книги из ГПНТБ / Куликов В.П. Проветривание угольных разрезов

§2. Ветровой фактор в глубоких разрезах

ина прилегающей территории

Наиболее значительным фактором выноса вредных примесей является энергия ветра. Изучение ветрового режима в течение 1966—1970 г. показало, что на при­

и юго-западного направлений. Роза ветров на Коркин­ ском разрезе в холодное время года показана на рис. 5.

Иное распределение направлений потоков в разре­ зе в теплый период года: роза ветров имеет почти круговую (квазикруговую) форму (см. рис. 4) неза­ висимо от направления ветра на поверхности разреза. Такая роза ветров в разрезе в теплое время года позволяет отметить периодичность направлений

20

Рис. б. Роза ветров на Коркинском разрезе в холодное время года (в кружках — число штилевых дней)

потоков, вызванную развитием. разных склоновых (вдоль бортов) циркуляций в различное время суток.

ночью северо-западные потоки.

Уменьшение скорости ветра с глубиной, характе­ ризуемое коэффициентом

сказывается при северном и северо-восточном направ­ лении ветра на поверхности по сравнению с другими

21

направлениями, что обусловлено большей термодина­ мической неустойчивостью воздуха этих направлений, так как повышенная турбулентность обеспечивает лучшее выравнивание скоростей потоков на глубине разреза.

Изменение скорости ветра с глубиной может быть выражено формулой

где Uн — средняя скорость потоков на глубине Я, м/с. Как .показали исследования на Коркинском разре­ зе, достигшем глубины 365 м, в формировании воз­ душных потоков проявляется сложное комбинирован­ ное влияние динамического и термического факторов (рис. 6). При штиле на прилегающей к разрезу тер-

(17,9%); 1,1-2 м/с (9,6%) и 2,1—3 м/с (5,8%). Та­ ким образом, при штиле на поверхности преобладает штиль и на дне разреза (2/з общего числа случаев), а возникающие в 7з случаев воздушные потоки вы­ званы действием термического фактора, проявляюще­ гося в различном нагреве бортов, что вызывает цир­ куляции воздуха по наклонной поверхности бортов

22

(склоновые циркуляции). Такие циркуляции возника­ ют в летний и весенний периоды года и практически отсутствуют с октября по февраль.

При скорости ветра более 2 м/с отмечается про­ порциональное увеличение скорости воздушных пото­ ков на дне разреза. Отсюда следует, что преобладаю­ щим фактором формирования воздушных потоков на дне разреза является термический при скорости вет­ ра на поверхности менее 2 м/с. Совместное действие динамического и термического факторов сказывается при скорости ветра более 2 м/с. Так, при скорости

скорости ветра на поверхности более 8 м/с на дне разреза штиль наблюдается редко, термический фак­ тор перестает влиять на проветривание.

Следует ожидать, что при дальнейшем увеличении глубины горных работ штили будут значительно чаще наблюдаться при скорости ветра на поверхности бо­ лее 8 м/с.

Анализ данных о ветре на поверхности разреза (более 5200 наблюдений) показывает, что среднего­ довая скорость равна 3,9 м/с. При такой скорости ветра повторяемость в разрезе штиля составляет 26%, воздушных потоков со скоростью 0,2—1 м/с — 34%; 1,1—2 м/с—19%; 2,1—3 м/с—18%; более 3,1 — м/с — 3% [55].

§ 3. Характеристика основных схем естественного проветривания

Основными схемами естественного проветривания разрезов являются прямоточная и рециркуляционная, а также их производные — прямоточно-рециркуляци­ онная и рециркуляционно-прямоточная.

Прямоточная схема возникает тогда, когда угол наклона подветренного борта р меньше угла расши­ рения струи иг, если же р > « 2, то образуется рецир­ куляционная схема (рис, 7). Обычно принимают сред-

23

Рис. 7. Рециркуляционная схема проветривания (теоретиче­ ская)

нее значение сс2~15°, однако в глубоких разрезах «2 изменяется в очень широких пределах.

Натурные исследования показали, что формирова­ ние прямоточной и рециркуляционной схем естествен­ ного проветривания определяется не только углом наклона подветренного борта, но и соотношением взаимного влияния термического и динамического факторов проветривания.

Повторяемость этих схем в зависимости от направ­ ления ветра на прилегающей к Коркинскому разрезу территории показана на рис. 8. При одном и том же

Рис. 8. Гистограмма повторяемости основных схем есте­ ственного проветривания на Коркинском разрезе при ветре

различных направлений

направлении ветра на прилегающей территории в разрезе наблюдаются как прямоточная, так и рециркуляционая схема, независимо от величины угла на-

24

клона подветренного борта. Наиболее часто наблюдается прямоточная схема: при ветре юго-западного

случаев. Рециркуляционная схема наблюдается: при ветре юго-западного направления 6,7%, западного — 5,4% и юго-восточного — 4,8% общего числа случаев. Оценивая в целом повторяемость этих схем, укажем, что прямоточная схема наблюдается в 65,6%, рецир­ куляционная— в 34,4% общего числа случаев.

Повторяемость схем проветривания в зависимости от скорсти ветра U0 на бровке разреза показана на рис. 9. При скорости ветра менее 3 м/с повторяе­ мость прямоточной схемы несколько больше, чем ре­ циркуляционной (соответственно 57,4 и 42,6%). С увеличением скорости ветра значительно возраста­

ставляет 72,2 и 27,8%, а Цри ветре более 9 м/с почти исключительно наблюдается прямоточная схема — 92,3%, тогда как рециркуляционная составляет только 7,7% случаев при данной скорости ветра.

Обобщенные данные о повторяемости рассматри­ ваемых схем проветривания в зависимости от периода года и скорости ветра на поверхности разреза приве­ дены в табл. 2.

25

Т а б л и ц а 2

Повторяемость основных схем проветривания по периодам года в зависимости от скорости ветра

Рециркуляционная схема проветривания возника­ ет при нескольких меньших скоростях ветра, чем пря­ моточная, причем в теплый период года она наблю­ дается преимущественно при скорости ветра до 3 м/с (65% числа случаев), тогда как повторяемость пря­ моточной схемы составляет 46% числа случаев. Если рассматривать интервал скорости ветра от 0 до 6'м/с, то повторяемость обеих схем оказывается одинаковой (94—95% случаев). В холодный период года, когда термический фактор оказывает меньшее абсолютное влияние, наибольшая повторяемость рециркуляцион­ ной схемы наблюдается при скорости ветра от 3,1 до 6 м/с (50%) и при скорости 6 м/с (78%), тогда как повторяемость прямоточной схемы в зимний период по существу не зависит от скорости ветра на поверх­ ности; на каждую из четырех градаций скорости ветра приходится по lU числа случаев этой схемы

(см. табл. 2).

При сохранении направления ветра на прилегаю­ щей территории в разрезе в течение суток наблю­ дается изменение схем естественного проветривания: прямоточная схема переходит в.рециркуляционную в теплый период года в среднем между 8—10 ч, а в холодный—.между 11—13 ч, когда усиливается сол­ нечный нагрев. Обратное изменение схем наблюдает­

26

Рис. 10. Повторяемость различных величии аг по периодам года:

/ — теплый; 2 — холодный

Из табл. 3 видно, что величина угла расширения свободной струи в карьерном пространстве аг, опре­ деляющего границу между прямыми и обратными потоками (см. рис. 7), изменяется от 2 до 18° (рис. 10).

Та б л и ц а '3

Характеристика рециркуляционной схемы проветривания в зависимости от величины угла раскрытия струи

на Коркинском разрезе

шую величину, чем в теплый, за исключением слу­

27

Т а б л и ц а 4

Характеристика рециркуляционной схемы проветривания при различном направлении ветра на прилегающей территории

сферы, характеризуемой коэффициентом турбулент­ ности, который вычисляется по известным формулам с использованием результатов натурных измерений. Уменьшение турбулентности воздушного потока со­ кращает образование вихрей, выносящих вредные примеси. В холодный период в 20% числа случаев с рециркуляционной схемой наблюдаются очень ма­ лые значения аг = 2ч-5°, а в 54% случаев аг = 2^-8°. Воздушный поток как бы проскакивает по верхней части разреза, не проветривая его глубокую часть. В связи с этим за счет энергии ветра зимой проветри­ вается слой внутрикарьерной атмосферы мощностью только 100—150 м (иногда до 200 м при северовосточном и северо-западном направлении ветра), а более глубокая часть мощностью 240—190 м провет­ ривается плохо, так как она находится в зоне рецир­ куляции с очень малой скоростью воздушных потоков. Наиболее часто именно в этой зоне при ясном небе возникают температурные инверсии за счет радиаци­ онного выхолаживания земной поверхности и приле­ гающих-слоев воздуха, в результате чего происходит загазование глубокой части разреза. При таких ситуациях здесь сохраняется полный штиль, хотя на прилегающей территории ветер может достигать 8 м/с.

Средневзвешенное значение угла расширения свободной струи в карьерном пространстве составля­

28

Для разных периодов года отмечается несколько

различная зависимость угла а 2 от скорости ветра на прилегающей к разрезу территории U0 (рис. 11). Зна-

наблюдается при несколько меньшей скорости ветра: соответственно 3,3 и 5,1 м/с.

На рис. 12 показана зависимость величины сг2 от направления ветра на прилегающей территории для

Рис. 12. Зависимость а,2 от

направления ветра на при­ легающей территории по пе­

риодам года:

1 — теплый; 2 — холодный

разных периодов года. Зимой при ветре северного, северо-восточного и северо-западного направлений коэффициент турбулентности атмосферы больше, чем для других направлений, поэтому угол расширения а 2 свободной струи ветрового потока в разрезе имеет большее значение; при этих направлениях ветра раз­ рез проветривается лучше, так как объем зоны рецир­ куляции оказывается значительно меньше, величина скоростей воздушных потоков на дне больше.

На рис. 13 в качестве примера по данным щаропи-

29