Введение к работе
Актуальность темы.
В развитии горнорудной промышленности прослеживается устойчивая ориентация на открытый способ разработки как наиболее экономичный и высокопроизводительный. За последние 30 лет доля руд черных и цветных металлов, добытых на карьерах, увеличилась соответственно с 56 до 86% и с 40 до 55%. Исследованиями на многих карьерах установлено, что при высокой интенсификации и концентрации производства, с увеличением глубины происходит загрязнение вредными примесями атмосферы, превышающее ПДК: по запыленности воздуха на рабочих местах в 3-5 раз, по оксидам углерода в 1,5-3 раза, по оксидам азота в 5-7 раз. Это приводит к появлению профессиональных заболеваний горнорабочих, снижению производительности труда и производственному травматизму.
С ухудшением экологической обстановки на открытых горных работах в 50-60-х годах XX века начала интенсивно развиваться новая область горной науки - «Аэрология карьеров», основоположником которой был академик А.А. Ско-чинский. Теоретической базой новой науки явились рудничная аэрогазодинамика, горная теплофизика, метеорология и др. Большое влияние на решение теоретических и практических вопросов проблемы оздоровления условий труда на карьерах и сокращения вредного воздействия на окружающую среду открытых горных работ оказали труды члена-корреспондента АН УССР Ф.А. Абрамова; докторов наук Н.З. Битколова, П.В. Бересневича, Л.Д. Вассермана, Г.В. Калабина, Л.Г. Качурина, М.М. Конорева, К.В. Кочнева, А.А. Кулешова, В.А. Михайлова, B.C. Никитина. В.В. Силаева, К.З. Ушакова, С.С. Филатова; кандидатов наук ЯЗ. Бухмана, А.А. Вершинина, Ю.В. Гуля, И.И. Иванова, Л.А. Козакова, Н.В. Ненашева, А.И. Павлова, Г.А. Радченко, СМ. Рослякова, Ю.Д. Хечуева и других.
Основными причинами загрязнения атмосферы карьеров являются несовершенство технологических процессов и оборудования, ухудшение условий естественного воздухообмена с ростом глубины карьеров.
Следует отметить, что при «нормальном» (естественном) воздухообмене регулирование и управление пылегазовым и климатическим режимами в атмосфере карьеров осуществляется за счет природных аэрогазодинамических и теп-ломассообменных процессов. Применяемые организационно-технические и технологические мероприятия обеспечивают лишь частичное сокращение выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) в окружающую среду. Однако при отсутствии осадков (дождь, град, снег, иней) выделяющиеся при работе технологического комплекса вредные примеси выносятся ветровыми потоками и загрязняют прилегающие к карьерам территории - почву, воздушную и водную среды. При мороси и тумане в атмосфере карьеров может возникнуть «смог» вследствие адсорбции частицами переувлажненного воздуха токсичных веществ (оксиды азота, бенз(а)пирен, сажа и др.), выделяющихся с отработавшими газами автотранспорта. Кроме того, при происходит загрязнение почвы и поверхностных вод при выносе ЗВ с адсорбированными осадками, а также подземных вод через поверхно-
сти выработанного карьерного пространства. Поскольку ПДК ЗВ для окружающей природной среды, в частности, для «селитебных зон», значительно (~ на порядок) ниже, чем для атмосферы карьеров и промплощадок, то в данном случае следует учитывать экологический ущерб, который не может быть скомпенсирован в виде платы за выбросы ЗВ.
При неблагоприятных метеоусловиях (НМУ - сочетание штилей с инверсиями) происходит лишь усугубление экологической ситуации, когда в соответствии с требованиями ЕПБ возникает необходимость прекращения производства горных работ. Продолжительность НМУ для карьеров Якутии, Восточной Сибири, Северо-Запада и Урала составляет соответственно 3500, 2720, 1650 и 1220 часов в год. Вынужденные простои карьеров вследствие превышения ПДК ЗВ приводят к экономическому ущербу предприятий и свидетельствуют о низкой эффективности организационно-технических мероприятий и средств по регулированию пылегазового режима. В связи с этим, необходимость применения технических способов и средств, позволяющих эффективно регулировать и управлять пылегазовым и климатическим режимами в атмосфере карьеров путем искусственного формирования аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов для нормализации ее состава и предотвращения выброса ЗВ в окружающий воздушный бассейн является обязательным условием обеспечения безопасности жизнедеятельности экосистемы «карьер - окружающая среда», в т.ч. и при нормальном (естественном) воздухообмене.
Серьезную опасность для существования экосистемы «карьер - окружающая среда» представляют массовые взрывы. Образующееся при взрывах пылега-зовое облако (ПГО) при выходе за пределы карьера под воздействием ветра перемещается, загрязняя почву, поверхностные воды и значительные объемы окружающего воздушного бассейна. Кроме того, до 40-60 % вредных примесей остается во взорванной горной массе, что при отсутствии эффективных средств и способов их подавления может привести к отравлению горнорабочих при экскавации и транспортировании. В связи с этим, с экологической точки зрения производство массовых взрывов при высокой ветровой активности является недопустимым без применения эффективных средств и способов подавления ЗВ в ПГО и взорванной горной массе.
На основании предшествующих исследований установлено, что для обеспечения экологической безопасности на открытых горных работах одним из перспективных направлений является использование свободных турбулентных струй.
Состояние научных исследований, опытно-конструкторских работ и результаты испытаний различных типов вентиляторов на основе авиационных винтов и двигателей позволили перейти от испытаний единичных образцов вентиляторов к созданию систем всесезонного пылегазоподавления.
Однако, в теоретическом и практическом планах в предшествующих научных работах не было уделено достаточно внимания исследованиям аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов, происходящих в атмосфере карьеров и окружающей среде при воздействии газовоздушных и многофазных струй и при массовых взрывах, а также обоснованию параметров конструктивных эле-
ментов и устройств средств пылегазоподавления.
Следует отметить, что Государственной программой РФ в ближайшее время предусмотрено развитие сырьевой базы в районе «Малого БАМа» (на юге Якутии) с уникальным растительным и животным миром. В связи с этим проблема обеспечения безопасности жизнедеятельности экосистемы «карьер - окружающая среда» потребует кардинального решения при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом в сложных горно-геологичес-ких и суровых природно-климатических условиях.
Объектом исследования является атмосфера карьера и окружающая среда, санитарно-гигиенические параметры которых формируются под воздействием метеорологических, горногеологических и технологических факторов. Аэрогазодинамические и тепломассообменные процессы, протекающие в атмосфере карьера и окружающей среде при воздействии многофазных струй и при массовых взрывах, составляют предмет научного исследования.
Цель работы - формирование рациональных аэрогазодинамических и теп-ломассообменных процессов для нормализации атмосферы карьеров и обеспечения экологической безопасности окружающей среды.
Идея работы заключается в искусственном формировании в атмосфере карьеров аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов с применением генераторав осадков на базе турбовинтовых двигателей (ТВД) для повышения экологической безопасности открытых горных работ.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Определить аэрогазодинамические параметры турбулентных газовоз
душных и многофазных потоков, создаваемых в атмосфере карьера генераторами
на основе турбовинтовых двигателей.
-
Установить эффективность процессов восстановления естественного воздухообмена методом физического моделирования и промышленного эксперимента.
-
Теоретически и в промышленнык условиях определить эффективность тепломассообменньх процессов с применением генераторов осадков при положительных и отрицательных температурах в атмосфере карьера.
-
Обосновать и разработать рациональные конструктивные элементы и устройства мощных средств пылегазоподавления.
-
Разработать теоретические основы азрогазодинамических и тепломассообменных процессов, происходящих при массовых взрывах в карьерах;
-
Обосновать необходимый состав комплекса средств нормализации состава атмосферы карьеров.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Искусственное формирование в атмосфере карьеров рациональных аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов обеспечивает нормализацию ее состава за счет разрушения температурных инверсий, активного пылегазоподавления и кондиционирования воздуха с применением генераторов газовоздушных и многофазных турбулентных струй и средств экологического мониторинга.
-
Повышение эффективности искусственного формирования в атмосфере карьеров аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов с применением генераторов осадков на базе турбовинтовых двигателей (ТВД) достигается за счет оптимальных параметров входного коллектора и кожуха (насадка), применения конструктивных элементов и устройств - входных водораспылительных контуров, гидравлических бесфорсуночных сопел, газовыводящих патрубков и систем - шумоглушения, сканирования струй и регулирования их степени неизо-термичности.
-
Пылегазовое облако (ПГО) формируется и поднимается как изотропный осесимметричный термик («пузырь») до уровня конвекции zk за время тк. При этом изменение температурного перегрева, скорости и времени подъема описываются соответственно - линейно-гиперболической, тригонометрически-гиперболической и тригонометрической зависимостями. После уровня конвекции увеличение относительного радиуса и уменьшение относительной концентрации примесей во времени характеризуются соответственно параболической и гиперболической зависимостями.
-
За счет предварительной обработки зоны взрыва и последующего активного воздействия на ПГО многофазных струй турбовентиляторов в атмосфере карьера и облаке возникает инверсия, предотвращающая выход облака за пределы карьера и обеспечивающая условия для активного его рассеяния и подавления.
Научная новизна работы заключается в:
теоретическом обосновании параметров конструктивных элементов и устройств мощных средств пылегазоподавления;
обосновании комплекса средств при искусственном формировании рациональных аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов для нормализации состава атмосферы карьеров;
разработке на основе лабораторных исследований и промышленных испытаний эффективных способов интенсификации искусственного воздухообмена в атмосфере карьеров;
установлении новых закономерностей процессов формирования, развития и распада ПГО на базе разработанных теоретических основ аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов, происходящих при массовых взрывах;
разработке теоретических основ аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов, происходящих в атмосфере карьеров и ПГО при формировании, развитии и рассеянии последнего во влажной стратифицированной атмосфере;
разработке аналитических способов расчета параметров облака, зон возможного загрязнения (ЗВЗ) и оценки эффективности воздействия на подавление ПГО многофазных струй.
Методы исследования. При выполнении работы использован комплекс методов, включающий: анализ и обобщение ранее выполненных исследований по проблеме; лабораторные и промышленные эксперименты; приборные и инструментальные измерения; математическое моделирование, вычислительная математика; объемное физическое моделирование при исследовании параметров струй и
процессов искусственного воздухообмена; опытно-промышленные испытания средств и систем всесезонного пылегазоподавления. Личный вклад автора заключается в:
обосновании параметров конструктивных элементов и устройств мощных средств пылегазоподавления, обеспечивающих улучшение аэрогазодинамических и санитарно-гигиенических характеристик;
разработке и обосновании новой технологии тепломассообменных процессов с применением перемещающихся в карьерном пространстве турбулентных струй;
разработке аналитических зависимостей для расчета дефицита энергии неустойчивости атмосферы карьеров при температурных инверсиях;
разработке теоретических основ процессов формирования, развития и рассеяния ПГО при массовых взрывах в карьерах;
разработке теоретических основ процессов развития ПГО во влажной стратифицированной атмосфере карьеров и активного подавления облака с применением многофазных струй;
непосредственном участии в разработке, внедрении и промышленных испытаниях средств и систем всесезонного пылегазоподавления на карьерах Урала, Казахстана, Средней Азии и Забайкалья.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается соответствием и непротиворечивостью теоретических выводов фундаментальным законам физики; достаточно высокой степенью сходимости (85%) результатов лабораторных и промышленных экспериментов по разрушению температурных инверсий; представительным объемом лабораторных экспериментов и промышленных испытаний средств искусственного воздухообмена и пылегазоподавления на карьерах; разработкой теоретических основ аэрогазодинамических и тепломассообменных процессов, происходящих при массовых взрывах.
Научная значимость работы заключается в систематизации, обобщении и развитии научных исследований в области аэрологии карьеров, рудничной аэрогазодинамики, горной теплофизики и разработке на этой основе научной методологии экологически-оптимального управления пылегазовым и климатическим режимами в атмосфере карьеров с целью обеспечения нормальных санитарно-гигиенических условий и снижения вредного воздействия открытых горных работ на окружающую среду.
Практическое значение работы состоит в обосновании рациональных условий применения средств искусственного воздухообмена и подавления вредных примесей в атмосфере глубоких карьеров; технико-экономическом обосновании выбора типа привода карьерных вентиляторов; разработке аэродинамических схем и конструкций карьерных вентиляторов-оросителей на базе ТВД; разработке конструкций устройств для генерирования многофазных струй и твердых осадков; разработке и внедрении в производство средств и систем всесезонного пылегазоподавления; разработке и испытании в промышленных условиях способов интенсификации искусственного воздухообмена и подавления пылегазового облака с помощью многофазных струй; разработке теоретических основ для расчета
пераметров ПГО и зон возможного загрязнения (ЗВЗ).
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Результаты исследований доведены до промышленного применения и вошли в проекты реконструкции карьеров трубка "Мир" (1980), Тейского (1986), Оленегорского (1984, 1990), Канарского (1990), Костомукшского (1992) ГОКов.
Средства и системы всесезонного пылегазоподавления прошли промышленные испытания на карьерах Урала (ГБРУ, НТМК, комбинат «Ураласбест»), Казахстана (ЦГХК), Средней Азии (НГМК, карьер «Мурунтау») и Забайкалья (ПГХК и ЗабГОК).
Внедрение систем всесезонного пылегазоподавления на карьерах Целинного (ЦГХК) и Приаргунского горно-химических комбинатов позволило получить годовой экономический эффект 330 тыс. руб. (в ценах 1990 г.).
Апробация работы. Основные положения диссертации и ее результаты докладывались и получили одобрение на технических совещаниях институтов Ги-проруда, ВНИПИпромтехнология, Уралгипроруда, ВНИИпроектасбест, ВНИИБТГ, всесоюзных научных конференциях и совещаниях по проблемам аэрологии карьеров и охраны труда «Физико-технические проблемы управления воздухообменом в горных выработках больших объемов» (1976, 1979, 1983 гг.), «Проблемы аэрологии современных горнодобывающих предприятий» (1980), «Теоретические и прикладные вопросы воздухообмена в глубоких карьерах» (1985), «Эффективные технологии, способы и средства, обеспечивающие современные требования к экологии при разработке месторождений полезных ископаемых» (1990), Международном симпозиуме «Проблемы безопасности при эксплуатации месторождений полезных ископаемых в зонах градопромышленных агломераций» (1995), Международной конференции «Горные науки на рубеже XXI века» (1997), «Международной конференции по открытым и подземным горным работам» (1998), Международной конференции «Проблемы геотехнологии и недроведения» (1998), на второй международной конференции «Ресурсо-воспроизводящие малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (2003), ежегодных конференциях «Неделя горняка» (1997-2008 гг.).
Результаты разработок экспонировались на ВДНХ СССР и были отмечены тремя бронзовыми медалями. Внедрение технических решений отмечено знаком «Изобретатель СССР».
Диссертация обобщает разработки плановых научных исследований ИГД УрО РАН (ИГД МЧМ СССР), выполненных с 1970 по 2008 гг.
Публикации. Основные положения диссертации отражены в 115 печатных работах: 95 статей, в том числе 21 - в научных изданиях, входящих в Перечень ВАК, одна монография, 18 авторских свидетельств на изобретения, один патент РФ.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из 6 глав, изложенных на 355 страницах машинописного текста, содержит 21 таблицу, 87 рисунков и список литературы из 221 наименования.
Автор выражает глубокую и искреннюю благодарность докторам технических наук А.В. Гальянову, М.М. Конореву, кандидатам наук А.А. Вершинину, А.И. Павлову, СМ. Рослякову, О.Г. Страшникову; инженерам М.В. Блонскому,
A.A. Киенко, В.Н. Макарову, Ю.Л. Калифатиди, Т.Г. Петровой, В.И. Прибылеву за помощь при проведении исследований и подготовке к диссертации к защите.
Похожие диссертации на Управление аэрогазодинамическими и тепломассообменными процессами при нормализации атмосферы карьеров
