CC BY
121
К 70-летию КАФЕДРЫ «АЭРОЛОГИЯ I И і ОХРАНА I ТРУДА» ; .
і
Разработка полезных ископаемых открытым способом связана с решением санитарно-гигиенических и экологических проблем. Исследованию и решению проблемы санитарно-гигиенических условий в карьерах посвящены многочисленные работы ряда авторов. Менее детально исследована экологическая проблема загрязнения окружающей среды выбросами карьеров, отвалов и хвостохра-нилищ. Эта проблема имеет три важных аспекта, взаимосвязанных друг с другом: оценка выбросов загрязняющих веществ, изучение рассеяния этих веществ в атмосфере и оценка загрязнения подстилающей поверхности минеральными пылями.
Наиболее просто произвести оценку загрязняющих веществ. На основании методики, разработанной ВНИИБТГ [1], установлено, что добыча железных руд в карьере сопровождается выделением минеральных пылей в объёмах 0,029-0,1 кг на 1 т горной массы и выбросами вредных газов в перерасчете на условный оксид углерода в количестве 0,094-1,63 кг/т горной массы. Таким образом, зная производительность карьеров, легко определить как массовые объёмы выбросов, так и их интенсивность.
Анализ производственной деятельности карьеров Кривбасса за 1998 г. показал следующее. При добыче карьерами пяти ГОКов Кривбасса 80 млн. т и разработке 30 млн. т скальной вскрыши в окружающую среду было выброшено около 7900 т минеральной пыли. При проведении массовых взрывов дополнительно в воздушную среду поступило около 3650 т пыли. В карьерах работало около 100 единиц автотранспорта и было израсходовано до 65000 т дизельного топлива. В атмосферу карьеров поступило около 6600 т оксидов углерода, 2600 т оксидов азота, 2000 т углеводородов, 1300 т сернистого газа, 1000 т сажи. При массовых взрывах выбросы вредных газов составили: оксидов углерода 1400 т, оксидов азота около 110 т.
Расчёт интенсивности пылегазовыделений карьеров показал, что мощность выбросов пыли карьерами колеблется в пределах от 30 г/с (ЮГОК) до 50 г/с (СевГОК), а мощность газовых выбросов в перерасчёте на условный оксид углерода изменяется в пределах от 65 г/с (ЮГОК) до 990 г/с (НКГОК).
Ведение вскрышных работ на карьерах и обогащение руды на фабриках ГОКов привели к необходимости формирования отвалов и строительства хвостохранилищ. При среднегодовой скорости ветра в Кривбассе интенсивность пыления отвалов составляет 0,62-0,94 мг/с м2, а хвостохранилищ - 0,7-2,5 мг/с м2. При неблагоприятных метеорологических условиях на незакреплённых участках отвалов и
хвостохранилищ возникают пылевые бури и пыль распространяется на десятки километров.
Вторым важным экологическим аспектом является оценка рассеяния выбросов загрязняющих веществ в окружающей атмосфере. Известные к настоящему времени методики расчета концентраций примесей в атмосферном воздухе [2,3], согласно Никитину В.С. дают заниженные данные [4]. Погрешность между расчётными и натурными данными особенно возрастают с увеличением расстояний от источника вследствие несовершенства модели рассеяния. Волощуком В.М. проведены теоретические исследования для корректировки расчётного метода [5]. Однако предложенный метод не доведён до практического использования ввиду отсутствия методики расчёта.
Нами рекомендуется аналитический метод оценки рассеяния загрязняющих веществ горных предприятий в атмосферном воздухе.
В предлагаемом методе коэффициент вертикальной турбулентной диффузии k(z) принимается зависимым по закону гамма-распределения
k(z) =K z H-1 exp(-4 z H-1) , (1)
где K - высота над подстилающей поверхностью, м; k -приведенный коэффициент вертикальной турбулентной диффузии, зависящий от метеорологических условий, м2/с; Н -высота пограничного слоя атмосферы, зависящая от её устойчивости, м.
Определение параметров пограничного слоя нами осуществлено на основании исследований Ткаченко А.В. [6], после чего было решено дифференциальное уравнение относительной вертикальной турбулентной диффузии для вертикального источника. Путём интегрирования полученной функции по переменным х и z получены новые функции, описывающие закономерности вертикального рассеяния примесей от горизонтальных и вертикальных линейных источников. В частности, для безразличного состояния атмосферы и средней скорости ветра 5м/с эти формулы имеют вид: для точечного источника
Wt (x,h)=0,23h0,75 x'°,5 exp(-8,33h115 x-1); (2)
для линейного горизонтального источника:
Wл (x,h) =0,91 [y(-0,43; 8,33h1J5/x-L)-
-Y(-0,43; 8,33h1,15/x)], (3)
где х - расстояние от начала источника по направлению ветра, м; h-высота источника над землёй, м; l-протяжённость источника по направлению ветра, м; у (-0,43;а)-неполная гамма-функция от двух параметров.
Изменение концентрации примесей под действием относительной горизонтальной диффузии учитывается при помощи теории гауссовых струй, описываемых функциями: для точечных источников
GT(x, y) = 5x-1 exp(-78,1x-2y2); (4)
для линейных источников
Gn(x, y) = erf 9,1(y+0,5L)x1- erf 9,1(y-0,5L)x1; (5)
где у - расстояние от оси факела примеси в направлении, перпендикулярном ветру, м; L -протяжённость источника в
том же направлении, м; erf Т - функция ошибок Крампа от аргумента Т
Приземная концентрация q(x,y,h) загрязняющих веществ рассчитывается при помощи произведений параметров и функций, которые имеют следующий вид: для точечных источников
qT (x, y, h) = MTWT(x,h) GT(x,y); (6)
для линейных источников, расположенных по ветру qл,x (x, y, h) = Мл Wл (x,h) GT(x,y); (7)
для линейных источников, расположенных поперек к ветру
qл,x (x, y, h) = MлWт(x,h) Gл(x,У; (8)
для наземных площадных источников qn(x, y, h) = 6,9MпWл(x,h) Gл(x,y); (9)
где h-приобретает смысл высоты уровня дыхания человека, м.
В формулах (6)-(9) параметры МТ ,МЛ ,МП имеют смысл мощностей точечного, линейного, площадного источников, соответственно, мг/с, мг/с м, мг/с м2.
Мгновенная концентрация пыли qM (x,hd) в центре пылегазового облака, образованного от взорванного блока высотой 15 м, рассчитывается по формуле (для скорости ветра 5м/с и безразличной стратификации атмосферы)
qM(x; 1,5) = 0,32 СA-0,5x-l5(8,8 +
+ 0,06x05)(1 + 0,11x2A-1)-1; (10)
где x - расстояние от взорванного блока по ветру, м; h - высота уровня дыхания человека, равная около 1,5 м; C - начальная концентрация пыли в облаке, изменяющаяся в пределах 200-1300 мг/м; A - масса взрывчатых веществ в блоке, кг.
Расчёты, проведенные по формулам модели ИЭМ [3] в редакции Ткаченко А.В. [6] и формулам (4)-(9), позволили установить следующее. Для близких расстояний (до 2км) от источников примесей наблюдается практически полное совпадение (погрешность не превышает 7 %) результатов расчёта по обоим методам. С ростом расстояний предлагаемый нами метод даёт более «жёсткую» оценку загрязнениям воз-
душной среды, чем метод ИЭМ, и более реально описывает закономерности рассеяния примесей. Экспериментальные исследования, проведенные на карьерах НКГОКа и СевГО-Ка при массовых взрывах подтвердили удовлетворительную сходимость рекомендуемого нами метода с натурными данными (погрешность состовляла 17-28 %).
Анализируя формулы (2)-(10), которые описывают закономерности рассеяния загрязняющих веществ, поступающих из карьеров, отвалов и хвостохранилищ, установлено следующее. Размеры зоны, где разовые приземные концентрации вредных примесей превышают допустимые, зависят от многих параметров. Дальность распространения факела выбросов возрастает с увеличением геометрических размеров пылящих объектов, с увеличением устойчивости атмосферы но, решающим фактором является мощность источника. Так, например, при равновеликой площади (ок. 400 га) карьера, отвала и хвостохранилища при скорости ветра 5 м/с концентрация пыли для карьера не превышает ПДК уже на верхней бровки подветренного борта; для отвалов на расстояниях 4-6 км для хвостохранилищ 5-9 км. Если же в карьере проводятся массовые взрывы, количеством 100-150 т ВВ в блоке, то концентрация пыли, при выбросе её массой 6-20 т, на границе санитарно-защитной зоны колеблется от 10 до 110 мг/м3 и достигает предельно допустимого значения на расстояниях 3-4,5 км от места взрыва. Таким образом, наиболее опасными источниками с точки зрения загрязнения окружающей среды являются отвалы, хвостохра-нилища и карьеры в момент проведения массовых взрывов.
Для оценки загрязнения окружающей среды выбросами горных предприятий авторами совместно с институтом НИИБТГ разработана методика расчётов, позволяющая решать ряд практических задач: 1) определять мощность выбросов загрязняющих веществ различными типами источников; 2) рассчитывать поля приземных концентраций загрязняющих веществ от группы источников и предприятий; 3) количественно оценить степень загрязнения подстилающей поверхности пылевыми выбросами горных предприятий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Руководство по защите рудничной атмосферы от загрязнения. Открытые горные ра-боты.-Кривой Рог: ВНИИБТГ МЧМ СССР, 1988,-177с.
2. Методика расчёта концентрации в ат-
мосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86.
Госкомгидромед.- Л.: Гидрометеоиздат, 1987,-
94с.
3. Бызова Н.Л. Методическое пособие по расчёту рассеяния примесей в пограничном слое атмосферы по метеорологическим данным.-М.: Гидрометеоиздат, 1973,-76с.
4. Никитин В.С., Пирумов А.И. О методике расчёта рассеяния в атмосфере выбросов предприятий // Водоснабжение и санитарная техника-1983, №2.
5. Волощук ВМ. Аналитическое решение диффузионной задачи для атмосферной примеси // Метрология и гидрология.-1991. №11, с.5-15.
6. Ткаченко А.В. Методика расчёта приземных концентраций примеси по метеорологическим данным // Труды УкрНИИ Гос-комгидромета. Вып. 224-М.: Гидрометеоиздат, 1987,- с. 3-14.
...................................................................................
Бересневич П.В. - доктор технических наук, Криворожский технический университет. Украина.
Деньгуб В.И. - кандидат технических наук, Криворожский технический университет. Украина.
..............................................................
