- •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
7.2. Выработка как объект вентиляции
Характер проявления газодинамических эффектов в горных выработках существенно зависит от характера движения воздуха в последних. Как известно, в практике шахтной аэрологии воздушные потоки подразделяются на ограниченные, имеющие твердые границы, и свободные, не имеющие таковых. Поэтому возникает вопрос определения вида потока в аспекте его аэродинамических особенностей. Говоря более конкретно, следует определить условия существования квазиупорядоченных движений, под которыми понимают ограниченные потоки, и движений свободных, под которыми в шахтной аэрологии понимают свободные струи. С этим вопросом связан вопрос аэродинамического определения камеры и штрекообразной выработки как объектов вентиляции.
В практике горного дела в аэродинамическом аспекте существует определение камеры как выработки большого поперечного сечения, в которой движение воздуха подчиняется законам свободной турбулентности, т.е. свободных турбулентных струй. Очевидно, и это определение не охватывает понятия длинных камер, в которых свободные струи, как правило, переходят в ограниченные потоки.
Рассматривая камеру как выработку большого поперечного сечения и не налагая каких-либо ограничений на ее длину, следует признать, что в камере могут существовать те же виды воздушных потоков, что и в прочих горных выработках: свободные движения (свободная турбулентность), ограниченные потоки1 и их комбинации. Поэтому вид потока не может быть отличительным аэродинамическим признаком движения воздуха в камерах.
Установлено, что камерой в аэродинамическом смысле является выработка, на движение воздуха в которой не оказывает влияния молекулярная вязкость, или движение воздуха в которой происходит в условиях преобладающего влияния турбулентной вязкости, или движение воздуха в которой подчиняется законам свободной турбулентности. Практически это все выработки больших поперечных сечений, но не чрезмерной длины (на больших расстояниях от начала выработки даже при весьма значительном поперечном сечении толщина пограничного слоя на стенках становится соизмеримой с поперечным размером выработки, а в дальнейшем может заполнить все сечение, что приведет к преобладающему влиянию молекулярной вязкости. Подобные случаи могут иметь место, например, в длинных тоннелях), а также выработки, в которых преобладающими являются свободные движения. Последние не обязательно должны иметь большие поперечные сечения. Например, призабойной пространство штрека в проходке, если в нем действует свободная струя, является камерой.
7.3. Ограниченные потоки в системе выработок
Возникающие в выработках с ограниченными воздушными потоками газодинамические ситуации зависят от режима вентиляции, вида источника (точечный или линейный), характера газовыделения (мгновенное или непрерывное), способа поступления воздуха в выработку от топологии вентиляционной сети.
Знание газодинамической ситуации в одиночной выработки крайне необходимо, однако, еще более важно представлять поведение ограниченных потоков в системе выработок, образующих вентиляционную сеть объекта.
Одна из основных задач газовой динамики системы выработок — определение содержания газа в выработках вентиляционной сети при задании содержания в некоторых из них. В такой постановке эта задача является сетевой газодинамической.
Пусть имеем произвольную вентиляционную сеть, содержащую L ветвей и N узлов.
Для каждого из N узлов сети справедлив закон сохранения массы газа, который для изотермических условий и малых перепадов давления может быть записан в виде
(7.8)
где с, - содержание газа в начале i-й подающей воздух к узлу выработки; Qi, qi, - соответственно расход воздуха и суммарный дебит всех источников и стоков в i-и выработке; п1 — число выработок, подающих воздух к узлу; сj, Qi - соответственно содержание газа и расход воздуха в j-й отводящей воздух от узла выработке; n2 - число выработок, отводящих воздух от узла.
В уравнении (7.8) первая сумма означает количество подводимого к узлу газа, вторая - количество отводимого газа; первое слагаемое под знаком первой суммы определяет количество газа, поступающего в выработку со струей воздуха, приходящей к узлу. При наличии в выработке с поступающей струей источника или стока газа содержание С; должно быть взято в начале выработки (до источника или стока). Например, для узла А (рис. 7.1)
Рис.7.1. Схема узла к выводу уравнения (6.9)
уравнение (7.8) примет вид
(7.9)
Поскольку в первой и второй выработках, подводящих воздух к узлу, действуют источники q1 и q2, содержания газа с1 и с2 берутся на входе в эти выработки; содержания с3, с4, с5, равно как и все расходы воздуха Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, могут быть взяты в любом месте соответствующих выработок.
Источники, действующие в выработках с исходящей от узла струей, в формулу (7.8) - не входят и учитываются в следующих по струе узлах, для которых они являются источниками на поступающих струях. Например, источники q4 и q5 (рис. 7.1) учитываются в уравнениях узлов В и С; к уравнение (7.9) для узла А они не входят.
Следует иметь в виду, что в вентиляционной системе часть узлов может быть "пустой" (т.е. узлов, в выработках которых не содержится газа). Узел остается "пустым" и в случае, когда во входящих выработках нет газа, а в выходящих из узла действуют источники газа; такие выработки рассматриваются как газосодержащие уже для следующих по струе узлов. Очевидно, необходимым и достаточным условием "пустоты" узла является отсутствие газа в поступающих в узел струях.
Если число "пустых" узлов равно Nn, то общее число узловых уравнений для содержания
(7.10)
Таким образом, решение стационарной сетевой газодинамической задачи состоит в решении системы из Е линейных узловых уравнений (7.8).
Если число неизвестных содержаний газа в сети равно Кс, то система имеет решение при Е > Кс. В случае Е < Кс к Е узловым уравнениям следует добавить Е1 дополнительных соотношений для содержаний. Таковыми могут быть соотношения типа
(7.11)
для выработок с известными источниками (стоками). Введение соотношений (7.11) означает задание содержаний в ряде выработок и тем самым уменьшение числа неизвестных содержаний. Число дополнительных соотношений должно удовлетворять условию
(7.12)
Решению системы узловых уравнений должно предшествовать определение расходов воздуха в ветвях системы, т.е. решение аэродинамической сетевой задачи.
Рассмотрим такое решение на примере шахты, схема вентиляции которой представлена на рис. 7.2.
Рис. 7.2. Схема вентиляции шахты
Для упрощения примем симметричное распределение воздуха и источников газовыделения по выработкам. Введем следующие значения исходных данных. Расходы воздуха в выработках:
дебиты источников газа:
Схема содержит N = 16 узлов и L = 22 ветви.
"Пустыми" являются узлы 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8; их число Nn = 8. Число узловых уравнений в соответствии с формулой (6.10) – E = N - Nn Е = 8. Неизвестными являются все указанные на схеме содержания - от с1 до с15; их число Кс = 15. Имеем Е < Кс, что означает необходимость введения дополнительных соотношений, принимаемых по формуле (7.11) - для выработок с источниками. Число этих выработок и, следовательно, число дополнительных соотношений для рассматриваемой схемыЕ1 = 8. Таким образом, общее число независимых выражений для определения пятнадцати неизвестных содержаний будет Е + Е1 =16 . Следовательно, условие (7.12) выполняется.
Выпишем полную систему определяющих выражений. Узловые уравнения:
для узла 9 -
для узла 10 -
для узла 11 -
для узла 12 -
для узла 13 -
для узла 14 -
для узла 15 -
Дополнительные соотношения для ветвей с заданными источниками газовыделения:
Из первых четырех узловых уравнений следует, что
Аналогично с5 =с9=с12=0,016.
Из пятого, шестого и седьмого узловых уравнений имеем
.
Аналогично
.
Из дополнительных соотношений
; ;
;;
;.
Таким образом, простыми вычислениями были определены содержания газа в выработках вентиляционной сети.
расширение жидкости, газа при прохождении через сужающее устройство, сопровождающееся изменением температуры
векторы, лежащие на одной прямой или на параллельных прямых..
безразмерная величина, характеризующая течение вязкой жидкости (или газа) и определяющая для него отношение сил инерции к силам вязкости:Re=vl/η=vl/v, гдеv и l– характерные скорость и линейный размер, а, ηиv– плотность, динамическая и кинематическая вязкость.
Лайгна К.Ю., Поттер Э.А. О роли турбулентной диффузии и дисперсии при переносе газообразных примесей в шахтных вентиляционных струях и потоках // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1988. - № 2. -| I 15-120.
струя в этом случае не является затопленной
Последнее не следует смешивать с усреднением во времени локальных характеристик турбулентного движения
Вследствие небольшого содержания газа в воздушном потоке расход газовоздушной смеси называют расходом воздуха, чего в дальнейшем и будем придерживаться
1Потоки, имеющие твердые границы, возникающие в камерах при значительной их длине,когда свободные струи достигают боковых стенок камеры, или в случаях, когда воздухоподающие выработки имеют поперечные размеры, близкие к размерам камер
Тонкий слой у твердых границ потока