1.3. Аэродинамика природных вентиляционных сил глубоких карьеров

Как было уже отмечено, определяющим фактором природных вентиляционных сил в карьерах является ветровая энергия. Разли­чают две основные схемы ветровой аэрации карьеров - прямоточ­ную и рециркуляционную (рис. 1.6). Переход от прямоточной к ре­циркуляционной схеме начинается при увеличении, угла откоса подветренного борта карьера до 15° и более. Однако главные обво­ды контура подветренного борта позволяют сохранить прямоточ­ную схему при углах откоса до 25°.

Рис. 1.6. Прямоточная (а) и рециркуляционная (б) схемы естественного

При углах откоса большинства действующих карьеров 30-60° объем зоны рециркуляции достигает в них около половины всего объема выработанного пространства.

Результаты шаропилотных исследований ветровых потоков в карьерах [1] показывают, что в наиболее глубокой части карьеров иногда возникают замкнутые вихреобразные течения, структура

Угол расширения потока щ, в соответствии со сказанным ра­нее, принимаем равным 15°, угол наклона границы ядра постоян­ных скоростей a,i = 7,5° и угол наклона ядра постоянной массы а₃ = 1°. Свободная струя в карьерном пространстве существует до пере­ходного сечения 07Р, после которого начинается поворот присое­диненных масс, заключенных между изотахами ср₃ и (р₂. Присоеди­ненные массы проходят через сечения Cf, СР и создают поток об­ратного направления, циркулируя между основной и вторичной зо­нами. Продольная составляющая скорости в пограничном слое (до переходного сечения) может быть найдена из следующего выраже­ния:

£/=£/₀cos(p, (1.3)

где Vq - скорость ветра на поверхности; ф - безразмерный пара­метр, изменяющийся от 0 до 1,57.

Ширина пограничного слоя в произвольном сечении

Ь'к = х (tg а, + tg а₂)=0,4х.

Интегрируя функцию скорости в пределах пограничного слоя, определяем расход воздуха в произвольном сечении пограничного слоя:

Q_x = 0,254 U₀xB_K, (1.4)

где В_к - средняя ширина фронта ветрового потока в карьере, м.

Объем циркулирующего в карьере воздуха (проходящего че­рез сечение СР) определяем, интегрируя расход в пределах от гра­ницы ядра постоянной массы ф₃ до ф₂:

&ец = 0,122 U₀xB_K. (1.5)

По данным работы [7], изменение скорости ветра с глубиной карьера Н_к может приближенно оцениваться по формуле

U_HK=U₀0,6^H\ (1.6)

где Uh_k - средняя скорость ветра на глубине карьера Н_к; Н_к - значе­ние глубины карьера, уменьшенное в 100 раз.

Ветровой поток под влиянием карьерного пространства под­вергается деформации, интенсивность которой зависит от геомет­рических параметров карьера и скорости ветра. На подходе к карь­еру наблюдается увеличение скорости ветра в приземном слое, а на выходе - постепенное снижение.

С увеличением глубины карьеров скорость воздушных пото­ков в них значительно снижается. Так, на дне Коркинского карьера среднегодовое ее значение составило 26 % от скорости ветра на по­верхности, в Сибайском - 43,5 %. При дальнейшем увеличении глу­бины карьеров, наблюдаемом в настоящее время, скорости ветра в их нижней части будут еще более значительно снижаться, достигая опасно низких уровней.

к изотермическому или инверсионному состоянию, в результате че­го турбулентные процессы затухают, вынос примесей из карьера сокращается и выработанное пространство «запирается» задержи­вающим слоем воздуха.

Разрушение инверсионного слоя одинаково сложно при лю­бом воздействии на него, так как возникающие при вертикальных перемещениях воздушных масс в слое инверсии гравитационные силы имеют одинаковую величину как при подъеме, так и при опускании выделенной массы воздуха.

Загрязнение атмосферы начинается, как правило, при темпе­ратурных градиентах меньше адиабатических и достигает макси­мума при инверсиях. Следовательно, термодинамическое состояние атмосферы оказывает существенное влияние на природный возду­хообмен в карьерах, а также на энергоемкость и эффективность ис­кусственного проветривания.

Наряду с этим воздействием термического фактора в карьерах образуются местные конвективные потоки, обусловленные, глав­ным образом, воздействием солнечной радиации.

При нагреве бортов карьера солнечными лучами создается пе­репад температур между почвой и воздухом, порождающий восхо­дящие конвективные потоки (рис. 1.8), также способствующие ес­тественному воздухообмену в карьерном пространстве.

Рис. 1.8. Расчетная схема восходящего по борту конвективного потока:

а - угол откоса борта; и - скорость потока на произвольной глубине; 5 - толщина конвективной струи

Однако выполненные расчеты и натурные анемометрические наблюдения [1,2] показывают, что местные потоки при всех усло­виях не могут иметь решающего значения в этом воздухообмене,

22

тем более, что скорость их на нижних горизонтах, где сосредоточе­ны горные работы и технический персонал, имеет весьма малые ве­личины.

Наряду с солнечной радиацией на развитие конвективных те­чений в атмосфере карьеров могут существенно влиять окисли­тельные процессы, способствующие формированию температурных градиентов. Однако роль этого фактора не следует переоценивать. Так, например, на Коркинском карьере в ноябре-декабре 1967 года значительные тепловыделения от окислительных процессов и по­жаров оказались не в состоянии восстановить нормальный возду­хообмен в карьере на протяжении 6 суток, а с появлением ветра ат­мосфера очистилась в течение часа [1].

Помимо загазовывания в периоды длительных инверсий, как правило, наблюдается туманообразование и резко снижается види­мость, что препятствует ведению горных работ, вплоть до их пол­ной остановки.

Так, согласно заключению комиссии Минуглепрома СССР от 30.11.67 с декабря 1966 по ноябрь 1967 гг. в Коркинском угольном разрезе № 1-2 зарегистрирован 131 случай ухудшения видимости, из них с видимостью 50 м - 17 случаев. За этот же период наблю­далось два случая сильного загазовывания, потребовавшие полную остановку разреза и вывод людей на поверхность.

В выводах и рекомендациях указанной комиссии предлагалось усилить изучение условий образования застойных зон в конкрет­ных условиях разреза и разработать методы и средства искусствен­ного проветривания этих зон. Также предлагалось обобщить миро­вой опыт по тепловому рассеиванию туманов и разработать методы и технологии борьбы с туманами.

Представляет определенный интерес использование глубин­ного тепла Земли для повышения температуры нижних слоев воз­духа в карьерах. Температура горных пород в карьерах и воды в их открытых водосборниках с глубиной возрастает быстрее, чем тем­пература воздуха. Перепад температур отбитой горной массы и во­ды может достигать в существующих глубоких карьерах в зимнее время 30-35°, а при глубине карьера 600-700 м - превышать 50° [1, 2J. Таким образом, с ростом глубины открытых горных работ зна­чимость фактора глубинного тепла Земли будет непрерывно воз­растать, особенно на месторождениях, имеющих высокие значения геотермических факторов.