СПОСОБ ПРОВЕТРИВАНИЯ ГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ
METHOD FOR VENTILATION OF DEEP OPEN PITS

Изобретение относится к области горной промышленности и может быть использовано для проветривания глубоких карьеров в условиях сурового климата, характеризующегося значительной амплитудой суточных и недельных температурных колебаний.
Известен способ вентиляций карьеров конвективными струями (Авторское свидетельство СССР № 1016529,  опубл. 07.05.83), создаваемых тепловыми источниками, предусматривающей изменение плотности мощности тепловыделения при обеспечении целостности конвективной струи за счёт перемещения тепловых источников в горизонтальной плоскости циклически по дуге с вариацией ею длины.
К недостаткам этого способа следует отнести высокие энергетические затраты на создание конвективных струй.  Необходимость периодического перемещения в карьерном пространстве тепловых источников, что связано с использованием требующих специального обслуживания мобильных средств.
Известен способ разрушения слоя инверсии температуры воздуха в тропосфере (патент РФ № 2694200, опуб. 2019.07.09), осуществляемый путём использования в качестве источников турбулентности и восходящего потока воздуха тепловыделений от боеприпасов плазменно-оптического действия, доставляемых в область воздействия  с помощью скорострельных артиллерийских систем.
Недостатком использования этого способа для проветривания карьеров является существенное снижение безопасности горно-добычных  работ, вызванное применением артиллерийских систем.
Известен способ вентиляции глубоких карьеров для искусственного проветривания застойных зон глубоких карьеров (патент RU № 2581644, опуб. 20.04.2016) , включающий возведение магистрального вентиляционного канала, связывающего выработанное пространство карьера с окружающей атмосферой, прокладку к застойным зонам карьера дополнительных вентиляционных каналов, соединённых с магистральным каналом, использование принудительной или естественной тяги для создание воздушного потока в магистральном канале, управление которым осуществляют с помощью регулирования величин тепловой депрессии в дополнительных каналах путём изменения мощности теплоотдачи нагревательных элементов.
Недостатками является размещение в горных выработках нагревательных элементов, что увеличивает энергоемкость системы проветривания карьера. Трудность управления воздушными потоками за счёт изменения температуры воздуха в выработках. Реализация этого способа потребует создание сложной системы контроля за величиной и направлением действия естественной тяги, на величину которой, помимо, тепловой депрессии будут влиять метеорологические факторы.
Известен способ проветривания глубоких карьеров (патент РФ № 2560736, опубл. 20.08.2015), включающий удаление загрязнённого воздуха из застойных зон с помощью воздуходувной машины через осевой эластичный канал надувного трубопровода, удерживаемого в выработанном пространстве карьера системой тросов и силой избыточного статического давления внутри надувной стенки трубопровода, и перемещение трубопровода в застойных зонах, при одновременном его наддуве с периферии пылегазовых скоплений к всасывающему отверстию посредством струй свежего воздуха. подаваемого из выпускных отверстий на внешней поверхности надувной стенки трубопровода.
К недостаткам данного способа относится, ограниченность применение только в придонных частях карьерного пространства. Это делает невозможным осуществлять эффективное проветривание карьерного пространства при образовании зоны с отрицательной температурной инверсией в произвольном месте карьерного пространства.
Известен способ вентиляции глубоких карьеров (авторское свидетельство СССР № 636405, опубл. 05.12.1978), включающий подачу воздушного потока с помощью основных и дополнительных заграждений, установленных под углом к борту карьера с его подветренной стороны в зоне раскрытия воздушной струи посредством элементов крепления.
Недостатком данного способа вентиляции глубоких карьеров является значительная зависимость его эффективности от величины и направления скорости ветрового потока на поверхности, изменения которых могут привести к образованию в карьерном пространстве зон с повышенной концентрацией загрязняющих веществ.
Известен способ вентиляции карьеров (патент РФ № 2357084, опубл. 27.05. 2009), включающий отвод отработанного воздуха и подачу свежего воздуха в зону ведения горных работ и в нижнюю часть карьера с помощью реверсивного вентилятора через вертикальную и горизонтальные горные выработки, пройдённые по всему периметру карьера по ломаной трассе под углом до 90°.
Недостатком данного способа вентиляции карьеров является возможность проветривания только придонной части карьера и невозможность аэродинамического воздействия на весь объем карьерного пространства.
Известен способ проветривания кимберлитовых карьеров, работающих в многолетнемерзлых породах (патент РФ № 2122121, опубл. 20.11.1998), работающих в многолетнемерзлых массивах горных пород, включающий проведение вентиляционного ствола на предельную глубину отработки кимберлитовой трубки и восстающего по центру карьера, соединённого с вентиляционным стволом горизонтальной выработкой, а также размещения в месте сопряжения горизонтальной выработки и вентиляционного ствола калориферной установки, регулирующей величину естественной тяги, за счёт которой проветривается карьер.
Недостатком данного способа проветривания является значительное количество горных выработок, пройдённых на предельную глубину карьера, а также использование калориферной установки для подогрева воздуха. Все это приводит с одной стороны к повышению затрат на добычу алмазов, а с другой к оттаиванию пород в бортах карьера, что снижает безопасность открытого способа разработки.
Известен способ проветривания карьеров (Пат. РФ 2128289. Публ.: 27.03.1999), включающий создание выходящего за пределы карьера потока загрязнённого воздуха путём нанесения на земную поверхность полосы зачернённого покрытия, идущей от дна карьера до его верхнего края, и изоляции с помощью прилегающей к этой полосе и прозрачной для солнечного света перегородки слоя воздуха для создания потока загрязнённого воздуха, идущего по изолированному слою и выходящего за пределы карьера.
Недостатком данного способа проветривания карьеров следует считать его значительную зависимость от метеорологических условий на поверхности, в частности интенсивности солнечной инсоляции. Эта не даёт возможности гарантировать стабильный режим циркуляции загрязнённого воздуха, что может привести к образованию в карьерном пространстве зон загрязнений.
Известен способ проветривания глубоких карьеров (патент РФ № 2164602, опубл. 2015.03.2001), принятый за прототип, включающий вскрытие карьера системой подземных горных выработок и организацию воздухообмена между атмосферой карьера и окружающей средой путём нагнетания или отсасывания воздуха через подземные горные выработки работой вентиляторных установок, причем воздухообмен между атмосферой карьера и подземными горными выработками осуществляют по гибким трубопроводам легче воздуха, которые перемещают в выработанном пространстве карьера.
К недостаткам данного способа следует отнести необходимость сооружения значительного количества выработок для размещения трубопроводов. Использование для перемещения трубопроводов самоходной техники, на которой закрепляется один из концов гибкого трубопровода. Так как самоходное оборудования перемещается по карьерным дорогам, то это ограничивает возможность аэродинамического воздействия на области карьерного пространства, расположенные на удалении от дорог, в которых образуются отрицательные температурные инверсии, приводящие к образованию зон рецикуляции или застойных зон, в которых может происходить накопление загрязняющих веществ. Сложная технология изготовления гибких трубопроводов «легче воздуха», определяющая значительное удорожание организации проветривания.
Техническим результатом способа является повышение эффективности проветривания карьерного пространства при образовании зон с отрицательной температурной инверсией, где могут  скапливаться загрязняющие вещества.
Технический результат достигается тем, что гибкие трубопроводы подвешивают на тросах, которые связывают противоположенные нерабочие борта карьера и укреплены на откосах уступов в горизонтальных плоскостях по глубине карьера, длину гибкого трубопровода отсчитывают от точки его соединения с подающим трубопроводом, которое определено местом расположения локальной зоны отрицательной температурной инверсии, а сам гибкий трубопровод собирают из отдельных частей, которые прикрепляют друг к другу с помощью молниевых соединений, перемещение гибкого трубопровода по тросам осуществляют за счёт канатов, прикреплённых к его концу и помощью лебёдок, которые устанавливают на противоположенных бортах карьера в плоскости расположения гибкого трубопровода, соединение с падающим трубопроводом проводят на одном из бортов карьера, который монтируют вдоль образующей сопряжения откоса уступа с рабочей площадкой, и связывают его через сбойки с наклонным стволом, причём адресную подачу воздуха в область карьерного пространства с отрицательной температурной инверсией осуществляют с помощью перемычек и шиберов.
Способ поясняется следующими чертежами:
фиг. 1 – Вертикальный разрез карьера с трубопроводами для подачи воздуха;
фиг. 2 – Вид карьера в плане;
фиг. 3 – Зона прилегающая к борту карьера;
фиг. 4 – Крепление трубопровода к тросам;
фиг. 5 – распределение скоростей воздушного потока в карьерном пространстве при естественной вентиляции;
фиг. 6 – распределение скоростей воздушного потока в карьерном пространстве при подаче воздуха через систему гибких трубопроводов, где:
1 – карьерное пространство;
2 – карьерные уступы;
3 – гибкие трубопроводы;
4 – тросы;
5 – подвижные подвески;
6 – устройства для крепления тросов и перемещения гибких воздуховодов в горизонтальных плоскостях;
7 – трубопроводы для распределения воздуха;
8 – область с отрицательной температурной инверсией;
9 – вентилятор;
10 – наклонный ствол;
11 – сбойки;
12 – перемычки в сбойках;
13 – канаты для перемещения гибких воздуховодов;
14 – лебёдки;
15 – молниевое соединение;
16 – патрубок;
17 – шиберы на гибких трубопроводах.
Способ проветривания глубоких карьеров расположенных в суровых климатических условиях, реализуется следующим образом. После увеличения глубины курьера до величины, при которой естественная вентиляция уже не обеспечивает распределения температур по глубине с положительным градиентом, для которого характерен самопроизвольный вынос загрязняющих веществ за пределы карьерного пространства 1. В карьерном пространстве 1 при резком изменении температуры атмосферного воздуха в течение недельного или суточного периодов могут образовываться области с отрицательной температурной инверсией 8. В этих областях происходит рециркуляция воздуха, приводящая к накоплению загрязняющих веществ. Для того чтобы разрушить области с отрицательной температурной инверсией 8 в неё осуществляют принудительную подачу атмосферного воздуха с температурой, превышающей температуру, сформировавшуюся ранее при поступлении более холодного воздуха. Результатом этого является превентивное предупреждение накопления загрязняющих веществ.
Для организации принудительной подачи воздуха на одном из нерабочих бортов карьера проходят наклонный ствол 10, который соединяют с карьерным пространством сбойками 11, выходящими на сопряжение откосов и рабочих площадок карьерных уступов 2. По образующей сопряжения откосов и рабочих площадок карьерных уступов 2 устанавливают трубопроводы для распределения воздуха 7, к которым с помощью патрубка 16 присоединяют гибкие трубопроводы 3. Гибкие трубопроводы 3 подвешиваются на подвижных подвесках 5 к тросам 4, которые укрепляются на откосах карьерных уступов 2 с помощью устройств для крепления тросов и перемещения гибких воздуховодов в горизонтальных плоскостях 6 и связывают противоположенные нерабочие борта карьера в горизонтальных плоскостях по глубине карьера. Подача атмосферного воздуха в гибкие трубопроводы 3 осуществляют вентилятором 9, установленным на поверхности на удалении не менее, чем в 20 м от устья наклонного ствола 10, и далее по наклонному стволу10, сбойкам 11 и трубопроводу 7. Для регулирования распределения воздуха между сбойками и гибкими трубопроводами используют перемычки в сбойках 12 и шиберы на гибких трубопроводах 17.
Положение перемычек 12 в сбойках определяется глубиной карьера, где образовалась зона отрицательной температурной инверсии. В тех по сбойках по глубине карьера, которые связывают наклонный ствол с карьерным пространством, где расположена зона отрицательной температурной инверсии, перемычки находятся в положении «открыто», а в остальных сбойках в положении «закрыто». В свою очередь, положение шиберов 17 на гибких трубопроводах 3 определяется местом расположении зоны с отрицательной температурой инверсией 8 в горизонтальных плоскостях карьера. На тех гибких трубопроводах 3, которые выходят в зону отрицательной температурой инверсией 8, шибера приводятся в положение «открыто», а в остальных гибких трубопроводах 3 в положении  «закрыто».
Необходимую длину гибких трубопроводов 3 и количество в одновременной работе определяют по месту расположения области с отрицательной температурной инверсией 8. Для этого гибкие трубопроводы 3 от места их соединения с трубопроводом для распределения воздуха 7 до области с отрицательной температурной инверсией 8 собирают из отдельных частей, которые прикрепляют друг к другу с помощью молниевых соединений 15 и наращивают до достижения расположения его выхода в зоне отрицательной температурной инверсии 8. Перемещение гибких трубопроводов 3 по тросам 4 осуществляют канатами, прикреплённого к их концам, с помощью устройств для крепления тросов и перемещения гибких воздуховодов в горизонтальных плоскостях 6, через которые пропускается канаты для перемещения гибких воздуховодов 13, и лебёдок 14, которые устанавливают на противоположенных бортах карьера в плоскости расположения гибких трубопроводов.
Работоспособность предлагаемого способа подтверждена результатами математического моделирования аэротермодинамических процессовпри естественном способе проветривания и сочетании естественного и принудительного способов проветривания. Для этого рассмотрен карьер глубиной, длиной по простиранию по поверхности– 1400 м, вкрест простирания по поверхности – 700 м, длина по простиранию по дну – 300 м, вкрест простирания по дну – 175 м, углы откоса по лежачему и висячему борту – 55°.
3
При моделировании естественной вентиляции было принято, что движение воздушных масс происходит в направлении простирания рудной залежи, а именно вдоль оси Y со средней скоростью 5 м/с. Температура воздуха равна 248 К, давление 0,1 МПа, плотностью воздуха 1,2 кг/м.
В результате математического моделирования было установлено, что при естественном проветривании образуется зона с отрицательной инверсией показана синим цветом (фиг. 5), в которой происходит рециркуляция карьерного воздуха и накопление загрязняющих веществ.
3
Для разрушения зоны с отрицательной температурной инверсией в неё по десяти гибким воздуховодам, диаметром 0,5м, расположенных по глубине и простиранию карьера, с помощью вентилятора 9 осуществляется подача атмосферного воздуха с температурой, превышающей температуру воздуха, заполняющего её воздуха. Общее количество воздуха составляет 60 м/с, а скорость воздуха на выходе из каждого гибкого воздуховода в карьерное пространство составляет 33 м/с. В результате взаимодействия двух воздушных потоков, вызванных движением воздуха за счёт естественных факторов и принудительной вентиляцией через систему гибких трубопроводов 5, объем зоны рециркуляции в карьере сокращается до минимальных значений, а средняя скорость воздушного потока устанавливается на уровне 2,0 м/с. (Фиг.6).
Использования предлагаемого способа проветривания глубоких карьеров даёт возможность осуществить превентивной предупреждение образования в карьерном пространстве зон с отрицательной температурной инверсией, в которых могут накапливаться загрязняющие вещества, образующиеся в процессе открытой разработки месторождения.