СПОСОБ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ПРОФИЛИРОВАНИЯ БОРТОВ КАРЬЕРОВ И УГОЛЬНЫХ РАЗРЕЗОВ Российский патент 2015 года по МПК E21C41/26 

Предлагаемый способ относится к горной промышленности, в частности к разработке месторождений открытым способом, и может быть использован в глубоких карьерах и угольных разрезах, где добыча полезных ископаемых становится невозможной без средств искусственной вентиляции или усиления естественного воздухообмена на нижних горизонтах.

Известные способы проветривания карьеров и угольных разрезов основаны:

- на отводе отработанного и подаче свежего воздуха в зону ведения горных работ, в том числе в нижнюю часть карьера по проведенным горным выработкам с помощью источника тяги и вытеснения загрязненного воздуха из карьера (авт.свид. СССР №901.560; патенты РФ №2.036.311, 2.066.769, 2.122.121, 2.169.369, 2.357.084; патент США №3.747.503 и другие);

- на воздухообмене между атмосферой карьера и окружающей средой путем нагнетания чистого воздуха и всасывания загрязненного воздуха через воздуховоды вентиляторных установок (авт.свид. СССР №1.361.34; патенты РФ №2.164.602, 2.215.157; Машковцев И.Л. и др. Аэрология и охрана труда на шахтах и в карьерах. - М.: изд-во Университета дружбы народов, 1986, с.184 и другие);

- на подаче чистого воздуха в пространство карьера по подземным выработкам, расположенным на разных уровнях по глубине карьера, и включение их в работу последовательно по мере углубления карьера (авт.свид. СССР №901.960; патент РФ №2.036.311; Ушаков К.З., Михайлов В.А. Аэрология карьеров. - М.: Недра, 1975, с.166 и другие);

- на воздухообмене между рабочими зонами и поверхностью карьера по одному или нескольким гибким воздуховодам (авт.свид. СССР №; 525.803, 608.947, 965.488, 1.335.711, 1.760.128, 1.767.193; патенты РФ №2.032.126, 2.066.769, 2.148.717 и другие);

- на выборе участков в зоне активного воздействия ветровых потоков, обуривании уступов, заряжании зарядами ВВ, взрывании их, экскавации взорванной горной массы (авт.свид. СССР №919.415; Битколов Н.З и др. Проветривание карьеров. - М.: Госгортехиздат, 1963, с.73-77; Бокий Б.В. Основы технологии горного дела. - М.: Недра, 1964, с.193-222 и другие).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является «Способ профилирования бортов карьеров» (авт.свид. СССР №919.415, E21C 41/00, 1980), который и выбран в качестве базового объекта.

Известный способ основан на том, что производят обуривание лишь верхних уступов без перебура до проектного контура профиля борта, а заряжание и взрывание скважин производят поэтапно на высоту профиля, при этом радиус профиля определяют по формуле

где H - высота профиля борта, м; V - средняя скорость ветра, м/с; 0,823 - расчетный коэффициент, определяющий угол раскрытия ветрового потока.

Указанная формула получена экспериментальным путем, исходя из условия обеспечения безотрывного обтекания профиля ветровым потоком, при этом полученный коэффициент 0,823 как раз и определяет увеличение угла раскрытия ветрового потока до 35-40°, что соответствует максимальному углу борта карьера при добыче полезных ископаемых открытым способом в скальных породах.

Однако радиус профиля, рассчитанный по указанной формуле, не всегда обеспечивает эффективное проветривание карьеров и угольных разрезов на всю длину борта и его высоту.

Карьерное пространство как аэродинамическая система является весьма несовершенным, поскольку ветровые потоки при подходе к нему срываются с верхней кромки борта, вызывая образование ниже своей границы рециркуляционные зоны с ослабленным воздухообменом.

Натурные наблюдения, проведенные на ряде карьеров страны, показывают, что снижение скорости ветра на поверхности до 2 м/с вызывает значительное сокращение зоны активного влияния его энергии в карьерном пространстве, т.е. увеличивает в нем количество и общий объем застойных зон.

Известно, что в непосредственной близости к борту карьера обтекающий его воздушный поток заторможен, и в нем могут возникать сильные вихри. В гидроаэродинамике этот слой называется пограничным. Экспериментальное изучение пограничного слоя показало, что на самой поверхности обтекаемого тела поток не движется и как бы «прилипает» к поверхности. Теоретическое исследование пограничного слоя при обтекании тел сложной формы затруднено. При упрощении задачи можно представить борт карьера в виде наклонной пластины, обтекаемой потоком воздуха с отрицательным углом атаки β.

В связи с изложенным возникает необходимость определения зависимости угла падения и профиля борта карьера от скорости распространения движущейся струи воздушного потока (естественной или искусственно созданной) с тем, чтобы обеспечить безотрывность потока от начальной отметки борта карьера до забойной поверхности (дна карьера).

Для решения этой задачи будем считать движущийся поток в пограничном слое ламинарным, так как предполагается полное омывание борта и дна карьера потоком воздуха (без отрыва струи и образования крупных вихрей). Такой поток образуется при малых значениях числа Рейнольдса (Re<2,0·10³), определяемого по формуле:

где V - скорость потока при обтекании борта карьера, м/с; l - высота ламинарного потока в проекции на ось у, м; ν - кинематическая вязкость воздуха, м²/с (в нормальных условиях ν=1,45·10^-5 м²/с).

Так как скорость естественного ветрового потока не регулируется, то решение задачи должно сводиться к определению рационального профиля борта, соответствующего конкретному значению скорости ветра, близкого к среднегодовому (согласно розе ветров).

Технической задачей изобретения является повышение эффективности проветривания карьеров и угольных разрезов путем обеспечения безотрывного обтекания борта карьера или угольного разреза воздушным потоком.

Для решения поставленной задачи предлагается способ аэродинамического профилирования бортов карьеров или угольных разрезов, включающий в себя, в соответствии с ближайшим аналогом, выбор участков в зоне действия ветровых потоков, обуривание уступов скважинами, заряжание их зарядами ВВ, взрывание их и экскавацию взорванной горной массы, при этом производят обуривание лишь верхних уступов без перебура до проектного контура профиля борта, а заряжание и взрывание скважин производят поэтапно блоками на высоту профиля, отличающийся от ближайшего аналога тем, что зависимость угла падения и профиля борта карьера от скорости распространения движущейся струи воздушного потока определяют по формуле:

где β - угол атаки борта карьера воздушным потоком; x - текущее значение длины борта карьера в плане, м; l_k - конечная длина борта в плане от верхней бровки до днища, м; (x≤lk); ƒ_a - коэффициент пропорциональности, характеризующий аэродинамическое сопротивление при движении потока вдоль борта; g - ускорение силы тяжести.

Схема движения потока воздуха по борту карьера представлена на фиг.1. Фрагмент борта карьера изображен на фиг.2. Зависимость величины требуемого угла падения борта карьера от начальной скорости потока воздуха показана на фиг.3.

Предлагаемый способ аэродинамического профилирования бортов карьеров и угольных разрезов реализуют следующим образом.

Рассмотрим поток воздуха, набегающий на поверхность борта карьера со скоростью V₀ (фиг.1). Выделим на расстоянии x бесконечно малый участок пограничного слоя длиной dx. Пусть его толщина равна δ. При этом будем считать внешнее давление возрастающим по мере роста координаты x. Такое допущение возможно в связи с постоянным падением скорости движения потока (V<V₀, где V - текущее значение скорости).

Рассмотрим баланс сил для полосы потока с некоторой постоянной шириной вдоль борта карьера, например h=1 м. Импульс действующих на нее сил должен равняться изменению количества движения, а самими действующими силами будут разность давлений на гранях АВ и СД и сила трения на грани АД (фиг.1).

Примем распределение движения внутри определенного поперечного сечения потока как равномерное, меняющее свое абсолютное значение только лишь с координатой x.

Пусть в сечении АВ давление воздушного потока равно Р, тогда в сечении СД это давление станет равным $$P+\frac{\partial P}{\partial x}dx$$ . Разность давлений составит:

где минус в правой части выражения (1) означает, что сила, соответствующая разности давлений, действует против направления движения воздушного потока.

На поверхности борта карьера по линии АД будет действовать сила трения потока воздуха в полосе шириной h=1 м. Скорость течения воздуха по наклонной поверхности, какой является борт карьера, обусловлена только лишь действием гравитационной силы, исчезающей на дне карьера. Поэтому к элементарной силе трения на участке борта длиной dx добавится и гравитационная составляющая (фиг.2):

где F_тр - сила трения при гравитационном течении пограничного слоя по борту карьера; µ - массовый расход воздушного потока, кг/с; $${\left(\frac{\partial V}{\partial y}\right)}_{y=0}$$ - градиент скорости по нормали к поверхности борта карьера.

Величину dF_тр можно определить как равнодействующую между весом dQ полосы потока на участке борта длиной dx и нормальным давлением этого потока на поверхность борта

где β - угол атаки воздушным потоком борта карьера; ƒ_a - коэффициент пропорциональности, характеризующий аэродинамическое сопротивление при движении потока вдоль борта.

В свою очередь,

где ρ - плотность воздуха, кг/м³; g - ускорение силы тяжести; δ - толщина пограничного слоя воздушного потока на участке длиной dx.

Таким образом, силы, действующие на участок длиной dx с учетом (1)-(3) при движении потока в полосе шириной 1 м, составят в сумме:

Суммарная сила согласно выражению (4) должна быть уравновешена импульсом силы тяжести потока, входящего в объем АВСД на полосе высотой dy:

где du - изменение расхода воздуха между сечениями СД и АВ; V - скорость потока внутри пограничного слоя толщиной δ; V₀ - скорость потока выше линии ВС, равная скорости потока воздуха перед бортом карьера на поверхности.

В свою очередь,

Тогда, с учетом выражений (4)-(6), можно после сокращения на dx записать:

Выражение (7) можно упростить, приняв давление воздуха внутри и вне пограничного слоя равным атмосферному, т.е. постоянным, и тогда на толщине пограничного слоя, равного δ, будем иметь $$\frac{\partial P}{\partial x}=0$$ .

Далее, после определения функций U(V₀) и δ(V, V₀), получены выражения для определения угла атаки β борта карьера воздушным потоком и начальной скорости V₀ этого потока для обеспечения безотрывного обтекания профиля борта пограничным слоем воздушного (естественного или искусственного):

или

где x - текущее значение длины борта карьера в плане; l_k - конечная длина борта по горизонтали от верхней бровки до днища {x≤l_k).

При предельном значении Sin β=-1 (отрицательный угол атаки борта), получим зависимость для определения предельно допустимой скорости потока, обеспечивающей безотрывное обтекание борта, как синтез выражений (8)-(10):

Таким образом, выполнение условий (8)-(11) обеспечит безотрывное обтекание потоком воздуха борта и дна карьера в режиме поддержания ламинарного пограничного слоя.

Используя формулу (8), можно, задаваясь значениями x (при определенном постоянном значении l_k), определить необходимый профиль борта карьера для обтекания его с какой-либо скоростью V₀ (целесообразно принимать V₀ среднегодовую по оси карьера).

Рассмотрим конкретный пример. Рассчитаем изменение формы профиля борта карьера для l_k=100 м при обтекании его потоком воздуха со скоростями V₀=4, 6, 7, 8 м/с. Зададимся следующими значениями x=5, 10, 20, 40, 60, 90 м. Результаты расчета представлены в таблице 1.

Таблица 1 Скорость потока, м/с Значения углов падения борта, градус, на расстоянии x, м, от границы борта 20 30 40 50 60 70 80 90 95 100 4 7° 10° 13 15°15' 16°30' 16° 13°30' 8°30' 4°40' 0 6 15°40' 23°20' 30°20' 26°20' 39°41' 38°30' 31°50' 19°20' 10°35' 0 7 21°30' 32°50' 43°45' 54°10' 60°30' 58°20' 46°10' 26°50' 14°30' 0 8 28⁰35' 44°45' 64°30' Зона возможного отрыва потока от поверхности 70° 36 19° 0

Как видно из фиг.3, скоростью потока, близкой к предельной, является скорость, равная V₀=7 м/с; при скорости V=8 м/с на расстоянии от края борта, несколько большем 40 м (угол наклона 64°), поток отрывается от поверхности с образованием зоны турбулентности. Во избежание этого профиль борта, начиная с x=40 м, следует выположить или снизить скорость потока (в нашем случае до v₀=7 м/с).

Следовательно, интенсифицировать проветривание карьеров и угольных разрезов возможно регулированием скорости на определенных расстояниях или приданием борту соответствующего профиля, пользуясь расчетами по приведенной выше методике при постоянной скорости ветра v₀.

Таким образом, исследование движения потока воздуха по борту карьера позволило получить аналитическую зависимость для расчета и проектирования профиля борта карьера и тем самым предопределило теоретические предпосылки для обеспечения на практике непрерывного ламинарного обтекания борта карьера как на всю его длину, так и на отдельных участках, например, для борьбы с местной турбулизацией потока.

При этом для начального (на входе в карьер) получения плавного безотрывного обтекания борта карьера потоком воздуха верхним двум-трем уступам карьера следует придавать соответствующий аэродинамический профиль.

Затем развитие борта карьера следует проектировать с помощью формулы (8), что в конечном результате позволит вести разработку полезных ископаемых на больших глубинах с достаточным естественным проветриванием с постоянной скоростью ветра V₀ (по розе ветров).

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с базовым объектом и другими техническими решениями аналогичного назначения позволяет повышать эффективность проветривания карьеров и угольных разрезов. Это достигается обеспечением безотрывного обтекания борта карьера и угольного разреза воздушным потоком, которое определяется зависимостью угла падения и профиля борта карьера и угольного разреза от скорости распространения движущейся струи воздушного потока.

Предлагаемый способ относится к горной промышленности, в частности к разработке месторождений открытым способом, и может быть использован в глубоких карьерах и угольных разрезах, где добыча полезных ископаемых становится невозможной без усиления естественного воздухообмена на нижних горизонтах или без средств искусственной вентиляции. Техническим результатом является повышение эффективности проветривания карьеров и угольных разрезов путем обеспечения безотрывного обтекания борта карьера и угольного разреза естественным воздушным потоком. Способ включает выбор участков в зоне действия ветровых потоков, обуривание уступов скважинами, заряжание их зарядами ВВ, взрывание их и экскавацию взорванной горной массы. При этом производят обуривание лишь верхних уступов без перебура до проектного контура профиля борта, а заряжание и взрывание скважин производят поэтапно блоками на высоту профиля. Определяют зависимость угла падения и профиля борта карьера от преобладающей скорости ветра по математической формуле. 1 табл., 3 ил.

Способ аэродинамического профилирования бортов карьеров и угольных разрезов, включающий выбор участков в зоне действия ветровых потоков, обуривание уступов скважинами, заряжание их зарядами ВВ, взрывание их и экскавацию взорванной горной массы, при этом производят обуривание лишь верхних уступов без перебура до проектного контура профиля борта, а заряжание и взрывание скважин производят поэтапно блоками на высоту профиля, отличающийся тем, что определяют зависимость угла падения и профиля борта карьера от преобладающей скорости ветра по формуле:
,
где β - угол атаки борта карьера воздушным потоком; x - текущее значение длины борта карьера, м; l_k - конечная длина борта от верхней бровки до дна, м (x≤l_k); ƒ_a - коэффициент пропорциональности, характеризующий аэродинамическое сопротивление при движении потока вдоль борта; g - ускорение силы тяжести.