Под воздействием природных сил

Термические силы в пределах карьерного пространства про­являются в двух видах:

а) температурные неоднородности поверхностного слоя почвы;

б) температурная стратификация атмосферы, характеризуе­мая значениями вертикального температурного градиента

γ = ΔТ/Н, К/м, (1.1)

где ΔТ— разность температур на нижней и верхней границах вы­деленного слоя воздуха толщиной Н (в частном случае, это разность температур воздуха на дне и поверхности карьера глубиной Н).

Схемы движения воздуха, сформированные термическими си­лами, действующими в карьере, наиболее четко проявляются в без­ветренную погоду. Различают конвективную, инверсионную и инверсионно-конвективную схемы теплового проветривания.

Рис. 1.2. Движение воздуха в карьере при конвективной схеме проветривания

Конвективная схема (рис. 1.2) возникает при прогретых бор­тах карьера (возможные источни­ки нагрева — солнечная энергия, глубинное тепло, окислительные процессы и т.д.) за счет теплооб­мена горных пород с примыкаю­щими к ним слоями воздуха. При этом вертикальный температур­ный градиент превышает значе­ние, соответствующее безраз­личному равновесию атмосферы (γ>0,01 К/м). При конвективной схеме естественного проветрива­ния карьера массы теплого возду­ха поднимаются вверх не верти­кально, а движутся вдоль уступов вследствие прижимающего эф­фекта опускающихся более хо­лодных масс. По мере приближе­ния к поверхности объем подни­мающегося воздуха увеличивает­ся. Наиболее мощные конвективные потоки наблюдаются у верх­них уступов.

Рис. 1.3. Инверсионная схема проветривания карьера с замкнутым (а) и открытым (б) выработанным пространством

Инверсионная схема проветривания (рис. 1.3) возникает в ка­рьере за счет радиационного охлаждении поверхности его бортов, когда значение вертикального температурного градиента становится меньше изотермического (γ<0 К/м). Инверсионные движения могут возникать не только при охлаждении воздуха бортами карьера, но и при прохождении над ним холодного атмосферного фронта.

При этой схеме может быть два качественно различных слу­чая, существенно влияющих на эффективность проветривания ка­рьера и состав воздуха в нем. В таких карьерах (рис. 1.3, а) при температурных инверсиях ох­лажденный воздух стекает по всем бортам в наиболее глубокую часть, вытесняя со дна теплые слои. В результате образуется «озе­ро» холодного воздуха, глубина которого при продолжительном штиле может быть равна глубине карьера. Возникающая ситуация приводит к образованию застойных зон и к общему загрязнению атмосферы выработанного пространства под действием производ­ственных факторов.

Ко второму случаю относятся карьеры, расположенные на ко­согорах и отрабатываемые без образования замкнутых выемок (рис. 1.3, б). При инверсиях такие карьеры проветриваются нисхо­дящими охлажденными потоками, стекающими в примыкающую к карьеру долину и выносящими из него техногенные вредные примеси. В этом случае общие загрязнения и застойные зоны не возникают.

Инверсионно-конвективная схема движения воздуха имеет место в ситуациях, когда один борт карьера охлажден, а другой нагрет (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Инверсионно-конвективная схема проветривания карьера

При слабом ветре установившееся конвективное или инверси­онное движение нарушается в верхней части карьера, и с усилени­ем ветра тепловые переходят в ветровые или комбинированные схемы проветривания.

Теория ветровой аэрации карьеров в основном разработана В.С.Никитиным [1, 2, 3]. В ней предполагается, что в карьере от­сутствуют сколько-нибудь заметные термические силы, т.е. рас­сматривается действие только одного фактора, вызывающего дви­жение воздуха, — ветра на поверхности. Такое движение имеет ме­сто лишь при адиабатической температурной стратификации ат­мосферы (у= 0,01 К/м), когда она находится в состоянии безраз­личного равновесия и на перемещение воздуха по вертикали не тре­буется дополнительной затраты энергии. В зависимости от про­филя карьера различают четыре схемы ветровой о проветривания, основные признаки которых приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1.