CC BY
21
ГЕОМЕХАНИКА
УДК 622.4
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЕСТЕСТВЕННОГО ПРОВЕТРИВАНИЯ КАРЬЕРОВ ПРИ ОТРАБОКЕ ЗОЛОТОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
С.Г. Гендлер, И.А. Борисовский
Целью работы является исследование аэродинамических процессов при естественном проветривании золоторудных карьеров на различных этапах отработки месторождения. Установлено, что на формирование атмосферы золоторудных карьеров оказывает влияние совместные действия орографических, метеорологических и технологических факторов. Сформулирована задача работы, которая направлена на оценку эффективности естественной вентиляции на различных этапах разработки месторождения с учётом повышения глубины горных работ. Показано, что на первых стадиях разработки золоторудных месторождений проветривание карьеров может быть осуществлено за счёт естественных воздушных потоков. При увеличении глубины горных работ до 260 м и более для нормализации параметров карьерного воздуха необходимы дополнительные инженерно-технические мероприятия.
Ключевые слова: золотодобыча, Крайний Север, карьер, математическое моделирование, естественная вентиляция, аэродинамические процессы, зоны рециркуляции.
В районах Крайнего Севера сконцентрирована большая часть золоторудных месторождений, более 50 % которых разрабатывается открытым способом. Одними из важных факторов, оказывающих влияние на эффективность разработки этих месторождений, являются химические и термодинамические параметры карьерного воздуха, величины которых зависят как от орографических и метеорологических условий, характеризующих район расположения карьера, так и от особенностей ведения горных работ. Перечисленные факторы оказывают влияние на скорость воздуха и эффективность естественной вентиляции [1, 2].
Метеорологические условия связаны с аномально низкими температурами воздуха в зимнее время, продолжительность которого достигает 9 месяцев, и превалирующим направлением и скоростью ветрового потока, воздействие которого на атмосферу карьера может усиливаться или ослабляться рельефом местности, характеризующимся сочетанием равнинных участков, низменностей, гор, сопок. При повышении скорости ветрового потока эффективность естественной вентиляции повышается, а при ее снижении уменьшается.
В зимний период времени аномально низкая температура атмосферного воздуха может в ряде случаев при достаточно большой глубине карьера привести к развитию температурной инверсии, когда холодный воздух поступает к его донной части и блокирует вынос загрязняющих веществ [3, 4].
Особенности ведения добычных работ определяются физико-механическими свойствами горных пород, зависящими от их температуры, конфигураций карьера (длина, ширина, глубина), технологий ведения добычных работ и используемым горнотранспортным оборудованием.
В естественном состоянии глубина залегания отрицательных температур, при которых прочностные свойства достигают максимального значения, соответствует мощности зоны вечномерзлых пород. При воздействии на горные породы, окружающие карьерное пространство, в летний период положительных температур происходит оттаивание горных пород с соответствующим уменьшением их прочностных свойств, что приводит к снижению их устойчивости [5].
Конфигурация карьера определяется морфологическими и геологическими условиями залегания рудной залежи, от которых зависит соотношение между его плановыми размерами Ьп и глубиной Н, влияющих на формирование скоростей воздушного потока и эффективность естественной вентиляции. Как показано в работе [6], в случае величины этого соотношения, превышающей 0.1 начинают развиваться зоны рециркуляции, в которых концентрируется загрязняющие вещества, что препятствует проветриванию карьера. Интенсивность накопления загрязняющих веществ зависит от величины их выбросов при работе горнотранспортного оборудования, при транспортировке горной массы и ее дроблений, а также от технологии рыхления горных пород (буровзрывной способ, механическое или гидравлическое разрушение) [7].
При оценке эффективности естественного проветривания карьеров следует рассматривать все вышеперечисленные факторы, что возможно только на основе математического моделирования процессов аэродинамики и переноса загрязняющих веществ (газы, выделяющиеся от работы двигателей внутреннего сгорания, взрывных работ, пыль при различных технологических операциях). Причем, на первой стадии достаточно осуществление только математического моделирования аэродинамических
процессов, позволяющего установить условия образования и размеры зон рециркуляции, потенциально опасных для накопления загрязняющих веществ [8].
Одним из первых математическое моделирование аэродинамических, термодинамических и диффузионных процессов для условий карьеров было осуществлено А.А. Баклановым [9]. Формулировка задачи по вычислению полей скорости и концентраций в карьере представлена уравнениями неразрывности, движения, диффузии и энергии с учетом известных моделей турбулентности. Постановка задачи осуществлена в наиболее общем виде, принимая во внимание все вышерассмотренные факторы, в том числе радиационный теплообмен. Для решения задачи был использован конечно-разностный метод, позволивший автору установить возможность использования для моделирования двухмерные модели [10].
В настоящее время для математического моделирования аэро - газо -термодинамических процессов, как правило, используются программное комплексы Flow Vision [11] и Ansys Fluent [12].
Например, в работе Е.Б. Гридиной и И.А. Петрова выполнено математическое моделирование аэродинамических процессов при проветривании Оленегорского карьера АО «Олкон». Для задания граничных условий при формулировке математической модели использовались данные натурных исследований, фактические геометрические характеристики карьерного пространства и метеорологические параметры (плотность, температура, давление воздуха), характерные для зимнего периода времени. В результате вычислений скоростных полей было установлено, что при увеличении глубины отработки месторождения происходит снижение скорости движения воздушных потоков. Вследствие этого отчетливо наблюдается формирование рециркуляционных воздушных зон в общем контуре карьерного пространства [3].
В работе С.А. Козырева и П.В. Амосова выполнено математическое моделирование процесса выноса вредных примесей при проветривании глубоких карьеров с помощью подземных горных выработок. Для моделирования использована программная среда COMSOL [13]. На основании расчетов установлено, что нагнетание атмосферного воздуха через вертикальные восстающие и штольни в донную часть карьера приводит к разрушению рециркуляционных зон и увеличению объема восходящих потоков из карьера. Это дает возможность интенсифицировать процесс выноса загрязняющих и вредных примесей из донной части карьера, но не влияет на аэродинамический режим прибортовой части карьера, где движение воздушных потоков по-прежнему осуществляется с малыми скоростями, что будет препятствовать снижению концентраций загрязняющих веществ до нормативных значений.
Таким образом, вышеприведенный анализ свидетельствует о том, что на формирование атмосферы в золоторудных карьерах оказывает вли-
яние совместное действие орографических, метеорологических и технологических факторов. Если на первых стадиях разработки золоторудных месторождений проветривание карьеров может быть осуществлено за счет естественных воздушных потоков, образуемых при воздействии ветрового напора, то при углублении горных работ начинается развитие зон рециркуляционного движения, в которых накапливаются загрязняющие вещества, что снижает эффективность естественной вентиляции [14].
Для обоснования возможности и установления границ применения естественной вентиляции золоторудных карьеров в зависимости от глубины горных работ наиболее эффективными следует считать программные комплексы Flow Vision и Ansys Fluent [11, 12].
1. Постановка задачи исследования
Целью исследования является установление влияние естественной вентиляции на характер формирования полей скоростей воздушных потоков в карьерном пространстве при разработке золоторудного месторождения в условиях Крайнего Севера. В отличие от известных исследований, задачей работы является оценка формирования аэродинамических условий, характеризующих эффективность естественной вентиляции, на различных этапах разработки месторождения с учётом повышения глубины горных работ. Для решения задачи предлагается использовать математическое моделирование на основе программного комплекса Ansys Fluent. Это даст возможность на этапе проектирования выявить условия развития рециркуляционных или застойных воздушных зон при повышении глубины горных работ, что позволит осуществить своевременную разработку корректирующих мероприятий.
Для описания конфигурации карьера использована трёхмерная мелкоблочная модель золоторудной залежи с определёнными геометрическими параметрами и углами залегания. На основании методических положений, предложенных Н.З. Битколовым и И.И. Медведевым [7], представляется возможным каждый последовательный этап отработки месторождения, характеризующийся типом проветривания и определенной схемой движения воздушных потоков, классифицировать по величине отношения глубины карьера к его плановым размерам (величина по длинной оси) [16]. Использование предлагаемого подхода позволило дифференцировать разработку рассматриваемого месторождения на 3 этапа, характеризующихся соответствующими геометрическими параметрами:
1) при условии H / Ln < 0,1 - глубина карьера составляет 100 м, длина по простиранию - 1000 м, вкрест простирания - 500 м, длина по простиранию на дне - 800 м, вкрест простирания на дне - 100 м, углы откоса по лежачему и висячему борту - 55°;
2) при условии 0,1 < H / Ln < 0,2 - глубина карьера составляет 260 м, длина по простиранию - 1300 м, вкрест простирания - 600 м, длина
по простиранию на дне - 600 м, вкрест простирания на дне - 150 м, углы откоса по лежачему и висячему борту - 55°;
3) при условии Н / ЬП > 0,2 - глубина карьера составляет 590 м, длина по простиранию - 1400 м, вкрест простирания - 700 м, длина по простиранию на дне - 300 м, вкрест простирания на дне - 175 м, углы откоса по лежачему и висячему борту - 55°.
2. Методология исследования
Последовательность решения поставленной задачи включает следующие этапы.
Первый этап - построение при помощи программного комплекса БраееСЫт [16] трех геометрических моделей карьерного пространства, соответствующих геометрическим параметрам, определённым для каждого этапа отработки месторождения. Построение аэродинамической модели карьера осуществлялось в упрощённой геометрии с соблюдением основных глобальных параметров объекта и его характеристик вблизи подошвы. На рис. 1 представлена геометрическая модель карьера для первоначального этапа развития горных работ.
Рис. 1. Геометрия моделируемой области (этап 1 развития карьерного пространства)
Этап 2 - построение расчётной сетки геометрической модели. Сеточный объект представляет собой сетку конечных объемов, построенную на поверхности модели. При построении используется метод Си1Се11, позволяющий генерировать сетку на основе правильных гексаэлементов. При это сетка создается с доминированием четырехугольных элементов на поверхности и гексаэдров в объёме (рис. 2).
Этап 3 - определение граничных условий для моделируемых аэрогазодинамических процессов с заданием основных метеорологических параметров (температура, давление, плотность, скорость и направление воздуха), характерных для зимнего периода времени [15].
Рис. 2. Сгенерированная расчётная сетка геометрической модели
Этап 4 - выполнение в программном комплексе Ansys Fluent математического моделирования полей скорости воздушного потока для каждой стадии разработки месторождения c выделением зон рециркуляции, в которых могут накапливаться загрязняющие вещества.
В процессе выполнения численного моделирования трехмерной задачи используется метод, основанный на контрольных объемах, при котором осуществляется решение интегральных уравнений, представляющих собой законы сохранения массы, моментов, энергии. Таким образом, решение состоит из следующих шагов:
1) разбиение расчётной области на элементарные контрольные объемы;
2) интегрирование уравнений, описывающих поведение среды, по элементарным контрольным объёмам с целью построения алгебраических уравнений для дискретных зависимых переменных (скорости, давления, температуры и других скаляров);
3) линеаризация дискретных уравнений и решение системы линейных алгебраических уравнений для получения новых значений зависимых переменных.
Для расчёта стационарного поля скорости использовалась стандартная (k-s) модель турбулентности, которая предназначена для начальных и параметрических исследований. Корректность расчёта определялась графиком визуализации изменения невязок (рис. 2). Решение считается установившимся, если уравнение, определяющее скоростную характеристику, уменьшается минимум на 2 порядка [13].
Этап 5 - оценка закономерностей формирования полей скоростей воздушного потока в карьерном пространстве на различных этапах разработки золоторудного месторождения.
'"И Scaled Residuals И~\
1e+OD -1 е-01 1 е-02 1 е-03 1 е-04
О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Iterations
Рис. 2. График изменения невязок решения
3. Результаты математического моделирования и их анализ
При моделировании естественной вентиляции направление движения воздушного потока было задано вдоль простирания рудной залежи: по оси У со средней скоростью 5 м/с, плотностью 1,2 кг/м , давлением 0,1 МПа и температурой 248 К.
На основании полученных результатов (рис. 3) установлено, что для начального этапа разработки месторождения в карьере имеет место прямоточная схема движения воздушных потоков. Представленная на этом рисунке цветовая кодировка характеризует скоростной режим воздушных масс, протекающих в пределах границ карьерного пространства. С увеличением глубины разработки величина скорости воздушного потока стремится к нулевому значению у поверхности горизонта, находящегося на глубине 100 м. Тем не менее, в рассматриваемых условиях будет обеспечиваться полноценный вынос за границы карьера всего объема загрязняющих веществ, образующихся в процессе разработки месторождения. Это подтверждается данными расчетов, представленными рис. 3, которые свидетельствуют о незначительном отличии в траекториях движения воздушных масс при пересечении открытых площадок и карьерного пространства.
Рис. 3. Иллюстрация распределения скоростного поля в пространстве для этапа 1 разработки месторождения
При углублении горных работ до 260 м (этап 2) данные вычислений свидетельствуют о возникновении рециркуляционно-прямоточной схемы движения воздушных потоков (рис.4). Несмотря на образование рециркуляционной области со стороны подветренного борта карьера, составляющей около 30 % от общего отработанного пространства, условия проветривания рабочей зоны изменяются несущественно, так как движение воздушных масс в большей части карьера осуществляется по прямоточной схеме.
Вместе с тем, очевидно, что эффективность естественного воздухообмена снижается, а вынос загрязняющих веществ (примесей) за пределы карьерного пространства затрудняется.
Рис. 4. Иллюстрация распределение скоростного поля в пространстве
для этапа 2 разработки
Анализ результатов математического моделирования показал, что для завершающего этапа 3 разработки месторождения характерна рециркуляционная схема движения воздушных потоков (рис. 5). При этом развитие обширных зон рециркуляции воздуха прослеживается по всему объему выработанного пространства. Основной объем таких зон формируется со стороны подветренного борта карьера и составляет почти 70 % от общего отработанного пространства.
В рассмотренных условиях эффективность проветривания нижней части карьера потоками воздуха, формирующимися за счет естественных ветровых потоков, снижается, что не обеспечивает полноценный вынос за границы карьерного пространства всего объема загрязненного воздуха.
Таким образом, при повышении глубины горных работ более чем на 260 м для нормализации параметров карьерного воздуха необходимо использование дополнительных инженерно-технических мероприятий.
Рис. 5. Иллюстрация распределения скоростного поля в пространстве (этап 3)
Выводы
В результате выполненных исследований было установлено:
1. На формирование атмосферы золоторудных карьеров оказывают влияние совместные действия орографических, метеорологических и технологических факторов. Если на первых стадиях разработки золоторудных месторождений проветривание карьеров может быть осуществлено за счет естественных воздушных потоков, образуемых за счет ветрового напора, то при углублении горных работ начинается развитие зон рециркуляционного движения, в которых накапливаются загрязняющие вещества, что снижает эффективность естественной вентиляции.
2. Для обоснования возможности и установления границ применения естественной вентиляции золоторудных карьеров в зависимости от глубины горных работ наиболее эффективным следует считать математическое моделирование на основе программных комплексов Flow Vision и Ansys Fluent.
3. Для этапов 1 и 2 разработки месторождения движение воздушных масс в большей части карьера будет осуществляться по прямоточной схеме, что обеспечивает вынос загрязняющих веществ за пределы карьерного пространства на основе естественной вентиляции.
4. При повышении глубины горных работ более чем на 260 м, что характеризует этап 3 разработки месторождения, для нормализации параметров карьерного воздуха необходимо использование дополнительных инженерно-технических мероприятий
Список литературы
1. Вассерман А.Д., Козырев С.А. Научные основы создания и поддержания безопасного состояния воздушной среды при отработке место-
рождения полезных ископаемых // Формирование основ современной стратегии природопользования в Евро-Арктическом регионе. Апатиты, ЕНЦ РАН, 2005. С. 144-149.
2. Фомин С.И. Обоснование технологических решений при организации отработки рудных карьеров // Записки горного института, 2016. Т. 221. С. 644-650. DOI 10.18454/PMI.2016.5.644.
3. Гридина Е.Б., Петров И.А. Опыт математического моделирования процесса проветривания Оленегорского карьера в программном комплексе Flow Vision // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. Спец. вып. 5-1. Промышленная безопасность предприятий минерально-сырьевого комплекса в XXI веке-1. С. 32-42.
4. Козырев С.А., Амосов П.В. Моделирование выноса вредных примесей при проветривании глубоких карьеров с помощью вентиляционных горных выработок // Глубокие карьеры. Горный информационно-аналитический бюллетень. Спец. вып. № 56. С 136-141.
5. Черкаи З.Н., Гридина Е.Б. Технологические проблемы и основные положения методики инженерно-геокриологических исследовании при строительстве и эксплуатации скважин в многолетнемерзлых породах // Записки Горного института. 2017. Т.223. С.82-85.
6. Битколов Н.З., Медведев И.И. Аэрология карьеров // Недра. 1992. 3 с.
7. Оноприенко В.И. Геологи на Крайнем Севере // Недра. 1990.
56 с.
8. Козырев С. А., Амосов П. В. Пути нормализации атмосферы глубоких карьеров // Вестник МГТУ. 2014. Т. 17. № 2. С. 231-237.
9. Бакланов А. А. Численное моделирование в рудничной аэрологии. Апатиты: КФАН СССР, 1987. 200 с.
10. Шахрай С.Г., Курчин Г.С., Сорокин А.Г. Новые технические решения по проветриванию глубоких карьеров // Записки Горного института. 2019. Т. 240. С. 654-659.
11. Король Ю.М. Flow Vision в учебном процессе и научных исследованиях, 2012. C. 5-7.
12. Deryl O., Snyder A. FLUENT. Tutorial // Документация к программному обеспечению. FLUENT. 2011. C 37-45.
13. Козырев С. А. , Амосов П. В. Моделирование распределения воздушных потоков в глубоких карьерах // Горный журнал. 2014. № 5. С. 7-11.
14. Дядькин Ю.Д. Основы горной теплофизики для шахт и рудников Севера. М.: Недра, 1968. 233 с.
15. Козырев С.А., Амосов П.В. Моделирование аэродинамических процессов в глубоких карьерах // Сб. науч. тр. Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием. Глубокие карьеры: Апатиты. СПб. 2012. С. 470-474.
Гендлер Семён Григорьевич, д-р техн. наук, проф., sgendler@mail.ru, Россия, Санкт- Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Борисовский Иван Анатольевич, асп., vkvk_1995@mail.ru, Россия, Санкт- Петербург, Санкт-Петербургский горный университет
ESTIMATION OF THE EFFICIENCY OF NATURAL VENTILATION OF PITS DURING MINING THE GOLD DEPOSIT BASED ON MATHEMATICAL MODELING OF AERODYNAMIC PROCESSES
S.G. Gendler., I.A. Borisovsky
Object of an article is to study aerodynamic processes during natural ventilation of gold-ore open pits at various stages of field development. It has been established that the formation of the atmosphere of gold-ore open pits is influenced by the combined action of oro-graphic, meteorological and technological factors. It is noted that the research task is aimed at assessing the effectiveness of natural ventilation at various stages offield development, taking into account the increase in the depth of mining operations. It is shown that, if at the first stages of the miningt of gold deposits, the ventilation of open pits can be carried out due to natural air flows. With an increase in the depth of mining to 260 m or more, additional engineering and technical measures are required to normalize the parameters of the open pit air.
Key words: gold mining, the Far North, open pits, mathematical simulation, natural ventilation, aerodynamic processes, recirculation zones.
Gendler Semem Grigorevich, doctor of technical sciences, professor department of industrial safety, sgendler@mail.ru, Russia, Saint- Petersburg, Mining University,
Borisovsky Ivan Anatolevich, postgraduate of industrial safety department, vkvk_1995@mail. ru, Russia, Saint- Petersburg, Mining University
Reference
1. Wasserman A.D., Kozyrev S. A. Scientific basis for creating and maintaining a safe state of the air environment when working out mineral deposits // In the book. Formation of the foundations of a modern strategy for environmental management in the Euro-Arctic region. Apatity, ENTS RAS, 2005, pp. 144-149.
2. Fomin S. I. Justification of technological solutions for the organization of mining of ore quarries // Notes of the mining Institute, 2016. Vol. 221. Pp. 644-650. DOI 10.18454/PMI.2016.5.644.
3. Gridina E. B., Petrov I. A. Experience of mathematical modeling of the Olene-gorsk quarry airing process in the Flow Vision software package. Gorny information and analytical Bulletin. 2017. Special issue 5-1. Industrial safety of enterprises of the mineral and raw materials complex in the XXI century-1. P. 32-42.
4. Kozyrev S. A., Amosov P. V. Modeling of removal of harmful impurities during ventilation of deep quarries using ventilation mine workings // Deep quarries. Mining information and analytical Bulletin. Special Issue No. 56, Pp. 136-141.
5. Cherkay Z. N., Gridina E. B. technological problems and basic provisions of the methodology of engineering and geocryological research in the construction and operation of wells in permafrost // Notes of the Mining Institute, 2017, Vol. 223, Pp. 82-85.
6. Bitkolov N. Z., Medvedev I. I. aerology of quarries // Nedra, 1992. 3 p.
7. Onoprienko V. I. Geologists in the Far North // Nedra, 1990. 56c.
8. Kozyrev S. A., Amosov P. V. ways to normalize the atmosphere of deep quarries // Vestnik MGTU, 2014, Vol. 17, No. 2, pp. 231-237.
9. Baklanov A. A. Numerical modeling in mining aerology. Apatity: KFAN USSR, 1987. 200 p.
10. Shakhray S. G., Kurchin G. S., Sorokin A. G. New technical solutions for airing deep quarries // Notes of the Mining Institute. 2019. Vol. 240. Pp. 654-659.
11. Korol Yu. M. Flow Vision in the educational process and scientific research, 2012. pp. 5-7.
12. Deryl O., Snyder A. FLUENT. Tutorial // Software documentation. FLUENT. 2011. C 37-45.
13. Kozyrev S. A., Amosov P. V. Modeling of air flow distribution in deep quarries. Gorny Zhurnal. 2014. No. 5. S. 7-11.
14. Dyadkin Yu. D. Fundamentals of mining Thermophysics for mines and mines in the North. Moscow: Nedra, 1968. 233 p.
15. Kozyrev S. A., Amosov P. V. Modeling of aerodynamic processes in deep quarries // SB. nauch. Tr. vseross. nauch. - tehn. konf. From Intern. participation. Deep careers: Apatity. Saint Petersburg, 2012, Pp. 470-474.
УДК 624.19.034.5
ГЕОМЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОБДЕЛОК ПОДВОДНЫХ ТОННЕЛЕЙ ПО ОБЛАСТЯМ ПРИМЕНЕНИЯ
А.С. Саммаль, И.Ю. Воронина, Н.В. Шелепов
Предложен подход к оценке несущей способности монолитных обделок некруговых подводных тоннелей, базирующийся на соответствующем аналитическом методе расчета, в основу которого положено решение плоской контактной задачи теории упругости для кольца произвольной формы, подкрепляющего отверстие в весомой полубесконечной среде, нагруженной равномерной нагрузкой, интенсивность которой определяется глубиной водоема. Приводится конкретный пример расчета, иллюстрирующий возможности предлагаемого подхода при построении границ областей применения рассмотренной конструкции, то есть определения предельных глубин заложения тоннеля, при которых обделка различной толщины обладает необходимым запасом несущей способности в различных горно-геологических условиях.
Ключевые слова: подводный тоннель, обделка, массив пород, область применения, метод расчета, несущая способность.
Современный уровень развития технологий подземного строительства создает новые условия для реализации крупных инфраструктурных транспортных проектов, связанных с пересечением протяженных водных преград с применением в качестве альтернативы мостам и паромным переправам подводных тоннелей, в том числе сооружаемых горным способом. В мировой практике среди крупнейших проектов, работы над которыми
