Геоэкологическое зонирование акустического воздействия на окружающую среду при разработке месторождений флюсовых известняков

Репина Елена Михайловна; Межова Лидия Александровна; Кульнев Вадим Вячеславович; Луговской Александр Михайлович

Естественные и точные науки ••• 79

Natural and Exact Sciences •••

Науки о Земле / Earth Science Оригинальная статья / Original Article УДК 550.34.013.4

DOI: 10.31161/1995-0675-2018-12-4-79-87

Геоэкологическое зонирование акустического воздействия на окружающую среду при разработке месторождений флюсовых известняков

1 Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия; e-mail: re-pinaem@mail.ru 2 Воронежский государственный педагогический университет, Воронеж, Россия; e-mail: lidi-ya09@rambler.ru; kulneff.vadim@yandex.ru 3 Московский государственный областной университет, Москва, Россия; e-mail: alug1961@yandex.ru

РЕЗЮМЕ. Целью статьи является изучение специфики акустического воздействия на окружающую среду, возникающего при проведении буровзрывных работ на карьерах нерудных полезных ископаемых. Экспериментальное исследование проведено на Сокольско-Ситовском месторождении флюсовых известняков, территориально расположенном в Липецкой области. Метод. Анализ результатов полевых измерений уровня шума и проведение на их основе геоэкологического зонирования. Результаты. Результатом работы является геоэкологическое зонирование, основанное на авторских полевых исследованиях, статистическом анализе и графическом моделировании. Вывод. Особенности природопользования на данной территории создают необходимость организации и проведения комплексных геоакустических исследований, способствующих выработке и внедрению природоохранных мероприятий. Статья ориентирована на специалистов в области охраны окружающей среды.

Ключевые слова: акустическое воздействие, зонирование, флюсовые известняки, шумовое загрязнение, шумомер.

Формат цитирования: Репина Е. М., Межова Л. А., Кульнев В. В., Луговской А. М. Геоэкологическое зонирование акустического воздействия на окружающую среду при разработке месторождений флюсовых известняков // Известия Дагестанского государственного педагогического университета. Естественные и точные науки. 2018. Т 12. № 4. С. 79-87. DOI: 10.31161/1995-0675-2018-12-4-79-87

Geo-ecological Zoning of Acoustic Environmental Impacts in the Development of Fluxing Limestone Deposits

Voronezh State University, Voronezh, Russia: e-mail: re-pinaem@mail.ru

Voronezh State Pedagogical University, Voronezh, Russia: e-mail: lidiya09@rambler.ru; kulneff.vadim@yandex.ru Moscow State Regional University, Moscow, Russia; e-mail: alug1961@yandex.ru

ABSTRACT. The aim of the article is to study the specifics of the acoustic impact on the environment arising during the drilling and blasting operations in the quarry of mineral resources. An experimental study was conducted on the Sokolsko-Sitovskoye fluxing limestone deposit, geographically located in the Lipetsk region. Method. Analysis of the results of field noise level measurements and geo-ecological zoning based on them. Results. The result of the work is geo-ecological zoning, based on the author's field research, statistical analysis and graphic modeling. Conclusion. Features of environmental management in this area create the need for organizing and conducting integrated earth acoustic studies that contribute to the development and implementation of environmental protection measures. The article is for the specialists in the field of environmental protection.

Keywords: acoustic effects, zoning, fluxing limestone, sound pollution, sound meter.

••• Известия ДГПУ. Т. 12. № 4. 2018

••• DSPU JOURNAL. Vol. 12. No. 4. 2018

For citation: Repina E. M., Mezhova L. A., Kul'nev V. V., Lugovskoy A. M. Geoecological Zoning of Acoustic Environmental Impacts in the Development of Fluxing limestone Deposits. Dagestan State Pedagogical University. Journal. Natural and Exact Sciences. 2018. T. No. 4. Pp. 79-87. DOI: 10.31161/1995-0675-201812-4-79-87 (In Russian)

Введение

Для регионов России добыча строительного сырья имеет большое значение. В связи с интенсивной добычей возникает целый ряд геоэкологических проблем.

Шумовое воздействие при проведении буровзрывных работ на карьерах по разработке строительного сырья повышенной плотности - известняков методом пучения горной породы проявляется не только в рабочей зоне карьера, но и оказывает влияние на прилегающие селитебные и рекреационные территории. На распространение шумового импульса оказывают влияние такие факторы, как наличие брешей в обваловке, полезащитные лесополосы с акустическими окнами. Шумовые эффекты зависят как от несоблюдения технологических регламентов, так и особенностей технологического процесса при проведении работ. Шум может распространяться на достаточно большие расстояния. Усугубляющим фактором данного процесса может являться наличие поблизости перерабатывающего производства или транспортной магистрали и т. п. Шумовое воздействие от дробления породы локализуются в пределах горной выработки, но акустические эффекты могут усиливаться сопровождающими производствами и транспортными магистралями. Комплексное длительное воздействие шумовой нагрузки не характерной для населенных пунктов формирует зоны с негативными акустическими характеристиками для проживания населения. Акустическое воздействие на человека в таких зонах достигает порогового уровня ощущений (болевой порог) 90-100 дБ при постоянно фиксируемом уровне шума в 60 дБ [6].

Люди, находящиеся в непосредственной близости к месту проведения взрывных работ или попадающие в акустические окна, могут получать кратковременные повреждения, так как при проведении даже малых взрывов формируется избыточное давление импульсного характера, достигающее величин до 10 кПа.

В физических средах при проведении массового взрыва происходит формирова-

ние как взрывной, так и ударной волны, распространяющейся со значительной скоростью и интенсивностью. В процессе распространения в воздушном пространстве ударная волна теряет силу, полученную ей в процессе производства массового взрыва, и постепенно затухает. Сила ударной волны в воздушном пространстве формируется количеством и типом употребляемого взрывчатого вещества в процессе подготовки и проведения буровзрывных работ, а также полнотой происходящих реакций и количеством образующихся продуктов взрыва, таких как взрывные газы, мелкодисперсные фракции горной породы, сажа и т. д.

При формировании ударной волны побочными факторами являются избыточное давление в скважинах, скорость распространения и длительность воздействия взрывной волны.

На горнодобывающих предприятиях организован экологический мониторинг, имеющий узкую специализированную направленность, и не учитывающий опосредованного влияния районов добычи на компоненты окружающей природной среды и здоровье населения по эколого-геофизическим критериям.

Проблемами изучения процессов проходки карьеров по добыче известняков занимались различные авторы, но наиболее репрезентативные представлены в работах И. В. Грачевой и Е. В. Самылиной. Ими также определено влияние зоны промышленной добычи известняков на химический состав поверхностных вод [2].

На территории Липецкой области насчитывается порядка 10 месторождений по добыче известняков. Особый интерес вызывают известняковые карьеры, которые характеризуются высоким процентом закарстованности, трещиноватости и целым рядом других инженерно-геологических особенностей.

Исследуемый карьер по разработке флюсовых известняков эксплуатируется юридическим лицом - ООО «СТАГДОК». Объект исследования расположен в селе Ситовка, в непосредственной близости к

Естественные и точные науки ••• 81

Natural and Exact Sciences •••

селам Введенка и Воскресеновка Липецкого муниципального района.

Одной из основных геоэкологических проблем, возникающих при добыче флюсовых известняков, является проведение буровзрывных работ при разработке горной породы.

Цель работы заключается в определении границ безопасных зон при проведении массовых взрывов с различным количеством закладываемого взрывчатого вещества во время буровзрывных работ в карьерах по добыче известняков.

Материалы и методы

Метод - анализ результатов полевых измерений уровня шума и проведение на их основе геоэкологического зонирования.

Анализ материала, посвященного изучению геоэкологических аспектов процесса добычи полезных ископаемых, показал многоплановость направлений исследований, среди которых ведущее место занимают вопросы оценки степени негативного воздействия буровзрывных работ на компоненты природной и техногенной среды.

Влияние сейсмических и акустических волн на фасады зданий при проведении массовых взрывов в радиусе воздействия от 1-10 км, представлено в исследованиях А. И. Гончарова и В. И. Куликова [1]; закономерности проявления электромагнитного излучения (ЭМИ) в карьере при добыче известняка взрывным способом определил В. Ф. Линей-цев [4]; С. П. Пивоваровым изучено влияние сейсмоакустических (инфразвуковых) волн промышленных взрывов в карьере Павловского горно-обогатительного комбината на жилые постройки, расположенные в близости от эпицентра взрыва [5]; интегральная и комплексная методики геоэкологической оценки территорий горнодобывающих предприятий разработаны Кульневым В. В. [3].

Акустическое влияние процессов добычи полускальных горных пород в отечественных исследованиях недостаточно изучено.

По санитарным нормам определены средства индивидуальной защиты для безопасной работы в карьере при интенсивности звука свыше 90 дБ [6].

Доказано, что на уровень распространения звука влияют: мощность взрыва, крепость горной породы, расстояние от эпицентра взрыва, метеорологические факторы, рельеф местности, лесные насаждения. Определен

радиус зоны безопасности от центра карьера, который составляет 1,5 км [6]. Установлено, что в полуторакилометровой зоне обычно находятся только специалисты-горняки в индивидуальных средствах защиты.

Натурный эксперимент проведен в карьере, по разработке известняков за четырьмя массовыми взрывами, различными по массе закладки взрывчатого вещества на разных его уступах. Метеоусловия для проведения исследований следующие: летний период, туманное утро, влажность воздуха высокая.

В процессе проведения эксперимента были произведены измерения четырех со-направленных массовых взрывов и произведен замер фоновых показателей шума в районе направления распространения взрывной волны. Расчет зависимостей среднего приращения интенсивности звука от массы применяемого взрывчатого вещества показал взаимосвязь с количеством взрывчатого вещества.

Исследования проводились с помощью шумомера Assistent SIU-V3 в точках наблюдения, пространственно расположенных в восточном направлении шагом пятьсот метров - 0,5, 1 и 1,5 км в пределах прямой видимости. В процессе исследования учитывался различный тоннаж взрывчатого вещества (рис. 1).

По результатам многократных измерений была получена статистическая информация, так как теоретический прогноз зависит от ряда случайных факторов и является недостаточно надежным.

Результаты и обсуждение

Взаимосвязь интенсивности звука с массой взрывчатого вещества установлена на основе использования метода логарифмического анализа.

На рис. 1 представлена логарифмическая кривая интенсивности звука при различных массах взрывчатых веществ.

Уровень интенсивности зависит от массы взрывчатых веществ. Если величина отклика находится в диапазоне частот от 100 Гц до 2500 Гц, то в этом случае интенсивность звука находится в пределах чувствительности уха человека (рис. 2).

Нами были рассчитаны усредненные приращения интенсивности звука относительно фоновых уровней в зависимости от средних масс взрывчатых веществ (рис. 3).

••• Известия ДГПУ. Т. 12. № 4. 2018

••• йБРи JOURNAL. Уо!. 12. N0. 4. 2018

Количество измерений интенсивности звука при различном тоннаже взрывч этого веще ста а

Малая масса (6,8 т) 5 измерений

Средняя масса (7,8т) 3 измерений

Большая масса (8,3 т) 8 измерений

Максимально допустимая масса (10 т) 3 измерения

Рис. 1. Количество измерений интенсивности звука при различном тоннаже взрывчатого вещества

о о ш ч о

г* л. ГШ- нч - — Г"

•а. ни « г-1 / "Р л.

-г V <7 Г * НИ 1^1 гйч гГч

-А ч- - *•> -/Л- Г-^1 Л] к

*

■ч Т- -г "г- ■V

0 <ь * 4 * 4 / Ф Ф / Гц

-♦-1 замер 2 замер 3 замер 4 замер

Рис. 2. Логарифмическая кривая интенсивности звука при различных массах взрывчатых веществ

Естественные и точные науки ••• 83

Natural and Exact Sciences •••

45,00 j 40,00 -35,00 -30,00 -25,00 -20,00 -15,00 -10,00 -5,00 -0,00

25,00

6,8

7,875

8,25

8,525

Масса ВВ,т

i i Инфрозвук

i i Низкочастотные —Ь Среднечастотные — * - Высокочастотные

□ Интенсивность частоты инфрозвук

□ Интенсивность низкие частоты

- Интенсивность средние частоты

- нтенсивность высокие частоты

Рис. 3. Усредненные приращения интенсивности звука в зависимости от средней массы взрывчатых веществ

Определено, что процесс максимального приращения интенсивности звука проявляется в инфразвуковом и низкочастотном диапазоне до 38 дБ. Доказано, что этот низкочастотный диапазон особенно влияет на состояние здоровья человека. Амплитуда акустического фона может варьировать в диапазоне от низких частот (52 дБ) до

инфразвуковых критических параметров (> 90 дБ) [6].

Разработанный нами коэффициент удельного приращения звукового давления рассчитывается отношением превышения интенсивности звука к массе взрывчатого вещества (рис. 4).

ID d

5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00

1

2

3

4

■ Превышение по инфрозвуку Превышение по средним частотам

- Превышение по низким чадним частотам

- Превышение по высоким частотам

т

Рис. 4. Графическое выражение удельного приращения звукового давленияот частотного диапазона и тоннажа взрывчатых веществ

Для малых и средних масс взрывчатых веществ удельное приращение для всех частотных диапазонов незначительны, т. е. взрывы с массами до 7,8 тонн слабо воздействует на акустику.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

При увеличении тоннажа закладки удельное приращение резко возрастает.

Особенно это характерно для инфразвуко-вых и низкочастотных диапазонов (менее 100 Гц), являющимися наиболее опасными для человека.

Нами было рассчитано интегральное превышение интенсивности звука по всем частотным диапазонам (рис. 5-8).

84 ••• Известия ДГПУ. Т. 12. № 4. 2018

••• DSPU JOURNAL Уо!. 12. N0. 4. 2018

у = 5,53561_п(х) - 10,352

т

♦ Интегральное превышение -Логарифмический (Интегральное превышение)

Рис. 5. Интегральное превышение интенсивности звука

Данное превышение определяет общее акустическое воздействие звукового давления на организм человека и хорошо описывается регрессионным уравнением: у = 5,5356 (х)-10'352 с коэффициентом детерминации R2 = 0,5908.

Согласно приведенному уравнению акустически безопасный прогноз по интегральному звуковому давлению достигается при мощности взрыва 15 тонн, что определяет границы безопасной зоны.

у = 1,17628Е+00х2 - 1,60629Е+01х + 5,51992Е+01 Р = 9,18019Е-01

♦ Удельное превышение интенсивности инфрозвука -Полиномиальный (Удельное превышение интенсивности инфрозвука)

£ у = 7,92323Е-05е1 25553Е+00х

1П '

Ч Р = 8,72825Е-01

6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10

ВВ, т

♦ Удельное превышение интенсивности инфрозвука -Экспоненциальный (Удельное превышение интенсивности инфрозвука)

Рис. 6. Среднее акустическое приращение в инфразвуковом диапазоне при различных массах взрыва

Рис. 7. Прогноз превышения инфразвука при разномассных взрывах

Естественные и точные науки ••• 85

Natural and Exact Sciences •••

y = 7,92323E-05e1,25553E+00x R2 = 8,72825E-01

♦ Удельное превышение интенсивности инфрозвука -Экспоненциальный (Удельное превышение интенсивности инфрозвука)

Рис. 8. Прогноз акустического приращения в инфразвуковом диапазоне при различных массах взрыва

Г v /

•■•овоскресеновка

. . | N

Трасса,.. , Ситовский водозабор.1

S> населенный пункт, ■ „

фьера /

ладка) " /

Рис. 9. Зонирование максимального акустического воздействия

л

Эпицентр событ1

__•

6 тонн

Трасса. . , • ?>.« Ситовский водозабор.1

Г

РабочЯИорт карьера (смотрЛя площадка)

> населенный пункт, ддчи, берег р.Воронеж ^

%as. • А

Рис. 10. Зонирование минимального акустического воздействия

Тогда при среднем уровне шума 50 дБ на границе зоны безопасности интенсивность звука не превышает номы в 90 дБ.

Следует отметить, что гораздо более жесткие ограничения возникают по наиболее экологически уязвимому инфразвуко-вому диапазону.

Проведенные исследования дали возможность выделить три зоны акустического воздействия:

первая зона - в радиусе 200-500 м; вторая зона - до 1200 м; третья зона свыше 1500-2000 м.

••• Известия ДГПУ. Т. 12. № 4. 2018

••• DSPU JOURNAL. Vol. 12. No. 4. 2018

При этом в эксперименте учитывалась величина среднечастотного звука в области максимальной чувствительности в диапазоне частот от 1 до 2 килогерц с учетом скорости распространения звука в воздухе - 344.4 м/с при температуре 21,1 °С.

Общее затухание шума фиксируется у лесопосадки, расположенной на расстоянии 1200 м от рабочего борта карьера (на рис. 9; 10).

Нами было проведено геоэкологическое зонирование с учетом особенностей природопользования на данной территории. Отмечено, что в районе Сокольско-Ситовского месторождения флюсовых известняков находятся три сельских поселения, которые в последние годы интенсивно используются в рекреационных целях. Также негативное влияние оказывает автомобильная дорога общего пользования регионального значения Липецк - Доброе -Чаплыгин, усиливающая шумовое загрязнение территории.

Заключение

На современном этапе при эколого-акустическом мониторинге не рассматриваются такие параметры как частота взры-

1. Гончаров А. И., Куликов В. И. Акустические волны при массовых взрывах в карьерах // Физика горения и взрыва. 2004. Т. 40. № 6. С. 101-106.

2. Грачева И. В., Самылина Е. В. Влияние зоны промышленной добычи известняков на химический состав поверхностных вод // Техника и технология. 2007. № 4. С. 41-43.

3. Кульнев В. В., Базарский О. В. Комплексная методика геоэкологической оценки территории горнодобывающих предприятий // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Естественные науки. 2011. № 2. С. 142147.

4. Линейцев В. Ф., Шаповалов В. А., Кулаков Г. И. Электромагнитное излучение на карьере "ЛОЖОК" Новосибирской области // Фунда-

1. Goncharov A. I., Kulikov V. I. Acoustic waves during mass explosions in quarries. Fizika goreni-ya i vzryva [Physics of combustion and explosion]. 2004. Vol. 40. No. 6. Pp. 101-106. (In Russian)

2. Gracheva I. V., Samylina E. V. Zone influence of industrial extraction of limestone on the surface water chemical composition. Tekhnika i tekhnologiya [Technique and technology]. 2007. No. 4. Pp. 41-43. (In Russian)

3. Kul'nev V. V., Bazarskiy O. V. Complex methods of geo-ecological assessment of the

вов, их продолжительность, сезонность и метеорологические условия.

На основе проведенных эколого-геофизических исследований установлен радиус зоны безопасности, который составляет 1500 м.

При взрывании короткозамедленных зарядов на горнодобывающих предприятиях происходит формирование нескольких очередей ударных воздушных волн поступательного характера. Воздействие сформированных взрывом ударных волн формирует эффект вибрации, который передается через плотные слои атмосферы и воспринимается и оказывает непосредственное воздействие на прилегающие объекты, в том числе и на человека, как напрямую, так и опосредованно. Помимо вибраций, генерируемых ударной волной, источниками вибраций и шума служат оборудование и транспорт.

Особенности природопользования на данной территории создают необходимость организации и проведения комплексных геоакустических исследований, способствующих выработке и внедрению природоохранных мероприятий.

ментальные и прикладные вопросы горных наук. 2015. Т. 2. № 2. С. 24-27.

5. Пивоваров С. П., Сафронич И. Н., Пивоваров Р. С., Колесникова С. И., Савенков А. В. Воздействие взрывов в карьере Павловского ГОК на жилые постройки поселка Шкурлат // Вестник Национального ядерного центра Республики Казахстан. 2016. № 2. С. 152-159.

6. Репина Е. М., Надежка Л. И., Пивоваров С. П. Специфика динамики эколого-геологических условий в центральной части Восточно-Европейской платформы в зоне влияния Сокольско-Ситовского месторождения известняков // Экологическая геология: Теория, практика и региональные проблемы: материалы IV Международной практической конференции (30 сентября - 2 октября). Воронеж, 2015. С 169-175.

territory of mining companies. Vestnik Mos-kovskogo gosudarstvennogo oblastnogo univer-siteta. Seriya: Estestvennye nauki [Bulletin of Moscow State Regional University. Natural Sciences]. 2011. No. 2. Pp. 142-147. (In Russian) 4. Lineytsev V. F., Shapovalov V. A., Kulakov G. I. Electromagnetic radiation in "LOZHOK" open pit of Novosibirsk Region. Fundamental'nye i priklad-nye voprosy gornykh nauk [Fundamental and Applied issues of Mining Sciences]. 2015. Vol. 2. No. 2. Pp. 24-27. (In Russian)

Литература

References

Естественные и точные науки ••• 87

Natural and Exact Sciences •••

5. Pivovarov S. P., Safronich I. N., Pivovarov R. S., Kolesnikova S. I., Savenkov A. V. Impact of explosions in Pavlovsky MCC on the residential buildings in Shkurlat Village. Vestnik Natsional'nogo yader-nogo tsentra Respubliki Kazakhstan [Journal of the National Nuclear Center of the Republic of Kazakhstan]. 2016. No. 2. Pp. 152-159. (In Russian)

6. Repina E. M., Nadezhka L. I., Pivovarov S. P. The dynamics of ecological and geological conditions in

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации

Репина Елена Михайловна, старший преподаватель кафедры экологической геологии, Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия; e-mail: re-pinaem@mail.ru

Межова Лидия Александровна, кандидат географических наук, доцент кафедры географии и туризма, Воронежский государственный педагогический университет (ВГПУ), Воронеж, Россия; e-mail: lidi-ya09@rambler.ru

Кульнев Вадим Вячеславович, кандидат географических наук, доцент кафедра географии и туризма, ВГПУ, Воронеж, Россия; e-mail: kulneff.vadim@yandex.ru

Луговской Александр Михайлович, доктор географических наук, профессор кафедры экономической и социальной географии, Московский государственный областной университет, Москва, Россия; email: alug1961@yandex.ru

Принята в печать 23.11.2018 г.

the central part of the East European Platform in the zone of influence for Sokolsko-Sitovsky limestone deposit. Ekologicheskaya geologiya: Teoriya, praktika i regional'nye problemy: materialy IV Mezhdunarodnoy prakticheskoy konferentsii (30 sentyabrya - 2 ok-tyabrya) [Environmental Geology: Theory, practice and regional problems: Proceedings of the IV International Practical Conference (September 30 - October 2)]. Voronezh, 2015. Pp. 169-175. (In Russian)

THE AUTHORS INFORMATION Affiliation

Elena M. Repina, Senior Lecturer, Department of Environmental Geology, Voronezh State University, Voronezh, Russia: e-mail: re-pinaem@mail.ru

Lidiya A. Mezhova, Ph.D. (Geography), Associate Professor, Department of Geography and Tourism, Voronezh State Pedagogical University (VSPU), Voronezh, Russia: e-mail: lidiya09@rambler.ru

Vadim V. KuPnev, Ph.D. (Geography), Associate Professor, Department of Geography and Tourism, VSPU, Voronezh, Russia; e-mail: kulneff.vadim@yandex.ru

Alexander M. Lugovskoy, Doctor of Geography, Professor, Department of Economic and Social Geography, Moscow State Regional University, Moscow, Russia; e-mail: alug1961@yandex.ru

Received 23.11.2018.

Науки о Земле / Earth Science Оригинальная статья / Original Article УДК 911.5/.9

DOI: 10.31161/1995-0675-2018-12-4-87-92

Специфика и современные особенности развития сельскохозяйственного производства в городах-курортах Краснодарского края

Кубанский государственный университет, Краснодар, Россия; e-mail: piven kseniya@mail.ru

РЕЗЮМЕ. Цель исследования - анализ современных особенностей развития сельскохозяйственного производства на примере городов-курортов Краснодарского края. Методы. В статье использован метод

Geo-ecological Zoning of Acoustic Environmental Impacts in the Development of Fluxing Limestone Deposits

Текст научной работы на тему «Геоэкологическое зонирование акустического воздействия на окружающую среду при разработке месторождений флюсовых известняков»