CC BY
27
© B.C. Кузнецов, C.B. Ковшов, 2012
УДК 622.8
В.С. Кузнецов, С.В. Ковшов
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ АЭРОТЕХНОГЕННОГО ВЛИЯНИЯ ПЛОЩАДНЫХ ИСТОЧНИКОВ НА РАБОЧЕЕ ПРОСТРАНСТВО КАРЬЕРОВ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ
Проведен анализ гранулометрического состава пыли, выделяющейся от площадных источников на карьерах строительных материалов. Получены зависимости пы-леуноса с поверхностей техногенных массивов от скорости воздушного потока, гранулометрического состава пыли и способа снижения пылевой нагрузки. Обоснована эффективность создания защитного пылеподавляющего слоя. Ключевые слова: пылеподавление, защитный слой, площадный источник, орошение.
При разработке месторождений открытым способом образуются большие площади земель, разрушенных горными работами. При определенных метеорологических условиях эти площади становятся интенсивными источниками пыле-образования. К таким внешним источникам относятся борта и рабочие площади карьера, отвалы вскрышных пород и хвостохрани-лища, а также временные и постоянные склады готовой продукции. В результате происходит образование техногенных массивов, представленных горными породами, отходами обогащения, золами, шлаками, шламами. В настоящее время только в России извлечено из недр и находится в отвалах и хвостохра-нилищах около 500 млрд. м3 горных пород и отходов переработки полезных ископаемых.
На территории Афанасьевского карьера в Московской области были проведены исследования по изучению аэродинамической обстановки вблизи источников пылеобразо-
вания и при перемещении пылевого потока. Отвал представляет собой единый площадной источник пылеоб-разования высотой 10 м, общей площадью 0,2 га.
Основным параметром пылевого потока является концентрация пыли, величина которой изменяется по мере перемещения пыли. На ее значение будут в значительной степени влиять влажность пыли, дисперсный состав, изменение ее химического и вещественного состава, физические свойства.
С целью установления характера рассеивания пыли в условиях функционирования Афанасьевского карьера, было выполнено компьютерное моделирование процесса пыления отвала пустой породы.
Основное количество пыли выделяется в летний период и наибольший ущерб наносится в том случае, когда пылевое облако распространяется за пределы 300 м санитарно-защитной зоны. В процессе расчетов рассматривались климатические условия, соответствующие летнему периоду, а в качестве наиболее
опасных направлений ветра были выбраны Западное и Юго-Западное, совпадающие с местом расположения административных зданий предприятия относительно отвалов пустой породы. При фактическом значении интенсивности выделения пыли с поверхности отвала, составляющем 17,7 г/с и общей пылящей поверхности отвала породы 0,2 га, на основе пакета прикладных программ серии "Эколог 3.0", была построена карта рассеивания неорганической пыли (рис. 1).
Анализ полученных данных показал, что при скорости Западного (Юго-Западного) ветра равной 3—6 м/с на границе санитарно-защитной зоны от источника наблюдается превышение концентрации пыли в 1,5—3,5 ПДК.
Изучение гранулометрического состава материала производилось методом ситового анализа. Разделение пыли при рассеве производилось по геометрическим размерам частиц [1].
По данным лабораторных исследований фракционного материала (кварцевого песка) было установлено, что дисперсный материал представлен в основном частицами диаметром 1,6—0,071 мм.
В табл. 1 приведен пример полной записи результатов ситового анализа. Из табл. 1 видно, что исследуемой песок в большей степени состоит из частиц, представляющих собой мелкую пыль размером 0,4 м. В основном преобладают частицы сферической формы и неправильные многогранники.
Рис. 1. Карта рассеивания неорганической пыли на Афанасьевском карьере
Таблица 1
Результаты ситового анализа
Порядковый номер сита Размер отверстий, мкм Остаток на каждом сите, % по массе Суммарный остаток на всех ситах, % по массе Суммарный просев через сита, % по массе
1 1600 30,74 30,74 69,26
2 630 10 40,74 59,26
3 400 45,45 86,19 13,81
4 200 4,87 91,06 8,94
5 140 8,31 99,37 0,63
6 71 0,63 100 0
Результаты ситового анализа дисперсного состава пыли представлены на рис. 2. Как видно из рис. 2 при удалении от отвала происходит быстрое оседание крупных частиц из пылевого потока. Так, уже на расстоянии 10 см резко снижается количество частиц крупнее 1,6 мм, а на расстоянии 50 см частицы крупнее 0,63 мм составляют в пылевом потоке около 3 %. В пылевом потоке на расстоянии более 70 см основная масса частиц пыли имеет размеры менее 0,14 мм.
Аналогичная картина наблюдалась при исследовании пылевого потока в районах техногенных массивов Алек-сеевского карьера цементного сырья в Республике Мордовия. Наиболее крупные частицы пыли со средневзвешенным диаметром 140—70 мкм осаждались на расстоянии 80—200 м от источника пылевыделения, а мелкие частицы диаметром 75 мкм и менее были обнаружены на расстоянии 1000 и более от техногенного массива.
Таким образом, проведенные исследования показали, что при удалении от источников пылеобразования наблюдается равномерное снижение количества крупных и наиболее мелких частиц пыли в пылевом потоке, и при достижении пылевым потоком промышленных зданий и сооружений в его составе преобладают частицы
пыли размером менее 71 мкм. В связи с этим в лабораторных условиях дисперсный материал исследовался на количество унесенной пыли с сухой поверхности массива под действием атмосферных потоков различной скорости.
В лабораторной установке был смоделирован сухой отвал из породы, взятой с Алексеевского карьера. Его плошадь составила 180 см2. Дисперсный состав отвала был представлен частицами 1,6—0,71 мм (в основном 0,4 мм). Этот отвал продувался в течение 15 минут при скорости ветра 2—10 м/с. Эксперимент состоял из 5 этапов, повтор-ность опытов каждого этапа 6 кратная. Результаты эксперимента занесены в табл. 2.
Удельное пылевыделение с 1 м2 поверхности техногенного массива с учетом лабораторных и расчетных данных, составит 0,0109 т/год.
На втором этапе эксперимента определялась эффективность пыле-подавления диспергированной водой. Аналогично первому этапу, отвал обдувался воздушным потоком со скоростью 2—10 м/с при одновременной подаче диспергированной воды.
В результате эксперимента с поверхности увлажненного отвала
практически сразу же после его орошения не наблюдалось сдувание отдельных частиц пыли, что говорит об эффективности данного способа борьбы с пылью. В то же время, уже через 1 ч четко наблюдалось сдувание отдельных частиц. Пылевыделе-ние при скорости воздушного потока 6 м/с с поверхности увлажненного массива составило 3,8 мг против 6,9 мг с сухой поверхности. При орошении пылевого материала
водой путем ее диспергирования, при неизменных прочих условиях, дальность пылеуноса уменьшается почти на 40 %, за счет коагуляции и укрупнения мелких частиц. Соответственно, эффективность пылеподав-ления орошением диспергированной водой составила 60 %. Количество сдуваемой пыли при орошении водой снижается в 2,4 раза при скорости воздушного потока от 2 до 4 м/с и в 1,4 раза при 6—10 м/с.
Таблица 2
Результаты экспериментальных исследований пылеуноса с сухой поверхности
№ Скорость, м/с Общая масса пылеуноса, мг Интенсивность слувания пыли, мг/с
1 2 1,6 0,0018
2 4 3,2 0,0036
3 6 6,9 0,0077
4 8 15,0 0,0167
5 10 39,6 0,0440
Рис. 2. Изменение дисперсного состава пыли при удалении от отвала:
а — в отвале; б — на расстоянии 10 см; в — на расстоянии 50 см; г — на расстоянии 70 см
Расход воды на увлажнение верхнего слоя отвалов и хвостохранилищ за одну поливку определяется по формуле [2]
Яв = 0,015^ ((ач - )
где дв — расход воды на одну поливку,
3 о 2
м ; 5ор — орошаемая площадь, м ; ^вяч, №оат — начальная и оптимальная влажности (%), которые поддерживаются в слое мощностью Ъор, м.
Расход воды на увлажнение верхнего слоя (1 см) техногенного массива, рассчитанный по данной формуле, в лабораторных условиях за одну поливку составил 38,76 мл. В пересчете на 1 га техногенного массива расход воды за одну поливку будет
равен 1,9 м3.
Результаты исследований показали, что по истечении 1—1,5 часов влажность пылевого материала упала с 24 % до 6 %, а запыленность воздуха при обдуве предварительно увлажненной пыли превышала запыленность неув-лажненной в 5—9 раз. Это явление можно объяснить тем, что по мере увлажнения пыли вокруг ее частиц образуется сольватная оболочка, оказывающая расклинивающее действие на дисперсный материал, вследствие чего увеличивается его пористость. В момент просыхания частиц пыли вода испаряется, а пылеватые фракции взметываются гораздо интенсивнее, чем неувлажненная пыль.
При подсыхании материала влияние состава жидкости на пылеобразо-вание возрастает и, в первую очередь, при использовании влагоудер-живающих веществ. Они дольше позволяют сохранять влажность материала, исключающую пылеобразова-ние. В связи с этим для борьбы с пы-лением необходимо либо осуществ-136
лять периодическое орошение пылящих поверхностей, либо использовать, наряду с орошением, дополнительные методы обеспыливания.
Рациональным способом борьбы с пылью при формировании и эксплуатации хвостохранилищ и отвалов является закрепление сухих поверхностей техногенных отложений, особенно с помощью органических биопродуктивных веществ. Сущность способа заключается в том, что на пылящей поверхности хвостохрани-лищ и отвалов с помощью биологически активных веществ происходит подавление аэрозолей и аэрогелей пыли, укрупнение частиц и изменение состояния материала, прежде всего, его структуры. Поэтому используемые для этих целей вещества должны:
• хорошо и быстро смачивать частички;
• создавать на пылящих поверхностях прочные покрытия или структурированный материал, устойчивые против ветровых нагрузок;
• быть технологичными при массовом применении;
• не оказывать отрицательного влияния на условия и безопасность труда.
Способ осуществляется следующим образом:
1. В качестве органических остатков естественного происхождения используется биогумус, полученный при применении дождевых компостных червей Е1зеша РоеШа.
2. В качестве высокомолекулярного соединения, имеющего высокую адгезионную способность, используется натриевая соль карбоксиметил-целлюлозы.
3. Нанесение полученной смеси на пылящую поверхность и ее закрепление вследствие естественного дождевания рационально сельскохозяйственными машинами для внесения органических удобрений.
4. Одновременно необходимо внесение семян трав для последующего задернения поверхности.
При естественном дождевании и сил гравитации происходит проникновение натриевой соли карбоксиме-тилцеллюлозы между фракциями биогумуса и закреплания пышящего слоя. Натриевая соль карбоксиметилцел-люлозы имеет адгезионное свойство склеивать мелкодисперсную минеральную составляющую биогумуса, что позволяет предохранять образовавшийся экранирующий слой от воздействия водной и ветровой эрозии, но при этом сформировать биопродуктивную среду.
Полученная смесь была испытана на лабораторной установки по созданию ветровой нагрузки на поддоны с различными биопродуктивными слоями одинаковой массы. На слои в течении 1 минуты действовал в горизонтальном направлении ветровой поток скоростью 6 м/с. Резуль-
таты эксперимента представлены на табл. 3.
Из табл. 3 видно, что наиболее прочной и целостной после продувания является смесь с составом № 2. Это свидетельствует о том, что подверженность ветровой эрозии при соотношении компонентов смеси № 2 минимально.
Результаты измерений и визуальных наблюдений в лабораторных условиях показали, что величина коэффициента эффективности способа пылеподавления существенно зависит от толщины наносимого слоя и скорости воздушного потока (рис. 3). Ланные полученные в ходе лабораторных исследований были использованы в расчетах моделирования рассеивания пылевыделения с поверхности отвала, с применением связующей смеси на основе биогумуса для условий Афанасьевского карьера. Результаты расчета рассеивания представлены на рис. 4.
Рис. 3. Зависимость коэффициента эффективности способа пылеподавления от скорости воздушного потока
Таблица 3
Устойчивость укрепленной поверхности к ветровой эрозии
№ Биогумус, % Натриевая соль карбоксиметил-целлюлозы, % Масса до продувания, г Масса после продувания, г Целостность сформированного слоя, %
1 100 0 250 137 95
2 99,2 0,8 250 243 95
3 97,5 2,5 250 245 80
4 95 5 250 245 50
5 90 10 250 247 20
Рис. 4. Карта рассеивания неорганической пыли на Афанасьевском карьере после закрепления поверхности смесью биогумуса и Na-КMЦ
Результаты рассеивания свидетельствуют, что при закреплении пылящей поверхности смесью биогумуса и КМЦ наблюдается снижение пылевы-деления на 0,15—0,35 ПДК.
На основе проведенных испытаний можно сделать вывод о том, что разработанный способ предотвращения пы-лепереноса наиболее эффективен при
скоростях ветрового потока до 8 м/с, но даже при скорости 10— 12 м/с сдувание пыли почти в 10 раз ниже, чем с неэкранированных поверхностей техногенных образований.
Таким образом, связующая смесь на основе биогумуса и На-КМЦ, взаимодействуя с дисперсными частицами, скрепляет поверхностный слой,
вследствие чего предотвращает пыле-ние и ветровую эрозию поверхностей техногенных массивов. При этом не образуется непроницаемого пленочного покрытия, характерного для рецептур, включающих, например, латекс. Защитный слой водо- и воздухопроницаем, не ухудшает аэрации верхних слоев почвы, способствует развитию растительности.
В связи с этим в настоящее время способ подавления пыли с помощью смеси биогумуса и На-КМЦ можно рекомендовать для широкого применения. В случае, когда нет необходимости в более эффективном пылепо-давлении, или при отсутствии связующего, не меняя конструкции оросительного устройства, рекомендуется использовать воду.
1. Отраслевая методика расчета количества отходящих, уловленных и выбрасываемых в атмосферу вредных веществ предприятиями по добыче и переработке угля. — Пермь: ВНИИОСуголь. 1989.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Бульбашев А.П., Гаспарьян H.A. Ковшов C.B., Никулин A.H., Смирнов Ю.Д. Шувалов Ю.В. Рациональная организация добычи полезных ископаемых в карьерах со сложными условиями труда горнорабочих. — СПб: МАНЭБ, 2009. — 464 с. ИШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Кузнецов B.C. — кандидат технических наук, доцент, vvvink2005@mail.ru. Ковшов C.B. — аспирант кафедры БП и РГП, kovshovsv@mail.ru. Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет).
д
ПАМЯТНИКИ ГОРНЯКАМ
Памятник 250 донецким шахтерам, героически погибшим во время обороны Одессы в 1941 г., был открыт в мае 2010 г. на территории мемориального комплекса героической обороны Одессы 412 береговой батарее. Монумент высотой около 5 м отлит из чугуна, а сама стела сделана из мрамора.
