Способ проветривания воронкообразного карьера
METHOD FOR FUNNEL-SHAPED PIT VENTILATION

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. Ушаков К.З., Михайлов В.А. Аэрология карьеров. М.: Недра, 1975, с. 164), включающий возведение на поверхности карьера сооружений типа отвалов, направляющих и турбулизирующих воздушный поток. Ширину прорана между воздухозаборами устанавливают не больше ширины карьера, а оптимальный угол между ними равен примерно 70°.
Недостатком этого способа проветривания карьера является его неэффективность при проветривании глубоких карьеров воронкообразного типа. Громадная разница между относительно небольшой высотой отвала и огромной шириной карьера (около километра и более) нивелирует эффект сужения прорана и не приводит к увеличению скорости воздушного потока.
Известен способ проветривания карьеров (см. SU № 1259037, кл. E21F 1/00, Е21С 41/00, опубл. 23.09.1986), включающий подачу свежего воздуха за счет использования инверсии воздушных масс по каналам, образованным при формировании отвалов на бортах карьера, и отвод загрязненного воздуха. Отвал формируют в виде полосы по спирали, а раскрытие спирали ориентируют навстречу фронту господствующих ветров.
Недостаток данного способа проветривания карьеров заключается в том, что отсыпка отвала вокруг карьера опоясывающей полосой ухудшает аэродинамический профиль карьера для ветров всех направлений, кроме одного вероятного. Роза ветров изменчива, а также в зависимости от локализации карьера и рельефа местности преобладание одного направления над другими может быть не так уж сильно выражено. В таком случае реализация способа приведет, наоборот, к ухудшению естественной вентиляции из-за аэродинамической тени спирального отвала, загораживающего практически весь периметр карьера.
Известен способ проветривания карьеров (см. SU № 264310, E21F 1/00, опубл. 03.03.1970), включающий устройство заграждений на пути движения воздуха, которые устанавливают на одной линии или под углом на некотором расстоянии друг от друга.
Недостатком известного способа является узкая область положительного эффекта, применительно только к одному направлению ветровой активности. При изменении направления ветра заграждения будут затенять карьер и ухудшать естественное проветривание карьера.
Наиболее близким по технической сущности является способ интенсификации естественного воздухообмена в глубоких карьерах (см. SU № 1475248, кл. E21F 1/00, опубл. 10.04.2000), включающий направление воздушных потоков по каналам, образованными отвалами горных пород, при этом отвалы размещают по румбам ветровых потоков и выполняют каналы сужающими в направлении к центру карьера.
Основным недостатком данного способа является то, что для воронкообразных карьеров увеличение скорости подачи воздуха по направлению к центру карьера не увеличивает глубину проветривания. А эффект интенсификации естественного воздухообмена можно было бы достичь, если сужающие каналы доходили бы непосредственно до края карьера. Однако эти прилегающие к карьеру зоны нельзя пригружать отвалами с массой в миллионы тонн по геомеханическому фактору для обеспечения безопасности и устойчивости борта карьера.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности проветривания воронкообразных карьеров путем интенсификации естественного воздухообмена и увеличения глубины зоны ветровой активности в пространстве карьера.
Для решения поставленной задачи в способе проветривания воронкообразного карьера, включающем направление воздушных потоков по каналам, образованным отвалами горных пород, и выполнение каналов сужающимися в сторону карьера, изменяют аэродинамический рельеф прикарьерной поверхности путем возведения ветронаправляющих сооружений на пути движения воздуха, воздействуют на движение ветрового потока поверхностью этих сооружений для подачи свежего воздуха в карьер, направляя ветровой поток вниз по спирали вдоль борта карьера по хорде его контура, а положение хорды определяют по углу борта карьера на вертикальной проекции по линии хорды, равной или близкой к углу раскрытия воздушного потока. В качестве элементов ветронаправляющих сооружений в прикарьерной зоне используют ветронаправляющие щиты или экраны, а также капитальные траншеи и/или полутраншеи. Боковые образующие отвалов вскрышных пород с наветренной стороны направляют по хорде, а откосам придают вертикальный или ступенчатый профиль. Направление закручивания спирали ветрового потока согласуют с направлением закручивания спирального съезда.
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.
Совокупность признаков «изменяют аэродинамический рельеф прикарьерной поверхности путем возведения ветронаправляющих сооружений на пути движения воздуха и воздействуют на движение ветрового потока поверхностью этих сооружений для подачи свежего воздуха в карьер» позволяет использовать энергию ветра более эффективно за счет расположения этих сооружений в непосредственной близости вплоть до контура карьера, доведя воздушные потоки в пространство карьера с минимальными потерями на сторону.
Признак «направляя ветровой поток вниз по спирали вдоль борта карьера по хорде его контура» позволяет использовать поверхность борта карьера как ограничительную поверхность для вентиляционной струи, которая направляет воздушный поток по заданной траектории в пространство карьера.
Признак «положение хорды определяют по углу борта карьера на вертикальной проекции по линии хорды, равной или близкой к углу раскрытия воздушного потока» позволяет безвихревое и безотрывное движение воздушного потока вниз на величину угла раскрытия свободного воздушного потока вдоль поверхности борта карьера с учетом его угла наклона.
Совместная работа совокупности предложенных существенных признаков способа обеспечивает повышение эффективности проветривания воронкообразных карьеров путем интенсификации естественного воздухообмена с максимальной утилизацией энергии движения воздуха при любом направлении ветра с минимальными потерями и при этом увеличивает глубину зоны ветровой активности в пространстве карьера за счет использования геометрии воронкообразного карьера, спиральной траектории движения потока и дальнобойности свободных струй вдоль ограничивающей поверхности.
Заявленное техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фигуре 1 показана принципиальная схема размещения ветронаправляющих сооружений вокруг карьера; на фигуре 2 – разрез по линии В-В на фигуре 1; на фигуре 3 приведена схема к методу определения положения хорды.
Способ осуществляется следующим образом.
Отвалы вскрышных горных пород 1 располагают с учетом рельефа местности, предполагаемого объема и технологической схемы транспортировки и складирования горных пород (см. фиг. 1). Боковые образующие отвалов 2 с наветренной стороны направляют по хорде 3 к контуру карьера 4. Это придает каналу 5 между отвалами сужающуюся в сторону карьера форму и ускоряет скорость потока воздуха.
Поперечный профиль откоса отвала возводят как вертикальную подпорную стенку или выполняют в виде ступенчатого профиля 6 (см. фиг. 2). Такой профиль поперечного сечения откоса отвала со стороны набегающего ветра позволит направлять воздушный поток в нужное направление и предотвратит огибание отвала потоком через ее гребень. Для возведения вертикального или ступенчатого профиля откоса можно использовать габионы или подпорные блоки 7 известных конструкций (https:// dorpolotno.ru/page/bloki.html, https://georex.ru/catalog/gabions/, дата обращения: 20.07.2020 г.), а также ветронаправляющие щиты или экраны 9 непосредственно на уступах ярусов 18 отвала.
Аэродинамический рельеф поверхности между отвалом и контуром карьера изменяют возведением ветронаправляющих сооружений 8, 9, 10 на пути движения воздуха (см. фиг. 1). В качестве ветронаправляющих сооружений в прикарьерной зоне можно использовать ветронаправляющие щиты или экраны 9 известных конструкций (https://profekran.com/vetrozaschitnyy-ekran.html, https://www.windbreakpanels.com/application/index.html, дата обращения: 20.07.2020 г.) высотой до 30 метров, в стационарном или переставном варианте. Линию ветронаправляющих экранов 10 в плане ориентируют как продолжение линии боковых сторон откоса 2. При большом удалении отвалов друг от друга или отсутствии у ближайшего ветронаправляющих функций в прикарьерной зоне устанавливают линию ветронаправляющих экранов 8, 9 для перехвата и направления в карьер 4 свободного воздушного потока. Направление закручивания спирали воздушного потока для уменьшения местного сопротивления согласуют в одну сторону с направлением закручивания спирального съезда 11 или заложения капитальной траншеи 12 и полутраншеи 13.
АВ
А
АВ
Положение хорды 14 для каждого канала определяют по углу борта карьера α на проекции вертикального сечения (см. фиг. 3), проведенной по линии хорды , когда её величина на входе потока в пространство карьера станет равной или близкой к углу раскрытия свободного воздушного потока. Это позволяет обеспечить безвихревой и безотрывной режим движения воздушного потока вниз по спирали вдоль поверхности борта карьера с учетом его угла наклона. Положение хорды 14 можно определить графически перебором шагами (итерациями), измеряя угол касательной 15 к начальному участку профиля разреза борта в точке  на бровке первого уступа, который образуется при вертикальном сечении обратного конуса карьера по хорде 14. Также это легко можно сделать на автоматизированных системах проектирования, например, AutoCad, NanoCad и им подобным, на 3D модели карьера графически по вертикальным сечениям вдоль линии по отрезку  хорды 14 до заданного угла, приведенного на проекцию борта карьера 16. Значение заданного угла наклона борта α на проекции по направлению воздушной струи 17 должен соответствовать углу раскрытия свободной струи на точке срыва потока с верхней бровки уступа.
После возведения ветронаправляющих сооружений 8, 9, 10 вокруг карьера 4 любое движение воздушной массы в окрестности карьера на величину размаха вскрышных отвалов независимо от направления ветра будет направлено в карьер тангенциально с ускорением и будет создавать вращательное движение внутри карьера. Постоянный приток чистого воздуха и непрерывное вращательное движение атмосферы в пространстве карьера будут способствовать интенсификации естественного воздухообмена и снижению степени загазованности и запыленности воздуха в рабочем пространстве за счет снижения концентрации вредных включений при перемешивании со свежей струей. Направленный вниз по спирали воздушный поток расширит границы ветровой активности в сторону дна карьера и повысит предельную глубину проветривания карьера. В периоды понижения температуры воздуха при суточных её колебаниях или в течение любого похолодания погоды в окрестности карьера эффективность проветривания повысится за счет того, что холодный воздух будет иметь дополнительный градиент ускорения, направленный вниз, вследствие большей плотности холодного воздуха. Постоянно притекающий по спирали вниз холодный поток будет вытеснять со дна карьера более теплый загазованный и запыленный воздух по центральной части рабочего пространства. Совместная работа ветровой энергии и термической силы значительно повысит интенсивность и максимальную глубину проветривания карьера.
Совокупность предложенных в техническом решении признаков способа в совместной работе для проветривания карьера обеспечивает повышение безопасности ведения горных работ на глубоких и воронкообразных карьерах, а также снижает простои горных работ в условиях загазованности и запыленности рабочего пространства карьера.