Исследование воздушных потоков в карьерах криворожского бассейна

В последние годы добыча железной руды в Криворожском бас­сейне увеличивается за счет открытого способа разработки. Проект­ная глубина современных карьеров достигает 250—300 м. Поэтому актуальное значение приобретают вопросы их искусственной вентиляции, для разрешения которых необходимо знать законо­мерности аэродинамики естественных потоков карьеров.

Движения воздушных потоков исследовали в пределах карьер­ного пространства и прилегающих зонах на различных высотах от подошвы карьера — с помощью шаропилотных съемок и дымоспусков, а на высоте 2 м от поверхности уступов карьеров — с по­мощью анемометрических съемок.

Исследование аэродинамики потоков с помощью шаров-пилотов проводили в карьере «Северный» рудника им. Ильича. На карьере применялось следующее основное оборудование: станки ударно-канатного бурения, экскаваторы СЭ-3, автосамосвалы КрАЗ-222. Карьер является труднопроветриваемым, так как у него относи­тельно большая глубина: отношение размеров карьера в плане к глубине составляет 3,3—6,7. Опыты проводили при различных направлениях ветра. Точки запуска шаров выбирали с таким расчетом, чтобы их траектория проходила через центральную часть карьера.

Наблюдение за шарами-пилотами и фиксирование точек траек­тории производили тремя аэрологическими теодолитами, которые устанавливали в пределах прямой видимости один от другого. За­пуск шаров-пилотов и начало отсчетов на теодолитах производили одновременно по специальному сигналу, видимому всеми исполни­телями. Положение шаров в воздушном пространстве карьера фик­сировали через каждые 15 сек, начиная от момента запуска до исчез­новения его из поля зрения теодолитов. Все опыты проводили в дневное время, когда наблюдается наибольшая ветровая актив­ность. Результаты измерений обрабатывали графоаналитическим методом, и определяли траектории полета шаров-пилотов и скоро­сти воздушных потоков в выработанном пространстве карьера. Проекции траектории движения шаров на горизонтальную и верти­кальную плоскости по данным нескольких опытов приведены на рис. 1—3. На рис. 1 показаны результаты наблюдений при направ­лении ветра, близком к направлению продольной оси карьера, а на рис. 2 и 3 при направлении ветра около 60° к продольной оси. Из приведенных рисунков видно, что все шары-пилоты перемещались по сложным траекториям и после выхода из внутрикарьерного про­странства двигались по направлению ветра. При направлении ветра, совпадающем с направлением продольной оси карьера, воздушный поток движется в основном вдоль его бортов. В этом случае естест­венное проветривание карьерного пространства осуществляется по прямоточной схеме. Значительно сложнее характер движения шаров-пилотов при ветре, направленном под углом к продольной оси карье­ра. В этом случае внутри карьера образуются   воздушные потоки, направляемые длинными продольными бортами карьеров, вдоль которых происходит перемещение воздуха. Наряду с этим возника­ют зоны циркуляции воздуха и обратные токи, поднимающиеся по подветренным уступам карьера. Взаимодействие потоков, движу­щихся по основному направлению ветра, с потоками, движущимися вдоль бортов карьера, и обратными токами определяет траектории движения шаров-пилотов. Некоторые шары делали по два-три вин­тообразных витка во внутрикарьерном пространстве. Обратные вос­ходящие токи воздуха, движущиеся вблизи наклонных поверхностей уступов, наблюдались почти во всех случаях, когда основной воздушный поток встречает на своем пути глубокую выемку, на гра­ни которой происходит срыв потока с образованием зон циркуля­ции. Исследования позволили установить, что основное направле­ние движения воздуха во внутрикарьерном пространстве опреде­ляется скоростью и направлением ветра относительно бортов карье­ра, играющих роль направляющих поверхностей, вдоль которых движутся воздушные потоки. Сводные данные результатов наблю­дений (табл. 1) показывают, что в ряде случаев скорость воздуш­ного потока на выходе из карьера значительно превышает среднюю скорость ветра на поверхности, равную средней скорости входяще­го в карьер воздушного потока. Скорость и направление воздушных потоков в приземном слое, в котором находятся оборудование и обслуживающий персонал, определяли анемометрическими съем­ками.

Съемки проводили в карьерах горно-обогатительных комбинатов ЮГОК, НКГОК, ЦГОК, а также на карьере «Северный» рудника им. Ильича. Намечали несколько поперечных сечений по длине карьера (шесть—восемь). В намеченных сечениях на каждом ра­бочем горизонте измеряли скорости и определяли направление вет­ра в двух точках: около верхней бровки нижележащего уступа и около нижней бровки вышележащего уступа.

На карьере ЮГОКа, имеющего изогнутую форму в плане, пото­ки при входе в выработанное пространство с северно-западного тор­ца карьера двигаются вдоль его изогнутой части и выходят через восточный торцовый борт, изменяя направление примерно на 45°. Скорости ветра у верхней бровки нижележащего уступа примерно в 1,2—2 раза больше, чем у нижней бровки вышележащего уступа. Следовательно, зоны работы буровых станков проветриваются эф­фективнее зоны работы экскаваторов. При таком направлении вет­ра проветривание карьера происходит по прямоточной схеме — зо­на обратных токов воздуха отсутствует. При юго-восточном (ЮВ) направлении ветра также происходит изменение направления воз­душных потоков. Одновременно наблюдается рециркуляционная зона в тупиковом восточном забое на гор. ±0,0 м.

Такие же закономерности движения воздушных потоков получены при западном направлении ветра.

Когда воздушный поток поступает в карьер с юго-западной сто­роны (выпуклой), он растекается по двум направлениям (рис. 4): на восток и северо-запад вдоль бортов карьера. При этом угол между двумя направлениями достигает 125°. Результаты исследо­вания движения воздушных потоков на карьере ЮГОКа приведены в табл. 2.

На карьере НКГОКа, который также имеет дугообразную фор­му в плане, при северо-западном направлении ветра (рис. 5) дви­жение воздушного потока в карьере происходит также вдоль бортов.

Скорости ветра у верхней бровки нижележащего уступа пример­но в 1,2—2 раза больше, чем у нижней бровки вышележащего усту­па. При северо-восточном ветре воздушные потоки в карьер входят одновременно с двух его торцов. Они движутся навстречу друг дру­гу, изменяя свое направление в соответствии с направлением горных выработок. В средней части карьера потоки встречаются и выходят из карьера. При таком движении воздуха наблюдали две небольшие области с рециркуляционными потоками. Первая зона расположена в северной тупиковой части разрезной траншеи, на входе воздушно­го потока в карьер, а вторая в средней части разрезной траншеи, в месте соединения потоков и их выхода из карьера. При юго-во­сточном направлении ветра происходит разделение потоков в карье­ре на две части. Одна часть направлена на восток, вторая — на запад. Средние скорости потоков на карьере НКГОКа приведены в табл.