Способ проветривания карьера

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

<и>9853.14 (61) Дополнительное к авт. саид-ву,—

311М Кюа з (22) Заявлено 1ц0781 (21) 3316575/22-03 с присоединением заявки №

4 (23) Приоритет

Е 21 F 1/00

Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий

Опубликовано 30.12.82 ° Бюллетень ¹ 48

Дата опубликования описания 301282

)$3) УДК 622.457 (088. 8) (72) Авторы изобретения

В. И. Белоусов и В. Н. Селезнев

Белорусский филиал Всесоюзного научноисследовательского института галургии (71) Заявитель (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 карье-. ров, включающий изменения направления и скорости ветрового потока. В основу указрнного способа проветривания заложено формирование верхней части бортов карьера . (2-3 устуга) по определенному аэродинамически абтекаемому профилю, при этом на входе.

5 в карьер может быть обеспечено течение ветрового потока без ебрыва от специально спрофилированной поверхности, что объясняется эффектом налипания потока на эту подстилающую поверхность. При этом будет увеличиваться угол раскрытия струи ветрового потока и вследствие чего уменыаится или совсем исчезает зона рециркуляции в карьере ° Данный эффект будет иметь место при соблюдении условия

0,8К/Н, где R - радиус закругления проФиля (м), Н,- высота профиля (м); V — скорость ветрового потока (м/c). При скорости -потока равной

20 или больше 0,8 -„-- будет происхоR .дить его отрыв от поверхности данного профиля f 2 .

Недостатком этого способа является сложность выполнения и содержания специального профиля борта карьера в натурных условиях, значительные дополнительные затраты на создание специального профиля.Например, если угол откоса карьера 9 40о, = 3 м/с, Н = 50 м,то

985314

R должен быть не менее 187,5 м. Чтобы получить такой профиль, необходимо на каждый погонный метр борта карьера убрать около 620 м породы.

A 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- 15 равляемым, а заданный профиль может повернуть ветровые потоки только с определенными скоростями.

Цель изобретения — повышение интенсификации воздухообмена в карье- 20 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 радиус определяют из выраже ний ш=<,ü(- -) """

М4

<оя,р Я+о ач где о(. - угол, на который необходимб повернуть ветровой поток, град, V — окружная скорость вращения о поверхности цилиндра, м/с, Ч вЂ” скорость ветрового потока, м/с; гв — радиус цилиндра, м, Ь вЂ” вертикальная мощности слоя ветрового 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 увеличением его скоростей. При этом точка .отрыва пограничного слоя от поверхности цилиндра сдвигается к подветренной части, что обуславливает поворот потока относительно оси ци- 65 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 выражением

Ч =Ч 1.-.Г/Г61ИВ+ 2 ЯИГ, (S) а радиальная и окружная (линейная) составляющие скорости в результирующем потоке будут соответственно равны 4 =-Ч Н чи 9- О) где V — скорость поступательного потока;

r — радиус цилиндра, r - полярная координата, расстояние рт точки в потоке до центра координат, совмеценного с осью цилиндра, 8 — полярный угол рассматриваемой точки потока (координаты ), постоянная, . характеризующая и н те н сив но сть вихря, . — 27с гЧ.

V - окружная скорость в поле вихря, И вЂ” угловая скорость в поле вихря

В 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 = 2Ж rð Ч„, (где Y> - окружная скорость на поверхности цилиндра) и по- (1) определим координаты Я, линий тока ф/V = 1 за цилиндром ло потоку при ее пересечении с горизонтальной плоскостью, проходящей через .ось цилиндра (т.е. 9 О), при го = 1 и Ч = (0-3,0).

Найдем угол наклона линий тока

Ч/V. = 1 в точках с координатой л фс(=,—

Vq Чг

985314

Д ри g = 0, Г= 2 ю г Vo . йад цилиндром на единицУ длины р . „ вкрест потоку гоЧо г + ф «<> г Torna, " ч, "оЧ

g =- J З(чИх=.| (V+ — + — ")йХ (X )( фА= а так как tg = 1, то 5 . х

/ r

К V g1- . ).

1, 3 Яч — "ч) Ж =Vx+V Еи Х- —

Чо V V о

Чо" а ч к V (y) Д=)Ч Ч биХ вЂ” — „=(.Ч +Ч (иХ -<— )Знак минус в {4) указывает на от- -(vX„-Ч,ЕХ„- „)

М ,счет угла по-часовой стрелке. В ф табл. 2 приведены значения угла нак- ", Гр

Так как К = —, Х получим в слое .лона линий тока Ч /V = 1 в точках Yb Yo с координатой г !5

1"о . "9

Связь oLc V /V согласно данных табл. 2 выражается зависимостью ,) -Г Гу ч -ч v . О=Ч + Чфь = 57,gf-VVV) Г,тРс Д или (=57,Ь (—,) Е,пад жц, з - пъ ч (5) Q -Ч . ч "о и

ror% 0 е

Среднее отклонение значений d., тогда в деформированном слое при полученных по (5) от данных табл. 2 8 ..= =90 для результирующего потока, составляет 2,7%. 25 средняя скоРость над цилиндром

Определим максимальную высоту

Ч деформации результирующего потока Чср<.1) = pro - (9) относительно оси цилиндра при .8 = ro

Скорость Резу Ру Щ о ость ез льтирующего потока на, этом уровне ограничим равной ф о

Ч5 = 1,05Ч. Т.е. найдем r = г,где g

r — координата уровня над осью Р(М цйлиндра с V 1,05V. Примем направго

Q ф ° Ю Ма ление Ч за положительное, тогда

Я .условная средняя скорость в слоепри Г= 2%г„Ч согласно (3)

3,0БЧ =Ч (cPw vitro (м)

Итак, мы получим выражения M, r >

40 Q и V ð в зависимости от скоростей поступательного потока и вращения поверхности цилиндра, а также его радиуса. Это позволяет с достаточной

Решив квадратное уравнение (6) при полнотой определить параметры поля п оложительном значении корня полу-- результирующего потока при обтекании

45 цилиндра с циркуляцией потенциапьным поступательным потоком несжимае-оо5 vr>-rov Y>-vrо=o (ь) мой жидкости.

С 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 ци-! линдра относительно скорости ветра (-- ) принимают согласно формулы (5), V такой, чтобы угол поворота результирующего потока (3Ц был не менее угла откоса борта карьера (p) где расположен цилиндр, т.е. c(>r Р

Радиус цилиндра находят по (7), при этом с целью большей интенсификации воздухообмена, г, должна быть не менее вертикальной мощности слоя или

"0 (7) 50

Значения r

Найдем расход воздуха и средние скорости результирующего,.потока -над цилиндром в деформированном слое до уровня Чц = 1,05V при 9 = 90 . Сого ласно (3) при Г = 2ИгоЧц имеем

Ч 0 +0<з

V =Ч+ — +- °

6 - " Y

Причем V = y, х, тогда расro ход воздуха в деформированном слое 65

985314 ветрового потока, принимающего участие в проветривании карьера (h), Предлагаемый способ позволяет вопервых, увеличить скорости ветра в слое, проветривающем карьер, Во-вторых, обеспечивает прямоточное движение воздушных потоков Iio плоскости откоса подветренного борта и дну карьера, что обеспечивает ликвидацию рециркуляционной зоны. Как то, так и другое определяет интенсификацию воз- >О духообмена в карьере.

В качестве привода поверхности цилиндра во вращательное движение могут быть использованы электродвигатели, дизели и т.д. Перспективно так- 15 же использование для этой цели ветродвигателей, которые на 10-16 метровых мачтах располагают через определенные интервалы вдоль оси цилиндра.

Величина интервалов, количество дви- 2р гателей (n) определяется мощностью одного двигателя (Идб} и потребляемой мощностью необходимой для вращения поверхности цилиндра ((N<),т.е.

И 11 8 Ъ N,„(1 Z ) 25

Передаточное число с ветроустановок на цилиндр для какого-либо конкретного карьера будет постоянным для всех скоростей ветра и его принимают согласно соотношения Vo)×, а именно и 7)Ч / I

Для облегчения конструкции цилиндр делают пустотелым с деревянной, пластиковой и т.д. поверхностью. Уве- З5 личение шероховатости поверхности цилиндра может быть достигнуто за счет наружных ребер жесткости.

На чертеже изображена схема карьера.

Схема включает карьер 1 с большими углами откосов бортов, естественно проветриваемый по рециркуляционной схеме, цилиндр 2, расположенный на верхней бровке карьера с вращением поверхности верхнего контура по потоку, ветродвигатель 3., Стрелками показано движение ветровых потоков в карьере при вращении цилиндра со скоростью, обеспечивающей услов:ed)gp.

S0

Пример. Требуется интенсифицировать естественный динамический воэдухообмен карьера, проветриваемого по рециркуляционной схеме, и имеющего при среднегодовой скорости ветра 4 м/с .фоновое загрязнение атмосферы рециркуляционной зоны в два раза больше предельно допустимых кон1 центраций, Параметры карьера

50, вертикальная мощность слоя ветрового потока, принимающего учас60 тие в проветривании карьера h = 40 м длина карьера и средняя длина зоны рециркуляции перпендикулярные по отношению к направлению ветра соответственно равны B g = 1000 м, В< =300 м. 65

Для интенсификации проветривания рассматриваемого карьера необходимо, главным образом, обеспечить эффективный воздухообмен в рециркуляционной зоне, которая в данном примере имеет среднюю длину перпендикулярно к направлению ветра В = 300 м.. Поэтому с наветреннбй стороны, на верхней бровке карьера непосредственно над землей поверхностью устанавливаем цилиндр длиной 300 м, состоящий из

15 секций, жестко соединенных между собой 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 рециркуляции необходимо выполнить условие д(ЪР принимаем Ы. = 55 . Тогда по (5)

VD

Wr о

1 8 или -- †- = 1 8

Р

Ч V

С целью большей интенсификации воэдухообмена должен быть деформирован слой ветрового потока мощностью не менее h, принимаем r .= h = 40 мм. !

Г

Тогда (7) -- = 36 5 r = 1 1 м.

"ь

V, /

Так как --- = 1,8, то задаем,такое передаточное число с ветродвигателей на цилиндр, чтобы его поверхность вращалась с угловой скоростью

И = 1,64Ч (/с или: т = 0,26V об/с.

Для вращения цилйндра с заданной окружноГ: скоростью поверхности

V = 1,8V = 7,6 м/с необходимая потребляемая мощность составит И =

Н1 + N где и — необходимая мощность для преодоления момента инерции, 1 й,2 — необходимая мощность для преодоления сопротивления воздуха о поверхность цилиндра.

Согласно .(6) для нашего случая вращения цилиндрической оболочки с весьма тонкой стенкой

),) 11""о

1 где m — масса поверхности цилиндра из листового винипласта толщиной 2 мм, 6 ребер жесткости (остальной уголок и 5), торцов секций цилиндра, полуосей, подшипников и дополнительных ребер жесткости по направляющей цилйндра, rn

13000 кг время раскручивания цилиндра по заданной окружной скорос985314 ти, принимаем t = 600 с, тогда

"1 боо 1м2ьт =,7л ж1Ъо00 1

Координатный линий тока Ф и Vo =

О 5 1 0 1 5 2 0 2 5

V0/Ч 0 3,0

< - 7,390 2,718 1,948 1,649 1,492 1,396! Таблица 2

Углы наклона линий тока 4/Ч. = 1 при g = 0 r 1 и Чо = (3-3, О) V lIV град

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

0 3,93 23,05 46,28 62,47 71,80 77,23

Таблиц@ 3

Относительные мощности, расходы и средние скорости движения воздуха в слое деформации при & = 90

ЧОIЧ r9/ro e/V ЧСР1/Ч Чр /Ч Чсрь /Ч

1 2 3 .. 4 5 б

1,224

1,200

0,776

1,011

0,950

1,098

4,472 4,248

11,708 12,893

0,5

Н = FTp где F — сила сопротивления трения гР поверхности цилиндра о воздух.

Ч где С вЂ” коэффициент сопротивления трения, согласно .(7) для малой шероховатости поверхности и небольших скоростей

С. = С107 и Рв

ЧЕ, где  — число Рейнольдса, (Е.= +;

P. - характерный размер, в нашем, случае диаметр цилиндра (g = 2,2 м), Ч вЂ” кинематическая связкость воздуха, при температуре в 00C V = .0,133 10 м /с

S — площадь поверхности цилиндра (= 2072,2 м>); р — плотность воздуха (1,3 кг/м );

V — скорость ветрового потока

4 относительно окружной скорости вращения поверхности цилиндра.

В нашем„случае верхняя часть поверхности по отношению к скорости ветра вращается со скоростью7,6-4

3,6 м/с, а нижняя со скоростью

7,6 м/с, так как цилиндр расположен непосредственно над поверхностью земли, где нет движения,воздуха. Тогда принимает среднюю скорость с с

36+76

2.

5 6м/с

Г,6 g,,2 ° 04 р ) б б С О ОО Фб

И =О,ОО46 2О72,2. <,Ъ =НОВЕЕ =1,S .с-! откуда

10 й, = 1,7+ 1,5 = 3,2л.с.

Вследствие того, что при расчете, потребляемой мощности не учтены потери в подшипниках, передачах, и т.д., суммарную мощность ветродвигателей приняли в 6,5.л.с. Для привода цилиндра во вращательное движение выбираем 4 ветродвигателя типа Д-12, с выходной мощностью на нижнем шкиве редуктора при скорости ветра 4 м/с равной 1,6 л.с. каждый.

В данном примере скорости ветра на входе в карьер в слое 0 — h увели-, чатСя в 1,15 раза, в бывшей рецирку.ляционной зоне обратные потоки за счет поворота направления движения ветра сменятся на прямоточные, а их скорости возрастут в 2-3 раза. При-! мерно, в тоже количество раз интенсифицируется и воздухообмен в карьере и снизится уровень загрязнения его атмосферы пылью и вредными газами, т.е. будет ниже предельно допустимых концентраций.

Предлагаемое изобретение без существенных затрат позволяет в значительной мере интенсифицировать естественное динамическое проветривание-карьеров и обеспечить в них нор .мализованные санитарно-гигиенические условия труда.

Таблица 1

/Ч=1(при@=О,r=1 (0-3, О) Ч

985314

Продолжение табл. 3

1, 143 1, 091

1,0

20,954 23,949 1,200

30,652 35,753 1,206

40,494 47,872 1,212

1,5

1, 166

1,182

1,194

1,204. 1,130

1", 154

1,171

1,184

2,0

50,397 60,177 1;218

2,5

3,0

60,332 62,615

1,224

ВНИИПИ Заказ 10115/45 Тираж 470 Подписное

Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðoä; ул.Проектная,4

Формула изобретения

Способ. проветривания карьера, включающий изменение направления и скорости ветрового потока, о т л ич а ю шийся 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

А Б 6(" ) - .1 где с . — угол, на который необходимо повернуть ветровой поток, град, у — окружная скорость вращения поверхности цилиндра, м/с, V — скорость ветрового потока, м/с, )" — радиус цилиндра, м,"

25 вертикальная мощность слоя ветрового потока, принимающего участие в проветрива.нии карьера, м.

" Источники информации, gp принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 646405, кл. E 21 F 1/00, 1976.

2.Гуль Ю.В. и др. Результаты экспериментального излученияинтенсификации естественного воздухообмена в карьерах при аэродинамическомпрофилировании буртов. Сборник Физико-технические проблемы управления воздухообме, ном в горных выработках больших объемов" .Таллин, 1979, с. 77-78 (прототип)..