УДК 622.014 Чечнева Екатерина Сергеевна ФГБУН Институт проблем комплексного освоения недр РАН

УДК 622.014
Чечнева Екатерина Сергеевна
магистр техники и технологии по направлению «Горное дело»
ФГБУН Институт проблем комплексного освоения недр РАН
г. Москва
МЕТОД ОЦЕНКИ ИЗМЕНЕНИЯ ОПАСНОСТИ
ПЫЛЕВЫДЕЛЕНИЯ ДЛЯ АТМОСФЕРЫ И ПОЧВЕННОГО
ПОКРОВА ТЕРРИТОРИИ С УДАЛЕНИЕМ ОТ ИСТОЧНИКА
ВЫБРОСА
METHOD OF AN ASSESSMENT OF CHANGE OF DANGER OF A
DUST ALLOCATION FOR THE ATMOSPHERE AND A SOIL COVER
OF A TERRITORY WITH REMOVAL FROM AN EMISSION SOURCE
При осуществлении в карьерах технологических процессов
происходит загрязнение пылью атмосферы и почвенного покрова
прилегающих территорий. В случае если фактическая нагрузка от пылевых
выбросов на атмосферу и почвенный покров превышает её граничные, т. е.
предельно допустимые, значения, существует опасность для указанных
объектов окружающей среды.
Предлагаемый метод оценки изменения опасности пылевыделения с
удалением от источника выброса даёт возможность определения величины
опасности пылевых выбросов для атмосферы и почвенного покрова на
любом расстоянии от источника выброса и позволяет решить обратную
задачу – в любом из направлений господствующих ветров определить
расстояние, за пределами которого пылевые выбросы будут безопасны для
атмосферы и почвенного покрова данной территории.
Реализация предлагаемого метода представлена на примере оценки
изменения опасности пылевыделения с поверхности отвала скальной
вскрыши Стойленского ГОКа для атмосферы и почвенного покрова
месторождения с удалением от источника выброса (границы указанного
отвала).
Величины фактической нагрузки пылевых выбросов, соответственно,
на атмосферу и почвенный покров, определяются по следующим
соотношениям:
m а(L)  K а
m п(L)  К п
И а(L) 
(1) ; И п(L) 
(2),
Wа(L)
Wп(L)
где m а(L) и m п(L) – масса пыли, оставшейся в атмосфере и осевшей на почву
на расчётном расстоянии от границы отвала, т; К а  400 и К п  1,1 –
коэффициенты нагрузки пыли для атмосферы и почвенного покрова;
131
Wа(L) и Wп(L) – ресурсы воздуха и почв в пределах расчётного расстояния,
т.
Для определения массы пыли, оставшейся в атмосфере и осевшей на
почву, необходимо знать аналитические зависимости долей массы пыли,
соответственно, оставшейся в атмосфере и осевшей на почву, в общей
массе выбросов пыли в атмосферу, от расстояния до источника
пылевыделения (границы отвала), а также общую массу выбросов пыли в
атмосферу за период оценки. Период оценки выбран равным 1 году.
Названные графические, а затем – и аналитические – зависимости
были получены в результате применения методики определения изменения
массы пыли в пылевом облаке с течением времени, разработанной в
ИПКОН РАН. Данная методика изложена ниже.
На величину длительности существования пылевых частиц в
атмосфере влияют следующие параметры пылевого выброса: высота
выброса пылевого облака; крупность частиц, содержащихся в пылевом
облаке; плотность частиц, содержащихся в пылевом облаке.
Высота выброса пылевого облака принята равной высоте отвала,
составляющей 70 м [1].
Дисперсный состав пыли, содержащейся в пылевом облаке в момент
его образования, выраженный в процентах от, соответственно, количества
и массы выбросов, известен из [1] и представлен в табл. 1 и 2 и на рис. 1.
Таблица 1.
Дисперсный состав пыли, содержащейся в пылевом облаке в момент
его образования, %.
Фракции пыли,
мкм
0-1,4 1,4-4,2
Количество пыли
по фракциям, % 86,03
11,9
4,2-9,8
9,8-15
15-30
30-45
45-105
0,91
0,91
0,16
0,06
0,03
Таблица 2.
Распределение массы пыли, содержащейся в пылевом облаке в
момент его образования, по фракциям, %.
Фракции пыли,
мкм
Масса пыли по
фракциям, %
0-1,4
1,4-4,2
4,2-9,8
9,8-15
15-30
30-45
45-105
0,15
1,31
1,57
8,72
9,11
15,87
63,35
132
Рис. 1. Распределение массы пыли, содержащейся в пылевом облаке в
момент его образования, по фракциям, %.
Нарастание массы пыли в пылевом облаке с увеличением размеров
фракций пыли представлено в табл. 3.
Таблица 3.
Нарастание массы пыли в пылевом облаке, %, с увеличением
размеров фракций пыли, мкм.
Фракции пыли, мкм
1
1,4
4,2
9,8
15
30
45
105
Масса пыли по
0
0,07 1,38 2,95 11,17 20,78 36,65 100
фракциям, %
Максимальная скорость оседания частиц пыли крупностью не менее 1
мкм может быть рассчитана по формуле (5), полученной в ходе
преобразования формул (3) и (4) (формулы (3) и (4) приведены в [2]):
d 2п
d 2п g
v g  g (3);  
(4); v g 
, м/с (5),
18
18
133
где d – диаметр частицы, м;  п  2690 кг/м 3 – плотность породы (сланцев);
g  9,8 м/c 2 – ускорение свободного падения;   1,8  10 5 Па  с – вязкость
воздуха.
С другой стороны, максимальная скорость оседания частиц,
выпавших на расчётном расстоянии, может быть найдена из соотношения
(7), полученного в ходе преобразования формулы (6) (формула (6)
приведена в [2]):
hv
hv
, м/с (7),
lос 
(6); v g 
l ос
vg
где h - высота выброса пылевого облака, м; v  4,3 м/c – скорость
воздушного потока, равная среднегодовой скорости ветра в
Старооскольском районе [1]; l ос – расстояние от источника
пылевыделения (длина пути оседания частицы определённого диаметра),
м.
Путём приравнивания (5) и (7) рассчитывается максимальный диаметр
частиц, осевших из пылевого облака:
18hv
d
, м (8).
 п gl ос
В результате подстановки в формулу (8) ряда величин расстояний от
источника пылевыделения (границы отвала) – от 500 до 10000 м (с
интервалом 500 м) – были рассчитаны максимальные диаметры частиц,
осевших из пылевого облака на каждом из данных расстояний. Затем с
учётом найденных величин диаметров частиц, а также ранее полученных
долей массы пыли, соответственно, оставшейся в атмосфере и осевшей на
почву в момент образования пылевого облака, в общей массе выбросов
пыли в атмосферу, в зависимости от размера фракций пыли, были
рассчитаны доли массы пыли, соответственно, оставшейся в атмосфере и
осевшей на почву на каждом из расчётных расстояний.
По полученным результатам были установлены графические и
аналитические зависимости долей массы пыли, соответственно,
оставшейся в атмосфере и осевшей на почву, в общей массе выбросов
пыли в атмосферу, от расстояния до источника пылевыделения (границы
отвала). Зависимости представлены на рис. 2 и 3.
134
Доли массы пыли, оставшейся в атмосфере, % = 179,5826-42,8074*log10(x)
Доли массы пыли, оставшейся в атмосфере, %
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
L, м
Рис. 2. Зависимость долей массы пыли, оставшейся в атмосфере, в общей
массе выбросов пыли в атмосферу, %, от расстояния до источника
пылевыделения, м.
135
Доли массы пыли, осевшей на почву, % = -81,1193+43,1281*log10(x)
100
Доли массы пыли, осевшей на почву, %
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
L, м
Рис. 3. Зависимость долей массы пыли, осевшей на почву, в общей массе
выбросов пыли в атмосферу, %, от расстояния до источника
пылевыделения, м.
Масса выбросов пыли в атмосферу за 1 год составляет:
М    Sотв  N, т (9),
где  – удельная сдуваемость пыли с поверхности отвала, мг/c · м2;
Sотв  195877 ,86 м 2 – площадь пылящего участка отвала, м2 [1,
2]; N  80  (24  60  60)  6912000 с – количество пылящих дней в году в
Старооскольском районе, выраженное в секундах.
Площадь пылящего участка отвала определяется по формуле [2]:
Sотв  lb (10),
где l – длина пылящего участка отвала, м; b – ширина сечения факела,
равная ширине пылящего участка отвала, м.
Длину пылящего участка отвала необходимо рассчитать по формуле
h
l
(11),
tg 
где h – высота сечения факела на границе участка, в котором замеряется
запылённость воздуха, м;  - угол раскрытия пылевого факела у
136
поверхности отвала (согласно закономерностям движения турбулентных
свободных струй   5 , tg  0,087 [2]).
Высоту сечения факела подбирают удобной для замеров средней
концентрации пыли, и обычно она составляет h  3  6 м. Тогда длина
участка составит l  34  70 м [2].
Таким образом, площадь пылящего участка отвала составит
Sотв  195877 ,86 м 2 .
Удельная сдуваемость пыли с поверхности отвала определяется по
формуле, приведённой в [2]:
  Аv B , мг/с  м 2 (12),
где А  0,0097, В  2,887 – эмпирические коэффициенты [2]; v  4,3 м/c –
скорость воздушного потока над поверхностью отвала, равная
среднегодовой скорости ветра в Старооскольском районе [1].
Таким образом, масса выбросов пыли в атмосферу за 1 год составит:
М  880 т.
И, наконец, масса пыли, соответственно, оставшейся в атмосфере и
осевшей на почву на расчётном расстоянии от границы отвала, будет
определяться по полученным ранее аналитическим зависимостям,
представленным на рис. 2 и 3, а также с учётом найденной массы выбросов
пыли в атмосферу за 1 год, т. е. по выражениям:
mа(L)  8,8  (179,5826 - 42,8074  lg L), т (13);
mп(L)  8,8  (-81,1193  43,1281  lg L), т (14),
где L – расчётное расстояние, м; 8,8 – коэффициент для перевода
размерности (из % в т), полученный в результате учёта массы выбросов
пыли в атмосферу за 1 год.
Ресурсы воздуха для каждого из расчётных расстояний от границы отвала
рассчитываются так:
ст в
Wa(L)
Wa(L) 
, т (15) ,
ПЗА
где Waст( Lв) – ресурсы воздуха с учётом стока воздуха для каждого из
расчётных расстояний, т. е. ресурсы воздуха, проходящие по оцениваемой
территории в течение периода оценки со среднегодовой скоростью, т; ПЗА
– потенциал загрязнения атмосферы, характеризующий способность
атмосферы к самоочищению и, следовательно, ресурсы воздуха, в период
оценки. ПЗА – сочетание метеорологических факторов, обуславливающих
уровень возможного загрязнения атмосферы. Таким образом, практически
ПЗА показывает, во сколько раз запасы воздуха в районе (на территории)
меньше условных. По данным, приведённым в работе [5], потенциал
загрязнения атмосферы для района расположения данного отвала
составляет
137
ПЗА  2,85 .
Ресурсы воздуха с учётом стока воздуха для каждого из расчётных
расстояний составляют:
н/подв
Wa(L)
Nv
ст в
Wа(L) 
, т (16),
Sc(L)
где Wан/подв
– ресурсы неподвижного воздуха над каждым из секторов, т; N
( L)
– количество пылящих дней в году в Старооскольском районе, выраженное
в секундах; v – среднегодовая скорость ветра в Старооскольском районе,
м/с; Sс(L) – площадь сектора на расчётном расстоянии, м2.
Ресурсы неподвижного воздуха над каждым из секторов составляют:
н/подв
Wа(L)
 Sс(L)  h L  возд , т (17) ,
где h L – высота подъёма факела выброса на расчётном расстоянии,
м; возд  1,293 кг/м3  1,293 10-3 т/м 3 – плотность атмосферного воздуха.
Площадь сектора определяется так:
L2 2
Sс(L) 
, м (18) ,
8
где L – расчётное расстояние, м.
Высота подъёма факела выброса на расчётном расстоянии
определяется по формуле [2]:
h L  h и  L  tg 5 (19) ,
где h и – высота источника выделения примесей, м.
Ресурсы почв в пределах необходимого расстояния от границы отвала
рассчитываются так:
Wп(L)  Sс(L)  h п  п , т (18),
h п  0,25 м
где
–
мощность
почвенного
покрова;
п  1  1,3 т/м 3  1,15 т/м 3 – объёмная плотность почвы (чернозёма).
Величина граничной нагрузки пылевых выбросов на атмосферу
составляет:
Сгр
И гр а 
 0,00015468 (19) ;
возд
где Сгр  200 мг/м3 – максимально разовая величина ПДК СО2 для
атмосферного воздуха; возд  1,293 кг/м3
воздуха.
– плотность атмосферного
138
Величина граничной нагрузки пылевых выбросов на почвенный
покров составляет:
h тер. сл.
И гр п 
 0,0002 (20) ,
hп
где
максимально
допустимая
мощность
h тер. сл.  0,05 мм/год –
теряющегося слоя почвы; h п  0,25 м – мощность почвенного покрова, мм.
При расчёте величины граничной нагрузки пылевых выбросов на
почвенный покров исходим из установленной нормы эрозии как
допустимой величины потери почвы, т. е. потери, которая может
компенсироваться процессами почвообразования. В зависимости от типов
и подтипов почв нормы эрозии изменяются от 0,2 до 0,5 т/га в год. Если
принять для расчёта наибольшую из возможных норму эрозии, равную 0,5
т/га в год, то, учитывая, что потеря слоя почвы мощностью 1 мм
приблизительно составляет 10 т/га, можно определить максимально
допустимую
мощность
теряющегося
слоя
почвы.
Она
составит h тер. сл.  0,05 мм/год .
Опасность пылевых выбросов, соответственно, для атмосферы и
почвенного покрова, определяется из соотношений
И
И
Оа  а (21); Оп  п (22).
И гр а
И гр п
Расчёт величин опасности пылевых выбросов с поверхности отвала
скальной вскрыши Стойленского ГОКа для атмосферы и почвенного
покрова (а также промежуточный расчёт – величин фактической нагрузки
их на указанные объекты окружающей среды) Старооскольского
железорудного района был выполнен для ряда расстояний от границы
отвала (для атмосферы – от 50 до 150 м, для почвенного покрова – от 550
до 900 м (с интервалом 50 м)) с распределением полученных величин по
розе ветров данного района [4]. Результаты расчёта позволили в каждом из
направлений господствующих ветров определить то расстояние до
источника пылевыделения (границы отвала), на котором величины
фактической и граничной нагрузок становятся равными, т. е. возникает
опасность пылевых выбросов для атмосферы и почвенного покрова. На
расстояниях, больших полученного значения, опасность для атмосферы и
почвенного покрова отсутствует. Результаты указанного расчёта,
соответственно, для атмосферы и почвенного покрова представлены
графически на рис. 4 и 5.
139
Рис. 4. Граница опасности для атмосферы, м.
140
Рис. 5. Граница опасности для почвенного покрова, м.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что для почвенного
покрова опасность пыления отвала распространяется на большее, чем для
атмосферы, расстояние от его границы.
Литература.
1. Методические рекомендации по определению влияния горных
работ на загрязнение атмосферы и прилегающих земель при
формировании схемы размещения промышленных отходов (на стадии
проектирования). – Губкин: Научно-исследовательский институт по
проблемам Курской магнитной аномалии им. Л. Д. Шевякова, 1990.
2. Горлов В. Д., Петров Н. А., Горлов Ю. В. Решение практических
задач по экологии горного производства: Учебное пособие. –
Новочеркасск: Изд-во НАБЛА, 1996. – 270 с.
3. Методика расчёта выбросов вредных веществ карьеров с учётом
нестационарности их технологических процессов. – Кривой Рог,
ВНИИБТГ, 1988. – 57 с.
141
4. Территориальные комплексные схемы охраны природы в районе
Курской магнитной аномалии. Том I, книга I, часть I. Общая
пояснительная записка. Интегрирующий анализ существующего состояния
окружающей
среды.
–
Донецкий
филиал
института
ВНИПИчерметэнергоочистка, 1987.
5. Безуглая Э. Ю. Метеорологический потенциал и климатические
особенности загрязнения воздуха городов. – Л.: Гидрометеоиздат, 1980.
Аннотация.
Представлены результаты оценки опасности пыления карьерного
отвала для атмосферы и почвенного покрова прилегающих территорий.
Сравнение результатов свидетельствует о большем для почвенного
покрова, чем для атмосферы, расстоянии от границы отвала, на которое
распространяется опасность его пыления.
Results of an assessment of danger of dusting of a career dump to the
atmosphere and a soil cover of adjacent territories are constituted. Comparison
of results testifies about bigger for a soil cover, than for the atmosphere, distance
from dump border on which danger of its dusting extends.
Ключевые слова.
опасность, фактическая нагрузка, граничная нагрузка, атмосфера,
почвенный покров, отвал, масса пыли, ресурсы воздуха, ресурсы почв
danger, actual loading, boundary loading, the atmosphere, a soil cover, a
dump, mass of dust, resources of air, resources of soils
142