О применении аэростатических аппаратов на открытых разработках
В.Д. Буткин, Е.Н. Касьянова, А.С. Морин, Сибирский федеральный университет(Красноярск)
На современном этапе развития открытых горных разработок выделяются две объективные особенности:
- рост глубины карьеров, более 50% которых имеют проектную глубину 150-1000 м;
- быстрый рост доли нагорных карьеров: равнинные месторождения истощаются, а минеральные ресурсы горных регионов практически неисчерпаемы [1 ].
Для глубоких и нагорных карьеров наиболее острыми являются проблемы транспорта горной массы, охраны окружающей среды и безопасности труда. Для их решения ведется поиск новых технологий и технических средств, так как существующие характеризуются большими энерго- и трудозатратами.
По нашему убеждению, к числу перспективных для карьеров относятся технологии, основанные на использовании аэростатических аппаратов. В последние годы предложено значительное количество карьерных аэростатных систем для основных - транспорт и выемочно-погрузочные работы [2], и вспомогательных - искусственное проветривание [3], технологических процессов.
Ниже рассматриваются наиболее перспективные и близкие к практической реализации карьерные аэростатные комплексы, разработанные в Сибирском федеральном университете (СФУ).
Быстровозводимые энергосберегающие аэростатно-канатные транспортные системы
Сотрудниками СФУ разработан аэростатно-канатный спуск (АКС) на основе запатентованного способа транспортирования горной массы [4], отличающийся от известных грузовых канатных дорог принципом функционирования и возможностью работы в автономном режиме без подвода топливной или электрической энергии от внешних источников. АКС предназначен, в основном, для выполнения транспортных работ при нисходящих грузопотоках, большие масштабы которых характерны не только для нагорных, но и для равнинных карьеров. Огромные объемы по транспортированию вскрышных пород связаны с внешним и внутренним отвалообразованием, с перемещением горной массы на концентрационные горизонты, с засыпкой и рекультивацией выработанного пространства отработанных карьеров и т.д.
АКС имеет простую конструкцию (рис. 1). Транспортная магистраль образована одним или несколькими направляющими канатами 1, натянутыми с определенным усилием с помощью контргрузов 2 между двумя опорами 3 и 4, расположенными на нижнем и верхнем горизонтах. По канатной магистрали свободно перемещается грузовая емкость 5, соединенная с аэростатом 6, который является источником тяги для подъема порожней емкости на верхний горизонт и частично облегчает груз при спуске, обеспечивая заданную высокую грузоподъемность, не достижимую обычными грузовыми подвесными канатными дорогами.
Энергетическая автономность АКС (при углах наклона хорды пролета больше 10°) связана с тем, что свободная грузоподъемность аэростата F0 устанавливается меньше полезной грузоподъемности Е транспортной системы. В результате этого спуск груженой емкости осуществляется под действием силы Е - Fo, а возврат емкости - под действием силы Fo, т.е. в обоих случаях используется гравитационная энергия. Кроме того, при работе АКС можно генерировать электроэнергию с промышленными параметрами и в большем количестве, чем при использовании, например, наклонных конвейеров, работающих на спуск горной массы. Процесс рекуперации оптимален при соотношении Fo/Е = 0.5.
Большого внимания заслуживают аэростатно-канатные подъемники (АКП), позволяющие транспортировать груженую горной массой емкость (уравновешенную подъемной силой аэростата) с глубоких горизонтов карьера на поверхность, по кратчайшему расстоянию с помощью тяговых канатов [5]. АКП целесообразно применять в карьерах с обширным выработанным пространством, где горные работы осуществляются современными экскавационными машинами (от экскава-торов-мехлопат, драглайнов до горных комбайнов типа Wirtgen, KSM, Vermeerи т.п.), рис. 2. Основное преимущество АКП заключается в высоком коэффициенте полезного использования энергии, превышающем 70%, против 14% при автомобильном и 45% при конвейерном видах транспорта [2].
Семейство АКП и АКС дополняют комбинированные аэростатно-канатные транспортные системы (АКТС), совмещающие процесс подъема полезного ископаемого на поверхность с процессом спуска породы для их укладки во внутренние отвалы [6]. При этом для подъема груза используется гравитационная энергия нисходящего потока.
Применение АКТС в определенных условиях может привести к глубоким преобразованиям технологии открытого способа разработки месторождений, способным повысить его экологическую безопасность и резко снизить ресурсо- и энергоемкость горного производства.
Аэростатные крылья для интенсификации проветривания глубоких карьеров
Актуальность создания безопасных атмосферных условий на рабочих местах в карьерах по мере их углубления и увеличения угла откоса бортов постоянно возрастает [7]. Существует большое количество технических предложений по общеобменной вентиляции глубоких и сверхглубоких карьеров [3]. В качестве целесообразного метода вентиляции признан трубопроводный способ [3, 8, 9, 10, 11], наиболее эффективно реализуемый с помощью мобильных систем с гибкими аэростатическими трубопроводами [3, 8, 9, 12].
При этом вопрос о целесообразности искусственной вентиляции глубоких карьеров до настоящего времени остается дискуссионным, что в основном связано с отсутствием аргументированного обоснования необходимости соблюдения санитарно-гигиенических норм во всем объеме карьерного пространства при известных экономических и энергетических ограничениях. Вместе с тем, существуют менее затратные способы нормализации атмосферы глубоких карьеров, основанные на интенсификации естественных возду-хообменных процессов. Активизация естественного воздухообмена может быть инициирована выполнением особых технологических мероприятий или с помощью специальных сооружений и устройств, включая теплообменные системы, воздухопроводные каналы с естественной тягой, механические и электромагнитные комплексы и другого [3].
Одним из наиболее действенных методов улучшения естественного проветривания карьеров является возведение заграждений, деформирующих ветровой поток с повышением его скорости во внутрикарьерном пространстве или увеличением (на 20-40%) угла раскрытия воздушной струи. Заграждения могут выполняться в виде отвалов горных пород, воздушных, водяных и водовоздушных завес, а также крупных пластин (щитов) или эластичных крыльев. Экспериментально доказано, что наличие ветрона-правляющего заграждения над карьером ведет к полной ликвидации зоны рециркуляции в его глубокой части [13], где в обычных условиях нарушения состава воздуха имеют тяжелый, хронический характер.
С целью расширения возможностей эффективного использования природных сил при управлении пылегазовым режимом глубоких карьеров сотрудниками СФУ было предложено аэростатное заграждение [14], схема и принцип работы которого представлены на рис. 3. Заграждение выполнено в виде плавучего эластичного крыла 1, заполненного аэростатным газом (гелий, горячий воздух и др.) и удерживаемого со стороны подветренного борта карьера тросами 2, наматываемыми на лебедки. Изменение угла наклона и высоты установки ветронаправляющего заграждения 1 осуществляют регулированием длины тросов 2 посредством передвижных лебедок 3.
Данное устройство позволяет управлять не только ветровыми, но и тепловыми схемами естественного проветривания карьеров. Например, с целью создания или интенсификации конвективных воздушных потоков аэростатное крыло 1 может быть размещено над рабочим бортом (рис. 4), при этом внутрь его оболочки с помощью воздуходувки 2 через трубопровод 3 подают горячий воздух. Избыточные объемы стравливаются из оболочки через предохранительный клапан. В результате, в зоне дислокации теплового аэростата создается положительный температурный градиент, образующий мощные восходящие потоки воздуха [15].
Перечисленные возможности интенсификации естественного воздухообмена в карьере могут быть дополнены колебательными движениями аэростатного крыла, вызывающими «поршневой» эффект.
Предлагаемое устройство позволяет оперативно изменять схемы естественного проветривания глубоких карьеров за счет своей рациональной многофункциональной конструкции и высокой мобильности, которая является отличительной особенностью всех рассмотренных в данной статье карьерных аэростатных систем.
Использованные источники:
1. Ильин СА. Нагорные карьеры мира. Ч. 1. Нагорные карьеры дальнего зарубежья. - М.: ИАЦ ГН, 1993. - 224 с.
2. Буткин ВД., Морин А.С. Изыскание эффективных аэростатно-канатных систем для технологических комплексов открытых горных работ / В сб.: Вопросы теории открытых горных работ. - М.: МГГУ, 1994. - С. 193-208.
3. Морин А.С. Технология проветривания глубоких и сверхглубоких карьеров. - М.: МАКС Пресс, 2006. -160 с.
4. Авторское свидетельство №1776795 Е21С 41/26 (СССР ). Способ транспортирования горной массы / Буткин В.Д., Морин А.С. - №4815023/03; заявл. 18.04.1990; опубл. 23.11.1992. - Бюл. №43.
5. Патент №2052115 Е21С 41/26 (РФ). Способ транспортирования горной массы / Морин А.С., Буткин ВД. - №93029517/03; заявл. 27.05.1993; опубл. 10.01.1996. - Бюл. №1.
6. Патент №2114308 Е21С 41 /26 (РФ). Способ транспортирования горной массы / Буткин В.Д., Морин А.С., Кравцов В.В., Демченко И.И. - №96100297/0,3; заявл. 05.01.1996; опубл. 27.06.1998. - Бюл. №18.
7. Морин А.С. Роль методов искусственного проветривания в комплексе мероприятий по управлению пылегазовым режимом карьеров / Известия вузов. Горный журнал. -2007. - №1. - С. 24-28.
8. Морин А.С. Трубопроводная вентиляция на карьерах / Горная Промышленность. -2002. - №3. - С. 40-43.
9. Морин А.С. Изыскание оптимальных схем и средств искусственной вентиляции глубоких карьеров / Безопасность труда в промышленности. - 2002. - №12. - С. 43-47.
10. Косарев Н.П., Тимухин СА, Попов Ю.В., Потапова А.С., Камышева Н.Е. Аэродинамика струйно-всасывающей схемы вентиляции застойных зон глубоких карьеров / Известия вузов. Горный журнал. - 2005. - №6. - С. 16-18.
11. Тимухин СА., Попов Ю.В., Камышева Н.Е. Оценка аэродинамических и энергетических характеристик осевых вентиляторов, создаваемых на базе авиационных винтов / Известия вузов. Горный журнал. - 2007. - №1. - С. 82-84.
12. Патент №2148717 E21F1/00 (РФ). Способ проветривания карьеров / Морин А.С., Буткин В.Д. - №98104351/03; заявл. 16.02.1998; опубл. 10.05.2000. - Бюл. №13.
13. Битколов Н.З., Медведев И.И. Аэрология карьеров. - М.: Недра, 1992. - 264 с.
14. Патент №2172838 E21F1 /00 (РФ). Устройство для проветривания карьеров / Морин А.С., Буткин В.Д., Бартель А.Я., Касьянова Е.Н., Зимаков ЕА. -№2000111293/03; заявл. 06.05.2000; опубл. 27.08.2001. - Бюл. №24.
15. Патент №2172839 E21F1 /00 (РФ). Способ искусственной вентиляции глубоких карьеров / Морин А.С., Буткин В.Д. - №2000111294/03; заявл. 06.05.2000; опубл. 27.08.2001. - Бюл. №24.
