Оценка опасности воздействия выбросов пыли карьерными источниками на почвенный покров Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 622.014

В.И. Папичев, А.Н. Прошляков

ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫБРОСОВ ПЫЛИ КАРЬЕРНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ НА ПОЧВЕННЫЙ ПОКРОВ

Предложен новый подход к оценке влияния на почвенный покров пылевых выбросов при производстве взрывных работ в карьерах и отвалообразовании, как потребителя ресурсов почв, исходя из того, что выброшенная в атмосферу при взрыве пыль, оседая на поверхность земли по существу замещает почвенный ресурс. Основным компонентом, оказывающим нагрузку на почвенный покров, является нетоксичная пыль. Токсичная составляющая пыли практически не приводит к загрязнению почв. Рассмотрен характер изменения потребления ресурсов почвенного покрова в результате выбросов пыли как при взрыве в карьере, так и пылевыделении с отвалов. Использование предложенного подхода дает возможность проследить динамику потребления ресурсов почвенного покрова после производства взрывных работ и выбросов пыли при отвалообразовании, выделить наиболее опасные области оседания пыли. Показано влияние пыли на почвенный покров в разных временных интервалах. Отражено изменение границ нагрузки на почвенный покров при различных характеристиках карьеров и отвалов, а также показаны факторы оказывающие наибольшее воздействие на почвенный покров. Это позволяет принять необходимые меры по обеспечению безопасности тех территорий, где почва наиболее подвержена загрязнению.

Ключевые слова: карьер, взрывные работы, пыль, отвал, отвалоо-бразование, нагрузка на почву, потребление.

Результатом горного производства является потребление ресурсов из окружающей природной среды в виде их непосредственного изъятия и в виде загрязнения отходами, что по своей сути также является потреблением. При таком подходе в качестве комплексного показателя оценки воздействия на окружающую природную среду можно рассматривать совокупное изъятие части какого-либо ресурса из окружающей среды — непосредственное (земли под горный отвод, подземных вод в результате дренажа и др.) и опосредованное (при изменении качества этого ресурса в результате внесения в него инородных

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 2. С. 315-327. © 2017. В.И. Папичев, А.Н. Прошляков.

веществ). Количественным показателем техногенного воздействия на каждый природный ресурс являются относительные отклонения фактических значений количества ресурса от его исходных (естественных) значений, которые могут явиться результатом как непосредственного, так и опосредованного потребления ресурса.

Непосредственно потребленный ресурс — это та часть ресурса, на которую изменились его запасы, в результате использования их непосредственно на осуществление технологического процесса, где он полностью изменяет и утрачивает свои первичные свойства вследствие механических и физико-химических превращений.

Опосредованно потребленный ресурс — это та часть, на которую изменились его запасы вследствие поступления в среду вещества и энергии, приводящих к ухудшению состояния ресурса, в результате чего он утрачивает свои свойства.

Интегральная техногенная нагрузка на почвенный покров (Ип), как результат потребления почвенных ресурсов, может рассчитываться из следующего выражения [1]:

V М • кп и +-доли ед. (1)

п V V •кп-Уп где — изъятая площадь земной поверхности, м2; Mп — масса осевшей на почву пыли, т; hu — мощность почвенного слоя, м; уп — объемная масса почвы, т/м3; кпн — коэффициент нагрузки осевшей на почву пыли; ^ — площадь оцениваемой территории, м2.

Убывающая взтмосфеоемассз.% — 6.621+1.Збс!

Диам етр иэстиц. м км

Рис. 1. Распределение убывающей в атмосфере массы пыли, %

Распределение массы пыли, содержащейся в пылевом облаке в момент его образования, по фракциям, %

Фракции пыли, мкм 0,8 2,7 9,5 32,5 75

Масса пыли по фракциям, % 0,023 0,255 3,871 21,057 74,86

Убывающая в атмосфере масса, % 0,023 0,278 4,15 25,21 100

Нарастающая в почве масса, % 100 99,74 95,87 74,82 0

При выполнении расчетов по оценке потребления ресурсов почв использовалась база данных по железорудным карьерам СНГ.

С использованием предложенного подхода выполнено математическое моделирование потребления ресурсов почв в процессах производства взрывных работ и создания отвалов.

Массовый состав пыли по фракциям, рассчитанный по среднему размеру фракции исходя из плотности взрываемых пород р = 3000 кг/м3, приведен в табл. 1. Расчет выполнялся по приведенному в работе [2] составу пылегазового облака.

По зависимости убывающей в атмосфере массы от диаметра частиц = f(d) находим диаметр частиц пыли, при котором 2М, осевшей на поверхность, достигнет 95%, а в атмосфере останется 5%, где 5% составляет принимаемая нами величина уровня достоверности (значимости) массы пыли.

М = 1,35 ■ d — 6,621 (2)

d = (М + 6,621)/1,35 при £М5 d = (5 + 6,621)/1,35 = 8,62 мкм или d = 8,62 ■ 10-6 м.

Рассчитываем время (?ос) осаждения частиц крупностью d = 8,62 мкм (при осаждении этих частиц нарастающая масса осевшей пыли составит 95 % от общей массы).

, (Н - Н0) • 18-ц (3)

'0С 9,8-й2-р '

где ^ — вязкость воздуха (1,8 ■ 10-5 Па ■ с), р — плотность частиц пыли, кг/м3 ; примем р = 3000 кг/м3 , d = 8,62 ■ 10—6 м

Выразим d через I из формулы (3)

й =

(Н - Но) -18-ц

. 9,8-1оС-р

Умножим полученную величину на 106 для перевода в микроны.

Подставив полученное выражение в формулу (3) получим:

X М = 1,35 • 106 КН - НоМ8^ - 6,621 V 9,8 •Ъ •Р ' Объединив постоянные для рассчитываемого года величины (Н, Но, р, 9,8) и обозначив их буквой В получим зависимость ХМ=¡(Р)\

X М = 1,35 • 106 В - 6,621 (4),

Е

_ (Н - Н0) • 18 •ц

где В =-0--

V 9,8 •р

Зависимость позволяет рассчитать осевшую массу пыли в (%) через определенный промежуток времени после взрыва по следующей формуле:

XМ = 100- 1,35 • 106 • В + 6,621 (5)

Нагрузка на почвенный покров является результатом накопления в почве токсичной и нетоксичной пыли, причем в общем объеме выбросов более 99% приходится на нетоксичные вещества. В отличие от атмосферы и водной среды нетоксичные вещества, остающиеся в почве, вызывают ее разубо-живание, которое может оказаться более допустимого в соответствии с нормой эрозии почвенного покрова, составляющей 0,5 т на 1 га в год.

Для расчетов нагрузки по оседанию нетоксичной массы пыли нами используется оценка нагрузки на 1 м2 по формуле:

п =_(м' Г м•м_, (6)

ря -0.25 \%42 -1)2)

Допустимое (граничное) значение нагрузки, безопасное для 1 м2 почвенного покрова устанавливается исходя учета деградации почвенного покрова в результате привнесения в нее инородного вещества. В этом случае целесообразно исходить из установленной нормы эрозии, как допустимой потери почвы, которая может компенсироваться процессами почвообразования [3]. В зависимости от типов и подтипов почв нормы эрозии изменяются от 0,2 до 0,5 т / га в год, как допустимые потери, которые могут компенсироваться процессами почвообразования. Учитывая, что потеря слоя почвы в 1 мм приблизительно равна 10 т/га, то норма эрозии составляет от 0,2 до 0,5 т/га в год. Если

Карьеры Годовой объем взрывных пород, м3 Масса взрываемых ВВ, т

Оленегорский 11 820 000 10 638

Кировогорский 7 920 000 6336

Ковдорский 19 650 000 17 685

Михайловский 15 760 000 19 858

Лебединский 17 060 000 19 278

Стойленский 6 260 000 3130

принять наибольшую норму эрозии 0,5 т / га в год, то мощность максимально теряемого слоя составляет 0,05 мм. Тогда граничная величина нагрузки на почву может быть рассчитана из выражения:

Ип(гр) = 0,05 • //ки, т.е. в обычных условиях при кп = 25 см Ип(гр) = 0,05 • 100/25 = 0,02%

Граничная величина нагрузки при этом = 0,0002 долей ед. или = 0,05 кг/м2

Для выполнения оценки влияния выбросов нетоксичной пыли по показателю допустимой нормы эрозии нами выполнены расчеты по определению границ нагрузки на почвенный покров для нескольких карьеров, имеющих различную производственную мощность по объемам взрывных работ (табл. 2).

Самые крупные карьеры Курской магнитной аномалии в течение годового периода производства взрывных работ накапливают в почве такие объемы пыли, что допустимая нагрузка от них располагается на удалении 1600 м (Михайловский), 1400 м (Лебединский) от мест производства взрывных работ

Рис. 2. Годовая нагрузка на почву с удалением от эпицентра взрывных работ

негорский дорский

Оле

-Ков

-Граница допустимой нагрузки

N

N. N.

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Удаление от эпицентра взрывных работ, м

Рис. 3. Годовая нагрузка на почву с удалением от эпицентра взрывных работ

(рис. 2). Аналогичная ситуация имеет место и на северо-западных карьерах. Граница нагрузки на Ковдорском карьере располагается на удалении 1500 м, на Оленегорском — 1100 м (рис. 3). Представленные в табл. 1 и на рис. 2, 3 результаты оценок свидетельствуют о том, что общая масса выбросов пыли оказывает существенно большую нагрузку на почвенный покров и вызывает необходимость оценки степени опасности выбросов пыли при взрывных работах именно по этому показателю.

Фактически удаление границ нагрузки не выходят за пределы земельных отводов предприятий, но учитывая, что срок эксплуатации карьеров составляет не один десяток лет, представляется не лишним оценить суммарное накопление пыли от выбросов взрывных работ на этих карьерах. С этой целью нами выполнена оценка нагрузки на почвенный покров от накопления пыли за первые тридцать лет с начала производства взрывных работ на Лебединском карьере. Все расчеты выполнялись исходя из среднегодовой скорости ветра на оцениваемой территории.

5

о-

500 1500 2500 3500 4500 5500

Удаление от эпицентра взрывных работ, м

Рис. 4. Максимальная нагрузка на почву от взрывных работ 320

Scatter plot (Spreadsheet 10v*10c) Нарастающая масса, оставшаяся в атмосфере, % = -1,5036+0,7106*х+0,0025*хл2

Рис. 5

На рис. 4 показано расположение границы допустимой нагрузки на почву от пыли, выброшенной из карьера при взрывных работах в один из самых масштабных годов по объемам производства взрывных работ в этот период. Граница допустимой нагрузки располагается на удалении около 1400 м от эпицентра взрывов. За 30 лет работы карьера граница нагрузки отодвинулась на удаление 4 км от эпицентра взрывных работ, однако не вышла за пределы земельного отвода.

Алгоритм расчетов потребления почв при функционировании отвалов аналогичен представленному выше при оценке нагрузки на почвенный покров от взрывных работ, но зависимость нарастающей в атмосфере массы пыли получена по усредненным данным для отвалов железорудных карьеров КМА (рис. 5).

Рассмотрены зависимости влияния массы пыли на почвенный покров при разных соотношениях объема годовой добычи, высоты отвала, а также воздействие на почвенный покров в течении 10 последующих лет. На рис. 6 показано влияние пыли при равном объеме добычи, но при разной высоте отвала.

По характеру удаления пыли от отвала на рис. 6 можно сделать следующий вывод о том, что разная высота отвалов не изменяет картину загрязнения, однако, поскольку санитарно-за-щитная зона железорудных карьеров составляет 500 м, загрязнение почвенного покрова превышено многократно.

Воздействие нагрузки на почвенный покров при разных объемах добычи на железорудных карьерах показано на рис. 7.

Рис. 6. Нагрузка на почву за 1 год функционирования отвалов при объеме производительности 4 млн м3

На рис. 7 видно значительное изменение границы нагрузки при разных объемах добычи. В отличие от равной производительности отвалов, где высота отвала не играет роли на удаление границ нагрузки, при разной производительности карьеров, наоборот именно этот фактор сказывается на нагрузке на почвенный покров.

Поскольку пыление с отвалов происходит в течении многих лет, на рис. 8 и рис. 9 показано как будет оказываться воздействие нагрузки на почвенный покров за 10 лет пыления отвалов.

Рис. 7. Нагрузка на почву за 1 год функционирования отвалов при разном объеме производительности

Рис. 8. Нагрузка на почву за 10 лет функционирования отвалов при объеме производительности 4 млн м3

Показателен тот факт, что при двух различных условиях, уровень воздействия пылевыделения на почвенный покров за 10 лет достаточно велик. При этом можно сделать вывод, что влияние пыли от пыления отвалов как за 1 год, так и за 10 лет, представляет собой серьезную опасность воздействия на почвенный покров прилегающих территорий. Взрывные работы, которые производятся несколько раз в году, такой опасности для почвенного покрова не оказывают.

При наличии в техногенной пыли химически активных компонентов, представляющих потенциальную опасность для био-ты в формулу (6) дополнительно вводится коэффициент нагрузки (К), который определяется следующим образом:

Рис. 9. Нагрузка на почву за 10 лет функционирования отвалов

х М • а,) К = -, (7)

н

X М,

¿=1

где М — масса веществ, поступивших с отходами в окружающую среду, т; i — количество видов веществ, поступивших в окружающую среду; А; — показатель относительной агрессивности /'-того вещества.

Показатель А. вещества характеризует степень его агрессивности относительно агрессивности вещества, принятого в качестве нормирующего для рассматриваемой среды. При оценке агрессивности веществ в почвенном покрове принимаются показатели, используемые для санитарной оценки химических соединений в почве (ПДКп, ОДК). В общем виде показатель относительной агрессивности определяется отношением предельной величины используемого для санитарной оценки среды показателя самого безопасного вещества к величине этого показателя /-того вещества.

Показатель относительной агрессивности для почвенного покрова рассчитывается по формуле:

А = ПДКоф. = 3000 , (8)

]

пдк ПДК

где ПДКо ф — предельно допустимая концентрация отходов флотации угля в почве, мг/кг; ПДК — предельно допустимая концентрация j-го вещества в почве, мг/кг.

Отходы флотации угля приняты в качестве нормирующего вещества, как имеющие наибольшую величину предельно допустимой концентрации, т.е. являющиеся наиболее безопасной примесью. Значения ПДК приняты по данным [4]. Допустимое загрязнение почв токсичными веществами оценивается по максимально допустимой концентрации исходя из ПДК отходов флотации, составляющее 3000 мг/кг почвы, т.е. 0,003 долей ед.

Рассчитываем величину нагрузки от выбросов токсичной пыли по формуле:

п = (М1 - Мм) ■ Мп ■ Кн (9)

рп ■ 0,25 ■(%■ I2 -п-(1 - I)2)

где Кн — средневзвешенный коэффициент нагрузки токсичных компонентов пыли (табл. 2); I — удаление от эпицентра взрыва, м; М — общая массы выброса пыли при взрыве, т; р — плот-

Расчет коэффициента нагрузки на почву токсичных выбросов взрывных работ

Выбрасываемые вещества Масса выброса, т Агрессивность, доли ед. Р • А

Си 0,0125 1000 12,5

РЬ 0,0376 93,75 3,525

Мп 0,10024 2 0,20048

Сумма 0,15034 16,22548

Кн 108 107,9252361

ность почвенного покрова; М, М1_1 — доля массы пыли, осевшей на удалении I м и соответственно I — 1(м) от места выброса.

Доля токсичных выбросов при взрывных работах составляет всего 0,00012 от общей массы. Таким образом, основную массу в выбросе пыли составляют нетоксичные вещества, которые засоряют почвенный покров, изменяя его качество и приводящее к его деградации.

Для сравнения влияние этих показателей выполнены расчеты потребления почв выбросами от взрывных работ железорудного карьера производительностью 10 млн т в год (табл. 3).

Результаты расчетов показывают, что величина граничной нагрузки токсичных веществ в тысячи раз превышает факти-

Таблица 3

Потребление ресурсов почв в результате выбросов токсичной пыли

Удаление от эпицентра взрывных работ, м Потребление ресурсов почв выбросами токсичной пыли, доли ед. Граница потребления по ПДК, доли ед.

285 9,51787Е-06 0,003

300 8,81186Е-06 0,003

500 4,09128Е-06 0,003

1000 1,4454Е-06 0,003

2000 5,10834Е-07 0,003

3000 2,78028Е-07 0,003

4000 1,80573Е-07 0,003

5000 1,29203Е-07 0,003

ческую нагрузку. Таким образом, токсичные выбросы в составе пыли от взрывных работ практически не оказывают влияния на почвенный покров.

Выводы

1. Функционирование минерально-сырьевого комплекса, обеспечивающего энергетическую и сырьевую основу развития современной технократической цивилизации, сопровождается прямым и опосредованным потреблением ресурсов из окружающей природной среды.

2. Применительно к пылевому к фактору горного производства общее потребление природных ресурсов количественно оценивается показателем техногенной нагрузки на почвенный покров, а качественно — величиной коэффициента нагрузки.

3. При ведении отрытых горных работ величина техногенной нагрузки на почвенный покров при производстве взрывных работ гиперболически сокращается по мере удаления от источника пыли.

4. Пылевое воздействие отвалов пустых пород характеризуется таким же характером зависимости, но почти втрое меньшей абсолютной величиной.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Чаплыгин Н. Н., Галченко Ю. П., Папичев В. И., Жулковский Д. В., Сабянин Г. В., Прошляков А. Н. Экологические проблемы геотехнологий: новые идеи, методы и решения. — М.: Изд-во «Научтехлитиздат», 2009. - 320 с.

2. Бересневич П. В., Михайлов В. А., Филатов С. С. Аэрология карьеров: Справочник. — М.: Недра, 1990. — 280 с.

3. Нормы экологического использования эрозионно-опасных земель Ставропольского края. — Ставрополь: Ставропольское кн. изд-во, 1996. — 20 с.

4. Папичев В. И. Характер изменения нагрузки на атмосферу при производстве взрывных работ в карьерах // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2010 ОВ1, Труды научного симпозиума «Неделя горняка-2010». — С. 196—206. [?тш

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Папичев Валерий Иванович1 — доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: [email protected],

Прошляков Алексей Николаевич1 — научный сотрудник, e-mail: [email protected], 1 ИПКОН РАН.

UDC 622.014

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 2, pp. 315-327.

V.I. Papichev, A.N. Proshlyakov

THE ASSESSMENT OF DANGER

OF EXPOSURE OF DUST EMISSIONS

FROM SOURCES QUARRIES

ON THE SOIL COVER

A new approach to assessing the impact on the soil cover of dust emissions from blasting in quarries and dumping as a consumer resource of soils based on the fact that released into the atmosphere in an explosion of dust settling on the surface of the earth is essentially replaces the soil resource. The main component providing the load on the soil cover is non-toxic dust. Toxic constituents dust practically does not lead to contamination of soils. Considered character of the change resource consumption of the soil cover as a result of dust emissions in an explosion in career and dust emissions from dumps. The use of the proposed approach makes it possible to trace the dynamics of resource consumption of the soil cover after blasting and dust emissions during stacking, to highlight the most dangerous areas of subsidence dust. Showed the influence of dust on the soil cover in different time slots. Reflected changing of borders load on a soil cover for different characteristics quarries and dumps, as well as showing the factors having the greatest impact on the soil cover. This allows to take the necessary measures to ensure the safety of those areas where the soil is most susceptible to contamination.

Key words: quarry, blasting, dust, dump, stacking, load on the soil, consumption.

AUTHORS

Papichev V.I.1, Doctor of Technical Sciences, Leading Researcher, e-mail: [email protected], Proshlyakov A.N.1, Researcher, e-mail: [email protected],

1 Institute of Problems of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources of Russian Academy of Sciences, 111020, Moscow, Russia.

REFERENCES

1. Chaplygin N. N., Galchenko Yu. P., Papichev V. I., Zhulkovskiy D. V., Sabya-nin G. V., Proshlyakov A. N. Ekologicheskie problemy geotekhnologiy: novye idei, metody i resheniya (Environmental challenges of geotechnologies: New ideas, methods and solutions), Moscow, Izd-vo «Nauchtekhlitizdat», 2009, 320 p.

2. Beresnevich P. V., Mikhaylov V. A., Filatov S. S. Aerologiya kar'erov: Spravochnik (Aerology of open pit mines, Handbook), Moscow, Nedra, 1990, 280 p.

3. Normy ekologicheskogo ispol'zovaniya erozionno-opasnykh zemel' Stavropol'skogo kraya (Ecostandards of erosion-hazardous land usage in the Stavropol Territory), Stavropol', Stavropol'skoe kn. izd-vo, 1996, 20 p.

4. Papichev V. I. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten', 2010, Special edition 1, pp. 196-206.