Способы дегазации метанообильных шахт 5

Основным источником метана являются угольные пласты, максимальная метаноносность которых в зависимости от степени метаморфизма и величины природного давления метана достигает 30-45 м3/т угля. Само природное давле- ние метана достигает на глубинах 600-800 м уже 4-8 МПа, а на глубинах свы- ше 1000 м 12-15 МПа.

Природная метаноносность угля - кроме опасности скоплений и взрывов газа в шахтах, ухудшения безопасности труда и повышения себестоимости до- бычи – является препятствием для использования высокопроизводительных проходческой техники и механизированных добычных комплексов (при мета- ноносности более 5-7 м3/т эта техника неэффективна), за счёт этого производи- тельность труда в газообильных шахтах в 1,5-2 раза ниже обычной. Дебет вы- деляющегося метана в угольных шахтах очень велик: от 480 тыс. м3/сутки в Печорбассе и до 140 тыс. м3/сутки в Кузбассе.

Основными методами борьбы с метаном являются:

1) интенсивное проветривание горных выработок (до 15-17 т воздуха на 1

т добытого угля);

2) дегазация горного массива там, где проветривания недостаточно для снижения концентрации газа.

 

 

 

5 а) Айруни А.Т. Способы борьбы с выделением метана на угольных шахтах. – М.: Обзор ЦНИЭИуголь, 1991, 65 с.; б) Галазов Р.А., Айруни А.Т., Сергеев И.В. и др. Газообильность каменноугольных шахт СССР. Эффективные способы ис- кусственной дегазации угольных пластов на больших глубинах. – М.: Наука, 1987, 198 с.; в) Айруни А.Т. Теория и практика борьбы с рудничными газами на больших глубинах. – М.: Недра, 1981, 329 с.; г) Ножкин И.В. Заблаговременная дегазация угольных месторождений. – М.: Недра, 1979, 271 с.

 

 

Способы дегазации угольных шахт

При подземной дегазации пробуриваются скважины, из которых происхо- дит каптаж (улавливание в скважины, затем отсасывание метана из дегазаци- онных скважин в специальный газопровод и далее - на земную поверхность). Для усиления отдачи газа в скважинах применяют методы искусственного по- вышения газоотдачи угольного пласта. Для снижения дебита метана при про- ходке выработок производят тампонаж газопроводящих трещин вокруг выра- ботки на глубину до 2-4 м (при давлении метана до 0,15 МПа и дебите до 2,5-3 м3/т).

Дегазацией достигается следующее:

1) при снижении содержания метана на 1% скорость проходки можно уве- личить в 2-3 раза и в 2 раза повысить производительность добычи угля;

2) нет необходимости усиливать проветривание выработок, проходить дополнительные вентиляционные шурфы;

3) собранный в ёмкости метан в дальнейшем можно использования в виде топлива или сырья для химической промышленности.

 

За рубежом для предварительной дегазации обычно используют длинные (до 150-180 м) скважины большого (200-250 мм) сечения, пробуренные из со- седних с лавой подготовительных выработок.

Дегазации подвергаются не только угольные пласты, но и зоны тектониче- ских нарушений. От природных условий (газоносность, газопроницаемость, влажность, степень метаморфизма угля, мощность пластов) и горнотехнических условий (глубина разработки, способ подготовки и система разработки, способ управления горным давлением) зависит выбор способа дегазации. Так, в Донбас- се преобладает (75-78% объёма метана) дегазация смежных пластов-спутников длинными подземными скважинами из подготовительных выработок, скважина- ми, пробуренными с земной поверхности забирается ещё 13-15%, кроме того, из выработанного пространства отсасывается 6-7%, и ещё около 2% объёма метана забирается из скважин при предварительной дегазации пластов. Всего же дегаза- цией извлекается 10-15% объёма выделяющегося метана (табл. 9), большая часть 85-90% газа удаляется из шахты за счёт общешахтной депрессии, т.е. за счёт про- ветривания.

Таблица 9

Показатели дегазации в России, Украине и Казахстане

Показатели	Угольный бассейн
Донецкий	Кузнецкий	Карагандинский	Печорский
Глубина разработки, м	700-1200	300-800	400-700	500-1000
Природная газоносность, м3/т	20-35	15-30	20-25	25-35
Длина скважин, м	100-150	100-200	100-250	150-220
Расстояние между сква- жинами, м	6-20	15-25	12-20	15-20
Оптимальная длитель- ность дегазации, мес.	6-10	8-15	12-36	6-15

 

 

Снижение метаноносно- сти угля, м3/т

3-4,7

5-9

6-10

5-9

 

Дегазация при проходке выработок

Для дегазации вертикальных капитальных выработок (при проходке ство- лов и гезенков) бурятся скважины длиной 30-90 м и диаметром 80-120 мм либо из специальных ниш-камер, устраиваемых по бокам ствола, либо непосредст- венно из забоя ствола, через каждые 20-80 м его длины. При этом зона дегаза- ции в горизонтальном сечении должна превышать диаметр ствола на 5-8 м, а опережение проходческого забоя дегазационными скважинами должно быть не менее 5-9 м.

Другой вариант - тампонаж газопроводящих трещин и стенок выработки производится с использованием шпуров диаметром 42 мм и длиной до 2-3 м - под давлением нагнетания глинистого или цементного раствора 2-2,5 МПа, со- вместно с тампонажем обычно применяется нанесение набрызгбетона толщи- ной 20 мм на стенки выработки.. Тампонаж снижает газоприток в выработки на 15-20%.

 

При дебите метана свыше 3-3,5 м3/мин при проходке горизонтальных вы- работок применяется:

а) опережающее бурение дегазационных скважин диаметром 50-120 мм и длиной 30-90 м непосредственно из забоя;

б) бурение скважин в обе стороны от выработки из специальных бортовых ниш-камер (рис. 8) через каждые 30-50 м;

в) бурение из бортовых ниш-камер опережающих забой на 5-10 м скважин длиной 15-100 м и диаметром 50-120 мм (рис. 9);

г) законтурное бурение ограждающих скважин (при дебите метана до 15-18 м3/мин) длиной до 200 м параллельно проходимой выработки на расстоянии 5-7 м от стенок её, при этом число скважин от 2 до 4 с каждой стороны выработки, диаметр 100 мм.

 

 

Рис. 8. Схема дегазации при проходке квершлага по трещиноватым га- зосодержащим породам (Румыния):

1 – забой квершлага; 2 – ниша; 3 – дегазационная скважина

 

Дегазация отрабатываемых угольных пластов

Наиболее часто применяемыми способами дегазации во всём мире явля- ются: а) предварительная дегазация с искусственным повышением газоотдачи; б) дегазация выработанного пространства и в) шахтно-бесшахтная дегазация.

 

Предварительная дегазация планируемых к отработке пластов произво- дится в условиях естественного залегания угля, ещё не испытывающего опор- ного горного давления. По дегазируемому пласту поперёк столба из подгото- вительных выработок бурятся параллельные или пересекающиеся скважины, в которых собирается за счёт естественной диффузии метан, кроме того, создав в скважинах вакуум можно повысить на 20-30% газоотдачу пластов. Наиболее эффективны восстающие скважины и горизонтальные, наименее эффективны нисходящие скважины, пробуренные из подготовительных выработок (соотно- шение эффективности соответственно 1,3:1,2:1).

 

Рис. 9. Схема дегазации бортовыми скважинами при проведении пластовых выработок (Япония):

1 – штрек в почве нижнего пласта; 2 – квершлаг; 3 – откаточный штрек;

4 – лава нижнего слоя; 5 – лава верхнего слоя; 6 – наклонная дегазационная выработка; 7 – главный пласт; 8 – нижний пласт

 

Оптимальные параметры предварительной дегазации:

- длина скважин 80-240 м (зависит от длины лавы);

- диаметр скважин 100, 120 или 150 мм;

- плотность сетки скважин 12-18 м/1000 т;

 

 

- расстояние между скважинами 10-25 м;

- длительность дегазации 12-24 месяцев.

Предварительная дегазация снижает метаноносность угля (на 3-5 м3/т угля или на 15-30%) и тем самым позволяет повысить производительность добыч- ных комплексов.

 

Передовая дегазация осуществляется скважинами, пробуренными вдоль и поперёк столба из подготовительных выработок по пласту с опережением очистной выемки, при этом метаноносность угля снижается на 30-60%.

Оптимальные параметры передовой дегазации:

- длина скважин 80-200 м;

- диаметр скважин 100, 120 или 150 мм;

- расстояние между скважинами 10-15 м;

- длительность дегазации 20-60 суток.

 

Дегазация подрабатываемых угольных пластов подземными скважина- ми. На больших глубинах и при высокой метаноносности угля над основным пластом проходят опережающую горную выработку – коллектор, в которую собирается метан и под которой возникает зона разгрузки от горного давления (опережение не более чем на 45-60 м). Из этой выработки бурятся дегазацион- ные скважины (длиной 100-140 м и диаметром 100 мм) по пластам-спутникам и тем снижается выделение метана в основном пласте, кроме того, в коллекторе собирается газ и из выработанного пространства.

 

Рис. 10. Схема предварительной дегазации мощного пологого пласта – восстающими, горизонтальными и нисходящими скважинами (Караганда)

 

 

Дегазация выработанного пространства производится за счёт отсасыва- ния метана из зон обрушения над мощными пластами угля, для этого из ниш в бортах подготовительных выработок бурятся скважины выше купола обруше- ния пород: из каждой ниши по 2-5 скважины, расстояние между нишами 40-50 м, длина скважин 50-60 м.

 

Шахтно-бесшахтный способ дегазации заключается в бурении с земной поверхности вертикальных скважин до уровня угольных пластов, где произво- дится гидроразрыв, а затем – отсасывание газа, при этом суммарная мощность дегазируемых пластов должна быть не менее 3-4 м, глубина залегания пластов до 650 м, расстояние между скважинами 100-150 м, давление гидроразрыва 18- 20 МПа, кроме того, дегазация подвергаются участки, где очистные работы начнутся не позже, чем через 2-4 года. В США этим способом извлекается 70- 85% всего каптируемого метана.

 

Методы искусственного повышения газоотдачи угольного пласта. Де- газация скважинами эффективна лишь при высокой газовой проницаемости угольных пластов – свыше 2*10-18 м2, поэтому на пластах с низкой газопрони- цаемостью и газоотдачей необходимо искусственно повысить эти свойства уг- ля.

1. Солянокислотная обработка стенок скважин длиной 100-150 м, пробу- ренных через 10-20 м по длине подготовительной выработки, - 3% раствором соляной кислоты под давлением закачки 0,5-1,5 МПа (объём кислоты на одну скважину 20-50 м3), длительность 4-5 часов. При этом растворяются карбонат- ные включения пласта и повышается его пустотность, следовательно газоотда- ча возрастает в 2-3 раза, метаноносность пласта снижается на 4-8 м3/т.

2. Подземный гидроразрыв пласта за счёт нагнетания в пробуренные скважины диаметром 100-120 мм и длиной 100-150 м - воды или водного рас- твора под высоким давлением:

- для глубин 300-600 м – 10-12 МПа;

- для глубин 600-900 м – 12-17 МПа;

- для глубин 1000-1200 м – 18-20 МПа.

При этом скорость закачки 30-40 м3/ч и количество закачиваемой в одну скважину воды 25-100 м3, тогда радиус обработки пластов составляет 30-50 м. За счёт создания пустот и трещин временно – на 5-7 месяцев - увеличивается дебит метана из гидроразрывных скважин в 20-50 раз и из дегазационных (предварительных, передовых) скважин в 2-2,5 раза. Добавки в воду: смачива- тель ДБ (0,2-0,5%), глицерин (или катамин 0,2-1%) индустриальное масло (0,2- 2%), жидкое стекло (0,1-0,9%)

Сочетание гидроразрыва с предварительной дегазацией позволяет повы- сить нагрузку на очистной забой по пластам с природной газоносностью 15-25 м3/т – до 1600-2000 т/сутки. Область применения этого метода повышения га- зоотдачи определяется экономической оценкой затрат на бурение и оборудова-

 

 

ние скважин гидроразрыва, нагнетание в них воды и на последующее бурение в обработанной зоне дегазационных скважин. При использовании гидроразрыва угля в сочетании с параллельно-одиночными дегазационными скважинами снижается метаноность угля на 6-12 м3/т.

3. Передовое глубинное гидрорезание. Для этого в пробуренную из забоя подготовительной выработки скважину (диаметром 100-120 мм и длиной 80- 150 м) вводится буровой став со специальными насадками-фильерами, преобра- зующими статический напор воды давлением свыше 20 МПа в динамический. Насадку с фильерами передвигают от забоя скважины к её устью со скоростью 6-8 м/ч, при этом возникают трещины по обеим сторонам от скважины высотой 10-15 см и шириной 2 м. Гидрорезание производится на всю длину скважины, исключая последние 3-5 м к устью, затем скважина герметизируется и подсое- диняется к шахтному газопроводу (см. каптаж). Эффективность такой дегаза- ции достигает 70-80%, что позволяет увеличивать скорость проходки штрека с 1,5-3 до 10-12 м/сутки.

 

 

II. Аэрология карьеров

Атмосфера и микроклимат карьеров -+конспект!

Карьеры, разрабатывающие полезные ископаемые, располагаются в раз- личных районах России, но лишь в двух климатических поясах – арктическом и умеренном. Арктический пояс распространён в самых северных районах вдоль Северного Ледовитого океана (примерно выше 65 параллели), который форми- рует арктические воздушные массы. Характеризуется морозной длительной зи- мой с продолжительным временем температуры воздуха ниже –500С и холод- ным же коротким летом. Умеренный пояс распространён на бóльшей части

территории России, формируется под влиянием тёплых и влажных воздушных масс, поступающих с Атлантического океана, Тихого океана и из региона Си- бирского антициклона.

Организм россиянина приспособлен к средним, умеренным температурам, поэтому на его самочувствие влияют как высокие, так и низкие температуры. Для оценки влияния низкой температуры и ветра принимается показатель – жё- сткость погоды:

Ж = t

+ 2 u

, баллы,

где t – отрицательная температура воздуха, берётся по модулю, 0С; υ –

скорость ветра, м/с.

По жёсткости погоды территория РФ разделена на отдельные районы (см.

рис. 8).

 

Состав атмосферного воздуха карьеров

 

При разработке некоторых месторождений в атмосферу карьера могут вы- деляться газообразные радиоактивные вещества, основным из которых является радон, образованный при распаде радия.

Содержание в воздухе рабочей зоны вредных газов и паров в соответствии с требованиями ГОСТа не должно превышать предельно допустимые концен- трации (ПДК), мг/м3:

 

Акролеин – 0,2	Окись углерода – 20
Формальдегид – 0,5	Сероводород – 10
Тринитротолуол – 1,0	Сернистый ангидрид - 10
Окислы азота – 5,0

Рабочей зоной считается пространство высотой до 2 м над уровнем почвы или площадки, в котором располагаются места постоянного или временного пребывания работающих.

При работе в атмосфере, содержащей окись углерода, не более 1 часа ПДК может быть увеличена до 50 мг/м3, а при работе не более 30 минут – до 200 мг/м3. Работы при увеличенном содержании окиси углерода в воздухе рабочей зоны могут возобновиться не ранее двухчасового перерыва.

При разработке полезных ископаемых в атмосферу карьеров выделяется также пыль, представляющая собой мелкие твёрдые частицы размером менее 0,1-0,5 мм. Она может быть ядовитой и неядовитой. К неядовитой относят кварцевую, угольную, силикатную… пыль, однако она может привести к профзаболеванию – силикозу и др., а радиоактивная пыль – к раковым заболе- ваниям. Существуют ПДК на пыль, регламентируемые ГОСТом (см. табл. 4).

 

 

К ядовитой относят пыль, содержащей свинец, ртуть, хром, марганец, мышьяк, сурьму и другие ядовитые химические элементы, вдыхание которых приводит к специфическим профзаболеваниям.

Основными характеристиками, определяющими микроклимат карьеров, накопление и вынос вредностей, являются скорость воздуха в карьерах, его температурный режим и влажность атмосферы.

Скорость воздуха в карьерах определяется скоростью воздуха на по- верхности и температурным режимом карьеров. При скорости ветра на поверх- ности более 2 м/с - она определяется энергией ветрового потока, при меньшей – термическим фактором. Существует суточный и годовой период изменения скорости ветра на поверхности, скорость воздуха в карьере обычно меньше, чем на поверхности. Термические силы, вызываемые прогревом или охлажде- нием воздуха, могут существенно изменять скорость воздуха в карьере и фор- мировать воздушные потоки горизонтальные – до 3 м/с, а восходящие – до 5 м/с.

Температура воздуха в карьере определяется температурой воздуха на поверхности, адиабатическим сжатием воздуха, тепловыделяющими и теплопо- глощающими процессами в карьерах и состоянием его атмосферы. Она также изменяется в течение суток и за год. Обычно температура воздуха в карьере выше, чем на поверхности, вследствие естественного сжатия, нагревания пород солнцем и наличием дополнительных источников тепла (машины и механиз- мы), причём у северного борта температура воздуха выше, чем у южного борта. Высокая влажность воздуха в карьере способствует образованию в них тумана и мглы, уменьшающих видимость, затрудняющих ведение горных работ и ослабляющих прогрев бортов, что снижает конвективный воздухообмен в карьерах. Увеличению влажности способствуют некоторые мероприятия и тех- нологические процессы: орошение взорванной горной массы, отвалов, дорог, тушение пожаров, применение гидромеханизации, дренаж подземных вод. Из-

менение относительной влажности имеет суточный и годовой период.

Таблица 10

 

 

Плотность воздуха при нормальном атмосферном давлении (105 Па)

Температура, t, 0С	-20	-10
Плотность, ρ,кг/м3	1,39	1,34	1,29	1,24	1,2	1,12

 

Источники загрязнения атмосферы карьеров

Внутренние источники загрязнения – пыле и газообразования, располо- женные в пределах контура карьера: а) точечные (буровые станки, экскаваторы, камнерезные машины); б) объёмные (пылегазовое облако после взрыва); в) ли- нейные (автодороги, отвалообразователи, выделения газов из пластов); г) рав- номерно распределённые (эрозия почвы, выветривание поверхности бортов). По времени действия источники разделяются на непрерывные и периодиче- ские. По положению – могут быть стационарными, полустационарными и пе- ремещающимися.

Внешние источники – отвалы, хвостохранилища и т.п.

Для снижения запылённости воздуха применяют пылеулавливание (элек- трофильтрами) и пылеподавление (водой, битумом), а для снижения загазован- ности осуществляют нейтрализацию вредных газов (сорбционная, каталитиче- ская газоочистка), также в кабинах машин создают комфортные условия для работающих (по ГОСТу оптимальный микроклимат - температура 18-230С, относительная влажность 40-60%, скорость движения воздуха 0,3-0,4 м/с), мас- совые взрывы производят при сильном ветре и т.п.

 

 

Схемы естественного проветривания карьеров

Карьер является частью земной поверхности. Поэтому воздухообмен в нём в значительной степени определяется теми же факторами, что и воздухо- обмен над земной поверхностью в целом: скоростью ветра и распределением температуры в приземном слое воздуха…

Наиболее эффективно проветривается карьер при применении энергии ветра, причем, чем выше скорость ветра - тем лучше проветривание. В этом случае в карьере образуется либо свободная (рис. 12а), либо полуограниченная (рис. 12б) струя, выносящая вредности из карьера. Свободная струя образуется при большом угле откоса борта карьера и поэтому встречается чаще, чем полу- ограниченная. Схема проветривания свободной струей называется рециркуля- ционной, поскольку наличие обратной струи второго рода в зоне ОВСО приво- дит к многократной циркуляции (рециркуляции) некоторой части воздуха в объеме карьера. При этом свободная струя АОВ будет приносить к борту ВО вредности, выделяющиеся на участке ОСВ и заносимые в струю рециркуляци- онным потоком. Часть этих вредностей будет вновь поступать в зону ОВСО, что со временем может привести к накоплению здесь вредностей, поэтому эта зона называется застойной или мертвой.

 

 

Схема проветривания с полуограниченной струей называется прямо- точной, так как воздух в объеме всего карьера движется в одном направлении. Эта схема более эффективна в связи с тем, что она не имеет застойных зон и скорость воздуха в карьере мало отличается от скорости ветра на поверхности. Однако она встречается преимущественно при неглубоких разработках или в карьерах с очень пологими бортами.

При отсутствии ветра или малой его скорости движение воздуха в карье- ре формируется под действием термических объёмных сил.

Воздух в карьере подогревается нагретыми поверхностями (борта, дно), например, за счет нагрева солнцем или процесса окисления, эндогенного тепла горных пород. В этом случае прилегающие к ним слои воздуха становятся бо- лее легкими и поднимаются к поверхности, двигаясь вдоль бортов. Этот поток выносит из карьера вредности. Такая схема называется конвективной. Эффек- тивность проветривания карьера при, этой схеме низкая. Конвективная схема образуется лишь при повышении температуры воздуха в карьере с глубиной, превышающем адиабатический.

При охлаждении воздуха с глубиной разработки (температурный гради- ент меньше адиабатического) он становится более тяжелым и опускается на дно карьера. При этом на дно заносятся и все вредности, выделяющиеся на ус- тупах более высоких горизонтов. Такая схема движения воздуха называется инверсионной. При инверсионной схеме движения воздуха вынос вредностей из карьера практически не происходит. В этом случае следует говорить не о проветривании карьера, а об его отсутствии.

Кроме того, могут возникать комбинации: рециркуляционно- прямоточная схема проветривания (одна часть карьера у подветренного борта проветривается по рециркуляционной схеме, вторая, где свободная струя до- стигает дна и движется вдоль него, — по прямоточной), инверсионно-

 

 

конвективная (по одному, теплому, борту воздух поднимается, а по другому, холодному, например, теневому - опускается), прямоточно-рециркуляционная.

 

ТЕРМОДИНАМИКА АТМОСФЕРЫ КАРЬЕРОВ

Термодинамика атмосферы карьеров изучает источники тепла и законо- мерности изменения температуры воздуха в карьерах, термические силы и их влияние на движение воздуха, закономерности развития туманов в карьерах.

 

Источники тепла

В общем случае воздух в карьере может, как нагреваться, так и охлаж- даться. Основными источниками нагревания воздуха являются его естествен- ное адиабатическое сжатие вышележащими: слоями воздуха, инсоляция по- верхности карьера, пожары и другие окислительные процессы, эндогенное теп- ло горных пород. Воздух может также охлаждаться холодными поверхностями карьера, снежным покровом.

Адиабатическое сжатие воздуха, не насыщенного паром, при опускании в карьер вызывает увеличение его температуры примерно на 1°С на каждые 100 м вертикальной высоты. При отсутствии охлаждения воздуха адиабатическое сжатие является основной причиной увеличения температуры воздуха в карье- ре по сравнению с поверхностью (только летом).

Значительным источником тепла в карьере является облучение солнцем (инсоляция) бортов и дна. Однако вследствие разной инсоляции бортов в тече- ние суток их температура меняется, при этом северные борта карьеров, как лучше освещённые солнцем, имеют и более высокую температуру.

Окислительные процессы в карьерах могут быть ощутимыми источника- ми тепла в случае, если реакции окисления - экзотермические, например, окис- ление угля, сланца и углеродосодержащих горных пород. Наиболее интенсивны процессы тепловыделения при пожарах (тоже процесс окисления).

Определённое количество тепла поступает к обнаженным поверхностям карьеров из глубин (эндогенное тепло). В зависимости от климатических и геологических условий месторождения температура неохлажденных горных пород на глубине 100 м может составлять 4-12°, на глубине 300 м уже 7-18°С. Однако вследствие предварительного охлаждения, температура обнажаемых пород в карьере меньше, чем в нетронутом массиве. Такая разница в темпера- туре больше зимой и меньше летом. В глубоких карьерах тепловой режим по- верхностей обнажения карьера, определяемый притоком эндогенного тепла из недр Земли, является одним из основных факторов.

Зимой борта карьеров могут охлаждать находящийся над ними воздух при покрытии снегом, который отражает до 50% падающей на него солнечной радиации. Кроме того, большое количество тепла расходуется на таяние снега весной, что также способствует охлаждению воздуха.

 

Термические силы и их влияние на состояние атмосферы карьера

Причиной появления этих сил является неоднородность поля плотности их атмосферы - из-за неоднородности температурного поля воздушной среды и

 

 

из-за различного химического состава воздуха и его влажности. Термические силы могут оказывать определенное влияние на состояние атмосферы в карье- ре. В полной мере они проявляются при скорости ветра до 1 м/с. Термические силы возрастают с глубиной разработки.

Поступательное движение воздуха под действием термических сил мо- жет совершаться вверх или вниз. Направление движения зависит от общего- термического состояния движущихся масс воздуха. Если они прогреты на- столько, что их температура выше температуры окружающих масс воздуха (плотность небольшая), - восходящее движение, и наоборот, если их темпера- тура окажется ниже (значительная плотность), - движение нисходящее.

Вертикальные перемещения масс воздуха в карьере вызывают вторичные, зависящие от них поступательные движения воздуха в горизонтальном направ- лении. Причиной этих движений является вытеснение нижележащих (вышеле- жащих) объемов воздуха воздухом, находящимся в вертикальном движении. В условиях ограниченности размеров карьера движение вытесняемых объемов воздуха отклоняется от вертикального; они растекаются по дну карьера, дви- жутся вдоль его бортов. Вертикальные и горизонтальные движения воздушных масс в карьере под действием термических сил показаны на рис. 10 и 11.

Рассмотрим условия формирования неоднородного поля температуры (плотности) в объёме карьера. Предположим, что все поверхности карьера (борта и дно) нагреты одинаково и: определим, как распределяются температу- ра и плотность неподвижного воздуха в произвольной горизонтальной плоско- сти (см. рис. 13-а). Участки этой плоскости, как видно из рисунка, находятся на разном удалении от теплоизлучающих поверхностей. Больше всего тепла полу- чают те её участки, которые расположены ближе к теплоотдающим поверхно- стям. Далее она убывает, достигая минимума в средней части плоскости 1-1. Распределение же плотности обратное: у прогретых бортов она минимальная, а вдали от них она достигает максимума. Таким образом, у бортов карьера ока- жутся более теплые и, следовательно, более легкие массы воздуха, а в средней части карьера - более холодные и тяжелые. Последние будут опускаться, вы- тесняя вверх более теплые массы воздуха. При этом теплый воздух поступает вверх не вертикально, а вдоль бортов, что объясняется «прижимающим» эф- фектом опускающихся холодных масс. Такое движение воздуха называется конвективным.

Выше предполагалось, что поверхность карьера прогрета равномерно. В действительности инсоляция, и степень прогрева северных бортов выше, чем южных. В этом случае симметрия течения воздушных потоков нарушается: бо- лее интенсивные конвективные потоки поступают вдоль северного борта, менее интенсивные — вдоль южного (см. рис.13-6). Наконец, если один из бортов на- гревает воздух, а другой его охлаждает, то возможно образование циркуляци- онного движения, при котором теплый воздух поднимается только вдоль на- гретого борта, а холодный опускаемся вдоль охлажденного борта и в средней части карьера.

На рис. 14 показано состояние атмосферы карьера, когда его поверхности охлаждают воздух. В этом случае в плоскости 1-1 температура минимальная у бортов и максимальная в центральной части карьера. Плотность меняется в об-

 

 

ратной зависимости: максимальное её значение - у бортов и минимальное - в центральной части карьера. При этом вертикальное распределение температуры у бортов имеет инверсионный характер, направление движения воздуха также изменилось: тяжелый холодный воздух вдоль бортов поступает в карьер, вы- тесняя вверх более теплый воздух центральной части карьера. Такое движение называется инверсионным (т. е. обратным по сравнению с конвективным). Ха- рактерной особенностью его является нисходящее движение воздуха вдоль бортов карьера.

 

1. Прямоточная схема проветривания

Прямоточная схема проветривания возникает при скорости ветра на по- верхности более 0,8—1 м/с и угле откоса подветренного борта карьера α ≤ 150.

 

 

 

Схема движения воздуха. Поток воздуха, движущийся между некоторой плоскостью и земной поверхностью, достигая карьера в точке О, начинает рас- ширяться в глубь карьера (рис. 15), вследствие чего происходит уменьшение скорости его движения. В результате над карьером образуется как бы «шапка» из частично заторможенных слоев воздуха. Аналогичная картина наблюдается

и при рециркуляционной схеме.

 

Рис. 13. Схемы образования конвективных движений воздуха в карьере

 

 

 

 

Рис. 14. Схема образования инверсионного движения воздуха в карьере

 

Отмеченную особенность движение воздуха в карьере можно представить в виде схемы, показанной на рис. 16. Из неё видно, что при прямоточной схеме проветривания ветровой поток на поверхности, движущийся вдали от карьера, у верхней бровки подветренного борта карьера (точка О) изменяет своё на- правление, начинает расширяться в сторону карьера и омывает подветренный борт. Встретив наветренный борт карьера, поток воздуха поворачивает вверх, двигается вдоль этого борта и сужается.

Между скоростью ветра на поверхности Uв и скоростью Uо на оси Ох су- ществует по данным МГИ соотношение:

- для прямоточной схемы проветривания Uв / Uо = 0,78,

- для рециркуляционной схемы оно изменяется от 1 на верхней бровке подветренного борта карьера до 0,48 на его нижней бровке по зависимости, близкой к экспоненциальной.

При прямоточной схеме проветривания в карьере не образуются застой- ные зоны сколько-нибудь значительных размеров, где могли бы накапливаться вредности. При этой схеме обычно наблюдаются лишь местные загрязнения атмосферы у источников выделения вредностей, общего загрязнения атмосфе- ры не возникает. Условия выноса вредностей тем лучше, чем меньше угол от- коса бортов карьеров, так как с его увеличением возрастает степень расшире- ния воздушного потока и, следовательно, уменьшается скорость воздуха.

Однако, при прямоточной схеме условия проветривания подветренного и наветренного бортов не одинаковы. Подветренный борт при этой схеме всегда проветривается чистым воздухом, поступающим с поверхности. Наветренный воздухом, омывший подветренный борт и дно карьера, таким образом, уже со- держащим определенное количество вредностей.

 

 

2. Рециркуляционная схема проветривания

Рециркуляционная схема проветривания возникает при скорости ветра на поверхности более 0,8— 1 м/с и углах откоса подветренного борта карьера более 15°.

Вследствие резкого изменения направления твердой границы ветрового потока в точке О (см. рис. 17) и значительных сил инерции его в этой точке происходит отрыв потока от твердой границы. В результате этого воздух в про- странстве карьера движется в виде плоскопараллельной свободной струи. Вы- ше этой границы скорость воздуха равна скорости ветра на поверхности иъ. Свободная струя при достижении в точке В наветренного борта разделяется на две части. Первая (верхняя) ее часть, двигаясь вдоль уступов вверх, выходит на поверхность. Вторая (нижняя) — поворачивает вниз и, двигаясь в направлении, противоположном первоначальному, образует также свободную струю, назы- ваемую струей II рода.

 

 

 

воздуха в карьере

Рис. 16. Прямоточная схема движения Рис. 17. Рециркуляционная

 

Следовательно, при рециркуляционной схеме проветривания в карьере имеются две зоны с различным характером движения в них:

 

 

- зона спутного потока, направление движения в которой совпадает с направлением ветра,

- зона обратного потока, направление движения воздуха в которой про- тивоположно направлению ветра. Из зоны обратного потока воздух, поворачи- вая вверх, вновь поступает в зону спутного потока.

Между этими двумя зонами имеются участки с порывистым движением воздуха самых различных направлений. В зоне воздушного потока с глубиной карьера скорости уменьшаются. На границе струй продольные скорости равны нулю, а поперечные - отличны от нуля. В зоне обратного потока (свободная струя II рода) наблюдается обратная зависимость: скорости воздуха с глубиной возрастают, достигая максимума у поверхности карьера.

 

3. Комбинированные схемы проветривания

Реальная геометрия карьеров может значительно отличаться от идеаль- ной, возможны случаи, когда одна часть карьера проветривается по прямоточ- ной схеме, а другая - по рециркуляционной.

Например, при больших размерах карьеров в направлении ветра возмож- на рециркуляционно-прямоточная схема проветривания (см. рис. 16 и 17), а при переменном угле подветренного борта карьера возможна прямоточно- рециркуляционная схема проветривания (рис. 18).

Возможны и другие комбинации рассмотренных ранее схем.

 

Рис. 14. Рециркуляционно-прямоточная схема проветривания карье

ра

 

 

ПРОВЕТРИВАНИЕ КАРЬЕРОВ ЭНЕРГИЕЙ ТЕРМИЧЕСКИХ СИЛ

Рис. 18. Прямоточно-рециркуляцйонная схема проветривания карьера

Термические силы оказывают заметное влияние на проветривание карьеров при скорости ветра на поверхности более 2 м/с. При меньшей скорости и в зави- симости от величины температурного градиента в карьере устанавливается кон- вективное или инверсионное движение воздуха, называемое конвективной или инверсионной схемой проветривания карьера. При конвективной схеме более те- плые нижележащие слои воздуха поднимаются вверх и выносят с собой содер- жащиеся в них вредности. При инверсионной схеме движения охлажденные слои воздуха поступают вниз и заносят с собой вредности в глубокую часть карьера. Проветривание карьера при этом практически не осуществляется, наблюдается

 

накапливан