Глава 2. Естественная аэрация карьерного пространства.

2.1 Особенности вентиляции объектов открытых горных работ.

Карьер, как объект проветривания, не имеет аналогов в мировой производственной практике и является новым этапом развития вентиляции, отражая переход от проветривания закрытых систем (цехов, рудников и т. д.) к проветриванию открытых систем (карьеров, разрезов) с неустойчивыми сложными процессами и связями.

С увеличением глубины карьеров становится все очевиднее, что естественные процессы, происходящие в окружающей среде, не позволяют с требуемой для производства эффективностью удалять из них и рассеивать вредные примеси.

Атмосфера является неравновесной многофакторной системой, что предопределяет сложность связей между уровнем загрязнения и метеорологическими условиями, трудность построения количественных теорий и моделей, достаточно полно описывающих наблюдаемые процессы и позволяющих прогнозировать состояние отдельных ее частей, например, атмосферы горных долин, каньонов, карьеров и т.д.

Рассмотрим атмосферу карьера как систему; тогда все, что находится вне ее гипотетических границ, представит окружающую среду.

Теперь при анализе функционирования системы будем исходить из следующих концепций, полученных на основе обобщения результатов теоретических и прикладных исследований:

- качество воздушной среды в карьере (при постоянно действующих источниках выбросов примесей) характеризуется состоянием системы, которое определяется состоянием окружающей среды;

- состояние окружающей среды практически не зависит от параметров рассматриваемой системы, т.е. воздействием системы на окружающую среду можно пренебречь;

- для поддержания заданных санитарно-гигиенических условий в атмосфере карьера (в системе) необходимо, чтобы система была открытой - способной интенсивно обмениваться массами (в том числе примесями) с окружающей средой,

- непосредственно в объеме системы, исходя из санитарных норм, может быть размещено строго ограниченное количество примесей, поэтому при фактической интенсивности источников выбросов вредных примесей в карьере объема системы недостаточно для обеспечения нормальной чистоты воздуха;

- перестройка состояния системы (воздуха в карьере) зависит от обмена количеством энергии с окружающей средой (притоком или оттоком тепла), при этом многозначность состояний системы вызывает неоднозначную реакцию ее на одно и то же воздействие,

- за счет нарушения механического равновесия, вызванного неравномерным поступлением тепловой энергии, в атмосфере возникают циркуляционные течения самых различных масштабов (общие и местные); аналогично этому ввод в систему антропогенной энергии в определенном ее объеме, вызывает местную вынужденную циркуляцию.

Движение воздушных масс внутри системы (проветриваемого объема) без пересечения границ ими с окружающей средой только лишь ускоряет процесс рассеивания примесей в этом объеме и не является однозначным признаком наличия или отсутствия воздухообмена с окружающей средой.

Работа сил давления возможна лишь при воздействии на всю гипотетическую границу, но эта работа не может интенсифицировать воздухообмен в карьере, а является лишь причиной изменения состояния системы (атмосферы в карьере).

Таким образом, по условиям сопряжения с окружающей средой и распределения воздуха внутри объема карьера открытая система несопоставима с закрытой, что предопределяет и иной подход к оценке управляющих ею воздействий. Естественный воздухообмен в карьерах имеет характер струйных течений (прямоточных, возвратных, сложных).

Атмосфера карьеров является открытой системой; состояние ее весьма чувствительно к изменениям, происходящим в окружающей среде, и требует учета существующих между ними связей. Стремление атмосферы к образованию циркуляционных течений самого различного масштаба (хотя и не всегда четко выраженных) характерно для течений, возникающих в объеме карьера. Масштаб циркуляционных течений в основном определяет объем воздуха, в котором происходит рассеивание вредных примесей.

Учитывая, что атмосфера карьера является открытой системой, контроль функционирования ее включает следующие основные условия:

- наличие потоков воздуха и энергии через границы системы и соответственно потоков массы примесей;

- суммарный поток массы примесей, покидающих систему, должен быть не менее поступающего потока.

Эти условия зачастую не принимаются во внимание, что приводит к субъективным оценкам масштабов воздействия на систему.

2. Аэродинамика естественного воздухораспределения в карьерах

Изменение состояния воздуха в карьере и, прежде всего, уровня загрязнения, происходит при активном взаимодействии его с окружающей средой. Условия взаимодействия между системой (выделенный для рассмотрения объект) и окружающей средой принято рассматривать как процесс обмена энергией, поскольку только в результате обмена энергией могут возникать потоки воздуха, а вместе с ними и потоки вредных веществ, пересекающих границу системы и рассеивающиеся во внешней среде. Под энергией понимается, как правило, та ее часть, которая способна произвести полезную для нас работу, в данном случае, по удалению вредных примесей из карьера.

Естественный механизм очистки воздуха становится малоэффективным при инверсии температуры, когда происходит резкое ослабление потока тепла от почвы к приземному слою воздуха, скопление холодного воздуха под слоем теплого, что приводит к устойчивому состоянию атмосферы. Устойчивое состояние атмосферы, в отличие от неустойчивого, не только не способствует развитию конвективных течений, но и, наоборот, подавляет их, что приводит к накоплению вредных веществ в приземном слое атмосферы.

Другой фактор, изменяющий состояние воздуха в карьере – это работа ветра, а точнее той тепловой машины, которая приводит в движение воздушные массы. Механизм передачи энергии ветра воздушной массе карьера связан с работой сил трения, но сила трения может быть и силой, вынуждающей движение.

Таким образом, можно выделить три способа взаимодействия внешней среды с атмосферой карьера:

-передача теплоты, в том числе и антропогенной, поступающей в атмосферу при различных производственных процессах;

-совершение работы ветром (работа сжатия или расширения, совершаемая при изменении атмосферного давления, практически в объеме карьера не вызывает течений);

-перенос воздушных масс через открытую границу карьера, которая поступает или удаляется со своим запасом энергии.

Естественный воздухообмен в карьере сводится к нескольким основным схемам. Первая, это горно-долинная циркуляция с разнонаправленными потоками воздуха в дневное и ночное время. Возникает вследствие различий в нагревании и охлаждении воздуха над бортами карьера и его дном. Днем ветер направлен из карьера в выше лежащие слои воздуха, ночью в обратном направлении (рис.2).

Рисунок 2 – Горно-долинная циркуляция

Кроме этих циркуляций в атмосфере карьера развиваются прямоточная, рециркуляционная, рециркуляционно-прямоточная и прямоточно-рециркуляционная циркуляции. Эти виды циркуляции зависят от скорости ветра над карьером, геометрии самого карьера, угла наклона его бортов, общей закрытости карьерного пространства. Структура этих воздушных потоков представлена на рис. 3,4. Параметры зон циркуляции приведены в таблице 1.

Рисунок 3 - Естественные зоны циркуляции в карьере:а) прямоточная, б) рециркуляционная

Рисунок 4 - Структура воздушных потоков в карьерном пространстве при прямоточной (а), рециркуляционной (б), рециркуляционно-прямоточной (в) и прямоточно-рециркуляционнои

(г) схемах естественного проветривания карьера.

Таблица 1- Параметры зон циркуляции

2.3. Источники тепла, пыли и загрязнения атмосферы карьера.

Карьерное пространство является островом тепла в окружающем районе за счет интенсивной производственной деятельности. Отражательная и поглощательная способность дна и бортов карьера зависит от качества (цвета) их покрытия и наличия снежного покрова. Радиационный баланс в карьере выше, чем на поверхности. Основными источниками тепла в карьере являются технологический транспорт, технологическое и вспомогательное оборудование, производство массовых взрывов.

Природная запыленность атмосферы карьера зависит от структуры горных пород и степени сдувания пыли с бортов карьера. Основными производственным источниками пыли в атмосфере карьера являются: буровые работы, погрузочно-разгрузочные работы, пыление дорог, производство массовых взрывов, роторные комплексы, циклично-поточные технологии. Предельно допустимые концентрации (ПДК) по пыли зависят от степени содержания в ней оксида кремния или двуокиси кремния (SiO₂) и могут составлять от 10 мг/м³ до 1 мг/м³ в зависимости от добываемого минерала. Для апатита, фосфорита, барита и цемента ПДК по пыли составляет 5мг/м³, для гранита – 2 мг/м³.

Источники загрязнения атмосферы карьера бывают внешние и внутренние. К внешним источникам относятся фабрики, дробилки, промышленные предприятия, города, отвалы, вентиляционные стволы, дороги расположенные в непосредственной близости от карьера. Внутренние источники это технологические процессы и технологический транспорт, массовые взрывы. Внутренние источники могут быть точечными (автосамосвалы и др.), линейными (траншеи, рабочие уступы), объемными (взрываемые блоки). Они могут быть непрерывно действующими (технологический транспорт) и периодическими (взрываемые блоки), а также стационарными, полустационарными и перемещающимися. Предельно допустимые концентрации основных вредных примесей в атмосфере карьера приведены в таблице.

Таблица 2 - Предельно допустимые концентрации газообразных примесей

в атмосфере карьеров

Газы	мг/м3	% по объему
Акролеин	0,7	0,000028
Формальдегид	0,5	0,000037
Окислы азота (NOх)	5,0	0,0001
Окись углерода	20,0	0,0016

Газы образуются в результате химических, биохимических, физико-химических и физических процессов. Перемещение рудничных газов в пределах горных выработок предопределяется законами диффузии газов в газовой среде и через твердые тела, а также движением воздушных потоков по системе горных выработок. Учение о рудничных газах состоит из рассмотрения следующих вопросов: распределение природных газов в недрах месторождения, выделение их в горных выработках, образование газов в выработках, движение газов в пределах выработок, добыча и утилизация рудничных газов. Задачи управления газовыделением включают в себя: выявления структур газового баланса выработок в разнообразных природных и горнотехнических условиях, количественная оценка эффективности возможных мероприятий по управлению газовыделениями, изыскание действенных мер предупреждения необычных выделений газа и его внезапных выбросов. На форму факела распространения примесей от источников непрерывного действия в карьерах и распределение концентраций примесей в поперечных сечениях факела основное влияние оказывают следующие факторы: состояние атмосферы, расположение места выделения примесей относительно поверхности уступов, схема проветривания карьера, скорость и турбулентность потока в местах расположения источника в карьере, конвективные условия, вид и размер источника. Факел распространения примесей от точечного источника, расположенного непосредственно на поверхности рабочей площадки уступа, представляет половину конуса, вытянутого по направлению ветра.

2.4. Интенсификация естественного проветривания.

Интенсификации процесса воздухообмена в карьерах способствуют специальные сооружения и устройства, выполненные как на поверхности, так и внутри карьера. По данным УНИПромеди интенсифицировать естественное проветривание карьера возможно путем сооружения на наветренной его стороне специальных воздухозаборов, один из которых показан на рис.5. Эти сооружения позволяют увеличить скорость воздушного потока над карьером на 10—20% и вынос вредных примесей на 25% и более.

Интенсификация проветривания (в пределах до 15%) может быть осуществлена и другими, более дешевыми способами, например: снижением шероховатости прикарьерной территории за счет ее планировки бульдозером. Московский горный институт предложил конструкцию специального воздухоподавляющего сооружения, располагаемого на поверхности или в карьере и состоящего из направляющих наклонных лопаток и поддерживающих опор. Использование устройства МГГУ позволяет увеличить угол вхождения ветрового потока в карьер, что обеспечивает рост скорости ветра вдоль борта на 15—20% за счет сужения сечения потока между поверхностью карьера и верхней лопаткой сооружения.

В результате исследований, проведенных в Днепропетровском горном институте, доказано, что интенсифицировать естественный воздухообмен в карьере возможно и путем создания высоконапорных воздушных (водовоздушных) завес, устанавливаемых на перемычках между близко расположенными карьерами, что позволяет на 20—40% увеличить угол раскрытия воздушного потока на входе в карьер, способствует уменьшению объема локальных застойных зон и усилению при этом выноса вредных примесей от рабочих мест.

Усилить естественное проветривание в рабочих зонах карьеров, в частности, на участках ЦПТ, перегрузочных пунктах и т. п., можно путем изменения кинетической энергии естественных воздушных потоков с помощью направляющих пластин и вентиляции оптимальных параметров

Рисунок 5- Схема воздухозабора: 1-карьер; 2-проран; 3-вентиляционные крылья, 4-направление ветра; В_к-ширина карьера; р_п-расстояние между вентиляционными крыльями

скорость потока и эффективности работы этих устройств. Изменение углов между направляющими пластинами вызывает пропорциональное увеличение скорости потока на выходе в зависимости от изменения отношения Н_п/L_п (где Н_п— высота пластины, L_n —длина ее) от 1 до 2,5. При H_п/L_n=2.5- 3.0 скорость потока достигает максимума и остается постоянной при Н_п/L_п3. Лучшие результаты получены при а_п=90^о±10°. Эффективность действия направляющих пластин оценивается величиной соотношения v/v_о, где v_о — скорость невозмущенного потока; v — скорость потока в выходном сечении: v/v_о=О,871ехр(О,279Н_п/L_п)-0,029.

Повышение скорости потока направляющими пластинами достигает 1,3 раза (до 30%). Причем максимум скорости наблюдается на расстоянии 5—6 м от кран пластины, а первоначальное значение скорости устанавливается лишь на расстоянии 11—12 м. Установлено, что оптимальное отношение ширины вентиляционного навеса В_н к его длине L_n равно 0,37—0,57, оптимальный угол наклона навеса а_н = 45-50°. Эффективность применения навесов составляет 30—35%, максимум скорости наблюдается на расстоянии 7 м от края навеса, а стабилизация скорости происходит на удалении 15—16 м от него.

Внутрикарьерными сооружениями, способствующими усилению воздухообмена, могут быть специальные траншеи и съезды, ориентированные в направлении господствующих ветров.

Рисунок 6 - Схемы расположения направляющих пластин (а) и навесов (б) для интенсификации естественного проветривания карьеров.

При проходке их с поверхности эти траншеи и съезды служат воздухоотводящими каналами.

Но наиболее радикальным способом интенсификации естественного проветривания в карьерах является аэродинамическое профилирование бортов, методика которого разработана в СбГГУ. Известно, что современная тенденция развития открытых горных работ характеризуется увеличением глубины карьеров, ростом их производственной мощности, производством массовых взрывов, применением мощных комплексов по добыче, переработке и потреблению сырья, внедрением циклично-поточной и поточной технологии.

Все эти предложения имеют два основных недостатка. Во-первых, их можно использовать только при наличии естественного ветра в районе расположения карьера, при штиле и инверсии ори бесполезны. Во-вторых, они не имеют сколь либо серьезной расчетной проработки и обоснования и, очевидно, их можно применить только в неглубоких карьерах. Все эти предложения так и не нашли широкого применения на практике.

Как показали исследования, создание растительного покрова на предохранительных бермах способствует развитию внутрикарьерной циркуляции воздуха и, как следствие, снижению концентрации вредных примесей в карьере. С целью активизации процессов естественного проветривания в летнее время целесообразно создание растительного покрова на верхних уступах карьера, имеющих значительную степень выветривания, и отвалах вскрыши выше замкнутого контура карьера. Кроме того, озеленение бортов карьера ведет к снижению пыления в атмосфере карьера.

Влияние перечисленных факторов развития открытых горных работ на санитарно-гигиенические условия труда в карьере и окружающей среде неодинаково и должно учитываться при изменении и выборе технологии работ, предусматривающей улучшение состава атмосферы карьера и окружающей среды при совершенствовании организации работ и оборудования.

Улучшение состава атмосферы карьера путем совершенствования организации работ заключается в рациональном размещении машин и механизмов с учетом пылевого и газового фак­торов, проведении взрывных работ в периоды наибольшей ветровой активности, размещении отвалов с учетом розы ветров, использовании противопылевых покрытии, увязке направления фронта работ с учетом атмосферных условий, уменьшении числа транспортных перевозок и перевозок горной массы, прекращении работ в карьере в период инверсий и т. д.

Совершенствование и рациональный выбор горнотранспортного оборудования также во многом может улучшить состояние атмосферы карьера. Перспективным в этом смысле является замена дизельных двигателей внутреннего сгорания газовыми турбинами, внедрение электрических и ультразвуковых нейтрализаторов, замена автомобильного транспорта гидравлическим, использование оборудования большой единичной мощности, внедрение гидромеханизации и т, д.

При выборе технологии работ необходимо учитывать влияние на атмосферные условия технологических факторов, основными из которых являются тип месторождения, форма и размеры карьерных полей, направление фронта работ, способы вскрытия и системы разработки месторождения.

С точки зрения естественного проветривания, наиболее благоприятными являются месторождения нагорного типа, расположенные выше уровня окружающей их поверхности, и место­рождения с относительно неглубоким залеганием полезного ископаемого.

Месторождения глубинного типа находятся в более худших условиях и требуют на определенной стадии отработки интенсификации естественного воздухообмена и искусственной вентиляции.

Существенное влияние на проветривание карьеров оказывают его геометрические параметры. В зависимости от отношения короткой оси карьера в плане L к его глубине Н по эффективности проветривания все карьеры различаются следующим образом:

хорошо проветриваемые (L/H>10);

слабопроветриваемые (1O>L/H>6);

труднопроветриваемые (L/H<6).

Форма карьера определяет аэродинамику в карьерном пространстве. Важным параметром, особенно для месторождений глубинного типа, является угол откоса подветренного борта карьера, изменяя который можно существенно повысить интенсивность выноса вредностей из карьерного пространства.

Размещение горнотранспортного оборудования и взаиморасположение источников пылегазовыделений по отношению к направлению воздушных потоков в определенной степени зависят от направления фронта работ. При совпадении направления фронта работ с господствующим направлением ветра повышается интенсивность естественного воздухообмена.

Технология и последовательность выемки горной массы определяет интенсивность проветривания забоев горных работ.

Так, забой хорошо проветривается практически при любом направлении ветра при выемке, осуществляемой тонкими слоями вдоль верхней площадки уступа или блока. Наиболее неблаго­приятные условия (образование застойных зон) создаются при выемке заходками или панелями вдоль фронта уступа с расположением заходок поперек фронта, а также при проведении тупиковых траншей.

Технология горных работ непосредственно связана с системой разработки, ее элементами, производственными процессами и т. п. Наиболее опасными в пылевом и газовом отношении яв­ляются системы группы К (по классификации В. В. Ржевского), которые применяются при разработке наклонных и крутых месторождений.

Санитарно-гигиенические условия в карьере зависят от способа вскрытия месторождения: например, наличие внешних траншей, расположенных с учетом розы ветров, обеспечивает интенсивность естественного воздухообмена даже при крутых наклонах бортов карьера. Вскрытие месторождений подземными выработками обеспечивает возможность проветривания застойных зон средствами искусственной вентиляции.

Рост производственной мощности карьера, высокие темпы ведения горных работ, концентрация оборудования приводят к повышению загрязнения карьерного пространства. Поэтому осуществление нормализации атмосферы путем изменения технологии целесообразно только в том случае, если достигается значительный положительный эффект, несмотря на снижение про­изводственной мощности карьера, производительности труда и увеличение затрат на добычу

Таким образом, сочетание технологических и горнотехнических мероприятий является действенным фактором оздоровления атмосферы карьеров. Этот фактор может быть существенно усилен при реализации новых достижений, в частности, аэродинамического профилирования бортов карьера и электрофизической (барьерными разрядами) нейтрализации вредных газообразных выбросов. Представляется перспективным метод покрытия бортов карьера материалом, интенсивно поглащяющим солнечное излучение, от которого должны нагреваться прилегающие слои воздуха и развиваться конвекция, но подробно этот вопрос в настоящее время не проработан.