Оценка аэродинамики и энергетики свободноструйной вентиляции карьеров

Физической основой свободноструйной вентиляции в карье­рах является то, что упорядоченное движение свободных струй за счет эжекции и рассеивания импульса способно привести в движе­ние большие массы воздуха. Отсюда предполагалось, что при соот­ветствующем размещении источников движения струи относитель­но некоторой условной границы объема карьерного пространства, пересечение которой обеспечит обмен массами между проветри­ваемым объемом и окружающей средой, будет осуществляться процесс проветривания.

Исходя их этих соображений, на фоне полного отрицания тру­бопроводных систем вентиляции и был принят за основу струйный способ искусственного проветривания глубоких карьеров, предпо­лагавший достаточно быстрое решение большой и сложной про­блемы относительно малыми средствами.

В связи с этим были выполнены значительные теоретические и экспериментальные исследования и, в частности, разработаны и испытаны в условиях производства самые различные струйные вентиляционные установки: на базе винтов самолетов и вертолетов, с двигателями внутреннего сгорания, с турбодвигателями и элек­трическими приводами мощностью от сотен до 11000 кВт (уста­новка НК-12КВ). При этом ожидалось, что проблема искусственно­го проветривания глубоких карьеров в скором времени будет реше­на. Однако до сих пор этот прогноз не сбылся. Более того, была по­ставлена под сомнение сама идея струйной общеобменной венти­ляции карьеров, ввиду ее принципиальной неэффективности и весьма значительной энергоемкости. По данным работы [16], на­пример для карьера «Железный» Ковдорского ГОКа (глубина 550 м), при наличии штиля и инверсии суммарная мощность струй­ных вентиляционных установок должна составлять около 2 млн кВт, а расчет каскадной схемы проветривания Качарского карьера

(глубина 720 м), состоящей из трех каскадов по 7 установок НК-12КВ в каждом, показывает, что в условиях инверсии организовать эффективный вынос загрязнений не удается ввиду слабого проник­новения струи свежего воздуха в глубь карьера. Так, за 90 мин ра­боты указанных установок после загазования нижней части карьера до 3 ПДК концентрация вредностей снизилась до 2,5 ПДК.

Все это свидетельствует о полной несостоятельности струй­ной вентиляции как средства общекарьерного проветривания. Для установления причин этого рассмотрим подробнее аэродинамику струйных потоков, создаваемых свободноструйными карьерными установками, в основе которых лежит теория турбулентных струй [17].

Анализ схемы вентиляции карьера свободными вертикальны­ми струями (установки УМП-14, УМП-21 и др.), приведенной на рис. 3.6, показывает, что в первом приближении выполняется необ­ходимое для вентиляции условие - обмен массами с окружающей средой (атмосферой поверхности). Однако если вертикальная струя не пересекает условной (гипотетической) границы карьера 7, то в этом случае карьерный вентилятор осуществляет не проветривание, а просто перемешивание воздуха внутри карьера и причем только в зоне действия струи.

Рис. 3.6. Схема распространения вертикальной свободной струи воздуха в карьере (относительно условных границ У и 2)

Если же рассмотреть распространение вертикальной струи от­носительно другой границы 2 внутри карьера, которую она будет пересекать, то, исходя из необходимого условия функционирования

вентиляции, часть карьера в пределах границы 2 будет проветри­ваться.

Следовательно, карьерный вентилятор относительно границы 2 в какой-то мере будет осуществлять проветривание, а относи­тельно границы 1 - только перемешивание воздуха внутри карьера.

Отсюда следует вывод, что струйная вентиляционная установ­ка выполняет функцию вентилятора только тогда, когда область карьера или окружающей среды в пределах карьера (в пределах границ /, 2), с которой происходит воздухообмен, столь обширна, что, несмотря на сброс в нее загрязненного воздуха, может дли­тельное время быть и поставщиком чистого воздуха. Если же раз­мер данной области воздухообмена недостаточен, то работа струй­ной карьерной установки быстро сводится к простому перемешива­нию воздуха в определенном объеме карьера, что чаще всего и на­блюдалось при испытаниях и работе этих установок, когда сниже­ние концентрации вредностей за счет этого относили к эффекту проветривания.

Принципиальным при этом является то обстоятельство, что области сброса загрязненного и забора чистого воздуха у струйных установок расположены на небольшом расстоянии и имеют актив­ную аэродинамическую связь. Последнее является причиной воз­никновения циркуляционных течений (струи с отрицательной пла­вучестью [17]) из области нагнетания установок в область их вса­сывания (рис. 3.6).

Отсюда следует практически важный вывод: необходимым условием общеобменной вентиляции карьеров является многократ­ное превышение размеров области воздухообмена над объемом зо­ны проветривания. А области забора чистого воздуха и сброса за­грязненного должны быть удалены друг от друга на значительное расстояние, исключающее возникновение между ними активных аэродинамических связей, что возможно реализовать только в тру­бопроводных системах вентиляции (ТВС).

Давая оценку энергоемкости свободноструйного проветрива­ния карьеров, прежде всего следует отметить, что энергия в этом случае затрачивается на два не связанных между собой процесса: перемещение воздушных масс и осуществление воздухообмена с окружающей средой. В этом и заключается принципиальное разли­чие струйных и трубопроводных систем вентиляции, например

подземных рудников, в которых энергия затрачивается только на перемещение воздуха по вентиляционной сети.

Вследствие этого энергоемкость струйных вентиляционных систем по сравнению с трубопроводными является более высокой, что на фоне низкой эффективности воздухообменных процессов, осуществляемых свободными струями, позволяет сделать одно­значный вывод о полном отказе от их применения.

Однако специалисты в области свободноструйной вентиляции карьеров, придя к осознанию этой реальности, сделали совершенно необоснованные выводы на одном из своих последних совещаний. Ввиду принципиальной значимости этих выводов, остановимся на них подробнее.

Резюме данного совещания приведено в работе [3]:

«В 1989 г. на базе карьера Мурунтау, имевшем в то время три вентиляционные установки НК-12 KB, было проведено совещание с участием ведущих специалистов в области аэрологии карьеров -П. В. Бересневича, Н. 3. Битколова, А. Д. Вассермана, М. М. Коно-рева, И. И. Иванова и др. На этом совещании специалисты Навоий-ского горно-металлургического комбината, поддержанные А. Д. Вассерманом, высказали сомнения в технической возможности и практической целесообразности искусственной вентиляции глубо­ких карьеров и предложили основные усилия сконцентрировать на создании эффективных фильтро-вентиляционных установок для очистки воздуха в кабинах горных машин. При этом на вопросы: «Можно ли проветрить глубокий карьер?» и «Надо ли проветривать карьер?» - ими были даны однозначные ответы: «Нельзя!» и «Нет необходимости!» - хотя бы потому, что для этого требуется колос­сальное количество энергии, и бессмысленно доводить до санитар­ных норм несколько сотен миллионов кубических метров воздуха для нескольких десятков работников карьера».

Действительно, бессмысленно проветривать весь объем карье­ра, тем более, что в этом нет никакой необходимости. Действитель­но, бессмысленно пытаться применять для вентиляции карьеров свободноструйные установки, не являющиеся, по существу, средст­вом воздухообмена между карьерным пространством и окружаю­щей карьер атмосферой.

Теория и практика аэродинамики вентиляционных процессов открытых горных разработок однозначно свидетельствует о том, что в проветривании в первую очередь нуждается нижняя застой-

ная (рециркуляционная) зона карьера, в которой функционирует все основное горное оборудование и располагается технический персонал. Объемы этих зон в большинстве случаев лежат в преде­лах 2,0-6,0 млн м, что сопоставимо с часовой подачей крупных шахтных вентиляторов.

При своевременном введении в действие ТВС с удалением за­грязненного воздуха за пределы карьерного поля и его полной за­меной более чистым атмосферным воздухом объем таких зон будет уменьшаться. В любом случае он не увеличится до объемов всего карьера, и, таким образом, периодически возникающая в настоящее время проблема проветривания всего карьерного пространства про­сто не возникнет.

Очевидно, что при отсутствии системы вентиляции, способ­ной проветривать нижние застойные зоны глубоких карьеров, в ус­ловиях длительных нарушений естественного воздухообмена с ок­ружающей средой весь объем карьера может быть загазован.

Отсюда и следует вывод о том, что не существует проблемы проветривания всего объема карьера (сотен миллионов куб. метров воздуха), а существует проблема организации эффективной систе­мы вентиляции нижних застойных (рабочих) зон.

Что же касается «колоссального расхода энергии», то он ха­рактерен только для свободноструйной вентиляции, у которой ос­новные затраты энергии приходятся не на перемещение воздушных масс, а на обеспечение воздухообмена с окружающей карьер атмо­сферой. У трубопроводных систем вентиляции расход энергии многократно ниже, так как энергия в них расходуется только на пе­ремещение воздуха по сети. Так, например, мощность привода шахтной осевой вентиляторной установки ВОД-50, способной во всасывающей трубопроводной системе вентиляции осуществлять полный однократный обмен воздуха в застойных зонах карьеров в течение 1-3 часов, составляет 2000 кВт. Для сравнения: мощность свободноструйной установки НК-12КВ, способной в большинстве случаев только на перемешивание воздушных масс в зоне действия своей струи, составляет 11000 кВт.

Таким образом, выводы участников совещания не подкрепле­ны убедительными доводами и недостаточно обоснованы. Кроме того, они полностью игнорируют требования существующей нор­мативной документации в части состава воздуха рабочих мест [8].

Игнорируются также плохая видимость рабочих мест, прямо связанная с аварийностью и производственным травматизмом, пси­хологический дискомфорт технического персонала карьера и др.

Не соответствует действительности также замечание автора работы [3] о том, что активность дискуссий относительно искусст­венного проветривания глубоких карьеров значительно снизилась после проведения этого совещания. Причина этого заключалась со­всем в другом - в кризисном состоянии горной отрасли и горной науки в 90-е годы, когда о каких-либо серьезных научных исследо­ваниях и связанных с ними дискуссиях не могло идти и речи.

И только в настоящее время, в связи с восстановлением преж­них объемов добычи на открытых горных работах, появляется ре­альная возможность и развития научных исследований, и дискус­сий, в частности, по проблемам проветривания глубоких карьеров. Одним из свидетельств этого как раз и является публикация уже упоминавшейся монографии [3], написанной нестандартно с новы­ми подходами и предложениями, увеличение числа научных статей в периодических изданиях, а также выход в свет настоящей работы, некоторые положения которой диаметрально противоположны рас­пространенным в настоящее время. Поэтому необходимы и дискус­сии, и совместная работа по обоснованию новых подходов и разра­ботке технических решений по рассматриваемой проблеме, по­скольку она осталась нерешенной и, исходя из опыта человеческой деятельности, все равно потребует своего разрешения.