Реферат Курсовая Конспект
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА - раздел Производство, Федеральное Агентство По Образованию Государственное Образовательное...
|
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Кольский филиал
Петрозаводского государственного университета
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
(КУРС ЛЕКЦИЙ - УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ)
АПАТИТЫ
2010
CОДЕРЖАНИЕ
ТЕМА №1. ТЕПЛО ЗЕМНЫХ НЕДР. 3
1.1. Термодинамические параметры земной коры.. 3
1.2. Источники тепла земных недр. 6
1.3. Процессы теплопереноса в недрах Земли. 9
1.4. Использование тепла земных недр. 14
1.5. Приближенные методы расчета температурных режимов при эксплуатации породных теплообменников. 18
ТЕМА №2. ПРОМЕРЗАНИЕ СВЯЗНЫХ ПОРОД ПРИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ 24
2.1. Разработка связных пород в период с отрицательными температурами. 24
2.2. Месячные колебания температуры внешней среды.. 25
2.3. Расчет глубины промерзания связанных пород. 27
2.4. Полное предотвращение промерзания грунта при использовании теплоизоляционных покрытий 34
2.5. Промерзание грунта на допустимую глубину при использовании теплоизоляционного покрытия 39
ТЕМА №3. НАМОРАЖИВАНИЕ ПОРОД ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ И ШАХТ. 45
3.1. Сущность способа и область его применения. 45
3.2. Тепловой расчет формирования одиночного ледопородного цилиндра. 49
3.3. Параметры образования ледопородных ограждений. 53
ТЕМА №4. ТЕПЛООБМЕН В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ.. 59
4.1. Требования к тепловому режиму в подземных выработках. 59
4.2. Влияние теплового режима на процессы ведения подземных горных работ. 62
4.3. Уравнения теплообмена массива с вентиляционной струей в шахтной выработке. 67
4.4. Теплообмен при проветривании подземных выработок. 71
4.5. Источники тепла в подземных выработках. 73
4.6. Методы нормализации температурного режима рудничного воздуха. 78
Тема № 5. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ РАЗРУШЕНИЕ ТАЛЫХ И МЕРЗЛЫХ ПОРОД ПРИ ИХ РАЗРАБОТКЕ И ТРАНСПОРТИРОВАНИИ.. 83
5.1. Проблемы разработки и транспортирования рыхлых и связных пород. 83
5.2. Термодинамическое разрушение талых рыхлых и связных пород. 84
5.3. Термодинамическое хрупкое разрушение мерзлых рыхлых и связных пород. 88
5.4. Термодинамическое разрушение мерзлых рыхлых и связных пород путем оттаивания и абляции 90
5.5. Техника и технология термодинамического разрушения талых и мерзлых пород при их разработке и транспортировании. 98
ТЕМА №6 . ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГОРНЫХ ВЫРАБОТКАХ.. 104
6.1. Основные понятия и определения. Механизм переноса газообразной субстанции. 104
6.2. Путь перемешивания для содержания газа и газовые потки. 108
6.3. Коэффициенты диффузии. 112
ТЕМА №7. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ШАХТАХ.. 131
7.1. Общие положения. 131
7.2. Выработка как объект вентиляции. 134
7.3. Ограниченные потоки в системе выработок. 136
ТЕМА №1. ТЕПЛО ЗЕМНЫХ НЕДР
Тема № 5. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ РАЗРУШЕНИЕ ТАЛЫХ И МЕРЗЛЫХ ПОРОД ПРИ ИХ РАЗРАБОТКЕ И ТРАНСПОРТИРОВАНИИ
Основные понятия и определения. Механизм переноса газообразной субстанции.
Все изложенные рассуждения основываются на предположении, что используемый для проветривания горных выработок воздух является однородной средой, т.е. его химические компоненты перемешаны равномерно. Газообразной примесью такого воздушного потока будем считать любой газ, поступающий в него.
Газообразные примеси рудничного воздуха по их динамическим свойствам можно разделить на два класса - пассивные и активные.
Пассивной газообразной примесью является газ, присутствие которого в воздушном потоке не изменяет диффузионные свойства последнего. Активная примесь может изменять его диффузионные свойства. Активными примесями обычно бывают газы, плотность которых существенно отличается от плотности воздуха. В рудничных условиях это метан, водород, углекислый газ.
Количество газа в воздухе характеризуется его содержанием. В шахтной газовой динамике содержание газа в воздухе обычно выражается в долях этого газа в объеме газовоздушной смеси.
Долевое содержание в свою очередь может быть выражено в долях единицы:
с = Кг/Кс (6.1)
или в процентах:
с = 100·Кг/Кс, (6.2)
где Кг, Кс - количество соответственно газа и газовоздушной смеси, абсолютные или относительные единицы. Если это количество выражается в единицах объема, содержание называется объемным долевым (с0), если оно выражается в единицах массы - массовой долей (см). Соотношение между ними таково:
см=со·rг/rс, (6.3)
где rг,rс - плотность соответственно газа и газовоздушной смеси.
Соотношение между плотностью газовоздушной смеси rс и долевым содержанием газа в ней с имеет вид:
с = (rс - rв )/( rг - rв), (6.4)
где rв и rг - соответственно плотность воздуха и газа.
В газовой динамике рудников смесь воздуха и газообразной примеси (газовоздушная смесь) считается непрерывной. Ее характеристики (плотность, содержание, градиент содержания и др.) изменяются от точки к точке без скачков и разрывов. Физически это обусловлено равномерностью перемешивания молекул газов в любом элементарном объеме. Однако при рассмотрении механизма распространения газов в воздушном потоке удобно представлять газовоздушную смесь не как совокупность молекул газов, а как некоторый континуум элементарных объемов или частиц воздуха и распространяющегося в нем газа. Размеры таких газообразных частиц несравненно больше размера молекул, но, в то же время, они предполагаются достаточно малыми, чтобы не нарушать принципа равномерности распределения характеристик в газовоздушной смеси. Форма и размеры таких частиц не имеют строгого обоснования и являются гипотетичными. Так, согласно гипотезе Л. Прандтля, частицы имеют форму шара с диаметром, равным длине пути, который проходит этот шар до потери им своей индивидуальности вследствие смешения со средой. Можно представить себе газообразную частицу также как вихрь, перемещающийся в воздушном потоке.
Перенос газообразной примеси воздушным потоком может производиться путем перемешивания и увлечения.
В чистом виде процессы перемешивания проявляются на молекулярном уровне. В этом случае они носят характер молекулярной диффузии, при которой имеет место взаимное проникновение молекул диффундирующих газов.
Молекулярная диффузия существует в неподвижном и в движущемся воздухе. В последнем случае проявляется действие еще одного механизма распространения газообразной примеси - механизма увлечения ее воздушным потоком. Процесс увлечения можно представить как движение частиц газа под действием давления набегающих на них частиц воздуха, а также в результате трения между частицами газа и соседними частицами воздуха.
Процесс увлечения при турбулентном режиме движения воздуха можно расчленить на увлечение усредненным (основным) движением и увлечение пульсационным движением. Увлечение газа пульсационным движением качественно подобно молекулярной диффузии. Оно характеризуется хаотичностью, свойственной турбулентному движению, и распространением газа во всех направлениях, независимо от направления основного движения. Этот вид переноса называется турбулентной диффузией, а перенос газа усредненным (основным) движением — конвективным переносом. При совместном проявлении конвективного и диффузионного переносов говорят о конвективно-диффузионном переносе. Почти все задачи рудничной газовой динамики, имеющие практическое значение, относятся к классу конвективно-диффузионных.
Кроме конвективного и диффузионного переносов распространение газа, поступающего в некоторый объем, происходит также за счет вытеснения ранее находившегося в этом объеме газа последующими его поступлениями. При этом происходит увеличение (расширение) объема, занимаемого газом. Это вытеснение наиболее существенно у мест выделения газа, например, у газоотдающих стенок горных выработок. Оно должно учитываться при формулировании граничных условий процессов газопереноса.
В силу значительной неоднородности воздушных потоков в горных выработках интенсивность конвективного и диффузионного переносов газа в различных областях потоков различна. В пристеночной области, где усредненные и пульсационные скорости потока близки к нулю, преобладает молекулярный диффузионный перенос, а если стенка газоотдающая, - также процесс вытеснения. В ядре потока усредненные и пульсационные скорости имеют относительно большие значения. Здесь преобладают процессы конвективного и турбулентного диффузионного переноса. В условиях развитой турбулентности интенсивность турбулентного диффузионного переноса значительно выше, чем молекулярного.
При распространении газа от источников газовыделения у последних образуется область существенно переменного содержания диффундирующего газа, называемая диффузионным пограничным слоем. Его толщина измеряется расстоянием по нормали от газоотдающей поверхности источника до области, где соблюдается условие дс/дп = 0 (п - внутренняя нормаль к поверхности стенки). Этому условию, в частности, соответствуют случаи с = 0 и с = const. На практике может оказаться более удобным определять толщину диффузионного слоя как толщину области заданного изменения содержания (например, области, в пределах которой происходит 95 % всего изменения содержания).
Путь перемешивания для содержания газа и газовые потки
При решении задач динамики турбулентных потоков используют понятие пути перемешивания для импульса. Л. Прандтль определил этот путь как расстояние, проходимое частицей жидкости до потери своей индивидуальности вследствие смешения с окружающим турбулентным потоком. Путь перемешивания характеризует перемешивающую способность потока. Это понятие используют и в теории переноса газа. Имея в виду, что в диффузионных процессах основным является процесс выравнивания содержания, путь перемешивания определяют как расстояние, которое проходит частица газовоздушной смеси до существенного изменения содержания находящегося в ней диффундирующего газа вследствие перемешивания с окружающей средой. В этом случае выражение «потеря индивидуальности» толкуется как потеря частицей ее газового содержания, и путь перемешивания называется путем перемешивания для содержания.
Если воздушный поток представить как совокупность шарообразных частиц, то путь перемешивания можно рассматривать как турбулентный аналог пути свободного пробега молекул, который совместно со скоростью их движения определяет интенсивность молекулярной диффузии газа.
В общем случае пути перемешивания для импульса и для содержания не равны друг другу, хотя до недавнего времени последний принимался равным пути перемешивания для импульса. Такое допущение может быть принято в качестве первого приближения только для пассивной примеси.
Путь перемешивания для содержания является важной газодинамической характеристикой, определяющей основной показатель интенсивности процесса турбулентной диффузии — коэффициент турбулентной диффузии.
Каждый из существующих четырех механизмов распространения газообразной примеси в вентиляционном потоке (конвективный, диффузионный молекулярный и диффузионный турбулентный переносы и распространение примеси путем вытеснения) характеризуется определенным количеством газа, переносимого газовым потоком через единицу площади в единицу времени. Соответственно отмеченным механизмам распространения существуют конвективный, молекулярный диффузионный, турбулентный диффузионный газовые потоки и "поток расширения".
Если через поверхность площадью S движется поток воздуха со средней скоростью U, то вектор расхода его через эту поверхность, Qв = US. При содержании газа с в объеме Qв вектор его расхода через рассматриваемую поверхность за счет конвективного переноса потоком воздуха Qг = сQв и вектор конвективного потока газа
Jk = Qг /S= сU, (6.5)
а его компоненты по осям координат
jkx = cu; jky = cv; jkz = cw; (6.6)
где и, v, u - соответственно компоненты вектора абсолютной скорости U.
При определении молекулярного диффузионного потока газа исходят из его пропорциональности градиенту содержания газа (первый закон Фика):
jм = - Dм·grad c, (6.7)
где Dм - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом молекулярной диффузии.
Компоненты молекулярного диффузионного потока:
jмx = -Dм·дс/дх; jмy = -Dм·дс/ду; jмz = -Dм·дс/дz. (6.8)
Dм не зависит от координат.
Знак "минус" в формуле (6.7) означает, что направление молекулярного диффузионного потока газа противоположно вектору градиента содержания, т.е. поток, направлен в сторону падения содержания.
Турбулентный диффузионный поток газа можно выразить аналогично конвективному, используя, однако, вектор не усредненной, а пульсационной скорости uп и не усредненное, а пульсационное значение содержания сп. Тогда вектор мгновенного турбулентного диффузионного потока газа будет равен спuп, а усредненного по времени
. (6.9)
Черта означает усреднение по времени. Компоненты этого потока по осям координат:
; ; (6.10)
где ип, vп, wп - компоненты вектора мгновенной пульсационной скорости.
Турбулентный диффузионный поток, согласно идее Буссинеска о переносе импульса, определяют аналогично молекулярному, с той лишь разницей, что коэффициентом пропорциональности между потоком и градиентом содержания будет коэффициент турбулентной диффузии Dт, зависящий от ее направления:
jт = - Dт·grad c, ; (6.11)
jтx = -Dтx·дс/дх; jтy = -Dтy·дс/ду; jтz = -Dтz·дс/дz, (6.12)
где Dтx, Dтy, Dтz - компоненты коэффициента турбулентной диффузии.
Поток расширения - поток конвективный. Если некоторый объем газовоздушной смеси со средним по объему содержанием газа с расширяется за счет ввода в него дополнительных количеств этого же газа, то компоненты потока расширения:
jрx = cuр; jрy = cvр; jрz = cwр; , (6.13)
где uр; vр;wр - компоненты скорости расширения.
Поток расширения может быть положительным (газовыделение происходит в рассматриваемый объем) и отрицательным (в рассматриваемом объеме происходит поглощение газа).
Полный поток газа в точке
j0=jk+jм+jт+jр (6.14)
Удельный вес каждого из четырех газовых потоков в общем балансе газопереноса в выработке определяется конкретными условиями. В ядре турбулентного воздушного потока, движущегося с достаточно высокой средней скоростью, обычно преобладающим является конвективный поток газа, на втором месте стоит турбулентный диффузионный поток. Молекулярным потоком и потоком расширения в этих случаях можно пренебречь. При малых средних скоростях воздушного потока (например, камеры больших сечений) в его ядре может стать преобладающим турбулентный диффузионный поток. У твердых границ его, где усредненная и пульсационные скорости близки к нулю, повышается роль молекулярного диффузионного потока газа. Непосредственно на твердой границе перенос газа определяется только механизмами молекулярной диффузии и расширения (в случае выделения газа в выработку или его поглощения). В ядре воздушного потока с развитой турбулентностью турбулентный перенос происходит в сотни и тысячи раз активнее молекулярного.
Соотношение между турбулентным и молекулярным потоками определяется из выражений (5.11) и (5.7):
(6.15)
Аналогично определяется соотношение между компонентами потоков. Так, для поперечных относительно основного движения воздушного потока компонент
(6.16)
Пример. Оценим роль потока расширения для выработки в целом. Рассмотрим участок выработки при подземной разработке длиной 100 м, с площадью поперечного сечения 10 м2. Удельное газовыделение в выработку на этом участке составляет 1,5 л/(мин·м2). Тогда при мощности пласта 1 м и двух обнажениях общее газовыделение на рассматриваемом участке выработки составит 1,5×1×100×2 = 0,3 м3/мин. Следовательно, скорость расширения вдоль выработки в две стороны ир = 0,3 : (10·2) = 1,5·10-2 м/мин. Если среднее долевое содержание газа на рассматриваемом участке выработки с = 0,005, то в соответствии с формулой (5.13) поток расширения вдоль выработки будет равен 0,005·1,5·10-2 = 7,5·10-5 м3/(мин·м2). При существующих значениях коэффициентов молекулярной и турбулентной диффузии и продольном градиенте содержания, соответствующем принятому газовыделению и скорости воздуха в выработке 1 м/с и равном 0,5·10-5м-1, продольный молекулярный диффузионный поток будет иметь порядок 10-8 м3/(мин·м2), продольный турбулентный -10-5м3/(мин·м2).
– Конец работы –
Используемые теги: термодинамические, газодинамические, процессы, горного, производства0.083
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов