Дана общая характеристика проблемы нормализации воздухообменных процессов в карьерах; рассмотрены схемы естественного проветри­вания и способы его интенсификации; содержится анализ и оценки мно­гочисленных технических предложений по искусственному проветрива­нию; изложены теоретические основы процессов искусственного провет­ривания карьеров; обоснованы методы рационального воздействия на ат­мосферу глубоких карьеров; приведены результаты разработки эффек­тивных трубопроводных вентиляционных систем (ТВС), оснащаемых быстровозводимыми плавучими воздухопроводами, которые обеспечивают высокий уровень мобильности, безопасности и технологичности приме­нения на карьерах любой сложности.

Для инженерно-технических работников и проектировщиков горно­добывающих предприятий. Может быть полезна преподавателям и сту­дентам вузов в процессе изучения дисциплин «Аэрология карьеров» и «Бе­зопасность жизнедеятельности».

ВВЕДЕНИЕ

Мировая горная промышленность характеризуется преимуще­ственным развитием крупномасштабных открытых горных работ, глубина которых непрерывно возрастает. За последние 40-50 лет карьеры небольшой глубины (до 100 м) перешли в класс карьеров средней глубины (до 150 м), а затем в категорию глубоких (до 300 м) и далее — сверхглубоких, глубиной более 300 м. В настоящее вре­мя предельная проектная глубина карьеров достигает 600-850 м. Имеются проекты открытой разработки месторождений до глуби­ны 950 м и более.

Освоение глубоких горизонтов сопровождается ростом объе­мов горных пород, разрушаемых взрывными работами, и увеличе­нием количества транспортных средств (как правило, автомобиль­ных). Современные карьеры стали крупными инженерными соору­жениями особого типа и совместно с комплексом обширных отва­лов, промышленных площадок, транспортных коммуникаций, зда­ний, жилых домов и других объектов, занимают большую площадь земли с огромной зоной негативного влияния на окружающую при­родную среду.

Сверхнормативное загрязнение атмосферы карьеров и приле­гающих к ним горнопромышленных районов вредными газами и пылью является причиной не только значительных простоев горно-транспортного оборудования и снижения экономических пока­зателей горнодобывающих предприятий, но и сильно ухудшает эко­логическую обстановку в радиусе 15-^20 км от карьера. Выбросы вредных веществ в атмосферу от массовых взрывов и от работы горно-транспортного оборудования составляют тысячи тонн в год, а суммарный годовой ущерб оценивается многими милли­ардами рублей в год. Кроме того, наносится большой вред здоро­вью людей.

Наиболее остро проблема сверхнормативного загрязнения ат­мосферы проявляется на российских глубоких карьерах, располо­женных в холодных климатических зонах, когда в периоды прекра­щения штилей и инверсий из карьеров в окружающую среду посту­пают огромные объемы загрязненного воздуха.

Отечественными и зарубежными исследователями выполнен большой объем работ, на базе которых разработаны и находятся в различной стадии освоения способы и средства, позволяющие в ряде случаев улучшить состояние атмосферы или обеспечить ав­тономную защиту экипажей горных машин. К комплексу предлага­емых мер относятся кондиционирование воздуха в кабинах обору­дования, пылеподавление, нейтрализация выхлопных газов авто­самосвалов, автономные и индивидуальные средства дыхания и др. Применительно к глубоким карьерам кардинальное решение проблемы нормализации атмосферы может быть достигнуто путем искусственной вентиляции, хотя многочисленные научно-исследо­вательские работы в этом направлении пока не дали положитель­ного результата. Необходимо искать новые решения.

Данная работа посвящена научному обоснованию и разработ­ке эффективных средств и схем искусственного проветривания глу­боких карьеров. При этом главное внимание обращено на опреде­ление принципов построения рациональных средств и схем искус­ственной вентиляции глубоких карьеров методами аналитической оценки известных технических предложений в этой области по энергетическому и экологическому критериям эффективности. Такой подход позволил выявить основные противоречия в разви­тии систем вентиляции карьеров и создать предпосылки к новым решениям проблемы.

1. Характеристика проблем нормализации воздухообменных процессов в карьерах

1.1. Естественное проветривание карьеров

и причины накопления вредностей в их атмосфере

Существующий в карьерах естественный воздухообмен обус­ловлен энергией термических и динамических (ветровых) сил. Дви­жение воздуха под их действием может осуществляться по различ­ным схемам, основные из которых указаны на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Возможные схемы движения воздуха в карьерах

Под воздействием природных сил

Термические силы в пределах карьерного пространства про­являются в двух видах:

а) температурные неоднородности поверхностного слоя почвы;

б) температурная стратификация атмосферы, характеризуе­мая значениями вертикального температурного градиента

γ = ΔТ/Н, К/м, (1.1)

где ΔТ— разность температур на нижней и верхней границах вы­деленного слоя воздуха толщиной Н (в частном случае, это разность температур воздуха на дне и поверхности карьера глубиной Н).

Схемы движения воздуха, сформированные термическими си­лами, действующими в карьере, наиболее четко проявляются в без­ветренную погоду. Различают конвективную, инверсионную и инверсионно-конвективную схемы теплового проветривания.

Рис. 1.2. Движение воздуха

В карьере при конвективной с хеме проветривания

Конвективная схема (рис. 1.2) возникает при прогретых бор­тах карьера (возможные источни­ки нагрева — солнечная энергия, глубинное тепло, окислительные процессы и т.д.) за счет теплооб­мена горных пород с примыкаю­щими к ним слоями воздуха. При этом вертикальный температур­ный градиент превышает значе­ние, соответствующее безраз­личному равновесию атмосферы (γ>0,01 К/м). При конвективной схеме естественного проветрива­ния карьера массы теплого возду­ха поднимаются вверх не верти­кально, а движутся вдоль уступов вследствие прижимающего эф­фекта опускающихся более хо­лодных масс. По мере приближе­ния к поверхности объем подни­мающегося воздуха увеличивает­ся. Наиболее мощные конвективные потоки наблюдаются у верх­них уступов.

Рис. 1.3. Инверсионная схема проветривания карьера с замкнутым (а) и открытым (б) выработанным пространством

Инверсионная схема проветривания (рис. 1.3) возникает в ка­рьере за счет радиационного охлаждении поверхности его бортов, когда значение вертикального температурного градиента становится меньше изотермического (γ<0 К/м). Инверсионные движения могут возникать не только при охлаждении воздуха бортами карьера, но и при прохождении над ним холодного атмосферного фронта.

При этой схеме может быть два качественно различных слу­чая, существенно влияющих на эффективность проветривания ка­рьера и состав воздуха в нем. В таких карьерах (рис. 1.3, а) при температурных инверсиях ох­лажденный воздух стекает по всем бортам в наиболее глубокую часть, вытесняя со дна теплые слои. В результате образуется «озе­ро» холодного воздуха, глубина которого при продолжительном штиле может быть равна глубине карьера. Возникающая ситуация приводит к образованию застойных зон и к общему загрязнению атмосферы выработанного пространства под действием производ­ственных факторов.

Ко второму случаю относятся карьеры, расположенные на ко­согорах и отрабатываемые без образования замкнутых выемок (рис. 1.3, б). При инверсиях такие карьеры проветриваются нисхо­дящими охлажденными потоками, стекающими в примыкающую к карьеру долину и выносящими из него техногенные вредные примеси. В этом случае общие загрязнения и застойные зоны не возникают.

Инверсионно-конвективная схема движения воздуха имеет место в ситуациях, когда один борт карьера охлажден, а другой нагрет (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Инверсионно-конвективная схема проветривания карьера

При слабом ветре установившееся конвективное или инверси­онное движение нарушается в верхней части карьера, и с усилени­ем ветра тепловые переходят в ветровые или комбинированные схемы проветривания.

Теория ветровой аэрации карьеров в основном разработана В.С.Никитиным [1, 2, 3]. В ней предполагается, что в карьере от­сутствуют сколько-нибудь заметные термические силы, т.е. рас­сматривается действие только одного фактора, вызывающего дви­жение воздуха, — ветра на поверхности. Такое движение имеет ме­сто лишь при адиабатической температурной стратификации ат­мосферы (у= 0,01 К/м), когда она находится в состоянии безраз­личного равновесия и на перемещение воздуха по вертикали не тре­буется дополнительной затраты энергии. В зависимости от про­филя карьера различают четыре схемы ветровой о проветривания, основные признаки которых приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1.