Закономерности образования опасной концентрации метана в местах локального уменьшения скорости метановоздушного потока

Е.А. Колесниченко, д.т.н., профессор, Шахтинский институт (филиал) ГОУ ВПО «ЮРГТУ (НПИ)»

В.Б. Артемьев, д.т.н., профессор, ОАО «Сибирская Угольная Энергетическая Компания» (СУЭК)

И.Е. Колесниченко, д.т.н., профессор, Шахтинский институт (филиал) ГОУ ВПО «ЮРГТУ (НПИ)»

Е.И. Любомищенко, аспирант, Шахтинский институт (филиал) ГОУ ВПО «ЮРГТУ (НПИ)»

Анализ возгорания и взрывов метановоздушных сме- сей в угольных шахтах показал, что воспламенения метановоздушной смеси происходят при возникно- вении искр на неисправном электрооборудовании, при фрикционном трении. При этом, все источники возгорания объединяет то, что они находятся на пути движения потоков метановоздушных смесей и являются для них аэродинами- ческим сопротивлением, в результате чего метановоздушная смесь обтекает эти поверхности-препятствия.

Возгорания и взрывы метана в выработках происходят вне- запно, и приборы контроля при этом часто не предупрежда- ют об опасной концентрации. Известно, что по площади по- перечного сечения выработок концентрация метана в мета- новоздушных потоках не одинакова. Могут быть локальные скопления метана, но они образуются около источников выделения метана при недостаточных объёмах свежего возду- ха и постоянно перемещаются исходящим потоком.

По нашему мнению, возгорание метановоздушной смеси является следствием физических процессов, которые проис- ходят в пограничных слоях смеси на контакте с обтекаемым аэродинамическим сопротивлением. В этих слоях происхо- дит увеличение концентрации метана в соответствии с фун- даментальным законом Бойля-Мариотта.

Рис. 1 Схема распространения метановоздушной смеси при обтекании технологического оборудования в призабойном пространстве выработки

Рис. 1 Схема распространения метановоздушной смеси при обтекании технологического
оборудования в призабойном пространстве выработки

Рассмотрим схему движения потоков свежего воздуха и метановоздушной смеси из забоя подготовительной выра- ботки (рис. 1). Схема движения потоков составлена по ре- зультатам шахтных замеров и физического моделирования.

Свежий воздух при перемещении от вентиляционной тру- бы к забою занимает некоторый объём призабойного про- странства. Метановоздушная смесь перемещается от забоя в нижней части призабойного пространства, где расположе- но электрифицированное технологическое оборудование.

Скорость движения смеси по площади перемещения неоди- накова. В центральной части выработки она максимальная, режим движения потока турбулентный. Скорость движения уменьшается на периферийных участках потока в результа- те влияния аэродинамического сопротивления трения об элементы крепи или о шероховатые стенки выработки (рис. 2а). На этих участках скорость движения потока становится меньше критической, и турбулентный режим переходит в ламинарный.

Рис. 2 Упрощённая схема вентиляции очистного забоя при всасывающем способе: 1, 2, 3,4, 5 – элементарные струи пограничного слоя метановоздушного потока

Рис. 2 Упрощённая схема вентиляции очистного забоя при всасывающем способе:
1, 2, 3,4, 5 – элементарные струи пограничного слоя метановоздушного потока

Приграничный слой с ламинарным режимом течения, который обтекает по- верхности препятствий, можно разбить на элементарные струи (рис. 2б, 2в). Скорость движения потока в этих стру- ях неодинакова и уменьшается с при- ближением к поверхности обтекания. За препятствием происходит закручива- ние («завихрение») струй погранично- го слоя и образуется локальная зона, в пределах которой струи перемещаются с меньшей скоростью, чем за границей этой зоны.

Анализ закономерностей изменения скорости метановоз- душного потока при обтекании источника возгорания по- казал, что скорость движения в пограничном слое за препят- ствием значительно меньше, чем в транзитном потоке.

В рудничной аэрологии рассматриваются изменения ско- ростей потоков при определении аэродинамического сопро- тивления трения и лобового сопротивления. Физические процессы при обтекании препятствий и их влияние на взры- во- и пожаробезопасность в метанообильных выработках не учитываются. Это объясняется тем, что при расчётах прове- тривания в технической литературе и нормативных доку- ментах «сократили» плотность воздуха. В результате физи- ческий закон сохранения массы воздуха или газа превратил- ся в закон сохранения объёма.

Рассмотрим физические процессы, происходящие при встрече аэродинамического сопротивления, которое приво- дит к изменению скорости метановоздушного потока с тур- булентного на ламинарный режим течения. Допустим, что элементарная мас- са m метановоздушной смеси объ- ёмом Q1 и концентрацией метана С1 перемещается до препятствия со ско- ростью V1 (рис. 3).

054 10

Рис. 3 Схема изменения параметров
элементарной струи метано-воздушного потока при обтекании препятствия

При обтекании препятствия в ре- зультате увеличения аэродинамиче- ского сопротивления скорость тече- ния элементарной массы уменьша- ется до V2. Температура на этом участке движения не изменилась. Из закона сохранения массы сле- дует, что

054 4

где ρ1, ρ2 – соответственно, плотность удельной массы веще- ства до и после обтекания препятствия, кг/м3; ω1, ω2 – со- ответственно, площадь поперечного сечения элементар- ной струи до и после обтекания препятствия, м2.

Из определения элементарной струи следует, что её сече- ние не изменяется, т.е. ω1 = ω2. Тогда m = ρ1· V1 = ρ2· V2. Так как V2 < V1, то после обтекания препятствия проис- ходит скачёк уплотнения, плотность элементарной массы повысится и станет равной

054 5

При этом объём элементарной массы уменьшился

054 5

Подставив значения из выражения (1) в выражение (2), получим

054 5

Концентрация метана в элементарной массе до препятствия при турбулентном движении равна

054 8

где i1 – количество метана в перемещаемой эле- ментарной массе метановоздушной смеси, м3/с.

В связи с тем, что концентрация метана в местных скоп- лениях в очистных и тупиковых выработках не должна пре- вышать 2%, то объёмное значение её можно принять i1 = i2. В пограничном слое после уменьшения элементарного объёма объёмная концентрация остаётся без изменения, но молярная концентрация увеличится обратнопропорцио- нально изменению объёма или скорости перемещения эле- ментарной массы.

Молярная концентрация с учётом физических процессов, которые происходят при обтекании возможных источников воспламенения, определяется по формуле

054 9

где i1 – абсолютная метанообильность в забое выработки, м3/с; Q1 – расход воздуха, подаваемого вентилятором ме- стного проветривания в призабойное пространство вы- работки, м3/с; V1 – скорость метановоздушной смеси в исходящем потоке от забоя выработки, м/с; V2 – скорость метановоздушной сме- си в пограничном слое за аэродинамичес- ким препятствием, м/с.

В связи с тем, что скорость движения метановоздушной смеси V1V2, то кон- центрация метана С2м > С1. Таким обра- зом, при обтекании препятствия концен- трация метана за препятствием увеличива- ется обратно пропорционально уменьше- нию скорости за этим препятствием.

Например, в зоне работы комбайна кон- центрация метана равна по замерам 2%. В общем исходя- щем потоке скорость струи воздуха 0.25 м/с, а за препятстви- ем – 0.1 м/с. В соответствии с формулой (4) концентрация метана в этом месте увеличится в 2.5 раза и составит 5%.

Чтобы проверить реальные скорости воздушных потоков при обтекании препятствия, были выполнены лабораторные исследования на модели (рис. 4). Вентилятор располагался на расстоянии 0.9 м от препятствия шириной 0.18 м, длиной 0.37 м и высотой 0.6 м. Скорость воздуха измерялась до пре- пятствия, сбоку и за ним. Результаты замеров приведены в таб- лице. Перед препятствием скорость движения воздуха в т. 1 и т. 2 уменьшилась с 2.35 до 2.15 м/с. У боковой поверхности об- текания скорость вначале увеличилась до 2.9 м/с (т. 11), но в результате потерь на трение снизилась до 1.75 м/с (т. 12).

Рис. 4 Схема лабораторных замеров на модели скорости воздушных потоков при обтекании препятствия

Рис. 4 Схема лабораторных замеров на модели скорости воздушных потоков при обтекании препятствия

При обтекании боковой поверхности преграды образова- лись три движущихся слоях с различной скоростью. Ближе к началу обтекания скорость струй повысилась, а в конце по- верхности снизилась до 1.75 м/с (т. 12). Во втором слое ско- рость уменьшилась (точки 13, 14, 10 и 8). В последующем слое скорость увеличилась до 2.35 м/с (т. 3).

За препятствием в пограничном слое струи воздуха закру- чиваются с резким уменьшением скорости, а затем возвра- щаются в движущийся поток, частично уходят вверх или вниз. У задней поверхности препятствия крыльчатка анемо- метра АСО-3 почти не вращалась и периодически меняла направление вращения. На расстоянии 0.1 м от преграды скорость была 0.43 м/с, а на расстоянии 0.15 м – 0.54 м/с. С увеличением расстояния от преграды до 0.4 м/с скорость в струях воздуха увеличилась до 1.15 м/с (т. 7). Затем на участке длиной 0.1 м произошло увеличение скорости почти в 2 раза до 2.2 м/с (т. 9).

Таким образом, за преградой в результате аэродинамиче- ского сопротивления движущемуся потоку газообразной среды образовалась застойная зона, длина которой в 2 раза больше ширины препятствия. Скорость в струях воздуха в этой зоне по слоям уменьшилась с 1.75 м/с в 4–5 раз. Это зна- чит, что при движении метановоздушной смеси концентра- ция метана в этой зоне за таким препятствием также увели- чится в 4–5 раз.

Выводы

При обтекании метановоздушной смесью различных пре- град в пограничных слоях уменьшается скорость движения. За преградой формируется область, в пределах которой в со- ответствии с физическим законом Бойля-Мариотта в дви- жущихся с небольшой скоростью струях потока увеличива- ется плотность, уменьшается объём воздуха. В результате, в этой области увеличивается концентрация метана по срав- нению с концентрацией в транзитном потоке.

Такое увеличение концентрации в движущемся потоке происходит при обтекании электрооборудования и других опасных источников возгорания в горных выработках, а так- же в выработанном пространстве.

Журнал "Горная Промышленность" №1 (95) 2011, стр.54