Аэрология карьеров

МИ НИ С Т ЕРС Т ВО НА УКИ  И  ВЫС ШЕГО ОБРА З ОВА НИ Я РФ
№ 4334
Университет науки и технологий МИСИС
ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ
Кафедра безопасности и экологии горного производства
О.Н. Драгунский 
К.С. Коликов
АЭРОЛОГИЯ КАРЬЕРОВ
Учебное пособие
Рекомендовано редакционно-издательским  
советом университета
Москва 2023

УДК 622.4 
 
Д72
Р е ц е н з е н т 
канд. техн. наук, доц., генеральный директор ООО «Экопроекткарьер» 
А.И. Тушов
Драгунский, Олег Наумович.
Д72  
Аэрология карьеров  : учеб. пособие  / О.Н.  Драгунский, К.С. Коликов. – Москва : Издательский Дом НИТУ 
«МИСиС», 2023. – 337 с.
ISBN 978-5-907560-47-5
Приведены требования, предъявляемые к атмосфере карьеров, 
в том числе ветровому и температурному режимам, влажности воздуха и др. Проанализированы источники загрязнения выработанных пространств и факторы, влияющие на уровень загрязнений. 
Представлены основные закономерности естественного воздухообмена в карьерах.
Рассмотрены проблемы термодинамики, газовой и пылевой динамики атмосферы выработанных пространств. Дан анализ схем 
естественного проветривания карьеров, а также представлен обзор 
многих средств искусственной вентиляции, ранее эксплуатируемых 
и запроектированных для открытых горных работ. Приведен анализ 
существующих способов проектирования карьерной вентиляции. 
Рассмотрены вопросы взаимовлияния аэрологии карьеров и экологических проблем, связанных с общим загрязнением атмосферы.
Предназначено для студентов, магистров, аспирантов и преподавателей горных вузов и  факультетов, инженерно-технических 
работников и  специалистов НИИ и  горнодобывающих предприятий, проектных институтов.
УДК 622.4
Драгунский О.Н., 
Коликов К.С., 2023
ISBN 978-5-907560-47-5
Университет МИСИС, 2023

СОДЕРЖАНИЕ
Введение.
........................................................................ 7
1.  Атмосфера карьеров и предъявляемые к ней  
требования.
................................................................... 11
1.1.  Требования к допустимым концентрациям газов, 
находящихся в атмосфере карьеров............................... 11
1.2.  Требования к содержанию пыли в атмосфере  
карьеров.................................................................... 15
2.  Микроклимат карьеров. Ветровой режим. Влажность 
воздуха. Атмосферное давление....................................... 21
3.  Требования к температурному режиму атмосферы  
рабочих зон................................................................... 33
3.1.  Ожоги термические.............................................. 33
3.2.  Тепловой удар и общее перегревание.
...................... 34
3.3.  Охлаждение организма......................................... 35
3.4.  Источники высоких температур............................. 39
4.  Источники загрязнения атмосферы карьеров.
................ 46
5.  Факторы, влияющие на уровень загрязнения  
атмосферы карьеров....................................................... 57
5.1.  Скорость и направление воздушного потока............. 57
5.2.  О микроклимате карьера «Мурунтау» и разреза 
«Коркинский».
........................................................... 59
5.3.  Влияние технологических факторов  
на проветривание карьеров.
.......................................... 64
5.4.  Размеры и геометрия карьеров.
.............................. 71
5.5.  Организация работы как фактор оптимизации 
санитарно-гигиенических условий труда.
....................... 72
5.6.  Горно-геологические условия месторождения.......... 72
5.7.  Рельеф местности – фактор, влияющий  
на загрязнение атмосферы карьеров.............................. 75
5.8.  Тип и производительность оборудования – факторы 
загрязнения атмосферы карьеров.................................. 77
5.9.  Влажность разрабатываемого горного массива 
как фактор, влияющий на загрязнение атмосферы  
карьера..................................................................... 80
6.  Основные закономерности естественного воздухообмена 
в карьерах.
.................................................................... 82
3

6.1.  Основные законы аэростатики............................... 82
6.2.  Основные законы аэродинамики............................ 83
6.3.  Свободные турбулентные струи.............................. 88
7.  Термодинамика атмосферы карьеров............................ 96
7.1.  Источники тепла.
................................................. 96
7.2.  Распределение солнечной радиации в карьерах........ 98
7.3.  Геотермический режим в карьерах........................103
7.4.  Температурная стратификация атмосферы  
карьеров...................................................................105
7.5.  Термические силы и их влияние на состояние 
атмосферы карьеров...................................................120
7.6.  Туманообразование в карьерах.
.............................128
7.7.  К вопросу о возможности и целесообразности 
разрушения температурных инверсий в карьерах.
..........133
8.  Газовая и пылевая динамика карьеров.........................141
8.1.  Газовая динамика карьеров..................................141
8.2.  Пылевая динамика карьеров................................150
9.  Схемы естественного проветривания карьеров..............161
9.1.  Силы, формирующие движение воздуха 
в выработанном пространстве карьера..........................161
9.2.  Прямоточная схема проветривания карьера.
...........167
9.3.  Рециркуляционная схема проветривания  
карьера....................................................................172
9.4.  Рециркуляционно-прямоточная схема  
проветривания карьера.
..............................................183
9.5.  Прямоточно-рециркуляционная схема  
проветривания карьера.
..............................................185
9.6.  Проветривание глубокой части, отдельных выемок 
и траншей в карьере...................................................188
9.7.  Конвективная схема проветривания......................194
9.8.  Инверсионная схема движения воздуха в карьере.
...198
9.9.  Комбинированные схемы проветривания карьера.
...204
10.  Искусственная вентиляция карьеров.........................207
10.1.  Способы искусственной вентиляции.
....................207
10.2.  Интенсификация естественного воздухообмена 
в карьерах................................................................211
10.3.  Вентиляция с применением труб и подземных 
выработок.
................................................................229
4

10.4.  Технические средства для вентиляции карьеров 
свободными струями..................................................231
10.5.  Использование генерирования и переноса  
твердых осадков (снега) для нормализации состояния 
атмосферы карьеров...................................................260
10.6.  Схемы искусственной вентиляции.......................268
11.  Проектирование вентиляции в карьерах.
....................292
12.  Взаимовлияние воздушной среды карьеров 
и окружающих их территорий........................................310
Библиографический список.
...........................................332
5

Светлой памяти профессоров 
 
Московского горного института – 
 
Кима Захаровича Ушакова 
 
и Владимира Васильевича Силаева, 
 
стоявших у истоков преподавания 
 
курса аэрологии карьеров, посвящается.
6

ВВЕДЕНИЕ
Открытый способ добычи полезных ископаемых как высокопроизводительный и наиболее экономичный получил к настоящему времени преимущественное распространение в подавляющем большинстве отраслей горнодобывающей промышленности. 
Современные карьеры – это мощные горные предприятия, оснащенные новейшим оборудованием: экскаваторами, бурстанками, погрузчиками, бульдозерами, транспортной техникой и др.
Тем не менее на многих карьерах установлено, что интенсификация производства зачастую приводит к усилению вредного 
влияния таких производственных факторов, как запыленность 
и  загазованность выработанного пространства. В особенности в 
данном случае возрастает влияние этих факторов с увеличением 
глубины разработки. Заметим, что  на  территории Российской 
Федерации уже в  настоящее время находятся в  эксплуатации 
по меньшей мере пять карьеров глубиной около 500–600 м и более. Самый же глубокий карьер в мире – Бингем-Каньон (добыча меди, золота, серебра и молибдена), находится в штате Юта, 
США (1200 м), и это говорит как раз о том, что глубина открытых 
разработок в  России будет со  временем только увеличиваться.
В  связи с  этим, безусловно, необходимость нормализации 
условий труда потребует проведения целого комплекса организационных и  технических мероприятий, направленных на 
предупреждение опасных ситуаций, способных при определенных условиях привести к несчастным случаям, авариям и заболеваемости.
В 1950–1960-х гг. начала развиваться новая область горной 
науки, а именно охраны труда – аэрология карьеров, в которой 
изучаются свойства атмосферы карьеров и технико-технологические вопросы ее нормализации с целью оздоровления воздушной среды в выработанных пространствах и местностях, примыкающих к ним. Без таких разработок практически невозможно 
предотвращать развитие опасных аэрологических ситуаций при 
ведении открытых горных работ, которые могут приводить к 
временному прекращению функционирования карьеров из-за 
невозможности обеспечить для  работающих здоровые и  комфортные условия труда.
7

У истоков аэрологии карьеров стояли академики А.А. Скочинский и В.В. Ржевский. Ее научной базой явились аэрогидродинамика, теплофизика, динамическая метеорология и, 
конечно  же, непосредственно горное дело. Важную роль в  ее 
развитии сыграли работы Н.З.  Битколова, Л.Г.  Качурина, 
М.М. Конорева, К.В. Кочнева, В.А. Михайлова, В.С. Никитина, В.В. Силаева, К.З. Ушакова, С.С. Филатова, М.С. Ахметова, 
П.В. Бересневича, Я.З. Бухмана, А.А. Вершинина, Ю.В. Гуля, 
В.П. Куликова, Г.И. Матвеева, Г.Ф. Нестеренко, А.И. Павлова, 
В.А. Рогалева и др.
Причинами загрязнения воздуха рабочих зон в карьерах являются, как правило, несовершенство ряда технологических процессов и горнотранспортного оборудования, а также ухудшение 
условий естественного проветривания. Основные  же источники 
пылегазовых загрязнений в  выработанных пространствах  – это 
буровзрывные работы, движение автотранспорта, экскавация, 
отвалообразование и др. Безусловно, сильное влияние на загрязнение атмосферы карьеров оказывает и климат районов их расположения, в частности продолжительность штилей и инверсий 
температур. Наиболее неблагоприятные в этом отношении регионы – это Сибирь (в первую очередь Восточная, где находится большинство новых глубоких карьеров) и Крайний Север страны, т.е. 
регионы с наиболее суровыми климатическими условиями.
Большую опасность для  атмосферы карьеров и  окружающей их среды создают массовые взрывы. Пылегазовое облако, 
образующееся при этих взрывах, может загрязнять значительные объемы окружающего воздуха. Вместе с тем при этом часть 
вредностей остается во взорванной горной массе, и при относительно сильном ветре выносимые им позднее вредные вещества 
также могут влиять на загрязненность атмосферы.
В связи с указанными обстоятельствами возникла острая необходимость как в интенсификации естественного проветривания глубоких карьеров, так и в создании средств их искусственной вентиляции. В  противном  же случае, если не применять 
указанные методы нормализации атмосферы выработанных 
пространств, повышение уровней их запыленности и загазованности может привести к весьма заметному росту числа профзаболеваний и острых отравлений у горняков.
8

Искусственная вентиляция предполагает организацию как 
местной, так и общеобменной вентиляции, а также и интенсификацию естественного проветривания. Местная вентиляция 
применяется при загрязнении небольших внутрикарьерных пространств (забоев, мест взрываний горного массива и мест отбойки 
горной массы другими способами, ее погрузки на транспортные 
средства и т.п.). Общеобменная же вентиляция применяется при 
образовании значительных по объему зон загазованности или загрязнения в карьерах, и для небольших карьеров в целом. Технологии искусственной вентиляции достаточно подробно описываются в настоящем пособии.
Для оздоровления атмосферы карьеров необходимо соблюдать не только санитарно-гигиенические нормативы содержания в воздухе карьеров газов и пыли, но также и нормативы 
для микроклимата в кабинах горнотранспортного оборудования. Здесь  же необходимо отметить взаимосвязь аэрологии 
карьеров и технологии горного производства. Да, технология 
горного производства существенно влияет на состояние атмосферы в карьере. В то же время и задачи оздоровления последней выдвигают определенные требования к технологии, которые в ряде случаев могут оказаться решающими для принятия 
управленческих решений.
Заметим, что отсутствие в настоящее время единого руководства по проектированию нормальных атмосферных условий 
в карьерах приводит к тому, что в разрабатываемых проектах 
соответствующие разделы представляются весьма поверхностно, без необходимого тщательного профессионального анализа 
имеющихся материалов, их обобщения и системного использования. Именно поэтому в пособии затрагивается отдельно и вопрос проектирования вентиляции карьеров.
В отдельном разделе в пособии изложены особо актуальные 
в последнее время проблемы защиты окружающей воздушной 
среды вокруг предприятий, ведущих открытые горные работы.
Порядок изложения материалов в данном пособии в основном мало чем отличается от принятого и устоявшегося при издании аналогичных по тематике учебных пособий и монографий. 
В  то  же время авторы предполагают, что  практически все его 
разделы пригодны для автономного изучения, т.е. не связанного 
9

с необходимостью подробно прорабавывать другие разделы пособия.
Данное пособие является систематизированным изложением 
комплекса вопросов, направленных на защиту воздушной среды 
в карьерах от загрязнений, а его авторы с благодарностью примут критические и иные замечания и пожелания по дальнейшему совершенствованию изложенных материалов.
10