Численное моделирование процессов естественного проветривания карьера при вариации его глубины в условиях инверсионного состояния атмосферы
П.В. Амосов1, А.А. Бакланов2, 3
1 Институт проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра Российской академии наук, г. Апатиты, Российская Федерация
2 Всемирная метеорологическая организация, Женева, Швейцария
3 Российский государственный гидрометеорологический университет, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
Горная Промышленность №5S / 2023 стр. 65-71
Резюме: Целью исследования является оценка влияния параметра фоновой стратификации и глубины карьера на время естественного проветривания карьера и уровень загрязнения атмосферы верхнего борта карьера вниз по ветровому потоку при проведении взрывных работ в условиях Севера. Использована аэротермодинамическая модель атмосферы, в которой уравнения динамики в приближении несжимаемой жидкости дополнены уравнением переноса тепла, а также учетом механизмов плавучести и фоновой стратификации. Модель реализована в неспециализированной программе COMSOL и позволяет выполнять исследования аэротермогазодинамики атмосферы при ее различных состояниях. Двухмерная CFD-модель атмосферы карьера апробирована на процессе проветривания по рециркуляционной схеме. Проварьированы параметр фоновой стратификации (от 0,0 до +0,025 °С/м с шагом 0,005 °С/м) и глубина карьера от 300 до 700 м. Зафиксированы скорость ветрового потока 1 м/с на верхнем борту карьера, начальное местоположение пылегазового облака (по центру карьера вблизи подошвы) и угол откоса борта карьера 45°. Показано существенное увеличение времени естественного проветривания карьера при усилении инверсионного состояния атмосферы. Спрогнозировано два вида формирования области максимального загрязнения с ростом глубины карьера: 1 ‒ смещение от центра к подветренному борту карьера при нейтральной стратификации и 2 ‒ положение по центру карьера вблизи подошвы при положительной фоновой стратификации. Показано, что рост глубины карьера и увеличение параметра фоновой стратификации приводят к заметному росту времени достижения максимума концентрации на верхнем борту карьера и снижению величины этого максимума. Для рециркуляционной схемы проветривания усиление инверсионного состояния атмосферы увеличивает время естественного проветривания, но снижает уровень загрязнения атмосферы верхнего борта карьера вниз по потоку.
Ключевые слова: численное моделирование, взрывные работы, проветривание карьера, нейтральное и инверсионное состояния атмосферы
Благодарности: Работа выполнена в рамках темы НИР № гос. рег. 1021051803680-5 «Процессы трансформации природных и техногенных систем в условиях изменения климата в Арктической зоне Российской Федерации (на примере Мурманской области)». Часть исследований выполнена за счет гранта Российского научного фонда №23-77-30008.
Для цитирования: Амосов П.В., Бакланов А.А. Численное моделирование процессов естественного проветривания карьера при вариации его глубины в условиях инверсионного состояния атмосферы. Горная промышленность. 2023;(5S):65–71. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2023-5S-65-71
Информация о статье
Поступила в редакцию: 15.09.2023
Поступила после рецензирования: 22.11.2023
Принята к публикации: 02.12.2023
Информация об авторах
Амосов Павел Васильевич – кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, Институт проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра Российской академии наук, г. Апатиты, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-7725-6261; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Бакланов Александр Анатольевич – доктор физикоматематических наук, профессор, научный сотрудник отдела науки и инноваций; Всемирная метеорологическая организация, Швейцария, Женева; главный научный сотрудник, Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-5396-8440; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Список литературы
1. Лукичев С.В. (ред.) Научные и практические аспекты применения цифровых технологий в горной промышленности. Апатиты: Кольский научный центр Российской академии наук; 2019. 192 с.
2. Амосов П.В., Бакланов А.А. Разработка модели аэротермодинамики атмосферы для исследования процессов пыления на хвостохранилищах с использованием программы COMSOL. Вестник МГТУ. 2023;26(1):25–44. https://doi.org/10.21443/1560-9278-2023-26-1-25-44
3. Lowndes I.S., Silvester S.A., Kingman S.W., Hargreaves D.M. Improved multi-scale computational modelling of fugitive dust dispersion from surface mining operations. Українській гідрометеорологічний журнал. 2009;(4):178–186.
4. Raj K.V. Three dimensional computational fluid dynamics models of pollutant transport in a deep open pit mine under Arctic air inversion and mitigation measures. Ph.D. Thesis. Available at: https://scholarworks.alaska.edu/handle/11122/5756
5. Wang Y., Du C., Xu H. Key factor analysis and model establishment of blasting dust diffusion in a deep, sunken open-pit mine. ACS Omega. 2021;6(1):448–455. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c04881
6. Huang Z., Ge S., Jing D., Yang L. Numerical simulation of blasting dust pollution in open-pit mines. Applied Ecology and Environmental Research. 2021;17(5):10313–10333. https://doi.org/10.15666/aeer/1705_1031310333
7. Balogh M., Parente A., Benocci C. RANS simulation of ABL flow over complex terrains applying an enhanced k-ε model and wall function formulation: implementation and comparison for Fluent and OpenFOAM. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2012;104–106:360–368. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2012.02.023
8. Flores F., Garreaud R., Munoz R.C. OpenFOAM applied to the CFD simulation of turbulent buoyant atmospheric flows and pollutant dispersion inside large open pit mines under intense insolation. Computers & Fluids. 2014;90:72–87. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2013.11.012
9. Баширов Н.Р. Метод динамического проектирования отвалов при предварительной симуляции воздушного потока. Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2018;(2):40–47. https://doi.org/10.21440/0536-1028-2018-2-40-47
10. Гридина Е.Б., Петров И.А. Опыт математического моделирования процесса проветривания Оленегорского карьера в программном комплексе FlowVision. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017;(S5-1):32–42.
11. Ястребова К.Н. Имитационное моделирование процесса обтекания бортов открытой горной выработки естественным ветровым потоком. Безопасность труда в промышленности. 2014;(8):60–62.
12. Гендлер С.Г., Борисовский И.А. Оценка особенностей формирования температурных инверсий при открытой добыче полезных ископаемых в условиях Арктики. Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2021;(4):59–75. https://doi.org/10.46689/2218-5194-2021-4-1-59-75
13. Амосов П.В., Козырев С.А., Назарчук О.В. Исследование влияния теплового фактора на аэродинамические параметры атмосферы карьера на основе трехмерного компьютерного моделирования. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019;(S37):322–332.
14. Назарчук О.В. Исследование процесса загрязнения атмосферы карьерного пространства от точечных стационарных источников в условиях температурной инверсии и штиля. Проблемы недропользования. 2021;(4):97–104. https://doi.org/10.25635/2313-1586.2021.04.097
15. Бублик С.А., Семин М.А. Математическое моделирование тепло- и воздухораспределения в карьерах при естественном проветривании. Горное эхо. 2022;(1):126–133. https://doi.org/10.7242/echo.2022.1.20
16. Амосов П.В. Доминирующий фактор в паре «взрывные работы – ветровой режим» // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2020;(54):93–98. https://doi.org/10.36807/1998-9849-2020-54-80-93-98
17. Никитин В.С., Битколов Н.З. Проектирование вентиляции в карьерах. М.: Недра; 1980. 171 с.
18. Марчук Г.И. Математической моделирование в проблеме окружающей среды. М.: Наука; 1982. 320 с.
19. Пененко В.В. (ред.) Методы математического моделирования в гидродинамических задачах окружающей среды. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР; 1983. 168 с.
20. Пененко В.В., Алоян А.Е. Модели и методы для задач охраны окружающей среды. Новосибирск: Наука; 1985. 256 с.
21. Битколов Н.З., Пененко В.В. (ред.) Нормализация атмосферы глубоких карьеров. Л.: Наука; 1986. 296 с.
22. Бакланов А.А. Численное моделирование в рудничной аэрологии. Апатиты: КФАН СССР; 1988. 200 с.
23. Битколов Н.З., Медведев И.И. Аэрология карьеров. М.: Недра; 1992. 264 с.
24. Филатов С.С. Вентиляция карьеров. М.: Недра; 1981. 206 с.
