О тепловой подготовке приточного воздуха и применении двухканальных воздуховодов при трубопроводном проветривании карьеров

Искусственное проветривание карьеров на современном этапе развития горных наук принято разделять на способы интенсификации естественного воздухообмена и способы искусственной вентиляции [1–3] в зависимости от того, направлены ли они на упорядоченное использование природных сил или основаны на действии электромеханических и жидкотопливных воздуходувных устройств.

Задачи искусственного проветривания глубоких карьеров [1–4]: организация воздухообмена общекарьерной атмосферы с внешней средой; локализация вредных выделений вблизи источников их образования и разбавление остаточных концентраций этих выделений; подача свежего воздуха в рабочие зоны; предупреждение и ликвидация внутрикарьерных температурных инверсий; снижение техногенной пылегазовой нагрузки на окружающую среду (за счёт уменьшения или более равномерного поступления загрязняющих веществ из карьерных пространств во внешнюю атмосферу).

Идеальный результат решения комплекса перечисленных задач заключается в создании нормативных условий в атмосфере карьера на полный период его отработки с минимальными отрицательными экологическими последствиями.

Ниже рассмотрены перспективные пути решения этих задач на основе применения трубопроводного способа проветривания.

Тепловая подготовка приточного воздуха для предупреждения или ликвидации внутрикарьерных температурных инверсий

Естественный воздухообмен атмосферы карьера с внешней средой обеспечивается работой термических и ветровых сил за счёт энергии природной «тепловой машины».

Наиболее мощными источниками этой энергии являются гравитационное поле Земли и солнечное излучение. Оценивая влияние термического фактора на процессы естественного проветривания, следует отметить его подчинённую роль в сравнении с ветровой энергией и одновременно возрастающее значение с ростом глубины карьера. В тех случаях, когда температурная стратификация внутри карьера отличается от адиабатической, вертикальные движения воздуха могут усиливаться (реальные градиенты температуры больше адиабатического) или ослабляться (реальные градиенты температуры меньше адиабатического). В результате этого перемешивание вредностей в атмосфере карьера и их вынос за пределы выработанного пространства могут происходить более или менее интенсивно.

Влияние вертикального температурного градиента атмосферы карьера на естественный воздухообмен

В зимнее время года, когда радиационное излучение подстилающей земной поверхности преобладает над инсоляцией, термический фактор почти всегда отрицательно влияет на интенсивность воздухообменных процессов и нередко способствует скоплению пыли и ядовитых газов на дне карьера или на некоторой высоте в виде тёмного или серо-белесоватого облака. Отрицательное влияние холодного климата на состав воздуха в карьерах подтверждается статистикой простоев российских глубоких карьеров по причине загазованности рабочих зон. Например, более 90% времени вынужденных простоев технологического оборудования на алмазодобывающем карьере «Удачный» в 1990-2009 гг. приходилось на холодный период с сентября по апрель [5, 6].

Резкое снижение интенсивности естественного воздухообмена при дефиците тепла может проявляться даже в ветреную погоду. В сверхглубоких карьерах в периоды температурных инверсий регистрировались простои по причине загазованности рабочих зон при ветре до 8 м/с [7].

Энергетическое состояние атмосферы в объёме карьера характеризуется суммой кинетической, внутренней и потенциальной энергий и может изменяться за счёт энергии импульсных и тепловых искусственных источников, радиационного притока тепла, энергии фазовых превращений, диссипации кинетической энергии среднего движения в энергию турбулентных движений, турбулентного потока тепла, переноса кинетической, потенциальной и внутренней энергий через поверхность карьера и работы сил давления на внешней поверхности [8]. Численной оценке энергии атмосферы глубоких карьеров были посвящены работы А.А. Вершинина [9, 10], В.С. Никитина и Н.З. Битколова [4], С.С. Филатова [11], М.М. Конорева [2] и ряда других специалистов в области рудничной аэрологии [8, 12]. Авторы этих работ исходили из того, что при адиабатических переходах системы из одного состояния в другое полная энергия атмосферы карьера остаётся постоянной, а при возникновении температурных инверсий дефицит энергии неустойчивости определяется следующей разностью энергий:

ΔEy = Ea – Eu, Дж, (1)

где Ea и Eu – потенциальная энергия атмосферы карьера, соответственно, при адиабатическом и инверсионном состоянии, Дж.

М.М. Конорев [2] провёл анализ энергетического состояния атмосферы нескольких российских карьеров и показал, что для перевода их атмосферы из инверсионного состояния (γ = – 0,05 К/м) в адиабатическое (γ = 0,01 К/м) требуется от 531 до 1303 ГДж энергии, что эквивалентно количеству тепла, выделяющемуся при полном сгорании 12,3÷30,0 т керосина.

Для аналогичного преобразования атмосферы карьера «Удачный» на разных этапах его отработки, по данным института «Якутнипроалмаз», требовалось от 3024 до 10728 ГДж тепловой энергии [12].

При анализе результатов оценки величины дефицита энергии ΔEy для разных карьеров было установлено, что представленные оценки не всегда могут быть подтверждены расчётом по известным уравнениям [9–11], в том числе по уравнениям М.М. Конорева [2] и сотрудников «Якутнипроалмаз» [12]. Во многих случаях расчётная величина Eu оказывалась больше величины Ea, а проверка корректности составленных уравнений обнаружила несоблюдение размерности в некоторых из них.

Эти недостатки были устранены в разработанной нами методике расчёта дефицита энергии неустойчивости ΔEy. На её основе проводился анализ энергетического состояния атмосферы действующего Центрального карьера Горевского свинцово-цинкового месторождения, расположенного на левом берегу и под руслом р. Ангара (Красноярский край).

При достижении предельной глубины горных работ H = 540 м дефицит энергии неустойчивости общекарьерной атмосферы может достигать

040 f2(2)

где сp = 1009 Дж/(кг·К) – удельная изобарная теплоёмкость воздуха; ρuv– средняя по объёму плотность воздуха в карьере при инверсионном состоянии атмосферы, кг/м3; 040 f2a– объём карьера, форма которого приближённо описывается усечённым конусом при радиусах оснований по верху r1 = 690 м и дну r2 = 80 м; , – средняя по объёму температура воздуха в карьере, соответственно, при адиабатическом и инверсионном состояниях атмосферы, К.

Значения параметров Tаv, Tиv и ρиv с достаточной точностью были определены по формулам:

040 f3

где T1 = 253,2 K – температура воздуха на поверхности карьера; γа = 0,01 К/м и γи = –0,05 К/м – вертикальный температурный градиент, соответственно, при адиабатическом и инверсионном состоянии атмосферы;

040 f3a– глубина горизонта, делящего объём Центрального карьера Vк пополам [13];

040 f3b– статическое давление воздуха на глубине HV при инверсионном состоянии атмосферы (здесь p1 = 101325 Па – статическое давление воздуха на поверхности карьера;

ΔTK=T1-Tиv=7.6K – разность температур воздуха на поверхности карьера и на глубине HV при инверсионном состоянии атмосферы);

R = 287,1 Дж/(кг·К) – газовая постоянная для воздуха.

Для оценки корректности представленной методики расч ёт величины ΔEy был продублирован более трудоёмким методом интегрального суммирования. Погрешность полученного результата (ΔEy = 4072 ГДж) составила 1,3%, что несущественно при решении подобного рода инженерных задач.

По нашему мнению, для восполнения дефицита тепла и нормализации атмосферы карьера Горевского ГОК в зимний период целесообразно подавать свежий воздух с поверхности в его нижнюю часть по воздуховодам диаметром до 2,0÷2,5 м. Такое предположение базируется, во-первых, на результатах теоретических и экспериментальных исследований В.С. Никитина и Н.З. Битколова [4], показавших, что для случаев развития инверсии в масштабах всего карьера для её разрушения требуется подача воздуха с поверхности в объёме Vв = 0,3·Vк , м3. (6)

Во-вторых, как известно, при инверсионном распределении температур в атмосфере карьера тепловое воздействие трубопроводных вентиляционных систем на проветриваемый объём многократно превышает затраты энергии на обеспечение этого воздействия [3, 14].

Согласно условию (6), для восстановления естественных воздухообменных процессов после возникновения температурной инверсии на Центральном карьере может понадобиться 10ч15 суток непрерывной работы вентилятора производительностью 70ч100 м3/с. Однако в рассматриваемом случае имеется возможность существенно сократить время и затраты на разрушение инверсии за счёт использования тепловых ресурсов протекающей реки (рис. 1).

Рис. 1 Схема подачи в карьер нагреваемого в теплообменных каналах воздуха

Рис. 1 Схема подачи в карьер нагреваемого в теплообменных каналах воздуха

С этой целью подвод воздуха к размещённой на руслоотводной дамбе 1 со стороны нерабочего борта карьера 2 вентиляторной станции 3 осуществляют по всасывающему воздуховоду 4, включающему погружённый в реку 5 разветвлённый теплообменный участок 6. Теплообменные каналы выполняют из стальных труб диаметром 0,1÷0,25 м, обладающих отрицательной плавучестью в воде при соединении с двумя коллекторами 7. От вентиляторной станции к нижней зоне карьера прокладывают нагнетательный воздухопровод 8, выполненный из пневматических или стеклопластиковых теплоизолированных труб большого диаметра и оснащённый в верхней своей части воздушным клапаном 9.

В тёплое время года при развитом естественном воздухообмене атмосферы карьера с внешней средой охлаждённый в реке воздух поступает в карьер по воздухопроводным каналам 4, 6, 8 самотёком. Вентилятор 3 включают в работу лишь на короткие промежутки времени, например, после производства взрывных работ. Прилегающий к рабочим зонам карьера нижний участок нагнетательного воздухопровода 8 при тёплой погоде может быть демонтирован, а в осенний период восстановлен.

В холодное время года в условиях дефицита тепловой энергии и частых нарушений естественного воздухообмена приступают к принудительной подаче в карьер свежего воздуха, нагретого в теплообменных каналах 6 до положитель- ных температур. Суммарная мощность механического и теплового воздействия средств вентиляции на атмосферу карьера в этом случае может в десятки раз превосходить электрическую мощность вентиляторной станции. В результате достигается прямой санитарно-гигиенический эффект, вызванный поступлением в нижнюю застойную зону карьера свежего воздуха, и косвенный, связанный с компенсацией дефицита тепла и поддержанием естественного воздухообмена.

Воплощение предлагаемого способа в карьере глубиной свыше 400÷500 м может быть осложнено большой вероятностью опасного возрастания противодавления в воздухопроводной сети при перемещении тёплого воздуха сверху вниз в условиях отрицательных внешних температур.

Гидростатическая составляющая полного давления вентилятора в таких случаях может приближаться к 1000 Па и даже превышать эту величину, что не позволяет эксплуатировать современный рудничный вентилятор в пределах рабочей зоны без оперативного регулирования его аэродинамических параметров. Для обеспечения устойчивой и производительной работы вентиляционной установки и предотвращения помпажа предусмотрено ограничивать полное давление вентилятора за счёт регулирования аэродинамических параметров воздушного потока в воздухопроводной сети путём выпуска некоторой части перемещаемого воздуха через воздушный клапан 9.

При этом временно уменьшается поступление свежего воздуха на дно карьера, а производительность вентилятора и, соответственно, подача свежего воздуха в карьер возрастают. На основе предварительно разработанной методики расч ёта воздуховодов с водяным подогревом [6] была произведена оценка технических параметров трубопроводной вентиляционной системы, предназначенной для разбавления загрязнений в нижней застойной зоне карьера Горевского ГОК, а также для разрушения или предупреждения температурных инверсий в его атмосфере.

Рис. 2 Изменение дефицита энергии неустойчивости 􀆋E􀈧 атмосферы карьера Горевского ГОК в зависимости от вертикального температурного градиента 􀆢 при глубине карьера H

Рис. 2 Изменение дефицита энергии неустойчивости ΔEy атмосферы карьера Горевского ГОК в зависимости от вертикального температурного градиента при глубине карьера H

Использование рассматриваемой вентиляционной системы целесообразно на заключительных этапах разработки карьера при изменении его текущей глубины в диапазоне H = 250÷540м, когда в результате ухудшения условий ветрового проветривания станут возможны частые и продолжительные остановки горных работ, обусловленные загазованностью атмосферы [5]. Сопоставление результатов анализа энергетического состояния атмосферы карьера (рис. 2) с вышеприведёнными техническими характеристиками средств вентиляции показывает, что для восполнения дефицита тепла в карьере не более чем за 24 часа при Vв ≈ 0,1·Vк необходимы от одной (при достижении карьером глубины H = 250 м и объёма Vк = 84 млн. м3) до четырёх вентиляционных установок с индивидуальной производительностью 100 м3/с.

Предлагаемый способ проветривания глубоких карьеров требует присутствия вблизи карьера мощных природных источников тепла и имеет ограниченную область применения. В общем случае вентиляцию объекта открытых горных работ целесообразно осуществлять высокопроизводительными трубопроводными системами, реализующими динамические схемы комбинированного проветривания [3, 14]. Для этого необходимы трубопроводные коммуникации, допускающие относительно быстрое их перемещение в карьерном пространстве и безопасную эксплуатацию с учётом существующих транспортных и электросиловых связей с поверхностью.

Технические параметры системы проветривания карьера Горевского ГОК

Двухканальные пневматические воздуховоды для комбинированной вентиляции рабочих зон карьера

Предварительные расчёты, выполненные с учётом технических характеристик современных воздуходувных машин, показали, что для механической вентиляции застойных зон карьера объёмом в миллионы и десятки миллионов м3 требуются воздуховоды с внутренним диаметром 2,0÷2,5 м и более. Воздухопроводы таких размеров могут быть изготовлены из стеклопластика или образованы надувными конструкциями разных модификаций, например, заполненными гелием цилиндрическими баллонами с магистральным осевым каналом [3, 14]. На рис. 3 представлен запатентованный [15] двухканальный пневматический трубопровод, форма и несущая способность которого обеспечиваются внутренним давлением заключённого в оболочку воздуха.

Рис. 3 Конструктивная схема вентиляционного комплекса с двухканальным пневматическим воздуховодом

Выполненные из таких труб воздуховоды большого диаметра – лёгкие, быстровозводимые и недорогие.

Предлагаемый пневматический трубопровод 1 состоит из двух гибких цилиндрических оболочек – внешней 8 и внутренней 9, образующих всасывающий канал 13 круглого сечения и нагнетательный канал 7 кольцевого сечения.

Главный отличительный признак трубопровода новой конструкции – возможность подачи по нему свежего воздуха и одновременного удаления загрязнённого. Основное предназначение – реализация динамических схем комбинированного проветривания рабочих зон глубоких и сверхглубоких карьеров.

При подготовке двухканального трубопровода 1 к работе его эластичные оболочки с канатной растяжкой 2 и подвесками 3 укладывают по намеченной трассе на нерабочем борту и на дне карьера, после чего на бермах обустраивают анкеры для крепления мягких хомутов трубопровода. Затем осуществляют предварительное натяжение растяжки 2, соедин ённой одним своим концом с помощью хомута 4 с трубопроводом 1, путём фиксации её другого конца к усиленному анкерному креплению 5 на одной из верхних берм карьера. Далее с помощью нагнетательного вентилятора 6 заполняют воздухом надувную стенку 7 трубопровода с приданием ей объёма, ограничиваемого внешней 8 и внутренней 9 цилиндрическими оболочками и глухим кольцевым торцом 10. Под действием сил избыточного статического давления вентилятора в надувной стенке возникают радиальные и продольные касательные напряжения.

Одновременно под действием сил давления на глухой торец 10 надувной стенки в напряжённое состояние приводится канатная растяжка. В результате концевой участок воздуховода принимает рабочее положение на высоте 30ч90 м над дном карьера с размещением его всасывающего (приёмного) отверстия 11 в зоне пылегазовых скоплений.

Затем включают в работу всасывающий вентилятор 12, присоединённый к осевому каналу 13 трубопровода 1, что обеспечивает разрежение у приёмного отверстия 11 и транспортировку загрязнённого воздуха по осевому каналу 13 из застойной зоны за пределы карьера. Вслед за включением в работу вентилятора открывают заслонки выпускных отверстий 14 с поворотными соплами, после чего из надувной стенки под действием нагнетательного вентилятора в карьер поступают струи свежего воздуха. Эти струи разбавляют загрязнения на периферии пылегазовых скоплений и перемещают их к всасывающему отверстию.

Для компенсирования сил избыточного давления на осевой канал 13 пневматического воздуховода и поддержания круглой формы его поперечного сечения статические усилия на внешнюю 8 и внутреннюю 9 оболочки надувной стенки 7 перераспределяют с помощью радиальных малорастяжимых шнуровых стяжек или продольных перфорированных тканевых перегородок 15.

Поворот концевой части трубопровода вокруг фиксированной оси 16 можно выполнять с помощью канатных леб ёдок (на рис. 3 они не показаны), а также путём регулирования суммарного импульса реактивных сил, возникающих при истечении воздушных струй из отверстий 14, с помощью управляемых заслонок.

Для освобождения пневматического воздуховода от снежного или ледяного покрова предусмотрено кратковременное выключение нагнетательного вентилятора 6, приводящее к сбросу давления в надувной стенке 7.

Рис. 4 Расчётная схема двухканального пневматического воздуховода AC с канатной растяжкой CD и системой подвесок

Рис. 4 Расчётная схема двухканального пневматического воздуховода AC с канатной растяжкой CD и системой подвесок

Для детальной оценки конструктивных параметров предлагаемых двухканальных воздуховодов была разработана методика их расчёта, реализованная на примере условного глубокого карьера при следующих исходных данных (рис. 4):

температура, давление и плотность атмосферного воздуха на поверхности карьера ТА = 253,2 K, pA = 101325 ПА и ρА = 1,394 кг/м3; вертикальный температурный градиент атмосферы внутри карьера γ = -0,045К/м (инверсия); длина двухканального пневматического воздуховода LАС = 700м длина стационарного участка AВ воздуховода LAB = 550м длина подвесного участка ВС воздуховода LBC = 150м; геометрическая высота воздуховода HАС =270м высота продольной оси подвесного участка ВС воздуховода относительно дна карьера h = 62,5м; длина пролёта канатной растяжки lCD = 235м; разность высотных отметок концов C и D растяжки HСD = 142м; угол наклона хорды пролёта растяжки CD к горизонтальному участку ВС воздуховода β= arctg(HCD / lCD) = 31,1°; производительность всасывающего вентилятора QВ = 300м3/с; производительность нагнетательного вентилятора Qи = 0,5·QB = 150м3/c количество выпускных отверстий с поворотными насадками для истечения воздушных струй в карьерное пространство nо = 6; расход воздуха в начальном сечении истекающей из насадка струи Qо =25м3/с, угол установки насадок α=45°.

Для обеспечения заданного расхода воздуха во всасывающем и нагнетательном каналах воздуховода были приняты вентиляторы Артёмовского машиностроительного завода ОАО «Вентпром» (Россия, Свердловская область) ВО-32-18 АР и ВО-24-14 АР [16].

Расчёт технических параметров воздухопроводных каналов выполнялся исходя из условия обеспечения рабочего положения поворотного участка BC двухканального пневматического воздуховода при следующем балансе действующих сил:

Pc+Fи-R-FB≥ Т*cosβ (7)

где Pc– сила статического давления воздуха на торец С нагнетательного канала воздуховода; Fи – реакция силы трения воздуха о стенку нагнетательного канала подвесной части воздуховода; R – реактивная сила от истечения воздушных струй через поворотные насадки; Fв – реакция силы трения воздуха о стенку всасывающего канала подвесной части воздуховода; T – натяжение канатной растяжки СD воздуховода.

Технические параметры и показатели двухканального воздуховода

Расчёт усилий на растяжку CD и подвески осуществлялся в основном по уравнениям, рекомендованным А.И. Дукельским [17]. Расстояние между соседними подвесками было принято равным длине одной секции воздуховода lс = 30 м. Предварительные расчёты показали, что варианты с меньшим количеством подвесок технически неприемлемы из-за больших прогибов звеньев воздуховода. При действующих усилиях диаметр лавсанового каната растяжки был принят равным 0,025 м, диаметр лавсановых канатных подвесок – 0,01 м. Некоторые другие параметры растяжки и подвесок приведены ниже.

Геометрические параметры канатной растяжки и подвесок воздуховода в прямоугольной системе натуральных координат XDY

Выполненные расчёты позволили определить геометрические размеры, аэродинамические, силовые и прочностные показатели мобильного двухканального пневматического воздуховода диаметром 3,2/5,2 м. Применение предлагаемого вентиляционного комплекса на объектах открытых горных работ технически осуществимо. При его использовании становится возможной реализация динамических схем комбинированного проветривания глубоких и сверхглубоких карьеров трубопроводным способом, что существенно улучшит качество внутрикарьерной атмосферы и позволит снизить экономические потери, связанные с вынужденными простоями технологического оборудования из-за сверхнормативной загазованности рабочих зон.

Широкие перспективы эффективного применения имеют стационарные двухканальные воздуховоды с наружным диаметром до 1.0÷1.5м. Их использование наиболее целесообразно при комбинированной вентиляции строящихся подземных сооружений, например, тоннелей.

Журнал "Горная Промышленность"№1 (125) 2016, стр.40