Особенности расчета аэродинамического сопротивления тупиковых выработок большой длины и сложной конфигурации

© В В. Смирняков, 2015

УДК 622.4

В.В. Смирняков

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТУПИКОВЫХ ВЫРАБОТОК БОЛЬШОЙ ДЛИНЫ И СЛОЖНОЙ КОНФИГУРАЦИИ

Рассмотрены основные особенности проветривания протяженных тупиковых выработок сложной конфигурации, а также предложен путь совершенствования расчета аэродинамического сопротивления тупиковых выработок при работе вентилятора местного проветривания. Проведен анализ расследование аварийных ситуаций на угольных шахтах в протяженных тупиковых выработках. Установлено, что причиной загазирования в месте взрыва стали местные скопления газа, выделяющегося из угольного пласта, по которому проходилась выработка. Б результате проведенного технического анализа аварий установлено, что основной причиной появления местных скоплений метана во взрывоопасной концентрации стали следующие факторы: недостаточное количество воздуха, подаваемое в выработку и особенности конфигурации протяженных тупиковых выработок — наличие поворотов, сужений, расширений, сопряжений. Топологический анализ аварийных выработок показал, что характерными местами, где скапливался метан, являлись: места внезапных расширений и купола в кровле выработок; сопряжения со сбойками с выработанными пространствами и параллельными выработками; ниши для установки оборудования; застойные зоны вблизи машин, механизмов м оборудования.

Ключевые слова: аэродинамика тупиковых выработок, способы проветривания, схемы проветривания, проведение выработок, сопряжение выработок.

Расследование аварийных ситуаций в протяженных тупиковых выработках на угольных шахтах, приведших к взрывам метановоздушных смесей, показало, что большинство из них произошло в призабойной части или в местах осложненной конфигурации. К подобным зонам можно отнести повороты, расширения, сужения, сопряжения. При этом причи-

ной загазирования в месте взрыва стали местные скопления газа, выделяющегося из угольного пласта, по которому проходилась выработка. Источником воспламенения метановоздушной смеси в основном были грубые нарушения техники безопасности, а также неисправности электрооборудования. Технический анализ аварий показал, что основной причиной появления местных скоплений метана во взрывоопасной концентрации стали следующие факторы: недостаточное количество воздуха, подаваемое в выработку и особенности конфигурации протяженных тупиковых выработок — наличие поворотов, сужений, расширений, сопряжений. Сопутствующей причиной была отмечена неэффективность системы автоматической газовой защиты, так как места установки датчиков не совпадали с местами повышенной концентрации газа в местах усложнения конфигурации выработки.

Подобные условия приводили к тому, что скорость движения воздуха по самим выработкам в ряде случаев оказывалась меньше регламентируемой ПБ по опасности местных скоплений, что приводило к образованию местных скоплений метана.

В качестве наиболее рационального решения, направленного на повышение безопасности ведения работ, предложено совершенствование методики расчета аэродинамического сопротивления выработки.

Общее сопротивление работевентилятора местного проветривания складывается из сопротивлений трубопровода и тупиковой выработки. При этом считается, что сопротивление трубопровода намного больше сопротивления самой тупиковой выработки. В литературных источниках приводятся разные цифры - 100-500 раз, поэтому считается, что при расчете общего аэродинамического сопротивления работе вентилятора местного проветриваниясопротивлением выработки допустимо пренебречь [1, 2].

Нами выполнен проверочный расчет всех возможных максимальных сопротивлений тупиковой выработки, отмеченных в материалах расследования аварий, и проведено сравнение их с сопротивлением трубопровода ВМП. Проведен расчет всех дополнительных аэродинамических сопротивлений работе ВМП, которые при обычном расчете не учитываются. Рассматривались следующие виды сопротивлений:

— повороты;

— сужения;

— расширения выработок;

— тип крепи;

— сопряжения выработок без изменения количества воздуха;

— сопряжения выработок с оттоком воздуха;

— сопряжения выработок с притоком воздуха;

Результаты приведены в табл. 1.

Из таблицы видно, что величина сопротивления составляет от общего сопротивления относительно небольшую величину — 2,8 %. Проведенный анализ методик расчета сопротивления сопряжений с притоком воздуха показал, что их величина в значительной степени зависит от соотношения движущегося от призабойной части и поступающего сбоку в выработку воздуха. Величина подобных сопряжений была определена первоначально приодинаковых расходах в прямоугольном сечении, что соответствует коэффициенту местного сопротивления ^пс = 4,95 и составляет 17,5 % от сопротивления выработки.

Таблица 1

Расчет общего сопротивления работе вентилятора местного проветривания

Общее сопротивление работе вентилятора

Гибкий трубопровод

Общее сопротивление гибкого трубопровода, в т.ч. Общее сопротивление выработки, в т.ч.

Сопротивление трения Ятр., % Местные сопротивления Я„.с., % Сопротивление трения Ятр., % Местные сопротивления с, %

75 повороты - 6 68 — 83,7 повороты - 5,8

фасонные части - 1,5 сужения и расширения - 8,7

складки по всей длине -17,5 сопряжения (1,8 — 17,5), в т.ч. — без изменения количества воздуха - 1,8 — с оттоком воздуха - 1,7 — с притоком воздуха - 17,5

Рис. 1. Схема к расчету местного сопротивления сопряжения при ф^90°

Для уточнения диапазонов изменения полученных данных был проведен расчет местного сопротивления сопряжения при различных расходах и углах сопряжения выработок по различным формулам, используемым в аэрологии и промышленной вентиляции [2-4]. При этом используемые формулы справедливы для углов ф < 900. Схема к расчету приведена на рис. 1.

^пс

. _ Оп / Об

Прямоугольное сечение ^^^"Сложная форма сечения

Л Арочное сечение • Круглое сечение

Рис. 2. Результаты расчета коэффициентов местного сопротивления вытяжного сопряжения

Результаты приведены на рис. 2, из которого видно, что при определенных условиях может достигать значительных величин (сложная форма сечения и соотношение расходов боковой и в проходимой выработке). При ^ = 64,6 одного сопряжения общее сопротивление выработки составит дополнительные 4 % к сопротивлению трубопровода (при длине 1000 м).

Для расчета сопряжения выработок под углом, большим 90°,формул в специальной литературе по аэрологии горных предприятий не приведено. Поэтому авторами проведен расчет местного сопротивления подобных сопряжений при различных расходах и углах ф >90° по формулам, используемым в промышленной вентиляции для расчета воздушных завес [5]. Схемы к расчету приведена на рис. 3.

Результаты приведены на графике (рис. 4), из которого видно, что при определенных условиях ^пс может достигать значительных величин. На рис. 4 показаны результаты при ф = 135° и при соотношениях расходов в проходимой и в боковой выработке в пределах 0,25-3.

На графике видно, что при малых значениях соотношений расходов в проходимой и в боковой выработке коэффициент местного сопротивления сопряжения составит величину ^пс = 280 и более. При этом общее сопротивление выработки возрастет соответственно более чем на 14 % к сопротивлению трубопровода (при длине 1000 м и диаметре трубопровода 1 м). При трубопроводе меньшей длины эта величина соответственно увеличится.

Из приведенных результатов аналитических исследований можно сделать вывод, что подобные виды аэродинамических сопротивлений при определенных условиях необходимо учитывать при расчете вентиляции тупиковых выработок.

Квадратное сечение  Прямоугольная форма сечения А Арочное сечение ^ Рб

• Круглое сечение (трубы) • Сложное сечение

Рис. 4. Результаты расчета коэффициентов местного сопротивления вытяжного сопряжения

Основная научно-практическая задача, решение которой предложено авторами, состоит в обосновании величины увеличения подаваемого в забой выработки воздуха путем определения не только расчетного сопротивления трубопровода, но и дополнительного сопротивления участков выработки, включающих в себя местные сопротивления сопряжений.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кирин Б.Ф., Диколенко Е.Я., Ушаков К.З. Аэрология подземных сооружений (при строительстве). - Липецк: Липецкое издательство, 2000. -456 с.

2. Рудничная вентиляция: / Справочник под ред. К.З.Ушакова. — М.: Недра, 1988.

3. Харев A.A. Рудничная вентиляция и борьба с подземными пожарами. Изд. 2-е, переработанное и доп. М.:- Недра, 1978. - 253 с.

4. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям/Под редакцией М.О. Штейнберга. — Изд. 3-е, переработанное и доп. М.:- Машиностроение, 1992. - 672 с.

5. Вассель Р.Я. Расчет воздушных завес для регулирования распределения количества воздуха в подземных выработках // Вентиляция шахт и рудников, Л, 1989. С 41-45. 5333

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Смирняков В.В. — кандидат технических наук, доцент, smirnyakovw@yandex.ru, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

UDC 622.4

AERODYNAMIC RESISTANCE CALCULATION FEATURES OF BLIND WORKINGS OF LONGAND COMPLEX CONFIGURATION

Smirniakov V.V., Phd in eng.sc., associate professor, smirnyakovvv@yandex.ru, National Mineral Resources University «University of Mines», Russia.

The article describes the main features of the extended blind workings aeration of complex configuration, and also provides a way to improve the calculation of aerodynamic resistance of blind workings with local ventilation. The accidents investigation analysis in the extended blind workings of coal mines has been done. It was found out that the cause of the explosion site in gas formation were local clusters of gas emitted from the coal seam, which forms the output. As a result of the technical analysis of accidents it was found out that the main cause local accumulations of methane in explosive concentrations were the following factors: insufficient amount of air supplied to the production and features extensive configuration of blind workings — the presence of turns, restrictions, extensions, interfaces. Topo-logical analysis of emergency mines showed that the typical places where methane concentrated, were: sudden expansion of space and the dome at the top of the workings; interfacing with connection with mined-out spaces and parallel workings; niches for installation; stagnant zones near the machinery, mechanisms m equipment. As the most rational solutions aimed to improve the work safety, it is proposed to improve the mines aerodynamic resistance calculation methods. The main scientific and practical task, which the author recommends, is justification of the increasing air value that supplies to the face by identifying not only the calculated pipeline resistance, but also additional resistance of mine sectors, including local resistance of couplings.

Key words: aerodynamics of blind drifts, ways of gas clearing, schemes of gas clearing, drifts construction, mines connection.

REFERENCES

1. Kirin B.F., Dikolenko E.Ja., Ushakov K.Z. Ajerologija podzemnyh sooruzhenij (pri stroitel'stve) (Aerology of substructures (in construction)). Lipeck: Lipeckoe izdatel'stvo, 2000. 456 p.

2. Rudnichnaja ventiljacija (Mining ventilation) / Spravochnik pod red. K.Z.Ushakova. Moscow: Nedra, 1988.

3. Harev A.A. Rudnichnaja ventiljacija i bor'ba s podzemnymi pozharami (Mining ventilation and treatment with underground fires). Izd. 2-e, pererabotannoe i dop. Moscow: Nedra, 1978. 253 p.

4. Idel'chik I.E. Spravochnik po gidravlicheskim soprotivlenijam (Hydraulic resistance handbook)/Pod redakciej M.O. Shtejnberga. — Izd. 3-e, pererabotannoe i dop. Moscow: Mashinostroenie, 1992. 672 p.

5. Vassel' R.Ja. Raschet vozdushnyh zaves dlja regulirovanija raspredelenija kolichestva vozduha v podzemnyh vyrabotkah (Calculation of air screens to control the air distribution in mines)// Ventiljacija shaht i rudnikov, L., 1989. pp. 41-45.