Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Аналитический обзор и постоновка задачи иследования 9
1.1 Оценка влияния метеорологических, горно-геологических и технологических факторов на аэрологию карьеров 9
1.1.1 Влияния метеорологических условий на проветривание карьера 9
1.1.2 Горно-геологические факторы устанавливающие параметры микроклимата карьера 16
1.1.3 Технологические параметры, влияющие на естественное проветривание карьеров 22
1.2 Средства и способы уличшающие воздухообмена в атмосфере карьеров 27
1.2.1 Средства и способы интенсификации естественного воздухообмена в атмосфере карьеров 271.2.2 Улучшения микроклимата за счет искусственной вентиляции карьера 321.3 Анализ современного состояния проблемы по обоснованию технологических параметров и места расположения отвалов относительно борта карьера с позиции аэрологии карьера 36
1.4 Постановка задач исследования 39
Выводы 40
ГЛАВА 2 Математическая модель обтекания ветровым потоком внешнего отвала вскрышных пород карьера 422.1
Вывод КГД системы уравнений на основе законов сохранения массы, сохранения момента импульса, сохранения полной энергии, сохранения момента импульса и второго закона термодинамики 422.
1.1 Законы сохранения в формализованных записях интегрального вида 42
2.1.2 Законы сохранения в дифференциальном виде 45
2.1.3 Пространственно-временные средние, независящих макроскопических параметров среды воздушного потока 47
2.1.4 Представление КГД системы в виде законов сохранения 50
2.2 Переход КГД уравнения от тензорного к векторному типу в условиях декартового пространства 54
2.2.1 Система КГД уравнений в индексном виде 54
2.2.2 КГД уравнения в ортогональной системе координат 55
2.2.3 КГД система в декартовой системе координат 59
2.3 Решение КГД уравнений методом конечных объемов 63
2.3.1 Алгоритмы решения КГД уравнений на треугольных сетках 63
2.3.2 Построение треугольной сетки и выбор на ее основе контрольного объема воздуха 64
2.3.3 Аппроксимация КГД уравнений в среде треугольной сетки 66
2.3.4 Аппроксимация частных производных для перехода от дифференциальных уравнений к разностной схеме 67
2.4 Постановка граничных условий и решение задачи по обтеканию ветровым потоком отвала карьера 72
2.4.1 Появление граничных условий 72
2.4.2 Аппроксимация граничных условий 74
2.4.3 Решение задачи по математическому моделированию процесса обтекания ветровым потоком внешнего отвала карьера. 77
Выводы 80
ГЛАВА 3 Установление зависимостей параметров циркуляционных зон от технологических параметров отвала карьера 81
3.1 Исследования математической экспериментальной модели для установления качественно-количественных характеристик процесса обтекания ветровым потоком внешнего отвала карьера 8
3.1.1 Описания физических процессов при моделировании обтекания отвала ветровым потоком и анализ отрывного течения запыленного воздуха 81
3.1.2 Установление зависимостей параметров циркуляционных зон от технологических параметров отвала 86
3.1.3 Вывод уравнения, характеризующего границы циркуляционных зон 91
3.2 Методика проведения вычеслительных эксперементов 93
3.3 Результаты вычислительных эксперементов и установление зависимостей длин циркуляционных зон от технологических параметров отвала 95
3.3.1 Установление зависимостей длин циркуляционных зон от значимых параметров по результатам вычислительных экспериментов 95
3.3.2 Анализ и установление закономерностей 101
Выводы 103
ГЛАВА 4 Метод расчета по обоснованию места расположения отвала относительно борта карьера 104
4.1 Характеристика Метода расчета по обоснованию расположению отвала относительно борта карьера 10
4.2 Пример обоснования расположения скальных отвалов относительно бортов карьеров Кесиктобе и Аралтобе 107
4.2.1 Краткая характеристика карьеров Аралтобе и Кесиктобе 107
4.2.2 Экономический расчет о целесообразности расположения отвалов 112
4.2.3 Обоснование расположения отвала с позиции геомеханической пригрузки борта отвалом на примере карьеров Аралтобе и Кесиктобе 115
4.2.4 Обоснование расположения отвала с позиции влияния циркуляционных зон образуемых отвалом и аэрологией карьера 122
4.2.5 Общее обоснование выбора расположения отвала 125
4.3 Методические рекомендации выбора расположения отвала и проведение отвалообразования для улучшения аэрологии карьеров 127
Выводы 128
Заключение 129
Список используемой литературы 131
- Горно-геологические факторы устанавливающие параметры микроклимата карьера
- Пространственно-временные средние, независящих макроскопических параметров среды воздушного потока
- Вывод уравнения, характеризующего границы циркуляционных зон
- Экономический расчет о целесообразности расположения отвалов
Горно-геологические факторы устанавливающие параметры микроклимата карьера
Горно-геологические условия месторождения являются в конечном итоге определяющими для установления контура будущего карьера и его геометриче-ских размеров, исходя из условий залегания полезного ископаемого и физико-механических свойств горных пород. Изменение рельефа земной поверхности в результате создания выработки карьера и отвалов существенно влияет на два основных слагающих элемента, формирующих микроклимат карьера. Во-первых, перераспределяются состав-ляющие теплового баланса в соответствии с геометрией карьерного пространства, ориентацией слагающих его поверхностей, физико-механических свойств горных пород и т. д. Во-вторых, трансформируются воздушные потоки, движущиеся над земной поверхностью.
В целом, при анализе горно-геологических условий месторождения, пара-метры, влияющие на микроклимат карьера, являются: тип разрабатываемого ме-сторождения, его геологическая характеристика, форма и условия залегания руд-ных тел, твердость полезного ископаемого и вмещающих пород, их вещественный и химический состав, гидрогеологическое строение слагающих пород, виды пород и их свойства, а также тепловая энергия горных пород.
Основываясь на горно-геологических условиях строения полезного иско-паемого карьер может принимать различные формы, которые непосредственно влияют на направление воздушных потоков проявляется в карьерах для каждой геометрии обособленно. По морфологии месторождения твердых полезных иско-паемых подразделяются на три морфологических типа: изометричные, плоские и трубкообразные
Изометричные залежи в свою очередь имеют благоприятный микроклимат с позиции ветровых потоков, а также получение солнечной радиации и нагрев по-род, так как эти месторождения имеют большую протяженность и малую глубину. Они расположены в основном в равнинных местностях.
Значительную протяженность при небольшой ширине имеют выработки, пластовых и жильных залежей (плоские), а также залежи, расположенные в гор-ном рельефе. В этих карьерах за счет сокращения числа бортов, образующих карьерное поле, местные потоки также получают ограниченное развитие, что от-ражается и на розе ветров внутри выработки и влияет на весь микроклимат карье-ра [15].
При трубкообразных телах залежей размеры карьера по поверхности соиз-меримы с глубиной карьера, и зная, что глубина карьера пагубно влияет на скоро-стные характеристики и уменьшается подача тепла за счет солнечной радиации, на дне карьера происходят образования штилевых зон. От гидрогеологического строения месторождения зависит влажность гор-ных пород и вероятность поступления примесей из грунтовых вод, что в свою очередь существенно влияет на влажность в выработанном пространстве, а также образование туманов и понижение образований аэрогелей. Не редко гидрогеоло-гический фактор влиял на технологию отработки месторождений [102].
Зная минералогический состав горных пород, возможно, установить обра-зование дисперсной пыли, которая будет взаимодействовать с микроклиматом карьера, и препятствовать образованию инверсионных потоков в выработках карьера.
Особое внимание необходимо уделять горно-геологической характеристи-ки месторождения при вскрытии и разработке пород, склонных к самовозгора-нию, окислению и взрывам, поскольку это чревато возможными последующими дополнительными выделениями вредных примесей в атмосферу карьера, как при ведении технологических процессов, так и при хранении отбитой горной массы, Возможны появления неблагоприятных эффектов. А также отдельную группу со-ставляют месторождения, разрабатывающие полезные ископаемые, содержащие газообразные продукты. К таковым относятся месторождения сернистых руд, озокеритовые, урановые и некоторые др. При проектировании разработки место-рождений такого типа необходимо учитывать специфические свойства полезного ископаемого и соответствующие требования санитарных норм и правил. В част-ности, при разработке радиоактивных руд должны учитываться требования норм радиационной безопасности [37].
Одним из основных факторов воздействия на микроклимат карьера можно считать геотермальную энергию, выделяемую выработкой карьера. Так как по-верхность карьера, лишена растительности и существенно отличается по составу от поверхностных почв окружающей территории. А при разработке карьера воз-растает суммарная площадь слагающих его пород и увеличивается глубина по-верхностей за счет наклонных плоскостей, формирующих уступы.
Таким образом значительное влияние на тепловой режим в карьерах ока-зывает внутреннее тепло земли, особенно при больших глубинах, за счет роста температуры пород на 1 С на каждые 30 - 40 м.
Определяющими особенностями микроклимата карьеров, влияющими на естественный воздухообмен в них с позиции горно-геологических характеристик, являются: трансформация рельефа и характера подстилающей поверхности гор-ными работами, искусственные изменения физических характеристик поверхно-стного слоя почвы, действие геотермической ступени, сокращение и перераспре-деление притока солнечной радиации.
Пространственно-временные средние, независящих макроскопических параметров среды воздушного потока
Наибольшее влияние вкладывают автотранспорты, а именно большегруз-ные автосамосвалы, которые являются, с одной стороны, источниками выделения газообразных продуктов, с другой - взметывают при своем движении большое ко-личество пыли. Также неблагоприятные воздействия вносят все автомобильные оборудования такие как: дизелевозы, скреперы, тракторы и т.п. В противополож-ность автотранспорту, минимальные выбросы и пылеобразования производит рельсовый транспорт, a также гидротранспорт и наклонные подъемники. Конвей-ерный транспорт, учитывая современные тенденции его развития, является весьма перспективным, но требует обязательного проведения комплекса профилактиче-ских мероприятий, предупреждающих сдувание пыли при движении конвейерных лент и обеспечивающих локализацию пылевыделения на участках перегрузки. Современные скорости конвейерных лент, достигающие 3-5 и более м/с, требуют обязательной защиты транспортируемого материала от воздействия ветрового по-тока [49].
В целом, по всем технологическим процессам, существуют меры по пони-жению выбросов и пылеподавлению. В основном эти меры сводятся к увлажне-нию горной массы и связывания взвешенных частиц и также уменьшению выбро-сов за счет использования эффективной системы фильтрации [16].
К технологическим решениям можно отнести выбор технологии процес-сов, которая напрямую зависит от горно-геологических условий, развитее выра-ботанного пространства и продвижение забоев.
При рассмотрении выбора технологии можно опирается также на выше предложенные технологические процессы.
При благоприятных технологических условиях технологические процессы должны быть заменены на более Также необходимо не забывать о правильной расстановке оборудования. Различное взаимоположение и концентрация оборудования по отношению к направлению воздушных рациональные, например, при возможности ис-пользования механического рыхления отказаться от буровзрывного способа или замена автотранспорта на железнодорожный, что в свою очередь приведет к по-нижению выбросов и улучшению состояния микроклимата карьера. потоков могут привести к наложению вредностей, вы-деляющихся от отдельных источников, друг на друга с возрастанием концентра-ции примеси по движению другого оборудования, а также выносу за пределы микроклимата карьера и обширное влияние на вне карьерные территории [25].
Развитее выработанного пространства и продвижение забоев имеет особое значение в формировании микроклимата карьера.
При рассмотрении схемы вскрытия карьерного поля, необходимо учиты-вать, что наличие внешних траншей, заложенных с учетом розы ветров, сущест-венно улучшает естественное проветривание. Однако следует иметь в виду, что нарушение воздухообмена, как правило, связано с малой подвижностью воздуш-ных потоков, когда их действие недостаточно для обеспечения нормального есте-ственного проветривания. Следует также учитывать местоположение отвалов, складов горной массы, располагаемых за контурами карьера. Также скорость уг-луби карьера на прямую влияет на способ проветривания выработки за счет есте-ственного ветрового потока [14, 79].
Первоначально при разработке карьера без воздействия, каких-либо иных факторов, используется прямоточная схема движения. Угол откоса борта карьера при прямоточной схеме движения воздуха равен или меньше внешнего угла рас-крытия свободной струи. Структура потока прямоточной схемы совпадает с на-правлением ветра на поверхности. Прямоточная схема проветривания является наиболее эффективной по выносу вредных примесей из карьерного пространства. Она характеризуется отсутствием застойных зон, где могли бы скапливаться вредные примеси.
В последствии при постоянной углуби без дополнительного разноса бор-тов движение ветра перестраивается на рециркуляционную схему, которая харак-теризуется следующим образом, часть карьера проветривается прямыми потока-ми, совпадающими с направлением ветра на поверхности (струя I рода), а другая его часть (нижняя) находится в зоне обратных потоков и образует также свобод-ную струю (струя II рода).
Последним возможным этапом развития в жизни карьера является воз-можный переход от рециркуляционной схемы к рециркляционно-прямоточная схема.
Рециркляционно-прямоточная схема естественного проветривания возни-кает (используется) при больших размерах карьера, когда в его нижней части имеет место движение воздуха в обратном и прямом направлениях. Наиболее не-благоприятное распределение скоростей наблюдается при рециркуляционно-прямоточной схеме в нижней части карьера омываемого обратными потоками.
А при специализированном геологическом строении, когда первоначально породы представлены осадочной толщей, а последующие скальными породами. Происходит ослабления воздушных потоков в прямоточной струе на уровне кромки участка, с которого начинаются развитие рециркуляционной схемы, обу-славливает весьма значительное уменьшение скоростей движения воздуха в ниж-ней части карьера, затрудняя воздухообмен и вынос примесей [75].
При уменьшении скорости углуби и увеличении скорости разноса бортов изменение схем проветривания происходит в более длинный период. А именно в большем промежутке времени сохраняется прямоточная схема проветривания, тем самым различные пути развития отработки карьера влияют на микроклимати-ческое состояние в течи времени.
Вывод уравнения, характеризующего границы циркуляционных зон
Рассмотрено течение ветрового потока на трех основных участках: с на-ветренной стороны, на поверхности отвала и его подветренной стороны.
С наветренной стороны отвала стремительно возрастает давление с поло-жительным его градиентом. Воздушный поток обладает вязкостью, которая при-водит к появлению пограничного слоя и диссипации энергии. В пограничном слое, по сравнению с основным потоком, течение имеет меньшую скорость и по-этому подвергается воздействию относительно большого отрицательного ускоре-ния. Кинетическая энергия частиц в ветровом потоке в пограничном слое мала и постоянно возрастает давление по направлению движения потока. С течением времени, запас кинетической энергии этих частиц потока истощается. Так как процесс является диссипативным и необратим, то работа, производимая силами трения частиц, сопровождается выделением тепла в воздушном потоке, тем са-мым энергия частицы находится не в состоянии преодолеть возрастающий гради-ент давления. Ветровой поток, находящийся в этом пограничном слое, сначала полностью останавливается, а затем начинает течь в обратном направлении. В ре-зультате образования возвратного течения происходит оттеснение линий тока и как следствие отрыв пограничного слоя от поверхности. В точке отрыва сила вяз-кости обращается в ноль [44, 100]. После точки отрыва перпендикулярно нулевой линии тока можно наблюдать два направления течения: свободное - движущегося в направлении потока и внутреннее, движущегося в обратную сторону. Во внут-реннем течении пограничный слой как бы скручивается, образуя замкнутое дви-жение. На верхней площадке отвала карьера с наветренной стороны образуется косой скачек уплотнения. Этот скачок создает большой положительный градиент давления, которого достаточно для создания отрывного течения. Переход через косой скачок уплотнения обуславливает повышение давления в воздушном пото-ке, распространяющегося вверх от поверхности отвала карьера по течению потока во всем пограничном слое, тем самым способствуя его увеличению. Поэтому часть пограничного слоя отклоняется во внешнюю сторону, что приводит к обра-зованию системы сходящихся волн сжатия, которые распространяются во внеш-ний поток в виде отраженного скачка уплотнения. Когда градиент давления дос-тигает экстремального значения, при котором кинетической энергии частицы воздуха недостаточно, чтобы преодолеть градиент давления, возникает отрыв час-ти потока. Оторвавшийся поток за точкой отрыва расширяется и образует веер волн разрежения, тем самым ослабляя рост толщины пограничного слоя. После-дующие волны сжатия, формирующие отраженный скачок, организуются там, где в результате присоединения к обтекаемой поверхности течение снова становится параллельным поверхности отвала [23].
С подветренной стороны отвала поток отрывается у угловой точки (точка верхней бровки отвала) и присоединяется в точке внизу по течению, замыкая от-рывную зону малых скоростей, где давление по существу постоянно и равно «донному» давлению за уступом. Внешний невязкий поток отделяется от вязкой области свободным слоем смешения, начало которого лежит в пограничном слое перед точкой отрыва. Кроме того течение в слое смешения аппроксимируется те-чением смешения при постоянном давлении турбулентного потока с покоящимся ветровым потоком. Оторвавшийся слой смешения протекает в области меньшим давлением, где градиент давления является отрицательным. Тем самым развора-чивает часть воздушного слоя смешения, и этот слой в воздушном потоке течет в обратном направлении в застойную зону, в то время как внешний вязкий слой имеет более высокую скорость, вытекает из «донной» области и продолжает дви-жение вниз по потоку. Впоследствии течение вниз по потоку полностью восста-навливается и принимает изначальный вид [108].
Экономический расчет о целесообразности расположения отвалов
Для карьеров Кесиктобе и Аралтобе наиболее неблагоприятным с точки зрения устойчивости борта карьера является случай, при котором в массиве пород отсутствует сцепление по трещинам т/м2, что соответствует фактически случаю дезинтегрированной горной массы. В этом случае устойчивый угол на-клона откоса составляет 15 для карьера Кесиктобе, а для карьера Аралтобе - борт карьера остается стационарным и не подвержен сдвиговым изменениям.
Случай, при котором борт карьера при любом падении структурного на-рушения является устойчивым, будет иметь место при наличии сцепления по трещинам 140 т/м2 для карьера Кесиктобе.
Анализируя таблицы 4 и 5, можно сделать вывод о том, что в случае нали-чия в лежачем боку рудной залежи опасных структурных нарушений сцепление по контакту должно соответствовать сцеплению руд или вмещающих пород. В случае отсутствия опасных структурных нарушений в породах со стороны лежа-чего бока рудной залежи, борт карьера будет устойчив, т.к. сцепление пород и руд месторождения составляет от 110 до 160 т/м2, что является достаточным для со-хранения устойчивого состояния.
Таким образом, наличие отвала неблагоприятно влияет на устойчивость борта карьера, подсеченного структурными нарушениями, залегающими под уг-лом более 15 для карьера Кесиктобе при наличии нулевого или весьма низкого значения сцепления по контакту трещин.
Основываясь на геологической информации по участкам, таких структур-ных нарушений залегающих под неблагоприятными углами не обнаружено.
Видно, что взаимодействие выработки и отвала на карьере Кесиктобе на-ходится в предельной точке, и располагать его ближе невозможно. Таким обра-зом, для карьера Кесиктобе определенно минимальное расположение отвала от-носительно борта карьера. На карьере Аралтобе ситуация обстоит с лучшей стороны, при угле по-верхности эффективных структурных неоднородностей свыше 4, отвал не оказы-вает влияния на выработку карьера, а коэффициент запаса превосходит необхо-димый. Отвал можно расположить более близко к выработанному пространству. Повторно произведя расчет для определения расположения отвала, было выявле-но, что отвал на карьере Аралтобе возможно располагать в непосредственной близи карьера, об этом свидетельствует таблица 6.
Для определения расположения отвалов относительно карьера с позиции аэрологии первоначально рассматривается карьер и виды потоков возникающее в нем. На основании краткого анализа месторождении можно выявить, что потоки, образующиеся на карьерах Аралтобе и Кесиктобе, будут следующих типов: пря-моточные, реверсивные и восходящие. А также основная часть этих потоков бу-дет направлена в крест простирания карьеров, об этом свидетельствует основные направления ветровых потоков. Таким образом, половина основных ветровых по-токов будет первоначально взаимодействовать с отвалами, а искаженный ветро-вой поток будет идти в карьер.
Основываясь на полученных циркуляционных зонах при обтекании отва-лов. Можно сделать вывод, что длина циркуляционной зоны, должна быть мини-мальной границей расположения отвала относительно борта карьера. Так как в циркуляционной зоне происходит падение кинетической энергии воздушного по-тока, что ведет к уменьшению поступаемого свежего воздуха в карьер.
Для определения границы расположения отвала были проведены два вида расчетов, по математической модели и по полученным эмпирическим формулам. При расчете использовались, данные полученные из анализа разрабатываемых месторождений.
В результате расчета по математической модели получены следующие схемы распространения горизонтальных скоростей плотности и динамического давления для скальных отвалов карьера Аралтобе и Кесиктобе (рисунок 4.7 и 4.8).
Рисунок 4.7 - Схема распределения горизонтальных скоростей (а), плотности воздуха (б) и динамического давления (в) при обтекании ветровым потоком скального отвала Кесиктобе
Рисунок 4.8 - Схема распределения горизонтальных скоростей (а), плотности воздуха (б) и динамического давления (в) при обтекании ветровым потоком скального отвала Аралктобе
При помощи математического моделирования были получены, длины цир-куляционных зон, которые составили для отвала карьера Кесиктобе: с наветрен-ной стороны отвала м, на отвале м, с подветренной стороны м; для отвала карьера Аралтобе: с наветренной стороны отвала м, на отвале м, с подветренной стороны м.
По эмпирическим формулам длины циркуляционных зон будут следую-щие: для отвала карьера Кесиктобе с наветренной стороны отвала м, на отвале м, с подветренной стороны м; для отвала карьера Арал-тобе: с наветренной стороны отвала м, на отвале м, с подвет-ренной стороны м.
Таким образом, данные полученные по математической модели и по эмпи-рическим формулам схожи, и их максимальное расхождение составило 9,4 %, что соответствует норме технологических расчетов.
На основании произведенных расчетов можно сделать следующие выводы:
1) Отвал карьера Кесиктобе полностью накрывает циркуляционной зоной выработанное пространство, что отрицательно повлияет на проветривание карье-ра из-за недостатка получаемого чистого воздуха. Отвал Кесикботе необходимо отодвинуть от борта карьера в среднем на 350 м для улучшение аэрологической ситуации.
2) На отвале карьера Аралтобе циркуляционная зона не доходит до выра-ботанного пространства и также существует территория между отвалом и карье-ром, где происходит восстановление потока до первоначальных параметров. Та-ким образом, отвал карьера Аралтобе частично влияет на аэрологию карьера, и может быть сдвинут ближе к борту карьера в среднем на 50 м или оставлен на месте.
