи, поджимается, в результате чего лобовая часть элемента испытывает динамическое давление. За элемен­том крепи вследствие срыва потока образуются свободная струя и мертвая зона, заполненная воздухом, находящимся в вихревом движении. Далее в зависимости от расстояния до следующего элемента крепи либо находится область ограниченного потока, либо начинается его поджатие. При сплошном рас­положении элементов крепи объем застойных зон минимальный. По мере увеличения расстояния между элементами крепи увели­чиваются объем вихревых зон и потери энергии в них. Одновременно увеличивается область лобовой части крепи, испытывающая давление потока. С появлением участка ограниченного потока вихревые зоны достигают максимального развития и потери энер­гии в них, а также силы давления на крепь достигают максимума. При дальнейшем увеличении расстояния между элементами крепи их число и число полностью развитых вихревых зон на единицу выработки уменьшается, а величина сопротивления каждого эле­мента остается постоянной. Увеличение трения о поверхность выработки на участках ограниченного потока при этом не может компенсировать уменьшения сопротивления, вызываемого умень­шением числа элементов крепи. В результате после первоначаль­ного увеличения сил сопротивления (на единице длины) до неко­торого максимума начинается их уменьшение. Опыт показывает, что максимальное сопротивление достигается при расстоянии между элементами крепи, примерно 5—6-кратной их высоте.

Исходя из этого, наименьшим аэродинамическим сопротивлением обладают выработки закрепленные бетоном, торкрет-бетоном, тюбингами.

 

Сопротивление трению горных выработок. Сопротив­ление трению представляет собой ту часть потерь энер­гии (статического давления) потока воздуха, которая вызывается трением частиц воздуха о стенки выработ­ки, трением одних слоев и струек воздуха о другие (пе­ремещающиеся с различными скоростями относительно друг друга) и ударами одних частиц о другие при пере­мешивании потока. Сопротивление трению при турбу­лентном режиме потока выражается следующей форму­лой, полученной в первой четверти XIX столетия фран­цузскими учеными Жираром и Добюссоном:

,

где β — коэффициент шероховатости поверхности гор­ных выработок (величина безразмерная); L, Р — соот­ветственно длина и периметр выработки, м; S — пло­щадь поперечного сечения выработки, м²; v — средняя скорость движения воздуха, м/с; g — ускорение свобод­ного падения, м/с²; γ — удельный вес воздуха, кг/м³. Для ламинарного режима сопротивление трению со­ответствует линейному закону, и формула принимает следующий вид:

.

Английский ученый Аткинсон, заменив величину v² через Q²: S², a постоянные величи β, g и γ (считая, что удельный вес воздуха γ при протекании по шахтной вентиляционной сети изменяется незначительно) через параметр α, т. е.

, кг с²/м⁴

получил в 1853 г. следующую формулу для подсчета сопротивления трению, т. е. депрессии отдельной выработки (отдельной выработкой называется такой ее участок, для которого один или несколько из параметров α, Р, S и Q отличаются от ана­логичных параметров соседних участков выработки) при турбулентном режиме движения воздуха:

, кг/м²

где α -коэффициент аэродинамического сопротивления: горных выработок, значение которого принимается по таблицам, кг с²/м⁴.

При ламинарном режиме расход воздуха проставляется в первой степени.

На величину коэффициента аэродинамического сопротивления горных выработок влияют следующие фак­торы:

шероховатость поверхности стен выработок или ве­личина выступающих кусков горной массы на стенках: незакрепленных выработок;

продольный калибр шероховатости Δрамной крепи, представляющий собой отношение расстояния l между центрами двух соседних крепежных рам к диаметру d₀ стоек и верхняка рам (Δ = l:d₀); по мере увеличения продольного калибра Δ от 1 до 5—6 значение коэффи­циента а возрастает, а при Δ> 5—6 постепенно умень­шается;

число Re, которое при определенных его значениях влияет на величину коэффициента α: при Re < 50 000 коэффициент аэродинамического сопротивления умень­шается по мере роста числа Re, а при Re = 50000-80 000 и более величина α не зависит от числа Re; геометрические параметры горной выработки: пери­метр Р и площадь поперечного сечения S при увеличе­нии в выработках одной и той же формы поперечного сечения вызывают незначительное уменьшение коэффи­циента а, и наоборот, незначительно возрастает значе­ние коэффициента а при уменьшении параметров Р и 5.

 

Местные сопротивления горных выработок представляют собой дополнительные сопротивления, которые приводят к изменению скорости потока по величине или направлению. В результате указанных изменений в ха­рактере скорости меняется структура всего потока и в нем усиливается интенсивность вихревого и турбулент­ного перемешивания, что и обусловливает дополнитель­ные потери давления потока, получившие название мест­ных потерь или местных сопротивлений. К местным сопротивлениям относятся: внезапные расширения и су­жения, плавные расширения и сужения воздуховодов, вентиляционные окна в перемычках и дверях, диафрагмы, диффузоры, решетки в каналах, колена (повороты) под различными углами, отводы (закругления), колена с на­правляющими лопатками в канале, кроссинги и т. д. На долю местных сопротивлений в рудничной вентиляции приходится 10—25% общего сопротивления. Большое значение имеют местные сопротивления в каналах вен­тиляторов, во входах в трубопроводы и в других объек­тах, где высокие скорости потока воздуха.

Величина местных потерь статического давления при прохождении воздуха через объект местного сопротив­ления пропорциональна квадрату скорости v потока воз­духа и подсчитывается по следующей формуле:

, кг/м²

где h_м.с. — потеря статического давления воздуха, прихо­дящаяся на долю местного сопротивления, кг/м²; ξ —коэффициент местного сопротивления, определяемый опытным путем, величина безразмерная; значения его приводятся в справочной литературе.

Билет 12

1.Рассмотрим простейшие схемы совместной работы: последовательную работу двух вентиляторов (рис. 15.2, а) и параллельную работу двух вентиляторов, установленных на одном стволе (рис.15.2, б). Номера вентиляторов будем обозначать римскими цифрами, а параметры их режимов – соответствующими буквами с римскими индексами. Для участков сети будем использовать в этих же целях арабские цифры.

Последовательная работа вентиляторов целесообразна при высоком, а параллельная – при низком сопротивлении вентиляционной сети. Несоблюдение этого правила может приводить к ситуациям, когда подключение второго вентилятора не только не улучшает, а наоборот, ухудшает проветривание.

2.Расчет количества воздуха для проветривания тупиковой выработки.

 

 , м³/мин,                                             

 

где,    Q_зп — количество воздуха, которое необходимо по­давать в призабойное 

                пространство подгото­вительной выработки, м³/мин;

I_зп — ожидаемое выделение метана на призабойном участке выработки,   

    м³/мин;

с — допустимая концентрация метана в исходя­щей из подготовительной   

  выработки вен­тиляционной струе, %; принимается соглас­но ПБ;

с_о — концентрация метана в струе воздуха, пос­тупающей в   

   подготовительную выработку, %; определяется по результатам замеров.

 

 

или                                    ,м³/мин,                                         

 

где     — среднее ожидаемое газовыделение в под­готовительной выработке, 

             м³/мин; 

—коэффициент неравномерности газовыделе­ния в подготовительной   

   выработке; прини­мается равным - 1,1, а в условиях Подмосков­ного 

   бассейна — 2,4 для выработок, про­водимых в угольном массиве, и 3,3 

   - для выра­боток, проводимых вприсечку к выработан­ному пространству;

с — допустимая концентрация газа в исходящей из подготовительной 

  выработки вентиляцион­ной струе, %; принимается согласно ПБ;

с₀ — концентрация газа в струе воздуха, поступа­ющей в подготовительную 

    выработку, %; оп­ределяется по результатам замеров. Для шахт 

    Подмосковного бассейна при обособ­ленном проветривании 

    подготовительных вы­работок вместо с_о следует принимать кон­

    центрацию углекислого газа в атмосферном воздухе на поверхности 

    шахты.

 

В) – Расчет по числу людей:

 

Q_оч=6 n_ч, м³/мин,                                             

 

где n_ч – наибольшее число людей, одновременно работающих в выработке.

По фактору разжижения ядовитых продуктов, выделяющихся при взрывании.

, м³/с (16)

4.4.2.1 Проходка тупиковых выработок

 

где	QЗН	–	необходимое количество воздуха для проветривания забоя (тупиковой выработки) при нагнетательном проветривании, м3/с;
	а=2,25	–	коэффициент при отгрузке горной массы из забоя передвижным или недизельным самоходным оборудованием;
	а=3,0	–	коэффициент при отгрузке горной массы из забоя самоходным дизельным оборудованием;
	А	–	расход ВВ при взрывании забоя, кг;
	S	–	площадь поперечного сечения тупиковой выработки, м2;
	l	–	длина тупиковой выработки, м;
	kобв	–	коэффициент обводненности тупиковой выработки: kобв=0,8 – для сухих выработок, kобв=0,6 – для обводненных выработок;
	kут	–	коэффициент утечек воздуха в вентиляционном трубопроводе, рассчитывается
	t	–	время проветривания тупиковой выработки, с (как правило t≤1800с);
	b	–	удельное газовыделение ВВ, л/кг (здесь принимается b=40л/кг).

При нагнетательном проветривании и значительной длине тупиковых выработок (свыше 400-500 м) при подсчете объема выработки принимается не полная, а критическая длина выработки (l_крит), т.е. расстояние, на котором концентрация газов, идущих от забоя, снизится до допускаемой:

, м (17)

где

kТ

–

коэффициент турбулентной диффузии полной свободной струи, определяется по таблице 7.

 

 

Билет 13

1. Расход воздуха для шахты в целом.

Расчет расхода воздуха для шахты в целом

Расход воздуха для шахты в целом определяется по формуле
Q_ш=1,1(ΣQ_уч+ΣQ_п.в.+ΣQ_пог.в.+ΣQ_под.в.+ΣQ_к+ΣQ_ут),м³/мин (1)
де 1,1 - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения воздуха по сети горных выработок;
ΣQ_уч - расход воздуха для проветривания выемочных участков, м³/мин;
ΣQ_п.в - расход воздуха, подаваемый к всасам ВМП для обособленного проветривания тупиковых выработок, м³/мин. На газовых шахтах расход воздуха для проветривания тупиковых выработок, проводимых за пределами выемочных участков, кроме выработок, проводимых по негазоносным породам, принимается с учетом обособленного их проветривания;
ΣQ_{пог. в} - расход воздуха дня обособленного проветривания погашае­мых выработок, м³/мин;
ΣQ_под.в - расход воздуха для обособленного проветривания поддержи­ваемых выработок, м³/мин;
ΣQ_к - расход воздуха для обособленного проветривании камер, м³/мин;
ΣQ_ут - утечки воздуха через вентиляционные сооружения, расположенные за пределами выемочных участков, м³/мин.
При нескольких вентиляционных установках по формуле (1) определяется в соответствии со схемой проветривания расход воздуха по группам выработок (крылу, шахтопласту), проветриваемым отдельными вентиляторами, а общий расход воздуха для шахты рассчитывается как сумма полученных результатов. Расход воздуха для проветривания шахты, определенный по формуле (1), должен удовлетворять при проектировании условию (2), для действующих шахт - (3).
Q_ш≥133,3(ΣǏ_уч+ΣǏ_п.в.+ΣǏ_ст+ΣǏ_о.в.), (2)

Где ΣǏ_уч – абсолютное среднее газовыделение на выемочных участках, м³/мин;
ΣǏ_п.в. – абсолютное среднее газовыделение из обособленно проветриваемых тупиковых выработок, м³/мин;
ΣǏ_ст - абсолютное среднее газовыделение из старых выработанных пространств ранее отработанных этажей и горизонтов, м³/мин;
ΣǏ_о.в. - абсолютное среднее газовыделение из погашаемых и поддерживаемых выработок, м³/мин.
Q_ш≥ (3)
Где k_н.ш – коэффициент неравномерности газовыделение в шахте; для Кузнецкого бассейна – 1,1;
С – допустимая концентрация газа в исходящих из шахты вентиляционных струях, %; принимается согласно ПБ;
С₀ – концентрация газа в атмосферном воздухе на поверхности, %; при расчете по метановыделению принимается 0, а по углекислому газу определяется по данным анализов;
ΣǏ_исх – абсолютное среднее газовыделение в исходящих из шахты вентиляционных струях, м³/мин.

 

2. Аэродинамические характеристики вентиляторной установки.

Аэродинамические качества вентиляторов оценивают по индивидуальным аэродинамическим характеристикам, которые строят в виде графиков зависимостей значений P_sv, N и η_s для данного диаметра рабочего колеса, по заданной частоте или частотам вращения (при регулируемом приводе), при определенных углах (Θ) установки лопаток (закрылков) рабочего колеса, направляющих и спрямляющих аппаратов при работе с воздухом, имеющим плотность 1.2 кг/м³. Аэродинамические характеристики вентиляторов строят по данным аэродинамических испытаний, которые проводятся согласно ГОСТ 10921-74. Точка пересечения кривых давления вентиляторнойустановки и шахтной вентиляторной сети определяет конкретный режим работы установки. Совокупность режимов, на которых вентилятор работает устойчиво и экономично (η_s≥0.6), образует рабочую область вентиляторной установки. В табл. 1.1 приведены технические параметры некоторых изготавливаемых вентиляторов.

В процессе эксплуатации шахтных вентиляторных установок главного проветривания сопротивление вентиляционной сети значительно изменяется, поэтому вентиляторы необходимо оборудовать средствами регулирования подачи и давления, т. е. конструкция вентилятора должна обеспечивать гибкое приспособление его аэродинамических характеристик к изменяющейся во времени характеристике сети.

Билет 14

1. Типы вентиляторов главного проветривания.

 

1.1. Типы, исполнения и способы регулирования вентиляторов должны соответствовать указанным в табл. 1.

Таблица 1

Тип	Исполнение	Способ регулирования вентилятора
Центробежный (радиальный)	Односторонний	Направляющим аппаратом;
	Двусторонний	изменением частоты вращения; изменением формы лопаток колеса
Осевой	Одноступенчатый	Изменением угла установки лопаток колеса;
	Многоступенчатый	изменением частоты вращения; направляющим аппаратом
	Встречного вращения	Изменением угла установки лопаток колеса; изменением частоты вращения

 

2. Закон сохранения массы, уравнение неразрывности, расход воздуха.

 

 

кЗакон сохранения массы. Применительно к движению воздуха этот закон можно сформулировать следующим образом: масса любого объема воздуха, состоящего из одних и тех же частиц, остается постоянной в процессе его движения, т. е. изменение массы во времени равно нулю.

Основным законом движения воздуха по шахтным выработкам является уравнение неразрывности; согласно этому закону массовый расход — секундная масса воздуха, проходящего через различные сечения воздухопровода или шахтной выработки, при отсутствии утечек постоянен

g₁ = С₂ = G₃ = ... = G_n = const

или

ρ₁S₁v₁₌ρ₂S₂v₂,

 где Si и S₂ — площади поперечного сечения в двух произвольно взятых точках выработки; v₁ и v₂ — скорость движения воздуха в сечениях Si и S₂; ρ₁ и ρ₂ — плотность воздуха в сечениях S₁ и S₂.

Если при движении воздуха по выработкам плот­ность его не меняется (ρ₁ = ρ₂), то

S₁v₁=S₂v₂

Или

S₁/S₂=v₂/v₁

т. е. скорости в различных сечениях выработки изме­няются обратно пропорционально площадям попереч­ного сечения выработки.

Так как ,

Где γ - удельный вес воздуха;

  g – ускорение силы тяжести,

то при ρ₁≠ρ₂ (наиболее часто встречающийся в практи­ке случай) уравнение неразрывности для установивше­гося движения воздуха по шахтным выработкам будет иметь вид

S₁v₁γ₁=S₂v₂γ₂

Таким образом, массовый расход воздуха в выработке посто­янный.

Выразим массовый расход воздуха в выработке в виде

M=ρQ

где Q — объемный расход воздуха в выработке.

Тогда для изотермического потока (т. е. при ρ = const)  

Q = const

Из этого выражения, называемого уравнением расхода, следует, что в случае стационарного движения объемный расход воздуха в выработке постоянный.

При разветвлении потока уравнение примет вид

= 0

где i — номер потока; п — число потоков в разветвлении.

Расход или дебит воздуха

 Расходом или дебитом воздуха называется количество воздуха (м³ или кг), проходящего через данное поперечное сечение S возду­ховода в единицу времени. Различают объемный и мас­совый расходы воздуха. Объемный расход воздуха ра­вен произведению скорости воздуха v на живое сечение S воздуховода:

Q = vS, м³/с,

а массовый расход G воздуха равен произведению объ­емного расхода Q на плотность воздуха ρ (кг/м³):

G = Q ρ = vS ρ, кг/с,

где S — площадь поперечного сечения трубопровода или выработки, м².

В рудничной вентиляции расход воздуха выражают в объемных единицах: Q = vS, м³/с — секундный объем­ный расход: Q = 60vS, м³/мин — минутный объемный расход и Q = 3600 vS, м³/ч — часовой объемный расход. В теплотехнике, в гидравлике, в тепловых расчетах кон­диционирования рудничного воздуха и в других обла­стях техники расход воздуха выражают в единицах мас­сы: G = vSp, кг/с — секундный массовый расход; G = 60 vSp, кг/мин — минутный массовый расход; G=3600 vSp, кг/ч — часовой массовый расход.

Билет 15

Естественная тяга.

ЕСТЕСТВЕННАЯ ТЯГА ВОЗДУХА в шахтах (а. naturaldraught; naturalventilation; н. naturlicherLuftzug; ф. tiraged'airnaturel; и. ventilacionnaturaldeaire) — движение воздуха в шахтных выработках под действием главным образом различной его плотности (в меньшей степени — скоростного давления ветра, движения воды). Влияет на вентиляцию горных выработок и в связи с этим учитывается при её проектировании. Возникает при наличии нескольких выходов на поверхность, возрастает с увеличением глубины шахты. Разность давлений, вызывающая естественную тягу воздуха, называют депрессией естественной тяги воздуха.

Основной определяющий фактор естественной тяги воздуха — различная плотность воздуха — обусловлена главным образом разностью его температур в горных выработках. В связи с этим естественная тяга воздуха в значительной степени зависит от сезонных и суточных изменений температуры на поверхности (больше зимой и ночью, меньше летом и днём). Плотность воздуха в шахте зависит также и от его химического состава (например, при суфлярных выделениях и внезапных выбросах газа). Скоростное давление ветра может вызвать естественную тягу воздуха при вскрытии залежей полезных ископаемых штольнями. Величина депрессии естественной тяги воздуха в этом случае соответствует скоростному давлению ветра. Определенное влияние на естественную тягу воздуха оказывает капёж воды в стволах; в воздухо-падающих — может способствовать поступлению воздуха в шахту за счёт эжектирующего и охлаждающего действия падающей воды, в воздуховыдающих — затрудняет его движение и может даже кратковременно опрокидывать вентиляционной струю. За счёт естественной тяги воздуха по шахте возможна циркуляция до 4000-6000 м3/мин воздуха. Депрессия естественной тяги воздуха he принимается независящей от количества подаваемого в шахту воздуха.

---

Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 3516; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!