Способ проветривания кимберлитовых карьеров, работающих в многолетнемерзлых породах

 

Изобретение относится к горной промышленности. Вентиляционный ствол проходят на предельную глубину отработки кимберлитовой трубки открытым способом, а по центру карьера приходят восстающий, соединенный с вентиляционным стволом горизонтальной выработкой, и в месте сопряжения горизонтальной выработки и вентиляционного ствола проходят камеру, где монтируют калориферную установку, проветривание карьера происходит естественной тягой через горные выработки, пройденные в многолетнемерзлом массиве горных пород, а интенсивность тяги в зимний период регулируют степенью подогрева воздуха калориферной установкой, определяемой уравнениями аэродинамики и теплофизики. Способ позволяет уменьшить затраты энергии на создание тяги воздуха. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к вентиляции горных выработок, и может быть использовано для проветривания кимберлитовых карьеров, работающих в многолетнемерзлых породах.

Известен способ проветривания сверхглубоких кимберлитовых карьеров (см. а. с. N 1831575, E 21 F 1/00), включающий воздухообмен в пространстве с помощью системы главного проветривания подземными стволами и установленными на устьях стационарными вентиляционными установками и передвижными установками внутрикарьерного местного проветривания, причем вентиляционные сети наклонных стволов путем их проходки под углом конвейерного подъема придают форму конической пространственной спирали с вершиной, направленной ко дну карьера, и с радиусом поперечного сечения пространственной спирали, превышающим радиус предельного контура карьера на величину, не меньшую сейсмобезопасного расстояния взрывных скважин, включают систему главного проветривания на форсированный нагнетательный режим вслед за проведением взрывных работ на 1 - 2 часа, после чего производят отключение местных вентиляторов и переключают систему главного проветривания в холодное время года на номинальный всасывающий режим, а в теплое время года - на номинальный нагнетательный режим. Кроме того, конвейерные выработки располагают пространственно на 15 - 20 м выше соответствующих вентиляционных выработок, которые соединяют между собой сбойками активного дренажа.

Недостатком данного способа является сложность проведения спиральных наклонных стволов, большой объем проходки подземных выработок и большие затраты электроэнергии на работу вентиляторов главного проветривания.

Наиболее близкой по технической сущности является способ проветривания карьеров (см. а.с. N 1583625, E 21 F 1/00), включающий подачу свежего воздуха в зону ведения горных работ и в нижнюю часть карьера по подземным горным выработкам с помощью источника тяги, причем проветривание осуществляется за счет повторного использования отработанного пространства подземных горных выработок, отвод отработанного воздуха осуществляют через сборочную вентиляционную подземную выработку, в которой его очищают от гари и пыли и охлаждают до температуры, ниже температуры воздуха нижней части карьера, а затем подают в нижнюю часть карьера и вытесняют загрязненный воздух из карьера. Кроме того, поддерживают температуру подаваемого в карьер очищенного воздуха на 2 - 4^o ниже температуры воздуха в нижней части карьера.

Недостатком данного способа являются сложность вентиляционной сети, дополнительные затраты на очистку и охлаждение воздуха и большие затраты электроэнергии на работу вентиляторов главного проветривания.

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение затрат энергии на создание тяги воздуха.

Поставленная задача решается следующим образом: в борту карьера на предельную глубину отработки кимберлитовой трубки открытым способом проводится вентиляционный ствол. По центру карьера проходится восстающий, соединенный с вентиляционным стволом горизонтальной выработкой. В месте сопряжения горизонтальной выработки с вентиляционным стволом проходят камеру и монтируют калорифер.

Проветривание карьера производится естественной тягой через горные выработки, пройденные в многолетнемерзлом массиве, а интенсивность тяги в зимний период регулируется степенью подогрева воздуха калориферной установкой, тепловую производительность которой определяют следующим соотношением: П = 1.225·Q·ΔT·v·S. Здесь П - тепловая производительность калориферной установки, кВт; Q - плотность воздуха при данной температуре, кг/м³; ΔT - степень подогрева воздуха, град; v - скорость воздуха, м/с; S - сечение выработки, м².

Существенные отличия предлагаемого технического решения.

- Вентиляционный ствол проводится на предельную глубину отработки кимберлитовой трубки открытым способом, а по центру карьера проходится восстающий, соединенный с вентиляционным стволом горизонтальной выработкой.

Данное техническое решение позволяет постоянно связать днище карьера с устройством для вентиляции карьера, что обеспечивает надежную вентиляцию на весь срок эксплуатации карьера. Необходимо отметить, что вентиляционное устройство по предложенному техническому решению предназначается только для его сверхглубокой части, т.е. тогда, когда карьер нуждается в искусственной вентиляции.

Сечение и длина ствола должны обеспечивать вентиляцию естественной тягой, вентиляционный ствол может проходиться вертикальным или наклонным под углом к горизонту, определяемым экономическими расчетами с точки зрения аэродинамических расчетов по движению воздуха по выработкам и теплофизических расчетов в многолетнемерзлом массиве горных пород для осуществления проветривания карьера естественной тягой в летний и зимний период.

- В месте сопряжения горизонтальной выработки с вентиляционным стволом проходят камеру и монтируют калорифер.

Данное техническое решение обеспечивает возможность регулировки скорости движения воздуха по горным выработкам в зимний период за счет подогрева его калорифером. Применение калорифера в предложенном техническом решении снижает расход энергии на проветривание карьера в зимний период. Движение воздуха по горным выработкам в зимний период осуществляется естественной тягой за счет того, что многолетнемерзлый горный массив имеет температуру не менее -2^oC, а поступающий со дна карьера воздух имеет температуру менее -20^oC (до -50^oC - 60^oC).

- Проветривание карьера производится естественной тягой через горные выработки, пройденные в многолетнемерзлом массиве.

Данное техническое решение снижает расход энергии на искусственное проветривание глубокого карьера.

В зимнее время температура воздуха на поверхности на 20 - 30 градусов выше, чем на дне глубокого карьера. Плотный холодный воздух через восстающий поступает в вентиляционный ствол, температура поверхности которого на 20 - 50^o выше. При движении по стволу происходит теплообмен, плотность воздуха уменьшается, за счет этого и развивается естественная тяга и осуществляется проветривание в зимний период.

Летом поступающий с поверхности карьера воздух в вентиляционной шахте охлаждается, повышается его плотность и за счет этого происходит его движение вниз по стволу шахты. Через восстающий охлажденный плотный воздух поступает на дно карьера, вытесняя теплый (летний) воздух из карьера.

Вентиляционной установкой, смонтированной над вентиляционной шахтой можно увеличить интенсивность проветривания карьера путем нагнетания через ствол шахты. Выходящий из восстающего охлажденный в шахте воздух будет эффективно удалять теплый более легкий воздух из карьера.

- Интенсивность тяги в зимний период регулируется степенью подогрева воздуха калориферной установкой, тепловую производительность которой определяют следующим соотношением: П = 1.225·Q·ΔT·v·S. где
П - тепловая производительность калориферной установки, кВт,
Q - плотность воздуха при данной температуре, кг/м³,
ΔT - степень подогрева воздуха, град.

v - скорость воздуха, м/с,
S - сечение выработки, м².

Данное техническое решение позволяет для конкретных условий подобрать режим работы калориферной установки, что снизит затраты на проветривание карьера в зимнее время.

Пример выполнения способа проветривания кимберлитового карьера, работающего в многолетнемерзлых породах, приведены на чертеже.

В борту карьера в зоне, безопасной от сдвижения горных пород, проходят вентиляционный ствол 1 и монтируют вентиляционную установку 2. Ствол проходят до границы 3 открытых горных работ (проектной глубины карьера), в центральной части кимберлитовой трубки 4 проходят восстающий 5. Восстающий 5 соединяют с вентиляционным стволом 1 горизонтальной выработкой 6. В месте сопряжения горизонтальной выработки 6 с вентиляционным стволом 1 проходят камеру и монтируют калориферную установку 7.

Техническое предложение предусматривает использование естественной тяги для проветривания карьера через выработки, пройденные в многолетнемерзлых породах.

Для того чтобы использовать естественную тягу для проветривания карьера, необходимо, чтобы горные выработки соответствовали аэродинамическим и теплофизическим условиям применения, то есть имели необходимую пропускную способность выработок (сечение), площадь теплопередачи, время воздействия на движущийся поток воздуха, длину выработок (длина вентиляционного ствола может быть изменена углом наклона к горизонту), аэродинамическое сопротивление и т.д.

Для условий применения горных выработок, пройденных в многолетнемерзлых горных породах для проветривания карьера, разработан инженерный метод расчета необходимых параметров.

Известными методами по заданным источникам загрязнения определяют потребное количество свежего воздуха Q и производят расчет параметров проветривания, для чего сначала задаются углом наклона и сечением выработки S.

В зимний период.

Интенсивность тяги в зимний период регулируется степенью подогрева воздуха калориферной установкой, тепловую производительность которой определяют следующими соотношениями:
П = 1.225·Q·ΔT·v·S, (1)
где
П - тепловая производительность калориферной установки, кВт,
Q - плотность воздуха при данной температуре, кг/м³,
ΔT - степень подогрева воздуха, град,
v - скорость воздуха, м/с,
S - сечение выработки, м²,
v = [c+b·ΔT+a·(ΔT)²]·k₁·k₂. (2)
a, b, c - коэффициенты, полученные обработкой результатов вычислительного эксперимента на ПЭВМ (таблица),
k₁ - коэффициент, зависящий от температуры на дне карьера T_д, при T_д = -50^o k₁ = 1,0, T_д = -40^o k₁ = 1,25, T_д = -30^o k₁ = 2,17.

k₂ - коэффициент, зависящий от температуры стенок выработки T₀, при T₀ = -1^o k₂ = 1,15, T₀ = -2^o k₂ = 1,0, T₀ = -3^o k₂ = 0,90, T₀ = -4^o k₂ = 0,85.

Определяют потребную скорость воздуха в выработке v
v = Q/S,
По формуле (2) подбором определяют степень подогрева воздуха калориферной установкой ΔT,
По формуле (1) определяют тепловую производительность калориферной установки.

В летний период.

По формуле (2), приняв ΔT равным нулю, определяют скорость естественной тяги выработки v₀,
Определяют потребную скорость воздуха в выработке v
v = Q/S - v₀.

По полученной скорости и параметрам выработки подбирают вентиляторную установку.

При проектировании устройства для проветривания карьера производят определение места заложения вентиляционной шахты 1, сечения выработок, технических возможностей калориферной 7 и вентиляционной 2 установок, аппаратуры и методов контроля за работой.

Примеры осуществления способа проветривания кимберлитовых карьеров, работающих в многолетнемерзлых породах.

Работа карьера в зимний период.

Постоянным источником загазованности карьера являются двигатели внутреннего сгорания, например автотранспорт, дизельные экскаваторы и т.д. При среднечасовом расходе дизельного топлива, например 850 кг, объем выделяемых при этом вредных газов составляет 27200 м³/ч. Для обеспечения безопасной работы согласно правилам эксплуатации двигателей внутреннего сгорания на открытых работах необходимо производить разжижение вредных газов. Следовательно, в карьер должно поступать и удаляться 37,7 м³ воздуха в секунду.

Пусть, например, угол наклона вентиляционной выработки 15^o, а площадь ее сечения 18 м², тогда скорость воздуха в выработке должна быть 37,7/18 = 2,1 м/с. По формуле (2), используя таблицу, подбираем ΔT = 27^oC, при этом скорость воздуха 2,2 м/с.

Другим источником загрязнения атмосферного воздуха карьера являются взрывные работы. Взрывные работы обычно ведутся по определенному графику, например раз в неделю, при этом, например, расходуется 185 т ВВ. Во время взрыва образуется 166500 м³ вредных газов. Для обеспечения безопасной работы необходимо произвести разжижение вредных газов в 5 раз. Следовательно, в карьер должно поступить и удалиться 832500 м³ воздуха.

Примем время проветривания 12 часов (ночь), тогда необходимый расход воздуха составит 832500 : 12 : 3600 = 19,3 м³/с, а скорость - 1,07 м/с. По формуле (2), используя таблицу, подбираем ΔT = 26^oC, при этом скорость воздуха 1,45 м/с.

Таким образом, в условиях примера достаточно подогревать воздух зимой на 30^o (с запасом). По формуле (1) легко рассчитывается мощность калорифера.

Физический смысл явления, лежащего в основе предлагаемого технического решения заключается в следующем.

Холодный плотный воздух с температурой -20^o - -60^oC через восстающий 5 поступает в выработку 6 и вентиляционный ствол 1. Горные выработки, находящиеся в многолетнемерзлых породах, имеют температуру -1,5^o - -2^oC, то есть значительно более теплую. Происходит теплообмен морозного воздуха с относительно теплыми стенками выработок. За счет этого плотность воздуха уменьшается и при движении он приобретает скорость. Так происходит вентиляция карьера в зимний период за счет естественной тяги. Тогда, когда разность температур не обеспечивает проветривание за счет естественной тяги, включают в работу калорифер 7, что повышает скорость движения воздуха и обеспечивает проветривание карьера.

Работа карьера в летний период
В летний период теплый воздух с поверхности карьера поступает в вентиляционный ствол 1, проходя по холодным горным выработкам, пройденных в многолетнемерзлых породах (вентиляционному стволу 1, горизонтальной выработке и восстающему 5), воздух охлаждается, повышается его плотность и за счет его происходит движение воздуха естественной тягой. В карьер поступает охлажденный воздух, который вытесняет теплый (летний) воздух со дна карьера, что и обеспечивает его проветривание.

Если естественная тяга не обеспечивает проветривание карьера, включают вентиляционную установку 2 на нагнетание воздуха в вентиляционный ствол 1.

Проветривание карьера после взрывных работ производят включением вентиляционной установки 2. При этом ведется эффективное проветривание за счет поступления на дно карьера холодного плотного воздуха горных выработок, посредством которого и происходит вытеснение загазованного теплого воздуха из карьера.

Формула изобретения

Способ проветривания кимберлитовых карьеров, работающих в многолетнемерзлых массивах горных пород, включающий проведение вентиляционного ствола с монтажом вентилятора главного проветривания и монтаж калориферной установки, отличающийся тем, что вентиляционный ствол проходят на предельную глубину отработки кимберлитовой трубки открытым способом, а по центру карьера проходят восстающий, соединенный с вентиляционным стволом горизонтальной выработкой, и в месте сопряжения горизонтальной выработки и вентиляционного ствола проходят камеру и монтируют калориферную установку, проветривание карьера производят естественной тягой через горные выработки, пройденные в многолетнемерзлом массиве, а интенсивность тяги (в зимний период) регулируют степенью подогрева воздуха калориферной установкой, тепловую производительность которой определяют следующим соотношением:
П = 1,225 · Q · ΔT · V · S ,
где П - тепловая производительность калориферной установки, кВт;
Q - плотность воздуха при данной температуре, кг/м³;
ΔT - степень подогрева воздуха, град;
V - скорость воздуха, м/с;
S - сечение выработки, м².

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2