Введение
Мировая добывающая промышленность характеризуется широким развитием открытого способа ведения горных работ, в процессе которых карьеры последовательно переходят от категории мелких к средним, затем – глубоким и сверхглубоким. При образовании частично изолированного от окружающей среды выработанного пространства создаются весьма неблагоприятные условия для проветривания карьера, что при наличии больших объёмов пылевых и газовых выделений нередко приводит к местному или общему загрязнению его атмосферы до уровня, превышающего допустимые пределы [1, 2].
Наиболее остро проблема сверхнормативного загрязнения атмосферы проявляется в глубоких карьерах, расположенных на Урале, в Восточной Сибири и Западной Якутии, где штилевые периоды в сочетании с температурной инверсией занимают значительные промежутки времени. Такие полукатастрофические явления приводят к необходимости дополнительного резервирования оборудования и персонала для обеспечения планового объёма добычи, что отрицательно сказывается на количественных и качественных показателях основных технологических процессов [3, 4].
Разработанные и испытанные на ряде карьеров способы и средства беструбной вентиляции и пылегазоподавления свободными воздушными и двухфазными струями во многих случаях показали хорошие результаты, но опыт их использования в целях общеобменного проветривания глубоких карьеров свидетельствует, что кардинального решения проблемы до настоящего времени не получено [5, 6]. При этом трубопроводный способ вентиляции, являющийся в настоящее время основным при проветривании разнообразных промышленных объектов, большинством исследователей неизменно оценивался как малоперспективный для карьеров, требующих подачи больших объёмов воздуха [7, 8].
Атмосфера объектов открытых горных работ должна соответствовать установленным действующими государственными стандартами нормативам по содержанию основных составляющих частей воздуха, а также содержащимся в ней вредным примесям. Воздух рабочей зоны должен содержать не менее 20 % кислорода и не более 0,5 % углекислого газа по объёму. Места отбора проб и их периодичность устанавливаются графиком, утверждённым техническим руководителем организации, но не реже одного раза в квартал и после каждого изменения технологии работ. Во всех случаях, когда содержание вредных газов или запылённость воздуха на объекте открытых горных работ превышают установленные нормы, должны быть приняты меры по обеспечению безопасных и здоровых условий труда. В этом решающая роль отводится проветриванию участков горных работ и, прежде всего, естественному [9, 10].
Цель исследования
Оценить эффективность естественного проветривания участка «Брянский» разреза «Виноградовский» ПАО «Кузбасская топливная компания» и спроектировать меры по предотвращению сверхнормативных загрязнений воздуха рабочей зоны.
Материал и методы исследования
В работе использовались материалы фактических измерений концентраций токсичных веществ в воздухе на участке «Брянский» разреза «Виноградовский» ПАО «Кузбасская топливная компания». Исследования проводились с использованием расчётов по рекомендациям нормативно-технической литературы, а также методов научного анализа, обобщения и систематизации полученных данных.
Результаты исследования и их обсуждение
Разрез «Виноградовский» расположен в северо-восточной части Ерунаковского горно-геологического региона и административно входит в состав Беловского района Кемеровской области. Ландшафт местности степной, растительность приурочена к долине реки Иня и логам. Климат района резко континентальный со значительной амплитудой колебания температур - 84-87 °С. Он характеризуется длинной холодной зимой и коротким жарким летом. Средняя максимальная температура наиболее жаркого месяца (июля) – 25,2 °С. Средняя температура наиболее холодного месяца (января) - 22,6 °С. Преобладающее направление ветра – юго-западное. Скорость ветра, среднегодовая повторяемость превышения которой в данной местности 5 %, составляет 13 м/с. Средняя дата образования устойчивого снежного покрова – 6 ноября, разрушения устойчивого снежного покрова – 24 апреля. Число дней с устойчивым снежным покровом – 169, а число дней дождями - 73.
На рисунке 1 приведена схема разреза участка «Брянский» на конец отработки, которая имеет максимальные геометрические параметры по длине, ширине и глубине.
Рисунок 1. Схема разреза участка «Брянский».
Для выполнения поставленной задачи предварительно строится профиль разреза, совпадающий с характерными направлениями ветра (рисунок 2). Ветер юго-западного направления, имеющий среднюю скорость 3,5 м/с, характерен для 157 дней в году. При этом в течении 27 % времени бывают штили (скорость до 0,2 м/с). На каждом сечении под углом α=15° проводится линия внешней границы свободной турбулентной струи. Определяются точки встречи границы струи с соответствующим бортом или дном карьера.
Рисунок 2. Характерный профиль разреза участка «Брянский».
Для выполнения расчётов естественного проветривания строятся характерные сечения, совпадающие с расчётным направлением ветра (рисунок 3) [11].
Рисунок 3. Характерные сечения 1-3 разреза участка «Брянский».
Далее определяется средняя глубина участка h, по достижении которой возникает зона рециркуляции, по формуле [12, 13]:
, м, (1)
где h1, h2 … hn – значения глубины расположения точки встречи внешней границы струи с бортом или дном карьера, м; n – число сечений, принятых для определения.
м (2)
Определяем среднее значение абсциссы точки встречи внешней границы струи юго- западного направления с дном или бортом карьера x, по формуле [12, 13]:
, м, (3)
где x0, x1, x2 … xn – значения длины зоны рециркуляции соответствующего сечения, м; n – число сечений, включая нулевые (где нет рециркуляции).
м (4)
Существует две схемы естественного проветривания разрезов - рециркуляционная (рисунок 4) и прямоточная (рисунок 5) [11].
Рисунок 4. Рециркуляционная схема естественного проветривания.
Рисунок 5. Прямоточная схема естественного проветривания.
На основании анализа построенных сечений 1-3 (рисунок 3), а также в соответствии со схемами естественного проветривания (рисунки 4 и 5) для дальнейших расчетов принимается рециркуляционная схема естественного проветривания.
Концентрации вредных веществ в атмосфере определяется по формулам.
В зоне рециркуляции [14, 15]:
мг/м3, (5)
за пределами зоны рециркуляции [6, 7]:
мг/м3, (6)
где c1 – концентрация вредных веществ в зоне рециркуляции, мг/м3; c2 – концентрация вредных веществ за пределами зоны рециркуляции, мг/м3; c0 – фоновая концентрация вредностей, мг/м3; g1 –поступление загрязнителя от внутренних источников, мг/м3; x – среднее значение абсциссы точки встречи внешней границы струи, южного направления, с дном или бортом карьера, м; u – скорость ветра в расчетном направлении, м/с; l – ширина зоны рециркуляции, м.
Основными источниками загрязнения атмосферы карьера является работающее там оборудование. Расчет концентрации вредных веществ при среднегодовой скорости ветра и во время штилей приведён в таблице.
Таблица. Расчёт концентраций вредных веществ
|
Расчётные показатели концентраций, мг/м3 |
Наименования загрязнителей |
||||||||
|
Пыль |
CO |
Керосин |
NO2 |
NO |
Сажа |
SO2 |
Формаль- дегид |
Бенз-α-пирен |
|
|
При среднегодовой скорости ветра |
|||||||||
|
В зоне рециркуляции |
0,929 |
2,804 |
0,146 |
0,717 |
0,098 |
0,038 |
0,058 |
0,0002 |
1,49×10-7 |
|
Вне зоны рециркуляции |
0,526 |
2,582 |
0,066 |
0,353 |
0,044 |
0,017 |
0,033 |
0,0001 |
6,7×10-7 |
|
При штилях (17 % времени) |
|||||||||
|
В зоне рециркуляции |
13,043 |
9,472 |
2,561 |
11,661 |
1,707 |
0,673 |
0,793 |
0,003 |
2,6×10-6 |
|
Вне зоны рециркуляции |
5,983 |
5,585 |
1,154 |
5,282 |
0,769 |
0,303 |
0,364 |
0,002 |
1,2×10-6 |
|
ПДК, мг/м3 |
4,0 |
20,0 |
300,0 |
2,0 |
5,0 |
4,0 |
10,0 |
0,5 |
0,00015 |
На основании выполненных расчётов можно сделать вывод о том, что превышение предельно-допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ в зоне рециркуляции, а также за её пределами, наблюдается при штилях по пыли и диоксиду азота, следовательно, естественное проветривание не обеспечивает соблюдение ПДК в границах разреза. Необходимо выполнить расчёт искусственного проветривания в границах разреза.
Промежуток времени, за который накапливается концентрация вредностей до уровня ПДК, определяется по формуле [14, 15]:
, с, (6)
где c2 – ПДК, мг/м3; V – объем карьера, м3; g2 – баланс поступления вредностей в атмосферу карьера во время штиля, мг/с.
Объём разреза для простых условий разработки определяется по следующей формуле [14, 15]:
, м3, (7)
где γ – средний угол откоса бортов карьера, град.; L, B, P, H – длина, ширина, периметр дна и средняя глубина разреза, м.
м3. (8)
Время накопления пыли t1 рассчитывается по формуле:
ч. (9)
Время накопления двуокиси азота t2 рассчитывается по формуле:
ч. (10)
Так как время накопления какой-либо вредной примеси (пыли или двуокиси азота) до опасной концентрации больше средней продолжительности штиля, то искусственное проветривание разреза не потребуется.
Выводы
1. На основе построения и анализа характерного профиля разреза, а также соответствующих ему сечений, согласно преобладающим направлениям ветра, принята рециркуляционная схема проветривания участка «Брянский».
2. Определено, что основным источником токсичных выбросов в атмосферу разреза является работающая в нём горная техника, поскольку внутреннее отвалообразование на участке отсутствует.
3. По результатам проведённых расчётов выяснено, что необходимость в искусственном проветривании участка отсутствует.