Выпадение пыли при распространении газопылевого облака Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© Н.М. Мартинсон, Ю.Н. Зыков, Л.М. Перник, А.А. Спивак, 2003

УЛК 622.807

Н.М. Мартинсон, Ю.Н. Зыков, Л.М. Перник,

A.A. Спивак

ВЫПАЛЕНИЕ ПЫЛИ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ ГАЗОПЫЛЕВОГО ОБЛАКА

Постоянное совершенствование технологии промышленного взрывания химического ВВ, а также изменение требований к охране окружающей среды и объектам человеческой деятельности обуславливают необходимость проведения постоянных исследований, связанных с анализом и обобщением новых данных, относящихся к безопасному ведению взрывных работ. Горно-обогатительные комбинаты представляют собой мощный источник поступления загрязняющих веществ в атмосферу региона. Основными загрязнителями атмосферы являются газопылевые выбросы. При разработке карьеров открытым способом источниками пылевыделения являются: массовые взрывы, бурение и операции связанные с перемещением горной массы. На долю взрывных работ и экскавацию горной массы в сумме приходится 60-80% от общего количества частиц пыли, поступающих в атмосферу карьеров. В отличие от других источников пылевы-деления, массовые взрывы на открытых карьерах сопровождаются образованием мощных газопылевых облаков, высота которых достигает 300-500 м. Газопылевое облако загрязняет не только атмосферу карьеров, но и обширные территории, прилегающие к карьерам. В данной работе представлены исследования, направленные на изучение концентрации твердых частиц у поверхности земли и плотности их выпадения, в естественных условиях проведения взрывных работ на карьере Лебединского ГОКа.

Инструментальные наблюдения проводились следующим образом. Перед массовым взрывом на разных расстояниях от карьера на разных азимутах в направлении ожидаемого ветрового сноса пылевого облака размещались контейнеры и планшеты для сбора пыли. Процесс формирования и распространения облака фиксировался с помощью видеокамер.

Контейнер для сбора пылевых частиц представлял собой цилиндрический сосуд диаметром 50 мм и высотой 20 мм, на дне которого размещался фильтр Петрянова. Чтобы избежать влияния пыления поверхностного слоя грунта в месте проведения измерений, контейнеры располагались на высоте примерно 1 м от земной поверхности. В отдельных случаях (как правило на близких расстояниях от карьера, где выпадение крупных частиц было интенсивным) для сбора пыли использовались планшеты площадью 0,5 м2. Обычно размещали 15-25 контей-

Рис. 1. Схема расположения взрываемых блоков при массовом взрыве на Лебединском ГОКе 16.09.1999 г.

неров и планшетов. Следует отметить, что обычно выпадение пыли из облака регистрировалось в значительно меньшем количестве точек наблюдения в связи с изменением направления ветра в процессе подготовки эксперимента. Сбор выпадающих из пылевого облака твердых частиц осуществлялся в течение всего времени прохождения облака над пунктом наблюдений. Количество твердых частиц разного размера в отобранных пробах определялось прямым подсчетом с помощью микроскопа. При определении массы частицы конкретного размера ее форма принималась сферической. В результате определялась масса пылевых частиц, выпавших на единицу площади, на разных расстояниях и азимутах от места начального положения пылевого облака. Отбор проб из пылевого облака и с поверхности грунта в районе ведения взрывных работ показывает, что гранулометрический состав твердых частиц, большинство из которых принимает непосредственное участие в формировании пылевого облака, характеризуется широким диапазоном линейных размеров и с достаточной для практических оценок точностью описывается распределением Розина-Раммлера [1]: ш+(х)/ш0 = ехр [-(х/х0)п],

где т+(х) - масса отдельностей, размер которых превыщает х; т0 - общая масса исследуемой породы; х0 и п - параметры распределения, причем х0 характеризует степень дробления (близок к среднему размеру куска), а п - его равномерность (чем меньше п, тем шире диапазон размеров частиц).

В том случае, когда гранулометрический состав твердых частиц подчиняется закону Розина -Раммлера средний размер частиц <х> связан с параметром х0 соотношением <х> = х0 Г(1 + 1/п),

где Г(1 + 1/п) - гамма-функция соответствующего аргумента.

В качестве примера рассмотрим подробно массовый взрыв на карьере Лебединского ГОКа 16.09.1999 г., при проведении инструментальных наблюдений которого была получена наиболее полная информация.

Схема проведения массового взрыва приведена на рис. 1. Основные параметры взрыва:

Общая масса использованного ВВ - 1029 т;

Количество отбиваемых блоков - 9:

• блок № 175 с общей массой ВВ 52,3 т;

• через 4 сек был взорван блок № 176 с массой ВВ 11,9 т;

• через 8 сек блоки №№ 167, 168, 169 с массой ВВ 92,8; 170 и 59 т;

• через 14 сек блок № 178 с массой ВВ 148 т;

• через 19 сек блоки № 170 и № 172 с массой ВВ 118 и 135 т;

• через 25 сек блок № 171 с массой ВВ 241,7 т.

Скорость ветра в момент проведения взрыва

составляла 2,2 м/с.

Пункты сбора твердых частиц из пылевого облака, сформированного в результате взрыва,

располагались вдоль направления ветра в секторе с углом около 55 град. Схема размещения пунктов сбора частиц приведена на рис. 2. В общей сложности было организовано 25 пунктов сбора выпадающих из пылевого облака частиц. При этом выпадение пыли из облака зарегистрировано в 13 пунктах. Пунктиром на рис. 2. показана граница, разделяющая пункты, в которых достоверно зарегистрировано выпадение частиц пыли, и пункты, в которых выпадение частиц не было зарегистрировано. Можно считать, что с известной точностью пунктир определяет границы выпадения твердых частиц из распростра-

Рис. 2. Схемы размещения пунктов сбора пылевых частиц при взрыве на Лебединском ГОКе 16.09.1999 г. |_

няющегося пылевого облака (так называемый пылевой след).

Регистрировалось выпадение твердых частиц из наиболее изометрически устойчивого во времени пылевого облака, сформировавшегося в результате взрыва блока № 171.

Результаты фракционирования пылевых частиц из отобранных проб приведены в табл. 1 для разных пунктов регистрации с указанием расстояний от начального положения пылевого облака.

Из табл. 1 хорошо видно, что по мере распространения пылевого облака количество выпадающих из него крупных частиц уменьшается. Так, на расстояниях свыше 1,5 км из облака не выпадают твердые частицы с размером, превышающим 100 мкм. Что свидетельствует об их отсутствии в облаке. Начиная с расстояний около 2-х км в облаке отсутствуют твердые частицы с размером более 80 мкм. Начиная с расстояний 4,5 км в облаке присутствуют только частицы с размером 5-20 мкм.

Результаты обработки данных по гранулометрическому составу пыли для пунктов регистрации, находящихся на трех различных расстояниях показаны

на рис. 3. Параметры распределения Розина-Раммлера (п и <х>) приведены в табл. 1. Для пунктов 11-13 параметры распределения не определены в связи с узким диапазоном зарегистрированных твердых частиц.

Из рис. 3 и табл. 1 видно, что с увеличением расстояния от взрыва параметр равномерности гранулометрического состава п (наклон прямых на рис. 3) увеличивается. Несколько выделяются данные, полученные в пункте 9, что, по всей видимости, связано с расположением этого пункта на боковом краю пылевого следа.

Данные по выпадению пыли для некоторых взрывов представлены в табл. 2.

Степень запыления прилегающей к карьеру территории во многом определяется начальными характеристиками пылевого облака, формирующегося в результате взрыва, скоростью выпадения пылевых частиц при заданной скорости ветрового сноса пылевого облака.

Рис. 3. Гранулометрический состав пыли для пунктов регистрации, находящихся на трех различных расстояниях

Рис. 4. Экспериментальные и расчетные данные для массы пыли выпадающей на 1 м2 в зависимости от расстояния до места взрыва

Начальные геометрические размеры пылевого облака, дисперсный состав и концентрация пылевых частиц в облаке, а также характерные для конкретного района метеорологические условия определяют как степень загрязнения приземного слоя атмосферы, так и величину площади запыляемой территории.

При исследовании загрязнения окружающей среды, вызванного промышленными взрывами, удобно разбить процесс на две стадии. На первой стадии происходит формирование газопылевого облака над карьером, на второй - распространение облака вдоль поверхности Земли и выпадение пыли. Начальная стадия достаточно хорошо изучена в результате многочисленных экспериментальных исследований, проведенных на карьере [2]. Результаты этих исследований использовались в данной работе для задания начальных параметров газопылевого облака. На поздней стадии основными процессами, определяющими движение пылевых частиц, являются ветер, турбулентная диффузия и осаждение за счет силы тяжести.

Инструментальные наблюдения, выполненные при массовых промышленных взрывах, показывают, что вертикальный размер (высота) пылевого облака в первые секунды после взрыва достигает значений 100-300 м в зависимости от состояния атмосферы в момент проведения взрыва и слабо зависит от общей массы взрываемого ВВ. Характерный горизонтальный размер пылевого облака определяется размерами отбиваемых блоков, их количеством и взаимным расположением. Часто прослеживаются облака отдельно от каждого блока.

Высота подъема облака в последующие моменты времени существенно зависит от метеорологических условий. При средних значениях ветра (~ 3-5 м/с) и средних вертикальных градиентах температуры высота подъема пылевого облака составляет 300-500 м.

В работе [3] показаны зависимости начальных радиуса и высоты подъема облака от массы ВВ (О, т) и абсолютной температуры воздуха Та:

I? (м) = 6,6(0,1+5,610-4) а (10,60 - 200)1/4Та1/4 + 15 Н (м) = 0,45([?-15)(0,1 + 5,610-40)-1

По мере распространения пылевого облака с воздушными массами его линейный горизонтальный раз-

Таблица 2

Дата взрыва 07.09.95 25.05.00 17.05.01

Скорость ветра, м/с 2 4 7 5

Масса ВВ в блоке, т 150 515 528,2

Расстояние от центра блока до места сбора пыли, м 1000 1900 3130 4790 7530

Показатель в распределении Розина -Раммлера 2,385 3,1 2,4 2,72 3,14

Общее количество выпавшей пыли, г/м2 1,262 2,69 1,497 0,512 0,301

мер увеличивается, что связано как с временными вариациями направления ветра, так и боковым диффузионным переносом. Как правило, для оценок скорости бокового расширения облака продуктов взрыва при его свободном движении в атмосфере применяют модель турбулентной диффузии, которая предполагает нормальное распределение загрязнений в облаке. Скорость расширения облака Ур = (2ктД)1/2

По данным многочисленных наблюдений за полетами шаров - зондов, расширением облаков туманов [4] и наших оценок кт имеет значения от 7 до12 м2/с в зависимости от метеорологических условий. Зависимость коэффициента турбулентной диффузии от различных параметров атмосферы представлено в работах [5, 6]. Для построения инженерной формулы, по которой можно определять количество пыли, выпадающей на различных расстояниях от взрыва, воспользуемся следующей схемой, которая учитывает все основные определяющие факторы рассматриваемого процесса.

Пусть произведен взрыв рыхления с массой ВВ равной О в скальной породе плотностью р с удельным расходом ВВ - КВВ. Гранулометрический состав взорванной породы будем характеризовать средним размером куска <х> и параметром равномерности распределения п (из распределения Розина - Раммлера). Следует отметить, что параметр п, как показано в работе [1], в широком диапазоне изменения взрываемой массы ВВ (О > 103 кг) имеет значение ~ 0,8.

Основное количество пыли, которая находится в газопылевом облаке, выбрасывается из скважин одновременно с вылетом забойки. Как показано в работе [7] удельное пылевыделение при взрывах в карьерах составляет 0,043-0,0254 кг пыли на 1 кг взорванного ВВ. Оценка величины удельного пылевыделения была также получена Соловьевым С.П. при измерениях электромагнитного поля пылегазового облака на карьере Лебединского ГОКа. Она составила 0,031 - 0,016 кг пыли на 1кг ВВ. Дальнейшие расчеты показали, наиболее подходящей для условий Лебединского ГОКа

является величина удельного пылевыделения 0.030 кг на 1 кг ВВ.

При проведении расчетов предполагалось, что при взрыве в атмосферу выбрасываются частицы пыли размером менее 300 мкм. Эти частицы разбивались на группы (около 40 групп), в каждой из которых размеры частиц отличались не более чем на 15%. Количество частиц в группе определялось в соответствии с распределением Розина - Раммлера при значении параметра равномерности распределения п = 0.8.

Скорость оседания частицы пыли заданного размера внутри облака (скорость вертикального движения) определяется гидродинамическим сопротивлением частицы при ее движении в поле силы тяжести. В зависимости от числа Рейнольдса ?е скорость вертикального движения твердой частицы V описывается соотношением [8]

V = 0,76x10 -2 d м/с при 2 < ?е < 800;

V = 0,83x10 -4 d2 м/с при ?е < 2;

здесь d - диаметр частицы, выражен в мкм.

Расчеты проведенные по представленной выше схеме показали хорошее соответствие с натурными данными. На рис. 4 приведены экспериментальные и расчетные данные для массы пыли выпадающей на 1 м2 в зависимости от расстояния до места взрыва. Отметим, что зависимость количества выпавшей из облака пыли обратно пропорционально расстоянию в степени 1,96. В дальнейшем для получения инженерной формулы эту зависимость искали в виде: т = А(О, УР, <х>, ктд)?-2

Расчеты показывают, что коэффициент А линейно зависит от массы ВВ, скорости ветра и коэффициента турбулентной диффузии. Зависимость коэффициента А от среднего размера куска породы, разрушенной при взрыве, имеет вид: А ~ (<х>) - 0,84 После объединения числовых коэффициентов связь между массой выпавшей пыли и определяющими параметрами задачи имеет вид:

т = 2,39. р кВВ О Ув кТд-0,27. ?-2

хср = 1,4(0,135Ув + 0,73)(1,50 + 950). I?-0,5

где [т] = г/м2, [р] = кг/м3, [О] = т, [У] = м/с,

[ктд] = м2/с, [?] = м, [кВВ] = кг/м3.

1. Адушкпн В.В., Спивак А.А., Геомеханика крупно-масштабных взрывов. М.: Недра, 1993. 319 с.

2. Основные факторы воздействия открытых горных работ на окружающую среду. Горный журнал, №

4, 1996, с. 49 - 55.

3. Зыков Ю.Н., Кожухов С.А.

Распространение газообразных за-

грязнителей при проведении взрывных работ на открытых карьерах. Доклад на Всероссийской конференции "Научные

аспекты экологических проблем России”, М., 13 - 16 июня 2001 г.

4. Соловьев С.П, Шувалов В. В. Динамические процессы при сильных тротиловых взрывах. Сб. Физические процессы в геосферах: их проявление и взаимодействие. М.: ИДГ РАН, 1999, с. 369-377.

5. Мигем Ж.В. Энергетика атмосферы. Л. Гидрометиздат, 1987, 326 с.

6. Атмосферная турбулентность и моделирование распростра-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

нения примесей. Л. Гидрометиздат, 1985, 351 с.

7. Ефремов Э. И, Петренко В. Д, Белоконь М. П. Экспериментальные исследования эффективности методов снижения пылегазовых выбросов при массовых взрывах на карьерах. Первая международная конференция "Буровзрывные работы в строительстве" М. 1992. с. 14-21

8. Райст П. Аэрозоли. Введение в теорию. М:. Мир, 1987, 278 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------------------------------------------

Мартинсон Н.М. - зав. лабораторией, кандидат технических наук, ОАО “НИИКМА”.

Зыков Ю.Н. - научный сотрудник, Институт динамики геосфер РАН.

ПерникЛ.М. - ст. научный сотрудник, кандидат технических наук, Институт динамики геосфер РАН. Спивак А.А. - зав. лабораторией, доктор физико-математических наук, Институт динамики геосфер РАН.

«НЕДЕЛЯ Г0РНЯКЛ-2002» СЕМИНАР № 12

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова: Заметки:

Дата создания:

Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:

Полное время правки: Дата печати:

При последней печати страниц: слов: знаков:

МАРТИНС

в:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\01ЛВ11~03 С:\и8еге\Таня\ЛррБа1а\Коаті^\Місго80й\ШаблоньіШогта1Ло1т

6оаАв^Аа&

Шег

25.08.2003 10:09:00 8

25.08.2003 10:31:00 Гитис Л.Х.

26 мин.

09.11.2008 18:07:00 5

2 274 (прибл.)

12 965 (прибл.)