CC BY
20
УДК 622.2
ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ С ПОВЕРХНОСТИ ПОРОДОУГОЛЬНОГО
ОТВАЛА
Г.В. Стась, В.Ф. Рожков, С.С. Соколова, Н.Н. Бородкина
Показано, что породные отвалы формируются из разнородной горной массы, в которой вследствие её измельчения и перемешивания в присутствии кислорода воздуха активизируются физико-химические процессы. Для отвалов характерно значительное выделение в атмосферу газов и пыли. Разработаны геоэкологические модели отвалов и геотехнологических периодов работы шахты, которые являются основой физических моделей процессов миграции загрязнителей и их математического описания. Источниками выделения газовых вредностей с поверхностей отвалов угольных шахт являются очаги горения отвальной массы, которая в большом количестве содержит органические соединения. Разработанная модель массопереноса газов, выделяющихся из очага горения, позволяет оценить валовые и максимальные разовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу с поверхности горящих отвалов.
Ключевые слова: породный отвал, угольная шахта, газовыделение, геоэкологическая модель, диффузия, газовая примесь, математическое моделирование.
Породные отвалы угольных шахт являются комплексным источником загрязнения окружающей среды. Например, в настоящее время подавляющая часть породной массы в Подмосковном бассейне сосредоточена в терриконах шахт емкостью 300 ... 600 тыс. тонн, построенных в 40-е годы прошлого века и хребтовых породных отвалах с проектной емкостью до 900 тыс. тонн, образованных на более современных шахтах с применением, как правило, двухпролетных подвесных канатных дорог с челночным движением сосудов [1 - 3].
На рис. 1 приведена обобщенная геоэкологическая модель породного отвала. Разработанная геоэкологическая модель является основой физических моделей процессов миграции загрязнителей и их математического описания. Очевидно, что интенсивность процессов массообмена породного отвала с окружающей средой во много определяется геоэкологическими и геотехнологическими периодами существования породного отвала на промплощадке шахты (рис. 2). При этом ликвидация шахты не означает ликвидации отвала и, он как источник жидких стоков и пылегазовых выбросов может действовать в течение многих лет.
Породные отвалы формируются из разнородной горной массы, в которой вследствие её измельчения и перемешивания в присутствии кислорода воздуха активизируются физико-химические процессы [4 - 6].
Для отвалов характерно значительное выделение в атмосферу газов и пыли. Взаимодействие солнечной радиации с веществом поверхностного слоя обусловливает возникновение в материале отвала механических
напряжений, что приводит к измельчению породы вплоть до образования пыли, которая сдувается и уносится на значительные расстояния, загрязняя атмосферу и поверхностный почвенный слой.
Рис. 1. Геоэкологическая модель породного отвала
Рис. 2. Экологическая модель геотехнологических периодов существования породного отвала шахты
Проблема выделения с отвалов пыли рассмотрена в трудах многих исследователей [7 - 10]. Авторы этих работ считают, что вследствие низ-
46
кой интенсивности пылевыделения с отвалов и низкой токсичности породной пыли этот процесс не наносит существенного ущерба окружающей среде. Отвалы являются источником аэрозольных и газовых выбросов. В породной массе содержится от 5 до 20 % угля, до 10 % пирита и от 5 % и более серы, что и является причиной её самовозгорания. При высокотемпературном окислении входящей в состав породной массы серы образуется её диоксид SO. Поэтому после отсыпки породы в результате интенсивного горения отвала происходит выделение в атмосферу диоксида серы, а при взаимодействии SO с атмосферными осадками образуется сернистая кислота:
SO + = H2SO3.
Сернистая кислота - непрочное соединение, которое существует только в водных растворах. В породном отвале раствор сернистой кислоты, поглощая из воздуха кислород, окисляется в серную кислоту. При работе шахты интенсивное горение отвала происходит в весенний и осенний периоды, а после закрытия предприятия горение отвала продолжается в течение 5-7 лет, но и после окончания горения образование серной кислоты не прекращается.
Холодное окисление содержащегося в отвале пирита также способствует образованию SO, а в дальнейшем и H2SO4:
4FeS2 + 11O + 6H2O = 4Fe (OH )з + 8SO;
SO + HO = H2SO3; 2H2SO3 + О 2= 2H2SO4.
Образующаяся таким образом серная кислота, вступая в химические реакции с породной массой, приводит к образованию значительного числа химически активных водорастворимых соединений. А атмосферные осадки, проникая в породный отвал, обогащаются этими соединениями, поэтому стоки с отвалов оказывают интенсивное воздействие на состояние окружающей среды. Кроме того, вследствие низкого уровня рН породной массы возможно вымывание из неё кислоторастворимых соединений тяжелых металлов [11]. Особо активно взаимодействуют породные отвалы с атмосферой.
Источниками выделения газовых вредностей с поверхностей отвалов угольных шахт являются очаги горения отвальной массы, которая в большом количестве содержит органические соединения. По результатам анализа состава породоугольной массы терриконов доля угля в них может достигать 40...45 %, что соответствует условиям хранения высокозольных углей (Ас > 55...60 %).
Вероятность самовозгорания отвальной массы в значительной мере определяется массопереносом кислорода воздуха в отвале, вызванным динамическим напором ветра. С поверхности очага горения отвальной массы
газы поступают в атмосферу за счет молекулярной и конвективной диффузии, а затем происходит их перенос параллельно поверхности очага под действием динамического давления ветра. Поверхность очага горения можно считать плоской с достаточной степенью точности, если продольный и поперечный размеры не более 20x40 м. При большей площади поверхности очага горения целесообразно рассматривать его развернутую поверхность. Разумеется, что площадь газоотдающей поверхности является одним из важнейших параметров, влияющих на валовые выбросы загрязнителей в атмосферу.
Параметры газопереноса (коэффициент молекулярной диффузии и средняя скорость конвективной струи от нагретой поверхности), также являются функциями температуры поверхности. Следовательно, поверхность газоотдачи можно рассматривать как плоскость, расположенную под углом к горизонту, и обтекаемую потоком воздуха с некоторой средней скоростью. Возможны различные направления скорости ветра по отношению к поверхности отвала, поэтому целесообразно выбрать направление оси абсцисс системы отсчета совпадающим с направлением вектора средней скорости ветра, расположив начало отсчета на нижней границе поверхности горения. Таким образом, на поверхности очага под действием ветра формируется настилающаяся струя, которая взаимодействует с конвективной струей, вызванной высокой температурой поверхности очага горения (рис. 3).
Рис. 3. Расчетная схема модели газопереноса в горящем породном отвале: 1 - отвал; 2 - поверхность «квадратного» очага горения
Дифференциальное уравнение для описания поля концентраций газа над поверхностью очага горения имеет вид [8 - 10]
до до до ^д2о /1Ч
— + u— + w— = D—j, (1)
dt дх dz dz
где c - концентрация газовой примеси; u, w - компоненты главного вектора скорости воздуха вдоль координатных осей 0х и 0z; D - коэффициент диффузии.
Для действующего очага горения можно считать процесс установившимся. Следовательно, поле концентраций газа для небольших периодов времени описывается следующим уравнением:
до до д2 о u--+ w— = D—- (2)
дх дz дz
Если предположить, что концентрация газа по высоте настилающейся струи постоянна (дС/д2 = 0) и направление оси 0х совпадает с направлением ветра (u = U, т.е. предполагаем, что ветровой поток огибает препятствие, не претерпевая существенных изменений), и введем обозначение D = D / U, то уравнение (2) принимает вид
- = D* д2о. (3)
дх дz
Граничные условия можно записать следующим образом:
о (0, z) = о0 = const; о (х, 0) = оп = const, (4)
где о0 - начальная концентрация газовой примеси в воздухе, обдувающим поверхность очага горения; ои - концентрация газовой примеси на газоот-
дающей поверхности.
Решение уравнения (3) для условий (4) имеет вид [12]
о ( х, z ) = о0 +( ои - о0 ) erf ( 0,5z / ^ IXx ). (5)
Тогда используя закон Фика, газовыделение можно определить по формуле
I „ов = 0,564(оп -о0)S^UD/ х , (6)
где I - диффузионный поток газовой примеси, перпендикулярный поверхности очага горения; S - площадь очага горения.
Для практической реализации прогноза газовыделения с поверхности горящего отвала, разработан комплекс программных средств, на базе которых был проведен вычислительный эксперимент для проверки адекватности предлагаемой модели. Сравнение результатов расчета удельного газовыделения с данными натурных наблюдений для ряда угольных бассейнов, показало достаточную для практических целей точность прогнозных оце-
нок (относительная погрешность не превышала 25 %). Таким образом, разработанная модель массопереноса газов, выделяющихся из очага горения, учитывает две стадии процесса - конвективно-диффузионный перенос газов в настилающейся воздушной струе и диффузионный перенос газов из очага горения к поверхности отвала.
Список литературы
1. Левкин Н.Д., Комиссаров М.С., Рыбак В.Л. Защита территорий от загрязнения стоками полигонов твердых отходов // Безопасность жизнедеятельности. 2012. №12. С. 48 - 50.
2. Шейнкман Л.Э., Рыбак В.Л., Ковалев Р.А. Риск аварий на шахтах, обусловленный газовым фактором // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2012. Вып. 1. Ч2. С. 224 - 231.
3. Шейнкман Л.Э., Рыбак В.Л., Ковалев Р.А. Опасные газовые ситуации в горных выработках угольных шахт // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2012. Вып. 1. Ч2. С. 215 -223.
4. Аэродинамика породных отвалов и пылегазовые выбросы в атмосферу / Н.М. Качурин, В.И. Ефимов, А.Д. Левин, В.Л. Рыбак // Уголь. 2016. №2. С. 96-100.
5. Концептуальные положения мониторинга параметров окружающей среды при добыче полезных ископаемых / Н.М. Качурин, В.В. Факто-рович, Л.Л. Рыбак, В.Л. Рыбак // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2013. Вып. 1. С. 3 - 14.
6. Концептуальные положения мониторинга параметров окружающей среды при добыче полезных ископаемых / Н.М. Качурин, В.В. Факто-рович, Л.Л. Рыбак, В.Л. Рыбак // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2013. Вып. 1. С. 3 - 14.
7. Корчагина Т.В., Рыбак В.Л., Рыбак Л.Л. Образование отходов производства и потребления на территории Кемеровской области // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2013. Вып.1. С. 15 - 20.
8. Эколого-экономическая оценка эффективности проектов добычи и переработки полезных ископаемых / Н.М. Качурин, И.Е. Зоркин, Л.Л. Рыбак, Ю.Ю. Дианов // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2013. Вып. 1. С. 177 - 187.
9. Качурин Н.М., Рыбак Л.Л., Рыбак В.Л. Эколого-экономическая оценка и мониторинг последствий подземной добычи угля // Экономика XXI века: инновации, инвестиции, образование. 2013. №1. С. 54 - 60.
10. Аэродинамика породных отвалов угольных шахт / Н.М. Качурин, Г.В. Стась, А.Д. Левин, В.Л. Рыбак // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Вып. 1. 2016. С. 23-34.
11. Грязев М.В., Качурин Н.М., Стась Г.В. Аэрогазодинамические процессы и аэрологическая безопасность при подземной добыче полезных ископаемых. Тула: Изд-во ТулГУ, 2018. 266 с.
12. Экологический мониторинг аэрогазодинамических и тепловых процессов при закрытии угольных шахт / М.В. Грязев, Н.М. Качурин, В.И. Ефимов, Т.В. Корчагина. Тула: Изд-во ТулГУ, 2020. 310 с.
Стась Галина Викторовна, д-р техн. наук, доц., galina stasamail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Рожков Виктор Федорович, канд. техн. наук, доц., galina stas amail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Соколова Светлана Станиславовна, канд. техн. наук, доц., galina stas a mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Бородкина Наталья Николаевна, инженер, galina stas a mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
GAS EMISSION FROM THE SURFACE OF THE ROCK DUMPS G.V. Stas, V.F. Rozhkov, S.S. Sokolova, N.N. Borodkina
Rock dumps are formed from a heterogeneous rock mass, in which, due to its crushing and mixing in the presence of air oxygen, physicochemical processes are activated. The dumps are characterized by significant emission of gases and dust into the atmosphere. Environmental models of dumps and geo-technological periods of mine operation have been developed, which are the basis for physical models of pollutant migration processes and their mathematical description. Sources of emission of gas hazards from the surfaces of dumps of coal mines are the centers of combustion of the dump mass, which contains large quantities of organic compounds. The developed model of the mass transfer of gases emitted from the combustion center makes it possible to estimate the gross and maximum one-time emissions of pollutants into the atmosphere from the surface of burning dumps.
Key words: rock dump, coal mine, gas emission, environmental model, diffusion, gas admixture, mathematical modeling.
Stas Galina Viktorovna, doctor of technical sciences, docent, galina stas a mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Rozhkov Victor Fedorovich, candidate of technical sciences, docent, galina stas amail.rii, Russia, Tula, Tula State University,
Sokolova Svetlana Stanislavovna, candidate of technical sciences, docent, galina stasamail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Borodkina Natalya Nikolaevna, engineer, galina_stas@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. Levkin N. D., Komissarov M. S., Rybak V. L. Protection of territories from pollution by effluents of solid waste landfills. 2012. No. 12. p. 48-50.
2. Sheinkman L. E., Rybak V. L., Kovalev R. A. The risk of accidents at mines caused by the gas factor // Izvestiya Tulskogo gosudarstvennogo universiteta. Natural sciences. Issue 1. Ch2. 2012. pp. 224-231.
3. Sheinkman L. E., Rybak V. L., Kovalev R. A. Dangerous gas situations in coal mine workings / Izvestiya Tulskogo gosudarstvennogo universiteta. Natural sciences. Issue 1. Ch2. 2012. pp. 215-223.
4.Kachurin N. M., Efimov V. I., Levin A.D., Rybak V. L. Aerodynamics of rock dumps and dust and gas emissions into the atmosphere. 2016. No. 2. pp. 96-100.
5. Conceptual provisions for monitoring environmental parameters in the extraction of mineral resources / N. M. Kachurin, V. V. Faktorovich, L. L. Rybak, V. L. Rybak // Izvestiya Tulskogo gosudarstvennogo universiteta. Earth Sciences. 2013. Issue 1. p. 3-14.
6.Kachurin N. M., Faktorovich V. V., Rybak L. L., Rybak V. L. Conceptual provisions for monitoring environmental parameters in mineral extraction // Izvestiya Tulskogo gosudarstvennogo universiteta. Earth Sciences. 2013. Issue 1. p. 3-14.
7. Korchagina T. V., Rybak V. L., Rybak L. L. Formation of production and consumption waste on the territory of the Kemerovo region // Izvestiya Tulskogo gosudarstven-nogo universiteta. Earth Sciences. 2013. Issue 1. pp. 15-20.
8.Kachurin, N. M., Zorkin, I. E., Rybak, L. L., Dianov, Yu. Yu., Ekologo-ekonomicheskaya otsenka effektivnosti proektov dobychi i pererabotki mineralnykh fossils [Ecological and economic assessment of the efficiency of mining and processing projects]. Izvestiya Tulskogo gosudarstvennogo universiteta. Earth Sciences. 2013. Issue 1. p. 177-187.
9. Kachurin N. M., Rybak L. L., Rybak V. L. Ecological and economic assessment and monitoring of the consequences of underground coal mining // Economy of the XXI century: innovations, investments, education. 2013. No. 1. pp. 54-60.
10.Kachurin N. M., Stas G. V., Levin A.D., Rybak V. L. [Aerodynamics of rock dumps of coal mines]. Izvestiya Tulskogo gosudarstvennogo universiteta. Earth Sciences. Issue 1. 2016. pp. 23-34.
11. Gryazev M. V., Kachurin N. M., Stas G. V. Aerogasodynamic processes and aer-ological safety in underground mining of minerals. Tula: TulSU Publishing House, 2018. 266 p.
12. Environmental monitoring of aerogasodynamic and thermal processes at the closure of coal mines / M. V. Gryazev, N. M. Kachurin, V. I. Efimov, T. V. Korchagina. Tula: TulSU Publishing House, 2020. 310 p.
