CC BY
135
СИМПОЗИУМ «СОВРЕМЕННОЕГОРНОЕ ДЕЛО; ОБРАЗОВАНИЕ, НАУКА, ПРОМЫШЛЕННОС ТЬ»
МОСКВА, МГГУ 29.01.96-2.02.96 г
с.д.викторов
В.С.БУТЫСИН Московский государственный горный универститет
Образование и распространение пылегазового облака при массовом взрыве на карьере
ВВЕДЕНИЕ
Проведение взрывных работ на карьерах сопровождается залповым выделением в атмосферу значительных объемов газообразных (в основном) продуктов детонации промышленных взрывчатых веществ (ВВ) и пыли от разрушаемых горных пород. В продуктах химического превращения промышленных В В присутствуют вредные для человека газообразные: окись углерода, окислы азота, метан, аммиак, конденсированный углерод и т.д. Вредность поднимаемой с пылегазовым обликом пыли определяется компонентным составом взрываемых горных пород.
ВЫДЕЛЕНИЕ ТОКСИЧНЫХ ГАЗОВ
Качественный и количественный состав продуктов взрыва зависит от состава ВВ, конструкции скважинных зарядов и характеристик взрываемой горной породы. Ядовитые газы в большей или меньшей степени присутствуют в продуктах взрыва всех промышленных ВВ. Состав продуктов взрыва и доля в них вредных газов в значительной степени определяется химическим составом ВВ и его кислородным балансом. Даже в случае нулевого кислородного баланса ВВ в составе конечных продуктов взрыва присутствуют токсичные вещества.
Полнота прохождения химических реакций в детонационной волне зависит от дисперсности ВВ, диаметра заряда и жесткости окружающей заряд среды. В процессе расширения продуктов детонации происходит смещение равновесия химических реакций между компонентами продуктов. Состав продуктов взрыва изменяется.
Скорость протекания таких реакций зависит от температуры реагирующих продуктов. На стадии расширения продуктов взрыва может происходить химическое взаимодействие продуктов с окружающей средой. В работах [1,2,3,5,6,7 ] показано влияние различных факторов на состав продуктов взрыва.
ОБРАЗОВАНИЕ ПЫЛИ
При проведении массовых взрывов основная масса образующейся пыли переходит в пылегазовое облако. Основным источником пыли является прилегающая к заряду область горной породы подвергающаяся воздействию волны напряжения с нагружением превышающим пределы прочности породы на раздавливанное. Значительную долю в общей массе составляет пыль поднимаемая при взрыве с поверхности и пыль образуемая из материала забойки (если забойка состоит из соответствующего вещества). Интенсивность пы-леобразования зависит от многих совместно действующих факторов: крепости горной породы, высоты уступа, длины забойки, удельного расхода ВВ, объема взрываемого блока, состояния его поверхности и т.д.
Влияние этих факторов может быть учтено на основе имеющегося экспериментального материала [ 2,5,6 ]. Имеются экспериментальные данные о гранулометрическом составе пыли для некоторых видов горных пород [ 2 ].
РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЫЛЕГАЗОВОГО ОБЛАКА
В работе [ 4 ] показано, что распространение вещества в атмосфере Земли связано с процессами диффузии и переносом вещества за счет движения воздуха. Рассмотрим возможную модель описания этих процессов применительно к выбросам пыли и газа при ведении взрывных работ на горнодобывающих предприятиях.
Процесс диффузии вещества в пространстве описывается уравнением [ 10 ]
Ш = 1/£>£/,,
где и — концентрация вещества,
кг/м3
О — коэффициент диффузии,
м2/с.
При рассмотрении процессов распространения пылегазового облака, образующегося при массовом взрыве, следует остановиться на способе учета начального распределения вещества.
Рассмотрим два варианта начальных условий.
В первом варианте рассмотрим решение для мгновенного выброса вещества в центре координат. В соответствии с [ 10 ] для концентрации вещества и ¿/¿решение имеет вид
">=(Диехр(-^7) (1)
где (2 — общее количество выброшен-
ного вещества;
I — время от начала выброса;
г — расстояние от места выброса.
Во втором варианте будем полагать, что в начальный момент времени вещество располагается равномерно в сфере радиуса К. Объем сферы - У0- Начальная концентрация вещества ио такова, что бы выполнялось условие
Для указанных начальных данных ре-' шение для концентрации вещества £/г в соответствии с [ 10 ] имеет вид
иг =
(¿ия/“р
ш
(2)
где интеграл берётся по объему сферы, в которой распределено вещество в начальный момент времени, а радиус г/ - расстояние от точки в объеме сферы до рассматриваемой точки пространства.
В таблицах 1-3 приведены результаты расчёта по указанным выше вариантам в приведенных координатах. Приведенный радиус - радиус отнесенный к радиусу сферы
% = ?! Я-
Приведенное время определяется из выражения
= а/я\
В правом столбце таблиц приведены абсолютные значения разницы решений в процентах.
Таблица 1
СОПОСТАВЛЕНИЕ ДВУХ РЕШЕНИЙ В МОМЕНТ ВРЕМЕНИ ?пр - 2
ГГф ш иг Ди,%
2 2.02Е-02 1.93Е-02 4.1
4 4 50Е-03 4.64Е-03 3.2
6 3.69Е-04 4.29Е-04 16.2
а 1 12Е-05 1.52Е-05 36.4
10 1.24Е-07 2.06 Е-07 66.1
Таблица 2
С01ЮС ТАВЛЕНИЕ ДВУХ РЕШЕНИЙ В МОМЕНТ ВРЕМЕНИ 1пр - 3
гпр и1 иг Аи.%
2 6.89Е-03 6.77Е-03 1.8
А 3.78Е-03 3.76Е-03 0.6
6 1.39Е-03 1.41Е-03 1.4
8 3.43Е-04 3.57Е-04 4.3
10 5.67 Е-05 6.12Е 05 8.0
Таблица З
СОПОСТАВЛЕНИЕ ДВУХ РЕШЕНИЙ В МОМЕНТ ВРЕМЕНИ Гпр - Ю
гпр и1 иг Ди.%
2 2 69 Е-03 2.67 Е-03 0.6
А 1.993Е-03 1.988Е-0.3 0.3
6 1.209Е-03 1.212 Е-03 0.2
8 6.003Е-04 6.060Е04 0.9
10 2.441 Е-04 2.486Е-04 1.8 ...
Приведенные в таблицах результаты расчёта показывают, что с некоторого момента времени начальное распределение вещества в пылегазовом облаке перестает сказываться на его пространственное распределение. Исходя из этого видно, что для расчетов распределения вещества в пространстве для больших значений времени можно не знать начальное распределение вещества и использовать простейшую модель мгновенного точечного выброса.
Выше приведены решения для сферически симметричного процесса диффузии, в случае выброса на поверхности земли имеем аналогичное решение для полусферы. В этом случае мощность источника, входящая в решение, должна быть удвоена. Если, источник поднят над горизонтальной поверхностью на какую-то высоту, то решение составляется как суперпозиция двух решений для источников зеркально отображенных от горизонтальной поверхности.
Входящий в решение коэффициент диффузии О - это так называемый коэффициент конвективной диффузии определяемый с учетом конвективного перемешивания вещества в процессе диффузии [10]. Эта величина определяется экспериментально и зависит от масштаба рассматриваемого процесса и от ветрового градиента .
Приведенные решения могут использоваться для расчета процессов диффузии ка газов, так и пыли. При определении кон-цетрации пыли следует учитывать движение частиц под воздействием силы тяжести. Для определения скорости движения частиц Уг можно использовать формулу Стокса, выведенную для равномерного движения частиц в вязкой жидкости
У2=2&8(р-р’УЧ
где/? — плотность воздуха;
Р' — плотность частичек пыли;
Я — радиус частицы пыли;
Я — ускорение силы тяжести;
V — вязкость воздуха.
Формула применима для чисел Рейнольдса меньших единицы, что справедливо для частиц размером меньше 80 микрон.
Под действием ветра дифундирующее пылегазовое облако начинает смещаться. Скорость такого смещения может существенно превышать скорость диффузионного перемешивания вещества.
Для определения размеров опасных зон по газу или пыли необходимо ввести критерий опасности зоны. Токсичность пылегазового облака будем оценивать исходя из выражения
Л — показатель токсичности;
— концентрация /-той компоненты пыли;
и о — концентрация газа;
и с, I —заданные значения предельно
допустимых концентраций.
Если Л > 1 зона опасна по газу или пыли.
Граница зоны соответствует значению
Л-1.
После пылегазового выброса радиус опасной зоны возрастает до некоторого максимального значения, а затем уменьшается до нуля. Центр опасной зоны смещается за счет ветрового сноса.
ТаблицаА
РАСЧЕТ МАССЫ ОБРАЗУЕМЫХ ПРИ ВЗРЫВЕ ТОКСИЧНЫХ ГАЗОВ И ИЫЛИ, РАЗМЕРОВ ЗОЯ, ОПАСНЫХ ПО ГАЗУ И ПЫЛИ, И ВРЕМЕНИ ИХ СУЩЕСТВОВАНИЯ
1 Задаваемые величины тип взрывчатого вещества
" общее количество взрываемого ВВ
удельный расход В В
тип взрываемой породы
предельно допустимые концентрации по газу
предельно допустимые концентрации по ПЫЛИ
скорость ветра на двух высотах
уровень взрывания относительно горизонта
глубина скважины
высота воды в скважине
длина незаряженной части скважины
условия взрывания
тип забойки
Расчетные величины образующаяся при взрыве масса СО
образующаяся при взрыве масса N0
общая масса токсичных газов в пересчете на СО |
общее количество пыли
дисперсный состав пыли
время достижения максимальных размеров опасной зоны
время исчезновения опасной зоны
таблица данных: время от начала взрыва, расстояние от места взрыва до центра опасной зоны (при наличии метрового сноса), радиус опасной зоны.
ПРОГРАММА РАСЧЕТОВ
Изложенные выше подходы к определению объемов выброса пыли и газа при взрывных работах позволяют делать количественные выводы о составе, концентрации и геометрии образующихся облаков. Для реализации этих расчетов составлена программа вычисления образования и распространения облаков, позволяющая рассчитывать объемы выбросов, времена существования опасных зон, расстояния распространения облаков выброса, концентрации пыли и газа в любой момент времени, дисперсный состав пыли и т.д.
В таблице 4 приведен перечень вводимых в программу исходных данных и рассчитываемые величины. Работа программы ведется в форме диалога с пользователем и выдачи результатов на экран монитора или на печатающее устройство.
Программа позволяя выполнять различные задачи связанные с распространением пылегазового облака. В таблицах 5,6 приведены возможные варианты таких задач.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В приведенной программе использованы имеющиеся в литературе экспериментальные данные о влиянии различных факторов на процесс образования и распространения пылегазовых облаков. В связи с отсутствием надежных данных для многих видов горных пород и условий взрывания получаемые в результате работы программа зависимости могут носить оценочный характер. При появлении новых более точных и полных данных соответствующие коэффициенты в программе будут уточнены и, следовательно, будет повышена степень надежности расчетных результатов.
Таблица 5
РАСЧЕТ КОНЦЕНТРАЦИИ НЫЛИ И ГАЗА НА ЗАДАННОМ РАССТОЯНИИ ОТ МЕСТА ВЗРЫВА
Задаваемые величины координата X - расстояние по направлению ветра;
координата У- расстояние перпендикулярно направлению ветра
1 Расчетные величину время достижения максимальной токсичносіи
максимальная величина показателя токсичности
максимальная концентрация токсичного газа, мг/м^
максимальная концентрация пыли, мг/м^
время прихода опасной зоны
....... время окончания опасной зоны
продолжительность опасной зоны
дисперсный состав пыли в момент максимальной опасности
Таблица 6
РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ВЫПАВШЕЙ ПЫЛИ НА ЗАДАННОМ РАССТОЯНИИ ОТ МЕСТА ВЗРЫВА
І Задаваемые величины координата X - расстояние по направлению ветра: |
координати У - расстояние перпендикулярно направлению ветра
Расчетные величины плотность выпавшей пыли, мг/м^
гранулометрический состав вьпавшей пыли |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баум Ф.А., Обленко Л.П., Станюкович К.П. и др. Физика взрыва. ~ М.Наука. 1975. 704 с.
2. Бересневич П.В., Наливайко В.Г. Снижение выносов пыли и вредных газов в атмосферу карьеров и окружающую среду при массовых взрывах. М. Черметинформация. 1985.
3. Дубнов Л.В., Бохаревил Н.С Романов А.И. Промышленные взрывчатые вещества. -М.Недра. 1982. 327 с.
4. Марчук Г .М. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. -М. Наука. 1982. -320 с.
5. Михайлов В.А., Бересневич П.В. Снижение запыленности и загазованности воздуха на открытых горных работах. -Киев. Техника. 1975. 116 с.
6. Михайлов В.А., Бересневич П.В., Лобода А.И., Родионов Н.Ф. Борьба с пылью и ядовитыми газами при буровзрывных работах на карьерах,- М. Недра. 1971. 120 с.
7. Перечень рекомендуемых промышленных взрывчатых материалов, приборов взрывания и контроля. -М. Недра, 1987, 60 с.
8. Росси Б.Д. Ядовитые газы при подземных взрывных работах, -М.:Недра. 1966,94 с.
9. Росси Б.Д., Поздняков З.Г. Промышленные взрывчатые вещества и средства взрывания. Справочник. -М., Недра. 1971. 176 с.
10. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики. -М. Наука. 1966. -720 с.
© С.Д.Викторов, В.С.Бутысин
