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

ритории, вызванного развитием глубокой комбиниро­ ванной инверсии, воздух в разрезе усиленно' загряз­ няется твердыми частицами, туман переходит в смог, заметно возрастает содержание СО.

Другая схема возникновения смога с первона­ чальным образованием мглы заключается в следую­ щем. При возникшей вследствие радиационной ин­ версии дымке и адвекции теплого сухого воздуха при антициклональной погоде резко ухудшается воздухо­ обмен в карьерном пространстве, но из-за адвекции сухого воздуха туман не образуется. Ухудшение воз­ духообмена в карьерном пространстве приводит к на­ коплению вредных примесей, в том числе твердых частиц (пыли и выбросов близко расположенных ко­ тельных установок), в результате чего дымка пере­ ходит во мглу. Накопление в карьерной атмосфере СО идет медленнее, чем при первой схеме, так как мгла менее препятствует нагреву воздуха в разрезе по сравнению с туманом, который отражает значи­ тельную часть солнечных лучей. В то же время дли­ тельное сохранение неблагоприятной метеорологиче­ ской обстановки затрудняет вынос влаги, поступаю­ щей в атмосферу с поверхности горных пород, от оча­ гов эндогенных пожаров и других источников, при­ водит к повышению влажности воздуха и туманообразованию. Возникшая ранее мгла переходит в смог.

Усиление дымки и переход ее в плотный туман являются признаком адвекции теплого влажного воз­ духа и свидетельствует о крайне неблагоприятном протекании метеорологических процессов, которое может привести к остановке разреза вследствие зага­ зованности, а также резкого снижения видимости.

В результате выполненных исследований установ­ лены косвенные признаки, указывающие на возмож­ ность образования тумана в разрезе. Одним из таких признаков является отложение изморози и твердого налета на оборудовании и горных породах. Если же изморозь и твердый налет сопровождаются пониже­ нием температуры на прилегающей к разрезу терри­ тории и усилением ветра (т. е. адвекцией холода), то следует ожидать слабый туман или плотную дымку.

Другим косвенным признаком, указывающим на возможное образование тумана, является рост (начи­

61

ная с вечерних часов) относительной влажности воз­ духа в разрезе до 80% и более.

Резкое уменьшение скорости ветра с увеличением высоты на прилегающей к разрезу территории, отме­ чаемое по результатам радиозондирования атмосфе­ ры, также представляет собой фактор, благоприятст­ вующий образованию тумана.

Следует указать, что замеченные признаки требу­ ют больше материала для их уточнений, а также ко­ личественной оценки. Это позволит распространить их на другие разрезы. В настоящее время установлено, что при возникновении тумана в вечерние часы (18— 23 ч) оправдываемость прогноза сохранения тумана в ночные и утренние часы составляет более 80%.

На угольных разрезах газообразной вредной при­ месью чаще всего бывает СО. В настоящее время ана­ лиз воздуха на содержание СО производится путем отбора и разделки проб в лаборатории' с помощью кондуктометрических установок КУ-1 и КУ-2. Приме­ нение этих установок позволяет определять концент­ рацию СО с точностью 0,001% и более, что для раз­ резов недостаточно. Так, при предельно допустимой концентрации (ПДК) 0,0016% нельзя заблаговремен­ но обнаружить неблагоприятную ситуацию.

Для повышения точности анализа на содержание СО по рекомендации НИИОГРа были использованы приборы ТГ-5 экспериментально-технического произ­ водства Всесоюзного научно-исследовательского ин­ ститута гигиены труда им. Ф. Ф. Эрисмана. Прибор ТГ-5 является лабораторным газоанализатором, его масса около 11 кг.

Опыт показал, что применение приборов ТГ-5 в 7—10 раз повышает точность газового анализа на содержание СО (до 0,0001%). Это дает возможность за сутки 'и более до опасной ситуации фиксировать преобладание процессов накопления вредных газов над их естественным выносом и осуществлять преду­ предительные меры.

Недостатком прибора ТГ-5 является наличие ртути в двух стеклянных резервуарах (резервуары можно случайно разбить и разлить ртуть). Этот недостаток легко устраним. Прибор необходимо устанавливать в

62

глубокий кювет со стенками высотой 3—4 см, а ос­ нование прибора закрывать листом пенополиуретана или поролона толщиной 5—10 мм. Такая мера пре­ досторожности полностью исключает разлет капелек ртути, поскольку пенополиуретан и поролон, будучи губчатыми материалами, хорошо их задерживают. При разрушении резервуаров с ртутью достаточно произвести демеркуризацию только прибора и кювета, ■а также заменить лист губчатого материала.

Динамика накопления примесей в периоды небла­ гоприятной метеорологической обстановки за послед­ ние семь лет указывает на улучшение состава воздуха в Коркинском разрезе, несмотря на дальнейшее уве­ личение его глубины. Это стало возможным благодаря улучшению порядка ведения горных разработок, от­ грузке и вывозке подверженных горению породно­ угольных навалов, локализации ряда горящих нава­ лов, в том числе и под железнодорожными путями, применению средств принудительного проветривания.

§ 7. Учет метеорологических параметров при расчете естественного проветривания разрезов

Полученные в натурных условиях Коркинского разреза новые данные позволяют скорректировать и уточнить известный метод расчета естественного про­ ветривания карьеров [7, 27]. Расчет проветривания за счет энергии ветра обычно базируется на следующем основном уравнении пограничного слоя плоскопарал­ лельной струи несжимаемой жидкости

масштаб турбулентности не изменяется в поперечном направлении струи /(y)=const, а в продольном на­ правлении пропорционален расстоянию от полюса струи, т. е. 1(х, у) = сх.

Зависимость . (13) является линейным дифферен­ циальным уравнением с постоянным коэффициентом, имеющим о.бщее решение, с которым можно сравнить профили скорости воздушных потоков U, наблюдае­ мые в' разрезе.

63

Рис. 23. Зависимость отношения скорости воздушных пото­ ков в разрезе U к скорости ветра на поверхности U0 от величины безразмерного параметра ф при различных усло-

_ виях:

1 — расчет по известному методу; 2 — зимний период при сплошной

На рис. 23 приведена аналитически рассчитанная связь между U/Uo и ср (кривая /) для рециркуляцион­ ной схемы проветривания, где 0 — скорость воздуш­ ных потоков в разрезе, м/с; Uo — скорость ветра на прилегающей к разрезу территории, м/с; ф — безраз­ мерный вспомогательный параметр, определяемый по формуле

а1 х

Ф — характеризует струю и координаты точки, в которой требуется найти скорость воздушных потоков; у — ордината точки (глубина расположения точки от уровня бровки разреза), м; а.\ — коэффициент струк­ туры струй в разрезе, определяемый из формулы (14) путем замены ф на его граничные значения фгр.

х — абсцисса точки (расстояние от бровки по оси, направленной вдоль вектора скорости ветра на при­ легающей к разрезу территории), м.

64

■Граничные значения сргр соответствуют: фгр= 1,57 для прямоточной и фгР=2,04 для рециркуляционной схемы проветривания.

Величина углов раскрытия струи в разрезе а2, оп­ ределяющих зоны прямых и обратных потоков, при­ ведена в § 3 главы II для различных периодов года и суток, а также показаны изменения а2 в зависи­ мости от метеорологических параметров атмосферы.

По материалам базисных шаро-пилотных наблю­ дений, выполненных в светлое время суток на Кор­ кинском разрезе (см. рис. 23), приведены результаты сопоставления натурных данных с кривой 1, рассчи­ танной аналитически по известному методу. Натур­ ные данные получены при различных метеорологиче­ ских условиях: для зимнего периода — профиль 2 при сплошной облачности (от 10 /10 до 10/6 баллов), про­ филь 3 — при ясном небе или малой облачности (от 0/0 до 5/3 баллов); аналогично для летнего периода профили 4 и 5.

Как видим (см. рис. 23), ближе к теоретической кривой располагается профиль 2 , полученный при сплошной облачности в зимнее время, а наибольшие расхождения наблюдаются с профилем 5 для летнего периода при ясном или малооблачном небе в дневное время, т. е. при значительной термической неустой­ чивости внутрикарьерной атмосферы. Такое расхожде­ ние между натурными данными и теоретическими сле­ довало ожидать, так как кривая 1 построена для рав­ новесной стратификации атмосферы, что чаще всего бывает в зимний период при ветре в разрезе. Приве­ денные сопоставления показывают довольно большое расхождение между теоретическими и эксперимен­ тальными профилями.

Один из возможных путей получения реальных профилей скорости воздушных потоков в разрезе шз уравнения плоскопараллельной струи состоит в ис­ пользовании несколько другой гипотезы об изменении масштаба турбулентности.

Формула для расчета масштаба турбулентности / имеет следующий вид:

. _ Wx \у

2 ’

где V — время сохранения пульсации, с.

Вычисленные по этой формуле и по материалам натурных исследований (приведенным в § 5 главы II) значения I представлены в табл. 14.

Поскольку величина I и высота слоя воздуха от дна разреза z имеют размерность длины, то наиболее простая надежная связь между ними может быть вы­ ражена зависимостью

66

Вблизи подстилающей поверхности %= 0,38. Рассчитанные по формуле (16) с использованием

данных табл. 14 значения %приведены в табл. 15.

В первом приближении для Коркинского разреза можно принять в среднем слой от дна до высоты

# = 350 м для зимнего периода и утренних часов лет­ него периода %=0,06-7-0,07, а для дневных и вечер­ них часов летнего периода %= 0,17=0,2.

Коэффициент пропорциональности % меняется в зависимости от времени суток и года. Если предпо­ ложить, что масштаб турбулентности меняется с вы­

мула (17) позволяет учитывать изменение масштаба турбулентности в зависимости от температурной стра­ тификации атмосферы и погодных условий.

В отличие от формулы (13) коэффициент при старшей производной в уравнении (18) является функцией независимой переменной ср и поэтому для данного уравнения уже не удается написать общее решение в виде аналитического выражения.

Уравнение (18) решалось численно методом Рунг—Куттона на ЭВМ-220. На внутренней границе

ментальными А и Б позволяет сделать вывод, что использование уравнения (18) дает возможность по­ строить качественно более правильную картину рас­ пределения воздушных потоков в разрезе. Видно так­ же, что профиль Б больше соответствует зимним условиям, а профиль А — летним. Причем при одних и тех же значениях ф уменьшение скорости воздуш­ ных потоков в разрезе с глубиной происходит летом значительно медленнее, чем зимой, и всюду меньше,

схеме проветривания скорости воздушных потоков в разрезе с учетом метеорологических условий. Зная координаты х и у точки, в которой требуется найти скорость, наносят ее на поперечный профиль карьер­ ного пространства. Для рассматриваемых метеороло­ гических условий по материалам § 3 главы II опре­ деляют, какой будет схема естественного проветрива­ ния, а также находят величину угла раскрытия сво­ бодной струи в разрезе сс2. На основании этих данных по формуле (15) определяют коэффициент структуры

года и облачности. Зная скорость ветра на .поверх­ ности £Уо, из последнего отношения определяют ско­ рость воздушных потоков U в рассматриваемой точке.

§ 8. Исследование условий интенсификации естественного проветривания Коркинского разреза с помощью искусственных сооружений 1

Экспериментальная проверка интенсификации естественного проветривания Коркинского разреза производилась путем:

создания двух насыпей высотой 40 м, длиной соот-

1 П о м а т ер и а л а м и ссл е д о в а н и й И Г Д М Ч М С С С Р .

68

с

ветственио 850 и 500 м, образующих на юго-восточ- ном борту конфузор с углом раскрытия 60° навстречу ветру; установки на юго-восточном, южном и юго-за-

‘падном бортах разреза забора высотой 10 м и длиной

2500 м;

ликвидации террикона высотой около 40 м на юговосточном борту.

Размещение в плане искусственных сооружений и террикона показано на рис. 24.

69

Были исследованы следующие варианты: проветри­ вание разреза при существующем состоянии горных работ (на декабрь 1967 г.); проветривание при нали­ чии двух насыпей на юго-восточном борту; проветри­ вание при отсутствии террикона на юго-восточном борту; проветривание при наличии забора и террико­ на; проветривание при наличии насыпей, забора и террикона.

Первые три варианта исследовались при юго-во-' сточном и южном направлении ветра, четвертый и пятый — только при южном, так как при других на­ правлениях ветра перечисленные сооружения иа есте­ ственный воздухообмен в разрезе не влияют. Экспе­ рименты выполнялись на установке, состоящей из аэродинамического стенда, модели разреза в масшта­ бе 1 : 2000, дымового генератора и координатника, пу­ тем задымления модели разреза и разового ее’проветривания. Изменение концентрации дыма регистри­ ровалось 18 датчиками фотодиод — лампа, располо­ женными в наиболее характерных точках модели раз­ реза.

Результаты исследований приведены в табл. 16. Анализ таблицы показывает, что расположенные иа борту разреза насыпи, заборы и террикон снижают эффективность естественного воздухообмена. При этом их влияние иа естественный воздухообмен ска­ зывается значительнее в приземном слое, чем в объ­ емах отдельных зон и разреза в целом. Повышение интенсивности естественного воздухообмена может быть достигнуто при ликвидации террикона на юговосточном борту разреза. По результатам исследова­ ний установлено: строительство специальных соору­

жений на бортах разреза (породных отвалов, заборов и т. д.) в ряде случаев позволяет интенсифицировать естественный воздухообмен во внутрикарьерном про­ странстве. Однако чаще всего улучшение'естествен­ ного проветривания в ограниченных зонах влечет ухудшение воздухообмена в карьерном пространстве в целом.

Некоторое улучшение воздухообмена может быть достигнуто ликвидацией террикона, расположенного на юго-восточном борту разреза. В этом случае эф­ фективность проветривания разреза в целом, а также

70