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

зон I и II (см. рис. 24) при южном ветре увеличится соответственно на 5, 13 и 2%, а в приземном слое — на 8,3; 18,4 и 5,3%. Для юго-восточного ветра улуч­ шение воздухообмена соответственно составит 15, 34

и 28%, а в приземном слое— 11,8; 43,6-и 18,5%.

При проектировании и реконструкции действующих разрезов следует избегать размещения в непосредст­ венной близости от них промышленных сооружений (особенно со стороны господствующих ветров), так

71

Г л а в а III

ПРИНУДИТЕЛЬНОЕ ПРОВЕТРИВАНИЕ РАЗРЕЗОВ

§1. Проектные решения п о проветриванию угольных

ирудных карьеров

Проектными организациями в большинстве случаев вопросы вентиляции карьеров не рассматриваются, иногда кратко излагаются отдельные вопросыпро­ ветривания.

Наиболее значительная работа в этом направлении выполнена институтом Уралгипрошахт, которым в 1969 г. разработано проектное задание по вентиляции Коркинского угольного разреза за счет естественных факторов. В задании кратко изложены все основные материалы по исследованиям естественного проветри­ вания и состоянию атмосферы, проведенным НИИОГРом в 1966—1967 гг. В проектном задании приведены также материалы выполненного Уралгипрошахтом анализа метеорологических наблюдений ме­ теостанции Коркинского разреза за скоростью и на­ правлением ветра на поверхности и в разрезе за., 1967—1968 гг., а также результаты моделирования процессов естественного проветривания разреза, осу­ ществленного ИГД МЧМ СССР.

Материалы анализа вновь подтверждают сделан­ ные ранее выводы о значительно меньшей стабиль­ ности во времени воздушных потоков в разрезе по сравнению с ветром на поверхности, о крайне низкой оправдываемости результатов расчетов воздушных потоков по известной методике [7] и большой роли

73

местных и конвективных движений воздушных масс на глубоких горизонтах при естественном проветри­ вании.

Уралгипрошахтом вполне обоснованно делается вы­ вод о том, что улучшение проветривания разреза за счет естественных факторов путем выполаживаиия его бортов под углом 15° потребует громадных объ­ емов вскрышных работ (около 360 млн. м3), сноса зданий и сооружений на бортах и является явно ме­ нее целесообразным, чем принудительное проветрива­ ние. Кроме того, выполаживание бортов не гаранти­ рует разрез от загазованности в периоды обширных температурных инверсип.

Институтом Гипроруда (г. Ленинград) при проек­ тировании карьера на полиметаллическом месторож­ дении для принудительного проветривания карьерно­ го поля принят один осевой двухступенчатый шахт­ ный вентилятор ВОКД-1,8 с рабочим колесом диамет­ ром 1,8 м и рассчитана дальнобойность струи венти­ лятора по известной формуле, построенной па основе теории свободной струи Г. Н. Абрамовича.

При проектировании безопасных условий труда на Гайском карьере применен расчетный метод прогно­ зирования состава атмосферы при естественном про­ ветривании, разработанный В. С. Никитиным, этот метод, как показали исследования, требует дальней­ шего уточнения.

Несколько полнее в проектах рассматриваются во­ просы использования средств пылеподавления. Одна­ ко предусматриваемые способы борьбы с пылыо и газами недостаточны и не могут обеспечить нормаль­ ных атмосферных условий труда на угольных разре­ зах. В проектах необходимо предусматривать комп­ лексное применение средств вентиляции и пылепо­ давления.

§ 2. Основные принципы принудительного проветривания разрезов

Разработке принципов принудительного проветри­ вания разрезов предшествовали обобщение имеюще­ гося в науке и практике опыта применения средств принудительного проветривания угольных и рудных

74

карьеров [62], анализ синоптико-метеорологических условий при загазованности Коркинского угольного и ряда рудных карьеров в периоды температурных ин­ версий, а также исследования свободных (затоплен­ ных) 1 струй осевых вентиляторов на полигоне и опыт­ но-промышленные испытания вентиляторных устано­ вок УПК-4 и УПК-РД на Коркинском разрезе.

Рассмотрим каждый из принципов проветрива­ ния [51].

Обеспечение требуемого разжижения или выноса вредных примесей из атмосферы разреза. С уменьше­ нием скорости ветра процессы воздухообмена в раз­ резе зависят в основном от стратификации атмосфе­ ры, характеризующейся ветрикальным температурным градиентом у °С/100 м. При неустойчивом состоянии атмосферы (у > 1), как и при равновесном — безраз­ личном (у— 1 —i—0,6), для принудительного проветри­ вания достаточно затратить энергию на создание на­ правленного движения воздуха на участках застой­

устойчивости атмосферы. В этом случае, кроме затрат на движение воздуха, необходимо восполнить возни­ кающий дефицит потенциальной энергии неустойчи­ вости воздуха путем его нагрева или перемешивания воздушной струей с тем, чтобы температурный гра­

ченны м и .

75

подогрев воздуха сильно нагретыми струями пу­ тем сжигания углеводородного топлива — керосина, солярового масла или бензина — в форсунках устано­ вок типа метеотрон;

низкотемпературный подогрев воздуха с помощью инфракрасных горелок, разрабатываемый Главной геофизической обсерваторией;

низкотемпературный подогрев воздуха электриче­ скими нагревателями.

Второй и третий способы могут оказаться целесо­ образнее первого способа в результате более высо­ кого к.п.д., резкого снижения выделений вредных при­ месей от сжигания топлива по второму способу и пол­ ного исключения их при третьем способе.

Теоретически был предсказан и экспериментально подтвержден на полигоне и в производственных условиях разреза эффект низкотемпературного на­ грева воздуха в осевых вентиляторных установках, заключающийся в структуре [52]. Воздух, посту­ пающий в осевой вентилятор, омывает привод­ ной электродвигатель. Потребляемая из сети дви­ гателем мощность только частично преобразуется вентилятором в кинетическую энергию затопленной струи. Часть мощности, равная потерям в электро­

Таким образом, при проветривании открытых раз­ работок затопленными струями имеется принципиаль­ ное различие в использовании потребляемой энергии по сравнению с проветриванием шахт. Если для шахт к.п.д. вентиляторной установки в целом (агрегата вен­ тилятор— электродвигатель) представляет собой от­ ношение полезно используемой мощности на' преодо­ ление аэродинамического сопротивления шахты к об­ щей потребляемой мощности и в натурных условиях обычно не превышает 0,3—0,5, то при проветривании разрезов вся потребляемая из сети электродвигателем мощность передается затопленной струей и к.п.д. вен­ тиляторной установки практически равен 1. Для аг­ регатов с приводом от двигателей внутреннего сгора­ ния и газовых турбин (например, на базе авиадвига­ телей АИ-20, НК-12 и др.) к.п.д. несколько меньше единицы вследствие неполного сгорания топлива.

76

При проветривании разрезов кроме к.п.д. вентиля­ торной установки необходимо отдельно рассматривать к.п.д. затопленной струи, выносящей вредные примеси из проветриваемого пространства или перемешиваю­ щей воздух в застойной зоне. В результате в том и другом случае концентрация примеси снижается. К.п.д. затопленной струи всегда меньше единицы. Во­ прос о возможной его величине требует специальных исследований.

С учетом эффекта естественного низкотемператур­ ного нагрева воздуха в вентиляторных агрегатах най­ дено [52], что для установки УПК-4, потребляющей из сети мощность 450 кВт, кинетическая энергия за­ топленной струи составляет 170 кВт, на подогрев струи расходуется 280 кВт. На выходе из вентиля­ тора воздух имеет температуру на 2,12° С выше окру­ жающей среды. По мере удаления от вентилятора струя эжектирует прилегающие массы воздуха, в ре­ зультате чего температура снижается, происходит перемешивание воздушных масс и их равномерный нагрев. Разрабатываемая передвижная вентиляторная

1570 кВт и на ее подогрев 510 кВт, иметь температуру струи на выходе из вентилятора на 1,96° С выше окружающей. При такой незначительной разнице температур можно ожидать низкие потери тепла от лучеиспускания струи, как нагретого тела, так и в ре­ зультате этого высокий к.п.д. нагрева воздуха при ликвидации температурных инверсий в ра'зрезе.

Для создания направленного движения воздуха в Коркинском разрезе по условиям размещения .уста­ новок и геометрических размеров затопленных струй необходимо по предварительным данным шесть вен­ тиляторных установок ПВУ-6 (см. § 12 главы III). Суммарная мощность подогрева воздуха составит 3060 кВт. Таким образом, можно ожидать, что при работе шести вентиляторных установок ПВУ-6 в те­ чение суток удастся разрушить температурную ин­ версию в глубокой части разреза. Одновременно надо учитывать следующие причины, облегчающие провет­ ривание разреза. Во-первых, кинетическая энергия затопленных струй (9,6 тыс. кВт) при создании на­

77

правленного движения воздуха не теряется бесслед­ но, а за счет процесса диссипации частично переходит в тепловую. Во-вторых, при подаче вентиляционных струй с верхних горизонтов вниз массы нижерасположенного холодного воздуха (при инверсии) будут замещаться верхними, более теплыми. Кроме того, опускающийся воздух дополнительно нагревается за счет адиабатического сжатия, а кинетическая энергия струй преобразуется в потенциальную энергию нагре­ ва воздуха 1. Следовательно, можно осуществить про­ ветривание глубокой части разреза при значительно меньшем времени работы вентиляторных установок. Повторное накопление вредных примесей в разрезе вновь потребует включения установок.

Подача в разрез чистого воздуха и минимальное загрязнение атмосферы на прилегающей территории. Внешними источниками загрязнения Коркинского раз­ реза являются дымовые газы промышленных котель­ ных и печей индивидуальных домов г. Коркино и по­ селков. Дымовые газы содержат СО, SO2 и другие вредные примеси.

Другим источником некоторого загрязнения атмо­ сферы разрезов и прилегающей территории являют­ ся средства проветривания, в форсунках, в которых сжигается керосин, бензин, соляровое и другое угле­ водородное топливо, а также турбореактивные и в меньшей мере турбовинтовые авиадвигатели.

При работе тепловых установок УТ-ЛФИ-2 выде­ ляются СО и другие вредные примеси, в частности сажа.

По ориентировочным расчетам, при работе четы­ рех установок в течение 4,5 ч будет израсходовано 107 т топлива, в атмосферу выделится 140 т влаги, окисью углерода будет загрязнен воздух объемом 3 млрд, м3 до среднесуточной предельно допустимой концентрации (ПДК), равной для населенных пунктов

1 мг/м3.

Промышленные эксперименты показали, что при работе вентиляторных установок на базе турбореак­

78

СО в струях на расстоянии 100—200 м в несколько раз ниже ПДК, равной для промышленных объектов 20 мг/м3. Поэтому такие установки могут при­ меняться для проветривания разрезов временно, поскольку при их работе также дополнительно загряз­ няется воздух. При работе четырех агрегатов НК-12 в течение 4 ч окисью углерода будет загрязнен воз­ дух на территории, прилегающей к разрезу до ПДК = = 0,00008% в объеме 1 млрд. м3. Еще более загряз­ няется атмосфера при использовании турбореактив­ ных двигателей.

Необходимость максимального снижения поступ­ ления вредных газов с вентиляционной струей возни­ кает в периоды обширных температурных инверсий, когда резко ухудшается воздухообмен не только в разрезах, но и на прилегающей к ним территории. Поэтому наиболее перспективными являются средст­ ва проветривания с электроприводом.

Для сокращения расходов и улучшения проветри­ вания разрезов необходимо очищать воздух за .счет применения средств пылеподавления и борьбы с эндо­ генными пожарами.

Наиболее выгодное техническое решение системы проветривания разрезов. При проектировании систе­ мы проветривания открытых разработок важ­ ным является обеспечение минимальных затрат и выбор наиболее выгодных технических решений. Од­ нако некоторые решения могут быть экономически целесообразными, но не обеспечивать выполнения второго принципа, касающегося исключения дополни­ тельного загрязнения атмосферы средствами провет­ ривания. Поэтому проектирование системы проветри­ вания необходимо вести с учетом обеспечения второ­ го принципа.

Более подробно данный принцип проветривания будет рассмотрен ниже.

§ 3. Расчет дефицита энергии неустойчивости атмосферы в разрезе при проветривании в периоды температурных инверсий

При уменьшении скорости ветра процессы возду­ хообмена в разрезе в основном зависят от стратифи-

79

нации атмосферы, характеризующейся вертикальным температурным градиентом у °С/J00 м. Однако вели­ чина у не является мерой энергии и определяет толь­ ко качественно наличие вертикальных воздушных по­ токов, рассеивающих вредные примеси.

В связи с этим для характеристики запаса энер­ гии, которым обладает слой воздуха, применяют по­ нятие так называемой энергии неустойчивости атмо­ сферы Е [11, 29, 86]. Под Е подразумевается энер­ гия, освобождающаяся или затрачиваемая при пере­ мещении единицы массы воздуха с одного уровня z t на другой z%, или, иными словами, та работа, которую может совершить подъемная сила, возникающая при вертикальном поднятии единицы массы воздуха [29]

ность температур воздуха, адиабатически поднимаю­

ленного объема воздуха.

Для этого случая формула (19) записывается в виде:

E = gV p ^ - ( z 2 — г,),

где р — плотность воздуха.

В столбе воздуха разреза, как и в свободной ат­ мосфере, кривая состояния Тя (температура адиаба­

стратификация всей массы воздуха в разрезе неустой­

80