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

Рис. 13. Характеристика прямоточной схемы в зимний период при восточном направлении ветра:

а — 23 декабря 1967 г., 12 ч; 6 — 24 декабря 1967 г., 12 ч

лотных наблюдений приведена характеристика прямо­ точной схемы при различной скорости восточного вет­ ра Л/0= 10,5 и 3 м/с. Наблюдения показали, что при значительном снижении скорости ветра его направле­ ние в разрезе в данном случае меняется мало, тогда как скорость затухает быстро. Из рис. 13 видно, что даже при U0=10,5 м/с в западной глубокой части разреза образуется зона с очень малыми скоростями

Вместе с тем на дне восточной части разреза 6= 0,55 при f/o=10,5 м/с и 6=0,16 при Uo=3 м/с. В зимний период года с уменьшением скорости ветра на приле­ гающей территории наблюдается непропорционально быстрое затухание воздушных потоков в разрезе.

На рис. 14 приведены обобщенные характеристики прямоточной схемы при различных скоростях ветра Uo и его преобладающих направлениях на поверхности разреза в зимний период. Интересны результаты анализа соотношения средних скоростей ветра на

бровке разреза U0 и воздушных потоков в карьерном

пространстве на уровне бровки Ux. Согласно теории плоскопараллельной струи [7, 27], для прямоточной

схемы Ux= 0,725 Uо, для рециркуляционной Ux= =0,68 Uo. Однако натурные замеры аэростатным зон-

30

Западное напрадление

Рис. 14. Обобщенная характеристика прямоточной схемы в холодный период года при преобладающих направле­ ниях ветра в зависимости от его скорости U0'-

дированием атмосферы в разрезе и'запуском взвешен­ ных шаров-пилотов показали отсутствие существенно­

го различия в величине Ъ х и U0. Как при рециркуля­ ционной, так и при прямоточной схеме проветривания

наблюдается либо их равенство, либо U0> U X, либо

Uo<Ux. Причем Д £/=Н 0—0 Х приблизительно равно­ мерно отклоняется от нуля в обе стороны.

§4. Влияние температурного фактора на воздухообмен

вразрезах

Роль температурного фактора в проветривании разрезов проявляется в формировании конвективных потоков и склоновых циркуляций воздуха вследствие возникновения положительного или отрицательного теплового баланса внутрикарьерной атмосферы, а

34

Т абл и ц а 5

Классификация состояния атмосферы по условиям выноса вредных примесей

также различной ее устойчивости, зависящей от стра­ тификации атмосферы. Кроме того, интенсивность вы­ носа вредных примесей зависит от турбулентного обмена, выражаемого через коэффициент турбулент­ ности, но этот вопрос требует специальных иссле­ дований.

В табл. 5 приведена разработанная автором клас­ сификация состояний атмосферы по ее опасности и эффективности естественного рассеивания вредных примесей.

При величине вертикального температурного гра­

ее состояние неопасным, естественное проветривание осуществляется за счет конвективных потоков. Дина­ мическое воздействие энергии ветра в этом случае имеет подчиненное значение.

Если скорость ветра в разрезе более 2 м/с, то за счет его энергии происходит интенсивное перемеши­ вание отдельных воздушных масс, атмосфера оказы­ вается в равновесном (безразличном) состоянии (группа 2), не представляющем опасности. Макси­ мальное значение ур равно сухоадиабатическому Ур=Уа:= 1° С/100 м. Анализ материалов метеорологи­

многочисленных исследований безразличная стратифификация атмосферы наблюдается при у>0,6° С/00 м.

Действительно, при опускании некоторого объема воздуха или его подъеме по вертикали на 100 м про­ исходит адиабатический нагрев или охлаждение на 0,98° С [82]. Воздух находится в равновесном состоя­ нии, происходящие в нем турбулентные пульсации рассеивают вредные примеси. При понижении темпе­ ратурного градиента до 0,6° С/100 м в атмосфере со­ храняются турбулентные пульсации, величина кото­ рых достаточна для рассеивания вредных примесей, т. е. при изменении температурного градиента в пре­ делах 1—0,6° С/100 м потенциальная энергия воздуха такова, что он по существу находится в равновесном состоянии. Как при слабоустойчивом состоянии (груп­ па 3, Y=0,6-f-0° С/100 м), которое следует оценивать

как угрожающее, так и при очень устойчивом' (инвер­ сионном, группа 4, у < 0 ), являющемся опасным, ат­ мосфера приобретает естественную устойчивость и возникает дефицит энергии неустойчивости Et.

Температурный режим карьерного пространства формируется за счет инсоляции (притока солнечной радиации к земной поверхности) и радиационного выхолаживания поверхности земли. Кроме того, тем­ пературный режим определяется адвекцией (горизон­ тальным переносом) тепла или холода в свободной атмосфере.

Инсоляция складывается из прямой радиации и диффузной, объединяющей рассеянную и отраженную радиации. Изменчивость интенсивности инсоляции бортов и дна разреза в пространстве и времени опре­ деляет тепловое состояние горных пород, . которое преимущественно формирует режим температуры воз­ духа в карьерном пространстве.

Величина солнечной радиации зависит как от мик­ роклиматических факторов (высоты территории над уровнем моря, температуры и влажности атмосферы,

бедо) подстилающей поверхности, экспозиция и угол наклона борта, затененность карьерного пространства сооружениями, закрытость горизонта бортами и др.

Основным источником тепла, получаемого бортами и рабочими площадками разреза, является прямая солнечная радиация. Ее поток, поступающий на про­

угол падения солнечных лучей на поверхность борта. В зимний период вследствие малой продолжитель­ ности светового дня интенсивность прямой солнечной радиации оказывается значительно меньше, чем ле­ том (рис. 15). Кроме того, за счет малой высоты стояния солнца над горизонтом и увеличения облач­ ности при том же угле наклона бортов они получают

зимой значительно меньше тепла, чем летом.

34

Рис. 15. Продолжительность инсоляции на Коркин­ ском разрезе:

о — 22 июня; 6 — 21 декабря

В зимний период увеличивается отражение сол­ нечных лучей от подстилающей поверхности. Альбедо составляет на Коркинском разрезе от 0,30 до 0,45 кал/см2, тогда как в теплое время года оно ме­ няется от 0,09 до 0,16 кал/см2.

35

3*

ао

ю

Рис. 16. Закрытость горизонта борта­ ми на Коркинском разрезе:

а — летом; б — зимой

Оценку температурного режима в разрезе, создаю­ щегося в результате солнечной радиации, необходимо производить следующим образом. Прежде всего оп­ ределяют степень закрытости горизонта прилегающим бортом (рис. 16). Для этого в разрезе выбираются точки с таким расчетом, чтобы охарактеризовать за­ крытость горизонта во всех частях разреза. Так, для Коркинского разреза достаточно 24 точки, располо­ женные на разных уровнях. Для каждой точки в от­ дельности определяется закрытость горизонта по восьми направлениям. При этом определяется превы­

36

шение видимого горизонта над истинным. За истин­ ный горизонт принимается абсолютная отметка рас­ сматриваемой точки, за видимый — отметка самого высокого уступа, верхняя бровка которого видна на фоне неба.

Угол закрытости горизонта г| определяется по фор­ муле

точки и бровки самого высокого видимого на фоне неба уступа, м; Ь' — горизонтальное проложение от точки до бровки уступа, м.

При анализе полученных данных видно, что за­ крытость горизонта в разрезе зависит не только от глубины расположения данной точки и горизонталь­ ного проложения до бровки уступа, закрывающего го­ ризонт, но и от ширины горизонтальных площадок, на которых выбираются точки. На первом рассмат­ риваемом горизонте (в 100 м от поверхности) боль­

части в юго-западном направлении закрытость го­ ризонта равна 22°. Самая большая закрытость гори­ зонта на данной глубине (33°) наблюдается в восточ­ ной части разреза. В остальных направлениях гори­ зонт менее закрыт (углы закрытости 3—12°), так как расстояние до верхней бровки бортов больше по срав­ нению с превышением.

На гор. 200 м затененность рабочих площадок ближайшими бортами возрастает. Так, у северного борта закрытость горизонта составляет 23—30°, у южного и юго-восточного с юга 24—34°, у юго-запад­ ного и западного бортов с запада 30° и у юго-запад­ ного 36°.

Нижний гор. 300 м, расположенный в 35 м от дна разреза, имеет максимальную закрытость горизонта по всем направлениям, за исключением восточного.

Таким образом, по всей глубине разреза наиболь­ шую закрытость горизонта создают западный и севе­ ро-западный борта, наименьшую — восточный и юговосточный.

37

Рис. 17. Номограмма для определения продолжительности инсоляции (для 54° северной широты)

Температурный режим в разрезе зависит не толь­ ко от закрытости горизонта, но и от продолжитель­ ности солнечного облучения бортов и дна. Продол­ жительность инсоляции определяют по номограмме Рейдата, которая составляется для широты, соответ­ ствующей месту расположения разреза, например для Коркинского разреза 54° северной широты (рис. 17). Номограмма изображается в виде ряда концентриче­ ских окружностей, проведенных через 5°. Внешняя окружность представляет собой линию горизонта, а центр — зенит солнца. От центра через 10° проведены радиусы, угол между ними характеризует азимут, а длина радиуса-вектора — высоту стояния солнца. Для всех дат года (через десять дней) проведены траек­ тории солнца в виде кривых линий. Эта группа кри­ вых пересекает часовые линии, интервал 1 ч. Совме­ щая диаграмму Рейдата со схемой закрытости гори-

38

а

S,kok/ cmz4

б

5,кал/снг ч

Рис. 18. Суточная' продолжительность прямой солнеч­ ной радиации в разрезе в различные периоды года:

разных точках разреза через десять дней в течение всего года. На рис. 18 представлены графики продол­ жительности инсоляции прилегающей территории раз­ реза и различных бортов для наиболее длительного (22 июня) и наиболее короткого (21 декабря) свето­ вого дня. •

На основании полученных данных можно сделать следующие выводы. Поверхность бортов разреза до глубины 100 м облучается солнцем круглый год, од­ нако продолжительность инсоляции различна как в течение года, так и в зависимости от ориентации бор­ та. Наибольшая продолжительность инсоляции в те­ чение года наблюдается на северном, северо-запад­ ном и северо-восточном бортах. Так, 22 июня она со­ ставляет 14,5 ч, тогда как 21 декабря только 5,2 ч. В зимний период заметно снижается продолжитель­ ность инсоляции и на бортах южной четверти она со­ ставляет для южного 3,5 ч, юго-восточного —4 ч, югозападного 2,6 ч.

С глубиной инсоляция уменьшается. На глубине 200 м от поверхности на северном борту она изме­ няется с 12,3 ч 22 июня до 3,8 ч 21 декабря, на юго-

39