Глава 3. Искусственная аэрация карьерного пространства.
В связи с увеличением глубины карьеров одной из центральных проблем при разработке месторождений открытым способом является обеспечение нормативных характеристик состава атмосферы в карьере, гарантирующих безопасную и высокопроизводительную работу.
Основной причиной сверхнормативного загрязнения атмосферы карьеров является ухудшение условий естественного воздухообмена с увеличением глубины карьеров, особенно при температурной инверсии и штилях, при которых турбулентный воздухообмен выработанного пространства с окружающей атмосферой значительно затрудняется.
Проблема создания безопасной воздушной среды в карьерах прошла следующие основные этапы. Сначала на основе экспериментальных данных, натурных наблюдений и аналитических исследований был разработан метод определения оптимальных параметров установок, создающих искусственные струи. Затем, обобщение опыта наблюдений за протекающими атмосферными процессами в приземном слое атмосферы, численные эксперименты по разработанным математическим моделям, энергетическая оценка этих процессов и их взаимодействие с искусственными струями позволили обосновать новую для аэрологии карьеров концепцию. Смысл ее в том, что искусственно создаваемые струи образуют циркуляционные зоны, в объеме которых происходит быстрое усреднение концентрации и накопление вредных примесей без существенного выноса их за пределы зоны. Рассмотрим эти вопросы более подробно.
В предыдущие десятилетия основной упор делался на искусственную вентиляцию карьерного пространства с применением искусственных струй по аналогии с проветриванием подземных выработок. Предполагалось применять горизонтальные и вертикальные искусственные струи, как изотермические, так и термические. Для их создания проектировались соответствующие установки и разрабатывались схемы их применения. Многочисленные эксперименты непосредственно в карьерах на всей территории бывшего СССР по применению различных типов вентиляторных установок и схем их расположения при разнообразных климатических условиях и геометрии карьерного пространства показали их неэффективность.
Известно, что полезная работа производится за счет запаса потенциальной энергии, и, следовательно, совершить такую работу могут лишь те системы, которые способны данную энергию накопить.
Карьер, в силу специфичности его границ, практически не может быть источником потенциальной энергии, запас которой незначительно возрастает лишь при существенном увеличении внутренней энергии атмосферы. Но для резкого увеличения температуры воздуха в карьере необходимо подвести громадное количество тепла.
В принципе, изменить состояние воздуха в карьере по фактору загрязнения можно лишь двумя способами: подведением тепла или совершением определенного вида работы. По аналогии с работой природных сил можно попытаться возбудить над карьером ветровой поток необходимой мощности, если, конечно, энергетические ресурсы позволяют нарушить сложившееся равновесие в районе расположения карьера. Наиболее распространенным и общепризнанным способом проветривания карьеров является вынужденная конвекция, возбуждаемая механическими или тепловыми установками.
При разработке тепловых и механических установок для проветривания карьеров не было достигнуто необходимого понимания механизма их работы, не учитывался и тот факт, что карьер уже располагает весьма внушительными источниками тепла, поскольку практически вся потребляемая карьером энергия сообщается его атмосфере в виде тепла. При этом, мощность технологических источников тепла хотя и превышает мощность разработанных тепловых установок, но не оказывает заметного воздействия на состояние воздуха в карьере.
Таким образом, основные способы искусственного проветривания карьеров сводятся к одному виду воздействия - работе перемешивания, благодаря которой и происходит рассеивание примесей в атмосфере Земли, межширотный обмен теплом и влагой. И хотя данный вид работы нельзя отнести к разряду высокоэффективных, но он может способствовать улучшению состояния атмосферы карьера при условии, если область перемешивания будет достаточно велика и решена проблема необходимого количества средств и ресурсов.
Рис.7. Установка местного проветривания УМП-1
Одно из общих правил в науке гласит, что перед началом исследования необходимо определить специфическую природу изучаемой проблемы, объекта, процесса.
При рассмотрении карьера видно, что у него отсутствуют основные признаки классических объектов вентиляции - физические границы, «входы» и «выходы». Таким образом, карьер является совершенно новым объектом вентиляции, с иными граничными поверхностями.
В свое время появилась идея проветривания карьеров и отдельных зон путем формирования свободных струй, способных при относительно небольшой мощности установок приводить в движение большие массы воздуха.
Естественно, что при соответствующем размещении побудителей движения воздуха такие потоки перейдут и через условную границу карьера, тем самым будет выполнено необходимое для вентиляции условие - обмен массами воздуха между объектом и внешней средой. Но практика показывает, что необходимое условие далеко не всегда бывает и достаточным, а, казалось бы, очевидное - правильным. Кроме того, не всегда бывает полезным выделение объекта в систему.
При внедрении струйного способа проветривания карьеров не было учтено, что карьерные вентиляторы совершают не работу проталкивания, а работу перемешивания, и свободные струи имеют ограниченную область распространения. Далее, условную границу карьера, в отличие, от физической можно переместить так, что карьер в расширенных границах не будет проветриваться. Характер работы карьерных вентиляторов не зависит от места их расположения относительно условной границы карьера.
Рисунок 8 - Струя воздуха от работающего вертолетного винта, (а) линия токов, (б)
эпюра давления.
Рисунок 9 - Работа вертолетных винтов, схема нисходящего воздушного потока.
Искусственные струи, применяемые для проветривания карьеров, могут быть изотермическими и неизотермическими (тепловыми). Основными установками для искусственного проветривания карьеров, которые прошли значительное количество испытаний на различных карьерах являются установки серии УМП (УМП-1, УМП-14, УМП-21). Рабочим инструментом, который непосредственно создает искусственную струю от этих установок, является вертолетный винт. На рисунках 8,9 видно, как винт формирует вертикальную струю. В нашем случае данный рисунок необходимо перевернуть вверх ногами, так как наша струя от установок УМП-14 и УМП-21 направлена вверх, Все остальные характеристики струи остаются те же самые. Скорость ее в том сечении, в котором расположен винт (сечение1) так называемая характеристическая скорость. Здесь речь идет о скорости, осредненной по площади сечения струи. В сечении 2, где давление выравнивается с атмосферным, вертикальная скорость, как показывает теория, примерно в 2 раза больше, чем в сечении 1, а площадь сечения 2 в 2 раза меньше, чем площадь сечения 1. Расстояние между сечениями равно примерно диаметру винта. Из рисунка 9 наглядно видно, что струя, создаваемая висящим вертолетом без горизонтальной скорости вместе с обратными токами закорачивания не превышает 120-130м.
Основными недостатками метода проветривания карьерного пространства искусственными струями являются следующие. Все искусственно созданные струи выполняют работу не по удалению загрязненных объемов воздуха из карьерного пространства, а перемешивают его в замкнутом объеме. Дальнобойность вертикальных струй не превышает 100 – 150 м, что полностью соответствует их первоначальному назначению (вертолетные струи).
Основная масса установок искусственного проветривания работает на базе турбовинтовых, турбореактивных и газотурбинных двигателей. Эти установки сами по себе являются мощными источниками загрязнения атмосферы карьера, особенно канцерогенами. Количество выбросов многих загрязнителей от них равно выбросу от нескольких десятков большегрузных автосамосвалов. Только две установки УМП-14 и УМП-21 работают от электропривода. Коэффициент полезного действия вентиляторных установок не превышает 10-12 %. Работа установок не способна изменить метеорологические условия в атмосфере карьера, т.е. осуществить перестройку температурных и барических полей и создать условия, благоприятные для естественного проветривания карьерного пространства (развитие конвекции и ветровых потоков). Проветривание карьеров с помощью вентиляционных установок предполагает использование сразу нескольких установок различных типов, расположенных в объеме карьера по определенной схеме (параллельные, последовательные или комбинированные). Использование нескольких установок ведет к огромным энергетическим затратам, сравнимым с затратами на само производство. Целесообразно только использование установки местного проветривания УМП-1, которая создана на базе автосамосвала БЕЛАЗ с горизонтально расположенным рабочим инструментом (винт от самолета АН-2). Она создает изотермическую горизонтальную струю воздуха, в которую можно впрыскивать воду. Установка может быть использована для проветривания и орошения взорванных блоков, тупиковых забоев и поливки дорог. При использовании этой установки необходимо соблюдать следующее правило: создаваемая установкой струя должна быть направлена не против естественных ветровых потоков, а способствовать их развитию и усиливать их действие.
На сегодняшний день промышленностью выпускается только установка местного проветривания УМП-1.
Исследования предыдущих лет, проводимые по вентиляции карьеров, осуществлялись и на основе моделирования процессов, проходящих в атмосфере карьера. Большой объем работы был выполнен по созданию математических моделей аэрогазодинамики карьерых пространств в условиях сложной орографии и температурной стратификации атмосферы. С их помощью решались задачи оценки энергии процесса естественного воздухообмена в карьере, взаимодействия с искусственно созданными свободными струями,распространения примесей от источников загрязнения, их химические превращения в атмосфере.
Рассчитывались типы и количество технических средств, а также схемы их расположения для искусственной интенсификации воздухообмена в карьерах. Расчеты подтвердили результаты экспериментальных данных и показали, что для решения этой проблемы в условиях действующих карьеров потребуется значительное количество технических средств вентиляции, что затруднит ведение горных работ и огромные дополнительные энергетические затраты. Для нормализации карьерной атмосферы при штилях и температурных инверсиях среднего размера карьера потребуется 105-106 кВт, что на 3-4 порядка выше не только мощности карьерных вентиляторов, но и потребности карьера в электрической энергии. Из всего выше изложенного, следует, что проблема создания нормализованных санитарно-гигиенических условий методом искусственной вентиляции в общем случае решена быть не может.
Для своевременного принятия мер, обеспечивающих безопасность персонала и снижение загрязнения природной среды, необходима разработка методики прогноза метеорологических условий, формирующих состояние атмосферы в карьере.
При этом прогноз целесообразно делать как долгосрочный, ориентированный на изменение технологии горных работ, использование новой техники и т.п., так и краткосрочный, обеспечивающий принятие управленческих решений организационного характера. Основой разработки методики прогноза является выявление особенностей внутрикарьерной циркуляции воздуха и закономерностей пространственно-временного распределения загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы. Идея методики заключается в том, что прогноз метеоусловий осуществляется комплексно на иерархически организованных временных и пространственных уровнях, с последующей корректировкой на основе непосредственно измеренных в атмосфере карьера дистанционными методами фактических метеоусловий. Подобные разработки выполнены в МГГУ,НавоийскомГМК,РГГМУ и Горном институте КНЦ РАН.
Задача оперативного управления может решаться с помощью программного комплекса на базе фактических метеоданных в карьере, получаемых на основании сети наблюдений и конкретных параметров карьера.
Если необходимая синоптическая и аэрологическая информация для достижения поставленных целей может быть получена по общедоступным каналам, то создание мониторинговой сети метеорологических наблюдений позволит получать основные метеорологические параметры (скорость и направление ветра, характеристики осадков, атмосферное давление, температура и относительная влажность воздуха) непосредственно в атмосфере карьера. Данная информация может поступать с любым временным интервалом и использоваться в оперативных (для принятия своевременных решений) и долгосрочных (для планирования работ) метеопрогнозах. На основе всей полученной информации можно прогнозировать периоды развития инверсионных и штилевых состояний атмосферы карьера, ведущих к скоплению вредных примесей в атмосфере рабочих зон карьера.
В Горном институте разработан программный комплекс расчета аэрологии карьерного пространства с учетом параметров аэрации и состава воздуха атмосферы карьеров по периодам его отработки. На базе этого комплекса проводились аэрогазодинамические расчеты и сделана оценка состояния воздушной среды на различных стадиях отработки месторождений в проектируемых карьерах «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК», «Олений ручей» Северо-Западной фосфорной компании, месторождений алмазов им. М.В.Ломоносова и им. В.П. Гриба в Архангельской области, которые приняты в качестве регламентов по нормализации воздушной среды и вошли составной частью в проектную документацию для ОАО «Гипроруда».
В состав программного комплекса входят: блок исходных данных, состоящий из параметров карьера, оборудования в карьере, моделей и режима работы оборудования, примесей. Программа позволяет в зависимости от направления и скорости ветра определять границы рециркуляционной и прямоточной зон с учетом состояния погоды и дорог в карьере, выдавать концентрации газов в СОусл. в рециркуляционной и прямоточной зонах, а также рекомендации для включения в расчет параметров газового облака при взрывах. Блок расчета температурного градиента позволяет определять состояние атмосферы карьера (сухоадиабатический процесс, изотермия или инверсия).
Отличие данной методики от предлагаемых ранее, в том, что она достаточно универсальна и, после доработки, может быть применена к другим карьерам.