Исследование внутрикарьерной циркуляции воздуха

В условиях Севера одним из наиболее серьезных механизмов ослабления воздухообмена в глубоких карьерах является наличие устойчивой температурной стратификации атмосферы как внутри карьера, так и в пограничном слое. Особенно опасным является сочетание инверсий и штилей в районе карьера. Поэтому весьма важной задачей является исследование механизма влияния инверсий на параметры естественной вентиляции карьеров. Недостаточная изученность этих процессов связана со сложностью проведения достоверных натурных измерений и невозможностью на современном этапе аналитического решения данной задачи. Для исследования внутрикарьерной циркуляции были проведены экспериментальные исследования с созданием искусственных потоков воздуха в объеме карьера, определением их параметров, фиксированием конкретных метеорологических условий и уровня концентрации вредных примесей. В процессе исследований на основе натурных измерений параметров и аналитических оценок изучалось распространение изотермических вертикальных потоков. Полученные результаты показали, что при устойчивом состоянии атмосферы в зависимости от интенсивности инверсии активность внутрикарьерной циркуляции уменьшается в два и более раз. Для эффективного выноса примесей за пределы карьера требуется достаточно высокая скорость их транспортирования на границе и, соответственно, большие энергозатраты.

Искусственные потоки в атмосфере карьера создавались установками местного проветривания типа УМП. Для определения параметров турбулентных течений были использованы уравновешенные шары-пилоты и аэростатное зондирование. В период натурного определения параметров искусственных турбулентных потоков проводились регулярные градиентные метеонаблюдения как в зоне действия установок УМП, так и по всей площади карьера. Для этого были оборудованы пункты наблюдений на дне, бортах (уступах) и вне зоны карьера. Расстояние между пунктами составляло 50—80 м. В период проведения экспериментов осуществлялся контроль газового состояния атмосферы карьера.

Первый эксперимент был проведен в карьере «Оленегорский» в январе. В нем была задействована установка УМП-21, установленная на гор. +60 м, вблизи пункта разгрузки автомобильного транспорта. Данные о погодных условиях в период работ определялись барическим гребнем, незначительная облачность среднего и верхнего ярусов, дымка, ветер слабый неустойчивый. Погодные условия в период наблюдений приведены в табл. 7.1. Непосредственно у УМП-21 после выпуска дымового трассера произошло резкое ухудшение видимости до 20—30 м, все окуталось дымом. Через 5—8 мин дым появился на нижнем гор. +45 м, продолжая медленно опускаться с одновременным смещением вдоль борта в южном направлении. Восходящий поток от установки по дыму поднимался на 25—30 м, а затем растекался вдоль борта к южной части карьера. В 30 м от работающей УМП-21 поднимались две струи пара от стока горячей воды: одна из канавы с уровня подстилающей поверхности, другая из трубы малого диаметра, срез которой был на уровне плоскости винта установки. В течение всего времени работы УМП-21 обе струи не отклонились от вертикальной оси, что говорит о малой площади активного подтекания воздуха в горизонтальной плоскости к работающей установке. С уровня замкнутого контура 180 м хорошо прослеживался подъем дымового облака и его рассеивание в границах карьера. Спустя 1 ч с момента запуска дымового трассера дым рассеялся в слое толщиной 80 м на высоте около 70 м от дна карьера по всему контуру. В верхней части карьера наблюдалась инверсия, которая полностью блокировала атмосферу карьера. Как показали проведенные наблюдения, в данном случае атмосфера карьера не могла обеспечить эффективного выноса дымового трассера за пределы карьера.

В карьере «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» проведено два эксперимента с использованием установок УМП-14 в марте месяце.

Погодные условия в Оленегорском карьере

Накануне экспериментальных исследований проводилось задымление естественных потоков. В этом случае в нижнем 36-метровом слое турбулентный обмен отсутствовал, а выше он был незначителен. В период наблюдений отмечалась слоисто-кучевая десятибалльная облачность, явлений и осадков не было, ветер северный 2—3 м/с. К 15 ч прошел вторичный холодный фронт, и облачность стала рассеиваться. Прохождение фронта сопровождалось слабым снегом. Погодные условия определялись размытой барической ложбиной. Над карьером ветер северного направления, в забоях — штилевые условия. На бермах также штиль. Первый пуск дымовых шашек проведен в 10 ч. Слабая конвекция способствовала медленному подъему и постепенному рассеиванию дымового облака по борту карьера. Второй пуск дымового трассера проводился через час. Конвекция в придонном слое усилилась, с высотой она ослабевала. Облако дыма расслаивалось вдоль борта, одновременно задерживаясь на бермах. Последний пуск в 12 ч 30 мин. Конвективные токи воздуха усилились, в карьере сохранялся дневной тип горно-долинной циркуляции. Выноса облака из атмосферы карьера не наблюдалось.

При проведении экспериментов метеорологические условия различались очень резко. Так, если средняя температура воздуха в первом случае была близка к климатической норме (-10 °С), то во второй раз она была выше более чем в два раза (табл. 7.2). Несмотря на такое отличие, температура на дне карьера ниже, чем на поверхности, средний инверсионный градиент в карьере в обоих случаях составил 1,0 °С / 100 м. В первом случае чаще, чем во втором, наблюдались общекарьерные инверсии. Во втором случае в карьере в основном устойчивое состояние нижнего слоя при инверсионных градиентах 1,1—1,6 °С / 100 м, а в верхнем слое до поверхности — сверхадиабатические градиенты (1,9—3,2 °С / 100 м). Если в первом случае наблюдалось равномерное распределение температуры и градиентов в течение всего эксперимента, то во втором произошла резкая перестройка атмосферных процессов с повышением температуры воздуха до положительных ее значений. Такое явление обусловлено влиянием теплых воздушных масс, принесенных циклонами в районы Кольского полуострова.

Таблица 7.1

Характеристики термического режима карьера «Железный»

В первом случае в карьере «Железный» турбулентные потоки создавались двумя установками УМП-14 на одном уровне при параллельном их расположении. Работа проводилась совместно с сотрудниками ИГД МЧМ СССР.В ходе эксперимента получены данные для оценки размеров зоны активного подтекания воздуха к установкам в горизонтальной плоскости и геометрических размеров потока в реальной атмосфере на основании маркшейдерской съемки задымленного потока, а также визуальных наблюдений.

Вентиляционная эффективность турбулентных потоков оценивалась по изменению концентрации окиси углерода и окис-лов азота в зоне работы установок.

Погодные условия в период проведения испытаний характеризовались барическим полем антициклональной кривизны — ясное небо, ветер слабый неустойчивый на уровне замкнутого контура, на дне карьера штиль, рост атмосферного давления. До 12 ч район карьера находился под влиянием барического гребня. Две установки УМП-14 были размещены на гор. + 82 м на площадке водоотлива. Одна установка находилась на расстоянии 10 м от водоема, расстояние между установками составляло 23 м. Непосредственно в районе испытаний работало на вывозке руды 8 автосамосвалов Белаз-549, 11 Белаз-548, а также 2 бульдозера. Всего в период наблюдений в карьере работало 65 единиц оборудования с ДВС.

Пункты метеорологических наблюдений располагались на южном борту карьера, примерно в одном сечении по вертикали в трех точках: на гор. +82 м рядом с установками, на гор. + 166 м на расстоянии 300 м от оси создаваемого искусственного потока и на гор. +250 м на расстоянии 600 м. Газовые пробы отбирались на гор. +82 м и +166 м. В период проведения испытаний в карьере наблюдались штилевые условия и повышение температуры подстилающей поверхности и воздуха. В верхнем слое от гор. +166 м до гор. +250 м отмечено инверсионное состояние атмосферы с переходом температурного градиента от 0,6 °С / 100 м (8 часов) до 4,3 °С / 100 м (10 часов). В нижнем слое от гор. +82 м до гор. +166 м состояние атмосферы изменилось от сверхадиабатического градиента (1,6 °С / 100 м — 8 часов) до инверсионного (1,9 °С / 100 м — 11 ч). В период с 10 до 11 ч в верхнем слое инверсионный градиент уменьшился с 4,3 °С / 100 м до 1,3 °С / 100 м (табл. 7.3). После включения установок и формирования устойчивого потока для его задымления был зажжен ряд сигнальных шашек, последняя из которых находилась на расстоянии 70 м от установки. Визуально отмечено подтекание к винту дыма от всех шашек. В 10 ч 40 мин произведена визуализация дымом воздушного потока, создаваемого установками, и маркшейдерская съемка геометрических параметров потока: высоты подъема и ширины. Зафиксировано четыре стадии развития потока с интервалом в 10 мин. После достижения потоком максимальной высоты и начала растекания его авангардного участка (табл. 7.4) — максимальная высота подъема задымленного потока оценивалась в пределах от 80 до 150 м. Визуально отмечалось также то, что после достижения максимальной высоты дым, а следовательно, и воздушные массы опускались назад в карьер и растекались примерно в 40-метровом слое по всему контуру карьера. Анализ результатов газовых проб (табл. 7.5) показал, что за два часа с начала смены до формирования турбулентных потоков концентрация окиси углерода на гор. + 166 м возросла примерно в два раза, а содержание окислов азота увеличилось в 3,5 раза. Искусственный турбулентный поток функционировал в течение одного часа и 15 минут. На гор. + 166 м концентрация окислов углерода возросла, а окислов азота снизилась примерно в два раза. За время работ на гор. + 82 м (на 11 часов) концентрация окислов углерода снижалась незначительно, а окислов азота увеличилась в три раза, т. е. происходило перемешивание в объеме карьера.

Таблица 7.3

Градиенты температуры воздуха

Таблица 7.4

Геометрические параметры задымленного потока

Результаты анализов проб воздуха

Во второй раз испытания проводились там же, и искусственный поток создавался теми же установками, но уже установленными каскадно — одна на гор. +70 м, вторая на гор. +166 м, у южного борта карьера, расстояние между ними по прямой составило 300 м. В период испытаний проводились метеорологические наблюдения как непосредственно в зоне работы установок — гор. +70 м, так и контрольные наблюдения вне зоны их влияния — гор. +276 м, +240 м, +213 м.

Погодные условия определялись макропроцессами циклонического характера: в первый день над территорией Кольского полуострова располагалась северо-восточная периферия частного циклона, центр основного циклона располагался над севером Англии. Основной циклон малоподвижен, и на второй день наблюдалось его заполнение. Частный циклон далее переместился на три градуса широты, и его восточная и северо-восточная периферия продолжала оказывать свое влияние на Мурманскую область. На высоте 850 мб (около 1,5 км) располагался гребень тепла с температурой -6 °С, очаг холода с температурой -8 °С располагался над Ботническим заливом. Далее очаг холода сместился на Скандинавию (-8 °С), а гребень тепла находился ближе к Атлантике (-3 °С).

Эти процессы обусловили достаточно теплые погодные условия для данного времени года и района. Колебания температуры наблюдались от -2 °С ночью до 7 °С днем. Наблюдалась переменная облачность от 10 до 2 баллов, снег зарядами с ухудшением видимости до менее 200 м. Скорость ветра при его порывистом характере изменялась вне зоны исследований от 4 до 15 м/с.

В первый день наблюдалось сильно неустойчивое состояние атмосферы, градиенты температуры воздуха составили 1,3—1,9 °C / 100 м (табл. 7.6). Такая стратификация температуры воздуха и ветровой режим обусловили развитую турбулентность — коэффициенты турбулентности изменялись в пределах 0,21—0,36 м²/с (см. табл. 7.6). На следующие сутки градиенты температуры составили 0,6—0,9 °C / 100 м (см. табл. 7.6). Коэффициенты турбулентности, хотя и были более низкими, 0,07—0,1 м²/с, но достаточными для эффективного рассеяния загрязняющих примесей в объеме карьера. Турбулентный поток тепла в среднем по поверхности карьера изменялся от 5 до 118 Вт/м² (см. табл. 7.6).

Проведенные замеры параметров искусственного потока с помощью теодолитной съемки /12,13/ по дымовому трассеру и уравновешенными шар-пилотами показали, что максимальная высота подъема потока была в пределах от 30 до 90 м, хотя и наблюдались самые благоприятные условия для вертикального подъема воздушных масс. Наличие ветра резко снижало высоту подъема потока. Аналогичная картина наблюдалась и во втором эксперименте при заметном ослаблении ветра в районе работы установки УМП-14 на гор. +70 м. Максимальная высота подъема потока с гор. +70 м по данным фототе-одолитной съемки, составила 90—130 м, а потока от УМП-14 на гор. +166 м — около 30 м.

Анализ загрязнения атмосферы карьера, как до начала, так и в процессе исследований, позволил установить, что в данном случае содержание окислов азота сохранилось практически на одном уровне, 1,03 мг/м³, т. е. ниже ПДК, опять наблюдалось перемешивание воздушных масс в определенном объеме без выноса за пределы карьера.

Результаты проведенных исследований позволили сделать предварительный вывод о том, что сверхадиабатические градиенты температуры воздуха и наличие ветра при ЮВ направлениях обеспечили нормальные условия труда в карьере «Железный» по фактору загрязнения атмосферы окислами азота.

В наблюдавшихся метеорологических условиях каскадная схема передачи потока от нижней установки к верхней не осуществилась. Так, в проведенных исследованиях при скорости ветра 0—2 м/с длина потока по наблюдениям составляла до 170 м в первом случае и 120—130 м во втором, тогда как при скорости выше 3—5 м/с длина потока не превышала 40—50 м.

Таблица 7.6

Результаты градиентных наблюдений в карьере «Железный»

Примечание: Г_{о 0} — температура почвы; Г_{о 5}, Г₂.о — температура воздуха на высоте 0,5 и 2,0 м; К — коэффициент турбулентности; (2 — турбулентный поток тепла.

Кроме того, приподнятая инверсия явилась задерживающим слоем и для потока. При наличии внешнего ветра потоки воздуха из карьера далеко не всегда приводят к выносу примеси за пределы карьера. При недостаточной мощности потоков воздуха из карьеров для преодоления угла раскрытия естественного набегающего потока поднимаемый потоком загрязненный воздух возвращается в карьер ветровым потоком. Анализ формирования вертикальных потоков в условиях устойчивой стратификации показывает значительное снижение их распространения. Наклонные потоки, подающие чистый воздух в карьер, в условиях инверсии резко уменьшают степень проникновения в глубину карьера, делая поворот в горизонтальном направлении, и практически не обеспечивают доставки свежего воздуха на нижние горизонты. Горизонтальные потоки в условиях инверсии ведут себя иначе, чем при равновесной стратификации — область активной циркуляционной зоны потока и степень его раскрытия уменьшается, а распространение его за счет снижения турбулентной вязкости даже несколько увеличивается.

Контрольные вопросы

• 1. Расскажите об эксперименте в «Оленегорском» карьере.
• 2. Расскажите об эксперименте в карьере «Железный».