Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Практичні роботи з дисципліни «Аерологія відкритих гірничих робіт»
Практична робота № 1.
«Атмосфера і мікроклімат кар’єрів».
План практичної роботи.
Кар’єри, що розробляють корисні копалини, розміщені в різних районах, клімат яких різний. Виділяють три кліматичні пояси: арктичний, помірний і субтропічний.
Арктичний пояс розповсюджений в самих північних районах вздовж Північного Льодовитого океану. На його формування великий вплив мають арктичні повітряні маси. Він характеризується морозною тривалою зимою і холодним коротким літом. В окремих районах тривалий час тримається температура повітря нижче ніж (- 50°С).
Помірний пояс і помірно-континентальний пояс розповсюджений на більшості території України. На його формування в основному впливають континентальні і морські повітряні маси помірних широт. На західні райони впливають теплі і вологі повітряні маси, що надходять з Атлантичного океану, а також циклонів. Зі сходу узбережжя Тихого океану в літні місяці дують морські вітри, що приносять численні опади. Зимні місяці характеризуються вітрами, що дують з материку, в ясною, сухою, малосніжною холодною зимою.
Видалення України від океанів, континентальної Євразії і переважно рівнинний характер її території визначають клімат країни як помірно-континентальний, і такий, що поступово змінюється з западу на схід. Лише вузька прибережна смуга Південного берегу Криму характеризується субтропічним (середземноморського типу) кліматом. По мірі зростання континентальності літо стає більш жаркішим, а зима більш холодною, і зменшується кількість осадів.
Території України, незважаючи на переважно помірно-континентальний клімат, властиві доволі значні відмінності в вологості клімату, температурному режимі, тривалості вегетаційного періоду та інше.
Регулярне чергування впливу західного (вологого атлантичного) і східного (сухого континентального) повітря в умовах переважно рівнинної території України викликає часту зміну циклонічної діяльності антициклонічною і навпаки. Влітку це впливає зміну теплих повітряних мас більш вологими і помірно теплими атлантичними, а взимку - теплих атлантичних мас холодними, що надходять з Півночі і Сибіру. В окремі роки спостерігаються значні відхилення більшості багаторічних середніх параметрів кліматичних характеристик.
В межах України вирізняються чотири агрокліматичних зони, які поступово переходять одна в іншу. В північно-західній частині розміщена тепла зона з достатньою вологістю. На південний схід від неї простягаєься тепла зона з середньою зволоженістю. Далі в південно-східному напряму знаходиться дуже тепла зона засухи, а вся південна частина країни розміщена в помірно спекотній зоні засухи.
Температурний режим відіграє значну роль в формуванні клімату, що характеризується істотними коливаннями. Температури повітря самого холодного місяцю (січня) на значній частині України (окрім південних областей, Південного берегу Криму і крупних міст Криму) негативні ( в середньому 0°С - мінус 7°С), а з самого теплого (липня) - складають +18 … +23°С. Середня тривалість без морозного періоду коливається від 260 – 280 днів в південній частині Криму, до 190 днів на північному сході країни. Сезонний температурний режим істотно змінюється за регіонами країни. Періоди, коли середня температура перевищує +20°С, на півдні тривають більше більше чотирьох місяців, на заході і півночі приблизно трьох. Морозний період з середньою температурою повітря нижче 0°С переважно коливається від 1-2 місяців на півдні і близько 4 місяців на північному сході країни.
Організм людини пристосований до середніх, помірних температур, тому на його самопочуття впливають як високі, так і низькі температури.
Для оцінки впливу низької температури і вітру приймається показник, який називається жорсткістю погоди. Виходячи з того, що збільшення швидкості вітру на 0,5 м/с за фізіологічним сприйняттям еквівалентне зниженню температури повітря на 1°С жорсткість погоди (бали) взимку можна визначити за наступною формулою:
Ж = t +2v, (1.1)
де t – абсолютна температура повітря, °С; v – швидкість вітру, м/с.
Так, наприклад, погодні умови за температурою повітря −10°С і швидкості вітру 10 м/с складає 30 балів, що еквівалентно погодним умовам за відсутності вітру з температурою −30°С.
За жорсткістю погоди територія СНД поділена на окремі райони: 1 – менше 10 балів; 2- 10 - 20 балів, 3 – 20-40 балів, 4 – більше 40 балів.
Атмосферне повітря становить собою суміш газів, основними з яких є азот (79%), кисень (20,95%) і вуглекислий газ (0,04%). Крім того, в повітрі в різних об’ємах вміщуються водяна пара і тонко дисперсний пил.
При дослідженнях було встановлено, що повітря в кар’єрах можна розглядати як звичайне атмосферне повітря, в якому окрім наведених вище газів вміщуються такі отруйні гази і пара, як окиси азоту, окис вуглецю, сірководень, сірчаний газ і альдегіди.
Кисень (О2) – газ без кольору, запаху і смаку густиною 1,11 (тут та нижче густина розглядаємих газів дана відносно повітря). Розчинність кисню в воді приблизно в 5 разів вище, ніж в повітря. Вміст кисню в повітрі в місцях виробництва робіт відповідно до вимог Правил безпеки повинна бути не менше 20%. При його зменшенні до 17% у людини починається задишка і частішає серцебиття, до 12% може відбутися непритомний стан, а при 9% настає смерть від кисневого голодування (аноксемія). Окрім кисню може бути його алотропічний вид – озон, який є сильним окиснювачем і утворюється за електролітичних розрядів в різних процесах окиснення. Гранично допустима концентрація (ГДК) озону в повітрі робочої зони складає 0,1 мг/м3.
Азот (N2) – газ без кольору, запаху і смаку густиною 0,97. В звичайних умовах він нешкідливий. Але за високих температур вступає в поєднання з киснем і воднем.
Вуглекислий газ (СО2) – газ без кольору, зі слабким кислуватим смаком густиною 1,52. Він легко розчиняється в воді. При високому вмісті його в повітрі, що вдихається, можливе отруєння. При 5%-ому вмісті СО2 в повітрі дихання частішає, при 6% з’являється сильна задишка і слабкість, при 10%-омуі вище може настати непритомний стан, а при 20-25% можливе смертельне отруєння. Нешкідливим для людей вважається вміст вуглекислого газу в повітрі не більше 0,5%. Джерелами надходження вуглекислого газу в атмосферу кар’єрів є підземні води, пожежі, вибухові роботи, термічне буріння і робота двигунів внутрішнього згоряння.
З окисів азоту найбільшу небезпеку становить двоокис азоту (NO2) – газ червоно-бурого кольору з характерним запахом густиною 1,58. Двоокис азоту добре розчиняється в воді, утворюючи суміш азотної і азотистої кислот (НNO3, HNO2). Цей газ діє подразнюючи на бронхи, легені, слизову оболонку очей, носу і рота. Легка ступінь отруєння проявляється у вигляді кашлю, загального нездужання, а іноді і блювоти. Важка ступінь отруєння пов’язана з набряком легень. Смертельна небезпека виникає при концентрації двоокису азоту за об’ємом приблизно 0,02%. Джерелами надходження окисів азоту в атмосферу кар’єрів є робота двигунів внутрішнього згоряння, вибухові роботи і термічне буріння.
Окис вуглецю (СО) – газ без кольору, запаху і смаку густиною 0,97. Окис вуглецю погано розчиняється в воді. Шкідлива дія на організм людини пов’язана з тим, що легко поєднуючись з гемоглобіном крові (в 250-300 разів активніше, ніж кисень) витискає з неї кисень, викликаючи тим самим кисневий голод організму.
Індивідуальна сприйнятливість до отруєння вуглецю у різних людей неоднакова і залежить від кількості крові і частоти дихання. При концентрації окису вуглецю в повітрі рівній 1% людина втрачає свідомість після декількох вдихів. Сильне отруєння (втрата здатності рухатися і притуплення свідомості) викликаються вдиханням протягом 0,5-1 години повітря, що вміщує 0,128% СО. При концентрації приблизно 0,05% через 1 годину настає слабке отруєння, з’являються головні болі, шум в вухах. Тривале перебування людини в атмосфері з концентрацією окису вуглецю 0,01% призводить до хронічних отруєнь.
В деяких випадках, особливо при оцінюванні газоподібних продуктів вибуху, використовується поняття «умовний окис вуглецю», це власне СО, що утворюється під час вибуху ВР, і двоокис азоту, перерахована на СО, приймаючи 1 л NO2, що дорівнює 6,5 л СО.
Джерелами виділення окису вуглецю в атмосферу кар’єру є вибухові роботи, робота двигунів внутрішнього згоряння, термічне буріння, пожежі і таке інше.
Сірководень (Н2S) – безкольоровий газ зі солодкуватим смаком і характерним запахом тухлих яєць густиною 1,19. Газ діє на нервову систему, а також дратує слизисту оболонку дихальних шляхів і очей. При вмісті сірководню в повітрі 0,01% через декілька годин настає легке отруєння, при 0,05% через 0,5 – 1 годин – небезпечне отруєння, а при 0,1% - смерть. Сірководень в кар’єрах виділяється з порід і вод.
Сірчистий газ (SO2) – безкольоровий, з характерним гострим запахом і смаком сірки густиною 2,2. Він легко розчинюється в воді. Діє на слизову оболонку ока і верхні дихальні шляхи. За високих концентраціях в повітрі діє на легені, викликає кашель, стискання в грудях і хрипіння. Тривале вдихання газу призводить до запалення слизової оболонки очей і утруднює ковтання. При гострих отруєннях відбувається задуха. При концентрації 0,05 навіть короткочасна дія сірчистого газу небезпечна для життя людини. Джерелами виділення сірчистого газу в кар’єрах в основному є пожежі і вибухи в породах з високим вмістом сірки.
З альдегідів небезпеку для атмосфери кар’єрів становлять акролеїн і формальдегід.
Акролеїн (СН2СНСОН) (акриловий альдегід) в повітрі присутній у вигляді пари і має неприємний різкий запах підгорілих жирів. Пара акролеїну важче повітря в 1,9 рази. Він діє на слизову оболонку носоглотки і очей, викликає запаморочення, нудоту, блювоту і болі в шлунку. Концентрація акролеїну 0,0005% в повітрі важко переноситься, 0,002 – незносна, а десятихвилинне перебування людини в атмосфері з вмістом акролеїну 0,014% небезпечне для життя.
Формальдегід (СН2О) – безкольоровий газ з різким задушливим запахом густиною 1,04. Формальдегід діє на слизову оболонку носоглотки і центральну нервову систему, а також викликає невроз шкіри. При концентрації 0,002% хронічне отруєння формальдегідом викликає розлад травлення, серцеве биття, постійні головні болі, безсоння, відсутність апетиту, захворювання слизової оболонки носоглотки і очей.
Джерелами виділення альдегідів в атмосферу кар’єрів є двигуни внутрішнього згоряння і термічне буріння.
В відпрацьованих газах двигунів внутрішнього згоряння вміщуються також канцерогенні речовини, основним з яких є 3,4-бензпірен.
Рисунок 1. Речовина першого класу небезпеки - бензпірен.
За безпосереднього контакту цих речовин з живою тканиною виникають злоякісні пухлини. В відпрацьованих газах карбюраторних двигунів вміщується до 2∙10-5 г/м3, дизельних двигунів до 1∙10-5 г/м3 3,4-бензпірену. Його ГДК складає 0,00015 мг/м3. Носіями канцерогенних речовин є сажа.
При розробці деяких родовищ в атмосферу кар’єрів можуть виділятися газоподібні радіоактивні речовини. Основним з них є радон, який утворюється під час розкладу радію.
Вміст в повітрі робочої зони таких, що найбільш широко зустрічаються в кар’єрах шкідливих газів і пари у відповідності до вимог ГОСТ 12.1.005-88. ССБП. «Повітря робочої зони. Загальні санітарно-гігієнічні вимоги» не повинно перевищувати наступні значення (мг/м3):
Акролеїн………………………0,2 окис вуглецю………………20
Формальдегід…………………0,5 сірководень………………...10
Тринітротолуол……………… 1 сірчистий ангідрид……...…10
окиси азоту (в перерахунки на
NO2)…………………………….5
При роботі в атмосфері, що вміщує окис вуглецю, не більше 1 години ГДК окису вуглецю може бути збільшена до 50 мг/м3, не більше 30 хвилин – до 100 мг/м3, не більше 15 хвилин – до 200 мг/м3. Роботи при збільшеному вмісті окису вуглецю і повітрі робочої зони можуть відновлюватися не раніше двох-годинникової перерви.
Робочою зоною вважається простір висотою до 2 м над рівнем грунту або площадки, в якому розміщаються місця постійного або тимчасового перебування працюючих.
Під час розробки корисних копалин в атмосферу кар’єрів виділяється також пил, який становить - мілкі тверді частинки розміром менше 0,1-0,5 мм. Він може бути отруйним і не отруйним. До отруйних відноситься пил, що вміщує свинець, ртуть Нg, хром Cr, арсен As, стибій Sb та інші отруйні елементи. Вдихання цього пилу призводить до специфічних професійних захворювань.
До неотруйних відносяться кварцовий, вугільний, силікатний та інші пили. Тривале вдихання їх може призвести до захворювань гірників пневмоконіозами: силікозом, антракозом, асбестозом та іншими. Велику небезпеку становить радіоактивні пили, які окрім звичайної дії можуть призвести до онкологічних захворювань.
Найбільша крупність пилинок, які потрапляють в легені людини, звичайно не перевищує 10 мкм. Більше число пилинок має розмір 5 мкм і менше. Особливо небезпечними вважаються частинки розміром меншим за 2 мкм.
Захворювання силікозом відбувається за вмісту в пилу вільного двоокису кремнію – SiO2.
Відповідно до ГОСТ 12.1.005-88 запиленість повітря на робочих місцях в кар’єрах не повинна перевищувати наступні ГДК.
Пил, утримуючий кремнезем:
двоокис кремнію кристалічна (кварц, кристобаліт, тридиміт) при вмісті її в пилу вище 70% (кварцит, динас та інші) – 1 мг/м3;
двоокис кремнію кристалічна при вмісті її в пилу від 10 до 70% (граніт, шамот, слюда-сирець та інші) – 2 мг/м3;
двоокис кремнію кристалічна при вмісті її в пилу від 2 до 10% (горючі кукерситні сланці, мідносульлфидні руди, глина та інші) – 4 мг/м3.
Вугільний і вуглепородний пил:
антрацит з вмістом вільного двоокису кремнію до 5% - 6 мг/м3;
кам’яно-вугільний з вмістом вільного двоокису кремнію до 5% - 10 мг/м3;
вуглепородний і вугільний пил зі змістом вільного двоокису кремнію 5 – 10 % - 4 мг/м3.
Силікати і пил, що вміщує силікат:
азбест природний і штучний, а також змішані азбестопородні пили при вмісті в них азбесту більше 10% - 2 мг/м3;
тальк, слюдо-флагоніт і мусковіт – 4 мг/м3;
олівін, апатит, фосфорит, глина – 6 мг/м3;
окис алюмінію у вигляді аерозолю дезінтеграція (глинозем, електрокорунд, моно корунд) – 6 мг/м3;
доломіт, вапняк, барит, фосфорит – 6 мг/м3;
окис заліза за домішками окисів мангану до 3% - 6 мг/м3;
окис заліза з домішками фтористих або від 2 до 6% манганових сполук – 4 мг/м3;
магнезит – 10 мг/м3;
хромовий ангідрит, хромати, біхромати (в переліку на (СrO3) – 0,01 мг/м3;
свинець і його неорганічні сполуки – 0,01 мг/м3;
уран (розчинні сполуки) – 0,015 мг/м3;
уран (нерозчинні сполуки) – 0,075 мг/м3.
У випадку одночасного вмісту в повітрі робочої зони декількох шкідливих речовин односпрямованої дії, тобто речовин, близьких за хімічним складом і характером біологічної дії на організм людини, повинно витримуватися наступне співвідношення:
(1.2)
де С1, С2, …., Сn - фактичні концентрації шкідливих речовин в повітрі; ГДК1, ГДК2, …., ГДКn – гранично допустимі концентрації шкідливих речовин в повітрі.
Для природних радіоактивних руд відповідно з нормами радіаційної безпеки (Основні санітарні правила забезпечення радіаційної безпеки України, затверджено наказом Міністерства охорони здоров’я України від 02.02.2005 № 54, зареєстровано в Міністерстві юстиції України 20.05.2005 за № 552/10832) існує гранично допустиме надходження (ГДН) радіонукліду в організм працюючих.
ГДН в рік природного торію і урану Th і U в легені людини, як критичного органу, складає відповідно 8,9∙10-3 мкКі (40 мг) і 0,15 мкКі (220 мг). Допустима концентрація (ДКА) цих радіонуклідів в повітрі робочої зони складає відповідно 1,7∙10-5 і 5,9∙10-14 Кі/л.
Для радону Rn (без продуктів розпаду) ГДН на рік дорівнює 3,8∙103 мкКі, а ДКА – 1,5∙10-9 Кі/л.
Мікроклімат – це клімат приземного шару повітря. Мікроклімат кар’єрів в значному ступеню визначає умови накопичення в них і виносу шкідливих домішок. Основними характеристиками, що визначають мікроклімат кар’єрів, накопичення і винос шкідливостей, є швидкість повітря в кар’єрі, його температурний режим і вологість атмосфери.
Швидкість повітря в кар’єрах визначається швидкістю повітря на поверхні і температурним режимом кар’єрів. При швидкості вітру на поверхні більше 2 м/с вона визначається енергією вітрового потоку. При меншій швидкості вітру швидкісне поле в кар’єрі визначається термічним фактором. Швидкість вітру біля землі в середньому зростає до півдня, а потім зменшується, досягаючи мінімального значення в нічний час. Існує також річний хід швидкості вітру на поверхні. В залежності від географічного району максимальне значення цього ходу буває взимку (європейська частина Росії) або влітку (Східний Сибір), а мінімальне – відповідно влітку і взимку. Швидкість повітря в кар’єрі зазвичай менше, ніж на поверхні (мал. 2).
Рисунок 2. Вітрова схема провітрювання кар’єру: А(автономна область) В — вільний вітровий струмінь повітря; О — умовний полюс струменя ; У — внутрішній кордон струменя; ОВ і СО — зона рециркуляції повітря.
Термічні сили, що викликані прогріванням або охолодженням повітря, можуть істотно змінювати швидкість повітря в кар’єрі. При відносно високій швидкості вітру на поверхні вони можуть утворювати місцеві потоки в кар’єрі, горизонтальні швидкості в яких досягають 1,5 – 3 м/с.
За невеликих швидкостей вітру термічні сили можуть формувати повітряні потоки в кар’єрі зі швидкістю 1 – 1,5 м/с, а в районах Крайньої Півночі (Кольський півострів) - до 5 - 6 м/с. Інтенсивне прогрівання кар’єрів викликає потужні висхідні потоки, швидкість яких досягає 1,5-2,5, а іноді 5 м/с.
Температура повітря в кар’єрах визначається температурою повітря на поверхні, природним стисканням повітря, процесами тепловиділення і тепло поглинання в кар’єрі і станом його атмосфери. Вона змінюється протягом року і доби і хід її пов’язаний з ходою температури на поверхні. Найбільша амплітуда ходи спостерігається влітку, найменша - взимку в результаті різкого зниження сонячної радіації. Зазвичай температура повітря в кар’єрі вище, ніж на поверхні, внаслідок природного тиску, опромінення сонцем (інсоляція), а також наявності додаткових джерел тепла. Вона вище у північних бортів і нижче у південних.
Висока волога повітря в кар’єрах сприяє утворенню в них туману і мли, які зменшують видимість, утруднюють ведення робіт і ослаблюють інсоляцію бортів, що, в свою чергу, знижує конвективний повітрообмін в кар’єрі. Вона може бути вища, ніж на поверхні, або нижча і залежить від конкретних умов. Збільшенню вологості сприяють деякі заходам і технологічні процеси, наприклад: використання води для зрошення відбитої вибухом маси, відвалів, доріг, для гасіння пожеж, застосування гідромеханізації та інше.
Відносна вологість має добову і річну ходу, знижуючись в денний час влітку, що пов’язано зі збільшенням температури і зменшенням абсолютної вологості через вертикальний повітряний обмін.
Забруднення атмосфери кар’єрів пилом і шкідливими газами може відбуватися від ряду джерел. Їх інтенсивність залежить від таких факторів, як властивість і стан гірничих порід, кліматичних і погодних умов, техніки і технології розробки, ефективності застосування способів боротьби з утворенням пилу і шкідливих газів. В зв’язку з цим запиленість і забрудненість повітря на робочих місцях коливається в широких межах.
Значний вплив на стан атмосфери кар’єру в цілому і її окремих дільницях справляють наявність, склад і характер повітряних потоків, що рухаються (мал. 2), які в багатьох випадках визначають кількість принесених, таких, що виникають і виносяться з кар’єру шкідливостей, а іноді є причиною інтенсивного пилоутворення.
За місцем розміщення джерела поділяються на зовнішні і внутрішні. Зовнішні джерела розміщуються за межами верхнього контуру кар’єру. Під дією вітру шкідливі газ і пил від цих джерел можуть розповсюджуватися в вироблений простір кар’єру, погіршуючи загальний стан атмосфери. До них відносяться дробильні, збагачувальні і агломераційні фабрики, металургійні заводи, вентиляційні стволи шахт, відвали пустих порід і склади руди, автомобільні дороги, котельні, майданчики з відсутністю рослинності та інше.
Внутрішні джерела пило- і газоутворення розміщуються в межах контуру і викликають як місцеве, так і загальне погіршення складу атмосфери. До внутрішніх джерел відносяться: бурові станки і перфоратори, виймально-навантажувальні машини, вибухи, двигуни внутрішнього згоряння (автосамоскиди, тепловози, трактори, бульдозери та інше), автомобільні дороги, каменерізальні машини, дробильні і сортувальні установки, пожежі, газовиділення з порід і водоносних горизонтів, а також майданчики, вкриті пилом і такі що піддаються вивітрюванню.
За розосередженням всі джерела виділення шкідливостей можна поділити на точкові (бурові станки, екскаватори, каменерізальні машини та інші), об’ємні (пило-газова хмара після вибуху), лінійні (автодороги, виділення газів з пластів і так далі) і такі, що розосереджуються рівномірно (ерозія грунту, вивітрювання поверхні бортів кар’єрів).
За часом дії джерела поділяються на безперервні (бурові станки, екскаватори та інше) і періодичні (вибухи та інше).
За положенням джерела виділення шкідливостей в кар’єрах можуть бути стаціонарні (стаціонарні дробильні і установки грохочення, підйомні конвеєри та інше), напівстаціонарні (бурові станки, екскаватори та інше) і такі, що переміщуються (автосамоскиди, залізничний транспорт та інше).
З бурової техніки найбільшу небезпеку з запилення повітря становить робота станків шарошкового, пневматичного удару і термічного буріння. При роботі станків механічного руйнування порід, не обладнаних засобами боротьби з пилоутворенням і вловлюванням пилу, запиленість повітря може сягати декількох сотень мг/м3. Застосування засобів боротьби з утворенням і вловлюванням пилу різко знижує запиленість.
Дія високотемпературних газових струменів на породу при термічному бурінні призводить до утворення у вибої складної газопилової суміші. Запиленість повітря при бурінні з відсутністю засобів вловлювання пилу може сягати декількох тисяч мг/м3.
Кількість і склад газів, що утворюються при термічному бурінні, коливається в великих межах і залежить від хімічного складу горючого і окиснювача, режим роботи пальника, глибини свердловини та інших факторів. Зміст деяких газів і пари, що викидаються під час буріння в атмосферу з відсмоктувальної системи станків, що застосовуються, сягає наступних значень: СО2 – 1,2 %, СО – 1,5%, NO2 – 0,0063% і акролеїн – 0,036%.
При масових вибухах утворюється велика кількість пилу і шкідливих газів. Частина їх у вигляді пило-газової хмари видаляється з кар’єру, а решта залишається в відбитій гірничій масі і на дільницях, що примикають до підірваного блоку (табл. 1). Як вказує аналіз отруйних газів, що залишаються після вибуху в кар’єрі, основним з них є окис вуглецю. Сліди окисів азоту зберігаються протягом 30-60 хвилин, а всередині підірваного масиву від 2 до 6 годин.
Таблиця 1.
|
Місце відбирання проб |
Маса одночасно підірваних ВР, т |
Максимальна концентрація газів після вибуху за об’ємом, % |
Тривалість зниження концентрації СО до ГДК, годин. |
||
|
СО |
СО2 |
NO2 |
|||
|
На горизонті |
50 - 350 |
0,06-0,1 |
0,5-0,8 |
Сліди |
2-7 |
|
В траншеї |
50-200 |
0,1-0,2 |
0,7-1,0 |
|
3-14 |
|
На глибині 1,5-10 м від поверхні відбитої гірничої маси |
50-200 |
0,4-4 |
8-9 |
0,03-0,025 |
6-100 і більше |
Виймально-навантажувальні роботи в кар’єрі виконуються обладнанням циклічної і безперервної дії. Обладнання циклічної дії (механічна лопата, драглайн, навантажувач та інше) обумовлює циклічне пилоутворення. Так, наприклад, при роботі механічної лопати пилоутворення поступово пов’язане з операціями черпання, коли пил утворюється від обвалення породи в вибої і її додатковим дробленням при взаємодії з ковшем і співударі кусків між собою, поворотом екскаватора, при якому відбувається розсипання гірничої маси, і з розвантаженням матеріалу у відвал або у відкотну посудину. Інтенсивність пилоутворення залежить також від швидкості вітру, вологи гірничої маси і організації робіт в вибої екскаватора. При несприятливих умовах запиленість повітря в процесі виймально-навантажувальних робіт може сягати 100 мг/м3 і вище.
При розробці родовищ деяких будівельних матеріалів застосовуються каменерізальні машини, які за несприятливих умов є вельми інтенсивними джерелами пилоутворення. Запиленість повітря на робочих місцях за відсутності засобів боротьби з пилом може сягати декількох сотень мг/м3.
При транспортуванні гірничої маси найбільш небезпечним за пиловим і газовим факторами є автомобільний транспорт. Під час руху автомашин в результаті взаємодії коліс з поверхнею дороги утворюється пил. Його інтенсивність залежить від матеріалу верхнього покриття дороги, його стану, вантажопідйомності і швидкості руху машин і таке інше. Дослідженнями, що проведені інститутом Удіпромідь, встановлено, що за відсутності засобів боротьби з утворенням пилу концентрація пилу в зоні автодоріг сягає 60-80 мг/м3, а інтенсивність 11500-12000 мг/с.
Двигуни внутрішнього згоряння, встановлені на автосамоскидах, тепловозах та інших машинах, є джерелами виділення ряду шкідливих газів і пари, основними з яких є окиси азоту, окис вуглецю і альдегіди. Орієнтовний склад токсичних компонентів в відпрацьованих газах двигунів внутрішнього згоряння наведений в таблиці 2.
Таблиця 2.
|
Компоненти |
Склад компонентів за об’ємом, % при роботі двигунів |
|
|
карбюраторних |
дизельних |
|
|
Окис вуглецю |
0,1-5,0 |
0,01-0,50 |
|
Окиси азоту |
0,0-0,8 |
0,0002-0,5000 |
|
Вуглеводні |
0,2-3,0 |
0,009-0,500 |
|
Альдегіди |
0,0-0,2 |
0,001-0,009 |
Склад сажі в відпрацьованих газах карбюраторних і дизельних двигунах складає відповідно 0-0,04 і 0,01 – 1,10 г/м3.
Одним з шляхів вдосконалювання відкритих гірничих робіт є впровадження поточної і циклічно-поточної технології, за якої в кар’єрах можлива експлуатація дробильних установок і установок грохочення, що є інтенсивними джерелами пилоутворення.
Зовнішні джерела, що забруднюють кар’єри, вельми різноманітні.
Одним з інтенсивних зовнішніх джерел виділення пилу є хвостосховища, в які вкладаються відходи збагачення, що вміщують мілкі фракції. В повітряну погоду відбувається інтенсивне їх видування з поверхні. Так, при швидкості вітру 10 м/с запиленість повітря на відстані 200 м від хвостосховища може досягти 180 мг/м3.
Інтенсивність виділення шкідливостей визначається умістом пилу або отруйних газів в одиниці об’єму повітря і його кількістю, що проходить через джерело їх виділення.
Так, для одиничного джерела з організованим викидом (бурові станки з пиловловлюючою системою, двигуни внутрішнього згоряння та інші) інтенсивність виділення шкідливостей (мг/с) в атмосферу може бути визначена за формулою:
(1.3)
де середній дебіт повітря, що виходить з організованого викиду, м3/с; середня концентрація пилу або отруйних газів в повітрі, що викидається в атмосферу кар’єру, мг/м3.
Згідно даних Н.З. Бітколова і В.С. Нікітіна, за відсутності засобів боротьби інтенсивність виділення пилу під час роботи бурового станка складає 4,3 г/с, роторного екскаватора – 200 г/с, одноківшевого екскаватора типу механічна лопата – 2 г/с, екскаватора типу драглайн – 11 г/с, автосамоскида – 15 г/с і з 1 м стрічкового конвеєра – 40 мг/с.
Інтенсивність виділення в атмосферу кар’єрів шкідливих газів і пари від джерел, пов’язаних з роботою обладнання, наведена в табл. 3. Таблиця 3.
|
Обладнання |
Марка |
Інтенсивність газовиділення, м3/с |
Концентрація газів за об’ємом, % |
||
|
окис вуглецю |
двоокис азоту |
альдегіди |
|||
|
Станок вогневого буріння з кисневим окисненням пального |
СБТ-400 МНР |
0,8 |
1,0-6,9 |
0,0043-0,0048 |
0,0089-0,132 |
|
Станок вогневого буріння з повітряним окисненням пального |
СБТМ-20 |
0,8 |
0,4-9,0 |
0,00104-0,0035 |
0,0021-0,132 |
|
Тепловоз з електричною подачею |
ТЕ-3 |
6,5 |
0,0013-0,006 |
0,00043-0,018 |
0,0023-0,012 |
|
Автосамоскид |
КрАЗ-256 БеЛАЗ-540 БеЛАЗ-548 БеЛАЗ-549 |
0,34 0,66 0,88 1,25 |
0,35-0,584 0,012-1,32 0,05-0,2 0,104-0,39 |
0,008-0,069 0,006-0,96 0,094-0,31 0,0003-0,42 |
0,00134-0,042 0,0019-0,05 0,00024-0,001 0,0048-0,0164 |
|
Трактор |
Т-180 ДЕТ-250* |
0,33 0,53 |
0,0221-0,136 0,036-0,057 |
0,0013-0,0062 0,0004-0,011 |
0,00024-0,046 0,00024-0,042 |
*ДЕТ-250 – дизель-електричний трактор тяглового класу 250 кН.
Малюнок 3. ДЕТ-250М.
Загальна інтенсивність виділення пилу або шкідливих газів в атмосферу кар’єру (мг/с) складає:
(1.4)
де gт – інтенсивність виділення шкідливостей з внутрішнього точкового джерела, мг/с;
gл – інтенсивність виділення шкідливостей з внутрішнього лінійного джерела, мг/с;
gр.р. – інтенсивність виділення шкідливостей з внутрішнього рівномірно розповсюдженого джерела, мг/с;
gвн – інтенсивність надходження в кар’єр шкідливостей від зовнішнього джерела, мг/с.
Ця інтенсивність виділення шкідливостей (пилу або однойменного (рівнозначного) отруйного газу) однієї групи джерел, що пов’язані з роботою обладнання, залежить також і від його одночасної роботи. Так, наприклад, для подібних точкових джерел сумарна інтенсивність (мг/с) складає:
(1.5)
де - число однотипних джерел в кар’єрі;
коефіцієнти одночасної роботи джерел кожного типу (відношення числа обладнання, що працює, до числа обладнання, що використовується в кар’єрі);
інтенсивність виділення шкідливостей одиничним джерелом кожного типу, мг/с.
В різних кар’єрах співвідношення між питомою вагою можливих джерел забруднення атмосфери кар’єрів може змінюватися в значних межах.
А. Визначити жорсткість погоди, Ж. Визначити район території за жорсткістю погоди.
Відповідно до формули (1.1): Ж= t+2v.
Варіанти розрахунків:
Варіант 1. t = -1°С; v = 1 м/с – наступні варіанти визначаються за списковим номером студентів групи, тобто в значення t і v мають бути відповідні номеру студента значення.
Б. Перерахувати концентрації шкідливих газів з відсотків у мг/м3 та визначити їх односпрямовану дію відповідно співвідношення (1.2).
Варіант 1. Акролеїн з концентрацією 0,0005%; 0,002%; 0,014%.
Формальдегід - 0,002%; 0,01%; 0,1%.
Окис вуглецю – 0,0016%; 0, 008%; 0,02%.
Сірководень – 0,00066%; 0,0038%; 0,07%.
Сірчистий газ - 0,00035%; 0,0026%; 0,03%.
Наступні варіанти визначаються помноженням на число, що дорівнює списковому номеру студента.
Приклад.
Акролеїн з концентрацією 0,0000085% перерахувати в мг/м3:
Розрахунок концентрації здійснюють за рівнянням: b = а∙F, де а – чисельне значення концентрації у відсотках, F – фактор перерахунку (4,2∙102); b – чисельне значення концентрації в мг/м3.
b = 0,0000085∙4,2∙102∙56=0,2 мг/м3, де 56 – молекулярна маса акролеїну – 56 г/моль.
В. Визначити інтенсивність виділення шкідливостей в кар’єрі відповідно рівняння (1.3) і таблиці 1.3.
Алгоритм рішення.
Г. Визначити загальну інтенсивність виділення пилу (газів) в атмосферу кар’єру (мг/с) згідно даних Н.З. Бітколова і В.С. Нікітіна за відсутності засобів боротьби з її утворенням для кар’єру, в якому відповідно першому варіанту, одночасно працює 4 бурових станки, 3 роторних екскаватори, 2 одноківшевих екскаватори типу механічної лопати, і 1 екскаватор типу драглайн, 5 самоскидів і 1 стрічковий конвеєр (лінійне джерело) довжиною 200м. Інтенсивність 1 автодороги (рівномірно розповсюджене джерело). Зовнішнє джерело
Приклад. Застосовувати під час обчислень формули (1.4) і (1.5).
Згідно даних Н.З. Бітколова і В.С. Нікітіна, за відсутності засобів боротьби інтенсивність виділення пилу під час роботи точкових джерел: (бурового станка складає 4,3 г/с, роторного екскаватора – 200 г/с, одноківшевого екскаватора типу механічна лопата – 2 г/с, екскаватора типу драглайн – 11 г/с, автосамоскида – 15 г/с і з 1 м стрічкового конвеєра – 40 мг/с.
Варіантами вважати спискові номери, що додаються до кількостей відповідних точкових і лінійних джерел. Зовнішнє джерело лишається незмінним. Зовнішнє джерело в мг/с обраховується з площі 1000м2 у висоту 1м. (з даних практичної роботи стор. 11, 180∙1000∙1 = 180000 мг/с).
Необхідно уважно перераховувати мг в г під час обчислень для забезпечення коректних результатів розрахунку.
Загальні результати оформити в табличному вигляді по розділам А, Б, В, Г.
Скласти висновки за результатами розрахунків і запропонувати відповідні заходи боротьби з шкідливостями.
Змістовий модуль. Аеромеханіка атмосфери кар’єрів.
Практична робота № 2.
«Основні закони природного повітрообміну в кар’єрах».
План практичної роботи.
Аеростатика - наука про рівновагу газів. Стосовно до аерології кар’єрів її основними завданнями є визначені зміни тиску повітря з висотою (глибиною) і умов рівноваги тіла, що знаходиться в повітрі. Тиск повітря, що розглядається в аеростатиці, називається аеростатичним (або просто статичним).
Основне рівняння аеростатики – рівняння рівноваги повітря – має вид:
dp = ρ(Xdx+Ydy+Zdz), (1.1)
де p – тиск повітря; ρ – густина повітря; Х, Y, Z – проекції об’ємної сили, віднесеної до одиниці маси; х, у, z – координати.
Нормальним атмосферним тиском називають тиск в 760 мм рт. ст. (101 325 н/м², або 101 325 Па). Кожен наступний варіант зменшується на 1 мм рт.ст. (або 133, 325 н/м2) відповідно списку студентів групи. 1 Па = 1 Н/м2 = 1 Дж/м3 = 1 кг/(м·с2) ;
Густина повітря при t = 14°C дорівнює ρ = 1,23 кг/м3.
Температура, °С Значення густини, кг/м³. Варіанти для розрахунку:
1. −25°С 1,424 кг/м3
2. 0 1,2929
3. 2 1,284
4. 4 1,275
5. 6 1,266
6. 8 1,257
7. 10 1,247
8. 12 1,239
9. 14 1,230
10. 16 1,221
11. 18 1,213
12. 20 1,2047
13. 22 1,197
14. 24 1,189
15. 26 1,181
16. 28 1,173
17. 30 1,165
В нерухомому повітрі єдиною об’ємною силою (тобто силою, що діє на кожну частинку повітря в усьому його об’ємі) зазвичай є сила тяжіння. Якщо вісь Оz спрямувати вертикально вниз, тоді отримаємо X = Y = 0, Z = g. Тоді рівняння (1.1) прийме вигляд:
dp = ρgdz, (1.2)
де g – прискорення вільного падіння.
Здійснити розрахунки dz відповідно до варіантів за визначених температур повітря.
Якщо початок координат сумістити з земною поверхнею, то у відповідності до рівняння (1.2) тиск р на глибині z = H від денної поверхні (умови кар’єру) за граничних умов z = 0, р = р0, буде:
(1.3)
Виражаючи в формулі (1.3) густину як функцію глибини кар’єру z, можна отримати для різних термодинамічних процесів залежності тиску від глибини, що називаються барометричними формулами. Наприклад, для адіабатичного і політропічного процесів:
(1.4)
де р0 і ρ0 – відповідно тиск і густина повітря на земній поверхні (при H = 0); (для адіабати для політропи показник політропи.
Статичний тиск діє по нормалі до поверхні.
Здійснити розрахунки статичного тиску р за варіантами за формулою (1.4): варіант перший – р0 – 760 мм рт.ст. (101 325 Па); ρ0 = 1,29 кг/м3. n = 1,47 для адіабатного і політропного процесів. Кожен наступний варіант відповідно списку студентів групи приймає наступні значення: р0 зменшується на 1 мм рт. ст.; обирається за варіантами з таблиці густин за відповідних температур повітря. Н – глибина кар’єру дорівнює 100 + (10∙а),м де а – відповідний номер за списком студента.
Важливою властивістю атмосфери є те, що статичний тиск повітря в точці має однакову величину в усіх напрямах і що зміна тиску в точці викликає таку ж зміну тиску в близько розміщених областях атмосфери. В цьому заключається закон Паскаля, з якого вибігає, що за відсутності постійних змін тиску в атмосфері остання прагне до такого стану, коли тиск в усіх точках з рівними висотами буде однаковим; зміни атмосферного тиску на поверхні на величину ∆р викликають таку ж його зміну в усьому кар’єрі; тиск, який діє на обидва боки пластинки в даній точці простору, однаковий і не залежить від її орієнтації.
Другим важливим законом аеростатики є закон Архімеду, відповідно якого рівнодіюча всіх сил тиску, прикладених до тіла, спрямована вертикально вгору і дорівнює вазі повітря в об’ємі тіла.
Величина рівнодіючої сили дорівнює:
Р = gρΩ, (1.5)
де ρ – середня густина повітря в об’ємі тіла; Ω – об’єм тіла, м3.
Різниця ваги тіла W і рівнодіючої сили Р називається силою випихання. При W = P тіло буде знаходитися в рівновазі, при W ˂ P – підійматиметься, при W > P – спускатиметься.
Розрахувати за варіантами рівнодіючу силу Р, обираючи ρ з таблиці за відповідних температур, а об’єм тіла враховувати як (10+0,1b), м3, b – номер за списком студента.
Проаналізувати отримані результати розрахунків і оформити їх в табличному вигляді.
Побудувати графічні залежності, в тому числі здвоєні графіки. Для побудування графічних залежностей необхідно використовувати результати розрахунків всієї групи.
Зробити певні висновки з аналітичних і графічних залежностей.
При перевірці виконання практичної роботи студент повинен впевнено володіти теоретичним матеріалом, в т.ч. і довідковим.
Довідковий матеріал.
Адіаба́тний проце́с (грец. αδιαβατος — неперехідний) — в термодинаміці зміна стану тіла без обміну теплом з навколишнім середовищем. Його можна здійснити, проводячи стискання чи розширення тіла (наприклад, газу) дуже швидко.
Так, при поширенні звукових хвиль у повітрі чи іншому тілі, у місцях згущення частинок температура підвищується, а в місцях розрідження — знижується. За дуже малий період коливання не відбувається помітного обміну теплом між місцями згущення і розрідження.
Під час адіабатного стискування тіла внутрішня енергія його збільшується, а при адіабатичному розширенні — зменшується. Виконана робота при цьому дорівнює за величиною і протилежна за знаком зміні внутрішньої енергії системи.
Політрóпний процéс — термодинамічний процес, під час якого питома теплоємність С газу залишається незмінною. Величина
називається показником політропи. Окремими явищами політропного процесу є ізопроцеси і адіабатний процес.
Це рівняння називається рівнянням політропного процесу.
Аеродинаміка - наука про рух газу. Під час руху газу (повітря) в ньому окрім статичного з’являється ще й динамічний тиск, який проявляється при зустрічі потоком на своєму шляху якого-небудь тіла. Динамічний тиск, так як і статичний тиск, діє за нормаллю до поверхні тіла. Повний тиск в потоці рп дорівнює сумі статичного рс, і динамічного рдин тисків:
(2.1)
З розмірності тиску [p]=н/м2 = н∙м/м3 вибігає, що тиск характеризує енергію одиниці об’єму повітря. Статичний тиск в атмосфері кар’єру характеризує потенційну енергію повітря, що дорівнює роботі, яку здійснив би одиничний об’єм повітря при його необмеженому розширенні до .
Динамічний тиск визначається за формулою:
(2.2)
де u – швидкість руху повітря в кар’єрі. Визначити рдин , використовуючи для цього густину повітря ρ з даних розділу 1. Основні закони аеростатики (стор. 15) практичної роботи № 2. Швидкість руху повітря вважати в розрахунках як (0,5+0,1N), м/сек, де N - номер студента за списком в групі.
Динамічний тиск характеризує кінетичну енергію повітря кар’єру.
Розрахувати повний тиск в потоці рп, використовуючи результати розрахунку статичного тиску за формулою (1.4, стор.) для адіабатного і політропного процесів окремо.
Існує два режими руху повітря в кар’єрі: ламінарний і турбулентний. При ламінарному режимі повітря рухається паралельними шарами, змішування яких має молекулярний характер. Ламінарний рух зазвичай буває за малих швидкостей руху повітря. При турбулентному режимі в кар’єрі окремі об’єми повітря не мають правильних траєкторій і рухаються хаотично. Це забезпечує інтенсивне перемішування окремих шарів потоку. Частково, при турбулентному русі відбувається швидке розсіювання шкідливостей, які надходять в потік (гази пил). Для турбулентного руху характерна наявність в кожній точці як постійної (усередненої за часом) складової швидкості повітря, так і змінної, що пульсує. Їх відношення називається інтенсивністю турбулентності і визначає ступінь турбулізації потоку.
Критерієм режиму руху повітря є число Рейнольдса:
Re = uL/ (2.3)
де L – характерний лінійний параметр потоку (діаметр труби, діаметр тіла, що омивається, довжина пластини і таке інше), м; ν – кінематичний коефіцієнт в’язкості повітря, м2/с. (при 0°С = 14,15 м2/с
Розрахувати Re, використовуючи значення и за розрахунків формули (2.2). L – діаметр умовного потоку (труби) = (2+0,1N), м, де N – номер студента.
Ламінарний тиск виникає за малих чисел Re, а при великих чисел більш вірогідний турбулентний тиск. Зробити висновок щодо величини числа Re, яке отримано з розрахунку і визначити відповідний режим руху повітря в кар’єрі за відповідного висновку.
Основними законами аеродинаміки є закон зберігання маси, закон зберігання енергії і закон кількості руху.
Закон зберігання маси говорить, що маса любого об’єму повітря при його русі залишається постійною. Для умов повітря, що рухається, цей закон можна виразити рівнянням нерозривності:
(2.4)
де u, v, w – компоненти швидкості руху повітря відповідно за осями Ox, Oy і Oz; t – час.
Якщо рух стаціонарно встановлений ( і густина повітря в просторі змінюється незначно, то рівняння (2.4) прийме вигляд:
(2.5)
З рівняння (2.5) вибігає, що при зростанні швидкості в одному напрямі повинно відбуватися її зменшення в іншому. Частково, при розширенні потоку внаслідок переходу від руху на пласкою земною поверхнею до руху над кар’єром його поздовжня швидкість и зменшується через появу бічної складової v (мал. 4, и2 ˂ и1).
v1 = w1 = 0
u1
w2 = 0 u2
v2
Мал. 4. Схема зміни швидкості повітря
при розширенні плаского потоку (w = 0).
Для двох довільних перетинів любого повітропроводу маємо М1 = М2, або де М і Q – відповідно масова і об’ємна витрати повітря; індекс «1» відноситься до першого перетину, індекс «2» - до другого. При ρ = const Q1 = Q2 або Q = const, тобто об’ємна витрата повітря в трубопроводі постійна.
Оскільки:
Q = uS, (2.6)
де u – середня швидкість повітря в перетині повітропроводу; S – площа перетину, то з (2.6) вибігає, що:
uS = const, (2.7)
тобто за збільшення перетину швидкість в ньому зменшується, при зменшенні – збільшується.
Розрахувати об’ємну витрату повітря Q в трубопроводі, якщо u = 2 м/с, а перетин трубопроводу S = 0,5 м2. Кожен наступний варіант має u = 2 +0,1n і S = 0,5+0,01n, де n – порядковий номер студента за списком в групі.
Закон зберігання енергії для повітря, яке рухається, складається в тому, що зміна енергії довільного об’єму повітря за деякий проміжок часу при його русі дорівнює сумі кількості теплової енергії, що надається йому і роботі прикладених до нього зовнішніх сил за той же час:
+ (2.8)
де - зміна внутрішньої енергії об’єму повітря, що розглядається, яке визначається зміною енергії руху і взаємодії молекул; ∆зміна потенційної енергії об’єму, що визначається зміною статичного тиску та переміщенням об’єму за вертикаллю, яке визначається; – зміни кінетичної енергії об’єму; І – механічний еквівалент теплоти; зміна кількості теплоти в об’ємі, що розглядається; ∆А – робота зовнішніх сил, що прикладені до об’єму.
Розрахунок з варіантами.
Визначити механічний еквівалент теплоти в об’ємі, що розглядається І, якщо:
варіанти розрахунку – 150 кДж + (10кДж ∙ а);
200 кДж; варіанти розрахунку – 200 кДж +(10кДж ∙ а);
; варіанти розрахунку – 300 кДж + (10 кДж ∙ а);
400 кДж; варіанти розрахунку – 400 кДж + (10 кДж ∙ а);
варіанти розрахунку – 100 кДж + (10 кДж ∙ а).
При адіабатичному стаціонарному русі повітря . В цьому випадку закон зберігання енергії для одиниці об’єму повітря в елементарному струмені описується рівнянням Бернуллі (мал. 5):
Малюнок 5. Схема до рівняння Бернуллі. Площина порівняння 0-0.
(, (2.9)
де р – тиск, н/м2, - відстань центру тяжіння перетину струменю за вертикаллю від умовної горизонтальної площини порівняння, м; швидкість руху повітря, м/с; робота зовнішніх сил, віднесена до одиниці об’єму повітря, [дж/м3] або [кг/с2∙м] або [н/м2] або [Па].
Індекси «1» і «2» означають початковий і кінцевий перетин струменю.
Перший і другий доданок в рівнянні (2.9) визначають зміну потенційної енергії одиниці об’єму повітря, третє – зміну його кінетичної енергії.
Робота зовнішніх сил може бути представлена як силами опору, що зменшують енергію потоку (наприклад, силами тертя) [ в правій частині (2.9) позитивне], так і силами, що збільшують її (наприклад, подача енергії від вентилятору) [ в правій частині (2.9) негативне].
Розрахунок за варіантами закону зберігання енергії для одиниці об’єму повітря в кар’єрі відповідно рівняння Бернуллі (2.9).
Визначити роботу зовнішніх сил, віднесених до одиниці об’єму повітря , якщо, Па:
проводити в Па.
прискорення вільного падіння, 9,81 м/с2;
використовувати з даних, наведених на стор. 15 відповідно до варіанту;
Закон кількості руху, або другий закон Ньютона, дозволяє отримати рівняння, яке пов’язує основні характеристики потоку. Воно називається рівнянням руху і його проекції на осі координат для випадку турбулентного руху мають вигляд:
=
= (2.10)
=
де – динамічний коефіцієнт в’язкості повітря, Па∙с, або або
проекції пульсації швидкості на осі координат;
∆ =оператор Лапласа.
Якщо ліву і праву частини рівнянь (2.10) розділити на густину повітря ρ, то сума всіх доданків в лівій частині рівнянь буде повним прискоренням частинки повітря в точці з координатами x, y, z; перший доданок в правій частині буде прискоренням від об’ємних сил; другий – прискоренням від сил тиску; сума решти доданків в правій частині – прискоренням від сил в’язкості.
Значення рівнянь (2.10) складається в тому, що, виконав їх інтегрування, можна визначити поле швидкостей потоку як функцію сил тертя, об’ємних сил, тиску і властивостей повітря.
Риска в рівняннях (2.10) означає усереднення миттєвих значень даної величини в часі.
Типи повітряних потоків. Всіх повітряні потоки поділяються на два основних типи: обмежені, що рухаються вздовж твердих границь (потоки в трубах, підземних виробках і таке інше), і вільні потоки, або вільні струмені, що не мають твердих границь і такі, що розповсюджуються в повітряному середовищі. Вільні струмені утворюються під час зриву повітряного потоку з верхньої брівки і розповсюдження в просторі кар’єру, штучної вентиляції при застосуванні вентиляційних установок, виході повітря з трубопроводу.
Проаналізувати отримані результати розрахунків і оформити їх в табличному вигляді.
Побудувати графічні залежності, в тому числі здвоєні, потроєні графіки. Для побудування графічних залежностей необхідно використовувати результати розрахунків всієї групи.
Зробити певні висновки з аналітичних і графічних залежностей. Намагатися надавати необхідних рекомендацій щодо покращення результатів розрахунків, оптимізації параметрів фізичних величин, застосування відповідного виробничого обладнання і таке інше.
При перевірці виконання практичної роботи студент повинен впевнено володіти теоретичним матеріалом, в т.ч. і довідковим.
План.
Приклади вільних струменів.
Типи вільних струменів.
Причини утворення і основні елементи вільних струменів.
Вільні струмені в необмеженому просторі.
Особливі випадки повітряних струменів.
Приклади вільних струменів. На збірному малюнку 6, а) показаний вільний струмінь кар’єрі.
Рисунок 6. а) Схема вільних струменів в кар’єрі.
Вітровий потік зривається в точці О з твердої межі (земної поверхні) і, розширюючись, рухається в просторі кар’єру у вигляді вільного струменю ВОО1.Поверхні ОВ і ОО1 є межами струменю, по яким повітря рухається зі швидкістю, що дорівнює швидкості повітря поза струменем (нижче межі ОО1 повітря вважається нерухомим, вище ОВ рухається зі швидкістю вітру Uв). На малюнку 6 б) показано вільний струмінь бааб, який утворюється при виході повітряного потоку між двома відвалами породи (вид на плані).
Малюнок 6 б). Схема вільних струменів в кар’єрі.
Типи вільних струменів. Вільні струмені бувають повними і неповними. Повний струмінь не торкається з твердою межею (див. мал. 6 а) і б). Неповний з одного боку стикається з твердою границею, а з іншого боку – з заповненим повітрям простором (мал. 7 а), вільний струмінь ВАСД на дільниці СД має тверду межу). Різновид неповного струменю є напівобмежений струмінь, який одним боком рухається вздовж твердої межі за всією довжиною, починаючи від початкового перетину. Такий струмінь може утворюватись при виході повітря з трубопроводу, прокладеного по землі (мал. 7 б; I, II, III – перетини струменю).
а
Uв
B
А
Е С D
б
II III
Uв Uв
I
трубопровід
U0 δ δ δ
Мал. 7. Схеми неповних вільних струменів.
В залежності ід форми вихідного отвору вільні струмені можуть мати різну форму. Найбільш вивчені круглі, асиметричні (мал. 8, а) і пласкі, або пласко-паралельні (мал. 7, а) - дільниця струменю АС і мал. 8, б) струмені.
а б
Мал. 8. Схеми круглого і плаского вільних струменів.
Причини утворення і основні елементи вільних струменів.
Основними причинами утворення вільних струменів є інерція рухливого повітря і зміни напряму твердих меж потоку. При різкій зміні форми твердої межі (наприклад, на мал. 6, а, б) поток повітря під дією сил інерції долає зчеплення з твердою поверхнею, відривається від неї і розповсюджується в оточуючому повітрі у вигляді вільного струменю.
Внаслідок тертя по оточуючим шарам повітря в струмені відбувається зміна швидкостей: на межі струменю швидкість дорівнює швидкості оточуючого повітря, а в струмені вона може збільшуватися або зменшуватися. Якщо струмінь розповсюджується в нерухливому повітрі (втоплений струмінь), то повздовжна складова швидкості на її межі дорівнює нулю, а на осі швидкість має максимальне значення. На мал. 9. Показано зміну швидкостей у втопленому струмені.
Перехідний перетин С
А'
1
Полюс В У
О’
О А 2 0
В' х
Початковий O'' 1
перетин
А'' С'
початкова дільниця
основна
дільниця
Мал. 9. Схема втопленого струменю:
1 – приєднані маси; 2- ядро постійної маси.
В місці зриву струменю з твердої межі (в перетині О'О'', що називається початковим) утворюється меженний шар, що складається зі збільшених частинок зовнішнього середовища і загальмованих частинок струменю. Процес залучення і гальмування частинок продовжується вздовж струменю, у разі чого меженний шар розширюється і в перетині А'АА'' відбувається змикання меженних шарів АО'А' і АО''А''. Дільниця від початкового перетину О'О'' до перетину А'А'' називається початковою, на ній відбувається повний розвиток меженного шару і формування основного профілю швидкостей вільного струменю. Тому перетин А'А'' називається переходним. Основна дільниця струменю (див. мал. 9) складається з суцільного меженного шару; профілі повздовжної швидкості на ньому подібні профілю в перетині А'А''. В зоні О'АО'' початкової дільниці швидкості такі, як і в перетині О'О''*.
_______________
*В дійсності між початковою і основною дільницями знаходиться перехідна дільдниця кінцевої довжини. Однак часто нею нехтують, приймаючи, що основна дільниця одразу йде за початковою.
В переходному перетині А'А'' кут розширення струменю дещо збільшується. Точка О перетину меж основної дільниці називається полюсом струменю. Вільний струмень на основній дільниці можна розглядати як такий, що вибігає з його полюсу.
Внаслідок зростання частинок повітря, в якому розповсюджується струмень, його маса зростає по мірі видалення від початкового перетину. Тому в струмені можна виділити ядро постійної маси, в якому маса рухливого повітря дорівнює масі повітря в початковому перетині. Ядро постійної масил (див. мал. 9) знаходиться в межах зони ВО'О''В'. В зонах СО'В і С'О''В' розміщуються маси повітря, приєднані до потоку з довкілля; ці зони називаються зонами приєднаних мас.
Режим руху повітря може бути ламінарним або турбулентним; однак під час провітрювання кар’єрів ламінарні струмені не мають практичного значення. Тому нижче розглядаються турбулентні вільні струмені.
Вільні струмені в необмеженому просторі.
План
Тиск і швидкості в струмені.
Турбулентність.
Розширення струменю.
Рівняння руху.
Інженерні розрахунки вільних струменів.
Тиск і швидкість в струмені.
Особливістю вільних струменів є тотожність статичних тисків в струмені тиску в зовнішньому середовищі. Для умов кар’єру тиск в зонішньому середовищі на дільниці дії струменю зазвичай постійний, тому він постійний і в усій області руху вільного струменю*.
Оскільки вільний струмень становить собою потік, що розширюється, в ньому існує повздовжна і перетинна складові швидкості (мал. 4, стор.19). Однак, як вказує досвід, в любому перетині струменю перетинна складова швидкості настільки мала порівняно з повздовжною, що в інженерних розрахунках нею можна знехтувати.
Характерною особливістю струменю є подібність його полів швидкостей. По мірі видалення від початкового перетину струменю швидкості в ньому зменшуються. Безрозмірні профілі швидкості для основних і початкових дільниць круглих і пласких струменів як занурених, так і розповсюджених до супутних і зустрічних повітряних потоках, зображуються кривою, яка показана на мал. 10 ( – швидкість в точці з ординатою - швидкість на осі струменю, – ордината точки, де = 0,5
_____________
* Більш точні дослідження показують, що тиск на осі круглого струменю дещо менший, а на осі плаского струменю – більший, ніж в довкіллі.
D
С I
0,75
В 0,50 M
А 0,25 N
-2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5
Мал. 10. Характер зміни швидкості вільного струменю.
Зміни швидкості вздовж осі зануреного струменю описуються виразами:
для круглого струменю:
, (3.1)
для плаского струменю:
const (3.2)
де – швидкість в начальному перетині струменю; + 0,1∙n, де n – списковий номер студента; - радіус початковоего перетину струменю, де n – списковий номер студента; - відстань від полюсу струменю, де n – списковий номер студента; – напівтовщина початкового перетину струму, 0,5м+0,1∙n, де n – списковий номер студента.
Значення сталих (const) в виразах (3.1) і (3.2) залежать від виду струменю (круглий або плаский), від початкових турбулентності і профілю швидкості та визначаються або експериментально, або розрахунковим шляхом.
Формули (3.1) і (3.2) сумісно з універсальною кривою розподілення швидкості (див. мал. 10) дозволяють визначити абсолютну швидкість в любій точці струменю. Наприклад, необхідно знайти швидкість в точці плаского струменю з координатами . Початкова швидкість , половина товщини початкового перетину і ордината задані. По графіку (див. 10) визначаємо відношення яке відповідає нашому значенню Припустимо воно буде
тоді з урахуванням формули (3.2)
. (3.3)
За інших рівних умов (однакові швидкості у вихідному перетині, однакова ширина вихідних отворів) швидкість повітря на одній і тій же відстані від початкового перетину в плаского струменю більше, ніж у круглого, тобто далекобійність плаского струменю більше.
Турбулентність.
При турбулентному режимі в кар’єрі окремі об’єми повітря не мають правильних траєкторій і рухаються хаотично. Це забезпечує інтенсивне перемішування окремих шарів потоку. Частково, при турбулентному русі відбувається швидке розсіювання шкідливостей, які надходять в потік (гази пил). Для турбулентного руху характерна наявність в кожній точці як постійної (усередненої за часом) складової швидкості повітря, так і змінної, що пульсує. Їх відношення називається інтенсивністю турбулентності і визначає ступінь турбулізації потоку.
Інтенсивність турбулентності в вільному струмені дорівнює нулю на її зовнішніх межах і максимальна на осі струменю.
Розширення струменю
Межа вільного струменю становить собою поверхню, твірна якої - пряма лінія. Кут твірної з віссю струменю є кутом її розкриття α . Для основної дільниці струменю він визначається з наступних виразів:
(3.4)
Тут – коефіцієнт структури струменю. Для плаского струменю 0,09а для круглого 0,076. Коефіцієнт α не залежить від числа Рейнольдса потоку; він зростає під час зростання нерівномірності профілю на початку струменю і особливо зі зростанням турбулізації струменю і зовнішнього потоку.
Формули (3.4) справедливі для зануреного струменю і струменю в зустрічному потоці повітря. Струмінь в супутному потоці має змінний кут розкриття, що зменшується зі зростанням швидкості супутного потоку.
Спостереження показують, що кути розкриття вільних струменів, що утворюються вітровими потоками при їх зриванні з верхніх брівок бортів кар’єрів, змінюються від 2 до 25° в залежності від турбулізації атмосфери.
Рівняння руху.
Як відмічалося раніше, основна дільниця вільного струменю становить собою меженний шар, який утворився в місці зривання струменю повітря з його твердих меж, що розвивається і змикається після переходного перетину (див. мал. 9). Тому рух повітря на основній ділянці вільного струменю можна описати рівняннями руху меженного шару, які отримуються з загальних рівнянь руху з урахуванням того, що протяжність течії в меженному шарі в напряму перетину, завжди незначна порівняно з протяжністю в повздовжному напряму і що градієнт перетину швидкості завжди є максимальним. Якщо врахувати також і те, що в вільному струмені тиск постійний, то можна отримати наступне рівняння руху в вільному струмені:
. (3.5)
Рівняння нерозривності при цьому:
. (3.6)
В рівняннях (3.5) і (3.6) і - абсолютні значення складових швидкостей відповідно за осями і , що пов’язані з усередненими (, і пульсаційними (компонентами виразами: турбулентна дотична напруга, Па.
Інженерні розрахунки вільних струменів.
Під час інженерних розрахунків визначають такі параметри, як кут розкриття струменю, середню швидкість повітря в перетині, кількість повітря, що рухається в струмені, та деякі інші.
Розрахунок кута розкриття здійснюється за формулами (3.4).
Формули для розрахунку інших параметрів струменю наведено в таблиці 4.
Таблиця 4.
|
Параметри |
Формули для розрахунку струменю |
|
|
плаского |
круглого |
|
|
Відношення середньої за витратою швидкості у довільному перетині основної дільниці струменю до осьової швидкості |
||
|
Те ж, але для середньої по площі перетину швидкості |
||
|
Витрата повітря, що перебігає в секунду в довільному перетині основної дільниці струменю |
||
|
Товщина радіус ядра постійної маси основної дільниці струменю |
||
|
Тут: коефіцієнт структури струменю; відстань від початкового перетину струменю; напівтовщина та радіус початкового перетину; безрозмірні коефіцієнти. |
На мал. 11 показані графіки для визначення і (б), де
(3.7)
а) б) В
А 1,4
1,0 1,0
0,5 0,5
0 1,0 2,0 φ 0 1,0 2,0 φ'
Мал. 11. Графіки для визначення половини товщини (радіусу) ядра сталої маси вільного струменю.
Особливі випадки повітряних струменів.
Під час вентиляції кар’єрів часто зустрічаються повітряні струмені, закони руху яких у визначеному ступені відмінні від викладених вище.
Одні з найбільш розповсюджених струменів в кар’єрах є струмені в обмеженому просторі. На мал. 7. б показана схема полуобмеженого струменю, що розповсюджується вздовж поверхні землі. В перетині I показано епюру швидкостей зануреного струменю (швидкість вітру поза струменем , в перетині II – при , де швидкість на виході з трубопроводу, в перетині III – при Особливістю розвитку такого роду струменів є гальмуюча дія твердої поверхні, що створює в межах загального меженного шару струменю свій меженний шар δ, в якому швидкість біля твердої межі зменшується до нуля.
Схему струменю, що розповсюджується в обмеженому просторі кар’єру АЕС, показано на мал. 7, а. Особливістю тут є наявність зворотного потоку в просторі АЕСА, що утворюється внаслідок відтинання поверхнею СD від струменю ВАС приєднаних мас та їх наступного повороту в зворотному напряму. В об’ємі АЕСА характер руху повітря такий, як і в напівобмеженому струмені, якщо б його полюс знаходився в точці С (дивись епюри швидкостей в зоні АЕС і на мал. 7, перетин I). В зв’язку з цим зворотний напівобмежений струмінь, що розповсюджується в об’ємі АСЕА (див. мал. 7, а) між прямим струменем (мал. 7, а, струмінь ВАС) і твердою поверхнею АЕС, називають струменем другого роду, а точку С - джерелом другого роду.
Під час штучної вентиляції кар’єру часто застосовують вільні струмені, що створюються авіаційними гвинтами. Розповсюджуючись в атмосфері кар’єру, вони взаємодіють з вітровим потоком і викривляються (мал. 12).
Ступінь викривлення залежить від швидкості вітру Причиною викривлення є під-вищення тиску на навітряному боці струмені і утворення роз-рідження на підвітряному боці. Периферийні дільниці струме-ню б і в (див. мал. 12, перетин а-а) зносяться сильніше, так як швидкість повітря в них менша, ніж центральній частині стру-меню, і перетин струменю на-буває підковоподібного виду.
а
в
б
а
а-а
Мал. 12. Схема вільного струменю в знесеному потоці.
Іноді для вентиляції кар’єру застосовують підігріті (неізотермічні) вільні струмені, які створюються реактивними авіаційними і деякими іншими установками. В цьому випадку, внаслідок різниці густин повітря в струмені і поза його, з’являється сила, яка виштовхує. Якщо такий струмінь спрямований уверх, то виштовхуюча сила збільшує і швидкість, якщо долу – зменшує. Параметри вертикальних неізотермічних струменів залежать, окрім відмічених раніше факторів, від надлишкової (порівняно з оточуючим повітрям) кількості тепла на початку струменю, а похилих неізотермічних струменів – також від їх кута нахилу до горизонту. В останньому випадку підігрітий струмінь буде вигинатися догори.
План.
Приклади обмежених повітряних потоків.
Депресія.
Швидкості повітряних потоків.
Аеродинамічний опір.
Загальна депресія повітропроводу.
Характеристика повітропроводу.
Одиниці виміру та їх розмірність.
Приклади обмежених повітряних потоків.
Обмежені повітряні потоки, тобто з твердими межами, при аерології кар’єрів широко застосовують для створення нормальних атмосферних умов на робочих місцях. Це, наприклад, повітряні потоки в трубопроводах вентиляційних установок місцевого провітрювання, коли чисте повітря від вентилятора надається до місця його застосування (місця роботи машини або установки) по спеціальному трубопроводу. В системах місцевого кондиціювання гірничого обладнання повітря, що всасується вентилятором з атмосфери, рухається по трубопроводам від фільтрів механічної очистки до охолоджувачів і далі до робочих кабін; відпрацьоване повітря відсмоктується з кабін і викидається в атмосферу по трубам. Якщо кар’єр має підземні виробки для осушення родовища, то нормальний склад атмосфери в цих виробках підтримується при постійному русі повітря, що також відноситься до типу обмежених потоків.
Депресія.
Тертя повітряного потоку по стінках потребує витрат енергії на його подолання в процесі руху повітря. Це призводить до того, що статичний тиск, що характеризує енергію одиниці об’єму повітря, в обмежених потоках зменшується в напряму руху повітря.
Величина що дорівнює різниці статичних тисків, називається статичною депресією*. Депресія є найважливішим енергетичним показником обмежених потоків. Знаючи її величину, можна вибрати вентилятор, необхідний для приведення в рух повітря в трубопроводі (виробці) з даною швидкістю.
_____________
* В подальшому для стислості статистичну депресію будемо називати просто депресією.
Швидкості повітряних потоків.
В обмежених потоках існує «ефект прилипання»: прилеглі до стінок шари повітря повністю загальмовуються, наче б то прилипаючи до твердих меж. Внаслідок цього усереднена швидкість повітря на твердих межах потоку дорівнює нулю. По мірі видалення від твердих меж їх гальмуючий вплив на шари повітря слабне і швидкість повітря зростає. Максимальног значення вона досягає в середній частині потоку (мал. 13). Лінія максимальних швидкостей називається аеродинамічною віссю потоку. При турбулентному режимі руху профіль швидкості більш тупий, ніж при ламінарному.
2
1
Мал. 13. Схема профілів усередненої швидкості руху повітря в потоці з твердими межами: 1 – ламінарний рух; 2 – турбулентний рух.
Пульсаційна швидкість в трубопроводах дорівнює нулю на стінках, потім сягає максимального значення поблизу стінок і зменшується до аеродинаміної осі. У більш шорстких стінок (наприклад, у покрівлі виробок) пульсаційна швидкість більше, ніж у менш шорстких (наприклад, грунту виробки).
Аеродинамічний опір.
Стінки повітропроводу і предмети, що знаходяться в ньому, завдають опір руху повітря, який називається аеродинамічним опором.
Розрізняють три види опорів: тертя, місцевий і лобовий.
Опір тертя характеризує втрату енергії повітряного потоку під час його тертя по стінках. Ця втрата енергії (депресія) розраховується за формулою:
(3.8)
де коефіцієнт тертя; кількість повітря в об’ємних одиницях, що проходить по повітропроводу в одиницю часу (витрата повітря).
За формулою (3.8) можна розрахувати депресію тертя даного повітропроводу при заданих , якщо коефіцієнт тертя і витрата повітря відомі.
Коефіцієнт в формулі (3.8) при турбулентному режимі руху залежить головним чином від шорсткості стінок повітропроводу: чим більша шорсткість, тим більший . При незмінній шорсткості стінок зменшується зі збільшенням діаметру повітропроводу. Для гірничих виробок змінюється від 5∙ до 260∙ в залежності від типу кріплення; для металевих трубопроводів від 2,5∙ до 3,7∙; для текстовінітових від 1,3∙до 2,2∙; для тканинних трубопроводів коефіцієнт в середньому дорівнює 4,7∙*.
Вираз:
(3.9)
[див. формулу (3.8)] називається аеродинамічним опором тертя. Чим він більший, тим більше втрати енергії на тертя за однієї і тієї ж витрати повітря в повітропроводі.
З формул (3.8) і (3.9) маємо ще один вираз для депресії тертя:
. (3.10)
Зменшення опору тертя повітропроводу можливе при зниженні шорсткості його стінок, а також при збільшенні перетину повітропроводу.
Місцеві опори виникають за різкої місцевої зміни форми потоку (повороти, звуження, розширення, місця з’єднання декількох повітропроводів і таке інше). Основною причиною їх виникнення є утворення вихрових (застійних) зон (мал. 14), що поглинають частину енергії потоку.
1
2
Мал. 14. Схема утворення вихрових зон (1 і 2) при звуженні потоку.
Депресія місцевого опору розраховується за формулою:
(3.11)
де коефіцієнт місцевого опору (безрозмірний); – густина повітря; площа повітропроводу до або після місцевого опору; витрата повітря в повітропроводі.
Коефіцієнт в формулі (3.11) залежить від виду місцевого опору. Його значення встановлюється експериментально і наводиться в довідковій літературі.
__________
* Більш детальні відомості про гірничих виробок і вентиляційних трубопроводів наводяться в довідниках з рудникової вентиляції.
Для зменшення місцевих опорів необхідно надавати повітропроводам такі форми, за яких об’єми застійних зон були б мінімальними (закруглення кутів, плавна зміна перетину та інше).
Лобові опори виникають при набіганні потоку на різні перешкоди (стійки, розстріли і таке інше). Основною причиною їх виникнення є вихрові зони за обтікаємими тілами (мал. 15).
Мал. 15. Схема утворення вихрової зони при обтіканні потоками циліндру.
Депресія лобових опорів розраховується за формулою:
, (3.12)
де коефіцієнт лобового опору (безрозмірний); міделевий перетин тіла, що створює лобовий опір (площа проекції тіла на площину, перпендикулярну до напряму руху повітря).
Коефіцієнт в формулі (3.12) при розвинутій турбулентності повітряних потоків залежить від форми і шорсткості поверхні тіла, що омивається; він має велике значення для менш омиваємої форми і за більш шорстких поверхонь тіл, що омиваються.
Для зменшення лобового опору тіла необхідно надати йому більш омивану форму; зниження шорсткості незначно зменшує опір.
Загальна депресія повітропроводу.
Загальна депресія повітропроводу дорівнює сумі депресій місцевих і лобових опорів:
(3.13)
Для умов гірничих виробок депресія тертя є переважною. Депресія місцевих опорів зазвичай складає (0,1 – 0,15). Для армованих стволів і очисної виїмки враховується депресія лобових опорів.
Характеристика повітропроводу.
З формул (3.13), (3.10), (3.11) і (3.12) вибігає, що загальну депресію можна виразити у вигляді (індекс при відкидаємо):
(3.14)
де сумарний аеродинамічний опір повітропроводу.
h = R''Q2
Вираз (3.14), а також його графік (мал. 16) називається характеристиками повітропроводу.
h = R'Q2
h
R' > R''
Q
Мал. 16. Криві характеристик повітропроводу.
На малюнку 16 видно, що характеристика повітропроводу проходить тим крутіше, ніж більше опір повітропроводу, і вона може бути побудована для одного трубопроводу або для їх системи, для однієї виробки або шахти, ЦПТ, кар’єру в цілому.
Одиниці виміру та їх розмірність.
В системі СІ одиницею вимірювання депресії є 1 Н/м2.
Така одиниця має назву «паскаль» (Па); 1 Н/м2 = 1 Па.
Для отримання депресії в паскалях за формулами (3.8), (3.11) і (3.12) необхідно величини, що входять до них виражати в наступних одиницях вимірювання: - в Н∙с2/м4; периметр повітропроводу, м; довжина повітропроводу, м; на стор. 35,36 у формулах (3.11) і (3.12)), м2; м3/с; 3.
За одиницю вимірювання аеродинамічного опору в розрахунках практичної роботи приймнятий «мюрг» (1
У вентиляційних розрахунках застосовується також одиниця аеродинамічного опору, що називається «кіломюрг» (і дорівнює 1000 Вочевидь, що
Інколи кіломюрг називають великою одинице опору, мюрг – малою.
Співвідношення між аеродинамічним опором, що виражається в кіломюргах (в мюргах (:
(3.15).
|
Варіанти для гірничих виробок |
|||||
|
1 |
100 |
4 |
2 |
0,001 |
2,2 |
|
2 |
120 |
5 |
2,5 |
0,0011 |
2,21 |
|
3 |
140 |
6 |
3 |
0,0012 |
2,22 |
|
4 |
160 |
7 |
3,5 |
0,0013 |
2,23 |
|
5 |
180 |
8 |
4 |
0,0014 |
2,24 |
|
6 |
200 |
9 |
4,5 |
0,0015 |
2,25 |
|
7 |
220 |
10 |
5 |
0,0016 |
2,26 |
|
8 |
240 |
11 |
5,5 |
0,0017 |
2,27 |
|
9 |
260 |
12 |
6 |
0,0018 |
2,28 |
|
10 |
280 |
13 |
6,5 |
0,0019 |
2,29 |
|
11 |
300 |
14 |
7 |
0,002 |
2,3 |
|
12 |
320 |
15 |
7,5 |
0,0021 |
2,31 |
|
13 |
340 |
16 |
8 |
0,0022 |
2,32 |
|
14 |
360 |
17 |
8,5 |
0,0023 |
2,33 |
|
15 |
380 |
18 |
9 |
0,0024 |
2,34 |
|
16 |
400 |
19 |
9,5 |
0,0025 |
2,35 |
|
17 |
420 |
20 |
10 |
0,0026 |
2,36 |
|
Варіанти для металевих трубопроводів |
||||||
|
1 |
0,314 |
100 |
0,0079 |
1,68 |
1 |
1,8 |
|
2 |
0,392 |
110 |
0,0123 |
1,69 |
1,01 |
1,81 |
|
3 |
0,44 |
120 |
0,0154 |
1,7 |
1,02 |
1,82 |
|
4 |
0,502 |
130 |
0,02 |
1,71 |
1,03 |
1,83 |
|
5 |
0,566 |
140 |
0,0255 |
1,72 |
1,04 |
1,84 |
|
6 |
0,628 |
150 |
0,0314 |
1,73 |
1,05 |
1,85 |
|
7 |
0,706 |
160 |
0,04 |
1,74 |
1.06 |
1,86 |
|
8 |
0,785 |
170 |
0,0049 |
1,75 |
1,07 |
1,87 |
|
9 |
0,879 |
180 |
0,0615 |
1,76 |
1,08 |
1,88 |
|
10 |
1,021 |
190 |
0,083 |
1,77 |
1,09 |
1,89 |
|
11 |
1,115 |
200 |
0,099 |
1,78 |
1,1 |
1,9 |
|
12 |
1,256 |
210 |
0,126 |
1,79 |
1,11 |
1,91 |
|
13 |
1,413 |
220 |
0,159 |
1,8 |
1,12 |
1,92 |
|
14 |
1,57 |
230 |
0,196 |
1,81 |
1.13 |
1,93 |
|
15 |
1,76 |
240 |
0,246 |
1,82 |
1,14 |
1,94 |
|
16 |
1,978 |
250 |
0,312 |
1,83 |
1,15 |
1,95 |
|
17 |
2,23 |
260 |
0,396 |
1,84 |
1,16 |
1,96 |
Примітка: застосовано нормовані размери круглих повітропроводів из листової сталі.
|
Варіанти для текстовінітових трубопроводів |
||||||
|
1 |
0,314 |
80 |
0,0314 |
1,1 |
2,6 |
1,1 |
|
2 |
0,33 |
90 |
0,0346 |
1,2 |
2,61 |
1,11 |
|
3 |
0,345 |
100 |
0,038 |
1,3 |
2,62 |
1,12 |
|
4 |
0,361 |
110 |
0,0415 |
1,4 |
2,63 |
1,13 |
|
5 |
0,377 |
120 |
0,0452 |
1,5 |
2,64 |
1,14 |
|
6 |
0,393 |
130 |
0,0491 |
1,6 |
2,65 |
1,15 |
|
7 |
0,408 |
140 |
0,0531 |
1,7 |
2,66 |
1,16 |
|
8 |
0,424 |
150 |
0,0572 |
1,8 |
2,67 |
1,17 |
|
9 |
0,44 |
160 |
0,0615 |
1,9 |
2,68 |
1,18 |
|
10 |
0,455 |
170 |
0,066 |
2,0 |
2,69 |
1,19 |
|
11 |
0,471 |
180 |
0,0707 |
2,1 |
2,7 |
1,2 |
|
12 |
0,487 |
190 |
0,0754 |
2,2 |
2,71 |
1,21 |
|
13 |
0,502 |
200 |
0,0804 |
2,3 |
2,72 |
1,22 |
|
14 |
0,518 |
210 |
0,0855 |
2,4 |
2,73 |
1,23 |
|
15 |
0,534 |
220 |
0,0907 |
2,5 |
2,74 |
1,24 |
|
16 |
0,55 |
230 |
0,0962 |
2,6 |
2,75 |
1,25 |
|
17 |
0,565 |
240 |
0,1017 |
2,7 |
2,76 |
1,26 |
|
Варіанти для тканинних трубопроводів |
||||||
|
1 |
0,628 |
40 |
0,126 |
2 |
1,4 |
1,3 |
|
2 |
0,785 |
50 |
0,196 |
2,1 |
1,41 |
1,31 |
|
3 |
0,942 |
60 |
0,283 |
2,2 |
1,42 |
1,32 |
|
4 |
1,099 |
70 |
0,385 |
2,3 |
1,43 |
1,33 |
|
5 |
1,256 |
80 |
0,502 |
2,4 |
1,44 |
1,34 |
|
6 |
1,413 |
90 |
0,636 |
2,5 |
1,45 |
1,35 |
|
7 |
1,57 |
100 |
0,785 |
2,6 |
1,46 |
1,36 |
|
8 |
1,727 |
110 |
0,95 |
2,7 |
1,47 |
1,37 |
|
9 |
1,884 |
120 |
1,13 |
2,8 |
1,48 |
1,38 |
|
10 |
2,041 |
130 |
1,327 |
2,9 |
1,49 |
1,39 |
|
11 |
2,198 |
140 |
1,539 |
3,0 |
1,5 |
1,4 |
|
12 |
2,355 |
150 |
1,766 |
3,1 |
1,51 |
1,41 |
|
13 |
2,512 |
160 |
2,01 |
3,2 |
1,52 |
1,42 |
|
14 |
2,669 |
170 |
2,269 |
3,3 |
1,53 |
1,43 |
|
15 |
2,826 |
180 |
2,543 |
3,4 |
1,54 |
1,44 |
|
16 |
2,983 |
190 |
2,834 |
3,5 |
1,55 |
1,45 |
|
17 |
3,14 |
200 |
3,14 |
3,6 |
1,56 |
1,46 |
План.
Енергія вітру.
Термічні сили.
Різниця статичних тисків.
Фактори технологічного характеру.
Висновок.
Енергія вітру.
Рух повітря в кар’єрі може бути викликаний енергією вітру, енергією термічних сил, різницею статичних тисків повітря в кар’єрі, деякими факторами технологічного характеру.
Енергія вітру – це кінетична енергія мас повітря, що рухається. Припустимо, що на маси повітря, яке рухається зі швидкістю діє вітровий потік, в результаті чого їх швидкість зростає до . В розглянутому випадку збільшення кінетичної енергії мас повітря, що рухаються з прискоренням, буде (див. стор. 20, (2.9) – рівняння Бернуллі):
(5.1)
де:
- густина повітря.
Якщо відсутні сили, що перешкоджають руху залучаємих мас повітря, то формула (5.1) визначає також ту енергію, яку втратив повітряний потік, збільшуючи швидкість залучаємих мас з За наявності сил опору руху (наприклад, сили тертя повітря по тверду поверхню) втрата енергії вітрового потоку буде:
(5.2)
де:
- втрата енергії вітрового потоку на подолання сил опору руху мас повітря, що залучаються.
Формула (5.1) виражає зміну кінетичної енергії одиниці об’єму повітря, тому розмірність |.
Енергія вітру є основним природним фактором, що забезпечує провітрювання кар’єру. Однак, по мірі поглиблення кар’єру її значення в природному провітрюванні зменшується. Деякі дані свідчать про те, що ефективне провітрювання кар’єрів енергією вітру можливе лише до глибини 200 м.
Термічні сили.
Термічні сили з’являються при підігріванні або охолодженні окремих об’ємів повітря, внаслідок чого густина цих об’ємів стає відмінною від густини довкілля. При цьому розвивається сила, що виштовхує (випихання) (див. стор. 16, 17 Основні закони аеростатики. Закон Архімеду.).
Термічна сила залежить головним чином від різниці температур різних об’ємів повітря, тобто визначається ефективністю тих теплоджерел, які діють в кар’єрі, і в першу чергу від інсоляції (опромінення сонцем) бортів і дна кар’єру.
Серед природних сил, що викликають рух повітря в кар’єрі, термічні сили мають другорядне значення після вітрових сил за значимістю в процесі провітрювання. Інтенсивність руху повітря в кар’єрі і його провітрювання при дії тільки термічних сил незначна. В той же час вони утруднюють або навіть призупиняють на тривалий період природне провітрювання кар’єрів, ящо відбувається сильне охолодження повітря в них або в усьому приземному шарі в районі кар’єру.
Різниця статичних тисків.
При різній освітленості поверхні кар’єру сонцем (в загальному випадку за різниці прогрівання атмосфери) між окремими зонами внутрішньокар’єрного простору можуть бути невеликі (до 50 Н/м2) різниці статичного тиску, які виникають внаслідок різниці ваги мас повітря, що знаходяться вище. Невелика різниця тисків між бортами може виникнути внаслідок динамічної дії вітру на один з них. Наявність цих різниць викликає потоки повітря невеликої інтенсивності від зон великого тиску до зон меншого.
Фактори технологічного характеру.
За деяких технологічних процесів в кар’значні кількості енергії можуть виділятися в повітря, тим самим створюючи умови для його руху. Це передусім виробництво вибухових робіт, для ведення яких застосовується велика кількість ВР. Під час вибуху ВР повітря в кар’єрі отримує потужний імпульс, спрямований вгору, дію якого в першому наближенні можна розглядати як таку, що складається з динамічної дії газів ВВ, що розповсюджуються під час вибуху, і кусків порід, що розлітаються, з термічної дії горючих газів ВР в об’ємі кар’єру. Енергія цього імпульсу буває достатньою для винесення за межі кар’єру значних кількостей газів ВР і пилу. Визначений вплив на локальний стан повітряного середовища може справляти гідромоніторні струмені.
Гідромонітори в кар’єрах сьогодні використовуються, як правило, для зрошення розвалів, поливу поверхонь, при гасінні пожеж і т. ін.
Для зрошення відбитої гірської маси використовуються гідромонітори, які встановлюються на автоцистернах і гідропотягах, а також стаціонарно.
Висновок
Під дією перелічених сил атмосфера кар’єру приходить у визначений стан, який характеризується наявністю поступального та пульсаційного руху повітря. Основними силами, які формують поступальний рух повітря в кар’єрі, є сили вітру і термічні сили. Пульсаційний рух утворюється в результаті заносу вихрів до кар’єру з поверхні і додаткової дії на атмосферу в кар’єрі розглянутих вище сил, головним чином, термічних. При цьому турбулізація атмосфери кар’єру, є проявом пульсаційних рухів, може бути як більшою, так і меншою, ніж на поверхні.
План.
Кар’єр як частина земної поверхні.
Утворення вільної або напівобмеженої струменів.
Схеми провітрюваня кар’єру: рециркуляційна і прямоточна.
Формування застійних зон.
Термічні об’ємні сили, що діють в кар’єрі.
Конвективна та інверсійні схеми провітрювання.
Комбінації чотирьох схем провітрювання кар’єрів.
Кар’єр є частиною земної поверхні. Тому повітрообмін в ньому в значному ступені визначається тими ж факторами, що і повітрообмін над земною поверхнею в цілому: швидкістю вітру і розподіленням температури в приземному шарі повітря.
Найбільш ефективно провітрюється кар’єр за використання енергії вітру з достатньо високими його швидкостями. В цьому випадку в кар’єрі утворюється або вільний (мал. 17, а), або напівобмежений (мал. 17, б) струмінь, що забезпечує ефективний виніс шкідливостей з кар’єру. Вільний струмінь, утворюється при великому куті відкосу борту кар’єра і тому зустрічається частіще, ніж напівобмежений. Схема провітрювання вільним струменем називається рециркуляційною, оскільки наявність зворотного струменю другого роду в зоні ОВСО призводить до численної циркуляції (рециркуляції) деякої частини повітря в об’ємі кар’єру. При цьому вільний струмінь АОВ буде приносити до борту ВО шкідливості, що виділяються на дільниці ОСВ і заносяться до струменю рециркуляційним потоком. Частина цих шкідливостей буде наново надходити до зони ОВСО, що з часом може призвести до накопиченню в ній значних кількостей шкідливостей. За цієї причини зони, подібні ОВСО, називаються застійними, або мертвими. Схема провітрювання з напівобмеженим струменем називається прямотічною, так як повітря в обсязі всього кар’єру рухається в одному напряму. Ця схема більш ефективна у зв’язку з тим, що вона не має застійних зон і швидкість повітря в кар’єрі мало чим відрізняться від швидкості вітру на поверхні. Однак вона зустрічається переважно за неглибоких розробок або в кар’єрах з дуже пологими бортами.
a) А
О D
В
С
б)
Мал. 17. Схема провітрювання кар’єру енергією вітру:
а- рециркуляційна; б – прямоточна.
За відсутності або малої його швидкості рух повітря в кар’єрі формується під дією термічних об’ємних сил2.
Повітря в кар’єрі підігрівається нагрітими поверхнями (борти, дно); останні можуть нагріватися сонцем за рахунок протікання окислювальних процесів, ендогенним теплом гірничих порід. В цьому випадку шари повітря, які прилягають до них, стають більш легкими і піднімаються до поверхні, рухаючись вздовж бортів. Цей потік виносить з кар’єру шкідливості. Така схема називається конвективною3. Ефективність провітрювання кар’єру за цієї схеми низька. Конвективна схема утворюється при позитивному вертикальному градієнті температури повітря в кар’єрі, що перевищує адіабатичний. За охолодженням повітря з глибиною розробки (температурний градієнт менше адіабатичного) останній стає більш важким і, намагаючись зайняти більш низьке положення, спускається на дно кар’єру. При цьому на дно заносяться і всі шкідливості, що виділяються на уступах більш високих горизонтів. Поступово глибокі дільниці кар’єру (або навіть весь кар’єр) заповнюється більшими кількостями шкідливостей, що перешкоджають безпечному веденню робіт. Така схема руху повітря називається інверсійною4. За інверсійної схеми руху повітря виносу шкідливостей з кар’єру практично не відбувається. В цьому випадку слід говорити не про провітрювання кар’єру, а про його відсутність. При цьому неодноразово спостерігалися випадки значного забруднення атмосфери кар’єрів і припинення робіт іноді на тривалий перідо внаслідок інверсій. Так, в жовтні 1967 р. і січні – лютому 1968 р. в Коркинському вугільному розрізі (м. Коркіно, Челябінська область, РФ, мал. 18) спостерігалися вельми сильні інверсії, за яких вміст окису вуглецю в розрізі в декілька раз перевищувал допустимі норми, і роботи припинялися. В листопаді 1967 р. забруднення атмосфери розрізу продовжувалося 12 днів. На Сибайському кар’єрі (Республіка Башкортостан, РФ, мал. 19) тривалість періодів забруднення за інверсій сягає 60 годин на рік.
Мал. 18. Коркінський вугільний розріз.
Окрім відміченних чотирьох основних схем провітрювання кар’єрів можуть виникати їх комбінації: рециркуляційно-прямоточна (одна частина кар’єру поблизу підвітреного борту провітрюється за рециркуляційною схемою, інша, де вільний струмінь сягає дна і рухаєється вздовж нього, - за прямоточною), інверсійно-конвективна (по одному – теплому - борту повітря піднімається, по другому – холодному (тіньовому) – спускається), прямоточно-рециркуляційна.
Більш детально схеми природного провітрювання кар’єрів будуть розглядатися в наступних розділах «Провітрювання кар’єрів енергією вітра» та «Провітрювання кар’єрів енергією термічних сил»).
Мал. 19. Сибайський кар’єр.
2 Об’ємними називаються сисли, які діють на кожну частину повітря (сили важкості, інерції та інші).
3 Від латинського convectio – перенесення; мається на увазі термічна конвекція.
4 Від латинського inversio – перестановка.