Об использовании воздухопроводных каналов с естественной тягой для проветривания карьеров

А.С. Морин, д.т.н., доцент; Ф.И. Борисов, к.т.н., доцент, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Практика эксплуатации глубоких и сверхглубоких карьеров в условиях холодного климата показывает, что нарушения состава воздуха в их нижних рециркуляционных зонах, аккумулирующих большое количество вредных веществ, имеют хронический характер. Обычно это создает труднопреодолимые препятствия для безопасного и бесперебойного ведения горных работ. Ситуация осложняется концентрацией источников загрязнения на малых площадях и, как следствие, отсутствием широких возможностей в перераспределении пылегазовой нагрузки между рабочими зонами.

В этом отношении характерен пример алмазодобывающего карьера «Удачный» (проектная глубина 610 м; размеры выработанного пространства в плане: длина – 2000 м, ширина – 1600 м), горные работы на котором велись более 40 лет (1971–2012 гг.).113 1

Рис. 1 Динамика простоев карьера «Удачный» по причине загазованности рабочих зон в период 1988–2009 гг.

В 1980-х годах в карьере начались простои технологического оборудования по причине загазованности рабочих мест, а в первой половине 1990-х годов при глубине карьера свыше 300–350 м вынужденные простои превысили 2000 часов в год. На предприятии был внедрен аппаратно-программный контроль за состоянием воздуха в рабочих зонах, усовершенствован комплекс выполняемых мер по пылегазоподавлению, технологический автотранспорт снабжен каталитическими нейтрализаторами выхлопных газов, а кабины операторов горного оборудования оснащены кондиционерами, системами пылегазоочистки и индивидуальными средствами дыхания. С учетом возросшего риска заболевания рабочих, тарифы на оплату труда в загазованной атмосфере пришлось увеличить в 2–4 раза. В итоге простои карьера сократились до 1200–1900 часов в год (рис. 1), что не позволило отказаться от использования технологий, связанных с созданием промежуточных рудных и породных складов большого объема и резервированием дополнительного горнодобывающего оборудования и персонала.

Вместе с тем, требованиями «Единых правил безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом» (ПБ 03-498-02) предусматривается необходимость искусственной вентиляции плохо проветриваемых и застойных зон объекта открытых горных работ (§ 512). Затраты электроэнергии на вентиляцию таких крупных объектов сопоставимы с затратами на карьерный водоотлив [1] и могут быть существенно снижены за счёт использования естественных факторов проветривания карьерных пространств.

Для интенсификации естественных воздухообменных процессов в карьере с целью улучшения состава воздуха на рабочих местах требуется проведение специальных технологических и технических мероприятий, направленных на упорядоченное использование природных сил и усиление их действия в зонах ведения горных работ [1]. Одним из перспективных средств интенсификации воздухообмена являются сооружения и устройства с вентиляционными каналами, преобразующие энергию природных термических сил и сил давления в депрессию естественной тяги воздуха в каналах. Искусственное проветривание карьера при наличии этих средств может осуществляться в режиме сбережения механической энергии вентиляторов или в режиме самотяги без применения дорогостоящих и энергоёмких воздуходувных машин.№3 (109) 2013

Рис. 2 Термодинамический генератор естественной тяги воздуха:
а – генератор перед запуском восходящего потока; б – генератор перед запуском нисходящего потока; в – генератор в рабочем положении

В одной из первых опубликованных работ, посвящённых карьерным трубопроводным системам с естественной тягой воздуха [2], было предложено использование подвешенных на привязных аэростатах вертикальных труб. По мнению авторов этого способа, такие системы эффективны в тёплое время года. Естественная тяга в трубе возникает после заполнения её воздухом приземного слоя, который в жаркие летние дни, особенно при безветрии, теплее, чем воздух верхних частей атмосферы карьера, и поэтому имеет меньший удельный вес. С целью дополнительного нагрева движущегося по трубе воздуха и повышения его расхода целесообразно зачернять наружные поверхности труб с увеличением их поглощающей способности относительно солнечной радиации [3, 4].

При этом стенки лучше выполнять из двухслойного материала: внешний слой – прозрачным, а внутренний непрозрачный слой – из чёрной матовой пленки.

К недостаткам данной системы проветривания следует отнести её неработоспособность в холодное время года, а также высокую вероятность образования в проводящем канале «стопорящей воздушной пробки» при суточных изменениях направления и величины естественной тяги. Для устранения этой пробки в устройстве, представленном на рис. 2, предусмотрена возможность разового принудительного замещения воздуха в канале трубы за счёт перемещения по вертикали несущего аэростатного баллона 1 и пневмобаллона тяжелее воздуха 2, образующих устья 3 и 4 трубы. Крепление устройства и его подготовку к работе осуществляют с помощью канатных лебёдок 5 и 6. Предварительно собирают трубопровод 7 в виде «гармошки» и пережимают его осевой канал 8 стягивающим поясом 9.

Затем расправляют трубопровод по высоте, засасывая в осевой канал окружающий воздух, и освобождают пояс 9, обеспечивая тем самым движение воздуха в режиме самотяги [5].113 3

Рис. 3 Аэродинамический генератор естественной тяги воздуха

Для создания естественной тяги в воздухопроводных каналах в условиях дефицита тепла используют стационарные или поворотные дефлекторы. В устройстве (рис. 3), разработанном в Днепропетровском горном институте [6], восходящий поток воздуха в подвесной трубе 1 образуется при понижении статического атмосферного давления в её верхней части за счёт увеличения скорости ветрового потока во внутренних каналахэжекторах 2 аэростатных баллонов 3. Благодаря стабилизатору 4 и подшипниковой поворотной опоре 5 аэростатные баллоны, соединённые между собой крепёжной лентой 6, ориентируются под действием ветра, подобно флюгеру. При этом направление ветрового потока совпадает с продольной осью каналов 2. Загрязнённый воздух карьера засасывается через перфорированную оболочку 7, поднимается по трубе 1, попадает через Т-образные трубопроводы 8 во внутреннюю полость 2 аэростатных дефлекторов 3 и выбрасывается в атмосферу.

Известны генераторы естественной тяги воздуха в виде вертикальных надувных труб, установленных на самоходных тележках [7, 8], а также наклонных труб или перегородок, уложенных на борту карьера [9–11]. В этих устройствах нагрев воздухопроводных каналов осуществляется исключительно за счёт солнечной энергии. В устройстве [12] предлагается в периоды отсутствия солнечной активности использовать для нагрева каналов тепло откачиваемых из карьера грунтовых вод. Отдельно отметим, что при вскрытии карьера подземными горными выработками появляется возможность его беструбного проветривания в режиме самотяги в зимнее время в результате теплообмена воздуха со стенками подземных выработок и тепловыделения от работающего в них оборудования [13].

Специалистами Сибирского федерального университета для создания естественной тяги в воздухопроводных каналах было предложено использовать тепло прилегающих к карьеру рек, озёр и других природных источников воды [14]. Технология проветривания, основанная на этом принципе, в настоящее время особенно перспективна для карьера Горевского свинцово-цинкового рудного месторождения, расположенного на левом берегу и под руслом реки Ангара (Красноярский край).Рис. 4 Схема развития ветрового потока в выработанном пространстве карьера Горевского ГОК

Рис. 4 Схема развития ветрового потока в выработанном пространстве карьера Горевского ГОК

Проектная глубина карьера определена в пределах 540 м. Анализ внутрикарьерного ветрового режима показал (рис. 4), что по условиям естественного проветривания карьер до глубины HM = 190 м может быть отнесён к категории мелких (хорошо проветриваемых), до глубины HС = 280 м – средних (слабо проветриваемых), до глубины HГ = 430 м – глубоких (трудно проветриваемых) и более 430 м – к категории сверхглубоких карьеров.

Опыт производства горных работ на глубоких карьерах с относительно небольшими размерами в плане позволяет прогнозировать для карьера Горевского ГОК вынужденные простои по фактору загазованности атмосферы в холодные периоды года при достижении им глубины 280–300 м (на карьере «Удачный» регулярные простои по фактору загазованности начались в 1988 г., когда его глубина составляла 250–265 м, а дно опустилось ниже указанного на рис. 4 второго уровня развития воздушных потоков).Рис. 5 Участок карьера (затемнён), не продуваемый прямыми ветровыми потоками: 14  линии встречи внутренней поверхности прямоточного воздушного потока с наветренным бортом карьера при за падном (1), восточном (2), северном (3) и южном (4) направ лениях ветра

Рис. 5 Участок карьера (затемнён), не продуваемый прямыми ветровыми потоками:
14  линии встречи внутренней поверхности прямоточного воздушного потока с наветренным бортом карьера при западном (1), восточном (2), северном (3) и южном (4) направлениях ветра

На рис. 5 выделена нижняя зона карьера Горевского ГОК, в которой мероприятия по защите воздуха, включая искусственное проветривание, будут являться особо значимым фактором эффективности и безопасности горных работ.

Учитывая, что рассматриваемый карьер расположен в непосредственной близости с рекой, являющейся мощным источником тепловой энергии, его искусственное проветривание может быть организовано следующим образом (рис. 6).113 6

Рис. 6 Схема трубопроводного проветривания в режиме самотяги карьера Горевского ГОК

Всасывающие отверстия 1 воздухопроводных каналов 2 размещают в рабочих зонах карьера. Воздуховоды 2 укладывают на бортах 3 карьера. За пределами выработанного пространства воздухопроводная сеть содержит горизонтальные или слабонаклонные магистральные каналы 4 и вертикальные 5 или наклонно восходящие 6 напорные каналы.

В тёплое время года естественная тяга воздуха в воздухопроводной сети поддерживается за счёт энергии солнечной радиации. Для интенсификации процесса проветривания выходные отверстия 7 воздухопроводных сетей могут быть снабжены дефлекторами 8, преобразующими кинетическую энергию ветровых потоков в потенциальную энергию давления. В холодное время года магистральные каналы 4 полностью или частично перекрывают, движение воздуха осуществляется по обводным каналам 9, погружённым в русло прилегающей к карьеру реки 10. Относительно тёплая вода реки нагревает находящийся в каналах 9 воздух, который, расширяясь, устремляется вверх по восходящим каналам 5 и 6 воздухопроводной сети, создавая тягу с подсосом внутрикарьерного воздуха через всасывающие отверстия 1.

При такой системе проветривания естественное тепло речного потока используется для создания и поддержания тяги в воздухопроводных каналах и в тёплое время года, например по ночам, или в переходные осенне-весенние периоды. В зависимости от относительной значимости действия природных факторов, влияющих на нагрев воздуха, с помощью распределительных устройств можно регулировать расходы воздуха в обводных и магистральных каналах, изменяя их соотношение таким образом, чтобы суммарный расход в воздухопроводной сети поддерживался на максимальном уровне.

Для оценки практических перспектив системы проветривания карьера Горевского ГОК были проанализированы её основные конструктивные параметры и эксплуатационные показатели. Было выполнено 20 вариантов расчёта, в которых сочетались следующие факторы: глубина карьера (280 и 540 м), вертикальный температурный градиент атмосферы (–0,03° и 0,006°C/м), температура воздуха на уровне поверхности карьера (–20° и –40°C), внутренний диаметр основного воздуховода (2,4 и 5,0 м), количество параллельных стальных трубопроводов диаметром 1,992 м, проложенных в реке (один, два и три). Во всех вариантах высота вертикального напорного участка воздуховода составляла 70 м, а барометрическое давление атмосферного воздуха на уровне поверхности карьера – 735,6 мм рт. ст., т.е. 98100 Па. Температура воды в реке была принята равной 5°C.113 t1

На первом этапе определялись температура и давление воздуха на разных высотных уровнях, плотность воздуха в характерных точках воздуховода. По этим данным вычислялась депрессия естественной тяги. На втором этапе рассчитывались коэффициенты сопротивления сети для каждого варианта и, соответственно, расходы и скорости воздуха. Возможность использования энергии ветра для создания или усиления естественной тяги при этом не рассматривалась.

В табл. 1 указаны конструктивные параметры одного из вариантов предлагаемой системы проветривания, основными элементами которой предусматриваются всасывающий, теплообменный (погружённый в воду) и напорный участки трубопроводной магистрали, последовательно соединённые между собой. Габариты используемых труб допускают их доставку от завода-изготовителя наземным транспортом. Капитальные затраты на реализацию этого варианта системы проветривания составят 3,2–3,9 млн долл. США.

Было установлено, что за счёт подогрева воздушного потока проточной речной водой можно удалять из карьера загрязнённый воздух в режиме самотяги с расходом на уровне от 39200–430200 м3/ч. Максимальная величина (430200 м3/ч) относится к гипотетическому варианту, когда диаметр воздуховода на всех участках (в том числе и в воде) составляет 5 м. Расчётные рабочие показатели наиболее компактной трубопроводной системы с внутренним диаметром труб 2,4 м (см. табл. 1) приведены в табл. 2.113 t2

Увеличение геометрической высоты напорного участка воздухопроводной сети позволяет существенно повысить скорость и расход воздушного потока. Так, при геометрической высоте 150 м (вместо 70 м) депрессия возрастёт до 163,9–309,0 Па (вместо 76,5–144,2 Па), а расход воздуха может достигнуть 57400–629800 м3/ч.

Оценочные результаты, приведённые в данной статье, показали возможность технической реализации энергосберегающего и экологически чистого способа перемещения воздуха в системах трубопроводного проветривания карьеров. Для удаления из карьера десятков миллионов кубических метров загрязнённого воздуха в сутки посредством одной такой системы с естественной тягой необходимо будет обеспечить геометрическую высоту напорного участка трубопроводной сети более 150–200 м. Такая высота вполне может быть достигнута вертикальными трубами или наклонными воздуховодами, уложенными на откосах отвалов горных пород.


Использованные источники:

1. Морин А.С. Технология проветривания глубоких и сверхглубоких карьеров. – М.: МАКС Пресс, 2006. – 160 с.

2. Куликов В.П., Соллогуб В.П. Возможные пути решения проблемы проветривания угольных карьеров / Уголь. – 1967. – №8. – С. 58–60.

3. Патент №2006587 E21F 1/00 (РФ). Вентиляционная труба для отвода газов и пыли из карьера / Попов Ю.М. – №4779112/03; заявл. 28.11.1989; опубл. 30.01.1994. – Бюл. №2.

4. Патент №2049918 E21F 1/08 (РФ). Устройство для очистки карьерного воздуха / Попов Ю.М. – №4873777/03; заявл. 31.05.1990; опубл. 10.12.1995. – Бюл. №34.

5. Авт. свид. №1760128 E21F 1/00 (СССР). Устройство для проветривания карьера / Гуменников Е.С., Нурумов М.С., Козин О.М., Хван В.Е. – №4757876/03; заявл. 13.11.1989; опубл. 07.09.1992. – Бюл. №33.

6. Авт. свид. №883492 E21F 1/00, F24F 7/06 (СССР). Устройство для проветривания карьера / Зябрев В.А., Кирия Р.В., Мишин В.В. – №2887983/2203; заявл. 07.01.1980; опубл. 23.11.1981. – Бюл. №43.

7. Авт. свид. №943405 E21F 1/00 (СССР). Устройство для проветривания карьеров / Низовкин В.М., Алтаев Ш.А., Хван В.Е. – №2904525/2203; заявл. 04.04.1980; опубл. 15.07.1982. – Бюл. №26.

8. Авт. свид. №1232819 E21F 1/00 (СССР). Устройство для проветривания глубоких карьеров / Акреев В.Д., Рева Н.П. – №3785585/2203; заявл. 30.08.1984; опубл. 23.05.1986. – Бюл. №19.

9. Авт. свид. №1645545 E21F 1/00 (СССР). Способ проветривания карьера и устройство для его осуществления / Шапарь А.Г., Паршкин Э.М., Мацко Л.О. – №4266610/03; заявл. 23.06.1987; опубл. 30.04.1991. – Бюл. №16.

10. Авт. свид. №1742493 E21F 1/00 (СССР). Устройство для проветривания глубоких карьеров / Иванов Г.И. – №4808421/03; заявл. 17.01.1990; опубл. 23.06.1992. – Бюл. №23.

11. Патент №2128289 E21F 1/00 (РФ). Способ проветривания карьеров / Шваб А.А., Кузнецов В.В. – №93044595/03; заявл. 17.09.1993; опубл. 27.03.1999. – Бюл. №9.

12. Авт. свид. №1745966 E21F 1/00 (СССР). Устройство для проветривания карьера / Иванов Г.И. – №4787662/03; 4787653/03; заявл. 31.01.1990; опубл. 07.07.1992. – Бюл. №25.

13. Патент №2122121 E21F 1/00 (РФ). Способ проветривания кимберлитовых карьеров, работающих в многолетнемерзлых породах / Изаксон В.Ю., Новопашин М.Д., Слепцов В.И., Власов В.Н. – №97107779/03; заявл. 13.05.1997; опубл. 20.11.1998. – Бюл. №32.

14. Патент №2460885 E21F 1/18 (РФ). Способ проветривания карьера / Морин А.С., Корзухин И.В. – №2011112141/03; заявл. 30.03.2011; опубл. 10.09.2012. – Бюл. №25.

Ключевые слова: воздухопроводных каналов, сил, режиме, естественной, искусственное, воздуха

Журнал "Горная Промышленность" №2 2013 стр.113