CC BY
65
_Экология_
52.Elevated personal exposure to particulate matter from human ac-tivitiesin a residence / Andrea R. Ferro, Royal J. Kopperud, Lynn M. Hil-demann // Journal of Exposure Analysis and Environmental Epidemiology - 2004. Vol. 14. P. 34-40.
53.Resuspension of Particulate Matter from Carpet Due to Human Activity / Jacky A. Rosati, Jonathan Thornburg, Charles Rodes // Aerosol Science and Technology - 2008. Vol. 42, № 6. P. 472-482.
54.Resuspension of Dust Particles in a Chamber and Associated En-vironmental Factors / Jing Qian, Andrea R. Ferro // Aerosol Science and Technology - 2008. Vol. 42, № 7. P. 566-578.
55. An evaluation of the impact of flooring types on exposures to fi-ne and coarse particles within the residential micro-environment using CONTAM / Lisa Bramwell, Jing Qian, Cynthia Howard-Reed et al. // Jour-nal of Exposure Science and Environmental Epidemiology - 2015. Vol. 26. P. 1-9.
56. Setting ambient air quality standards for particulate matter / Roger O. McClellan // Toxicology - 2002. Vol. 181-182. P. 329-347.
57. PM10 and PM2,5: an international perspective / Lesley L. Sloss, Irene M. Smith // Fuel Processing Technology - 2000. Vol. 65-66. P. 127-141.
58. Chistjakov Ja. V., Muratova K. M., Volodin N. I. Osnovy sepa-racii melkodis-persnoj pyli v centrobezhno-inercionnom pyleulovi-tele. Jekologija i promyshlennost' Rossii. 2016. T. 20. № 8. S. 20-27.
УДК 556:504
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ПРИРОДООХРАНИТЕЛЬНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ ПРИ ПОДЗЕМНОЙ ДОБЫЧЕ УГЛЯ
Н.М. Качурин, Г.В. Стась, С.З. Калаева, Т.В. Корчагина
На основании выполненных экспериментальных и теоретических исследований влияния подземных горных работ в различных угольных бассейнах России на окружающую среду обоснованы оценки эффективности защиты окружающей среды. Разработаны теоретические положения эффективных технологических параметров мониторинга уровней техногенного воздействия на атмосферу территорий угледобывающих регионов и природоохранительных мероприятий, обеспечивающих повышение экологической безопасности подземной добычи угля.
Ключевые слова: горные работы, подземная добыча угля, защита окружающей среды, атмосфера, диффузия газовых примесей, экологический риск, природоохранительные мероприятия.
Анализ экологических последствий угледобычи показывает, что воздействие человека на природную среду в процессе хозяйственной деятельности приобретает глобальный характер. По масштабам извлекаемых и перемещаемых пород, преобразования рельефа, воздействия на перерас-
63
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 3_
пределение и динамику поверхностных и подземных вод, активизации геохимического переноса и т.д. эта деятельность сопоставима с геологическими процессами. Но люди преобразовывали и будут преобразовывать природу, поэтому важнейшей проблемой стратегии управления качеством окружающей природной среды является вопрос об организации системы, определяющей эффективность комплексного и экологически рационального использования природных ресурсов. Такой комплексный подход к рациональному природопользованию, основанный на системных принципах разработки и внедрения новых методов оценки воздействия на атмосферу угольных шахт, позволит внедрить экологически рациональные технологии [1 - 4].
В настоящее время рост производства и повышение материального уровня жизни уже нельзя рассматривать без учета того воздействия, какое оказывают эти процессы на окружающую среду. В геоэкологии появилось важное понятие эколого-экономической системы, представляющей собой совокупность взаимосвязанных экономических, технических, социальных и природных факторов в окружающем человека мире. Поэтому важнейшей проблемой стратегии комплексного освоения недр Земли, обеспечивающей требуемое качество окружающей природной среды горнодобывающих регионов, является вопрос об организации системы, определяющей эффективность комплексного и экологически рационального использования природных ресурсов при разработке месторождений полезных ископаемых.
В Кузбассе угольная промышленность оказывает основное воздействие на окружающую среду. Ретроспективный анализ и статистические оценки, полученные совместно со специалистами АО «Прокопгипро-уголь», показывают, что интенсивность техногенного воздействия предприятий АО «УК «Прокопьевскуголь» на окружающую среду, характеризуется следующими удельными значениями: выбросы загрязняющих веществ в атмосферу 6,5 кг/т; сброс загрязненных сточных вод 3,44 м /т; площадь нарушенных земель 5,77 га/млн т; объем отходов производства 5,55 т/т. Прогнозные расчеты свидетельствуют о том, что при увеличении добычи угля показатели техногенного воздействия по предприятиям АО «УК «Прокопьевскуголь» в 2025 г. возрастут по сравнению с 2005 г. в 5,3 раза: масса загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферный воздух увеличится с 33,441 тыс. т (в 2005 г.) до 175,5 в 2025 г. на 424,8 %; объем сброса загрязненных сточных вод в поверхностные водные объекты увеличится с 17,599 до 92,88 млн м в 2025 г. - на 427,7 %; площадь нарушенных земель увеличится с 29,5 га до 155,79 га - на 428,1 %; объем отходов производства увеличится с 28,37 млн т до 149,85 - на 428,2 %.
В целом по Кемеровской области прогнозные показатели техногенного воздействия возрастут по сравнению с докризисным периодом экономического спада весьма значительно: масса загрязняющих веществ, вы-
64
_Экология_
брасываемых в атмосферный воздух на 54,9 %; объем сброса загрязненных сточных вод в поверхностные водные объекты - на 263,3 %; площадь нарушенных земель - на 54,9 %; объем отходов производства - на 54,89 %.
В соответствии с результатами ранжирования территорий России по степени изменения природной среды, проведенного институтом географии РАН, Среднерусскому району, где расположен Подмосковный бассейн, присвоен - наивысший ранг экологической напряженности. Подмосковный бассейн включает территории Новгородской, Тверской, Московской, Смоленской, Рязанской, Калужской и Тульской областей. История бассейна начинается с 1833 года, когда начали работать первые шахты. В настоящее время подземная добыча угля сведена к минимуму. Однако отходы подземной угледобычи все еще существенно воздействуют на окружающую среду [5 - 8].
Следовательно, в районах расположения действующих и закрытых предприятий по добыче и переработке минерального сырья одним из основных источников загрязнения природной среды являются породные отвалы угольных шахт и обогатительных фабрик. Миграция загрязняющих веществ с территории техногенных массивов происходит в различных геосферах под влиянием экзогенных и эндогенных факторов. Для атмосферы основными факторами являются газодинамические и теплообменные процессы; для гидросферы - гидродинамические процессы, параметры рН, Eh, химические связи, гравитационные свойства; для литосферы - геомеханические и геохимические процессы; для биоты решающее значение имеет способность к самовосстановлению.
В результате того, что на подавляющем большинстве шахт Восточного Донбасса выработанное техногенное пространство затоплено или происходит затопление его верхних горизонтов, отмечено повышенное количество провалов, образовавшихся над ранее ликвидированными наклонными и вертикальными стволами. При обводнении выработанного пространства шахт, в том числе и закрытых до начала реструктуризации угольной отрасли, происходят нарушение структуры горных пород, разрушение крепежного материала выработок и, как следствие, - образование провалов или формирование мульд оседания. Как правило, зафиксированные на выходах пластов, провалы земной поверхности приурочены к подготовительным выработкам и краевым частям целиков угля, ориентированным по падению пласта, по границе выработанного пространства.
Для оценки загрязненности почв токсичными элементами произведен отбор проб почвогрунтов на семи шахтах и шахтоуправлениях Шах-тинского, Новошахтинского, Шолоховского и Гуковского угольных районов вокруг 21-го породного отвала, на площади 885,1 га. Отобраны 660 проб для определения содержаний подвижных форм микроэлементов: V, Cd, Co, Mn, ^, М, Pb, ^, ^, Zn. Отбор проб производился с привязкой
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 3_
точек отбора GPS-навигатором. Полученные результаты анализов позволили определить согласно «Методике оценки опасности загрязнения почв на промышленных площадках ликвидируемых шахт Восточного Донбасса по подвижным формам тяжёлых металлов», разработанной межрегиональным научно-внедренческим экологическим центром «ЭКОТОН» (г. Ростов-на-Дону), степень литохимического загрязнения на территориях в радиусе 300... 500 м вокруг отвалов.
Вероятность возникновения заболеваний на загрязненных территориях можно оценить с использованием закона распределения Пуассона. Наблюдается достаточно тесная связь потока отказов защитных функций организма «среднестатистического» человека (ОСЧ) с общим уровнем техногенной нагрузки на рассматриваемую территорию. Осредненные значения потока отказов защитных функций ОСЧ коррелируют с показателями смертности и рождаемости, определяя тем самым динамику основных демографических показателей [9].
Для реализации принципа «Sustainable Development» в задачах комплексной оценки природных ресурсов на территории субъекта Российской Федерации для экологически рационального использования целесообразно использовать следующий алгоритм:
- разработка модели территориальной структуры региона, как конечного множества территориальных подразделений, слагающих регион, в пределах которых экологические критерии и демографические показатели можно считать равномерно распределенными и зависящими только от времени;
- разработка компартментных математических моделей, описывающих динамику численности населения, его возрастной и половой структуры и продолжительности жизни с учетом показателей состояния здоровья населения и экологических критериев, отражающих уровень антропогенной нагрузки на каждое территориальное подразделение;
- вычислительные эксперименты использованием данных государственной статистической отчетности;
- разработка законодательных актов, регламентирующих уровень антропогенной нагрузки с использованием методики оценки экологического состояния региона по демографическим показателям, и их практическая апробация на территории рассматриваемого региона.
Нестационарный и неоднородный характер экологических систем порождает проблемы сложности и априорной неопределенности при решении задач их исследования. По мере усложнения систем и увеличения априорной неопределенности возникает необходимость создания специализированных методов анализа, к которым относят имитационные модели.
_Экология_
Таким образом, в условиях априорной неопределенности процесс построения статистической модели системы занимает промежуточное положение между анализом соответствующей модели общей теории систем и детальным описанием реального объекта исследования как конечного результата познания [1 - 6, 7 - 9]. Принципы, реализованные для имитационного моделирования, представлены на блок-схеме (рис. 1), верхняя часть которой отражает итерационный процесс формирования модели системы,
по субъективным сведениям, эксперимента ДLt и экспериментальным данным Дэ а нижняя - организацию вычислительного эксперимента с моделью системы Met для вычисления ее показателей эффективности Пэф. Блок G(Mt, S ) выполняет функцию оценивания соответствия между t-м
вариантом модели Mt и свойствами системы S, достаточность которого
определяет имитационную модель Met .
В контуре «1» организуется процесс формализации качественной информации субъекта о структуре системы «объект ТЭК - атмосфера». В основу процедур обработки экспериментальных данных контура «2», направленных на построение модели системы, положены принципы аналогий либо методы локальной аппроксимации, имеющие имитационную природу. Расчет показателей эффективности системы в условиях априорной неопределенности о входных воздействиях и параметрах структуры модели Mt осуществляется соответственно в контурах «3, 4».
Структуру математической модели зависимости выбросов от энергии можно записать следующим образом: Y = F(C,(S)), где (S) - алгоритм, определяющий порядок расчета выходных переменных Y (выбросы) системы по значениям ее входов X (энергия). Математическая модель имитации работы системы «объект ТЭК - атмосфера» имеет вид
i
Q=(Sn,u(z,t),y(z,t}):(t = 1) i Rf['t+1 (yt,xt+1 ) , (1)
i
F(xt+i,yt+i)(t = t + 1)(i = k)v î "zî Zn , (2)
где R/+1 - оператор перехода системы в одно из состояний Sk, t+1 , достигаемое из Sit под воздействием ut+1 (задание нового параметра количества энергии), измеренных в точке с координатами zt+1; Fk,t+1 - преобразование, отражающее взаимосвязи между параметрами системы в состоянии Sk,t+1.
При выполнении логического условия v:(t<M-1) происходит переход по стрелке. Априорную информацию составляет статистическая выборка, заданная условием V=(xlt,ylt,t = 1,Mi = 1,n) об n повторяющихся процессах развития в пространстве Z. В целом технология эффективного мониторинга атмосферы горнопромышленного региона представляет со-
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 3_
бой информационную технологию, основывающуюся на математических моделях диффузии пылегазовых примесей и имитационного моделирования мощности источников выбросов загрязнителей в атмосферу.
Имитационное моделирование позволило оценить экологические последствия перехода с газа на уголь ТЭЦ г. Тулы и Тульской области. Результаты имитационного моделирования показывают, что аэрологическая оценка перехода с природного газа на уголь теплоэлектростанций должна базироваться на достоверном прогнозе увеличения пылегазовых выбросов в различных условиях. При этом прогнозные значения этих показателей должны быть согласованы с основной методикой расчета выбросов в атмосферу при сжигании различного вида топлива. К числу показателей, которые необходимо прогнозировать, относятся следующие характеристики: объем выбросов каждого токсичного вещества как при сжигании угля, так и природного газа; экономический ущерб от загрязнения атмосферы; увеличение нагрузки выбросами на атмосферу при переходе с природного газа на уголь теплоэлектростанций.
Рис. 1. Блок-схема построения и использования имитационной модели
системы «объект ТЭК - атмосфера»
Анализ информации по шахтам Прокопьевского района позволил выявить следующую закономерность: </7 = ап + + а31А + а41Е, где -интенсивность воздействия на компоненты окружающей среды; а1ь а2ь азь а4х - эмпирические коэффициенты; А - производственная мощность шахты, тыс. т/год; Е - энергопотребление на рассматриваемой шахте за отчетный период, тыс. кВт/год; ? - время; \ - индекс вида воздействия на окружающую среду. Анализ показывает, что закономерность (3) в большинстве
68
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 [10 - 11].
Для комплексной оценки экологической безопасности рассматриваемой геотехнологии целесообразно использовать интегральный показатель экологической безопасности (integral environmental safety index), кото-
рый задан следующей формулой: IESI = ^xJj, где IESI - интегральный
показатель экологической безопасности; с - 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: 1ЕБ1 < ПДЗ{1Е81}, где ПДЗ(1ЕБ1} - предельно допустимое значение интегрального показателя экологической безопасности. Практическая апробация усовершенствованной методики оценки воздействия на окружающую среду при подземной добычи 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.
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 пылегазовыми выбросами и потреблением электроэнергии. Решения дифференциальных уравнений процесса воздействия на окружающую среду имеют следующий вид: - при неограниченном материальном ресурсе
j=i
- при конкурентной борьбе за материальный ресурс
т(¥ )ч
Г]Ы(Е ) =-^-——, (4)
1 -(1 -рц)ехр(-ец1^Е) У '
где X = к?) - к?; ее = К<+) - К<~); р = 1]¥»(1™)-; Ц+), Ц~), К<+) и К(-) - константы мощности воздействия и локализации влияния на окружающую среду; 1(Е¥)1], 1(]01)1] - равновесное и начальное значение 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 толще. Решение одномерного уравнения распределения давления метана по вертикальному разрезу вмещающих пород позволило получить зависимость метановыделения 1 ¿м)(Гог) с площади подработанной Земной поверхности, равной ГЗП:
1-0,282{k)F3n Ff{p2 \l -expi-0,25Fof)" mPaHo L -
+2paKp [l + 0,564jFöfexp (-0,25Fof)- erf (0,5jFöf)
1 1^2 M
+ ' ,—L 0 (l + 0,25Fof) exp (-0,25 Fo f)
+
+
(5)
где (k) - среднее значение газовой проницаемости подработанной толщи
горных пород; / - динамическая вязкость метана; ра - атмосферное давление; Н0 - глубина зоны газового выветривания; KP - угловой коэффициент в «гидростатическом» законе изменения давления метана в угленосной толще; Fof - фильтрационный критерий Фурье; Fof — ИЦ /(kj); км - пье-
зопроводность поработанных горных пород по метану.
Зависимость (3) использована для вычислительных экспериментов. Анализ результатов вычислительных экспериментов показывает, что у функции (3) существует асимптота /¥м) — lim /^(Fo f). Таким образом,
Fo f f
метановыделение на земной поверхности из подработанной угленосной толщи представляет собой функцию, которая стремиться к асимптотиче-
скому значению /¥м) при больших значениях критерия Фурье ) = 0,637 (к)ГЗП К2Р( цРа)'1. Следовательно, скорость метановыделения с
площади подработанной Земной поверхности весьма длительный период времени будет величиной постоянной, зависящей от газовой проницаемости подработанных 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.
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 ко-
ф 3 2
личество «мертвого воздуха», равное (/фд, м/м с)
/% = Чк)(МмеН)- (р(2) + а), где мме - динамическая вязкость «мертвого воздуха». Результаты вычислительных экспериментов хорошо совпадают с качественной картиной газовыделений из выработанных пространств. 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.
Одной из наиболее распространенных ситуаций загрязнения приземного слоя атмосферы является распространение вредной примеси от одиночного точечного источника, расположенного на промплощадке горнодобывающего предприятия. При постоянных значениях ортогональных компонент скорости ветра и коэффициентов турбулентной диффузии, математическая модель диффузии пылегазовых примесей от точечного источника загрязнения воздуха будет иметь следующий вид:
дс дс дс дс , хд2с / \д2с , хд2с
д+и д+у ду+^=<Б«> дс+< д7+<Б-> д?+
+/о ((Д^Ж)^))~0'5 8(х) 8(у) 8(2-Н) , (6)
с(х, у, 2, 0) = 0, -(Бт^Г^ 1 = 0, (7)
где с(х, у, 2, I) - концентрация пылегазовой примеси, являющаяся функцией пространственных координат х, у, 2 и времени ?; и, V, w - компоненты вектора скорости ветра; (Бтх), , (Бт2) - осредненные значения ком-
понент тензора коэффициента турбулентной диффузии примеси в атмосферном воздухе; /0 - масса загрязнителя, выделяющегося в единицу времени в точке с координатами (0, 0, Н); Н - высота расположения точечного источника над поверхностью Земли; д( -) - дельта-функция Дирака соответствующего аргумента.
Уравнение (6) для условий (7) решалось методом изображений. Решения были получены для различных режимов конвективного переноса, обусловленного скоростью ветра. Решение уравнения (4) для условий (5) имеет вид:
г
с(х, у ,2) = 2,245 ■ 10 - ехр (-к]г) | д1(г )(г -т)~1,5 ехр (к^т) х
0
х{ехр \_-0,25а2(г -т] + ехр \_-0,25Ь2(г -т] +
¥
+2И|ехр(Иц) ехр -0,25(г - т(х2 + у] + (21 + Н1 +ц)2) dh
>с1т, (8)
где х = х(БтхУ' ; у, = у{БтУУ • ; 21 = 2^)'' ; Н1 =
На рис. 2 представлены кривые, определяющие зависимость концентрации от х на разных уровнях высоты 2 в сечении у = 0. По данным этих расчетов можно также проследить за вертикальным профилем концентрации в зависимости от расстояния до источника.
На рис. 3 представлены график и изолинии концентрации на высоте наблюдения 2 = 1 м для случая трех точечных источников, расположенных в точках г1 = (0, 0), г2 = (1000, 0), г3 = (500, 100) на высоте Н1 = Н2 = Н3 = 100 м, производительностью /1 = /2 = /3 = 1 г/с при и = 4 м/с, к0 = 0,5 м, (Бт2) = 20 м2/с. Источник 2 расположен в зоне факела источника 1, и максимум суммарной концентрации в этом случае больше, чем максимум концентрации для одиночного источника с такими же параметрами.
Таким образом, для переноса примесей в атмосфере путем диффузии получены аналитические решения уравнения диффузии для конкретных граничных и начальных условий, что позволяет представить в явном или численном виде функцию, которая описывает поле концентраций примеси в зоне действия источников загрязнений атмосферного воздуха на территории горного отвода действующего горнодобывающего предприятия. Наиболее простой ситуацией является распространение вредной примеси от одиночного точечного источника при постоянных значениях ортогональных компонент скорости ветра и коэффициентов турбулентной диффузии. В этом случае удается получить аналитическое решение уравнения диффузии. В случае нескольких источников выбросов концентрация примеси равна суперпозиции концентраций от единичных источников. Сравнение результатов вычислительных экспериментов данными натур-
72
0
ных наблюдений свидетельствует об адекватности предложенных математических моделей прогнозирования распространения загрязнителей в атмосфере.
Рис. 2. Зависимость концентрации примеси от расстояния до источника выброса загрязнителя на различной высоте (1 - z = 0 м; 2 - z = 50 м; 3 - z = 100 м; 4 - z = 150 м; 5 - z = 200 м)
Рис. 3. График поля концентрации примеси от трех точечных источников в приземном слое атмосферы
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 3_
Для эколого-экономической оценки функционирования горного предприятия по аэрологическому фактору предложено математическое описание объекта моделирования в виде агрегированной модели. Состояние эколого-экономической системы описывают следующими величинами: П - объем продукции, выпускаемой предприятием за единицу времени; К - основные производственные фонды; L - трудовые ресурсы; Q - количество загрязнителей, образующихся при производстве продукции; U = cQQ -количество обезвреженных загрязнителей (улавливаемых выбросов), где 0 <o< omax - степень очистки (улавливания), где omax < 1 - максимально возможная степень очистки (улавливания); Q' = Q - U = (1 - o)Q - количество загрязнителей, попавших в окружающую среду.
Процесс горного производства описывается некоторой производственной функцией Птах = /(К, L) >П. Если обозначить через уоптовую цену продукта П, тогда за реализацию продукта предприятие получит сумму уП. Из этой суммы часть идет на покрытие себестоимости продукта А, в которую входят: а) оП - оборотный капитал (затраты на материалы, сырье и т.д.), где о- оборотный капитал на единицу продукции; б) pL - затраты на оплату труда, где p - норма заработной платы; в) ЯК - амортизационные отчисления. Итак, А = оП + pL + ЯК. Пусть w - количество образования отходов на единицу продукции. Тогда Q=gII. Пусть g(U) - функция затрат на обезвреживание загрязнителей в количестве U. Функция g(U) монотонно возрастающая и, как правило, нелинейная, так как чем выше степень очистки, тем выше затраты на единицу обезвреживаемых загрязнителей, причем g(0)=0.
Динамика производственного процесса предприятия описывается дифференциальным уравнением вида dK / dt = J - juK, где J - инвестиции в основные фонды; u - коэффициент выбытия основных фондов. Если J = иК, то производственный процесс стационарен. Далее будем рассматривать только стационарные производственные процессы. Цель предприятия будет заключаться в максимизации своей прибыли, т.е. Р ® max. Следовательно, эколого-экономическая модель горного предприятия может быть сведена к комплексу математических моделей однокритериальной оптимизации с различными видами ограничений. Оценка экологического состояния любой территории, населенной людьми, - это эколого-социальная проблема, а территориальная экология - это объединение и развитие важнейших разделов социально-экономической экологии и экологии человека, которое представляет собой научную дисциплину, рассматривающую общие законы взаимоотношений макроэлементов биосферы и антропогенной системы, определяющие уровень и качество жизни населения на данной территории. Экологическое состояние региона характеризуется закономерностями, связывающими экологические критерии и показатели уровня
и качества жизни населения, и отражающими социально-экономическое состояние и технологическую политику использования ресурсов рассматриваемой территории, на фоне которых протекает жизнедеятельность населения региона.
Использование информационной технологии анализа и прогнозной оценки экологического состояния природно-ресурсной базы административно-территориального подразделения неразрывно связана с конкретными технологиями управления процессами природопользования на контролируемых промышленных объектах и должна находиться в надсис-темном уровне по отношению к технологиям управления контролируемыми объектами. Объем добычи и переработки того или иного вида полезных ископаемых на горном предприятии, в которое планируется осуществить реальные инвестиции, является одним из важнейших геотехнологических показателей, отражающих как экономическую, так и экологическую составляющие реализуемого проекта природопользования [12-15].
Разумеется, что в конкретных условиях разработки угольного месторождения этот объем зависит от наличия финансовых средств и соответствующих производственных мощностей. Доход от реализации полезных ископаемых ¿-го вида D/At) в рассматриваемый период времени
можно представить KZKDj(At) = (l-ßjI7P)(l-ß™0 )Ц .(At)-V.(At) 9 где Дяр
- норма налога на прибыль; Дадс- нормативная ставка налога на добавленную стоимость; Ц ¿(At) - цена единицы /-го вида полезных ископаемых; V/At) - объем добычи /-го вида полезных ископаемых в отчетный период; /
- порядковый номер полезного ископаемого или минерального сырья, полученного при его переработке. Издержки при добыче полезных ископаемых /-го вида В /At) в рассматриваемый период времени складываются из постоянных и переменных затрат на добычу V/At), т.е. В i(At) = U i(At)-Vi(At) + Z /At). Существует максимально возможное значение объема добычи Vmax(At)=corist, следовательно, необходимо ввести ограничение V.(At)< Vmax(At).
Очевидно, существует такое значение V/At) = Vopt(At), при котором прибыль будет наибольшей. Это значение является оптимальным, тогда введя новую функцию F[Dj(At), B/At)] как свертку функций D/At) и B/At), можно записать FQD/At),min{В/Atmax. Эта функция выступает в
качестве критерия оптимизации, а объем добычи является оптимизируемым параметром. Следовательно, оптимальное значение объема добычи полезного ископаемого или получаемого минерального сырья /-го вида будет соответствовать условию Vop/At) = max(^F[]Di(At),rnw{Bi(At)}[}j. Поэтому Vmax(At) = Vop/At). Таким образом, после того как найдено оптималь-
ное значение объема добычи, необходимо разработать план мероприятий для достижения этого оптимального объема производства Уорг(А'). Очевидно, что одним из важнейших мероприятий является организация реальных инвестиций ¡т(Аг), которые обеспечат оптимальный объем производства изделия 1-го вида. Инвестиции в подобных случаях представляют собой дополнительные финансовые средства, идущие на увеличение таких оборотных средств, как незавершенное производство и производственные запасы (сырье, материалы, комплектующие). Следовательно, объем реальных инвестиций будет ¡пу(А') = (СЩ) + С^)[Уор{(А') - У(А' -1)] , где
С(п13} - средняя стоимость производственных запасов, приходящаяся на единицу массы (или объема) добываемого полезного ископаемого; -средняя стоимость незавершенного производства, приходящаяся на на единицу массы (или объема) добываемого полезного ископаемого; V(Аг -1) - объем добычи полезного ископаемого /-го вида, достигнутый в предыдущем отчетном периоде.
Совокупность экологических мероприятий на горном предприятии включает два блока. Первый блок экологических мероприятий - это природоохранительные мероприятия. Комплекс природно-ресурсных мероприятий представляют собой второй блок. Экологически рациональное природопользование на современном этапе формирования рыночной экономики России подразумевает экономическую эффективность процесса природопользования. Среди геотехнологических характеристик природопользования существенное влияние на суммарные затраты оказывает периодичность проведения экологических мероприятий. Следовательно, периодичность этих мероприятий и определяет величину прогнозного интервала времени при оценке эффективности инвестиций в реализацию проектов рационального природопользования. Установлено, что вследствие влияния этих противоположных тенденций существует оптимальная величина периодичности проведения экологических мероприятий Т^р', которая определяется по предлагаемой формуле:
тм=—1—1п
эм V V КЭ - КС
КЭСЭ0
КС (СД- С0 )
(9)
где КЭ - константа скорости реализации удельных затрат; КС - константа скорости получения удельных доходов; СЭ0 - удельные эксплуатационные
затраты от функционирования одного экологического мероприятия; С0 ,
С¥
д - начальное и асимптотическое значения удельных доходов от проведения одного экологического мероприятия.
_Экология_
Концептуальная формула экологического риска для проекта рационального природопользования имеет вид RENV = PaNTD, где RENV, PANT -риск и вероятность неблагоприятного техногенного воздействия на окружающую среду соответственно; D - ущерб от неблагоприятного антропогенного воздействия на окружающую среду при реализации рассматриваемого проекта природопользования. Эта формула с учетом того, что вероятность неблагоприятного антропогенного воздействия на окружающую среду будет представлять собой вероятность одновременного появления двух событий, примет вид RENV = P{IINF > MPEL}PGLD, где IINF - интенсивность антропогенного воздействия на окружающую среду; MPEL -предельно допустимый уровень нагрузки на окружающую среду; P{IINF > MPEL} - вероятность появления неблагоприятного антропогенного воздействия на окружающую среду, превышающего допустимый уровень; PGL - вероятность отказа в системе защиты окружающей среды. Теоретическая функция распределения определяет вероятность того, что жизнедеятельность рассматриваемой территории без нарушений состояния окружающей среды меньше некоторого заданного времени t, (времени экологически благоприятной жизнедеятельности), то есть P{IINF > MPEL} XPGL = 1 - Q{T<t}, где Q и Т - вероятность и период жизнедеятельности рассматриваемой территории без нарушений состояния окружающей среды.
Следовательно, задача управления экологически безопасной реализацией проекта рационального природопользования сводится к осуществлению мероприятий, позволяющих обеспечить следующие условия: *
Я (t)® min или Qi(t) ® max. Так как имеет место многофакторная связь вероятности возникновения нежелательных ситуаций с экономическими (/э), технологическими /Т), природными и экологическими /ПЭ), а также социальными /) факторами, то в самом общем виде 1*(t) = F [/Э(t),fT(t),fm(t),fc(t)]. Эта зависимость устанавливается в
явном виде на основе закономерностей интенсивности возникновения нежелательных ситуаций при реализации инвестиционного проекта, выявляемых в процессе имитационного моделирования, и необходимых для повышения достоверности прогноза эффективности проекта природопользования и разработки эффективных мероприятий, снижающих вероятность финансовых потерь.
Значение же риска в количественно выражении рекомендуется определять, как произведение математического ожидания финансовых потерь (ФП) на вероятность возникновения ситуаций, приводящих к таким потерям, то есть REnv = M{ФП} ■ P{T > t}, где REnv - экологический риск; M{ФП} - математического ожидания финансовых потерь. Анализ ре-
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 3_
зультатов обработки временных рядов по интенсивности возникновения нежелательных ситуаций, полученных при имитационном моделировании, показывает, что в целом осуществлять экстраполяцию, используя тренды, можно только на короткий период времени (не более трех отчетных периодов) и для приближенных оценок. Сравнительно низкие значения коэффициентов корреляции говорят о том, что на результативный признак накладывается влияние целого ряда случайных факторов, учет и изучение которых являются обязательными.
Список литературы
1. Экологические последствия закрытия угольных шахт Кузбасса по газодинамическому фактору и опасности эндогенных пожаров на отвалах / Н.М. Качурин, С. А. Воробьев, Я.В. Чистяков, Л. Л. Рыбак // Экология и промышленность России. 2015. №4. С. 54-58.
2. Качурин Н.М., Воробьев С.А., Чистяков Я.В. / Породные отвалы ликвидированных шахт Подмосковного бассейна как источник выбросов пыли в атмосферу // Экология и промышленность России. 2015. №4. С. 5458.
3. Качурин Н. М., Ефимов В. И., Воробьев С. А. Методика прогнозирования экологических последствий подземной добычи угля в России / Горный журнал. 2014. №9. С. 138-142.
4. Evaluating of closed mines mining lease territories environmental safety by gas factor / N. M. Kachurin, V. I. Efimov, S. A. Vorobev, D. N. Shku-ratckiy // Eurasian Mining. 2014. №2. P. 41-44.
5. Scientific and practical results of monitoring of anthropogenic influence on mining-industrial territories environment / N. M. Kachurin, S. A. Vorobev, T. V. Korchagina, R. V. Sidorov // Eurasian Mining. 2014. №2. P. 44-48.
6. Качурин Н.М., Комиссаров М.С., Королева О.С. Математическое моделирование загрязнения воздуха в приземном слое предприятиями минерально-сырьевого комплекса // Изв. вузов. Горный журнал. 2012. № 4. С. 46 - 50.
7. Качурин Н.М., Комиссаров М.С., Королева О.С. Диффузия пыле-газовых примесей в атмосфере от точечного источника загрязнения воздуха // Изв. вузов. Горный журнал. 2012. № 5. С. 73 - 79.
8. Kachurin Nikolai, ^mashchenko Vitaly, Morkun Vladimir. Environmental monitoring atmosphere of mining territories // Metallurgical and Mining Industry. 2015. No 6. P. 595 - 598.
9. Перспективы экологически безопасного использования отходов производства на территориях горнодобывающих регионов / Н.М. Качурин, В.И. Ефимов, В.В. Факторович, Е.К. Мосина // Безопасность труда в промышленности. 2014. № 9. С. 81 - 84.
_Экология_
10. Экологически безопасная геотехнология комплексного освоения месторождений бурого угля / Н.М. Качурин, В.И. Ефимов, В.В. Факторо-вич, Е.К. Мосина // Безопасность труда в промышленности. 2014. №10. С. 65 - 70.
11. Распределение ресурсов на профилактику загрязнения атмосферы горнопромышленного района / Н.М. Качурин, Л. Л. Рыбак, В.И. Ефимов, С. А. Воробьев // Безопасность труда в промышленности. 2015. №2. С. 24 - 27.
12. Оценка предельно допустимых пылегазовых выбросов горных предприятий в атмосферу / Н.М. Качурин, Л. Л. Рыбак, В.И. Ефимов, С. А. Воробьев // Безопасность труда в промышленности. 2015. №3. С. 36 - 39.
13. Оценка геоэкологических последствий подземной добычи полезных ископаемых / VI International Geomechanical Conference // Federation of the Scientific Engineering Unions in Bulgaria. Varna. 2014. P. 323 - 331.
14. Kachurin Nikolai M., Vorobev Sergei A., Bogdanov Sergei M. Evaluating Polluting Atmosphere be Mining Enterprises and Optimizing Prophylactic Measures Resources / 5th International Symposium. Mining and Environmental Protection. Vrdnik. Serbia. 2015. P. 135 - 140.
15. Environmental Danger of Worked and Liquidated Coal Mines Open Areas / Nikolai M. Kachurin, Sergei A. Vorobev, Dimitriy N. Shkuratckiy, Sergei M. Bogdanov // 5th International Symposium. Mining and Environmental Protection. Vrdnik. Serbia. 2015. P. 141 - 149.
Качурин Николай Михайлович, д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой, ecology@ tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Стась Галина Викторовна, канд. техн. наук, доц., galina stas@ mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Калаева Сахиба Зияддин кзы, канд. техн. наук, доц., kalaevasz@mail.ru, Россия, Ярославль, Ярославский государственный технический университет,
Корчагина Татьяна Викторовна, канд. техн. наук, зам. директора, t.korchagina@pk-ugol.ru, Россия, Прокопьевск, ООО «Прокопгипроуголь»
ENVIRONMENTAL EVALUATING EFFICIENCY OF ENVIRONMENTAL PROTECTION AND ENVIRONMENTAL MEASURES BY UNDERGROUND MINING
N.M. Kachurin, G.V. Stas, S.Z. Kalaeva, T.V. Korchagina
Evaluations of environmental protection efficiency were substantiated with using experimental and theoretical researches results of influencing underground mining upon environment in different coal basins of Russia. Theoretical principals of effective technological parameters for monitoring anthropogenic influence levels upon atmosphere of coal mining regions territories and environmental measures were created for providing improving environmental safety by underground mining.
_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 3_
Key words: mining, underground coal mining, environmental protection, atmosphere, gas admixture diffusion, environmental risk, environmental measures.
Kachurin Nikolai Michailovich, Doctor of Sciences, Full Professor, Head of a chair, ecology atsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Stas Galina Viktorovna, candidate of technical sciences, docent, galina stas ai mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kalaeva Sahiba Ziyddin-kzi, candidate of technical sciences, docent, kalae-vasz@mail.ru, Russia, Yaroslavl, Yaroslavl State Technical Universitety,
Korchagina Tatiyna Victorovna, candidate of technical sciences, deputy director, t.korchaginaapk-ugol.ru , Russia, Prokopievsk, OOO "Prokopgiprougol"
Reference
1. Jekologicheskie posledstvija zakrytija ugol'nyh shaht Kuzbassa po gazodinamicheskomu faktoru i opasnosti jendogennyh pozharov na ot-valah / N.M. Kachurin, S.A. Vorob'ev, Ja.V. Chistjakov, L.L. Rybak // Jeko-logija i promyshlennost' Rossii. 2015. №4. S. 54 - 58.
2. Kachurin N.M., Vorob'ev S.A., Chistjakov Ja.V. // Jekologija i promyshlennost' Rossii. 2015. №4. S. 54 - 58.
3. Kachurin N. M., Efimov V. I., Vorob'ev S. A. Metodika prognozirovanija jekolo-gicheskih posledstvij podzemnoj dobychi uglja v Ros-sii / Gornyj zhurnal. 2014. №9. S. 138 - 142.
4. Evaluating of closed mines mining lease territories environmental safety by gas factor / N. M. Kachurin, V. I. Efimov, S. A. orobev D. N., Shkuratckiy // Eurasian Mining. 2014. №2. P. 41 - 44.
5. Scientific and practical results of monitoring of anthropogenic in-fluence on mining-industrial territories environment / N. M. Kachurin, S. A. Vorobev, T. V. Korchagina, R. V. Sidorov // Eurasian Mining. 2014. №2. P. 44 - 48.
6. Kachurin N.M., Komissarov M.S., Koroleva O.S. Matematiche-skoe modelirova-nie zagrjaznenija vozduha v prizemnom sloe predprijati-jami mineral'no-syr'evogo kompleksa / Izv. Vuzov. Gornyj zhurnal. 2012. № 4. S. 46 - 50.
7. Kachurin N.M., Komissarov M.S., Koroleva O.S. Diffuzija pylegazovyh primesej v atmosfere ot tochechnogo istochnika zagrjaznenija vozduha / Izv. Vuzov. Gornyj zhurnal. 2012. № 5. S. 73 - 79.
8. Nikolai Kachurin, Vitaly Komashchenko, Vladimir Morkun. Envi-ronmental monitoring atmosphere of mining territories // Metallurgical and Mining Industry. 2015. No 6. P. 595 - 598.
9. Perspektivy jekologicheski bezopasnogo ispol'zovanija othodov proizvodstva na territorijah gornodobyvajushhih regionov / N.M. Ka-churin, V.I. Efimov, V.V. Faktorovich, E.K. Mosina // Bezopasnost' truda v promyshlennosti. 2014. № 9. S. 81-84.
10. Jekologicheski bezopasnaja geotehnologija kompleksnogo osvoe-nija mestorozh-denij burogo uglja / N.M. Kachurin, V.I. Efimov, V.V. Faktorovich, E.K. Mosina // Bezopasnost' truda v promyshlennosti. 2014. №10. S. 65 - 70.
11. Raspredelenie resursov na profilaktiku zagrjaznenija atmo-sfery gornopromysh-lennogo rajona / N.M. Kachurin, L.L. Rybak, V.I. Efimov, S.A. Vorob'ev // Bezopasnost' truda v promyshlennosti. 2015. №2. S. 24-27.
12. Ocenka predel'no dopustimyh pylegazovyh vybrosov gor-nyh predprijatij v at-mosferu / N.M. Kachurin, L.L. Rybak, V.I. Efi-mov, S.A. Vorob'ev // Bezopasnost' truda v promyshlennosti. 2015. №3. S. 36-39.
13. Ocenka geojekologicheskih posledstvij podzemnoj dobychi po-leznyh isko-paemyh / VI International Geomechanical Conference // Federa-tion of the Scientific Engineering Unions in Bulgaria. Varna. 2014. P. 323 - 331.
14. Nikolai M. Kachurin, Sergei A. Vorobev, Sergei M. Bogdanov. Evaluating Polluting Atmosphere be Mining Enterprises and Optimizing Prophylactic Measures Resources / 5th International Symposium. Mining and Environmental Protection. Vrdnik. Serbia. 2015. P. 135-140.
15. Environmental Danger of Worked and Liquidated Coal Mines Open Areas / Nikolai M. Kachurin, Sergei A. Vorobev, Dimitriy N. Shku-ratckiy, Sergei M. Bogdanov // 5th International Symposium. Mining and Environmental Protection. Vrdnik. Serbia. 2015. P. 141-149.
УДК 622.4
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ШАХТНЫХ ВОД В ОЧИСТНЫХ ФИЛЬТРАХ
Н.М. Качурин, В.В. Левковская
Обоснованы закономерности движения загрязненной воды в фильтре с использованием теоретических положенияй механики жидкостей. Выведены уравнения движения загрязненных подземных вод в пористой среде очистных фильтров и обоснован обобщенный закон ламинарной фильтрации воды. Получены расчетные зависимости для определения распределения давления воды в фильтре и скорости фильтрационного потока при заданных параметрах фильтрации.
Ключевые слова: подземные воды, загрязненные стоки, фильтр, фильтрация, закон фильтрации, математическая модель.
Закономерности движения загрязненной воды в фильтре основываются на теоретических положениях механики жидкостей [1 - 3]. Основная теорема динамики жидкости утверждает, что индивидуальная производная от главного вектора количеств движения объема жидкости равна главному вектору объемных и поверхностных сил, приложенных к частицам, расположенным в рассматриваемом объеме и на ограничивающей его поверхности. То есть можно записать, что
— = + Р , (1)
7, об пов ' V /
ш
где К - главный вектор количеств движения объема жидкости; ¥об и ¥пов -главные векторы объемных и поверхностных сил соответственно.
81
