Угольная пыль - как причина взрывов. Горючие и взрывчатые свойства угольной пыли. Тепловой режим.

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 6Следующая ⇒

Рудничная пыль состоит в основном из угольных и породных частиц. Она может содержать также незначительные примеси металлов, образующиеся в результате истирания буровых коронок, рельсов и других трущихся металлических поверхностей. Качественный состав угольной пыли, как правило, определяется составом угольного пласта, а породной - составом вмещающих пород и породных прослоек. Количественные соотношения компонентов пыли зависят от технологических процессов и крепости пород, подвергающихся истиранию или измельчению. Содержание компонентов в пыли вследствие их различной твердости может быть иным, чем в массиве, однако ввиду сложности отбора проб для анализа их состав с допустимой для практики точностью принимают аналогичным составу породы.

На степень дисперсности рудничной пыли оказывают влияние физико-механические свойства угля, способы разрушения угольного массива, вид погрузки и транспортирования горной массы, способность пылевых частиц переходить во взвешенное состояние, скорость и степень турбулентности вентиляционных потоков и другие факторы. Для оценки дисперсности пыли используют такие геометрические показатели, как наименьший, наибольший или средний размер частицы или удельная поверхность, однако более полно ее характеризует массовое содержание частиц каждого размера.

Диспергированные в воздушной среде частицы пыли несут на себе определенный электрический заряд. Электризация их наступает в результате адсорбции ионов из газовой среды, трения частиц о различные поверхности или друг о друга. Ввиду существования многих условий электризации в пылевом потоке всегда имеются частицы, несущие положительные и отрицательные заряды. По данным исследований, сразу же после распыления заряжается примерно 90 частиц из 100. В большинстве случаев средний положительный заряд частиц определенного размера равен среднему отрицательному. Индивидуальный заряд частиц возрастает с их размером. При разрушении горных пород это возрастание подчиняется квадратичному закону. У частиц, одинаковых по размеру и вещественному составу, величина заряда определяется диэлектрическими свойствами. В вентиляционном потоке могут преобладать частицы того или иного знака. С течением времени величина заряда снижается, может измениться и его преобладающий знак. Через минуту после распыления, как установлено исследованиями, в витающей угольной и кварцевой пыли преобладали отрицательно заряженные частицы. Через 4-5 мин знак преобладающего заряда угольных частиц изменился на противоположный.

Угольная пыль способна взрываться. Скорость распространения пламени ее взрыва изменяется под воздействием многих факторов от нескольких десятков до сотен метров в секунду, зачастую превышая звуковую. Впереди фронта пламени распространяется мощная ударная волна давлением до 1 МПа.

В отличие от взрыва газов, где взрывчатая среда образуется в результате диффузионного перемешивания, при взрыве пыли требуются дополнительные затраты энергии для создания пылевого облака взрывчатой концентрации. В производственных условиях такое облако может возникнуть либо в результате интенсивного выделения в воздух пыли при том или ином технологическом процессе, либо в результате поднятия отложившейся пыли под воздействием энергии источника воспламенения. Температура воспламенения угольной пыли в зависимости от стадии метаморфизма угля изменяется в пределах 850-1120K.

Взрыв пыли происходит в газовой фазе. Решающую роль в процессе его возникновения и распространения играют взрывчатые газообразные продукты пиролиза аэровзвеси. Для протекания процессов химического разложения углей необходима определенная продолжительность температурного воздействия (период индукции). В зависимости от стадии метаморфизма этот период составляет 40-250 мс. Содержание продуктов пиролиза, достаточное для взрыва, составляет, как правило, не более 42 % от их полного объема.

Основными факторами, влияющими на взрывчатость пыли, являются ее дисперсность и концентрация, выход летучих веществ, зольность и содержание влаги, а также вид источника воспламенения и состав атмосферного воздуха.

Во взрыве принимают участие частицы размером до 1000 мкм. Взрывчатость пыли возрастает с увеличением степени ее дисперсности. В наибольшей степени взрывчатыми свойствами обладает фракция пыли до 75 мкм. Максимум взрывчатости наблюдается при фракции < 10 мкм, затем она снижается вследствие аутогезии мелких частиц. Таким образом, по мере удаления от источника образования пыль становится более взрывоопасной, поскольку возрастает степень ее дисперсности. С увеличением выхода летучих веществ V^r взрывчатость угольной пыли возрастает. При величине V^r равной 15 %, все пробы оказались взрывчатыми (рис. 1.4). Для углей с выходом летучих веществ в интервале 15-30 % прослеживается строгая закономерность между содержанием метана в продуктах пиролиза и степенью взрывчатости пыли, что используется для соответствующей классификации угольных пластов. С уменьшением выхода летучих веществ до 7,0-7,5 % частота появления невзрывчатых проб достигает 85 %. При содержании летучих 6,0 % угольная пыль становится невзрывчатой.

Зола как инертная добавка снижает взрывчатость угольной пыли. Часть тепла, излучаемого горящими частицами, расходуется на нагрев частиц негорючего вещества. Находясь между частицами угольной пыли, последние способствуют обрыву реакционных цепей и экранированию тепловых лучей. Взрывчатость угольной пыли с выходом летучих 15 % и менее существенно снижается при зольности 20-30 %. При дальнейшем увеличении выхода летучих влияние естественной зольности уменьшается, а при выходе более 30 % - практически уже не отражется на взрывчатости угольной пыли. Влага, с одной стороны, действует как добавка негорючего вещества, с другой - как фактор, способствующий аутогезии мелких частиц, ведущей к уменьшению удельной поверхности пыли и, как следствие, - снижению ее взрывчатости. Отложившаяся пыль теряет способность переходить во взвешенное состояние с образованием взрывоопасных концентраций при содержании внешней влаги не менее 12 %.

Минимальная концентрация пыли, при которой возможно распространение взрыва, называется нижним пределом взрывчатости. Для пыли некоторых пластов угля с высоким выходом летучих веществ этот предел составляет 17-18 г/м³, для пыли с небольшим выходом летучих веществ он может повышаться до 300 г/м³.

6. Основные законы аэростатики. Атмосферное давление. Закон Паскаля и Архимеда. Атмосферное давление в подземных выработках. Основные понятия и законы рудничной аэродинамики. Виды давления в движущемся воздухе. Закон сохранения массы. Уравнение Бернулли.

Аэростатика — наука о равновесии газов (воздуха). Она исследует условия, при которых воздух может находиться в неподвижном состоянии — состоянии равновесия. Одной из основных задач аэростатики является определение изменения давления с высотой (глубиной) в покоящемся воздухе, а также условий равновесия находящегося в воздушной среде тела.

Давление, с которым имеют дело в аэростатике, называется аэростатическим; оно вызывается весом вышележащих слоев воздуха.

Весьма важным свойством воздушной среды является то, что давление, действующее в данной ее точке, одинаково во всех направлениях и что изменение давления в какой— либо точке, не вызывающее заметных эффектов сжатия, вызывает такое же изменение давления во всех остальных точках среды. Данное свойство носит название закона Паскаля. Согласно ему, уменьшение давления на поверхности, например, на 5 мм.рт.ст., вызовет уменьшение давления во всех выработках шахты также на 5 мм.рт.ст.

Из закона Паскаля следует, что давление, воспринимаемое пластинкой, расположенной в данной точке пространства, не зависит от ее ориентации в пространстве. Следовательно, давления на одну и на другую ее плоскость равны. Поскольку давление действует по нормали к поверхности, то равнодействующая сил давления, приложенных к пластинке, равна нулю, т.е. аэростатическое давление не может вызвать перемещения тела.

Из закона Паскаля следует, что давление на все стенки выработки, расположенные на одной вертикальной высоте, в неподвижном воздухе одинаково.

Согласно закону Архимеда, на находящееся в воздухе тело действует выталкивающая сила Р, направленная вертикально вверх и численно равная весу воздуха в объеме тела:

Р = V·g,

где V- объем тела;

g - средний удельный вес воздуха на уровне расположения тела.

Давление, под которым находится воздух, с одной стороны, определяет силу, с которой он давит на единицу площади поверхности, а с другой — характеризует энергию, содержащуюся в единице его объема. Единица давления — Паскаль (давление силой в 1Н на площадь в 1 м²). Таким образом, Па=Н/м².

Отсюда следует, что давление в Паскалях определяет полную внутреннюю энергию в джоулях, приходящуюся на единицу объема воздуха.

Во многих случаях в расчетах вентиляции удобной является кратная единица - килопаскаль, определяемая соотношением 1кПа= 1000 Па.

Часто в расчетах и измерениях по рудничной вентиляции используются широко распространенные внесистемные единицы давления — миллиметр водяного и миллиметр ртутного столба. Их соотношения с Паскалем составляют, соответственно, 1 мм вод.ст. = 9,81 Па; 1мм рт.ст.=133,32 Па.

Закон сохранения массы. Закон сохранения массы применительно к движению воздуха можно сформулировать следующим образом: масса любого объема воздуха остается постоянной в процессе его движения. Иными словами, изменение массы во времени равно нулю.

Закон Бернулли является следствием закона сохранения энергии для стационарного потока идеальной (то есть без внутреннего трения) несжимаемой жидкости:

Где ρ — плотность жидкости,

— скорость потока,

— высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости,

— давление в точке пространства, где расположен центр массы рассматриваемого элемента жидкости,

— ускорение свободного падения.

Согласно закону Бернулли полное давление в установившемся потоке жидкости остается постоянным вдоль этого потока.

Полное давление состоит из весового (ρgh), статического (p) и динамического давлений.

Из закона Бернулли следует, что при уменьшении сечения потока, из-за возрастания скорости, то есть динамического давления, статическое давление падает. Закон Бернулли справедлив и для ламинарных потоков газа. Явление понижения давления при увеличении скорости потока лежит в основе работы различного рода расходомеров (например труба Вентури), водо- и пароструйных насосов.

Закон Бернулли справедлив в чистом виде только для жидкостей, вязкость которых равна нулю, то есть таких жидкостей, которые не прилипают к поверхности трубы. На самом деле экспериментально установлено, что скорость жидкости на поверхности твердого тела почти всегда в точности равна нулю (кроме случаев отрыва струй при некоторых редких условиях).

7. Аэродинамическое сопротивление горных выработок. Закон сопротивления. Расчеты сопротивления, методы снижения. Единицы сопротивления.

Вентиляционное (аэродинамическое) сопротивление горных выработок — сопротивление, которое преодолевает воздух при движении по сети горных выработок.

Подразделяется на сопротивление трения, лобовое сопротивление и местные сопротивления.

При движении воздуха по выработкам вследствие эффекта прилипания и вязкости в потоке появляются силы трения. Поскольку стенки выработок шероховаты, движущийся вдоль них поток оказывает давление на погруженные в него выступы шероховатости, вследствие чего появляется вторая составляющая силы сопротивления — сила давления. Так как выступы шероховатости обычно распределены относительно равномерно по длине и сечению выработки, принято считать, что обе силы равномерно распределяются по всей поверхности выработки и везде проявляются совместно. Результирующая сила условно называется силой трения, а вызываемое ею сопротивление — сопротивлением трения.

Сопротивление трению или дипрессию выработки при переменном сечении можно определить по формуле

h_тр = ,

где β – безразмерный коэффициент трения, учитывающий степень шероховатости поверхности выработки;

ρ_ср – средняя плотность воздуха в выработке, кг/м²;

Р – периметр сечения выработки, м;

L – длина выработки, м;

S – площадь поперечного сечения выработки, м²;

М – расход воздуха по массе, м³/с.
Местные сопротивления — сопротивления, приуроченные к определенному месту выработки, к ним относятся вентиляционные окна, повороты, внезапные расширения и сужения выработок и т. д. При прохождении через них быстро изменяются конфигурация и структура потока, вследствие чего происходит отрыв пограничного слоя от стенок выработки с образованием около них вихревых зон, воздух которых не участвует в общем поступательном движении. Источником потерь давления при этом являются невосстанавливаемые потери живой силы в результате обмена количествами движения частиц основного потока и вихревых зон.
Потеря давления при прохождении местного сопротивления или депрессия местных сопротивлений определяется по формуле

h_м = ξ ,

где ξ – коэффициент местного сопротивления;

S – площадь поперечного сечения выработки, м²;

ρ – плотность воздуха в выработке, кг/м²;

Q – расход воздуха, м³/с.

Общая депрессия ряда сложных местных сопротивлений равна сумме элементарных местных сопротивлений и депрессии трения.

Лобовые сопротивления — сопротивления тел, обтекаемых потоком, слагающиеся из сопротивления трения и сопротивления формы. Последнее является результатом срыва потока с поверхности обтекаемого тела и значительных вихреобразований за ним. Соотношение между сопротивлениями трения и формы и их величина зависят от конфигурации тела и положения его в потоке, состояния поверхности тела (относительной шероховатости) и числа Рейнольдса.
Лобовое сопротивление оказывают стойки, поставленные посредине выработки (ре-монтины), и расстрелы в шахтном стволе.

Размерность сопротивлений Н/м²/(м³/с²) = Н/с²/м³ = Па.

Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 3222; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!