автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Исследование аэродинамических процессов в местных сопротивлениях и их влияния на воздухораспределение в вентиляционных сетях с большим эквиванентньм отверстием

РГ6 0. - 5 ИЮН

На правах рукописи

Веденеева Людмила Михайловна

Исследование аэродинамических процессов в местных сопротивлениях и их влияния на воздухораспределение в вентиляционных сетях с большим эквивалентным отверстием

Специальность 05.15.11 - Физические процессы горного

производства

Автореферат диссертации на соискание ученей степени кандидата технических наук

Пермь, 1995

Работа выполнена в Пермском государственном техническом университете.

Научный-руководитель - доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Полянина Генриетта Даниловна

вета К 063.66.05 при Пермском государственном техническом университете по адресу: 614600, г.Пермь, ГСП-45, Комсомольский проспект, 29а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного технического университета.

Автореферат разослан

Красноштейн Аркадий Евгеньевич

кандидат технических наук Фоминых Вячеслав Иванович

Ведущее предприятие - АО "Галургия" г.Пер;,я.

Защита диссертации состоится в_час._мин. на засе;

мин. на заседании специализированного Со-

Ученый секретарь специализированного Совета к.ч.-м.н., доцент В.П. Наборщиков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Калийные рудники являются потребителями огромного количества воздуха, подача которого уже в настоящее время вызывает значительные трудности. Наличие большого числа участков с сотнями отработанных камер, их взаимосвязь посредством общих вентиляционных выработок, трудности изоляции выработанных пространств делают вентиляционную сеть рудников сложной и трудноуправляемой.

В таких условиях правильная организация вентиляционных потоков, обеспечение всех рабочих зон достаточным количеством воздуха требуют умения использовать всю специфику протекания аэродинамических процессов в калийных рудниках.

Увеличение разветвленности вентиляционной сети ведет к быстрому росту числа местных аэродинамических сопротивлений в системах коротких и широких горных выработок, значения аэродинамических сопротивлений трения которых очень малы. Поэтому влияние местных сопротивлений на воздухораспределение становится определяющим и долгою быть учтено как в расчете, так и при организации проветривания.

Однако в настоящее время подобный учет практически не производится в силу слабой изученности характерных особенностей местных сопротивлений калийных рудников.

Поэтому исследование физических процессов в местных аэродинамических сопротивлениях и юс влияние на распределение воздушных потоков в вентиляционных сетях с большим эквивалентным отверстием является актуальным.

Дель работы - разработка методов расчета местных аэродинамических сопротивлений и их влияния на характер распределения воздушных потоков, способов и средств управления воздухораспре-делением с помощью специальной организации системы местных сопротивлений.

Идея работы заключается в том, чтобы на основе изучения характерных особенностей местных сопротивлений вентиляционных сетей калийных рудников, разработать методы их расчета, учета и управления с их помощью воздухсраспределением.

Задачи исследований:

-проанализировать и обобщить выполненные ранее исследования по изучаемой проблеме;

- г -

-разработать типологию местных сопротивлений, характерных для вентиляционных сетей калийных рудников;

-изучить закономерности аэродинамических процессов и определить величины потерь депрессии в местных сопротивлениях, характерных для калийных рудников;

-разработать способы и средства регулирования воздухорасп-ределения на добычном участке с помощью местных сопротивлений;

-разработать методику расчета и организации проветривания добычных участков с помощь» направляющих выработок и перемычек;

-осуществить корректировку существующих методов расчета вентиляционных сетей с учетом роли местных сопротивлений.

Ыетоды исследований базируются на анализе и обобщении данных литературы; на аналитических и экспериментальных исследова-ниах в лабораторных и шахтных условиях; на обработке результатов экспериментальных исследований методами математической статистики.

Научные положения, защидаемые в работе: -ипологическая классификация местных сопротивлений вентиляционных сетей-калийных рудников;

-ыетоды расчета коэффициентов местных сопротивлений, характерных для вентиляционных сетей калийных рудников;

-методика оценки падения депрессии в местных сопротивлениях;

-метод расчета воздухораспределения в вентиляционных сетях с учетом местных сопротивлений;

-способ управления величиной местных сопротивлений в узлах вентиляционной сети.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: соответствием подученных результатов и установленных закономерностей с данными, полученными другими авторами или методами; сопоставимостью результатов аналитического решения, численных (компьютерных), физических (лабораторных) и натурных (шахтных) экспериментов. Научная новизна:

-разработана типологическая классификация местных сопротивлений вентиляционных сетей калийных рудников, которая позволяет единообразно и системно учесть все их .возможные и практически важные типы;

-предложены методы расчета коэффициентов местных сопропш-

ленки, возникающих в одиночной выработке и в узлах вентиляционных сетей, учитывающие специфику и характерные особенности местных сопротивлений вентиляционных сетей калийных рудников;

-разработана графоаналитическая методика дифференциальной оценки потерь депрессии в местных сопротивлениях, позволяющая по разрыву кусочно-линейкой функции изменения давления в потоке установить величину потерь энергии собственно на местном сопротивлении;

-модифицирован метод последовательной поконтурной увязки расходов, разработан алгоритм и осуществлена программная реализация расчета потокораспределения в вентиляционных сетях с учетом местных сопротивлений;

-разработан метод управления воздухораспределением с по-' мощью специальных средств, меняющих величину местных сопротивлений, доказана возможность применения этого метода при органи-' вации управления рециркуляционным проветриванием в пределах рабочих SOH.

Практическая, ценность заключается в следующем: -определены конкретные значения величин коэффициентов местных аэродинамических сопротивлений для большинства случаев, встречающихся в вентиляционных сетях калийных рудников;

-модифицирована методика расчета вентиляционных- сетей с учетом наличия в них местных сопротивлений, реализованная в проблемно ориентированном комплексе программ "Прогноз"^,

-разработана способы оптимального управления потокораспре-делением выработок рабочих зон с помощью специальных средств, меняющих величину местных сопротивлений и направляющих выработок.

Реализация работы. Способ регулирования потоков путем целенаправленного изменения местных сопротивлений реализован в развязке главных восточных вентиляционных штреков рудника СКРУ -3 и для проветривания 6-й панели этого же рудника.

Подученные значения местных сопротивлений и методы их определения используются при практических расчетах вентиляционных сетей калийных рудников.

Способы управления потокораспредеяением в вентиляционных сетях включены в основные нормативные документы, регламентирующие организацию управления проветриванием калийных рудников, утвержденные Госгортехнадвором России.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Физико-технические проблемы Управления воздухообменом в горных выработках больших объемов" (Кохтла - Ярве, 1983), на Шестом Всесоюзном Совещании "Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах" (Новосибирск, 1984), на Шестой Всесоюзной конференции по проблемам охраны труда (Рубежное, 1986), на Всесоюзной научно-практической конференции по проблемам охраны в условиях ускорения научно-технического прогресса (Москва, 1988), на отраслевых и республиканских совещаниях; конференциях, семинарах: "Повышение безопасности работ и совершенствование проветривания на горнодобывающих предприятиях Казахстана" (Караганда, 1982), "Пути дальнейшей интенсификации и повышения эффективности производства калийных удобрений" (Пермь, 1985), "Проблемы безопасной разработки калийных месторождений" (Солигорск, 1988), "Улучшение условий труда на горных предприятиях и аадата окружающей среды" (Свердловск, 1982), на научно-практическом семинаре "Молодежь Прикамья - разработке и внедрению достижений науки и техники в производство" (Пермь, 1985), на ежегодных конференциях Пермского политехнического института (ныне технического университета).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, получено одно авторское свидетельство.

Ряд работ написаны в- соавторстве. Основными соавторами диссертанта являются его научные консультанты: доктор технических наук, профессор Г.З. Файнбург и доктор технических наук H.H. Мохирев.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав и заключения, изложенных на 156 страницах машинописного текста, и содержит 64 рисунка, 27 таблиц, список использованных источников из 159-ти наименований и 1-го приложения. Общий объем диссертации 215 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние изученности вопроса и задачи исследования.

Работами М.М. Андрияшева, А.Д. Багриновского, A.A. Волкова, А.Г. Евдокимова, Н.В. Карнауха, М.А. Патрушева, В.Я. Потемкина, Е.И. Рогова, Г.К. Рязанцева, В.Ф. Слепых, Р.Б. Тяна, К.З.

Ушакова, С. Цоя, в рудничной аэрологии сложилась законченная теория расчета воздухораспределения в вентиляционных сетях с малым эквивалентным отверстием, характерных для угольных шахт и состоящих из штрекообразующих выработок, в которых сопротивления трения много больше местных сопротивлений.

Совершенно другая картина складывается в калийных рудниках Большие площади поперечных сечений выработок (20-100 кв.м.), их малая длина (200 м) и значительная разветвленность приводят к уменьшению аэродинамического сопротивления и увеличению эквивалентного отверстия. Для рудника СКРУ-1 оно составляет 5,5 кв.м, БКРУ-4 - 8,6 кв.м. В этих условиях депрессия выработок рудника составляет всего 5-15 даЛа и соизмерима с депрессией местных аэродинамических сопротивлений деления/слияния основных вентиляционных потоков. Еще большая.роль местных сопротивлений проявляется в панелях, блоках, рабочих зонах, где падение депрессии составляет доли даПа. Особенно жесткими требования к учету влияния местных сопротивлений становятся при расчете газовой, тепловой и пылевой обстановки добычных участков, при реверсировании струи и при наличии в сети источников естественной тяги.

Исследованию местных сопротивлений шахтных и рудничных вентиляционных сетей посвящены работы A.A. Харева, В.Б. Комарова, К.З. Ушакова, В.В. Кашебадзе, А.И. Ксенофонтовой, С.П. Поповича, Г.К. Дымчука, Н.С. Фролова, А.П. Подтока, В.И. Волкова, П. Д. Паршина и др. Классические исследования местных сопротивлений гидравлических и аэродинамических систем принадлежат И.Е. Идельчику, А.Д. Альтшулю, С.Р. Левину, В.Н. Талиеву, П.Н. Каменеву, В.И. Ханжонкову, Г.Н. Абрамовичу, Л.И. Неймарку, Л.Б. Успенской, В.Н. Кареву, В.К. Мигаю, О.Д. Нейкову и др.

Проведенный нами анализ существующих методов расчета потерь в местных сопротивлениях и коэффициентов местных сопротивлений показал, что большинство предлагаемых полуэмпирических формул действительны лишь для строго определенных условий, содержат значительное количество поправочных коэффициентов, определяемых только экспериментальным путем, что затрудняет их использование для местных сопротивлений калийных рудников, которые исключительно разнообразны по своей геометрии и отличаются повышенной сложностью.

В работах И.И. Медведева, А.Е. Красноштейна, Г.З. Файнбур-га, H.H. Мохирева показано, что возможности совершенствования

проветривания калийных рудников во многом связаны с целенаправленным использованием рециркуляции при вовлечении в рециркуляционное кольцо большего количества отработанных камер, содержащих значительные оъемы способного к разбавлению вредностей воздуха. Поэтому разработка метода и средств управления газовоздушными потоками с помощью изменения значений местных сопротивлений предсталяет значительный интерес.

Таким образом, основной целью настоящей работы является разработка методов расчета местных аэродинамических сопротивлений и их влияния на характер распределения воздушных потоков, способов и средств управления воздухораспределением с помощью специальной организации системы местных сопротивлений.

Достижение этой цели предполагает решение следующих задач:

- разработать типологию местных сопротивлений, характерных для вентиляционных сетей калийных рудников;

- изучить закономерности аэродинамических процессов и определить величины потерь депрессии в местных сопротивлениях, характерных для калийных рудников;

- на основе изменения значений местных сопротивлений разработать способы и средства регулирования воздухораспределения на добычном участке;

- разработать методику организации проветривания добычных участков с помощью направляющих перемычек и выработок;

- осуществить корректировку существующих методов расчета вентиляционных сетей с учетом роли местных сопротивлений.

. Местные аэродинамические сопротивления в сети горных выработок. Нами было обследовано более ста характерных местных сопротивлений горных выработок Верхнекамских калийных рудников и на основании систематизации полученных материалов предложена классификация местных сопротивлений, делящая их на три класса:

1. Местные сопротивления, возникающие при обтекании вентиляционных устройств, добычного и транспортного оборудования и связанные, в основном, с лобовым сопротивлением.

2. Местные сопротивления, возникающие в одиночной горной выработке и связанные с локальным изменением геометрии горной выработки (расширения, сужения, повороты, ниши, "кутки", волнистость, сдвиги).

3. Местные сопротивления, возникающие при слиянии и делении нескольких потоков, в том числе, сопряжения образованные

тремя выработками (тройники) и сопряжения четырех и более выработок (пересечения).

Наименее изученными в одиночных выработках являются асимметричные внезапные и плановые расширения и сужения штоков, "сдвиги", ниши, повороты потоков с одновременным расширением или сужением сечения, повороты, осложненные "кутками". Нами, на основе известных аналитических выражений Е.й. Идельчика и А.А.Харева для классических вариантов расширений, сужений и поворотов потоков, были эпирически определены зависимости для расчета местных сопротивлений одиночного потока, характерных для вентиляционных сетей калийных рудников.

Экспериментальными исследованиями установлено, что при ширине уступа В<3, потери депрессии для симметричных и асимметричных сужений и расширений равны. При ширине уступа В>=3 потери давления в асимметричных сужениях и расширениях растут быстрее, чем в симметричных. Поэтому расчетные формулы коэффициентов местных сопротивлений асимметричных сужений и расширений должны быть скорректированы, что и было выполнено. Для асимметричного сужения поправочный коэффициент К принят равным 0,55; для асимметричного расширения - К= е /16£'1), где и Бг соответственно площади узкого и широкого сечений выработки.

Местное сопротивление типа "сдвиг" возникает при проходке выработки встречным ходом комбайнов, когда из-за неточной сбойки оси ходов оказываются смещены относительно друг друга. Наиболее часто такие местные сопротивления встречаются на вентиляционных штреках блоков и панелей. Для расчета коэффициента местного сопротивления "сдвига" получено выражение:

«.сдв. (ш) = (1-0,707 / 1-30/31- Бо/Бг)2 (1+сс/0,00115) где Эо,31,32 - площади сечения в месте, до и после сдвига.

Местное сопротивление ниши определяется полнотой удара и зависит от параметров ниши - глубины Н и ширины В. Для расчета коэффициента местного сопротивления ниши г,н получено выражение:

г,н= С (1 -Б/^0,85В Нн tg 5/2)2 + Т( 1-3/5+0,85В Нн ^ 5/2 тв где х - коэффициент смягчения входа в выработку (как правило равный 0,5); 5 - площадь сечения выработки, содержащей нишу; б - угол раскрытия струи, равной <3=14 градусов; 0,85 - коэффициент, учитывающий раскрытие струи вдоль ниши; г,в ~ коэффициент, учитывающий потери на вторичные циркуляционные потоки. На основании экспериментальных данных коэффициент г,в определяется

как:^в = С + 1/ ех+1, где х=Н/В, С - константа, зависящая от соотношения площадей сечения ниш и выработки.

Наиболее распространенным являются местные сопротивления, возникающие при слиянии и делении трех и четырех потоков.

Обследование вентиляционных сетей калийных рудников показало, что наиболее часто встречаются тройниковые сопряжения, образованные пересечением уклонов с пластовыми транспортными и конвейерными выработками, а также тройники, возникающие в местах сопряжений очистных камер и разрезных выработок с вентиляционными и выемочными штреками под углом 90 градусов (Т-образные тройники).

Зависимость величины местного сопротивления от геометрических и аэродинамических параметров тройника в общем случае может быть записано в виде:

^^«^/Бг.СЬЛ}!} 1=1,2,3-, з=2,3 где «з - угол между осью выработки с результирующим потоком и осями выработок боковых сливающихся (разделившихся) потоков; Sj.Si.Qj,41 - площади сечения выработок и расходы воздуха сливающихся (разделившихся) и результирующем потоках соответственно. К особому типу тройников относятся те случаи, когда сопряжение осложняется значительным расширением или сужением потока. Всего существует N=(2" - 2)-т отличных друг от друга вариантов местных сопротивлений типа тройник или пересечение, где п - количество сопрягаюшдася или пересекающихся выработок, ш - количество вариантов сопряжений или пересечений.

Наиболее сложный случай встречается к очистных камерах. Поток воздуха, проходящий через камеру, дважды испытывает дополнительные потери на "удар", испытывает потери на поворот струи после деления и ее расширение при входе, потери на сужение струи, поворот и смешение потоков при выходе. Эти потери нельзя определить путем алгебраического суммирования отдельных потерь на "удар", поворот и деление или смешение. В отличие от уже известных классических вариантов, механизм этих потерь требует дополнительного изучения. На основании анализа наш были выбраны соответствующе расчетные формулы и произведена их адаптация для местных сопротивлений калийных рудников.

Так коэффициент местного сопротивления камеры при сопряжении ее с вентиляционным штреком площадью сечения разрезной выработки, пройденной по оси камеры будет определяться выраже-

нием:

g.6-c=üp6/pVc2/2=A[H-(Q6Sc/QcS6)2-2(l-Q6/Qc)23+0,5(l-So/S6)3/4 где А - поправочный коэффициент; So - площадь сечения горловины камеры в месте сопряжения с вентиляционным штреком; Об.S6»Qc.Sc - соответственно расход воздуха и площадь сечения боковой ветви (камеры) и сборной (вентиляционного штрека).

Еще более сложные аэродинамические процессы происходят в узлах образованных четырьмя, пятью и более выработкам. Характерными примерами таких узлов являются сопряжения добычных камер соседних панелей с общим для них панельным вентиляционным штреком, сопряжения вспомогательных вентиляционных штреков с панельным вентиляционным штреком и дрс Для расчета сопротивления осложненных узлов, отличающихся от классических вариантов пересечений (крестовин), целесообразно представить их состоящими из более простых местных сопротивлений: тройников, тройников и простых или двойных поворотов и т.д. В работе приводится расчетная схема и последовательность получения расчетных формул коэффициентов местного сопротивления для сложного узла сопряжения вспомогательного вентиляционного штрека с панельным вентиляционным штреком, который представлен в виде суммы двух тройникових сопряжений. В результате необходимых преобразований получены формулы для расчета коэффициентов местных сопротивлений ветвей, входящих в сложный узел сопряжения.

Физическое моделирование местных сопротивлений производилось с соблюдением необходимых требований теории подобия. Наблюдения проводились в автомодельной области течения. Основным критерием при моделировании местных сопротивлений был выбран критерий Эйлера. Правильность выведенного условия подобия проверялась путем сравнения результатов лабораторных и шахтных измерений для нескольких типов тройниковых сопряжений. Для определения падения давления только в местных сопротивлениях была разработа оригинальная методика, по которой потеря депрессии определяется графоаналитическим методом по величине разрыва линейной зависимости потери депрессии в точке местного сопротивления .

Экспериментальные исследования проводились на установке, выполненной из стеклянных труб диаметром 100 и 150мм и сменных секций местных сопротивлений, выполненных из оргстекла.

На экспериментальной установке исследовались местные con-

ротивления одиночного потока: ниша и внезапное асимметричное (односторонее) расширение и местные сопротивления, возникающие в узлах вентиляционных сетей: тройниковые сопряжения камер с вентиляционным штреком при различных вариантах расположения раздвижной выработки относительно оси камеры, тройниковые сопряжения добычных камер с вентиляционным штреком при различных площадях сечения в месте сопряжения и рааличных вариантах расположения вентиляционного штрека относительно добычной камеры по высоте (сопряжения по почве или по кровле), тройниковое сопряжение в зависимости от угла примыкания выработок (а=45,90,135 град.) и сложные узлы сопряжения выработок, состоящие из двух тройников, тройника и поворота, тройника и двойного поворота.

Исследована зависимость коэффициента местного сопротивления ниши в стенке выработки от ее параметров: глубины и ширины. Максимальные потери давления в выработке с нишей имеют место при относительно небольшой глубине ниш, равной (0,125...0,25) Нд/Вн, где Нн - глубина ниши, Вн - гидравлический диаметр или ширина ниши. С увеличением отношения Sh/Sb, где SH - площадь сечения ниши, SB - площадь сечения выработки, максимум потерь смещается в сторону больших отношений Н/В, при их росте в целом во всем диапазоне отношений Н/В.

Получена зависимость коэффициента местного сопротивления одностороннего (асимметричного) внезапного расширения от соотношения узкого Si и широкого S2 сечений. При соотношении сечений Si/S2<=0,5 коэффициент местного сопротивления одностороннего .(асимметричного) и двухстороннего (симметричного) внезапного расширения равны. При значениях Si/S2>0,5 коэффициент местного сопротивления асимметричного расширения больше, чем симметричного. На основании экспериментальных данных определены поправочные коэффициенты для расчетных формул коэффициентов местных сопротивлений ниши и асимметричного расширения.

Результаты лабораторных исследований показывают (рис.2), что наименьшие потери давления в тройяиковых сопряжениях добычных камер с вентиляционным штреком отличаются при сопряжениях полным сечением камеры. Но при этом увеличиваются потери давления в вентиляционном штреке. Если сопряжение выполнено только с сечением разрезной выработки камеры, то оптимальным вариантом сопряжения с минимальными потерями давления как для добычной

камеры, так и для вентиляционного штрека, является сопряжение с центральным камерным ходом.

С учетом экспериментальных данных получены коэффициенты местных сопротивлений для реальных тройниковых сопряжений вентиляционного штрека с добычными камерами с типоразмерами, характерными для пластов Красный-2 и АБ Верхнекамских рудников.

Исследования потерь давления в тройниковых сопряжениях добычных камер с вентиляционным штреком показывают, что уменьшение площади сечения в месте сопряжения в два раза приводит к увеличению коэффициента местного сопротивления до трех раз. Такая сильная зависимость отмечается в области сопряжений малыми сечениями, т.е. при размерах горловины камеры в один камерный ход.

В сложных узлах сопряжения наибольшее влияние на величину коэффициента местного сопротивления оказывает взаимное влияние отдельных местных сопротивлений, входящих в узел. С увеличением относительного расстояния 1/Б>4, где Б - гидравлический диаметр выработки, коэффициент местного сопротивления ветЕИ сложного узла приближается к величине коэффициента отдельно взятого местного сопротивления.

Исследовано влияние направляющей перемычки на структуру и распределение потоков и показано, что эффективность регулирования воздушных потоков зависит от комплекса параметров, но, в основном, от угла установки перемычки относительно оси основного канала и относительной длины 1=Ь/0, где Ь - длина направляющей перемычки, Б - диаметр канала, и скорости проходящего потока в прямом канале. Наилучшей эжектирующей способностью обладает перемычка длиной 1 = 0,8 и углом установки а = 60 град.

Натурные исследования местных сопротивлений в шахтных условиях проводились и как самостоятельные наблюдения и для проверки теоретических положений и результатов лабораторных исследований. Основное внимание было уделено местным сопротивлениям, возникающим при слиянии и делении воздушных потоков.

Методика натурных наблюдений заключалась в следующем. Для определения величины местного сопротивления измеряли величину потери депрессии с помощью микроманометра ЦАГИ и воздухомерных трубок, располагаемых с обеих сторон местного сопротивления. При этом измерения статического давления производили в нескольких сечениях выработга, стоящих друг от друга на расстоянии 10

м. Величина разрыва между экстраполированными прямыми, построенными по результатам измерений в ряде сечений до и после местного сопротивления, определяла величину потерь в нем.

Анализ полученных данных показывает, что величина потерь давления на линейных участках (потери на трение) значительно меньше потерь давления в местном сопротивлении. Так в тройнико-вом сопряжении выработок при слиянии потоков потери давления на местном сопротивлении в боковой ветви составляют 7,29 Па, а потери давления на участке длиной 100 м этой ветви, составляют лишь 0,218 Па, что в 33,4 раза меньше, чем местные потери. Таким образом, реально подтверждается необходимость учета местных сопротивлений, возникающих в каждой выработке и на их сопряжении. Определено, что местные сопротивления сопряжений выработок при буровзрывном способе проходки больше по величине, чем аналогичных сопряжений, пройденных комбайнами.

В ходе натурных исследований определялась правильность выбранного критерия лабораторного моделирования. Сравнение велось следующим образом. Коэффициент местного сопротивления в натурных условиях £.н определяется выражением ' Тм <*нРнЬн Бщ £,Н = ---,

Тн СмРмЬм £>н

где £,м - коэффициент местного сопротивления в модели; г -удельный вес воздуха; а - коэффициент сопротивления трения; Р,Ь,Б - периметр, длина и площадь сечения в модели (индекс "м") и в натуре (индекс "н") соответственно.

Для проверки правильности выбранных критериев моделирования были проведены исследования в разнообразных натурных условиях и на трех лабораторных моделях, выполненных в масштабе 1:20 в полном геометрическом подобии всех элементов- тройниковых сопряжений. Результаты лабораторных и натурных измерений величин коэффициентов местных сопротивлений имеют хорошее совпадение, что подтверждает правильность выбранных нами критериев моделирования (рис.1).

Использование местных сопротивлений для перераспределения воздуха. Для расчета воздушных потоков в вентиляционной сети добычного участка калийного рудника использовали предложенный Г.З.Файнбургом обобщенный метод последовательных приближений, скорректированный нами с учетом наличия местных сопротивлений.

Рис.1. Коэффициенты местного аэродинамического сопротивления бокового ответвления (а) и прямого прохода (б) тройникового соединения

Рис.2. Динамика газовой обстановки после взрыва в рабочей камере (а) и на выемочном штреке (б) до (о) и после (*) установки направляющих перемычек.

Суммарное аэродинамическое сопротивление выработки определяется как сумма сопротивления трения независящего от расхода воздуха, и местного сопротивления йп, зависящего от соотношения расходов воздуха в боковой ветви, прямом проходе и сборной выработке. Поэтому в основной алгоритм увязки расходов по известным сопротивлениям внесен дополнительный итерационный подцикл, позволяющий вычислять по известным расходам новые значения местных сопротивлений. Итерационный процесс строится так, чтобы за минимальное число шагов невязку депрессии в контуре сделать меньшей или равной заранее заданной малой погрешности.

Расчет воздухораспределения осуществляли с помощью комплекса программ "Прогноз", дополненным необходимыми модулями идентификации типа местного сопротивления и его расчета. Результаты расчетов совпадают с результатами шахтных экспериментов , что свидетельствует о правильности предполагаемых методов расчета местных сопротивлений и воздухораспределения.

Исследование механизма движения воздушных потоков и их структуры в узле с направляющей перемычкой вели на труднопро-ветриваемом добычном участке N 5 рудника БКРУ-1. Направляющие перемычки были выполнены из конвейерной ленты и закреплены анкерами к кровле вентиляционного штрека в узлах его сопряжения с отработанными добычными камерами, что обеспечивало устойчивость перемычки при взрывных работах- За счет срыва струй с края перемычки и эффекта возникающей эжекции, установленная в узле сопряжения направляющая' перемычка может полностью изменить структуру потоков, (слияние струй вместо деления) и изменить аэродинамическое местное сопротивление данного тройника.

Величина местного сопротивления узла с установленной в нем направляющей перемычкой зависит от геометрическими параметрами выработок, образующими данный узел, скорости проходящего основного потока, угла установки^перемычки относительно оси потока и ее относительной , длины. С увеличением угла установки и длины перемычки растет и количество эжектируемого воздуха, что позволяет регулировать соотношение потоков воздуха отдельных ветвей.

При последовательном расположении по потоку нескольких перемычек угод установки каждой последующей перемычки должен быть не меньше угла установки предыдущей при их равной относительной длине. При обратном последующая перемычка теряет свою эжекцион-ную способность, т.к. срыва струи с ее края не происходит.

Для оценки эффективности проветривания добычного участка с помощью направляющих перемычек было проведено 15 газо-воздушных съемок при различных вариантах установки вентиляторов местного проветривания, отобрано свыше 650 проб на окись углерода и окислы азота. Установка направляющи перемычек в значительной степени повлияла на характер воздухораспределения на участке, что существенно улучшило газовую обстановку. Особенно это заметно на уровнях концентрации окислов азота,, т.к. они быстрее нейтрализуются вмещающимися породами (рис.2).

Управление проветриванием с помощью изменения значений местных сопротивлений возможно не только"при использовании направляющих перемычек, но и направляющих выработок.

Исследование механизма движения воздушных потеков в трой-никовом сопряжении с плавным ответвлением боковой выработки проводилось на 4-м горнодобывающем участке рудника БКРУ-1. При увеличении скорости проходящего по вентиляционному штреку потока происходит эжекция воздуха с выемочного штрека на вентиляционный через направляющую выработку. При отношении скорости яро-ходящего потока Уп к его максимальной скорости Чп тах Уп/Чп гсач < 0,55 эжекционный эффект теряется.

Значительный эффект - обеспечение целой панели свежим воздухом - был достигнут при использовании специально пройденных плавных сопряжений вентиляционного и транспортного штреков панели N 6 с выработками главных направлений на руднике СКРУ-3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано ревение актуальной задачи расчета и описания местных аэродинамических сопротивлений, характера и влияния протекающих в них физических процессов на регулирование распределения воздушных потоков в вентиляционных сетях калийных рудников, что позволяет эффективно управлять проветриванием подземных горных работ.

Основные выводы и практические результаты заключаются в следующем:

1. На основании результатов обследования калийных рудников Верхнекамского месторождения разработана типологическая классификация местных аэродинамических сопротивлений вентиляционных сетей калийных рудников, которая позволяет единообраз-

но и системно учесть все их возможные и практически важные типы, что необходимо для создания новых расчетных методов и алгоритмов.

2. Предложены методы расчета коэффициентов местных сопротивлений, возникающих в одиночной выработке и в узлах вентиляционных сетей, учитывающие специфику и характерные особенности местных сопротивлений вентиляционных сетей калийных рудников.

3. Для более точной оценки потерь депрессии в местных сопротивлениях разработана графоаналитическая методика дифференциальной оценки потерь, позволяющая по разрыву кусочно-линейной функции изменения давления в потоке установить величину потерь энергии собственно на местном сопротивлении.

4. Модифицирован метод последовательной поконтурной увязки расходов, разработан алгоритм и осуществлена программная реализация расчета потокораспределения в вентиляционных сетях с учетом местных сопротивлений.

5. Исследована возможность регулирования воздушных потоков с помощью специальных средств, меняющих величину местных сопротивлений. На основании этого разработан метод управления воздухораспределением между отдельными ветвями вентиляционных сетей. Доказана возможность применения этого метода при организации управления рециркуляционным проветриванием в пределах рабочих зон.

6. Определены конкретные значения величин коэффициентов местных аэродинамических сопротивлений для большинства случаев, встречающихся в вентиляционных сетях калийных рудников.

7. Разработан способ оптимального управления потокорасп-ределением с помощью направляющих выработок, позволяющий путем целенаправленного изменения местных сопротивлений интенсифицировать проветривание отдельных блоков и панелей.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Методика определения потери депрессии в местных сопротивлениях // Улучшение условий труда на горных предприятиях и защита окружающей среды. - Тез. докл. территориальной н.-т. конф. - Свердловск, 1980 - С.27. (Соавтор Мохирев H.H.)

2. Метод измерения падения давления в местном сопротивлении // Известия вузов. Горный журнал. - 1983 - N3 - С.107-111. (Соавтор Мохирев H.H.)

3. 05 учете местных сопротивлений при расчете воздухсрасп-ределения в сети выработок большого объема // Физико-технические проблемы управления воздухообменом в горных выработках больших объемов. - Тез. докл.Всесоюзного симп. - Ленинград, 1985. - 0.15-16. ( Соавтор Мохирев H.H.)

4. Типология местных сопротивлений вентиляционных сетей калийных рудников // Известия вузов. Горный журнал.-1984.-N9. -С.78-82.

5. Исследование возможности регулирования воздушных потоков с помощью управляющей перемычки, установленной в узле // Технология и безопасность горных работ в калийных рудниках. -Пермь, IÏÏM, 1985. - С.124-128.

6. A.C. N 1213213. Способ проветривания горных выработок.

- 1985. (Соавторы Мохирев H.H., Севастьянова Н.И.)

7. Результаты лабораторных исследований местных сопротивлений вентиляционных сетей калийных рудников // Молодежь Прикамья разработке и внедрению достижений науки и техники в производство. - Тезисы докладов научно-практического семинара. Пермь, 1985. - с.45-47. (Соавторы Казаков А.Е., Ширшов C.B.)

8. Использование эжекционных эффектоз для улучшения проветривания и нормализации газовой обстановки в рабочих зонах добычных участков калийных рудников // Проблемы охраны труда. -Рубежное, 1986. - С.296-297. (Соавтор Файнбург Г.З.)

9. Об эффективности использования направляющих перемычек при рециркуляционном проветривании добычных участков калийных рудников // Технология подземной разработки калийных месторождений. Пермь, 1987. - С.125-130. (Соавтор Файнбург Г.З.)

10. Управление состоянием рудничной атмосферы калийных рудников средствами вентиляции // Проблемы безопасной разработки калийных месторождений. - Тез.докл.отраслевой н.-т. конф. -Солигсрск, 1988. - С.112. (Соавторы Файнбург Г.З., Овсянкин А.Д., Красюк Н.Ф., Шалаев С.В., Пащинский A.B., Забелин А.Ю.)

11. Нормализация газовой пылевой и микроклиматической обстановки в калийных рудниках средствам вентиляции // Тезисы докладов Всесоюзной научно-практической конференции по проблемам охраны в условиях ускорения научно-технического прогресса.

- Москва, 1988. - С.15-16. (Соавторы Файнбург Г.З., Овсянкин А.Д., Красюк Н.Ф., Шалаев С.Б., Забелин А.Ю.)

12. Опыт повышения эффективности проветривания калийного

рудника за счет снижения местных аэродинамических сопротивлений // Разработка калийных месторождений. Пермь, 1S89. - С.159-166. (Соавторы Файнбург Г.З., Шалаев С.Б., Пащинский A.B.)

13. Совершенствование управления безопасностью на подземных горных работах с помощью ЭВМ // Совершенствование научных исследований по охране труда в учебных заведениях страны./ Тез.докл.Всесоюз.научн.конф. М.,1990. С.14. (Соавторы Файнбург Г.З., Бурнышева 0.В.)

14. Проблемы компьютеризации инженерного обеспечения безопасного ведения горных работ на калийных рудниках // Проблемы безопасной разработки калийных месторождений / Тез. докл.отраслевой н.-т.конф. Минск, 1990. С. 174-175. (Соавторы Файнбург Г.З., Теряев A.B. Бурнышева О.В. Катанов С.М. Забелин А.Ю.)

а

ОWU

Сдано в печать 16.05.95 г. Формат 60x84/16. Объем 1,25 п.д. Тираж 100. Заказ 1368. Ротапринт ПГТУ.