Лекция 13

1. Депрессия воздушных потоков

Основными параметрами рудничной вентиляции являются давление и расход воздуха.

Существует три вида давления воздуха: абсолютное, статическое, скоростное и общее.

Абсолютным давлением называется давление р столба воздуха на площадь его основания S. Абсолютное давление, действующее на площадь основания неподвижного столба воздуха в стволе шахты глубиной Н при условии, что удельный вес воздуха постоянен равно

р=(р₀+y₀Н)S

Статическое давление воздуха р – давление на единицу поверхности стенок трубопровода, закрытого канала или боков выработки, т.е. давление, производимое воздухом на плоскости, параллельные потоку, и измеряется в Па. В зависимости от способа проветривания шахты статическое давление может быть избыточным (при нагнетательном способе, больше атмосферного) или недостающим (меньше атмосферного, при всасывающем способе).

Скоростным давлением называется давление, оказываемое движущимся воздухом на неподвижное тело или испытываемое передней частью движущегося тела в неподвижном воздухе. Скоростное давление определяется формулой

р_ск=v²y/2q, Па

где v – скорость движения воздуха, м/с;

q – ускорение свободного падения, равное 9, 81 м/с²;

y – удельный вес воздуха, Н/м².

Скорость воздуха в сечении выработки является переменной величиной, поэтому скоростное давление характеризует поток воздуха в определенной точке. Статическое давление во всех точках поперечного сечения практически одинаково.

Общее давление воздуха р_об, Па, представляет собой сумму абсолютных величин статического и скоростного давления при его движении и равно

р_об=р+ р_ск.

Движение воздуха в шахте подчиняется основным, фундаментальным законам природы: закону сохранения массы и закону сохранения энергии.

Закон сохранения массы определяет, что масса любого объема воздуха остается постоянной в процессе его движения. Другими словами, изменение массы во времени равно нулю.

Для элементарного потока при нормальных условиях между двумя его сечениями можно записать

v ₁ S₁ = v ₂ S₂, (4)

где S₁, S₂ – площади начального и конечного сечений элементарного потока;

v ₁, v ₂ – скорости движения воздуха через эти сечения.

Для объемного расхода воздуха по всему сечению

Q₁ = Q₂. (5)

Для массового расхода (неизотермический, неоднородный поток)

М₁ = М₂.

Уравнение сохранения энергии для горных выработок (для несжимаемого потока воздуха между двумя сечениями выработки) описывается уравнением Бернулли (1738г.).

(р₁ – р₂) ± (r₁ g z₁ – r₂ g z₂) ± ( и ₁² – и ₂²) = h_с. (6)

Величина первого слагаемого – разность статических давлений в двух сечениях, второе – разность давлений двух столбов воздуха и разность скоростных давлений в начальном и конечном сечении (h_дин). Первые два слагаемых представляют собой изменение потенциальной энергии потока, а третье – изменение его кинетической энергии.

Величина разности давлений в двух сечениях выработки (р₁ – р₂) появляется вследствие работы источника тяги (вентилятора или естественной тяги) и называется депрессией (h_в).

Депрессией в рудничной вентиляции называют разность давлений воздуха между двумя сечениями выработки, по которой идет воздух.

Разница между атмосферным давлением и статическим давлением называется статической депрессией, разность скоростных давлений – скоростной депрессией, а разность полных давлений – полной депрессией. Обозначается буквой h и измеряется в даПа.

Депрессия обусловлена потерями давления движущегося воздуха на преодоление им сопротивления поверхности выработки между рассматриваемыми сечениями. Эти потери давления воздуха эквивалентны сопротивлению выработки, и ими они обусловлены, поэтому депрессию воздуха в зависимости от контекста можно называть разностью давлений, потерей давления, перепадом давления воздуха или сопротивлением воздуха.

Расходом воздуха называют количество воздуха, м³, проходящего через площадь поперечного сечения S выработки в единицу времени и определяют по формуле

Q=vS, м³/мин.

Для замеров депрессии используют депрессиометры или микроманометры.

Водяной U-образный депрессиометр состоит из U-трубки, укрепленной на шкале с делениями через 1 мм. Трубку заливают дистиллированной водой до отметки 0 (посредине шкалы). На обе конца депрессиометра надевают резиновые трубки, которые помещают в сечение потока, между которыми измеряют разность давлений. Вода в колене, присоединенном к месту с меньшим давлением, поднимется и наоборот, в колене с большим давлением опустится. Отсчеты берут по обоим менискам и складывают.

Микроманометр служит для более точного измерения депрессии. Наиболее распространенным является микроманометр с наклонной шкалой (ММН).

2 Режимы движения воздуха и типы воздушных потоков

Движение воздуха может быть ламинарным и турбулентным.

Ламинарное движение – это, когда отдельные струйки воздуха движутся параллельно друг другу, не смешиваясь.

При турбулентном движении – отдельные струйки воздуха непрерывно перемешиваются.

Режим движения воздуха в канале (выработке) определяет специальный критерий – число Рейнольдса (Re):

Re = , (7)

где и – средняя скорость движения воздуха в выработке;

S – площадь поперечного сечения выработки;

v - кинематическая вязкость воздуха;

Р - периметр выработки.

Для шахтных выработок критическое значение числа Рейнольдса равно 1000 – 1500. Минимальная скорость воздуха, при которой движение воздуха еще остается турбулентным, равно 0, 006-0, 01м/с. Поэтому в горных выработках, проветриваемых деятельной вентиляционной струей, движение воздуха, как правило, турбулентное.

Ламинарное движение наблюдается только при просачивании воздуха через уплотнившийся закладочный массив и через перемычки.

Все воздушные потоки в выработках можно разделить на два типа: ограниченные (с твердыми границами) и свободные (свободные струи), не имеющие твердых границ. В горных выработках твердыми границами являются стенки выработок.

Свободные струи образуются при выходе ограниченного потока в неограниченное (достаточно большое) пространство. Например, выход потока в камеру большого сечения или из трубопровода в выработку. Если на каком либо участке свободная струя соприкасается с твердой поверхностью и не получает полного развития, она называется неполной.