Физические свойства среды в вакуумном дегазационном трубопроводе
Розглянуті особливості зміни динамічної та кінематичної в'язкості аеродисперсної системи на ділянках дегазаційного трубопроводу у залежності від от масової концентрації твердої фази....
Збережено в:
| Дата: | 2012 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2012
|
| Назва видання: | Геотехническая механика |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54399 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Физические свойства среды в вакуумном дегазационном трубопроводе / Л.А. Новиков // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 107. — С. 150-155. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-54399 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-543992014-02-02T03:15:03Z Физические свойства среды в вакуумном дегазационном трубопроводе Новиков, Л.А. Розглянуті особливості зміни динамічної та кінематичної в'язкості аеродисперсної системи на ділянках дегазаційного трубопроводу у залежності від от масової концентрації твердої фази. Specific change of dynamic and kinematic viscosity of air-dispersed system in areas of degassing pipeline depending on mass concentration of the solid phase is described. 2012 Article Физические свойства среды в вакуумном дегазационном трубопроводе / Л.А. Новиков // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 107. — С. 150-155. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54399 622.817.47.002.5:621.643.2:533.1 ru Геотехническая механика Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Розглянуті особливості зміни динамічної та кінематичної в'язкості аеродисперсної системи на ділянках дегазаційного трубопроводу у залежності від от масової концентрації твердої фази. |
| format |
Article |
| author |
Новиков, Л.А. |
| spellingShingle |
Новиков, Л.А. Физические свойства среды в вакуумном дегазационном трубопроводе Геотехническая механика |
| author_facet |
Новиков, Л.А. |
| author_sort |
Новиков, Л.А. |
| title |
Физические свойства среды в вакуумном дегазационном трубопроводе |
| title_short |
Физические свойства среды в вакуумном дегазационном трубопроводе |
| title_full |
Физические свойства среды в вакуумном дегазационном трубопроводе |
| title_fullStr |
Физические свойства среды в вакуумном дегазационном трубопроводе |
| title_full_unstemmed |
Физические свойства среды в вакуумном дегазационном трубопроводе |
| title_sort |
физические свойства среды в вакуумном дегазационном трубопроводе |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2012 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54399 |
| citation_txt |
Физические свойства среды в вакуумном дегазационном трубопроводе / Л.А. Новиков // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 107. — С. 150-155. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT novikovla fizičeskiesvojstvasredyvvakuumnomdegazacionnomtruboprovode |
| first_indexed |
2025-07-05T05:42:45Z |
| last_indexed |
2025-07-05T05:42:45Z |
| _version_ |
1836784461802373120 |
| fulltext |
150
2. Ревва В.Н. Оценка устойчивости кровли в окрестности горных выработок / В.Н. Ревва, // Физика и тех-
ника високих давлений. Донецк ДонФТИ НАН Украины.- 1997.том 7 № 4. – С.114 - 116.
3. Алексеев А. Д. Разрушение горных пород в объемном поле сжимающих напряжений / А. Д. Алексеев, В.
Н. Ревва, Н. А. Рязанцев - К: Наукова думка, 1989. - 168 с.
4. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения / Г.П. Черепанов - Москва: Наука. 1974. - 640 с.
5. Методические указания по определению эффективной поверхностной энергии горных пород [Текст] До-
нецк: ИФГП НАНУ, 2009. - 23 с.
6. Черепанов Г.П. О развитии трещин в сжатых телах. Практическая математика и механика / Г.П. Черепа-
нов - Москва: Металлургия. 1966. Том 30. - С. 82 - 93.
7. Хеккель К. Техническое применение механики разрушения/ К. Хеккель Москва. Металлургия, 1974. - 64
с.
8. Лихтман В. И. Физико-химическая механика металлов / В. И. Лихтман, Е.Д. Щукин, П.А. Ребиндер - М:
Издание АН СССР. – 1962. – 303 с.
9. Ревва В. Н. Влияние глубины залегания угольных пластов на механические свойства угля / В.Н. Ревва,
А.В. Молодецкий // Физико-технические проблемы горного производства. Донецк. – 2009.- № 12. - С. 55 - 58.
10. Ревва В.Н. Разрушение водонасыщеного угля при различных видах деформационного состояния / В.Н.
Ревва, А.Н. Молодецкий, Д.С. Кодберг // Геотехническая механика: межвед. сб. научн. тр. / ИГТМ НАН Украи-
ны – Днепропетровск, 2010. - № 89. – С.152 - 156.
11. Разрушение водонасыщенного угля при различных видах напряженного состояния / В.Н. Ревва, А. В.
Молодецкий, В.В. Завражин, Н.И. Василенко // Физико-технические проблемы горного производства. – Донецк.
– 2010. - № 13. – С. 117 – 121.
12. Деформирование и разрушение газонасыщенного угля при разных видах напряженного состояния /
В.Н. Ревва, В.В. Завражин, А. В. Молодецкий, Д.С. Кодберг // Вести Донецкого горного института. – Донецк. –
2011. - № 1. – С. 66 - 70.
УДК 622.817.47.002.5:621.643.2:533.1
Мл. научн.сотр. Л.А. Новиков
(ИГТМ НАН Украины)
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СРЕДЫ В ВАКУУМНОМ
ДЕГАЗАЦИОННОМ ТРУБОПРОВОДЕ
Розглянуті особливості зміни динамічної та кінематичної в'язкості аеродисперсної систе-
ми на ділянках дегазаційного трубопроводу у залежності від от масової концентрації твердої
фази
PHYSICAL PROPERTIES OF MEDIUM IN THE VACUUM DEGASSING
PIPELINE
Specific change of dynamic and kinematic viscosity of air-dispersed system in areas of
degassing pipeline depending on mass concentration of the solid phase is described.
При разработке угольных месторождений на больших глубинах в сложных
горно-геологических условиях актуальным вопросом является совершенство-
вание технологий и технических средств дегазации, а также проведение необ-
ходимых дегазационных мероприятий для обеспечения безопасных условий
труда.
Эффективность функционирования шахтной дегазационной системы зависит
от сложности газопроводной сети, мощности вакуум-насосов, числа подсоеди-
ненных к трубопроводу дегазационных скважин, величины расхода газа и влаги
из дегазационных скважин, а также технического состояния трубопровода. В
процессе развития горных работ увеличивается число последовательных соеди-
нений участковых трубопроводов и возрастает их суммарное гидравлическое
сопротивление. По этой причине прокладывают дополнительные параллельные
151
участки трубопровода, длина и диаметр которых определяются с учетом необ-
ходимых расходных характеристик.
При определении газодинамических параметров и расходных характеристик
участковых дегазационных трубопроводов на стадии проектирования и рекон-
струкции газопроводной сети необходимо располагать достоверной информа-
цией о физических свойствах транспортируемой среды. Несмотря на работу
пыле- и влагоотделителей, при интенсивном поступлении пыли, шлама и воды
из дегазационных скважин в газопроводную сеть происходит увеличение влаж-
ности и запыленности каптируемой метано-воздушной смеси (МВС) [1]. Это
приводит к изменению физических свойств среды по сравнению с «чистой»
МВС и отклонению расходных характеристик участковых дегазационных тру-
бопроводов от их нормативных значений [2]. В случае притечек воздуха в газо-
проводную сеть и загрязненности внутренней поверхности труб, колебания
расходных характеристик участковых трубопроводов увеличиваются, что мо-
жет стать причиной снижения эффективности дегазации и возникновения ава-
рийных ситуаций.
С учетом наличия взвешенных в газовом потоке компонентов транспорти-
руемую по трубопроводам среду следует рассматривать как аэродисперсную
систему с определенными физическими свойствами.
Относительная влажность и влагосодержание МВС определяются по фор-
мулам [3]:
r
r
р
р
ϕ =
′
; (1)
r r
r r r r
R р R рd
R р р R р р
ϕ
ϕ
′
′ = =
′ − ′′ −
, (2)
где р′, рr – давления влажной МВС и пара, Па; рr
'
– парциальное давление на-
сыщенного водяного пара, Па; Rr – газовая постоянная водяного пара,
Дж/(кг·К).
Плотность влажной МВС [3]
1 1r
r
р р
RТ Т R R
ρ
′ ⎛ ⎞′ = − −⎜ ⎟
⎝ ⎠
, (3)
где T – температура влажной МВС, К; R – газовая постоянная «чистой» МВС,
Дж/(кг·К).
Влажная МВС может быть насыщенной (φ < 1, 0 < рr < рr
') и ненасыщенной
(φ = 1, рr = рr
'). При этом ее газовая постоянная и молекулярная масса будут оп-
ределяться из следующих соотношений:
R' = R + d'Rr; (4)
152
m' = m + d'mr, (5)
где m, mr – молекулярные массы «чистой» МВС и пара, кг/моль.
В соответствии с [4] динамическая вязкость влаги (пара) в газовом потоке
( ) 26 64,528,17 10 1 2,1 10 393,15
961 273r r
T T Т
T
μ ρ−− −⎡ ⎤= ⋅ − ⋅ −⎣ ⎦+
, (6)
где ρr – плотность водяного пара, кг/м3.
Динамические вязкости воздуха [5], метана [6] и их смеси [7] в дегазацион-
ном трубопроводе будут определяться как:
1,5
0
273
273
v
v
v
С Т
Т С
μ μ
⎛ ⎞+ ⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎜ ⎟+ ⎝ ⎠⎝ ⎠
; (7)
( )2,4 0,26 6 110 exp 3,48384 10 mx
m m m m mK x Т рμ
−− − −⎡ ⎤≈ ⋅ Δ⎢ ⎥⎣ ⎦ ; (8)
v v m m
s
v m m v m v v m
y y
y y y y
μ μμ
ψ ψ− −
= +
+ + , (9)
где μs – динамическая вязкость воздуха при температуре Т0 = 273 К, Па·с; Сv –
постоянная Сезерленда для воздуха; ∆ – относительная плотность по воздуху,
д.е.; где рm – давление метана, Па; Тm – температура метана, К; Кm, хm – число-
вые параметры, определяемые согласно [6]; yv, ym – мольные доли воздуха и ме-
тана, д.е.; ψm-v, ψv-m – числовые параметры, определяемые согласно [7].
Если МВС и водяной пар рассматривать как два различных газа, то для оп-
ределения динамической вязкости влажной МВС как некоторого бинарного га-
за можно воспользоваться соотношением (9).
Рассмотрим случай, когда в потоке влажной МВС содержаться частицы пы-
ли с эквивалентным диаметром dt, размеры которых превосходят размеры газо-
вых молекул. В связи с этим указанные частицы не оказывают заметного влия-
ния на динамическую вязкость среды (исключая случай высокой концентрации
этих частиц в потоке). В связи с этим в качестве физического параметра влаж-
ной МВС с частицами пыли указанного диаметра следует рассматривать сред-
нюю величину результирующей плотности среды
1
1 1(1 ) (1 )r
t t t t t t
r
р рc c c c
RТ Т R R
ρ ρ ρ ρ
⎡ ⎤′ ⎛ ⎞′= + − = + − − −⎢ ⎥⎜ ⎟
⎝ ⎠⎣ ⎦
, (10)
153
где ρt – плотность твердых частиц, кг/м3; сt – объемная концентрация твердых
частиц диаметром, д.е.
Рассмотрим случай, когда во влажной МВС присутствуют высокодисперс-
ные частицы пыли с эквивалентным диаметром dp ≤ 0,1·10-6 м. Так как эти час-
тицы участвуют в броуновском движении молекул газа и формировании вязко-
сти среды, то введем допущение, согласно которому частицы пыли диаметром
dp ≤ 0,1·10-6 м и массовой концентрацией cp образуют «пылевой» газ [7], подчи-
няющейся кинетической теории газов. Тогда согласно работе [7] для средней
скорости up и длины свободного пробега λp этих частиц можно записать:
up = [8kTv(π6-1πdp
3ρt)-1]0,5; (11)
2
1
2p
p pd n
λ
π
= , (12)
где k = 1,380622·10-23 – постоянная Больцмана; np = cpmp
-1 – число частиц пыли в
единице объема; mp = 6-1πdр3ρt – масса частицы пыли, кг; cp = Сpρt – массовая
концентрация частиц пыли, кг/м3; Сp – объемная концентрация частиц пыли,
д.е, определяемая из соотношения
Сp= cpρt
-1 = np6-1πdр. (13)
Молярная масса Mp и динамическая вязкость μp рассматриваемой газообраз-
ной фазы [8]:
Mp = 6-1πdp
3ρtNa; (14)
μp = 3-1cpupλp = 3-1Сpρtupλp, (15)
где Na = 6,022·1023 моль-1 – число Авогадро.
Динамическая вязкость аэродисперсной системы будет зависеть от влажно-
сти МВС и объемной концентрацией частиц пыли диаметром dp. Объединяя две
фазы: водяной пар и МВС будем рассматривать влажную МВС как некоторый
газ. Если не учитывать частицы пыли диаметром dt, то аэродисперсную систему
можно рассматривать как бинарную газовую смесь, состоящую из влажной
МВС (некоторого газа) и «пылевого» газа. Для определения динамической вяз-
кости рассматриваемой аэродисперсной системы μ2 можно воспользоваться со-
отношением (9), а для величины ее плотности и кинематической вязкости мож-
но записать:
2
1 1(1 ) (1 )r
t p p t p p
r
р рc c c c
RТ Т R R
ρ ρ ρ ρ
⎡ ⎤′ ⎛ ⎞′= + − = + − − −⎢ ⎥⎜ ⎟
⎝ ⎠⎣ ⎦
; (16)
154
2
2
2
μν
ρ
= , (17)
где μ2 – динамическая вязкость аэродисперсной системы, Па·с.
Если учитывать содержание взвешенных частиц пыли диаметром dt, то со-
отношения (16), (17) примут вид:
3
1 1( ) (1 )r
t p t p t
r
р рc c c c
RТ Т R R
ρ ρ
⎡ ⎤′ ⎛ ⎞
= + + − − − −⎢ ⎥⎜ ⎟
⎝ ⎠⎣ ⎦
. (18)
2
3
3
μν
ρ
= , (19)
В выражении (19) величина динамической вязкости будет такой же, как и в
(17).
На рис. 1 представлены результаты расчета изменения динамической и ки-
нематической вязкости аэродисперсной системы на участке дегазационного
трубопровода в зависимости от массовой концентрации высокодисперсных
частиц пыли, полученные по формулам (9) и (17) соответственно.
а
б
Рис. 1 - Изменение динамической (а) и кинематической (б) вязкости аэродисперсной сис-
темы на горизонтальном участке вакуумного дегазационного трубопровода при относитель-
ной влажности МВС φ = 1 в зависимости от массовой концентрации высокодисперсных
частиц пыли диаметром dp = 0,1·10-6 м
155
Анализ рис. 1,а показывает, что динамическая вязкость аэродисперсной сис-
темы обратно пропорциональна величине массовой концентрации cp высоко-
дисперсных частиц пыли. Это связано с малой средней скоростью броуновско-
го движения этих частиц, а также с уменьшением длины их свободного пробега
при возрастании параметра cp.
Из рис. 1,б следует, что характер изменения кинематической вязкости аэро-
дисперсной системы будет идентичен рис. 1,а. Отличие будет заключаться
лишь в более быстром убывании параметра ν2 при соответствующем возраста-
нии массовой концентрации cp.
Таким образом, при расчете расходных характеристик участков вакуумной
газопроводной сети в качестве транспортируемой по дегазационному трубо-
проводу среду целесообразной рассматривать аэродисперсную систему с опре-
деленными физическими свойствами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Новиков Л.А. Определение потерь давления на загрязненных участках вакуумного дегазационного тру-
бопровода / Л.А. Новиков // Геотехническая механика: межвед. сб. науч. тр. / Ин–т геотехнической механики
им. Н.С. Полякова НАН Украины. – Днепропетровск, 2011. – Вып. 92. – С. 258-263.
2. Дегазация угольных шахт. Требования к способам и схемам дегазации. – Киев, 2004. – 126 с.
3. Бурцев С.И. Влажный воздух. Состав и свойства: Учеб. пособ. / С.И. Бурцев, Ю.Н. Цветков. – СПб.:
СПбГАХПТ, 1998. – 146 с.
4. Нубарян С.М. Средства коммерческого учета энергоносителей: Курс лекций для студентов 5-6 курсов
всех форм обучения по специальности 7.092108, 8.092108 «Теплогазоснабжение и вентиляция» / С.М. Нубарян
// ХНАГХ. – Харьков: ХНАГХ, 2009 – 152 с.
5. Васильев И. А. Теплофизические свойства веществ: Учеб. пособ. / И. А. Васильев, Д. П. Волков, Ю. П.
Зоричняк. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. – С. 42.
6. Сухарев А. М. Технологический расчет и обеспечение надежности газо- и нефтепроводов / А. М. Суха-
рев, А. М. Красевич // РГУ нефти и газа. – М.: ГУП «Нефть и газ» , 2000. – 270 с.
7. Асламова В. С. прямоточные циклоны. Теория, расчет, практика / В. С. Асламова // АГТА. – Ангарск:
АГТА, 2008. – 233 с.
8. Рид Р. Свойства газов и жидкостей / Р. Рид, Дж. Праусниц, Т. Шервуд. – Л.: Химия, 1982. – 592 с.
156
УДК 622.817.47:551.24
Канд. геол. наук П.С. Пащенко,
инж. А.А. Компаниец
(ИГТМ НАН Украины)
ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ДЕГАЗАЦИИ ПОРОД
НА ШАХТЕ «АЛМАЗНАЯ»
Описані основні чинники дегазації порід на вугільних шахтах. Серед цих чинників –
центральні частини стародавніх русел і потоків; локальні структури; зони порушених порід.
Поєднання вказаних чинників показує зони скупчення вільного газу у відкладах шахт. Одер-
жані експериментальні дані про розподіл газу в покрівлі основного вугільного пласта на ша-
хті «Алмазна».
MINING AND GEOLOGICAL FACTORS OF THE ROCK DEGASSING
IN THE ALMAZNAYA MINE
Basic factors of the rock degassing in the coal mines are described. Among these factors are
central parts of ancient canals and streams; local structures; areas of broken rocks. Combination of
these factors indicates areas with free gas accumulation in the mine deposits. Experimental findings
on gas distributing in the roof of basic coal layer in the Almaznaya mine are presented.
Проблема дегазации углей и вмещающих пород при ведении работ на шах-
тах актуальна с того времени, как начала развиваться угольная промышлен-
ность [1-3]. Когда в конце XVIII века в Бельгии, Франции и других странах бы-
ли зафиксированы первые взрывы метана при ведении горных работ, в резуль-
тате чего гибли люди, дегазация отрабатываемых угольных пластов стала не-
отъемлемой частью технологического процесса при угледобыче. Природная га-
зоносность на разных шахтах и в разных странах не сильно отличается, по-
скольку формирование угленосных бассейнов подчиняется общим закономер-
ностям, описанным в [4].
Значительные ресурсы метана в угольных пластах и вмещающих породах на
угольных месторождениях Украины, могут служить дополнительным источни-
ком энергии для страны. Использование метана угольных месторождений спо-
собствует также уменьшению глобального «парникового эффекта» и выполне-
нию Украиной обязательств, предусмотренных Рамочной конвенцией ООН по
изменению климата. Установлено, что по своим свойствам метан в 21-н раз ак-
тивнее влияет на процессы, связанные с образованием «парникового эффекта»,
чем углекислый газ [5].
Детальное исследование условий и закономерностей формирования и раз-
мещения скоплений углеводородов в осадочной толще позволили оценить вы-
сокую газоносность недр Донецкого бассейна. Его особенностью является на-
личие, кроме угля, значительных ресурсов метана, который находится в уголь-
ных пластах и вмещающих породах. Произведенная оценка ресурсов метана по
угольным пластам составляет около 12 трлн. м3 [6]. Следует указать, что эта
цифра дана без учета газоносности пород, только по угольным пластам и про-
пласткам. С учетом газоносности пород, по данным [7], в отложениях Донецко-
го бассейна находится 25 трлн. м3 метана. В.И. Узиюк и др. [8], выполнив ком-
|