автореферат диссертации по строительству, 05.23.19, диссертация на тему:Совершенствование методов обеспечения экологической и производственной безопасности при производстве земляных работ в городском хозяйстве

005043233

На правах рукописи

НОВИКОВ ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ И ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ В ГОРОДСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

05.23.19 Экологическая безопасность строительства и

городского хозяйства 05.26.01 Охрана труда (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 7 мдм 2012

Волгоград - 2012

005043233

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Научный консультант

доктор медицинских наук, ст. н. е.,

доцент

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

АЗАРОВ

ВАЛЕРИЙ НИКОЛАЕВИЧ БАТМАНОВ

ВИКТОР ПАВЛОВИЧ

ЖЕЛТОБРЮХОВ ВЛАДИМИР ФЕДОРОВИЧ ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», заведующий кафедрой промышленной экология и безопасности жизнедеятельности

кандидат технических наук

КАРАПУЗОВА НАТАЛЬЯ ЮРЬЕВНА ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет», доцент кафедры энергоснабжения и теплотехники

Ведущая организация:

ОАО НИИ «АТМОСФЕРА»

Защита состоится 11 мая 2012 года в 12— на заседании диссертационного совета ДМ 212.026.05 при ГОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, ауд. Б-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан 11 апреля 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета

>- Юрьев Ю.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Территории современных городов насыщены системой инженерных коммуникаций, проложенных преимущественно ниже поверхности земли. Подземные инженерные сети являются важнейшим элементом инженерного оборудования города и характеризуют степень его развития и благоустройства. В связи с застройкой новых жилых районов и износом старых инженерных сетей, подземные коммуникации каждого города находятся в состоянии непрерывного развития, реконструкции и ремонта, что требует постоянного проведения земляных работ.

При капитальном ремонте, реконструкции, а также устранении аварий существующих инженерных коммуникаций производится вскрытие поверхностного плодородного слоя грунта с последующей разработкой траншеи. Следствием таких работ является изменение поверхностного состава и значительное снижение плодородности почв городских территорий. Кроме того, технологические процессы при производстве земляных работ сопровождаются интенсивным пылевыделешюм. В рабочих зонах производства работ уровень запыленности превышает предельно-допустимые концентрации и величину выбросов в атмосферу. Систем обеспыливания во время проведения земляных работ не используется. При производстве работ в безветренную погоду мелкодисперсная пыль длительное время находится во взвешенном состоянии в воздухе рабочей зоны. Такие работы часто проводятся в черте города, и в частности, в жилых кварталах, что приводит к загрязнению воздуха придомовых территорий, детских площадок, квартир и т.п.

В настоящее время в ряде стран, в том числе и в России, нормируется содержание в атмосферном воздухе частиц с размерами не более 2,5 мкм (РМ 2,5) и не более 10 мкм (РМ 10), поскольку наибольшую опасность представляют частицы пыли малого размера, которые способны проникать в легкие человека. Система контроля и оценки дисперсного состава и концентрации частиц именно малых размеров в воздухе рабочих и санитарно-защитных зон в

настоящее время отсутствует, что не позволяет объективно оценить степень воздействия пыли на качество производственной и окружающей сред.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Цель работы:

Снижение негативного воздействия на окружающую среду и работников при производстве земляных работ.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- экспериментальное исследование и обобщение данных о дисперсном составе, аэродинамических характеристиках и основных физико-химических свойствах пыли при производстве земляных работ;

- исследования возможности применения метода рассечения для оценки мелких и крупных фракции пыли в воздухе рабочих зон и атмосфере при выполнении земляных работ;

экспериментальные исследования величины пылевыделений и закономерностей распространения частиц ныли в рабочей зоне и атмосфере при использования бульдозерно-рыхлительного оборудования; экспериментальные исследования состава мелких фракций пыли, выделяющейся при разработке грунта строительно-дорожными машинами; определение концентрации мелких фракций пыли строительных производств (РМ 10, РМ 2,5);

- внедрение и использование систем очистки воздуха рабочих зон от пыли мелких фракций при производстве земляных работ;

- оценка существующих способов производства земляных работ оказывающих вредное воздействие на поверхностный слой почвы; совершенствование способов снятия и перемещения плодородного слоя почвы при производстве земляных работ.

Основная идея работы состояла в использовании стохастических подходов при оценке и кошроле содержания мелкодисперсной пыли в воздухе рабочей зоны и атмосферы для разработки мероприятий по снижению запы-

ленности и подбора наиболее эффективного пылеулавливающего оборудования, а также совершенствование методов сохранения плодородного слоя почв для решения задач экологической безопасности и охраны труда при производстве земляных работ.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, лабораторные и опытно-промышленные исследования, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа с применением ПК.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов, планированием необходимого объема экспериментов, подтверждена удовлетворяющей требуемым критериям сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных и опытно-промышленных условиях.

Научная новшна работы состоит в том, что:

- получены экспериментальные зависимости дисперсного состава и концентрации пыли от времени и расстояния до источника пыления в воздухе рабочей зоны и атмосфере;

- определено соотношение концентраций мелких фракций пыли (РМ 10 и РМ 2,5) и общей запыленности воздуха рабочей зоны при работе бульдозерно-рыхлителыюго оборудования;

- экспериментально исследованы и обобщены в форме уравнений регрессии, закономерности процесса распространения и осаждения част иц пыли, выброшенной в рабочую зону и атмосферу при разработке грунта бульдозером;

Практическое значение работы:

- разработана методика для контроля и оценки величины неорганизованных выбросов пыли при работе бульдозерно-рыхлителыюго оборудования для разработки и внедрения проектных решений по улучшению качества воздуха жилой зоны для разделов «Мероприятия по защите окружающей среды» при производстве строительных работ;

5

- разработана методика определения концентрации мелких фракций РМ 10 и РМ 2,5 пыли воздуха рабочей зоны при работе бульдозерно-рыхлительного оборудования по результатам проведенного обследования технологического процесса производства земляных работ как источника пылевого за1ряз-нения;

- разработана методика по расчету дисперсного состава пыли, поступающей в рабочую зону при производстве земляных работ;

- усовершенствована и апробирована методика снятия и сохранения плодородного слоя почвы при производстве земляных работ (патент на изобретение № 2410496);

- разработан метод очистки рабочей зоны от мелкодисперсной пыли при работе бульдозерно-рыхлительного оборудования.

Реализация результатов работы:

- разработана и апробирована на базе ООО ОСФ «Стройспецмонтаж» промышленная установка удаления запыленного воздуха от бульдозерно-рыхлительного оборудоваши для снижения запыленности воздуха рабочих и санитарно-защитных зон;

- разработана и внедрена промышленная установка снятия и сохранения плодородного слоя почвы для качественной рекультивации земель и снижения экологического урона окружающей среде;

- материалы диссертационной работы использованы кафедрой БЖДТ ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 280101 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», 280102 «Безопасность технологических процессов и производств».

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

- экспериментальные зависимости интегральной функции распределения массы частиц по диаметрам для дисперсного состава и концентрации пыли в атмосфере от времени и расстояния до источника пыления;

- экспериментальные зависимости интегральной функции распределения массы частиц по диаметрам для дисперсного состава и концентрации пыли

6

в воздухе рабочей зоны от времени и месторасположения источника пиления;

- метод удаления запыленного воздуха от бульдозерно-рыхлительного оборудования для снижения запыленности воздуха рабочих и жилых зон;

- метод для снятия и сохранения плодородного слоя почвы при разработке грунта;

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на: ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (Волгоград, 20072011 г.); участие во 2 Всероссийской специализированной выставке «Строительная техника — 2009» (Дата проведения: 28-30 апреля 2009г. Организатором выставки является ВЦ «ВолгоградЭкспо»); всероссийской научно-практической конференции «Нанотехнологии и наноматериалы: современное состояние и перспективы развития в условиях Волгоградской области» (Волг-ГУ, декабрь, 2008 г.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 7 работах, в том числе в 2 статьях, опубликованных в изданиях, рекомендуемых ВАК России, 1 патент на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложешш. Общий объем работы 137 страниц, в том числе: 115 страниц - основной текст, содержащий 14 таблиц на 14 страшщах, 24 рисунка на 24 страницах; список литературы из 135 наименовании на 13 страшщах, 5 приложений на 9 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи и основная идея работы, ее научная новизна и практическая значимость, приведены сведения об апробации и практическом внедрении результатов проведенных исследований.

В первой главе рассмотрено современное состояние существующих способов выполнешш земляных работ, связанных с планировкой территории

7

при реконструкции, капитальном ремонте и устранении аварий существующих инженерных коммуникаций, а также прокладке новых сетей инженерно-технического обеспечения. Способы бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций являются наиболее современными, но имеют определенные ограничения. К сожалению, бестраншейные технологии не всегда можно применить в условиях плотной городской застройки, жилых кварталов, дворовых территорий и т.п.

Вследствие этого, в России ремонт, замена и восстановление «аварийных» инженерных коммуникаций часто выполняется традиционным «открытым» способом, при котором производится планировка и вскрытие плодородного слоя почвы. К примеру, по данным МУП «Жилищное хозяйство города Волжского» до 70% объемов работ по реконструкции и капитальному ремонту существующих инженерных сетей выполняются с помощью бестраншейных технологий, но 30 % таких работ ведется «открытыми» способами. В результате производства земляных работ происходит перемешивание поверхностного слоя - гумуса с ниже залегающими слоями грунта, что приводит к потере плодородности почв городских территорий. Сохранению и рекультивации плодородного слоя не придается должного значения.

Рассмотрен вопрос о загрязнении воздуха рабочей зоны и атмосферы мелкодисперсной пылью при производстве земляных работ, обоснована необходимость качественного анализа состава пыли, так как пыль мелких фракций оказывает негативное влияние на здоровье человека. Кроме того, поскольку работы проводятся в жилой зоне, то необходимо выполнять нормативы, утвержденные Постановлением главного государственного санитарного врача РФ от 19 апреля 2010 г. N 26 "Об утверждении гигиенических нормативов ГН 2.1.6. 2604-10", показашше в таблице 1.

Несмотря на вышесказанное при производстве земляных работ отсутствуют методы контроля и оценки выбросов мелкодисперсной пыли, хотя защита работающих от воздействия частиц именно мелких фракций пыли и необходимость их улавливания, а также рациональное использование, восстанов-

ление и рекультивация плодородного слоя почвы являются основными задачами экологической безопасности и охраны труда на производстве.

Таблица 1- Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест

N п/п Наименование вещества Номер CAS Формула Величина ПДК (мг/мЗ) Лимитирующий показатель вредности Класс опасности

максимальная разовая среднесуточная

1. Взвешенные частицы РМ10 - - 0,3 0,06* рез. -

2. Взвешенные частицы РМ2.5 - - 0,16 0,035* рез. -

* - 99 процентиль.

Во второй главе рассмотрены характеристики и физико-механические свойства почв Волгоградской области, анализ проектных решений и статистический анализ превышения запыленности жилых кварталов и городских территорий при производстве земляных работ.

Тип, свойства и характеристики почвы являются важнейшим критерием для подбора способа производства, машин и механизмов, а также основным параметром, влияющим на мощность и распространения пылевых выбросов при производстве земляных работ.

Для оценки параметров «пылевого облака» при проведении земляных работ были проведены опытно-промышленные исследования. Исследования проводились на лессовых породах Волгоградской области, которые представлены покровными суглинками и супесями. Гранулометрических состав свидетельствует о том, что лессовые породы описываемых типов характеризуются средним содержанием пылеватых фракций (0,05-0,005 мм) — в среднем не более 56,3% и большим содержанием песчаной фракции (0,05-2,0 мм) - в среднем 23,2-56,3%. Анализ данных показывает, что влажность лессовых пород в пределах рассматриваемой территории изменяется в достаточно широких пределах: от 0,03 до 0,30.

В качестве базовой машины при проведении исследовашш использовался ДТ-75 с навесным оборудованием ДЗ-42 Волгоградского тракторного заво-

да. При этом направление движения бульдозера при разработке грунта перпендикулярно направлению ветра.

С целью определения высоты выброса, частиц пыли, максимального удаления частиц пыли от рабочей зоны через интервалы времени реализован факторный эксперимент вида З3, определяющими факторами, приведенными в таблице 2, при плашгровании которого выбраны Ур - рабочая скорость движения бульдозера, м/с; Ув - скорость ветра, м/с; ф - влажность грунта, %.

Таблица 2 - Уровни и интервалы варьирования факторов эксперимента

Факторы Интервалы Уровни факторов

-1 0 1

Скорость разработки, \'р, м/с 0.5 0.5 1 1.5

Скорость ветра, Ув, м/с 5 0-2 4-6 9-11

Влажность грунта, <р, % 10 10 20 30

В качестве функций отклика были выбраны: Н - высота выброса частиц пыли, м;

Ы - максимальное удаление частиц пыли от рабочей зоны через интервал времени, Ь1=1 мин;

Ь2- максимальное удаление частиц пыли от рабочей зоны через интервал времени, Ь2=3 мин.

При аппроксимации экспериментальных данных полиномами второго порядка с учетом статистической значимости коэффициентов регрессии получены следующие эмпирические зависимости, характеризующие:

Я = 3,210-0,362*! -0,01&с2 -0,055*3 +0,322^ +0,003*22 -0,001*32 -0,0003*!*2*з (1) Ы = -4,21+3,887^ +2,69Ь2 +0,73Ц +2,206*' +0,021*,2 -0,032х32 -0,056*,*2х:, (2) ¿2 =-16,277+17,Зббг, +б,937ж2 +1,555«, -1,068т,2 -0Д85*2 -0,063*2 -0,104х,*2*3 (3) При переходе от кодированных величин к именованным:

Я =3,210-0,362Ур-0,018Ув-0,05^9+0,322Ур2 +0:0(ШГ -0,00-0,0003Ур*Ув*р П = -4,21+3,887Ур+2,69 1Ув+0,731г/)+2,206Ур2 +0,021Ув2 -0,032^ -0,056Ур* Ы = -16,277+17,366Ур+6,937Ув+1,555р- 1,068Ур2 -0,185Ув2 -0,06%? -0,104Ур*Ув>

Анализ полученных зависимостей, проведенный на основании сопоставления расчетного и табличного значений критерия Фишера, на уровне доверительной вероятности а=0.95, принятого для инженерных экспериментов, подтверждает гипотезу их адекватности.

Анализ экспериментальных данных показывает, что независимая переменная (ср) в наибольшей степени влияет на предсказание значения зависимых переменных.

Рассмотрен вопрос о величине выбросов в атмосферу, а также статистика превышений запыленности атмосферного воздуха в жилых кварталах городских территорий при производстве земляных работ.

В третьей главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований запыленности и дисперсного состава от неорганизованных источников выбросов при производстве земляных работ.

Рассмотрен вопрос анализа дисперсного состава пыли в воздухе рабочих зон производства земляных работ, а также проведен анализ существующих методов его описания. Дисперсный состав пыли является одним из доминантных показателей при решении следующих задач: оценка технологического оборудования как источника пылевыделений, закономерностей пылеоседания и распределения концентраций пыли, анализ ее свойств в воздухе рабочей зоны и в выбросах в атмосферу, а также оценка эффективности инженерно-экологических систем. Проблемами теоретического обоснования зависимостей распределения массы частиц пыли по диаметрам в различное время занимались ученые А.Н. Колмогоров, П.А. Коров, Г.И. Ромашов, П. Розин, Е. Рамблер, И. Свенсон, Н.Я. Авдеев, К.С. Шифрин, Ж. Петрояль и др. Данные исследования доказали, что виды ныли, образующихся при проведении земляных работ, подчиняются логарифмически-нормальному закону распределения. Однако в более поздних работах В.В. Недина, О.Д. Нейкова, И.Н. Логачева, В.А. Минко, Е.И.

11

Богуславского, В.Н. Азарова и других исследователей доказано, что для пыли, поступающей в воздух рабочей зоны и инженерно-экологические системы, при проведении строительных работ более характерно усеченное логарифмически-нормальное распределение.

Анализ результатов дисперсного состава пыли строительных производств показал количественное преобладание мелкодисперсной фракции пыли над крупнодисперсной. Обзор отечественной и зарубежной практики нормирования качества воздуха по содержанию взвешенных частиц показал, что во многих странах норматив устанавливается с учетом размера взвешенных частиц (РМ 10 и РМ2.5) вследствие их различного действия на организм человека и длительности нахождения во взвешенном состоянии в воздухе.

При рассмогрении результатов анализа дисперсного состава пыли в воздухе зоны разработки грунта можно сделать вывод о том, что влияние различных факторов (место отбора пробы, скорость разработки и т.д.), а также изменение параметров воздушной среды в определенных пределах (влажность и подвижность воздуха и т. п.) определяют фракционный состав пыли, то и разброс значений функции прохода следует отнести не к разряду ошибок, а к особенностям случайного процесса. Поэтому представляется целесообразным, как предложено В. Н. Азаровым для рабочих зон и инженерно-экологических систем, рассматривать функции, описывающие дисперсный состав взвешенных частиц в зоне земляных работ как случайные. Была исследована возможность применения метода «рассечения» для исследования дисперсного состава пыли при производстве земляных работ. Вид кривой, описывающей функцию прохода пыли, в большей мере зависит от доли крупных фракций, хотя мелкие превосходят их по количественному составу. Влияние различных случайных процессов, зависящих как от изменяющихся параметров воздуха рабочих зон, так и технологических факторов, заметно распространяется именно на крупные частицы. В основе разработанного В.Н. Азаровым метода «рассечения» лежит предположение о том, что дисперсный состав мелких фракций постоянен, а их отделение от генеральной совокупности частиц пыли позволит опре-

делить функцию прохода пыли независимо от случайного появления в пробе

крупных частиц пыли.

В общем случае функция прохода для совокупности частиц мелких (Щй,)) и крупных (Окр(с1„)) фракций пыли определяются по уточненным формулам (1) и (2) соответствешю:

/Ш) =

100

0(с1р) 0 ,еслн£/ч > Л

0,если с/ч < (1р,

£>(</„ ),ес.'ш с/,, < с1р

(1)

100-1)«)

100-(100--

100 -£(</„)

,если > с!

(2)

Результаты дисперсного аналша и применения метода «рассечения» для пыли, выброшенной в рабочую зону при разработке грунта бульдозером показаны на рис. 1.

На рис. 2 представлены функции плотности распределения значений Б (с!,) в сечениях случайной функции прохода В (с!,,ст), для пыли, содержащейся в воздухе рабочей зоны в месте прокладки траншеи при наиболее характерных размерах частиц.

Для оценки взаимосвязи общей концентрации пыли в воздухе рабочей зоны в месте прокладки траншеи и значениями функции прохода массы частиц пыли, отобранной в воздухе рабочей зоны, проводились исследования в рабочей зоне разработки грунта для (1,= 10 мкм. Значение (1, выбрано на основе утвержденного норматива для мелких, наиболее вредных

для здоровья человека частиц размером 10 мкм.

Актуальной проблемой при оценке пылевой обстановки является определение вероятности того, что величина фракционной концентрации превосходит величину норматива. Например, для неорганической пыли должно выполняться требовшше РМ10<30 мкг/мЗ. Это условие можно записать в виде

1 2 3 Й 10 29 30 :Р0

-г 4= - -

1/7.1

—

у

ША

1 2 >3 5 10 20 ЗО 50 5Ю

1 5 3 5 10 30 30 50 £>0

Рис. 1. Функции прохода и примените метода «Рассечения» для частиц пыли, образующейся при проведении земляных работ в воздухе зоны разработки грунта: а - перед отвалом бульдозера (Скорость ветра - Ув = 0.2-0.5 м/с), б - в зоне зуба рыхлителя (Ув = 0.2-0.5 м/с), в - перед отвалом бульдозера (Ув = 5-6 м/с), г - в зоне зуба рыхлителя (Ув = 5-6 м/с).

Рр, '/. у.

Рис. 2. Функции плотности распределения значений Б (с1,) в сечениях случайной функции прохода В (с1„, яг), для пыли, содержащейся в воздухе зоны разработки грунта: а - перед отвалом бульдозера (Скорость ветра - Ув = 0.2-0.5 м/с), б - в зоне зуба рыхлителя (Ув = 0.2-0.5 м/с), в - перед отвалом бульдозера (Ув = 5-6 м/с), г-в зоне зуба рыхлителя (Ув = 5-6 м/с) - для 1 -(!,= 10 мкм;

2 - с!,= 20 мкм; 3 - (1,= 40 мкм.

СфЮ <30 мкг/ мЗ и затем оценить вероятность того, что в рабочей зоне (на рабочем месте) это требование не выполняется, т.е. найти Р(Сф10 >30 мкг/ мЗ). Отметим, что выбор в качестве норматива для СфЮ значения 30 мкг/мЗ д ля данного соответствует действующим гигиеническим нормативам в России от 19 апреля 2010 г.

Например, для зоны разработки грунта бульдозером, где мы проводили анализ пылевой обстановки подобным образом рассчитаны значения Р(СФ10 <30мкг/ м3) на различных расстояниях от места пыления. Результаты расчетов представлены на рис. 3.

Анализ данных, представленных на рис. 3, показывает, что на значительном расстоянии (более 8 м) норматив (ЗОмкг/ м3) выполняется с вероятностью 0,95 (соответственно риск превышения 0,05), что можно считать удовлетворительным результатом. При нахождении рабочего места ближе 4 м,

Р(Сф10>30 ккг/мз

Рис. 3. Зависимость величины Р(СФ10 <30мкг/ м3) на расстоянии от места пы-ления.

выше становится вероятность превышения норматива. Например, для расстояния в 2,5 м он равен 0,50 (или 50%).

Как отмечалось выше, проведенные исследования подтверждают, что для кривых, описывающих дисперсный состав можно применить метод «рассечения». На основании этого получено уравнение (4) и таблица 3:

1 ("А (х-*}* ¿((1ч) = —т— е -'Я ¿х

ч2я10 (4)

Таблица 3. Характеристики дисперсного состава пыли при производстве земляных работ.

Место отбора пробы а о Ар

1. Перед отвалом бульдозера (\'"в = 0.2-0.5 м/с) 17 1,0724 15

2. В зоне зуба рыхлителя (Ув = 0.2-0.5 м/с) 19 1,327 15

3. Перед отвалом бульдозера (Ув = 5-6 м/с) 12 0,9325 15

4. В зоне зуба рыхлителя (Ув = 5-6 м/с) 13 1,1106 15

Четвертая глава посвящена практическому применению полученных теоретических и экспериментальных результатов. На основании экспериментальных исследований дисперсного состава пыли, выделяющейся при производстве земляных работ, разработана и апробирована на производственной

площадке методика контроля и оценки величины неорганизованных выбросов пыли при работе бульдозерно-рыхлительного оборудования после проведения микроскопического анализа дисперсного состава пыли и применения метода «рассечения», что позволило оценить функции прохода и содержание мелкодисперсной фракции пыли в воздухе рабочей зоны и атмосфере.

Теоретические и экспериментальные исследования дисперсного состава пыли позволили разработать и апробировать на территории предприятия ООО ОСФ «Стройспецмонтаж» устройство для экологически безопасного снятия и перемещения плодородного слоя почвы, оборудованное системой обеспыливания. Экспериментальные исследования выбросов мелкодисперсной пыли, а так же исследования дисперсного состава пыли в воздухе рабочей зоны позволили выявить наиболее важные зоны для размещения систем аспирации при работе навесного оборудования, показанные на рис. 4. На основании результатов исследований разработаны своевременные меры по снижению запыленности рабочей зоны и негативного влияния частиц пыли на работников строительного производства.

Рис. 4. «Бульдозер» оснащенный системой аспирации: 1- базовая машина; 2- толкающие брусья; 3- Отвал; 4- режущий шнек; 5- фреза; 6- узлы-опоры; 7-стойки; 8- гидроцилиндры; 9- камера системы аспирации; 10- всасывающие головки; 11 - гофрированные шланги.

По результатам проведения метода контроля и оценки дисперсного состава пыли были составлены рекомендации по минимизации пылевыделений в рабочую зону и атмосферу при работе бульдозерно-рыхлительного оборудования. Эколого-экономический эффект от его внедрения составил 154 325 руб.

Ожидаемый социально-экономический эффект составит 82 324 руб. за первый год и 109 258 руб. за второй и последующие года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение актуальной задачи, относящейся к разработке современных методов оценки и контроля запыленности воздуха городской среды и рабочей зоны, способов защиты работников и методов сохранения плодородного слоя почвы для обеспечения экологической безопасности и охраны труда при производстве земляных работ. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие основные выводы по работе:

1. Проведенный анализ производства земляных работ показал, что в условиях плотной городской застройки работы производятся «открытым» способом, в результате чего, в ряде случаев запыленность в жилых зонах превышает ПДК в 5-7 раз;

2. На основании проведенного анализа состава грунтов Волгоградской области, а также экспериментальных исследований при разработке грунта бульдозером получены удельные нормативы пылевыделений в атмосферу города и уравнения регрессии для характеристик «пылевого облака»;

3. Полученные экспериментальные зависимости дисперсного состава и концентрации общей массы пыли от времени и расстояния до источника пы-ления в воздухе рабочей зоны позволяют прогнозировать распространение пыли в рабочей зоне и атмосфере.

4. На основании экспериментальных исследований доказано, что применение метода «рассечения» дает возможность более точно описать дисперсный состав пыли мелких фракций, при этом совокупность выбросов можно описать одной интегральной функцией распределения массы частиц по диаметрам;

5. Разработан и апробирован метод для снятия и сохранения плодородного слоя почвы при разработке грунта;

6. Разработано и внедрено на территории ООО ОСФ «Стройспецмонтаж»

устройство удаления запыленного воздуха от бульдозерно-рыхлигельного оборудования для снижения запыленности воздуха рабочих и жилых зон; 7. В результате реализации мероприятий по снижению запыленности воздуха рабочей зоны и атмосферы при производстве земляных работ на строительной площадке ООО ОСФ «Стройспецмонтаж» после применения предложенного оборудования ожидаемый социально-экономический эффект составит 82 324 руб. за первый год и 109 258 руб. за второй и последующие года.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

d4 S - эквивалентный размер частиц; D(d,J - шггегральная функция распределения массы частиц пыли по диаметрам, %; ЦДКрз -предельно-допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны, мг/м3; dp, Sp - диаметр «рассечения», мкм; DM(ôp) - доля мелких фракций в генеральной совокупности пыли, %; Д., (d.), D,rp (d,J - функции прохода мелких и крупных фракций пыли соответственно.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

Публикации в ведущих регрнзируемых научно-технических журналах изданиях, определенных ВАК России по направлению «Строительство»:

1. Новиков В. С. Анализ пыли, поступающей в атмосферу, при разработке грунта бульдозерно-рыхлительным оборудованием/ В. Н. Азаров, В. С. Новиков, Н. А. Маршшн // Интернет-ВестникВолгогр. гос. арх.-строит, ун-та; Сер.: Полиматическая.- Волгоград: ВолгГАСУ, 2011. - Вып 2(16).

2. Новиков, В. С. Нанотехнология сооружения инженерных сетей без труб методом плазменного обжига грунта с комплексной рекультивацией полосы отвода под трубопровод [Текст]/ Ю. Ф. Полковников, В. С. Новиков, Л. С. Пол-ковникова // Вестник Волгогр. гос. арх.-строит. ун-та; Сер.: Строительство и архитектура. - Волгоград: ВолгГАСУ, 2009. - Вып. 14 (33). - С. 112 - 116. (5

с-)-

Патенты:

3. Пат. 2410496 Российская Федерация, МПК51 E02F3/76. Бульдозер. [Текст]/ Ю. Ф. Полковников, В. С. Новиков, С. А. Голев; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Волгогр. гос. арх.-строит. ун-т,- №2009110675; заявл. 23.03.09 г.; опубл. 27.01.2011 г.

Отраслевые издания и материалы конференций:

4. Новиков В. С. Анализ дисперсного состава пыли при разработке грунта

бульдозерно-рыхлительным оборудованием. / В. С. Новиков, Н. А. Маринин// Сборник материалов и научных трудов инженеров-экологов/ Волгоград: ВолгГАСУ, 2011. -Вьш. 3. - С. 44-46.

5. Новиков В. С. Экологически безопасное устройство для производства земляных работ в городском хозяйстве/ В. С. Новиков // Сборник материалов и научных трудов инженеров-экологов/ Волгоград: ВолгГАСУ, 2011. - Вьш. 3. -С.109-112.

6. Новиков В. С. Экологически и технически безопасная технология XXI века прокладки наружных трубопроводов / Ю. Ф. Полковников, В. С. Новиков, Л. С. Полковникова //Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции/г. Ставрополь, 2008 г., С. 166-167.

7. Новиков В. С. Технические решения организации пространства скверов бульвара проспекта В. И. Ленина исторической части г. Волгограда/ В. С. Новиков, С. А. Голев, Ю. П. Иванова, Ю. Ф. Полковников // Материалы Международной научно-практической конференции: «Инновационные организационно-технологические ресурсы для развития строительства доступного и комфортного жилья в Волгоградской области», г. Волгоград: 2008 - С. 53-55.

НОВИКОВ ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ И ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ В ГОРОДСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

05.23.19 Экологическая безопасность строительства и

городского хозяйства 05.26.01 Охрана труда (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 06.04.2012 г. Заказ № 1 Тираж 100 экз. Печ. л. 1,1 Бумага писчая. Печать плоская. Государственное бюджетное учреждение «Волгоградский областной казачий информационно-методический центр». 400001, г. Волгоград, ул. Рабоче-Крестьянская, д. 15.

61 12-5/3073

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

-г/ /

Г'

/" V

НОВИКОВ ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ И ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ В ГОРОДСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

05.23.19 - Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства

05.26.01 - Охрана труда (строительство)

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор В. Н. Азаров Научный консультант: д.м.н., доцент В. П. Батманов

ВОЛГОГРАД 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ .......................................................... 5

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................... П

1.1 Обзор и анализ существующих «открытых» способов выполнения земляных работ, связанных с планировкой местности. Современное состояние прокладки инженерных коммуникаций бестраншейными методами .... 11

1.2 Экологические требования к сохранению плодородности земель, поврежденных в результате проведения земляных работ.................................................................... 20

1.3 Анализ методов улучшения условий труда при производстве земляных работ................................................ 24

1.3.1 Средства защиты работающих при производстве земляных работ.............................................................. 24

1.3.2 Средства и способы защиты окружающей среды при производстве земляных работ...................................... 26

1.4 Анализ способов расчёта распространения пылевых частиц, выбрасываемых в рабочую зону и атмосферу

при производстве земляных работ............................... 29

1.5 Механизм улавливания вредных частиц волокнистыми средами.................................................................. 34

1.6 Задачи, поставленные к исследованию......................... 42

1.7 Выводы по главе 1..................................................... 43

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ............................................................... 44

2.1 Характеристики и физико-механические свойства почвы

Волгоградской области........................................... 44

2.2 Анализ проектных решений, объемов земляных работ при реконструкции, капитальном ремонте и авариях существующих инженерных сетей............................................ 48

2.3 Статистический анализ превышения запыленности жилых кварталов при производстве земляных работ............... 50

2.4 Опытно-промышленные исследования распространения «пылевого облака» в рабочей зоне и атмосфере при разработке грунта бульдозером................................. 56

2.4.1 Программа и методика эксперимента........................... 56

2.4.2 Результаты экспериментальных исследований................ 60

2. 4.3 Анализ результатов исследований............................... 64

2.5 Выводы по главе 2.................................................... 67

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАПЫЛЕННОСТИ И ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА ОТ НЕОРГАНИЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ВЫБРОСОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ................................................ 69

3.1 Состояние воздушной среды при производстве

земляных работ......................................................... 69

3.2 Экспериментальные исследования запыленности и дисперсного состава пыли в воздушной среде при разработке грунта бульдозерно-рыхлительным

оборудованием........................................................... 72

3.2.1 Организация отбора проб выброшенной пыли при

производстве земляных работ..................................... 73

3.2.2 Методика проведения и результаты дисперсного анализа

пыли....................................................................... 75

3.3 Теоретические подходы описания дисперсного состава пыли и фракционной концентрации в воздухе при

производстве земляных работ как случайной функции...... 82

3.4 Выводы по главе 3................................................... 95

ГЛАВА 4. ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ .... 96

4.1 Изобретение для экологически безопасного снятия и перемещения плодородного слоя почвы при производстве земляных работ................................................................................................96

4.2 Устройство для снижения пылевыделений в рабочую зону

и атмосферу при разработке грунта бульдозером....................99

4.3 Применение системы аспирации и аппарата ВЗП. Сравнительный эксперимент аппаратов ВЗП................................102

4.4 Расчёт социального и экономического эффекта..........................106

4.5 Выводы по главе 4....................................................................................................116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................П7

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................119

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................................................133

Приложение 1............................................................................................................133

Приложение 2............................................................................................................134

Приложение 3............................................................................................................135

Приложение 4............................................................................................................136

Приложение 5............................................................................................................137

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Территории современных городов насыщены системой инженерных коммуникаций, проложенных преимущественно ниже поверхности земли. Подземные инженерные сети являются важнейшим элементом инженерного оборудования города и характеризуют степень его развития и благоустройства. В связи с застройкой новых жилых районов и износом старых инженерных сетей, подземные коммуникации каждого города находятся в состоянии непрерывного развития, реконструкции и ремонта, что требует постоянного проведения земляных работ.

При капитальном ремонте, реконструкции, а также устранении аварий существующих инженерных коммуникаций производится вскрытие поверхностного плодородного слоя грунта с последующей разработкой траншеи. Следствием таких работ является изменение поверхностного состава и значительное снижение плодородности почв городских территорий. Кроме того, технологические процессы при производстве земляных работ сопровождаются интенсивным пылевыделением. В рабочих зонах производства работ уровень запыленности превышает предельно-допустимые концентрации и величину выбросов в атмосферу. Систем обеспыливания во время проведения земляных работ не используется. При производстве работ в безветренную погоду мелкодисперсная пыль длительное время находится во взвешенном состоянии в воздухе рабочей зоны. Такие работы часто проводятся в черте города, и в частности, в жилых кварталах, что приводит к загрязнению воздуха придомовых территорий, детских площадок, квартир и т.п.

В настоящее время в ряде стран, в том числе и в России, нормируется содержание в атмосферном воздухе частиц с размерами не более 2,5 мкм (РМ 2,5) и не более 10 мкм (РМ 10), поскольку наибольшую опасность

представляют частицы пыли малого размера, которые способны проникать в легкие человека. Система контроля и оценки дисперсного состава и концентрации частиц именно малых размеров в воздухе рабочих и санитарно-защитных зон в настоящее время отсутствует, что не позволяет объективно оценить степень воздействия пыли на качество производственной и окружающей сред.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Цель работы:

Снижение негативного воздействия на окружающую среду и работников при производстве земляных работ.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- экспериментальное исследование и обобщение данных о дисперсном составе, аэродинамических характеристиках и основных физико-химических свойствах пыли при производстве земляных работ;

- исследования возможности применения метода рассечения для оценки мелких и крупных фракций пыли в воздухе рабочих зон и атмосфере при выполнении земляных работ;

- экспериментальные исследования величины пылевыделений и закономерностей распространения частиц пыли в рабочей зоне и атмосфере при использования бульдозерно-рыхлительного оборудования;

- экспериментальные исследования состава мелких фракций пыли, выделяющейся при разработке грунта строительно-дорожными машинами;

- определение концентрации мелких фракций пыли строительных производств (РМ 10, РМ 2,5);

- внедрение и использование систем очистки воздуха рабочих зон от пыли мелких фракций при производстве земляных работ;

оценка существующих способов производства земляных работ оказывающих вредное воздействие на поверхностный слой почвы; совершенствование способов снятия и перемещения плодородного слоя почвы при производстве земляных работ.

Основная идея работы состояла в использовании стохастических подходов при оценке и контроле содержания мелкодисперсной пыли в воздухе рабочей зоны и атмосферы для разработки мероприятий по снижению запыленности и подбора наиболее эффективного пылеулавливающего оборудования, а также совершенствование методов сохранения плодородного слоя почв для решения задач экологической безопасности и охраны труда при производстве земляных работ.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, лабораторные и опытно-промышленные исследования, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа с применением ПК.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов, планированием необходимого объема экспериментов, подтверждена удовлетворяющей требуемым критериям сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований, выполненных в лабораторных и опытно-промышленных условиях.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- получены экспериментальные зависимости дисперсного состава и концентрации пыли от времени и расстояния до источника пыления в воздухе рабочей зоны и атмосфере;

- определено соотношение концентраций мелких фракций пыли (РМ 10 и РМ 2,5) и общей запыленности воздуха рабочей зоны при работе бульдозерно-рыхлительного оборудования;

- экспериментально исследованы и обобщены в форме уравнений регрессии, закономерности процесса распространения и осаждения частиц пыли, выброшенной в рабочую зону и атмосферу при разработке грунта бульдозером;

Практическое значение работы:

- разработана методика для контроля и оценки величины неорганизованных выбросов пыли при работе бульдозерно-рыхлительного оборудования для разработки и внедрения проектных решений по улучшению качества воздуха жилой зоны для разделов «Мероприятия по защите окружающей среды» при производстве строительных работ;

- разработана методика определения концентрации мелких фракций РМ 10 и РМ 2,5 пыли воздуха рабочей зоны при работе бульдозерно-рыхлительного оборудования по результатам проведенного обследования технологического процесса производства земляных работ как источника пылевого загрязнения;

- разработана методика по расчету дисперсного состава пыли, поступающей в рабочую зону при производстве земляных работ;

- усовершенствована и апробирована методика снятия и сохранения плодородного слоя почвы при производстве земляных работ (патент на изобретение № 2410496);

- разработан метод очистки рабочей зоны от мелкодисперсной пыли при работе бульдозерно-рыхлительного оборудования.

Реализация результатов работы:

- разработана и апробирована на базе ООО ОСФ «Стройспецмонтаж» промышленная установка удаления запыленного воздуха от бульдозерно-рыхлительного оборудования для снижения запыленности воздуха рабочих и санитарно-защитных зон;

- разработана и внедрена на базе ООО ОСФ «Стройспецмонтаж» промышленная установка снятия и сохранения плодородного слоя почвы

для качественной рекультивации земель и снижения экологического урона окружающей среде;

- материалы диссертационной работы использованы кафедрой БЖДТ ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 280101 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», 280102 «Безопасность технологических процессов и производств».

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

- экспериментальные зависимости интегральной функции распределения массы частиц по диаметрам для дисперсного состава и концентрации пыли в атмосфере от времени и расстояния до источника пыления;

- экспериментальные зависимости интегральной функции распределения массы частиц по диаметрам для дисперсного состава и концентрации пыли в воздухе рабочей зоны от времени и месторасположения источника пыления;

- метод удаления запыленного воздуха от бульдозерно-рыхлительного оборудования для снижения запыленности воздуха рабочих и жилых зон;

- метод для снятия и сохранения плодородного слоя почвы при разработке грунта;

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на: ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (Волгоград, 2007-2011 г.); участие во 2 Всероссийской специализированной выставке «Строительная техника — 2009» (Дата проведения: 28-30 апреля 2009г. Организатором выставки является ВЦ «ВолгоградЭкспо»); всероссийской научно-практической конференции «Нанотехнологии и наноматериалы: современное состояние и перспективы развития в условиях Волгоградской области» (ВолгГУ, декабрь, 2008 г.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 7 работах, в том числе в 2 статьях, опубликованных в изданиях, рекомендуемых ВАК России, 1 патент на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы 137 страниц, в том числе: 115 страниц -основной текст, содержащий 17 таблиц на 19 страницах, 27 рисунков на 27 страницах; список литературы из 135 наименований на 13 страницах, 5 приложений на 5 страницах.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Обзор и анализ существующих «открытых» способов выполнения земляных работ, связанных с планировкой местности. Современное состояние прокладки инженерных коммуникаций бестраншейными методами

Процесс производства земляных работ состоит из рыхления, отрыва и выемки (разработки) грунта, перемещения его к месту разгрузки в насыпь или в отвал и укладки грунта с разравниванием и уплотнением. Для сохранения и последующего использования в рекультивации нарушенных земель, технологический этап земляных работ, связанный с планировкой местности, осуществляется с предварительным снятием и перемещением плодородного слоя почвы. В настоящее время в строительстве применяют три способа разработки грунта: взрывной, гидромеханический и механический [115].

Взрывной способ заключается в разрушении грунта путем взрыва, а при необходимости также и в перемещении земляных масс в нужном направлении силой газов, образующихся при сгорании взрывчатых веществ (взрыв на выброс); гидромеханический— в размыве грунта струей воды под давлением до 300 МПа из гидромонитора или всасывании грунта землесосом из-под воды; механический способ заключается в отделении части грунта резаньем при помощи зубьев ковша, ножом или резцом.

Соответственно каждый из этих способов имеет свою область применения. В условиях плотной городской застройки традиционно используется механический способ выполнения земляных работ. В городском строительстве разработку грунтов ведут в основном одноковшовыми экскаваторами, бульдозерами, скреперами и автогрейдерами [115].

Выбор способов производства земляных работ зависит от таких факторов как: размеры и объемы земляных сооружений, свойства грунта, наличия грунтовых вод и других условий.

Разработка грунтов одноковшовыми экскаваторами.

Одноковшовый экскаватор — самоходная машина с одним ковшом, предназначенный для разработки грунтов с последующим перемещением и выгрузкой их в отвал или в транспортные средства. Строительные экскаваторы являются универсальными, так как приспособлены для выполнения различных земляных общестроительных работ за счет смены своего рабочего оборудования в короткий срок и непосредственно в условиях строительной площадки. Они могут иметь следующее сменное оборудование: прямую лопату, обратную лопату, драглайн, грейфер, кран, копер для забивки свай, корчеватель пней.

Разработка грунтов бульдозерами.

Бульдозер представляет собой базовый тягач, оснащенный навесным оборудованием, на гусеничном или колесном ходу, предназначен для послойного срезания и перемещения грунта. Рабочим органом бульдозера является отвал