Струйные способы и средства проветривания карьеров

В основе этого способа лежит использование кинетической энергии свободной (неограниченной или полуограниченной) тур­булентной струи, создаваемой специальным источником, в качестве которого могут быть установки, создаваемые на базе шахтных осе­вых вентиляторов или авиационных (самолетных или вертолетных) винтов. Приводом таких установок могут служить двигатели внут­реннего сгорания (ДВС), турбовинтовые двигатели (ТВД), электро­двигатели и др. Установки, как правило, выполняются передвиж­ными (мобильными), способными свободно перемещаться в выра­ботанном карьерном пространстве. Направление свободных струй, создаваемых ими, может быть горизонтальным, наклонным или вертикальным (вверх или вниз). Кроме того, струи от нескольких установок могут иметь параллельное или последовательное (кас­кадное) расположение.

В зависимости от геометрических размеров проветриваемой зоны, интенсивности и расположения источников пылегазоподав-ления могут быть применены следующие схемы: проветривание одной горизонтальной (рис. 3.1) или наклонной струей (рис. 3.2); проветривание системой вентиляционных струй, создаваемых дву­мя или несколькими установками. При этом в зависимости от дли­ны и ширины зоны загрязнения может применяться параллельное (рис. 3.3) или последовательное (каскадное) их расположение (рис. 3.4).

Вентиляторные установки должны располагаться вне зоны за­грязнения и подавать в проветриваемый объем свежий воздух. При применении каскадной схемы проветривания установки, подающие воздух в зону загрязнения, располагают в зоне чистого воздуха на уступ выше проветриваемой зоны, другие могут быть размещены в зоне загрязнения, обеспечивая разбавление и вынос вредностей.

При наличии в проветриваемой зоне естественных потоков направление струй, создаваемых установками, должно совпадать с направлением естественных воздушных потоков, а при невозмож­ности выполнения этого условия угол между осью струи и направ­лением естественного потока не должен превышать 80 %.

Рис. 3.1. Схема проветривания карьера одной горизонтальной струей

Рис. 3.2. Проветривание застойных зон наклонными струями: а - разбавлением свежим воздухом; б - активным выносом

В качестве источников свободных турбулентных струй в практике проветривания карьеров использовались осевые вентиля­торные установки (УПК-4, ПВУ-6 и др.); установки на базе само­летных авиационных винтов (ОВ-1, ОВ-2, ОВ-3, УМП-1, УМП-1А и др.); установки на базе вертолетных винтов (АВК-3, АВК-35, УМП-14, УМП-21 и др.); установки на базе турбовинтовых двига­телей самолетов (АИ-20КВ, НК-12КВ и др.). Технические характе­ристики этих установок достаточно полно приведены в литературе по вентиляции карьеров [1, 2, 3, 4, 5, 6 и др.], и поэтому в настоя­щей работе они не приводятся. Однако оценка их аэродинамики и энергетики, а также анализ теории турбулентных струй будут при­ведены ниже.

Простейший вариант проветривания карьера одной горизон­тальной струей показан на рис. 3.1. Один вентилятор, например НК-12КВ, работающий в динамическом режиме, обеспечивает пе­ремешивание и вынос загрязненного воздуха за пределы атмосферы карьера, свежий воздух поступает через внешнюю границу струи. Струя изотермическая, так как выхлоп турбины выведен из воз­душной струи. Предполагаемое время проветривания карьера (за­стойной зоны) при продолжающейся работе оборудования должно быть (в общем виде)

t = F₃(C₀ - С_ДО1|)/[0к(С_Доп - С_н) - SG], (3.1)

где V₃ - объем карьера (застойной зоны); Q_K - количество посту­пающего в карьер свежего воздуха (равно количеству удаленного загрязненного); G - интенсивность выделения вредных примесей; Со - концентрация вредных примесей в зоне; С_доп - допустимый уровень концентрации вредностей (ПДК); С_н - начальный уровень концентрации вредностей (в момент прекращения воздухообме-нов).

На рис. 3.2 показаны схемы проветривания застойных зон на­клонными нисходящими и восходящими изотермическими струя­ми. Подача свежего воздуха в застойную зону сверху наиболее ра­циональна при ликвидации загрязнений малой высоты. При про­ветривании зон с непрерывным выделением вредных примесей ог­раничением применения этого способа является время, в течение которого концентрация вредной примеси в зоне активного переме­шивания поднимается до предельно допустимой.

4:;

л Направление Ветра

Рис. 3.3. Схема вентиляции застойной зоны параллельными струями

Рис. 3.4. Схема вентиляции застойной зоны с помощью каскадно расположенных установок УМП-1

При значительной высоте зоны загрязнения более эффективны восходящие (в том числе вертикальные) свободные струи. Развива­ясь в зоне загрязнений, такие струи, как предполагалось, должны выносить в ветровой поток значительные объемы вредных приме­сей. При этом вентиляторы или другие устройства должны обла­дать возможно большим начальным расходом воздуха и достаточ­ной рабочей дальнобойностью. Вентиляторы, создающие верти­кальные рабочие струи, рекомендовались для ограниченных в пла­не воронкообразных застойных зон карьеров (установки УМП-14 и УМП-21, тепловые установки и другие генераторы восходящих по­токов).

Образующаяся после включения установки в работу свобод­ная струя, как предполагалось, должна была выходить за пределы атмосферы карьера и, попадая в ветровой поток, рассеиваться на значительной высоте.

При этом уровень загрязнения должен был постепенно пони­жаться, а граница, отделяющая загрязненный воздух от чистого, должна была сохранять свое горизонтальное положение в течение всего времени проветривания.

Если представить объем зоны загрязнения как объем усечен­ного конуса с переменной высотой Z, то его текущее значение

V₃=KZ(R²+r²+Rr)/3=n(3r²Z+3rZ²ctg a+Z³ctg²a)/3, (3.2)

где R и г ~ радиусы соответственно верхнего и нижнего оснований, м; a - угол наклона борта, градус.

В технической литературе, посвященной струйной вентиляции и струйным вентиляторным установкам карьеров [1,2, 4-7], много­кратно подчеркивалось, что они в наибольшей степени отвечают условиям открытых горных разработок. Однако многолетний опыт их применения на глубоких карьерах СССР и РФ однозначно пока­зал, что в большинстве случаев, несмотря на значительные единич­ные мощности вентиляторных агрегатов (до 11000 кВт), на много­каскадное и параллельное их соединения, они оказывались не в со­стоянии осуществлять процесс воздухообмена проветриваемых за­грязненных зон с окружающей карьер атмосферой.

Особенно нежелательны в этом плане установки с использо­ванием реактивных двигателей, дополнительно загрязняющие ат­мосферу карьеров. Так, реактивный двигатель РД-ЗМ за 1 час рабо­ты загрязнит до уровня ПДК при отсутствии воздухообмена с ок­ружающей средой объем, равный 19,5 млн м³.

Следует заметить, что некоторые предложения по свободно-струйной вентиляции карьеров носили почти экзотический харак­тер. Так, например, всерьез обсуждалось проветривание карьеров с помощью вертолетов [14].

Полная несостоятельность свободноструйной вентиляции карьеров как средства воздухообмена загрязненных зон с окру­жающей карьер воздушной средой будет показана ниже.