CC BY
66
© С.А. Козырев, П.В. Амосов, 2015
УДК 536.2(470.21)
С.А. Козырев, П.В. Амосов
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫНОСА ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ ПРИ ПРОВЕТРИВАНИИ ГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ С ПОМОЩЬЮ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Представлены результаты численного моделирования процессов распределения воздушных потоков в карьерном пространстве и нормализации атмосферы карьера путем нагнетательного способа проветривания через вентиляционные восстающие и горизонтальные выработки. Отмечены сушествен-ные изменения в структуре скоростных потоков в пространстве карьера при использовании альтернативных способов подачи воздуха. Проанализированы результаты расчетов по выносу вредных примесей из карьерного пространства при различных скоростях подачи воздуха через выработки. Ключевые слова: нормализация атмосферы, карьер, вентиляционные выработки, численное моделирование.
Общеизвестно, что в рабочих зонах глубоких карьеров состав атмосферы нуждается в нормализации. Наряду с высоким уровнем запыленности имеет место загрязнение воздушного бассейна карьеров отработанными газами силовых установок карьерной техники. Учитывая общие тенденции углубления карьеров, повышения производительности карьерного транспорта и, как следствие, увеличение мощности силовых установок, с уверенностью можно сказать, что проблема проветривания глубоких карьеров становится все острее.
При неблагоприятных метеоусловиях - сочетание штилей с инверсиями происходит лишь усугубление экологической ситуации. Вынужденные простои карьеров вследствие превышения ПДК загрязняющих веществ на многих действующих карьерах достигают 25 % времени года. В соответствии с требованиями ЕПБ при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом [1] во всех случаях, когда содержание вредных газов или запыленность воздуха на объекте открытых горных работ превышают установленные нормы, должны быть приняты меры по обеспечению безопасных и здоровых условий труда.
Для интенсификации естественного воздухообмена в плохо проветриваемых и застойных зонах объекта открытых горных ра-
бот должна быть организована искусственная вентиляция с помощью вентиляционных установок или других средств в соответствии с мероприятиями, утвержденными техническим руководителем организации.
Искусственное проветривание карьеров (вентиляция карьера) применяется для создания таких атмосферных условий в карьере, которые необходимы для нормального ведения работ, когда естественное проветривание карьеров этого не обеспечивает. Способы искусственного проветривания карьеров: интенсификация естественного проветривания, местная и общеобменная вентиляция карьера.
Поскольку в условиях штилей и инверсий способы интенсификации естественного воздухообмена неэффективны, применяют искусственное проветривание карьеров.
Местная вентиляция применяется при загрязнении небольших объёмов внутрикарьерного пространства (экскаваторные забои, перегрузочные пункты, места взрывных работ и др.). Для её обеспечения используют вентиляторы с трубопроводами, специальные карьерные вентиляторные установки. Общеобменная вентиляция применяется при больших зонах загрязнения в карьере или при загрязнении карьера в целом. Для её осуществления разработаны и испытаны мощные вентиляционные установки на базе авиационной техники (АИ-20-КВ, НК-12-КВ, УВУ-1), а также тепловые установки (УТ-ЛФИ-2, УКПК-1). Общеобменная вентиляция карьера требует больших затрат энергии и практически не применяется при отработке глубоких карьеров. Так по оценке А.Д. Вассермана [2, 3], искусственные свободные струи создают циркуляционные зоны, в объеме которых происходит быстрое осреднение концентрации и накопление в них вредных примесей без существенного выноса их за пределы зоны, а для нормализации атмосферы для карьеров средней глубины, при штилях и температурных инверсиях, требуется мощность 105^106 кВт, что на 3^4 порядка выше не только мощности карьерных вентиляторов, но и потребности карьера в электрической энергии. Поэтому проблема создания нормализованных санитарно-гигиенических условий методом искусственной вентиляции в общем случае решена быть не может.
Существуют способы проветривания карьеров с использованием горных выработок. Способ проветривания с использованием горных выработок до настоящего времени не нашел широкого использования на отечественных карьерах в связи со значительными затратами на сооружение системы. Очевидно, что этот способ не
будет применяться для общекарьерной вентиляции, в особенности для карьеров больших объемов. Однако при открыто-подземной отработке месторождений полезных ископаемых этот способ может найти эффективное использование путем создания вентиляционных восстающих под дном карьера или воздухоподающих штолен на бортах карьера.
Проанализируем возможность проветривания карьера нагнетательным способом с использованием горных выработок. Методической основой проведенной работы служило численное моделирование аэрогазодинамических процессов в карьере.
Для анализа выбран карьер рудника «Железный» Ковдорского ГОКа, для которого осуществлены предпроектные решения по его отработке комбинированным способом.
По проекту дно карьера рудника «Железный» на конец отработки будет находиться на абсолютной отметке -660 м и иметь глубину по максимальной высотной отметке бортов: Западный -1042 м; Северный - 922 м; Восточный - 900 м; Южный - 970 м. Для этих условий одной из центральных проблем становится обеспечение нормальных санитарно-гигиенических условий в атмосфере карьера, гарантирующих безопасную и высокопроизводительную работу.
Авторами промоделированы два вида инженерных мероприятий, которые могут оказать существенное влияние на структуру скоростного поля в объеме карьера:
1) создание в нижней части карьера (отметка -660 м) вентиляционных восстающих (количеством 3), по которым можно будет подавать чистый воздух для интенсификации проветривания (рис. 1);
2) обустройство горизонтальных выработок (штолен) на отметках -620 м и -470 м (количеством 2) с указанной выше целью (рис. 2).
Поперечный размер вентиляционных восстающих и штолен составляет 5 м.
Методология численного моделирования
Некоторые результаты численных экспериментов по разработанным в среде СОМБОЬ цифровым моделям представлены ниже. Сами модели аналогичны тем, которые авторы достаточно успешно использовали в оценке проветривания тупиковых выработок при взрывных работах [4, 5], а также при анализе структуры скоростных полей карьера «Центральный-Глубокий» [6]. В указанных публикациях подробно изложены управляющие уравнения и последовательность выполнения расчетов.
Рис. 1. Схема размещения вентиляционных восстающих на отметке -660 м: Ь - левый; С - центральный; Н - правый
Рис. 2. Схема размещения штолен на отметке -
620 м, и - верхняя; О -нижняя
На первом этапе в рамках модели несжимаемой жидкости (уравнения Навье-итокса и неразрывности) для изотермического процесса рассчитывается скоростное поле во внутрикарьерном пространстве. На этом же этапе уточняется распределение коэффициентов турбулентной динамической вязкости, для которой выполняется процедура осреднения (для нашего случая в области задания начальной конфигурации газового облака) и переход в терминологию осредненного коэффициента турбулентной диффузии [7, 8].
На втором этапе реализуется численное решение стандартного уравнения конвективно-диффузионного переноса пассивной примеси. Отдельного пояснения требует описание коэффициента диффузии. Поскольку физически коэффициент диффузии является функцией пространственных переменных, а в уравнении конвективно-диффузионного переноса коэффициент диффузии принят постоянным, то выполнена следующая процедура его определения: О = ] / ), где ] - среднее значение коэффициента турбулентной динамической вязкости в области задания начальной конфигурации газового облака; - турбулентное число Прандтля-Шмидта, которое в случае пространственных течений принимает значение 0,72 [7, 8]; р - плотность воздуха.
Приблизительная величина коэффициента турбулентной динамической вязкости [ц^ в области задания начальной конфигурации газового облака получена посредством обработки графической и числовой информации. Предварительно для этого была построена аэродинамическая модель карьера в упрощенной геометрии с соблюдением основных глобальных параметров объекта
Отметка■
и его характеристик вблизи подошвы. На этом шаге для расчета стационарного поля скорости использована стандартная (к-е)-модель турбулентности [4, 7, 8].
Анализ числовых значений коэффициентов турбулентной динамической вязкости (в горизонтальных и вертикальном сечениях) показал, что для решения переносной задачи в качестве консервативной оценки времени проветривания (достижения уровня ПДК) можно рекомендовать значение коэффициента турбулентной диффузии на уровне 1,3 м2/с.
В целом, выполнено большое количество численных экспериментов с вариацией густоты расчетной сетки. Просчитаны все возможные варианты подачи свежего воздуха: для вентиляционных восстающих 7 вариантов (Ь, С, В, ЬС, ЬВ, СВ, ЬСВ); для штолен (на каждой отметке) по 3 варианта (и, Э, иЭ).
Оценка структуры воздушных потоков в карьерном пространстве при различных скоростях подачи воздуха через вентиляционные восстающие на конец отработки
Первоначально было промоделировано распределение воздушного потока в карьерном пространстве при естественном проветривании (рис.3). По результатам моделирования выявлено, что в карьерном пространстве при естественном проветривании образуются два вихря. Один крупный, занимающий центральную часть карьера, и мелкий - противоположного направления у дна карьера, что приводит к образованию застойных зон и невозможности выноса вредных примесей с рабочих зон карьера.
Результаты расчета структуры воздушных потоков при различных скоростях подачи воздуха через вентиляционные восстающие приведены на рис. 4 (рис. 4, а - скорость 10 м/с и рис. 4, б -
-4500 -4000 -3500 -3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500
Рис. 3. Распределение воздушного потока в карьерном пространстве при естественном проветривании (Базовый вариант, скорость на входе в карьер ио=3 м/с по румбу Запад - Восток)
скорость 25 м/с). Анализ скоростных полей (рис. 3 и рис. 4, а и 4, б) показал, что по сравнению с базовым вариантом имеет место существенная перестройка структуры скоростных полей.
Во всех случаях происходит разбивка мелкого вихря у дна карьера и увеличение объема восходящих потоков в карьерном пространстве с изменением структуры и крупного вихря, что значительно улучшает вынос вредных примесей из карьера. Но при этом в прибортовых зонах карьера остаются трудно проветриваемые участки с низкими скоростями движения воздуха (правая часть рисунка).
Проветривание карьера с помощью вентиляционных горных выработок
На примере штолен рассмотрено два варианта их расположения в восточном борту карьера: первый на отметке -470 м, где проходит нижняя граница крупного вихря и второй на отметке -620 м (рис. 2), т.е. в зоне действия мелкого вихря у дна карьера. Анализ структуры скоростных полей в модели для штолен на горизонте -470 м и -620 м при скорости движения воздуха 20 м/с показал их ряд различий. При расположении штолен на горизонте -470 м
Рис. 4. Структуры скоростных полей и увеличенный фрагмент изо-поверхности скорости в карьерном пространстве при вариации модуля скорости в вентиляционных восстающих: а) 10 м/с и б) 25 м/с
разбивка мелкого вихря у дна карьера не происходит, в то время как при их расположении у дна карьера происходит перестройка структуры скоростных полей с разбивкой мелкого вихря, что способствует выносу вредных примесей.
При поступлении воздуха через вентиляционные восстающие была проведена оценка времени проветривания карьера при загрязнении придонной части до уровня 20 ПДК по окислам азота ко времени достижения ПДК при различных расходах (рис. 5, (см. Приложение, с. 455). В базовом варианте при естественном проветривании (скорость на входе в карьер и0 = 3 м/с по румбу Запад - Восток) время проветривания составило около 150 минут.
Как следует из рис. 5, картина пространственного распределения загрязнения весьма неоднородна. В отдельных ситуациях на время окончания моделирования максимальные концентрации прогнозируются в левой части карьера, в других - по центру или правой половине карьера. Время проветривания с помощью вентиляционных восстающих, несмотря на присутствие трудно проветриваемых участков в прибортовой части карьера, уменьшается в 5—7 раз по сравнению с базовым вариантом. Например, при скорости потоков в рудоспусках 15, 20 и 25 м/с, соответственно, расчетное время достижения ПДК составило 20, 18 и 16 минут. Тенденция достаточно очевидна.
В целом рассмотренные варианты проветривания карьера с помощью вентиляционных восстающих и штолен показали, что применение этих способов позволяет изменить структуру скоростных полей и обеспечить вынос вредных примесей из карьерного пространства за более короткое время по сравнению с базовым вариантом. При этом, как показал анализ результатов расчетов, применение вентиляционных восстающих более предпочтительно, чем штолен.
Выводы
Методами численного моделирования продемонстрирована возможность проветривания карьера с помощью вентиляционных восстающих и штолен. Применение этих способов позволяет существенно изменить структуру скоростных полей и обеспечить вынос вредных примесей из карьерного пространства за более короткое время по сравнению с естественным проветриванием. При этом применение вентиляционных восстающих более предпочтительно, чем штолен.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Единые правила безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открыггым способом // ПБ 03-498-02. - С-Пб. - 2001. -111 с.
2. Вассерман А.Д. Эффективно ли решается проблема оздоровления атмосферы глубоких карьеров? // Горный журнал. - 1989. - №11. - С. 49-51.
3. Вассерман А.Д., Козырев С.А. Научные основы создания и поддержания безопасного состояния воздушной среды при отработке месторождений полезных ископаемых // В кн. Формирование основ современной стратегии природопользования в Евро-Арктическом регионе. - Апатиты, КНЦ РАН, 2005. - С. 144-149.
4. Козырев С.А., Амосов П.В. Обоснование минимального расстояния от забоя проводимой выработки до конца вентиляционных труб // Безопасность труда в промышленности. - 2012. - №10. - С. 79-83.
5. Козырев С.А., Амосов П.В. Математическое моделирование проветривания тупиковых выработок при взрывных работах с использованием CFD-моделей // «Аэрология и безопасность горных предприятий»: сб. науч. тр. М.., 2013. - Вып. 1. - С. 23-29.
6. Козырев С.А., Амосов П.В. Моделирование аэродинамических процессов в глубоких карьерах // «Глубокие карьеры»: сб. докл. Всеросс. науч. — техн. конф. с междунар. участием. - Апатиты; С-Пб., 2012. - С. 470-474.
7. Бакланов А.А. Численное моделирование в рудничной аэрологии. -Апатиты, КФ АН СССР, 1987. - 200 с.
8. Калабин Г.В., Бакланов А.А., Амосов П.В. Метод расчета аэрогазодинамики плоских камерообразных выработок на основе математического моделирования // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 1990. - №1. - С. 74-88. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Козырев С.А. - доктор технических наук, заведующий лаборатории, skozirev@goi.kolasc.net.ru,
Амосов П.В. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник,
vosoma@goi.kolasc.net.ru,
Горный институт КНЦ РАН.
UDC 536.2(470.21)
MODELING OF REMOVAL OF HARMFUL SUBSTANCES DURING AIRING DEEP OPEN-PITS THROUGH VENTILATION MINE EXCAVATIONS
Kozyrev S.A., Head of laboratory, Dr.Sci. (Eng.), skozirev@goi.kolasc.net.ru, Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Russia, Amosov P.V., Senior researcher, Ph.D. (Eng.), vosoma@goi.kolasc.net.ru, Mining Institute of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Russia.
The paper presents results of numerical modeling for processes of air flows distribution in open-pit space and normalization of pit atmosphere due to forced air ventilation system through ventilation raises and horizontal excavations. Significant changes have been identified in the structure of velocity flows in pit space when using alternative air supply ways. Calculation results have been analyzed on removal of harmful substances from pit space at different velocities of air supply through mine excavations.
Key words: normalization of atmosphere, open-pit, ventilation excavations, numerical modeling
REFERENCES
1. Edinye pravila bezopasnosti pri razrabotke mestorozhdenij poleznykh iskopaemykh otkrytym sposobom (Uniform safety rules at development of mineral deposits open method) / PB 03-498-02. S-Pb, 2001. 111 p.
2. Vasserman A.D. Ehffektivno li reshaetsya problema ozdorovleniya atmosfery glubokikh kar'erov? (Effectively solves the problem of improving the atmosphere deep pits?) // Gornyj zhurnal, 1989. No 11. pp. 49-51.
3. Vasserman A.D., Kozyrev S.A. Nauchnye osnovy sozdaniya i podderzhaniya bezopasnogo sostoyaniya vozdushnoj sredy pri otrabotke mestorozhdenij poleznykh iskopaemykh (Scientific basis for the creation and maintenance of a safe condition of the air environment during the mining of mineral deposits) // V kn. Formirovanie osnov sovremennoj strategii prirodopol'zovaniya v Evro-Arkticheskom regione. Apatity, KNTS RAN, 2005. pp. 144-149.
4. Kozyrev S.A., Amosov P.V. Obosnovanie minimal'nogo rasstoyaniya ot zaboya provodimoj vyrabotki do kontsa ventilyatsionnykh trub (Substantiation of the minimum distance from the face of the driven working to the end of the ventilation pipe) // Bezopasnost' truda v promyshlennosti, 2012. No 10. pp. 79-83.
5. Kozyrev S.A., Amosov P.V. Matematicheskoe modelirovanie provetrivaniya tupikovykh vyrabotok pri vzryvnykh rabotakh s ispol'zovaniem CFD-modelej (Mathematical modeling of ventilation of dead-end mine workings during blasting operations using CFD-models) // «Aehrologiya i bezopasnost' gornykh predpriyatij»: sb. nauch. tr. Moscow., 2013. Issue 1. pp. 23-29.
6. Kozyrev S.A., Amosov P.V. Modelirovanie aehrodinamicheskikh protsessov v glubokikh kar'erakh (Modeling of aerodynamic processes in deep pits) // «Glubokie kar'ery»: sb. dokl. Vseross. nauch.-tekhn. konf. s mezhdunar. uchastiem. Apatity; S-Pb., 2012. pp. 470-474.
7. Baklanov A.A. Chislennoe modelirovanie v rudnichnoj aehrologii (Numerical modelling in mine aerology). Apatity, KF AN SSSR, 1987. 200 p.
8. Kalabin G.V., Baklanov A.A., Amosov P.V. Metod rascheta aehrogazodinamiki ploskikh kameroobraznykh vyrabotok na osnove matematicheskogo modelirovaniya (Method of calculation of aerogasdynamics flat cameroonese workings on the basis of mathematical modeling) // Fiziko-tekhnicheskie problemy razrabotki poleznykh iskopaemykh, 1990, No 1. pp. 74-88.
