CC BY
37
УДК 622.411.332:661.92:622.812.001.1 © И.Е. Колесниченко, В.Б. Артемьев, Е.А. Колесниченко, В.Г. Черечукин, Е.И. Любомищенко, 2018
Горная аэродинамика: физико-химические закономерности и принципы'
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-5-58-64
КОЛЕСНИЧЕНКО Игорь Евгеньевич
Доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Строительство и техносферная безопасность» Шахтинского института (филиала) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, 346527, г. Шахты, Россия, тел.: +7 (8636) 22-75-49, e-mail: [email protected]
АРТЕМЬЕВ
Владимир Борисович
Доктор техн. наук,
профессор кафедры
«Безопасности и экологии
горного производства»
Горного института НИТУ «МИСиС»,
заместитель
генерального директора -
директор по производственным
операциям АО «СУЭК»,
115054, г. Москва, Россия,
e-mail: [email protected]
КОЛЕСНИЧЕНКО Евгений Александрович
Доктор техн. наук, профессор кафедры «Строительство и техносферная безопасность» Шахтинского института (филиала) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, 346527, г. Шахты, Россия, e-mail: [email protected]
Статья посвящена проблемам обеспечения метанопыле-вой безопасности в горных вы/работках. Объектом анализа были принятыI монография и ряд учебных пособий, в которых сформированы>/ основные постулаты/ концепции. Показано, что научные допущения в концепции, принятые в середине прошлого века, нуждаются в корректировке в соответствии с фундаментальны/ми законами физики и химии. К основным допущениям относятся принятие гидравлического уравнение Д. Бернулли для элементарной струйки жидкости и выход летучих веществ. Приведены/ рекомендуемые определения горной аэродинамики вентиляции. Дана молярная характеристика метана и угольной пыли. Показано участие горючих элементов метана и органической части угольной пыли в химических процессах возгорания и взры/ва в шахтной атмосфере. Приведены/ параметры/ воздухопроводов, которые влияют на метанобезопасность. Предложена концепция физического механизма движения воздуха в ограниченном пространстве горных вы/работок и вентиляционных труб. Показано, что основным движителем воздуха является создание неравновесного состояния из-за разности удельной плотности в вы/работке. Перемещение воздуха осуществляется в результате процессов диффузии. Впер-вы>/е приведены/ теоретически установленные и экспериментально доказанные закономерности изменения избыточного и динамического давления в воздухопроводе. Показано, что уменьшение избы/точного давления в воздухопроводе является результатом уменьшения плотности воздуха при диффузии. Предложенная концепция показывает, что опасной является не объемная, а молярная концентрация, которая отличается от объемной. Ключевые слова: горная аэродинамика, вентиляция, метанобезопасность, плотность воздуха, концепция, молекулярный состав, молярная концентрация, избыточное давление, динамическое давление, ограниченный поток, изолированная система, неравновесная среда, диффузия, сжимаемость воздуха, пограничные слои.
* В написании статьи принимали участие:
Черечукин Владимир Геннадьевич, заместитель главного инженера ФГУП «ВГСЧ», 109548, г. Москва, Россия, тел.: +7 (945) 179-98-91, e-mail: [email protected];
Любомищенко Екатерина Игоревна, канд. техн. наук, доцент кафедры «Строительство и техносферная безопасность» Шахтинского института (филиала) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, 346527, г. Шахты, Россия, е-mail: [email protected]
АКТУАЛЬНОСТЬ
Значительный прогресс в области изучения и совершенствования научных основ аэродинамики с целью обеспечения безопасных условий в подземных горных выработках был обеспечен российскими и зарубежными учеными [1, 2, 3, 4, 5]. Однако происходящие взрывы горючей среды в шахтной атмосфере горных выработок показали, что научные допущения известной концепции, принятой в средине прошлого века, нуждаются в корректировке в соответствии с фундаментальными газовыми законами. Роль вентиляции в обеспече-
нии безопасности растет. В горных выработках при контроле параметров воздушных потоков требуются знания фундаментальных закономерностей изменения физических параметров воздуха в стесненных условиях горных выработок, влияния этих изменений на концентрацию переносимых воздухом горючих веществ.
Научные знания, дающие целостное представление о законах движения и таких свойствах воздуха, как плотность, давление, температура и молекулярный состав, представлены в разделе физики «аэродинамика». Горная аэродинамика учитывает влияние увеличения барометрического давления, стесненные условия и ограничение параметров воздушных потоков в горных выработках и вентиляционных воздухопроводах. Однако все фундаментальные законы движения воздуха как реального материального вещества действительны в горных выработках.
Целью работы является анализ распространенной концепции движения воздуха и метанопылевой безопасности в горных выработках и соответствия принятых теоретических постулатов природным и фундаментальным физико-химическим законам.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве объектов для анализа была принята монография 1969 г. [1] и наиболее распространенные учебные пособия, предназначенные для инженерно-технических работников горных предприятий и студентов вузов [2, 3, 4, 5]. Выбранные пособия включают преемственно-временные взгляды и трактовки научных основ газодинамики и вентиляции в горных выработках.
Обсуждение результатов анализа
В книге В.Б. Комарова и Ш.Х. Килькеева «Рудничная вентиляция», изданной в 1969 г. [1], положено начало интерпретации законов движения воздуха. Приведена стандартная плотность воздуха, равная 1,22 кг/м3, которая используется только при расчете скоростного давления и шахтных замеров. Рассмотрена борьба с вредной пылью, под которой понимаются мелкие и мельчайшие частицы полезного ископаемого и пустой породы.
При обосновании закона движения воздуха в рудничных выработках сразу заложена ошибка, которая фигурирует и в последующих публикациях. Закон сохранения массы описан следующей зависимостью [1]:
vj • Sj • p1 = v2 ■ S2 ■ p2 = ... = const, (1)
где: v1, v2 - скорость воздуха, м/с; S1, S2 - сечение выработки, м2;p1, p2 - удельная плотность воздуха, кг/м3.
В формуле (1) приведен массовый расход воздуха, кг/с. Авторы в качестве аксиомы принимают неизменяющуюся удельную плотность воздуха в подземных выработках, как у жидкости. Поэтому получается закон сохранения расхода воздуха, а скорость воздуха зависит только от площади поперечного сечения выработки.
Однако закон сохранения массы учитывает и время перемещения t [6]:
V1 ^ S1 ^ pi ^ t1 = V2 ^ S2 ^ pi ^ t2 = . = COnSt. (2)
Время t1 и t2 перемещения массы вещества показывают разнообразие характеристик веществ и возможное изменение удельной плотности при движении.
В качестве основного уравнения движения воздуха было принято гидравлическое уравнение для элементарной
струйки жидкости, которое было представлено Даниилом Бернулли в 1738 г. [6]:
2 2 p и, p. и
Zj + = Z2 + -Ч м,
(3)
y 2q y 2q
где: z, z2 - превышение сечений 1-1 и 2-2 над плоскостью сравнения; p, p2 - гидродинамические давления соответственно в сечениях 1-1 и 2-2; ul, u2 - скорости жидкости в сечениях 1-1 и 2-2; у - вес единицы объема жидкости; q - ускорение свободного падения тела.
Уравнение (3) показывает равенство суммы потенциальной энергии (веса жидкости) и скоростного (кинетического) напора в двух сечениях. В дальнейшем это уравнение Д. Бернулли было изменено другими авторами и использовано для определения кинетической энергии в целом потоке реальной вязкой жидкости при установившемся движении.
В книге В.Б. Комарова и Ш.Х. Килькеева представлено преобразованное уравнение Д. Бернулли [1]:
Pi -Р2 + YiHi Y2H2 + Yi -k27TY2 = hc 2q 2q
(4)
где:р1 ир2 - замеренная разность давления воздуха в начале и конце выработки или воздухопровода; ксопр - сопротивление движению воздуха на пути его следования; Н1, Н2 - разность высоты столбов воздуха; к1, к2 - коэффициенты кинетической энергии, обусловленные неравномерным распределением скоростей движения воздуха по сечению выработки.
Уравнение (4) отражает баланс энергий с учетом потерь энергии при движении воздуха в выработке. На практике движение воздушного потока начинается от вентилятора, и величина развиваемого давления должна преодолеть сопротивление в выработке (воздухопроводе): кв = ксопр.
Разность статического давления столбов воздуха в воз-духоподающей и воздуховыдающей выработке называется «естественной тягой»: к, = у1Н1 - ЬН2. (5)
Так как уравнение Бернулли (4) рассматривает проточный поток, то скоростное давление определяется в начале и в конце рассматриваемого потока. Авторы [1] не поняли математическое уравнение Бернулли, в котором рассматривается проточная струя с установившимся движением, а в сечении 2-2 скорость воздуха не может быть равной нулю. Показано, что создание скоростного напора на выходе воздуха в атмосферу (или из вентиляционной трубы) - это бесполезная работа вентилятора. Однако если скорость потока на выходе в атмосферу или в сечении 2-2 будет равна нулю, значит, воздух в выработке не движется, расхода воздуха нет. Поэтому нет объяснения физической основы разности замеренного и скоростного давления в выработке в начале и в конце потока.
В работе приведен закон аэродинамики: всякое увеличение скорости движения воздушного потока вызывает уменьшение давления воздуха, всякое уменьшение скорости вызывает увеличение давления. При этом верно дана область применения этого закона. Эти соотношения требуются при определении потери давления на преодоление сопротивления движению воздуха.
Отсюда следует вывод: на основании уравнения Бер-нулли не определен вид давления, которое уменьшается
2
2
в движущемся потоке. Однако из формулы закона сопротивления видно, что это скоростное давление воздуха. Не показан физический процесс движения воздуха в выработках. Заложена основа упрощенного перемещения воздуха в объемах. Но шахтная атмосфера состоит не из кубов воздуха, а из реального вещества, одним из основных параметров которого является плотность, от которой зависит давление различных видов. Приведены эмпирические формулы для определения длины дальнобойности струи воздуха после истечения из вентиляционного трубопровода в зависимости от площади поперечного сечения выработки. Из формулы (4) видно, что на выходе струя имеет начальную скорость и кинетическую энергию, и эту длину необходимо определять с применением физических газовых законов.
В книге Абрамова Ф.А. «Рудничная аэрогазодинамика» [2] рассматриваются научные основы гидродинамики. В основном представлены эмпирические закономерности для решения практических задач. Вопросы влияния вентиляции на метанопылевую безопасность не рассматриваются.
В учебном пособии Ушакова К.З., Бурчакова А.С., Медведева И.И. «Рудничная аэрология» [3] приведены сведения о взрывоопасности угольной пыли. Однако взрыво-опасность не объясняется химическим составом угольной пыли. Одним из основных факторов, характеризующих склонность угольной пыли к взрыву, принят выход летучих веществ. В нормативных документах по безопасности в шахтах и в настоящее время выход летучих веществ определяет опасность угольных пластов по угольной пыли [7, 8]. Однако этот фактор не имеет фундаментальной основы. Он не имеет отношения к процессам возгорания и взрыва угольной пыли. Процент выхода летучих определяется при нагревании 1 г пыли с максимальным размером частиц 212 мкм до температуры 900°С без доступа воздуха. Происходит деструкция пылинки на отдельные фракции макромолекул органического вещества. Это не обязательно газ, так как не было химических реакций с кислородом воздуха.
Горение и взрыв - это энергетическое свойство вещества. Представление о горючих химических элементах в угле впервые были представлены в 1897 г. Д.И. Менделеевым. Им была предложена формула для расчета высшей теплоты сгорания по данным элементного анализа угля, которая зависит от массовой доли углерода и водорода. Экспериментальные исследования влияния выхода летучих веществ на взрывоопасность угольной пыли продолжаются в России и за рубежом [9, 10, 11, 12, 13]. Не зная ил и имея смутное представление о структурно-вещественном строении угольного пласта, экспериментальные исследования производятся с пылью неизвестного вещественного состава.
В работе приведены виды давления воздуха при движении, но объяснения приведены такие же, как и в работе [1]. Ошибки заключаются в утверждении, что уменьшение статического давления воздуха сопровождается выполнением определенной работы. Утверждается, что движущей силой перемещения потока воздуха является статический напор, создаваемый вентилятором, который расходуется на сопротивление движению. В подтверждение приведены эпюры статистических напоров при рассредоточенной установке вентиляторов. Понятие статического давления относится к неподвижному воздуху. Статического напо-
ра воздуха не может быть, так как разница статического давления в различных частях потока объясняется неодинаковой удельной плотностью газообразного вещества.
В справочнике К.З. Ушакова и др. [4] продолжается обоснование влияния выхода летучих веществ на взрывоопасность угольных пластов. В разделах аэродинамики расчеты параметров вентиляции представлены в виде математических моделей и фактографических знаний.
Научные основы аэродинамики в «Аэрологии подземных сооружений» (при строительстве) [5] по содержанию аналогичны представленным в работах [1, 2, 3, 4] и не содержат новых фундаментальных знаний.
ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ
ГОРНОЙ АЭРОДИНАМИКИ
В соответствии с п.121 ПБ [7] задача проветривания состоит в обеспечении горных выработок расходом воздуха не менее расчетного, который должен соответствовать нормам и правилам в области промышленной безопасности. На практике эта задача решается организацией системы вентиляции.
Вентиляция - это практическая реализация доставки различными способами и средствами с учетом закономерностей горной аэродинамики потоков атмосферного воздуха с целью замещения загазованной и запыленной шахтной атмосферы в пределах пространственно-технологической схемы горных выработок.
К правилам в обеспечении промышленной безопасности методом вентиляции относится предотвращение взрывоопасных концентраций горючей среды в ограниченном пространстве горных выработок.
Горная аэродинамика изучает динамику перемещения потоков воздуха в результате перехода системы молекулярной массы воздуха из одного равновесного состояния в другое в ограниченном пространстве воздуховодов, отделенных от атмосферного воздуха, и закономерности изменения параметров состояния переносимых воздухом веществ в различном химическом состоянии в результате действия комплекса природных и фундаментальных газовых законов физики и молекулярно-кинетической теории химии.
• Характеристика свойств шахтного воздуха,
метана и угольной пыли
Шахтный воздух в горных выработках отличается от атмосферного не только составом, но и концентрированным действием газовых законов физики и молекулярно-кинетической теории химии. Воздух состоит в основном из молекул кислорода и азота. Молекулярная масса воздуха при температуре 273 К (0°С) и барометрическом давлении, равном 760 мм ртутного столба, равна 28,963 г/моль. Молярный объем равен 22414 см3. Давление атмосферного воздуха при постоянной температуре пропорционально числу молекул газа, находящихся в данном объеме, то есть массе газа. В горных выработках увеличивается барометрическое (статическое) давление, что приводит к увеличению молекул в объеме и, соответственно, удельной плотности.
Шахтный воздух, как и атмосферный, по сравнению с водой сжимаем, так как при 0°С плотность воздуха составляет 1,293 кг/м3, а воды - почти 1000 кг/м3.
Газ метан и угольная пыль загрязняют шахтную атмосферу, образуя горючую среду в выработке. Опасной является молярная концентрация метана. Горючими веществами являются молекулы метана и пыль органического состава, так как они содержат горючие химические элементы углерод и водород [14]. Молекулы метана и частицы аэрозольной угольной пыли окружены молекулами воздуха. Угольная частица состоит из макромолекул, содержащих атомы углерода, водорода, кислорода и др. Химический процесс возгорания происходит при появлении источника тепловой энергии. Его энергия затрачивается на разрушение химических связей в молекулах метана и в макромолекулах угольной пыли. Механизм горения и взрыва состоит из последовательно-параллельно выполняющихся кинетических реакций разрушения и образования молекул водорода, углекислого газа и воды с выделением тепловой энергии, количество которой всегда больше, чем было затрачено источником [15].
• Характеристика горных выработок и вентиляционных труб
Горные выработки и вентиляционные трубы весьма разнообразны по своей форме, размерам, назначению и положению в пространстве. Основное влияние на закономерности движения воздуха в этих воздухопроводах оказывают, во-первых, небольшая площадь поперечного сечения и ограничение потока твердыми стенками и, во-вторых, технологическое оборудование.
• Физико-химические основы динамики перемещения потоков воздуха в ограниченном пространстве воздуховодов
В современной литературе [1, 2, 3, 4, 5 и др.] в качестве аксиомы принято, что для приведения воздуха «в движение необходимо создать разность давления, тогда воздух из места с большим давлением будет двигаться в сторону места, где давление меньше». В физике [16, 17] первичными являются масса и удельная плотность воздуха, а давление является энергетическим проявлением молекул, формирующих эту плотность.
Авторы предлагают концепцию физического механизма движения воздуха в горных выработках и вентиляционных трубах в результате действия вентиляторов. Рассмотрим вариант нагнетания воздуха в вентиляционную трубу при отсутствии естественной вентиляции (рис. 1).
При остановленном вентиляторе плотность воздуха р0 и барометрическое давление Р6ар внутри и вокруг трубы одинаковое. В момент начала работы вентилятора рабочий орган подает массу воздуха в воздухопровод. Рабочий орган не перемещается по трубе. Поэтому он не передает импульс веществу, а увеличивает плотность воздуха в начале вентиляционной трубы до р1.
В изолированной макроскопической системе вентиляционной трубы до включения вентилятора было равновесное состояние с однородным распределением плотности воздуха. После увеличения плотности за вентилятором в соответствии с [17] в трубе образуется неравновесная среда, которая начинает стремиться к равновесию, то есть выравниванию плотности воздуха. Процесс происходит в виде переноса массы воздуха по трубе. В шахте видно, что до включения вентилятора гибкая вентиляционная труба обвисает. При включении вентилятора труба с большой скоростью наполняется воздухом. При этом труба за вентилятором находится под большим внутренним давлением, а на конце выходное отверстие может быть раскрыто наполовину. Перемещающийся воздух обладает кинетической энергией или динамическим давлением. После остановки вентилятора в трубе происходит восстановление равновесного состояния. При установившейся работе вентилятора происходит постоянный процесс к выравниванию плотности воздуха.
Научная новизна заключается в установлении закономерностей изменения плотности и скорости воздуха, величины избыточного давления в сечении ограниченного пространства любого воздухопровода.
ДОКАЗАТЕЛЬСТВА
Аэродинамическая характеристика вентиляторов показывает соотношение развиваемого статического давления при подаче определенного расхода воздуха в сеть. Например, по характеристике мощность электродвигателя вен-
Р
Р
дин.1
Р
бар.1
В-
Р
бар.2
Р
Q ' [ дин.2
►в
Вентилятор
+ К
2
Вентиляционная труба
Рис. 1. Изменение избыточногоР _ и динамического Р давления в вентиляционной трубе
изб дин '
Fig. 1. Excess pressure Рехс and dynamic pressure Р^п changes in ventilation pipe
1
Рис. 2. Экспериментальная модель для измерения давления воздуха: I - вентилятор; 2 - вентиляционная труба; 3 - тупиковая выработка, 4,5 - отверстия для измерения избыточного и динамического давления Fig. 2. Experimental model for air pressure measurement: I - fan; 2 - ventilation pipe; 3 - blind working, 4,5 - openings for excess and dynamic pressure measurements
тилятора ВМЭ-2-10А достаточна, чтобы подать 20 м3/с воздуха. За 1 с воздух массой примерно 25 кг не может быстро переместиться по трубе диаметром 1 м из-за кинематической вязкости. Из-за сжимаемости воздуха движение его является неустановившимся. Вследствие влияния сил молекулярного сцепления между ограничивающей поверхностью и газом происходит торможение потока, приводящее к скольжению слоев жидкости друг относительно друга и возникновению напряжений трения между слоями. Скорость в пограничных слоях меньше, чем в средних. Скорость течения замедляется в результате потерь кинетической энергии движущегося потока.
За вентилятором в начале вентиляционной трубы плотность воздуха повышается, и возникает избыточное (статическое) давления. В результате процесса диффузии начинается движение воздуха. Полное давление в этом месте равно сумме избыточного и динамического Р1 = Риз6 1 + + Рдин 1. На выходе из трубы полное давление воздуха равно динамическому Р2 = Рдин 2, так как избыточное становится равным нулю Рш6 2 = 0. Из-за потерь динамического давления по длине вентиляционной трубы АРдин динамическое давление в конце трубы равно Р „ = Р , - БР .
дин 2 дин 1 дин
Плотность воздуха за вентилятором равна р1 = Р1 /ИТ, а на выходе из трубы равна р2 = Р2 / ЯТ, где: Т- температура, К; Я - газовая постоянная, равная 286,7 Дж / (кг х К).
Отношение плотности воздуха в конце воздухопровода к плотности в начале следующее:р2 = р1(Р2 / Р1). Так как Р2 < Р1, то плотность воздуха в конце трубы меньше, чем в начале трубы.
Из сравнения величин динамической энергии воздушного потока в начале и конце воздухопровода и в соответствии с закономерностями газовых законов [16, 17] устанавливаем соотношение скоростей воздуха в начале и в конце: У2 = 2 /Рдин 1). Таким образом в конце вен-
тиляционной трубы скорость потока воздуха У2 меньше, чем ^ в начале.
Может показаться, что полученные результаты противоречат закону сохранения массы. Они противоречат упрощенной зависимости (1), которая действительна для жидкости. Для сжимаемого газа с небольшой удельной плотностью необходимо учитывать фактор времени, как в формуле (2). На практике из уравнения Бернулли применяется
только расчет потерь динамического давления в сети, то есть АРдин. Уменьшение статического (избыточного) давления по длине воздухопровода не может считаться потерей на перемещение воздуха, так как показывает уменьшение удельной плотности воздуха во время процесса диффузии.
Скорость движения потока в сечении ограниченного пространства воздухопровода неодинакова. В средине потока скорость и динамическое давление больше, чем на периферии. На периферии избыточное давление больше, чем в центре. Эта закономерность влияет на формирование повышенной концентрации метана и угольной пыли в сечении горной выработки.
Полученные теоретические результаты были проверены экспериментально на модели тупиковой горной выработки, изготовленной в масштабе 1:13 (рис. 2). Замеры показали, что за вентилятором в трубе образуется избыточное давление воздуха. Величина его зависит от производительности вентилятора. При работе вентилятора № 1 с небольшим расходом избыточное давление уменьшилось от 47 до 13 Па. Динамическое давление снизилось с 24 до 7 Па. При работе вентилятора № 2 избыточное давление уменьшилось с 117 до 77 Па. Динамическое давление уменьшилось с 47 до 18 Па (рис. 3).
Результаты эксперимента подтверждают теоретические результаты установления закономерностей изменения динамического и избыточного давления в изолированном от окружающей среды воздухопроводе. Рассмотрение шахтного воздуха с учетом сжимаемости и газовых законов позволило получить следующие результаты. На практике опасность метана определяют по замерам объемной концентрации, но химические процессы происходят не между объемами, а между молекулами. При увеличении плотности газа расстояние между молекулами уменьшается. В шахтной атмосфере расстояние уменьшается между кислородом, азотом и метаном. При неизменной объемной концентрации метана увеличивается молярная концентрация. Неопасная концентрация метана становится опасной. Такое может быть при увеличении барометрического давления в горной выработке. Уточненная концентрация метана равна См = С • Р6ар / 9807, %, где: С - объемная концентрация метана; Р6ар - барометрическое давление в выработке, даПа.
Р, Па 100 80 60 40 20 0
У
3
ч
4
/
Г
2
JL
Т. 4
Т. 5
Вентиляционная труба
Рис. 3. Изменение избыточного 1,3 и динамического 2,4
давления воздуха в вентиляционной трубе на модели
(см. рис. 2): 1,2 - при работе вентилятора № 1;
3,4 - при работе вентилятора № 2
Fig. 3. Excess 1,3 and dynamic 2,4 air pressure changes
in ventilation pipe in a model (see fig. 2): 1,2 - with running fan
№1; 3,4 - with running fan №2
При обтекании в призабойном пространстве аэродинамического сопротивления происходит изменение режима метановоздушного потока с турбулентного на ламинарный. В приграничном слое метановоздушного потока и в застойной зоне за препятствием происходит увеличение молярной концентрации метана по сравнению со средней концентрацией в потоке во столько раз, во сколько уменьшилась скорость в этом слое. Уточненная концентрация метана определяется по формуле См = С • • (V / ^2) (Р6ар / 9807), где V, У2- соответственно скорость воздуха до и после обтекания препятствия, м/с.
Экспериментальные исследования показали, что молярная концентрация метана увеличивается в 4-5 раз в пограничных слоях.
ВЫВОДЫ
Концепция перемещения потоков воздуха должна учитывать физико-химическую характеристику воздуха и результаты действия комплекса природных и фундаментальных газовых законов физики и молекулярно-кинетической теории химии. Воздух сжимаем, и физический механизм его движения основан на других законах, чем перемещен ие жидкости. В основе перемещения лежит искусствен но или естественно создаваемое неравновесное состояние в среде увеличением или уменьшением плотности. В горной выработке разность плотности создает вентилятор. В результате процесса диффузии образуется течение воздуха, параметрами которого является динамическое давление.
Молекулярная характеристика воздуха и переносимых им горючих веществ позволяет изучить процессы возгорания и взрыва их в горных выработках.
Теоретически и экспериментально на физической модели установлено, что при движении воздуха в ограниченном и изолированном воздухопроводе происходит
уменьшение величины динамического давления на преодоление сопротивления в пограничных слоях с поверхностью ограничения. Избыточное или статическое давление не участвует в преодолении аэродинамических сопротивлений.
Учет сжимаемости воздуха и молекулярной характеристики позволяет анализировать молярную концентрацию метана в воздухе и закономерности ее увеличения при увеличении барометрического давления и при обтекании нагретых препятствий в горной выработке.
Список литературы
1. Комаров В.Б., Килькеев Ш.Х. Рудничная вентиляция. М.: Недра, 1969. 416 с.
2. Абрамов Ф.А. Рудничная аэрогазодинамика. М.: Недра, 1972. 274 с.
3. Ушаков К.З., Бурчаков А.С., Медведев И.И. Рудничная аэрология. М.: Недра, 1978. 440 с.
4. Рудничная вентиляция: Справочник / Н.Ф. Гращенков, А.Э. Петросян, М.А. Фролов и др. М.: Недра, 1988. 440 с.
5. Кирин К.Ф., Диколенко Е.Я., Ушаков К.З. Аэрология подземных сооружений (при строительстве). Липецк: Липецкое издательство, 2000. 456 с.
6. Гидравлика: Учебник для вузов. 4-е изд. доп. и переаб. Л.: Энергоиздат. Ленингр. отделение, 1982. 672 с.
7. Правила безопасности в угольных шахтах. Утв. 31.12.2013 № 30961 (с изменениями на 22 июня 2016 г.).
8. Инструкция по борьбе с пылью в угольных шахтах. Утв. 14.10.2014 № 462.
9. Влияние примесей шахтных горючих газов на взры-воопасность угольных аэрозолей / С. Калякин, В. Костен-ко, Е. Завьялова, Л. Штрох / Aktualne problemy zwalczania zagrozen gorniczych: II konferencja naukowo-techniczna, 7-9 list. 2012. Brenna, 2012. С. 176-184.
10. Cybulski Krzysztof. Zagrozenie wybuchem pylu weglowego oraz ocena skutecznosci dzialan profilaktycznych w polskich kopalniach wegla kamiennego. Pr. nauk. Gl. inst. gor. 2005, N 864, С. 1-236.
11. Cashdollar Kenneth L., Sapko Michael J., Weiss Eric S. Hertzberg Martin. Laboratory and mine dust explosion research at the bureau of mines. Ind. Dust Explos.: Symp., Pittsburgh, Pa, 10-13 June, 1986. Philadelphia (Ра). 1987, Рр. 107-123.
12. Gururajan V.S., Wall T.F., Gupta R.P., Truelove J S. Mechanisms for the ignition of pulverized coal particles // Combust and Flame. 1990. Vol.81. N 2. Pр. 119-132.
13. Sobala J. Evaluation of the explosibility degree of coal dust // Arch. combust. 1987. Vol. 7. N 1-2. Pp. 165-173.
14. Колесниченко Е.А., Артемьев В.Б., Колесниченко И.Е. Внезапные выбросы метана: теоретические основы. М.: Издательство «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2013. 232 с. (Библиотека горного инженера. Т.9. «Рудничная аэрология». Кн. 6).
15. Метанопылевая опасность рудничной атмосферы / И.Е. Колесниченко, В.Б. Артемьев, Е.А. Колесниченко, Е.И. Любомищенко // Уголь. 2017. № 9. С. 26-31. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/092017.pdf (дата обращения: 15.04.2018).
16. Матвеев А.Н. Молекулярная физика: учебное пособие. 4-е изд., стер. СПб.: Издательство «Лань», 2010. 368 с.
17. Кухлинг Х. Справочник по физике: Пер. с нем. М.: Мир, 1982. 520 с.
SAFETY
UDC 622.411.332:661.92:622.812.001.1 © I.E. Kolesnichenko, V.B. Artemiev, E.A. Kolesnichenko, V.G. Cherechukin, E.I. Lubomischenko, 2018 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 5, pp. 58-64
Title
MINING AERODYNAMICS: PHYSICAL-CHEMICAL TRENDS AND PRINCIPLES
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-5-58-64
Authors
Kolesnichenko I.E.1, Artemiev V.B.2, Kolesnichenko E.A.1, Cherechukin V.G.3, Lubomischenko E.I.1
1 Federal State-Funded Educational Institution of Higher Professional Education «Platov South Russia State Technical University (NPI)», Shakhty, 346527, Russian Federation
2 «SUEK» JSC, Moscow, 115054, Russian Federation
3 Military Rescue Formation, Moscow, 109548, Russian Federation
Authors' Information
Kolesnichenko I.E., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Head of "Construction and technosphere safety" Department of Shahty Institute, e-mail: [email protected] Artemiev V.B., Doctor of Engineering, Deputy General Director -Production Operations Director, e-mail: [email protected] Kolesnichenko E.A., Doctor of Engineering Sciences, Professor of'Construction and technosphere safety" Department of Shahty Institute, e-mail: [email protected]
Cherechukin V.G., Deputy Chief Engineer, tel.: +7 (945) 179-98-91, e-mail: [email protected]
Lubomischenko E.I., PhD (Engineering), Associate Professor of "Construction and technosphere safety" Department of Shahty Institute, e-mail: [email protected]
Abstract
The paper addresses the issues of methane-dust safety in mine workings. Monograph and a series of textbooks, providing the basic postulates of the concept, were used as review objects. It is demonstrated, that scientific assumptions in the concepts, adopted in the middle of the last century, need to be brought in accordance with the fundamental laws of physics and chemistry. The main assumptions include D. Bernoulli hydraulic equation for stream tube and volatile substances release. The recommended definitions of mining ventilation aerodynamics are presented. Methane and coal dust molar characteristics are given.
Methane combustible elements and organic part of coal dust participation in chemical processes of ignition and explosion in the mine atmosphere are demonstrated. Parameters of vent pipes, affecting methane safety, are presented. The physical mechanism of air movement in mine workings constrained space and ventilation pipes is proposed. It is demonstrated, that the main air propulsor is nonequilibrium state, created due to the difference in the specific density in the working area. The air is transferred as a result of diffusion processes. Theoretically established and experimentally proven regularities of the change in the air duct overpressure and dynamic pressure are presented for the first time. It is illustrated, that overpressure reduction in the air duct is the result of air density drop during diffusion. The proposed concept demonstrates, that the major danger is associated with the molar concentration, which is different from volumetric concentration. Figures:
Fig. 1. Excess pressure Pexc and dynamic pressure Pdyn changes in ventilation pipe Fig. 2. Experimental model for air pressure measurement: 1 - fan; 2 - ventilation pipe; 3 - blind working, 4,5 - openings for excess and dynamic pressure measurements
Fig. 3. Excess 1, 3 and dynamic 2,4 air pressure changes in ventilation pipe in a model (see fig. 2): 1,2 - with running fan №1; 3,4 - with running fan №2
Keywords
Mining aerodynamics, Ventilation, Methane safety, Air density, Concept, Molecular composition, Molar concentration, Excess pressure, Dynamic pressure, Constrained stream, Isolated system, Nonequilibrium environment, Diffusion, Air compressibility, Interface layers.
References
1. Komarov V.B. & Kilkeyev Sh.Kh. Rudnichnaya ventilyatsiya [Mine ventilation]. Moscow, Nedra Publ., 1969, 416 p.
2. Abramov F.A. Rudnichnaya aerogazodinamika [Mine aerogasdynamics]. Moscow, Nedra Publ., 1972, 274 p.
3. Ushakov K.Z., Burchakov A.S. & Medvedev I.I. Rudnichnaya aerologiya [Mine aerology]. Moscow, Nedra Publ., 1978, 440 p.
4. Graschenkov N.F., Petrosyan A.E., Frolov M.A. et al. Rudnichnaya ventilyatsiya: Spravochnik [Mine ventilation: Reference book]. Moscow, Nedra Publ., 1988, 440 p.
5. Kirin K.F., Dikolenko Ye.Ya. & Ushakov K.Z. Aerologiya podzemnyh sooru-zheniypristroitelstve [Underground facilities aerology (during construction)]. Lipetsk, Lipetsk Publ., 2000, 456 p.
6. Gidravlika: Uchebnik dlya vuzov. 4-e izd. dop. i pereab. [Hydraulics: Educational aid for High schools. 4-th revised edition]. Leningrad, Energoizdat Publ., Leningrad division, 1982, 672 p.
7. Pravila bezopasnosti v ugolnyh shahtah [Coal mines safety rules]. Approval date 31.12.2013 No.3 0961 (revised as of 22 June 2016).
8. Instruktsiyapo borbespylyu vugolnyh shahtah [Guidelines for dust elimination in coal mines]. Approval date 14.10.2014 No.462.
9. Kalyakin S., Kostenko V., Zavyalova Ye. & Strokh L. Vliyanie primesey shahtnyh goryuchih gazov na vzryvoopasnost ugol'nyh aerozoley [Mine combustible gasses pollutants contribution to coal aerosols explosive hazard]. Aktualne problemy zwalczania zagrozen gornic-zych: II konferencja naukowo-techniczna, 7-9 list. 2012. Brenna, 2012, pp. 176-184.
10. Cybulski Krzysztof. Zagrozenie wybuchem pylu weglowego oraz ocena skutecznosci dzialan profilaktycznych w polskich kopalniach wegla kami-ennego. Pr. nauk. Gl. inst. gor. 2005, No. 864, pp. 1-236.
11. Cashdollar Kenneth L., Sapko Michael J., Weiss Eric S. & Hertzberg Martin Laboratory and mine dust explosion research at the bureau of mines. Ind. Dust Explos.: Symp., Pittsburgh, Pa, 10-13 June, 1986. Philadelphia (Pa). 1987, pp. 107-123.
12. Gururajan V.S., Wall T.F., Gupta R.P. & Truelove J.S. Mechanisms for the ignition of pulverized coal particles. Combust and Flame, 1990, Vol. 81(2), pp. 119-132.
13. Sobala J. Evaluation of the explosibility degree of coal dust. Arch. Combust, 1987, Vol. 7(1-2). pp. 165-173.
14. Kolesnichenko E.A., Artemiev V.B., Kolesnichenko I.E. Vnezapnye vybrosy metana teoreticheskie osnovy [Spontaneous methane release: theoretical basics]. Moscow, "Gornoye Delo" Publ., Kimmeriyskiy tsentr LLC, 2013, 232 p. (Mining engineer's library, Vol. 9. "Mine aerology", book 6).
15. Kolesnichenko I.E., Artemiev V.B., Kolesnichenko E.A. & Lubomischenko E.I. Metanopylevaya opasnost' rudnichnoj atmosfery [Hazardous methane-dust mine atmosphere]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, No. 9, pp. 26-31. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/092017.pdf (accessed 15.04.2018).
16. Matveev A.N. Molekulyarnaya fizika: Uchebnoe posobie. 4-e izd., ster. [Molecular physics: Educational aid, 4th revised edition]. St-Petersburg, Lan' Publ., 2010, 368 p.
17. Kukhling Kh. Spravochnikpo fizike [Reference book in physics: Translated from German]. Moscow, Mir Publ., 1982, 520 p.
