Методика расчета схемы проветривания карьеров Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

18

ЗНиСО

МАЙ Н0Е (278)

УДК 622.271

МЕТОДИКА РАСЧЕТА СХЕМЫ ПРОВЕТРИВАНИЯ КАРЬЕРОВ

И.И. Старостин

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана,

г. Москва, Россия

Разработана методика расчета термодинамической рециркуляционной схемы проветривания карьеров, учитывающая динамический (ветровой), тепловой (стратификацию атмосферы) факторы и геометрические параметры открытой разработки (углы и конфигурацию бортов карьера, глубину). Получены зависимости для расчета аэродинамических параметров проветривания (скоростей течений, параметров пограничного слоя, объемов воздушных масс и др.). Методика расчета позволяет оценивать состояние атмосферы карьера и прогнозировать его на различных этапах разработки и является основой для установления мер по повышению эффективности естественного и искусственного воздухообмена и улучшению состояния окружающей среды.

Ключевые слова: открытая разработка полезных ископаемых (карьер); термодинамическая рециркуляционная схема проветривания карьера; тепловой и динамический факторы проветривания; геометрия карьера; пограничный слой; граница пограничного слоя.

I.I. Starostin □ METHODOLOGY OF CALCULATION OF DIAGRAM QUARRYING AIRING □ Bauman Moscow State Technical University, Moskow, Russia.

Methodology of calculation of thermodynamics recirculating chart of ventilation of quarries, taking into account dynamic (wind), thermal (stratification of atmosphere) factors and geometrical parameters of openwork (corners and configuration of sides of quarry, depth), is worked out. Dependences are got for the calculation of aerodynamic parameters of ventilation (speeds of flows, parameters of frontier layer, volumes of the air masses of and other). Methodology of calculation allows to estimate the state of atmosphere of quarry and forecast him on different design times and is basis for establishment of measures on the increase of efficiency of natural and artificial ventilation and improvement of the state of environment.

Key words: open-pit mining (quarry), thermodynamic recirculating scheme of quarry airing, thermal and dynamic factors of airing, geometry of a quarry, boundary layer, limits of boundary layer.

Состояние заболеваний органов дыхания у горнорабочих и населения напрямую связано с чистотой воздушной среды рабочих зон и атмосферы в целом. Заболевания, связанные с фиброзным изменением легких, характеризуются необратимостью, приводят к потере трудоспособности и сокращению продолжительности жизни. Риску развития пневмокониоза подвержены лица наиболее трудоспособного возраста, занятые в горнодобывающей промышленности. Как отмечает академик РАН, профессор Величковский Б.Т., к решению этих проблем привлекается большой круг специалистов различного профиля, выходящий за рамки медицины труда [2].

Очевидно, что в условиях применения современной мощной карьерной техники, когда глубина открытых горных разработок достигла 500-700 м, концентрации вредных веществ в выработанном пространстве могут значительно превышать предельно допустимые величины, создаются условия для изменения микроклимата выработанного пространства, обусловливающие перегрев или переохлаждение работающих. Известны случаи, когда из-за нарушения воздухообмена простои карьера достигали 1520 % годового рабочего времени. Растет нагрузка на окружающую среду, загрязняется атмосфера селитебных зон вблизи карьеров. Таким образом, нормализация проветривания карьеров позволяет решать как вопросы улучшения условий труда и состояния здоровья ра-

ботающих, так и повышения экономической эффективности открытой добычи полезных ископаемых [3, 4].

Состояние вопроса и постановка задачи. Естественный воздухообмен карьера осуществляется совместным действием ветровой энергии (динамический фактор), теплового состояния атмосферы (термический фактор) при влиянии воздействия на них геометрии выработанного пространства (углы и конфигурация бортов, глубина и ширина дна карьера). В результате действия отмеченных факторов реализуется термодинамическая схема проветривания.

Используемая для расчета воздухообмена карьеров теория плоскопараллельной струи, вытекающей в неподвижную среду, дает упрощенную картину развития воздушных течений в выработанном пространстве под действием только динамического фактора, не учитывая влияния термического фактора и геометрии выработанного пространства.

Экспериментальные исследования влияния геометрии карьера на характер воздушных течений отмечены в работе Ушакова К.З. и др. [6] и показали наличие связи параметров выработанного пространства с аэродинамикой течений через изменение их турбулентности. Основываясь на этом, разработан метод расчета проветривания карьеров с учетом действия динамического фактора и геометрических параметров карьеров [5].

•Ш, 1М (277)

ЗНиСО

19

Цель исследования - развитие метода расчета термодинамической схемы проветривания, позволяющего учитывать все действующие факторы: динамический, термический и геометрические параметры выработанного пространства.

Материалы и методы. В качестве материалов исследований использованы результаты исследований естественного воздухообмена, полученные автором путем моделирования в аэродинамической трубе.

Расчет термодинамической схемы провеет-ривания карьеров. В зависимости от действия указанных факторов воздухообмен выработанного пространства может осуществляться по прямоточной или рециркуляционной схемам.

При прямоточной схеме проветривания при срыве в карьер ветровой поток, формирующий воздушную струю в выработанном пространстве, развивается по подветренному борту, не меняя направления движения и не образуя циркуляционной зоны. Прямоточная схема может существовать при углах подветренного борта карьера, менее углов раскрытия ветровой струи.

При углах подветренного борта карьера, более углов раскрытия ветровой струи, проветривание происходит по рециркуляционной схеме (рис.). Образующаяся циркуляционная зона состоит из активной зоны (струя первого рода) и вихревой (струя второго рода) с обратным направлением движения воздуха. Из-за наличия циркуляции и уменьшения скоростей течений эффективность проветривания в этом случае снижается.

На границе раздела струй первого и второго родов образуется пограничный слой. На внутренней границе этого слоя по линии 01 скорость воздушных потоков равна скорости ветра на поверхности. Линия 02, начиная от которой скорость обратных течений не меняется, представляет внешнюю границу пограничного слоя. Границы нулевой продольной скорости и постоянной массы, которая отделяет струи, вливающиеся в пограничный слой из области невозмущенного потока, от струй, подсасываемых из пространства ОКБЛ, проходят по линиям 04Ж и 03N соответственно. Поворот воздушных масс начинается за сечением М'М, которое является сечением максимальной деформации внешней границы пограничного слоя. За сечением М'М начинается вырождение свободной струи первого рода, заканчивающееся в сечении Т'Т.

Несмотря на искривление границ пограничного слоя нарастание его высоты на всех участках карьера до сечения М'М происходит по линейному закону и не зависит от соотношения скоростей на внешней границе пограничного слоя и ветрового потока на поверхности т = и/Ц,.:

Ь = сх, где (1)

х - абсцисса сечения пограничного слоя высотой Ь; с - коэффициент турбулентности, определяемый суммарным углом раскрытия пограничного слоя а = а1 — а2 (а1 и а2 - углы наклона внутренней и внешней границ пограничного слоя соответственно).

Рис. Термодинамическая рециркуляционная схема проветривания карьера

20

ЗНиСО

МАЙ НИЕ (278)

При этом углы раскрытия границ пограничного слоя меняются в зависимости от геометрических параметров карьера [5, 6]. Анализируя физическую сущность изменения углов раскрытия пограничного слоя, следует отметить, что данное обстоятельство может быть объяснено существованием достаточно сильного взаимовлияния свободной струи первого рода и циркуляционного потока струи второго рода, занимающего область ОКБЛ. Очевидно, что характер движения, прежде всего турбулентность, в этой зоне существенно зависит от ее геометрии. Обмен объемами воздуха между зоной циркуляции ОКБЛ и свободной струей над ней не может не оказать влияния на характер движения воздуха в свободной струе. Движение воздуха в зоне циркуляции характеризуется развитием вихрей относительно крупного масштаба. Если масштаб этих вихрей больше, чем вихрей, заносимых с поверхности, общая интенсивность турбулентности в свободной струе должна возрасти. Последнее в свою очередь должно увеличить абсолютное значение углов раскрытия границ пограничного слоя. Возрастание объема зоны циркуляции ОКБЛ за счет изменения геометрии карьера (например, с увеличением угла наклона подветренного борта) способствует увеличению масштаба турбулентности в этой зоне. Это способствует, вследствие отмеченного выше взаимодействия потоков, росту масштаба турбулентности и в свободной струе, что в свою очередь приводит к возрастанию углов раскрытия границ пограничного слоя. Уменьшение зоны циркуляции ОКБЛ приводит соответственно к уменьшению углов раскрытия пограничного слоя.

Аналогичная картина может наблюдаться и при различных тепловых состояниях атмосферы. Например, для неустойчивого состояния атмосферы с интенсивной турбулентностью в приземном воздушном слое, формирующем свободную струю, и при инверсионном состоянии атмосферы карьера с его незначительной турбулентностью зона циркуляции ниже свободной струи будет гасить крупные вихри, заносимые в нее из свободной струи, тем самым снижая турбулентность последней.

Таким образом, приведенный выше анализ обусловливает закономерность изменения углов раскрытия свободной струи, а следовательно и ее высоты, при различном тепловом состоянии атмосферы и позволяет в первом приближении определить коэффициент турбулентности структуры струи: для инверсионного состояния атмосферы (вертикальный температурный градиент у < 0 °С/100 м) с = 0,2-0,55; для равновесного и близкого к нему состояния атмосферы (0 < у < 1 °С/100 м) с = 0,55-0,6; для неустойчивого состояния атмосферы (у > 1 °С/100 м) с = 0,6-0,65.

Для расчета скоростей воздушных течений на участке хм (до сечения М'М) используется применяемый в теории пограничного слоя метод интегральных соотношений Кармана [6, 7].

При этом скоростной профиль в пограничном

слое описывается формулой «трех вторых» ^ Шлихтинга [1, 6, 7].

Исходными уравнениями для определения с=р

границ пограничного слоя, скоростей воздуш- ^

ных течений, положения сечения М'М являются ^^

уравнение импульсов для контура К'КМ'М и г5— уравнения расходов для сечений К'К, М'М и в циркуляционной зоне:

Ни02 = и02(Н - г1) + |Шг + и2[Г(О) + г2]

ни0 = и0(Н - г1) + | Шг + и^О) + г2]

23 24

| Шг = -1 Шг - и [ Г (О) + г2 ]

(2)

", (5)

где Г(О) - функция геометрии карьера. Функция геометрии карьера описывает его профиль, определяя глубину в различных сечениях, и выражается следующими зависимостями:

- на подветренном борту:

Г(О)п = Х^аЩ + (х2- *1Х?ап2 + (Х3 - Х2У§ап3 + ... (3)

+(х - Х-1)/?ап1 1 ;

- на дне карьера:

Г(О)д = Н; (4)

- на наветренном борту:

Г(О)н = Н-(х\--(х'з-Х\Уёащ -...

где х - абсцисса сечения, в котором определяется функция геометрии карьера; Хь х2, х3,... Х1 (x ь Х2, Хз,... xг) - абсциссы концов характерных (с выдержанными углами откосов) участков подветренного (наветренного) борта карьера; ап[5 ап2, ап3,..., ап, ан2, ан3,..., ан, ) - углы откосов характерных участков подветренного (наветренного) бортов карьера; Е - ширина дна карьера; Н - глубина карьера (рис.).

В результате решения системы уравнений (2) получены следующие выражения для определения параметров течения в пограничном слое:

R Ш

m =--+ --1.

2 V 4

где R = 2 -

Щ),

0,134cx а1 = arctg(0,134ст + 0,416c); а2 = arctg(0,134ст - 0,584c); а3 = arctg(сп3 + 0,134cm - 0,584c);

(6)

(7)

(8) (9)

а4 = аrctg[c(1 - -

1

02/3 + 0,134ст - 0,584с]; (10)

л/1 - m

Qобр ^{сх^ -(1 -т)(п -0,8пГ + 0,2ЗД + +т[Г(О) + 12]}

где а1, а2, а3, а4 - углы раскрытия внутренней, внешней границ, границы постоянной мас-

,(11)

2

2

2

•Ш, IM (277)

ЗНиСО

21

сы и границы нулевой продольной скорости; Пз и п4 - безразмерные параметры пограничного слоя, зависящие от m; Qобр - расход воздуха в зоне обратных потоков.

Положение сечения М'М с функцией геометрии карьера F(G)м, определенное из условия равенства расходов прямых и обратных циркуляционных потоков в нем, составит:

^ = , (12)

c

Задача поворота воздушных течений на участке xN за сечением ММ решалась с применением гидродинамического метода расчета для идеальной жидкости, разработанного Г.Н. Абрамовичем [1] с применением конформного преобразования Н.Е. Жуковского. Полученная таким образом длина участка поворота определяется зависимостью:

(1з)

*n = 0,07xM (3с + 1)[ln N - ln(N - 2)],

0,66с + 0,22 где N = -

0,66c - 0,21

Результаты исследования. Обобщающий анализ полученных зависимостей позволяет оценить воздействие геометрических параметров карьера, определяемых горно-геологическими и технологическими условиями разработки, динамического и теплового факторов состояния атмосферы на воздухообмен выработанного пространства. В качестве некоторых основных закономерностей следует отметить:

- увеличение угла подветренного борта, а вместе с ним и объема циркуляционной зоны снижает скорость обратных потоков и эффективность проветривания. При выдержанном угле подветренного борта величина скорости обратных течений в циркуляционной зоне остается постоянной;

- переход от неустойчивой стратификации атмосферы к инверсионной уменьшает углы раскрытия пограничного слоя, скорости обратных потоков в циркуляционной зоне, что затрудняет воздухообмен карьера. При этом рециркуляционная схема проветривания может наблюдаться при меньших, чем для неустойчивой и равновесной стратификаций атмосферы, углах подветренного борта. Таким образом, при различных состояниях атмосферы и неизменных геометрических параметрах разработки карьер может проветриваться как по прямоточной, так по рециркуляционной схемам;

- при определенных геометрических параметрах карьера и тепловом состоянии атмосфе-

ры возможно существование промежуточной между прямоточной и рециркуляционной схемы проветривания выработанного пространства, когда общая циркуляционная зона с поворотом воздушных потоков за сечением М'М распадается на отдельные укрупненные циркуляционные зоны уступов. Для неустойчивой стратификации атмосферы, например, такая схема может существовать в карьерах с углами подветренного борта 16° < ап < 22°, для инверсионной - 6° < ап < 8°.

Выводы. Таким образом, оценка фактического состояния, а также прогнозирование проветривания карьеров с применением разработанного метода расчета, учитывающего действие ветровой энергии, теплового состояния атмосферы и геометрических параметров выработанного пространства, является основой для организации эффективного естественного и искусственного воздухообмена и позволяет снизить уровни загрязнения рабочих зон карьера, окружающей среды и риск заболеваний органов дыхания у горнорабочих и населения. Методика расчета может применяться при проектировании воздухообмена карьеров и выборе средств защиты загрязнения атмосферы.

ЛИТЕРАТУРА

Эко-

1. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: лит, 2011. 715 с.

2. Величковский Б.Т. Фиброгенные пыли. Особенности строения и механизма биологического действия. Горький, 1980. 160 с.

3. Конорев М.М. и др. Вентиляция и пылегазоподавление в атмосфере карьеров / М.М. Конорев, Г.Ф. Нестерен-ко, А.И. Павлов. 2-е изд., перераб. и доп. Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2010. 440 с.

4. О состоянии профессиональной заболеваемости в Российской Федерации в 2010 году: Информационный сборник статистических и информационных материалов. М.: ФБУЗ «Федеральный центр гигиены и эпидемиологии» Роспотребнадзора, 2011. 74 с.

5. Старостин И.И. Расчет рециркуляционной схемы проветривания карьеров // Безопасность в техносфере. 2015. № 3. С. 22-27.

6. Ушаков К.З. и др. О влиянии геометрии карьера на параметры свободной струи. Известие высших учебных заведений / К.З. Ушаков, В.В. Силаев, И.И. Старостин // Горный журнал. 1974. № 5. С.15-19.

7. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. 712 с.

Контактная информация:

Старостин Игорь Иванович, тел.: +7 (916) 819-45-86, e-mail: iistarostin@mail.ru

Contact information: Starostin Igor, рИопе: +7 (916) 819-45-86, e-mail: iistarostin@mail.ru