концентрация метана - Исследование частотных характеристик добычных участков по каналу расход воздуха - страница 1

Страницы:
1  2 

УДК 622.42

О. Ю. Чередникова (ассист.)

Донецкий национальный технический університет ola@cs.dgtu.donetsk.ua

ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДОБЫЧНЫХ УЧАСТКОВ ПО КАНАЛУ «РАСХОД ВОЗДУХА - КОНЦЕНТРАЦИЯ МЕТАНА»

Показано, что газодинамическая сеть участков представляет фильтр нижних частот по каналу «расход воздуха - концентрация метана». Установлено, что граничная частота возмущений по расходу воздуха не превышает 10-3 рад/с. В силу этого установлен существенный спектр производственных возмущений для систем управления по газовому фактору для добычных участков угольных шахт.

спектр возмущений, амплитудно-частотная характеристика, передаточная функция, концентрация метана, математическая модель

Введение

Для поддержания концентрации метана на требуемом безопасном уровне в системах управления по газовому фактору необходимо эффективное подавление возмущений как по дебиту метана, так и по дебиту воздуха. Ширина спектра производственных возмущений по воздуху в сотни раз шире полосы возмущающих воздействий по газу. Как известно [4], граничная частота возмущающих воздействий по газу обычно не превышает 0.001 с-1, а производственные возмущения по дебиту воздуха обычно имеют верхнюю границу полосы существенных частот до 0.5 с-1. В силу этого, для расчета динамических свойств систем управления по газу важное значение имеет определение верхнего предела частотного спектра производственных возмущений по дебиту воздуха в шахтной сети, способных вызвать опасные отклонения концентрации метана на участке от заданного уровня.

Частотные характеристики газодинамической модели выемочного участка по каналу «дебит воздуха - дебит метана»

Регулируемой координатой участка в контуре управления по газу является концентрация метана в наиболее опасной по концентрации метана горной выработке, определяемой правилами техники безопасности.

© О.Ю. Чередникова, 2009

При отработке пласта, например, прямым ходом, таким регулируемым параметром является концентрация метана в исходящей струе участка [4] (рис.1).

Рисунок 1 - Обобщенная схема движения газовоздушной смеси в выработках и выработанном пространстве выемочного участка:

Q - дебит воздуха на участке;

С - концентрация метана в исходящей струе участка;

Qyr - дебит утечек воздуха через выработанное пространство;

Qjj - расход воздуха в лаве;

Qujj - дебит метана в лаву из груди разрабатываемого пласта; Qjicii - дебит метана из спутника;

Смут - концентрация метана в утечках воздуха через выработанное пространство; Qjnj - общий дебит метана из выработанного пространства; Qjjj, - общий дебит метана в исходящей струе участка.

При разработке газодинамической модели таких участков кроме выделения газа из груди забоя и спутников необходимо учитывать содержание газа в утечках воздуха из выработанного пространства. Поэтому в общем случае полное математическое описание участка как объекта управления с сосредоточенными параметрами должно включать систему дифференциальных уравнений газодинамических процессов, как в выработках, так и в утечках из выработанного пространства [5].

В базовом варианте схемы проветривания участка при отработке пласта прямым ходом (рис.1) в первом приближении при малых отклонениях аэрогазодинамических переменных в процессе регулирования режима проветривания участка переходные процессы по дебиту метана в лаве, в первой (прилегающей к лаве) и второй (удаленной от лавы) зонах выработанного пространства описываются системой уравнений [3]:

ТлЧл + Чл = Тл& ;

dq1    1 dG

1+q1 = m;

dt    71 dt

dq2     1 dG

— +—q2 = m2 ,

dt    T2 dt

где Тл, Т1, Т2 - соответственно время однократного обмена воздуха в лаве и вентиляционном штреке, в первой и второй зонах выработанного пространства;

m1, m2 - коэффициенты степени турбулентности утечек воздуха в первой и второй зоне выработанного пространства;

G= (Q - Qo )/ Qo - относительное приращение расхода воздуха в выемочном участке;

q1 = (QMe1-QoMe1)/QoMe1 - относительное приращение дебита метана из первой зоны выработанного пространства.

q2 = (QMe2-QoMe2)/QoMe2 - относительное приращение дебита метана из второй зоны выработанного пространства;

Чл = (Qmi - Qomi )/ Qomi - относительное приращение суммарного дебита метана на выходе из лавы.

В силу этого комплексная частотная характеристика газодинамической сети участка по каналу «дебит воздуха - дебит метана» может быть представлена в виде:

W,W =        = -Тщ (1)

мтс \   Ч1( Щ    m1T1 jo G( jd)   1 + jwT

W2(jD) = Д  : =      „ , (3)

где Wjtd'co), W1(jm), W2(j(o) - комплексные частотные передаточные функции соответственно по дебиту метана лавы (WJ), газовыделению из первой (Wi) и второй (W2) зоны выработанного пространства.

Следовательно, в соответствии с (1 - 3) амплитудно-частотные характеристики по дебиту метана на выходе участка описываются формулами:

Aj щ) =|Wj (щ=-=Щ=; (4)

л/1 +

ащ =lwlUd)l=^mmT==; (5) V1 + d2t12

д/1 + d2T22

Зависимость концентрации метана на выходе участка от дебита метана и расхода воздуха на участке можно представить функцией [3]:к = 6lql + #2q2 + влЧл - G ,

ГДЄ в1  = Qauel / Qauyl      в 2 = Qauel / Qauyl к = (С -Со) / Со - ОТНОСИТЄЛЬНОЄ

безразмерное значение концентрации метана.

Следовательно, комплексная частотная функция по концентрации метана выемочного участка в общем виде будет иметь вид:

WK(Ja) = к / G = e1W1(j»)+ e2W2(j«) + влЖл (j)) -1. (7)

С учетом (1), (2) и (3) выражение (7) окончательно может быть представлено в виде:

WO = X(co)+jY(co),

где X ())

в1т1Т12)2 1 + Т12ю2

в2 m2T22)2 1 + T22)2

влТл)2

1 + ті)

Y()) = в1т1Т1 С   + в2m2T2 C   + вЛТл c

-1;

1 + T12a2

1 + T22)2

1 + T,V

Откуда, для амплитудно-частотной характеристики выемочного участка по концентрации метана получим:

Ак ()) = VX())2 + Y())2 . (8)

На рис.2 в соответствии с соотношениями (4), (5), (6) и (8) построены амплитудно-частотные характеристики для условий 1-ой восточной лавы шахты «Мушкетовская-Вертикальная» (табл.1).

Таблица 1 Параметры математической модели 1-ой восточной лавы шахты «Мушкетовская-Вертикальная»

 

ПІ2

мин

мин

^ому1,

м /мин

Qому2,

м /мин

ОомвЪ

м /мин

Qомв2,

м /мин

Qомл,

м /мин

1

1.3

120

800

3.1

3.8

1.75

0.7

1.35

I_I_I_I_I_

Таблица 1.Продолжение

3

м /мин

Qоут2,

м /мин

Qол,

Qо,

 

 

 

 

м /мин

3 /

м /мин

 

м

130

При построении частотных характеристик в соответствии с параметрами этого выемочного участка, показанными в табл.1, в модели были использованы следующие параметры:

Тл = 2300 сек., Т1 = 7200 сек., Т2 = 121000 сек., m1=1, m2=1.3.

Из полученных графиков частотных характеристик следует, что выемочный участок по дебиту метана является фильтром высоких частот и хорошо «пропускает» высокие частоты, начиная с со=10~ рад/сек, в то время, как по концентрации метана участок представляет собой фильтр

низких частот, т.е. хорошо «пропускает» низкие частоты вплоть до со=10 рад/сек и плохо «пропускает» (подавляет) высокочастотные возмущения по расходу воздуха.

АЧХ лавы по газу, dB

.5

10

1СҐ

АЧХ первой зоны выработанного пространства по газу, dB

ovi=10j

10'

10'

1.5

0.5

0

АЧл второй зоны выработанного пространства по газу, dB

Ю

10

тлл,рад/сек

10'

00^2=9-10"

АЧХ участка по изменению концентрации метана, dB

J__і__і

OW=10"-

10'

10

w, рад/с

10

10

10

10

<УУ г рад/с

Рисунок 2 - АЧХ по каналу «дебит воздуха - дебит метана - концентрация метана» выемочного участка: юппл, юпп1, GW, юппк - соответственно полоса пропускания по дебиту метана в лаве, первой и второй зонах выработанного пространства и концентрации метана

В силу этого с позиции концентрации метана в составе спектра производственных возмущений по воздуху опасными следует считать только те гармоники, частота которых не выше а>=10~ рад/сек. Следовательно, в аэродинамической сети участка для подавления опасных по газовому фактору производственных возмущений по воздуху в шахтных условиях необходимо подавлять помехи по расходу воздуха, начиная с гармоники круговой частоты а>=10~ рад/сек и ниже. Таким образом, аэродинамические модели горных выработок шахтной сети как объекты управления по газу с учетом фильтрационных свойств газодинамической сети участка должны рассчитываться для полосы частот значительно уже реального спектра производственных аэродинамических возмущений и должны быть эквивалентны оригиналу до граничной гармоники частотного спектра возмущений по воздуху, соответствующей со=10~ рад/сек.

Разработка приближенных аэродинамических моделей выемочного участка ШВС как объекта управления по газу

В [2] разработаны математические модели выработок шахтной вентиляционной сети в действительном диапазоне возмущающих воздействий шахтной вентиляционной сети. Самой простой из них является L-модель выработки, учитывающая только инерционность воздушного потока выработки (рис.3).

Нн ZL=j(toL)

ill.

Qk

ZB=pa/F

Рисунок 3 - L-модель короткой выработки, согласованной по выходу

Входное сопротивление L-модели определяется соотношением:

ZL = Ze(1 + J®-) .

a

Откуда, для амплитудно-частотной характеристики получим:

^ = д/і + {<*- )2

На рис.4 для опасного спектра полосы пропускания выемочного участка по газовому фактору (со=0+10~ рад/сек) показаны частотные характеристики L-модели (рис.3) при максимально возможной длине

lзо

выработки вентиляционной сети выемочного участка, принятой равной 5000м.

0.55

0.5

0.45

1 0

Я 5

-5

АЧХ по напору на входе выработки шиной 5000м

1 0 1 0^

w, рад/сек

ФЧХ по напору на входе выработки длиной 5000м

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

концентрация метана - Исследование частотных характеристик добычных участков по каналу расход воздуха