Способ проветривания карьеров

 

Изобретение относится к горной промышленности. Способ включает создание выходящего за пределы карьера потока загрязненного воздуха путем нанесения на земную поверхность зачерненного покрытия и притока вследствие этого извне свежего воздуха. Зачерненное покрытие наносят в виде полосы, идущей от дна карьера до его верхнего края. Прилегающий к этой полосе слой воздуха толщиной h_* изолируют с помощью прозрачной для солнечного света перегородки, для создания потока загрязненного воздуха, идущего по изолированному слою и выходящего за пределы карьера. Толщина изолированного слоя определяется из математического выражения. Способ позволяет улучшить экологию и снизить энергозатраты на проветривание за счет использования энергии солнца и исключения отработанных газов турбовентиляторов. 1 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для вентиляции горных выработок, в частности при проветривании карьеров.

Известен способ проветривания карьеров, основанный на создании направленных воздушных потоков вентиляторами [а.с. N 1587212 A1, кл. E 21 F 1/00], при этом завихритель перемещается по дну карьера.

Известен способ проветривания карьеров, основанный на создании тепловой вертикальной струи с помощью тепловой установки [а.с. N 1571269 A1, кл. E 21 F 1/00].

Перечисленные способы имеют следующие недостатки: большие энергозатраты на прогрев воздуха и на питание турбовентиляторов; кроме того, отработанные газы турбовентиляторов сами создают значительное загрязнение воздуха и не обеспечивают надежный выброс загрязнений за пределы зоны возврата, т.е. той зоны, откуда загрязненный воздух может по естественным причинам вернуться в карьер.

Известен также способ проветривания нагорных выработок, в котором для образования конвективных потоков наносят зачерненное покрытие на дно и боковые стенки ущелья [а.с. N 1244339, кл. E 21 F 1/00].

Недостатком этого способа является то, что его эффективность существенно зависит от рельефа местности в районе горной выработки. Кроме того, он мало пригоден для проветривания глубоких карьеров, поскольку восходящие конвективные потоки, несущие загрязнение, взаимодействуют с нисходящими потоками свежего воздуха; между ними идет массообмен, приводящий к загрязнению последних. Этот процесс тем существенней, чем глубже карьер.

Предложен способ проветривания карьеров, включающий создание выходящего за пределы карьера потока загрязненного воздуха за счет нанесения зачерненного покрытия на склон карьера, освещенного Солнцем, отличающийся тем, что зачерненное покрытие наносят в виде полосы, идущей от дна карьера до его верхнего края, изолируют от атмосферы с помощью прозрачной для солнечного света перегородки слой воздуха толщиной h_*, для создания потока вдоль зачерненной полосы, поднимающего загрязненный воздух за пределы карьера, причем толщину изолированного слоя определяют из математического выражения где α - угол наклона склона карьера; ρ₀ - средняя плотность воздуха; С - теплоемкость воздуха; β - коэффициент температурного расширения воздуха; g - ускорение силы тяжести; H - глубина карьера; χ - коэффициент теплопроводности воздуха; K - коэффициент пропорциональности солнечной энергии, которая поглощается полосой; q₀ - солнечная постоянная.

Предложенный способ позволяет снизить энергозатраты на проветривание за счет использования энергии Солнца, уменьшить дополнительное загрязнение, создаваемое вентиляционными установками.

Нанесение зачерненного покрытия в виде полосы от дна карьера до его верхнего края и изолирование с помощью прозрачной для солнечного света перегородки прилегающего слоя воздуха приводит к тому, что при освещении Солнцем склона карьера солнечные лучи проходят через прозрачную перегородку и поглощаются черной полосой. В результате этого происходит нагрев черной полосы, а следовательно, и нагрев воздуха в прилегающем к ней изолированном слое. Поскольку нагретый воздух легче холодного, то он начинает подниматься по изолированному слою вверх. Изоляция нагретого слоя воздуха от атмосферы приводит к возникновению эффекта "печной тяги", т.е. эффекта, когда теплый воздух, поднимаясь по трубе, создает в печке тягу свежего воздуха. Таким образом, загрязненный воздух у дна карьера втягивается в изолированный слой, движется по нему до края карьера и выходит наружу. Свежий воздух поступает в карьер извне.

Толщина изолированного слоя должна выбираться из следующих соображений. Известно, что при движении вдоль нагретой поверхности поток воздуха прогревается лишь на определенную толщину, поэтому значение h_* должно быть не больше, чем эта глубина прогрева, иначе внутри слоя будут возможны обратные течения воздуха и эффект тяги исчезнет.

Приведем расчет наибольшей толщины изолированного слоя, при которой еще не возникает возвратных движений. Для этого оценим сперва среднюю скорость движения воздуха U в изолированном слое. Обозначим через Т и Т_* средние температуры воздуха в карьере и изолированном слое, через q_* - количество солнечной энергии, приходящейся на прогрев воздуха в изолированном слое. В изолированном слое для энергии можно записать
Q = E + A, (1)
где Q - приходящая энергия Солнца;
Е - изменение внутренней энергии воздуха;
А - кинетическая энергия движущегося со скоростью U воздуха.

Количество воздуха М, которое подается за время t в изолированный слой, будет M = tUh_*lρ₀, где l - ширина зачерненной полосы (см. фиг. 1). Далее, E = СМ(Т_* -Т), А = MU²/2, Q = tq_*Hl/cosα,
С учетом последних соотношений выражение (1) можно записать как

Из уравнения Бернули следует

где p - давление на дне карьера;
p_* - давление на входе в изолированный слой.

Из уравнения равновесия получим
p-p_* = gHρ₀β(T_*-T),
где g - ускорение силы тяжести;
β - коэффициент температурного расширения воздуха.

Из этих соотношений находим

Оценим величину q_*. Количество солнечной энергии, попадающее на полосу, будет q = (1-k_атм)q₀sinϕ, где k_атм -оптическая плотность атмосферы, q₀ - солнечная постоянная. Обозначим k₁ - коэффициент отражения пленки, а k_пл - оптическую плотность пленки. Тогда энергия, которая будет падать на полосу q₁ = (1 - k₁)(l - k_пл)q, при этом отразится q₂ = (1-k₁)(1-k_пл)(1-ε)q, где ε - степень черноты выбранной полосы. Получаем, что на общий нагрев (воздуха, пленки и грунта) будет расходоваться доля интенсивности q₃ = (1 - k₁)(1 - k_пл)q - q₂, или учитывая выражение для q можно записать q₃ = 2kq₀, где k = (1-k₁)(1-k_атм)(ε+k_пл-εk_пл)sinϕ/2. Будем далее считать, что q_* = q/2 = kq₀. Последнее допущение означает, что потоки теплоотдачи от пленки внутрь и наружу примерно равны.

Известно [1] , что толщина прогреваемого слоя воздуха, движущегося со скоростью вдоль нагретой поверхности, равна

где длина склона карьера суть L = H/cosα, и если подставить в эту формулу значение вычисленной выше скорости воздуха, то получим формулу для определения h_*, используемую в формуле изобретения.

На фиг. 1 изображена схема вентиляции карьера по предлагаемому способу. Цифрой 1 обозначим поток солнечных лучей, 2 - прозрачная перегородка в виде купола над полосой, перегородка плотно прилегает к полосе, 3 - зачерненная полоса, нанесенная на склон карьера; полоса идет от дна карьера по склону карьера и уходит за пределы карьера, 4 - стрелками обозначено движение воздушных потоков.

Рассмотрим пример проветривания карьера глубиной 300 м. Ширину изолированной полосы примем l = 12 м, значения остальных параметров, используемых в расчетах, пусть будут следующими:
α = 60^o, ϕ = 45^o, k = 0,2,

β = 3,6·10^-3град^-1,

ρ₀ = 1,206кг/м³, T = 25^oC, ε = 0,6.
Значение параметров k, ε тут показывает, что зачерненное покрытие может быть выполнено в виде напыления сажи, а прозрачной перегородкой может служить полиэтиленовая пленка. Тогда положим толщину изолированного слоя равной h_* = 2 м. Это значение удовлетворяет ограничению, наложенному формулой изобретения. При этих параметрах скорость движения воздуха в изолированном слое будет U = 11 м/сек, а количество перемещенного воздуха за пределы карьера за 1 час составит ~10⁶ м³.

Таким образом, предлагаемый способ проветривания карьеров позволяет достаточно эффективно проветривать глубокие карьеры, причем он не требует энергозатрат, не создает дополнительного загрязнения, не требует больших затрат на реализацию и эксплуатационные расходы, а его эффективность при увеличении глубины карьера только возрастает.

Источники информации:
1. К. О. Беннет, Ж.У. Майерс. Гидродинамика теплообмена и массообмена.- М.: 1966, Недра.

Формула изобретения

Способ проветривания карьеров, включающий создание выходящего за пределы карьера потока загрязненного воздуха путем нанесения на земную поверхность зачерненного покрытия и притока вследствие этого извне свежего воздуха, отличающийся тем, что зачерненное покрытие наносят в виде полосы, идущей от дна карьера до его верхнего края, изолируют с помощью прозрачной для солнечного света перегородки прилегающей к этой полосе слой воздуха толщиной h_* для создания потока загрязненного воздуха, идущего по изолированному слою и выходящего за пределы карьера, причем толщина изолированного слоя определяется из математического выражения

где α - угол наклона склона карьера, град;
ρ₀ - средняя плотность воздуха, кг/м³;
C - теплоемкость воздуха, Дж/м² · кг · град;
β - коэффициент температурного расширения воздуха, град^-1;
g - ускорение силы тяжести, м/с²;
H - глубина карьера, м;
χ - коэффициент теплопроводности воздуха; ккал/м · с · град;
K - коэффициент пропорциональности солнечной энергии, которая поглощается полосой;
q_о - солнечная постоянная, Дж/м² · с.

РИСУНКИ

Рисунок 1