Загрязнение атмосферы при открытых горных работах

Экологическими аспектами загрязнения воздушного бассейна при призводстве открытых горных работах являются выделения вредных веществ в атмосферный воздух из организованных и неорганизованных источников выброса.
Результатом воздействия экологических аспектов на окружающую среду является запыление и загрязнение атмосферы рабочей зоны карьера и прилега-ющих территорий, загрязнение земель и водного бассейна, сокращение срока службы оборудования, зданий и сооружений, снижение продуктивности земель, рост заболеваемости живых организмов, отрицательное влияние на флору и фауну.
Задачами по охране атмосферного воздуха являются следущие:

- создание технологических процессов и горнотранспортного оборудова-ния, обладающих низким пылегазообразованием;

- предотвращение и снижениевредных выбросов в атмосферу при произ-водстве горных работ,

- разработка и освоение способов, систем улавливания и утилизации га-зообразных продуктов, образующихся при сжигании в топках котлоагрегатов;

- предотвращение самовозгорания и пыления породных отвалов, откры-тых складов руды и угля, бортов карьеров;

- тушение эндогенных пожаров .

Нормальный атмосферный воздух содержит по объему (%): азота - 78,08; кислорода - 20,95; углекислого газа - 0,03 и прочих газов 0,94.
В горнопромышленных районах в воздушный бассейн поступают пыль, сернистый ангидрид, окись углерода, сероводород, окислы азота и другие соединения, которые оказывают отрицательное влияние на окружающую природную среду.

Сернистый газ имеет удельный вес 2,2 и при известных обстоятельствах может скапливаться на нижних горизонтах некоторых карьеров, например при разработке запожаренных участков медноколчеданных руд. Сернистый газ ве-сьма ядовит и при соприкосновении со слизистой оболочкой дыхательных путей он превращается в серную кислоту. Даже незначительные концентрации его в воздухе разрушительно действуют па органы зрения и дыхания, раздражая слизистые оболочки, вызывая резь в глазах. Сернистый газ содержатся в газах от взрывных работ, содержится в выхлопах автомобильного транспорта.
Сероводород, имеющий удельный вес 1,19 сильно ядовитый и раздражающий газ, имеет характерный запах тухлых яиц. Сероводород легко растворим в воде, из которой может выделяться в виде газовых пузырьков на ее поверхности.

При содержании в воздухе 0,05% опасное отравление наступает через 0,5 - 1 ч, а концентрация 0,1 % смертельна. В атмосферу карьеров сероводород поступает из межпластовых вод или по трещинам из вмещающих пород и полезного ископаемого, а на угольных карьерах - из запожаренных участков.
Окись углерода имеет удельный вес по отношению к воздуху 0,97. Источником окиси углерода в карьерах являются двигатели бульдозеров, экскаваторов, тракторов, автомобилей и др. и пожары. Окись углерода может скапливаться в карьере и его концентрация иногда превышает допустимую.
Двуокись азота - весьма ядовитый и сильно раздражающий газ. Пары его имеют красновато-бурый цвет. Образуется в карьерах, главным образом при взрывных работах в результате разложения применяемых ВВ, а также в с вы-хлопными газами дизельных автомашин и другого горно-транспортного обо-рудования.
Формальдегид - бесцветный газ, образующийся при сгорании дизельного топлива. Его плотность 1,04 по отношению к воздуху. Формальдегид относитя к веществам остронаправленного действия раздражает слизистые оболочки глаз и верхних дыхательных путей и действует на центральную нервную систему.
Акролеин, так же как и формальдегид, образуется при работе дизельных машин. Это летучая жидкость с неприятным запахом горелого жира, в выхлопных газах акролеин находится в парообразном состоянии. Пары акролеина в 1,9 раза тяжелее воздуха, что способствует увеличению его приземной концентрации особенно при скоплении нескольких машин у забоев в безветренную погоду.

Акролеин обладает общетоксическими свойствами, и концентрация его в воздухе еще более опасна, чем всех перечисленных выше газов и паров. Концентрация в воздухе акролеина размере 0,014% является смертельной.
Загрязненность атмосферы при открытой добыче полезных ископаемых имеет место при всех основных производственных процессах и при эксплуатации производственных объектов промплощадки (табл. 3.1).

Все источники загрязнения атмосферы подразделяются на периодические (взрывные работы) и непрерывно действующие. Источники выделения вредных примесей могут быть точечными, линейными и площадными. К числу точечных относятся выбросы из труб промышленных предприятий, линейных - автомобильные дороги, аэрационные фонари зданий промышленных предприятий, площадных – склады сыпучих материалов, испарительные бассейны и др.

Выделяются неорганизованные (рассредоточенные) и организованные (сосредоточенные) выделения или выбросы в атмосферу.

К группе неорганизованных относятся: выделения, определяемые вет-ровой эрозией (дефляцией) с нарушенных участков земной поверхности, в том числе открытых горных выработок, отвалов, складов, хвосто- и шламохранилищ; химические газовыделения по всей технологической цепи производства: при буровзрывных работах, экскавации, транспортировании, погрузочно-разгрузочных работах на складах добытого полезного ископаемого и пр. Источники неорганизованных выбросов рассредоточены на значительных по площади территориях. Ряд источников неорганизованных пылегазо-выделений обладает периодичностью действия. Эта периодичность, а также интенсивность пылегазовыделения зависят от природно-климатических условий (скорости ветра, выпадения атмосферных осадков, температуры мощности снежного покрова и пр.), расположения источников выделений по отношению к розе ветров. Уже при скорости ветра порядка 2 м/с сухая пыль сдувается с поверхности техногенных образований и уносится на значительные расстояния. При этом концентрация пыли в воздухе значительной степени превышает допустимые значения.

К группе организованных относятся выбросы из труб обогатительных фабрик, из труб котельных и других фиксированных источников.

Экологические аспекты сопутствующие производственным процессам открытых горных работ представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1- Процессы и экологические аспекты открытых горных работ

При производстве открытых горных работ в воздушную среду поступает значительнее количество пыли в процессах машинного разрушения пород, бурения скважин, взрывной отбойки, вторичного дробления, резке горных пород, при погрузке, транспортировке, выгрузке и перегрузке, разрушения дорожного полотна при движении по нему транспортных средств, эрозии отвалов и откосов уступов.

К источникам интенсивного загрязнения относятся запожаренные уча-стки карьеров, терриконов и отвалов. Горящие породные отвалы выделяют от 5,3 до 22,6 кг/год оксида углерода на 1 т породы.

На подавляющем большинстве карьеров подготовка горных пород к вы-емке осуществляется буровзрывным способом и связана с бурением взрывных скважин станками шнекового, шарошечного, пневмоударного, термического и комбинированных видов бурения и производством взрывных работ.

При бурении взрывных скважин шарошечным станком без пыле-улавливания в воздушную среду поступает до 2200 мг/с пыли, с применением пылеуловителя циклонного типа - 60-120 мг/с, а с использованием водовоздушной и водоэмульсионной смесей - 3-5 мг/с, при пневмоударном бурении с пылеулавливанием выделение пыли составляет до 30 мг/с, при перфораторном бурении шпуров без промывки, которое осуществляется в основном для разделки негабаритов составляет 190 мг/с.

Бурение взрывных скважин при удалении буровой мелочи сжатым воздухом обусловливает интенсивное выделение пыли, а при использовании станков огневого бурения - вредных газов в виде различных оксидов.

Количество твердых частиц, выделяющихся при работе буровых станков, оснащенных системами пылеулавливания, определяется по формуле

(3.1)

где d - диаметр буровых скважин, м; v_б- скорость бурения, м/ч; ρ – плот-ность буримых горных пород, т/м³, Т - годовое количество рабочих часов стан-ка, ч/год; η- эффективность средств пылеулавливания, в долях.
Для расчета нормативов предельно допустимых выбросов масса твердых частиц (г/с) определяется по формуле:

(3.2)

В настоящее время на карьерах добыча полезных ископаемых может осуществлятся механическим отделением с помощью гидромониторов, экскаваторов, а также посредством взрывных работ, которые осуществляются в основном посредством проведения массовых взрывов, которые являются мощными периодическим источниками эмиссии в атмосферу большого количества пыли и газов.

Объемы массовых взрывов достигают 2 млн. м³ взорванных горных пород. За один массовый взрыв выбрасывается в атмосферу 100-250 т пыли и 6 000 - 10 000 м³ вредных газов. Пылегазовое облако при массовом взрыве поднимается на высоту 150-300 м, в развитии оно может достигать высоты 16 км и распространяться по направлению ветра на значительное расстояние (10-14 км). Объем пылегазового облака достигает 15-20 млн. м³, концентрация пыли в зависимости от различных причин изменяется от 680 до 4250 мг/м³, а удельное пылеобразование составляет 0,043-0,254 кг пыли на 1 кг взорванного ВВ. Важным остоятельством является то, что концентрация пыли в облаке с увеличением обводненности взрываемого блока резко уменьшается.

Таблица 3.2 –Характеристика взрывчатых веществ

Данные о запыленности и загазованности после массовых взрывов приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Содержание пыли и газов в атмосфере после массовых взрывов

Продолжение таблицы 3.3

Примечания:

* в пылегазовом облаке через 40-60 с, в остальных местах - через 60 мин.
** в отдельных случаях до 17% и более.

Удельная эмиссия – это объем выделяющихся газов в л или масса в кг на 1 кг взрываемого ВВ. Максимальное количество ядовитых газов образуется при взрывании тротила (до 84,4 л/кг), минимальное - при взрывании зерногранулита 19/21 (до 32 л/кг). Максимальное количество пыли выделяется при взрывании магнетитовых роговиков (до 0,17 кг/м³), минимальное - сланцев (до 0,029мг/м³).
При массовых взрывах в атмосферу выбрасывается сотни и тысячи м³ вре-дных газов.

Для того чтобы предупредить действие продуктов взрыва на жилой массив (часто не далеко от карьера имеется жилой поселок) необходимо установить величину предельно-допустимого выброса, а массовые взрывы производить с учетом метеорологических условий (направление, скорость ветра, штиль).

Для массовых взрывов характерно вторичное газовыделение из взорваннойгорной массы, продолжающееся в отдельных случаях до 15 ч. Максимальная концентрация окиси углерода во взорванной горной массе достигает 15-17%,а превышающая предельно допустимую наблюдается до 100 и более часов. Газовыделение усиливается при выемочно-погрузочных операциях, при этом газы выделяются как из развала, так и из породы, находящейся в ковше экскаватора или кузове автосамосвала.
Ориентировочно расчет количества вредных веществ (твердые частицы, оксид углерода, окислы азота), выбрасываемых с пылегазовымоблаком за пределы карьера при производстве одного взрыва производится по формуле:

(3.3)

где k - безразмерный коэффициент, учитывающий гравитационное оседание вредных веществ в пределах карьера (для твердых частиц принимается равным 0,16, для газов 1,0); - удельное выделение вредных веществ при взрыве 1 т ВВ, т/т; А - количество взорванного ВВ, т; η^/ - коэффициент эффективности пылегазоподавления, в долях ед.: при гидрозабойке η^/ = 0,6 для твердых частиц и η^/= 0,85 - для газов; для обводненных скважин η^/ = 0,5для твердых частиц.
Удельная эмиссия вредных веществ зависит от удельного расхода и вида взрывчатых веществ (ВВ). При расходе граммонита 79/21 в количестве 0,5кг/м³ = 0,006 т/т, уменьшаясь до 0,001 при расходе ВВ от 0,8 до 1,0 кг/м³ и увеличиваясь до 0,04 т/т при расходе взрывчатых веществ 0,2 кг/м³.
Значительные выделения пыли происходят при вырезке камня из массива на карьерах пильного камня. При работе камнерезных машин штыб содержит до 40-45%по массе частиц размером 100 мкм и менее и содержит от 3 до 10% свободной двуокиси кремния. Такая пыль может вызвать ффмброзное заболевание легких-силикоз. Пыль содержит до 80-90% частиц размером менее 5мкм, в том числе 40-60% частичек менее 2 мкм, которые являются наиболее опасными.

Пыление при выемке и погрузке горной массы из развала взорванных горных пород, особенно угля, весьма значительно, если не применяются специ-альные мероприятия по пылеподавлению. Особенно высока интенсивность пылевыделения при выемке угля роторными экскаваторами. Это объясняется дополнительным разрушением горной массы при работе ротора и за счет этого выделения большого количества мелочи. Большое количество пыли выделяется при экскавации перегоревших пород. Погрузка сухой горной массы экскаватором сопровождается выделением 5000-6000 мг/с пыли, а при выемке угля роторным экскаватором – 8000 мг/с.

Значительное пылевыделение происходит при разгрузке самосвалов и думпкаров, транспортировке горной массы конвейерами, дроблении ее в дробильных установках, при работе бульдозеров на уступах и отвалах, а также при некоторых других операциях.

Представление о запыленности воздуха при погрузочно-разгрузочных работах дают данные табл. 3.4.

На карьерах стройматериалов при работе камнерезных машин запылен-ность может достигать 1500 мг/м³, что во много раз превышает допустимую. ПДК для пылей обычно не более 10 мг/м³.

При транспортировке горной массы наибольшее загрязнение пылью наблюдается при использовании автотранспорта. Автомобильные дороги со щебеночно-гравийным покрытием в карьерах и особенно на отвалах являются основными постоянно действующими источниками пылеобразования и на их долю может приходиться до 70-90% всей выделяемой пыли.

Автотранспорт при транспортировании горной массы поднимает большое количество пыли. Автомобильные дороги на карьерах, использующих авто-транспорт, занимают одно из первых мест в балансе пылевыделения по всем источникам выделения пыли в карьере. На их долю приходится 70-90% всей выделяемой пыли.

Пылевыделение при работе технического оборудования достигает: станка - 4,3 г/с, экскаватора -2 г/с, экскаватора-драглайна 11 г/с, разгрузке думпкара –от64до275 г/с,автосамосвала - 15 г/с, 1 м ленточного конвейера - 50мг/с, бульдозера Т-180) 97 - 200 мг/с.

Интенсивность выделения пыли карьерных автодорог зависит от состояния дорожного покрытия, скорости движения автотранспорта и климатических условий. Особенно большое пылевыделение на грунтовых дорогах, а также на щебеночно-гравийных, не обработанных специальными составами.
Большое количество пыли сдувается из открытых транспортных средств при транспортировании угля, песка, другой мелко раздробленной и неувлажненной массы при отсутствии специального закрепления.

Большое запыление воздуха имеет место в пунктах разгрузки и в пунктах перегрузки горной массы, если на последних отсутствуют средства пылеподав-ления. Удельное выделение пыли в атмосферу при работе различного производ-ственнго оборудования на угольных карьерах приведено в табл. 3.4.

Таблица 3.4 -Удельное выделение пыли в атмосферу (мг/т) при работе

оборудования на угольных карьерах

Пылящие поверхности на открытых работах являются одним из мощных источников пылевыделений. К ним относятся откосы и площадки уступов карь-еров и отвалов, сухие пляжи хвостохранилищ. Их воздействие на окружающую среду усугубляется большими площадями, которые они занимают. Эти площади имеют нарушенную поверхность, на которой под воздействием атмосферных условий интенсивно происходят процессы пылеобразования. Кроме того, на откосах и площадках уступов оседает пыль, выделяющаяся при выполнении основных производственных процессов. При ветренной и сухой погоде пыль с этих поверхностей поднимается и разносится на большие расстояния.

Пылевыделение при открытых работах на угольных карьерах характеризутся следующей интенсивностью(г/с): добыча угля от 730 до 11 000, вскрышные работы от 500 до 6900, отвалообразование от 230-до 6000, автомобильный транспорт от 3600 до 22 000, ветровая эрозия с открытых площадок уступов, складов до 28 000.

Как видно превалируют выбросы, причиной котрых является ветровая эрозия. Наиболее значительной ветровая эрозия является в районах с засушливым климатом, где среднее готовое количество осадков не превышает 300 мм в год.

Запыленность атмосферы угольных карьеров может превышать предельно допустимые концентрации в сотни раз и служит серьезным препятствием для интенсивного ведения горных работ. Суммарное время простоев из-за загрязнеия в те чение года может достигать месяца и более. Кроме того, запыленность производственной атмосферы создает реальную опасность заболевания пневмокониозами и пылевыми бронхитами.

На горных предприятиях, добывающих руды, требующие обогащения, имеются хвостохранилища, площадь которых составляет 300-1000 га. На хво-стохранилищах образуются так называемые сухие пляжи, которые являются интенсивными источниками пылевыделения. С 1 га сухой поверхности пляжей хвостохранилищ может уноситься до 2-5 т дисперсной пыли в сутки. Пылевые выбросы пылящих поверхностей распространяются в приземном слое атмосферы и формируют повышенный уровень запыленности воздуха на значительных расстояниях от этих объектов.

Усредненные показатели удельного сдувания пыли (мг/м² · с) с пылящих поверхностей при открытых горных работах приведены в табл. 3.5.
Значительное выделение пыли и газов связано с дробильно-сортировоч-ными, агломерационными и обогатительными фабриками, базами производ-ственных автомашин и автотракторной техники, ремонтными заводами и цехами, котельными и энергетическими установками.

Определение количества выбросов в атмосферу на карьерах в различных горнодобывающих отраслях осуществляется по отраслевым методикам. Кроме описанных выше источников загрязнения атмосферы в качестве загрязнителя воздушной среды можно рассматривать технический шум.

Таблица 3.5- Показатели сдувания пыли с поверхностей

Мощными источниками шума на карьерах являются энергетические и технологические машины и установки, транспортные средства технологические процессы. Интенсивным периодическим источником шума являются взрывные работы.
Известно, что одним из основных направлений повышения эффективности горного производства является повышение единичной мощности горного оборудования. Внедрение же более производительного оборудования ведет, как правило, к значительному усилению уровня шума и вибрации. В большинстве случаев шум от оборудования не распространяется на значительные расстояния. От мощных же источников шума шумовое загрязнение распространяется на больших территориях. На значительные расстояния в воздушной среде распространяются ударные воздушные волны при производстве взрывов.

При открытой разработке рудных месторождений источниками выделения вредных газов являются взрывные работы, работа ДВС и дизельных двигателей.

Паспортный расход топлива при номинальной мощности составляет для дизелей ДМ-21А (БелАз-549) и 8ДМ-21А (БелАЗ-7519) - 211 г/квт∙час, для дизеля 8РА; (БелАЗ-75191) - 238 г/квт∙час.

Количество вредных выбросов при сгорании 1 т дизельного топлива составляет: СО – 0,1 г, углеводородов – 0,03 г, NO₂ – 0,04 г, SO₂ – 0,02 г, сажи –15,5 кг, бенз(а)пирена 0,32 г. При разгоне СО – 4,2%, NO₂ – 95,1 %, сажи – 0,3%. При установившемся режиме СО – 1,8%, NO₂ – 97,8 %, сажи – 0,3%.

Для расчета совокупного влияния вредных выбросов определяется количество их в условных тоннах. Для пересчета используется коэффициент А, значения которого приведенны ниже.

Оксид углерода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

Диоксид серы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Оксиды азота в пересчете на NO₂ . . . . . . . . . . . . 41,1

Пары жидких топлив (низкомолекулярные углеводороды)

по углероду:

Севернее 45 широты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,26

Южнее 45 широты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3,16

Сажа без примесей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41,5

3-4-бенз(а)пирен. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126∙10⁵.

Весьма велик удельный расход топлива в кг/час для тепловозов. Так для развиваемой мощности 800 кВт он составляет: для ТЭ-3 – 0,17; для ТМ-1 – 16, для ТЭМ -7 – 0,17; для ТЭМ-2 – 0,17.

На разрезах Экибастуза при отключенной система пылеподавления кон-центрация пыли в забоях мощных роторных экскаваторов достигает 2700-7600 мг/м³, в местах перегрузки до 26000 мг/м³. При работе пылеподавляющих устройств при расходе воды на средних роторных экскаваторах до 2 м³/час остается на уровне 1600-2600 мг/м3, и на том же уровне при расходе воды на мощных до 14,5 м³/час

В выхлопных газах двигателей содержится значительное количество сажи и дыма. К технологическим машинам с ДВС относятся бульдозеры, буровые ус-тановки, тракторы, самоходные скреперы, экскаваторы, краны, компрессоры. Автомобили с бензиновыми двигателями загрязняют среду угарным газом, окислами азота, углеводородами, и др. Дизельные двигатели выделяют помимо названных сажу, дым, альдегиды (акролеин и формальдегид). На поверхности сажевых частиц абсорбируется канцероген бенз(а)пирен.

При работе карбюраторных двигателей на бензине выделяются углеводо-роды, окись углерода, окислы азота. Выемочные и выемочно-транспортные машины с дизельным приводом выделяют значительное количество вредных газов, в том числе углеводороды, окись углерода, окислы азота, акролеин, фор-мальдегид.
Дизельные двигатели выбрасывают в большом количестве сажу, которая в чистом виде нетоксичное вещество. Однако частицы сажи, обладая высокой адсорбционной способностью, несут на своей поверхности молекулы и частицы токсичных веществ, в том числе и канцерогенных (без-а-пирен). Сажа может длительное время находиться во взвешенном состоянии в воздухе, увеличивая тем самым время воздействия токсичных веществ на человека.
Широкое применение этилированного бензина вызвало загрязнение воздудуха весьма токсичными соединениями свинца, обладающими способностью накопливаться в организме. Около 70% свинца, добавляемого в автомобильное топливо в качестве антидетонатора в виде тетраэтил- или тетраметилсвинца, попадает в виде соединений в атмосферу с отработавшими газами, из них 30% оседает на землю сразу за срезом выхлопной трубы автомобиля, примерно 40% остается в атмосфере причиняя ущерб окружающей среде.
Токсичность отработавших газов возрастает с увеличением влажности ат-мосферного воздуха. Она возрастает также при понижении температуры воздуха.
По мере увеличения пробега автомобиля происходит изменение регулировочных параметров системы питания и зажигания. При этом токсичность отработавших газов в значительной степени (в 2-3 раза) возрастает.