Глава 4. Влияние метеорологических условий на некоторые аспекты горного производства.

4.1 Энергетическая оценка процессов при интенсификации воздухообмена в карьерах.

Как уже отмечалось, карьер это объект проветривания, который 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. Под системой в данном случае понимается часть атмосферы в объеме карьера, в которой чистоту воздуха необходимо поддерживать на заданном уровне. Рассматриваемая система тесно связана с окружающей ее средой, и в данном случае невозможно выделить четкую границу между ними в атмосфере. Обычно принято относить к окружающей среде внешние по отношению к системе объекты и воздействия, участвующие в формировании свойств системы. В отличие от непроницаемых границ, которыми являются борта и дно карьера, граница между системой (атмосферой карьера) и окружающей средой, проходящая в атмосфере, является проницаемой, не может быть четко выражена и имеет гипотетический характер. Границей системы назовем проницаемую поверхность объема карьера, связанную с атмосферой окружающей среды и отделяющую этот объем от нее. Естественно, если речь идет о рабочей зоне карьера, то граница будет условно отделять эту зону от остальной атмосферы карьера. Необходимым условием функционирования вентиляции любой системы являются потоки массы воздуха через ее границы. При этом потоки свежего и стоки загрязненного воздуха должны быть рассредоточены таким образом, чтобы исключить их закорачивание между собой (короткие токи). 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.

При устойчивом состоянии атмосферы необходимо создать в карьере конвективное движение и обеспечить обмен воздушных масс с внешней средой. Оценку требуемого для этого количества энергии проведем применительно к установившейся инверсии в карьере из условий разрушения инверсионного состояния, ибо образование циркуляционных зон с помощью вентиляционных потоков без изменения стратификации атмосферы в карьере не обеспечивает необходимого уровня снижения концентрации примесей, поскольку обмена с внешней средой фактически не происходит. При разрушении инверсии динамическими струями нельзя оценивать необходимую энергию по работе перемешивания только в объеме карьера или в слое инверсии, ибо в этом случае на уровне поверхности карьера (по замкнутому контуру) Н_п (рис.10) создается искусственный "разрыв" температуры, обеспечивающий слой интенсивной надкарьерной инверсии, которая будет вновь восстанавливать инверсионное состояние и в нижних слоях атмосферы карьера. Это требуется учесть при расчете энергии для эффективного общекарьерного воздухообмена.

Без учета теплового взаимодействия атмосферы с поверхностью карьера необходимая энергия определяется следующими составляющими.

Энергией перемешивания воздуха Е₁ в слое атмосферы высотой Н, большей глубины карьера h_к и верхней границы инверсии до слоя интенсивного естественного сноса (внешнего ветра) или до уровня ликвидации температурного скачка (рис. 10).

Энергией, необходимой для поддержания вновь созданного состояния атмосферы с учетом передачи тепла в почву при образовавшемся в результате перемешивания перепада температур Т воздуха и поверхности почвы (рис.10).

Для первой составляющей, проводя интегрирование получим следующую формулу для единичного столба воздуха:

где P_ - давление на уровне;

Т_, Т_Н -температура на уровнях;

С_р -теплоемкость при постоянном давлении;

Н - высота ликвидации скачка или наличия сноса;

 -высотные отметки дна и бортов карьера;

q - ускорение свободного падения;

R - универсальная газовая постоянная,

 - температурный градиент.

По формуле оценивается энергия при динамическом способе побуждения воздуха. При тепловом воздействии первое слагаемое определяется на основе расчета лимита энергии устойчивости. Вторую составляющую энергии запишем в виде:

Е₂=STt ,

где  - коэффициент теплоотдачи

S - площадь поверхности, через которую происходит теплоотдача,

Т - разность температур поверхности земли и воздуха,

t - время процесса теплоотдачи.

В общем случае кроме рассмотренных составляющих требуется также оценка влияния радиационного и теплового обмена атмосферы с почвой, исходя из известного уравнения теплового баланса.

Ф_ = рс_р(а дТ/дп) -B + R + Q_Т , (1)

где Ф_ - поток тепла в почву,

а - коэффициент теплообмена в приземном слое атмосферы,

В - потери тепла за счет испарения и конденсации,

R = I (1 - А) - F - радиационный баланс,

Q_Т - искусственный источник тепла,

/ - коротковолновая радиация,

А - альбедо поверхности,

F - эффективное излучение поверхности.

Расчет составляющих теплового баланса подстилающей поверхности в карьере проводится по формулам, описанным в литературе. Приближенные оценки для составляющих теплового баланса за достаточно длительный период, если приток солнечной радиации принять за 100, дают следующие цифры: В = - 20 %, R = 30%, рс_р(а дТ/дп) = -10%, тогда Ф_ = Q_{Т .}

При развитии инверсионного состояния атмосферы, особенно в зимнее, а также в ночное время, когда приток солнечной радиации практически отсутствует, радиационный баланс поверхности, определяемый во многом эффективным излучением поверхности, является отрицательным и стремится восстановить устойчивое состояние атмосферы. В этом случае в карьере наблюдается следующая физическая картина.

Рис. 10. Схема разрушения инверсии в карьере механическим и тепловым способом.

1 – начальная стратификация; 2 - стратификация после воздействия динамическими струями;

3 – то же, с образованием условного скачка; 4 – стратификация после теплового воздействия

Потери тепла за счет эффективного длинноволнового излучения приводят к охлаждению поверхности раздела "атмосфера-почва", а перепад температур, возникающий между воздухом и почвой, к охлаждению, с одной стороны, близлежащих слоев атмосферы (и усилению инверсии) за счет турбулентного обмена и, с другой стороны, верхнего слоя почвы за счет теплоотдачи - первые два члена в уравнении (1).

Оценить энергетические возможности интенсификации воздухообмена в карьерном пространстве поможет следующее неравенство;

(Qyn-F)t>E₁ + E₂.

где Q_y - мощность одной установки,

п - число установок,

t - время протекания процесса.

Стоит привести оценку величин, входящих в эту формулу на примере карьера объемом 3010⁶ м³ и глубиной 200 м. Без учета теплообмена с окружающей средой (т.е. считая систему закрытой сверху) и радиационного выхолаживания поверхности перевод из инверсионного у = 0.018^о /м в равновесное состояние атмосферы динамическим способом составит для E₁ ~ 2,510³ кВтчас. Для оценки составляющей E₂ правой части неравенства (4) необходимо знать время протекания процесса теплоотдачи. Из общих соображений его можно считать равным времени существования инверсии (при этом определяется максимальная энергия теплоотдачи). В соответствии с этим оценка второй составляющей дает следующее значение E₂ ~ 710⁴ кВтчас.

При тепловом воздействии на атмосферу карьера необходимое количество энергии, определяемое через лимит энергии устойчивости, составит E₁ = 5,610³ кВтчас и E₂ = 12,510⁴ кВтчас на поддержание этого состояния за счет перепада температур. Оценивая необходимые энергозатраты на ликвидацию развития инверсии при учете теплового и радиационного баланса поверхности получим: при формировании инверсии радиационный баланс поверхности может составлять в отдельные часы 0,510⁵ кВт и более (140Втм²). В ночное время он практически определяется эффективным излучением бортов карьера. Эта потеря естественной энергии в карьере идет практически полностью на охлаждение атмосферы карьера и верхнего слоя почвы (первые два члена уравнения 1), то есть на формирование и поддержание инверсионного состояния атмосферы.

Для разрушения инверсии  = 0,01^о /м в выше указанном карьере динамическим способом при действии естественного выхолаживающего фактора, который необходимо присутствует при развитии инверсии, из приведенных оценок энергозатрат, очевидно, что никакое разумное количество установок местного проветривания не позволяет противодействовать природному фактору. Так энергетические затраты для перевода атмосферы из условий развивающейся инверсии ( = -0.1°С/100м) в равновесное состояние для данного карьера составляет 4.110⁵ кВтчас. Результатами натурных экспериментов на Сибайском, Учалинском, Коркинском, Оленегорском, Ковдорском и др. карьерах показало, что величина карьерной инверсии практически не зависит от работы вентиляторных установок. Кроме того, изменение состояния в объеме карьера еще не характеризует интенсивность воздухообмена. Подтверждением этому являются хорошо известные острова тепла над городом и городские бризы (от окраин к центру города), при этом под куполом происходит накопление вредных примесей.

Необходимо отметить, что данные оценки указывают лишь на одну сторону затрат на воздухообмен - на разрушение далеко не самой мощной и продолжительной по своей природе инверсии. Однако разрушение устойчивой стратификации дает только предпосылки и возможность организовать взаимодействие (массообмен) системы с окружающей средой и вынос примесей из карьера. Но для осуществления этого процесса необходимы дополнительные затраты кинетической энергии вентиляционных установок на поддержание движения воздушных масс. Кроме того, для практической реализации разрушения инверсии и организации воздухообмена чрезвычайно важным является рационально вкладывать необходимую энергию. В локальных областях можно создать очень интенсивные циркуляции, а во всем объеме карьера инверсия будет сохраняться и выноса примесей не произойдет. Для разрушения инверсии и поддержании неустойчивого состояния атмосферы карьера необходим мощный источник тепловой энергии в сотни Вт на 1 м² поверхности карьера.

4.2. Распространение газового облака в атмосфере карьеров.

Одним из источников поступления в атмосферу карьера вредных примесей являются массовые взрывы. При их проведении образуется значительное газовое облако, которое распространяется в объеме карьера и за его пределами. Естественно, что его распространение зависит от конкретных метеорологических условий. При определенных условиях проветривание карьера значительно ухудшается и требует гораздо большего времени, чем нормативные сроки. Рассмотрим несколько наиболее характерных случаев.

При проведении массового взрыва в карьере "Железный" ОАО "Ковдорский ГОК" в период инверсионного состояния атмосферы с градиентом 0,8^о/100 м через 45 минут после взрыва на гор. +214 м концентрация СО превышала ПДК и составила 31,25 мг/м³, а на гор. +202 м 12,5 мг/м³. Подобная ситуация складывается и при более слабом инверсионном градиенте 0,4^о/100 м, через 45 минут после взрыва на средних горизонтах зарегистрировано превышение ПДК по СО (25 мг/м³) . В этих случаях максимальные концентрации регистрировались в местах проведения массовых взрывов. Выше и ниже этих горизонтов, уровень загрязнения снижался, но зона его распространения была значительна за счет атмосферной диффузии. Следует отметить, что уровень загрязнения верхних горизонтов в 3-4 раза ниже, чем на горизонтах ниже места проведения взрыва. То есть в результате инверсионного состояния атмосферы карьера зона загрязнения проникала в глубь карьера. Для большей наглядности при исследовании внутрикарьерной циркуляции были использованы дымовые шашки. За два часа до начала взрывных работ в карьере были проведены градиентные наблюдения. В результате выявлен слой инверсии со значительным градиентом (см. табл.3) в верхней части карьера. В нижней и средней части наблюдались сверхадиабатические процессы. По всей глубине карьера отмечался ветер. Погодные условия определялись малоградиентным барическим полем антициклональной кривизны. Ветер над карьером северного направления. Дымовые шашки зажигались на взрываемых блоках гор. +118, +166 и +190 м. Результаты наблюдений показали наличие типичного дневного случая горно-долинной циркуляции. Вынос из карьера газового облака после массового взрыва происходил в южном направлении (по потоку) в сторону промплощадки и города. За счет значительной турбулентности облака быстро рассеивались в инверсионном слое, не распространяясь выше.

Таблица 3 - Погодные условия в карьере "Железный" при проведении взрывных работ

h, м	t,°C	^0С /100 м	V, м/с	к, м^2 /с
276	-17,4	-5,5	2,1	0,08
214	-20,8		5,3	0,2
190	-20,4	1,33	2,2	0,09
166	-19,8		1,5	0,06
118	-19,6		3,7	0,15

В "Коашвинском" карьере ОАО "Апатит" на блоке гор. +280 м в 13 часов 20 минут был произведен массовый взрыв заряда весом 150 т при сплошной десятибальной слоистокучевой облачности без атмосферных явлений и осадков. Из Коашвинского и Китчепахского цирков потоки воздуха через долинную часть карьера поступали в район озера Порок-Явр. В долине р.Вуоннеймиок преобладали воздушные потоки с запада на восток, причем при выходе из долины они значительно ослаблялись. После взрыва газовое облако сразу же сместилось в долину. Часть его осталась в подынверсионном слое приподнятой инверсии на высоте 100-150 м от дна долины. Визуально продукты взрыва с точек наблюдения прослеживались в течение 30 минут. Концентрации вредных примесей в пунктах отбора проб приведены в табл.4. Результаты

наблюдений показали, что, несмотря на наличие приподнятого слоя инверсии, естественное проветривание горных работ было достаточно эффективным.

Таблица 4 - Концентрации вредных примесей при проведении массового взрыва и метеоусловия на Коашвинском карьере

Высота, м	Время, мск	Концентрация, мг/м^3		Темпера­тура,	Градиент, ^о/100 м	Скорость ветра,	Коэффициент турбулентности.
		СО	NO,	°С		м/с	м^2/с
280	13.30	0,4	0,0	3,4		0,0	0,0
280	13.40	0,0	0,0	3,4		0,7	0,03
280	13.45	0,0	0,0	3,2	0,0	1,3	0,05
310	13.50	0,4	0,025	3,2		1,7	0,07
280 вне карьера	13.55	0,0	0,032	3,0		1,2	0,05

Более детальные исследования, позволившие выявить характер распространения газов в атмосфере карьера после массового взрыва, были проведены в Коашвинском карьере. Взрывные работы проводились в первой половине дня с 9 до 13 часов в феврале 2002 г. Погодные условия района работ определялись передней частью циклона. Наблюдалась малооблачная погода со слабым неустойчивым ветром. Во второй половине дня подошел теплый фронт. В самом карьере тихо, 10 баллов слоистой подынверсионной облачности толщиной 150-200 м на высоте 200-300 м от замкнутого контура, подстилающая поверхность скала, снег, лед грязный серого цвета. От дна карьера до верхней границы облачности падение температуры воздуха с высотой - градиент 0,8°/100 м, толщина слоя около 370 м, к 12 часам он уменьшился до 0,4^о/100 м. Выше располагался инверсионный слой с градиентом 1,4^о/100 м на 9 утра, впоследствии идет перестройка термического поля, уменьшение интенсивности инверсии до 1^о/100 м на 12 часов и менее. К взрыву подготовлено два блока на северо-западном борту гор. +140, +150, +160 м площадью 10100 м², мощностью 126,9 тн на южном борту гор. +140, +150 м площадью 3000 м², вес заряда 38,8 т. Заложена взрывчатка порэмит, гранулотол, грамонит. Взрыв произведен в 11 часов 9 минут. Данные метеонаблюдений по станциям и точкам отбора газовых проб в карьере представлены в таблицах 5,6,7 и на рисунках 11,12. Там же приведены результаты анализов проб карьерного воздуха после проведения массового взрыва и графики их распределения по масштабу и времени. Из приведенного материала наглядно видно, что распространение газов после массового взрыва носит волнообразный характер. Рассмотрим на примере окислов азота. Так, на расстоянии 100 м от взрываемого блока через 25 минут после взрыва концентрация окислов азота незначительно увеличилась, а через 35 минут достигла своего максимума и далее значительно снизилась, однако оставаясь выше, чем до взрыва. На расстоянии 300 м от блока картина та же, только максимум был достигнут через 50 минут после взрыва. Для того чтобы преодолеть 200 м в данных метеорологических условиях в горизонтальной плоскости карьера объему максимальной концентрации окислов азота потребовалось 15 минут. С окислами углерода картина иная. Отмечается равномерная концентрация на всем расстоянии (300 м) от блока через 25 минут после взрыва, затем резкое возрастание до максимума во второй точке через 50 минут после взрыва с последующим снижением и рост концентрации в первой точке. В данном случае при проведении замеров не успели захватить начало волнового движения. Окислы углерода, как более легкие, быстрее распространялись в атмосфере карьера и быстрее рассеивались. Распространение вредных примесей имеет волновой характер. Волна (объем максимальной концентрации) вредных примесей распространяется радиально от источника выброса до тех пор, пока температура волны не сравняется с температурой окружающего воздуха. На волнообразный процесс рассеивания вредных веществ в атмосфере карьера накладывается и процесс диффузии.

Таблица 5 - Погода по станциям на 22.02.2002 г.

Станция	Срок 09 час.				Срок 12 час.
	ветер, м/с	tв ^о/С	tn,°/C	Р, мб	ветер, м/с	tв ^о/С	tп ^о/С	Р, мб
Коашва 210м	3 2	-22,0	-23,0	967,1	ЮЗ 2	-21,1	-22,0	967,1
Центральный 1090 м	ЮЗ 6-9	-16,7	-18,0	861,7	ЮЮЗ 8-14	-17,0	-17,0	860,9

Таблица 6 - Метеоданные по точкам

		9.45	11.35	11.45	12.00	12.10
Точка 1 +130 -100	tB	-21,6	-21,0	-21,0	-21,5	-21,5
	tB	-24,7	-20,0	-21,0	20,0
		9.52	11.35	11.45	11.55	12.05
Точка 2 +130 -300	tB	-23,0	-23,0	-23,3	-23,0	-23,0
	t.В	-25,0	-22,5	-22,0	-22,0	-22,0

Таблица 7 - Данные химических анализов

Точка 1 +130 -100	10.20	11.35	11.45	12.00	12.10	Мск
	2.1	1.9	2.3	4.0	4.5	СО мг/м^3
	2.48	3.1	6.39	4.46	4.14	NO* мг/м^3
Точка 2 + 130 -300	10.10	11.35	11.45	11.55	12.05	Мск
	2,0		3,5	7,5	4,2	СО мг/м^3
	1,98	2,86	3,52	6,55	4,79	NO^*мг/м^3

Легко диффузирующие вещества рассеиваются быстрее, и максимальные концентрации распространяются на меньшее расстояние. Волна более тяжелых веществ за счет меньшей диффузии распространяется на большее расстояние.

После проведения массового взрыва происходит два основных процесса с образовавшимися газообразными продуктами взрыва. Часть газообразных продуктов взрыва (около 50%) расходится по трещинам в толще горных пород, другие 50% выбрасываются из скважин подобно выстрелам. В каждом конкретном случае количество и состав газовой смеси зависит от типа применяемого взрывчатого вещества. Выброс газовой струи происходит на значительное расстояние в очень короткое время. Так, как атмосфера очень инерционная система, то распределение газового облака в ней после массового взрыва можно разбить на две части. Первая часть - это вылет газовой смеси из шпура, на этом этапе действуют следующие силы; сам взрыв и вылет газовой струи из шпура. Здесь на очень коротком временном отрезке (мс) и незначительном расстоянии (м) резко падает температура газовой струи (до 20°С) и скорость ее распространения гаснет.

На втором этапе происходит уже взаимодействие газовой струи и окружающей атмосферы. Так как температура струи выше, чем температура окружающего воздуха (зимой разница больше, летом меньше), то за счет сил плавучести газообразные продукты взрыва будут продолжать подниматься в окружающей атмосфере, одновременно, рассеиваясь до полного выравнивания их температур. Это при штилевых условиях, при ветре картина усложнится за счет горизонтального переноса и турбулентности, при достижении уровня выравнивания температур газовой смеси и окружающей атмосферы подъем облака прекратится. В дальнейшем будут преобладать процессы атмосферных диффузий, переноса и осаждения примесей. Для примера приведем случай, когда температура атмосферного воздуха -10°С и наблюдается изотермическое состояние атмосферы. В этом случае высота подъема облака составит около 2800 м. Расчеты проводятся по аэрологической диаграмме (рис.16). В случае неустойчивой стратификации подъем будет еще более значительным. При инверсии, наоборот, уменьшится. Здесь речь идет не о предельно допустимой концентрации в облаке, а о максимальном подъеме его. Расчеты проводятся следующим образом. Определяется атмосферное давление и температура воздуха на блоке, температура воздуха на доступной высоте (в нашем случае плато Ловчорр, брокерка на рудоспуске), строится на аэрологической диаграмме кривая стратификации. Зная температуру газовой струи выброса (20°С), по сухой адиабате поднимаемся до пересечения с кривой стратификации, т.е. до высоты, где температура поднимающегося облака продуктов взрыва и температура окружающей атмосферы выравниваются, а, следовательно, дальнейшего подъема не будет. Эта высота будет верхней границей распространения газообразных продуктов взрыва в атмосфере.

Рисунок 11 - Концентрация СО и NO_X в двух точках по расстоянию после MB

Инверсионное распределение температуры воздуха влияет на многие процессы, протекающие в атмосфере. Наличие инверсионных слоев в тропосфере позволяет самолетам экономить горючее. Инверсионные слои способствуют созданию волноводов для дециметровых и метровых радиоволн, благоприятствуют распространению звука.

Развитие инверсий способствует не только скоплению вредных примесей в карьере, но также влияет на характер распространения ударных воздушных волн (УВВ), возникающих при проведении массовых взрывов. Распространение слабых (с превышением давления на фронте до полуторного значения от атмосферного) УВВ изменяется в зависимости от знака вертикального градиента температуры воздуха. Если при нормальном распределении температуры воздуха волна уходит вверх, то увеличение температуры с высотой ведет к увеличению скорости звука, поэтому температурные изменения в атмосфере на расстоянии 1000-1500 м от поверхности над районом взрыва могут вызвать фокусирование УВВ, что приведет к росту давления в некоторых районах поверхности, результатом которого, могут быть непредвиденные последствия (расстекления). Особенно неприятны моменты с инверсиями в пограничном слое и инверсиями, сочетающимися значительными сверхадиабатическими градиентами в верхней части карьера, и инверсией в нижней части также со значительным градиентом. Основным параметром, характеризующим действие УВВ, является избыточное давление на фронте волны, которое определяется по формуле :

Рисунок 12 - Концентрация СО и NO* в двух точках по времени после MB

,

где Р - избыточное давление на фронте УВВ, Па, Q - эквивалентная масса заряда, кг; г - расстояние, м, К_m, - коэффициент, зависящий от физико-механических свойств взрываемых пород, К_м - коэффициент, учитывающий метеоусловия.

Влияние метеоусловий сказывается на изменении скорости звука с высотой. Так, изменение скорости звука в зависимости от температуры воздуха определяется по формуле:

,

где с - скорость звука, м/с;

Т, t - температура воздуха °К и °С.

Для учета метеоусловий на УВВ используется коэффициент К, который меняется в зависимости от распределения температуры воздуха с высотой. Поскольку скорость звука прямо пропорциональна температуре, то в литературе К рассматривается в зависимости от изменения скорости звука с высотой. Исследования показали, что в период с ноября по март на Кольском полуострове возможны случаи, соответствующие К = 100 с вероятностью от 0,2 до 0,3, в феврале она равна 0,5. Необходимо учитывать изменения температуры воздуха не только на поверхности карьера, но и от места взрыва, т.е. от какой-то глубины карьера. Поэтому для определения К необходимо знать распределение температуры воздуха как в пограничном слое, так и в атмосфере карьера.

Таблица 8 - Значение К в зависимости от профиля скорости звука в атмосфере

					Слой	Слой
	Постоян-			Слой			Слой отриц.
		Одно-	Посто-		большого	ПОЛОЖИТ,
	ный отрнц.			ПОЛОЖИТ.			градиента
Тип про-		родный	янный		ПОЛОЖИТ.	градиента
	градиент			градиента			между двумя
филя		слой	ПОЛОЖИТ.		градиента на	на
	темпе-			на слой			слоями
		изотермии	градиент		СЛОЙ	однородно
	ратуры			отриц.			ПОЛОЖИТ.
					меньшего	мслое
К	<1	1	5	100	25	10	100

Дистанционная система метеонаблюдений в районе расположения карьеров в сочетании с прогнозом погоды позволяет оперативно оценить изменение перепада давления на фронте УВВ, возникающих при взрыве при конкретных метеоусловиях. Наименьшие значения К наблюдаются при неустойчивом состоянии атмосферы пограничного слоя, т.е при развитой конвекции. Наибольшие значения К наблюдаются при наличие в районе ведения горных работ приземной инверсии.

В результате проведенных исследований установлено, что в карьерах Кольского полуострова преобладает горно-долинная циркуляция, при этом в тупиковых забоях, на бермах образуются застойные зоны с местной замкнутой циркуляцией соленоидального вида. С углублением карьеров происходит еще большее обособление внутрикарьерной циркуляции от общеатмосферной, увеличивается количество застойных зон в карьерах с замкнутой циркуляцией. Выявлено также наличие в чаше карьера застойной области, препятствующей интенсивному естественному воздухообмену. Причем с увеличением скорости фонового потока эта область опускается к дну карьера и еще более снижает эффективность естественного воздухообмена.

Приведенные оценки дают минимально необходимые энергетические затраты на общеобменную вентиляцию. На эффективность воздухообмена кроме величины вносимой энергии очень влияет способ эффективного ввода энергии в систему. Указанные оценки относятся к варианту максимально рационального ввода энергии.

Газы поступают в атмосферу карьерного пространства в перегретом виде и под давлением.

Распространение газов после взрыва имеет волновой характер. Волна газов распространяется от источника выброса до тех пор, пока температура волны не сравняется с температурой окружающего воздуха. Далее начинает действовать атмосферная диффузия.

4.3 Методические указания по расчету естественного проветривания карьерного пространства.

В последние годы все большее число карьеров основных горнодобывающих районов России (Урал, Восточная Сибирь, Якутия, Север) в холодный период года простаивают из-за высокой загазованности атмосферы рабочих зон. Это фактор приводит к снижению технико-экономических показателей предприятия и приобретает экономическое значение.

Целью данных указаний является приобретение навыков расчета естественного проветривания карьерного пространства на различных стадиях его отработки.

Рассмотрим вопрос эффективности естественного проветривания карьера на примере реально существующих карьеров с конкретными геометрическими параметрами, производственным циклом и реально работающей производственной техникой. Для упрощения задачи возьмем случай, когда процессы, протекающие в атмосфере карьера, происходят без воздухообмена с окружающей средой.

1. Определение степени естественной аэрации карьера в зависимости от его

основных параметров.

Форма геометрические параметры карьера определяю естественную аэродинамику в карьерном пространстве.

Примем следующие обозначения:

Н - глубина карьера; L - короткая ось карьера в плане; a- угол откоса подветренного борта.

Тогда если:

L/Н > 10 - хорошее проветривание;

10 < L/Н > 6 – слабое проветривание;

L/Н < 6 – проветривание затруднено.

2. Определение естественных схем проветривания карьера по основным его

параметрам.

Прямоточная схема проветривания.

Такая схема будет наблюдаться при любых значениях L и Н, но при a<15⁰ и равномерной отработке уступов подветренного борта.

Рециркуляционная схема проветривания.

Эта схема наблюдается при L/Н < 5-6 и при a>15⁰.

Рисунок 13 А – прямоточная зона

В - рециркуляционная зона

На представленных рисунках карьеров: А-зона прямоточной циркуляции, В-зона рециркуляционных течений. Угол а составляет 15^о. Х - Х_сср. - среднее значение абсциссы точки встречи внешней границы струи с наветренным бортом или дном карьера, м.

Все, что меньше 15^о прямоточная зона, все, что больше 15^о рециркуляционная зона.

. Остальные схемы – вариации этих двух основных: рециркуляционно-прямоточная и прямоточно-рециркуляционная и их наличие зависит от геометрических особенностей разрабатываемых карьеров. На первом месте в названии стоит зона объем которой больше. 3. Расчет времени достижения ПДК в атмосфере карьера

В расчетах учитываются загрязнители воздуха, приведенные в таблицах ниже. Применяемое в карьерах оборудование приведено в таблицах 1,2. Там же указана интенсивность выбросов загрязняющих веществ, при различных режимах работы техники. Расчеты проводятся для условий максимальной мощности и 50% мощности, как с катализаторами, так и без катализаторов.

Количество работающей техники и их марка, так же как и объемы карьеров берутся по фактическим условиям. При отсутствии в таблице необходимых марок работающей техники, данные, по фактически применяемой техники, берутся из паспортов или иных справочных материалов.

4. Определение уровня загрязнения атмосферы карьера.

Естественная аэрация карьера происходит под действием двух метеорологических факторов: ветровым режимом определяемым горизонтальным барическим градиентом и конвекцией – восходящими и нисходящими токами воздуха под действием вертикального температурного градиента. Рассмотрим условия распространения загрязнений в атмосфере карьера только за счет ветрового режима.

При наличие в атмосфере карьера различных циркуляционных зон расчет уровня общего загрязнения атмосферы проводится по следующим формулам:

- в зоне рециркуляции ;

- за ее пределами ,

где G – суммарная интенсивность поступления вредных веществ в рециркуляционную зону от внутренних источников, расположенных как в этой зоне, так и на участке с подветренного борта, мг/с;

Х_с.ср – среднее значение абсцисс точки встречи внешней границы струи с наветренным бортом или дном карьера для характерных его профилей, совпадающих с направлением ветра, м;

U_p – расчетная скорость ветра (в данном случае принимается равной средней скорости в заданном направлении, так как на пути его распространения нет ослабляющих источников), м/с;

L₁ – длина зоны рециркуляции в направлении, перпендикулярном движению ветра, м ( при форме карьера в плане близкой к круговой L₁ равно размеру карьера на поверхности );

с_о - концентрация вредной примеси в поступающем для проветривания карьера воздухе, мг/м³ или фоновая концентрация. При отсутствии в районе расположения карьера крупных источников вредных примесей принимается за 0.

Необходимые для расчетов данные берутся из пункта №3.

Таблица 9 - Интенсивность выброса загрязняющих веществ оборудованием без катализаторов (нейтрализаторов)

Оборудование	Тип	Режим ра­боты	СО мг/с	NOK мг/с	Альдегиды мг/с	SO2 мг/с	Сажа мг/с
БслАЗ-75131 А/машина	AI	х/х	137,2	100,8	31	1,9	0,6
		50% мощ.	300.3	738.9	17	1.7	21.9
		max мош.	307,8	1354.4	8	13.0	40.0
Cat -777D А/машина	А5	х/х	137,2	100.8	31	1.9	0,6
		50% мощ.	300,3	738,9	17	1.7	21.9
		max мощ.	307,8	1354,4	8	13,0	40.0
Cat -785D А/машина	А6	х/х	137,2	100,8	31	1,9	0.6
		50% мощ.	300,3	738,9	17	1,7	21.9
		max мощ.	307,8	1354,4	8	13,0	40.0
РС-ЗООО Экскаватор	ЭЗ	х/х	116,7	68,6	26	1,6	5,3
		40% мощ.	255,3	502,5	14	1,4	18,6
		max мощ.	254,2	921,1	7	11,1	34,2
РС-2000 Экскаватор	Э5	х/х	93,3	35,3	21	1,3	4,4
		40% мощ.	204,2	258,6	11	1.1	15,0
		max мощ.	209,2	474,2	6	8,8	27.2
Cat -385 CFS Экскаватор	Э6	х/х	48,1	29,2	11	0.7	2,2
		40% мощ.	105,0	21,4	6	0.6	7,8
		max мощ.	107,8	392,8	3	4,6	13,9
Бульдозер Cat -9R	БЗк	х/х	36,9	27,2	8	8,6	0.1
		40% мощ.	81.1	199,4	5	7,5	0.1
		max мощ.	83.1	365.6	2	58.6	0.7
Бульдозер ДЭТ-32ОБ1	Б5к	х/х	31.7	23,1	7	7.2	0.1
		40% мощ.	69.2	170,0	4	6.4	0,3
		max мощ.	65,4	287,4	2	45,9	0,4
Буровой станок Atlas Copco Roc L8	С3	х/х	39,7	30,3	9	0,6	1.9
		40% мощ.	86,9	221,7	5	0,5	6,4
		шах мощ.	89,2	406.4	2	3.8	11.7
Буровой станок D245S	С5	х/х	30,3	30,3	9	0,6	1.9
		40% мощ.	221,7	221,7	5	0,5	6.7
		max мощ.	406,4	406.4	2	3,9	11.9

Таблица 10 - Интенсивность выброса загрязняющих веществ оборудованием с катализаторами (нейтрализаторами)

Тип оборудования	Тип	Режим работы	СО, мг/с	NOS, мг/с	Альдегиды мг/с	SO2 мг/с	Сажа мг/с
БелАЗ-75131 А/машина	А5к	х/д	34	25	7.7	0.5	0.2
		50% мощ.	75	185	4.2	0.4	5.3
		max мощ.	77	339	2,1	3,3	40.0
Cat -777D А/машина	Абк	х/д	34	25	7.7	0.5	0.2
		50% мощ.	75	185	4,2	0,4	5.3
		max мощ.	77	339	2,1	3.3	40.0
Cat -785D А/машина	А1к	х/д	34	25	7,7	0.5	0.2
		50% мощ.	75	185	4,2	0.4	5,3
		max мощ.	77	339	2,1	3,3	40.0
Экскаватор РС- 3000	ЭЗк	х/д	29	21	6,5	0.4	1.4
		50% мощ.	64	157	3,6	0.4	4.7
		max мощ.	64	288	1.8	2.8	8.6
Экскаватор РС- 2000	Э5к	х/д	23	17	5,2	0.3	1.1
		50% мощ.	329	126	2,8	0,3	3.9
		max мощ.	52	230	1,4	2,2	6.9
Экскаватор Cat -385 CFS	Эбк	х/д	12	9	2,7	0,2	69.4
		50% мош.	26	65	1.4	0,2	1.9
		max мощ.	27	119	0,7	1,2	3.6
Бульдозер Cat -9R	БЗк	х/д	9,2	6,8	2.1	2,2	0,03
		50% мощ.	20,3	49,9	1,2	1,9	0.09
		шах мощ	20.8	91,4	0.6	14.7	0.16
Бульдозер ДЭТ-320Б1	Б5к	х/д	7.9	5,8	1.6	1.8	0.02
		50% мощ.	17,3	42.5	1,0	1.6	0.1
		max мощ.	16.3	71.9	0.5	11.5	0.1
Буровой станок Atlas Copco Roc L8	СЗк	х/д	10	7	2.2	0,1	0.6
		50% мощ.	22	5	1.2	0.1	1.7
		шах мощ.	22	98	0.6	1.0	3.1
Буровой станок D245S	С5к	х/д	10	8	2.3	0.2	0.6
		50% мощ.	23	55	1.3	0.1	1.7
		max мощ.	23	102	0.6	0.9	3.1

4. Расчет времени проветривания атмосферы карьера после штиля

Расчет проводится по самой сложной рециркуляционной схеме проветривания всего объема карьерного пространства, в данных конкретных условиях расчеты проводятся по следующей зависимости: c,

где V_p - объем рециркуляционной зоны, м³;

Х_сср. - среднее значение абсциссы точки встречи внешней границы струи с наветренным бортом или дном карьера, м;

v_o - скорость ветра, м/с;

L - длина карьера, м;

С_о - начальная концентрация вредности, мг/м³;

С - предельно допустимая концентрация, мг/м³.

Проветривание прямоточной зоны займет значительно меньше времени.

4.4 Оценка эффективности естественного проветривания карьера

Рассмотрим вопрос эффективности естественного проветривания карьера на примере реально существующего карьера с конкретными геометрическими параметрами, производственным циклом и реально работающей производственной техники. Объем данного карьера составляет 120 млн м и глубина 185 м. В среднем в смену в нем работает 28 большегрузных БелАЗов (основные источники загрязнения атмосферы). Оценим время загрязнения данного карьера окислами углерода и азота до уровня ПДК. Для упрощения задачи возьмем случай, когда процессы, протекающие в атмосфере карьера, происходят без воздухообмена с окружающей средой. Для достижения ПДК по окислам азота в данном объеме необходимо их наличие до 600 кг. При работе одного БелАЗа в среднем режиме происходит выделение окислов азота 2,66 кг/час, следовательно, 28 машин выделят за час 74,5 кг. Предельно допустимая концентрация будет достигнута за 8 часов и 8 минут. При работе машин в максимальном режиме ПДК будет достигнута за 4 часа 27 минут. Для достижения ПДК по окислам углерода в данном объеме необходимо их наличие до 2400 кг. По окиси углерода при работе того же количества машин, как в среднем режиме, так и в максимальном ПДК, во всем объеме карьера будет достигнута через 78 часов, или трое суток и 6 часов, так как содержание окиси углерода в выхлопе двигателей одинаково и при среднем режиме работы двигателя и при максимальном. Плотность оксидов азота больше плотности воздуха, поэтому их накопление максимально у дна карьера и уменьшается с высотой, в то время, как плотность оксида углерода меньше плотности воздуха, он всплывает и будет скапливаться на верхних горизонтах.

Естественная аэрация карьера происходит под действием двух метеорологических факторов: ветровым режимом, определяемым горизонтальным барическим градиентом и конвекцией - восходящими и нисходящими токами воздуха под действием вертикального температурного градиента. Рассмотрим время проветривания после штилевых условий, не принимая во внимание конвекцию только за счет ветрового режима до уровня ПДК. В данных конкретных условиях расчеты проводятся по следующей зависимости:

c,

где V_p - объем рециркуляционной зоны, м ;

Xc.cp - среднее значение абсциссы точки встречи внешней границы струи с подветренным бортом или дном карьера, м;

v₀ - скорость ветра, м/с,

I. - длина карьера, м;

Со - начальная концентрация вредности, мг/м³;

С - предельно допустимая концентрация, мг/м^э.

Для данного карьера время проветривания по самой сложной рециркуляционной схеме составит при начальных концентрациях, превышающих ПДК в 10 раз, что очень маловероятно, при ветре 3 м/с 3 часа 8 минут, при ветре 5 м/с 1 час 56 минут. Если брать более реальные уровни загрязнения (2 ПДК), то время проветривания при тех же условиях сократится при ветре 3 м/с до 56 минут и при 5 м/с до 39 минут.

Конвекция - это перемещение отдельных количеств воздуха с одних уровней на другие, обусловленные плавучестью и, следовательно, зависящие от разностей температур между воздухом, вовлеченным в конвекцию, и окружающим воздухом. Здесь необходима горизонтальная температурная неоднородность, так как атмосфера нагревается от земной поверхности /65/. Конвективные движения происходят одновременно в обоих направлениях по вертикали (нисходящие, так называемые компенсационные потоки). Атмосферная конвекция выражается в образовании беспорядочных струй или пузырей воздуха, всплывающих вверх или опускающихся вниз (термическая турбулентность), а при наибольшем развитии имеет характер восходящих и нисходящих токов над ограниченными участками земной поверхности (конвективные токи). Наибольшие вертикальные градиенты температуры воздуха при этом наблюдаются в нижнем 250-300 -метровом слое от земной поверхности.

Определить средние скорости конвективных вертикальных движений можно по аэрологической диаграмме (рис.16) по разности температур окружающего воздуха (кривая состояния - сухая адиабата) и температуре поднимающейся частицы (кривая стратификации - распределение температуры воздуха по высоте в определенном частном случае). Данные приведены в табл.11. На аэрологической диаграмме (рис.16) нанесена следующая информация: горизонтальные прямые - изобары с ординатами давления в мб, вертикальные прямые - изотермы, их абсциссы - температура в ^оС, наклонные прямые - сухие адиабаты, синие пунктирные кривые - влажные адиабаты, цифры слева - отметки высот.

Таблица 11 - Средняя скорость конвективных вертикальных движений

t,^оС	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0
v, м/с	3,0	6,0	7,8	9,0	10,0	11,0	11,8	12,5

Наш карьер при глубине 185 м и минимальных вертикальных скоростях в 3 м/с, что соответствует разности температур в 0.5 град, проветрится в течение одной минуты. Это значит, что при развитой конвекции атмосфера карьера загрязняться не будет, тогда, как при слабых ветрах и ветрах определенных направлений, загрязнение атмосферы карьера или ее части, возможно.

Оценивая экономические потери от простоя данного карьера по фактору загрязнения его атмосферы свыше предельно допустимых концентраций вредных веществ, можно прийти к следующим выводам. Для определения экономических потерь в денежном выражении от простоев данного карьера проведем несложные расчеты на фактическом материале. Производительность экскаватора ЭКГ-8 равна 240 м³/час, стоимость одного м³ руды 8.2 руб., значит, простой одного экскаватора в час составит 1968 руб. Средняя производительность большегрузных автосамосвалов типа БелАЗ составляет 366 т/км в час, стоимость одной т/км БелАЗа будет 2.65 руб. Отсюда получаем, что его часовой простой составит 970 руб. В данном карьере одновременно работают 5 экскаваторов ЭКГ и 28 БелАЗов, следовательно, час простоя экскаваторов составит 9840 руб., а БелАЗов еще 27160 руб., итого час простоя будет равен 37000 руб. За три часа эта сумма увеличится до 111000 руб., а за 10 часов возрастет до 370000 руб., за 30 часов до 1110000 руб. Это приведено без учета всей прочей работающей в карьере техники: дизельных экскаваторов, вспомогательной дизельной автотехники, буровых станков, бульдозеров, которые также являются загрязнителями атмосферы. К этому надо прибавить сумму заработной платы персонала. Если все это учесть, то получится в результате, что суточный простой подобного карьера в среднем будет обходиться значительно более миллиона рублей. Это без учета рыночной стоимости не добытой за это время продукции.