Существующая проблема. Эффективность естественного проветривания карьеров в Арктической зоне России на глубинах, превышающих 150-200 м, определяется суточными и недельными амплитудами изменения температуры наружного воздуха, составляющие 10-20 ⁰С, что приводит к образованию в карьере температурных стратификаций стратификации, характеризующихся различными градиентами. Для отрицательного значения температурного градиента характерно образование зон циркуляционного движения воздуха, следствием которых является накопление в карьерном пространстве загрязняющих веществ, образующиеся при взрывных работах и эксплуатации горнотранспортного оборудования, что в свою очередь приводит к нарушению производственного цикла и экономическим потерям.

Идея работы. Установление условий образования зон циркуляции в зависимости от динамики температуры наружного воздуха дает возможность осуществлять прогноз состояния воздушной среды в карьерах, разрабатывать мероприятия по улучшению естественной вентиляции и планировать рациональный график осуществления работ по добыче полезного ископаемого.

Детали исследования. Показано, что для оценки возможности и объемов загрязнения карьерного воздуха, имеющего место при взрывных работах и эксплуатации горнотранспортного оборудования, достаточно проведение математического моделирования аэродинамических процессов, которое позволит установить условия образования температурных инверсий и размеры зон рециркуляции. Предложена методология моделирования аэродинамических процессов с учетом геометрии карьерного пространства, температурного градиента, скорости и направления ветрового потока.

При отрицательной разности между температурами карьерного и наружного воздуха, характерно развитие зон циркуляционного движения воздушных масс, которые снижают эффективность естественной вентиляции и приводят к накоплению загрязняющих веществ.

Данные закономерности подтверждаются результатами математического моделирования, представленными на рис.1, которые свидетельствуют о том, что слои воздуха, прилегающие к бортам карьера, имеет сниженные скоростные характеристики и, как следствие, более низкие значения температур, что способствует развитию циркуляционных и застойных зон.

На основании данных математического моделирования установлена графическая зависимость температурного градиента от глубины карьера. Анализ этой зависимости показал, что для рассмотренного профиля карьерного пространства характерно образование отрицательного температурного градиента, начиная с отметки в 200 метров от верхней границы, соответствующей уровню Земной поверхности. В этом случае, полноценный вынос за границы карьерного пространства всего объема загрязненного воздуха, образующегося в процессе разработки месторождения, не обеспечивается.  Вместе с тем, до глубины карьера 200 метров за счет естественных ветровых потоков обеспечивается эффективное проветривание, как подветренного борта карьера, так и всего выработанного пространства.

Заключение. Результаты моделирования показали, что область применения естественной вентиляции карьеров, расположенных в Арктической зоне России, следует определять с учётом месячной и суточной динамики термодинамических параметров атмосферного воздуха, определяющих величину температурного градиента в воздушном пространстве и образование застойных зон и зон циркуляционного движения воздуха.

Для нормализации параметров карьерного воздуха при температурных инверсиях с отрицательным температурным градиентом следует планировать рациональный график осуществления работ по добыче полезного ископаемого или использовать инженерно-технические мероприятия по повышению эффективности естественной вентиляции.