CC BY
59
экология
УДК 574: 622.23:502.55
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И МОДЕЛИ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧИ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Н.М. Качурин, С.А. Воробьев, В.В. Факторович
Рассмотрены закономерности влияния геотехнологических факторов на окружающую среду при подземной добыче угля. Предложены математические модели, основывающиеся на дифференциальных уравнениях логистического типа, позволяющие прогнозировать уровень воздействия подземной угледобычи на окружающую среду при различных прогнозных сценариях энергопотребления горными предприятиями. Показано, что выбросы газов в атмосферу при подземной добыче полезных ископаемых связаны с динамикой газовыделения на очистных и подготовительных участках.
Ключевые слова: уголь, шахта, отходы, окружающая среда, энергопотребление, прогнозирование, экологическая безопасность, газовыделение, рудничный воздух, математическая модель.
Основной целью развития угольной промышленности России является удовлетворение спроса на российский уголь на внутреннем и внешнем рынках. В этой связи важнейшими задачами угольной промышленности становятся сохранение и наращивание производственного и экономического потенциала отрасли, создание гибкой и эффективной системы организации производства угольной продукции в условиях рыночных отношений. Наращивание потенциала угольной отрасли должно обеспечить снижение риска в энергообеспечении экономики России и стабилизацию топливно-энергетического баланса.
Угольная промышленность России среди других отраслей топливно-энергетического комплекса имеет наиболее обеспеченную сырьевую базу. Общие балансовые запасы угля в России оцениваются в 200 млрд тонн, из которых 105,4 млрд тонн по состоянию на 01.01.2000 г. детально разведаны и составляют сырьевую базу отрасли (запасы категории А+В+С1 действующих, строящихся угледобывающих предприятий и разведанных
резервных участков, подготовленных для строительства новых шахт, разрезов и прирезки к полям действующих предприятий). Промышленные запасы энергетических углей на действующих предприятиях оцениваются в 14,6 млрд тонн, из которых 44 % составляют каменные и 56 % - бурые угли. Промышленные запасы углей для коксования оцениваются в 3,7 млрд тонн, из которых более половины составляют угли ценных марок. При этом свыше 80 % (до 3 млрд тонн) промышленных запасов углей для коксования сосредоточено в Кузнецком бассейне.
Комплексную оценку эколого-экономической эффективности доработки оставшихся запасов коксующихся углей на закрываемых шахтах целесообразно осуществлять на основе интегрированных относительных показателей ценности дорабатываемых запасов и антропогенного воздействия на окружающую среду закрываемых шахт. Осуществление оценки эколого-экономической эффективности доработки оставшихся запасов углей на закрываемых шахтах с учетом абсолютных значений не даст наилучшего решения из-за многообразия переменных. Эколого-экономическая оценка, влияющая на результативность доработки оставшихся запасов коксующихся углей закрываемых шахт с учетом ввода новых шахт Кузбасса в размере до 2,4 млн тонн осуществляется на основе разности ценности дорабатываемых запасов углей и экологических последствий, создаваемых в процессе закрытия шахт. Определяющим уровнем целесообразности доработки оставшихся запасов выступает относительный интегральный эколого-экономический критерий В.Г. Гридина, что позволяет сформулировать задачу оптимизации в следующем виде[1 - 2]:
"ЗЦл- (Э + Н)
Т =
1е
Э(1 + ен - о1
- К
^ шах, (1)
0 < ЗЦП-(Э + Н) < 1, (2)
Э(1 + ен -1)1 ^
Кэ> 0, Кэ (ЕКв.р+Кв.с.+Кз.р+Ко.п.) > 0, ЗЦЛ > Э+Н, (3)
где Т - критерий В.Г. Гридина; I - период прогноза, 1,2,3, ..., п, год; З -оставшиеся запасы на шахтах, т; Ц - цена единицы продукции их освоения, руб./т; Э - суммарные затраты, необходимые для их доработки, руб.; п -удельный коэффициент качества коксующихся углей в цене продукции; (1 + ен - 1) - коэффициент дисконтирования; ен - нормативная процентная ставка; 1 - уровень инфляции, %; Н - налоги на прибыль, руб.; ] - индекс шахты.
В целом, анализ информации по шахтам Прокопьевского района позволил выявить следующую закономерность [3]:
11 = а11 + а2^ + а31 А + а 41Е,
где J; - интенсивность воздействия на компоненты окружающей среды; а^, а2;, а3;, а4; - эмпирические коэффициенты; А - производственная мощность шахты, тыс. т/год; Е - энергопотребление на рассматриваемой шахте за отчетный период, тыс. кВт/год; t - время; i - индекс вида воздействия на окружающую среду. Анализ показывает, что закономерность (3) в большинстве случаев удовлетворительно отражает взаимосвязь интенсивности воздействия на компоненты окружающей среды с факториальными признаками. Однако коэффициент регрессии изменяется в широких пределах - от 0,61 до 0,96, а F-критерий изменяется от 1,1 до 18,8. Следовательно, на данном этапе оправдано использование этой зависимости для практических расчетов.
Для комплексной оценки экологической безопасности данной геотехнологии целесообразно использовать интегральный показатель экологической безопасности (integral environmental safety index), который задан следующей формулой [4]:
где 1Е81- интегральный показатель экологической безопасности; %j -
весовые коэффициенты, задаваемые экспертами и учитывающие экологическое состояние рассматриваемой территории угледобывающего региона.
Экологически безопасной геотехнологией при использовании пороговой концепции допустимого воздействия будет являться такая технология подземной угледобычи, при которой выполняется условие, заданное следующим неравенством: 1Е8КПДЗ{1Е81}, где ПДЗ{1Е81} -предельно допустимое значение интегрального показателя экологической безопасности. Практическая апробация усовершенствованной методики оценки воздействия на окружающую среду при подземной добыче коксующихся углей наглядно свидетельствует о повышении эффективности прогнозных оценок. Это достигается за счет широкого применения вычислительных экспериментов и результатов имитационного моделирования экологических последствий с использованием адекватных закономерностей формирования пылегазовых выбросов, сбросов и нарушения земель. Усиление техногенного воздействия в Кузнецком бассейне связано как с увеличением объемов добычи, так и с наибольшей концентрацией угледобывающих предприятий.
Основные результаты оптимизации технологических процессов получены в виде оптимальных энергоемкостей операций каждого технологического цикла [5]:
(4)
F(Е;) = Е^ГТГ = ZKiEi ^min,
(5)
где I; - интенсивность производства отходов при выполнении i-й технологической операции; I. - предельное значение интенсивности производства отходов при i-й технологической операции; Е - энергопотребление в рассматриваемом технологическом процессе; К - константа скорости производства отходов при выполнении i-й технологической операции.
Несомненным преимуществом предлагаемого подхода является сравнительная простота решения задач оптимизации технологических процессов. Это позволяет принимать экологически сбалансированные решения по управлению подземной угледобычей. Вычислительные эксперименты показали, что для повышения качества прогнозных экологических оценок последствий принимаемых решений необходимо создавать локальные базы данных, содержащих информацию о динамике энергопотребления.
Результаты обработки данных по Кемеровской и Тульской областям подтвердили линейность скорости пылегазовых выбросов в атмосферу и интенсивности потребления электроэнергии во времени, при этом коэффициенты корреляции для значения доверительной вероятности 0,05 составили 0,8 - 0,9. Следовательно, базовые дифференциальные уравнения, отражающие линейный характер образования отходов и энергопотребления, являются физически обоснованными. Базовые дифференциальные уравнения позволили получить обобщенное дифференциальное уравнение, устанавливающее связь между пыле-газовыми выбросами и потреблением электроэнергии. Решения дифференциальных уравнений процесса воздействия на окружающую среду имеют следующий вид [6]:
при неограниченном материальном ресурсе
4i(E) = Ii?ij[l - ехр(-^Е)], (6)
при конкурентной борьбе за материальный ресурс
I( ~ )и
=......,„.я-,> (?)
1 - (1 - Фу) ехр(-£у1Е7 Е) где^= Ц+> - к<г>; е,= К<+> - К"; фй= ^«(С«)-1; Ц+>, к<->, К' и К<-> -константы мощности воздействия и локализации влияния на окружающую
тС0)11
среду; ГЕ/ , 1Е/ - равновесное и начальное значения техногенного воздействия 1-го вида на]-й элемент окружающей среды соответственно.
Уточнение закономерностей процесса газообмена выработанных пространств метанообильных шахт с земной поверхностью необходимо для обеспечения безопасности подработанных территорий. Фильтрация метана на земную поверхность из подработанных горных пород происходит вследствие избыточного давления метана, находящегося в угленосной
6
толще. Решение одномерного уравнения распределения давления метана по вертикальному разрезу вмещающих пород позволило получить зависимость метановыделения ^(FOf) с площади подработанной земной поверхности, равной F3n [7]:
) = °,282У3П^ (p2 [1 - exp (-0,25Fof)] +
№аН0
+2paKp [l + 0,56^^/FO7 exp (-0,25Fof) - erf (0,5^/Fof)
+
+-
2,26К2Н
pxx0
TfÖ;
(1 + 0,25Fof) exp (-0,25Fof)
(8)
где (к^ - среднее значение газовой проницаемости подработанной толщи
горных пород; ц - динамическая вязкость метана; ра - атмосферное давление; Н0 - глубина зоны газового выветривания; Кр - угловой коэффициент в «гидростатическом» законе изменения давления метана в угленосной толще; Рог - фильтрационный критерий Фурье; = Н0/(км 1:); км - пьезопроводность поработанных горных пород по метану.
Вычислительные эксперименты были проведены для следующих функций, слагающих зависимость (8):
1 ,
1 - ехр
fi(FOf) =
VFOf
А 0,25 л
V Fof У
f2(FOf):
1
VFOf
, 0,564 1 +—;= exp
л/FO
f3(FOf) =
f
'i+ 0X25л
f 0,25л
V Fof У
erf
VFOf
v
Fo
exp
A 0,25л
f У
Fo
f У
Результаты вычислительных экспериментов представлены на рис. 1. Анализ результатов вычислительных экспериментов показывает, что у функции (8) существует асимптота ) = lim I^-M)(Fof). Таким образом,
Fof
метановыделение на земной поверхности из подработанной угленосной толщи представляет собой функцию, которая стремится к
асимптотическому значению ) при больших значениях критерия Фурье:
I
(м)
0,637 (k) F3n K
№а
(9)
Следовательно, скорость метановыделения с площади подработанной земной поверхности весьма длительный период времени будет величиной постоянной, зависящей от газовой проницаемости подработан-
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3_
ных пород и изменения природной газоносности с глубиной. Очевидно, что мероприятия по дегазации подработанных горных пород позволят снизить газовыделение с земной поверхности горных отводов закрытых шахт.
Рис. 1. Графики функций, слагающих зависимость (8): 1 -Ы¥ог);2 3 -/з^о,)
На негазовых шахтах «мертвый» воздух выработанных пространств выходит на земную поверхность. Фильтрация «мертвого» воздуха в подработанных горных породах происходит при падении атмосферного давления. Установлено, что с единичной площади, перпендикулярной фильтрационному потоку, будет поступать в единицу времени количество
3 2
«мертвого воздуха», равное (1ф, м /м с):
С ( р!?), (10)
ЦмвН
где цмв - динамическая вязкость «мертвого воздуха».
Зависимость (10) можно преобразовать к виду
= 0,5•10"3к"1цН1фд = = 100 + р1, где р = 3,6ар; ар - скорость падения
атмосферного давления, Па/с. Результаты вычислительных экспериментов представлены на рис. 2. Следует отметить, что структура формулы (10) и результаты вычислительного эксперимента хорошо совпадают с качественной картиной газовыделений из выработанных пространств.
_Экология_
В результате многочисленных газовоздушных съемок, выполненных в шахтах Восточного Донбасса и Подмосковного угольного бассейна, доказано, что скорость газовыделений, обусловленная падением атмосферного давления, пропорциональна скорости падения атмосферного давления.
Установленная закономерность (10), во-первых, подтверждает выводы о влиянии изменения атмосферного давления на газовыделение из выработанных пространств на территориях горных отводов отработанных шахт и, во-вторых, может использоваться для решения задачи прогноза газовых ситуаций, возникающих в подвальных помещениях и цокольных этажах зданий и сооружений, находящихся над подработанными массивами горных пород.
('уд) ■ 350 м3/сут
300 250 200 150 100
Рис. 2. График зависимости величины (/£) от времени I:
1 - аР= 0,1 кПа/ч; 2 - аР= 0,2 кПа/ч; 3 - аР= 0,4кПа/ч;4 - аР= 0,6 кПа/ч;
5 - аР= 0,8 кПа/ч; 6- аР=1 кПа/ч
Методические положения и технические средства поддержки принятия решений, обеспечивающие снижение аварийности, обусловленной аэрологическим фактором, при добыче полезных ископаемых подземным способом, основываются на адекватных математических моделях газообмена горного массива с атмосферой горных выработок и формирования опасных газовых ситуаций. Поэтому уточнение закономерностей переноса газов в угольных пластах, вмещающих породах и атмосфере горных выработок очистных участков угольных шахт и рудников является теоретическим обоснованием для совершенствования методических положений динамического расчета количества воздуха и поддержки принятия управляющих решений по аэрологическому фактору.
9
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3_
Очистные участки шахт и рудников могут конструктивно сильно отличаться, но при этом структурно практически полностью быть идентичными. Структурные элементы любых очистных участков угольных шахт и рудников всегда включают одинаковые горно-геологические и геотехнологические объекты. Основными структурными элементами очистных участков являются очистные забои, выработанные пространства, выработки, примыкающие к очистным забоям, поверхности обнажения полезного ископаемого (угольного пласта, рудного тела, калийного пласта и т.п.), отбитая горная масса полезного ископаемого различного гранулометрического состава, воздушные потоки в системах горных выработок очистных участков. Между перечисленными структурными элементами очистных участков существует аэрогазодинамическая связь (рис. 3).
Турбулентно-конвективная диффузия СН4, Н2, С02, N2,222Рп и тяжелых углеводородов и кислорода в атмосфере очистного участка.
Рис. 3. Аэрогазодинамическая структурная схема очистного участка шахт и рудников: ► - свежая струя воздуха;
----► - исходящая вентиляционная струя;
==► - конвективно-турбулентные диффузионные потоки
Аэрогазодинамическая структурная схема очистного участка шахт и рудников показывает, что физические процессы переноса газовых примесей в трещиновато-пористых средах горного массива и разрушенной горной массы, а затем турбулентной и конвективной диффузии этих при-
месей в воздухе можно описывать единой физической моделью рудничной аэрогазодинамики. Физическая модель аэрогазодинамики очистного участка любой шахты или рудника представляет собой совокупность следующих физико-химических процессов. Газовые примеси, содержащиеся в веществе полезного ископаемого, находятся в состоянии динамического равновесия до момента технологических воздействий на горный массив. Нарушение геомеханического и газодинамического равновесия приводит возникновению нестационарных полей давления и концентраций газов в веществе полезного ископаемого и формируются градиенты давления и концентраций, которые являются движущими силами, обусловливающими процессы фильтрационного переноса и диффузионной миграции газов в массиве нарушенной структуры и разрушенной горной массе. Процессы фильтрационно-диффузионного переноса сопровождаются процессами десорбции сорбированных газов, а при миграции радона происходит и его радиоактивный распад. Негазоносные массивы твердых полезных ископаемых поглощают кислород из атмосферы очистного участка.
Кислород в режимах молекулярной, а затем фольмеровской и кнудсеновской диффузии проникает в трещиновато-пористые структуры вещества полезного ископаемого и происходит его адсорбция на внутренних поверхностях пор и трещин. Адсорбция кислорода в ряде случаев быстро переходит в хемосорбцию и затем в химическую реакцию окисления вещества полезного ископаемого, которые сопровождаются существенным выделением тепла. Газоносные массивы твердых полезных ископаемых могут поглощать кислород из атмосферы очистного участка после завершения процесса естественной дегазации. Газовые примеси, выделяющиеся с поверхностей обнажения горного массива из отбитой горной массы полезного ископаемого и из выработанного пространства, поступают в вентиляционные потоки, протекающие по очистному забою и по выработкам, примыкающим к очистному забою. Эти газовые примеси, активно перемешиваясь, выносятся за пределы очистного участка.
Если происходит взрывная отбойка полезного ископаемого, процесс конвективно-турбулентной диффузии газов ВВ начинается сразу же после взрыва. Газовые смеси, выделяющиеся из выработанного пространства (это, в первую очередь, С02 и N2, составляющие основу состава так называемого «мертвого воздуха»), разбавляют кислород в атмосфере очистного участка, и процесс разбавления может быть более значимым по сравнению с процессом поглощения кислорода горным массивом.
Тогда математическое описание предлагаемой физической модели аэрогазодинамики очистного участка шахты или рудника можно представить в следующем виде [8]. Фильтрационный перенос газов в пористой сорбирующей среде описывается уравнением гиперболического типа, учитывающим конечную скорость газопереноса в горном массиве,
3, ч 3
зГ(тр)+ез2,
(тр) + е^^^у (тр) = ё1у
+ G(Xl,X2Xз,t), (11)
(1 + к{у
где т - пористость горного массива, пористыми сорбирующими горными породами; р - плотность газа; е - временной масштаб корреляции, имеющий размерность времени; В - норма корреляционного тензора в начальный момент времени, характеризующая газовую проницаемость горного массива; КР- коэффициент, характеризующий скорость газообмена между твердой фазой и свободным объёмом пор; Уф- главный вектор скорости фильтрации газа; G(x1, х2, х3,,) - функция, учитывающая влияние внутренних источников (или стоков) при фильтрации газа в рассматриваемом горном массиве; х1, х2, х3 - пространственные координаты;, - время.
Фильтрационный перенос газов в трещиновато-пористой среде описывается уравнением параболического типа, учитывающим газообмен между трещинами и породными блоками в горном массиве нарушенной структуры,
Эр д -Л д2р -Л д2р ^ , ч __
^ЕдхИ^л^О' (12)
1 12
где ф = кт(^т0р)" ; ц = к6- кТ1 ; р - давление газа в трещинах; кт, кб - газовая проницаемость трещин и породных блоков соответственно; т0 -пористость породных блоков, слагающих трещиновато-пористую среду; ц - динамическая вязкость газа; в - коэффициент сжимаемости метана; 1 -среднее значение характерного размера пористых породных блоков; G1(x1,x2,x3,t) - функция, учитывающая влияние внутренних источников (или стоков) при фильтрации газа в рассматриваемом горном массиве нарушенной структуры.
Диффузионный перенос газов в пористой сорбирующей среде описывается системой уравнений, учитывающей кинетику процесса десорбции газов, а при поглощении кислорода кинетику его сорбции,
ЭС + ё!у(сУ) = ё1у[(Бм + Бф + Бк^гаёс] + Эа
э, 4 7 " м ф К/& -1 Э,'
Эа = к д [аР(с) - а ],
(13)
э,
где с - масса свободного газа, мигрирующего по системе пор и трещин в единичном объеме вещества полезного ископаемого (то есть это концентрация свободного газа в рассматриваемой пористой сорбирующей среде); БМ, Бф, Бк - коэффициенты молекулярной, фольмеровской и кнудсеновской диффузии соответственно; Кд - константа скорости десорбции; а - масса сорбированного газа, находящегося единичном объеме вещества полезного ископаемого в момент времени ,; ар -
12
равновесная масса сорбированного газа в единичном объеме вещества полезного ископаемого, зависящая от концентрации свободного газа в рассматриваемой пористой сорбирующей среде.
Дегазация отбитого полезного ископаемого описывается уравнением параболического типа с учетом распада выделяющегося газа
дх _ ( д2х 2 дх^
— = оЭ дг Э
ч дг2 г дгу
- Крх, (14)
где х - газоносность рассматриваемых кусков горной массы полезного ископаемого; БЭ - эффективный коэффициент диффузии газа в моделируемых кусках горной массы; КР - константа скорости распада диффундирующего газа (процесс имеет место при диффузии радиоактивных газов, в остальных случаях КР = 0); г - текущий радиус сферической системы координат для изотропной однородной сферы, моделирующей кусок отбитой горной массы.
Конвективно-турбулентная диффузия газовых примесей в вентиляционных струях горных выработок очистного участка описывается классическим уравнением диффузии
дС + Шу(С V) = ёМ(Эм + )^аёС] +1, (х1, х2, х3, г), (15) дг
где С - концентрация газовой примеси в атмосфере очистного участка, в произвольной точке, в момент времени г; V - главный вектор скорости воздуха; Бт - коэффициент турбулентной диффузии (в общем случае является тензором второго ранга и зависит от концентрации газовой примеси в воздухе); 1^(х1, х2, х3, г) - источник газовыделений в атмосферу очистного участка;х1, х2, х3 - пространственные координаты.
Представленные пять уравнений описывают все аэрогазодинамические процессы, возникающие на очистных участках шахт и рудников. При разработке математических моделей динамики газовыделений на очистных участках вводят дополнительные допущения, которые упрощают вид уравнений (11) - (15), что позволяет применять аналитические методы решения уравнений математической физики.
Адаптированные уравнения фильтрационно-диффузионного переноса газов в горном массиве и вентиляционных струях воздуха, как правило, являются линейными уравнениями в частных производных параболического или гиперболического типа. Дополняя эти уравнения начальными и граничными условиями, и задавая в явном виде функции, учитывающие влияние внутренних источников как при фильтрации газа в рассматриваемом горном массиве, так при конвективно-турбулентной диффузии газовых примесей в вентиляционных струях горных выработок очистного участка, получают замкнутую систему уравнений.
Эти же математические модели являются теоретической базой для динамического расчета количества воздуха на очистных участках. При
этом целесообразно рассматривать наиболее опасные газовые ситуации, которые моделируются стационарными полями концентраций газовых примесей. Шахтные наблюдения, лабораторные эксперименты, а также результаты математического моделирования свидетельствуют о том, что связь между газовыделением и формированием полей концентраций выделяющихся газов проявляется в виде взаимообусловленности существования этих явлений. Также установлено, что выбросы газов в атмосферу при подземной добыче полезных ископаемых связаны с динамикой газовыделения на очистных и подготовительных участках.
На угольных шахтах и рудниках системный подход является основой и для совершенствования методических положений по моделированию динамики газообмена тропосферы с шахтами и рудниками.
В общем случае математическое описание движения воздуха в горных выработках большого поперечного сечения имеет следующий вид:
^ = -^(ре^) + у ё!у[ёгаё^)]--^(т^), (16)
аг р р
где V - главный вектор скорости воздушного потока; Бм - вектор массовых сил; еу - постоянная, равная 1 при 1=)и равная 0 при V - кинематическая вязкость; тт^ - касательные напряжения, обусловленные силами турбулентных пульсаций.
Были обоснованы математические модели одномерного нестационарного движения воздуха в горной выработке, получены приближенные аналитические решения одномерных уравнений движения.
Приближенные решения одномерных уравнений движения имеют
вид:
турбулентное течение вязкого воздуха (и/и0)2 = ехр(-Хг) + (и1 /и0)2ехр(юх){о,5 ехр(-ав)ег&(0,5л/аТг- Тв*)
1 +
г
+ехр(аЬ)ейс(0,5л/а77+ л/Ь) + 0,5ехр(-аЬ)|егfc 0,5^/а/(г-т)-у/Ь(г-т)
о
X
хехр(-Хт)Ои + 0,5ехр(аЬ)|ег& 0,5^а/(г -т) + ^Ь(г -т) ехр(-Хт)ат
(17)
' + 1 -
0
где и, и0 - текущее и начальное значения продольной скорости воздуха соответственно ;и1-значение продольной скорости на входе в выработку; а = /V ; - пространственная координата; Ь = 0,25е\-1 + X; ю=0,5еv-1; е, X - показатели, характеризующие шероховатость стенок выработки и сопротивление трению соответственно. ламинарное течение вязкого воздуха
14
(и/и0)2 = ехр(—А1) + (ц /и0)2 ехр(ю1х){о,5 ехр(—аЬ)ег&(0,^л/аТТ — ^/Ь^Г) -
г
+ехр(аЬ)ег&(0,5л/аП+ ) + 0,5ехр(—аЬ1)|ег& 0,5^а/(1 — т) — ^Ь1(г — т)
х
х ехр (—Ат) ёт + 0,5 ехр (аЬ1) | ег& 0,5^/а /(Г—т) + Ь1(г — т) ехр (—А/т) ёт
(18)
и
ср
средняя скорость
где Ь1 = 0,25и + А; © = 0,5и срV;
воздуха в выработке.
воздух в вентиляционном потоке уподобляется идеальной жидкости
(и/и0 )2 = ехр) + (и1/и0 )2ехр(—^х/иср )©0 (1 — х/иср ) —
— ехр(—^х/иср ) ехр[—Ц 1 — х/иср )] ^0 (1 — х/иср ) , (19)
где 00 (I — х/иср) - единичная функция Хэвисайда.
Обобщая в целом полученные результаты можно отметить, что усовершенствованная методика оценки воздействия подземной добычи полезных ископаемых на окружающую среду основывается на закономерностях формирования пылегазовых выбросов, сбросов и нарушения земель, и их взаимосвязи с производственной мощностью шахт и величиной электропотребления. Эти факторы учитываются интегральным показателем экологической безопасности. Обобщенная экологическая модель геотехнологических периодов отработки запасов подземным способом представлена на рис. 4.
УГОЛЬНАЯ ШАХТА ИЛИ РУДНИК
I
1-й геоэкологический уровень
Воздействие на недра в процессе отработки запасов в пределах шахтного поля
Воздействие поверхностного технологического комплекса на окружающую среду
2-й геоэкологический уровень
Геомеханические последствия подработки Земной поверхности
Аэрологические и гидрологические воздействия выработанных пространств и водоносных горизонтов на Земную поверхность
1-й геотехнологический период. Отработка запасов в соответствии с проектом
3-й геоэкологический уровень
Воздействие Формирование
породных от- техногенных
валов на атмо- пустынь и раз-
сферу, водные рушение при-
ресурсы и поч- родных ланд-
ву шафтов
2-й геотехнологический период. Закрытие шахты (или рудника) и дальнейший период существования территории бывшего горного отвода
Рис. 4. Экологическая модель геотехнологических периодов отработки
запасов подземньм способом
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2013. Вып. 3_
Усовершенствованная методика оценки экологической безопасности и эффективности рационального освоения месторождений при подземной добыче угля позволила обосновать целесообразность доработки оставшихся запасов коксующихся углей по 4 шахтам ООО «Прокопьевскуголь». Установлена связь между эмпирическими данными экологического мониторинга и константами мощности воздействия и локализации влияния на окружающую среду. Сравнение математической модели пылегазовых выбросов, базирующейся на динамических рядах, получаемых при экологическом мониторинге, с математическими моделями образования выбросов, позволило установить аналитическую связь между параметрами этих моделей.
Разработанные рекомендации позволили осуществить поэтапную переориентацию производственных процессов предприятий компании ООО «Прокопьевскуголь» на соблюдение условий ограничений по основным экологическим требованиям. При этом достигается снижение нагрузки на окружающую природную среду: выбросы загрязняющих веществ в атмосферу - на 21 %, с достижением к 2015 году нормативных требований по основным ингредиентам; сбросы в водоемы - на 17 %; площади отторгаемых земель - на 4 %; потери полезных компонентов - на 18%.
Список литературы
1. Гридин В.Г., Ефимов В.И., Агеева И.В. Анализ некоторых эколого-экономических показателей развития угольной промышленности Кузбасса в 2005 г. и задачи на 2006 г. // Экологические проблемы Кузбасса: горный информационно-аналитический бюллетень (отдельный выпуск) / МГГУ. М., 2006. С. 24-30.
2. Гридин В.Г., Ефимов В.И., Агеева И.В. Наиболее острые экологические проблемы Кемеровской области и мероприятия по их решению // Экологические проблемы Кузбасса: горный информационно-аналитический бюллетень (отдельный выпуск) / МГГУ. М., 2006. С. 3539.
3. Качурин Н.М., Комиссаров М.С., Белая Л.А., Агеева И.В. Комплексная оценка состояния окружающей среды промышленно развитого угледобывающего региона // Изв. ТулГУ. Естественныенауки. 2009. Вып. 5. С. 226-234.
4. Kachurin N.M., Komissarov M.S., Ageeva I.V. Foundation and results of the monitoring environmental parameters // Energy Mining, New Technologies, Sustainable Development: 3-rd International Symposium ENERGY MINING. Serbia, Apatin City. 2010. P. 39 - 45.
5. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Рябов Г.Г. Геоэкологические прин-
16
ципы использования вторичных ресурсов. М.; Тула: Изд-во «Гриф и К», 2000. 360 с.
6. Kachurin N.M., Komissarov M.S., Ageeva I.V. Using energetic indexes for evaluating anthropogenic influence upon environment // Energy Mining, New Technologies, Sustainable Development: 3-rd International Symposium ENERGY MINING. Serbia, Apatin City. 2010. P. 46 - 52.
7. Качурин Н.М., Комиссаров М.С., Косов О.И. Физическая модель и математическое описание движения газов в подработанных горных породах отработанных шахт пород. Изв. ТулГУ. Естественные науки. Вып. 4. 2009. С.110-113.
8. Прогноз метановой опасности угольных шахт при интенсивной отработке угольных пластов / Н.М/ Качурин [и др.]. Тула; Кемерово: Изд-во ТулГУ, 2013. 219 с.
Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой, ecology@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Воробьев Сергей Александрович, канд. техн. наук, генеральный директор, vorobjov@rudmet.ru, Россия, Москва, ОАО «Издательский дом «Руда и металлы»,
Факторович Вадим Владимирович, асп., ecology@tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THEORETICAL PRINCIPALS AND MODELS OF AFFECTING UPON ENVIRONMENT
BY UNDERGROUND MINING MINERALS
N.M. Kachurin, S. A. Vorobiev, V.V. Faktorovich
Influencing geo-technological factors under nature environment regularities by underground wining coal were studied. Mathematical models, which basing at logistic differential equations and making possible to forecast influencing underground wining coal upon environment for different prognostic situations of electrical energy consumption by mines, are proposed. It's shown, that gas emission into atmosphere by underground mineral mining is connected with gassing dynamics at production and development faces.
Key words: coal, mine, wastes, environment, electrical energy consumption, forecasting, environmental safety, gassing, mining air, mathematical model.
Kachurin Nikolai Mikhailovich, Doctor of Science, Full Professor, head of chair, vorobjov@rudmet.ru,Russia, Tula, Tula State University,
Vorobiev Sergei Aleksandrovich, Candidate of Science, General Director, vorobjov@rudmet.ru, Russia, Moscow,Company "Publishing house "Ore and metals",
Faktorovich Vadim Vladimirovich, postgraduate, vorobjov@rudmet.ru, Russia, Tula, Tula State University
