авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Научное обоснование разработки средств ликвидации скоплений газа в горных выработках методом пульсирующей вентиляции

-- [ Страница 2 ] --

Разработанные в МГГУ теоретические основы и практические результаты применения РПВ позволили расширить возможности управления процессом газопереноса в условиях ГВиПС и тем самым более эффективно предотвращать формирование скоплений газов или ликвидировать их. Основополагающие труды в области пульсирующей вентиляции принадлежат профессору МГГУ Ушакову К.З. Им были получены основные показатели процесса газопереноса при пульсирующем движении газовоздушной среды (энергия импульса, его амплитуда, длина волны, дальность действия РПВ, ее интенсивность и скорость турбулентности пульсирующего движения, инерционность среды и др.). Разработан механизм взаимодействия воздуха и газовой примеси в случаях его местного скопления. Для реализации РПВ под руководством К.З. Ушакова были разработаны несколько видов установок его генерации - пульсаторов. Последняя из них - пульсатор барабанного типа с механическим приводом - разработана в МГГУ в конце 90-х годов. Все модели генераторов пульсирующего режима вентиляции, включая последнюю, не имели теоретического обоснования и соответственно методических основ по разработке устройств такого назначения, учитывающих как определяющие параметры самого устройства, так и параметры условий выработок, в которых происходит процесс газопереноса. Кроме того, все исследования ограничивались укрупненным теоретическим расчетом для условий только угольных шахт. Однако данный режим вентиляции может быть использован и на других подземных объектах, где возникают задачи обеспечения безопасных условий труда по фактору местных скоплений газа.

Отсутствие развитого математического описания процесса газопереноса при пульсирующей вентиляции, допускающего его применение как для научных изысканий, так и экспериментальных исследований в лабораторных и промышленных условиях, значительно затрудняет практическое внедрение РПВ. Важнейшими требованиями к подобному описанию выдвигаются необходимость учета множества влияющих на газоперенос факторов, возможность последующей разработки математической модели и моделирования процесса ПВ с получением в итоге параметров эффективного воздействия на возможные скопления газов в различных ГВиПС и теоретических основ для создания технических средств для реализации РПВ. Для системного решения проблемы ГБ на основе принятых подходов необходимо достигнутые практические возможности поставить в соответствие с условиями возможных ГВиПС в рамках единой классификации, в конечном итоге дающей рекомендации по практическому использованию всей совокупности полученных результатов.

Выполненный анализ состояния проблемы и намеченные подходы по её реализации позволяют выделить в качестве основных следующие задачи:

  • разработка классификации условий возникновения местных скоплений метана в подготовительных ГВиПС по степени опасности;
  • научное обоснование определяющих факторов и параметров, описывающих процесс газопереноса при ПВ;
  • разработка математической модели процесса газопереноса при ПВ для условий подготовительных ГВиПС угольных шахт, отражающей связь показателей безопасности с параметрами ГВиПС, вентиляционного потока и устройств генерации РПВ;
  • установление закономерностей газопереноса и взаимосвязи между определяющими факторами при ПВ на основе полученной модели;
  • определение рациональных параметров ПВ для различных ГВиПС;
  • определение рациональных технических параметров устройства генерации РПВ;
  • разработка устройств, генерирующих РПВ;
  • разработка рекомендаций по применению ПВ в условиях различных ГВиПС.

Для решения поставленных задач использовались методы теории подобия, математической статистики, математического моделирования, а также опытно-конструкторские проработки, лабораторные, заводские стендовые и натурные испытания.

Как известно, в физике изучение турбулентности - механизма перемешивающих свойств потока, в том числе и при РПВ, до сих пор является проблемным вопросом и областью интенсивных научных поисков, что свидетельствует о научной сложности описания явлений турбулентности.

Идея использования ПВ и развития указанного научного направления встречает в качестве основного общего препятствия, как уже отмечалось, отсутствие исчерпывающего научного и математического описания и явлений турбулентности, и их отдельного проявления при РПВ. Это обстоятельство определяет выбор путей и задач исследования, общая направленность которых – получение приближенного (упрощенного) решения, но обеспечивающего при этом ощутимое повышение эффективности РПВ, а значит и повышение ГБ.

Для оценки необходимости проведения мероприятий по ликвидации ЧС по газовому фактору с учетом анализа статистики причин взрывов, условий и мест загазирования ГВиПС разработана классификация условий возникновения скоплений газа по степени опасности (табл. 1). Представленные данные по негативным проявлениям скоплений газов позволяют систематизировать учитываемые объекты по степени их опасности. Максимально опасными с точки зрения возникновения скоплений газов могут считаться тупиковые выработки, в которых ведутся горные работы, имеются источники газовыделения (техногенного и природного происхождения), имеются непосредственно прилегающие к ним ГВ, оказывающие влияние на условия формирования скоплений газа в тупиковых выработках. Менее опасными могут считаться выработки магистрального типа со сквозным движением воздуха, иногда имеющие аэрологическую связь с источниками газовыделения и аэродинамические условия, при которых динамически активные газы могут формировать скопления.

Наименее опасными в данном аспекте могут считаться выработки – камеры с их специфическими аэрологическими условиями (большое сечение и малые скорости движения воздуха) и источниками газовыделения, допускающими систематическое формирование скоплений газов.

В коллекторах г. Москвы проложено 114,2 км водопровода с горячей водой и 421,1 км с холодной, 338,5 км трасс теплосети, 31 км газопроводов, 21000 км кабелей энергоснабжения и связи. Этот объем источников тепло-, влаго- и газовыделения приводит к инцидентам в виде загазирований, связанных с превышением ПДК. Приведенные данные по распределению негативных проявлений в ГВиПС, а также исследованные с использованием критериев Архимеда и Рейнольдса условия возникновения скоплений газа позволили классифицировать условия возникновения скоплений метана в ГВиПС по степени опасности.

Данная классификация позволяет оценить угрозу возможности возникновения ЧС в виде скопления газа с взрывоопасной концентрацией и своевременно применить соответствующие методы и средства для ее предупреждения.

Таблица 1

Классификация условий возникновения скоплений метана в ГВиПС по степени опасности (на примере метана)

Признаки классификации Класс условий возникновения скоплений газа по степени опасности
1 – относительно опасные (R10-4) 2 – опасные (R=10-410-3) 3 – особо опасные (R10-3)
Тип выработок Камеры Сквозные Тупиковые
Диаметр выработок, м от 5 до 15 от 3 до 5 до 3
Необходимая скорость воздушного потока для разрушения скопления, м/с при 1% СН4 -Vo=3,39,7 при 2% СН4 -Vo=4,513,8 при 1% СН4 -Vo=2,03,2 при 2% СН4 -Vo=2,84,6 при 1% СН4 -Vo=0,21,9 при 2% СН4 -Vo=0,22,7
Число Рейнольдса для разрушения скопления, млн.
ед.
при 1% СН4 - Re=1,19,8 при 2% СН4 - Re=1,613,8 при 1% СН4 - Re=0,51 при 2% СН4 - Re=0,71,5 при 1% СН4 - Re0,4 при 2% СН4 - Re0,6

Далее необходима теоретическая основа, позволяющая выявить и оценить физические силы, определяющие процесс формирования и разрушения скоплений в воздушном потоке при пульсирующем движении. Для решения задачи разработки теоретических основ описания процесса газопереноса при РПВ использованы следующие уравнения в виде системы:

  • уравнения движения для несжимаемой вязкой жидкости в декартовых координатах как для ламинарного, так и для турбулентного режима движения в проекциях по осям;
  • уравнение неразрывности (сплошности);
  • уравнение теплопроводности.

В данной системе присутствуют такие компоненты: - составляющие скорости движения элементарного объема воздушной смеси, м/с; - высота положения элемента воздушной смеси, м; - давление на верхней грани элемента воздушной смеси, Па; - коэффициент кинематической вязкости воздушной смеси, Пас; t - время, с; Т – температура среды, К; - коэффициент теплопроводности среды, Вт/м.К; Ср – удельная темлоемкость среды при постоянном давлении, Дж/кгК; x, y, z – бесконечно малые ребра элементарного объема (параллелепипеда), выделенного в движущейся по ГВиПС воздушной смеси, – коэффициент температуропроводности, м2/с; - оператор Лапласа.

Как мы видим, данная система уравнений включает большое количество неизвестных и требует решения целого ряда независимых уравнений, содержащих эти переменные. Для удобства описания турбулентного движения воздуха уравнение Навье-Стокса представляют в форме уравнения Рейнольдса, где каждая переменная выражена в виде . При этом – среднее значение переменной по времени, а – пульсационное значение переменной. Однако решение системы уравнений в форме уравнения Рейнольдса также является сложно выполнимой задачей. Таким образом, необходим поиск других подходов в описании турбулентного движения воздуха.

Эффект существенного увеличения турбулентности при РПВ возникает вследствие сдвига скоростей частиц воздуха и газа, имеющих различную плотность, при распространении импульса давления в основном воздушном потоке. Максимальный сдвиг l, по расчетам, в метановоздушной среде составляет около 3,2 см (при концентрации метана 1,8%), который находится из выражения lК/2=ji0(К/), где j – коэффициент, учитывающий форму и плотность частиц воздуха и метана; i0 – амплитуда пульсирующего движения; К=2/=1. При этом время движения частиц t, при котором достигается максимальное отклонение, составляет t=K/2.

Как установлено ранее другими исследованиями, технологичным представляется формировать импульсы давления при оптимальной частоте 68 Гц путем достижения разности давления в пульсаторе и основном потоке воздуха в ГВиПС около 1500 Па посредством вентилятора местного проветривания, который широко применяется на горных предприятиях.

Введем условия однозначности, которые позволят определить и ограничить математическое описание всех частных особенностей рассматриваемого явления ПВ и включить геометрические условия, характеризующие форму и размеры системы «горная выработка – газовоздушный поток – генератор РПВ», в которой протекает процесс; физические условия, характеризующие физические свойства среды; временные и начальные условия, характеризующие особенности процесса в начальный момент времени (для стационарных задач они отсутствуют), граничные условия, характеризующие особенности протекания процесса на границах системы. Также к условиям однозначности относятся число Ричардсона; молекулярная масса каждого учитываемого компонента воздушной смеси и ее плотность, удельная теплоемкость, коэффициент динамической вязкости, коэффициент теплопроводности; ускорение свободного падения g, м/с2.

При движении газовоздушной смеси в ГВиПС к геометрическим условиям относятся: диаметр выработки dminddmax и фактическая длина выработки LminLLmax.

В современных условиях описание процесса газопереноса при РПВ возможно на основе статистических методов, позволяющих получить эмпирические зависимости между силами, обусловливающими формирование местных скоплений газа, на базе ранее полученных экспериментальных результатов. Такой подход позволяет при установлении граничных условий учесть реальные параметры физического процесса газопереноса пульсирующего движения газовоздушной смеси для разработки математической модели. Задачей разрабатываемого математического описания исследуемого процесса является возможность применения его для практических целей, т.е. для натурных и лабораторных изысканий, а также прямого сопоставления полученных результатов с теоретическими исследованиями газопереноса при РПВ и общей оценки самого процесса.

Для целей и условий настоящей работы подходит использование классического инструментария теории подобия, опирающегося на применение критериальных чисел. Критериальные числа, как известно, позволяют характеризовать и оценивать значимость и степень влияния на газоперенос отдельных составляющих этого сложного процесса.

Идея предлагаемого подхода заключается в установлении зависимостей между критериальными числами в форме уравнений регрессий путем статистической обработки ранее полученных экспериментальных данных, характеризующих РПВ. Получение таких зависимостей позволит заменить ими известную сложную систему уравнений, отражающую в общем виде взаимосвязь между всеми основными параметрами процесса газопереноса, но являющуюся крайне трудной для ее практического применения. Полученные на основе такого подхода уравнения регрессии являются приближенным описанием существующих в природе сложных взаимосвязей между параметрами. Такие уравнения являются достаточно простыми для рассмотрения и выполнения на их базе исследований путем математического моделирования интересующих соотношений. Окончательное суждение о достаточной обоснованности и точности такого подхода может дать только экспериментальная проверка при практическом применении полученных технических средств обеспечения ПВ в реальных условиях.

Физические явления подобны, если соблюдается требование: в двух системах с геометрически подобными границами должны быть геометрически подобны течения в соответствующие моменты времени. Поэтому все индивидуальные силы, действующие на соответствующие элементы жидкой среды, должны также быть подобны. Условия динамического подобия двух течений газовоздушной смеси в ГВиПС можно получить, применив и записав уравнения Навье-Стокса в безразмерной форме. В качестве характерных величин примем характерный геометрический размер выработки L, м и среднюю скорость газовоздушного потока , м/с. Система безразмерных величин определена следующим образом:

; ; ; ;

(1)

; ; ; ; .

После подстановки выражений (1) в уравнение системы уравнение Навье – Стокса для оси Оx примет вид

(2)

Аналогичный вид имеют проекции уравнения движения на другие оси координат. В выражении (2) параметрами, в состав которых входят величины, определяющие геометрию и физические свойства исследуемой системы, являются числа подобия.

Определяющим фактором принимается число гомохронности , характеризующее установившийся характер течения газовоздушной смеси.

С использованием обозначения чисел подобия уравнение (2) можно представить в следующем виде:

(3)

где указанные критериальные числа выполняют роль независимых переменных.

Исходя из этого уравнение (3) может быть представлено в виде:

(4)

или с учетом зависимостей для определения чисел Галилея и Архимеда:

. (5)

Аэродинамический режим движения газовоздушной смеси, как установлено выше, в общем случае характеризуется тремя основными числами подобия – Рейнольдса, Эйлера и Архимеда, в состав которых входят величины, определяющие физические свойства исследуемой среды и характерные геометрические размеры.

С использованием статистических методов обработки экспериментальных данных получено уравнение связи критериальных чисел при РПВ, которое имеет следующий вид:

. (6)

Полученные уравнения дают возможность теоретически описывать и характеризовать параметры процесса газопереноса при ПВ для условий газообильных ГВ, лабораторных стендов и при решении задач других исследований, что позволяет условно считать и именовать их уравнениями процесса газопереноса.

Полученное описание газопереноса при ПВ в новом виде позволяет теоретически исследовать взаимосвязь между силами формирования и разрушения скоплений газа в газовоздушной среде ГВиПС. Уравнение (6) может быть использовано для разработки методического обеспечения, где появляются измеряемые на производстве параметры исследуемой системы. Возникает возможность решения задачи получения параметрального описания процесса газопереноса при ПВ.

Учитывая параметры, входящие в уравнения (4) и (5), для получения критериальных чисел мы можем перейти к уравнению подобия (7) для процесса газопереноса при пульсирующей вентиляции. Данное уравнение подобия имеет вид

, (7)

Полученные параметры (см. табл. 2) являются измеряемыми на практике. Поскольку на практике важнейшим является время ликвидации ЧС, принимаем в качестве основной оценки эффективности процесса разрушения местного скопления газа промежуток времени tр, в течение которого с момента воздействия ПВ процесс газопереноса приведет к ликвидации ЧС. Выражение (8) принимает вид:

, (8)

где tр - принимаем как интервал времени газопереноса при РПВ, который приводит к разрушению местного скопления метана в конкретных условиях.

Статистическая обработка экспериментальных данных дала возможность получить математическую модель системы «горная выработка – газовоздушный поток – генератор РПВ» в форме следующего уравнения:

, (9)



Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 








 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.