Способ проветривания карьера

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик(23) Приоритет Е 21 Г 1/00 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения В. И. Белоусов и В. Н. Селезнев Белорусский филиал Всесоюзного научноисследовательского института галургии(54) СПОСОБ ПРОВЕТРИВАНИЯ КАРЬЕРА 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 шириной 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 способ проветривания карьеров, включающий изменения направления и скорости ветрового потока. В основу указрнного способа проветривания заложено формирование верхней части бортов карьера.(2-3 уступа) поопределенному аэродинамически абтекаемому профилю, при этом на входе.5 в карьер может быть обеспечено течение ветрового потока без ебрыва отспециально спрофилированной поверхности, что объясняется эффектом налипания потока на эту подстилающуюповерхность, При этом будет увеличиваться угол раскрытия струи ветрово"го потока и вследствие чего уменыаится или совсем исчезает зона рецирку"ляции в карьереДанный эффект будетиметь место при соблюдении условия0,8 КН, где Н - радиус закругленияпрофиля (м), Н; высота профиля (м);У - скорость ветрового потока,дить его отрыв от поверхности данно"го профиля 2.Недостатком этого способа является сложность выполнения и содержанияспециального профиля борта карьерав натурных условиях, значительныедополнительные затраты на созданиеспециального профиля.Например, если угол откоса карьера Р = 40 о, = 3 м/с, Н = 50 м,тоВ 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 неуп равляемым, а заданный профиль может повернуть ветровые потоки только с определенными скоростями.Цель изобретения - повышение интенсификации воздухообмена в карье ре за счет обеспечения безотрывного обтекания ветровым потоком уступов. карьера.Указанная цель достигается тем, что в способе проветривания карьера, 25 изменение направления и скорости ветрового потока осуществляют путем установки с наветренной стороны на верхней бровке карьере цилиндра, которому задают вращение с вектором . 30 скорости в крайнем верхнем положении поверхности цилиндра, направленным по ветровому потоку, при этом окружную скорость вращения цилиндра и его радиус определяют из выраженийш:,ь(-) г"О" 40 Юоч 4 зЯ+оачгде о(. - угол, на который необходимб повернуть ветровой поток, град,Ч - окружная скорость вращенияоповерхности цилиндра, м/с,Ч - скорость ветрового потока, м/с;го - радиус цилиндра, м,и - вертикальная мощности слояветрового 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 увеличе- ф 0 нием его скоростей. При этом точка .отрыва пограничного слоя от поверхности цилиндра сдвигается к подветренной части, что обуславливает поворот потока относительно оси ци линдра, Все это объясняется тем, что частицы воздуха пограничного слоя увлекаются вращающейся поверхностью цилиндра. Мовщость деформированного слоя, скорости в нем и величина сдвига точки отрыва йограничного слоя зависят от радиуса цилиндра и скоростей поступательного потока и углового вращения поверхности цилиндра.Примем направлениядвижения потока слева направо и вращение поверхности цилиндра по часовой стрелке. Тогда согласно (5) при обтекании кругового цилиндра с циркуляцией потенциальным поступательным потоком несжимаемой жидкости, функция потока описывается выражениемц =ч .- - ,гаке+ Ьг, (и) а радиальная и окружная (линейная) составляющие скорости в результирующем потоке будут соответственно рав- ны где Ч - скорость поступательногопотока,г - радиус цилиндра,г - полярная координата, расстояние рт точки в потокедо центра координат, совмеценного с осью цилиндра,У - полярный угол рассматриваемой точки потока координаты ),постоянная,.характеризующая интенсивность вихря,.- 276 гЧ.Ч - окружная скорость в полевихря,И - угловая скорость в поле вихряеВ выражении ( 3) знак минус указывает на то, что направление скорости над верхней половиной контура цилиндра обратно положительному направлению отсчета углов Р (против,часовой стрелки)Зададим Г = 2 Ж гр Ч, (где Ч - окружная скорость на поверхности цилиндра) и по (1) определим координаты Я, линий тока Ф/Ч = 1 за цилиндром ло потоку при ее пересечении с горизонтальной плоскостью, проходящей через .ось цилиндра (т.е. 9О) при го = 1 и Ч = (0-30).Найдем угол наклона линий тока Ч/Ч. = 1 в точках с координатой Глфс(=, -ЧъЧг985314 П ри О = Оф, Г= 2 В го Чо . йад цилиндром на единицу длиныР Г г Ч вкрест потокуоЧощгщ+ М щдщ 1%г щ щ тогда, . щ, "оЧЯ =У яхИх=ИЧ+Ч - + - ")аХ Ад а так как Уо = 1, то 5 . х1,Ч 1- ,ЗдЯч+ -ч)сх =ЧХ+ч Ви Х- -чо ч Ччо л д=)ЧхфЧоЕиХ - х х =чхМ"х)Знак минус в (4 ) указывает на от- -(Чх 4.+Чоеих-)М ,счет угла по-часовой стрелке, В 9табл, 2 приведены значения угла нак- " , Ъ У 9Так как Х= - , Х получим в слое лона линий тока Щ/Ч = 1. в точках Т , "=1 Ч. У олучимв слое с координатой г 51"о, 9Связь Кс Чо/Ч согласно данных уЪтабл. 2 выражается зависимостью,3 -Г ГуГЪ -ЧоЧ ,О=Ч-ф - +Чфь .а: 67,Ь Г ,трпд илис 57,6 ( ) В,ГРоАжц) Ъ -ЧПЪ 1 ЧЫ),Й -Ч, ЧЧ "оио Г(ЬСреднее отклонение значений о Тогда в деформированном слое при полученных по (5) от данных табл, 2 8 = 90 ф для результирующего потока, составляет 2,7. 25 средняя скорость над цилиндромОпределим максимальную высотуЧдеформации результирующего потока Чср,1) = гг, (9) относительно оси цилиндра при О =90 . Скорость Резул ру щ . условная средняя скорость в.слое"ооость ез льтирующего потока на, этом уровне ограничим равной ф о Ч 9 = 1 05 Ч, Т,е. найдем г = г,где р г - координата уровня над осью рм цйлиндра с Ч 1,05 Ч, Примем направгофййфо ление Ч за положительное, тогдаЯ .условнаясредняя скорость в слое д при Г= 2 ГгоЧо согласно (3)35 9,( 0 Ч Ч,( "о УоЧо "са, 1 и 1ГоИтак, мы получим выражения с(, г40 О. и Чср в зависимости от скоростейпоступательного потока и вращенияповерхности цилиндра, а также егорадиуса. Это позволяет с достаточнойРешив квадратное уравнение (6) при полнотой определить параметры поля п оложительном значении корня полу- результирующего потока при обтекании45цилиндра с циркуляцией потенциапьным поступательным потоком несжимаеОО 5 ЧГ-Уоч б-ЧоО (Ь) мой жидкостиС 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 ветрапринимают согласно Формулы (5),Чтакой, чтобы угол поворота результирующего потока Щ был не менее угла откоса борта карьера(ф, где расположен цилиндр, т.е. с(ъ РРадиус цилиндра находят по (7), при этом с целью большей интенсификации воздухообмена, г, должна быть не менее вертикальной мощности слоя или(7) 50 Значения г/г , вычисленные по(7) приведены в, табл. 3.Найдем расход воздуха и средние скорости результирующего,.потока над цилиндром в деформированном слое до уровня Чз = 1,05 Ч при 0 = 90 . Сого ласно (3) при Г= 2 ИгоЧц имеем Чо Об,Ч =М+ - ф. - 6у 1 Причем Ч = у, х, тогда расф оход воздуха в деформированном слое 65ветрового потока, принимающего участие в проветривании карьера (Ь),Предлагаемый способ позволяет вопервых, увеличить скорости ветра вслое, проветривающем карьер, во-вторых, обеспечивает прямоточное движение воздушных потоков по плоскостиоткоса подветренного борта и днукарьера, что обеспечивает ликвидациюрециркуляционной зоны, Как то, так идругое определяет интенсификацию воздухообмена в карьере,В качестве привода поверхностицилиндра во вращательное движение могут быть использованы электродвигатели, дизели и т.д. Перспективно также использование для этой цели ветродвигателей, которые на 10-16 метровых мачтах располагают через определенные интервалы вдоль оси цилиндра.Величина интервалов, количество двигателей (р) определяется мощностьюодного двигателя (Ъдв) и потребляемой мощностью необходимой для вращения поверхности цилиндра й),т.е.ИМ 8 Ъ йц (12) 25Передаточное число с ветроустановок на цилиндр для какого-либо конкретного карьера будет постояннымдля всех скоростей ветра и его принимают согласно соотношения Чо(Ч, аименно пръЧЧ.Для облегчения конструкции цилиндр делают пустотелым с деревянной,пластиковой и т.д. поверхностью. Уве- З 5личение шероховатости поверхностицилиндра может быть достигнуто засчет наружных ребер жесткости,На чертеже изображена схема карьера,Схема включает карьер 1 с большими углами откосов бортов, естественно проветриваемый по рециркуляционной схеме, цилиндр 2, расположенныйна верхней бровке карьера с вращением поверхности верхнего контура по 45потоку, ветродвигатель 3 Стрелкамипоказано движение ветровых потоковв карьере при вращении цилиндра соскоростью, обеспечивающей условие 4 Ъ 3.50П р и м е р. Требуется интенсифицировать естественный динамическийвоэдухообмен карьера, проветриваемого по рециркуляционной схеме, и имеющего при среднегодовой скорости ветра 4 м/с .фоновое загрязнение атмосферы рециркуляционной зоны в два ра"за больше предельно допустимых концентраций, Параметры карьера50, вертикальная мощность слояветрового потока, принимающего учас 60тие в проветривании карьера Ь = 40 мдлина карьера и средняя длина зонырециркуляции перпендикулярные по отношению к направлению ветра соответственно равны В= 1000 м, В =300 м. 65 Для интенсификации проветриваниярассматриваемого карьера необходимо,главным образом, обеспечить эффективный воздухообмен в рециркуляционнойзоне, которая в данном примере имеетсреднюю длину перпендикулярно к направлению ветра В = 300 м., Поэтомус наветреннбй стороны, на верхнейбровке карьера непосредственно надземлей поверхностью устанавливаемцилиндр длиной 300 м, состоящий из15 секций, жестко соединенных междусобой 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 эОны рециркуляциинеобходимо выполнить условие аЪпринимаем Ы, = 55 . Тогда по (5)Ч)Яго1 8 илив - = 1 8РЧ ЧС целью большей интенсификациивоэдухообмена должен быть деформирован слой ветрового потока мощностьюне менее Ь, принимаем г ,= Ь = 40 мм.Тогда, (7) ф = 36,5 г = 1,1 м.гьЧо/Так как= 1,8, то задаем,такоепередаточное число с ветродвигателей на цилиндр, чтобы его поверхность вращалась с угловой скоростьюИ .= 1,64 Ч 4 Ус или: рр = 0,26 Ч об/с,Для вращения цилйндра с заданнойокружной скоростью поверхностиЧ = 1,8 Ч = 7,6 м/с необходимая потребляемая мощность составит И =+,где й - необходимая мощностьдля преодоления моментаинерции,1 8.,2 - необходимая мощность дляпреодоления сопротивления воздуха о поверхность цилиндра,Согласно (6) для нашего случаявращения цилиндрической оболочкис весьма тонкой стенкойгде в - масса поверхности цилиндраиз листового винипласта толщиной 2 мм, 6 ребер жесткости (остальной уголок й 5),торцов секций цилиндра, полуосей, подшипников и дополнительных ребер жесткости понаправляющей цилйндра, щ13000 кгвремя раскручивания цилиндрапо заданной окружной скорос-1 М 2 ет:Ч иж 1 ЪООО ф( Координатный линий тока Ф и Чр=- 7,390 2,718 1,948 1,649 1,492 1,396Таблица 2Углы наклона линий тока М/Ч.: 1 при Я = Оф г;=- 1и Чо = (ЭО) Н /Нград 0 0,5 1 О 1,5 2,0 2,5 0 3,93 23,05 46,28 62,47 71,80 77,23 Таблица 3Относительные мощности, расходы и средние скоростидвижения воздуха в слое деформации при В = 90 г 9,/ го ч/Ч Чср/Ч Чср,с /Ч ЧсрэЮ е1 2 34 5 б 0 1,224 1,200 0,776 1,011 0,950 1,098 4,472 4,24811708 12893 0,5 й = Гтр Чгде Г - сила сопротивления трениягр поверхности цилиндра о воз-дух.Чгде С - коэффициент сопротивлениятрения, согласно .(7) для малой шероховатости поверхности и небольших скоростей С. = С 107 й 9 еЧЕ,где В - число Рейнольдса, (б.=+;2 - характерный размер, в нашем, случае диаметр цилиндра( = 2,2 м),Ч - кинематическая связкостьвоздуха, при температурев ООС Ч = 0,133 10 4 м 9/с,.5 - площадь поверхности цилиндра (,= 2072,2 м);р - плотность воздуха (1,3 кг/мЕ);Ч - скорость ветрового потокаотносительно окружной скорости вращения поверхностицилиндра.В нашем случае верхняя часть поверхности по отношению к скоростиветра вращаетсясо скоростью 7,6-43,6 м/с, а нижняя со скоростью7,6 м/с, так как цилиндр расположеннепосредственно над поверхностью земли, где нет движения,воздуха. Тогдапринимает среднюю скоростьс с36+762.5 6 м/сУГ 6 22 1045 % ==90.6 Ы 6,С у=0,004 бИ = О, ОО 46 2072,2 1,Ъ - = 1088 Ет =1,Ьв соткуда10 й, = 1,7 +.1,5 = 3,2 л.с.Вследствие того, что при расчете,потребляемой мощности не учтены потери в подшипниках, передачах, ит.д суммарную мощность ветродвигателей принялИ в 6,5 л.с. Для приводацилиндра во вращательное движение выбираем 4 ветродвигателя типа Д, свыходной мощностью на нижнем шкивередуктора при скорости ветра 4 м/с20 равной 1,6 л.с. каждый.В данном примере скорости ветрана входе в карьер в слое 0 - и увели-,чатСя в 1,15 раза, в бывшей рецирку.ляционной зоне обратные потоки засчет поворота направления движенияветра сменятся на прямоточные, а ихскорости возрастут в 2-3 раза. Примерно, в тоже количество раз интенсифицируется и воздухообмен в карьереи снизится уровень загрязненияегоатмосферы пылью и вредными газами,т.е, будет ниже предельно допустимых концентраций,Предлагаемое изобретение безсущественных затрат позволяет в значительной мере интенсифицировать естественное динамическое проветривание.карьеров и обеспечить в них нор.мализованные санитарно-гигиеническиеусловия труда.40Таблица 1. 1,130 1", 154 1,171 1,184 2,0 50,397 60,1771;218 2,5 3,0 60,332 62,615 1,224 ч Г 1 а ч,4,аи 1 ИПИ Заказ 10115/45 Тираж 47 писн илиал ППП "Патент", г.ужгород; ул.ПГ а Формула изобретенияСпособ. проветривания карьера, включающий изменение направления и скорости ветрового потока, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения интенсификации воздухообмена в карьере за счет обеспечения безотрывного обтекания ветровым потоком уступов карьера, изменение направления и скорости ветрового потока осуществляют путем установки с наветренной стороны на верхней бровке карьера 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-.576( ) "УН где с. - угол, на который необходимо повернуть ветровой поток,град;20- окружная скорость вращенияповерхности цилиндра, м/с,М - скорость ветрового потока, м/с,)О - радиус цилиндра, м,"25 вертикальная мощность слояветрового потока, принимающего участие в проветрива,нии карьера, м." Источники информации,З 0 принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРР 646405, кл, Е 21 Г 1/00, 1976,2.Гуль Ю.В. и др.Результатыэкспериментального излученияинтенсификацииестественного воздухообмена в карьерахпри аэродинамическомпрофилированиибуртов. СборникФизико-технические проблемы управления воздухообме, ном в горных выработкахбольшихобъемов" .Таллин, 1979, с. 77-78 (про 0 тотип)1