Управление аэрогазодинамическими и тепломассообменными процессами при нормализации атмосферы карьеров (стр. 1 )

На правах рукописи

НЕСТЕРЕНКО ГЕННАДИЙ ФИЛИППОВИЧ

УПРАВЛЕНИЕ АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИМИ И

ТЕПЛОМАССООБМЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ

ПРИ НОРМАЛИЗАЦИИ АТМОСФЕРЫ КАРЬЕРОВ

Специальность 25.00.20

«Геомеханика, разрушение горных пород,

рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени доктора технических наук

Пермь – 2008 г.

Работа выполнена в Институте горного дела Уральского отделения Российской академии наук.

Научный консультант доктор технических наук, с. н.с.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

доктор технических наук

доктор технических наук, профессор

Ведущая организация Московский государственный горный

университет

Защита диссертации состоится «____» __________ 2008 г. в ______ на заседании диссертационного совета Д004.026.01 при Горном институте УрО РАН 8а.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Горного института УрО РАН.

Автореферат разослан «____» _____________ 2008 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета,

к. г.-м. н., доцент

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

В развитии горнорудной промышленности прослеживается устойчивая ориентация на открытый способ разработки как наиболее экономичный и высокопроизводительный. За последние 30 лет доля руд черных и цветных металлов, добытых на карьерах, увеличилась соответственно с 56 до 86% и с 40 до 55%. Исследованиями на многих карьерах установлено, что при высокой интенсификации и концентрации производства, с увеличе­нием глубины происходит загрязнение вредными примесями атмосфе­ры, превышающее ПДК: по запыленности воздуха на рабочих местах в 3–5 раз, по оксидам углерода в 1,5–3 раза, по оксидам азота в 5–7 раз. Это приводит к появлению профессиональных заболеваний горнорабочих, снижению производительности труда и производственному травматизму.

С ухудшением экологической обстановки на открытых горных работах в 50-60-х годах ХХ века начала интенсивно развиваться новая область горной науки – «Аэрология карьеров», основоположником которой был академик -чинский. Теоретической базой новой науки явились рудничная аэрогазодинамика, горная теплофизика, метеорология и др. Боль­шое влияние на решение теоретических и практических вопросов проблемы оздоровления условий труда на карьерах и сокращения вредного воздействия на окружающую среду открытых горных работ оказали труды члена-корреспондента АН УССР ; докторов наук , , . , , ; кандидатов наук , , и других.

Основными причинами загрязнения атмосферы карьеров являют­ся несовершенство технологических процессов и оборудования, ухуд­шение условий естественного воздухообмена с ростом глубины карьеров.

Следует отметить, что при «нормальном» (естественном) воздухообмене регулирование и управление пылегазовым и климатическим режимами в атмосфере карьеров осуществляется за счет природных аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов. Применяемые организационно-технические и технологические мероприятия обеспечивают лишь частичное сокращение выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) в окружающую среду. Однако при отсутствии осадков (дождь, град, снег, иней) выделяющиеся при работе технологического комплекса вредные примеси выносятся ветровыми потоками и загрязняют прилегающие к карьерам территории – почву, воздушную и водную среды. При мороси и тумане в атмосфере карьеров может возникнуть «смог» вследствие адсорбции частицами переувлажненного воздуха токсичных веществ (оксиды азота, бенз(а)пирен, сажа и др.), выделяющихся с отработавшими газами автотранспорта. Кроме того, при происходит загрязнение почвы и поверхностных вод при выносе ЗВ с адсорбированными осадками, а также подземных вод через поверхности выработанного карьерного пространства. Поскольку ПДК ЗВ для окружающей природной среды, в частности, для «селитебных зон», значительно (~ на порядок) ниже, чем для атмосферы карьеров и промплощадок, то в данном случае следует учитывать экологический ущерб, который не может быть скомпенсирован в виде платы за выбросы ЗВ.

При неблагоприятных метеоусловиях (НМУ – сочетание штилей с инверсиями) происходит лишь усугубление экологической ситуации, когда в соответствии с требованиями ЕПБ возникает необходимость прекращения производства горных работ. Продолжительность НМУ для карьеров Якутии, Восточной Сибири, Северо-Запада и Урала составляет соответст­венно 3500, 2720, 1650 и 1220 часов в год. Вынужденные простои карьеров вследствие превышения ПДК ЗВ приводят к экономическому ущербу предприятий и свидетельствуют о низкой эффективности организационно-технических мероприятий и средств по регулированию пылегазового режима. В связи с этим, необходимость применения технических способов и средств, позволяющих эффективно регулировать и управлять пылегазовым и климатическим режимами в атмосфере карьеров путем искусственного формирования аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов для нормализации ее состава и предотвращения выброса ЗВ в окружающий воздушный бассейн является обязательным условием обеспечения безопасности жизнедеятельности экосистемы «карьер – окружающая среда», в т. ч. и при нормальном (естественном) воздухообмене.

Серьезную опасность для существования экосистемы «карьер – окружающая среда» представляют массовые взрывы. Образующееся при взрывах пылегазовое облако (ПГО) при выходе за пределы карьера под воздействием ветра перемещается, загрязняя почву, поверхностные воды и значительные объемы окружающего воздушного бассейна. Кроме того, до 40-60 % вредных примесей остается во взорванной горной массе, что при отсутствии эффективных средств и способов их подавления может привести к отравлению горнорабочих при экскавации и транспортировании. В связи с этим, с экологической точки зрения производство массовых взрывов при высокой ветровой активности является недопустимым без применения эффективных средств и способов подавления ЗВ в ПГО и взорванной горной массе.

На основании предшествующих исследований установлено, что для обеспечения экологической безопасности на открытых горных работах одним из перс­пективных направлений является использование свободных турбу­лентных струй.

Состояние научных исследований, опытно-конструкторских работ и результаты испытаний различных типов вентиляторов на основе авиационных винтов и двигателей позволили перейти от испытаний единичных образцов вентиляторов к созданию систем всесезонного пылегазоподавления.

Однако, в теоретическом и практическом планах в предшествующих научных работах не было уделено достаточно внимания исследованиям аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов, происходящих в атмосфере карьеров и окружающей среде при воздействии газовоздушных и многофазных струй и при массовых взрывах, а также обоснованию параметров конструктивных элементов и устройств средств пылегазоподавления.

Следует отметить, что Государственной программой РФ в ближайшее время предусмотрено развитие сырьевой базы в районе «Малого БАМа» (на юге Якутии) с уникальным растительным и животным миром. В связи с этим проблема обеспечения безопасности жизнедеятельности экосистемы «карьер – окружающая среда» потребует кардинального решения при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом в сложных горно-геологичес-ких и суровых природно-климатических условиях.

Объектом исследования является атмосфера карьера и окружающая среда, санитарно‑гигиенические параметры которых формируются под воздействием метеорологических, горногеологических и технологических факторов. Аэрогазодинамические и тепломассообменные процессы, протекающие в атмосфере карьера и окружающей среде при воздействии многофазных струй и при массовых взрывах, составляют предмет научного исследования.

Цель работы – формирование рациональных аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов для нормализации атмосферы карьеров и обеспечения экологической безопасности окружающей среды.

Идея работы заключается в искусственном формировании в атмосфере карьеров аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов с применени­ем генераторав осадков на базе турбовинтовых двигателей (ТВД) для повышения экологической безопасности открытых горных работ.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следуюшие задачи:

1. Определить аэрогазодинамические параметры турбулентных газовоз-душных и многофазных потоков, создаваемых в атмосфере карьера генераторами на основе турбовинтовых двигателей.

2. Установить эффективность процессов восстановления естественного воздухообмена методом физического моделирования и промышлеиного эксперимента.

3. Теоретически и в промышленнык условиях определить эффективность тепломассообменньх процессов с применением генераторов осадков при поло-жительных и отрицательных температурах в атмосфере карьера.

4. Обосновать и разработать рациональные конструктивные элементы и устройства мощных средств пылегазоподавления.

5. Разработать теоретические основы азрогазодинамических и тепломас-сообменных процессов, происходящих при массовых взрывах в карьерах;

6. Обосновать необходимый состав комплекса средств нормализации со­става атмосферы карьеров.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1.  Искусственное формирование в атмосфере карьеров рациональных аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов обеспечивает нормализацию ее состава за счет разрушения температурных инверсий, активного пылегазоподавления и кондиционирования воздуха с применением генераторов газовоздушных и многофазных турбулентных струй и средств экологического мониторинга.