CC BY
21
© С.П. Месяц, А.А. Петров,
М.Ю. Новожилова, О.В. Аверина, 2015
УДК 622.41(470.21)
С.П. Месяц, А.А. Петров, М.Ю. Новожилова, О.В. Аверина
ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ АТМОСФЕРЫ ВНУТРИКАРЬЕРНОГО ПРОСТРАНСТВА НА ОСНОВЕ МОНИТОРИНГА МЕТЕОУСЛОВИЙ, ПРИВОДЯЩИХ К СКОПЛЕНИЮ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
Для оценки состояния атмосферы глубоких карьеров разработана автоматизированная Система комплексного мониторинга, в состав которой входит мониторинг метеоусловий, приводящих к скоплению загрязняющих веществ, мониторинг загрязнения внутрикарьерного пространства, позволяющий соотносить уровни загрязнения с той или иной метеоситуацией, и снегосъемка, характеризующая распределение загрязнения по глубине карьера. Анализ данных мониторинга состояния атмосферы внутрикарьерного пространства за период 2013—2015 гг. показал, что скопление загрязняющих веществ является следствием продолжительных температурных инверсий, когда на нижних горизонтах значительно холоднее, чем на верхних. Установлено, что суммарная продолжительность температурных инверсий в 2013 г. составила более 280 часов, в 2014 г. более 250 часов. В 2015 г. преобладали устойчивые конвективные условия, обеспечивающие естественную вентиляцию карьерного пространства и способствующие выносу вредных примесей за пределы карьера, продолжительность инверсионных периодов была значительно меньше и составила ~120-130 часов. Соответственно, случаев превышения предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ в атмосфере карьера в 2013, 2014 гг. зафиксировано значительно больше. Ключевые слова: состояние атмосферы, оценка, внутрикарьерное пространство, загрязнение, зависимость, метеоусловия, комплексный мониторинг, автоматизированная система, снегосъемка.
Одной из основных проблем при разработке месторождений открытым способом является обеспечение нормативных характеристик атмосферы внутрикарьерного пространства.
Микроклимат карьера формируется под влиянием комплекса природных и техногенных факторов, основными из которых являются:
— абсолютные и относительные размеры карьерного пространства, его ориентация относительно частей света;
— рельеф окружающей местности и его изменение в ходе разработки месторождения;
— солнечная радиация;
— тепловой и радиационный баланс подстилающих поверхностей;
— температурная стратификация, влажность, скорость и направление ветра, турбулентный режим атмосферы карьера.
С увеличением глубины карьера ухудшаются условия естественного воздухообмена, в большей степени проявляется изменение метеопараметров внутрикарьерного пространства по отношению к метеопараметрам над поверхностью замкнутого контура.
С целью своевременного принятия мер, обеспечивающих промышленную безопасность при ведении открытых горных работ, в Горном институте КНЦ РАН разработана автоматизированная Система комплексного мониторинга с целью оценки состояния атмосферы внутрикарьерного пространства и составления прогноза изменения под воздействием природных и техногенных факторов, рис. 1 [1, 2].
В настоящей статье представлены результаты анализа данных за 2012-2015 гг. автоматизированной Системы комплексного мониторинга, включающей мониторинг метеоусловий, приводящих к скоплению загрязняющих веществ, мониторинг загрязнения атмосферы внутрикарьерного пространства, позволяющий соотносить уровни загрязнения с той или иной метеоситуацией и снегосъемку, характеризующую распределение загрязнения по глубине карьера.
В табл. 1 приведены данные по содержанию загрязняющих примесей (окислы азота) в зимний период 2013-2014 гг.
Соотнесение полученных данных состояния атмосферы внут-рикарьерного пространства с температурным режимом по глубине карьера показало, что превышение ПДК загрязняющих веществ фиксировалось, как правило, в середине или в последней фазе инверсионных состояний, когда на нижних горизонтах значительно холоднее, чем на верхних, и наблюдалось в течение длительного периода, при преимущественных ветровых потоках Ю, Ю-3, В, Ю-В направлений, скорость которых достигала 4 м/с (рис. 2, 3).
В периоды превышения ПДК по N0* зафиксированы случаи недостатка кислорода от гор. -35 и до дна карьера.
В зимний период 2015 года зафиксированы загрязнения внутрикарьерного пространства, продолжительность которых достигала нескольких суток. Так, в январе 2015 г. после взрывных работ превышение ПДК по N0* регистрировалось в течение трех суток. Скорость ветра Ю-В направления над контуром карьера в этот период составляла ~ 3 м/с.
Рис. 1. Схема автоматизированной Системы комплексного мониторинга состояния атмосферы внутри-карьерного пространства (карьер АО «Коваор-ский ГОК»)
Н- станция метеорологического контроля;
М- станция контроля газового состава атмосферы;
■ снегосъемка:
□ - точки отбора проб по глубине карьера на двух противоположных бортах;
[■I- точки отбора проб по периметру замкнутого контура карьера
По данным автоматизированной Системы комплексного мониторинга на основе ГГИС МтеРгаше (разработка Горного института КНЦ РАН) построены 3-Э модели распространения окислов азота за весь рассматриваемый период, рис. 4.
Ветровой режим внутрикарьерного пространства в значительной степени определяется воздействием внешнего ветрового потока, который трансформируется в объеме карьера, и внутренними циркуляционными потоками, возникающими в результате различного нагрева бортов карьера солнечной энергией.
Таблица 1
Содержание загрязняющих примесей (N0^
мг/м3)) в атмосфере карьера, в зимние периоды 2013-2014 гг.
Время, часы Гор. N0,, мг/м3 Направ. и скорость ветра над контуром карьера Время, часы Гор. N0*, мг/м3 Направ.и скорость ветра над контуром карьера Время, часы Гор. N0,, мг/м3 Направ. и скорость ветра над контуром карьера
12.02.2013 13.02.2013 14.02.2013
12 +139 6,7 ю-з, 3 м/с 02 +40 4,0 штиль 02 +40 6,8 В 2 м/с
12 +40 5,0 02 +10 6,7 02 +25 6,0
13 -20 6,7 Ю-З, 1 м/с 03 -65 6,0 штиль 03 -50 7,6 Ю-В 3 м/с
13 -35 6,7 03 -35 4,0 03 -125 6,0
13 -140 6,0 03 -185 6,0 03 -170 6,8
13 +139 6,7 03 -35 5,0 Об +40 2,0 Ю-В 4 м/с
15 +139 6,7 Ю-З, 1 м/с 05 +40 2,0 штиль 06 -50 3,8
15 +40 6,7 05 +10 2,0 Об -50 3,8
16 -20 6,7 Ю-З, 1 м/с Об -20 3,8 ю-в 2 м/с 06 -125 3,8
16 -125 7 Об -65 3,8 Об -170 3,8
18 +140 5,0 штиль Об -35 3,8 12 -65 3,0 Ю-В 3 м/с
18 +130 6,7 Об -125 3,8 12 -170 7,0
19 +40 9,6 Ю-З, 1 м/с Об -185 4,0 12 -155 6,7
19 -35 9,6 12 -125 6,7
21 +139 6,7 штиль 12 -65 6,7
21 +130 6,7 14 -125 2,0 Ю-В 4 м/с
Окончание табл. 1
Время, Гор. N0,, Направ. и Время, Гор. мо„ Направ.и Время, Гор. N0,, Направ. и скорость
часы мг/м3 скорость ветра над контуром карьера часы мг/м3 скорость ветра над контуром карьера часы мг/м3 ветра над контуром карьера
22 +40 6,7 штиль 14 -155 3,0
22 -35 6,7 15 -170 4,0 ю
23 +130 5,0 штиль 15 -185 4,0 3 м/с
23 +40 6,7
23 -35 6,0
23.01.2014 24.01.2014 26.01.2014
19 -35 6,7 в, 01 -20 6,7 В, 4м/с 11 +139 6,7 В
-40 5 4-6 02 -20 6,7 Ю-В -35 8 2 м/с
20 -65 5 м/с -50 5 2 м/с 12 +142 6,7 Ю-В
22 -35 5 Ю-В -80 5 +109 6,7 2 м/с
-125 5 4м/с -110 6,7 -65 6,7
03 -35 6,7 Ю 15 +139 6,7 В
-50 6,7 1 м/с 17 -106 6,7 2-4
-80 6,7 18 +40 9,6 м/с
-185 6,7 21 -20 6,7
Об -35 6,7 3 -35 5
-50 6,7 3 м/с -95 6,7
-80 5 -110 6,7
-110 6,7
-185 6,7
09 -110 6,7 С-3
-200 6,7 3 м/с
Рис. 2. Температурный режим на различных горизонтах, характеризующий приземные инверсии радиационного выхолаживания, февраль 2013 г.
Рис. 3. Температурный режим на различных горизонтах, характеризующий приземные инверсии радиационного выхолаживания, январь 2014 г.
Рис. 4. З-О модель карьера с зонами превышения ПДК по МОх, январь 2015 г.
Рис. 5. 3-О-моаель карьера рудника АО «Коваорский ГОК», созаан-ная в системе МюеРгате с выделенными зонами циркуляции: 1 -
прямоточная зона; 2 - рециркуляционная зона
В объеме карьера формируются две циркуляционные зоны: прямоточная и рециркуляционная. Ветровой режим прямоточной зоны определяется набегающим внешним потоком над замкнутым контуром. Рециркуляционная зона формируется трансформированными внешними и внутрикарьерными потоками, эта зона карьера наиболее подвержена скоплению вредных примесей, рис. 5 [3].
На платформе трехмерного графического редактора, входящего в состав ГГИС МтеРгаше, создан модуль расчета объема зон внутрикарьерной циркуляции воздуха и распространения загрязняющих веществ в атмосфере карьера, определяющих состояние загрязнения внутрикарьерного пространства (Андреев А. А., Горный институт КНЦ РАН).
Анализ данных Системы комплексного мониторинга в летний период 2013-2015 гг. показал, что превышение ПДК загрязняющих веществ также были следствием температурных инверсий, хотя, случаи превышения ПДК загрязняющих веществ в атмосфере карьера фиксировались значительно реже, чем в зимний.
Превышение ПДК загрязнений наблюдалось в последней фазе инверсионных состояний при ветрах 3 и Ю-3 направлений, 3-5 м/с. Продолжительность и интенсивность инверсионных состояний атмосферы карьера, в результате которых наблюдалось загрязнение выше ПДК, были незначительными, уровень загрязняющих веществ снижался до нормативных показателей за более короткий промежуток времени, чем в зимний период, рис. 6.
По данным мониторинга за трехлетний период наблюдений зафиксировано 38 случаев превышения ПДК загрязняющих веществ в атмосфере внутрикарьерного пространства. В 2015 г. случаев превышения ПДК загрязняющих веществ в атмосфере карьера зафиксировано значительно меньше по сравнению с 2013, 2014 гг. Так в 2013 было зафиксировано 20 случаев превышения ПДК загрязняющих веществ, в 2014 - 12 случаев, в 2015 всего 6 случаев. В общее число случаев превышения ПДК включены превышения ПДК по СО, которых было зафиксировано в 2013 г. - 5, в 2014 г. - 2, в 2015 г. - 1.
Рис. 6. Температурный режим на различных горизонтах, характеризующий температурные инверсии в летний период (август 2015 г.)
Анализ температурного режима атмосферы карьера по данным Системы мониторинга показал, что значительный рост уровня загрязнений в атмосфере внутрикарьерного пространства является следствием продолжительных температурных инверсий, когда на нижних горизонтах значительно холоднее, чем на верхних. Установлено, что суммарная продолжительность инверсионных периодов состояния атмосферы карьера, когда снижалась интенсивность турбулентного воздухообмена внутрикарьерного пространства с окружающей средой, составила более 280 часов в 2013 г., более 250 часов в 2014 г. В 2015 г. преобладали устойчивые конвективные условия, что определяло естественную вентиляцию карьерного пространства и способствовало выносу вредных примесей из атмосферы карьера. Продолжительность инверсионных периодов составила ~120-130 часов, при этом интенсивность производственной деятельности не снижалась.
Снежный покров - один из наиболее информативных индикаторов загрязнения атмосферы, позволяет получать суммарную величину выпадений загрязняющих веществ за период от образования устойчивого снежного покрова до начала снеготаяния [4].
Снегосъемка является частью комплексного мониторинга состояния атмосферы внутрикарьерного пространства и показывает распределение загрязнения в карьере по горизонтам при различных метеоусловиях в зимний период.
Снегосъемка проводилась в 2012, 2013 гг. на бермах двух противоположных бортов по глубине карьера. Данные анализа снегосъемки свидетельствуют о заметном увеличении уровня загрязнения атмосферы внутрикарьерного пространства в зимний период 2013 г. и повышении границы максимального загрязнения с горизонта +142 до горизонта +190. Увеличение уровня загрязнения снежного покрова за этот период обусловлено:
— увеличением частоты проведения массовых взрывов (два раза в неделю);
— увеличением количества технологического оборудования;
— продолжительностью инверсионных состояний атмосферы карьера с 260 часов до 280 часов;
— увеличением глубины карьера [1].
В 2015 году пробы снега отбирались как по глубине карьера на бермах двух противоположных бортов, так и по периметру замкнутого контура карьера, рис. 1.
Анализ снегосъемки показал, что абсолютные значения суммарного загрязнения в 2015 ниже, чем в 2012-2013 гг. (табл. 2). В зимний сезон 2015 г. преобладали устойчивые конвективные условия с инверсионным градиентом температуры 1-2°С/100м, что определило хорошую естественную вентиляцию карьерного пространства и способствовало выносу вредных примесей из атмосферы карьера.
Повышение границы загрязнения до +295 в течение 20142015 г. при более низких абсолютных значениях по отношению к предыдущим периодам наблюдений могло быть вызвано проведением горных работ на более высоких горизонтах, взрывные работы в 2014-2015 г. велись на отметках выше +160.
Анализ данных снегосъемки по периметру контура карьера показывает, что распределение загрязняющих веществ, выносимых за пределы внутрикарьерного пространства, происходит в соответствии с зимней розой ветров в районе расположения карьера, где преимущественными направлениями являются 3, С-3, Ю-3 и Ю-В. Наиболее загрязненными оказались восточный, северо-восточный и северо-западный участки периметра контура карьера (табл. 3).
Снегосъемка 2012 г. включает период с ноября 2011 г. по март 2012 г.
В 2013 г. - период с ноября 2012 г. по март 2013 г., в 2015 г. - период с ноября 2014 г. по март 2015 г.
Таблица 2
Распределение загрязняющих веществ (мг/л) по глубине карьера АО «Ковдорский ГОК» за 2015 г.
Место отбота 1ЧН4+ НСОз N02 8Ю2 вО«2 N03 К+ N3+ Мд2 Са2+ Масса фильтрата
Фон 0,07 10,57 0 0,12 3,95 0,43 0,57 0,24 0,18 0,96 0,01
Северный борт
О™.295 0,58 37,82 0,15 0,41 5,90 1,05 0,72 1,19 0,70 10,6 1,13
О™. 273 0,37 43,92 0,16 0,57 6,46 0,82 1,50 1,45 2,01 10,7 17,46
О™. 180 0,93 44,99 0,48 0,57 5,79 1,71 1,42 2,34 1,43 14,8 4,62
О™. 147 0,62 44,83 0,52 0,76 4,19 1,06 0,96 1,58 0,99 13,4 2,66
О™. 133 0,78 38,12 0,52 0,66 1,39 1,15 1,14 1,45 1,01 12,2 2,78
О™. 120 0,96 48,19 1,05 1,45 3,94 2,00 2,19 2,32 1,39 13,7 5,02
Южный борт
О™. 356 0,31 30,65 0,12 0,65 2,96 3,8 0,47 1,03 0,68 7,06 0,52
О™. 214 0,40 37,36 0,24 0,62 2,81 1,21 1,1 1,86 0,89 9,85 1,66
О™. 202 0,36 42,09 0,24 0,33 3,12 1,23 1,19 1,64 0,97 11,35 1,98
О™. 190 0,42 41,02 0,25 0,88 5,61 0,93 1,18 1,93 1,1 10,23 1,92
О™. 164 0,43 81,74 1,13 1,78 5,4 1,49 8,8 14,33 2,98 14,29 15,17
О™. 142 0,24 68,78 1,59 1,03 3,15 1,00 8,79 11,20 2,73 14,45 13,33
О™. 118 0,33 60,54 0,73 0,88 3,26 1,00 6,75 5,74 1,73 14,13 16,5
О™. 70 0,73 69,13 2,8 1,12 8,95 2,09 5,42 10,71 2,54 13,13 15,34
¡максимальное загрязнение | | среднее загрязнение | | минимальное загрязнение
ю Таблица 3 о
Распределение загрязняющих веществ (мг/л) по периметру контура карьера АО «Ковдорский ГОК» за 2015 г.
Место отбота по периметру контура карьера 1ЧН4+ НСОз N02 8Ю2 вО«2 N03 К+ N3+ Мд2+ Са2+ Масса фильтрата
Юг 0,39 31,92 0,06 0,19 2,09 0,64 0,36 0,45 0,45 8,48 0,45
Юг 0,33 35,59 0,07 0,33 3,91 0,84 0,71 0,83 0,55 9,47 0,55
Юг 0,51 37,82 0,08 0,47 6,48 1,06 0,66 0,82 0,65 10,33 0,65
Юго-запад 0,37 35,79 0,08 0,32 3,74 0,9 0,88 1,09 0,49 9,16 0,49
Юго-запад 0,41 51,85 0,06 0,63 1,55 1,25 3,21 4,36 0,91 12,03 0,91
Запад 0,26 40,26 0,07 0,26 3,04 1,3 0,49 0,78 0,71 8,78 0,71
Восток 0,49 58,15 0,27 0,45 4,97 1,8 0,92 1,83 1,36 12,41 1,36
Восток 0,19 47,17 0,17 0,53 2,81 0,91 1,73 0,93 1,02 11,99 1,02
Северо-восток 0,47 52,87 0,19 0,36 3,09 0,84 1,02 1,80 1,55 11,95 1,55
Север 0,42 50,83 0,21 0,39 6,58 0,75 1,51 1,83 1,19 11,01 1,19
Север 0,42 55,10 0,31 0,47 6,0 0,61 3,42 5,67 1,01 12,94 1,01
Северо-запад 0,63 40,67 0,08 0,46 7,24 2,22 2,19 2,08 1,15 11,98 1,15
Северо-запад 0,54 38,84 0 0,31 4,91 1,57 0,87 0,96 0,98 9,75 0,98
¡максимальное загрязнение
среднее загрязнение
минимальное загрязнение
Таким образом, анализ данных мониторинга состояния атмосферы внутрикарьерного пространства за период 2013-2015 гг. показал, что скопление загрязняющих веществ является следствием продолжительных температурных инверсий, когда на нижних горизонтах значительно холоднее, чем на верхних. Установлено, что суммарная продолжительность температурных инверсий в
2013 г. составила более 280 часов, в 2014 г. более 250 часов. В 2015 г. преобладали устойчивые конвективные условия, обеспечивающие естественную вентиляцию карьерного пространства и способствующие выносу вредных примесей за пределы карьера, продолжительность инверсионных периодов была значительно меньше и составила ~120-130 часов. Соответственно, случаев превышения предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ в атмосфере карьера в 2013, 2014 гг. зафиксировано значительно больше. Данные снегосъемки за этот период показали, что, несмотря на повышение границы загрязнения в карьере в 2015 г., уровень загрязнения был более низким, что соотносится с устойчивыми конвективными условиями атмосферы внутрикарьерного пространства.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Месяц С.П., Петров A.A., Новожилова М.Ю. Разработка комплексного мониторинга состояния атмосферы внутрикарьерного пространства при ведении открытых горных работ // Сб. докладов Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Мониторинг природных и техногенных процессов при ведении горных работ», 24.09-27.09.2013 г. Апатиты; СПб. — С.392-397.
2. Месяц С.П., Петров A.A., Семкин С.В. Концепция автоматизации экологического мониторинга состояния атмосферы глубоких карьеров // Экологическая стратегия развития горнодобывающей отрасли - формирование нового мировоззрения в освоении природных ресурсов: сб. докл. Все-росс. науч. — техн. конф. с участием иностранных специалистов, 13-15 окт.
2014 г.: В 2 т. — Т.1 - Апатиты; СПб.: «Реноме», 2014. — С.159-165.
3. Зорин A.B., Петров A.A., Андреев A.A. Методика прогноза метеоусловий в карьере на основе данных мониторинга атмосферы внутрикарьерно-го пространства // Сб. докладов Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Мониторинг природных и техногенных процессов при ведении горных работ», 24.09-27.09.2013 г. Апатиты; СПб., — С. 403-408.
4. Ревич S.A., Сает Ю.Е., Смирнова Р.С. Методические рекомендации по оценке степени загрязнения атмосферного воздуха населенных пунктов металлами по их содержанию в снежном покрове и почве / (Утв. 15 мая 1990 г. No 5174-90).—M.: ИМГРЭ, 1990. ЯШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Месяц Светлана Петровна - заведующая лабораторией, mesyats@goi.kolasc.net.ru,
Петров Алексей Александрович - ведущий программист,
Новожилова Мария Юрьевна - ведущий инженер,
Аверина Ольга Викторовна - технолог II категории
Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук,
UDC 622.41(470.21)
ASSESSMENT OF IN-PIT ATMOSPHERE STATE ON THE BASIS OF MONITORING OF METEOROLOGICAL CONDITIONS RESULTING IN POLLUTANTS ACCUMULATION
Mesyats S.P., Head of Laboratory, Mining institute of the Kola science Centre of the Russian Academy of Sciences, Russia,
Petrov A.A., leading software engineer, Mining institute of the Kola science Centre of the Russian Academy of Sciences, Russia,
Novogilova M.Yu., leading engineer, Mining institute of the Kola science Centre of the Russian Academy of Sciences, Russia,
Averina O.V., second rank technologist, Mining institute of the Kola science Centre of the Russian Academy of Sciences, Russia.
The automated System of integrated monitoring has been developed in order to assess atmosphere state in deep open-pits. It includes monitoring of meteorological conditions resulting in pollutants accumulation, monitoring of pollution of in-pit space allowing correlating pollution levels with different meteorological situations, and snow survey which characterizes distribution of pollution in an open-pit's depth. Analysis of monitoring data on in-pit atmosphere conditions for 2013-2015 has shown that pollutants accumulation is a result of continuous temperature inversions, when the temperature of lower horizons is much colder than one of upper horizons. It has been stated that summary duration of temperature inversions in 2013 was more than 280 hours, in 2014 - more than 250 hours. In 2015 the stable convective conditions prevailed providing natural ventilation of open-pit space and contributing into removal of harmful impurities outside the open-pit. Duration of inversion periods was much smaller, ~120-130 hours. Correspondently, much more cases of exceeding maximum permissible concentration of pollutants in open-pit atmosphere were registered in 2013 and 2014. Snow survey data for the whole period have shown lower absolute values in the open-pit, in spite of increase of pollution limit in 2015. This meets the monitoring data for in-pit atmosphere.
Key words: atmosphere conditions, assessment, in-pit space, pollution, dependence, meteorological conditions, integrated monitoring, automated system, snow survey
REFERENCES
1. Mesjats S.P., Petrov A.A., Novozhilova M.Ju. Razrabotka kompleksnogo monitoringa sostojanija atmosfery vnutrikar'ernogo prostranstva pri vedenii otkrytyh gornyh rabot (Development of a comprehensive monitoring of the atmosphere internal quarry space when open pit mining) // Sb. dokladov Vserossijskoj nauchno-tehnicheskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem «Monitoring prirodnyh i tehnogennyh processov pri vedenii gornyh rabot», 24.09-27.09.2013 Apatity; SPb., pp. 392-397.
2. Mesjats S.P., Petrov A.A., Semkin S.V. Koncepcija avtomatizacii jekologicheskogo monitoringa sostojanija atmosfery glubokih kar'erov (Concept of automation of ecological monitoring of the atmosphere deep pits) // Jekologicheskaja strategija razvitija gornodobyvajushhej otrasli, formirovanie novogo mirovozzrenija v osvoenii prirodnyh resursov: sb. dokl. Vseross. nauch.-tehn. konf. s uchastiem inostrannyh specialistov, 13-15 okt. 2014.: v 2 t. V.1. Apatity; SPb.: «Renome», 2014. pp. 159-165.
