О применении аэростатических аппаратов на открытых разработках

В.Д. Буткин, Е.Н. Касьянова, А.С. Морин, Сибирский федеральный университет (Красноярск)

На современном этапе развития открытых горных раз работок выделяются две объективные особенности:

• рост глубины карьеров, более 50% которых имеют проектную глубину 150–1000 м;
• быстрый рост доли нагорных карьеров: равнинные месторождения истощаются, а минеральные ресурсы горных регионов практически неисчерпаемы [1].

Для глубоких и нагорных карьеров наиболее острыми являются проблемы транспорта горной массы, охраны окружаю щей среды и безопасности труда. Для их решения ведется поиск новых технологий и технических средств, так как существующие характеризуются большими энерго - и трудозатратами. По нашему убеждению, к числу перспективных для карьеров относятся технологии, основанные на использовании аэростатических аппаратов. В последние годы предложено значительное количество карьерных аэростатных систем для основных – транспорт и выемочно-погрузочные работы [2], и вспомогательных – искусственное проветривание [3], технологических процессов.

Ниже рассматриваются наиболее перспективные и близкие к практической реализации карьерные аэростатные комплексы, разработанные в Сибирском федеральном университете (СФУ).

Быстровозводимые энергосберегающие аэростатно - канатные транспортные системы Сотрудниками СФУ разработан аэростатно - канатный спуск (АКС) на основе запатентованного способа транспортирования горной массы [4], отличающийся от известных грузовых канатных дорог принципом функционирования и возможностью работы в автономном режиме без подвода топливной или электрической энергии от внешних источников. АКС предназначен, в основном, для выполнения транспортных работ при нисходящих грузопотоках, большие масштабы которых характерны не только для нагорных, но и для равнинных карьеров. Огромные объемы по транспортированию вскрышных пород связаны с внешним и внутренним отвалообразованием, с перемещением горной массы на концентрационные горизонты, с засыпкой и рекультивацией выработанного пространства отработанных карьеров и т.д. АКС имеет простую конструкцию (рис. 1). Транспортная магистраль образована одним или несколькими направляющими канатами 1, натянутыми с определенным усилием с помощью контргрузов 2 между двумя опорами 3 и 4, расположенными на нижнем и верхнем горизонтах. По канатной магистрали свободно перемещается грузовая емкость 5, соединенная с аэростатом 6, который является источником тяги для подъема порожней емкости на верхний горизонт и частично облегчает груз при спуске, обеспечивая заданную высокую грузоподъемность, не достижимую обычными грузовыми подвесными канатными дорогами.

Рис. 1 Схема аэростатно-канатного спуска:
1 – несущие канаты; 2 – контргруз; 3 – нижняя опорная конструкция; 4 – верхняя опорная конструкция; 5 – грузовая емкость; 6 – аэростат

Энергетическая автономность АКС (при углах наклона хорды пролета больше 10°) связана с тем, что свободная грузоподъемность аэростата Fо устанавливается меньше полезной грузоподъемности Е транспортной системы. В результате этого спуск груженой емкости осуществляется под действием силы Е – F0, а возврат емкости – под действием силы F0, т.е. в обоих случаях используется гравитационная энергия. Кроме того, при работе АКС можно генерировать электроэнергию с промышленными параметрами и в большем количестве, чем при использовании, например, наклонных конвейеров, работающих на спуск горной массы. Процесс рекуперации оптимален при соотношении F0/Е = 0.5.

Большого внимания заслуживают аэростатно - канатные подъемники (АКП), позволяющие транспортировать груженую горной массой емкость (уравновешенную подъемной силой аэростата) с глубоких горизонтов карьера на поверхность, по кратчайшему расстоянию с помощью тяговых канатов [5]. АКП целесообразно применять в карьерах с обширным выработанным пространством, где горные работы осуществляются современными экскавационными машинами (от экскаваторов - мехлопат, драглайнов до горных комбайнов типа Wirtgen, KSM, Vermeer и т.п.), рис. 2. Основное преимущество АКП заключается в высоком коэффициенте полезного использования энергии, превышающем 70%, против 14% при авто мобильном и 45% при конвейерном видах транспорта [2]. Семейство АКП и АКС дополняют комбинированные аэростатно - канатные транспортные системы (АКТС), совмещающие процесс подъема полезного ископаемого на поверхность с процессом спуска породы для их укладки во внутренние отвалы [6]. При этом для подъема груза используется гравитационная энергия нисходящего потока.

Рис. 2 Транспортный комплекс карьера с аэростатно-канатным подъемом горной массы

Применение АКТС в определенных условиях может привести к глубоким преобразованиям технологии открыто го способа разработки месторождений, способным повысить его экологическую безопасность и резко снизить ресурсо- и энергоемкость горного производства. Аэростатные крылья для интенсификации проветривания глубоких карьеров Актуальность создания безопасных атмосферных условий на рабочих местах в карьерах по мере их углубления и увеличения угла откоса бортов постоянно возрастает [7]. Существует большое количество технических предложений по общеобменной вентиляции глубоких и сверхглубоких карьеров [3]. В качестве целесообразного метода вентиляции признан трубопроводный способ [3, 8, 9, 10, 11], наиболее эффективно реализуемый с помощью мобильных систем с гибкими аэростатическими трубопроводами [3, 8, 9, 12].

При этом вопрос о целесообразности искусственной вентиляции глубоких карьеров до настоящего времени остается дискуссионным, что в основном связано с отсутствием аргументированного обоснования необходимости соблюдения санитарно-гигиенических норм во всем объеме карьерного пространства при известных экономических и энергетических ограничениях. Вместе с тем, существуют менее затратные способы нормализации атмосферы глубоких карьеров, основанные на интенсификации естественных воздухообменных процессов. Активизация естественного воздухообмена может быть инициирована выполнением особых технологических мероприятий или с помощью специальных сооружений и устройств, включая теплообменные системы, воздухопроводные каналы с естественной тягой, механические и электромагнитные комплексы и другого [3].

Одним из наиболее действенных методов улучшения естественного проветривания карьеров является возведение заграждений, деформирующих ветровой поток с повышением его скорости во внутрикарьерном пространстве или увеличением (на 20–40%) угла раскрытия воздушной струи. Заграждения могут выполняться в виде отвалов горных пород, воздушных, водяных и водовоздушных завес, а также крупных пластин (щитов) или эластичных крыльев. Экспериментально доказано, что наличие ветронаправляющего заграждения над карьером ведет к полной ликвидации зоны рециркуляции в его глубокой части [13], где в обычных условиях нарушения состава воздуха имеют тяжелый, хронический характер.

С целью расширения возможностей эффективного использования природных сил при управлении пылегазовым режимом глубоких карьеров сотрудниками СФУ было предложено аэростатное заграждение [14], схема и принцип работы которого представлены на рис. 3. Заграждение выполнено в виде плавучего эластичного крыла 1, заполненного аэростатным газом (гелий, горячий воздух и др.) и удерживаемого со стороны подветренного борта карьера тросами 2, наматываемыми на лебедки. Изменение угла наклона и вы соты установки ветронаправляющего заграждения 1 осуществляют регулированием длины тросов 2 посредством передвижных лебедок 3.

Рис. 3 Схема устройства и действия аэростатного ветронаправляющего заграждения

Данное устройство позволяет управлять не только ветровыми, но и тепловыми схемами естественного проветривания карьеров. Например, с целью создания или интенсификации конвективных воздушных потоков аэростатное крыло 1 может быть размещено над рабочим бортом (рис. 4), при этом внутрь его оболочки с помощью воздуходувки 2 через трубопровод 3 подают горячий воздух. Избыточные объемы стравливаются из оболочки через предохранительный клапан. В результате, в зоне дислокации теплового аэростата создается положительный температурный градиент, образующий мощные восходящие потоки воздуха [15].

Рис. 4 Схема организации конвективных воздушных потоков во внутрикарьерном пространстве с помощью теплового аэростата

Перечисленные возможности интенсификации естественного воздухообмена в карьере могут быть дополнены колебательными движениями аэростатного крыла, вызывающи ми «поршневой» эффект.

Предлагаемое устройство позволяет оперативно изменять схемы естественного проветривания глубоких карьеров за счет своей рациональной многофункциональной конструкции и высокой мобильности, которая является отличительной особенностью всех рассмотренных в данной статье карьерных аэростатных систем.

Использованные источники:

1. Ильин С.А. Нагорные карьеры мира. Ч. 1. Нагорные карьеры дальнего зарубежья. М.: ИАЦ ГН, 1993. 224 с.

2. Буткин В.Д., Морин А.С. Изыскание эффективных аэростатно - канатных систем для технологических комплексов открытых горных работ / В сб.: Вопросы теории открытых горных работ. М.: МГГУ, 1994. С. 193–208. 3. Морин А.С. Технология проветривания глубоких и сверхглубоких карьеров. М.: МАКС Пресс, 2006. 160 с.

4. Авторское свидетельство №1776795 Е21С 41/26 (СССР). Способ транспортирования горной массы / Буткин В.Д., Морин А.С. №4815023/03; заявл. 18.04.1990; опубл. 23.11.1992. Бюл. №43.

5. Патент №2052115 Е21С 41/26 (РФ). Способ транспортирования горной массы / Морин А.С., Буткин В.Д. №93029517/03; заявл. 27.05.1993; опубл. 10.01.1996. Бюл. №1.

6. Патент №2114308 Е21С 41/26 (РФ). Способ транспортирования горной массы / Буткин В.Д., Морин А.С., Кравцов В.В., Демченко И.И. №96100297/03; заявл. 05.01.1996; опубл. 27.06.1998. Бюл. №18.

7. Морин А.С. Роль методов искусственного проветривания в комплексе мероприятий по управлению пылегазовым режимом карьеров / Известия вузов. Горный журнал. 2007. №1. С. 24–28.

8. Морин А.С. Трубопроводная вентиляция на карьерах / Горная Промышленность. 2002. №3. С. 40–43.

9. Морин А.С. Изыскание оптимальных схем и средств искусственной вентиляции глубоких карьеров / Безопасность труда в промышленности. 2002. №12. С. 43–47.

10. Косарев Н.П., Тимухин С.А., Попов Ю.В., Потапова А.С., Камышева Н.Е. Аэродинамика струйно- всасывающей схемы вентиляции застойных зон глубоких карьеров / Известия вузов. Горный журнал. 2005. №6. С. 16–18.

11. Тимухин С.А., Попов Ю.В., Камышева Н.Е. Оценка аэродинамических и энергетических характеристик осевых вентиляторов, создаваемых на базе авиационных винтов / Известия вузов. Горный журнал. 2007. №1. С. 82–84.

12. Патент №2148717 Е21F 1/00 (РФ). Способ проветривания карьеров / Морин А.С., Буткин В.Д. №98104351/03; заявл. 16.02.1998; опубл. 10.05.2000. Бюл. №13.

13. Битколов Н.З., Медведев И.И. Аэрология карьеров. М.: Недра, 1992. 264 с.

14. Патент №2172838 Е21F 1/00 (РФ). Устройство для проветривания карьеров / Морин А.С., Буткин В.Д., Бартель А.Я., Касьянова Е.Н., Зимаков Е.А. №2000111293/03; заявл. 06.05.2000; опубл. 27.08.2001. Бюл. №24.

15. Патент №2172839 E21F 1/00 (РФ). Способ искусственной вентиляции глубоких карьеров / Морин А.С., Буткин В.Д. №2000111294/03; заявл. 06.05.2000; опубл. 27.08.2001. Бюл. №24.

журнал «Горная Промышленность» специально для РИА «Горная Промышленность»