Рециркуляційна схема провітрювання

Умови виникнення. Рециркуляційна схема провітрювання виникає при швидкості вітру на поверхні більше 0,8 – 1 м/с та величины кута відкосу підвітряного борта кар’єра >15⁰.

Схема руху повітря. Внаслідок різкої зміни напрямку твердої межі вітрового потоку в точці О (рис. 13.1) і значних сил інерції його в цій точці виникає відрив потоку від твердої межі. В результаті цього повітря в просторі кар’єра рухається у вигляді плоско-паралельного вільного струменю з межами і . Вище межі швидкість повітря дорівнює швидкості вітру на поверхні u_В. Вільний струмінь при досягненні в точці В навітряного борта розділяється на дві частини. Перша (верхня) її частина, яка рухається вздовж уступів до гори, виходить на поверхню. Друга (нижня) – повертає до низу і, рухається в напрямку, протилежному початковому, утворюючи також вільний струмінь ІІ роду.

Рис 13.1 Рециркуляційна схема руху повітря в кар’єрі

Тобто, при рециркуляційній схемі провітрювання в кар’єрі існує дві зони з різноманітним характером руху в них:

- зона супутнього потоку, напрмок руху повытря в якый співпадає з напрямком вітру. Межа її проходить під кутом (лінія ОО₁). Більш точний цей кут в градусах можна визначити за формулою

,

де - кут нахилу підвітряного борту кар’єру, градус;

- зона зворотнього потоку, напрямок руху повітря в якому протилежний напрямку вітру ( між підвітряним бортом і лінією ОО₁).

Між цими двома зонами існують ділянки з поривчастим рухом повітря самих різноманітних напрямів.

Із зони зворотнього потоку повітря, повертаючись до гори, знову поступає в зону супутнього потоку. Цей поворот починається лівіше деякого перетину РР_з , який знаходиться від точки О на відстані:

, (13.1)

де - абсциса точки О₁ перетину лінії ОО₁ з поверхнею кар’єру.

Таким чином, в зоні ОР₁ВО₁СО₁ виникає багатократна циркуляція, або рециркуляція, одних і тих же об’ємів повітря, наявність цієї зони пов’язано з назвою даної схеми провітрювання.

Слідує відмітити, що точка О₁ перетину межі вільного струменю І роду з поверхнею кар’єра не обов’язково повинна співпадати з вершиною кута, утвореного дном і навітряним бортом кар’єру (рис. 13.1). Так, якщо розмір кар’єра в напрямку вітру буде коротший, ніж на рис. 13.1, точка О₁ буде знаходитись на навітряному борту карєра, наближаючись до т. К. І навпаки, при розмірі кар’єра в напрямку вітру більше, ніж на рис. 13.1, то т.О₁ займе положення на дні кар’єра. Чим довший буде цей розмір, тим далі буде розташована т.О₁ від верхівки кута між дном і навітряним бортом кар’єра.

Ядро постійної маси вільного струменю І роду, в якому витрата повітря в будь-якому перетині дорівнює витраті на вході в кар’єр, знаходиться між прямими ОР і ОР₁, що утворюють з віссю Ох кути і . Кут (градус) визначається за формулою

і знаходиться в межах 7 – 11⁰. Далі межі ядра постійної маси проходять по лініям РАК і Р₁ВК.

В зоні супутнього повітряного потоку (вільний струмінь І роду) з глибиною кар’єру швидкості зменшуються. На межі струменя повздовжні швидкості дорівнюють нулю, а поперечні – від’ємні від нуля. В зоні зворотного потоку (вільний струмінь ІІ роду) спостерігається зворотня залежність: швидкості повітря з глибиною збільшуються, досягаючи максимуму біля поверхні кар’єру. В межах дна кар’єра максимальна швидкість у верхній зоні знаходиться в перетині Р – Р_3, положення якого визначається (13.1). Поля швидкостей в струмені І роду подібні на ділянці від точки О до перетину РР₂, а в струмені ІІ роду – в межах дна кар’єра.

Витрата повітря, що провітрює кар’єр. Із сказаного вище, а також із рис. 13.1 слідує, що надрізний рух через кар’єр виконують об’єми повітря, які рухаються в ядрі постійної маси, тобто між лініями ОРАК і ОР₁ВК. Із кар’єра виносяться тільки ті шкідливості, що потрапляють за одиницю часу через будь-який поперечний перетин ядра постійної маси. Тобто обсяги (витрати) повітря, якими здійснюється провітрювання кар’єра при рециркуляційній схемі провітрювання визначають за формулою

, (13.2)

де - середня відстань для декількох характерних профілів кар’єра, які співпадають з напрямом вітру;

L – розмір кар’єра на рівні поверхні за напрямком, що перпендикулярний напрямку вітру.

Цю ж витрату повітря можна визначити і за формулою

, (13.3)

де k – коефіцієнт, який враховує, що до поверхні бровки підвітряного борта кар’єра повітряний потік поступає уже з деяким сповільненням (за експериментальними даними в середньому k=0,9);

h_c – товщина вільного повітряного струменя над верхньою бровкою підвітряного борта кар’єра.

Величина h_c в (м) може бути або виміряна, або розрахована за формулою

,

де H – глибина кар’єру, м;

- кут нахилу підвітряного борта кар’єра, градус.

Винос шкідливостей із кар’єру. Як відмічалось раніше, винос шкідливостей із кар’єру здійснюється ядром постійної маси. Потрапляння шкідливостей в це ядро (рис. 13.2) відбувається на його початковій ділянці із зони Р₁ОР₂ струменя І роду, що зайнята приєднаними масами. Нижче межі ОР₁В ядра постійної маси, домішки, які поступили у повітря знаходяться в циркуляційному русі. При сталій інтенсивності виділення шкідливостей їх кількість, що потрапила в атмосферу кар’єру, дорівнює кількості, яка виноситься із кар’єру ядром постійної маси.

Рис. 13.2 Розподіл конценрації шкідливостей при рециркуляційній схемі провітрювання.

При схемі провітрювання (рис. 13.2) значна частина робочих поверхонь кар’єра (підвітряний борт, дно і частина навітряного борта) знаходиться в зоні дії рециркуляційних потоків. При дії зовнішніх джерел шкідливостей в цю зону буде заноситись лише частина від їх загальної кількості, яка поступає в струмінь І роду, а саме та частина, яка знаходиться в зоні приєднаних мас між лініями ОР₁В і ОР₂О₁, (кількість, що проходить через перетин Р₁Р₂) . При дії внутрішніх джерел забруднення, розташованих на поверхнях ОСР₃О₁В, всі шкідливості, що виділяються ними будуть потрапляти в зону рециркуляції. Домішки в цій зоні накопичуються до тих пір, поки їх кількість, яка виноситься за одиницю часу із зони рециркуляції в ядро постійної маси і, відповідно, із кар’єра, не стане дорівнювати загальній кількості шкідливостей, що виділяються за одиницю часу на ділянці ОСР₃О₁В. Після цього концентрація домішок в зоні рециркуляції буде лишатися постійною.

Розподіл концентрації домішок, які виділяються в атмосферу кар’єра як внутрішніми, так і зовнішніми джерелами, розташованими близько від кар’єра, показано на рис. 13.3. Із рисунка видно, що їх концентрація дорівнює нулю на лінії ОА, що приблизно співпадає з верхньою межею вільного струменя І роду. Із заглибленням в кар’єр вона зростає, сягаючи максимального значення біля нижньої межі струменя І роду (лінія ОО₁), де швидкість руху повітря мінімальна (повздовжні складові швидкості дорівнюють 0). Далі виникає зменшення концентрації до деякої кінцевої величини на дні кар’єра, що відповідає величині швидкості повітря в області нижче межі ОО₁.

Якщо є також далеко віддалені від кар’єра зовнішні джерела, то концентрація шкідливостей на лінії ОА буде дорівнювати концентрації с₀, що утворюється в приземному шарі повітря цими джерелами внаслідок рівномірного перемішування шкідливостей, які вони виділяють. Відповідно збільшується і концентрація домішок в кар’єрі (штрихова лінії на рис. 13.3).

Рециркуляція повітря в зоні ОВСДО (рис. 13.3) призводить до накопичення в ній шкідливостей, які виділяються в кар’єрі. Так як зона рециркуляції складає більшу частину внутрікар’єрного простору, то є очевидним, що при оцінці чистоти атмосфери кар’єра слід перш за все провести оцінку забруднення атмосфери в зоні рециркуляції.