АЭРОЛОГИЯ КАРЬЕРОВ 3 страница

На сегодняшний день промышленностью выпускается только установка местного проветривания УМП-1.

Исследования предыдущих лет, проводимые по вентиляции карьеров, осуществлялись и на основе моделирования процессов, проходящих в атмосфере карьера. Большой объем работы был выполнен по созданию математических моделей аэрогазодинамики карьерых пространств в условиях сложной орографии и температурной стратификации атмосферы. С их помощью решались задачи оценки энергии процесса естественного воздухообмена в карьере, взаимодействия с искусственно созданными свободными струями, распространения примесей от источников загрязнения, их химические превращения в атмосфере.

Рассчитывались типы и количество технических средств, а также схемы их расположения для искусственной интенсификации воздухообмена в карьерах. Расчеты подтвердили результаты экспериментальных данных и показали, что для решения этой проблемы в условиях действующих карьеров потребуется значительное количество технических средств вентиляции, что затруднит ведение горных работ и огромные дополнительные энергетические затраты. Для нормализации карьерной атмосферы при штилях и температурных инверсиях среднего размера карьера потребуется 10⁵-10⁶ кВт, что на 3-4 порядка выше не только мощности карьерных вентиляторов, но и потребности карьера в электрической энергии. Из всего выше изложенного, следует, что проблема создания нормализованных санитарно-гигиенических условий методом искусственной вентиляции в общем случае решена быть не может.

Для своевременного принятия мер, обеспечивающих безопасность персонала и снижение загрязнения природной среды, необходима разработка методики прогноза метеорологических условий, формирующих состояние атмосферы в карьере.

При этом прогноз целесообразно делать как долгосрочный, ориентированный на изменение технологии горных работ, использование новой техники и т.п., так и краткосрочный, обеспечивающий принятие управленческих решений организационного характера. Основой разработки методики прогноза является выявление особенностей внутрикарьерной циркуляции воздуха и закономерностей пространственно-временного распределения загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы. Идея методики заключается в том, что прогноз метеоусловий осуществляется комплексно на иерархически организованных временных и пространственных уровнях, с последующей корректировкой на основе непосредственно измеренных в атмосфере карьера дистанционными методами фактических метеоусловий. Подобные разработки выполнены в МГГУ, Навоийском ГМК, РГГМУ и Горном институте КНЦ РАН.

Задача оперативного управления может решаться с помощью программного комплекса на базе фактических метеоданных в карьере, получаемых на основании сети наблюдений и конкретных параметров карьера.

Еслинеобходимая синоптическая и аэрологическая информация для достижения поставленных целей может быть получена по общедоступным каналам, то создание мониторинговой сети метеорологических наблюдений позволит получать основные метеорологические параметры (скорость и направление ветра, характеристики осадков, атмосферное давление, температура и относительная влажность воздуха) непосредственно в атмосфере карьера. Данная информация может поступать с любым временным интервалом и использоваться в оперативных (для принятия своевременных решений) и долгосрочных (для планирования работ) метеопрогнозах. На основе всей полученной информации можно прогнозировать периоды развития инверсионных и штилевых состояний атмосферы карьера, ведущих к скоплению вредных примесей в атмосфере рабочих зон карьера.

В Горном институте разработан программный комплекс расчета аэрологии карьерного пространства с учетом параметров аэрации и состава воздуха атмосферы карьеров по периодам его отработки. На базе этого комплекса проводились аэрогазодинамические расчеты и сделана оценка состояния воздушной среды на различных стадиях отработки месторождений в проектируемых карьерах «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК», «Олений ручей» Северо-Западной фосфорной компании, месторождений алмазов им. М.В.Ломоносова и им. В.П. Гриба в Архангельской области, которые приняты в качестве регламентов по нормализации воздушной среды и вошли составной частью в проектную документацию для ОАО «Гипроруда».

В состав программного комплекса входят: блок исходных данных, состоящий из параметров карьера, оборудования в карьере, моделей и режима работы оборудования, примесей. Программа позволяет в зависимости от направления и скорости ветра определять границы рециркуляционной и прямоточной зон с учетом состояния погоды и дорог в карьере, выдавать концентрации газов в СО_усл. в рециркуляционной и прямоточной зонах, а также рекомендации для включения в расчет параметров газового облака при взрывах. Блок расчета температурного градиента позволяет определять состояние атмосферы карьера (сухоадиабатический процесс, изотермия или инверсия).

Отличие данной методики от предлагаемых ранее, в том, что она достаточно универсальна и, после доработки, может быть применена к другим карьерам.

Глава 4. Влияние метеорологических условий на некоторые аспекты горного производства.

4.1 Энергетическая оценка процессов при интенсификации воздухообмена в карьерах.

Как уже отмечалось, карьер это объект проветривания, который не имеет аналогов в мировой производственной практике и является новым этапом развития вентиляции, отражая переход от проветривания закрытых систем (цехов, рудников и т.д.) к проветриванию открытых систем (карьеров, разрезов) с неустойчивыми сложными процессами и связями. Под системой в данном случае понимается часть атмосферы в объеме карьера, в которой чистоту воздуха необходимо поддерживать на заданном уровне. Рассматриваемая система тесно связана с окружающей ее средой, и в данном случае невозможно выделить четкую границу между ними в атмосфере. Обычно принято относить к окружающей среде внешние по отношению к системе объекты и воздействия, участвующие в формировании свойств системы. В отличие от непроницаемых границ, которыми являются борта и дно карьера, граница между системой (атмосферой карьера) и окружающей средой, проходящая в атмосфере, является проницаемой, не может быть четко выражена и имеет гипотетический характер. Границей системы назовем проницаемую поверхность объема карьера, связанную с атмосферой окружающей среды и отделяющую этот объем от нее. Естественно, если речь идет о рабочей зоне карьера, то граница будет условно отделять эту зону от остальной атмосферы карьера. Необходимым условием функционирования вентиляции любой системы являются потоки массы воздуха через ее границы. При этом потоки свежего и стоки загрязненного воздуха должны быть рассредоточены таким образом, чтобы исключить их закорачивание между собой (короткие токи). Таким образом, по условиям сопряжения с окружающей средой и распределения воздуха внутри объема карьера открытая система несопоставима с закрытой, что предопределяет и иной подход к оценке управляющих ею воздействий.

При устойчивом состоянии атмосферы необходимо создать в карьере конвективное движение и обеспечить обмен воздушных масс с внешней средой. Оценку требуемого для этого количества энергии проведем применительно к установившейся инверсии в карьере из условий разрушения инверсионного состояния, ибо образование циркуляционных зон с помощью вентиляционных потоков без изменения стратификации атмосферы в карьере не обеспечивает необходимого уровня снижения концентрации примесей, поскольку обмена с внешней средой фактически не происходит. При разрушении инверсии динамическими струями нельзя оценивать необходимую энергию по работе перемешивания только в объеме карьера или в слое инверсии, ибо в этом случае на уровне поверхности карьера (по замкнутому контуру) Н_п(рис.10) создается искусственный "разрыв" температуры, обеспечивающий слой интенсивной надкарьерной инверсии, которая будет вновь восстанавливать инверсионное состояние и в нижних слоях атмосферы карьера. Это требуется учесть при расчете энергии для эффективного общекарьерного воздухообмена.

Без учета теплового взаимодействия атмосферы с поверхностью карьера необходимая энергия определяется следующими составляющими.

Энергией перемешивания воздуха DЕ₁ в слое атмосферы высотой Н, большей глубины карьера h_к и верхней границы инверсии до слоя интенсивного естественного сноса (внешнего ветра) или до уровня ликвидации температурного скачка (рис. 10).

Энергией, необходимой для поддержания вновь созданного состояния атмосферы с учетом передачи тепла в почву при образовавшемся в результате перемешивания перепада температур DТ воздуха и поверхности почвы (рис.10).

Для первой составляющей, проводя интегрирование получим следующую формулу для единичного столба воздуха:

где P_d - давление на уровне;

Т_d, Т_Н -температура на уровнях;

С_р -теплоемкость при постоянном давлении;

Н - высота ликвидации скачка или наличия сноса;

d -высотные отметки дна и бортов карьера;

q - ускорение свободного падения;

R - универсальная газовая постоянная,

g- температурный градиент.

По формуле оценивается энергия при динамическом способе побуждения воздуха. При тепловом воздействии первое слагаемое определяется на основе расчета лимита энергии устойчивости. Вторую составляющую энергии запишем в виде:

DЕ₂=aSDTt ,

где a - коэффициент теплоотдачи

S - площадь поверхности, через которую происходит теплоотдача,

DТ - разность температур поверхности земли и воздуха,

t - время процесса теплоотдачи.

В общем случае кроме рассмотренных составляющих требуется также оценка влияния радиационного и теплового обмена атмосферы с почвой, исходя из известного уравнения теплового баланса.

Ф_d = рс_р(а× дТ/дп) -B + R + Q_Т , (1)

где Ф_d - поток тепла в почву,

а - коэффициент теплообмена в приземном слое атмосферы,

В - потери тепла за счет испарения и конденсации,

R = I (1 - А) - F - радиационный баланс,

Q_Т - искусственный источник тепла,

/ - коротковолновая радиация,

А - альбедо поверхности,

F - эффективное излучение поверхности.

Расчет составляющих теплового баланса подстилающей поверхности в карьере проводится по формулам, описанным в литературе. Приближенные оценки для составляющих теплового баланса за достаточно длительный период, если приток солнечной радиации принять за 100, дают следующие цифры: В = - 20 %, R = 30%, рс_р(а× дТ/дп) = -10%, тогда Ф_d = Q_{Т .}

При развитии инверсионного состояния атмосферы, особенно в зимнее, а также в ночное время, когда приток солнечной радиации практически отсутствует, радиационный баланс поверхности, определяемый во многом эффективным излучением поверхности, является отрицательным и стремится восстановить устойчивое состояние атмосферы. В этом случае в карьере наблюдается следующая физическая картина.

Рис. 10. Схема разрушения инверсии в карьере механическим и тепловым способом.

1 – начальная стратификация; 2 - стратификация после воздействия динамическими струями;

3 – то же, с образованием условного скачка; 4 – стратификация после теплового воздействия

Потери тепла за счет эффективного длинноволнового излучения приводят к охлаждению поверхности раздела "атмосфера-почва", а перепад температур, возникающий между воздухом и почвой, к охлаждению, с одной стороны, близлежащих слоев атмосферы (и усилению инверсии) за счет турбулентного обмена и, с другой стороны, верхнего слоя почвы за счет теплоотдачи - первые два члена в уравнении (1).

Оценить энергетические возможности интенсификации воздухообмена в карьерном пространстве поможет следующее неравенство;

(Qyn-F)t>DE₁ + DE₂.

где Q_y - мощность одной установки,

п - число установок,

t - время протекания процесса.

Стоит привести оценку величин, входящих в эту формулу на примере карьера объемом 30×10⁶ м³ и глубиной 200 м. Без учета теплообмена с окружающей средой (т.е. считая систему закрытой сверху) и радиационного выхолаживания поверхности перевод из инверсионного у = 0.018^о /м в равновесное состояние атмосферы динамическим способом составит для DE₁ ~ 2,5×10³ кВт×час. Для оценки составляющей DE₂ правой части неравенства (4) необходимо знать время протекания процесса теплоотдачи. Из общих соображений его можно считать равным времени существования инверсии (при этом определяется максимальная энергия теплоотдачи). В соответствии с этим оценка второй составляющей дает следующее значение DE₂ ~ 7×10⁴ кВт×час.

При тепловом воздействии на атмосферу карьера необходимое количество энергии, определяемое через лимит энергии устойчивости, составит DE₁ = 5,6×10³ кВт×час и DE₂ = 12,5×10⁴ кВт×час на поддержание этого состояния за счет перепада температур. Оценивая необходимые энергозатраты на ликвидацию развития инверсии при учете теплового и радиационного баланса поверхности получим: при формировании инверсии радиационный баланс поверхности может составлять в отдельные часы 0,5×10⁵ кВт и более (140Вт×м²). В ночное время он практически определяется эффективным излучением бортов карьера. Эта потеря естественной энергии в карьере идет практически полностью на охлаждение атмосферы карьера и верхнего слоя почвы (первые два члена уравнения 1), то есть на формирование и поддержание инверсионного состояния атмосферы.

Для разрушения инверсии g = 0,01^о /м в выше указанном карьере динамическим способом при действии естественного выхолаживающего фактора, который необходимо присутствует при развитии инверсии, из приведенных оценок энергозатрат, очевидно, что никакое разумное количество установок местного проветривания не позволяет противодействовать природному фактору. Так энергетические затраты для перевода атмосферы из условий развивающейся инверсии ( g= -0.1°С/100м) в равновесное состояние для данного карьера составляет 4.1×10⁵ кВт×час. Результатами натурных экспериментов на Сибайском, Учалинском, Коркинском, Оленегорском, Ковдорском и др. карьерах показало, что величина карьерной инверсии практически не зависит от работы вентиляторных установок. Кроме того, изменение состояния в объеме карьера еще не характеризует интенсивность воздухообмена. Подтверждением этому являются хорошо известные острова тепла над городом и городские бризы (от окраин к центру города), при этом под куполом происходит накопление вредных примесей.

Необходимо отметить, что данные оценки указывают лишь на одну сторону затрат на воздухообмен - на разрушение далеко не самой мощной и продолжительной по своей природе инверсии. Однако разрушение устойчивой стратификации дает только предпосылки и возможность организовать взаимодействие (массообмен) системы с окружающей средой и вынос примесей из карьера. Но для осуществления этого процесса необходимы дополнительные затраты кинетической энергии вентиляционных установок на поддержание движения воздушных масс. Кроме того, для практической реализации разрушения инверсии и организации воздухообмена чрезвычайно важным является рационально вкладывать необходимую энергию. В локальных областях можно создать очень интенсивные циркуляции, а во всем объеме карьера инверсия будет сохраняться и выноса примесей не произойдет. Для разрушения инверсии и поддержании неустойчивого состояния атмосферы карьера необходим мощный источник тепловой энергии в сотни Вт на 1 м² поверхности карьера.

4.2. Распространение газового облака в атмосфере карьеров.

Одним из источников поступления в атмосферу карьера вредных примесей являются массовые взрывы. При их проведении образуется значительное газовое облако, которое распространяется в объеме карьера и за его пределами. Естественно, что его распространение зависит от конкретных метеорологических условий. При определенных условиях проветривание карьера значительно ухудшается и требует гораздо большего времени, чем нормативные сроки. Рассмотрим несколько наиболее характерных случаев.

При проведении массового взрыва в карьере "Железный" ОАО "Ковдорский ГОК" в период инверсионного состояния атмосферы с градиентом 0,8^о/100 м через 45 минут после взрыва на гор. +214 м концентрация СО превышала ПДК и составила 31,25 мг/м³, а на гор. +202 м 12,5 мг/м³. Подобная ситуация складывается и при более слабом инверсионном градиенте 0,4^о/100 м, через 45 минут после взрыва на средних горизонтах зарегистрировано превышение ПДК по СО (25 мг/м³) . В этих случаях максимальные концентрации регистрировались в местах проведения массовых взрывов. Выше и ниже этих горизонтов, уровень загрязнения снижался, но зона его распространения была значительна за счет атмосферной диффузии. Следует отметить, что уровень загрязнения верхних горизонтов в 3-4 раза ниже, чем на горизонтах ниже места проведения взрыва. То есть в результате инверсионного состояния атмосферы карьера зона загрязнения проникала в глубь карьера. Для большей наглядности при исследовании внутрикарьерной циркуляции были использованы дымовые шашки. За два часа до начала взрывных работ в карьере были проведены градиентные наблюдения. В результате выявлен слой инверсии со значительным градиентом (см. табл.3) в верхней части карьера. В нижней и средней части наблюдались сверхадиабатические процессы. По всей глубине карьера отмечался ветер. Погодные условия определялись малоградиентным барическим полем антициклональной кривизны. Ветер над карьером северного направления. Дымовые шашки зажигались на взрываемых блоках гор. +118, +166 и +190 м. Результаты наблюдений показали наличие типичного дневного случая горно-долинной циркуляции. Вынос из карьера газового облака после массового взрыва происходил в южном направлении (по потоку) в сторону промплощадки и города. За счет значительной турбулентности облака быстро рассеивались в инверсионном слое, не распространяясь выше.

Таблица 3 - Погодные условия в карьере "Железный" при проведении взрывных работ

В "Коашвинском" карьере ОАО "Апатит" на блоке гор. +280 м в 13 часов 20 минут был произведен массовый взрыв заряда весом 150 т при сплошной десятибальной слоистокучевой облачности без атмосферных явлений и осадков. Из Коашвинского и Китчепахского цирков потоки воздуха через долинную часть карьера поступали в район озера Порок-Явр. В долине р.Вуоннеймиок преобладали воздушные потоки с запада на восток, причем при выходе из долины они значительно ослаблялись. После взрыва газовое облако сразу же сместилось в долину. Часть его осталась в подынверсионном слое приподнятой инверсии на высоте 100-150 м от дна долины. Визуально продукты взрыва с точек наблюдения прослеживались в течение 30 минут. Концентрации вредных примесей в пунктах отбора проб приведены в табл.4. Результаты

наблюдений показали, что, несмотря на наличие приподнятого слоя инверсии, естественное проветривание горных работ было достаточно эффективным.

Таблица 4 - Концентрации вредных примесей при проведении массового взрыва и метеоусловия на Коашвинском карьере

Более детальные исследования, позволившие выявить характер распространения газов в атмосфере карьера после массового взрыва, были проведены в Коашвинском карьере. Взрывные работы проводились в первой половине дня с 9 до 13 часов в феврале 2002 г. Погодные условия района работ определялись передней частью циклона. Наблюдалась малооблачная погода со слабым неустойчивым ветром. Во второй половине дня подошел теплый фронт. В самом карьере тихо, 10 баллов слоистой подынверсионной облачности толщиной 150-200 м на высоте 200-300 м от замкнутого контура, подстилающая поверхность скала, снег, лед грязный серого цвета. От дна карьера до верхней границы облачности падение температуры воздуха с высотой - градиент 0,8°/100 м, толщина слоя около 370 м, к 12 часам он уменьшился до 0,4^о/100 м. Выше располагался инверсионный слой с градиентом 1,4^о/100 м на 9 утра, впоследствии идет перестройка термического поля, уменьшение интенсивности инверсии до 1^о/100 м на 12 часов и менее. К взрыву подготовлено два блока на северо-западном борту гор. +140, +150, +160 м площадью 10100 м², мощностью 126,9 тн на южном борту гор. +140, +150 м площадью 3000 м², вес заряда 38,8 т. Заложена взрывчатка порэмит, гранулотол, грамонит. Взрыв произведен в 11 часов 9 минут. Данные метеонаблюдений по станциям и точкам отбора газовых проб в карьере представлены в таблицах 5,6,7 и на рисунках 11,12. Там же приведены результаты анализов проб карьерного воздуха после проведения массового взрыва и графики их распределения по масштабу и времени. Из приведенного материала наглядно видно, что распространение газов после массового взрыва носит волнообразный характер. Рассмотрим на примере окислов азота. Так, на расстоянии 100 м от взрываемого блока через 25 минут после взрыва концентрация окислов азота незначительно увеличилась, а через 35 минут достигла своего максимума и далее значительно снизилась, однако оставаясь выше, чем до взрыва. На расстоянии 300 м от блока картина та же, только максимум был достигнут через 50 минут после взрыва. Для того чтобы преодолеть 200 м в данных метеорологических условиях в горизонтальной плоскости карьера объему максимальной концентрации окислов азота потребовалось 15 минут. С окислами углерода картина иная. Отмечается равномерная концентрация на всем расстоянии (300 м) от блока через 25 минут после взрыва, затем резкое возрастание до максимума во второй точке через 50 минут после взрыва с последующим снижением и рост концентрации в первой точке. В данном случае при проведении замеров не успели захватить начало волнового движения. Окислы углерода, как более легкие, быстрее распространялись в атмосфере карьера и быстрее рассеивались. Распространение вредных примесей имеет волновой характер. Волна (объем максимальной концентрации) вредных примесей распространяется радиально от источника выброса до тех пор, пока температура волны не сравняется с температурой окружающего воздуха. На волнообразный процесс рассеивания вредных веществ в атмосфере карьера накладывается и процесс диффузии.

Таблица 5 - Погода по станциям на 22.02.2002 г.

Таблица 6 - Метеоданные по точкам

Таблица 7 - Данные химических анализов

Легко диффузирующие вещества рассеиваются быстрее, и максимальные концентрации распространяются на меньшее расстояние. Волна более тяжелых веществ за счет меньшей диффузии распространяется на большее расстояние.

После проведения массового взрыва происходит два основных процесса с образовавшимися газообразными продуктами взрыва. Часть газообразных продуктов взрыва (около 50%) расходится по трещинам в толще горных пород, другие 50% выбрасываются из скважин подобно выстрелам. В каждом конкретном случае количество и состав газовой смеси зависит от типа применяемого взрывчатого вещества. Выброс газовой струи происходит на значительное расстояние в очень короткое время. Так, как атмосфера очень инерционная система, то распределение газового облака в ней после массового взрыва можно разбить на две части. Первая часть - это вылет газовой смеси из шпура, на этом этапе действуют следующие силы; сам взрыв и вылет газовой струи из шпура. Здесь на очень коротком временном отрезке (мс) и незначительном расстоянии (м) резко падает температура газовой струи (до 20°С) и скорость ее распространения гаснет.

На втором этапе происходит уже взаимодействие газовой струи и окружающей атмосферы. Так как температура струи выше, чем температура окружающего воздуха (зимой разница больше, летом меньше), то за счет сил плавучести газообразные продукты взрыва будут продолжать подниматься в окружающей атмосфере, одновременно, рассеиваясь до полного выравнивания их температур. Это при штилевых условиях, при ветре картина усложнится за счет горизонтального переноса и турбулентности, при достижении уровня выравнивания температур газовой смеси и окружающей атмосферы подъем облака прекратится. В дальнейшем будут преобладать процессы атмосферных диффузий, переноса и осаждения примесей. Для примера приведем случай, когда температура атмосферного воздуха -10°С и наблюдается изотермическое состояние атмосферы. В этом случае высота подъема облака составит около 2800 м. Расчеты проводятся по аэрологической диаграмме (рис.16). В случае неустойчивой стратификации подъем будет еще более значительным. При инверсии, наоборот, уменьшится. Здесь речь идет не о предельно допустимой концентрации в облаке, а о максимальном подъеме его. Расчеты проводятся следующим образом. Определяется атмосферное давление и температура воздуха на блоке, температура воздуха на доступной высоте (в нашем случае плато Ловчорр, брокерка на рудоспуске), строится на аэрологической диаграмме кривая стратификации. Зная температуру газовой струи выброса (20°С), по сухой адиабате поднимаемся до пересечения с кривой стратификации, т.е. до высоты, где температура поднимающегося облака продуктов взрыва и температура окружающей атмосферы выравниваются, а, следовательно, дальнейшего подъема не будет. Эта высота будет верхней границей распространения газообразных продуктов взрыва в атмосфере.