autoref-upravlenie-aerogazodinamicheskimi-i-teplomassoobmennymi-protsessami-pri-normalizatsii-atmosf

На правах рукописи
НЕСТЕРЕНКО ГЕННАДИИ ФИЛИППОВИЧ
УПРАВЛЕНИЕ АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИМИ И
ТЕПЛОМАССООБМЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ
ПРИ НОРМАЛИЗАЦИИ АТМОСФЕРЫ КАРЬЕРОВ
Специальность 25.00.20
«Геомеханика, разрушение горных пород,
рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»
Автореферат диссертации
на соискание ученой степени доктора технических наук
003444700
Пермь-2008 г.
Работа выполнена в Институте горного дела Уральского отделения Россий­
ской академии наук
Научный консультант
доктор технических наук, с н е
Конорев Михаил Максимович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Ермолаев Александр Иванович
доктор технических наук
Казаков Борис Петрович
доктор технических наук, профессор
Мохирев Николай Николаевич
Ведущая организация
Московский государственный горный
университет
Защита диссертации состоится « $ » £Н^^>у^
2008 г в
на заседа­
нии диссертационного совета Д004 026 01 при Горном институте УрО РАН по
адресу 614007, г Пермь, ул Сибирская, 78а
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Горного инсти­
тута УрО РАН
Автореферат разослан « ^°»
<<*^*>*UA
Ученый секретарь
диссертационного совета,
к г -м н, доцент
2008 г
Б А Бачурин
'П
CUL^
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
В развитии горнорудной промышленности прослеживается устойчивая
риентация на открытый способ разработки как наиболее экономичный и высоопроизводительный За последние 30 лет доля руд черных и цветных металлов,
обытых на карьерах, увеличилась соответственно с 56 до 86% и с 40 до 55% Иследованиями на многих карьерах установлено, что при высокой интенсификаии и концентрации производства, с увеличением глубины происходит загрязнеие вредными примесями атмосферы, превышающее ПДК по запыленности воз/ха на рабочих местах в 3-5 раз, по оксидам углерода в 1,5-3 раза, по оксидам
юта в 5-7 раз. Это приводит к появлению профессиональных заболеваний горорабочих, снижению производительности труда и производственному травма­
тизму
С ухудшением экологической обстановки на открытых горных работах в
0-60-х годах XX века начала интенсивно развиваться новая область горной науи - «Аэрология карьеров», основоположником которой был академик А А Скоинский Теоретической базой новой науки явились рудничная аэрогазодинамиа, горная теплофизика, метеорология и др Большое влияние на решение теореических и практических вопросов проблемы оздоровления условий труда на
арьерах и сокращения вредного воздействия на окружающую среду открытых
орных работ оказали труды члена-корреспондента АН УССР Ф А Абрамова;
окторов наук Н 3 Битколова, П В Бересневича, Л Д Вассермана, Г В Калабина,
Г. Качурина, М М. Конорева, К В Кочнева, А.А Кулешова, В А Михайлова,
- С Никитина В В Силаева, К 3 Ушакова, С С Филатова, кандидатов наук Я 3
ухмана, А А Вершинина, Ю В Гуля, И И Иванова, Л А Козакова, Н В Неча­
ева, А И Павлова, Г А Радченко, С М Рослякова, Ю Д Хечуева и других
Основными причинами загрязнения атмосферы карьеров являются несо­
вершенство технологических процессов и оборудования, ухудшение условий есественного воздухообмена с ростом глубины карьеров
Следует отметить, что при «нормальном» (естественном) воздухообмене
регулирование и управление пылегазовым и климатическим режимами в атмо­
сфере карьеров осуществляется за счет природных аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов Применяемые организационно-технические и тех­
нологические мероприятия обеспечивают лишь частичное сокращение выбросов
загрязняющих веществ (ЗВ) в окружающую среду Однако при отсутствии осад­
ков (дождь, град, снег, иней) выделяющиеся при работе технологического ком­
плекса вредные примеси выносятся ветровыми потоками и загрязняют приле­
гающие к карьерам территории - почву, воздушную и водную среды При мороси
и тумане в атмосфере карьеров может возникнуть «смог» вследствие адсорбции
частицами переувлажненного воздуха токсичных веществ (оксиды азота,
бенз(а)пирен, сажа и др), выделяющихся с отработавшими газами автотранспор­
та Кроме того, при происходит загрязнение почвы и поверхностных вод при вы­
носе ЗВ с адсорбированными осадками, а также подземных вод через поверхноз
ста выработанного карьерного пространства. Поскольку ПДК ЗВ для окружаю­
щей природной среды, в частности, для «селитебных зон», значительно (~ на по­
рядок) ниже, чем для атмосферы карьеров и промплощадок, то в данном случае
следует учитывать экологический ущерб, который не может быть скомпенсиро­
ван в виде платы за выбросы ЗВ
При неблагоприятных метеоусловиях (НМУ - сочетание штилей с инвер­
сиями) происходит лишь усугубление экологической ситуации, когда в соответ­
ствии с требованиями ЕПБ возникает необходимость прекращения производства
горных работ Продолжительность НМУ для карьеров Якутии, Восточной Сиби­
ри, Северо-Запада и Урала составляет соответственно 3500, 2720,1650 и 1220 ча­
сов в год Вынужденные простои карьеров вследствие превышения ПДК ЗВ при­
водят к экономическому ущербу предприятий и свидетельствуют о низкой эф­
фективности организационно-технических мероприятий и средств по регулиро­
ванию пылегазового режима В связи с этим, необходимость применения техни­
ческих способов и средств, позволяющих эффективно регулировать и управлять
пылегазовым и климатическим режимами в атмосфере карьеров путем искусст­
венного формирования аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов
для нормализации ее состава и предотвращения выброса ЗВ в окружающий воз­
душный бассейн является обязательным условием обеспечения безопасности
жизнедеятельности экосистемы «карьер - окружающая среда», в т ч и при нор­
мальном (естественном) воздухообмене
Серьезігую опасность для существования экосистемы «карьер - окружаю­
щая среда» представляют массовые взрывы Образующееся при взрывах пылегазовое облако (ПГО) при выходе за пределы карьера под воздействием ветра пе­
ремещается, загрязіия почву, поверхностные воды и значительные объемы окру­
жающего воздушного бассейна Кроме того, до 40-60 % вредных примесей оста­
ется во взорванной горной массе, что при отсутствии эффективных средств и
способов их подавления может привести к отравлению горнорабочих при экска­
вации и транспортировании В связи с этим, с экологической точки зрения произ­
водство массовых взрывов при высокой ветровой активности является недопус­
тимым без применения эффективных средств и способов подавления ЗВ в ПГО и
взорванной горной массе.
На основании предшествующих исследований установлено, что для обес­
печения экологической безопасности на открытых горных работах одним из пер­
спективных направлений является использование свободных турбулентных
струй
Состояние научных исследований, опытно-конструкторских работ и ре­
зультаты испытаний различных типов вентиляторов на основе авиационных вин­
тов и двигателей позволили перейти от испытаний единичных образцов вентиля­
торов к созданию систем всесезонного пылегазоподавления
Однако, в теоретическом и практическом планах в предшествующих науч­
ных работах не было уделено достаточно внимания исследованиям аэрогазоди­
намических и тепломассообменных процессов, происходящих в атмосфере карь­
еров и окружающей среде при воздействии газовоздушных и многофазных струй
и при массовых взрывах, а также обоснованию параметров конструктивных эле4
ментов и устройств средств пылегазоподавления
Следует отметить, что Государственной программой РФ в ближайшее вре­
мя предусмотрено развитие сырьевой базы в районе «Малого БАМа» (на юге
Якутии) с уникальным растительным и животным миром В связи с этим пробле­
ма обеспечения безопасности жизнедеятельности экосистемы «карьер - окру­
жающая среда» потребует кардинального решения при разработке месторожде­
ний полезных ископаемых открытым способом в сложных горно-геологичес-ких
и суровых природно-климатических условиях.
Объектом исследования является атмосфера карьера и окружающая среда,
санитарно-гигиенические параметры которых формируются под воздействием
метеорологических, горногеологических и технологических факторов Аэрогазо­
динамические и тепломассообменные процессы, протекающие в атмосфере карь­
ера и окружающей среде при воздействии многофазных струй и при массовых
взрывах, составляют предмет научного исследования
Цель работы - формирование рациональных аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов для нормализации атмосферы карьеров и обеспече­
ния экологической безопасности окружающей среды
Идея работы заключается в искусственном формировании в атмосфере
карьеров аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов с применени­
ем генераторав осадков на базе турбовинтовых двигателей (ТВД) для повышения
экологической безопасности открытых горных работ
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие
задачи
1 Определить аэрогазодинамические параметры турбулентных газовоз­
душных и многофазных потоков, создаваемых в атмосфере карьера генераторами
на основе турбовинтовых двигателей
2 Установить эффективность процессов восстановления естественного
воздухообмена методом физического моделирования и промышленного экспери­
мента
3 Теоретически и в промышленных условиях определить эффективность
тепломассообменньх процессов с применением генераторов осадков при поло­
жительных и отрицательных температурах в атмосфере карьера
4 Обосновать и разработать рациональные конструктивные элементы и
устройства мощных средств пылегазоподавления
5 Разработать теоретические основы азрогазодинамических и тепломас­
сообменных процессов, происходящих при массовых взрывах в карьерах,
6 Обосновать необходимый состав комплекса средств нормализации со­
става атмосферы карьеров
Основные научные положения, выносимые на защиту
1 Искусственное формирование в атмосфере карьеров рациональных аэро­
газодинамических и тепломассообменных процессов обеспечивает нормализа­
цию ее состава за счет разрушения температурных инверсий, активного пылега­
зоподавления и кондиционирования воздуха с применением генераторов газовоз­
душных и многофазных турбулентных струй и средств экологического монито­
ринга
5
2. Повышение эффективности искусственного формирования в атмосфере
карьеров аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов с применени­
ем генераторов осадков на базе турбовинтовых двигателей (ТВД) достигается за
счет оптимальных параметров входного коллектора и кожуха (насадка), приме­
нения конструктивных элементов и устройств - входных водораспылительных
контуров, гидравлических бесфорсуночных сопел, газовыводящих патрубков и
систем - шумоглушения, сканирования струй и регулирования их степени неизотермичности
3 Пылегазовое облако (ПГО) формируется и поднимается как изотропный
осесимметричный термик («пузырь») до уровня конвекции zK за время Тк При
этом изменение температурного перегрева, скорости и времени подъема описы­
ваются соответственно - линейно-гиперболической, тригонометрически-гипер­
болической и тригонометрической зависимостями После уровня конвекции уве­
личение относительного радиуса и уменьшение относительной концентрации
примесей во времени характеризуются соответственно параболической и гипер­
болической зависимостями
4 За счет предварительной обработки зоны взрыва и последующего актив­
ного воздействия на ПГО многофазных струй турбовентиляторов в атмосфере
карьера и облаке возникает инверсия, предотвращающая выход облака за преде­
лы карьера и обеспечивающая условия для активного его рассеяния и подавле­
ния
Научная новизна работы заключается в
- теоретическом обосновании параметров конструктивных элементов и
устройств мощных средств пылегазоподавления,
- обосновании комплекса средств при искусственном формировании ра­
циональных аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов для норма­
лизации состава атмосферы карьеров,
- разработке на основе лабораторных исследований и промышленных ис­
пытаний эффективных способов интенсификации искусственного воздухообмена
в атмосфере карьеров,
- установлении новых закономерностей процессов формирования, разви­
тия и распада ПГО на базе разработанных теоретических основ аэрогазодинами­
ческих и тепломассообменных процессов, происходящих при массовых взрывах,
- разработке теоретических основ аэрогазодинамических и тепломассооб­
менных процессов, происходящих в атмосфере карьеров и ПГО при формирова­
нии, развитии и рассеянии последнего во влажной стратифицированной атмосфе­
ре,
- разработке аналитических способов расчета параметров облака, зон воз­
можного загрязнения (ЗВЗ) и оценки эффективности воздействия на подавление
ПГО многофазных струй
Методы исследования При выполнении работы использован комплекс ме­
тодов, включающий анализ и обобщение ранее выполненных исследований по
проблеме, лабораторные и промышленные эксперименты, приборные и инстру­
ментальные измерения, математическое моделирование, вычислительная матема­
тика, объемное физическое моделирование при исследовании параметров струй и
б
процессов искусственного воздухообмена; опытно-промышленные испытания
средств и систем всесезонного пылегазоподавления
Личный вклад автора заключается в*
- обосновании параметров конструктивных элементов и устройств мощ­
ных средств пылегазоподавления, обеспечивающих улучшение аэрогазодинами­
ческих и санитарно-гигиенических характеристик,
- разработке и обосновании новой технологии тепломассообменных про­
цессов с применением перемещающихся в карьерном пространстве турбулентных
струй,
- разработке аналитических зависимостей для расчета дефицита энергии
неустойчивости атмосферы карьеров при температурных инверсиях,
- разработке теоретических основ процессов формирования, развития и
рассеяния ПГО при массовых взрывах в карьерах,
- разработке теоретических основ процессов развития ПГО во влажной
стратифицированной атмосфере карьеров и активного подавления облака с при­
менением многофазных струй,
- непосредственном участии в разработке, внедрении и промышленных
испытаниях средств и систем всесезонного пылегазоподавления на карьерах Ура­
ла, Казахстана, Средней Азии и Забайкалья
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомен­
даций подтверждается соответствием и непротиворечивостью теоретических вы­
водов фундаментальным законам физики, достаточно высокой степенью сходи­
мости (85%) результатов лабораторных и промышленных экспериментов по раз­
рушению температурных инверсий, представительным объемом лабораторных
экспериментов и промышленных испытаний средств искусственного воздухооб­
мена и пылегазоподавления на карьерах, разработкой теоретических основ аэро­
газодинамических и тепломассообменных процессов, происходящих при массо­
вых взрывах
Научная значимость работы заключается в систематизации, обобщении и
развитии научных исследований в области аэрологии карьеров, рудничной аэро­
газодинамики, горной теплофизики и разработке на этой основе научной методо­
логии экологически-оптимального управления пылегазовым и климатическим
режимами в атмосфере карьеров с целью обеспечения нормальных санитарногигиенических условий и снижения вредного воздействия открытых горных ра­
бот на окружающую среду
Практическое значение работы состоит в обосновании рациональных усло­
вий применения средств искусственного воздухообмена и подавления вредных
примесей в атмосфере глубоких карьеров, технико-экономическом обосновании
выбора типа привода карьерных вентиляторов, разработке аэродинамических
схем и конструкций карьерных вентиляторов-оросителей на базе ТВД, разработке
конструкций устройств для генерирования многофазных струй и твердых осад­
ков, разработке и внедрении в производство средств и систем всесезонного пыле­
газоподавления, разработке и испытании в промышленных условиях способов
интенсификации искусственного воздухообмена и подавления пылегазового об­
лака с помощью многофазных струй, разработке теоретических основ для расчета
7
пераметров ПГО и зон возможного загрязнения (ЗВЗ)
Реализация выводов и рекомендаций работы
Результаты исследований доведены до промышленного применения и во­
шли в проекты реконструкции карьеров трубка "Мир" (1980), Тейского (1986),
Оленегорского (1984,1990), Качарского (1990), Костомукшского (1992) ГОКов
Средства и системы всесезонного пылегазоподавления прошли промыш­
ленные испытания на карьерах Урала (ГБРУ, НТМК, комбинат «Ураласбест»),
Казахстана (ЦГХК), Средней Азии (НГМК, карьер «Мурунтау») и Забайкалья
(ПГХК и ЗабГОК)
Внедрение систем всесезонного пылегазоподавления на карьерах Целинно­
го (ЦГХК) и Приаргунского горно-химических комбинатов позволило получить
годовой экономический эффект 330 тыс руб (в ценах 1990 г)
Апробация работы Основные положения диссертации и ее результаты док­
ладывались и получили одобрение на технических совещаниях институтов Гипроруда,
ВНИПИпромтехнология,
Уралгипроруда,
ВНИИпроектасбест,
ВНИИБТГ, всесоюзных научных конференциях и совещаниях по проблемам аэ­
рологии карьеров и охраны труда «Физико-технические проблемы управления
воздухообменом в горных выработках больших объемов» (1976, 1979, 1983 гг),
«Проблемы аэрологии современных горнодобывающих предприятий» (1980),
«Теоретические и прикладные вопросы воздухообмена в глубоких карьерах»
(1985), «Эффективные технологии, способы и средства, обеспечивающие совре­
менные требования к экологии при разработке месторождений полезных иско­
паемых» (1990), Международном симпозиуме «Проблемы безопасности при экс­
плуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных
агломераций» (1995), Международной конференции «Горные науки на рубеже
XXI века» (1997), «Международной конференции по открытым и подземным
горным работам» (1998), Международной конференции «Проблемы геотехноло­
гии и недроведения» (1998), на второй международной конференции «Ресурсовоспроизводящие малоотходные и природоохранные технологии освоения недр»
(2003), ежегодных конференциях «Неделя горняка» (1997-2008 гг)
Результаты разработок экспонировались на ВДНХ СССР и были отмечены
тремя бронзовыми медалями Внедрение технических решений отмечено знаком
«Изобретатель СССР»
Диссертация обобщает разработки плановых научных исследований ИГД
УрО РАН (ИГД МЧМ СССР), выполненных с 1970 по 2008 гг
Публикации Основные положения диссертации отражены в 115 печатных
работах 95 статей, в том числе 21 — в научных изданиях, входящих в Перечень
ВАК, одна монофафия, 18 авторских свидетельств на изобретения, один патент
РФ
Объем и структура работы Диссертация состоит из 6 глав, изложенных на
355 страницах машинописного текста, содержит 21 таблицу, 87 рисунков и спи­
сок литературы из 221 наименования
Автор выражает глубокую и искреннюю благодарность докторам техниче­
ских наук А В Гальянову, М М Конореву, кандидатам наук А А Вершинину,
А И Павлову, СМ. Рослякову, О Г. Страшникову, инженерам М В Блонскому,
8
А А Киенко, В H Макарову, Ю Л Калифатиди, Т Г Петровой, В И Прибылеву
за помощь при проведении исследований и подготовке к диссертации к защите
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. Современное состояние исследований по проблеме нормализации
атмосферы глубоких карьеров
Технологические процессы на карьерах характеризуются интенсивным вы­
делением вредных примесей, загрязняющих как атмосферу карьера, так и окру­
жающую среду
Одним из основных источников мгновенного выделения в атмосферу карь­
еров пыли и вредных газов являются массовые взрывы Количество одновремен­
но взрываемых ВВ в рудных карьерах колеблется от 200 до 1000 т и более При
производстве массовых взрывов концентрация вредных примесей как в облаке,
так и в атмосфере карьера, а также в горной массе достигает значительных вели­
чин Удельный выброс пыли в пылегазовое облако достигает 0,027-0,17 кг/м гор­
ной массы, 63-80% осевшей в карьере пыли имеет дисперсность менее \-4мкм
Количество образовавшейся пыли и ее дисперсность изменяются в широких пре­
делах и зависят в основном от типа и крепости горных пород, степени их обвод­
ненности, удельного расхода ВВ и др
Важнейшими климатообразующими факторами, определяющими санитар­
но-гигиеническое состояние атмосферы карьеров, являются радиационный и вет­
ровой режимы районов расположения, а также синоптическая обстановка
В связи с тем, что полная энергия атмосферы карьера остается постоянной
при адиабатических переходах системы из одного состояния в другое, дефицит
энергии неустойчивости может быть рассчитан на основании уравнения
AEy=(Ea+EJa-(EB+EJa,
(1)
где индексы а - относятся к адиабатическому состоянию (y=yas0,01 К/и), и —
к инверсионному (у<0), Еп - потенциальная энергия системы, Дж, Ев - внутрен­
няя энергия системы, Дж
Поскольку на величину ЛЕУ определяющее влияние оказывает у, то при
y=idem, H h~idem, yHk/T0=idem, VK=idem, объем любого карьера может быть ап­
проксимирован усеченным конусом При этом величины Е„ и £ в определяются из
уравнений.
Е„ = ЯЗГА, Id " yh/T0)s * ч (і0 + h ctga)2h dh,
оH
Ев=лСѵРоТ0 J {\-yh/T0)*'* (r0 + h ctgafdh,
0
,
(2)
(3)
2
где g — ускорение силы тяжести, м/с , Ро - плотность воздуха у дна карьера,
кг/м3, у - температурный градиент, К/м, Сѵ - удельная теплоемкость воздуха при
постоянном объеме, Дж/кг К, Т0 - температура воздуха у дна карьера, К, R универсальная газовая постоянная, Дж/кг К, г0 - радиус дна карьера, м, а - сред­
ний угол наклона борта карьера, град
9
Значения £п и Ев вычисляются путем разложения первых сомножителей под
знаком интегралов в ряды и последующего их свертывания
В результате получены итоговые уравнения для вычисления внутренней и
потенциальной энергий
Ев=лСгр0Т0Нк\г0
\-~\
(4)
+r0Hkctga 1—'
'о J
_«4
3
4
(s l
AxJ&ffi) + : # № 1-^4 4UJ /£^a
^oy
v,
'о У
To )
#к
1V To J
(5)
Анализ расчетов показал, что для перевода атмосферы ряда карьеров из глу­
бокого инверсионного состояния (у =-0,05 К/м) в адиабатическое (у =0,01 Юм)
потребуется (5,31-13,03) 10 Док Это эквивалентно количеству тепла, выделяю­
щегося при полном сгорании 12,3-30 m керосина Однако, такие ситуации воз­
можны только в районах крайнего Севера и Якутии
Время разрушения температурной инверсии можно рассчитать по формуле
АЕѴ
Т
(6)
~ V п GT Ни'
где п - количество установок, Gj- часовой расход топлива ТВД одной установ­
ки, кг/ч, Ни - теплотворная способность топлива, Дж/кг, ij - к п д процессов сго­
рания в ТВД (7= 0,97-0,98)
По технологическим причинам для разрушения температурных инверсий
целесообразно применение средств большой единичной мощности
Следует отметить, что при разрушении инверсий с помощью твердых осад­
ков необходимо учитывать энергию, выделяющуюся в результате фазовых пере­
ходов воды в снег Время обработки атмосферы карьера можно существенно со­
кратить (на 10-15 %)
Г
Ф = АЕу/{п[штНу + (Сж - Сл )тжАТж ] j ,
(7)
где ЬЕу - дефицит энергии неустойчивости атмосферы карьера, Дж,отт- расход
топлива кг/с, Ну - теплотворная способность топлива, Дж/кг, п - количество ге­
нераторов осадков, шт, Сж, Сл - удельная теплоемкость жидкости и льда (снега),
Дж/кг К, /иж - расход жидкости, кг/с, АТЖ - разность температуры жидкости и
снега, К
Значительный объем исследований в решении проблемы пылегазоподавления при технологических процессах и производстве буровзрывных работ вы­
полнен институтом ВНИИБТГ Практический и научный интерес представляют
разработки КазПТИ, ЦНИЛ ВГСЧ бывш Минцветмета, НИИКМА, ЦНИИПП по
применению для этих целей пены на основе различных составов ПАВ Примене­
ние пены уменьшает подъем ПГО в 2-3 раза, в 3-4 раза быстрее осаждается обра­
зующаяся пыль
ю
Для подавления пыли при добыче, погрузке и транспортировании полезных
ископаемых, а также при их дроблении, измельчении и т д в России и за рубежом
применяют пену и различные составы на основе нефтяных смол, отходов целлю­
лозно-бумажного производства Эти и другие растворы применяются для пылеподавления на автодорогах, закрепления пылящих поверхностей хвостохранилищ, штабелей руды, обработки площадок для кучного выщелачивания
Значительный объем исследований по снижению вредных выбросов ОГ ди­
зельных двигателей выполнен в ИГД УрО РАН Особый интерес представляет
система снижения токсичности отработавших газов (ССТОГ), в основе которой
лежит пропуск ОГ через перевозимую горную массу ССТОГ прошла большой
объем промышленных испытаний на карьерах ПО «Апатит» (ЦНИДИ), Канар­
ском, Оленегорском, "Мурунтау", комбинатов "Магнезит", "Ураласбест"
По мере углубления карьеров происходит трансформация ветровых пото­
ков и резкое снижение скорости у дна и придонных слоев атмосферы Для пре­
дотвращения снижения интенсивности естественного воздухообмена рядом авто­
ров и организаций предложены различные способы установка с наветренной
стороны карьеров заграждений с проранами (Я 3 Бухман), установка с наветрен­
ной стороны карьера вращающегося цилиндра для обеспечения безотрывного те­
чения (ВНИИгалургии), устройство покрытий черного типа для усиления естест­
венной конвенции (КазПТИ ), размещение отвалов с максимальной отметкой в
виде терриконов (ВостНИГРИ) Перспективным является предложение о созда­
нии на дне карьеров водоемов, над которыми распыляется вода Образующиеся
при этом "термики" обеспечивают очистку циркулирующего в районе бассейна
воздуха Поскольку в условиях штилей и инверсий способы интенсификации ес­
тественного воздухообмена не эффективны, целесообразно использовать в эти
периоды мощные средства всесезонного пылегазоподавления в режиме генериро­
вания твердых и жидких осадков
В 1960 г Криворожским горнорудным институтом (КГРИ) была разработа­
на первая в СССР вентиляторная установка на базе турбореактивного авиадвига­
теля (ТРД) ВК-1 и автомобиля ЗИЛ-130 Результаты испытаний вентилятора по­
казали, что он позволяет создавать воздушно-водяные струи и тем самым активно
подавлять витающую пыль и растворимые газы На Сибайском карьере применя­
лась модернизированная турбореактивная установка УВУ-1 на шасси автомобиля
БелАЗ-540, спроектированная институтом "Унипромедь" и Казанским проектным
бюро машиностроения Экспериментальные исследования послужили основой
для разработки институтами НИИОГР, ВНИИГМ им ММ Федорова и Донгипроуглемаш специального вентилятора ПВУ-6
В результате большого объема экспериментальных и опытно-конструк­
торских работ ИГД МЧМ СССР и институтом НИПИГОРМАШ были созданы и
доведены до промышленного внедрения вентиляторные установки УМП-14
(ВУ-1), УМП-21 (ВУ-2) на базе несущих винтов вертолетов Ми-1 и Ми-4 Уста­
новка УМП-1 на шасси автомобиля БелАЗ-548 с воздушным винтом диаметром
3,6 м находится в серийном производстве
Промышленная проверка эффективности вентиляторных установок
АИ-20КВ (ТВД самолета ИЛ-18), предназначенных для искусственного воздуи
хобмена атмосферы проветривания карьеров объемом до 20\106м3 и глубиной до
100 м, послужила основой для разработки мощных карьерных вентилятороворосителей НК-12КВ и создания на их базе на ряде крупных карьеров систем всесезонного пылегазоподавления
Обязательным элементом комплекса средств нормализации атмосферы
карьеров должны быть средства и системы экологического мониторинга
Анализ характеристик различных средств и систем экологического мони­
торинга воздуха рабочих зон и атмосферы показал
- для условий карьеров характерна высокая мобильность фронта горных
работ, вследствие чего системы и средства пылегазового контроля должны вклю­
чать средства передачи информации по радиоканалу,
- существенными недостатками стационарных и передвижных комплек­
сов являются высокая стоимость вследствие комплектации однокомпонентными
газоанализаторами и отсутствие средств радиотелекоммуникаций,
- средств радиотелекоммуникаций, как у системы «Диспетчер-2», у со­
временных средств и систем экологического мониторинга нет,
- самыми надежными и точными являются многокомпонентные газоана­
лизаторы и комплексы производства ЗАО «УКРАНАЛИТ» (Украина),
- для условий карьеров пригодны приборы, имеющие цифровые выходы
(интерфейсы RS232 или RS485), позволяющие адаптировать пылегазоанализаторы путем преобразования информации в радиосигналы
В результате анализа также установлено, что в настоящих условиях суще­
ствует реальная возможность внедрения модернизированной системы «Диспет­
чер-2», разработанной ИГД МЧМ СССР и проходившей испытания на карьерах
«Мурунтау» (Узбекистан) и комбината «Магнезит» (г.Сатка, Челябинская об­
ласть) Наличие радиотелеметрических устройств в модернизированной системе
«Диспетчер-2», современных многокомпонентных газоанализаторов атмосферно­
го воздуха и радиотехнических средств в кабинах горнотранспортного оборудо­
вания позволяет реально использовать систему спутниковой навигации GPS «ГЛОНАС» для экологического мониторинга и управления средствами и систе­
мами пылегазоподавления
2. Обоснование рациональных конструктивных параметров
и элементов средств нормализации атмосферы карьеров
Работами, выполненными в ИГД УрО РАН (ИГД МЧМ СССР), было уста­
новлено, что из имеющихся технических средств для целей искусственной венти­
ляции и пылегазоподавдения в карьерах наиболее приемлемыми являются венти­
ляторы на базе ТВД, объединяющих в себе воздушные винты изменяемого шага и
газотурбинный привод, имеющий малый вес и габариты, при этом отпадает необ­
ходимость в большом резерве установленной мощности карьерных электриче­
ских подстанций
При работе на земле ТВД имеют максимальное значение тяги и минималь­
ный удельный расход топлива Эти параметры могут быть улучшены за счет над­
дува компрессора, впрыска воды (или 3-7% смеси метанол-вода) непосредствен­
но в камеру сгорания или воздухозаборник компрессора При введении 5% воды
12
в компрессор двигателя прирост тяги газотурбинного двигателя составляет 33%,
снижение удельного расхода топлива - 7% Для реализации этих способов
предложены конструкции воздухозаборника и водораспыляющих контуров,
защищенные авторскими свидетельствами
Опыт промышленной эксплуатации экспериментального образца вентиля­
тора НК-12КВ показал необходимость доработки его конструкции с целью улуч­
шения аэродинамических, гигиенических и эксплуатационных характеристик
Следует отметить, что в выполненных В И Шайдаковым исследованиях системы
«винт-насадок», имеются неточности, приведшие к ошибочным выводам В связи
с этим возникла необходимость в дополнительных теоретических исследованиях
качеств системы «винт-насадок», излагаемых ниже
Определяющим фактором, входящим во все расчетные интегральные фор­
мулы, является разность давлений в любой точке эквипотенциальных поверхно­
стей кольца
4Рк = Ра - Л = ІРѴІ/2) (1 + 2 \dSjRv),
(8)
АВ
где ра - атмосферное давление, Па; р* - давление на поверхности кольца, Па, р плотность воздуха, кг/м3, dS- элемент дуги, на радиусе R9, Ѵк - средняя скорость
по поверхности равного потенциала, проходящей по поверхности кольца, м/с
0,2
Рис.1. К вычислению интеграла
.;
2[
0,4
0,6
0,8 B^BJR
Рис.2 Зависимость коэффициента тяги
кольца от относительной ширины
На рис 1 представлена расчетная схема для вычисления интеграла, входя­
щего в формулу 8
После перехода к безразмерным величинам Rv = R^/R, R¥ = Rv/R, rk = rK/R
13
sin (0>к/2)
dS
и интегрирования получим: 2 J— = 21n
(1,2/^ + 1
Д„
На основании уравнения неразрывности и интегрирования в системе сферических
координат - VK=vl sin2 (рк / 2)/[1 + гк (1 + cos ^>к )]2
В итоге имеем общее решение уравнения 8
sin2 (<z>K '2)
sin 4 (p<2)
(9)
1 + 21п
Арк=(р»}/2)&р = (р»?/2)
В интегральной форме тягу кольца можно представить в виде
ж
(10)
Тк = pnR7v\ J[l + rK (1 + cos <зк)] FK sin <pKApKd<pK = 7Xmv,
где /и=рл/?2ѵі - массовый расход воздуха в плоскости вращения винта, кг/с, Л"
- коэффициент тяги винта
После преобразований с переходом к новой переменной и интегрирования
общее решение исходного уравнения для коэффициента тяги кольца представитсяввиде
К = [\п((Вк+1)/Вк)~1/2] [\ + (2/вк2) 1п(2?к + 1)-2/2?к] +
+ (2/^ 2 ) &(BK/(BK+W"
0 A 2 ) + (S K /2)-3 ЩВк+1)/2]
(11)
В результате расчетов по формуле 11 установлено, что относительная ши­
рина кольцаВк =0,5 (гк - 0,25) является оптимальной /^^=0,25 (рис 2) Для опре­
деления оптимальной глубины расположения винта в насадке необходимо учесть,
что при любых Вк, гк графики функции Арк =/{fK,(pk) имеют точку перегиба
при <рк=120° Наличие этой точки свидетельствует о зоне максимальной степени
эжекции на поверхности кольца
Исходя из тригонометрических соотношений (рис 3), оптимальная глубина
расположения винта в насадке может быть определена по формуле
c=[\ + rK(l + cosq>K)]ctg<pK+rK{l-s\nq>K)
(12)
При г.
г
US4.
_ , .,
Ч*№
-
РисЗ К определению Сот
=0,25
и
к
ф =120°, ск
т к
от
'
к
опт
=0,654
'
Суммарная тяга системы «винт-насадок» составит
Т^Тв+Тк=тЦ(\+К)
При гк=0,25 (Вк=0,5) Tz=\,25mV}, т е на
25% больше тяги изолированного винта
Положительный опыт эксплуатации карьерных
вентиляторов-оросителей АИ-20КВ позволил
реализовать идею создания мощных модульных
вентиляторов на их базе При компактном распо­
ложении модулей входные коллекторы насадков
симметрично расположенных 4-х модулей необходимо профилировать с отклонением плоскости
г
т
г
входа воздуха в коллектор от плоскости вращения винта на угол а ^20° От­
клонение плоскости входа коллектора позволяет обеспечить, не только компакт­
ность модулей и создаваемого потока струй, но и предотвратить ухудшения ус­
ловий подтекания воздуха к винтам
Рис 4 Обшиіі вид н параметры модуля вентилятора
ВОКМ-4-2500 на базе ТВД АИ-20
Кроме этих параметров для модуля вентилятора ВОКМ-4-2500 (рис 4) дано
обоснование следующим конструктивным элементам, величине относительного
зазора между концами лопастей и кожухом (S=S/Rb =0,025), относительного
расширения насадка Deblx = Dmx/Re =2,28, относительной длины кожуха
(lH = LH/Re =3,6), спрямляющего аппарата - из 6-ти лопаток с относительной
шириной 6, = 6, /R,, =0,7, относительной ширины хорды конца лопасти
При проектировании кольца-насадка НК-12КВ-1М были рекомендованы
следующие параметры зазор между стенкой насадка и концом лопасти J =0,0213
(.$=50 лш), относительный радиус кольца насадка гк =0,212, ширина кольца
5=0,35, длина насадка Гн=3,6, расстояние от средней плоскости вращения вин­
тов до передней кромки кольца С =0,68 (С= 1,900 м) Несущественные отличия
г и Ж от оптимальных значений были обусловлены конструктивными и эксгагуатационными причинами
Результаты сравнительных промышленных испытаний вентиляторов
НК-12КВ (без кожуха) и НК-12-КВ-1М (с кожухом) показали, что выбранные
геометрические параметры кожуха позволили значительно улучшить аэродина­
мические характеристики струй в начальном сечении Так средняя скорость в на­
чальном сечении струи увеличилась с 48 до 61 м/с, расход с 1160 до \690м /с,
профиль скорости стал более равномерным По сравнению с идеальным винтом
применение профилированного кожуха позволило увеличить к п д в 1,3 раза
При температурных инверсиях в атмосфере карьеров дальнобойность газо15
воздушных струй карьерных вентиляторов уменьшается и может оказаться не­
достаточной для воздействия наслои воздуха у дна карьера В связи с этим
определение рационального размещения установок относительно дна карьера
следует производить с учетом температурной стратификации
Расчет параметров неизотермических струй вентилятора можно произво­
дить по формуле, полученной Г Н Абрамовичем и А А Вершининым на основе
теоремы о количестве движения тела переменной массы Траектория оси струи
описывается уравнениему = 0,052Ar-x3/cos3 a ±x-tga,
(13)
где y = y/d0,х = x/d0- безразмерные координаты траектории струи в верти­
кальной плоскости, d0 - диаметр струи в начальном сечении, лі, а - угол наклона
струи в вертикальной плоскости (от горизонтали вниз аг<0, вверх а>0), град, Аг
- критерий Архимеда
Характер температурной стратификации воздуха в атмосфере карьера мож­
но учесть для струй критерием Архимеда
Аг = (gd0/U20 )• (ДГС/Th) = (gd0 Jul) (Тс/Т„ -1),
(14)
где ЛТС - избыточная температура струи, К, g- ускорение свободного падения,
м/с2, Uo - средняя скорость струи в начальном сечении струи м/с, Т/, - температу­
ра воздуха в карьере на уровне размещения установки, К
После подстановки значений параметров, определяющих критерий Архи­
меда, уравнение 13 приобретает вид у = В х 3/cos3 a ± xtga,
(15)
5
где В = 1,83 КГ [
^
1]
Из уравнения 15 определим координаты точки перегиба струи
J „ = ( - s m a cos а/ЗВ)
у,,=(2/3)
2
fga(-sina cos2 a/35)
2
Точка пересечения оси струи с осью ОХ определяется из исходного уравнения
при у = 0
.
2 /„. 12
х2-{- sin a cos <xJB)
Из анализа коэффициента В, входящего в расчет основных параметров тра­
ектории струи, можно установить, что при больших отрицательных значениях у
целесообразно выводить часть газов реактивного выхлопа Это будет способство­
вать увеличению глубины проникновения струи в атмосферу, а также уменьшит
ее токсичность. К примеру, при у= -0,01 К/м и а=-20° за счет вывода 50% газов
струи реактивного выхлопа (7"г=377К) глубину проникновения струи можно уве­
личить в 1,8 раза уп =-26,3 (уп=-150м)
При работе карьерных вентиляторов в динамическом режиме происходит
искривление траекторий осей струй, которое оказывает существенное влияние на
дальнобойность Исследования параметров струй, перемещающихся в простран­
стве, производились на специальном стенде с применением графометрической
обработки фотографий задымленных струй При этом для имитатора вентилятора
типа НК-12КВ скорость истечения струй из насадка изменялась в диапазоне
16
Ц)=(20-50) м/с при скоростях поступательного перемещения ІѴ=(0,1-0,$) м/с,
угол атаки струи - между вектором скорости истечения воздуха в начальном се­
чении U и скоростью поступательного перемещения W - изменялся в интервале
п/6<а0 <ж/2 с шагом Да0=я712(15°)
Степень искривления траекторий осей струй, вытекающих из насадков
имитаторов, d0=(4-20) 10'3 м определялась при aa=7tl2 (90°) при Qo=\0 м /с
Скорость поступательного перемещения изменялась в интервале ^=(0,1-0,5) м/с
с шагом AW=0,1 м/с
В результате анализа экспериментальных данных была получена обобщен­
ная эмпирическая формула траектории оси при поступательном перемещении
СТРУИ
_
_
,
Г
/
\3
—
_
1
/,^ч
X, =(aF,/smcx0) 57,2((F/f/0) гдУДаУ, +3,l)-13cosoc0 ,
(16)
где- W- скорость поступательного перемещения, м/с, U0 - средняя скорость возду­
ха в начальном сечении струи, м/с,а - коэффициент структуры струи, ао - уюл
атаки струи, рад Xt =Xjd0,
Yt=Yjd0 - безразмерные координаты траекто­
рии Результаты расчетов по ф 16 приведены на рис 5
При а 0 < л/2 из 16 можно определить глубину проникновения струи по на­
правлению OY перемещения при условии
= —^—[171,6 аП—\
(ayi+2,l)-13cosor0] = 0
{ Un /
dY, sin»„
'о
и ординату точки с максимальной глубиной проникновения в направлении ОХ
f
у' = ф + Q,07(fV/U0)32 - 1)/(0,963йг)
Абсцисса точки определится при подста­
новке У в уравнение 16 Точка пересече­
ния траектории оси струи, перемещаю­
щейся под углом 7і/6<а 0 <л/2 с осью
ОУ, определится из уравнения 16 при
х=0
=(p + 0,№W'Uo) 2 c o s a o -l)/(0,64a)
Глубину проникновения струи по
оси OY определяем, исходя из условия
ит=Ъ м/с
В зависимости от отношения W/Uo
Рис. 5 Траектории осей струй
оптимальный угол атаки перемещающейся
при поступательном перемещении
струи находится в интервале л/6<а 0 <я/2
При этом определение точек изотахи f/m=3
м/с на траекториях осей перемещающихся струй можно производить по форму­
ле
_
,
Y
17
где 1 =l/d0- безразмерная длина траектории оси струи
Ввиду того, что дальнобойность струи D^ = 0,95/, в практических расче­
тах для заданного отношения W/U0 значение а0Іп можно определить по формуле
(18)
«O™=arccos(ff/C/0)'2 3,96а -1{а1 +3,28)
При исследовании параметров струй, создаваемых имитаторами вентилято­
ра НК-12КВ (d0=5,6 10"3 м), скорость истечения изменялась в диапазоне 20<Uo<50
м/с, а скорость углового перемещения 1<ш<6 рад/с
Для имитаторовflf0=(4,8,12,16,20)10"3 м скорость углового перемещения
изменялась в интервале \<&<5 рад/с при бо=10'3 м/с
На основании анализа экспериментального материала по методике было
получено обобщенное эмпирическое уравнение траектории оси струи при угло­
вом перемещении имитаторов вентиляторных установок
р, =114(аф,) 3 (^оАЧ)''" - ю Ц Л ^ о Д Ч ) 1 ' 2 2 +0,323(аф,)([/0/ш^0У'33,
(19)
где С/0- скорость истечения струи в начальном сечении, м/с, со - скорость углово­
го перемещения имитатора, рад/с, а - коэффициентструктурыструи, d0 - диаметр
имитатора, м, р( = Pj Jdg, ф, -полярные координаты точек траектории
Значение функции, при котором струя превращается в след, те ~pmax=R,
определится из уравнения
dpjdq, =342a\*(UjodJ'u
-20a\,(uoladJ'22
+ 0,323a((/ o / Wj' 3 3 (20)
1,44
Откуда Ф, =(0,054/a)
(ujmdj
-it,,
После подстановки ф, в 19 получим РШах = 6,25 10
i . \I,44
(Ujadj-
Рис. 6. Влияние режима работы двигателя на параметры
переметающихся струй (в-0,7 номинала; 6-0,85 номинала)
Анализ результатов исследований параметров струй при угловом переме­
щении свидетельствует о том, что в зависимости от места расположения устано­
вок целесообразно изменять режим работы авиадвигателей Расчетами было ус18
тановлено, что при 1=90 обеспечивается эффективный искусственный воздухо­
обмен Центрального карьера комбината "Ураласбест" в интервале скорости угло­
вого перемещения 10_1< Оц<5 10"3 рад/с на режиме работы авиадвигателя НКI2KB 0,7 номинала (U0= 40 м/с) Для обеспечения условий формирования струй в
этом интервале сон необходимо, чтобы (рт,„> 7/45л (рис 6а) При работе двигате­
ля вентилятора на режиме 0,85 номинала (Ѵ0 = 50 м/с) обеспечивается проветри­
вание карьера с /тах=108,10"3< сон< 6 10"3рад/с, <рт„> 5/36 я (рис 66)
Аналогичные расчеты можно произвести для других средств искусствен­
ного воздухообмена, создающих изотермические струи
С учетом экономико-экологического фактора и многообразия параметров
карьеров к средствам общеобменной искусственной вентиляции должны предъ­
являться следующие основные требования, максимальная начальная производи­
тельность и дальнобойность струй, высокая надежность и экономичность, соот­
ветствие гигиенических характеристик санитарным нормам, оснащенность уст­
ройствами для активного подавления вредных примесей в атмосфере карьера,
широкий диапазон изменения ориентации струй в процессе пылегазоподавления
На основании выполненных исследований и опыта промышленных испы­
таний различных средств вентиляции и пылегазоподавления предложен типаж­
ный ряд карьерных вентиляторов, адаптированный к условиям открытых горных
работ мобильные вентиляторы - оросители многоцелевого назначения с дизель­
ным и дизель-электрическим приводом, мобильные вентиляторы с дизельэлектрическим приводом на базе вертолетных винтов со складывающимися лопа­
стями ( вертолеты серии "Ка") для проветривания воронкообразных карьеров
и застойных зон восходящими вертикальными и наклонными струями, пере­
движные вентиляторы большой производительности (Qc = 10000-12000 м3/с) на
базе несущих вертолетных винтов с электрическим и газотурбинным приводом,
передвижные вентиляторы-оросители на базе ТВД Вентиляторы на базе несущих
винтов вертолетов должны комплектоваться воздухоочистительными экранами,
устанавливаемыми со стороны подсоса воздуха под винт
Технические характеристики карьерных вентиляторов, входящих в реко­
мендуемый типажный ряд, приведены в таблице 1
Таблица 1 Характеристики карьерных вентиляторов
Показатель
1
Движитель
воздуха
Диаметр винта, м
УМП-1А (Б)
2
ВОКМ
УМП-14 УМП-1(2)21
300
3
4
5
Авиационные
винты
3,6
3,6
(2x2,5)
Тип привода
Дизельный
Мощность
привода, кВт
368
2000
6
7
Несущие вертолетные винты
серии «Ми» и «Ка»
14,5
21
35
Газо­
ДизельЭлектрический турбин
электр
электр
600
вк-
АВК-35/Э
320
1000
19
2x4050
/8000
15,74
Дизельэлекгр
600
АИ20КВ
8
нк- вокм
12КВ -4-2500
9
10
Турбовинтовые
двигатели
4,5
5,6
9
Газотурбинный
25503000
9400- 1020011000 12050
Продолжение табл 1
1
Средняя скорость
воздуха в началь­
ном сечении
струи, м/с
Начальный расход
воздуха, м /с
Дальнобойность
струн в равновес­
ной атмосфере до
сечения со сред­
ней скоростью 0 6
м/с
Высота подъема
вертикальной
струи в устойчивой
атмосфере при
температурном
градиепте
7 =+0,5-5
Базовое
транспортное
основание
Назначение
Состояние работ
2
3
4
5
6
7
8
9
10
24
24
7,2
8,15
12,6
10,3
40
61
40
240
300
1050
2520
1100012000
2000
640
1680
2500
180
250
200
250
640
230
320
520
600
-
-
290-150 374- 600-329 300-170 270200
170
450265
600300
Шасси Ходо­ Ходо­
Ходовая
авт вая те­
БелАЗ- БелАЗ - Ходовая тележка тележка БелАЗ- КрАЗ лежка вая те­
лежка
548
7519 бурового станка ЭКГ-8И 7519
спец ЭКГ- ЭКГ-8И
Изгот
46
Вентиляторы
Вентиляторы Универсальные для создания воздухоочистите­
Вентиляторы установки
вертикальных и ли для создания
оросители местного
наклонных
вертикальных и генераторы осадков
проветривания
струй
наклонных струй
Серий­ Рабочие
Промышлен­ Рабочие
Опытные
Рабочие Эскиз­
ное про­ черте­
ный
ные
черте­
образцы
чертежи проект
извод­
жи
образцы
жи
ство
3. Теоретические и экспериментальные исследования процессов
генерирования и переноса осадков воздушно-газовыми струями
карьерных вентиляторов
Значительные объемы выработанного пространства карьеров (>108 м3) по­
требовали разработки мощных средств подавления вредных примесей, выделяю­
щихся в атмосферу при работе технологического комплекса
При гидрообеспыливании загрязненной атмосферы карьеров необходимо
применение эффективных способов распьшения воды или водных растворов для
обеспечения достаточной дальности переноса осадков
Большая кинетическая энергия газов реактивной струи ТВД позволила от­
казаться от существующих способов распыления жидкости (дисковые, электро­
статические, акустические, центробежно-форсуночные), отличающиеся конст­
руктивной сложностью и низкой производительностью
В основу устройств для генерирования и переноса осадков карьерными
вентиляторами был положен пневматический способ распыления воды и водных
20
растворов При этом распыление (дробление) жидкости производится за счет
энергии газов высокоскоростной реактивной струи, а перенос спутной воздушногазовой струей
Процесс пневматического распыления жидкости достаточно сложен, и его
механизм еще полностью не исследован Ряд исследователей, занимавшихся изу­
чением этого процесса, отмечает, что в ходе дробления жидкой струи под дейст­
вием газового потока можно выделить три стадии
В первый момент на поверхности жидкости возникают небольшие возму­
щения в виде местных пульсаций Под действием аэродинамических сил эти по­
верхности возмущения развиваются далее, и из жидкости начинают вытягиваться
отдельные нити, которые распадаются затем иод действием поверхностного на­
тяжения
Исследования производились путем измерения отпечатков при осаждении
на пластинку, покрытую сажей по методике Стокера
Промышленные испытания карьерных вентиляторов выявили несовершен­
ство конструкций гидравличеких устройств, в связи с этим были разработаны но­
вые водораспылительные гидравлические сопла При относительных массовых
расходах
жидкости
Qx>QxIQe>
0,05
следует
учитывать
силы
гравитационного оседания В связи с этим при переносе струями карьерных вен­
тиляторов жидких или твердых осадков, можно использовать законы баллисти­
ки В частности, траекторию оси струи можно описать системой параметрических
уравнений
x~V\ cosa t,
(21)
1 y=hy + xtga~gt2l2,
где" х - абсцисса траектории оси, м, у - ордината траектории оси, м, g - ускоре­
ние свободного падения, м/с2, а - угол наклона струи, в вертикальной плоскости,
град, / - время, с, hy - высота расположения генератора осадков от дна карьера,
м, Ѵ0 - скорость в начальном сечении струи, м/с
После исключения параметра t = x/(V0 cosoc) получим уравнение траектории оси
струи y~hy+ xtga - gx2 /(2V2 cos2 a)
(22)
Абсцисса оси струи, при которой высота подъема (ордината) максималь­
на, определяется после дифференцирования уравнения 22
dy/dx = 0 = tga - gxj{V0 cos a)
*/v
=( (/ oV 2 ^)
Sln2a
( 23 >
После подстановки 23 в 22 получим максимальную высоту подъема струи
относительно дна карьера утак =hy +(V2j2g) sin2 or
(24)
Максимальная дальность переноса осадков из уравнения 22 при у = 0
*та* =^о- sm2a/2g) [1 + ,jl + 2hyg/(V02 sm2a)]
(25)
Площадь карьера, обрабатываемая одним генератором осадков, определит­
ся по условию S = таяот (р/360
В результате расчетов установлено, что при а=20°, /?= 45°, hy = 100 м, Ѵ0=
60 м/с максимальная высота подъема осадков от уровня дна карьера составляет
21
120 м, Хщах = 370 м, объем обрабатываемой зоны Ѵъ = 15 106 м3, площадь обраба­
тываемой зоны 107000 м2 При тех же условиях, но при угле наклона генератора
осадков а = 45° дальность переноса возрастает на 20 %, высота подъема осадков и
площадь обрабатываемой зоны увеличиваются на 60 %, а объем обрабатываемой
зоны достигает 32 106м3
Анализ экспериментальных и теоретических данных о процессах естест­
венного образования осадков, а также выполненных ранее экспериментов и визу­
альных наблюдений по искусственному генерированию и переносу осадков с по­
мощью газовоздушных струй карьерных вентиляторов НК-12КВ и АИ-20КВ, по­
зволяет предложить следующую теоретическую модель процессов искусственно­
го образования и переноса осадков
На начальном участке струи вентилятора перенос образующейся в процессе
распыления капельной смеси осуществляется за счет кинетической энергии реак­
тивной составляющей струи, при этом смесь движется в четко локализованном
конусе реактивных газов Для этого участка струи характерны очень большие,
недостижимые в обычных природных условиях скорости тепло- и массообмена
Граница начального участка зависит от секундного массового расхода и темпера­
туры нагнетаемой жидкости Для вентиляторов на базе ТВД размеры активной,
начальной части струи составляют примерно 5-6 калибров При движении капель
жидкости в струе реактивных газов интенсивность теплообмена , в частности
процесса испарения и насыщения смеси паром, на один-два порядка больше, чем
на основном участке Связано это с тем, что взаимодействие жидкости с высоко­
температурной (tR > 320°С) высокоскоростной струей газов вызывает весьма ин­
тенсивное нагревание и испарение образовавшихся капель жидкости Если рас­
ход жидкости достаточно велик, то смесь жидких капель и пара уже в конце на­
чального участка оказывается в состоянии перенасыщения водяным паром Тем­
пература перенасыщенной смеси определяется секундным расходом и темпера­
турой подаваемой жидкости При этом температура капельной смеси будет все­
гда выше температуры жидкости, но меньше температуры кипения воды при
данном давлении
Из уравнения тепломассообмена между нагнетаемой жидкостью и водо-газовоздушными компонентами струи на основном участке переноса опреде­
лится температура жидкости, обеспечивающая работу вентилятора в режиме ге­
нерирования твердых осадков
где mR,mg,mp,mw
- соответственно секундный массовый расход реактивных
газов, жидкости, образующегося водяного пара, вовлекаемого в водяной конус
струи воздуха, (кг/с), CR,Cg,Cp,Cw - соответственно удельные теплоемкости га­
за, жидкости пара и воздуха (Дж/кг К), X - удельная теплота парообразования
воды (Док/К), tR,t ,tw,ts - температура газов, жидкости, воздуха и равновесной
22
насыщенной паром капельной смеси (°С), 0,622£(г5 )/р - зависимость упругости
насыщения пара от температуры и атмосферного давления
Экспериментальные наблюдения показали, что угол раскрытия газо­
водяного конуса зависит в основном от массового расхода и температуры вводи­
мой в струю жидкости Угол раскрытия конуса в спутном воздушном потоке со­
ставляет 10-12°, а масса вовлекаемого в него воздуха - 35-40% от массового рас­
хода воздуха в начальном сечении струи
Таким образом mw * (0,35 - 0,4)/%0 = (0,35 - 0,4) 2000 = (700 - 800)кг/с
Из условия, что максимальный секундный расход воды составляет 100 кг/с,
тя = 55кг/c,tR &320°С, а Е(о)/р» 0,006, по формуле 26 находим
t й 2 • J/,,,) -11,5|. Это соотношение определяет предельно допустимую темпера­
туру жидкости при ее максимальном расходе и заданной температуре окружаю­
щего воздуха, когда вентилятор может эффективно работать в режиме генериро­
вания твердых осадков, температура капельной смеси в конусе струи вентилятора
ts <0 В этом случае подавляющая часть капель, выпадающая из струи, будет
охлаждена до 0°С, а мелкие капли будут выпадать в виде ледяных частиц Для
того, чтобы процессы кристаллизации, формирования и роста снежинок полно­
стью завершились, необходимо, чтобы время свободного падения переохлажден­
ных капель превышало время их кристаллизации На основании расчетов уста­
новлено, что повышение температуры воздуха на 1,5-2°С в объеме интенсивного
выпадения твердых осадков порождает восходящий поток, выносящий связанные
и нейтрализованные вредные примеси из атмосферы карьера Кроме того,
встречный восходящий поток уменьшает среднюю скорость падения осадков, т е
увеличивает время контакта, а значит и вероятность захвата вредностей
Из общего выражения 26 получаем
т
< ^ ^'^' _JW
dR - ( ^ +„,R)
^0' I
Это соотношение определяет секундный массовый расход жидкости для заданной
температуры воздуха (/„) и жидкости (tg), обеспечивающий работу вентиляторов
в режиме генерирования твердых осадков Подставляя численные значения по­
стоянных параметров системы, находим условия
„ jSK/4) JMdHJ
Наблюдения показали, что в ряде случаев даже при неработающем обору­
довании происходит загрязнение атмосферы карьеров пылью, которое увеличи­
вается по мере возрастания скорости ветра.
Предотвращение срыва пыли с поверхности земли может быть достигнуто
путем поддержания ее влажности в нужных пределах или укрепления связующи­
ми составами Наиболее приемлемым закрепителем является битумная эмульсия
50-60%-ной концентрации с удельным расходом битума 0,5-0,6 кг/м2 Обладая
хорошей устойчивостью против ветровой эрозии (при скоростях ветра до 15 м/с)
и способностью восстанавливать свои первоначальные свойства после увлажне­
ния поверхности, эмульсия образует на поверхности устойчивую пленку Резуль23
таты проведенных экспериментов на карьерах ССГОКа позволили сделать вывод
о целесообразности использования мобильных установок типа АИ-20КВ для ук­
репления откосов отвалов из песчаных и глинистых грунтов с помощью различ­
ных химических реагентов, а также для гидропосева семян трав с одновременным
внесением минеральных удобрений и связующих эмульсий
4. Исследование эффективности средств и систем управления
процессами нормализации состава атмосферы карьеров
Гидравлические и диффузионные процессы, происходящие при искусст­
венном проветривании карьеров, весьма сложны, и теоретический расчет их без
проведения предварительных экспериментальных исследований практически не­
возможен Однако качественную и количественную оценку этих процессов мож­
но дать на основе метода объемного физического моделирования Он позволяет
произвести выбор комплекса средств пылегазоподавления и режимов их работы
при восстановлении естественного воздухообмена путем разрушения темпера­
турных инверсий с минимальными затратами Тем самым можно избежать нера­
ционального расхода материальных ресурсов на создание комплекса средств пы­
легазоподавления
Исследования эффективности методом объемного физического моделиро­
вания проводились для многих предприятий и предшествовали внедрению сис­
тем всесезонного пылегазоподавления на карьерах ГБРУ НТМК, ЦГХК и ПГХК
Объемному физическому моделированию предшествуют энергетическая
оценка атмосферы карьеров и экологическая - технологического комплекса Пер­
вая производится по методике, изложенной в главе 1 При этом предварительно
определяется состав комплекса для восстановления естественного воздухообмена
путем разрушения температурных инверсий (формулы 1,4,5,7)
При экологической оценке технологического комплекса определяется ко­
личество пьшегазовых выбросов в атмосферу карьера и окружающую среду На
основе этого можно рассчитать расход воздуха (£)„) на выходе струй для поддер­
жания концентрации примесей на оптимальном уровне, меньшем ГІДК
Qr
Q„ = - = — И £ 1-С
. - п-,,'
(27)
от
А: 1 - С - где 0 Е = F £ /[с] - потребность карьера в свежем воздухе (по пылевому и газово­
му факторам) для разжижения вредных примесей до ПДК, м3/с; Сн=0,15 - отно­
сительная концентрация вредных примесей в окружающем карьер воздушном
бассейне, Сот - оптимальный уровень снижения относительной концентрации
примесей в цикле общеобменного проветривания, для ориентировочных расчетов
СОІГГ=0,5, К - коэффициент эффективности проветривания, К=0,5-0,7,
Ф = 6НТВ/КК - коэффициент обмена; т„ - время проветривания, с, Ѵк - объем ат­
мосферы карьера, м3; /V - суммарная интенсивность выделения вредных приме­
сей кг/с; [с] - ПДК, кг/м3
24
При исследованиях микроклимата в атмосфере карьеров используются
данные многолетних метеонаблюдений по ветровым потокам, температуре и
влажности воздуха С учетом розы ветров и профиля сечения карьера определя­
ется характер схем естественного воздухообмена - прямоточная, рециркуляцион­
ная н рециркуляционно-прямоточная. Это позволяет предварительно определить
место расположения средств общеобменного проветривания и пыпсгазоподавления при объемном физическом моделировании
При большой глубине карьеров необходимо учитывать неравномерность
распределения вредных примесей по высоте В связи с этим в состав вентиляци­
онного комплекса должны входить установки, создающие как наклонные и гори­
зонтальные струи, так и вертикальные
В работе приведены результаты исследований эффективности массообменных процессов при искусственной вентиляции методом физического моделиро­
вания на примере карьера ЦГХК При моделировании соблюдались геометриче­
ское, кинематическое и динамическое подобие модельных и натурных объектов
Вследствие нестационарности процесса диффузии определяющим частичное ди­
намическое и диффузионное подобие является критерий гомохронности.
Ho = Fo Pe = Uz/L = const,
(28)
где U- скорость воздуха в сходственных точках модели и натуры, м/с, L- ха­
рактерный линейный размер, м,х- время процесса, с, Fo=L2/Dx - диффузионный
критерий Фурье; Pe~D/UL - диффузионный критерий Пекле, D - коэффициент
турбулентной диффузии, лс/с
С учетом того, что /я,=т„/т„, из формулы 28 можно определить временной
масштаб протекающих в карьере и его модели диффузионных процессов при ис­
кусственной вентиляции
m =z l
t i/ t
=m L U
L e eJ(muUeLe)==mL/mwuPKm^
m m
^ L-
Для «динамических» схем искусственного воздухообмена карьеров - с по­
ступательным или угловым перемещением струй внутри карьерного пространст­
ва - критерий гомохронности позволяет определить масштабы скоростей пере­
мещения турбулентных струй
В результате обработки лабораторных исследований получены значения
функций изменения безразмерной концентрации примесей во времени С = / ( т а ) и рассчитывались скорости снижения концентрации (rfC./dij)
"nd
(рис 7, 8а), по значениям которых определялись наиболее эффективные схемы
искусственного воздухообмена Экспериментально установлено, что эффектив­
ность процессов искусственного воздухообмена с применением перемещающих­
ся в карьерном пространстве турбулентных струй повышается на (25 - 30)%
Для схем, обеспечивающих максимальную текущую среднюю скорость
снижения концентрации, определялись рекомендуемые режимы работы системы
пылегазоподавления (рис 86).
/
25
Я/6
XI/ч
И/3
і/ПК
%Щ
Д/4
П/6
5/Hlt
ТС/2
7/ИЯ <Р,мд
Рис. 7. Исследование эффективности «динамических схем»
«двойной ветер» на модели карьера ЦГХК
0
8
4
6
8
10
12
ft
16 Хш;«с
Рис. 8. Рекомендуемый режим работы системы пылегазоішдавления
карьера ЦГХК
Время работы комплекса в режиме общего воздухообмена рассчитывается
п
формуле:
гвк = ] > > , ' (гШі - T'J/0 + rm/rm),
26
(29)
где т ш - продолжительность штилевых периодов продолжительностью 3, 6, 9,
12
,ч,т,количество штилевых периодов одинаковой продолжительности,
т' н - время накопления вредных примесей от С ф=0,2 до С от=0А, ч , ТР« - время
накопления примесей в цикле, ч, твц - время работы комплекса в цикле, ч
Значение тнц определяется по формуле
тш = тнк - г,ф3 - г мв ,
(30)
где т„к - время накопления примесей в карьере от С ф=0,2 до С к=1,0, ч, т,ф3
- время накопления примесей в рабочей зоне, ч,
тмв - время работы средств
местного проветривания при единичном включении в процессе накопления при­
месей, ч
Время тнк рассчитывается по условию г11К = VKlc]/[FL(l - Сф )]>
где Ѵк - объем карьера, м\ [с] - ПДК примесей, кг/м3, Fz- суммарная интенсив­
ность выделения примесей, кг/с. При Ѵщ={0 3-0,4) Кк тнрз =(0 3-0 4) тнк Значение
^ = ^Н(с0ІГТ-сф)/^
Время хмв определяется из условия гмв = (г^ - г11рз)/(4 - 6), что соответ­
ствует 3-5 включениям средств местной вентиляции в процессе накопления при­
месей от С опт до С =1 Суммарное время работы средств местного проветрива­
ния слагается из двух периодов работы - в режимах местного и общего воздухобмена
^мві = (^вк "*"тщ )/ц,
(31)
хш _х' в
где / ц -количество циклов, которое определяется по формуле / = —'(32)
т +т
Значения тШ/ и т, получены на основе метеорологических исследований
Первые эксперименты по применению систем искусственного воздухооб­
мена на базе авиационных ТВД были проведены на Центральном карьере Гороблагодатского рудоуправления (ГБРУ) НТМК. Объем карьера составлял 90 10 м
При проведении экспериментов загрязнение атмосферы карьера имитировалось
дымовыми шашками типа БДШ-15 Концентрация вредных примесей определя­
лась как с помощью экспрессного метода приборами ИЗВ-3, так и химическим
анализом проб воздуха в лаборатории ВГСЧ В результате экспериментов уста­
новлено, что за 30 минут активного проветривания одним вентилятором
НК-12КВ концентрация вредных примесей снижалась в 12-15 раз и достигала
ПДК при инверсии у=-0,02 К/м Эксперименты по разрушению температурных
инверсий с помощью двух АИ-20 KB и одного НК-12КВ, работающих в «дина­
мическом» режиме, показали реальную возможность восстановления естествен­
ного воздухообмена температурный градиент изменился с у=-0,02К/м до у=0,005 К/м, а концентрация примесей достигала ПДК через 40 минут работы сис­
темы
Система всесезонного пылегазоподавления карьера ЦГХК состояла из двух
вентиляторов-оросителей НК-12КВ (без кожуха) и НК-12КВ-1М На основании
анализа проб воздуха в лаборатории ВГСЧ было установлено, что в течение од­
ного часа работы система обеспечивала снижение концентрации вредных приме­
сей в 4 раза (до ПДК) при инверсионной стратификации в атмосфере карьера
27
Сопоставление результатов лабораторных и промышленных экспериментов
(рис 9), выполненное математико-аналитическими методами, показало их хоро­
шую сходимость (85%)
При испытаниях системы всесезонг-п/юалил зкеп
ного пылегазоподавления, состоя­
от
«—г—«
щей из двух вентиляторов-оро­
0 — |-=-<!OfS• д^
сителей НК-12КВ-Ш, на карьере
•-f=0
0?S
ПГХК установлена высокая эффек­
іъ-лаі
V
\99
тивность подавления вредных при­
,
7,96
месей с помощью твердых осадков
OfiO
(снега) снижение концентрации по
NOx в 2-3 раза, по СО в 1,5-2 раза,
«кл
скрытой энергии ( £ а ) в 2 раза, спец­
газа в 1,5 раза, по пыли в 6 раз
OfS
Дальность переноса снежных осад­
ков с применением гидравлического
сопла новой конструкции составила
350-500 м, интенсивность выпадения
7 * t »60e
bS
60
JO
/s
осадков стала близкой к экспоненци­
Рис 9 Сопоставление результатов лабора­
торных и промышленных экспериментов
альной Промышленные экспери­
по восстановлению естественного воздухо­
менты показали также, что при рас­
обмена путем разрушения температурных
пространении воздушно-газо-жидкоинверсий (на карьере ЦГХК)
стных струй в карьерном простран­
стве происходит интенсивное (до 50%) испарение воды При этом процессы, про­
исходящие в атмосфере обрабатываемой зоны, аналогичны процессам, проте­
кающим в аппаратах для кондиционирования воздуха с применением воды
Анализ экспериментов на карьере ГБРУ показал, что при работе вентиля­
тора НК-12КВ происходит изменение как относительной влажности/на 10-15%,
так и температуры воздуха Т на 2-4 К Если время обработки не превышало 30-40
минут, то как скорость изменения температуры dT Idx, так и скорость изменения
относительной влажности df Idx, приобретали ход на уровнях, отличающихся от
естественных Так dT/dx устанавливалась на уровне (1,5-2,5)°К ниже, a df Idx
на 5-12 % выше, по сравнению с естественным ходом
Если время обработки увеличивалось до 1 часа, то df I dx увеличивалась в
2 раза, a dT/dx в 4 раза, по сравнению с естественным ходом метеоэлементов
Оценка результатов экспериментов по кондиционированию воздуха в атмо­
сфере карьера ГБРУ, произведенная с помощью диаграммы комплексных темпе­
ратур, и пылеподавлению показала, что после обработки атмосферы карьера воз­
душно-газожидкостной струей НК-12КВ-1М в течение 0,42 ѵ почти на всех рабо­
чих местах обеспечиваются комфортные условия, а запыленность воздуха снижа­
ется в 4 раза (рис 10)
На основании зондирования атмосферы карьера ЦГХК с помощью привяз­
ного радиозонда А-22 установлено, что в теплые периоды года при расходе воды
в струе вентилятора НК-12КВ-1М 0„=О,О5 м3/с относительная влажность воздуха
•
•
•
#
28
в атмосфере карьера может быть увеличена на 3-6% за 10-15 минут работы, а
температура снижена на 0,6-1°С Режимы кондиционирования зон карьера можно
варьировать в широком диапазоне за счет изменения расхода воды, режимов ра­
боты ТВД и скорости перемещения струй
Рис. 10. Результаты экспериментов по кондиционированию воздуха
При работе НК-12КВ-1М в режиме генерирования парогазовоздушных
струй («термиков») для определения количества воды необходимо учитывать ее
фазовые превращения
,,.„
,т ,
т
тж£СгтгТгКХ+СжЬТж)
(33)
где Сг, Сж - удельные теплоемкости газов реактивной струи и введенной в гид­
равлическое сопло воды, Дж/кг К, АТж=Тк-ТЖо - изменение температуры воды,
К, Я-удельная теплота парообразования, Дж/кг, Тк~373 Л"-температура кипе­
ния воды, ГЖо - начальная температура воды, вводимой в гидравлическое сопло,
°К, тГ- расход газов, кг/с При 7^= 303-313 К, тг=48 кг/с, 7}=650 К по формуле 33 т^15 кг/с
(тж« 0,0075)
5. Исследования аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов
при массовых взрывах в карьерах
Основными интегральными параметрами, характеризующими взорванную
горную массу и образующуюся при взрывах пыль, являются - коэффициент раз­
рыхления, средняя крупность кусков, средний диаметр пылинок и объем взры­
ваемого блока Для описания функциональной зависимости количества пыли, по­
падающей в ПГО, от этих параметров предложена феноменологическая модель
процесса пылеобразования при производстве массовых взрывов в карьерах
На основании допущения о пространственной однородности и масштабной
инвариантности взорванного блока масса пыли, проникшей в ПГО, описывается
формулой
29
(Мп)пг0
= Ргл (1-іДр)^ (dn/Dkyl,
(34)
3
где Vf-, - объем взрываемого блока, м , £ - безразмерный коэффициент, завися­
щий от структуры и других механических свойств пород (в первом приближении
f = 1,0 ), р г я - средняя плотность горных пород, кг/м3, кр- коэффициент разрых­
ления,
d-jf,редний размер пылинок, м, />к - средний характерный размер, или
крупность куска во взорванном блоке, м
В предельных случаях количество пыли составляет
_
_
\ ^k/D0f,Dk«Du
0 Т
(35)
(Мп)пго M P r a F , -
\16(DjDkln(DJDQlDk>>DoDn
где D0 - средний характерный размер куска, принятый в модели, м
В результате анализа соотношений, полученных на основе 1-го начала тер­
модинамики, установлено, что задача расчета основных параметров ПГО (на­
чальной температуры Т,д и объема) сводится к определению показателя политро­
пы (ит) неравновесного процесса расширения взрывных газов после детонации и
«закалки» При рассмотрении процесса взрыва и последующего неравновесного
перехода системы «газы - окружающая среда» в состояние равновесия опреде­
ляющим является принцип максимального возрастания энтропии Изменение эн­
тропии всей системы ASZ = ASr + AScp описывается формулой
Л5
ЗМ
=
з*("-Х) [(1-й)
1пЯ
Л1п[1+(1-2ехрЬ)]-Л(1-афЬ) ]
2
(3g)
(Z-l)(«-l) } Зи
A[l + expb+(expb) ]-l,5(\-expb)j
где: A-TJT*, b = (l-ri)/n In//, 7"„ - температура цепной реакции, К, Л/3 - масса
ВВ, кг, R - газовая постоянная, Дж/кгК, Я' = р 3 ^ц/Рят - относительное дав­
ление в момент взрыва, рз - плотность ВВ кг/м3, Д5г, А5ср -изменение энтропии
газов и среды, Дж/К, х - показатель равновесной адиабаты Параметрами процес­
са являются - х, Я, Мз, R, Рз, Тв, неизвестными, подлежащими определению -А и
и Анализ формулы 36 показал, что S5s имеет максимум по переменным п и А
При определении A5imax следует учесть условия А=ТЦ/Т*,
\<ехр(-Ь)<Тц/Тѵ, * = (1-и)/я In//,
где Т* - температурная константа, К, Тм - температура окружающей среды, К
На основе решения уравнения 36 установлено, что в интервале Ти = (2500-3000)
К, 7;=(240-300)°К,
р,„=(1,3-1,25)кг/м3, Я=(5000-8400),
1п//=8,52-9,04
«„,=1,38-1,36
После вычисления п„, соответствующего АБ^лки определяются объем газов
(Ѵт) и температура (7",0) ПГО
\ѴТ=МЪ /р3 ехр(1п Я / nm),
(37)
|7; о =Г ц ехр[(1-« и )/и т In Я] .
При расчетах количества вредных газовых выбросов следует учитывать,
что в пылегазовое облако (ПГО) попадает лишь часть взрывных газов, поскольку
взорванная горная масса является своеобразным задерживающим и фильтрую-
30
щим слоем С учетом этого суммарный объем газов, проникающих в ПГО после
первичного и вторичного выбросов, составит Уи=Уп + ^ , = (1 - Ук^ )ѴГ
Для пород I—II категорий суммарный объем газов, выброшенных в ПГО,
составляет 49-56 %, а для пород III-V категорий-31-41%
Начальный радиус ПГО определяется на основании формулы
R,o = ѴЗКн/4л- = фУг/4л ( 1 - і / ф
(38)
После выравнивания давления взрывных газов до атмосферного начинается
динамический этап - подъем и развитие ПГО, параметры которого рассчитыва­
ются на основе I начала термодинамики и уравнений Мещерского (движение тел
с переменной массой) с учетом эффекта смешения Система уравнений, пред­
ставляющая модель формирования и подъема ПГО как осесимметричного изо­
тропного «термика» (пылегазовоздушного пузыря) после перехода к новой пере­
менной (y=\+z/z>) принимает вид
dT, /dy + ЪТ, /у = -y a z. + 3[Г0 - yz.(у - \)}Іу,
(39)
•dlV,2/dy
+
a = 3/z,y,
6W,2/y = 2Vz,8T„
R,=R,0y
где уа - сухоадиабатический градиент температуры воздуха, К/м (уа«0,01К/м),
R, - начальный радиус ПГО, м, а - коэффициент вовлечения окружающего воз­
духа в ПГО, м"1, P=g/J - параметр плавучести, м/с2К, g - ускорение свободного
падения, м/с2, Т - средняя температура в атмосфере карьера, К, W, - скорость
подъема ПГО, м/с, у - температурный градиент в атмосфере карьера, К/м,
б0Г, =(Т, -Тй) - начальный температурный перегрев ПГО, К, Т0 ~ температу­
ра воздуха в месте взрыва, К, y=\+z/z,- новая переменная
Однородные линейные уравнения с правой частью системы (39, 40) реша­
ются путем замены каждой переменной на произведение двух функций (Г,=иѵ,
2
Wt = uv), а правой части на функцию Q(y)
В результате интегрирования получим изменение перегрева ПГО в процес­
се его подъема гиперболически-линейную зависимость
57) = СУ3 -(уа - у)/4 z,y = Сху'Ъ - ВіУ,
(41)
где
Cl=80Tl+(ya-y)/4-z.=50Tl+az,/4,
а = уа-у,
В,=аг./4
Из уравнения 41 определится уровень выравнивания температуры ПГО с
атмосферной (57>0)
у0 = ^С1)В1 = фТЩгТ,
где h = d0Tja - максимальный подъем ПГО в политропической атмосфере, м
Поскольку у0 = 1 + гт / г., то уровень выравнивания температуры составит
zT = z.(4/l + 4A/z.-1)
(42)
Уравнение 40 решается аналогично после подстановки в него значения 57", В ре­
зультате получим общее решение уравнения скорости подъема ПГО - гипербо­
лически-тригонометрическую зависимость
31
W, = *. / Ѵ ( Л 4 -1) Ѵ ^ л / і - [ ( Л 4 - / ) ( ^ - 1 ) ] 2 = ^ / Ѵ ( у 0 4 -1) V ^ c o s ^ (43)
При >^ѵ0, на уровне выравнивания температуры, скорость подъема ПГО имеет
максимальное значение Winax=h Ja$/y30=h -ЩI(1 + 4/Tz.) 4
Уровень конвекции (zK), на котором ПГО останавливается и начинается его рас­
сеяние, можно рассчитать по формуле zK = z. (i[y~l -1) = z. (з/l + 8A/z« -1) (44)
После подстановки значения И7, из формулы 43 получим
1
(45)
d/
о
№у=ф\2у*-у4)-(2у$-\)
После преобразования подкоренного выражения в формуле 45 получим общее
решение времени подъема ПГО - тригонометрическую зависимость
х = іД/ор arcsin (у* - у )j{y\ -1)
(46)
у=\
По формуле 46 время подъема ПГО до уровня выравнивания температур zT и кон­
векции zK составит соответственно т г = n/2-Jafi , тк - л/^сф
После подстановки значений zT и zK в начальные условия (39, 40) определим ра1
,
диус ПГО на этих уровнях RT = RIQ (1 + 0,8 h/R^ ) \ RK=R,o(l +1,6 h/R,o) 4
По приведенным формулам произведены расчеты при следующих услови­
ях- ГЦ=3000°К, рз=750кг/м3, ^=1,3, 7Ѵ=240°К, у=-0,021 К/м, Л-287Дж/кгК,
Р=0,04м/с2К, nm=l,38. Результаты расчетов приведены на рис 11
Аналогичные расчеты можно
*ъ ZK, М
- 0,021 К/м выполнить при других условиях к
примеру, при прочих равных усло­
240 К
виях, но при изотермии в атмо­
сфере карьера (у=0), уровни вырав­
нивания температур (zT) и конвек­
ции (zA) увеличиваются на 55-65%,
время достижения облаком этих
уровней возрастает соответственно
до 78,5 с и 157 с, объем ПГО на этих
уровнях увеличивается в 2,2 раза, по
сравнению с инверсионной страти­
фикацией в атмосфере
W..M/C
На основании расчетов с исГисЛІ.Иімевение параметров ПГО от М3 пользованием закона Стокса уста­
новлено, что в интервале М3=(105-106) кг максимальный размер пылинок на
уровне выравнивания температур составляет cf„^=( 1,22-1,64)10"4 м Перед уров­
нем конвекции размер пылинок не превышает 2,1 10"5 м (21 мк), более крупные
частицы по мере подъема облака осаждаются На уровне конвекции масса пыли,
32
проникшей в ПГО, не превышает 40% Скорость гравитационного оседания пы­
левых частиц rf„=2,l 10'5 м составляет 0,05 м/с, частицы меньших размеров имеют
значительно меньшую скорость и могут длительное время витать в воздухе
Условия равновесия легких (СО) и тяжелых (С02, N0*) газовых примесей
на уровне выравнивания температур определяются условиям
*0 - Рсо/Рн ) Ѵсо/К„ = 3W,l /(z r + z.)
(47)
я(і - Рю2 / Л ) Vh0i jV„ = 3W,l / ( z r + z.)
где g - ускорение свободного падения, м/с2, рсо, рсог> Rvo2 - плотность СО, С02,
N0 2 , кі/м3, Ѵса Vcor VNO2 ~ объем CO, C0 2 , N0 2) м3, р„ - плотность газовоздуш­
ной смеси в облаке на уровне zT, кг/м , zT - уровень выравнивания температур, м,
W, - скорость ПГО на уровне zT, м/с, Ѵи - объем облака на уровне zn м3
Следует учесть, что за счет активного вовлечения окружающего воздуха
происходит активное окисление оксида азота и практически на уровне zT в ПГО
остаются тяжелые оксиды азота (N0 2 ,N 2 0 4 , N205)
Левая часть уравнений 47 представляет собой силу плавучести газовых
примесей внутри облака, а правая - ускорение облака на уровне zT
Так как р с о / р н <1, то существование СО в облаке на уровне zT обуслов­
лено силой плавучести, направленной вверх Двуокиси азота и углерода, имею­
щие примерно одинаковые плотности на уровне zT начинают перемещаться в арь­
ергардную часть (вниз) под действием отрицательной силы плавучести
Время оседания тяжелых газовых примесей (N0X, C02) из остановившегося
облака можно определить по условию
rNo2iCo2) = JzJWJ.)
(1 + 8 8аТ,(аі.У"
Для описания процессов рассеяния и распада ПГО после достижения им
уровня конвекции была принята модель рассеяния и распада под действием диф­
фузии осесимметричного изотропного «термика» (пылегазовоздушного пузыря),
образовавшегося при движении тела переменной массы
В рамках рассматриваемой модели принято, что на уровне конвекции дей­
ствует закон сохранения массы, а коэффициент диффузии D = const
На основании этого имеем D = 4лг2/т = 4XR*/TK = const ,
(48)
где RK - радиус ПГО на уровне zK (за время г,), м, г - радиус облака за счет
диффузии на уровне zK по истечении времени т > т„ м
Из закона сохранения массы примесей на уровне zK имеем
m = (4/3)ЛУ 3 С Г = (4/3)яй*Ск = const
(49)
где Сх - концентрация примесей в облаке на уровне z k , кг/м3, Сг - концентра­
ция примесей в сфере ПГО радиусом г, во время т > тк,
Таким образом, из 48 получим изменение относительного радиуса облака
во времени в результате диффузии примесей после уровня конвекции - парабо­
лическую зависимость
г - r/RK ~ (г/г к ) ш
(50)
33
С учетом (50) из (49) определяется гиперболическая зависимость изменения
относительной концентрации примесей от времени в результате диффузии после
достижения облаком уровня zK за время т„
С~Г=С,/СК = /? к Ѵг 3 =(г/г к )- 3/2 (51)
При условии, что концентрация примесей не превысит ПДК ([С]) из 51 еледует
С Г =С,Л 3 А 3 <;[С],
r>rK(Cj[cf'\
где. т - время достижения концентрации примесей в ПГО уровня ПДК
В результате расчетов (при Му=100 т) определим время снижения концен­
трации примесей до ПДК (тк =88 с) г„ > (і,54 10^/(2 10"6)) 88 = 6780 с,
тсо >(і,68 10^/(2 КГ5)) 88 = 740 с, ГЛО^ >(і,22 КГѴ^-НГ 6 )) 88 = 2150 с
При наличии фонового ветра (Ѵ$) облако дрейфует на расстояние L - Гфг
Критическая скорость ветра, при которой может произойти разрыв сплош­
ности и распад ПГО, определится по условию Ѵ^ > -jD/rk
Значение D для нашего примера (М3=100 т, RK=47,5 м, тк=88 с)
2
2
2
D = 4KR^/TK = 4 3,14 47,5 /(88 с) м =322м /с, а критическая скорость ветра
(струи) на уровне конвекции составит (Ѵ^) > Л/322м7с/88с = 1,9 м/с
При исследовании изменения параметров ПГО в результате воздействия на
него многофазных струй необходимо учесть изменение удельной влажности в
облаке и атмосфере В связи с этим при переходе к новой переменной (y=l+z/zt)
исходная система уравнений движения ПГО во влажной стратифицированной
атмосфере принимает вид
-£-+—^
= -у в *. + —іт0 - iz.(y - і)]{і + o,6i[9o - Ѵ . ( У - О]},
ay
У
У
(52)
^1+«^1=2М.8т;.
dy
У
'
(53)
^
dy
+
^
У
= Ча0-ЬМу-1}]
У
<*>
j S . + ^ - e - y e z . + Ve-Y^-l)I.
dy
у
У
а
~ '
R
> = R-»y>
2 = 5Л
*
(55)
(56)
'«
где Тѵ =Тг(1+0,6lq,)- виртуальная температура ПГО, °К, Tt=Tw+dTt - изменение
температуры ПГО, К, Tw=T0-yz- изменение температуры воздуха в атмосфере
карьера, К, у - средний температурный градиент в атмосфере карьера до обра­
ботки, К/м, а - коэффициент вовлечения, м'1, R, - начальный радиус ПГО, м,
уа=0,01 К/м - сухоадиабатический градиент, 57/, - изменение температурного пе34
регрева ПГО, К, ГѴ=Г„,(1+0,61<71(,) - виртуальная температура в атмосфере карье­
ра, К, <70 - удельная влажность воздуха у дна карьера (поверхности взрываемого
блока), кг/кг, 6[ = (q0 - qh)/h - градиент удельной влажности в атмосфере карь­
ера, м ', 7л - удельная влажность воздуха на уровне генераторов осадков, кг/кг,
4%v~%~hz ~~ изменение уделыюй влажности в атмосфере карьера, кг/кг, Wf- ско­
рость подъема ПГО, м/с, 6qt - изменение дефицита удельной влажности при
подъеме ПГО, кг/кг, J3,, = gJTv - параметр виртуальной плавучести в атмосфере
карьера, м/с"К, g - ускорение свободного падения, м/с2, q,=qw+bq, - изменение
удельной влажности в ПГО, кг/кг
Все уравнения 52-55 решаются путем замены каждой переменной
Т,, Тѵ , Wx , qt на произведение двух переменных (иѵ) и представлении правых
частей в виде функции Q(y), аналогично решению уравнений 39,40
Изменение дефицита удельной влажности описывается гиперболиче­
ски-линейной зависимостью
5ql=c2y~3 - В2у,
(57)
где c2=50ql+blz,/4,
B2=bxztJ4.
На основе решения уравнения 52 получим изменение виртуального пере­
грева ПГО во влажной атмосфере
5Г, =съу~ъ-Въу,
(58)
где с} = < у ; + av/4 z„ By=aj4 z„ ау=у„ гЩм
Начальный виртуальный перегрев ПГО определится по условию
ад, = тІа -г0(і+о,бі9о) = ад - о , б в д
Виртуальный температурный градиент в ПГО, К/м определится из уравне­
ния- у1о = у(1 + 0,б1дг0) + 0,61*, {Г0 - уг. [(8/5) .у-2]}
(59)
В результате обработки атмосферы карьера воздушно-газожиднокостными
струями в ней устанавливается инверсионный температурный градиент
К = (Ъ. -Г ѵ )/* = г(1 + 0,61?0) + 0 , 6 В Д - * . 0 ' - 1 ) ]
(60)
П р и у О и ^ О |yt |>|у|,те происходит углубление инверсии в атмосфере
В результате сравнения 59 и 60 следует. 5уѵ = хѴ(р - 7,о = -0,616,^:, (3/5 у -1)
Выравнивание температурного градиента (5уѵ)=0 в ПГО и атмосферного
происходит на уровне y = \ + zlz, = 5/3,z = (2/3)z» «ЗУ?;
При 6]<0,у<0 на уровне поверхности блока (y = l,z-Q) 5yv>0, т е
ІУѵ ІНУѵ I ПРИ У>5/3, 5yv<0 |уѵ |<|yv |, т е после достижения уровня выравнива­
ния температурных градиентов в ПГО происходит углублении инверсии
Для повышения точности необходимо принять в качестве среднего значе­
ния температурного градиента в ПГО на уровне выравнивания градиентов
(>> = 5/3), тогда из 59 получим
(По)ср =(1+0,61д0)Г+0,6Щ[Т0 -(2/3);*.]
(61)
35
Коэффициент Вз в 58 определится из условия Въ={уа-(у^)ср)1^
z.=aj4z,
Из уравнения 58 определим значение у на уровне выравнивания темпера­
туры ПГО (6Г„=0)
у0=^с3/В} =<J\+4b0Tja,z. =*J\+4hJz7,
где 1\ =8^1 /а, - предельный уровень подъема ПГО во влажной политропиче­
ской атмосфере, м Поскольку у0 = 1+ zr /z», то абсолютная величина уровня вы­
равнивания температур составит
гт=г*щ\ + 4/?ѵ/z, -1)
(62)
Общее решение уравнения 53 скорости подъема ПГО во влажной атмосфере еледующее W, = (z, / V ) J^(y*0
~ Щ* ~ рі " / )/(Уо - Щ
(63)
Из 63 следует, что на уровне выравнивания температуры zT(y=y0) ПГО име­
ет максимальную скорость подъема - W =$&ІУІ
^=ДДД/(1+4Ѵ2,)3/4
Из 63 также следует, что уравнение имеет два корня (Wj=0) при yj=\ (у зем4
4
ли) и у2 = 2у0 - 1 (на уровне конвекции) Так как у2=1 + 2 К / 2 *> т о уровень кон­
векции определится по формуле
zK = z* ф + Mjz. -1)
(64)
Время подъема ПГО во влажной стратифицированной атмосфере до уров­
ней выравнивания температуры и конвекции составит соответственно
Из уравнения 61 следует, что в результате предварительной обработки в
ПГО происходит углубление инверсии на величину у(1+0,6Ц,) , а последующая
обработка приводит к еще большему ее углублению (6/<0) на величину
0,61Ьі(Г0 -(2/3)yz,), вследствие чего аѵ>а
Из сравнения 41 и 58 следует, что в результате предварительной обработки
зоны взрыва начальный перегрев ПГО д0Тѵ <60Г, на величину 0,6lq0T0
Вследствие уменьшения начального перегрева 80Т^ и увеличения аѵ=уа-уѵ, по
сравнению с б07^ и я = у„ - У, К = б0Гѵ jav<h = b0Tja, а поэтому zT и zk (ф 62,
64) будут меньшими, чем без обработки зоны взрыва и ПГО
К примеру, при у=-0,03К/м, ^ 0 =0,01 кг/кг, £[=-0,0001 м -1 , z,=100 м,
Т0 = 240К, 30Т, = \4К
уч = -0,0447Юм/ \ = 229,2л/, а, = 0,0547К/м,
(50ГѴ = \2,54К, zT = 78,6м, zK = 109,7м, у0 = 1,79 Без обработки зоны взры­
ва и ПГО А=350 м, zr=96,8 м, Zfc=132 м, т е уровни конвекции и выравнивания
температур выше на (20-23)%, чем после обработки
Максимальная скорость подъема ПГО в результате обработки составит на
уровне ZT=78,6 М - (Г, =1,89 м/с, а без обработки атмосферы и ПГО на уровне
zj=96,8 м - 1,83 м/с Однако при достижении уровня z= 109,7 м скорость подъема
увлажненного ПГО снижается до 0, а необработанное облако продолжает подъем
до zx=132 м Время подъема увлажненного ПГО, рассчитанное до одинакового
уровня z=109,7 м увеличивается на 40% (66,8 с / 47,2 с = 1,41)
36
Из анализа формул 59 и 60 следует, что при изотермии (у=0) и положи­
тельных температурах (7,0>273 К) за счет интенсивной обработки (#і<0) ПГО
можно обеспечить одинаковый инверсионный градиент в атмосфере карьера и
ПГО (у, =у, =0,61 ^Гц) В результате расчетов по формулам 62 и 64 установлено,
что при у=0, Ъ,= -0,0001 м"1, Z,=100M, Г0=290 К уровни выравнивания темпера­
тур (гт) и конвекции (zK) обработанного ПГО уменьшаются на 40% Время подъе­
ма увлажненного ПГО до одинакового уровня (z=145 м) увеличивается в 1,6 раза
Предварительную обработку зоны взрыва и ПГО можно производить мо­
бильными вентиляторами-пеногенераторами ВОКМ-2-300П, а последующее ак­
тивное подавление облака с помощью мощных дальнеструйных установок на ос­
нове ТВД и двухконтурных турбореактивных двигателей, которые располагаются
над зоной взрыва на расстоянии 200-300 м. При этом целесообразно использовать
водные растворы безвредных солей кремниевой (Na2Si03) и угольной (Na2C03)
кислот или цеолиты
Время предварительной обработки можно определить по формуле
г"о=?оАг^з/Чк,
(65)
где. pw- плотность воздуха, кг/м3; Ѵъ - объем обрабатываемой зоны, м3, тж —
суммарный массовый расход жидкости у средств местного пылегазоподавления,
кг/с, q0 - удельная влажность воздуха после предварительной обработки, кг/кг
Углубление температурных инверсий в ПГО и атмосфере в результате обработки
многофазными струями создает реальные предпосылки для предотвращения вы­
хода облака за пределы карьера и активного его подавления
На основе этих исследований разработан способ пылегазоподавления при
массовых взрывах в карьерах
Процессы вымывания пыли и вредных газов из ПГО при их взаимодейст­
вии с каплями жидкости или твердыми осадками можно считать аналогичными
скрубберным процессам очистки
На основании расчетов установлено, что эффективность многофазных
струй при воздействии на ПГО составляет 65-90%
Промышленные эксперименты на карьере ЦГХК показали реальную воз­
можность подавления ПГО с помощью воздушно-газожидкостных струй Повы­
сить эффективность процессов подавления ПГО можно за счет введения в гид­
равлические сопла водных растворов солей угольной (№2СОз) и кремниевой
(Na2Si03, K2Si03) кислот При этом с вредными газами (NOx, СО, С02), адсорби­
рованными пылевыми частицами, содержащими полярные адсорбенты, происхо­
дят химические реакции нейтрализации с образованием геля кремниевой кисло­
ты, который связывает пылевые частицы в крупные агрегаты и быстро осаждает­
ся В процессе оседания гель H2Si03 высыхает и превращается в пористый хоро­
ший адсорбент - силикагель Удельная поверхность силикагеля 200-600 м2/г,
объемная удельная пористость - 0,4 см3/г (0,4 г воды/г), размер «входных окон» (5-20) 10"ш м (5-20 ангстрем) Это позволяет адсорбировать молекулы СО, NO,
С0 2 , N0 2 , диаметр которых составляет соответственно 2,8 10"10 м, 3 10'10 м,
4,4 10 |0 м, 4,8-10"ю м Процесс адсорбции у силикагеля необратимый
37
Водные растворы солей кремниевой и угольной кислот (2-3)-х процентной
концентрации необходимо использовать для пылегазоподавления при работе
технологического комплекса - для нейтрализации взорванной горной массы при
экскавации и транспортировании
Более высокими адсорбционными свойствами, чем силикагель, обладают
природные цеолиты - фожазит, шабазит и др
Природные цеолиты мелких фракций <100 мк целесообразно использовать
в горном деле - для обработки автодорог, перевозимой горной массы, подготов­
ленных к взрыву блоков, рекультивации отвалов и хвостохранилищ, подавления
ПГО
6. Эколого-экономическая оценка средств нормализации
атмосферы карьеров
Исследования санитарно-гигиенических характеристик карьерных вентиля­
торов на основе турбовинтовых двигателей включали оценку состава отрабо­
тавших газов (ОГ) и сравнение токсических показателей карьерных вентиляторов
с различными видами привода, анализ источников шума, возникающего при ра­
боте ТВД, разработку рекомендаций и мероприятий по улучшению санитар­
но-гигиенических характеристик
Для оценки токсических показателей ОГ производился отбор проб, хими­
ческий анализ которых производился в лабораториях ВГСЧ Результаты химиче­
ского анализа и расчеты по теории Абрамовича Г Н показали, что уже на рас­
стоянии 5-ти калибров (5-ти диаметров винта) концентрация всех токсичных
компонентов не превышает ПДК
Сравнительный анализ токсических показателей ТВД и дизельного привода
показал, что НК-12КВ-1М по валовому (приведенному к СО) выбросу эквивален­
тен двум автосамосвалам БелАЗ-7519, а по удельной токсичности меньше в 5 раз
Однако, в связи с тем, что основные режимы работы вентиляторов предусматри­
вают введение воды и растворов в гидравлические сопла струи реактивных газов,
обеспечивается очистка ОГ от токсичных компонентов за счет абсорбции их
жидкостью, адсорбции на поверхности твердого вещества (пыль, сажа) или хи­
мической нейтрализации в безвредный газ при использовании водных растворов
солей угольной (ЫагСОз) и кремниевой (Na2Si03) кислот Химические реакции
протекают с образованием адсорбента-силикагеля
Основными источниками шума, возникающего при работе наземных уста­
новок на базе авиационных ТВД, являются воздушный винт, внутренние агрега­
ты двигателя и струя выхлопных газов
Вследствие того, что уровень громкости шума этих источников превышает
предельно допустимые значения, возникает необходимость в соблюдении пауз
после определенного периода работы установок, что снижает эффективность их
использования
Исследования акустических характеристик производились на карьере
ЦГХК у карьерных вентиляторов НК-12КВ (без кожуха) и НК-12КВ-1М (в кожу­
хе, насадке) При этом было установлено, что с изменением режима работы дви­
гателя от малого газа до номинального приращение уровня громкости на 11 Дб
38
дает воздушный винт, поскольку обороты двигателя остаются постоянными, а
скорость истечения газов реактивного выхлопа изменяется незначительно
На основании исследований была разработана система снижения уровня
громкости шума вентиляторов на базе ТВД. Основными элементами системы яв­
ляются- размещение ТВД в профилированном кожухе с двойными стенками, про­
странство между которыми заполнено вспененным пенополиуретаном, обработка
внутренней поверхности кожуха вибродемпфирующей мастикой, установка спе­
циальных глушителей шума реактивной струи; введение водных растворов на
вход компрессора и реактивную струю, применение индивидуальных средств за­
щиты для машинистов-операторов Разработанная система снижения уровня
громкости шума обеспечила уменьшение интенсивности звука на 3-11 Дб, а зву­
ковой мощности в 2-5 раз, что позволило уменьшить радиус дискомфортной зоны
до 120 м Результаты интегральной оценки уровней интенсивности звука, заме­
ренных в карьере Целинного горно-химического комбината (ЦГХК), позволили
определить рациональные режимы эксплуатации вентиляторов. Установлено, что
за счет размещения винтомоторной группы в звукоизолирующем кожухе допус­
тимое время непрерывной работы увеличивается в 2,4 раза, интегральный уро­
вень интенсивности звука (Вт/м2) снижается в 3 раза
Важнейшими показателями систем пылегазоподавления являются эконо­
мические Из выполненного нами анализа на примере карьера «Мурунтау» при
использовании для привода карьерных вентиляторов энергии природного газа,
авиационного керосина или электроэнергии установлено, что предпочтение сле­
дует отдать природному газу Разработкой энергетических газоперекачивающих
станций на базе авиадвигателей занимается НПО «Энергия» В связи с этим пере­
вод ТВД на природный газ проблемой не является
На основе сравнения систем с применением пылегазоочистки (СПГО) на
рабочих местах и всесезонного пылегазоподавления для карьера «Мурунтау» ус­
тановлено, что по капитальным и эксплуатационным затратам, они сопостави­
мы, однако первые не решают экологическую проблему - сокращение ущерба,
наносимого окружающей среде деятельностью технологического комплекса
карьеров СПГО предназначены только для кабин горного оборудования
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основная цель выполненной диссертационной работы - формирование ра­
циональных аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов для норма­
лизации атмосферы карьеров и обеспечения экологической безопасности окру­
жающей среды
Результаты теоретических, лабораторных исследований и промышленных
испытаний средств и систем всесезонного пылегазоподавления на базе ТВД в ус­
ловиях карьеров Урала, Казахстана, Средней Азии и Забайкалья, разработанные
теоретические основы аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов,
происходящих в атмосфере карьеров при воздействии газовоздушных и много­
фазных турбулентных струй и при массовых взрывах вносят существенный на­
учный и практический вклад в решение проблем обеспечения безопасности жиз39
недеятельности экосистемы «карьер-окружающая среда» и развитие аэрологии
карьеров, рудничной аэрогазодинамики и горной теплофизики
Основные научные и практические результаты исследований заключаются
в следующем
1 На основании теоретических исследований, лабораторных и промыш­
ленных экспериментов установлено, что искусственное формирование в атмо­
сфере карьеров рациональных аэрогазодинамических и тепломассообменных
процессов обеспечивает нормализацию ее состава за счет разрушения темпера­
турных инверсий, активного пылегазоподавления и кондиционирования воздуха
с применением генераторов газовоздушных и многофазных турбулентных струй
2 Установлено, что регулирование и управление искусственно создавае­
мыми процессами и их интенсивностью при нормализации пылегазового и кли­
матического режимов в атмосфере карьеров и в воздухе прилегающих к ним тер­
риторий достигается при включении в состав технологического комплекса
средств и систем экологического мониторинга и управляемых по полученной от
них информации (по радио-телеканалам связи средств и систем экологического
мониторинга Предложена кардинальная модернизация системы экологического
мониторинга «Диспетчер-2», прошедшей промышленные испытания на карьерах
НГМК (Узбекистан) и комбинате «Магнезит»»
3 Установлено, что повышение эффективности аэрогазодинамических и
тепломассообменных процессов при нормализации атмосферы карьеров с при­
менением генераторов газовоздушных и многофазных турбулентных струй на
основе ТВД достигается за счет оптимальных параметров входного коллектора
(«кольца») и кожуха («насадка»), применения конструктивных элементов и уст­
ройств - входных водораспылительных контуров, гидравлических бесфорсуноч­
ных и газовыводящщих сопел и систем - шумоглушения, сканирования струй и
регулирования их степенью неизотермичности
4 Теоретически установлено, что при оптимальных значениях - ширине
кольца (В, = 0,5RB), глубине расположения винта в «насадке» (С = 0,654RB) и
длине «насадка» (кожуха LH=3,6 R„) достигается увеличение тяги системы «винт
- насадок» и увеличение скорости, расхода воздуха в начальном сечении и даль­
нобойности на 50% Результаты исследований подтверждаются промышленными
экспериментами
5 Лабораторными исследованиями процессов искусственного воздухооб­
мена на моделях карьеров трубка «Мир», ЦГХК, НГМК, ССГОКа и комбината
«Ураласбест» установлено, что применение перемещающихся турбулентных
струй («динамические схемы») обеспечивает повышение эффективности на 2530% за счет эффекта «перемежаемости» (наложение вихревых и турбулентных
потоков) Результаты экспериментов подтверждены промышленными испыта­
ниями средств и систем всесезонного пылегазоподавления на карьерах Урала, Ка­
захстана и Забайкалья, а также удовлетворительной степенью сходимости (85%)
результатов лабораторных и промышленных экспериментов (карьер ЦГХК).
6 На базе разработанных теоретических основ аэрогазодинамических и те­
пломассообменных процессов, происходящих при массовых взрывах, установле­
но, что пылегазовое облако (ПГО) формируется и поднимается как изотропный
40
осесимметричный «термик» (пузырь) до уровня конвекции гк за время г, При
этом изменение температурного перегрева, скорости и времени подъема описы­
ваются соответственно - линейно-гиперболической, гиперболически-тригономет­
рической и тригонометрической зависимостями
7 Теоретически установлено, что после уровня конвекции происходит
диффузионное рассеяние и распад ПГО При этом увеличение относительного
радиуса (объема) и уменьшение относительной концентрации вредных примесей
во времени характеризуются соответственно - параболической и гиперболиче­
ской зависимостями Критическая скорость ветрового потока или турбулентной
струи, достаточная для рассеяния ПГО пропорциональна корню квадратному из
частного от деления коэффициента диффузии на время достижения облаком
уровня конвекции
8 Для расчета параметров зон возможного загрязнения (ЗВЗ) прилегающих
к карьерам территорий установлены новые закономерности процессов рассеяния,
распада ПГО и оседания вредных примесей, а также влияния многофазных тур­
булентных струй на эти процессы
9 Установлено, что по сравнению с инверсионной стратификацией в атмо­
сфере карьера при изотермии происходит увеличение уровней выравнивания
температур и конвекции на 60% и объема в 2,2 раза Эти обстоятельства опреде­
ляют необходимость создания искусственными способами и средствами темпера­
турной инверсии в атмосфере карьеров
10 На базе разработанных теоретических основ аэрогазодинамических и
тепломассообменных процессов, происходящих при формировании, развитии и
распаде ПГО во влажной стратифицированной атмосфере карьеров, установлено,
что за счет предварительной обработки зоны взрыва и последующего активного
воздействия на ПГО многофазных струй турбовентиляторов в облаке и атмосфе­
ре создается искусственная инверсия Тем самым предотвращается выход облака
за пределы карьера и создаются условия для его активного подавления с приме­
нением мощных генераторов многофазных струй Реальная возможность актив­
ного подавления ПГО с применением генераторов осадков на базе ТВД подтвер­
ждается промышленными экспериментами на карьере ЦГХК
11 Установлено, что существенное влияние на изменение виртуальных ха­
рактеристик - температурного перегрева, скорости и времени подъема ПГО во
влажной инверсионной стратифицированной атмосфере, определяющих основ­
ные параметры ПГО (уровень конвекции, объем, концентрацию вредных приме­
сей) оказывает инверсионный температурный градиент, искусственно создавае­
мый генераторами осадков на базе ТВД Искусственное формирование в атмо­
сфере карьеров и ПГО температурной инверсии многофазными струями при по­
ложительных температурах приводит к уменьшению уровней выравнивания тем­
ператур и конвекции на 40% и увеличению времени подъема до этих уровней на
60%
12 Разработанные с непосредственным участием автора средства и систе­
мы всесезонного пылегазоподавления на базе ТВД прошли промышленные испы­
тания на карьерах Урала (ГБРУ НТМК, комбината «Ураласбест», Казахстана
(ЦГХК), Средней Азии (НГМК, карьер «Мурунтау») и Забайкалья (ПГХК и Заб.
41
ГОК). Внедрение систем искусственного воздухообмена и всесезонного пылегазоподавления с применением генераторов осадков НК-12КВ-Ш позволило за
счет нормализации состава атмосферы отработать запасы руды на двух уранодобывающих предприятиях (ЦГХК и ПГХК) и получить экономический эффект в
размере 330 тыс руб в год (в ценах 1990 г).
Основное содержание диссертации изложено в следующих работах
1 Нестеренко Г Ф Формализация процессов активного подавления пылегазового облака при массовых взрывах в карьерах / Нестеренко Г Ф // Известия
ВУЗов. Горный журнал. - 2004. - № 2. - С 33-38
2. А с 1756579 СССР МКИ5 Е 21 F 1/00 5/02 Устройство для пылегазоподавления в карьерах / Нестеренко Г Ф , Крючков В Н , Конорев М М , Росляков
С М (СССР) - № 4815034/03, Заяв 16 04 90, опубл 23 08 92 - Бюллетень изо­
бретений -1992 - № 3 1 .
3 Нестеренко Г Ф Координатник для исследования аэродинамических пара­
метров струй карьерных вентиляторов / Нестеренко Г Ф // Межвузовский сбор­
ник «Вентиляция шахт и рудников» Вып 9 - Л -1982 - С 45-47
4 А с 1271979 СССР МКИ4 Е 21 F 1/00 Способ проветривания карьеров
/Нестеренко Г Ф, Макаров В Н , Терещенко Г Л , Конорев М М (СССР) - №
3701253/22-03, Заяв 15 02 84, опубл 23 11 86 - Бюллетень изобретений - 1986
-№43
5 Нестеренко Г.Ф Сравнительная оценка карьерных вентиляторов на базе
авиационных газотурбинных двигателей / Нестеренко Г Ф , Конорев М М / / На­
земное применение авиадвигателей в народном хозяйстве Материалы межотрас­
левой выставки - М ВИМИ -1977 -Вып 2(4).-С 15-17
6 Нестеренко Г Ф Отечественный опыт в области разработки средств и сис­
тем экологического мониторинга воздушной среды в атмосфере карьеров и при­
легающих к ним территорий // Известия ВУЗов Горный журнал - 2007 - № 3 С 60-64
7 Нестеренко Г Ф Исследование процессов оседания вредных примесей при
подъеме пылегазового облака (ПГО) / Нестеренко Г Ф // Сб научных трудов
«Аэрология» по материалам симпозиума «Неделя горняка-2007» Отдельный вы­
пуск Горного информационно-аналитического бюллетеня - 2007- № 0В12 С 161-166
8 Конорев М М Исследование и обоснование параметров модульного карь­
ерного вентилятор ВОКМ-4-2500 /Конорев М М, Нестеренко Г Ф // Горный ин­
формационно-аналитический бюллетень - 2000 - № 5 - С 206-208
9 Конорев М М. Исследование процессов пылегазоподавления в карьерах
при производстве массовых взрывов / Конорев М М, Нестеренко Г Ф // Горный
информационно-аналитический бюллетень -2000 - № 7 - С 81-83
10 Конорев М М Исследование рабочих характеристик и рациональных ре­
жимов эксплуатации турбовинтовых двигателей (ТВД) карьерных вентиляторов /
Конорев М М, Нестеренко Г Ф // Горный информационно-аналитический бюл­
летень - 2000 - № 6 - С 209-211
11 Конорев М М Исследование санитарно-гигиенических характеристик
42
турбовинтовых двигателей (ТВД) карьерных вентиляторов / Конорев М.М , Не­
стеренко Г Ф // Горный информационно-аналитический бюллетень - 2000. - №
3 - С 188-190
12 Конорев ММ Исследование эффективности средств пылегазоподавления
в карьерах при различных атмосферных условиях / Конорев М М, Нестеренко
Г Ф // Горный информационно-аналитический бюллетень - 2000 - № 7 - С 8387
13 Конорев ММ. К решению проблемы нормализации атмосферы глубоких
кимберлитовых карьеров / Конорев М М, Нестеренко Г Ф, Еремеев В И , Забе­
лин В В // Актуальные проблемы разработки кимберлитовых месторождений
современное состояние и перспективы решения Сб докл. Международ научно-практич конф Мирный-2001 - Мирный ЯКУТНИПРОАЛМАЗ - 2001 С 117-122
14 Конорев М М Выбор вертолетного винта в качестве ротора карьерного
вентилятора / Конорев М М , Нестеренко Г Ф , Блонский M B / / Горный инфор­
мационно-аналитический бюллетень -2002 - № 4 - С 196-198
15 Конорев М М Обоснование выбора схем проветривания и режимов рабо­
ты систем вентиляции карьеров / Конорев М М , Нестеренко Г Ф // Горный ин­
формационно-аналитический бюллетень - 2002 - № 4 - С 73-76
16 Конорев М М Теоретические аспекты процессов формирования и подъема
пылегазового облака при массовых взрывах в карьерах / Конорев М.М, Несте­
ренко Г Ф // Горный информационно-аналитический бюллетень - 2002 - № 9 С 88-91
17 Конорев ММ К вопросу снижения негативного воздействия на окру­
жающую среду массовых взрывов в карьерах / Конорев М М, Нестеренко Г Ф //
Горный информационно-аналитический бюллетень -2005 - № 1 - С 109-113
18. Конорев ММ Вентиляция и пылегазоподавление в атмосфере карьеров /
Конорев М М , Нестеренко Г Ф -Екатеринбург ИГДУрОРАН -2000 -312 с
19 Конорев М М Установка для проветривания карьеров /Конорев М М ,
Блонский М В , Нестеренко Г Ф // Патент на изобретение РФ № 2167302 - 2001
20 Конорев М М Теоретические исследования процессов подъема пылегазо­
вого облака при массовых взрывах в карьерах / Конорев М М, Нестеренко Г Ф //
Горный информационно-аналитический бюллетень -2002 - № 4 - С 198-201
21 Конорев ММ Исследование процессов восстановления естественного
воздухообмена, кондиционирования воздуха и пылегазоподавления в атмосфере
карьеров / Конорев М М, Нестеренко Г Ф // Ресурсовоспроизводящие, малоот­
ходные и природоохранные технологии освоения недр Материалы 2-й междуна­
род конф-ции - М Изд-воРУДН -2003 -С321-327
22 Конорев ММ Теоретические исследования процессов взаимодействия
пылегазового облака (ПГО) и воздушно-газожидкостных струй при массовых
взрывах в карьерах / Конорев М М, Нестеренко Г Ф // Горный информацион­
но-аналитический бюллетень -2003 - № 8 - С 76-79
23 Конорев М М Эколого-экономическая характеристика средств нормали­
зации атмосферы карьеров / Конорев М М., Нестеренко Г Ф // Геотехнологиче43
ские проблемы комплексного освоения недр Сб науч тр ИГД УрО РАН Вып 2
(92) -Екатеринбург -2004 -С231-244
24 Ас 1457517 СССР, МКИ4 Е 21 F 5/02 Способ пылегазоподавления /
Росляков С М., Конорев М М, Нестеренко Г Ф , Филатов С С , Страшников 0 Г ,
Киенко А.А, Зайцев В.Ф (СССР) - № 4227757/22-03; Заяв 13 04 87, опубл
07 02 89 - Бюллетень изобретений - 1989 - № 5. - С.259
25 Нестеренко ГФ О возможности повышения эффективности процессов
пылегазоподавления в карьерах // Проблемы предотвращения загрязнения воз­
душного бассейна при открытой разработке железных руд Докл Всесоюз науч техн семинара (Кривой Рог, 16-18 октября 1990) - М Черметинформация. 1990 - С 17-20
26 Ас 1195014 СССР МКИ4 Е 21 F 1/08 Карьерный турбовентилятор
/Конорев М М , Нестеренко Г Ф, Филатов С С, Крячков Н Т, Зайцев В Ф , Кац
Б А (СССР) -№3756646/22-03, Заяв 19 03 84, опубл 30 11 85 - Бюллетень изо­
бретений - 1985 - № 44
27 Конорев М М Промышленные испытания системы искусственной венти­
ляции на базе авиадвигателей НК-12МВ / Конорев М М ,Филатов С С , Несте­
ренко Г Ф и др // Наземное применение авиадвигателей в народном хозяйстве
Материалы межотраслевой науч-техн конф - М ВИМИ - 1981 - В ы п 2 С 57-62
28 Конорев ММ Совершенствование конструктивных параметров карьер­
ных вентиляторов-оросителей НК-12 KB / Конорев М М, Филатов С С, Несте­
ренко Г Ф и др // Наземное применение авиадвигателей в народном хозяйстве.
Материалы межотраслевой выставки-М ВИМИ -1981 Вып2 - 4 2 - С 6370
29 Конорев ММ Конструктивные особенности и технико-экономические
показатели карьерного вентилятора-оросителя НК-12 КВ-1М / Конорев М М , Не­
стеренко Г Ф , Филатов С С и др // Горный журнал - 1 9 8 1 . - № 6 - С 43-46
30 A new Soviet ventilator - hamidifier opencast mines // Mining Magazine 1981 -Vol 145 - № 6 - P 5 0 5 - M Konorev et al, Gornyi Zhurnal № 6 1981, pp
43-46.
31 Конорев M M Исследование параметров струй и эффективности схем
проветривания карьеров при работе вентиляторов в динамическом режиме / Ко­
норев М М, Нестеренко Г Ф, Макаров В Н // Физико-технические проблемы
разработки полезных ископаемых - 1982 - № 1 - С 64-69
32. Конорев М М Обоснование проектных решений при разработке системы
искусственной вентиляции и пылегазоподавления карьера трубки "Мир" / Коно­
рев М М , Макаров В Н, Нестеренко Г Ф и др // Горный журнал - 1984 - № 9 С 57-59
33 Конорев М М. Отработка режимов пылегазоподавления в атмосфере глу­
боких карьеров с помощью вентиляторов-оросителей / Конорев М М, Нестерен­
ко Г Ф, Макаров В Н , Киенко А А // Техническое перевооружение железоруд­
ных карьеров Сб научн. тр ИГД МЧМ СССР, № 86 - Свердловск - 1988 С 74-79
34 Конорев М М. Новые разработки в области карьерной аэрологии / Коно44
рев М М, Нестеренко Г Ф // Проблемы безопасности при эксплуатации место­
рождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций Сб
докл Междунар симпозиум SPM-95 - Пермь ГИУрОРАН - 1 9 9 5 . - С 69-71
35 Конорев М М Термодинамика процесса формирования пылегазового об­
лака (ПГО) при массовых взрывах / Конорев М М , Нестеренко V Ф II Горные
науки на рубеже XXI века Материалы Международной конференции - Екате­
ринбург УрОРАН -1998 -С220-226
36 Конорев М М Исследование эффективности средств пылегазоподавления
в карьерах / Конорев М М, Нестеренко Г.Ф // Сб докл Международной конфе­
ренции по открытым и подземным горным работам - М МГИ - 1998 - С.53-56
37 Конорев М М К обоснованию конструктивных параметров карьерных
вентиляторов на базе авиационных турбовинтовых двигателей / Конорев М М ,
Нестеренко Г Ф // Проблемы геотехнологии и недроведения (Мельниковские
чтения) Докл Междунар конф Т2 -Екатеринбург ИГД УрО РАН - 1998 С 218-227
38 Ас 508097 (СССР) МКИ2 Е 21 F 1/08 Карьерный турбовентилятор
/Конорев М М, Филатов С С , Нестеренко Г Ф (СССР) - № 2063028/03, Заяв
30 09 74, опубл 25 03 76 -Бюллютень изобретений - 1976 - № 11.-С 160
39. А с. 596020 СССР, МКИ2 Е 21 F 1/08 Карьерный турбовентилятор / Ко­
норев М М , Филатов С С, Нестеренко Г Ф, Макаров В Н (СССР) №2364804/22-03, Заяв 24 05 76, опубл 28 02 78. - Бюллютень изобретений 1978 - № 8 -С230
40 Ас 1023106 СССР МКИ3 Е 21 F 1/08 Карьерный турбовентилятор/Ко­
норев М М, Филатов С С, Нестеренко Г Ф. (СССР) - № 3384827/22-03, Заяв
23 12 81, опубл 15 06 83 - Бюллютень изобретений - № 22
41 Ventilating open pit mines during blasting // Mining Magazine - 1973 Vol 174 - № 8 - P 163 - S S Filatov et al Gornyi Zhurnal - № 5 - 1973, pp 13-17
42 Конорев М М Исследование процессов диффузионного рассеяния пы­
легазового облака (ПГО) / Конорев М М, Нестеренко Г Ф. // Сб научных трудов
«Аэрология» по материалам симпозиума «Неделя горняка-2007» Отдельный вы­
пуск Горного информационно-аналитического бюллетеня - 2007 - № 0В12. С.154-160
43 Конорев М М Теоретические исследования качеств системы «винт насадок» для карьерных вентиляторов / Конорев М М , Нестеренко Г Ф // Сб
научных трудов «Аэрология» по материалам симпозиума «Неделя горняка2007» Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня 2007 -№0В12 - С 92-100
45
Сдано в печать 09 06 2008 г
Формат 60x84/16 Тираж 150 экз
Отпечатано сектором НТИ
Горного института УрО РАН
614007, г Пермь, ул Сибирская, 78а