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

Большое значение имеют зоны сдвига ветра, ха­ рактеризующие переход энергии основного прямоли­ нейного движения воздушных потоков в энергию тур­ булентности. Зависимость между коэффициентом тур­

булентности kT и величиной сдвига ветра -^-обычно

dz—50 м).

Из табл. 7 следует, что с увеличением скорости ветра на бровке разреза значения сдвига ветра в карьерном пространстве возрастают. Максимальные

Обобщенные данные по сдвигу ветра-------- в Коркинском разрезе dz

Продолжение таблицы 7

лу (6)]. Наибольшее развитие турбулентности в этом слое наблюдается в теплое время года.

Ричардсона, определяющий вероятность развития тур­ булентности. Из уравнения Ричардсона следует, что кинетическая энергия частицы, переместившейся в слой воздуха, может вызвать перемещение другой ча­ стицы по вертикали на некоторую высоту в том слу­ чае, если энергия первой частицы будет больше тре­ бующейся для этого работы. Данное положение запи­ сывается следующим образом:

При положительном значении (уа — у), т. е. когда распределение температуры соответствует неустойчи­ вому состоянию атмосферы, скорость ветра может возрастать и достичь критического значения, при ко­ тором

т№ ? + ' » *

где уа и у — адиабатический и фактически наблю­ даемый температурные градиенты, °С/100 м.

Слагаемое

52

называют ветровым эквивалентом вертикального тем­

высотой, турбулентность усиливается, состояние воз­

сферы определяется только величиной температурного градиента у.

Таким образом, необходимые условия для развития турбулентного перемешивания воздуха определяются по формуле

53

где Г — термодинамический вертикальный градиент атмосферы, °С/100 м; Га — то же, соответствующий сухоадиабатическому состоянию атмосферы, °С/100 м.

В табл. 8 приведены результаты расчета уд по ма­ териалам натурных определений величины сдвига ветра.

Из таблицы следует, что при малых скоростях вет­ ра U0 величина уд невелика и ее вклад в развитие турбулентности мал как в холодный, так и в теплый период года. При умеренном ветре на бровке разреза (3—6 м/с) величина уд в верхней части разреза в теп­ лый период составляет 0,3—0,6° С/100 м. Следователь­ но, при температурном градиенте, соответствующем

стратификация).

При скорости ветра более б м/с уд, как правило,

турбулентность, а поэтому и неустойчивое состояние атмосферы. Вместе с тем расчеты показывают, что в холодный период года сильная термическая неустой­ чивость атмосферы в разрезе (определяемая по вели­ чине термодинамического вертикального градиента уд+ у) часто наблюдается в верхней-части разреза, тогда как в застойной зоне, примыкающей к дну, наблюдается температурная инверсия.

В результате наблюдений за уравновешенными шарами-пилотами получена характеристика интенсив­ ности турбулентности в разрезе.

Кинетическая энергия турбулентных пульсаций для

. единицы массы воздуха в изотропной среде опреде­ ляется по формуле

3W2

( П )

где W — среднее значение модуля вертикальной со-' ставляющей скорости ветра.

На оси струи (воздушного потока, проветривающе­ го разрез) энергия турбулентных пульсаций имеет минимальное значение, ио довольно быстро возрастает вверх и особенно вниз от оси струи. Расчеты показы­

54

вают, что максимум энергии турбулентных пульсаций Ет располагается снизу струи (в центре разреза, в верхней его части) на глубине 75 м от бровки, а ми­ нимум — в 50 м выше бровки.

Обнаруженное по результатам натурных измере­ ний наличие хорошо выраженного суточного и годо­ вого хода Ет также указывает на значительную роль термических факторов, действующих в разрезе и уча­ ствующих в формировании струи (воздушного потока) над разрезом.

Для оценки интенсивности турбулентного обмена на разных уровнях в разрезе рассчитаны значения коэффициента турбулентности /гт м2/с (табл. 9). Рас­ четы выполнены по результатам наблюдений за урав­ новешенными шарами-пилотами, которые смещаются с воздушным потоком и являются своего рода датчи­ ками, измеряющими величину и период пульсаций воздушных течений. Величины коэффициента турбу­ лентности определены по формуле, предложенной Гессельбергом

рости воздушного потока; xWr— период пульсаций W'. При натурных наблюдениях Xw' составлял 20—60 с на всех уровнях в разрезе и принимался в среднем

40 с.

Т а б л и ц а 9

Значение коэффициента турбулентности kT в разрезе

55

Анализ данных табл. 9 показывает, что наимень­ шая турбулентность, а следовательно, и вынос вред­ ных примесей наблюдаются в нижнем 100-метровом слое в утренние часы, особенно в холодный период года. Максимум интенсивности проветривания глубо­ кой части разреза наблюдается в 15—17 ч зимой и в 15—19 ч летом. Эффективность естественного про­ ветривания глубокой части разреза в 5—40 раз мень­ ше, чем верхней зоны выработанного пространства.

§ 6. Оценка загрязненности внутрикарьерной атмосферы при различных метеорологических условиях

Основными внекарьерными метеорологическими факторами являются стратификация свободной атмо­ сферы, скорость и направление ветра, облачность, влажность воздуха. Функциональную зависимость за­ грязненности воздуха от температуры и влажности установить пока не удалось. Можно лишь отметить, что загрязненность усиливается в зимний период при температуре, имеющей наибольшую повторяемость (от 0 до —15° С). О наличии связи загрязненности

56

воздуха в разрезе с направлением и средней ско­ ростью ветра Uо позволяют судить данные табл. 10, в которой характеристика ветра приведена в момент образования загрязненности.

Анализ таблицы показывает, что наиболее часто загрязнение атмосферы (ухудшение видимости) в раз­ резе происходит в зимний период при южных и югозападных ветрах (примерно 80% общего числа слу­ чаев) и скорости ветра Uо до 5 м/с, причем умеренная

исильная загрязненность наблюдаются почти всегда при южном и юго-западном направлении ветра. Ин­ версионная стратификация атмосферы такж'е возника­ ет при этих направлениях и скоростях ветра (табл. 11

и12). Наибольшая повторяемость инверсий наблю­

При штиле, а также при скорости ветра 1—2 и 3—5 м/с вероятность инверсий составляет 15—16% для каждой градации скорости, тогда как при ско­ рости больше 5 м/с вероятность инверсий снижается

57

понимают загрязненный твердыми частицами туман, отличающийся от фотохимического тумана отсутст­ вием в нем озона в больших количествах. Таким об­ разом, образованию тумана, мглы и смога обычно предшествует возникновение дымки на поверхности разреза и на его верхних горизонтах в результате ра­ диационного выхолаживания почвы и прилегающего к ней слоя воздуха в ночные часы, особенно перед восходом солнца, что приводит к образованию при­ земной температурной инверсии радиационного про­ исхождения.

позднее, чем на поверхности, вследствие закрытости горизонта бортом. Поэтому внутрикарьерная радиа­

Если в разрезе был туман или смог, то солнечный нагрев прилегающей территории особенно интенсив­ но усиливает внутрикарьерную инверсию, содержание СО в застойных зонах в это время продолжает воз­ растать (см. рис. 22,6), начало снижения концентра­ ции СО наблюдается в момент наибольшего радиаци­ онного выхолаживания воздуха на прилегающей тер­ ритории (зимой в 6—8 ч).

Анализ условий происхождения ухудшения види­ мости в разрезе позволяет сформулировать следую­ щие две схемы развития процессов при загрязнении внутрикарьерной атмосферы в периоды неблагоприят­ ной метеорологической обстановки.

При адвекции теплого влажного воздуха и антициклональной погоде радиационная инверсия усили­ вается адвективной инверсией и инверсией оседания (адиабатической), что резко ухудшает воздухообмен, а приток влажного воздуха увеличивает влагосодержание внутрикарьерной атмосферы, в результате чего возникшая дымка переходит в туман. Вследствие плохого естественного воздухообмена между внутри­ карьерной атмосферой и воздухом прилегающей тер-

59

а

Рис. 22. Изменение содержания окиси углерода (СО) на рабочих местах в Коркинском разрезе:

а — кратковременное загрязнение в дневные часы при отсутствии тумана; б — продолжительное загрязнение в период туманообразования; 1 — пост № 2 (на глубине 245 м от поверхности); 2 — станция Нижняя (215 м ); 3 — станция Угольная

(1 80 м ) : -/ — с т а н ц и я З а п а д н а я (JOS м ) .