автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Исследование процесса возникновения поршневого эффекта в горных выработках при движении в них самоходного транспорта и его влияние на воздухораспределение

На правах рукописи

ЗАХАРОВА Людмила Алексеевна

УДК 622.663.3

611.311.(470.53)

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПОРШНЕВОГО ЭФФЕКТА В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ ПРИ ДВИЖЕНИИ В НИХ САМОХОДНОГО ТРАНСПОРТА И ЕГО ВЛИЯНИЯ НА ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ

Специальность 05.15.11 - Физические процессы горного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь, 1997 $661 ОДФ О I

«О

Работа выполнена в Пермском государственном технической

университете

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Мохирев Николай Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Жихарев Сергей Яковлевич

кандидат технических наук, доцент Казаков Борис Петрович

Ведущее предприятие - АО " Галургия", г. Пермь

__3ахщпа диссертации состоится " * о »¿уэ&с^. (¿и. 99 # года в " часов " ОО' минут на заседании специализированного Совета К 063.66.05 при Пермском государственном техническом университете по адресу: 614600, г. Пермь, ГСГМ5, Комсомольский проспект, 29-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного технического университета.

Автореферат разослан " ^ сУ 199Уг,

Ученый секретарь специализированного Совета канд. геолого-минерологических наук, доцент

В.П.Наборщиков

ОЫЦЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследовании.

Отличительными особенностями калийных рудников, обладающих малым аэродинамическим сопротивлением, как объектов проваривания, являюгея:

1. Основная часть общерудничной депрессии, которая развивается главными вентиляторными установками (до 85 °о), затрачивается п главных воздухоподаютцих и вентиляционных выработках - стволах, а в некоторых шахтах (апатитовые рудники) - в штольнях;

2. Вентиляционная сеть, включающая выработки главных направлений и добычных участков, - что большая развегвленность горных выработок, пройденных достаточно большим сечением (для калийных рудников, к иримеру, комбайном Урал-20КС), обладает незначительным аэродинамическим сопротивлением. В результате этого падение общерудничной депрессии в сети и в отдельной выработке небольшое, что затрудняет ретшроваиие воздухораспределением, а на процесс проветривания начинают оказывать влияние с тсдующие факторы:

- тепловые депрессии, возникающие в системе аэродинамически связанных выработок, имеющих перепады высот, вследствие даже незначительной разности температур в потоках воздуха, которые мо1ут увеличить расходы воздуха в проветриваемых участках или, наоборот, опрокинуть воздушные потоки;

воздействие движущегося самоходного транспорта на а эродинамическое сопротивление горных выработок;

- активные процессы выщелачивания солевых пород, результатом коюрмх является уменьшение герметичности вентиляционных изолирующих сооружений.

3. Наличие м-ромного объема отработанных пространств, заполненных практически чистым воздухом, который может быть использован в процессе вентиляции.

Несмотря на то, что в последние годы проведено большое количество научно-исследовательских работ, касающихся вентиляции калийных и других рудников, отдельные вопросы не были рассмотрены совсем или же исследованы недостаточно полно:

- существующие до последнего времени методы определения параметров элементов вентиляционных сетей уже не соответствуют современному уровню расчетов, анализов и проектирования систем вентиляции калийных и других: рудников. Следовательно, на основании сравнения различных методов, в том числе предлагаемых в данной работе, необходимо выбрать такие, которые бы соответствовали условиям проведения экспериментов и давали бы минимальные ошибки при определении параметров элементов вентиляционных сетей. Огсюда вытекает необходимость вычислений параметров выработок с границами

отклонений их величин от истинных значений, что дало бы возможность в дальнейшем оценивать надежность вентиляционных сетей и устойчивость вовдухораспределения в каждой выработке;

- не были разработаны методы расчета и выбора схем вентиляции рудников в делом, исходя из минимумов общерудничных утечек воздуха, объемов вынутой горной массы при раскройке шахтных полей и воздействия на вентиляцию различных факторов в том числю и влияния поршневого эффекта при движении самоходного транспорта в выработках;

не были разработаны методы оценки надежности воздухораспределения в вентиляционных сетях произвольной сложности и определения пределов отклонения величин реальных воздушных пот оков в каждой выработке в зависимости от скоростей движения самоходного транспорта и заполняемое™ им пространства горных выработок;

- не разработан механизм сегевых задач для расчета вентиляционных сетей, в которых в числе основных воздействующих на воздухораспрсделение факторов является источник тяги в виде движущаяся предмета (машины), влияиие которого особенно заметно в сетях с малым аэродинамическим сопротивлением, к которым относятся сети калийных рудников, шахт пильного камня и некоторых гипсовых рудников;

- для решения вентиляционных задач, в которых искомые параметры являлись неоднородными по физическому смыслу (например, расход воздуха, скорость самоходного транспорта, скорость набегания потока воздуха на движущийся предмет или транспорт, соотношения сечений предмета и воздуховода), существующие математические методы расчетов не могли быть применены, поскольку они предполагают ступенчатое решение при последовательном их приравнивании к определенной константе, что могло привести к одному из множеств решений, не являющихся оптимальным.

Без решения перечисленных выше вопросов невозможно широкое использование компьютерной технологии проектирования рудников, создания надежных, высокоэффективных, легко регулируемых и в то же время экономичных вентиляционных сетей .

Цель диссертационной работы - разработка методов расчета и выбора средств управления вентиляцией в сетях с малым аэродинамическим сопротивлением - как средства нормализации рудничной атмосферы и повышения безопасности работ.

Идея работы заключается в создании таких вентиляционных сетей, которые могли бы быть нейтральными к воздействию поршневого эффекга, создаваемого движущимся транспортом, или же, наоборот, чувствительными к влиянию этого эффекта в зависимости от цели использования его как источника с отрицательной и положительной тягой.

Задачи н методик» исследования. В данной работе использован обширный комплекс методов, включающий изучение, анализ и обобщение

выполненных исследований по изучаемой проблеме, фактических данных рудников по состоянию вентиляции; лабораторные (модельные) и шахтные эксперименты; приборные и инструментальные измерения при изучении вопросов проветривания и нарушения режимов вентиляции при воздействии мощных поршневых эффектов; теоретические исследования механизма вентиляции и ее чувствительности к воздействию поршневых и других эффектов; технико-экономические расчеты по оценке эффективности поршневых эффектов как источников тяги; статистические методы планирования экспериментов и анализа их результатов; опытные и опытно-промышленные испытания' в произволе гвеиных условиях способов и надежности обеспечения рабочих зон требуемыми объемами свежего воздуха; приборные и инструментальные измерения ири изучении вопросов возникновения и процессов протекания во времени эффектов поршневого воздействия.

Объектами исследования являлись рудники акционерных обществ "Уралкалий", "Сильвинит" и "Гипс-КЫЛ11Р".

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Теоретическое описание процесса возникновения и действия поршневого эффекта при движении предмета в воздуховоде, который подвержен или нет влиянию внешнего мощного источника тяги.

2. Исходная информация и степень ее достоверности зависят от совершенства методик ее получения и обработки экспериментального материала, выделения факторов и явлений, воздействующих на экспериментальные данные, источником которых являются существующие вентиляционные сети и их элементы. Разработка методики оценки методов ведения измерений и выбор таковых в условиях натуры - калийных рудников и модели - один из разрабатываемых в данной работе вопросов.

3. Метод оценки возникающего давления в воздуховоде с движущимся предметом в условиях промышленного эксперимента и модели.

4. Способ управления величиной давления, возникающего в результате воздействия поршневого давления.

5. Методов оценки коэффициентов энергетических потерь.

6. Метод расчета аэродинамической характеристики источника гяги - движущегося предмета в ограниченном пространстве.

7. Метод расчета воздухораспределения в условиях воздействия на него источника тяги в виде движущегося предмета.

Обоснованность я достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается соответствием расчетных математических моделей физическим и натурным аналогам, сопоставимостью физических моделей с реальными процессами воздействия поршневого эффекта на вентиляцию, сопоставимостью теоретических представлений и результатов экспериментальных исследований. Многие полученные результаты дублировались различными методами, поскольку они получены впервые и

сопоставимые данные в литературе отсутствуют. При исследовании вентиляционных систем или их отдельных участков получены положительные и подтверждающие выводы диссертации результаты, некоторые из них внедрены на горных предприятиях акционерных обществ "Уралкалий" и "Сильвинит".

Научная новизна;

- разработана математическая модель возникновения и влияния на процесс вентиляции поршневого эффекта, определены закономерности составления уравнений, определяющих степень воздействия поршневого эффекта на потоки воздуха в воздуховодах в различных условиях;

- разработаны методика моделирования процесса воздействия поршневою эффекта на потоки воздуха в воздуховодах и методы измерений параметров вентиляции в натуре и модели;

- разработан метод описания аэродинамической характеристики движущегося предмета в замкнутом пространстве, играющего роль источника тяги;

- разработан способ определения воздействия движущегося самоходного транспорта в выработках на характер изменения воздухораспределения в отдельных участках вентиляционной сети и в вентиляционной системе в целом.

Практическая ценность заключается в том, что разработанная методика описания и построения аэродинамической характеристики источника тяги - движущегося в выработке транспорта - позволяег осущес!влять расчеты вентиляционных сетей существующими методами последовательного приближения и на основании расчет ов принимать стратегические решения выбора таких сетей, кошрые были бы нечувствительными к воздействию поршневого эффеюа или же в условиях метрополитена могли проветриваться исключительно за ею счет.

Реализация результатов работы. Разработанная методика описания аэродинамической характеристики движущихся предметов в замкнутом пространстве, играющих роль источников тяги, позволила реша1Ь сетевые задачи и определять степень влияния самоходного транспорта на воздухораспределение в выработках вентиляционной сети любой сложности. Это в свою очередь позволяет в зависимости от длины участков путей прохождения самоходным транспортом и его скорости определять отрезки времени, в течение которых те или иные проветриваемые зоны могут находиться в условиях весьма слабого поступления свежею воздуха для проветривания, и намечать мероприятия для ослабления или нейтрализации данного эффекта. Это особенно важно при разработке месторождений полезных ископаемых в условиях газового режима.

Материалы по методикам измерений, исследования, расчетов и анализов вентиляционных схем с целью выбора наиболее рациональных, надежных и малочувствительных к воздействию поршневого эффекта

используются при подготовке горных инженеров специальноет "Ра:!рабо1ка месторождений полезных ископаемых" и в курсе лекций "Рудничная аэрология горнодобывающих предприятий".

Апробация работы. Научные положения и основные результаты исследований доложены и обсуждены на: - ежегодных конференциях и семинарах Пермского государственного технического униисрси юта, • технических совещаниях акционерных обществ "Уралкалий" и "Сильвинит"; - технических совещаниях производственных рудоуправлений (г. Березники и г. Соликамск); - XXVIII научно-1схнической конференции по результатам научно-исследовательских работ, выполненных в 1991-1994 г.г.(г. Пермь, 1995 г.); - 1-й международной конференции "11роблсмы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства" (г. Тула, 1996 г.); - 2-м международном симпозиуме "Проблемы комплексного использования руд" (г. Саша-Петербург, 1996 г.); - Всероссийской научно-практической конференции "Проблемы образования, научно-технического развития и экономики Уральского региона" (г. Березники, 1996 г.); - научном симпозиуме "Неделя горняка-97" (г. Москва, 3-7 февраля 1997 г.); -научно-практической конференции "Белые ночи" (г. Санкт-Петербург, 1997 г.); - международной конференции "Горная наука на рубеже XXI века" (г.г. Москва-Пермь, 1997 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ; подана заявка на предполагаемое изобретение. Основное содержание диссертации отражено в 7 работах.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и изложена на 162 страницах машинописного текста, содержит 22 таблицы и 31 рисунок, библиографический список из 127 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние изученности вопроса и задачи исследования.

Попытка решения вопроса воздействия состава вагонеток на поток воздуха в выработке была сделана в работе Корепанова К.А. Автор рассматривал данный процесс как потерю напора неизменяющегося потока воздуха в выработке на преодоление сопротивления поезда. Полное сопротивление поезда складывалось из сопротивления сужения потока, сопротивления расширения и сопротивления трения в загроможденной части выработки. Были рассмотрены случаи, когда состав вагонеток стоял или двигался по направлению основной струи или навстре<1у ей. Основные параметры, которые были включены в полученные зависимости - это коэффициент потоков 8 = и, / и, сечений К = 55, I в и безразмерный коэффициент к = 0,88 а / 0,0044, где II, и и - соответственно скорости

вагонеток и потока воздуха в выработке, м/с; S, и S - соответственно миделево сечение вагонетки и поперечное сечение выработки; м2; а -коэффициент аэродинамического сопротивления вагонетки.

Данный подход уже изначально давал значительные ошибки в расчетах, поскольку в формулах подсчета развиваемого поездом давления учитывался неизменный начальный поток воздуха, который входил в известную формулу определения местного сопротивления внезапного сужения и расширения. Кроме того, в формулах не учитывалась собственная энергия потока в виде статического давления на преодоление аэродинамического сопротивления самой выработки. При этом статическое давление должно было рассматриваться как часть общерудничного падения давления, развиваемого главной вентиляторной установкой. Все это не давало возможности оценить степень воздействия поезда, находящегося в выработке, на поток воздуха в ней, хотя методически автор был прав, рассматривая различные ситуации относительно скоростей движения поезда и течения потока воздуха.

Исследования возникновения поршневого эффекта при движении предмета в замкнутом пространстве (гидравлическая модель движения подъемных сосудов в грузовых стволах) были проведены Шаповалом Г.Т. с целью определения коэффициентов лобового сопротивления, Косаревым Н.П. и Беловым C.B. при практическом определении воздухораспре-деления в тоннелях метрополитена, Идельчиком И.Е. при определении гидравлических сопротивлений предметов в потоке жидкости. Исследования проводились для условия свободного падения предмета, т.е. когда основная движущая сила была выражена силой веса предмета. В работах приведенных авторов не представлены критерии моделирования и методы измерения величин лобового давления или, как обозначено в работах, сил лобового сопротивления предметов цилиндрической формы. Кроме того, в работах не учтена сила сопротивления разрежения сзади предмета, которая наряду с другими силами препятствует движению предмета вниз за счет силы веса. При исследовании учитывались только три силы: - сила гидростатического давления или по-просту сила выталкивания на основании закона Архимеда, сила лобового сопротивления и дополнительная сила давления жидкости, вызванная сопротивлением кольцевого пространства - пространства между предметом и трубой модели.

Работы Вахрушева НА., Абрамова O.A., Бойко В.А., Engel М.О. и др., посвященные в основном исследованию сопротивления движущихся предметов в какой-либо среде, были направлены для поиска коэффициентов лобовых сопротивлений.

Несколько обособленно стоят- работы Идельчика И.Е., в которых впервые потеря давления в местном сопротивлении внезапного сужения связывается со скоростным напором набегающего иа предмет потока воздуха.

На основании анализов результатов измерений были получены величины коэффициентов лобовых сопротивлений: - для предметов кубической формы; - для предметов прямоугольной формы в сечении, параллельном оси воздуховода, и квадратной формы в том же сечении; -- для предметов в выработках с небольшой скоростью движения потока воздуха - порядка 0,7-1.0 м/с.

Определяющим в создании нормальных санитарно-гигиенических и безопасных условий труда является надежное обеспечение их расчетно--необходимым объемом воздуха. В настоящее время опубликовано большое число работ, посвященных вопросам надежности проветривания горных предприятий. Наиболее полно разработаны вопросы надежности систем проветривания глухих подготовительных выработок (Ушаков К.З., Гимельштейн Л.Я., Фрейндлих Я.И., Кильман А.Ш.). Методы определения надежности вентиляционных систем рудников и шахт в целом разрабатывались Вассерманом А.Д., Алехичевым С.И., Максимовым К.Г., Ушаковым К.З., Ушаковым В.К. Роговым Е.И., Панкиным С.С., Рясновым Е.Я., Патрушевым М.А., Карнаухом Н.В., Ефремовым O.A., Петрищевым В.Н., Родинским A.M., Биличенко E.H., Афанасьевым В.П., Потемкиным В.Я., Рязянцевым Г.К., Ошмянскнм И.Б. и др.

Анализ литературных источников показал, что наиболее изученным с точки зрения надежности проветривания горных выработок является вопрос влияния на воздухораспределение отклонения аэродинамических сопротивлений ветвей вентиляционной сети от их среднего значения. Отклонение сопротивлений возможно в результате появления ошибки в их определении, которая обусловлена неточными используемыми исходными данными или изменениями параметров выработки вследствие воздействия горного давления, заi роможденiгости оборудованием или полезным ископаемым. Вопрос влияния возникающего в выработках давления вследствие поршневого эффекта на воздухораспределение в вентиляционной сети не рассматривался.

Вопросы расчета вентиляционных сетей с включенными в них источниками тяги (вентиляторами, иногда тепловой депрессией) были рассмотрены в работах Цоя С., Цхая С., Рогова Е.И., Загускина B.JI., Андрияшева М.М., Лобачева В.Г., Россочинского В.И., Scott D.R., Бодягина М.Н., Воронина Л.Д., Багриновского А.Д., Никитина B.C. и др., однако ни в одной из работ не был разработан механизм ввода исходных данных в виде источника гяги - движущегося в выработке транспорта.

На основании анализа литературных источников поставлена основная цель диссертационной работы - научное обоснование и разработка методов расчета давления, возникающего в выработке за счет поршневого воздействия движущегося самоходного транспорта, и его влияния на распределение потоков воздуха в аэродинамически связанных с ней любыми видами соединений, выработках. Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:

- теоретически обосновать и математически описать процесс возникновения поршневого воздействия в зависимости от величины скорости набегания на предмет воздушного потока;

- подтвердить практически и на моделях результаты теоретических разработок;

- разработать методику моделирования процесса поршневого воздействия движущегося в воздуховоде предмета на характер изменения величины первоначального потока воздуха;

- разработать методику описания аэродинамической характеристики движущегося в воздуховоде предмета как источника тяги;

- создать алгоритм сетевого расчета поршневого воздействия движущегося транспорта в ограниченном пространстве на изменение воздухораспределения в выработках вентиляционной сети, на базе чего определить степень восприимчивости той или иной вентиляционной сети к возбуждениям, вызванным возникновением случайного перепада давления, связанного с движением транспорта.

Теоретические основы возникновения поршневого эффекта. Изменение воздухораспределения в выработках рудников вследствие воздействия движущегося самоходного транспорта является непродолжительным во времени (от нескольких минут до десятков минут). Однако периодичность этих изменений в течение рабочей смены высока, что сказывается на снабжении рабочих зон и отдельных забоев свежим воздухом и на состоянии газовой обстановки в них.

При рассмотрении в дальнейшем процесса движения самоходного транспорта (состава вагонеток) в выработках или тоннелях будем пользоваться понятиями "движение предмета любой формы и длины в воздуховоде любою сечения и аэродинамического сопротивления".

При определении степени воздействия предмета на поток воздуха в воздуховоде рассмотрены:

- движение предмета во встречном потоке (рис.1), когда действие внешнего источника тяги (потеря общерудничной депрессии, естественная тяга и т.д.) направлено навстречу движению предмета. В данной ситуации возможно возникновение следующих случаев изменения движения начальною потока воздуха в воздуховоде: а) скорость предмета 11и настолько велика, что начальный поток воздуха (<2кач = = и^ац -в) в воздуховоде реверсируется. Это возможно, когда развиваемое движущимся предметом давление превышает давление внешнего источника тяги, под которым понимается часть теряемой в воздуховоде общерудничной

депрессии (естественной тяги и т.д.), при этом в стесненном пространстве направление потока воздуха будет совпадать с направлением движения

а

ТТ. ^¡м,

^—^

Рис. 1. Движение предмета в воздуховоде

предмета; б) начальный поток воздуха в воздуховоде по-прежнему реверсируется, но в стесненном пространстве движение воздуха относительно неподвижных стенок воздуховода не наблюдается, т.е. С?1 = ~ 0; в) развиваемое предметом давление меньше давления внешнего источника тяги, а поэтому предмет не может реверсировать начальный поток воздуха в воздуховоде;

-два случая движения предмета в спутном потоке, когда он движется со скоростью, превышающей скорость движения начального потока воздуха в воздуховоде 1_1м > и^, или меньшей, чем эта скорость, т.е.

и« < и-*,;

- движение предмета в воздуховоде, в котором начальное движение воздуха отсутствует, т.е. Ояач = 0.

При движении предмета во встречном потоке, который реверсируется, а в стесненном пространстве направление потока воздуха совпадает с направлением движения предмета, согласно постоянства движущихся в единицу времени объемов в сечениях, где располагается предмет и в свободном пространстве воздуховода, будем иметь 11М-Уи I ^ р, откуда р, = <3 - им5и. При реверсии струи в воздуховоде предмет создает давление Ь,,, которое складывается из: а) избыточного давления при набегании предмета на движущийся в том же направлении в результате реверсии, но с меньшей скоростью поток воздуха Скорость набегания предмета на поток воздуха составит Уи - 13, где и - скорость обратного в результате реверсии тока воздуха, при этом и -• (,>/8. Это давление равно скоростному напору

К = Л сря (ии - и>2" Дча, <и„ - (З^)2 ~ л-ф.-кц,- э - с?) / (Б - ад2. (1)

б) разрежения сзади предмета при обтекании его потоком вождуха со скоростью и„ - иь численно равное скоростному разрежению, величина которого будет равна

Нр-ДчуаЬ-и^-Д-чуЩ, -д1/(8-8и)]2 =

= Л-Чу[<Ц.-8-д)/(8-ЗД2 (2)

в) падения давления, вызванного тем,.что условный поток воздуха О1! = ((.!„ • 8 - У) движется мимо поверхности предмета со скоростью (11м - 11Д

и равного Ь™ - ам • Рм - и • (и«-8 - (¿)2/ (Б - 8М)5 . (3)

Таким образом, общий перепад давления, создаваемый предметом, равен Ь„ - Ъ • (и* Б - О)2. (4)

при условии, что его общее сопротивление (поршневое сопротивление) равно г=[Ачр1,/82 + сц<-Рм-и/(8-8м)3+ А • фр/(Б - Б*)2] (5)

Давление Ьм затрачивается на:

- преодоление действия внешнего источника тяги, давление которого (для упрощения выводов приняли условно, что оно постоянное и не меняется) равно И = И- <32щч; (6)

- создание давления, которое затрачивается на поддержание обратного в результате реверсии потока воздуха О в воздуховоде, имеющем аэродинамическое сопротивление Я. Ьтр = Я-С}2; (7)

- создание давления, которое затрачивается на преодоление сопротивления трения стенок воздуховода в стесненном пространстве на длине предмет а (состава вагонеток) Ц,

Ь„ - а, -1». • Ц,^,2/^-Э»)3 = а, • Р» • и ■ Ю - ии-8м)2 / (Я - в«)3. (8)

Таким образом, Ь„ + + Ьр - Ь + Ь^ + Ьта или, что то же самое Ьм - Ь ( Ьтр I Ьга. Заменив слагаемые их значениями, получаем

/. (им-8-д)2 о.-р.-и-ю-и«^/^.,)'. (9)

Раскрыв скобки и сгруппировав члены уравнения (2.33) по степеням искомой величины С2, получим : А-(22 + В-С^С-О, (10)

где: А- полное аэродинамическое сопротивление воздуховода, включая сопротивление трения в стесненном пространстве, уменьшенное на полное (поршневое) сопротивление предмета, равное

А = Я+авР»-Ь„/(8-8и),-г: 15 - условное давление, созданное предметом с мид елевым сечением Б уменьшенное на потерю давления на преодоление сопротивления трения выработки в стесненном пространстве при протекании в нем потока равною по величине реальному объему предмета, при ламинарном течении

В « 2- Ъ ■ (и^) - 2[а„ -Р. • Ц, / (в - в«)3]- (и„-8м), С - условный создаваемый в воздуховоде перепад давления и состоящий из давления, затраченного на преодоление сопротивления трения в стесненном пространстве при протекании в нем потока, равного реальному объему воздуха, и давления внешнего источника гяги уменьшенные на давление, созданное поршнем, не имеющим в воздуховоде зазоров С - [а, ■ Р, • / (в - 8и)5Ким-8м)2 ^ Я- <3%« -Из уравнение (10) определяется искомый поток воздуха Аналогичные рассуждения проводятся при поиске потоков воздуха в воздуховоде в других рассматриваемых случаях. На беновании математического моделирования процесса поршневого воздействия предмета на начальный поток воздуха в воздуховоде определены закономерности построения выражений Л. В и С, входящих в конечную формулу (10).

Экспериментальное исследование процесса возникновения поршневого воздействия на воздушные потоки в выработках производилось в рудниках АО "Сильвинит" и АО "Уралкшшй", для чего была разработана методика измерения величины давления, создаваемого движущимися в выработке автомашиной или составом вагонеток.

Предварительные исследования показали, что измерение влияния машины на изменение перепада давления в крупном участке

вентиляциониой сети влечет к появлению ошибок вследствие запаздывания воли давления, вызванных сжимаемостью воздуха, и указывали на то, чтобы измерялся перепад давления непосредственно на машине.

Для этого приемники давления - трубки Пито - размещались впереди и сзади машины на расстоянии примерно по 10 м от передней и задней кромки машины. Однако свободное полное расстояние в 20 м между приемниками давления машина на большой скорости (допустимая скорость в руднике по условиям состояния дороги не превышала 35 км/час или 9,7 м/с) проходила за очень короткое время (порядка 2-3 с.) л отметить всплеск показаний было сложно. Постепенно увеличили расстояние от кромок машины до приемников давления до 50 м рис.2. Теперь машина проходила расстояние в 100 м - расстояние между приемниками давления за минимум 9-10 с, а этою времени было достаточно, чтобы отметить уровень жидкости в воздухомерной трубке микроманометра.

Приемники давления 1 выполнили следующим образом; открытый конец трубки (шланга), который играл теперь роль приемника давления, поместили п глухой ящик (рис. 2), имеющий небольшие отверстия только в верхней своей поверхности (стенке). Вих-реобразные потоки после прохождения машины 3 могли проникать внутрь ящика небольшими струйками, обладающими слабой энертей.

Применение таких приемников давления резко (в 3-5 раз) сократило амплитуду всплеска показаний и позволило намного облегчить съем показаний на мерной трубке микроманометра 2, т.к. после прохождения машиной первого по ходу приемника всплеск все же наблюдался, но затем уровень жидкости замирал на месте минимум на 5-7 секунд, что было вполне достаточно для установки измерительного нониуса на микроманометре. Такое устройство давало еще одно'преимущество: не нужно было после одного прохождения машины менять положение трубок Пито, т.е. машина могла ходить по отрезку выработки челноком без остановок.

Результаты измерений после обработки представлялись в виде диаграмм, одна из которых показана на рис.3. На нем показаны экпсриментальные данные создаваемого машиной перепада давления от ее -

» î!bl;v j i î ÏÎiî'^iï'ib S ** JJ "|;wjj JJ ïtvtVl^wwwwKvwmvt

ГУГГ?. ÏT y У ?? TS^'^'y^fn-'SrgSS'^Sg'K.'p'g.'gît

Ф 9

Рис. 2. Схема юмереюи перепада дилeinu, создаваемого движущейся машиной.

1 - приемники давление; 2 - микроманометр; 3 - автомобиль (состав вагонеток).

скорости движения в выработке, в которой начальная скорость потока воздуха менялась от 2,0 до 2,4 м/с (7,2 - 8,6 км/час). Кривые с увеличением скорости машины расходятся и это естественно: чем выше скорость машины в особенности при движении навстречу потоку, тем больше скорость набегания потока воздуха на машину и тем больше создаваемый

перепад давления. Наоборот, при движении по струе скорость набегания потока воздуха на машину растет не так стремительно, т.к. машина заставляет поток увеличивать свою скорость. Влияние движущихся составов вагонеток на потоки воздуха исследовалось в квершлаге 3 рудника БКПРУ-1 АО "Уралкалий", длина которого составляла 1,2 км. Данные измерений также представлялись подобными дошрамма-ми.

Проведение аэродинамических исследований по тематике диссертации непосредственно в шахтных условиях было сопряжено с определенными трудностями, связанными с тем, что: а) в калийных рудниках относительно быстроходный транспорт един в своих размерах (пассажирские автомобили типа "М1ЫКЛ", рельсовый транспорт одного типажа); б) почти все выработ ки рудников одного типа, пройденные в один ход комбайнами Урал -20кс (сечение от 16,5 до 20,2 м2) или в два-три хода комбайнами Урал-10 реже ГОС-8м; в) вариация скоростей движения транспорта в выработках весьма отраничена (до 30 км/час у автомобиля "М1ЫКА", у рельсового транспорта еще меньше). Чтобы расширить масштабы экспериментов, их проводили дополнительно на модели.

Для совмещения разных форм сечений и, следовательно, характерных размеров выработок натуры и воздуховода модели, инварианты подобия Ь, численно равные отношению характерных размеров, необходимо было выразить через эти геометрически усредненные размеры. Сами размеры могли быть выражены через сечения под квадратным корнем, но тогда инварианты подобия (симплексы) могли быть определены выражениями

Ь = (8/8м)'2=Ч<1еп1.

Кинематическое подобие, характеризующее гидродинамический режим течения, представляет меру отношения инерционных сил к силам внутреннего трения (вязкостным силам) в потоке жидкости. Подобие вязкостного и инерционного течения обеспечивается лишь подобием распределения скоростей, а связь между подобием распределения

Рис. 3. Зависимость создаваемого транспортом давления от его скорости в выработке сечением

16,4 м*

1- движение транспорта против струи; 2- по струе

скоростей н потоке с инвариантами подобия выражас! критерий (комплекс) Рейнольлса К е. При больших скоростях и. следовательно, больших чначениях критерием Рейнольдса. ког да силы вязкости становятся весьма малыми величинами по сравнению с силами инерции, различные коэффициенты ст аиовятся независимыми от скоростей движения воздуха и для соблюдения подобия равенство критериев Рейнольдся можно не соблюдать. При изучении процесса поршневого воздействия в большинстве случаев скорости потоков воздуха были значительными, а критерии Рейнольлса превышали 15-105 - предела, за которым наступал эффект автомодельноети.

Кроме того, инерционные силы в процессе поршневого воздействия на потоки воздуха играют весьма незначительную роль, как и вязкостные силы трения. Эти силы намного меньше сил поршневого и полного аэродинамического сопротивлений, поэтому критерий Рейнольлса в изучении поршневого эффекта не является определяющим.

Н качестве критерия (комплекса) определяющего тннамнчечкое подобие, для нашего случая подходит критерий Эйлера, являющийся мерой отношения сил давления и инерции Г.и " Ар ' (р-ог). Примем в качестве Др сумму потерь давлений на предмете, Ар = Ьн + Ьти * Ьр -7.(им-8)2. 13 качестве инерционных сил критерия Ей выступает произведение (рш). в котором определяющим является скорость со. Какова ее физическая сущность? Для того, чтобы вести точное моделирование, следовало бы в модели повторять все процессы натуры, т.е предмет должен двигаться с какой-то скоростью в воздуховоде, По гогда модель должна быть большой длины, чтобы мс юд, который исполь :овался в натуре для измерения давления, использовать и в модели. Это связано с гем, чтобы ограниченную приемниками давления частъ - воздуховода предмет проходил та ошоситслыю большой период для снятия отсчетов.

При выводе формул для определения потока воздуха вводилась величина скорости набегания предмета на поток ((1Ы - II) м/с, этим самым предмет условно останавливался, т.е. делался неподвижным, а на него направлялся поток воздуха со скоростью 1.1каб = (Пм - И) м/с. В модели уже можно было не условно, а в действительности предмет делать неподвижным, но на него необходимо было направлять поток воздуха со скоростью и„аб - и м/с. Таким образом, в значении Ей в качестве <в должна фигурировать величина скорости набегания потока воздуха на предмет, т.е. со и1гас, но тогда значение критерия Эйлера примет вид

Еи-г-(им^)2/(Рииа,2) , (II)

где р - плотность воздуха, кг/м'\

Выбор констант подобия офапичен требованием, чтобы критерии подобия были одинаковы для натурных и модельных явлений, или, что то же самое, соотвезствующие индикаторы подобия равнялись единице, т.е. Еи„ / Еим -■ 1. Но точное моделирование осуществить довольно трудно,

поскольку величины, слагающие критерии, обладают определенной ошибкой измерения. Относительная погрешность вычисления критерия Эйлера для условий модели составляет 0.2446. Относительная ширешность определения критерия Эйлера для условий натуры составляет 0,1998. Следовательно, индикатор подобия Eu„ / Еи„ никак не может равняться единице, а для нашего случая Eu» / Eu„ - ± 25 %.

Поскольку по условиям моделирования предмет- был неподвижен, необходим был новый механизм измерения результатов моделирования, который был разработан и'использовался. Ногеря давления на предмете определялось разностью двух кривых (прямых) в координате нахождения предмета, т.е. h = (а t b-x) - (ai i bi-x), где:

(а » b-x) - уравнение прямой падения давления перед предметом; (а! + Ь|-х) - уравнение прямой падения давления после предмета; х - координата нахождения предмета, м.

Для того, чтобы в конечном счете определить вид аэродинамической характеристики движущегося транспорта как источника тяги, следовало всесторонне изучить степень влияния различных факторов на величину развиваемого давления. В натурных условиях трудно, а порой и невозможно было смоделировать все случаи влияния различных факторов на величину развиваемого транспортом давления, тем более, что специфика проходки выработок в калийных рудниках не позволяла выполнить это. Поэтому оценку факторов проводили расчетным путем. Такой подход к решению проблемы обоснован тем, что все выведенные формулы, включающие критериальные зависимости, довольно точно описывают подобные явления.

На основании данных оценки влияния факторов на величину поршневого воздействия были аналитически описаны аэродинамические характеристики условных источников тяги - движущихся транспортных средств в выработках - в виде уравнений h = А + B-Q + C-Q2, часть коэффициентов которых приведены ниже в таблице. Это позволило использовать существующие методы расчета вентиляционных сетей (а также методы расчета устойчивости воздухораспределения): согласно закону вентиляционной сети алгебраическая сумма всех потерь депрессии (равно и давления) в замкнутом контуре (ячейке) должна быть равна нулю, т.е.

X Ri-Qi2 - hi = 0 ,

Irl

где: R,. Qr соответственно аэродинамическое сопротивление и расход воздуха в ветвях рассматриваемого контура; hi - источник тяги. Если ею действие совпадает с направлением обхода контура, то величина h, имеет знак "минус", если не совпадает - знак "плюс"; j - число замкнутых контуров или маршрутов.

С учетом характеристики условного источника тяги

]

£ ЪС^-А-ВСа-СО^О (12)

1 - ]

Однако при произвольно принятых первоначальных значениях выражение (12) не будет равно нулю, г.е. появится невязка депрессии в контуре (ЛЬ), которая может быть нейтрализована введением общей для контура поправки расходов воадуха Лч, тогда выражение (12) примет' вид:

1

£ ^.<0, ± ЛЧ)2 - А - в«й ± ЛС1) - С (0, ± Ая)2 = 0, 1-1

где знак ± означает: если Дц положительное, т.е. совпадает с направлением обхода контура, то при совпадении с потоком воздуха в ветви имеет знак "+" и наоборот, если положительное Дч не совпадает с направлением потока воздуха в ветви - знак "-".

Характеристики условных источников тяги - движущихся в выработ ках автотранспорта и состава вагонеток длиной 81,2 м

Скорость Коэффициенты уравнения Точность

перемещения, описания.

м/с А В С %

1 2 3 4 5

Автотранспорт

2,0 0,09341 -0,005603 0,0000843 0,05

4.0 0,37342 -0,011132 0,0000823 0,11

6,0 0,84073 -0,016781 0,0000837 0,01

8,0 1,49575 -0,022436 0,0000844 0,04

10,0 2,33525 -0,027974 0,0000839 0,01

Состав вагонеток

4,0 0,38219 -0,12074 0,0000950 0,01

6,0 0,86006 -0,018128 0,0000953 0,00

8,0 1,53006 -0,024203 0,0000968 0,13

10,0 2,38971 -0,030251 0,0000957 0,01

Общие выводы н результаты:

1. Проведено обоснование и теоретическое описание процессов изменения первоначального потока воздуха в воздуховоде за счет поршневого воздействия находящегося в нем предмета. При этом рассмотрены случаи: а) предмет имеет скорость движения им, превышающую скорость начального потока воздуха и««, т.е. предмет активен и является дополнительным источником тяги; б) скорость

предмета U„ меньше, начального потока воздуха в воздуховоде 11,мч, т.е. предмет пассивен и представляет дополнительное для внешнего источника тяги сопротивление;

2. Предложена методика измерения создаваемого движущимся транспортом давления в выработке и разработана конструкция приемников давления, что дало возможность проводить эксперименты в руднике более эффективно.

3. На основании различных методик обработки данных экспериментов создана более последовательная и удобная для программирования методика, соответствующая ГОСТам. Она методика заложена в программу обработки результатов измерения "PRES

. 4. Разработана методика моделирования процессов возникновения поршневого воздействия при движении предмета в замкнутом (ограниченном) пространстве. Определена предельная ошибка вычисления критериев подобия, в соответствии с чем выявлены границы значений критериев, в которых может быть осуществлено приблизительное моделирование.

5. Разработана методика измерения давления при возникновении поршневого эффекта в модели при нахождении в ней предмета.

6. Сделан анализ возникновения сил трения о стенки воздуховода и поверхность предмета в стесненном пространстве, на основании чего определилась граница поршневого воздействия предмета как источника тяги, нейтрального воздействия и дополнительного сопротивления.

7. На основании анализа расчетных и экспериментальных данных определено значение коэффициента энергетических потерь <р - Фн = Фр ' = 0,809. Для расчетов этот коэффициент принят равным 0,8.

8. На основании расчетных зависимостей проведен анализ влияния скорости набегания предмета на поток воздуха в воздуховоде на всем диапазоне движения: во встречном потоке, в спутном потоке и при отсутствии внешнего источника тяги. Определены основные зависимости влияния аэродинамического сопротивления воздуховода на создаваемые вентиляционные параметры движущегося предмета.

9. Проведена энергетическая оценка поршневого воздействия движущегося предмета. Разработана методика построения и аналитического описания характеристик условного источника тяги -движущегося в ограниченном пространстве автотранспорта или состава вагонеток.

10. Усовершенствован существующий метод расчета вентиляционных сетей - метод последовательных приближений, что дает возможность использовать в решении влияние условных источников тяги (движущихся транспортных средств). Проведен расчет воздействия движущегося автомобиля на воздухораспределение в ветвях вентиляционной сети, соответствующей по параметрам участку калийного рудника, имеющего небольшое аэродинамическое сопротивление.

Основные положения и научные результаты опубликованы в следующих работах:

1 . Распределение динамически активных газов в тупиковых непроветриваемых выработках значительной протяженности. - В сборнике докладов научно-технической конференции " Физико-технические проблемы управления воздухообменом в горных выработках" Л.,1983 г. (соавторы Коротаев В.Ф., Фоминых В.И.)

2,Влияние движения транспортных средств на проветривание выемочных панелей обладающих малыми аэродинамическими сопротивлениями. - В сборнике тезисов докладов XXVIII научно-технической конференции по результатам HHP выполненных в 1991-1994 гг. ПГТУ,г.Пермь, 1995 г ,С.(Соавторы : МохиревH.H.)

3.Влияние самоходаого-у^йа" вентиляцию рудников с малым аэродинамическим сопротивлением. В сб. тезисов 1-ой международной конференции" Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства". - Тула, 1996 г, С.83-84

(соавторы: Мохирев H.H.).

4. Отчет о НИР по теме 95/2 " Разработка и выбор средств нормализации проветривания рудников Верхнекамского месторождения калийных солей", г. Пермь, 1996 г. Научный руководитель H.H. Мохирев (рукопись).

5. Моделирование процесса возникновения поршневого эффекта при движении самоходного транспорта в горных выработках. В сб. тезисов международной конференции" Горная наука на рубеже XX века"- Москва-Пермь, 1997 г, С 135-136 ( соавторы : Мохирев H.H., Трофимов H.A., Астахова С.А.)

6.Утилизация отходов дробления гипсового камня. В сб. тезизов 2-го международного симпозиума " Проблемы комплексного использования руд" - С.- Петербург, 1996 г, С 286-287( соавторы H.H. Мохирев, A.A. Леньшин, В.И. Култыгин, Л.ПЛужных).

7. Моделирование процесса возникновения поршневого эффекта при движении самоходного транспорта в горных выработках. В сб. тезисов международной конференции" Проблемы безопасности жизнидеятельности"- Минск, 1997 г, С 115-116 (соавторы : Мохирев H.H.)

■ ' ,-л

Сдано в печать 17.12.'Я г. Формат Объем I уч.-чэд. л. Тирак ICO. Заказ 1206. Ротапринт ПГТУ.