- •Тема №1. Тепло земных недр
- •1.1. Термодинамические параметры земной коры
- •1.2. Источники тепла земных недр
- •1.3. Процессы теплопереноса в недрах Земли
- •1.4. Использование тепла земных недр
- •1.5. Приближенные методы расчета температурных режимов при эксплуатации породных теплообменников
- •Тема №2. Промерзание связных пород при открытой разработке месторождений
- •2.1. Разработка связных пород в период с отрицательными температурами
- •2.2. Месячные колебания температуры внешней среды
- •2.3. Расчет глубины промерзания связанных пород
- •2.4. Полное предотвращение промерзания грунта при использовании теплоизоляционных покрытий
- •2.5. Промерзание грунта на допустимую глубину при использовании теплоизоляционного покрытия
- •Тема №3. Намораживание пород при строительстве подземных сооружений и шахт
- •3.1. Сущность способа и область его применения
- •3.2. Тепловой расчет формирования одиночного ледопородного цилиндра
- •3.3. Параметры образования ледопородных ограждений
- •Тема №4. Теплообмен в горных выработках
- •4.1. Требования к тепловому режиму в подземных выработках
- •4.2. Влияние теплового режима на процессы ведения подземных горных работ
- •4.3. Уравнения теплообмена массива с вентиляционной струей в шахтной выработке
- •4.4. Теплообмен при проветривании подземных выработок
- •4.5. Источники тепла в подземных выработках
- •4.6. Методы нормализации температурного режима рудничного воздуха
- •Тема № 5. Термодинамическое разрушение талых и мерзлых пород при их разработке и транспортировании
- •5.1. Проблемы разработки и транспортирования рыхлых и связных пород
- •5.2. Термодинамическое разрушение талых рыхлых и связных пород
- •5.3. Термодинамическое хрупкое разрушение мерзлых рыхлых и связных пород
- •5.4. Термодинамическое разрушение мерзлых рыхлых и связных пород путем оттаивания и абляции
- •5.5. Техника и технология термодинамического разрушения талых и мерзлых пород при их разработке и транспортировании
- •Тема №6 . Газодинамические процессы в горных выработках
- •6.1. Основные понятия и определения. Механизм переноса газообразной субстанции.
- •6.2. Путь перемешивания для содержания газа и газовые потки
- •6.3. Коэффициенты диффузии
- •Тема №7. Интегральные газодинамические эффекты в шахтах
- •7.1. Общие положения
- •7.2. Выработка как объект вентиляции
- •7.3. Ограниченные потоки в системе выработок
Тема №6 . Газодинамические процессы в горных выработках
Газодинамические процессы в горных выработках охватывает класс процессов, общим из которых является перемещение газообразных примесей воздуха по горным выработкам. В подавляющем большинстве случаев это перемещение имеет характер переноса, т.е. явления, при котором газ перемещается не самостоятельно, а переносится воздушным потоком. Движение газа при этом является безнапорным.
Процессы переноса составляют существо вентиляции горных выработок, обеспечивая насыщение вентиляционного воздуха выделяющимися вредными примесями и их удаление из воздушного пространства выработок. Таким образом, интенсивность этих процессов определяет эффективность процесса вентиляции.
Рассмотрим общую теорию процессов газопереноса.
6.1. Основные понятия и определения. Механизм переноса газообразной субстанции.
Все изложенные рассуждения основываются на предположении, что используемый для проветривания горных выработок воздух является однородной средой, т.е. его химические компоненты перемешаны равномерно. Газообразной примесью такого воздушного потока будем считать любой газ, поступающий в него.
Газообразные примеси рудничного воздуха по их динамическим свойствам можно разделить на два класса - пассивные и активные.
Пассивной газообразной примесью является газ, присутствие которого в воздушном потоке не изменяет диффузионные свойства последнего. Активная примесь может изменять его диффузионные свойства. Активными примесями обычно бывают газы, плотность которых существенно отличается от плотности воздуха. В рудничных условиях это метан, водород, углекислый газ.
Количество газа в воздухе характеризуется его содержанием. В шахтной газовой динамике содержание газа в воздухе обычно выражается в долях этого газа в объеме газовоздушной смеси.
Долевое содержание в свою очередь может быть выражено в долях единицы:
с = Кг/Кс (6.1)
или в процентах:
с = 100·Кг/Кс, (6.2)
где Кг, Кс - количество соответственно газа и газовоздушной смеси, абсолютные или относительные единицы. Если это количество выражается в единицах объема, содержание называется объемным долевым (с0), если оно выражается в единицах массы - массовой долей (см). Соотношение между ними таково:
см=со·г/с, (6.3)
где г,с - плотность соответственно газа и газовоздушной смеси.
Соотношение между плотностью газовоздушной смеси с и долевым содержанием газа в ней с имеет вид:
с = (с - в )/( г - в), (6.4)
где в и г - соответственно плотность воздуха и газа.
В газовой динамике рудников смесь воздуха и газообразной примеси (газовоздушная смесь) считается непрерывной. Ее характеристики (плотность, содержание, градиент содержания и др.) изменяются от точки к точке без скачков и разрывов. Физически это обусловлено равномерностью перемешивания молекул газов в любом элементарном объеме. Однако при рассмотрении механизма распространения газов в воздушном потоке удобно представлять газовоздушную смесь не как совокупность молекул газов, а как некоторый континуум элементарных объемов или частиц воздуха и распространяющегося в нем газа. Размеры таких газообразных частиц несравненно больше размера молекул, но, в то же время, они предполагаются достаточно малыми, чтобы не нарушать принципа равномерности распределения характеристик в газовоздушной смеси. Форма и размеры таких частиц не имеют строгого обоснования и являются гипотетичными. Так, согласно гипотезе Л. Прандтля, частицы имеют форму шара с диаметром, равным длине пути, который проходит этот шар до потери им своей индивидуальности вследствие смешения со средой. Можно представить себе газообразную частицу также как вихрь, перемещающийся в воздушном потоке.
Перенос газообразной примеси воздушным потоком может производиться путем перемешивания и увлечения.
В чистом виде процессы перемешивания проявляются на молекулярном уровне. В этом случае они носят характер молекулярной диффузии, при которой имеет место взаимное проникновение молекул диффундирующих газов.
Молекулярная диффузия существует в неподвижном и в движущемся воздухе. В последнем случае проявляется действие еще одного механизма распространения газообразной примеси - механизма увлечения ее воздушным потоком. Процесс увлечения можно представить как движение частиц газа под действием давления набегающих на них частиц воздуха, а также в результате трения между частицами газа и соседними частицами воздуха.
Процесс увлечения при турбулентном режиме движения воздуха можно расчленить на увлечение усредненным (основным) движением и увлечение пульсационным движением. Увлечение газа пульсационным движением качественно подобно молекулярной диффузии. Оно характеризуется хаотичностью, свойственной турбулентному движению, и распространением газа во всех направлениях, независимо от направления основного движения. Этот вид переноса называется турбулентной диффузией, а перенос газа усредненным (основным) движением — конвективным переносом. При совместном проявлении конвективного и диффузионного переносов говорят о конвективно-диффузионном переносе. Почти все задачи рудничной газовой динамики, имеющие практическое значение, относятся к классу конвективно-диффузионных.
Кроме конвективного и диффузионного переносов распространение газа, поступающего в некоторый объем, происходит также за счет вытеснения ранее находившегося в этом объеме газа последующими его поступлениями. При этом происходит увеличение (расширение) объема, занимаемого газом. Это вытеснение наиболее существенно у мест выделения газа, например, у газоотдающих стенок горных выработок. Оно должно учитываться при формулировании граничных условий процессов газопереноса.
В силу значительной неоднородности воздушных потоков в горных выработках интенсивность конвективного и диффузионного переносов газа в различных областях потоков различна. В пристеночной области, где усредненные и пульсационные скорости потока близки к нулю, преобладает молекулярный диффузионный перенос, а если стенка газоотдающая, - также процесс вытеснения. В ядре потока усредненные и пульсационные скорости имеют относительно большие значения. Здесь преобладают процессы конвективного и турбулентного диффузионного переноса. В условиях развитой турбулентности интенсивность турбулентного диффузионного переноса значительно выше, чем молекулярного.
При распространении газа от источников газовыделения у последних образуется область существенно переменного содержания диффундирующего газа, называемая диффузионным пограничным слоем. Его толщина измеряется расстоянием по нормали от газоотдающей поверхности источника до области, где соблюдается условие дс/дп = 0 (п - внутренняя нормаль к поверхности стенки). Этому условию, в частности, соответствуют случаи с = 0 и с = const. На практике может оказаться более удобным определять толщину диффузионного слоя как толщину области заданного изменения содержания (например, области, в пределах которой происходит 95 % всего изменения содержания).