CC BY
39
УДК 622.458 Г. Ф.Нестеренко
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОСЕДАНИЯ ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ ПРИ ПОДЪЕМЕ ПЫЛЕГАЗОВОГО ОБЛАКА (ПГО)
(ассмотрим равновесие пылевых частиц в движущемся ПГО на уровне выравнивания температур zТ, где облако имеет максимальную скорость подъема И- и определим макси-
мальный диаметр частицы по закону Стокса [1]:
18« -И' , (1)
где ц1 - динамическая вязкость воздуха, нс/м2 (ц1=1,2-10"5 нс/м2); рп
- плотность пыли, кг/м3; р№ = 1,25 кг/м3 - плотность воздуха, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2.
В результате расчетов по формуле (1) установлено, что в интервале Мз = (100 - 1000) т <яПтш= (1,22*1,62)-10-4 м (122*162 мк).
Из общей массы пыли, проникшей в облако, масса частиц размером ёп. < dnmx при логарифмически нормальном распределении (рис. 1)
составляет (75-78) %, т.е. масса осевшей пыли составила (22-25) %.
Определим максимальный размер пылинок непосредственно перед уровнем конвекции при И = 0,05 м/с. Расчетами по формуле (1) установлено, что йп = 2,1-10-5 м (21 мк), более крупные частицы по мере подъема к уровню zк осели. По массе доля оставшихся в ПГО частиц аП<21мк при логарифмически нормальном распределении (рис. 1) составила 52 % от (75 - 78) % (после zт). Таким образом, на уровне конвекции в ПГО осталось 40 % массы пыли, проникшей в облако («пк = 0,4 «по) на уровне zк скорость гравитационного оседания пылевых частиц а?п = 2,1-10-5 м составляет 0,05 м/с.
Частицы меньших размеров имеют значительно меньшую скорость и могут длительное время витать в воздухе.
Рис. 1. Логарифмически нормальное распределение пылевых частиц при оседании по диаметрам
За счет интенсивного клубления и вовлечения окружающего воздуха ПГО на уровне 2т можно рассматривать как изотропный осесимметричный «термик» (пылегазовоздушный «пузырь»).
Кроме того, за счет вовлечения кислорода из окружающего воздуха на этом этапе практически завершается превращение окиси азота в тяжелую двуокись азота. Причем реакция является экзотермической:
2Ш + 02 = 2 N02 + 27 ккал (2)
Двуокись азота - бурый ядовитый газ с характерным запахом. Он легко сгущается в красноватую жидкость (темп. кипения 21,3°), которая при охлаждении светлеет и при - 10 °С замерзает, образуя бесцветную кристаллическую массу. В интервале температур от -10° до +140 °С всегда имеется смесь молекул N02 и ^04:
N204 * 2 N02 - 13,6 ккал (3)
Рассмотрим равновесие газовых примесей внутри движущегося ПГО на уровне 2т:
3Ж2
g (Рн - Рсо У СО = ~--^ РнК , (4)
(2Т + 2*)
ж2
g(Рн - Рм02 Уо = 3РнУн~-----^, (5)
2 2 (2Т + 2*)
где g - ускорение свободного падения, м/с2; Рсо,Рж2 - плотность
оксида углерода и диоксида азота, кг/м3; УС0, УМ0>2 - объем оксида
углерода и двуокиси азота в ПГО, м3; рн - плотность газовоздушной смеси в облаке на уровне 2т, кг/м3; 2т - уровень выравнивания температур, м; ^ - скорость ПГО на уровне 2т, м/с; Ун - объем
облака на уровне 2т, м3.
Объем облака на уровне 2т определится по формуле:
4 4 3 Т 3/
- лR3 = - (1 + 0,8 -0т^'
3 т 3 'п aR
V = -Л;R3 =-(1 + П,8^^)/-, (6)
где а = уа-у, К/м; 5пТ - начальный перегрев ПГО, К.
Плотность газовоздушной смеси на уровне 2т рассчитывается следующим образом:
(п,75т + тсо + тш)
Рн = Рwo6 +----------------------- , (7)
н
где в числителе дроби масса пыли, СО и Ы02 на уровне 2т, кг; pw б
- плотность воздуха в облаке на уровне 2т , кг/м3.
Поскольку мы рассматриваем движение ПГО в момент выравнивания давления взрывных газов до атмосферного, то:
Ръ R(Tw + -т ) = рТЛ, (8)
где 3Т - изменение температурного перегрева ПГО в процессе подъема, К; риг - плотность воздуха в атмосфере карьера, кг/м3; Tw = То - у2 - изменение температуры воздуха в атмосфере карьера, К; R - универсальная газовая постоянная, Дж/кг К.
Из 8 следует:
Р = Р -------Т-----. (9)
(Т + -т1 )
Изменение р. описывается формулой:
Р.. = Ро I 1 - у
rR
где ро - плотность воздуха у поверхности взрываемого блока, кг/м3; у - температурный градиент в атмосфере карьера, К/м; То -температура воздуха у поверхности взрываемого блока, К.
На уровне zз 3Т =0 и р^ = р. = Ро Формулы 4, 5 приведем к виду:
1 - Л
УД
g
1 -
рсо
Рн
g
1 --
Уо у V
V»,
Рн
3Ж2
1 та
Zт + 2*
3Ж2
__ 1та
Zт + 2*
(11)
(12)
Левая часть уравнений представляет собой силу плавучести газовых примесей внутри облака, а правая - ускорение облака а уровне 2т.
Так как < 1, то существование СО в облаке на уровне Рн
обусловлено силой плавучести, направленной вверх. Двуокиси азота и углерода, имеющие примерно одинаковые плотности на уровне начинают перемещаться вниз под действием отрицательной
силы плавучести, т.к. и и.^го^ > 1.
рн Рн
На уровне конвекции 2к, где облако останавливается и ускорение плавучести его < 0 (формула 4), заканчивается перемещение СО в авангардную часть, а диоксидов углерода и азота вниз:
(
рио2
1 -
V Рн у
Л V
' л т.
1 + 8
-Т
а2*
g
3/4
Время оседания тяжелых газовых примесей из остановившегося облака можно определить по формуле:
Исследованиями ВНИИБТГ установлено, что при взрыве зерногранулита 79/21 удельное выделение оксидов азота (N0), оксида углерода (СО) и пыли составляет:
Применение гидрогелевой забойки, состоящей из воды, жидкого стекла и аммиачной селитры, позволяет уменьшить эти величины соответственно на 92, 35 и 54 %. Более высокую эффективность по сокращению пылевыделения (до 90 %) обеспечивает комбинированная забойка скважин. С учетом этого удельное выделение вредных примесей составит: дмо = 0,696 • 10-3 м3/кг ВВ,
дсо = 1,56 • 10-3 м3/кг ВВ, дп = 0,043 кг/кг ВВ.
С учетом того, что плотность СО и N0x составляет рт = 1,22
кг/м3, Р = 1,97 кг/м3 масса вредных примесей образовавшихся
при взрыве составляет:
ных примесей составит mN0 = 137 кг, mC0 = 190 кг, mn = 430 кг.
Полагая, что концентрация примесей во взрывных газах, оставшихся в горной массе и облаке одинакова, определим начальную концентрацию примесей:
* Для обводненных скважин
(14)
g 2 где [ = — - параметр плавучести, м/с -К.
= 8,7 • 10-3 м3/кг ВВ,*
<?со = 2,4 • 10-3 м3/кг ВВ,* дп = (0,043* * 0,254) кг/кг ВВ.*
(15)
(16) (17)
(Со)СО = —со = 190кг 3 = 2,63 • 103 кг/м3, о V 72000м3
—
Оо = ~у^ = 1,9-10" кг/м3,
г
(С) = —- = 6 -103 кг/м3'
V о ' П V г
Умножив С0 на объем ПГО, определим массу каждого компонента:
4
(—о)ПГО = Со - 3^- (18)
Из всей массы пыли, проникшей в облако, на уровне конвекции останется
(—к)ПГО = 0,4—о'
В связи с увеличением объема облака концентрация пыли на уровне составит:
3 ( я гг ^
1+1,6 -0т
-3/4
aR
V ‘о /
К
(С ) = 0,4(С ) -4 = 0,4(С )
' к' П 5 V о’ П у-)3 5 V о-'.
Кк
Для М3 = 100 т К = 19 м, Кк = 47,5 м, (Ск)п= 1,54 • 10-4 кг/м3. Концентрация СО на уровне гк составит:
(Ск)со = (С0)
о/ СО
/ 4-3/4
і - т\
1 + 1,6^ aR
‘о
= 1,68 -10-4 кг/м3.
Если уровень конвекции меньше глубины карьера (гк < Нк ), то для прилегающей к карьеру территории N02 опасности не представляет. При гк большей глубины карьера и наличии ветра, диоксид азота может перемещаться с облаком и осаждаться на прилегающих территориях.
-------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. - Л.: Химия, Ленинградское отделение, 1974. - 279 с.
— Коротко об авторах
Нестеренко Геннадий Филиппович - кандидат технических наук, ст.научный сотрудник лаборатории ЭГП, Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург.
