автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.05, диссертация на тему:Разработка системы активного пылегазоподавления при массовых взрывах в карьерах

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГОРНАЯ АКАДЕМИЯ УКРАИНЫ

"'■ ' ' На правах рукописи

ДУБЕИ Владимир Владими(х)1зич

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АКТИВНОГО ПЫЛЕГАЗОПОДАВЛЕНИЯ ПРИ МАССОВЫХ ВЗРЫВАХ В КАРЬЕРАХ

Специальность : 05.26.05 - "Инженерная экология" 05.26.01 - "Охрана труда"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Днепропетровск 1996

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Государственной горной академии Украины.

Научный руководитель : кандидат технических наук,

ведущий научный сотрудник Зберовский Александр Владиславови

Официальные оппоненты : доктор технических наук,профессс

Шапарь Аркадий Григорьевич кандидат технических наук, доцен Шишацкий Алим Гаврилович

Ведущее предприятие : Научно-исследовательский институт

безопасности труда в горнорудной промышленности ( НИИБТГ ) г. Кривой Рог

Защита состоится года в час.

на заседании специализированного совета Д03.06.01 при Государственной горной академии Украины по адресу : 320027, г.Днепропетровск, пр.К.Маркса, 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственной горной академии Украины

Автореферат разослан

1996 года.

Ученый секретарь специализированного совета, докт. техн. наук, проф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Буровзрывные работы, как основной способ добычи полезных ископаемых остается пока единственным эффективным средством разрушения скальных горных пород на карьерах. Крупномасштабные массовые взрывы сопровождаются выбросом в атмосферу больших объемов пыли и ядовитых газов, что влияет на здоровье людей и сказывается на состоянии окружающей природной среды.

Распространение и осаждение пылегазового облака (ПГО) в жилых районах и на сельскохозяйственных угодиях оказывают пагубное воздействие в радиусе 15-20 км от карьера. Концентрация пыли в воздушной среде при массовом взрыве 500 т ВВ на карьерах Кривбассса достигает 1200-2800 ПДК на расстоянии 1 км и 70-90 ПДК на удалении 10 км от карьера, ПГО выбрасывается на высоту до 450 м, его объем превышает 36 млн куб.м, количество пыли составляет 50,3 т, оксида углерода - 5,5 млн.л, двуокиси азота -0,9 млн.л. Учитывая, что состояние окружающей среды в горнодобывающих регионах Украины характеризуется как кризисное, проблема защиты атмосферы от ПГО при взрывных работах на карьерах выдвинута Правительством страны в число приоритетных научных направлений в рамках Государственной научно-технической программы ГКНТ 2.3.7 "Технология пылегазоподавления при взрывах в карьерах". Указанные выше положения обусловили актуальность научной задачи, заключающейся в установлении закономерностей зарождения, формирования и распространения в окружающей среде пылегазового облака при массовом взрыве в карьере, создании математической модели формирования и развития водо-воздушных струй при пневмогидровы-бросе, разработки на их основе технической системы активного подавления пылегазового облака и методики биоэкологической оценки загрязнения почв и растений в зоне открытых горных работ.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом важнейших НИР ГГАУ по теме ГП-148 № г.р. 0194И002934 ( Приказ ГГАУ №12а от 21.01.94г.) и является составной частью работ Государственной научно-технической программы 02.03 "Состояние и пути улучшения качества атмосферного воздуха", проект № 02.03.08/097-92, № г.р.0193И030792 (приказ ГКНТ Украины №12 от 04.05.92 г.).

Целью работы является разработка способа и технических средств активного пылегазоподавления для защиты окружающей среды при массовых взрывах на карьерах.

Идея работы заключается в использовании энергии пневмогидровыбро-са, гидровыстрела и гидровзрыва для метания жидких струй теплопылеподав-

ляющего агента в эпицентр ПГО на стадии его зарождения и формирования атмосфере карьера; в использовании теории свободных струй и теории филь трации для разработки инженерных методов расчета процессов развития подавления ПГО; в применении биоэкологической оценки загрязнения окр) жающей среды на карьере, позволяющей выявить уровень загрязнени растений и почв, оценить токсичность пыли ПГО.

Методы исследований. В работе использованы теоретический и экспе риментальный методы исследований, анализ и обобщение передовых достк жений науки и техники по рассматриваемой проблеме. Для разработки физк ческой модели формирования ПГО и струи гидровыброса использовались ме тоды скоростной технической киносъемки, методы экспериментальной метес рологии и пылегазовые съемки на натурных объектах. Для разработки теор« тической модели ПГО применялись методы математического моделировани* теория свободных струй и фильтрации, интегральные методы решения ураЕ нений газовой динамики я термодинамики. Обработка экспериментальны данных на ПЭВМ проводилась с применением методов математической сте тистики, корреляционного и регрессионного анализа.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Скорость движения ПГО определяется массой взрываемого заряд ВВ и в период до 200 мс изменяется по линейному закону, в последующи период - по квадратичной зависимости. Догорание остатков ВВ в атмосфер сопровождается "тепловым скачком" скорости ПГО в интервале 300-й милл>-секунды процесса, что позволяет определить эффективный интервал времен подавления ПГО.

2. Активное пылегазоподавление при массовых взрывах в карьера обеспечивается системой залпового гидроподавления путем выброса высокс напорных гидроструй теплопылегазоподавляющего агента по периметру взрь ваемого блока в эпицентр ПГО в период 250 - 300-й мс его зарождения с скоростью, превышающей скорость движения ПГО, что позволяет нейтралк зовать и исключить появление эффекта теплового скачка скорости в эпицеь тре ПГО, уменьшить в 1,8-2 раза его скорость и в 1,3 - 5 раз высоту подъема

3. Биоэкологическая опасность ПГО связана с его химическим и грану лометрическим составом, которая в условиях железорудных карьеро Кривбасса характеризуется 44,2% содержанием фракции пыли менее 10 мк»* наличием ядовитых элементов РЬ, Мп, Сг ..., и определяется интегральны! показателем экологической напряженности (ИПЭН), позволяющим дать об щую количественную оценку уровня загрязнения растений и почв с учето!

токсичности пыли ПГО, а также установить размеры сельскохозяйственных угодий с нарушенным почвенным балансом.

Научные результаты и их новизна.

1. На основе точных и реальных кинограмм массового взрыва установлены зависимости изменения высоты и скорости движения эпицентра ПГО от массы заряда ВВ в период первых 800 мс процесса его зарождения, впервые выявлен эффект "теплового скачка" скорости ПГО, что необходимо учитывать при проектировании параметров систем активного пылегазоподавления и определении времени выброса теплопылеподавляющих жидких агентов в эпицентр ПГО.

2. По результатам натурных исследований природной и искусственной трещиноватости взрываемого массива, определены причины возникновения и границы зон активного пылеобразования при массовом взрыве, с учетом которых разработана математическая модель формирования ПГО и получены уравнения для расчета его геометрических параметров в атмосфере, что существенно расширяет область знаний о физике процессов пылеобразования при взрывных работах на карьерах и позволяет прогнозировать газодинамические параметры ПГО.

3. На основе волновой теории, теории струй и законов горения ВВ разработана методика расчета параметров скорости, дальности и дисперсности жидких струй при метании энергией сжатого воздуха и порохового заряда, учитывающая особенности изменения давления при истечении жидкости из ствола и скорость бокового разлета частиц струи.

4. Разработан новый способ подавления ПГО в карьере с использованием высоконапорных гидроструй, обеспечивающий активную нейтрализацию теплового эпицентра ПГО на стадии его зарождения и формирования в атмосфере карьера,

5. Разработаны устройства активного пылегазоподавления при взрывных работах в карьерах, реализующие новый способ подавления ПГО и обеспечивающие создание системы залпового гидровыброса подавляющего агента в период 250 - 300-й мс процесса зарождения ПГО, снижение его скорости в 1,8-2 раза и высоты подъема в 1,3 - 5 раз.

Практическая значимость работы

1. Разработана и утверждена в установленном порядке научно-техническая документация на экспериментальную систему САП ПГО, установлено ее соответствие требованиям Госнадзорохрантруда, предъявляемым к новым образцам горного оборудования, работающего в зоне взрывных работ карьера ;

2. Проведены полигонные и промышленные испытания системы САГ ПГО, результаты которых оформлены актами испытаний новых устройстЕ пневмогидровыброса (УПП) и гидровыстрела (УГД) в Рыбальском карьере предприятия "Харьковвзрывпром".

3. Разработаны основные технологические схемы применения системь САП ПГО с учетом горно-технических условий и схем естественного провет ривания карьера в зонах ведения взрывных работ.

4. Разработаны рекомендации по защите атмосферы на карьерах от пы-легазовых выбросов при взрывных работах.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и реко мендаций подтверждается применением апробированных положений теорт аэрогидродинамики и физики взрыва, согласованностью разработанного ма тематического описания с физическими представлениями о газодинамически) процессах формирования ПГО и высоконапорных газожидкостных струй, удо влетворительной сходимостью результатов теоретических и натурных иссле дований (среднее отклонение не превышает 10%), положительными результа тами промышленной проверки разработанной системы активного пылегазопо давления при взрывных работах в карьере.

Реализация результатов работы:

1. Разработанный экспериментальный образец системы активного по давления пылегазового облака (САП ПГО) прошел полигонные и промышлен ные испытания в условиях Рыбальского карьера предприяти? "Харьковвзрывпром" и рекомендован для подавления ПГО при массовь» взрывах зарядов ВВ объемом до 20 т (акты испытаний от 29.05.96 г. и о-16.07.96 г.)

2. Технологические схемы применения системы САП ПГО и методик* расчета параметров устройств системы внедрены в виде рекомендаций в про ектном институте ОАО "Укргипроруда" (акт внедрения от 22.07.96 г.)

Экспериментальная часть работы выполнена на железорудных карьера) Кривбасса и Рыбальском карьере ПП "Харьковвзрывпром".

Апробация работы. Диссертационная работа и ее отдельные раздель докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семи нарах: IX Всесоюзной конференции "Комплексные исследования физически) свойств горных пород и процессов" г.Москва (1987 г.); Республиканской кон ференции "Вопросы совершенствования технологии и комплексной механиза ции добычи и переработки горючих сланцев" г. Кохтла-Ярва (1986 г.) II Международной конференции "Экологические проблемы горного производ ства, переработка и размещение отходов" г. Москва (1995 г.); Международ

ной конференции "Воздух-95" г. С.Петербург (1995 г.); Международной конференции "Экологические проблемы промышленного региона" г. Макеевка (1995 г.); Ill Международной конференции "Проблемы экологического мониторинга и охраны труда" г. Севастополь (1995 г.); Международной конференции "Прикладные проблемы механики жидкости и газа" г. Севастополь (1996г.); на научных семинарах кафедры АОТ ГГАУ (1995, 1996 г.г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ, в том числе 2 авторских свидетельства на избретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения, изложена на 145 страницах машинописного текста, имеет 77 рисунков, 13 таблиц, 134 наименования литературных источников отечественных и зарубежных авторов, 5 приложений на 57 страницах.

В работах по проведению натурных наблюдений на карьерах и испытаниях системы САП ПГО принимали участие сотрудники ПНИЛ-1 ГГАУ и ДГУ, за что автор выражает всем им глубокую признательность.

Особую благодарность автор выражает своему научному руководителю к.т.н. Зберовскому A.B. за постоянное внимание к его работе и эффективное содействие.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дан обзор и анализ работ по вопросам борьбы с пыле-газовым облаком при взрывных работах на карьерах, методам расчета ПГО и краткая эколого-экономическая оценка воздействия ПГО на окружающую среду.

В настоящее время обширный комплекс исследований, посвященных вопросам инженерной экологии на открытых горных работах и охраны труда представлен в работах В.А.Михайлова, Г.Г.Мирзаева, Б.А.Иванова, В.С.Никитина, Н.З.Битколова, С.С.Филатова, М.М.Конорева, А.М.Михайлова, П.И.Томакова, А.В.Хохрякова, П.В.Бересневича, В.А.Рогалева, Л.А.Пучкова, В.И.Белоусова, А.Г.Шапаря, К.З.Ушакова, А.А.Бакланова, М.Г.Новожилова, И.Л.Гуменика, Е.И.Панфилова, Э.И.Ефремова, Р.С.Крысина, А.Ю.Дриженко, И.А.Садовенко, В.В.Силаева, М.САхметова, Н.Ф.Кременчуцкого, В.А.Бойко, В.И.Голинько, А.В.Зберовского, П.Ч.Чулакова и др.

На основании вышеизложенного и в соответствии с целью в работе поставлены следующие задачи исследований:

1. Исследовать физику процесса, механизм образования и закономерности распространения ПГО при взрывных работах в карьере.

2. Аналитически описать процессы истечения продуктов взрыва из скважины и развития ПГО в атмосфере при взрыве в карьере.

3. Разработать математическую модель гидровыброса для расчета параметров жидких струй и активного пылегазоподавления при взрывных работах.

4. Разработать способы и средства, объединенные в единую техническую систему, для активного пылегазоподавления при взрывных работах в карьере.

5. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать рекомендации по применению технических систем активного пылегазоподавления при массовых взрывах в карьерах.

6. Дать экологическую оценку последствий загрязнения окружающей среды при массовых взрывах в карьере.

Во второй главе приводятся результаты натурных исследований процесса формирования пылегазового облака при массовых взрывах в карьере.

На основе проведенных натурных исследований установлены и хронометрированы во времени основные физические и газодинамические процессы зарождения и формирования пылегазового облака при массовом взрыве в атмосфере карьера. Предложено процесс развития ПГО в атмосфере рассматривать в виде трех основных процессов: процесс зарождения ПГО (0 -560 мс); процесс формирования (560 - 5000 мс); процесс распространения ПГО в атмосфере карьера (5 - 30 с). Установлены экспериментальные зависимости изменения скорости движения ПГО от массы заряда ВВ в интервале времени 50 - 500 мс, доказано, что в интервале 300-й мс процесса выхода взрывных газов из скважины проявляется "эффект теплового скачка" скорости ПГО, который является следствием догорания остатков ВВ в атмосфере. На рис.1, приведены графики изменения скорости движения ПГО в атмосфере карьера от массы заряда ВВ и даны уравнения, позволяющие определять скорость ПГО при взрыве зарядов ВВ массой до 150 т. Выполнен анализ кернов горных пород и исследование структуры массива взрываемых уступов в карьерах, что позволило установить связь механизма пылеобразования при массовых взрывах с природной и искусственной трещиноватостью массива, наличие! перебура в скважинах. Различная трещиноватость массива приводит к возникновению при взрыве уступа зон активного пылеобразования в том числе в верхней 5-метровой части уступа.

Установлены (на примере карьеров Кривбасса) фактические концентрации пыли в ПГО, получены графики изменения средней концентрации пыли в ПГО во времени, на удалении 0,75 - 1,5 км от взрываемого блока. Концентрация пыли в ПГО изменяется в пределах от 700 мг/куб.м в центре ПГО до

0,4 мг/куб.м по его периферии в зависимости от метеорологических условий, скорости ветра, места отбора пыли и массы взрываемого заряда ВВ. -Л*

I- на 50 мс ¡3= 230,8 + 0.426М

II- на 100 мс б" 214,893 + 0.5136М

III- на 200 мс б =151,316 + 1.142М -

-2,8-Ю-3М2

IV- на 300 мс ¡3= 82,066 + 2.959М -

- 10,ЗЮ-3М2

V- на 400 мс 3 = 85,592 + 1.654М -

- 4,210-3М2

VI- на 500 мс

,цт д = 75,273 + 1.199М -

-2,710-3М2

W>T -Г ■ 1 : . -1 ¡ ! : ( i '

! ! ■ i

! < _X 1 11 i ;

Г ! ! —:—i—lj- ; ' ... : T~i

Ю Но ЗО ЧО so

so *Xt fto fío fio w 150

Рис.1. Зависимость изменения скорости движения ПГО в атмосфере карьера от массы заряда ВВ

Результаты исследований фракционного состава осевшей пыли на удалении 50-120 м от взрываемого блока, показали, что в выпавшей на грунт из пылегазового облака пыли содержится 50-70% фракций крупностью менее Юмкм, 30-40% фракций крупностью 10-25 мкм. Содержание пыли крупностью свыше 50мкм незначительное и не превышает 1,5%.

Изучен фракционный состав пыли в ПГО на удалении 1-1,5 км от места взрыва, который позволяет оперативно определять размер частиц и их процентное содержание. Установлено, что количество частиц пыли респирабиль-ной фракции (менее 10 мкм) составляет 44,19%, в том числе фракции менее

5 мкм - 22,15%, менее 1 мкм - 6,28%.

Сформулированы основные требования к способам и техническим средствам борьбы с ПГО с учетом выявленных физических и газодинамиче-

ских процессов происходящих в атмосфере при массовом взрыве в карьере.

Третья глава посвящена разработке математической модели процесса формирования ПГО при взрывных работах в карьере, методики расчета газодинамических параметров ПГО и программного обеспечения для реализации

методов расчета на ПЭВМ.

В гидродинамической постановке задача зарождения и формирования

ПГО разбита на три стадии:

- Первая, начальная стадия, во время которой в атмосферу поступаю-сыпучие. вещества забоек, которые выталкиваются высоким давлением и: скважин, и частично продукты детонации ВВ, фильтрующиеся через пористо« тело забойки.

- Вторая стадия, стадия зарождения и формирования ПГО, которая на ступает после разлома горного массива и характеризуется интенсивным вы ходом в атмосферу газообразных продуктов взрыва (ПВ) и пыли по всей гра нице раздробленного массива. Продолжается эта стадия до момента вырав нивания внутреннего давления в разрыхленном массиве с атмосферным. В< время второй стадии происходит наиболее интенсивное развитие ПГО за сче его подпитки из очага взрыва.

- Третья стадия развития ПГО представляет собой этап его самостоя тельной эволюции в атмосфере карьера после прекращения его подпитки га зами из очага взрыва.

Решение задачи на первой стадии выполнено с учетом математическо! модели "пластичного газа", разработаннной Х.А. Рахматулиным, А.Я. Саго моняном, при этом начальное значение скорости движения нижнего торц забойки скважины определяется по уравнению /(Рн-Ра)(1-Ьш)'

хон =у--—— . и:

¿>а

а уравнение движения забойки имеет вид А В =-[РоСОе-АЬ . рз(1) + __ ] , (2

РЛ\ А

где At = 1 - е"^3 ; рл - исходная плотность сыпучего материала забой к и; Р„ - начальное давление в скважине; Ра - атмосферное давление; Рз давление на торце выходящей забойки; bSH = £>J Ps отношение плотносте забойки при переходе через ударную волну; 1з - длина забойки;

2 imp 2fmp rs

А =--, В =---pag ,

R i+ii R 1+fi

fmp - коэффициент трения забойки по стенке скважины; R - радиу

скважины; ¿t = sin в, где в - угол внутреннего трения сыпучей средь т.. = 2k cos 0, где к - коэффициент сцепления сыпучего материала забойки.

Расчетным путем доказано, что процесс расширения продуктов взрыв ВВ в скважине в период от взрыва до момента разлома массива являете

адиабатическим, что позволило определить параметры давления, плотности и температуры продуктов взрыва (ПВ) в полостях массива в момент его разлома.

Решение второй стадии задачи базируется на предположении, что после разлома раздробленный массив представляет собой пористый слой толщиной hc, в полостях которого находятся газообразные продукты взрыва. Нижняя граница этого слоя предполагается непроницаемой, на верхней границе происходит истечение ПВ в атмосферу.

Секундный расход продуктов взрыва в атмосферу равен mr = Pro Ur SB3 , (3)

где SB3 - площадь взрываемого блока;. Ur - скорость истечения ПВ в атмосферу; ,ого - плотность истекающих ПВ.

В основу расчета математической модели формирования ПГО положены уравнения термодинамики для системы с переменной массой, а именно : пы-легазовое облако рассматривается как некоторый объем переменной величины, который находится в состоянии тепло- и массообмена с окружающей средой. Массобмен состоит в подпитке этого объема от очага взрыва и эжек-ции воздуха из окружающей среды за счет турбулентного перемешивания. Энергетический обмен осуществляется как за счет подпитки массы от очага взрыва и эжекции окружающего воздуха, так и за счет теплообмена с окружающей атмосферой. С учетом вышеизложенного уравнение энергии для системы переменной массы имеет вид

dV к - 1 . PV dk V dP

-=-(irMr + iBMB + Q +--)---, (4)

dt к P (k-1)2 dt kP dt

где: V - текущий объем облака; Р - среднее давление внутри облака; Мг и

^-секундная масса и энтальпия ПД, поступающих из очага взрыва; Мв и iB-секундная масса и энтальпия эжектируемого воздуха;<3 - общий приток тепла в результате всех видов теплообмена с окружающей средой, а также за счет догорания в атмосфере остатков непродетонировавшего ВВ. k = Ср / Cv , где Ср и Cv - теплоемкости смеси продуктов детонации и воздуха при постоянном давлении и постоянном объеме в облаке. Объем ПГО на начальном этапе

Vl = Vc$ c - xh/6 (h2 + 3RU2) ; (5)

на этапе формирования струи -

v2 = усф.с + Vy.K = жЬ/в (h2 + 3RB2) + 7ch/3 (RB2 + RBRH+ R,2), (6)

где h - высота ПГО; RH - радиус основания ПГО; Vcq, c - объем ПГО в виде сферического сегмента; Vy.K - объем ПГО в виде усеченного конуса.

Согласно теоремы об изменении импульса для вертикального движения ПГО, средняя скорость его подъема описывается уравнением

d/dt (Mucp) = Mrur(р - pB)sV - 1/2 C^kKW-Xp , (7)

где первый член справа Мгиг - означает количество движения ПД, поступающее в единицу времени в ПГО через нижнее основание; второй член справа выражает силу плавучести за счет отличия плотности ПГО р от окружающей среды f>B ; третий член дает силу сопротивления движению облака в атмосфере, а четвертый Хр - учитывает сопротивление за счет тормозящего воздействия твердой фракции в ПГО. Разработанная математическая модель ПГО реализована в виде программы расчета на ПЭВМ основных параметров облака на языке Turbo Basic. И позволяет определять газодинамические параметры ПГО от момента зарождения до момента прекращения поступления в него продуктов детонации массового взрыва из раздробленного массива.

Четвертая глава посвящена разработке способа и технических средстЕ активного пылегазоподавления при взрывных работах в карьере, методоЕ расчета основных параметров гидроструй для борьбы с ПГО.

Предложен способ подавления пылегазового облака в карьере, заключающийся в использовании для пылегазоподавления энергии высоконапорны> гидроструй, направляемых с разных сторон в эпицентр пылегазового облакг для нейтрализации теплового и динамического потенциала ПГО в начальной стадии его зарождения.

На рис.2, приведена общая схема способа активного пылегазоподавления при массовых взрывах в карьерах.

Разработаны экспериментальные устройства подавления ПГО пневмати ческого типа (УПП) и ударно-гидродинамического типа (УГД), обеспечи Бающие направленный выброс гидроструй в эпицентр ПГО. Устройство УПГ обеспечивает выброс высоконапорных гидроструй с использованием энергиу сжатого воздуха, устройство УГД - энергией порохового заряда ВВ. Схемь устройств приведены на рис.3.

Разработана и реализована на ПЭВМ методика расчета пневмогидровы броса из устройства УПП, которая включает решение следующих задач : рас чет параметров истечения газа из емкости высокого давления; расчет пара

метров наполнения форкамеры устройства до разрыва мембраны; расчет параметров газа в канале ствола и скорости выталкивания воды.

1-Эпицентр ПГО; 5 2-Условная оболочка

ПГО;3-Устройства для формирования высоконапорных гидроструй нижнего уровня;4- Устройства для формирования высоконапорных гидроструй верхнего уровня; 5-Условная граница соударения гидроструи в эпицентре ПГО; 6-Высоконапорные струи жидкого агента.

Рис. 2. Способ активного пылегазоподавления при взрывных работах в карьере

а)

1 - баллон сжатого воздуха; 2 -

форкамера; 3 - ствол, заполнен-

ный водой; 4 - полость ствола, заполненная сжатым воздухом в

период вытеснения; 5 - раздели-

тельная мембрана; 6 - пиропат-

рон н головке - затворе баллона;

7 - соединительный патрубок;

1 £ 3

б)

-/------

лУ 1

1 - зарядная камера; 2 - пороховой патрон; 3 - разрывная мембрана; 4 - жидкая пробка; 5 - вытесняемый объем V,..

Рис.3. Схемы устройств активного подавления ПГО а - устройство УПП; б - устройство УАП

Время прорыва мембраны определяется по выражению

1 [ Рпр-Рф0

1^ = — Ь- —( )]-<">/*-1} . (8)

13 I V, Ра0

(к-1)ртЖ V т

аО

2Уао

где к - показатель адиабаты; И - газовая постоянная газа в баллонах, Дж/кг К; ¡1 - коэффициент расхода сжатого воздуха в форкамеру (¿¿—0,7); Г - площадь выходного сечения патрубка, м^; ш - расчетный коэффициент истечения; Рпр - давление прорыва мембраны, Па

Время полного выхода жидкости из ствола

VI? 1

1ЕЫХ = г=- . и0=(Рс-Роо)/Р0С , (9)

/2СО0

где 1 - длина ствола, м; С - скорость звука в жидкости, м/с; Рю - давление жидкости на выходном сечении ствола (Рш~Ратм), Па; Ро - плотность жидкости, кг/м3.

Разработана и реализована на ПЭВМ методика расчета гидровыстрела из устройства УГД, которая решает задачу расчета параметров метания жидкой струи в зависимости от исходных параметров устройства, объема зарядной камеры Ук , давления прорыва Рпр , мощности и типа порохового заряда ВВ. Методика позволяет рассчитывать следующие ситуации :

а) порох полностью сгорает к моменту разрыва мембраны, в дальнейшем вытеснение жидкости осуществляется только за счет расширения образовавшихся продуктов сгорания пороха ;

б) прорыв мембраны происходит до полного сгорания пороха, и в дальнейшем процесс вытеснения жидкости сопровождается догоранием пороха, которое может оканчиваться до полного вытеснения жидкости, или в момент полного освобождения ствола от жидкости или продолжаться и после освобождения ствола. Последний случай наименее рациональный и ведет к перерасходу ВВ.

Пятая глава посвящена разработке и промышленной апробации системы активного пылегазоподавления при массовых взрывах в карьере. Создана экспериментальная система активного подавления пылегазового облака (САП ПГО), включающая устройство пневмогидровыброса (УПП), гидровыстрела

(УГД) и устройство для метания жидких агентов взрывом (УАП), которая реализует на практике научную идею предложенного способа подавления ПГО.

Проведены полигонные и промышленные испытания системы САП ПГО, определены основные технические характеристики устройств системы, дана оценка работоспособности разработанной схемы дистанционного управления гидровыбросом и проведен комплекс исследований параметров выброса газожидкостных струй с применением сжатого воздуха и пороховых зарядов ВВ. Полученные результаты оформлены актами полигонных и промышленных испытаний.

В таблице 1 приведена техническая характеристика разработанной экспериментальной системы.

Таблица 1

Техническая характеристика экпериментальной системы САП ПГО

Параметры Тип устройства Система

УПП УАП УГД САП ПГО

Объем жидкого агента, м3 4,62 22 0,5 27,12

Дальнобойность струи, м 100 50 40 40 - 100

Начальная скорость струи, м/с 130 200 200 150 - 200

I Площадь зоны пылегазоподавления, м^ 800 500 100 1400

Объем зоны орошения, м3 1400 900 200 2500

Время выброса агента, мс 250 200 150 150 - 250

Источник энергии выброса сжатый воз- заряд ВВ порохо- комбини-

Дух граммонит 79/21 ГС вой заряд ПК-7-Т; ПК-16 рованным

Расход энергетических материалов 14 баллонов 10 - 30 кг 185 -200

по 40л с дав- ВВ г

лением 150 ат пороха на 1 ствол ...

Достигаемая дисперсность капель агента до 30 ОТ 5000 до до 10 от 5000

(расчетная), мкм 18 до 10

Способ управления гидровыбросом дистанци- дистанци- дистан- дистанционный

онным онным ционным

Число обслуживающего персонала 2 2 2 4

Габаритные размеры, м

длина 5,2 5 2,5 -

ширина 3,5 3,5 1,5 -

высота 3,2 3 1,7 -

Вес конструкций, т 10 12 2 24

Установлено, что система САП ПГО подъема ПГО в 1,3-5 раз, а вертикальной раза, что позволяет рекомендовать ее для

обеспечивает снижение высоты скорости движения ПГО в 1,8 - 2 активного подавления ПГО в ка-

рьерах при взрывах зарядов ВВ массой до 20 т. С уменьшением массы взрываемого заряда ВВ эфективность активного подавления ПГО возрастает.

Проведено сопоставление расчетных параметров гидроструи с данными натурного эксперимента, установлено отклонение значений дальности, площади сечения и объема гидроструи на 5 - 15%, а значений скорости на 10 -15%, что позволяет рекомендовать разработанные методы расчета для практического применения. Примеры сопоставления приведены на рис.4.

Площадь поперечного ссчения струи

Объем струи

1 1 ! мм ГГмТ •

1 1 ;" оШ- п I ! М !

1 ! ! Им \у 1 !

1 ! ! МП 1 !

1 1 М ' \Ж~\ ! ! ! |

1 { 1 2 ! ' ! ) ! 1 ! 1 '| 1 (

! ' ! 1 ! ! \

ч 1!! \ж. ! ; М 1 (

1 1 ;

\ й^и \ ■ \ \ • * ; 1

Рис.4. Сопоставление экспериментальных и расчетных параметров гидроструй системы САП ПГО (1 - эксперимент; 2 - расчет) Шестая глава посвящена экологической оценке последствий загрязнения окружающей среды при массовых взрывах в карьерах.

Разработана методика биоэкологической оценки состояния фитоценозов техногенных территорий ГОКа на основании предложенного комплекса биоэкологических показателей акации белой, а именно : частоты аберраций хромосом, летапии зародышей семян, количество хлорофилла и активности пе-роксидазы листьев. Дана биоиндикационная характеристика окружающей среды в зоне Первомайского карьера СевГОКа. Для общей количественной оценки степени нарушенности почв и растений по всем биологическим и другим показателям введено понятие интегрального показателя экологической напряженности - ИПЭН. Интегральный показатель экологической напряженности вычисляется как сумма коэффициента дисбаланса элементов и абсолютных величин отклонений от контроля каждого конкретного биологического показателя. ИПЭН может быть выражен либо относительной величиной, либо в процентах.

* п Ц

— Ъ(\--1|) , (10)

п п„

ИПЭН = сд +

где Сд - коэффициент дисбаланса элементов; П, - величина конкретного полученного биологического показателя; Пк - значение данного показателя в контроле.

Составлена таблица значений концентраций элементов в листьях растений и почве, характерных для Кривбасса, по 17-ти элементам определен спектр загрязнения металлами растений и почв в сопоставлении с химическим составом ПГО. Установлено, что наличие пыли ПГО в почве в соотношении 100 мг на 1 кг грунта приводит к угнетению биологической активности почвенных ферментов (уреазы и инвертазы) на 13-14%, что снижает способность почв к самоочищению. На примере выращивания сельскохозяйственных культур ячменя и сои дана оценка токсичности пыли ПГО; установлено, что с повышением в грунте содержания физической глины на 20% токсичность пыли возрастает в 1,7 - 2,6 раза. С учетом розы ветров выполнен прогноз загрязнения территорий в районе Первомайского карьера СевГОКа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано теоретическое обобщение и новое решение актуальной научной задачи, заключающейся в установлении закономерностей зарождения, формирования и распространения в окружающей среде пылегазового облака при масовом взрыве в карьере, создании математической модели формирования и развития водо-воздушных струй при пнев-могидровыбросе и разработки на их основе технической системы активного подавления пылегазового облака и методики биоэкологической оценки загрязнения почв и растений в зоне открытых горных работ, что имеет важное значение в области инженерной экологии и безопасности жизнедеятельности.

Основные выводы, научные и практические результаты заключаются в следующем :

1. На основе натурных исследований установлены основные закономерности процессов зарождения и формирования пылегазового облака при массовом взрыве в атмосфере карьера. Установлен "эффект теплового скачка" скорости ПГО при его зарождении, который проявляется в интервале 300-й мс процесса выхода взрывных газов из скважин и является следствием догорания остатков ВВ в атмосфере карьера.

2. Сформулированы основные требования к способам и техническим средствам борьбы с ПГО в следующем виде:

- скорость и энергия гидроструй для подавления ПГО должны быть сопоставимы с динамическими параметрами облака и, в лучшем случае превышать их;

- время подавления ПГО должно соответствовать времени зарождени* эпицентра ПГО, процесс подавления должен быть активным и осуществлен i период 250 - 300 мс;

- устройства подавления ПГО должны обеспечивать разрушение оболоч ки ПГО, нейтрализацию его динамического и теплового потенциала и локали зацию эпицентра.

3. Установлено, что процесс пылеобразования при массовых взрывах i карьерах связан с природной и искусственной трещиноватостью массива, на личием перебура в скважинах, что приводит к возникновению при взрыв« уступа зон активного пылеобразования. Получена гистограмма и кумулятивна кривая, отражающие фракционный состав пыли в ПГО; установлено, что ко личество частиц пыли респирабильной фракции составляет 22,15%, в то» числе фракции менее 1 мкм - 6,28%.

4. Разработана математическая модель истечения газа через пористьи слой раздробленного массива, позволяющая расчитать начальную скорость i давление продуктов взрыва при выходе ПГО в атмосферу, а также математи ческая модель формирования ПГО в атмосфере, позволяющая определят объем и абсолютные размеры ПГО в функции времени с учетом тормозящег воздействия пылевой фракции на движение ПГО.

5. Разработан способ подавления пылегазового облака в карьере, зг ключающийся в использовании энергии высоконапорных гидроструй, напраЕ ляемых в эпицентр ПГО на стадии его зарождения и формирования, что пс зволяет разрушить оболочку ПГО, снизить высоту и скорость подъема облак в атмосфере карьера.

6. Разработана методика расчета параметров метания жидкой стру сжатым воздухом, включающая расчет параметров истечения сжатого газа и баллона высокого давления, расчет параметров наполнения ствола, расче параметров газа в канале ствола и скорости истечения гидроструи в атмс сферу. Разработана методика расчета параметров метания жидкой струи пс роховым зарядом, позволяющая определять параметры газа в зарядной к« мере ствола и скорость истечения жидкости из ствола в атмосферу.

7. Создана экспериментальная система активного подавления пылегазс вого облака (САП ПГО), которая реализует на практике научную идею пре; ложенного способа подавления ПГО по А.С.№ 1493796 и проведены ее пол1 тонные испытания. Полученные результаты оформлены актом полигонных и( пытаний от 29.05.96.

8. Проведены промышленные испытания системы САП ПГО в карьер Рыбальский предприятия "Харьковвзрывпром", результаты оформлены акто

испытаний от 16.06.96. Разработаны и внедрены в проектном институте "Укргипроруда" "Рекомендации по защите атмосферы на карьерах от пыле-газовых выбросов при взрывных работах" (акт внедрения от 22.07.96).

9. Предложен интегральный показатель экологической напряженности в зоне открытых горных работ. Дана биоиндикационная характеристика окружающей среды в зоне Первомайского карьера СевГОКа и выполнен прогноз загрязнения территории с учетом розы ветров, составлена таблица фоновых значений концентраций химических элементов в листьях растений и почве.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. A.c. № 1493796, СССР. Способ подавления пылегазового облака в карьере./А.В. Зберовский, И.М. Абдурагимов, В.В. Дубей, А.И. Гетало и др. -опубл. в 5.И. 1989. - № 11. - С.151.

2. A.c. № 1446339, СССР. Устройство для подавления пылегазового облака в карьерах./ A.B. Зберовский, Н.Ф.Кременчуцкий, В.В. Дубей, А.И. Гетало, В.Д. Хомасуридзе. - опубл. в Б.И. 1988. - N» 47. - С. 160.

3. Дубей В.В. Способ защиты окружающей среды при массовых взрывах в карьерах. В кн. "Экологические проблемы горного производства, переработка и размещение отходов", //Тез.докл. II научн. техн. конф. - М., 1995. -С. 98.

4. Зберовский A.B., Дубей В.В. Способ и устройство для интенсификации естественного проветривания на карьерах // Инф. листок о научно -техническом достижении. - Запорожье, ЦНТИ, 1986.

5. A.B. Зберовский, А.И. Гетало, В.В. Дубей. К вопросу защиты окружающей среды при добыче горючих сланцев открытым способом // В кн. "Вопросы совершенствования технологии и комплексной механизации добычи и переработки горючих сланцев", Тез.докл. VIII республ. науч. - тех. конф. -Кохтла - Ярва, 1986. - С. 20.

6. A.B. Зберовский, Н.Ф. Кременчуцкий, В.В. Дубей. Перспективы применения воздушных и водовоздушных завес для проветривания карьеров и охраны окружающей среды // Тез. докл. IX Всесоюзн. научн. конф. - М., 1987. - С.159.

7. A.B. Зберовский, О.Г. Гоман, В.В. Дубей, Е.А. Кириченко. Разработка математических моделей гидродинамических способов активного подавления пылегазовых выбросов при взрывных работах в карьерах // Тез. докл. II международн. НТК. - М., 1995. - С.96-97.

8. B.B. Дубей, A.B. Зберовский, Б.Е. Собко. Система активного подавления взрывных пылегазовых выбросов в атмосфере карьера // Тез. докл. международн. конф. "Воздух - 95". - С.П., 1995. - С.204.

9. A.B. Зберовский, В.В. Дубей, О.Г. Гоман, H.H. Лычагин, Н.В. Матыси-на. Теоретическая модель истечения продуктов взрыва из скважины в окружающую среду // Тез.докл. международн. конф. "Экологические проблемы промышленного региона". - Макеевка, 1995. - С.8-9.

10. A.B. Зберовский, В.В. Дубей, О.Г.Гоман, Е.А. Кириченко. Разработке алгоритма расчета гидровыброса в технических устройствах защиты окружающей среды при взрывных работах на карьерах // Тез.докл. международн. конф. "Экологические проблемы промышленного региона". - Макеевка

1995. - С.10.

11. A.B. Зберовский, В.В. Дубей, Б.Е. Собко. Создание активных способов защиты окружающей среды при взрывных работах на карьерах // Тез.докл. международн. конф. "Экологические проблемы промышленного региона". - Макеевка, 1995. - С.14.

12. A.B. Зберовский, В.В. Дубей. Эколого - экономическая оценкг взрывных работ в карьерах // Тез.докл. III международн. НТК "Проблемь экологического мониторинга и охраны труда". - Севастополь, 1995. - С. 108 109.

13. A.B. Зберовский, В.В. Дубей, О.Г.Гоман, Н.В. Матысина. Математи ческая модель развития льшегазового облака в окружающей среде при взры ве в карьере // Тез.докл. международн. конф. "Экологические проблемь промышленного региона". - Макеевка, 1995. - С.9-10.

14. A.B. Зберовский, Н.Ф. Кременчуцкий, В.В. Дубей. Физические про цессы и механизм образования пылегазового облака в атмосфере при массо вых взрывах на карьерах // Тез.докл. международн. конф. "Экологически! проблемы промышленного региона". - Макеевка, 1995. - С. 14-15.

15. A.B. Зберовский, В.В. Дубей, О.Г.Гоман, Е.А. Кириченко. Расчет па раметров распыленных газожидкостных струй в системах подавления пылега зового облака при взрывах в карьерах // Материалы V научн. конф. учены: России, Белоруссии и Украины "Прикладные проблемы механики жидкости i газа". - Севастополь, 1996. - С.31.

16. О.Г. Гоман, A.B. Зберовский, H.H. Лычагин, В.В. Дубей. Численно! моделирование процесса активного пылегазоподавления при массовых взры вах в карьерах // Материалы V научн. конф. ученых России, Белоруссии i Украины "Прикладные проблемы механики жидкости и газа". - Севастополь

1996. - С.37.

Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежат следующие результаты: в работах / 1, 2, 8, 11/ - разработка конструкций устройств и расчетное обоснование способа подавления ПГО; в статьях / 4, 5, б, 10, 15/ - разработка математических моделей процессов развития водо-воздушных струй в атмосфере при пневмовыбросе v гидровыстреле; / 7, 9, 13, 14, 16/ - натурные исследования, графоаналитическая обработка кинограмм экспериментов; /11/ - анализ и эколого - экономическая оценка последствий загрязнения окружающей среды выбросами ПГО.

ANNOTATION

Dubey V.V. The development of the system to suppress actively the outbrusts of dust and gas.

Dissertation for a degree of candidate of science on the speciality: 05.26.05 "Environment Engineering", 05.26.01 "Occupational Safety", State Mining University of Ukraine, Dnepropetrovsk, Ukraine, 1996.

The thesis is devoted to origin, formation and distribution of the dust and gas during the explosions in the open pit mining.

The method of bioecological estimation of soils and plants in the area of open pit mining has been developed.

The general estimation of pollution of agricultural areas has been calculated.

The technics of the development of the system to suppress actively the outbrusts of dust and gas are presented.

This method is recommended for dust and gas outbrust predictions during the explosions of 20 tonn equivalent.

АНОТАЦ1Я

Дубей В.В. Розробка системи активного пилегазоподавлення при масо вих вибухах в кар'ерах. Дисертащя на здобуття вченого ступеня кандидат; техжчних наук за спещальностями: 05.26.05 -Инженерна еколопя", 05.26.01 "Охорона працГ. Державна прнича академю УкраТни. Днтропетровськ, 1996.

Захищаються закономфносп зародження, формування та розповсюд ження в оточуючому середовищ! пилегазовоУ хмари (ПГХ) при масовому ви буа в кар'ер'1, математичж модел1 формування та розвитку водо-повпряни; струмежв при пневмопдровикидах та техжчна система активного подавленн) пилогазово! хмари; методика бюеколопчноУ оцжки забруднення грунтт т< рослин у зож в|дкритих прничних роб ¡т.

Встановлено, що швидюсть руху ПГХ визначаеться масою вибухшноп заряду ВР та в перюд до 200 мс змЫюеться за лжейним законом, а в наступ ний перюд за квадратичною залежжстю. Догоряння залишкт ВР в атмосфер супроводжуеться "тепловим стрибком" шзидкосп ПГХ в ¡нтервал! 300-М1 л ¡секунд и процесу, що дозволяв визначити ефективний ¡нтервал часу по давления ПГХ. Б'юеколопчна небезпечнють ПГХ пов'язана з и х1м[чним т. гранулометричним складом, який в умовах зал-1знорудних кар'ер!в Кривбас характеризуеться 44,2 % складу фракцж пилу менше, нЫ< 10 мкм, наявжстн отруйних елементт РЬ, Мп, Сг,..., та визначаеться ¡нтегральним показнико! еколопчноУ напружносп ((ПЕН), який дозволяе дати загальну кглькгсну оцшк ртня забруднення рослин та грунт'т з врахуванням токсичносп' пилу ПГХ, . також розм)ри сшьськогослодарських угадь з порушеним грунтовим балансов Проведен! промислов! випробування системи активного подавления пилогазс воУ хмари в кар'ер! Рибальський пщприемства "Харюввибухпром". Встановле но, що система забезпечуе зниження висоти шдйому ПГХ в 1,3-5 раз, верти кальноУ швидкост! руху ПГХ в 1,8 - 2 рази, що дозволяе рекомендувати и дл активного подавления ПГХ у кар'ерах при вибухах зарядов ВР масою до 20 п Розроблеж I впроваджеж в проектному ¡нституп "Укрппроруда "Рекомендаци по захисту атмосфери на кар'ерах в(д пнлогазових викид'т пр вибухових роботах".

Опублжовано 16 друкованих робгс, у тому числ1 2 авторських свщоцтва.

КЛЮЧОВ1 СЛОВА : МАСОВИЙ ВИБУХ, ПИЛОГАЗОВА ХМАРА, ПНЕВ МОГЩРОВИКИД, Г1ДРОПОСТР1Л, ПИЛ0ГА30П0ДАВЛЕННЯ, ЗАБРУДНЕН НЯ ГРУНПВ, СКЛАД ПИЛУ, БЮЕКОЛОПЧНА ОЦ1НКА, Ф1ТОТОКСИЧН1СТ1 ПИЛУ, БЕЗПЕКА ЖИТТеД1ЯЛЬНОСТ1.

ДУБЕЙ Владимир Владимирович

Разработка системы активного пылегазоподавления при массовых взрывах в карьерах

05.26.05 - "Инженерная экология" 05.26.01 - "Охрана труда"

Подписано к печати 25.11.96. Формат 60 х 84/ 16. Бумага типогр.№2. Печать ризограф. Уч.-изд.л. 1,0. Зак.№ 11. Тираж 100 экз. Бесплатно.

ГНПП "Системные технологии", 320635, Днепропетровск, пр. Гагарина, 4