Комплексный подход к решению задач экоаэрологии карьеров на примере выбора схем работы установок искусственной вентиляции

О.Н. Драгунский — к.т.н., старший научный сотрудник, доцент Горного института МИСИС.
К.С. Коликов —д.т.н., доцент, заведующий кафедрой Безопасности и экологии горного производства (БЭГП) Горного института МИСИС. 

Экоаэрология карьеров — отрасль знаний, изучающая свойства атмосферы карьеров и примыкающих к ним территорий наряду с происходящими в них процессами с целью создания на открытых разработках и прилегающих к ним территориях нормальных санитарно-гигиенических условий труда и жизнедеятельности. При этом экоаэрология карьеров приобретает все большее значение т.к., в частности, влияет на технологию горных работ, а от метеоусловий часто может зависеть и просто возможность их ведения.

Атмосфера выработанных пространств карьеров непосредственно связана с атмосферой прилегающих к ним районов. Эта связь проявляется как в необходимости уменьшения запыленности и загазованности воздуха в окружающих карьеры территориях при ведении горных работ, так и в уменьшении при этом загрязнения выработанных пространств от внешних источников. К последним относятся отвалы, хвостохранилища, дробильные, обогатительные фабрики, заводы, электростанции и котельные, участки земной поверхности с нарушенным растительным покровом и пр.

Интенсивность выделения пыли и газов зависит от свойств пород, климата местности и микроклимата самого карьера, применяемых техники и технологии разработки, эффективности средств пылеподавления и выбросов газов.

В зависимости от расположения источники вредных примесей делятся на внешние и внутренние, т. е. расположенные за пределами верхнего контура карьера и в его пределах. От внешних источников вредные газы и пыль посредством ветра проникают в выработанное пространство, ухудшая состояние его атмосферы. Внутренние источники вызывают как общее, так и местные загрязнения атмосферы.

Характеристиками внешних источников являются: поступающие в атмосферу вредности, интенсивность их выделения, расстояние источников от верхней бровки борта карьера, высота выбросов над поверхностью земли.

При оценке уровня загрязнения воздуха, поступающего для проветривания в карьер, следует учитывать содержание в нем вредных веществ (газов, пыли, паров) аналогичных или однонаправленного действия с выделяемыми внутренними источниками.

Рис. 1. Схема вентиляции вытянутого в плане карьера вентиляторной установкой [5]

При ведении открытых работ большое количество вредностей покидает пределы выработанного пространства и распространяется в окружающую карьер среду, негативно влияя на растительный и животный мир местности, промзоны и жилые массивы. Учитывать этот фактор и предупреждать его действие становится необходимостью для большинства горнодобывающих районов, особенно в случаях проведения взрывных работ.

Одной из распространенных мер при строительстве промышленных и жилых объектов в зоне действия карьера является учет Розы ветров, отражающий частоту повторений ветров разных направлений. Однако этого бывает недостаточно для оценки направлений распространения и концентрации выбросов, т. к. влияние на концентрацию вредностей оказывают также скорость ветра и турбулентность атмосферы.

Сейчас под экологией понимают науку о сложившихся процессах в природе, о единстве и взаимосвязи её компонентов. Рациональное же решение экологических проблем возможно лишь при оптимальном взаимодействии общества с природой, обеспечивающем как дальнейшее развитие общества, так и сохранение, и поддержание восстановительных сил в природе, что возможно лишь при проведении практических мероприятий и научных исследований по охране окружающей среды во взаимоувязке с анализом и практикой (в нашем случае!) добычи полезных ископаемых открытым способом.

Рис. 2. Схема вентиляции округлого в плане карьера вентиляторной установкой [5] 

В связи с усиливающимся воздействием человека на природу экология приобрела особое значение как научная основа рационального природопользования.

На современном этапе развития производительных сил наблюдаются более быстрые темпы вовлечения в народнохозяйственный оборот минерального сырья по сравнению с другими видами природных ресурсов — сельскохозяйственных, лесных, водных, биоресурсов морей и океанов. Видимо именно поэтому доля минерального сырья в общем сырьевом балансе промышленно развитых стран постоянно увеличивается.

В связи с этим нужно хорошо знать, в частности, особенности горного производства. При этом, основываясь на достижениях науки и техники, необходимо применять такие технологии открытых горных работ, которые удовлетворяли бы одновременно и требованиям охраны природы. В крупных горнопромышленных регионах происходят ландшафтные, климатические, аэрологические и гидрогеологические изменения. Происходит интенсивное перераспределение химических элементов, т. е. образуются характерные аномалии на нормальном биохимическом фоне планеты. Особенностью же этих аномалий является то, что они возникают всего за несколько лет. Именно поэтому одна из основных задач охраны природы — максимально ослабить эти аномалии.

Рис. 3. Схемы совместной работы вентиляторных установок [5]

Проблема охраны природы вызвана неблагоприятными изменениями в природе под воздействием интенсивной хозяйственной деятельности. В этом отношении горное производство не является исключением. Современные карьеры — это крупные природно-производственные комплексы, работа которых весьма сильно сказывается на ходе естественной эволюции биосферы. Вмешательство в природу приводит зачастую к негативным последствиям, особенно в районах интенсивного развития горных работ.

Негативное влияние на природную среду оказывают даже небольшие карьеры по добыче строительных горных пород — заметим, что всего карьеров в России насчитывается сейчас порядка пяти тысяч. Они, если не принимать необходимых и регулярных природоохранных мер, могут наносить весьма большой ущерб природной среде.

Рис. 4. Схема совместной работы вертикальной и горизонтальной струи [5]

На состав воздуха, поступающего из выработанных пространств, основное влияние оказывает интенсивность выделения вредностей от источников. Мероприятия по снижению загрязнения воздуха непосредственно в выработанных пространствах могут одновременно уменьшать негативное влияние открытых горных работ на окружающую среду. В выборе же средств борьбы с пылью и газами в этих случаях следует отдавать предпочтение (по возможности!) таковым, которые предусматривают улавливание либо подавление пыли и нейтрализацию газов в местах их образования.

Это связано и с тем, что в последнее время все большее значение приобретают экологические показатели недропользования. В числе таких, основных в данном случае, можно считать величины выбросов загрязняющих и озоно- разрушающих веществ, а также парниковых газов. В связи с этим одной из целей, стоящих перед горной наукой, является формирование основ комплексного анализа и решения проблем аэрологии и экологии карьеров и, прилегающих к последним, территорий, в т.ч. и селитебных.

Большое значение при этом имеет негативное воздействие массовых взрывов и эндогенных пожаров на окружающую среду, которые «обеспечивают» дополнительную нагрузку на последнюю в виде сейсмического воздействия, распространения ударновоздушных волн, пылегазовых выделений и тепла, химического воздействия.

Заметим, что под загрязнением атмосферы понимается нарушение норм качества воздуха вредными газообразными компонентами, пылью и другими специфическими веществами, связанными с промышленными выбросами.

Производственная деятельность общества вызывает потребность в проведении мероприятий по устранению неблагоприятных последствий этой деятельности. Так, в настоящее время человечество перерабатывает в год свыше 150 млрд т различных горных пород. Эти объемы будут только увеличиваться и непропорционально объему потребления, а в более прогрессирующей зависимости из-за вовлечения в разработку бедных и труднообогатимых полезных ископаемых. Таким образом, горное производство оказывает значительное негативное влияние на природную среду. Особенно это относится к открытым работам, когда нарушаются земельные ресурсы, природный ландшафт, загрязняются воздух и водные ресурсы.

В результате при интенсивном развитии промышленности уровень загрязнения окружающей среды возрастает настолько, что общество вынуждено направлять часть своих усилий на её охрану. Только бережное отношение общества к окружающей природе, восприятие обществом её охраны как глобальной общечеловеческой проблемы будет способно установить то равновесие в ней, которое будет способствовать гармоничному развитию природы и общества.

Негативное влияние открытые горные разработки и процессы дробильно-обогатительного производства оказывают посредством вредных выбросов в атмосферу, пылением отвалов пустых пород.

Заметим, что в проявлении комплекса техногенных процессов в районе горных предприятий формируется техногенез горного же профиля, в результате воздействия которого происходит преобразование верхней части литосферы и окружающей среды в целом. Техногенные изменения окружающей среды при разработке месторождений полезных ископаемых, в особенности если она ведется длительное время, захватывают большие территории, по площади намного превышающие площади горных отводов.

Под влиянием интенсивной и длительной разработки месторождений может измениться и сейсмический режим территории. В районах карьеров ежим территории. изменяются свойства пород в результате перераспределения напряжений, осушения, взрывных, вибрационных воздействий и сопутствующих этим процессам деформаций.

Таким образом при эксплуатации объектов горной промышленности необходимо следить за тем, чтобы воздействие на окружающую среду не превышало экологически допустимой нагрузки. Экологически допустимое (и научно обоснованное!) воздействие на окружающую среду — это такое воздействие, которое позволяет увеличить производство материальных благ, необходимых для общества, без ущерба для нормального функционирования природных систем.

Так, увеличение открытой добычи энергетических углей позволяет повысить уровень электрификации, а, следовательно, повысить и производительность труда, создавать больше товаров и услуг. Развитие же угледобывающей отрасли без учета требований экологии может привести к нарушению сельскохозяйственных и лесных угодий, к загрязнению водоемов и атмосферы, что, в свою очередь, может привести к ухудшению экономики сельского и лесного хозяйств, условий жизни и деятельности человека в горнопромышленных районах [1–8].

Известно, что наше время характеризуется возникновением и развитием новых наук и научных направлений. Они рождаются там и тогда, где и когда уровень научных знаний и разработанности методов исследований позволяют вскрыть общность процессов и явлений, казавшихся ранее далекими друг от друга. В такой прикладной науке как Горная, создание нового направления может быть обусловлено проблемами практики разработки месторождений, тем более что внедряемые мероприятия по охране и рациональному использованию природных ресурсов не имеют часто единой теоретической и методической базы, а потому являются недостаточно комплексными и эффективными.

Каждая отдельная наука (в т.ч. и Горная) представляет собой систему идей и понятий, имеющую весьма замкнутый характер. Вместе с тем в науках, изучающих Землю, все глубже утверждается идея взаимосвязанности и взаимообусловленности изучаемых явлений. Современный этап развития Горной науки (как системы знаний об условиях, методах и средствах добычи и обогащения полезных ископаемых) показывает, что барьеры, ограждающие ее от других наук, исчезают.

Именно так, на стыке Горной науки и экологии, в частности, на основе научных идей и разработок происходит в настоящее время становление нового направления в Горной науке — Горной экологии, изучающей закономерности воздействия человека на окружающую среду в сфере горного производства и взаимосвязь физическо-химических процессов, лежащих в основе добычи и переработки полезных ископаемых, с кругооборотом вещества и энергии в биосфере.

Рис. 5. Схемы расположения вентиляторов местного проветривания: а — на верхнем уступе; б — на специальной ферме [5]

Формирование горно-экологического направления соответствует современным тенденциям развития экологии вообще, возникшей более 100 лет назад как учение о взаимосвязи «организм — среда», и на наших глазах становится теоретической основой поведения в природе человека уже индустриального общества.

Однако Горная экология в полном объёме вряд ли сможет охватить такие весьма различные, с точки зрения и экологии, и горного дела, направления как экология подземной добычи и экология открытой добычи полезных ископаемых (также как, к примеру, в рамках единой Горной науки существуют все-таки отдельно Рудничная аэрология и Аэрология карьеров, вполне успешно развивающиеся научные дисциплины).

Поэтому считаем, что также, безусловно, может существовать и успешно развиваться научная дисциплина с названием «Экоаэрология карьеров».

При этом также (как и горноэкологические) экоаэрологические исследования могут быть направлены на решение следующих (априори) ключевых вопросов:
1. Создание научных основ независимого экоаэрологического мониторинга (наблюдения, фиксации параметров, контроля, управления) той части биосферы, которая подвергается воздействию со стороны как горных производств, так и близлежащих к ним селитебных и неселитебных зон.
2. Для элементов биосферы и экологических систем, способных к самоочищению, самовосстановлению и развитию, большое значение приобретёт создание сети контрольных пунктов с целью получения информации о допустимом уровне воздействия, об естественных ресурсах этих систем и уровне их эффективного использования.
3. Также для элементов биосферы и экологических систем, не обладающих способностью к самоочищению и самовосстановлению, особое значение имеет их охрана и рациональное использование (это касается как атмосферы карьеров, так и атмосферы окружающих карьеры селитебных и неселитебных зон.)
4. В любом случае важное место должно занимать изучение состояния как карьерного пространства, так и окружающей его среды с точки зрения их влияния на здоровье людей. Процессы и явления, происходящие как в окружающей среде при разработке месторождений полезных ископаемых, так и непосредственно в карьерном и прилегающем к нему пространстве разнообразны. В своих предельных значениях скорость этих процессов и явлений может быть как катастрофически высокой, так и едва отличающейся от нуля. Соответственно этому в состоянии здоровья человека могут иметь место резкие сдвиги или менее заметные изменения, которые, однако, могут приводить к серьёзным заболеваниям.
5. Разработку принципов экономической оценки изменения биосферы под воздействием горного производства и общей природоохранной эффективности мероприятий по рациональному использованию минеральных ресурсов и их охране.
6. Разработку принципов и путей оптимизации воздействия как горного производства на окружающую среду, так и селитебных территорий с находящимися на них производствами на атмосферу карьера. При этом возрастает важность учёта экологических факторов при планировании развития производительных сил в регионах. Промышленные и сельскохозяйственные объекты должны проектироваться и размещаться таким образом, чтобы одновременно обеспечивалась экономическая целесообразность переработки и использования отходов горного производства (в т. ч. как пример: применение шахтных вод для орошения сельскохозяйственных земель и в металлургических процессах).

Рис. 6. Схема размещения вентиляторов НК-12КВ-1М при создании спутных воздушноводяной и воздушной струй 

1, 2 — вентиляторы, создающие соответственно воздушно-водяную 3 и воздушную 4 струи. 5 — нижняя граница воздушно-водяной струи. 6 — периферийные участки воздушно-водяной струи. 7, 8 — верхняя и нижняя границы воздушной струи. α — угол наклона струи [6]

Почему же ещё «Экоаэрологию карьеров», по нашему мнению, необходимо «выделять» («отделять») от аэрологии карьеров путём изменения названия? А также почему (в определенной степени) и выделять среди других научных дисциплин, в целом составляющих такую уважаемую и практически во многом приоритетную для России отрасль знаний как «Горное дело»?

Перед ответом на этот вопрос заметим, что воздушное пространство над открытыми работами (в т. ч. и выработанными пространствами, и прилегающими к ним территориями технологического комплекса, промышленных зданий и сооружений, отвального хозяйства, вспомогательных цехов, транспортных коммуникаций на поверхности и пр.) ничем не отделено (да практически и не может быть отделено) от воздушного пространства близлежащих к карьеру территорий. Да, ветра, (зачастую одни и те же), дуют над карьерами, над окружающими карьер населенными пунктами, и над лесами, дорогами, водоёмами, полями и сельскохозяйственными угодьями. При этом различные по направлениям и силе ветровые потоки могут быть причинами тех или иных аэрологических или экологических событий, таких, в частности, как загрязнения окружающей атмосферы, т. е. и воздушной среды выработанного пространства, и близлежащих селитебных и других территорий.

Деятельность горнодобывающих предприятий иногда может быть и весьма опасной для окружающих территорий. Она может приводить  загрязнению атмосферы пыле- и газовыми выбросами, истощению и загрязнению подземных и поверхностных вод, обезвоживанию и засолению почв. Близко расположенные к населённым пунктам отвалы негативно могут влиять и на санитарно-гигиенические условия проживания населения.

Чтобы снизить такое воздействие горнодобывающим предприятиям необходимо, видимо, рационально использовать природные ресурсы и применять (по возможности) весь комплекс необходимых социальных, научно-технических и производственных мероприятий.

Аэрология — это наука, изучающая движение воздуха и другие метеорологические явления в приземных слоях атмосферы, включая те, которые происходят и в карьерах. В них из-за специфической конфигурации и работы техники при этом образуются микроклиматические условия, которые могут негативно влиять (и влияют!) как на рабочие процессы, так и на окружающую среду.

Рис. 7. Схемы вентиляции карьеров вентиляторной установкой [5]

При этом основные экологические проблемы такого рода включают:
1. Пылеобразование и загрязнение воздуха. В ходе добычи полезных ископаемых в карьерах образуются большие объемы пыли, которые переносятся ветром на значительные расстояния. Это приводит к загрязнению воздуха не только в районе выработанных пространств, но и в прилегающих населённых пунктах, что весьма отрицательно сказывается как на здоровье людей, так и на экосистемах.
2. Газовые выбросы. Горные работы в карьерах часто сопровождаются выбросами газов, что усиливает загрязнение воздуха, а также влияет и на качество воздуха атмосферного.
3. Термическое воздействие. Из-за особенностей рельефа и специфики деятельности по добыче полезных ископаемых в выработанных пространствах могут возникать т.н. «тепловые острова», которые влияют на микроклимат и могут изменять циркуляцию воздушных масс. Это, в свою очередь, влияет на погоду в указанных районах, может усиливать эрозию почвы, а также обострять проблему проветривания самих карьеров.

Исследования, участники которых рассматривают аэрологическую и экологическую составляющие одновременно, видимо сосредоточатся при этом на:

• разработке методов мониторинга и моделирования воздушных потоков в карьерах, чтобы предсказать распространение загрязняющих веществ и минимизировать их воздействия на окружающую среду;
• внедрении технологий пылеподавления (например, использование водяных пушек, установок проветривания и др.) для уменьшения выбросов пыли и загрязнений;
• оценке климатического и экологического воздействия горнодобывающей деятельности с учётом изменений в циркуляции воздушных потоков и их влияния на окружающие природные экосистемы и на селённые пункты.

Так, исследования в области индустриальной аэрологии могут выяснить, как проектирование карьеров и методы добычи влияют на распространение выбросов, в то время как экологические исследования могут сосредотачиваться на минимизации этих последствий для природы.

Таким образом, аэрология карьеров и экология часто рассматриваются вместе в контексте комплексных исследований, направленных на снижение негативного воздействия добывающих отраслей на окружающую среду. Проблемы аэрологии карьеров и экологии рассматриваются одновременно и в ряде стран, где интенсивно ведется добыча полезных ископаемых открытым способом и существует осознание экологических последствий такой деятельности.

В Китае ведутся исследования влияния добычи полезных ископаемых на окружающую среду. Особое внимание при этом уделяется выбросам пыли и загрязнению воздуха, которые исследуются в рамках аэрологии и экологии карьеров. Моделируются воздушные потоки, чтобы имитировать и, на этой основе, минимизировать распространение пыли и загрязняющих веществ. Изучаются способы улучшения технологии добычи с целью сокращения вредных выбросов и сохранения окружающей среды.

Рис. 8. Схема вентиляции карьера установкой, расположенной на дне карьера и создающей вертикальную струю [5]

В Индии исследуются вопросы воздействия пыли и газов, а также шума на здоровье горняков, населения и экосистемы в целом. Рассматриваются влияние аэрологических факторов (распространение пыли, газов, загрязнение атмосферы карьеров и окружающих территорий) и проблемы экологии, включая разрушение биоразнообразия и изменение ландшафтов. Примером является штат Раджастхан, где горные работы приводят к значительным экологическим проблемам.

В ЮАР открытые горные работы также связаны с проблемами загрязнения воздуха и деградацией почв. Исследования направлены на уменьшение негативного воздействия карьеров на окружающую среду, включая анализ воздушных потоков для предотвращения распространения пыли и других вредных и опасных веществ.

В этих странах решение проблем аэрологии карьеров связано с экологическими исследованиями, что помогает минимизировать воздействие различных вредностей на воздух, почву и биоразнообразие, и делает эти исследования примером интегрированного подхода к проблемам аэрологии и экологии.

В Австралии при разработках месторождений угля систематически проводятся работы по горнотехнической и биологической рекультивации на породных отвалах. В результате отвалы принимают вид естественных ландшафтов.

В Канаде для снижения загрязнения окружающей среды ужесточают экологические стандарты для промышленных предприятий, поощряют использование экологически чистых технологий и улучшают систему утилизации отходов.

В Аргентине защита окружающей окружающей среды признана национальным приоритетом. Там разработан общий закон об охране окружающей среды, который закладывает основу для устойчивого развития и сохранения природных ресурсов. При этом университеты и исследовательские институты сотрудничают с частным сектором, чтобы внедрять инновации в области возобновляемых источников энергии, управления отходами и устойчивого сельского хозяйства.

В США вопросы экологии в целом решаются на государственном уровне. В составе правительства США есть Совет по качеству окружающей среды, который консультирует главу государства по вопросам экологии, и Агентство по охране окружающей среды, осуществляющее правительственную экологическую политику.

Также общественные организации работают совместно с государственными ведомствами для решения экологических проблем, например, когда решается вопрос о строительстве предприятий. Известна организация «Сохранение природы», которая часто изыскивает средства для выкупа земель, находящихся в экологической опасности.

Кроме того, законодательство США регулирует отношения по охране окружающей среды от разных загрязнений, в т. ч. по отдельным объектам: охрана вод, животного и растительного мира, морской среды, по обезвреживанию и утилизации токсичных веществ и твёрдых отходов и др.

Как известно, наиболее радикальным и в то же время управляемым способом очистки атмосферы от загрязнений является искусственная вентиляция. При этом схемы собственно искусственной вентиляции карьера зависят от множества факторов, в т. ч. от характера и условий загрязнения его атмосферы, наличия того или иного технологического оборудования, возможности применения тех или иных технических средств вентиляции.

Данные схемы будут различны при местной и общеобменной вентиляции карьера, работе одной или нескольких вентиляторных установок, для карьеров и рабочих зон различной формы и разной глубины, использовании при вентиляции изотермических или неизотермических струй и др. Правильный же выбор схем искусственной вентиляции позволяет уже на стадии проектирования карьера обосновать затраты на систему вентиляции карьера с учетом прогноза загрязнения карьера для разных стадий его отработки.

Как указывал профессор К.З. Ушаков, схемы собственно искусственной вентиляции карьеров можно разделить на две группы, т. е. схемы местной и общеобменной вентиляции. Последние, в свою очередь, подразделяются на схемы вентиляции изотермическими и неизотермическими струями, создаваемыми установками на базе авиационной техники, конвективными струями, образуемыми тепловыми установками, а также комбинированные, при которых используются различные типы струй.

При этом К.З. Ушаков выделил следующие общие принципы (даются ниже в изложении) применения указанных схем, а именно:
1. Более эффективна подача чистого воздуха к местам (объектам) проветривания, чем удаление загрязненного воздуха с применением отсасывания. Это объясняется тем, что подаваемый воздух распространяется в виде слабо расширяющейся свободной струи. Поэтому скорость в такой струе относительно медленно уменьшается по мере удаления от вентиляторной установки. Т.е. в струе в таком случае, на значительном удалении от установки, сохраняются большие скорости, а, следовательно, и высокая ее вентиляционная эффективность. При отсасывании же воздух рядом с местом отсасывания (как пример, всасывающий конец трубопровода) имеет значительно большую скорость, нежели находящийся на удалении. Так, на расстоянии от всасывающего отверстия, равном одному его диаметру, скорость движения воздуха становится в 10–15 раз меньше, чем в самом отверстии, и уже на расстоянии З0–50 м от места отсасывания движения воздуха и удаления вредностей из атмосферы карьера при работе установок почти не происходит.
2. Как при общеобменной вентиляции карьеров, так и при вентиляции застойных зон значительных объемов одиночными струйными вентиляторными установками, их следует располагать в зоне чистого воздуха, направляя при этом создаваемую ими струю на загрязненные области выработанного пространства.
3. При выборе схемы вентиляции следует учитывать скорость и направление ветра. Под действием ветра, в частности, бокового, струя может деформироваться, менять направление и даже вообще не достигать проветриваемых объектов.
4. При выборе места расположения и направления действия вентиляторной установки следует учитывать форму карьера в плане. Так, вентиляцию вытянутых карьеров в общем случае целесообразно осуществлять струей, направленной вдоль его длинной оси (рис. 1). Если же карьер имеет в плане округлую форму, следует, как правило, применять работу вентиляторной установки с периодическим изменением направления ее действия (рис. 2). В этом случае вентиляционная струя А0В, создаваемая установкой, расположенной в точке 0, из-за периодического изменения своего направления проветривает объем А'0В'.
5. При больших объемах зон загрязнения можно применять последовательную или параллельную работу нескольких вентиляторных установок. Возможна также и последовательно-параллельная их работа. Последовательная работа вентиляторных установок может применяться при вытянутых в плане карьерах (рис. 3а). В этом случае они располагаются так, чтобы каждая последующая установка захватывала максимальное количество вредностей, приносимых к ней струей, создаваемой предыдущей установкой. При этом если струя чистого воздуха распространяется в загрязненной среде, то максимальная концентрация вредностей будет на внешних границах струи, минимальная — на ее оси. При вентиляции карьеров, имеющих округлую форму в плане, применяют параллельную работу вентиляторных установок (рис. 3б). С этой целью необходимо соблюдать требование максимального развития струй в пределах выработанного пространства карьера. Разновидностью параллельной работы вентиляторных установок является параллельно-веерная (веерная) (рис. 3в). В этом случае установки располагаются так, чтобы угол между осями струй был бы примерно равен (или несколько больше) углу раскрытия струи. При этом струи практически касаются друг друга внешними границами. Эффективность параллельной работы установок возрастет, если одновременно можно будет изменять направление действия всех струй так же, как это рекомендуется делать при работе одной установки (рис. 2). По данным С.С. Филатова, эффективность вентиляции при этом может увеличиваться на 25–30 %.
6. Установки с вертикальными струями можно использовать самостоятельно, либо совместно со струями, создаваемыми другими вентиляторными установками. Автономно вертикальные струи можно применять для местного проветривания застойных зон. При работе в комплексе с другими установками установки с вертикальными струями используются для создания «воздушных каналов», по которым перемещаемый к ним загрязненный воздух удаляется из выработанного пространства на поверхность (рис. 4). Данная схема вентиляции, однако, имеет недостаток экоаэрологического характера, связанный с возможным негативным воздействием на окружающую карьер атмосферу.
7. Схемы искусственной вентиляции карьеров можно условно разделить на две группы, а именно: схемы, при которых вредности не удаляются за пределы карьера, и схемы, при которых загрязнения удаляются из карьера к поверхности за пределы карьера. При схемах без удаления вредностей из выработанного пространства последние рассеиваются средствами вентиляции во внутрикарьерном пространстве. Применение таких схем возможно при локальных загрязнениях и достаточно чистой общей атмосфере в карьере. Обычно это т. н. схемы местной вентиляции. Схемы же с удалением вредностей из карьера могут применяться при высоких их концентрациях и достаточно больших объемах, когда их рассеивание в атмосфере выработанного пространства приведёт к значительному общему его загрязнению без существенного улучшения обстановки в местах их первоначального образования. Очевидно, что здесь мы также сталкиваемся с экоаэрологической проблемой, которую возможно придется решать на уровне руководства предприятия по согласованию с соответствующими контролирующими органами. Именно поэтому при проектировании карьера этот вопрос желательно согласовывать заранее с заинтересованными сторонами.

Применение тех или иных схем местной вентиляции определяется прежде всего горнотехническими и метеорологическими условиями. Рассмотрим некоторые из них.

Рис. 9. Схема последовательной (каскадной) работы вентиляторных установок [5]

Для вентиляции небольших зон загрязнения, в частности, экскаваторных забоев, перегрузочных пунктов и т. п. можно использовать передвижные вентиляторные установки. При этом перемещают загрязнения в требуемом направлении (от рабочих мест и зон) и рассеивают их в атмосфере карьера. Последнее возможно, если атмосфера достаточно чистая и имеет необходимую подвижность. До определенной степени можно применять схемы вентиляции с рассеиванием вредностей и при незначительной подвижности атмосферы. В этом случае вредности, рассеиваясь, будут увеличивать общую загрязненность атмосферы, а длительность работы вентиляционного оборудования будет определяться временем достижения опасного загрязнения атмосферы карьера в целом.

Вентиляторы в рассматриваемых случаях могут располагаться на уровне рабочей площадки, уступах или специальных фермах (рис. 5). Общим требованием при этом является подача вентилятором в проветриваемую зону чистого воздуха. С этой целью вентилятор следует располагать вне зоны загрязнения. Если это невозможно из-за малой дальнобойности струи, создаваемой вентилятором, то для забора свежего воздуха вне зоны загрязнения или для его подачи в проветриваемую зону можно использовать вентиляционные трубы.

Вентиляторные установки располагают на таком расстоянии от загрязненных зон, на котором исключалась или была бы минимальной рециркуляция загрязненного воздуха. При этом следует учитывать направление и скорость ветра.

Сотрудниками УрО РАН (Екатеринбург) для увеличения дальности переноса, а также равномерности выпадения осадков по длине транспортирующей их воздушно-водяной струи предлагалось формировать под последней спутную воздушную струю [6]. Реализация данного технического решения может осуществляться следующим образом. На борту карьера (рис. 6) размещают вентилятор 1, оборудованный системой подачи в струю мелкодисперсных капель воды. Под ним размещают в вертикальной плоскости по меньшей мере один вентилятор 2. Включением одновременно этих вентиляторов создают в выработанном пространстве воздушно-водяную 3 и, спутную ей, воздушную струю 4.

Рис. 10. Комбинированная схема вентиляции карьера вертикальной и горизонтальными струями [5]

Движение капель воды в воздушноводяной струе первоначально совершается по инерции в направлении оси струи, затем (под действием силы тяжести) траектория движения капель отклоняется вниз, и они выпадают из воздушно-водяной струи. Поскольку вентилятор 1 размещен на борту карьера выше вентилятора 2, а оси создаваемых ими струй 3 и 4 совмещены в одной вертикальной плоскости, то формируемая вентилятором воздушно-водяная струя перекрывает в плане воздушную струю. В результате часть выпадающих из воздушно-водяной струи капель 6 (см. сечение Б-Б) при своем падении проходит мимо воздушной струи. Другая часть капель, попадая в воздушную струю и проходя в ней путь по криволинейной траектории от верхней границы 7 до нижней 8, переносится на определенное расстояние от места попадания в воздушную струю. При этом дальность переноса осадков и выпадения по длине воздушной струи в направлении к границе обрабатываемой зоны может увеличится, в частности, для вентиляторов типа HK-12KB (приблизительно) на 15–20 %.

Поворачивая затем вентиляторы 1 и 2 в горизонтальной плоскости с одинаковой угловой скоростью, синхронно перемещают в карьерном пространстве между боковыми границами обрабатываемой зоны воздушно-водяную и спутную ей воздушную струи сначала в одну, потом в другую сторону.

В процессе испытаний из-за малой ширины бермы в намеченном месте было принято решение установить нижний вентилятор рядом с верхним. Такое расположение вентиляторов позволяло также проверить возможность увеличения дальности переноса осадков спутными воздушно-водяной и воздушной струями. Для этого при проведении испытаний вентиляторы были сориентированы примерно в одном направлении. При этом первый по ходу распространения струй вентилятор создавал воздушно-водяную струю с положительным углом наклона, равным 4°, второй — воздушную струю с отрицательным углом наклона, равным 2°. Проведенный анализ показал, что в сл учае переноса осадков спутными воздушно-водяной и формируемой под ней воздушной струями максимум выпадения осадков перемещается по ходу распространения струй на 40–60 м. Интенсивность выпадения осадков на расстоянии 300–480 м от вентилятора в 2 раза выше, чем при переносе осадков одиночной струей. Увеличение дальности переноса осадков позволило нормализовать атмосферу в экскаваторном забое, удаленном на расстояние 420 м от вентилятора-генератора осадков, т.е. находящемся за пределами эффективного действия одиночной воздушно-водяной струи.

При взрывных работах в карьерах возможно применение нескольких схем вентиляции зоны, занятой образовавшимся пылегазовым облаком.

Как указывает К.З. Ушаков, при общеобменной вентиляции применяются схемы, обеспечивающие вынос загрязнений из карьера [5].

Здесь мы также столкнемся с уже упомянутой экологической проблемой, которую, видимо, придется решать на уровне руководства предприятия по согласованию с соответствующими контролирующими органами. Поэтому дальнейший текст следует рассматривать с условием, что данная проблема найдет своё компромиссное решение, в результате которого будет согласовано применение общеобменной вентиляции в карьере, учитывая, что под данной вентиляцией понимается таковая, при которой обеспечивается вынос вредностей из выработанного пространства в окружающую его среду.

В этом случае при работе вентиляторной установки вынос загрязнений осуществляется за счет дальнобойности создаваемой ею струи, как и при параллельной работе нескольких установок. При последовательной же работе установок вынос вредностей производится через наклонную, либо вертикальную струю, выполняющую роль ствола, к которому загрязнения из карьера перемещаются другими установками.

Схемы общеобменной вентиляции карьеров зависят от их глубины, размеров и формы в плане, характера загрязнений, метеоусловий, типа установок.

Схемы вентиляции одной установкой применяются при небольших размерах карьера.

Установка может располагаться на поверхности неглубоких карьеров (рис. 7а). Применение этой схемы рационально при длине карьера в направлении действия вентиляционной струи, не превышающей ее дальнобойности, а также при небольшой высоте загрязнения. Направление ветра на поверхности показано на рисунке стрелкой.

При более глубоких карьерах вентиляторную установку целесообразно устанавливать на промежуточную вентиляционную берму для того, чтобы обеспечить активную вентиляцию нижней части карьера. Если при этом карьер проветривается по рециркуляционной схеме (рис. 7б), то установка может располагаться либо выше зоны рециркуляции, либо в ее верхней части, где атмосфера достаточно чистая, а направление ее работы должно совпадать с направлением движения воздуха в зоне рециркуляции (т.е. быть противоположным направлению ветра на поверхности). Если карьер проветривается по прямоточной схеме (рис. 7в), то направление работы установки должно совпадать с направлением ветра на поверхности.

При глубоких ограниченных в плане карьерах, как и при значительной глубине зоны загрязнения вентиляторная установка располагается на дне выработанного пространства (рис. 8). В этом случае струя должна быть настолько мощной, чтобы обеспечить вынос загрязненного воздуха. По мере его удаления уровень загрязнения понижается, пространство над ним заполняется чистым воздухом.

Необходимо, чтобы горизонтальная скорость воздуха на рабочих горизонтах была достаточной для переноса вредностей (0,15–0,25 м/с). Если же она меньше, то следует переходить в этих случаях на схемы с совместной работой нескольких установок.

Схемы вентиляции несколькими установками применяются при больших объемах зон загрязнения, когда одна установка не обеспечивает их проветривания за относительно небольшой промежуток времени.

Последовательная (каскадная) работа вентиляторных установок используется при проветривании узких, щелеобразных карьеров и траншей. В таком случае установками создается движение воздуха вдоль длинной оси карьера (рис. 9). Располагаются указанные установки на дне карьера, кроме первой, которую лучше разместить на вентиляционной берме. С целью выноса вредностей последняя установка создаёт восходящую струю.

Нужно учитывать, что восходящие струи должны иметь на выходе из карьера достаточную скорость для выноса вредностей. Считается, что эта скорость не должна быть менее 0,6 м/с.

Параллельная работа установок может применяться при размерах зон загрязнений в плане, значительно превышающих поперечные размеры создаваемых ими струй. При этом, размещая установки, следует выбирать места их расположения так, чтобы обеспечить максимальное развитие этих струй. При веерном расположении установок угол между осями струй не должен превышать 40°. В любом случае струя, создаваемая вентиляторной установкой, и ветровой поток должны быть направлены в одну сторону, а угол между ними должен быть менее 90°.

Комбинированная работа вентиляторных установок применяется тогда, когда эффективная вентиляция карьера при только последовательной или только параллельной (веерной) работе не обеспечивается. В этом случае, в частности, возможна комбинация достаточно мощной вертикальной струи с несколькими горизонтальными струями, создаваемыми менее мощными установками для интенсификации переноса продуктов загрязнения в горизонтальной плоскости к вертикальной струе (рис. 10).

Для вентиляции отдельных рабочих мест или зон (местная вентиляция) при относительно удовлетворительном общем состоянии атмосферы в карьере можно использовать передвижные вентиляторы.

В практике встречались случаи, когда при удовлетворительном состоянии атмосферы в целом на отдельных участках карьера наблюдались высокие концентрации вредностей. При этом общая загрязненность атмосферы карьера наблюдалась только периодически в зимние месяцы. Такая картина была зафиксирована на ряде горных предприятий Урала. В таких или аналогичных случаях для снижения концентраций вредностей необходима интенсификация воздухообмена в районах активного ведения горных работ [6].

Струи, создаваемые установками местного проветривания, должны удовлетворять следующим условиям: дальнобойность должна быть не менее 50–70 м, а ширина на этом расстоянии — не менее 50 м. Эти требования вытекают из результатов исследований, выполненных ИГД МЧМ СССР и институтом ВНИИпроектасбест на карьерах ГБРУ и комбината Ураласбест, которые показали, что рассеивание вредностей в атмосфере карьеров (до ПДК) от источников их образования происходит на расстояниях 40–50 м для пыли и 50–70 м для газа [6, 9, 10] (исследования проводились при скоростях ветра от 0 до 3 м/с).

Исследования также показали, что при значительных объемах местных загрязнений следует использовать мобильные установки типа УМП-1 и АИ-20КВ (или их аналоги).

В карьере желательно применять передвижные установки, т.к. их работу и передвижение можно увязать с направлением ветра, а установку оперативно расположить в необходимом месте-районе ведения основных работ, где эффективность ее использования будет максимальной. Месторасположение установки должно обеспечивать наиболее полное развитие струи, создаваемой ею. При этом должны использоваться струи, дальнобойность и расход воздуха в которых максимальны, а энергия, теряемая струей вне карьера, минимальна.

При выборе месторасположения вентиляторных установок необходимо учитывать, что из-за высоких скоростей воздуха на начальных участках создаваемых ими струй контакт их с твердыми поверхностями может вы звать значительное дополнительное пылеобразование. Поэтому установки должны располагаться так, чтобы на участках возможного контакта струй с поверхностями карьера скорости движения воздуха на их осях не превышали 2,5–3 м/с для избежания взметывания пыли.

Сравнивая результаты, полученные при соответствующих расчетах, В.П. Куликов и Ю.П. Рогалис установили, что при местном проветривании производительность струи при верхнем расположении вентиляторной установки может быть в три раза больше, чем при нижнем. С увеличением мощности зоны загазованности, это отношение может уменьшаться до единицы, т.е. производительности струй при верхнем и нижнем расположении установок будут равны. Однако и в этом случае предпочтительнее верхнее расположение установок по следующим причинам:

• персонал, обслуживающий установки, не будет находиться в загазованной атмосфере;
• вентиляторные установки подают в загазованную атмосферу чистый воздух и, как показали натурные наблюдения на Коркинском разрезе, через несколько минут после включения установки в зоне действия ее струи создается конус более чистого воздуха;
• свежий воздух, распространяясь во все стороны, турбулентно перемешивается с загазованной средой и все более ее разбавляет;
• вентиляторная установка, расположенная сверху, охватывает затопленной струей значительную площадь карьера, поскольку диаметр струи пропорционален расстоянию от начального сечения, а проветриваемая площадь пропорциональна квадрату этого расстояния.

При любом размещении вентиляторных установок эффективность проветривания снижается во время температурных инверсий, однако при этом должен учитываться следующий фактор. Воздух, проходящий через вентиляторную установку, не имеющую подогревателей, всё же нагревается за счет потерь энергии в движителе вследствие смятия, а также за счет потерь энергии в приводном двигателе. Воздух подогревается незначительно: примерно на 2 °С, при длительной же работе установки перерабатывается большое количество воздуха. Т.е. при низкотемпературном нагреве воздуха за счет подогрева может улучшиться проветривание карьеров в периоды температурных инверсий.

При верхнем расположении вентиляторной установки положительным является и то, что подаваемая вниз нагретая струя еще более нагревается под действием адиабатического сжатия, а также при диссипации части кинетической энергии струи и переходе ее в тепловую. В период инверсии затопленная струя разжижает расположенный ниже холодный воздух и вытесняет его из глубокой части карьера. Таким образом, поступающая в застойную зону струя более эффективно вытесняет загрязненный воздух.

Вентиляторные установки необходимо размещать так, чтобы струи действовали по направлению ветра в месте размещения, а при штиле в глубокой части — по направлению ветра на поверхности карьера. Если ширина застойной зоны больше, чем может проветрить одна вентиляторная установка, то необходимо применять несколько установок.

Если ветер на поверхности карьера направлен под углом к длинной его оси, в последнем преобладает движение воздуха вдоль длинной оси. Это также необходимо учитывать при выборе места расположения вентиляторных установок.

По результатам исследований были сделаны также следующие выводы:

• принудительное проветривание карьеров или их застойных зон при верхнем расположении вентиляторных установок предпочтительнее как по условиям безопасности, так и для более эффективного использования затопленных струй;
• при верхнем расположении установок быстрее очищается проветриваемый участок;
• при дальнобойности струи меньше длины проветриваемого участка целесообразно каскадное размещение установок, а при больших размерах карьера в плане — каскадно-параллельное [2].

1. Никитин В.С., Битколов Н.З. Проветривание карьеров. М.: Недра, — 1975. — 256 с.
2. Куликов В.П., Рогалис Ю.П. Проветривание угольных разрезов. — М.: Недра, 1973. — 224 с.
3. Рогалев В.А. Нормализация атмосферы горнорудных предприятий. — М.: Недра, 1993. — 240 с.
4. Силаев В.В. Методические указания по практическим занятиям по аэрологии карьеров с использованием ЭВМ. — М.: МГИ, 1987. — 32 с.
5. Ушаков К.З., Михайлов В.А. Аэрология карьеров: учеб. для вузов. — М.: Недра, 1985. — 272 с.
6. Конорев М.М., Нестеренко Г.Ф., Павлов А.И. Вентиляция и пылегазоподавление в атмосфере карьеров. — Екатеринбург: УрО РАН, 2010. — 440 с.
7. Драгунский О.Н., Коликов К.С. Аэрология карьеров: учеб. пособие М.: Издательский Дом НИТУ «МИСиС», — 2022. — 337 с.
8. Драгунский О.Н., Коликов К.С., Тушов А.И. Основы проектирования вентиляции в карьерах: учеб. пособие М.: Издательский Дом НИТУ МИСИС, — 2024. — 370 с.
9. Филатов С.С., Вершинин А.А. Искусственное проветривание карьеров свободными турбулентными струями. Труды ИГД МЧМ СССР. — Вып. 10. — Свердловск, 1964. — С. 67–74.
10. Филатов С.С., Вершинин А.А., Павлов А.И. Оросительно-вентиляционные установки в карьере. Безопасность труда в промышленности. — 1968. — № 7. — С. 39–43.

Опубликовано в журнале «Золото и технологии», № 1 (67)/март 2025 г.