Способ проветривания карьера Советский патент 1982 года по МПК E21F1/00 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для проветривания карьеров при добыче полезных ископаемых открытым способом.

Известен способ проветривания карьера с увеличением угла раскрытия воздушной струи ветрового потока в карьере посредством подвешивания на аэростате специального заграждения 1.

Практическое использование данного способа на современном этапе технического развития представляется достаточно проблематичным, так как для получения эффекта, заграждение, подвешенное на аэростате, должно быть длиной до 500 и более, а шири-: ной до 100 м. Сооружение весьма дорого и сложно в обслуживании, оно может подвергаться разрушениям при массовых взрывах, а также представляет опасность для находящихся в карьере людей и оборудования.

Наиболее близким к предлагаемому является спосрб проветривания карье-ров, включающий изменения направления и скорости ветрового потока. В основу указанного способа проветривания заложено формирование верхней

части бортов карьера (2-3 уступа) по определенному аэродинамически абтекаемому профилю, при этом на входев карьер может быть обеспечено течение ветрового потока без обрыва от специально спрофилированной поверхности , что объясняется эффектом налипания потока-на эту подстилающую поверхность. При этом будет увеличи10ваться угол раскрытия струи ветрового потока и вследствие чего уменьшится или совсем исчезает зона рециркуляции в карьере. Данный эффект будет иметь место при соблюдении условия 5 0,8R/H, где R - радиус закругления профиля (м), Н - высота профиля (м), :V - скорость ветрового потока (м/с). При скорости-потока равной

0,8 -520 или больше

будет происхо.дить его отрыв от поверхности данного профиля 2.

Недостатком этого способа является сложность выполнения и содержания специального профиля борта карьера . в натурных условиях, значительные дополнительные затраты на создание специального профиля.

Например, если угол откоса карье30ра / 40, 3 м/с, Н 50 м,то

R должен быть не менее 187,5 м. Чтобы получить такой профиль, необходимо на каждый погонный метр борта карьера убрать около 620 м породы. Л так как для достижения эффекта интенсификации проветривания требуется спрофилировать хотя бы один из бортов карьера или его значительную часть, то дополнительная вскрыша уже составит сотни тысяч метров кубических или в денежном выражении - миллионы рублей.

Кроме того, при осуществлении этого способа изменяется угол направления ветра, но не увеличиваются его скорости, способ является неуправляемым, а заданный профиль может повернуть метровые потоки только с определенными скоростями. ,

Цель изобретения - повышение интенсификации воздухообмена в карьере за счет обеспечения безотрывного обтекания ветровым потоком уступов. карьера.

Указанная цель достигается тем, что в способе проветривания карьера, изменение направления и скорости ветрового потока осуществляют путем установки с наветренной стороны на верхней бровке карьере цилиндра, которому задают вращение с вектором скорости в крайнем верхнем положении поверхности цилиндра, направленным по ветровому потоку, при этом окружную скорость вращения цилиндра и его радиус определяют из выражений

,b(-)4-°

VlV

-о-loCVo+VvFToTv

vo- -,где oL - угол, на 1 оторый необходимо повернуть ветровой поток, град;

V - окружная скорость вращения поверхности ци.пиндра, м/с) V - скорость ветрового потока, м/с;

Го - радиус цилиндра, м; h - вертикальная мощности слоя ветрового потока, принимающая участие в проветривании карьера, М.

Из теории аэродинамики известно, что при обтекании потенциальным поступательным потоком цилиндра, ось которого расположена перпендикулярно потоку, и имеющего циркуляцию с вектором скорости на верхней половине контура по потоку, над цилиндром происходит .деформация потока с увеличением его скоростей. При этом точка отрыва пограничного слоя от поверхности цилиндра сдвигается к подветренной части , что обуславливает поворот потока относительно оси цилиндра. Bde это объясняется тем, что частицы воздуха пограничного слоя увлекаются вращакицейся поверхностью цилиндра. Моащость деформированного слоя,скорости в нем и величина сдвига точки отрыва пограничного слоя зависят сэт радиуса цилиндра и скоростей поступательного потока и углового вращения поверхности цилиндра.

Примем направления движения потока слева направо и вращение поверхности цилиндра по часовой стрелке. согласно (5J) при обтекании кругоBorq цилиндра с циркуляцией потенциальным поступательным потоком несжимаемой жидкости/ функция потока описывается выражением

. со .

а радиальная и окружная (линейная) составляющие скорости в результирующем потоке будут соответственно равны

-vA.

cose Си)

I ч

v4 0-irr

V - скорость поступательного

где

потока Гц - радиус цилиндра;

полярная координата, расгстояние рт точки в потоке до центра координат, совмещенного с осью цилиндра, & - полярный угол рассматривае. мой точки потока (координаты);

f - постоянная, характеризующая интенсивность вихря,.

Г . V - окружная скорость в поле

вихря,

W - угловая скорость в поле вихря. .

В выражении СЗ) знак минус указывает на то, что направление скорости 0 над верхней половиной контура цилиндра обратно положительному направлению отсчета углов Р (против, часовой стрелки)

Г 27СГрУвЛгде Vg - OK Зададим

5 ружная скорость на поверхностицилиндра) и по (1) определим координаты a/i линий тока Ч/У 1 за цилНндром ло потоку при ее пересечении с горизонтальной плоскостью, проходящей через ось 1№1линдра (т.е. 8 О, .при РО 1 и VQ (0-3,0).

Найдем угол наклона линий тока Ф/У. 1 в точк,ах с координатой.КЧ

5 .

При б

0° , Г 21S

Л,

v4), v-фF;- -0-да.

tgi-.-JbVo.

а так как ИЬ 1,

.v(.)

(4)

() Знак минус в {4) Указывает на от .счет угла по часовой стрелке. В табл. 2 приведешл значения угла нак лона линий тока ;Ф/У 1 в точках с координатой г-( Связь oLc VQ/V согласно данных табл. 2 выражается зависимостью ,6()V,TpaA , dL-.57,6( Среднее отклонение значений d- , полученных по (5) от данных табл. 2 составляет 2,7%. ,.. Определим максимальную высоту деформации результирующего потока относительно оси гщлиндра при /в 90. Скорость результирующего пот ка на, этом уровне ограничим равной V 1,.05V. Т.е. найдем г Г(.,где Г( - координата уровня над осью цилиндра с Vg 1,05V. Примем напр ление Vg за положительное, тогда при Г 21troVo согласно (3) ) opsvr -KoVoiTtj- i -o (6) Решив квадратное уравнение (6) п положительном значении корня, полут чим. (votVM +o,uv) , МЛИ ISL- Л (и y-Q -«--/ iiibF -юа v4 1Го V Значения Гд/г , вычисленные по (7) приведены в, табл. 3. Найдем расход воздуха и средние скорости результирующегоупотока над цилиндром в деформированном слое-до уровня Vs 1,05V при € 90. Сог ласно (3) П1эи Г 2FroV4 имеем Причем V у, X, тогда ра ход воздуха в дефорХ)ированном слое

над цилиндром на единицу длины вкрест потоку

Q--bw)ax-}4v 4)ax

х-( 1

NO

л-StN +-jT ) 3it--VX х--|iP-hii oewX- Ij) i Vxa+V i- i)-(vx Voenx,-) Таккак )U-: получим в слое 1 . то г Го. . . V v .Q-..,vriitv, . Лаи4и) Тогда в деформированном слое при о 90 для результирующего потока, средняя скорость над цилиндром условная средняя ркорость в-слоё)(Го наг : ° условная средняя скорость в слое Q i Итак, мы получим выражения ot , г,, Q и в зависимости от скоростей поступательного потока и вращения поверхности цилиндра, а также его радиуса. Это позволяет с достаточной полнотой определить параметры поля результирующего потока при ортекании . цилиндра с циркуляцией потенциальным поступательным потоком несжимаемой жидкости. с точностью необходимой для практических расчетов выводы могут быть применены и для условий карьеров, которые, как известно, характеризуются невысокими скоростями ветровых потоков обычно до 5-10 м/с. Скорость движения поверхности цилиндра относительно скорости ветра () принимают согласно формулы (5), такой, чтобы угол поворота результирующего потока (i7 был не менее угла откоса борта карьера (р) , где расположен цилиндр, т.е.о(7/Э Ргщиус цилиндра находят по (7), при этом с целью большей интенсификации воздухообмена, г должна быть не менее вертикальной мощности слоя ветрового потока, принимающего учас тие в проветривании карьера (h). Предлагаемый способ позволяет во первых увеличить скорости ветра в слое, проветривающем карьер, во-вто рых, обеспечивает прямоточное движе ние воздушных потоков по плоскости откоса подветренного борта и дну карьера, что обеспечивает ликвидацию рециркуляционной зоны. Как то, так и другое определяет интенсификацию во духообмена в карьере. В качестве привода поверхности цилиндра во вращательное движение м гут быть использованы электродвигатели, дизели и т.д. Перспективно так же использование для этой цели ветродвигателей, которые на 10-16 метро вых мачтах располагают через определенные интервалы вдоль оси цилиндра Величина интервалов, количество двигателей (п) определяется мощностью одного двигателя (Мд0) и потребляемой мощностью необходимой для вращения поверхности цилиндра ( (Мц) ,т.е Передаточное число с ветроустановок на цилиндр для какого-либо конкретного карьера будет постоянным для всех скоростей ветра и его прини мают согласно соотношения Vo/V , а именно np7/Vp/v. Для облегчения конструкции цилиндр делают пустотелым с деревянной пластиковой и т.д. поверхностью. Уве личение шероховатости поверхности цилиндра может быть достигнуто за счет наружных ребер жесткости. На чертеже изображена схема карье ра. Схема включает карьер 1 с большими углами откосов бортов, естественно проветриваемый по рециркуляционной схеме, цилиндр 2, расположенный на верхней бровке карьера с вращением поверхности верхнего контура по потоку, ветродвигатель 3., Стрелками показано движение ветровых потоко.в в карьере при вращении цилиндра со скоростью, обеспечивающей условие /р Пример. Требуется интенсифицировать естественный динамический воздухообмен карьера, проветриваемого по рециркуляционной схеме, и имею щего при среднегодовой скорости ветра 4 м/с фоновое загрязнение атмосферы .рециркуляционной зоны в два раза больше предельно допустимых кон центраций. Параметры карьера jb- 50, вертикальная мощность слоя ветровогр потока, принимающего участие в проветривании карьера h 40 м длина карьера и средняя ,п;лина зоны рециркуляции перпендикулярные по отношению к направлению ветра соответственно равны В)с 1000 м, . Для интенйификации проветривания рассматриваемого карьера необходимо, главным образом, обеспечить эффективный воздухообмен в рециркуляционной зоне, которая в данном примере имеет среднюю длину перпендикулярно к направлению ветра В 300 м. Поэтому с наветреннсЗй стороны, на верхней бровке карьера непосредственно над землей поверхностью устанавливаем цилиндр длиной 300 м, состоящий из 15 секций, жестко соединенных между собой полуосями, которые в подшипниках лежат на промежуточных опорах. Задаем вращение поверхности цилиндра по часовой стрелке (фиг. 1), т.е. спутное в верхней части с направлением ветрового потока. Для ликвидации зоны рециркуляции необходимо выполнить условие oif7/p , принимаем cL 55 Тогда по (5) Vj,W r -- 1,8 или 1,8. VV. С целью большей интенсификации воздухообмена должен быть деформирован слой ветрового потока мощностью не менее h, принимаем Тогда. (7) -- 36,5 г„ 1,1 Так как -у- 1,8, то задаем,такое передаточное число с ветродвигателей на цилиндр, чтобы его поверхность вращалась с угловой скоростью W . 1,б4УГ/с или: Т1рр -0,26V об/с. Для вращения цилиндра с заданной окружной скоростью поверхности Vo 1,8.V 7,6 м/с необходимая потребляемая мощность составит N, N + N. N/( т П, где И п необходимая мощность для преодоления момента , инерции, N.,2 - необходимая мощность для преодоления сопротивления воздуха о поверхность цилиндра. Согласно -(6) для нашего случая вращения цилиндрической оболочки с весьма тонкой стенкой где m - масса поверхности цилиндра из листового винипласта толщиной 2 мм, 6 ребер жесткости (остальной уголок )1 торцов секций цилиндра, полуосей , подшипников и дополнительных ребер жесткости по йаправляющей цилиндра, m 13000 Krj t - время раскручивания цилиндра по заданной окружной скороети, принимаем t 600 с, тогда ..ЛДN FTP V где F - сила сопротивления трения Р поверхности цилиндра о воз дух. . ,тогАа N i C pSpгде С - коэффициент сопротивления трения, согласно .(7) для малой шероховатости поверх ности и небольших скоросте C p--Q07iPe . , / где RP - число Рейнольдса, Rg, - характерный размер, в наше случае диаметр цилиндра (t 2,2 м), .кинематическая связкость при температуре воздуха 0,133 , .. в 0°С V площадь поверхности цилинд ра ( 2072,2 м2) ; плотность воздуха ( 1,3 кг/м) ; скорость ветрового потока относительно окружной ско рости вращения поверхности цилиндра. В нашем случае верхняя часть по верхности по отношению к скорости ветра вращается со скоростью7,6-4 3,6 м/с, а нижняя со скоростью 7,6 м/с, так как цилиндр расположе непосредственно над поверхностью з Координатный линий ток IZI

I

7,390 2,718 1,948 1,649 1,492

Углы наклона линий тока tf/y 1 при Q 6 г ; 1 и Vo (0-3,0)

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

ITl

о 3,93 23,05 46,28 62,47 71,80 77,23

О

град

Относительные мощности, расходы и средние скорости движения воздуха в слое деформсщии при в 90 и У 0,5 J

1,396

I Т а б л и ц

Таблица ли, где нет движения,воздуха. Тогда принимает среднюю скорость + 7,6 5,6 м/с 2 ,С.0.0046 ,р04-6-1072,а-1,(088вТ-1,5л-с.. откуда Ny 1,7 +-1,5 3,2 л.с. Вследствие того, что при расчете, потребляемой мощности не учтены потери в подшипниках, передачах, и т.д., суммарную мощность ветродвигателей приняли в 6,5,л.с. Для привода цилиндра во вращательное движение выби раем 4 ветродвигателя типа Д-12, с выходной мощностью на нижнем шкиве редуктора при .скорости ветра 4 м/с равной 1,6 л.с. каждый. В данном примере скорости ветра на входе в карьер в слое О - h увеличатся в 1,15 раза, в бывшей рециркуляционной зоне обратные потоки за счет поворота направления движения ветра сменятся на прямоточные, а их скорости возрастут в 2-3 раза. Пример«о, в тоже количество раз интенсифицируется и воздухообмен в карьере и снизится уровень загрязнения его атмосферы пылью и вредными газ ами, т.е. будет ниже предельно допустимых концентраций. . Предлагаемое изобретение без существенных затрат позволяет в значительной мере интенсифицировать естественное динамическое проветривание- карьеров и обеспечить в них нормализованные санитарно-гигиенические условия труда. . ..Таблица 1 (при О 0 г 1 3,0)V 1. 2,о