11. Естественное проветривании карьера энергией ветра.

Естественное проветривание карьеров путем использования энергии ветра. Одним из основных элементов, определяющих естественное проветривание, является энергия ветра, непостоянство которой во времени определяет различную интенсивность воздухообмена и, как следствие этого, возможность его нарушения с накоплением в атмосфере карьера газов и пыли определенных концентраций. Интенсивность проветривания с помощью энергии ветра зависит от его объема карьера, которой по мере разработки непрерывно растет, главным образом, в глубину.

В процессе своей отработки карьер последовательно проходит через несколько этапов, характеризующихся изменения не только схемы движения воздушных потоков, но и интенсивности проветривания. Условно по величине отношения глубины карьера Н к его размерам в плане L_п можно выделить три типа его:

1. -мелкие;

2. - средние;

3. -глубокие.

Первая стадия (рис. 7.1 а) характерна для начального этапа отработки карьера, когда при небольшой глубине размеры в плане значительны. В этом случае площадь, занимаемая карьерным пространством, по профилю мало чем отличается от окружающей территории и ее проветривание в целом практически осуществляется так же, как и открытых площадок. Возникающее при этом некоторое различие связано, главным образом, с изменением характера подстилающих пород и некоторым повышением параметров шероховатости.

В соответствии с классификацией на первой стадии преобладают прямоточные и рециркуляционные схемы движения воздуха.

Расход воздуха (м³/с), вовлекаемого в проветривание на участке L_1, определится для первой стадии по формуле

, (7.7)

где - средняя скорость движения воздуха на поверхности в слое высотой , участвующего в проветривании участка L₁ в направлении, перпендикулярном направлению ветра, м.

Высота слоя воздушного потока, участвующего в проветривании участка L₁, определяется из геометрических построений (см рис. 7.2, а):

, (7.8)

где - глубина карьера на данной стадии разработки, м;

- внутренний угол снижения ядра постоянных скоростей;

- внешний угол раскрытия свободной струи.

Расход воздуха (м³/с), участвующего в воздухообмене карьерного пространства, для участка L₂ определится, как для открытой площадки:

, (7.10)

С учетом (7.9) выражение (7.14) принимает вид

, (7.15)

При дальнейшем увеличении глубины разработки до H/L_п<0,2 (рис. 7.2, б) условия проветривания рабочей зоны существенно меняется, движение воздушных масс в большей части карьера осуществляется по рециркуляционной схеме, увеличивается зона обратных потоков, ослабляется проветривание поверхностными потоками нижней части карьера. Однако картина проветривания в целом не меняется. Количество воздуха, участвующего в проветривании, как и на первой стадии разработки, в единицу времени определится в общем случае по формуле

, (7.16)

На третьей стадии разработки, когда H/L_п ≥ 0,2, если внешняя граница свободной струи выходит на наветренный борт карьера (рис. 7.2, в), высота воздушного потока (м), участвующего в проветривании,

, (7.17)

Взрыв L₁ и L₂ через L_п, будем иметь

; (7.18)

. .19)

С учетом уравнения (7.19) выражение (7.22) при известной величине принимает вид

, (7.23)

Общий расход воздуха, участвующего в воздухообмена на третьей стадии отработки карьера,

, (7.24)

Сравнение формул (7.14), (7.17) и (7.24) показывает их аналогичность и позволяет дать обобщенную формулу расхода воздуха, принимающего участие в воздухообмене, для любой стадии разработки:

, (7.25)

где

, (7.26)

Значения величин h и L₂ определяются для каждой стадии разработки карьера по формулам (7.9), (7.11), (7.17), и (7.19).

На участке с рециркуляционным движением количество воздуха в единицу времени в зоне обратных потоков определяется зависимостью

, (7.27)

где ÷ - коэффициент структуры струи:

f- коэффициент , характеризующий степень стеснения струи:

L_x- абсцисса рассматриваемого сечения.

Значения f в зависимости от угла подветренного борта приведены ниже.

Величина естественного проветривания по методу проф. В.С. Никитина базируется на закономерностях, характерных для основных схем движения воздуха.

При прямоточной схеме (см. рис. 4.1) расход воздуха, участвующего в проветривании,

, (7.28)

где - среднее значение абсцисс сечений, проходящих через нижнюю бровку подветренного борта, для ряда характерных профилей карьера, совпадающих с направлением ветра, м;

- размер карьера в направлении, перпендикулярном направлению ветра, м;

- средняя скорость ветра на поверхности, м/с.

При рециркуляционной схеме, в отличие от прямоточной, возможны условия, при которых максимальное загрязнение воздуха наблюдается у подветренного борта. Таким условием является нахождение источников выделения примесей в зоне обратных потоков (зона рециркуляции).

Расход воздуха, поступающего для проветривания при рециркуляционной схеме,

, (7.29)

где - среднее значение абсцисс отрезка внешней границы пограничного слоя ОС (см. рис. 4.1) для ряда характерных профилей карьера, совпадающих с направлением ветра, м;

- размер карьера в направлении, перпендикулярном направлению ветра, м.

В зоне рециркуляции расход воздуха по ходу потока от точки С возрастает от нуля до максимума и вновь падает до нуля. Максимальное количество воздуха в зоне обратных потоков проходит через сечение абсциссой 0,4 х_с:

, (7.30)

Вынос примесей из карьерного пространства зависит прежде всего от местоположения источников выделения примесей в атмосферу.

Количество примесей, выносимых из карьера, при совместном действии внутренних источников, расположенных в зоне обратных потоков, и внешних, расположенных с наветренной стороны, вблизи карьера

, (7.31)

При действии внутренних источников, расположенных в зоне обратных потоков воздуха,

, ( 7.32)

где - соответственно концентрации примесей в удаляемом и поступающем в карьер воздухе, мг/м³.

При совместном действии источников, расположенных в зоне рециркуляции и на подветренном борту, проветриваемом по прямоточной схеме,

, (7.33)

при размещении источников только на подветренном борту, проветриваемом по прямоточной схеме,

, (7.34)

при нахождении источников выделения примесей в зоне рециркуляции (участок ВДЕО^/)

, (7.35)

где - среднее значение оси абсцисс точки С внешней границы пограничного слоя с началом координат в точке О^/, м;

- соответственно концентрация примесей в воздухе, поступающем на проветривание карьера, мг/м³;

- средняя скорость движения воздуха с сечении О^/ Н , м/с;

- размеры зоны рециркуляции в направлении, перпендикулярном направлению ветра, м.