Способ проветривания карьера
PIT VENTILATION METHOD

Изобретение относится к горному делу, а именно к проветриванию рабочего пространства карьеров, в частности, для проветривания глубоких воронкообразных карьеров алмазных месторождений.
Известен способ проветривания карьеров (см. RU №2036311, кл. E21F 1/00, опубл. 27.05.1995), включающий бурение вертикальных скважин по периметру границ карьера, проходку с каждого уступа горизонтальных горных выработок по касательной к его борту до сбойки со скважиной и подачу чистого воздуха в пространство карьера по этим выработкам для создания вращательно-восходящего движения всей массы воздуха в пространстве карьера.
Недостатком этого способа проветривания карьера является высокая трудоемкость проходки и крепления большого объема подземных горных выработок. Проходка горизонтальных горных выработок по касательной к поверхности откоса под основание призмы обрушения подрывает устойчивость уступа и может поставить под угрозу безопасность проезда по ней технологического транспорта, что, в свою очередь, приведет к остановке работы всего карьера.
Известен способ проветривания карьеров (см. SU № 859648, кл. E21F 1/00, опубл. 30.08.1981), включающий размещение вентиляторной установки на дне карьера и перемещение вентиляционной струи в проветриваемом объеме карьера по заданной программе. При этом конус вращения образуют с углом наклона траектории оси струи к вертикали равным половине полного угла раскрытия струи, затем непрерывно перемещают вентиляционную струю в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а по мере увеличения угла отклонения вентиляционной от вертикали к борту карьера скорость вращения струи в горизонтальной плоскости ее траекторию перемешают в вертикальной плоскости на величину полного угла раскрытия струи.
Недостатком данного способа проветривания карьера является небольшая глубина проветривания, которая в данной схеме вентиляции ограничена дальностью прямой струи вентилятора. Скорость вращения вышеуказанного «вихревого» конуса равна угловой скорости вращения самого вентилятора, т.е. в сущности происходит просто перемешивание воздуха струей вентилятора.
Известен способ проветривания карьеров (см. SU № 1122831, кл. E21F 1/00, опубл. 07.11.1984) путем размещения вентиляционных установок по восходящей конической винтовой линии по бортам карьера на расстоянии между ними 0,5-0,9 величины предельной их дальности и с углом наклона осей струй в пределах 10-25°к горизонту.  Работа установок предназначена для создания непрерывного потока воздуха, выходящего вдоль конической винтовой линии.
Недостатком известного способа является нерациональная схема вентиляционной цепи аппаратов и неоправданно большие энергозатраты на приведение в круговое движение всего многомиллионного объема воздушной массы карьера. Протяженность подобной конической спиральной линии в глубоких алмазных карьерах при заданных параметрах уклона составит до 10 и более километров, вдоль которой потребуется последовательно расположить не менее 20-30 вентиляционных установок. Однако даже такое нереальное количество вентиляционных установок не сможет обеспечить проветривание карьера по той простой причине, что производительность такой последовательной вентиляционной схемы не превышает производительности всего одной вентиляционной установки и поэтому не представляется возможным проветрить весь объем карьера емкостью несколько сотен миллионов кубов.
Известен способ проветривания карьеров (см. SU № 581300, кл. E21F 1/00, опубл. 25.11.1977), заключающийся в создании вертикального вихревого потока путем расположения вентиляционных установок навстречу одна к другой таким образом, чтобы оси нагнетаемых ими струй были расположены со смещением параллельно в горизонтальной плоскости.
Недостатком этого способа является крайне низкий коэффициент использования энергии вентиляционной установки вследствие того, что для создания вихря участвует только незначительная часть потока с одной стороны факела струи вентилятора, соприкасающаяся со встречным потоком. Значительная же часть потока воздушной массы пролетает прямо, не меняя своего направления движения. Кроме того, способ не обеспечивает возможность проветривания глубокого карьера вследствие малой высоты и диаметра вихревого столба, который быстро затухает из-за потери кинетической энергии струи на турбулентных паразитных завихрениях и перемешивании воздуха.
Наиболее близким по технической сущности является способ проветривания карьера, который включает в себя создание восходящего вихревого воздушного потока путем установки вокруг рабочей зоны карьера вентиляторов, соединенных с вертикальными вентиляционными трубами с боковой раздачей воздуха (см. SU № 712509, кл. E21F 1/00, опубл. 30.01.1980). Воздушные потоки при этом направляют по касательной к рабочей зоне карьера. Верхний конец каждой вентиляционной трубы подвешивают к аэростатам и фиксируют путем закрепления канатами к земле.
Основным недостатком данного способа является физическая невозможность закручивания вытекающих из насадок струй воздуха, прямо направленных по касательной к наружу рабочей зоны, вследствие отсутствия направляющих (закручивающих) ограничителей струи.  Технологические недостатки заключаются в сложности и длительности подготовки аэростатов к работе, трудоемкость монтажа вентиляторов и воздухопроводов, а также в необходимости демонтажа всей системы для эвакуации за пределы опасной зоны на период проведения очередных взрывных работ на карьере.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности проветривания глубоких карьеров путем обеспечения контроля и управляемости вихревой вентиляционной воронки.
Для решения поставленной задачи в способе проветривания карьера, включающем создание восходящего вихревого потока путем расположения вентиляционных установок вокруг рабочей зоны карьера и направления воздушных потоков к рабочей зоне, восходящий воздушный поток формируют в центральной части рабочей зоны в виде вихревого столба вращения путем закручивания его по периметру потоками вентиляционных струй. Потоки вентиляционных струй направляют внутрь рабочей зоны по касательной к окружности основания вихревого столба, диаметр которого регулируют изменением угла атаки осей вентиляционных установок относительно столба.  Скорость вращения вихря контролируют изменением производительности вентиляционных установок, а плотность воздуха в вентиляционных потоках изменяют нагреванием либо нагреванием и увлажнением.
Нагревание и подачу потока вентиляционной струи осуществляют сжиганием горючего топлива в реактивных двигателях. Нагревание вентиляционных струй также можно осуществить сжиганием горючих материалов внутри основания вихревого столба. Изменение производительности вентиляционных установок выполняют одновременно либо попарно с противоположных сторон периметра рабочей зоны. До начала проветривания обеспыливают площадь основания вихревого столба орошением воды на пылящиеся поверхности и ее замораживанием.
Нагревание и увлажнение вентиляционной струи производят подачей горячего пара. Увлажнение вентиляционной струи можно осуществить также образованием водяного тумана пушками для подавления пыли.
На фиг. 1 показана принципиальная схема проветривания карьера; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1.
Сопоставительный анализ как отдельных признаков, так и всей совокупности существенных признаков заявленного решения, с признаками аналогов и прототипа свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.
Признак «потоки вентиляционных струй направляют внутрь рабочей зоны по касательной к окружности основания вихревого столба» позволяет в отличие от прототипа и аналогов использовать всю энергию вентиляционной струи для закручивания вихревого столба и уменьшает количество вентиляционных установок, повышая коэффициент их использования.
Признак «изменение угла атаки осей вентиляционных установок относительно столба» дает возможность гибкого подбора оптимальной величины диаметра вихревого столба для регулирования геометрических и динамических параметров вихревого столба. Например, уменьшение диаметра вихревого столба увеличивает скорость вращения вихря и высоту его подъема.
Признак «скорость вращения вихря контролируют изменением производительности вентиляционных установок» необходим для достижения показателей проветривания до требуемых объемов удаления загазованного и запыленного воздуха.
Признак «плотность воздуха в вентиляционных потоках изменяют нагреванием либо нагреванием и увлажнением» позволяет создать градиент вертикальной тяги, создавая подъемную силу Архимеда за счет разности плотности окружающего холодного воздуха и теплой вентиляционной струи.
Совместная работа совокупности предложенных существенных признаков способа обеспечивает повышение эффективности проветривания глубоких застойных зон в пространстве карьера путем создания и обеспечения устойчивости вертикального вихревого вентиляционного столба, параметры которого можно контролировать, а при необходимости и управлять.
Способ осуществляется следующим образом.
α
В центре рабочей зоны 2 карьера 1 вдоль кругового контура 3 устанавливают источники вентиляционной струи 4. Источники 4 распределяют равномерно по периметру контура круга 3 на расстоянии не более величины дальнобойности каждой установки. Продольную ось 5 вентиляционной струи каждой установки 4 направляют внутрь к центру рабочей зоны 2 по касательной к окружности основания 6 вихревого столба 7. Между установками расставляют пушки водяного тумана 8 для подавления пыли. До начала проветривания обеспыливают площадь основания вихревого столба 7 орошением воды из пушек 8 и замораживают естественным холодом. Запускают в работу установки 4 и создают восходящий вихревой столб 7 путем закручивания его по периметру потоками вентиляционных струй 9. В качестве источников вентиляционных струй 9 можно использовать установки с реактивными авиационными двигателями. Запыленный и загазованный воздух рабочей зоны карьера засасывается реактивными двигателями, поджигается вместе с горючей смесью в камере сгорания двигателя. Продукты сгорания, вырывающиеся из выхлопного сопла двигателя, за счет высокой температуры и скорости потока создают мощный искусственный вихревой столб 7. Восходящий вихревой столб 7 создает устойчивую воронку выноса загрязнённого воздуха из карьера 1 за счет разницы плотности, температуры и влажности между холодным загрязненным воздухом снаружи и направленной по спирали 10 вверх на высокой скорости горячей и легкой вентиляционной струи внутри вихревого столба 7. Происходит подсасывание загрязнённого воздуха из нижней зоны 2 карьера через воронку вихревого столба 7 в верхнюю зону ветровой активности 11 и в зону рециркуляции 12, т.е. фактически плотные слои холодного воздуха в инверсионной пробки 13 выдавливают из нижней части загазованный и запыленный воздух через вихревую воронку восходящего разряженного воздуха. В зависимости от размеров рабочей зоны 2 диаметр вихревого столба 7 регулируют изменением угла атаки  осей вентиляционных установок 5 относительно вихревого столба 7.  На высоту вихревого столба 7 влияет кинетическая энергия вращательного движения воздушных потоков в вихре. Поэтому для обеспечения необходимой глубины проветривания карьера управляют скоростью вращения вихря, подбирая производительность вентиляционных установок либо изменяя частоту оборотов или положения лопатки вентиляторов и т.д. Для обеспечения устойчивости вихревого столба 7 в пространстве карьера 1 регулирование производительности вентиляционных установок 4 во время их работы выполняют одновременно либо попарно с противоположных сторон периметра рабочей зоны. Для создания вертикальной тяги внутри вихревого столба уменьшают плотность воздуха в вентиляционных потоках посредством нагрева факелами выброса продуктов сгорания из реактивных двигателей и увлажнением водяными парами из пушек пылеподавления 8. Нагрев воздушной массы внутри вихревого столба 7 можно произвести также сжиганием твердого, жидкого или газообразного горючего в центре основания вихревого столба. Нагревание и увлажнение вентиляционной струи также можно произвести подачей струи горячего или перегретого пара 14.
Пример. Рассмотрим задачу проветривания карьера при разработке коренного месторождения алмазов в условиях Крайнего Севера при понижении рабочего горизонта ниже 200-300м. В зимний период при ведении открытых горных работ в нижней сужающейся части карьера образуется застойная загрязненная зона 2 вследствие запирания инверсионной пробки 13, натекающего c дневной поверхности, тяжёлого холодного воздуха. С понижением рабочего горизонта горных работ ниже зоны ветровой активности 11 и рециркуляции 12 простои горных работ из-за загазованности и запыленности растут стремительно. Длительные простои карьера по причине загазованности воздуха наблюдаются в зимний период года, начиная с октября-ноября, и идут на убыль только в марте-апреле. Временами простои в работе карьера достигают 2000 часов и более в год.
о
Для проветривания карьера в таких условиях в центре донной части загазованной зоны по периметру кругового контура устанавливают источники вентиляционных струй 4. В качестве таких источников можно выбрать осевые шахтные вентиляторы местного проветривания. Предпочтительно использование вентиляторов с регулируемой производительностью за счет изменения положения лопастей или частотного контроля скорости вращения винта. Количество вентиляторов определяем исходя из объема загрязненного воздуха и расчетной продолжительности проветривания. Минимальное количество вентиляторов рекомендуется не менее 5 исходя из принципа минимизации потерь энергии струй для закручивания потока. При количестве четырех и менее точек установки вентиляторов угол между осями вентиляционных струй составит 90 и менее, что делает невозможным закручивание потоков в вихрь. Расстояние между установками выбирают не далее максимальной дальнобойности струи вентилятора.
Относительно горизонтальной плоскости после образования устойчивого вихря вентиляторы можно установить с углом наклона вверх для создания дополнительного вектора вертикальной тяги. Оптимальные величины углов подбираются исходя из местных условий и значения их могут варьировать  в указанных выше диапазонах для создания устойчивого вихревого столба и минимизации непроизводительных потерь.
В центре круга – проекции 6 проектируемого вихревого столба 7 устанавливают источники нагрева. В качестве таких источников могут применяться специальные тепловые установки типа УКПК-1 или УТ-ЛПИ -2 на жидком или газовом топливе. При наличии в подземных пластах месторождения и водоносных горизонтах горючих газов возможна утилизация источников подземного газа через газовые факелы для создания конвективной подъемной силы. Источник огня можно создать путем контролируемого сжигания других горючих материалов.
Продукты сгорания из форсунок газового факела или пламени открытого огня горящих материалов за счет высокой температуры создают мощный конвективный поток, направленный вверх. Высоту пламени можно регулировать путем контроля расхода горючей субстанции. Включение вентиляторов и закручивание воздушных масс вокруг источника огня создает искусственный огненный вихрь, многократно поднимая высоту огненного пламени. Большая разница температуры внутри и снаружи вихревого столба огня резко усиливает его вращение, формируя искусственный вихревой столб в виде устойчивой воронки покидающего карьер загрязнённого воздуха.
о
В условиях Крайнего Севера температура воздуха зимой может опуститься ниже минус 50 С и воздух примет минимальную величину максимального влагонасыщения, что приводит к максимальной плотности воздуха. Нагревание воздуха в пламени повышает его температуру до 300 и более градусов. Повышение температуры воздуха значительно увеличивает величину максимального влагонасыщения. Таким образом, нагревание и увлажнение вентиляционной струи значительно снижает плотность воздуха и повышает силу конвективной тяги в вихревом столбе.  Увлажнение вентиляционных струй можно произвести специальными пушками водяного тумана для подавления пыли (Fog Cannon) с радиусом действия от 30 до 120 м и более. Совокупность предложенных в техническом решении признаков способа в совместной работе для проветривания карьера обеспечивает:
- повышение безопасности ведения горных работ на глубоких и не проветриваемых карьерах;
- снижает простои горных работ в условиях загазованности и запыленности рабочего пространства карьера.