CC BY
20
УДК 622.4 DOI 10.46689/2218-5194-2021-4-1-59-75
ОЦЕНКА ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ИНВЕРСИЙ ПРИ ОТКРЫТОЙ ДОБЫЧЕ
ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ В УСЛОВИЯХ АРКТИКИ
С.Г. Гендлер, И.А. Борисовский
Представлены результаты исследований по изучению влияния температурных инверсий на эффективность проветривания карьерного пространства. Установлено, что отрицательная разность температур приводит к выхолаживанию приземных слоев воздуха, — это может вызвать скопление охлажденных воздушных масс в нижней части карьера и снижение интенсивности воздухообмена. Показано, что оценка особенностей формирования параметров рудничной атмосферы и обоснование границ использования естественной вентиляции золоторудных карьеров с учетом установившегося температурного градиента может быть осуществлена с помощью математического моделирования на основе программного комплекса Ansys Fluent.
Ключевые слова: математическое моделирование, золотодобывающее предприятие, естественная вентиляция, зоны рециркуляции, температурная инверсия, температурный градиент, Арктическая зона, Крайний север, открытая разработка, многолетнемерзлые породы.
Арктическая зона России является территорией, где сосредоточены такие полезные ископаемые, как золото, серебро и другие драгоценные металлы. В подавляющем большинстве случаев разработка месторождений этих полезных ископаемых осуществляется с помощью открытого способа добычи. При очевидных преимуществах этого способа, условиями, затрудняющими его использование, следует считать глубину распространения вечномерзлых пород и значительную амплитуду изменения температуры атмосферного воздуха в течение года, месяца и суток (рис. 1). Периодические изменения температуры атмосферного воздуха вследствие возникновения температурных инверсий приводят к изменяющемуся во времени зональному распределению температур по глубине карьера, что влияет на формирование температурных полей в горных породах, находящихся в бортах карьера. Достаточно длительный период воздействия положительных температур воздуха приводит к оттаиванию пород, что обуславливает снижение их устойчивости и безопасности ведения горных работ.
Следствием чередования по глубине и площади карьерного пространства температурных зон с положительными и отрицательными температурными градиентами, может являться образование зон рециркуляции, в которых накапливаются вредные вещества (пыль, выхлопные газы), образующиеся в результате осуществления различных технологических процессов (транспортировка, взрывание и т. п.), что, в свою очередь, приводит к увеличению времени простоя технологического оборудования, наруше-
нию технологического цикла производства и увеличению себестоимости добычи полезных ископаемых.
30,00 20,00 10,00
и
0,00
р,
я
-10,00 й
а
а>
-20,00 I
' и Н-
-30,00 -40,00 -50,00
Рис. 1. Температура, характеризующая район расположения карьера (среднее значение температуры - пунктирная линия).
Источник: составлено авторами
Решение проблемы повышения эффективности добычных работ, следует искать на пути разработки способов управления аэротермодинамическими процессами, исключающих ситуации, связанных с нарушениями технологического цикла. Для этого, в первую очередь, следует выявить связь стратификации карьерной атмосферы, характеризующуюся отрицательными и положительными температурными градиентами, на эффективность естественной вентиляции. После чего выполнить зонирование карьерного пространства по видам образующихся температурных инверсий.
Инженерная методика оценки аэрологических условий при открытой разработке месторождения изложена в рабоках Никитина В.С, Битко-лова Н.З., Медведева И.И. [1]. В этих работах сформулированы ключевые факторы, оказывающие влияние на формирования скоростных и температурных полей при различных схемах движения воздушных потоков: прямоточной, рециркуляционной и их комбинаций. Эти исследования позволили установить характерные особенности развития температурных инверсий различного типа, отличающихся величиной градиента [2] и сделать вывод о необходимости использования инженерно-технических мероприятий для исключения температурных неоднородностей в карьерном пространстве и повышения аэрологической безопасности.
Один из методов борьбы с температурными инверсиями рассмотрен в работе Драгунского О.Н. [3]. Из результата этой работы, основанной на физическом моделировании, следует, что эффективность естественной вентиляции в борьбе с температурными инверсиями ограничивается глубиной месторождения, при превышении некоторого значения которой применение методов искусственной интенсификации естественной вентиляции уже нецелесообразно [4].
А А А
ж
А А 51 •Л А
£ Л * А V А* \
^ А ч »
í *
При определенных преимуществах физического моделирования оно не дает возможности учесть совокупное влияния на формирование воздушной среды таких факторов, как скорость движения воздушных потоков и температурные характеристики окружающей среды. В этой связи более современным и рациональным способом анализа особенностей формирования воздушной среды в карьере следует считать математическое моделирование.
Одним из первых в нашей стране математическое моделирование для анализа аэротермодинамических процессов в карьерном пространстве использовал Бакланов А.А. [5]. На основе конечно-разностного метода с использованием различных моделей турбулентности им были рассчитаны поля скоростей воздушных потоков и поля концентраций вредных веществ [6, 7].
К примерам применения современного программного обеспечения для выявления особенностей формирования воздушных потоков в карьере следует отнести работы Петрова И.А. и Гридиной Е.Б., где на основе программного пакета Б1о,№У1вюп, выполнены расчеты проветривания действующего месторождения Оленегорского карьера (АО «Олкон») [8]. В результате этих расчетов установлено, что скорость воздушного потока с увеличением глубины добычных работ значительно снижается, что приводит к образованию зон обратного движения воздушных потоков.
Таким образом, выполненный анализ свидетельствует о том, что при анализе аэрологических условий формирования параметров воздушной среды в карьерах Арктической зоны следует учитывать скорость воздушных масс на поверхности, их направление относительно расположения бортов карьера, температуры наружного воздуха и ее амплитуду в течение рассматриваемого периода времени (год, месяц, сутки) [9].
1. Постановка задачи исследования
Основной целью данной работы является изучение формирования скоростных и температурных полей в карьерном пространстве при естественной вентиляции с учётом сложной динамики температуры атмосферного воздуха. Отличительной особенностью данной работы от исследований, рассмотренных выше, является определение условий образования температурных инверсий и вычисления размеров зон рециркуляции, потенциально опасных для накопления загрязняющих веществ [10]. Данная проблема актуальна для каждого этапа развития месторождения, но особенно важна в случае снижения эффективности естественной вентиляции при увеличении глубины карьера. В этой связи, в качестве объекта исследования выбран период работы карьера, соответствующий заключительному этапу разработки месторождения с глубиной 650 метров (рис. 2 а).
2. Методология исследования
Последовательность решения поставленной задачи включает следующие этапы:
Первый этап - на основе программного пакета SpaceQaim создаётся геометрическая модель карьера (рис. 2, а, б) в которой учтены технологические параметры, определяющие направления ведения добычных работ и особенности расположения автодорог для транспортировки горнорудной массы [11].
а б
Рис. 2. Вертикальный разрез (а) и план (б) карьерного пространства, соответствующие завершающему этапу разработки месторождения.
Источник: составлено авторами
Второй этап - создание сеточной модели при помощи метода СиЮеП, с помощью которого весь объем карьерного пространства разделяется на элементы с последующим формированием гибридной сетки, используемой в качестве основы для осуществления вычислений [12]. Элементы, расположенные в основном объеме, представляют собой гексаэдры, а у краевой зоны формируются элементы, представляющие собой тетраэдры. Таким образом, созданная сетка формирует расчетную область. Общий объем элементарных объектов составил 822 456 элементов.
Третий этап - определение начальных условий (скорость, плотность, температура, давление и направление) для задания процесса движения на границах сеточной модели, а также для установки границ аэрологической задачи. Задание контрольных зон, которые определяют объем поступающего и исходящего воздушного потока из сеточной модели. [13].
Четвёртый этап - решение аэродинамической задачи при помощи интегрированного в программный пакет метода конечных объемов с последующим мониторингом результата решения на основании изменения невязок. Решение считается достигнутым, в случае если значения невязок, соответствующих каждому из начально заданных параметров, изменяется на порядок [14]. Задача рассматривается в квазистационарной постановке, при которой на каждый период рассчитывается скорость воздушного потока и устанавливается температурная стратификация по объему карьерного пространства. Результирующая распределения скоростей и температур воздуха рассчитывается как результат турбулентного обмена импульсом и
энергией наружного воздуха, движущегося по направлению простирания рудной залежи (вдоль оси У) со скоростью 5 м/с, давлением 0,1 МПа и температурой, соответствующей Т (Температура 1), и карьерного воздуха, который в начальный период считается неподвижным с постоянной по объему карьерного пространства температурой Т2 (Температура 2). При этом предполагается отсутствие воздействия солнечной радиации, приводящей к неравномерному прогреву карьерного пространства и формированию температурных неоднородностей [15]. Полученные значения скоростного и температурного поля для каждого периода времени следует рассматривать как асимптотическое распределение при достаточно длительном времени, то есть когда процесс переходит в стационарную стадию. Каждый набор значений температур Т1 и Т2 соответствует определенному периоду года, месяца, суток. При выполнении вариантных расчетов предполагается, что за счет изменения разности ДТ= Т1 - Т 2 можно описать результат взаимодействия между атмосферным и карьерным воздухом в широком диапазоне температур [16].
3. Исходные данные
Принятые для вычислений значения температур Т1 и Т2 приведены в табл. 1. При этом температура Т 2 соответствует среднестатистическому годовому значению, а Т1 - декомпозированному максимальному (303,15 К) и минимальному (228,64 К) годовому значению по отношению к температуре Т2 с интервалом в ±10 К.
Плотность воздуха рассчитывается в соответствии со значениями температур наружного и карьерного воздуха.
Таблица 1
Начальные температурные условия_
п/п Температура 1, (Кельвин) Температура 2, (Кельвин) Температурный градиент на каждые 100 м глубины, (К/м*100)
1 303,15 262,33 -0,05
2 293,15 262,33 -0,04
3 283,15 262,33 -0,03
4 273,15 262,33 -0,01
5 262,33 262,33 0,00
6 253,15 262,33 0,01
7 243,15 262,33 0,02
8 233,15 262,33 0,03
9 228,64 262,33 0,04
Источник: составлено авторами.
4. Результаты математического моделирования
Анализ результатов моделирования показал, что образование явления в виде температурной инверсии с различной степенью развития характерно для каждого из рассматриваемых условий. Таким образом, в карьере
установлено несколько типов инверсий: с положительным (рис. 4), нулевым (рис. 5) и отрицательным (рис. 7) температурным градиентами [17].
Условием, при котором формируется инверсия с положительным температурным градиентом, является процесс взаимодействия двух исследуемых сред, при котором воздушная среда в карьерном пространстве имеет более высокую температуру по сравнению с потоком воздуха движущегося за границами карьера (рис. 3) [18].
тоштетрегаше сткппу
■ 2.63е+02 2.59 е+02
Рис. 3. Температурное поле при формировании инверсии с положительным температурным градиентом. Результат соответствует условию 9 из табл. 1.
Источник: составлено авторами.
В результате взаимодействия этих сред в большей части карьерного пространства образуется однородное температурное поле со средним значением температуры, соответствующим 235 К (-38 0С). Отличную от этого значения температуру имеют области, прилегающие к наветренному борту карьера и к его донной части. Для этих зон характерны области, в которых температура воздуха изменяется для донной и подветренной областей от 229 К (-44 0С) до 263 К (-10 0С) и от 235 К (-38 0С) до 253 К (-20 0С) соответственно.
Для оценки возможности развития рециркуляцонного движения были выполнены расчёты полей скоростей, из которых следует, что если в выработанном пространстве карьера преобладают воздушные массы, имеющие скорости 1,5 м/с, то у наветренного борта карьера скорость варьируется от 0,5 м/с до 1,5 м/с (рис. 4) [19].
Рис. 4. Скоростное поле при формировании инверсии с положительным температурным градиентом. Результат соответствует условию 9 из табл. 1. Источник: составлено авторами
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют об отсутствии значительных изменений направлений перемещения воздушных масс в карьере, что минимизирует объем зон рециркуляцонного движения, тем самым способствуя полноценному выносу за границы карьера всего объема загрязняющих веществ, образующихся в процессе разработки месторождения [20].
Промежуточным случаем между инверсией с положительным и отрицательным градиентом являются инверсии с нулевым температурным градиентом (рис. 5).
™ 0.00
[т з*-1]
Рис. 5. Скоростное поле при формировании инверсии с нулевым температурным градиентом. Результат соответствует условию 5 из табл. 1. Источник: составлено авторами
Основным фактором, определяющим поле скоростей в карьерном пространстве при этих условиях, является геометрия карьера, под влиянием которой значительный объем воздушных масс приобретает скорость, равную 2,5 м/с, что, на первый взгляд, должно привести к удалению образующихся вредных примесей за границы карьера. Однако структурная особенность воздушного потока, движение которого осуществляется узким фронтом при минимальном контакте с поверхностью уступов, может приводить к образованию рециркуляцонного движения воздушных масс в зонах с минимальными скоростями движения [21]. Данные зоны сосредоточены у подветренного борта карьера и у его донной части, где скорость воздуха варьируется от 0,1 м/с до 1,8 м/с. Кроме того, как следует из расчётов, минимальные скорости характерны для центральной части карьера, где формируются типичные для рассматриваемой схемы движения завихрения воздушных масс.
Из выполненного анализа результатов математического моделирования следует, что на границах ядра воздушного потока скорость воздуха значительно снижается относительно его центральной части, что приводит к формированию областей с направленным движением воздуха, но невысокими значениями скоростей. Наиболее ярко данная область представле-
на в верхней части карьера, где скорость варьируется в пределах 0,5 м/с -1,5 м/с. Несмотря на то, что в данной области карьера отсутствует рециркуляционное движение воздушных масс, объем образующихся зон обратного движения воздуха возрастает до 10 % от общего объема выработанного, что снижает эффективность естественной вентиляции и может препятствовать удалению загрязняющих веществ из карьерного пространства [22].
Условием, при котором формируется температурная инверсия с отрицательным температурным градиентом, является процесс взаимодействия теплого воздушного потока, поступающего извне, со сформировавшейся внутри карьера холодной воздушной средой (рис. 6) [23]. ц|>
Toöl Tempe ran re (In teure)
■ 3.04e+02
3.00e+02
- 2.9бе+02
■ 2.92е+02
- 2.07е+О2
- 2.03е+О2
■ 2.79е+02
- 2.75е+02
1- 2.70е+02
■2ббе+02
2.62е+02
[к]
Рис. 6. Температурное поле при формировании инверсии с отрицательным температурным градиентом. Результат соответствует условию 1 из табл. 1. Источник: составлено авторами
Из температурного поля следует, что распределение температур схоже с распределением, полученным при условии положительного температурного градиента. В основном объёме воздуха устанавливается однородное температурное поле с температурой, равной 304 К (+31 0С). Вместе с тем, у наветренного борта карьера и у его донной части наблюдается отличная от общего объема температура равная 275 К (+2 0С). Что же касается подветренного борта карьера, то в нем температура варьируется от 262 К до 304 К (от -10,8 0С до +31 0С). Данное условие говорит о потенциальной возможности образования зон рециркуляцонного движения воздушных потоков. Для подтверждения этого вывода было рассмотрено скоростное поле (рис. 7) [24].
Из скоростного поля в карьере установлено, что среднестатистической показатель скорости в карьере составляет 2,75 м/с. Схема движения потока в отличие от условий с нулевым градиентом изменилась: увеличилась площадь контакта со стороны наветренного борта карьера. Данное условие позволяет снизить вероятность образования застойных зон в этой области.
А^УБ
2019 ИЗ
Рис. 7. Скоростное поле при формировании инверсии с отрицательным температурным градиентом. Результат соответствует условию 1 из таблицы 1. Источник: составлено авторами
Что же касается подветренного борта карьера и его донной части, то скорость варьируется от 0,1 м/с до 1,5 м/с, что говорит об образовании рециркуляционных зон, величина которых возрастает до 30 % от общего объема выработанного пространства. Результатом этого является снижение интенсивности воздухообмена и, соответственно, эффективности естественной вентиляции [25].
Анализ данных математического моделирования показывает, что для каждого из рассмотренных случаев, в большей или меньшей степени, характерно образование зон потенциально опасных для накопления загрязняющих веществ. На основании обобщения результатов моделирования получена зависимость (рис. 8), характеризующая объем зон рецирку-ляцонного движения воздуха в зависимости от температурного градиента [26, 27].
с и
■ё О
35 30 25 20 15 ..10 5
О
-0,055 -0,0 3 5 -0,0 1 5 0,005 0,025 0,045
Температурный градиент, °С/м*100
Рис. 8. Зависимость объема зон рециркуляции от температурного
градиента в воздухе карьера. Источник: составлено авторами
Из представленного на рис. 8 графика следует, что с увеличением отрицательного значения температурного градиента возрастает объем об-
разующихся застойных зон, и, как следствие, снижается эффективность естественной вентиляции в карьере. Обратная ситуация наблюдается с увеличением значения положительного температурного градиента, при котором объем застойных зон снижается, и, как следствие, повышается эффективность естественной вентиляции [28, 29].
Для повышения аэрологической безопасности разработки месторождений открытым способом необходимо определить границы применения естественной вентиляции с учётом динамики температурных полей в карьерном воздухе и, при необходимости, разработать дополнительные инженерно-технические мероприятия по повышению её эффективности. [30, 31].
В качестве примера, для определения границ эффективного применения естественной вентиляции, были приняты условия, соответствующие пункту 1 из табл. 1. Для построения графика изменения температурного градиента с глубиной выбирались сечения, отстоящие от границы начала формирования карьерного пространства на расстояниях 150, 200, 250, 300 и 350 метров. Сечения были ориентированы в вертикальной плоскости, что позволило максимально охватить исследуемую область. Количество выбранных сечений определялось по объёму образованной застойной зоны с подветренной части карьера. Для каждого выбранного сечения авторами были построены графические зависимости, характеризующие изменения температурного градиента по глубине карьера (рис. 9) [32, 33].
0.10 0.05 0.00 0.05 Градиент. "С/м
0.1 0.0 0.1 Градиент. "С/м
0.2 0.1 0.0 0.1 Градиент. "О'м
Градиент. "С/м
Градиент. "С/м
0.30 0.15 0.00 0.'
Градиент. "О'м
Рис. 9. Профиль температурного градиента в зависимости от глубины карьера и расстояния (Ь) от начала формирования карьерного пространства: а - Ь=150 м; б - Ь=200 м; в - Ь=250 м; г - Ь=300 м; д - Ь= 350 м; е - результирующая кривая (Ь=150...350 м);
б
а
в
д
е
Из полученных результатов следует, что диапазон изменения температурного градиента варьируется в интервале от 0 0С/м до -0,33 0С/м, при этом средняя величина изменения температурного градиента на каждые 100 метров глубины разработки составляет -0,05 0С. Характер изменения температуры воздуха в зависимости от глубины подтверждает наличие инверсии, которая носит не типичный характер, так как не соответствует ни одному из известных видов, отражённых в работах Битколова Н.З. и Медведева И.И. [1, 34].
При достижении глубины в 200 метров от уровня земной поверхности величина температурного градиента начинает принимать отрицательные значение, что говорит о снижении эффективности естественной вентиляции всего карьерного пространства. В связи с чем ниже высотной отметки в 200 метров вынос вредных примесей за границы карьерного поля затрудняется, что может негативно сказаться на производственном цикле ведения добычных работ на месторождении [35]. Для предупреждения негативных последствий в процессе разработки месторождения необходима выработка дополнительных мероприятий для интенсификации естественного воздухообмена на глубинах от 200 до 650 метров.
Выводы
В результате выполненных исследований было установлено, что:
1. Область применения естественной вентиляции карьеров, расположенных в Арктической зоне России, следует определять с учётом стохастических законов изменения термодинамических параметров атмосферного воздуха, определяющих величину температурного градиента в воздушном пространстве.
2. Следствием более частой отрицательной разности температур является большое выхолаживание приземных слоев воздуха, так как поток теплоты чаще направлен от воздуха к почве. Конечным результатом такого процесса может быть скопление охлажденных масс воздуха в нижней части карьера с соответствующим снижением интенсивности воздухообмена. Условие снижения скорости ветра на поверхности при одновременном наличии инверсий приводит к нарушению воздухообмена и накоплению примесей в атмосфере карьера.
3. Для обоснования возможности и установления границ применения естественной вентиляции золоторудных карьеров в зависимости от установившегося температурного градиента атмосферы внутрикарьерного пространства наиболее эффективным следует считать математическое моделирование на основе программного комплекса Ansys Fluent.
4. Результаты математического моделирования и классификация зон рециркуляционного движения воздушных масс во внутрикарьерном пространстве, с учётом условий формирования температурной стратификации, позволят вести процесс выемки полезного ископаемого с точки зре-
ния перспективы, направленной на предупреждение проблем, связанных с аэродинамическими условиями на разрабатываемых горизонтах. Такой подход позволит повысить эффективность разработки месторождения на каждом из этапов развития за счет сокращения внеплановых простоев после проведения ряда технологических операций.
5. Наиболее сложными условиями обеспечения аэрологической безопасности являются периоды, характеризующиеся образованием инверсии с отрицательным температурным градиентом, поэтому для нормализации параметров карьерного воздуха необходимо использование дополнительных инженерно-технических мероприятий.
Список литературы
1. Битколов Н.З., Медведев И.И. Аэрология карьеров. М.: Недра, 1992. 310 с.
2. Никитин В.С., Битколов Н.З. Проветривание карьеров. М.: Недра, 1975. 248 с
3. Драгунский О.Н. О разрушении внутрикарьерных инверсий средствами искусственной вентиляции // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019. № 5. С. 13 - 21. Б01. 1025018/0236-14932019-05-0-13-21.
4. Драгунский О.Н. Разрушение внутрикарьерных инверсий естественными ветровыми потоками// Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019. № 2. С. 14 - 19. Б01. 1025018/0236-1493-2019-02-0-14-19.
5. Моделирование атмосферного переноса и выпадения загрязнителей и оценка последствий для Арктики / А.А. Бакланов [и др.] // Отчет о НИР. Апатиты: Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН, 2008. 123 с.
6. Воронцов П.А. Некоторые особенности строения пограничного слоя атмосферы при неравновесных условиях // Труды ГГО. 1974. Вып. 245.С. 155-163.
7. Зорин А.В. Использование метеоинформации для повышения промышленной и экологической безопасности при ведении открытых горных работ // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015. С. 12 - 16.
8. Гридина Е.Б., Петров И.А. Опыт математического моделирования процесса проветривания Оленегорского карьера в программном комплексе Е^^^бюп // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. Спец. вып. 5-1: Промышленная безопасность предприятий минерально-сырьевого комплекса в XXI веке. С. 32 - 42.
9. Шкляев В.А., Шкляева Л.С. Исследование инверсий нижней атмосферы по результатам наблюдений метеорологического температурного
профилемера и радиозондирования // Географический вестник. 2014. С. 62 - 66.
10. Козырев С.А., Амосов П.В. Моделирование аэродинамических процессов в глубоких карьерах // Сб. науч. тр. Глубокие карьеры. Всеросс. науч.-техн. конф. с междунар. участием. Апатиты. СПб., 2012. С. 470 - 474.
11. Амосов П.В., Новожилова Н.В. Исследование влияния температурного градиента на формирование метеополей атмосферы карьера (на базе численного моделирования) // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015. С. 528 - 533.
12. 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.
13. Бакланов А. А. Численное моделирование в рудничной аэрологии. Апатиты: КФАН СССР, 1987. 200 с.
14. 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.
15. Фомин С. И., Базарова Е. И. Анализ чувствительности параметров рудных карьеров на предварительной стадии проектирования // Записки Горного института. Т. 216. С. 76.
16. 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.
17. 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.
18. Козырев С. А., Амосов П. В. Моделирование распределения воздушных потоков в глубоких карьерах // Горный журнал. 2014. № 5. С. 7 - 11.
19. 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. 2013. Вып. 1. С. 23 - 29.
20. Deryl O., Snyder A. Fluent. Tutorial. 2011. Pp. 37 - 45. ГИАБ.
21. Nikulin A. N., Ikonnikov D. A., Dolzhikov I. S. Increasing labour safety on coal mines // International Journal of Emerging Trends in Engineering Research. 2019. № 7. Т 12. С 842 - 848 .
22. Козырев С. А., Амосов П. В. Пути нормализации атмосферы глубоких карьеров // Вестник МГТУ, 2014. Т. 17. № 2. С. 231 - 237
23. Рогалев В. А., Ястребова К. Н. Методические особенности интенсификации естественного проветривания карьеров // Записки Горного института. 2014. Т. 207. С. 131 - 133.
24. Способ снижения загрязненности воздуха рабочих зон угольных шахт вредными выбросами дизелевозов / А.А. Мешков [и др.] // Безопасность труда в промышленности, 2020. № 1. С 68 - 72.
25. Smirniakov V. V., Smirniakova V. V. Formation Peculiarities of Caving Zones as Aerodynamic Active Branches of Mine Ventilation Systems in Pillar Mining of Coal Beds // Journal of Industrial Pollution Control, 2017. № 33. Т 1. С 864 - 872.
26. Magomet R. D., Rodionov V. A., Soloviov V. B. Methodological approach to issue of researching dust- explosion protection of mine workings of coal mines // International Journal of Civil Engineering and Technology (IJCIET), 2019. № 10. Т 2. Р. 1154 - 1161.
27. Mironenkova N. A., Magomet R. D. Hygienic assessment of working conditions on a radiation-hazardous factor in mines // Ecology, Environment and Conservation, 2017. № 23. С 1017 - 1021.
28. Rodionov V. A., Sharavin E. O., Kochetkova E. A. Application of Methods of Mine Aerogasdynamics for Simulation of Propagation of Blast Wave in Joint Junctions of Mine Workings // International Journal of Civil Engineering and Technology (IJCIET), 2019. № 4. V 10. Р. 36 - 43.
29. Assessment of the effectiveness and efficiency of the occupational health and safety management system at a mining enterprise / А. Н. Никулин [и др.] // Bezopasnost' Truda v Promyshlennosti, 2021. V 1. С 66 - 72.
30. Bhowmick T., Bandopadhyay S., Ghosh T. Three-dimensional CFD modeling approach to approximate air pollution conditions in high-latitude open-pit mines // Transactions on The Built Environment. 2015. Vol. 168. Pp. 741 - 753.
31. Flores F., Garreaud R., Muñoz R. Open FOAM applied to the CFD simulation of turbulent buoyant atmospheric flows and pollutant dispersion inside large open pit mines under intense insolation // Computers & Fluids. 2014. Vol. 90. Pр. 72-87.
32. О тепловой подготовке приточного воздуха и применении двух-канальных воздуховодов при трубопроводном проветривании карьеров / А. С. Морин, Ф. И. Борисов, Д. Ф. Борисов, И. В. Корзухин // Горная промышленность. 2016. № 1 (125). С. 40 - 46.
33. Конорев М. М., Нестеренко Г. Ф. Вентиляция и пылегазоподав-ление в атмосфере карьеров. Екатеринбург, 2000. 43 с.
34. Конорев М. М., Макаров В., Нестеренко Г. Ф. К вопросу об исследовании динамических схем искусственного проветривания карьеров вентиляторами на базе турбовинтовых двигателей // Труды ВНИМИ. 1975. № 1. С. 126 - 132.
35. Конорев М. М., Нестеренко Г. Ф. Обоснование выбора схем проветривания и режимов работы систем вентиляции карьеров // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2002. № 4. С. 73- 76.
Гендлер Семён Григорьевич, д-р техн.наук, проф., sgendler@,mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Борисовский Иван Анатольевич, асп., [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет
ESTIMATION OF PECULIARITIES OF TEMPERATURE INVERSION FORMATION IN OPEN MINING IN THE ARCTIC CONDITIONS
S.G. Gendler., I.A. Borisovskiy
The article presents the results of studies on the study of the effect of temperature inversions on the efficiency of ventilation of a quarry space. It was found that a negative temperature difference leads to cooling of the surface air layers, which can cause the accumulation of cooled air masses in the lower part of the open pit and a decrease in the intensity of air exchange. It is shown that the assessment of the peculiarities of the formation of the parameters of the mine atmosphere and the substantiation of the boundaries of the use of natural ventilation of gold-ore quarries, taking into account the steady-state temperature gradient, can be carried out using mathematical modeling based on the Ansys Fluent software package.
Key words: mathematical modeling, gold mining enterprise, natural ventilation, recirculation zones, temperature inversion, temperature gradient, Arctic zone, Far North, open pit mining, permafrost.
Gendler Semem Grigorevich, doctor of technical sciences, professor, sgendler@mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Mining University,
Borisovsky Ivan Anatolevich, postgraduate, vkvk_1995@mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Mining University
Reference
1. Bitkolov N.Z., Medvedev I.I. Aerology of quarries // Nedra, 1992. 310 p.
2. Nikitin V.S., Bitkolov N.Z. Ventilation of quarries // Nedra, 1975. 248 p
3. Dragunsky O.N. On the destruction of intra-barrier inversions by means of artificial ventilation// Mining information and analytical bulletin. 2019. No.5. pp. 13-21. DOI. 1025018/0236-1493-2019-05-0-13-21.
4. Dragunsky O.N. Destruction of intra-barrier inversions by natural wind flows// Mining information and analytical bulletin. 2019. No.2. pp. 14-19. DOI. 1025018/0236-14932019-02-0-14-19.
5. Modeling of atmospheric transport and deposition of pollutants and assessment of consequences for the Arctic / A.A. Baklanov [et al.] // Research report. Apatity: Institute of Problems of Industrial Ecology of the North, KNC RAS, 2008. 123 p.
6. Vorontsov P.A. Some features of the structure of the boundary layer of the atmosphere under nonequilibrium conditions // Trudy GGO. 1974. Issue 245. pp. 155-163.
7. Zorin A.V. The use of meteorological information to improve industrial and environmental safety when conducting open-pit mining // Mining information and Analytical Bulletin. 2015. pp. 12-16.
8. Gridina E.B., Petrov I.A. Experience of mathematical modeling of the process of ventilation of the Olenegorsky quarry in the Flow Vision software complex // Mining information and analytical bulletin. - 2017. Special issue 5-1: Industrial safety of mining and raw materials complex enterprises in the XXI century-1. pp. 32-42.
9. Shklyaev V.A., Shklyaeva L.S. Study of inversions of the lower atmosphere based on the results of observations of a meteorological temperature profiler and radiosonding // Geographical Bulletin. 2014. pp. 62-66.
10. Kozyrev S.A., Amosov P.V. Modeling of aerodynamic processes in deep quarries // Sb. nauch. tr. Deep quarries. vseross. nauch. - tech. conf. with the international participation. Apatites. St. Petersburg, 2012. pp. 470-474.
11. Amosov P.V., Novozhilova N.V. Investigation of the influence of the temperature gradient on the formation of the meteofields of the quarry atmosphere (based on numerical modeling) // Mining information and Analytical Bulletin. 2015. pp. 528-533.
12. Kozyrev S.A., Amosov P.V. Modeling of removal of harmful impurities during ventilation of deep pits with the help of ventilation mine workings // Deep pits. Mining information and analytical bulletin. Spec. issue No. 56. From 136-141.
13. Baklanov A. A. Numerical modeling in mine aerology. Apatity: KFAN USSR, 1987. 200 p.
14. Shakhray S.G., Kurchin G.S., Sorokin A.G. New technical solutions for ventilation of deep quarries // Notes of the Mining Institute. 2019. Vol. 240. pp. 654-659.
15. Fomin S. I., Bazarova E. I. Sensitivity analysis of the parameters of ore pits at the preliminary design stage // Notes of the Mining Institute. Vol. 216. P. 76.
16. Fomin S. I. Justification of technological solutions for the organization of mining of ore pits // Notes of the Mining Institute. 2016. Vol. 221. pp. 644-650. DOI: 10.18454/PMI.2016.5.644.
17. Kalabin G. V., Baklanov A. A., Amosov P. V. Method of calculation of aerogas-odynamics of flat chamber-shaped workings based on mathematical modeling // Physico-technical problems of mineral development. 1990. No. 1. pp. 74-88.
18. Kozyrev S. A., Amosov P. V. Modeling of air flow distribution in deep quarries // Mining Journal. 2014. No. 5. S. 7-11.
19. Kozyrev S. A., Amosov P. V. Mathematical modeling of the winding dead-end workings for blasting using CFD models Aerology and safety at mining enterprises: SB. nauch. Tr. M., 2013. Vol. 1. S. 23-29.
20. Deryl O., Snyder A. Fluent. Tutorial. 2011. Pp. 37-45. GIAB.
21. Nikulin N. A., Ikonnikov, A. D., I. S. Dolzhikov Increasing labour safety on coal mines // International Journal of Emerging Trends in Engineering Research, 2019. No. 7. T 12. With 842 - 848 .
22. Kozyrev S. A., Amosov P. V. normalization of the atmosphere of deep open pits // Vestnik of MSTU, 2014. T. 17. No. 2. P. 231-237
23. Rogalev V. A., Yastrebova K. N. Methodological features of the intensification of natural ventilation of quarries // Notes of the Mining Institute. 2014. Vol. 207. pp. 131-133.
24. Way to reduce air pollution of the working areas of the coal-tion mines harmful emissions of diesel locomotives / A. Meshkov [et al.] / / No-risk labor in industry, 2020. No. 1. 68 - 72.
25. Smirniakov V. V., Smirniakova V. V. Peculiarities of Formation Caving Zones as Aerodynamic Active Branches of Mine Ventilation Systems in Pillar Mining of Coal Beds // Journal of Industrial Pollution Control, 2017. No. 33. T 1. With 864 - 872.
26. Magomet R. D., Rodionov V. A., Soloviov V. B. Methodological approach to researching the issue of dust - explosion protection of mine workings of coal mines // International Journal of Civil Engineering and Technology (IJCIET), 2019. No. 10. T 2. R. 1154 -1161.
27. Mironenkova N. A., Magomet R. D. Hygienic assessment of working conditions on a radiation-hazardous factor in mines // Ecology, Environment and Conservation, 2017. No. 23. With 1017 - 1021.
28. Rodionov V. A., Sharavin E. O., Kochetkova E. A. Application of Methods of Mine Aerogasdynamics for Simulation of Propagation of Blast Wave in Joint Junctions of Mine Workings // International Journal of Civil Engineering and Technology (IJCIET), 2019. No. 4. V 10. P. 36 - 43.
29. Assessment of the effectiveness and efficiency of the occupational health and safety management system at a mining enterprise / A. N. Nikulin [et al.] / / Bezopasnost' Tru-da v Promyshlennosti, 2021. V 1. 66 - 72.
30. Bhowmick T., Bandopadhyay S., Ghosh T. Three-dimensional CFD modeling approach to approximate air pollution conditions in high-latitude open-pit mines // Transactions on The Built Environment. 2015. Vol. 168. Pp. 741-753.
31. F. Flores, R. Garreaud, R. Muñoz Open FOAM applied to the CFD simulation of turbulent buoyant atmospheric flows and pollutant dispersion in-side large open pit mines under intense insolation // Computers & Fluids. 2014. Vol. 90. PP. 72-87.
32. On the thermal preparation of supply air and the use of two-channel ducts for pipeline ventilation of quarries / A. S. Morin, F. I. Borisov, D. F. Borisov, I. V. Korzukhin // Mining industry. 2016. No. 1 (125). pp. 40-46.
33. Konorev M. M., Nesterenko G. F. Ventilation and dust and gas suppression in the atmosphere of quarries // Yekaterinburg, 2000. 43 p.
34. Konorev M. M., Makarov V., Nesterenko G. F. On the issue of the study of dynamic schemes of artificial ventilation of quarries by fans based on turboprop engines // Proceedings of VNIMI. 1975. No. 1. pp. 126-132.
35. Konorev M. M., Nesterenko G. F. Substantiation of the choice of ventilation schemes and modes of operation of ventilation systems of quarries // Mining information and analytical bulletin. 2002. No. 4. pp. 73-76.
