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

восточном борту — соответственно 13,1 и 4,6 ч, на западном борту— 10,7 и 1,9 ч. На юго-западном бор­ ту по мере приближения зимы инсоляция быстро снижается, и с 30 ноября по 11 января этот борт совсем не получает прямой солнечной радиации. Не облучаются также борта южный (70 дней) и юго-во­ сточный (150 дней).

Наименьшая инсоляция наблюдается иа дне раз­ реза. Оно совсем не получает солнечной радиации у юго-восточного борта 132 дня, у южного 126 дней и у восточного 88 дней. Прилегающие ко дну участки бортов также зимой не облучаются: южного борта в течение 50 дней, юго-западного — 30 дней.

Особенно неблагоприятные условия по продолжи­ тельности солнечного облучения на гор. 200 м сложи­ лись в юго-восточной части разреза, которая в про­ цессе отработки оказалась отгороженной выступом, расположенным в центре разреза. Закрытость гори­ зонта в юго-восточной части составляет 34° с юга и 30° с юго-востока. В результате зимой, когда высота стояния солнца над горизонтом мала, эта часть раз­ реза не получает прямой солнечной радиации в тече­ ние 150 дней, т. е. дольше, чем дно разреза. Такое длительное пребывание в тени юго-восточной части разреза приводит к формированию отрицательного теплового баланса атмосферы. Выхоложенный в ре­ зультате радиационного излучения воздух застаивает­ ся, а при малых горизонтальных барических градиен­ тах, вызывающих небольшую скорость ветра на при­ легающей территории, в разрезе возникают продол­ жительные температурные инверсии.

Таким образом, анализ показывает, что различия в величине теплового баланса наиболее заметны для прямой солнечной радиации, которая обеспечивает основной приток тепла к бортам и дну разреза, а так­ же для отраженной от подстилающей поверхности радиации (альбедо). В холодный период года альбедо примерно в три раза больше, чем в теплый период.

Летом на широте г. Коркино даже для наименее благоприятно ориентированного южного борта сол­ нечное облучение достаточно для подогрева подсти­ лающей поверхности, развития термической конвекции и выноса вредных газов в объеме разреза. Однако в

40

жаркие солнечные дни на дне возникают дискомфорт­ ные условия по температурному фактору, так как воздух оказывается более нагретым (на 3,5—8°) по сравнению с воздухом прилегающей территории, в связи с чем требуется принудительное проветривание.

Зимой из-за малой высоты стояния солнца и уменьшения продолжительности дня значительная часть разреза не освещается солнцем и только верх­ ние горизонты северного борта получают прямую сол­ нечную радиацию в количестве, достаточном для есте­ ственного воздухообмена. В период длинный зимних ночей в глубокой части разреза наблюдается значи­ тельное радиационное выхолаживание, которое при­ водит к возникновению продолжительных температур­ ных инверсий.

По характеру происхождения выделяются пять основных видов температурных инверсий: радиацион­ ная, фронтальная, адиабатическая (инверсия оседа­ ния), адвективная и комбинированные (адвективно­ адиабатические и радиационно-адвективно-адиабати­ ческие). Классификация инверсий по происхождению и влиянию на объемы принудительного проветривания приведена в табл. 6 [54].

По месту возникновения задерживающего возду- / хообмен слоя (с инверсионным распределением тем­ пературы по высоте) отмечаются три вида инверсий: внутрикарьерные, приземные .(на прилегающей к раз­ резу территории) и приподнятые (в свободной атмо­ сфере в разрезе или на прилегающей территории).

Примерно в 80% общего числа случаев на Кор­ кинском разрезе наблюдаются инверсии радиацион­ ного происхождения, возникающие после захода солнца, за счет охлаждения почвы и прилегающего слоя воздуха (на высоте в несколько десятков мет­ ров) при безоблачном небе или слабой облачности. Радиационное охлаждение приводит к возникновению отрицательного теплового баланса атмосферы в этот период суток.

При благоприятной метеорологической обстановке после восхода солнца приземная радиационная инзерсия на прилегающей к разрезу территории разру­ шается, что приводит к рассеиванию дымки. В разрезе нагрев воздуха начинается значительно позднее, чем

41

ной влажности

на поверхности, вследствие закрытости горизонта бортом. В глубоких разрезах дно и прилегающие к нему участки бортов зимой вообще не получают пря­ мой солнечной радиации. Поэтому отрицательный теп­ ловой баланс внутрикарьерной атмосферы в зимний период года при длинных ночах значительно увеличи­ вается, а радиационная инверсия разрушается только к 12—15 ч.

Радиационная инверсия вначале образуется на поверхности разреза и его верхних горизонтах и толь­ ко после этого за счет дальнейшего охлаждения бор­ тов и нисходящих движений воздуха вдоль них рас­ пространяется до дна, особенно при антициклональной погоде. Опускающийся вдоль бортов загрязненный воздух как бы стекает в глубокую часть, постепенно заполняя ее. Вертикальная мощность стекающего по­ тока часто не превышает 0,1—0,2 м, а скорость дви­ жения, которая не может быть замерена анемометром из-за его порога чувствительности, может прослежи­ ваться по движению дыма в этом слое. Дымка, ту­ ман, мгла и смог первоначально обнаруживаются на бортах северной и восточной части. Далее за счет стекания загрязненного воздуха в разрез видимость в его глубокой части ухудшается. Он постепенно запол­ няется воздухом, загрязненным твердыми частицами и насыщенным влагой. В период полного штиля при антициклоне разрез нередко заполняется таким воз­ духом до верхнего уровня, а затем над разрезом образуется «шапка» загрязненного воздуха, высота которой может достигать величины, равной глубине разреза. Подобные случаи неоднократно наблюдались на Коркинском разрезе.

Таким образом, более опасным является сочетание радиационной инверсии с инверсией оседания (адиа­ батической), происхождение которой показано на рис. 19. Эти инверсии возникают при антициклональ­ ной погоде, сопровождающейся нисходящими движе­ ниями воздуха в свободной атмосфере. При вертит калькой стратификации атмосферы, характеризующей­ ся кривой 1 на рис. 19, темйература нисходящего воздуха повышается по адиабате 2, в результате на некоторой высоте h от земли возникает слой воздуха БВ с инверсией температуры. Этот слой воздуха за-

45

Рис. 19. Возникновение задерживающего воздухообмен слоя при инверсии оседания (адиабатической инверсии):

держивает вынос вредных примесеи и водяного пара выше высоты h, что в определенный момент приводит к образованию тумана и превышению предельно до­ пустимой концентрации вредных примесей. Эти два момента во времени могут не совпадать.

Неблагоприятные условия для естественного про­ ветривания возникают при инверсии адвективно­ адиабатического происхождения, охватывающей весь объем разреза и слой воздуха на прилегающей тер­ ритории мощностью 0,5—1,5 км и более по высоте. Линейные размеры территорий, охватываемых такими инверсиями, измеряются десятками и сотнями кило­ метров. Эти инверсии формируются за счет горизон­ тального переноса (адвекции) теплых масс воздуха на высоте 0,5—1,5 км и более (рис. 20 и 21) в перио­ ды антициклональной погоды, когда при опускании теплых воздушных масс происходит их дополнитель­ ный адиабатический нагрев. Таким образом, адвек­ тивная инверсия усиливается инверсией оседания (адиабатической). Развитию адвективно-адиабатиче­ ских инверсий предшествует снижение скорости ветра на поверхности и в разрезе. При таком сочетании метеорологических элементов содержание вредных

46

Рис. 20. Стратификация, атмосферы в пе­ риод, предшествующий загазованию Кор­ кинского разреза:

I — 25 октября; 2 — 26 октября, равновесное со­ стояние атмосферы; 3 — 27 октября; 4 — 28 октября; 5 — 29 октября; 6 — 30 октября, адвекция тепла в свободной атмосфере, приведшая к возникнове­

примесей повышается в основном в глубокой части разреза при экскаваторных работах на участках вы­ деления примесей, в том числе в местах эндогенных пожаров, причем не только активных, но и в той или иной степени локализованных водой.

Наиболее тяжелые загазования Коркинского раз­ реза в периоды антициклональной погоды при адвек­ ции теплого влажного воздуха наблюдались с 26 по 30 декабря 1966 г и со 2 по 12 ноября 1967 г. и со­ провождались образованием плотного тумана, в кото­ ром видимость снижалась до 50 и даже 10 м. Концен­ трация СО в глубокой части разреза достигала 0,007— 0,008%, в пять раз превышая предельно допустимую величину.

Показательным является случай загрязнения раз­ реза в период со 2 по 12 ноября 1967 г. По резуль­ татам радиозондирования (см. рис. 20) и барограмме

47

Температура по бь/соте^С

Рис. 21. Стратификация атмо­ сферы в период загазоваипя разреза и его естественного проветривания:

/ — 2 ноября; 2 — 3 ноября; 3 — 4 но­

видно как формировались метеорологические условия, приведшие к остановке работ. До 24 октября было сравнительно малое барометрическое давление, за пе­ риод с 2 ч 24 октября до 4 ч 26 октября давление заметно повысилось, над районом располагался гре­ бень антициклона.

Рассмотрим изменения стратификации атмосферы. На графиках (ем. рис. 20 и 21) с увеличением высоты отклонение прямой влево от вертикали указывает на нормальное распределение температуры по высоте, отклонение вправо — на распределение, обратное нормальному, т. е. на температурную инверсию. Вер­ тикальное расположение графика температуры соот­ ветствует изотермическому (угрожающему, группа 3 (см. табл. 5)] состоянию атмосферы. На рис. 20 четко

48

прослеживается потепление на высоте 1,5 км (кривые 1—8): 27 октября угрожающее состояние (группа 3, у=0,39°С/100 м), 31 октября опасное (инверсионное, группа 4; у < 0 ) состояние, стойко сохранившееся до 12 ноября, иногда чередовавшееся с угрожающим со­ стоянием (см рис. 21, кривые 1—10).

В разрезе в этот период не возникало радиацион­ ных инверсий. Они начали образовываться 28 октября днем вследствие большего нагрева верхних горизон­ тов по сравнению с нижними. Внутрикарьерная ин­ версия, постепенно усиливаясь, стала сохраняться и в ночные часы с 3 ноября. При адвекции теплого влаж­ ного воздуха инверсия сопровождалась интенсивным туманообразованием с частым уменьшением види­ мости в разрезе до 10 м, что резко сокращало прогрев нижних горизонтов.

Таким образом, вслед за образованием инверсий в атмосфере над разрезом возникла внутрикарьерная инверсия, в результате которой слой воздуха в раз­ резе и на прилегающей территории задерживал вред­ ные примеси, воздухообмен в разрезе без принуди­ тельного проветривания и осаждения тумана стал

снижению концентрации СО до допустимой величины и работы в разрезе были возобновлены.

Таким образом, сильная загрязненность внутрикарьерной атмосферы зависит в большой степени от наличия очага тепла (адвекции тепла) в атмосфере при антициклональиой погоде. Особенно неблагоприя­ тен этот процесс тогда, когда теплый воздух имеет высокую влажность. Анализ показывает, что разви­ тие адвективно-адиабатической инверсии на приле­ гающей к разрезу территории предшествует возникно­ вению общекарьерной инверсии и загрязнению атмо-

сферы. При отсутствии плотного тумана в разрезе внутрикарьерная инверсия, вызванная адвекцией теп­ ла в свободной атмосфере, в противоположность ра­ диационной инверсии в ряде случаев разрушается несколько раньше по сравнению с инверсией на при­ легающей территории. Такие инверсии при адвекции влажного воздуха обычно сопровождаются сильным туманообразованием, уменьшающим видимость до 50 и даже 10 м, что еще более затрудняет воздухообмен, так как при этом резко снижается солнечный нагрев земной поверхности в разрезе и прилегающих к ней масс воздуха. В данных условиях требуется общее проветривание разрезов и активные мероприятия по осаждению туманов.

§ 5. Влияние турбулентности атмосферы на естественный воздухообмен

Большое влияние на деформацию основного про­ ветривающего разрез потока оказывают турбулент­ ность и термическая неустойчивость воздуха. По дан­ ным аэростатного зондирования атмосферы в разрезе и синхронных наблюдений по бортам установлено, что большие вертикальные градиенты скорости в верхней части разреза могут создавать даже при температур­ ных инверсиях повышенную термодинамическую не­ устойчивость атмосферы с вихревыми зонами. Часто наблюдаются большие величины горизонтального тем-

dl

пературного градиента — , превосходящие иногда на dx

порядок и больше значения горизонтальных темпера­ турных градиентов в пограничном слое атмосферы (на прилегающей к разрезу территории). Это приводит к развитию термической микроциркуляции, меняющейся в течение суток по интенсивности и направлению.

При значительной скорости ветра на поверхности (Н о^б м/с) воздушный поток в разрезе иногда отра­ жается от наветренного борта с образованием об­ ратной циркуляции, тогда как при малых скоростях ветра могут возникнуть несколько зон с неустойчивым направлением воздушных потоков. В таких случаях роль термического фактора проветривания заметно возрастает.

50