CC BY
35
4. Тангаев И.А. Буримость и взрываемость горных пород. М.: Недра, 1978. 184 с.
5. Чернышов С.Н. Трещины горных пород. М.: Наука, 1983.
I. Ignatenko
Regionalization open pit “OAO Smoilenskiy GOK” by blockiness of rocks
Factors, which condition size of nature parting (blockiness) of rocks, were defined. Dependence between blockiness and strength of rocks for Smoilenskiy iron-Ore Deposit was determined. A classification rock by blockiness was created. Average size of elementary block at the dependence kind of rocks and their structure-textural features were calculated.
Key words: ferruginous quartzite deposit, folding, breaking-down irregularity, block-iness of rocks.
Получено 17.03.2010
УДК 622.016.5:622.41
Н.М. Качурин, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, проректор,
(4872) 33-22-70, ecology@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
Л.Э. Шейкман, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41, ecology@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
Г.В. Стась, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-20-41, galina stas@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
И.И. Агеев, аспирант, (4872) 35-20-41, ecology@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ПОГЛОЩЕНИЕ КИСЛОРОДА ВОЗДУХА В ПОДЗЕМНЫХ КАМЕРАХ РАЗЛИЧНОГО ТИПА
Обоснованы зависимости поглощения кислорода воздуха строительными материалами подземных камер различного типа.
Ключевые слова: кислород, определение количества воздуха, подземные камеры.
До недавнего времени проблема кислородопотребления считалась относительно менее значимой, по сравнению, например, с глобальным загрязнением окружающей среды, разрушением озонового слоя и целым рядом других антропогенных воздействий. Вместе с тем, глобальные экологические факторы отличаются коренным образом от факторов локальных своей жесткой связанностью между собой.
Характерным отличием кислорода от других потребляемых ресурсов, является его относительно более быстрая воспроизводимость. Действительно, фотосинтезирующая способность фитопланктона океана, тропических лесов и сибирской тайги до сих пор оказывается непревзойденной как биогенным, так и техногенным потреблением кислорода. На важность
учета техногенного потребления указывает уже простое сопоставление годового биосферного обмена и антропогенного потребления
Еще большее значение имеет отношение концентрации кислорода и углекислого газа при газообмене в человеческом организме. Так, парциальное давление кислорода во вдыхаемом воздухе составляет 150 мм рт.ст., а углекислого газа - 0,2 мм рт.ст. Уже в легких это соотношение изменяется, поскольку давление кислорода падает до 100 мм рт.ст., а углекислого газа возрастает до 45 мм рт.ст. Причем парциальное давление углекислого газа далее при газообмене не меняется в легких, артериальной и венозной крови, а также тканях организма. В артериальной крови давление кислорода падает еще до 80 мм рт.ст., а в тканях составляет только 30 мм рт.ст. Относительная стабильность давления углекислого газа понятна, поскольку именно он регулирует обмен веществ в организме, тонус сосудов, проницаемость клеточных мембран. Кислород же является окислителем для сжигания органических веществ. Следовательно, изменение указанных величин как в сторону увеличения, так и уменьшения одинаково опасно для организма. Снижение парциального давления кислорода приводит к так называемому кислородному голоданию.
Таким образом, атмосферный кислорода, не являясь реально лимитированным фактором, тем не менее становится таким ресурсом, потребление которого не может быть неограниченным, и в настоящий момент величина его техногенного потребления уже близка к предельно допустимому соотношению между биотическим возобновлением и его поглощением.
Традиционно основными путями антропогенного потребления кислорода являются биологическое и технохимическое окисление, а также разбавление чистым воздухом техногенных примесей до нормативнодопустимых концентраций.
Само по себе антропогенное потребление кислорода на дыхание является сравнительно небольшим, весьма незначительно превышает физиологически необходимую норму и составляет на одного человека в среднем 0,57 кг/сутки чистого кислорода или 1:1 Гт/год на все человечество в целом (при его нынешней численности). Гораздо менее эффективным является кислородопотребление в сельском хозяйстве. Помимо того, что продуктивность агроценозов по кислороду в 3,54 раза меньше соответствующей площади лесов, еще более значительным является потребление кислорода при содержании сельскохозяйственных животных. Они окисляют при кормлении 5 Гт/год растительной биомассы, на что требуется 5,4 Гт/год чистого кислорода. Видно, что уже рацион питания человека, являющегося, по существу, всеядным, крайне несбалансирован, если на производство части только белковой составляющей пищи тратится кислорода в 5 раз больше, чем биологически необходимого. Еще больше кислорода (почти 30 Гт/год) расходуется при сжигании 10 Гт/год топлива.
Отсюда следует, что на производство требуемого всему человечеству 0,077 Гт/год сухого вещества пищи и 0,73 Гт/год промышленных изделий и материалов требуется кислорода в 32 раза больше, чем необходимо на дыхание обычному биологическому виду.
Другими словами, ежегодно всем людям Земли требуется 2 млрд м3 кислорода, в то же самое время на добычу и переработку материалов и сжигание топлива используется 65 млрд м3 кислорода, т.е. налицо значительный рост антропогенной нагрузки на биосферный кислородный мас-сообмен.
Помимо всех вышеперечисленных составляющих техногенного ки-слородопотребления, существуют несколько еще не учитываемых в глобальном балансе техногенного потребления кислорода. В частности, к ним относятся неорганизованные потребители кислорода, наиболее существенными из которых повсеместно используются в строительных материалах.
Взаимодействие кислорода с веществом строительных материалов представляет собой многостадийную, гетерогенную реакцию, которую условно можно разделить на несколько стадий. Перенос кислорода к реагирующим поверхностям данного вещества посредством фольмеровской и кнудсеновской диффузии провоцирует их взаимодействие, сущность которого во многом зависит от структуры строительного материала. Анализ надмолекулярных структур различных строительных материалов, полученных с использованием промышленных отходов, показал, что приемлема следующая модель структуры строительных материалов.
Макроэлементы сорбционно-активной составляющей вещества строительных материалов, как правило, представляют системы регулярного строения, расположенные на частично деформированных поверхностях. Нерегулярность укладки структурных подсистем приводит к появлению межэлементных полостей, внутренние поверхности которых способны сорбировать кислород на своих поверхностях. Следовательно, будет происходить физическая адсорбция кислорода на этих поверхностях, при которой его молекулы удерживаются на расстоянии 0,3 нм у активных поверхностей силами Ван-дер-Ваальса.
Далее для некоторой части молекул кислорода будет происходить хемосорбция, при которой адсорбированные молекулы удерживаются на расстоянии порядка 0,1 нм у активной поверхности силами химического сродства, аналогичными силами валентной связи между атомами в молекуле кислорода, в результате чего происходит распад молекул кислорода на атомы и радикалы и обмен электронами с атомами сорбционноактивных химических элементов, входящих в состав строительных материалов. Затем следует десорбция и отвод продуктов реакции от активной поверхности.
Рис. 1. Расчетная схема к определению воздухообмена в помещении
при поглощении кислорода
Это позволяет представить расчетную схему воздухообмена в помещениях в виде, показанном на рисунке.
Для рассматриваемых условий применим метод интегральной газовой динамики и, следовательно, баланс массы кислорода в помещении можно записать следующим образом:
ф Пр8 кс - ф пр , (1)
где Vn - объем помещения; СК, СВ - массовые концентрации (масса газа, содержащаяся в единичном объеме воздуха) кислорода в помещении и в приточном воздухе соответственно; Ьпр - объем приточного воздуха, подаваемого в помещение в единицу времени; £С - суммарная площадь контакта строительных материалов пористой структуры с воздухом; А - коэффициент, характеризующий скорость поглощения кислорода;
95
A =
0.
,707 ^ /Прий ^толщине поголощающего
слоя более 1 см,
(2)
л/ /.Жпри толщине поголощающего
слоя до 1 см.
Следовательно, математическая модель воздухообмена имеет вид:
К
dt
$4Р -( cC+ р) СК (0) = СВ = const .
К
Решение уравнения (3) для условий (4) можно записать как
С (t ) =
Сс
Lnp + ScA eXP
' Lp + ScA t'
v
/
(3)
(4)
(5)
Вид зависимости (5) свидетельствует о том, что для этой функции существует ненулевая асимптота, то есть
С
С (6)
СК» = lim СК =
К” К т + SA
пр
Разумеется, что стационарное состояние должно обеспечить выполнение следующего равенства: ПДК=СКю. Тогда окончательно расчетная формула будет иметь вид
3600 БШК
L.
пр
Св - ПДК
(7)
Сравнение расчетных значений кратностей воздухообмена с нормативными кратностями показывает, что фактор поглощения кислорода в ряде случаев является превалирующим.
Таким образом, обоснована расчетная зависимость определения воздухообмена по фактору поглощения кислорода пористым строительным материалом, контактирующим с воздухом.
N. Kachurin, L. Sheinkman, G. Stas, I. Ageev
Absorption oxygen from air by construction materials of different purposes underground cells
Dependences of absorption oxygen from air by construction materials of different purposes underground cells were substantiated in this paper.
Key words: oxygen, determine of air quantity, underground cell.
Получено 17.03.2010
