автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Разработка комплекса методов прогноза и контроля качества атмосферы с целью управления пылегазовыми режимами карьеров

ПБ О*

Государстпенный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Московский государственный горный университет

На правах рукописи

УДК 222.41:622.271

ЛЕПЕШКИН Сергей Михайлович

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА МЕТОДОВ ПРОГНОЗА И КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА Ат''.0СФЕРЫ С ЦЕЛЬЮ УПРАВЛЕНИЯ ПЫ.. ГАЗОВЫМИ РЕЖИМАМИ КАРЬЕРОВ

Специальность 05.26.01 —«Охрана труда и пожарная безопасность»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Московском государственном горном университете и в Навоийском горно-металлургическом комбинате.

Научный руководитель

доктор технических наук, академик Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности СИЛАЕВ В. В.

проф., докт. техн. наук БИТК.ОЛОВ Н. 3. ст. научн. сотр., канд. техн. наук ДРАГУНСКИЙ О. Н.

Ведущее предприятие — ВНИИпромтехнологии.

в . . . ..... ^лециализированного совета

К-053.12.02 в Московском государственном горном университете по адресу: 117935, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «...;•>......1994 г.

Официальные оппоненты:

Ученый секретарь специализированного совета

канд. техн. паук КОРОЛЕВА В. II.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Обеспечение нормативного воздействия горного производства на окружающую среду и санитарных норм воздуха рабочей зоны при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом является одной из важнейших проблем горной науки и производства. Увеличение интенсивности и объемов горных работ, рост глубины карьеров в сочетании с такими метеоусловиями как штили и температурные инверсии, при которых затрудняется турбулентный воздухообмен, приводят к сверхнормативному загрязнению атмосферы горных предприятий. Участились случаи, когда санитарные условия воздуха рабочей зоны ограничивают возможность ведения технологических процессов в карьерах.

Остро стоит вопрос загрязнения окружающего воздушного бассейна пылегазовыми выбросами горных предприятий, наносящими значительный ущерб природе региона и влияющими на общую экологическую ситуацию.

Для эффективного решения обозначенных проблем и своевременного принятия мер, обеспечивающих безопасность горнорабочих и регулирование поступлений пыли и газов в окружающую среду, необходимо использование комплекса простых и надежных методов прогноза и контроля пылегазовых режимов карьеров. Достоверность и полнота информации о процессах образования, переноса и накопления примесей в конкретных горно-геологических и климатических условиях должна бить обеспечена на всех стадиях отработки месторождения. Известные методы прогноза сложны в оперативном использовании на производстве, требуют значительного времени для предварительных наблюдений за климатом и недостаточно универсальны для применения в разных климатических и горно-геологических условиях.

Методы контроля содержания вредных примесей представлены довольно широким спектром. Однако, все они требуют значительных материальных и трудовых затрат, а рассредоточенпостъ отбора проб во времени делает невозможным проследить процессы формирования и зоны распространения загрязнений достаточно объективно. Кроме того, измерения должны выполняться на разных уровнях системы "карьер-окружающая среда" (рабочее место, выработанное пространство карьера, окружающая среда), каждый из которых требует своего подхода.

Все вышеуказанное подтверждает острую актуальность исследуемой автором темы.

ЦЕЛЬ работы - установить взаимосвязь технологических и метеорологических параметров для разработки комплекса методов прогноза и оперативного контроля качества атмосферы горных предприятий, позволяющего принять своевременные меры по снижению негативной нагрузки на окружающую среду и обеспечить безопасность обслуживающего персонала карьеров.

ИДЕЯ работы заключается в том, что прогноз загрязненности атмосферы при открытых разработках осуществляется комплексно на иерархически организованных временных (долго-, средне- и краткосрочном) и пространственных (окружающая среда, выработанное пространство карьера) уровнях, с последующей корректировкой на основе непосредственных измерений дистанционными методами.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, РАЗРАБОТАННЫЕ ЛИЧНО СОИСКАТЕЛЕМ, И ИХ НОВИЗНА:

- усовершенствованы методические принципы организации комплексного прогноза и контроля пылегазовых режимов карьеров, отличающиеся систематизацией методов по иерархически взаимосвязанным временным и пространственным уровням, что позволит своевременно определить меры по снижению нагрузок на окружающую среду и обеспечению безопасности обслуживающего персонала на-различных этапах отработки месторождения;

- установлены зависимости продолжительности неблагоприятных периодов, уровня загазованности атмосферы карьеров и интенсивности выбросов примесей в окружающую среду от среднесуточных значений температур почвы и воздуха, и скорости ветра на поверхности;

- разработана статистическая модель среднесрочного прогноза качества атмосферы карьеров;

- разработаны рациональные п^ аметры станции дистанционного лазерного зондирования атмосферы и метод производства оперативного контроля загрязнения воздуха рабочей зоны карьера и окружающей среды.

ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ ПОДТВЕРЖДАЕТСЯ:

- репрезентативным объемом наблюдений метеоусловий и параметров пылегазового режима карьера "Мурунтау" Навоийского П.® (около 5000 комплексных измерений);

-2-

- теоретической и экспериментальной проверкой методов многоуровневого прогноза и оперативного контроля в реальных горногеологических и климатических условиях;

- удовлетворительной сходимостью результатов прогноза с фактическими данными (отклонение составило 20-25$).

НАУЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ заключается в развитии методических принципов комплексного подхода к прогнозу и контролю пылегазових режимов карьеров на иерархически взаимосвязанных временных и пространственных уровнях; установлении зависимости среднесуточной продолжительности неблагоприятных периодов возможных загрязнений воздуха в выработанном пространстве карьера от хода среднесуточных значений температур воздуха и обосновании оптимальных режимов производства оперативного контроля качества воздуха горного предприятия.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ состоит в разработке методик, рекомендаций и комплекса компьютерных программ по организации многоуровневого прогноза и оперативного контроля пылегазових режимов карьеров, позволяющих своевременно, на различных стадиях разработки месторождения определить меры по снижению негативной нагрузки на окружающую среду и обеспечению безопасности обслуживающего персонала, а также в разработке технических заданий на изготовление средств оперативного контроля качества воздуха.

РЕАЛИЗАЦИЯ ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ. Методы многоуровневого прогноза и оперативного контроля, а также разработанные по техническим заданиям приборы (лазерная станция, газовые дозиметры) внедрены на карьере "Мурунтау" Навоийского горно-металлургического комбината.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях Ташкентского государственного технического университета им. А.Р.Беруни и Республиканского дома экономической и научно-технической пропаганды (1991 - 1993 г.г.), Международном симпозиуме по проблемам прикладной геологии, горной науки и производства в Санкт-Петербургском горном институте (1993 г.); Мельниковских чтениях в Горном институте КНЦ РАН, г.Апатиты (1993 г.); технических советах Навоийского горно-металлургического комбината (1993 г.).

ПУБЛИВДЯ. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка использованной литературы из

-3-

наименований, & приложений. Работа содержит страниц

машинописного текста, ОО рисунков, О таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

С увеличением числа глубоких рудных карьеров на первый план выдвигается проблема нормализации условий труда и снижения негативных нагрузок на окружанцую воздушную среду.

В процессе отработки карьер проходит последовательно несколько стадий развития, характеризующихся различными горно-геологическими условиями, геометрическими параметрами, технологией производства горных работ и т.д. Анализ наблюдений за метеоусловиями глубоких карьеров показал жесткую взаимосвязь метеопараметров атмосферы карьера с технологическими параметрами на соответствующей стадии отработки. Например, геометрия выработанного пространства и техногенные изменения рельефа на поверхности оказывают существенное влияние на формирование воздушных потоков, а применяемая технология - на качественные и количественные характеристики источников выделения вредных примесей.

Кроме того, совокупность технологических и метеорологических факторов оказывает существенное влияние на процессы загрязнения окружающей среды. Исследования, проведенные па карьере "Ыурунтау", позволили выявить зависимости интенсивности выделения вредных примесей в окружающую среду и величины зоны их распространения от глубины карьера и применяемых технологий при его развитии по времени и пространстве. Следовательно, задачи прогноза и оперативного контроля состояния атмосферы карьера решаются только на основе комплексного и системного подхода к их организации.

Проблемам разработки методов прогноза, контроля и управления пылегазовыми режимами карьеров посвящены работы докторов наук II.3. Битколова, П.В.Бересневича, А.Д.Вассермана, Г.В.Калабина, В.А. Михайлова, В.С.Никитина, В.В.Силаева, В.Н.Сытенкова, К.З.Ушакова, С.С.Филатова, кандидатов наук А.А.Бакланова, Ю.В.Гуля, О.Н.Драгунского, И.И.Иванова, М.М.Конорева и других ученых. В них рассматриваются методики, принципы и пути решения указанных проблем с помощью методов математического и физического моделирования, статистического анализа и др., обосновывается актуальность •-"прокого внедрения в практику методов прогноза, контроля и управ-

-4-

ления пылегазовыми режимами карьеров для обеспечения норлативно-го воздействия на окружающую среду и безопасности обслуживающего персонала.

Системы прогноза и оперативного контроля, являясь неотъемлемой частью общей концепции управления пылегазовым, режимом горного предприятия, рассматриваются в двух взаимосвязанных иерархиях: временной и пространственной. При этом прогноз производится на трех временных (долго-,средне-и краткосрочный) и двух пространственных (окружающая среда, чаша карьера) уровнях, а оперативный контроль - на трех пространственных (окружающая среда, чаша карьера, рабочее место) уровнях.

Таким образом, для достижения поставленной в диссертации цели, решались следующие задачи:

- анализ и обоснование целесообразности построения комплексного прогноза и контроля качества атмосферы карьеров на основе систематизации методов по иерархически взаимосвязанным временным и пространственным уровням;

- разработка метота. долгосрочного прогноза на перспективу от года до всего срока существования горного предприятия, позволяющего уже на стадии проектирования определить необходимые технологические, технические или организационные методы управления пылегазовым режимом карьера для снижения негативных нагрузок на окружающую среду и обслуживающий персонал;

- разработка метода среднесрочного прогноза на перспективу от суток до месяца, позволяющего на стадии текущего планирования определить необходимые организационные дли технические мероприятия для снижения сверхнормативных нагрузок на окружающую среду и обслуживающий персонал;

- разработка метода краткосрочного прогноза на перспективу нескольких часов, поэволягщего при оперативном планировании и управлении горным комплексом принимать своевременные меры по обеспечению безопасности персонала и организации работ при загрязненной атмосфере;

- разработка метода и средств оперативного контроля пылегазо-вого режима карьера, позволяющего определить интенсивность и степень загрязнения воздуха в окружающей среде, чаше карьера и рабочем месте;

- исследование взаимосвязей и установление зависимостей продолжительности неблагоприятных периодов, уровня загрязненности

-5-

атмосферы карьеров и интенсивности выбросов примесей в окружающую среду от-среднесуточных значений температуры почвы и воздуха, и скорости ветра на поверхности;

- построение статистической модели среднесрочного прогноза на основе вышеуказанных зависимостей.

В настоящее время для прогноза загрязнения атмосферы и распространения примесей в окружающей среде предлагается два основных вида моделей - статистический и численный математический, - каждый из которых обладает своими преимуществами и недостатками.

Сравнительный анализ этих двух видов моделей показал, что методы математического моделирования целесообразно использовать для построения долгосрочного, а статистические методы - для средне - и краткосрочного прогноз.ов.

Управление пылегазовыми режимами карьеров и определение этапов перехода на экологически менее вредные технологии возможно при своевременном прогнозе поступления пыли и газов в окружающую среду и воздух рабочих зон. С этой целью разработан комплекс методов прогноза (табл.1) и контроля (табл.2) санитарно-гигиенических параметров атмосферы карьера и поступления пыли и газов за его пределы.

Таблица I.

Структура прогноза пылегазового режима карьера

Иерархический уровень Решаемые прогнозом Методы управления

пп----задачи пылегазовым

временной простран- режимом ственный

I. Долгосроч- I. Окружа- I. Определение кон- I. Технологиче-

ный ющая центраций и зон ские

(на весь среда распространения

срок служ- примесей в окру-

бы карье- жащей среде

ра)

Вырабо- I. Прогноз загряз- 2. Технические танное ненности атмосферы прост- карьера при его раз-ранство витии во времени и карьера пространстве с уче-у у том использования 3. Организаци-различных техноло- онные шй и средств пыле-газоподавления -6-

2

I 2 3 4 5

2. Средне- I. Окружа- I. Определение периодов I. Техничес-

срочный ющая возможных сверхнор- кие

(от суток среда мативных выбросов в

до окружающую среду

месяца)

2. Вырабо- ■ I. Определение продол- 2. Организа-

танное жительности периодов ционные

прост- сверхнормативного за-

ранст- грязнения атмосферы

во ка-

рьера

3. Краткосрочный (несколько часов)

I.

Выработанное пространство карьера

Определение времени накопления примесей в атмосфере карьера до предельно-допустимых концентраций

I.

Применение средств защиты органов дыхания.

Таблица 2.

Структура оперативного контроля пылегазового режима

карьера

й!Б Пространственный пп уровень

Средства измерения

Решаемые задачи

I. Окружающая среда

2. Выработанное пространство карьера

3. Рабочее место

Станция I.

лазерного

зондирования

Станция I.

лазерного

зондирования

2.

1.Измерители запыленности

2.Индивидуальные газовые дозиметры

Контроль интенсивности и объема пылегазовых выбросов в окружающую среду.

Определение уровней загрязненности атмосферы карьера.

Выделение зон рециркуляции и инверсионных слоев. Изучение процессов образования, переноса и накопления вредных веществ в их динамике.

Определение уровня загрязненности воздуха рабочего места.

Оценка эффективности работа средств коллективной и индивидуальной защиты органов дыхания.

Метод долгосрочного прогноза разработан автором на основе использования трех взаимосвязанных трехмерных среднеклиматических гидродинамических численных моделей Кудрявцева А.П. и Базло-вой Т.А. (ГГО им.Войкова).

1. Модель микроклимата промышленной зоны горного предприятия, входной информацией которой служат среднеклиматические данные близлежащей метеостанции и орография района.

2. Модель микроклимата и переноса примесей в атмосфере карьера. Входная информация: геометрические параметры карьера, характеристика источников загрязнений и метеоданные, рассчитанные по первой модели. На выходе выдается следующая информация: скорость и направление ветра, температура и влажность воздуха и концентрация примесей в любой заданной точке; поле ветра внутри карьера в целом (для любого заданного разреза).

3. Модель переноса примесей за пределами карьера. Входная информация: орография района, метеоданные, рассчитанные по первой модели, и характеристика пылегазовых выбросов карьера, полученная на выходе второй модели. Информация на выходе: поля концентраций аэрозольных и газовых примесей; поля потоков пыли к подстила-щей поверхности.

Моделирование микроклимата и переноса примесей в атмосфере базируется на решении полной системы уравнений гидродинамики (уравнение движения, неразрывности, состояния, притока тепла и влажности) , уравнений теплового и радиационного баланса на границе "атмосфера - почва", уравнения теплопередачи через поверхность почвы и системы уравнений переноса и баланса примесей на уровне подстилающей поверхности.

Метод долгосрочного прогноза был апробирован на карьере "Му-рунтау" в 1992-93 г.г. для оценки эффективности смены технологий транспортирования горной массы в карьере, с точки зрения снижения негативной нагрузки на окружающую среду и находящийся в 8 км от предприятия населенный пункт. Расхождение прогноза по распространению и концентрации вредных примесей в приземном слое с фактическими данными составили 22-25?.

Метод среднесрочного прогноза базируется на использовании:

- модели среднесуточных метеопараметров атмосферы промышленной зоны, отличающейся от подобной модели долгосрочного прогноза тем, что на входе подается информация о среднесуточном прогнозе метеоусловий с бллжа^лшй метеостанции, а на выходе получают ин-

-8-

формацию о среднесуточном прогнозе погоды в промышленной зоне;

- статистической модели загрязнения атмосферы карьера. Входная информация: среднесуточные метеопараметры на интересующий период, характеристика источников выбросов, данные наблюдений метеоэлементов и времени сверхнормативного загрязнения атмосферы карьера. Информация на выходе: прогноз продолжительности неблагоприятных метеоусловий, концентрации примесей и интенсивности выноса пылегазового облака за пределы карьера;

- модели переноса примеси за пределами карьера, Отличается от подобной модели долгосрочного прогноза временным режимом. На входе: данные о метеопараметрах из модели среднесуточных метеопараметров атмосферы промышленной зоны; характеристика источника выделения примесей, полученная из статистической модели, и оро-. графия поверхности.

Статистическая модель загрязнения атмосферы карьера построена на основе анализа наблюдений за состоянием воздушной среды карьера "Мурунтау" за период: январь 1991 года - декабрь 1993 года. В результате ус^:ловлено, что:

1. Основными факторами, влияющими на продолжительность периодов сверхнормативного загрязнения атмосферы карьера, являются среднесуточные значения скорости и направления ветра, определяющие интенсивность проветривания чаши карьера, изменения среднесуточных температур воздуха, обусловливающие образование или разрушение температурных инверсий, а также экологическая вредность применяемой технологии.

2. Показателем экологической вредности технологического процесса может служить удельная интенсивность выделения примесей, отнесенное к единице загрязняемого объема. В рассматриваемом случае показатель экологической вредности (V/ ) транспортной схемы карьера может быть определен как отношение удельного расхода дизельного топлива ( ) к объему карьера (V* ).

тн/млн.м3-см (I)

3. Зависимость продолжительности неблагоприятных периодов С»

от среднесуточных метеоусловий определяется:

б*8,ЙМ,48Ы^«дТсв-0,2*лТив/ нас (2)

при V/ - 0,083 тну'млн.м3 - см--9-

о = 6- -1,3611+ 0,62лТС6- р23лти6 , ЧАС (3)

при XV■= ти/мли. м3. см ,

и-Г^.и/с (4)

где: Ц - среднесуточная эффективная составляющая ветра, м/с Ч - измеренная скорость ветра, м/с Ке1 - коэффициент эффективности, учитывающий направление ветра при I -м измерении, определяется геометрией карьера, С - количество измерений в сутки. Коэффициент Кэ был определен экспериментально по каждому из восьми румбов для карьера "Мурунтау".

Направление с СБ В ЮВ Ю ЮВ 3 СЗ

ветра

Кэ 1,0 0,83 0,90 0,80 0,91 0,91 0,96 0,87

Тс - среднесуточная абсолютная температура воздуха, град. Ть- температура воздуха, обусловленная годовым ходом, град. Тп - температура почвы, обусловленная годовым ходом, град. Коэффициенты корреляции между продолжительностью неблагоприятных периодов 0 и метеопараметрами составил: - 0,86 для и*.'; -0,81 для ТпЬ ; 0,78 для ТсЬ • .

Квадрат коэффициента множественной корреляции для уравнения (2) составил 0,88, для уравнения (3) 0,72.

4. Зависимость усредненной концентрации С от продолжительности неблагоприятных метеоусловий , описывается выражениями:

: С - 134(5,5/ + , пг/м3 (5)

при V/= 0,0*5 тн/мли.и5-си ; С =1,18 (5,2Л + в)0'4* , (6)

при \л/=О(046 тн/млн.'м3- си .

-Ю-

Коэффициент корреляции между С и & составил 0,821. 5. Интенсивность пылегазовых выбросов карьера в атмосферу ^ ), как единым источником, определяется из выражения:

3 -СЛ/к-А'е0'2^ ф6 мг/с <7)

где:

С- усредненная концентрация, рассчитываемая по формуле (5) и (6), иг/и3,

\/к- объем выработанного пространства карьера, млн.м3, Ц - аффективная составлявшая скорости ветра, определяемая из

прогноза на следующие сутки и формулы (2), м/с, А - коэффициент, определяемый влиянием солнечной инсоляции поверхностей карьера.

Теплый период Холодный период

ясно облачно ясно облачно

А 0,461 0,251 0,166 0,128

Метод среднесрочного прогноза был апробирован на карьере "Муру нтау" в 1993 году и показал относительную погрешность прогноза на уровне 22$. С его помощью была определена цикличность возможных неблагоприятных метеоусловий, влекущих за собой продолжительные периоды сверхнормативных загрязнений атмосферы карьера, а следовательно, и выбросы в окружающую среду. Полученная информация использовалась для принятия организационных мер по перераспределению объемов горных работ в карьере во времени и пространстве, а именно, снижению интенсивности горных работ внутри карьера и перераспределению части их на верхние горизонты во время ожидаемых неблагоприятных периодов, и наоборот, увеличению выемки с нижних горизонтов в периоды с наименьшей вероятностью накопления вредных веществ в воздухе рабочей зоны. При этом било достигнуто выравнивание времени сверхнормативного загрязнения воздуха карьера на значительно низшем уровне, а следовательно,и снижение разовых нагрузок на окружающую среду (рисЛ).

Краткосрочный прогноз осуществляется косвенны?.) методом, л основу которого положены выявленные зависимости между интенсивностью загрязнения атмосферы карьера пылегазовыми примесями и

' - М-

у»

пыле s&£¿>//y? ре^Ьс/лю/И ¿o/рьере/ , /Муру// ¿„у '' „рС/ tict?o*£> à&scut С.р eff ме сро'/M¿> го *-ip ос *¿c>s ¿y .

Hl

S i

u

гГ

о со о

/4 Í2 Í0 ъ

ÜO 90 60 30

g

z

-- -Г

ГО

2

40

72

90

i 2. 5 V 5" û" ' 5 9 íO И 42 [i ^ /S

с y rp f\ и

Pua, ¿

- iz-

изменениями величины скрытой энергии (ВСЭ) продуктов распада радона, выделяющегосяюгорных пород карьера.

Метод разработан автором совместно с коллективом сотрудшжов НИИ ПММ (г. СгПетербург) и базируется на следующих предположениях и закономерностях:

1. Динамика процесса накопления не зависит от вида примеси, а ведущую роль в нем играют метеорологические процессы и геометрические параметры карьера.

2. Радон и его продукты полураспада являются естественным, постоянным и не зависящим от технологии источником.

3. Современные приборы контроля (радиометры типа РГА-01Т) позволяют определить концентрацию радона и его продуктов распада в единицах "скрытой энергии" (МЭВ/П) на уровнях 0,005 ЦПК.

4. Зависимость между концентрацией оксидов азота, как основного вредного компонента выхлопных газов, и величиной скрытой энергии в выработанном пространстве карьера.имеет линейный вид и обобщается единым выражением:

Б = а - ЬСцо, (8)

где: Е - измеренные значения ВСЭ, Ю3.МэВ/л;

G - концентрация оксидов азота, мг/м3; а,Ь - экспериментальные коэффициенты, зависящие от геометрических параметров карьера, свойств горных пород и степени экологической вредности применяемой технологии (W ).

Для карьера -"Мурунтау": а = 0,19, Ю3.МэВ/л; Ь = 0,432 и 0,456, Ю.МэВ • м3/мг.л, npnW= 0,046 и 0,083 тн/млн.м3 см., соответственно.

Коэффициент корреляции между величинами С^о* расчетной и измеренной составил 0,75.

5. Зависимость между величиной скрытой энергии, измеренной в выработанном пространстве карьера (Е), и продолжительностью времени, необходимого для достижения ПДК по вредным примесям на нижних горизонтах , характеризуется коэффициентом корреляции равным 0,711 и выражается уравнениями (рис. 2):

Ц «3^1-2,96(E-0,tf)i9ir, час (9)

при W-Q,083 тн/млн-м'-см, -в-

хо ¿¡'s"* Pec^ceMt/Ç)

* '''0 ¿>e/><svLSM*' слрбгтаЛ

¿fes С Е)

•Q

О §

<ь

о «"о

о £

к

ь

—

j,ог -.0,0 3 46

w=

\

\ \

0,19

О, S

i.O /.¿5

В е/н/</£■'"cfipó/roi' энергии,

/Ч Э&//1

Рис.2

tfo/rto (ра/м/^а о r>p ec?c/ie#t"*

SO

Ъ 6

2 о

Q

w i

Ö XI

<5. S ^

* s

qj

У >

о

12 2 4 К С ни о ///'? р of, с « /Yôg

11 Г/Л 1 5

Рс/с . 3 - ik'

Т = 5,61 - ^65(Е-0,19)2'28 Л час при V/« о, 046 тн/млн.м3' см .

(Ю)

Практическое применение метода краткосрочного прогноза происходит следующим образом:

1. По установленным в карьере радиометрам типа РГА-01Т определяется величина скрытой энергии (Е).

2. По диспетчерским данным уточняется количество автосамосвалов и другой дизельной техники, работающей в карьере и по известному удельному расходу определяется количество сжигаемого дизельного топлива в смену ( с^ ) и степень экологической вредности технологии транспортирования горной массы (V/ ).

3. Используя измеренную величину скрытой энергии (Е), рассчи-I танкую степень экологической вредности (\л/ ) и уравнения (9) и

| (10) или номограмму (рис.2) находят время вероятного достижения ПДК загрязняющих веществ в воздухе рабочей зоны карьера.

С помощью данного метода на карьере "Мурунтау" в 1993 году были получены сведения о времени возможного превышения ПДК по окислам азота с- заблаговременностью до 3-4 часов (при относительной погрешности не более 20$), что позволило принимать своевременные меры по обеспечению безопасности обслуживающего персонала.

Оперативный контроль пылегазового режима карьера и прилегающего района, решая обозначенные выше задачи (табл.2), должен соответствовать следующим основным требованиям: | - проведению замеров в любой последовательности и с любой периодичностью, в том числе в недоступных для человека местах карьера и его ближайших окрестностей;

- получению результатов на месте непосредственно в процессе или сразу после выполнения измерений;

- возможности автоматизации процесса обследования карьерного пространства и его ближайших окрестностей;

- малой трудоемкости проведения замеров и обслуживания изме- . рительных средств;

- проведению замеров без захода человека в загрязненные зоны.

Это достигается с помощью комплекса измерительных средств,

разработанных по техническим заданиям автора, основу которого составляет станция лазерного зондирования, приборы измерения

-15-

запыленности и индивидуальные газовые дозиметры.

Лазерная станция,изготовленная в ШЮ (г.Казань), представляет собой стационарный автоматизированный лазерно-локационный комплекс, работающий по методу дифференциального поглощения,что позволяет дистанционно, в течение нескольких минут обследовать атмосферу не только внутри карьера, но и в его ближайших окрестностях. Натурные испытания выполнены в 1990-93 г.г. дали положительные результаты.

Основные технические параметры станции:

- дальность действия локатора, км - 3

- нижний предел измеряемых концентраций, мг/м3

а) двуокиси азота - 1,0 (0,5 ЦДК)

Управление локатором - автоматическое, от персонального компьютера, с выводом информации на его экран и печатающее устройство.

Лазерная станция размещается на борту карьера в серийном домике-вагончике типа Х-КВС-1.

Для обеспечения оперативности контроля из всего спектора газов, загрязняющих атмосферу карьера,в качестве газа-индикатора (реперного газа) выбрана двуокись азота. Обоснованность выбора подтверждается результатами проведенных автором исследований.

1. Окислы азота занимают первое место в приорететном ряде вредных веществ, содержащихся в выхлопных газах дизелей, внося относительный вклад в загрязнение атмосферы (40-60$).

2. Между концентрациями окислов азота, оксида углерода и формальдегида, являющихся вредными веществами однонаправленного действия, установлены зависимости, позволяющие косвенным методом оценивать содержание каждого по одному измеренному:

б) пыли

- погрешность измерений, %

- пространственное разрешение локатора

- 0,01 (0,005 ЦДК) - 25-30

вдоль трассы зондирования, м - время одного измерения, с

- 30-350

- 0,1

токсична двуокись азота содержание которой равно:

относительное

Я иОг = (ПДК и0г /т №*)■ 100$ - МЪ , 46-

что подтверждается экспериментально.

На основании выводов была построена номограша для карьера Мурунтау (рис.3) для определения концентраций оксида углерода и формальдегида косвенным методом по измеренной концентрации двуокиси азота.

Разработанная автором методика'производства оперативного контроля способом дистанционного лазерного зондирования базируется на результатах математического анализа представительной базы данных по метеопараметрам, загазованности и технологическим процессам карьера Мурунтау за 1991-1993 годы.

I. Все контролируемое пространство делится на три характерные зоны по условиям формирования пылегазового режима.

1.1. Первая зона является зоной рециркуляции, ограничивается дном карьера (гор.+285 м) и горизонтом +450 м и имеет следующие особенности:

а) при скорости ветра на поверхности менее 5 м/с в зоне наблюдается относительный штиль (0,5-1,5 м/с);

б) при скорости ветра на поверхности более 5 м/с в зоне происходит частичная рециркуляция воздуха, что затрудяет ее проветривание ;

в) высокая интенсивность ведения горных работ и, как следствие, высокая интенсивность пылегазовых выбросов;

г) накопление газа и пыли происходит за счет:

- внутренних источников;

- переноса примесей из вышележащих зон при инверсиях;

д) проветривание происходит только за счет формирования восходящих потоков воздуха при дневном прогреве поверхностей карьера или за счет ветра вдоль длинной ос,, карьера при скорости более 6 м/с;

е) максимальная разовая измеренная концентрация С =12 иг/м3.

1.2. Вторая зона является зоной прямоточного проветривания, ограничивается горизонтом +450 м и контуром карьера (гор.+550м), и имеет следующие особенности:

а) ухудшение воздухообмена при скорости ветра на поверхности ниже 3 м/сек;

б) повышенная интенсивность выделешт примесей в атмосферу;

в) накопление примесей происходит за счет:

- внутренних источников;

- источшгков находящихся вне контура карьера, при инверсиях или ветровых переносах;

г) максимальная разовая измеренная концентрация С = 6 мг/м3.

1.3. Третья зона включает в себя прикарьерную поверхность и ограничивается размерами зоны наблюдений, устанавливаемой для каждого предприятия индивидуально (для карьера Мурунтау - 2 км от границы санитарно-защитной зоны) и имеет следующие особенности:

а) низкая интенсивность выделения газовых примесей в атмосферу;

б) хорошая проветриваемость при скорости ветра более I м/сек;

в) основной объем газа приходится на утренние часы при выходе пылегазового облака из карьера или при переполнении его в следствие сильной инверсии;

г) максимальные разовые измеренные концентрации С = 4 мг/м3.

2. В силу неравномерности распределения в пространстве интенсивности ведения горных работ и относительной неравномерности метеоусловий при различном направлении ветра и распределении солнечно;'! радиации по бортам карьера, вторая и третья зоны делятся на "Северо-Западный" и "Юго-Восточный" секторы.

3. Распределение концентраций окислов азота в первой зоне и

в каждом из секторов второй и третьей зон соответствует логарифмически нормальному закону, что подтверждает целесообразность их разгра!шчения и дает возможность оперативно оценивать концентрации в них вредных газов по средним измеренным величинам.

Методика оперативного контроля атмосферы карьера включает в себя следующие положения:

I) Обследования проводятся круглосуточно, с периодичностью не более I часа.

21 Одно обследование последовательно включает в себя:

- не менее трех замеров в первой зоне;

- не менее шести замеров во второй зоне, по три в каждом из двух секторов;

- не менее шести замеров в третьей зоне, по три в каждом из двух секторов.

3) Замеры производятся в точках, наиболее сответствугадих усредненной пылегазовой ситуации в зоне пли секторе.

4) При обнаружении превышения ЦЦК по пыли или газу организовывается контроль качества воздуха непосредственно на рабочих местах с помощью индивидуальных газовых дозиметров производства НПО "1имавтоматика" (г.Чирчик) и пылемеров типа "КВАНТ" производства ГИПО (г.Казань).

5) Определение концентрации окиси углерода и формальдегида производится косвенным методом с помощью номограммы (рис. 3) или непосредственными замерами известными способами.

Таким образом, разработанный автором комплекс методов прогноза и контроля пылегазового режима карьера имеет следующий вид:

I. Долгосрочный прогноз:

1.1. Решает задачи определения среднегодовых и среднемесячных концентраций и зон распространения примесей в окружающей среде и выработанном пространстве, на весь срок существования.

1.2. Производится на стадиях проектирования и реконструкции горного предприятия, перспективного планирования горних работ для определения границ смены технологий по критерию экологической безопасности и других методов управления пылегазовым режимом, требующих длительного времени внедрения.

■ 2. Среднесрочный прогноз:

2.1. Решает задачи определения среднесуточной продолжительности неблагоприятных метеоусловий, при которых возможно сверхнормативное загрязнение атмосферы карьера и окружающей среды, на перспективу от суток до месяца;

2.2. Производится на стадиях текущего (месячного) и оперативного (суточного) планирования горных работ и служит основой для своевременного принятия технических или организационных мер по снижению нагрузки на окружающую среду' и обеспечению безопасности обслуживающего персонала.

3. Краткосрочный прогноз:

3.1. Решает задачи определения времени наполнения примесей в атмосфере карьера до предельно-допустимых концентраций, на перспективу до нескольких часов;

3.2. Производится в процессе текущей эксплуатации с целью своевременного обеспечения безопасности обслуживающего персонала путем применения средств коллективной и индивидуальной защиты органов дыхания.

4. Оперативный контроль:

4.1. Решает задачи определения концентраций и интенсивностей поступления пилегазовых выбросов в окружающую среду и рабочую зону карьера, выделении зон рециркуляции и инверсионных слоев.

4.2. Производится в процессе текущей эксплуатации для обеспечения фактической информации о концентрациях и процесса накопления и переноса вредных веществ, с целью обеспечения безопасности обслуживамцего персонала и формирования базы данных для всех видов прогноза.

Технико-экономическим анализом предлагаемого комплексного решения задач многоуровневого прогноза и оперативного контроля определена его экономическая эффективность, обусловленная:

- снижением ущерба окружающей среде и, как следствие, затрат на природоохранные мероприятия;

- снижением количества профзаболеваний горнорабочих, вследствие своевременности принятия мер по обеспечению нормальных условий труда;

- увеличением эффективности решений при проектировании, и перспективном и текущем планировании горных работ и, как следствие, снижение простоев оборудования по причине загазованности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано новое решение актуальной для горнорудной промышленности научной задачи обоснования и разработки комплекса методов прогноза и контроля пылегазовых режимов карьеров, позволяющего на стадии проектирования и в процессе эксплуатации месторождений своевременно определить методы и средства регулирования пылегазовой нагрузки на окружающую среду и обеспечения безопасности обслуживающего персонала.

Основные научные выводы и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

I. Разработаны методические принципы комплексной, организованной на иерархически взаимосвязанных временных и пространственных уровнях системы многоуровневого прогноза и оперативного контроля пылегазового режима горного предприятия, позволшлей определить санитарно-гигне1Шческие параметры атмосферы карьера и прилегающего воздушного бассейна на перспективу от нескольких часов до

всего срока службы предприятия и принять своевременно меры по обеспечению экологической безопасности и нормализации условий труда обслуживающего персонала.

2. На основе численных трехмерных нестационарных гидродинамических моделей создан метод долгосрочного прогноза, позволяющий ухе на стадии проектирования оценить санитарно-гигиеническую обстановку в атмосфере карьера и прилегающего района на весь срок отработки месторождения и определить границы этапов смены технологий по критерию экологической безопасности.

3. Установлены зависимости продолжительности неблагоприятных периодов, уровня загрязнения воздуха рабочих зон и интенсивности выделения примесей в окружающую среду от среднесуточных значеш!Й температур почвы и воздуха и скорости ветра на поверхности, положенные в основу разработанной статистической модели среднесрочного прогноза, позволяющего определить неблагоприятные периоды на перспективу от суток до месяца и принять своевременные меры по снижению нагрузок на окружающую среду и обеспечению производства 'работ при загрязненной атмосфере.

4. На основе взаимосвязи между величиной скрытой энергии и концентрацией вредных примесей в атмосфере карьера разработан метод краткосрочного прогноза, позволяющий определить продолжительность накопления вредных веществ в воздухе рабочей зоны до предельно допустимых концентраций( для карьера "Мурунтау" составила 3-5 часов, что позволило оперативно принять меры по обеспечению безопасности обслуживающего персонала при работе в условиях загазованности). .

5. Определены рациональные технологические параметры, а именно: радиус действия, использование двуокиси азота в качестве ре-перного газа, пределы измерений пыли и газов, режим работы и требования к выходной информации лазерной станции дистанционного зондирования атмосферы.

6. Экономический эффект в результате внедрения разработанной комплексной системы прогноза :: контроля на карьере "Мурунтау" На-воийского ШК за 1993 год составил 478,1 млн.рублей.

7. На основе разделения всего контролируемого пространства горного предприятия на характерные зоны и сектора,- и использования технических возможностей лазерной станции, разработан метод производства оперативного контроля пылегазовых режимов карьеров, позволяющий дистанционно в автоматическом режиме фиксировать уро-

-21-

шш загрязненности воздуха и возникновение инверсионных слоев, исследовать процессы образования, переноса и накопления вредных примесей.

8. В результате использования разработанного комплекса методов прогноза и контроля качества атмосферы, как составной части мероприятия по нормализации условий труда, на карьере "Мурунтау" в 1993 году было достигнуто снижение простоев горного оборудования на 812 маш.часов. • . •

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах автора:

■ I. Лепешкин С.М., Аверочкин Е.А., Шорохов В.В.

Применение технических средств уменьшения загрязненности атмосферы карьера выхлопными газами. - Тезисы докладов межреспубликанской научно-практической конференции "Пути решения эколого-технологических задач на горных предприятиях", часть I, - Ташкент, 1991 г., с. 91-92.

2. Лепешкин С.М., Балакирев В.В.

Исследование новых средств контроля за состоянием атмосферы карьера. - Тезисы докладов научно-практической конференции "Эко-лого-технологические аспекты эффективности работы горных предприятий". - Ташкент, 1991 г., с. 36-37.

3. Лепешкин С.М.

Исследование динамики окисления нитрозного газа, как компонента дизельного выхлопа, в карьере. - Тезисы докладов научно-практической конференции "Эколого-технологические аспекты эффективности работы горных предприятий". - Ташкент, 1991-г., с. 42-43.

4. Лепешкин С.М.

К разработке метода прогноза загазованности атмосферы карьера 'Мурунтау". - Тезисы докладов межреспубликанской научно-практической конференции "Пути повышения надежности технических схем до-бычшк и подготовительных горных работ". - Ташкент, 1992 г., с.3(3-38.

5. Бойко А.Н., Иванов В.П., Лепешкин С.М. .

Оперативный контроль пылегазового реглка карьеров..- Тезисы

тогладов международного симпозиума по проблемам прикладной геолога". ггрно": науки и производства. - С-Л., 1993 г., с. 75-76.

- 22-

6. Лепешкин С.М.

Прогноа н оперативный контроль пылегазового режима карьеров.-

- Тезисы докладов межреспубликанской научно-практической конференции "Экология, технология и экономика в разведке и разработке месторождений твердых полезных ископаемых". - Ташкент, 1993 г., с. 57-58.

7. Иванов И.И., Лепешкин С.М.

Многоуровневый прогноз пылегазового режима карьеров. - Тезисы докладов международного совещания "Комплексная разработка рудных месторождений мощными глубокими карьерами" (Мелышковские чтения).

- Апатиты, 1993 г., с. 21-22.