Интенсификация воздухообмена глубоких карьеров Севера комбинированным способом

Тенденция развития открытых горных работ, как в нашей стране, так и в мире, свидетельствует о постоянном увеличении глубины карьеров, что предопределяет ухудшение условий воздухообмена в них.

Поэтому в настоящее время на действующих, реконструируемых и вновь создаваемых карьерах одним из основных вопросов является обеспечение нормальной атмосферы, отвечающей требованиям санитарных норм и правил, гарантирующих безопасную и высокопроизводительную работу.

Надежная защита атмосферы от загрязнения возможна лишь при проведении комплекса профилактических мероприятий, учитывающих горногеологические, горнотехнические и метеорологические условия. Комплексный характер задачи, требующей для своей реализации значительных материальных затрат позволяет обосновать целесообразность выбора рациональных технологических решений, обоснованных технико-экономическими показателями /1/.

Анализ опыта работы горных предприятий показывает, что недооценка роли атмосферных условий складывающихся в карьерном пространстве, приводит к значительным экономическим потерям и отрицательно влияет на здоровье трудящихся /2/.

Применение высокопроизводительной техники на вскрытии, погрузке и транспортировке добытого полезного ископаемого и удаляемой в отвал горной породы позволяет значительно улучшить экономические показатели при увеличении глубины открытых горных работ. Уже в настоящее время в Российской федерации ряд карьеров имеет глубину более 300 — 600 м. В зарубежной практике так же имеются примеры открытых разработок, глубина которых составляет несколько сотен метров, а в единичных случаях приближается к километровому рубежу.

Однако, при ведении горных работ на нижних горизонтах карьеров отмечается значительное ухудшение санитарно гигиенических условий труда. Возрастание глубины ведет к формированию в карьере своего микроклимата, характеризуемого значительным снижением энергии воздушных потоков, возрастающей частотой инверсионных состояний в зимнее время, что в свою очередь ведет к нарушению естественного воздухообмена, а при наличие действующих источников выделения вредных примесей — к задымленности и загазованности карьерного пространства.

В связи со сказанным выше, в горной промышленности возникла одна из наиболее сложных ее проблем — необходимость оздоровления атмосферы в глубоких карьерах.

Наиболее тяжелыми последствиями для работ, ведущихся в карьерном пространстве, является инверсионное состояние атмосферы с отрицательной стратификацией, которое влечет за собой остановку всех работ в карьере в лучшем случае на несколько часов, а как правило на несколько смен. Это случается из-за недостатка тепловой энергии в нижних слоях атмосферы карьера. Все выше перечисленное, и необходимость обеспечения прироста продукции, главным образом за счет повышения производительности и безопасности труда, делает актуальной проблему обеспечения эффективного проветривания нижних горизонтов глубоких карьеров.

Целью настоящих исследований является поиск обоснованных технических решений для эффективного усиления воздухообмена в пространстве глубоких карьеров на основе подвода в нижние слои атмосферы теплого воздуха.

Идея работы заключается в использовании теплого воздуха ближайшего к карьеру подземного горного предприятия для активизации воздухообмена в нижних слоях его атмосферы.

Основные задачи работы:

1. Провести аналитические исследования процесса движения теплого потока воздуха, поступающего из подземного рудника в карьерное пространство.

2. Определить соотношение эффективности проветривания с геометрическим положением выработок выводящих теплый воздух в карьер.

3. Установить закономерности влияния разницы температур теплого потока из подземного рудника и атмосферы карьера на интенсивность воздухообмена в карьерном пространстве.

4. Определить эффективность проветривания карьера на основе экспериментальных исследований воздухообмена в карьерном пространстве при использовании энергии ветра и подземного тепла.

Основные защищаемые научные положения:

1. Способом борьбы с инверсионным состоянием в карьере является повышение энергетического потенциала атмосферы на нижних горизонтах.

2. Высота инверсионного слоя, разрушаемая подогретой струей воздуха напрямую зависит от высоты ее подъема, а возможная глубина карьера, при которой рационален данный метод интенсификации воздухообмена, зависит от совокупности высоты подъема воздушной струи и глубины проветривания карьера естественными потоками воздуха.

3. Носителем тепловой энергии может быть воздух, поданный по специальным выработкам из ближайшего подземного рудника, имеющий в холодный период года относительно высокую температуру, определяющую высоту разрушаемого инверсионного слоя и рациональную область применения способа.

Научная новизна состоит в разработке концепции усиления движения потоков воздуха в карьерном пространстве, при использовании тепла близлежащего подземного рудника в сочетании с интенсификацией естественного проветривания, что позволит существенно улучшить состав атмосферы на нижних горизонтах.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается применением современных методов исследований и всей совокупностью данных лабораторных и натурных экспериментов, сопоставимостью результатов аналитических решений с физическими (лабораторных и натурных) исследованиями.

В работе использован комплексный метод исследований, включающий обобщение и научный анализ данных литературных и патентных источников по методам расчета и способам нормализации воздухообмена в карьерах, аналитические исследования, лабораторные и натурные эксперименты.

Практическая значимость:

Предложенный расчет метода интенсификации воздухообмена в глубоких карьерах при помощи тепла близлежащего подземного рудника, может быть применен на уже работающих и проектируемых карьерах со сходным расположением открытых и подземных работ, что позволит экономить довольно значимые суммы из-за уменьшения или полной ликвидации простоев карьера.

Разработана методика расчета времени разрушения инверсии с учетом различных расположений каналов, подводящих теплый воздух из подземного рудника, а также от температуры и скорости его подачи в карьер.

Разработан метод расчета положения оси струи теплого воздуха в карьере и высоту его подъема, на основании чего предложен расчет приемлемой для данной системы интенсификации воздухообмена, глубины карьера.

Основные результаты докладывались и обсуждались:

На ежегодной научной конференции молодых ученных в 1998, 1999 г. СПГГИ (ТУ). 9.

На конференции «Научно-педагогическое наследие профессора Медведева И.И.», в 1999 г. СПГГИ (ТУ).

На 3-й и 5-й Международной Конференции «Экология и развитие Северо-Запада России», в 1998 г. и 2000 г. МАНЭБ.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре Экологии, Аэрологии и Охраны Труда, в Санкт-Петербургском Государственном Горном Институте (Техническом Университете).

Основные положения диссертации опубликовывались в 6 печатных работах. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 28 рисунков, 21 таблицу и список литературы из 86 наименований.

Выводы.

1. Экспериментально подтверждена правомерность использования аналитических зависимостей для расчета распространения теплового потока в карьерном пространстве и усиления воздухообмена в объеме всего карьера.

2. Высота подъема теплой струи зависит от геометрического расположения начала струи, а также от ее температуры и скорости (при вертикальном распространении), что подтверждено лабораторным моделированием.

3. Интенсивность воздухообмена нижних слоев атмосферы карьера прямо пропорционально зависит от объема поступающего в него воздуха. Из чего следует, что для достижения максимального эффекта воздухообмена в карьерном пространстве наиболее эффективен способ с горизонтальной подачей теплой струи в нижнюю часть борта карьера.

4. Приток свежего воздуха осуществляется по борту карьера на ту высоту, на которой расположен канал, подводящий в него теплый воздух вследствие подъема нагретого воздуха в более высокие слои.

5. При проведении натурного эксперимента на «Центральном «карьере было еще раз подтверждена возможность использования теплого подземного воздуха для увеличения воздухообмена в карьерном пространстве, и идентичность экспериментальных данных с данными, полученными при моделировании.

6. Использование тепловой энергии подземных рудников для интенсификации естественного воздухообмена в пределах карьерного пространства позволяет значительно снизить или полностью устранить простои горного предприятия вследствие неблагоприятных метеорологических условий, что позволяет сэкономить до 19 млн руб. в год только за счет работы основного оборудования, а также способствует уменьшению.

133 профессиональных заболеваний среди работающих в карьере и в целом улучшению условий и повышению производительности труда.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является законченной научно-исследовательской работой, в которой содержится решение актуальной задачи оздоровления атмосферы глубоких карьеров путем вывода на их нижние горизонты теплого воздуха из близлежащего подземного рудника, в комбинации с методом интенсификации естественного проветривания профилированием бортов карьера.

В диссертационной работе на основании анализа наблюдений, аналитических разработок и лабораторных исследований установлены закономерности и особенности формирования воздухообмена на нижних горизонтах глубоких карьеров, что позволяет решить проблему нормализации условий труда, сократить простои дорогостоящего горного оборудования, увеличить фактическую производительность предприятия с одновременной экономией дефицитных видов энергии.

Содержание и основные результаты проведенных исследований заключаются в следующем:

1. Существующие глубокие карьеры являются несовершенной аэродинамической системой, не позволяющей в ряде случаев эффективно осуществлять воздухообмен в нижних горизонтах за счет естественного проветривания. Известные способы интенсификации естественного проветривания карьеров сопряжены со значительными трудностями технологического, экономического и организационного характера.

2. На основании анализа проведенных исследований и производственных данных установлено, что для карьеров Кольского полуострова необходимо осуществление ряда мероприятий по оздоровлению атмосферы, так как при определенных метеорологических условиях например, при скорости ветра 0−3 м/с на поверхности) влияние ветровой энергии на воздухообмен в нижних горизонтах недостаточно.

3. Теоретические расчеты, лабораторное моделирование и производственный эксперимент показали, что наиболее приемлемым для усиления воздухообмена в карьерном пространстве по организационным, экономическим и технологическим аспектам является метод вывода на нижние горизонты карьера теплого воздуха ближайшего подземного рудника, отрабатывающего то же или иное рудное тело, по специальным подземным выработкам. Полученные аналитические выражения для расчетов высоты подъема теплого воздуха, его траектории распространения и времени насыщения атмосферы карьера тепловой энергией до полного разрушения инверсии, дают возможность сооружения канала подводящего теплый воздух с наиболее эффективными геометрическими параметрами.

4. Экспериментальным путем, на лабораторной модели, подтверждена точность полученных аналитических выражений для расчета положения оси теплой струи воздуха выходящей в карьерное пространство, высоты ее подъема и времени проветривания карьера при различных положениях подводящего канала.

5. Натурный эксперимент на карьере «Центральный» АО Апатит подтвердил эффективность разработанного метода усиления воздухообмена в карьерном пространстве, что позволяет рекомендовать его для использования, как на действующих карьерах, так и при проектировании строящихся со сходным расположением подземных и открытых работ.

6. Внедрение разработанного метода усиления воздухообмена в глубоких карьерах, за счет разрушения инверсионного состояния атмосферы позволит ежегодно экономить до 19 000 000 руб. только за счет например, при скорости ветра 0 — 3 м/с на поверхности) влияние ветровой энергии на воздухообмен в нижних горизонтах недостаточно.

3. Теоретические расчеты, лабораторное моделирование и производственный эксперимент показали, что наиболее приемлемым для усиления воздухообмена в карьерном пространстве по организационным, экономическим и технологическим аспектам является метод вывода на нижние горизонты карьера теплого воздуха ближайшего поземного рудника, отрабатывающего то же или иное рудное тело, по специальным подземным выработкам. Полученные аналитические выражения для расчетов высоты подъема теплого воздуха, его траектории распространения и времени насыщения атмосферы карьера тепловой энергией до полного разрушения инверсии, дают возможность построения канала подводящего теплый воздух с наиболее эффективными геометрическими параметрами.

4. Экспериментальным путем, на лабораторной модели, подтверждена точность полученных аналитических выражений для расчета положения оси теплой струи воздуха выходящей в карьерное пространство, высоты ее подъема и времени проветривания карьера при различных положениях подводящего канала.

5. Натурный эксперимент на карьере «Центральный» АО Апатит подтвердил эффективность разработанного метода усиления воздухообмена в карьерном пространстве, что позволяет рекомендовать его для использования, как на действующих карьерах, так и при проектировании строящихся со сходным расположением подземных и открытых работ.

6. Внедрение разработанного метода усиления воздухообмена в глубоких карьерах, за счет разрушения инверсионного состояния атмосферы позволит ежегодно экономить до 19 000 000 руб. только за счет.

136 безостановочной работы основного горного оборудования (на примере «Центрального «рудника.