Способ моделирования процессов проветривания горных выработок и устройство для его осуществления Советский патент 1985 года по МПК E21F1/02 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для исследования процессов распространения и вы носа вредных газов, образующихся при проведении взрывных работ в горных выработках. Известен способ моделирования проветривания карьеров, заключающийся в создании вертикальной вентиляционной струи, взаимодействующей с рабочей средой модели, в качестве которой использована вода, а для создания подобия распределения- плотности в атмосфере использ)тотся растворы тяжелых солей с одновремегшым нагревом слоев рабочей среды и охлаждени ем нижних. Устройство для осуществления зтого способа состоит из модели карьера и прилегающего воздушного бассейна, япгревателя, холодильни ка, системы подготовки и подачи воды в насадок для создания вертикальной струи, датчи ков, для измерения температуры, концентрации солей и скорости движения воды в струе ). Недостатками этого способа и устройства являются невозможность моделирования процессов проветривания подземных горных выра боток после взрывных работ, невозможность соблюдения-полей скорости даижения, темпер туры и концентрации примеси при ламинарных и переходных режимах движения среды из-за различия физических свойств воздуха и воды. Наиболее близким техническим решением, к изобретению является способ моделирования процессов проветривания горных выработок, включающий подачу в модель горной вы работки рабочей среды (воды) подогретой до комнатной температуры, имитацию взрыва пу тем свободного истечения в призабойное про транство модели подогретой до заданной температуры и покрашенной анилиновым красителем воды и определение концентрации вредных газов. Устройство для моделировани процессов проветрива} ия горных выработок состоит из модели очистной горной выработ ки, соединенной при помощи соединительных трубок с ротметрами и регуляторами расхода, преобразователей температуры и средства для имитации взрыва . Недостатком известного способа и устройст ва для его осуществления является то, что использование воды в качестве рабочей йреды в модели, а раствора анилинового красителя для имитации взрывных газов не позволяет получить подобия полей скорости движения, температуры и концентрации примеси из-за несоблюдения основных критериев подо бия Прандтля, Шмидта и Льюиса. Для измерения концентрации примесей необходим брать пробы раствора, что приводит к возмущению потоков, не обеспечивает непрерывное- ти измерений. Средство для имитации взрыва обеспечивает не импульсное, а свободное истечение имитатора взрывных газов, что исключает возможность ползчения подобия первоначального распределения и дальнейшего движения вредных примесей в выработанном . пространстве. Целью изобретения является повышение точности моделирования и обеспечение непрерывности измерения концентрации, примесей с одновременным уменьшением влияния возмущений на процесс проветривания за счет использования в качестве рабочей среды воздуха. Эта цель достигается тем, что согласно способу моделирования процессов проветривания горных выработок, включающему подачу в модель горной выработки рабочей среды, имитацию взрьша и определение концентрацнн вредных газов, воздух в модель горной выработки подают с заданной начальной относительной влажностью, а имитацию взрыва . осуществляют путем выпуска в модель горной выработки смеси предварительно сжатого воздуха и дозированного количества дистиллированной воды температурой, соответствующей температуре взрывных газов в зоне отброса, при зтом измеряют относительную влажность воздуха и определяют концентра- цию вредных газов по формуле C K. концентрация вредных газов, %; К - коэффициент пропорциональноста; 4V-j.. изменение относительной влажности воздуха,%. Устройство для осуществления способа, включающее модель очистной горной вьгработки, соединенную при помощи соединительных трубок с ротометрами и регуляторами расхода, преобразователи температуры и средство для имитации взрьша, снабжено емкостью с насыщенными растворами солей, установленной перед ротаметрами, термостатом установленным после ротаметров, и преобразователями влажности, установленными внутри модели горной выработки. При зтом средство для имитации взрьюа выполнено в виде керамических трубок с помещенными внутри электронагревательными элементами подключенному к автомату электроямтания, и снабжено баллоном для сжатого воздуха, который при помощи соединительной трубки с клапаном подсоединен к керамическим трубкам. На фиг. 1 приведена блок-схема устройства для моделирования процессов проветривания

горных выработок; на фиг. 2 - средством для имитации взрыва в модели, в разрезе; на фиг. 3 - кривые зависимости концентрации вредных газов от времени (кривая 1 построена по результатам лабораторного зкспертимента, а кривая 2 - по результатам производтственного эксперимента).

Устройство для осуществления способа состоит из ком1фессора 1 для создания требуе-. мого расхода воздуха в системе, выход которого подсоед1шен с пояющью соединительных трубок 2 к емкости 3 с насыщенным раствором соли (на1фимер, NaCI) для обеспечения начальной влажности в системе, изкоторой воздух через зажим 4 для регулировки расхода воздуха в системе и ротгметра 5 для контроля за расходом воздуха поступает по соединительным трубкам в термостат 6, предназначшный для нагреваюся или охлажде,ния подаваемого в камеру воздуха. Выходы термостата подсоединены к нихшей 7 и верхней 8 горловинам камеры 9, в которой с помощью преобразователей 10 температуры воздуха, преобразователе 11 влажности воздуха и Ц ео азователей 12 скорости движения во духа с соответствующими приборами 1315 соответственно рля измерения скорости, температуры и относительной влажности в задшшых точках пространства осуществляется измерение соответствующих шраметров рабочей среды. Из камеры воздуха 16 и нижнюю 17 подсечные выработки по соеда ннтельным трубкам поступают через ротаметры 18 для контроля за расходом воздуха в верхней и нижней подсечных выработках и . через зажимы - в емкость 19 с насыщенным раствором соли (например )- eHjO для поглащения избыточной влаги в исходящей струе. Для имитации взрыва в модели служит спедаальное устройство 20, которое состоит из баллона 21 со сжатым воздухом, подсоединенного с помощью соединительной трубкн 22 с клапаном (зажимом) 23 к систе ме керамических трубочек 24, в которых расположены электронагревательные элементы 25, соедине1шые с помощью электрических; проводов 26 с автоматом электропитания 27. Сис тема коротких керамических трубок 28 служит для герметичного соединения с забоем камеры. Для введения определенного количества влаги в устройство служит медицинский щприц, а для строгой дозировки воды - стеклянная капиллярная трубка (не показаны Способ моделирования с использованием предлагаемого устройства осуществляют следу ющим образом. В модель горкой выработки (очистной камеры) с помощью компрессора 1 подают

воздух, часть которого проходит через емкость с насыщенным раствором соли 3, после чего ( воздух приобретает заданную начальную относительную влажность. Далее он проходит через

ротометры 5, где задают жределенное разделение воздуха на дае струи, которые после подогрева или охлаждения в термостате 6 (в зависимости от конкретного исследуемого процесса) поступают в модель камеры 9

соответственно нижнюю 7 и верхнюю 8 горловины. На исходящей струе, также разделяющейся с помощью ротаметров 17 на две, проходящие соответственно через верхнюю 17 подсечные выработки, воздух осущают,

пропуская его через емкость 19 с насыщенным раствором сели (например (МО)

и вновь используют для проветривания.

После того, как термовлажностный. режим в модели установится, с помоиЦ|Ю имитатора

20 взрыва имитируют взрыв путем мгновенного выпуска в модель горной выработки установленного количества сжатого воздуха со строго дозированным с помощью стеклянной капиллярной трубки и медицинского шприца количеством дистиллированной воды через систему керамических трубок 24 с электронагревательными элементами 25, в которых происходит нагрев обраэовавщейся водовоздущной смеси до температуры, соответствующей температуре взрьгеных газов в зоне отброса. В течение всего времени проветривания с помощью преобразователей 10 температуры и преобразователей 11 влажности (фиг. 1) и соответствуюиих измерительных приборов 14 и 15 измеряют температуру воздаоса и его относительную влажность. Далее по формуле Сг где С - концентращш вредньк газов,%; k - коэффициент пропорциональности; изменение относительной влажности воздуха пбсле имитации зрыви,% определяют ко1щентрацию вредных газов. Измерение температуры воздуха, параллельно изменению относительной влажности, необходимо для введения поправки на зависимость относительной влажности воздуха от температуры и на приведение относительной влажности к единой, базовой температзфе среды в модели. Пример. Разберем наиболее простой случай изотермической системы, т. е. когда температура воздуха в камере остается постоянной, В очистной камере Артемовского месторождения каменной соли произведен взрьш 840 кг аммонита 6ЖВ. Возцух. в поступает только через нижнюю горловину в количестве 549 м/мин.с температурой . В соответствии с методикой моделирования создают в модели процесс проветривания подобный реальному. Температуру воздуха в модели поддерживают постоя1пюй. и равно koMHaTHOH, например 20°С. Начальную относительную влажность воздуха задают исходя из реальных, градуировочных характеристик гигристоров ( - 65%). Непосредственно к исследованию процесса проветривания очистной камеры после проведения взрывных работ можно прступать лишь после не менее чем десятикратного обмена воздуха в камере, т. е. когда воздух во всех точках будет иметь задашгую температуру и влажность. Определяем количество и температуру имитатора взрывных газов, а также кол1р ест во воды, требуемой для имитации ядовитой примеси. Количество имитатора взрывных газов лег определить исходя из геометрического масшт моделирова1шя и из количества образующихс взрывных газов в реальных условиях и еЛ где Ум - количество имитатора взрывных га газов, trig - геометрический масштаб, .,01; VP - количество взрьшных газов, реально образующихся при взрьше, А - количество одновременно взрываем го ВВ, кг; V - количество газов, образующихся при взрыве 1 кг ВВ для анионита 6ЖВ v-0,895 м 1к Следовательно Уц- 10 840 - 0,895 s; iO,752-lO M, или: V - 0,752 л. Температуру имитатора взрывных газов определяем исходя из принятого масипаба температуры (м, 2) и исходя из температуры реальных взрывных газов после торможения их в очистном пространстве, т. е. в зоне отброса, которая составляет 60-70 С Следовательно, температура имитатора должна составлять в среднем 130°С. Далее определяем количество влаги, необходимое для имитации вредных газов. Для этого по тем же градуировочным кривым преобразователей влажности выбираем максимальную относительную влажность, которая будет соответствовать средней начальной концентрации вредных газов в зоне отброса. В нашем случае Чп, 95%. Тем самым устанавливают диапазон максимального измене1шя относительной влажности воздуха, который наилучшим образом удовле воряет использованным преобразователям влажности - ГИГрИСТОрОМ. По принятым tM и по легко определить количество влаги, которое необходимо ввести в систему при имитации взрьша. Для средней температуры в помещении 20° С по известным зависмостям относительной влажности воздуха и его влагосодержания ( ) от температуры находят 11,232/М РИ 65% Vmo,x -1б, при М , - 95% Следовательно для объема камеры, соответствующего объему зоны отброса газов (для модели 3.0. м 0,0318 м ) для повышения влажности на 30% необходимо ввести влагу в количестве где Л G количество влаги, необходимое для повышения относительпой влажности воздуха в системе на 30%, г; разность между максимальным и минимальным влагосодержанием г/мЗ Х.е. лG( 16,43-И,23) . 0,0318 .50,}65 г. Исходя из средней концентрации вредных газов в зоне отброса и их соответствующего ей повышения плажности, легко получить коэффициент пропорциональности (К) для пересчета изменения относительной влажности воздуха в произвольной точке камеры () в соответстеующее изменение концентрации вредных газов в этой точке (С). Для .этого определяем среднюю начальную концентрацшо вредных газов в зоне отброса для реальных условий по формуле п, .. предельная концентрация вредных, газов в продуктах взрьша, определяемая по формуле С - . пр- - b - газовость ВВ, для капийньис менносоляных рудников Ь 0,04 Vj - зона отброса взрывных газов в реальных условиях. Тогда при э,„- 31800 м и А - 840 кг, учаем .100-ЬУр100-0,,89 ср.н- v() 0,89(31800-840.0,895) . 0,107fi ,0/0 Отсюда коэффициент пропорциональности равен я 0,0 03 Ь т. е. С - 0,0036 ,%. Определив все необходимые для моделирования параметры, с помо110 ю стеклянной капилляртой трубки и медицинского шприца отмеряют 0,165 г дистиллированной воды и вводят ее в соединительную трубку устройств для имитации взрьша (фиг. 2). При этом в баллоне емкостью 0,752 л (такой объем легко получить в баллоне большей емкости замещением части его любой жидкостью) пре варительно накапливают воздух до двух . атмосфер, что в товдости соответствует объем избыточного воздуха 0,752 г. Допускается закачивать воздух и в баллон меньшего объе ма с соответствующим изменением избыточно го давления. С помощью подготовленного таким образом устройства производят имитацию взрыва путем мгновейного открывания клапана. При зтом воздзос из баллона с огромной скоростью Проходит по соединительной трубке, увле кает введештую в нее влагу, г, проходит через систему керамических трубок с электронагревательными элементами, в которых влага переходит в парообразное состояние, и будет выброшен в модель камеры. Из-за строгого соблюдения количества введегшой влаги паров душное облако в зоне отброса практически мгновенно преобразоуется в обычный воздух с относительной влажностью 95%. После имитации взрыва измеряют относительную влажность воздуха ( ) и темпераУРУ Ot) данной точке пространства, например на исходящей струе. По измеренной величине Ч и ио величине V определяют повышение относительной влажности в данный момент времени и %;;. При этом каждое полученное значение соответствует температуре в этой же точке и в этот же момент времени . Поэтому, прежде чем построить зависимость коицентрашш ядовитых газов на исходящей струе от времени, все полученные значения приводят к начальной температуре 20 С. Это легко сделать по известным таблицам или номограммам. В дальнейшем с помощью формулы С, кл находят искомые значения концентрации ядовитых газов. В таблице приведены значения измеренных и полученных в результате обработки величин реального процесса, соответствующего рассмотренному примеру, по которым на фиг.З построена зависимость концентрации ядовитых газов на исходящей струе очистной камеры от времени в сопоставлении с реальной кривой процесса, полученной на основании производственного эксперимента (кривая 1 построена по результатам лабораторного эксперимента кривая 2 - по результатам производственного эксперимента). Эффективность предложенного способа и устройства для его осуществления заключается в значительном повышении точности моделирования как процесса формирования полей скорости движения и температуры воздуха в горных выработках, так и процесса истечения газообразных продуктов взрыва, формирования 1 первоначальной зоны отброса газов и дальнейшего его движения, т. е. формирования поля концентрации примеси, в значитель ном расширении возможностей установки, так как она позяоляет в широком даапазоне изменять различные важные параметры моделирования (температуру и расход воздуха, схему проветривания камер, относительную влажность воздуха, количество и температуру имитатора взрывных газов и др.) в зависимости от конкретных изучаемых процессов и различных условий их протекания. Предложенные способ и устройство позволяют также оперативно, без проведения многочисленных, трудоемких производственных исследований, т. е. при минимальных затратах решать различные задачи по проветриванию очистных камер и находить наиболее эффективные схемы и способы проветривания, определять оптимальные термодинамические параметры поступающего в камеру воздуха.

15ц/J

1. Способ моделирования процессов проветривания горных выработок, включающий подао в модели горной выработки рабочей среды, имитацию взрыва и определение концентрации вредных газов,, отличающ и и с я тем, что, с целью повышения точности моделирования и обеснечеьшя непрерывности измерення концентрации примесей с одновременным уменьшением влияния возмущений на процесс проветривания за счет использования в качестве рабочей среды воздуха, воздух в модель горной выработки подают с заданной начальной относительной влажностью, а имитацию взрьша осуществляют путем выпуска в модель горной выработки смеси предварительно сжатого воздуха и дозированного количества дистиллированной воды температурой, соответствующей температуре взрывных газов в зоне отброса, при этом измеряют относительную влажность воздуха и определяют концентрацию вредных газов из математического выражения С КАЧ, РГ. где С-с- - концентрация вредных газов,%; К - коэффициент пропорциональности; дЧл-- изменение относительной влажности возд:,ха,%. 2.Устройство для моделирования процессов проветривания горных выработок, включаю- щее модель онистной горной выработки, соединенную при помоиш соединнтельньи трубок (Л с ротометрами и регуляторами расхода, прео)азователи т пературы и средство для имитации взрьгаа, отличающееся тем, что устройство снабжено емкостью с насыщенными растворами солей, установленной перед ротаметрами, термостатом, установленным после ротаметров, и преобразователями lit влажности, установленными внутри модели со горной выработки. 00 СП 3.Устройство по п. 2, отличающее с л тем, что средство для имитации О5 взрыва вьшолнено в виде керамических трубок с помещенными внутри электронагревательными элементами, подключенными к автомату электропитания, и снабжено баллоном для сжатого воздуха, который при помощи соединительной трубки С клапаном подсоединен к керамическим трубкам.

Фиг. 7

fel

60 т. 120 750 ГдО гЮ 240

о Фаг. время после взрь/ба