книги / Рудничная аэрология

Учитывая, что

К = R 0Q \

лолучим расчетную формулу в другом виде:

g	________ £______9							(XII.12)
	° ‘	0,65 +	2,635 V~R~0
где	Д0 — аэродинамическое сопротивление					окна.	окна	(XII.11)
Формулы			для	определения	площади сечения
и (XII. 12) получены при предположении, что <р =							0,65. Коэффи­
циент имеет это значение при условии S J S						^ 0,5.		расчета
При		S0/S > 0,5 значение ф			возрастает,	тогда	для
ллощади сечения окна пользуются зависимостями:
So =			QS	_ .				(XII.13)
		1 + 2,385 V h0 *
^о =			5	____				(XII.14)
		1 -|-1,385 V~Ro ’
Из формул (XII.13)—(XII.14) можно вывести зависимости для
определения			аэродинамического		сопротивления окна.
При		S J S	^ 0 ,5
д о = М ^ ( ^ - 0 , 6 5 ) 2;								(XII.15)
при		S J S	> 0,5
" " “		T r - C		i - 1) ’ -				(XIU6)

Регулятор жалюзийного типа (рис. 101) представляет собой устройство с обтекаемым профилем жалюзи. Лопатки жалюзи «фиксируются в любом положении путем изменения угла их уста­ новки. Регулирование количества воздуха осуществляется за счет уменьшения живого сечения воздушного потока при повороте лопаток, а также изменения направления струй воздуха, сопро­ вождающегося дополнительным вихреобразованием.

Регулятор жалюзийного типа используется также для осажде­ ния пыли из потока на почве выработки и, таким образом, он способствует уменьшению запыленности воздуха в горных выра­ ботках.

В практике рудничной вентиляции в качестве регуляторов часто используются воздушные завесы. При этом основной воздуш­ ный поток в выработке перекрывается поперечной воздушной струей с высокой кинетической энергией.

Воздушную завесу устанавливают в пункте разветвления струй в выработке, где требуется уменьшить количество воздуха. Регулирующее устройство включает регулятор 1 (рис. 102),

воздухопровод 2 и короба 3 с щелью. Щель устраивают по всей высоте выработки таким образом, чтобы выходящий из нее поток был направлен под некоторым углом к основному потоку. Действие завесы определяется начальной скоростью воздуха в щели и сече-

Рис. 101. Схема регулятора жалюзийного типа

нием выработки. Можно достичь такого положения, при котором сечение выработки полностью ^перекроется* завесой и движение основного потока воздуха в ней будет прекращено.

В о з д у х п р и	о бр азовани и завесы		м ож ет п о д а в а ть ся		в е н ти л я то ­
ром и л и от воздухопроводной		м а ги стр а л и .
В о зд уш н ы е	завесы имею т	р яд	пр еи м ущ еств	по	сравнени ю
с д р уги м и ти п ам и о тр и ц ател ьн ы х р е гу л я то р о в . Э ти				п р еи м ущ ества

г1 з

Рис. 102. Схема действия воздушной завесы в качестве регулятора распре­ деления воздуха

зак л ю ч аю тся преж де всего в том , что п р и р е гу л и р о в ан и и к о л и ­

чества в о зд уха воздуш ны м и завесам и возм ож ен б есп р еп я тств ен н ы й п роход тр а н сп о р та , не загр о м о ж д аю тся вы р аб о тки , и ск л ю ч ается

повреж дение р е гу л и р у ю щ е го у с тр о й ств а тр ан сп о р тн ы м и со суд ам и ,

а та к ж е под в ли яни		ем сд ви ж ен и я го р н ы х пород и д р у ги х		м ехан и ­
ч е ск и х воздействий		о беспечи вается	в ы со кая н ад еж н о сть	работы .
У п р а в л е н и е	воздуш ны м и завесам и		л егк о а в то м а ти зи р у е тся .		Д л я
по вы ш ен и я	эф ф екти вности работы		возд уш н о й завесы в	ее	стр у е

распыляется вода. Это способствует повышению общей кинети­ ческой энергии воздушной завесы, а также уменьшению запылен­ ности воздуха в выработке.

Воздушные завесы действуют эффективно при невысоких перепадах давления воздуха в выработках. Эффективность работы завесы определяется ее местоположением, углом установки щели, начальной кинетической энергией потока завесы, шириной выра­ ботки. В выработках большого сечения устраивают двусторонние завесы.

§ 69. УМЕНЬШЕНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ВЫРАБОТОК

В практике вентиляции наряду с отрицательными способами регулирования распределения воздуха в вентиляционных сетях широко используются и методы положительного регулирования.

Одним из основных методов положительного регулирования распределения воздуха является уменьшение аэродинамического сопротивления отдельных ветвей и шахты в целом.

Из формулы депрессии для отдельной выработки

можно видеть, что уменьшение аэродинамического сопротивления достигается либо снижением коэффициента аэродинамического

Рис. 103. Схема регулирова­ ния распределения расхода воздуха в параллельном со­ единении

сопротивления а, либо уменьшением длины выработки L, либо увеличением площади поперечного сечения выработки S.

Рассмотрим движение воздуха в параллельном соединении ветвей по схеме, представленной на рис. 103. Предположим, что по условиям производства требуется увеличить расход воздуха в ветви 1 и одновременно снизить расход в ветви 2 .

Распределение расхода воздуха в соединении до регулирования

определяется соотношением
RiQ\ = R*Ql	(XII.17)

где i?x, R 2 — аэродинамические сопротивления ветвей 1 и 2 до регулирования; Ç2 — расход воздуха в ветвях 1 и 2 до регу­ лирования.

Увеличению расхода воздуха в ветви 1 должно соответствовать такое уменьшение аэродинамического сопротивления, при котором выдерживается соотношение

R 'iQ Î - R iQ 'l		(XII.18)
где R[ и	Q[ — соответственно аэродинамическое сопротивление
и расход	воздуха	в ветви 1 после регулирования; Q2' — расход
воздуха в ветви 2		после регулирования.
Из выражения		(XII. 18) получаем требуемое значение аэроди­

намического сопротивления ветви для заданного распределения расхода воздуха

=	(XII.19)
	^1

С использованием выражения (XII. 19) можно получить зависи­ мость для определения необходимого уменьшения аэродинами­ ческого сопротивления ветви 1 :

= R, - R \ - R 2 ( | i - |è - ) •

(X II-2°)

Если уменьшить аэродинамическое сопротивление удобно сни­ жением коэффициента а (например, изменением типа крепи в вы­ работке или обшивкой ее стенок), то необходимую величину изменения а можно определить из выражения

Я2Я3
Да —------	(XII.21)

где S, Р и L ■—площадь поперечного сечения выработки, ее пери­ метр и длина.

Аналогичным образом определим, на сколько нужно увеличить площадь поперечного сечения выработки для уменьшения ее

сопротивления рассматриваемым способом.	^
Необходимое значение площади поперечного сечения
	(XII.22)
а необходимое приращение сечения
A S ^ S [ - S 1= S 1	(XII.23)

где St и SI — площадь поперечного сечения выработки 1 (см. рис. 103) соответственно до и после регулирования.

Таким же образом решается вопрос и при более сложных видах соединений горных выработок. В случае, когда речь идет о снижении сопротивления в многоструйных соединениях, необ­ ходимые мероприятия следует осуществлять в выработке с наи­ большим аэродинамическим сопротивлением.

Иногда возникает необходимость уменьшить аэродинамическое сопротивление соединения выработок в целом (например, когда требуется перераспределить количество воздуха между двумя рабочими горизонтами шахты). Значительное снижение сопро­ тивления достигается при этом проведением дополнительной выработки, параллельной ветвям с большим сопротивлением,

атакже уменьшением пути движения воздуха.

Внекоторых случаях аэродинамическое сопротивление выра­ боток может быть несколько снижено, если очистить их от породы

идругих загромождающих материалов. Необходимо также сни­ жать местные аэродинамические сопротивления, например рас­ ширять сечение в местах погрузочных пунктов в конвейерных выработках, делать повороты на сопряжениях закругленными,

изменения сечений — плавными и т. д.

§ 70. РЕГУЛИРОВАНИЕ С ПОМОЩЬЮ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ

Один из способов положительного регулирования распределе­ ния расхода воздуха в вентиляционной сети — регулирование с помощью вспомогательных вентиляторов. Вспомогательные вен­ тиляторы устанавливают в ветвях, в которых необходимо увели­ чить количество воздуха и повысить депрессию.

Для регулирования распределения расхода воздуха в парал­ лельном соединении вентилятор устанавливают в одной из ветвей (рис. 104). До установки вентилятора распределение расхода воздуха в ветвях 1 и 2 определялось равенством

RiQt —

Появление дополнительного источника тяги в ветви 1 приводит к увеличению депрессии ветви, а следовательно и расхода подава­ емого воздуха.

Если расход воздуха в ветви 1 требуется повысить от Q± до Q2, то после установки вентилятора будет справедливо соотношение

При этом депрессия, развиваемая вентилятором, определится из выражения

K ^ R AQ'Î -<?*)•

(XI 1.24)

195

Как уже отмечалось ранее, изменение расхода воздуха в одной из ветвей сети ведет к перераспределению воздуха в остальных

Рис. 104. Схема регулирования распределения расхода воздуха в параллельном соединении с по­ мощью вспомогательного венти­ лятора

ветвях, поэтому при введении в сеть вспомогательных вентилято­ ров их необходимо рассчитать на совместную работу с главным вентилятором или друг с другом (см. главу XI).

§ 71. МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ВОЗДУХА

В зависимости от конкретных задач регулирования вентиля­ цией, которые определяют требуемую периодичность изменения расходов воздуха в выработках, возможно применение различных методов регулирования.

Задача оптимального распределения воздуха в вентиляционной сети шахты решается в проектах вентиляции и на действующих шахтах. Конечной целью ее решения является обеспечение выра­ боток необходимым расходом воздуха при минимальных затратах энергии на проветривание сети, изменяющейся при ведении очи­ стных и подготовительных работ.

Так как задача оптимального распределения воздуха решается на действующих шахтах обычно один раз в несколько месяцев, то методы регулирования расходов воздуха, определяющие харак­ тер изменения расхода в процессе регулирования, обычно харак­ теризуются постоянным перераспределением воздуха в системе выработок в соответствии с возведением новых вентиляционных сооружений, установкой регуляторов в выработках. При завер­ шении перестройки вентиляционной сети (исключение ряда выра­ боток по истечении срока службы, возведение перемычек, шлюзов, регуляторов ит. п.) производится необходимое изменение режима работы главного вентилятора. Полное время регулирования рас­ хода воздуха исчисляется в этом случае несколькими сутками.

В математической форме задача оптимального регулирования

расхода воздуха записывается в виде
Ф - 2 R LQl	min,	(XII.25)

i~l

где Ф — функционал, представляющий собой мощность, расходу­ емую на вентиляцию шахты при следующих ограничениях:

2<?*=о, |

Q i^ o ,	(XII.26)
R t ^ o ,	)

где п — число ветвей; i — номер ветви; R t — аэродинамическое сопротивление i-жветви; Qt — расход воздуха в i-й ветви.

Для упрощения анализа характеристики источников тяги пока не учитываются.

Первое ограничение (XII.26) является требованием соблюде­ ния первого закона сетей. Второе и третье ограничения означают, что величины Qt и R t должны быть положительными.

При неизвестных Qt и R t сформулированная задача является типичной задачей нелинейного программирования, так как мини­ мизируется функция Ф, и ограничения являются нелинейными.

Решение уравнений (XII.25) и (XII.26) определяет естественное распределение воздуха в ветвях вентиляционной сети, так как именно естественное распределение воздуха в сети соответствует минимуму расхода мощности на преодоление аэродинамического сопротивления.

Известно, что при вентиляционных расчетах в ряде ветвей расходы воздуха заданы. Обозначим их Qt.

Указанные факторы с математической точки зрения являются

дополнительными		ограничениями,	которые	необходимо ввести
в систему (XII.25). С учетом этих ограничений
	а д 8	min
	г=*1
при
2 &	= о,
Qi ^	О,			(ХП.27)
Ri ^	О,
Q m -	COnSt,
где т — число ветвей, в которых			нужно	получить требуемые
расходы воздуха.

В функционале Ф фиксированные переменные Qm заменяются

их числовыми значениями Qm =	const, а так как при этом
R m Q m — Const,	(XII.28)

197

то все слагаемые, включающие Qmi исключаются из функционала Следовательно, поставленная задача сводится к решению систе^1*

	п	'
	г=1	min
при		(XI 1.29)
2 0 /	= о,
Qт =	COnst.

Пусть, например, требуется обеспечить в ветви 6 (рис. 105) заданный расход воздуха. Задача решается в следующем порядке"

Ф — (KiQi +		+ R3Ql + R*Qi - г RbQl +
+ R QQ^ + R 7 Q7 + -^808 + R 9QD1			(ХП.ЗО)
где индексы при R и Q соответствуют номерам ветвей на рис. 105*
Так как	по условию QQ = Çe', член R6Q% в		функционале Ф
не учитывается.
Ограничения записываются в виде:
0i + 02 —о»
01 —0з—04= О»
0 2 — Q^ — 05 —0»
04+ Qb —0e = 0»			(XII.31)
09 + Сю — 0e = O>
0 3 + 0 9 —	08 =	0»
07 + 010	011 — 0

Функционал Ф представляет собой сумму мощностей, которые расходуются в каждой ветви, кроме ветви 6 , а ограничения яв­ ляются требованием соблюдения первого закона сетей. Таким образом, если из сети на рис. 105, а убрать ветвь б, то в результате* решения функционала (XII.30) при ограничениях (XII.31) полу­ чим естественное распределение воздуха в новой сети, схема кото­

рой представлена на рис. 105, б.		невязку
Существование в исходной сети ветви 6 вызывает
депрессий в контурах I и / / , которые включают в себя эту ветвь.
Величина этой невязки Д/гв определится из выражения
АК	— Кь »	(XI1.32)

где h — депрессия ветви 6 в исходной сети (см. рис. 105, a); hQb— разность давлений между точками а и Ъ (см. рис. 105, б).

Таким образом, для обеспечения в ветви 6 заданного расхода воздуха QQ в ней можно установить вспомогательный вентилятор с депрессией

Лв=ДЛв	(ХН.ЗЗ)
и расходом
Q»= Qe>
если окажется, что h6	<+hab.

Рис. 105. Схема распределения расхода воздуха в вентиляционной сети при оптимальном регулировании

Если he > hab, то для обеспечения требуемого расхода Çe в ветви 6 необходимо установить дополнительное аэродинамическое сопротивление, величина которого ДЯб определяется по формуле

д д в==^ в . (XII.34)

Задача оптимального регулирования решена.

Аналогичным образом решаются задачи оптимального регули­ рования распределения воздуха в сетях любой сложности.

Более оперативным является регулирование вентиляцией в со­ ответствии с изменением потребности воздуха в отдельных очи­ стных и подготовительных выработках, вызываемым нестационарностыо определяющих факторов. Такими факторами обычно являются процессы газовыделения, существенная нестационарность которых проявляется в течение рабочих смен. В этих слу­ чаях задача регулирования заключается в поддержании необхо­ димого уровня концентрации газа в вентиляционном потоке.

В настоящее время наиболее разработана задача регулирования вентиляцией газовых угольных шахт по концентрации метана в выработках. Ввиду высокой динамики процесса газовыделения на выемочных участках к методам регулирования предъявляются требования высокой оперативности. Основным препятствием опе­ ративного регулирования являются переходные газодинамические процессы — процессы изменения концентрации метана при регу­ лировании.

Регулирование расхода воздуха в сторону его увеличения сопровождается переходным газодинамическим процессом (см.

гл/X IV , § 82), связанным с выносом в горные выработки метана из выработанного пространства. Если по измеряемой на выемоч­ ном участке концентрации сг (рис. 106) определена необходимость ее снижения до уровня с2, то расход воздуха Q± должен быть по­ вышен до уровня Q2 в соответствии с постоянством величины газовыделения на участке:

Если переход от Q1 до Q2 осуществляется резко, как показано на рис. 106, а, то увеличение зоны выработанного пространства, омываемой воздушным потоком, приводит к интенсивному выносу метана, находящегося там в свободном состоянии. При значи­ тельных объемах дополнительно поступающего метана в исходя­ щую струю участка происходит возрастание концентрации метана

Рис. 106. Схемы естественного распределения расхода воздуха в сети

до некоторой величины стЛХ и затем снижение концентрации до величины с2.

Для исключения опасных переходных процессов предложены методы ступенчатого регулирования, линейного или плавного регулирования и др. Сущность метода ступенчатого регулирования расхода воздуха заключается в следующем. Количество воздуха повышается от Qx до Q2 (рис. 106, б) постепенно через несколько промежуточных ступеней, причем величина приращения количе­