ОСНОВЫ ШАХТНОЙ АЭРОМЕХАНИКИ

К.Г.СИНОПАЛЬНИКОВ, В.В.СМИРНЯКОВ, Н.А.ХОХЛОВ

ВЕНТИЛЯЦИЯ ШАХТ

И РУДНИКОВ

Лабораторный практикум

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический университет)

К.Г.СИНОПАЛЬНИКОВ, В.В.СМИРНЯКОВ, Н.А.ХОХЛОВ

ВЕНТИЛЯЦИЯ ШАХТ

И РУДНИКОВ

Лабораторный практикум

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

УДК 622.4.012.2 (075.80)

ВЕНТИЛЯЦИЯ ШАХТ И РУДНИКОВ:Лабораторный практикум /

Санкт-Петербургский горный ин-т. Сост.: К.Г. Синопальников, В.В. Смирняков,

Н.А. Хохлов. СПб, 2003. 77с.

Кратко изложены основы шахтной аэромеханики, описаны аэродинамиче-

ские установки, на которых выполняются лабораторные работы и исследования,

аппаратура для измерения депрессии, правила работы с ней, методика обработки

результатов измерений, цели, задачи и содержание лабораторных работ.

Лабораторные работы построены по принципу постепенного усложнения

от единичных замеров депрессии до замеров и расчета комплекса аэродинамиче-

ских параметров. Большинство работ носит исследовательский характер. Пособие

предназначено для студентов всех горных специальностей.

Табл. 17, Ил. 14, Библиогр.: 5назв.

Научный редактор проф. Ю.В. Шувалов

Рецензенты: проф. О.Н. Русак (Санкт-Петербургская лесотехническая ака-

демия), проф. В.Н. Денисов (НИЦЕБ, Санкт-Петербург).

горный институт им. Г.В. Плеханова, 2003 г

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечение безопасных условий труда на горных предпри-

ятиях является одной из важнейших задач инженерной деятельно-

сти. Весьма ответственная роль в создании таких условий принад-

лежит вентиляции, которая должна обеспечить горные выработки

необходимым количеством воздуха требуемого качества.

Для того, чтобы обеспечить такие условия, горный инженер

должен знать теорию вентиляции, приборы и аппаратуру, использу-

емые для управления вентиляцией и контроля ее параметров, а так-

же приобрести навыки работы с этой аппаратурой, освоить методы

измерения и оценки параметров вентиляционной сети и воздушных

потоков.

ОСНОВЫ ШАХТНОЙ АЭРОМЕХАНИКИ

Все рассматриваемые в настоящем пособии лабораторные

работы основаны на измерениях давления и депрессии (разности

давлений) в различных точках воздушного потока. Известно, что

давление характеризует энергию потока. В международной системе

единиц СИ давление и депрессия измеряются в паскалях,т.е. в нью-

тонах на квадратный метр. Умножив числитель и знаменатель этой

размерности на метр, получим джоуль/м3, т.е. энергию единицы

объема воздуха.

В воздушном потоке действуют статическое p ст, динамиче-

ское p дин, и полное p пдавления. Наличие их можно пояснить сле-

дующим простейшим примером. Если в движущийся воздушный

поток неподвижно поместить куб (например, привязав его нитями к

стенкам выработки или трубопровода) и расположить его гранями

параллельно и перпендикулярно вектору скорости потока, то давле-

ние воздуха на разные грани будет неодинаковым.

На боковые грани, расположенные параллельно вектору ско-

рости, действует статическое давление, величина которого на каж-

дую из четырех граней одинакова.

На грань, обращенную навстречу потоку воздуха, давление,

очевидно, будет бóльшим. Это давление именуется полным, оно

складывается из статического и динамического, т.е.

р п = р ст + р дин
(1)

Динамическое давление, оказываемое набегающим потоком

return false">ссылка скрыта

воздуха на переднюю грань, стремится сдвинуть куб, увлечь его по-

током (удерживающие куб нити натянутся в направлении вектора

скорости)

Наконец, на заднюю грань куба будет действовать наимень-

шее давление, так как обтекающий куб поток воздуха создает за ним

разряжение. Величина этого давления в идеальном случае р=р ст-р дин ,

а в реальных случаях близка к этому значению.

Если теперь перерезать удерживающие куб нити, то он будет

увлечен потоком (предполагается, что куб легкий). При движении

куба со скоростью, равной скорости потока, динамическое давление

на куб отсутствует и величина давления на все его грани будет оди-

наковой и равной статическому (весом самого куба пренебрегаем).

Очевидно, что и в неподвижном воздухе действует только статиче-

ское давление, а динамическое давление отсутствует и поэтому

полное давление равно статическому.

Первопричиной статического давления служит аэростатиче-

ское (атмосферное) давление. Оно характеризует потенциальную

энергию воздуха. Причиной динамического давления является дви-

жение (скорость) воздуха, поэтому динамическое давление часто

называют скоростным давлением или скоростным напором

(р дин =р ск ). Скоростное давление характеризует кинетическую энер-

гию воздуха. Полное давление воздуха характеризует полную энер-

гию потока, которая является суммой потенциальной и кинетиче-

ской энергии.

Депрессией в рудничной вентиляции называется разность

давлений воздуха между любыми двумя пунктами (точками) замера,

т.е.

h 1- 2 = p 1 – p 2

(2)

где: 1 и 2 - индекс точек замера.

Разность статических давлений называется статической де-

прессией h ст , разность скоростных давлений – скоростной депрес-

сией h с к , разность полных давлений – полной депрессией h п .

Одним из основных уравнений шахтной аэродинамики явля-

ется уравнение Бернулли. Это уравнение объединяет все основные

величины, необходимые для решения вентиляционных задач. При-

менительно к шахтной вентиляционной сети уравнение Бернулли

может быть представлено в виде

hст+ hе + hск = hсопр ,
(3)

где: h ст – статическая депрессия (разность давлений), создаваемая в

шахтной сети работой вентилятора; h е – депрессия естественной тя-

ги; h ск – скоростная депрессия; h сопр –депрессия, расходуемая на

преодоление всех сопротивлений движению воздуха по выработкам

шахтной сети.

Левая часть уравнения (3) выражает собой суммарную вели-

чину энергии (давления), сообщаемой воздуху различными источ-

никами (вентилятором, естественной тягой, скоростным напором), а

правая – величину энергии, расходуемой на преодоление сопротив-

ления шахтной сети движению воздуха. Равенство этих частей урав-

нения вытекает из закона сохранения энергии.

Сопротивление движению воздуха оказывают следующие

факторы: трение его о поверхности выработок, местные сопротив-

ления (повороты, разветвления, слияния, сужения расширения

струи) и лобовые сопротивления (расстрелы, средние стойки, гор-

ные машины, вагонетки и т.п.). Энергия (давление, депрессия) воз-

душного потока, расходуемая на преодоление всех этих видов со-

противления называется депрессией шахты (участка, выработки).

Статическая депрессия измеряется разностью статических

давлений, создаваемых вентилятором на рассматриваемом участке

сети:

h ст = p ст 1 – pст 2 = h ст 1-2

(4)

Если воздух движется от пункта 1 к пункту 2, то величина

h ст 1-2 имеет положительный знак, т.к. p ст 1 > pст 2 (воздух может дви-

гаться только из области большего давления в область меньшего

давления).

Депрессия естественной тяги измеряется разностью веса

вышележащих столбов воздуха, оказывающих статическое давление

на поток воздуха в пунктах 1 и 2,

hе = γ1 H 1 - γ2 H 2
(5)

где: Н1 и Н2 – высота вышележащих над пунктами замера столбов

воздуха; γ1 и γ2 – удельный вес воздуха в столбах Н1 и Н2 (величина

его зависит от давления и температуры воздуха).

Депрессия естественной тяги может быть выражена и через

плотность воздуха ρ. Так как γ= ρg, где g – ускорение свободного

падения, то h е = g (ρ1Н1 – ρ2Н2 ).

Если γ1 H 1 > γ2 H 2 , то h е > 0. В этом случае естественная тяга

помогает работе вентилятора, способствуя движению воздуха от

пункта 1 к пункту 2, и величина h е имеет одинаковый знак с величи-

ной h ст в уравнении (3).

Если γ1 H 1 < γ2 H 2 , то h е < 0. В этом случае естественная тяга

противодействует работе вентилятора, препятствуя движению воз-

духа от пункта 1 к пункту 2, и величина h е имеет знак, противопо-

ложный знаку величины h ст в уравнении (3). При этом величина h е

может трактоваться как сопротивление движению воздуха и по аб-

солютной величине может суммироваться с h сопр (hе переносится из

левой части уравнения (3) в правую). Наконец, если γ1 H 1 = γ2 H 2 , то

hе =0, т.е. естественная тяга отсутствует и не оказывает действия на

движение воздушного потока.

Скоростная депрессия измеряется разностью скоростных

давлений в пунктах (сечениях потока) 1 и 2 шахтной вентиляцион-

ной сети:

hск = p ск 1 – pск 2 = ( k 1 γ1 v 12 - k 2 γ2 v 22 ) / 2g

(6)

где: 1 и 2 - индексы пунктов замера; p ск 1 и pск 2 – величина скорост-

ного (динамического) давления; v1 и v2 – средняя по сечению ско-

рость движения воздуха; γ1 и γ2 – удельный вес воздуха в пунктах

замера; k1 и k2 – коэффициенты кинетической энергии, учитываю-

щие неравномерность распределения скоростей движения воздуха в

сечениях 1 и 2.

Скоростная депрессия может быть выражена и через плот-

ность воздуха ρ. Так как γ = ρg, где g – ускорение свободного паде-

ния, то h ск = ( k 1 ρ1 v 12 - k 2 ρ2 v 22 ) / 2.

Если v1 > v 2 , то p ск 1 > pск 2 и h ск >0, т.е. скоростной напор

помогает работе вентилятора (величина напора имеет одинаковый

знак с величиной h ст ). Такое положение имеет место, например, ко-

гда ветер задувает в воздухоподающую штольню или ствол, или ко-

гда выработка расширяется по ходу струи. В последнем случае ско-

рость движения воздуха падает и часть его кинетической энергии

переходит в потенциальную, увеличивая статическое давление воз-

духа p ст 2 .

Если v1 < v 2 , то p ск 1 < pск 2 и h ск <0. В этом случае скорост-

ное разрежение противодействует работе вентилятора и имеет знак,

противоположный знаку h ст в уравнении (3). Такое положение име-

ет место, например, когда неподвижный или малоподвижный воздух

из атмосферы засасывается вентилятором в выработку (ствол,

штольню) или когда выработка сужается по ходу струи. В этих слу-

чаях часть энергии вентилятора затрачивается на «разгон» воздуха

со скорости v1 до v2 и статическое давление p ст 2 уменьшается, так

как часть потенциальной энергии потока переходит в кинетическую.

При этом величину h ск можно трактовать как сопротивление дви-

жению воздуха и по абсолютной величине суммировать с h сопр (hск

переносится из левой части уравнения (3) в правую).

Наконец, если v1 = v 2 и p ск 1 = pск 2 , то h ск =0, т.е. скоростное

давление (разрежение) отсутствует.

Очевидно, что в практике проветривания могут иметь место

различные сочетания причин, способствующих и препятствующих

движению воздуха в шахтной сети. Например, проветривание может

осуществляться только за счет естественной тяги, или только за счет

ветрового напора, или за счет и того и другого фактора (такие слу-

чаи могут быть при аварийных остановках главного вентилятора).

Естественная тяга может помогать работе вентилятора, а ветровой

напор – препятствовать движению воздуха и наоборот. Все эти

частные случаи учитываются уравнением Бернулли, которое позво-

ляет дать количественную оценку в каждом из этих случаев.

Применяя уравнение Бернулли к моделям горных выработок,

на которых выполняются лабораторные работы, нужно иметь в виду

следующее:

1. Так как разность высотных отметок верхней и нижней вет-

вей модели весьма мала (Н1 – Н2 = 0,2 м), ею можно пренебречь, а

удельный вес воздуха во всех точках модели в атмосфере лаборато-

рии считать одинаковым, т.е. γ1 = γ2 =………=γ; при этом, очевидно,

влияние естественной тяги на процесс движения воздуха в модели

исключается, т.е. h е =0.

2. Распределение скоростей движения воздуха в разных по-

перечных сечениях выработок модели различается весьма несуще-

ственно, а точки замера предусмотрены в тех местах, где поле ско-

ростей не имеет выраженных аномалий, поэтому можно полагать

k 1 = k 2=……=1. При этом, а также имея в виду, что γ1 = γ2 =………=γ,

скоростную депрессию можно вычислять по формуле

hск = p ск 1 – pск 2 = ( v 12 - v 22 ) γ / 2g = ( v12 - v 22 ) ρ / 2
(7)

С учетом сделанных замечаний уравнение Бернулли приме-

нительно к используемым аэродинамическим установкам (моделям)

принимает вид

h ст + h ск = h сопр

или в развернутом виде

( p ст 1 – p ст 2 ) + ( v 12 - v 22 ) γ / 2g = h сопр 1 – 2

(8)

(9)