Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование и разработка способа пылеподавления и нейтрализации вредных газов при массовых взрывах на карьерах

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Автореферат диссертации по теме "Обоснование и разработка способа пылеподавления и нейтрализации вредных газов при массовых взрывах на карьерах"

На правах рукописи УДК 622 236

СЕМЕНОВ Василий Васильевич

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБА ПЫЛЕПОДАВЛЕНИЯ И НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ВРЕДНЫХ ГАЗОВ ПРИ МАССОВЫХ ВЗРЫВАХ НА КАРЬЕРАХ

Специальность 25 00 20 - «Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□ОЗ177155

Москва 2007

003177155

Работа выполнена в Московском государственном горном университете (МГГУ) и в ОАО «Стойленский ГОК».

Научный руководитель заслуженный деятель науки и техники РФ, лауреат Государственной премии РФ, доктор технических наук, профессор ГОНЧАРОВ Степан Алексеевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор БЕЛИН Владимир Арнольдович (МГГУ),

кандидат технических наук, старший научный сотрудник ПЕРНИК Леонид Моисеевич (Институт динамики геосфер РАН, лаборатория экспериментальной геофизики)

Ведущая организация - ОАО «Рудпром» (г Москва)

Защита диссертации состоится « ^ » _2007г. в « » час.

на заседании диссертационного совета Д-212 128 05 при Московском государственном горном университете по адресу. 119991, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан « » _2007г

Ученый секретарь диссертационного совета докт техн наук МЕЛЬНИК В.В.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Открытый способ разработки полезных ископаемых, в частности рудных месторождений, получил широкое распространение, и его доля в общей добыче составляет порядка 70 % На современных карьерах горные работы ведутся на глубинах до 400 м, а в перспективе глубина карьеров достигнет 450-600 м Применение высокопроизводительного оборудования приводит к повышению концентрации пыли и вредных примесей в атмосфере карьеров и прилегающей местности, а большая глубина затрудняет воздухообмен и возможность эффективного проветривания

Основным технологическим процессом добычи полезных ископаемых на карьерах и в особенности крепких горных пород является взрывание, которое сопровождается выделением большого количества пыли и газа. Количество образующейся при взрыве пыли и ее дисперсность изменяются в широких пределах и зависят от типа и крепости горных пород взрываемого массива, степени их обводненности, удельного расхода ВВ и др

Появление в воздухе в результате взрыва большого количества оксидов азота ведет к неблагоприятным экологическим последствиям при соединении оксидов азота с парами воды появляется азотная кислота, оседание которой на почву приводит к повышению в ней содержания нитратов, а попадание в водоемы подкисляет воду

Ядовитые газы, выделяющиеся при взрыве в атмосферу, представляют опасность для людей Поскольку окислы азота токсичнее оксида углерода (ПДК в атмосфере соответственно 0,00025 и 0, 0016 об %), то при оценке суммарной токсичности продуктов взрыва Единые правила безопасности при взрывных работах предусматривают эквивалент 6,5 для оксидов азота по отношению к оксиду углерода

Мельчайшие частицы пыли приводят к существенному загрязнению атмосферы карьеров и прилегающих к ним районов Известно, что наибольшая крупность пылинок, попадающих в легкие человека, обычно не превышает 10 мкм Наибольшую опасность для человека в соответствии с санитар-

ными нормами представляют пылевые частицы размером порядка 1 мкм, приводящие к такому заболеванию, как силикоз Основные причины, приводящие к заболеванию пневмокониозом в карьерах, связаны с уровнем концентрации пыли и ее дисперсностью, периодичностью ее вдыхания, а также содержанием в ней свободного диоксида кремния, наличием адсорбированных газов (оксидов углерода и азота, альдегидов и др ) на поверхности пыли Содержание свободного диоксида кремния в витающей пыли на различных карьерах колеблется в широких пределах 20-50 % на карьерах Кривбасса и 1-10 % на карьерах Курской магнитной аномалии Концентрация СО в верхней части ПГО достигает 0,03-0,04 %, оксидов азота - 0,007 %, а пыли - порядка 2000 мг/м3

В этой связи задача разработки экологически чистого способа взрывной отбойки железистых кварцитов на карьерах является одной из важнейших С учетом изложенного тема диссертации, посвященная обоснованию и разработке способа пылеподавления и нейтрализации вредных газов при массовых взрывах на карьерах, является актуальной и имеет важное народнохозяйственное значение

Цель работы заключается в установлении закономерностей формирования и переноса пылегазового облака при массовых взрывах для обоснования рациональных параметров скважинных зарядов, при которых обеспечивается эффективное подавление пыли и нейтрализация ядовитых газов.

Идея работы заключается в подаче в область формирования пылегазового облака высокодисперсной воды с избытком анионов и нейтрализатора ядовитых газов путем применения комбинированной забойки, представленной мелом в количестве 20 - 40 кг в нижней ее части и водой с рН < 6, расположенной в верхней ее части и размещенной в полиэтиленовом рукаве

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна

1 Формирование пылегазового облака (ПГО) при взрыве скважинного заряда начинается с образования высокотемпературного изолиро-

ванного термина над устьем скважины в результате истечения взрывных газов и пыли в течение 20 - 60 мс из скважины и зоны мелкодисперсного дробления массива, при этом длительность разрушения породы в этой зоне не превышает 10-12 мкс.

2 Установлено, что скорость вылета водяной части комбинированной забойки достигает 260 м/с, при этом происходит ее распыление до частиц диаметром не более 20 мкм, а суммарная площадь их поверхности с 1 м3 воды составляет не менее 150000 м2, что обеспечивает эффективное снижение температуры термика и уменьшение его подъемной силы

3 Нейтрализация положительного заряда частиц пыли высокодиспер-гированной водой обеспечивается при ее рН < 6, что улучшает их смачивание, повышает величину капиллярных сил сцепления, способствует их эффективной коагуляции и осаждению в пределах карьера

4 Нейтрализация выделяемых при взрыве скважинного заряда токсичных газов обеспечивается их взаимодействием с высокодиспергиро-ванным мелом инертной части комбинированной забойки, представленным в количестве 20 — 40 кг мела на 1 тонну ВВ.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются'

• использованием фундаментальных законов физики разрушения твердых тел, газодинамики и истечения смеси продуктов детонации ВВ и продуктов разрушения из устья скважины,

• соответствием аналитических оценок влияния различных факторов на формирование пылегазового облака и данных натурных измерений в производственных условиях,

• положительными результатами апробации разработанного способа пы-легазоподавления с помощью комбинированной забойки на карьере ОАО «Стойленский ГОК».

Научное значение работы заключается в установлении

• закономерности формирования ПГО над устьем скважины в процессе истечения высокотемпературных взрывных газов с пылью

• закономерности влияния термодинамических параметров взрывных газов в скважине, ее диаметра и высоты заряжаемой части па параметры истечения продуктов детонации ВВ из скважины,

• зависимости влияния давления в скважине при детонации ВВ и параметров комбинированной забойки (высоты ее нижней части, представленной высокодиспергированным мелом для нейтрализации ядовитых взрывных газов и высоты верхней ее части, представленной водой с избытком анионов, находящейся в полиэтиленовом рукаве и предназначенной для коагуляции пылевых продуктов взрыва) на скорость ее вылета из скважины

Практическое значение работы состоит в разработке способа пылега-зоподавления при взрывной отбойке железистых кварцитов, обеспечивающего эффективное подавление пыли и нейтрализацию ядовитых газов при массовых взрывах на карьерах

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Способ пылегазоподавления с применением комбинированной забойки, включающей воду с рН < 6 и нейтрализатор газов, прошел промышленные испытания на ОАО «Стойленский ГОК» Было проведено пять массовых взрывов, которые показали, что при использовании комбинированной забойки имеет место практически полное подавление пыли и ядовитого газа Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодной конференции «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 1999 - 2006 гг ), технических советах Стойленского ГОКа (2004 - 2006 гг.), семинарах каф ФГП и П МГТУ (2003 - 2007 гг )

Публикации По теме диссертации опубликовано 7 статей

Объем работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех

глав и заключения, 44 рисунков, 4 таблиц и списка литературы из 77 наименований

Основное содержание работы

В первой главе дан анализ современного состояния вопроса подавления пыли и нейтрализации ядовитых газов, образуемых при массовых взрывах на карьерах, а также проблемы ветровой эрозии и пыления хвостохранилищ Проведены обзор и анализ основных путей повышения эффективности способов и средств пылегазоподавления на карьерах, влияния различных факторов на формирование и развитие пылегазового облака, а также механизма изменения физических свойств горных пород при их разрушении и диспер-гации в результате взрывного воздействия

Вопросу подавления пыли и нейтрализации токсичных газов, выделяемых при производстве массовых взрывов, а также эрозии поверхностей хвостохранилищ посвящено большое количество научных публикаций, среди которых основными являются работы Адушкина В В , Азарковича А Е, Бе-лина В.А, Бересневича П В , Викторова С Д, Гончарова С.А, Захарова М Н, Луговского С И, Каркашадзе Г Г, Конорева М М, Крюкова Г.М, Кузьменко П К , Кутузова Б Н, Михайлова В А, Неженцевой Н Г, Нестеренко Г.Ф, Соловьева С П, Тарасенко В П, Ткаченко А В , Филатова С С, Федорова И С

Массовые взрывы являются одним из основных источников выделения пыли и вредных газов в атмосферу. Рост объемов добычи полезных ископаемых сопровождается увеличением массы одновременно взрываемых взрывчатых веществ (ВВ) В отдельных случаях эта масса достигает 1500 т и выше Большинство крупных взрывов с массой разового использования ВВ более 500 тонн проводится на карьерах Курско-Белгородского округа. Например, средняя масса ВВ, приходящаяся на один взрыв в 2006 г на Лебединском ГОКе, составляет 2937 т, а на Стойленском ГОКе - 890 т. Производство массовых взрывов сопровождается образованием мощных пылегазовых облаков (ПГО), достигающих высоты до 2 км и распространяющихся на расстояние

10-12 км (при взрыве зарядов ВВ массой 200-800 т) Взрывные работы и экскавация горной массы дают 60-80 % от общего количества пыли, поступающей в атмосферу карьеров и их окрестностей Промышленные исследования по дальности распространения пылегазового облака показывают, что на расстояниях, значительно превышающих санитарно-защитные зоны, концентрация пыли в несколько раз превышает предельно допустимую норму Количество пыли, выделяющееся с каждого кубического метра взорванной горной массы, составляет от 0,027 до 0,17 кг, причем 63-80 % пыли представлено частйцами крупностью менее 1,4 мкм

При взрывании промышленных ВВ происходит выделение больших количеств газообразных продуктов (от 800 до 1100 л/кг ВВ), 10-15 % которых представляют ядовитые газы, в основном оксид углерода (СО) и оксиды азота (М)2,МЭ,]\Г205) Доля ядовитых газов в продуктах взрыва зависит от кислородного баланса вещества и теплоты взрыва Общее количество образующихся оксидов углерода, по данным ВНИЙБТГ, достигает 60-93 л/кг ВВ, а оксидов азота - 3,5-7 л/кг ВВ

Количество и состав ядовитых газов зависят также от типа применяемого ВВ и от технологии взрывных работ: наличия воздушных пустот в зарядных камерах и скважинах при их заполнении ВВ, влажности ВВ, его уплотнения в результате слеживания, отсутствия или малой величины забойки, являющихся причиной повышенной доли ядовитых газов в продуктах взрыва Анализ состояния проблемы пылегазоподавления при производстве массовых взрывов на карьерах свидетельствует о том, что существующие способы и средства борьбы с пылью и ядовитыми газами при массовых взрывах предназначены для пылегазоподавления уже сформированного ПГО или способствуют снижению в нем концентрации пыли и газов, а также уменьшению его геометрических характеристик - высоты и объема, т.е являются средствами, нейтрализующими вредные последствия, а не предупреждающими их Несмотря на появление новых, более эффективных средств,

значительное количество пыли и газов выносится с 1110 за пределы карьера и становится причиной загрязнения окружающей среды

Причина такого положения при взрывных работах связана с недостаточной изученностью процессов, формирующих пылегазовое облако и определяющих его характеристики В частности, остаются неясными вопросы, связанные с начальной стадией образования ПГО. истечением смеси продуктов детонации ВВ и высокодисперсных продуктов разрушения породы из устья скважины, имеющим место до развития магистральных трещин и разрушения массива в целом, вовлечением окружающего воздуха в истекающую турбулентную струю; влиянием подъемных (архимедовых) сил на высоту и ширину ПГО, прорывом газовых потоков через трещины при разрушении массива и др

Ответы на эти и сопутствующие вопросы могли бы стимулировать появление и разработку новых, более совершенных способов, способных устранить причины образования ПГО или, по крайней мере, локализовать его в пределах карьера и тем самым предотвратить загрязнение окружающей среды на глобальном уровне Локализация пыли и ядовитых газов в пределах приповерхностного воздушного слоя взрываемого блока возможна при существенном уменьшении высоты и объема ПГО

Наиболее эффективным представляется способ предотвращения образования ПГО значительных объемов, заключающийся в устранении архимедовых подъемных сил, обусловленных относительно высокой температурой взрывных газов в зоне вблизи поверхности взрываемого блока Это возможно, если в данной зоне организовать завесу из высокодисперсных частиц воды с большой суммарной площадью испарения. Однако значительные технические трудности не позволяют подать высокодисперсную водовоздушную смесь в эту зону с большого расстояния, с помощью средств, находящихся за пределами взрываемого блока Наиболее эффективным представляется способ, при котором диспергация воды до высокодисперсного состояния должна осуществляться непосредственно в зоне образования пыли и газа, и жела-

тельно за счет энергии взрыва. Это возможно при подаче воды в истекающую из устья скважины струю газообразных продуктов взрыва, скорость которых достигает 450 м/с Помимо этого показатель рН воды должен быть менее 6 для нейтрализации положительного заряда пылевых частиц разрушенной породы В этом случае высокодисперсные частицы воды с рН < 6 выполняют двойную функцию охлаждают приповерхностную зону блока, предотвращая подъем ПГО, и способствуют коагуляции пылевых частиц и их осаждению

Таким образом, отсутствие обоснованных теоретических и экспериментальных закономерностей формирования ПГО и рекомендации по закреплению поверхностного слоя хвостохранишпц являются, в свою очередь, причиной отсутствия высокоэффективных способов и средств предотвращения загрязнения окружающей среды на глобальном уровне

В связи с изложенным, в диссертации необходимо решить следующие задачи

1) установить механизм и параметры формирования пылегазового облака при взрывном разрушении скважинных зарядов на карьерах,

2) установить закономерности влияния факторов, определяющих нейтрализацию ПГО,

3) разработать способ нейтрализации пылегазового облака, образующегося при взрывных работах на карьерах.

Во второй главе дан анализ основных представлений о механизме образования ПГО при массовых взрывах Показано, что аналитическое описание процессов, формирующих ПГО, связано с недостаточной изученностью турбулентных многофазных потоков, содержащих не только частицы разной дисперсности, но и электрически заряженных В то же время существует общее мнение о том, что ПГО представляет собой отдельный объем нагретых газов, воздуха и пылевых частиц, в развитии которого решающую роль играют архимедовы силы

Все рассмотренные модели выделяют в качестве основных следующие

стадии выброс разрушенных частиц породы и взрывных газов, образование изолированного термика в виде ПГО, его подъем и распространение в атмосфере Предотвращение глобального загрязнения атмосферы возможно, если на начальной стадии образования ПГО существенно уменьшить температуру термика, т е подъемную силу ПГО, что позволит устранить его выход за пределы карьера

Процесс образования ПГО состоит из трех основных этапов первого -вынос взрывных газов и пылевых частиц из скважины, смешивание с окружающим воздухом и образование изолированного термика (отдельного объема взрывных газов с пылью) над каждой скважиной, второго - объединение отдельных термиков и образование ПГО над взрываемым блоком, восходящее движение образованного ПГО, обусловленное разностью плотностей газов в термике и окружающей среде, т,е за счет действия архимедовой силы, и третьего - перенос ПГО ветром и осаждение пылевых частиц по траектории горизонтального перемещения облака Исходя из этого к наиболее эффективным следует отнести способы пылеподавления, предотвращающие образование конвективных термиков или заметно снижающие их объем и температуру

При подъеме ПГО имеет место выпадение из него частиц пыли тех размеров, скорость витания которых меньше скорости восходящего потока термика Для более мелких частиц (диаметром менее 20 мкм) возможным эффективным способом их осаждения является коа1уляция в крупные агломераты При коагуляции пылевых частиц с помощью мелкодисперсных частиц воды определяющим является их смачиваемость. Поэтому вода должна содержать компоненты, улучшающие смачиваемость

Учитывая сверхвысокие давления газообразных продуктов взрыва (порядка 109 Па) в скважине по сравнению с атмосферным, можно считать, что истечение продуктов взрыва из скважины происходит в критическом режиме При теоретическом анализе этого процесса следует учесть, что истечение газов происходит в переменном режиме, когда имеет место изменение давле-

ния на входе в сопловое отверстие (устье скважины), связанное с ограниченной массой газов во взрывной полости Показано, что давление в скважине изменяется по закону

РЮ =

г Ы ! У-г

Р г -—1- о, г

шах

где Ql =

_ ? Г б К

Г - { 2 1

Рг , 0.= шах > ) 1г+и

2/А

(г+тт

О)

; 7/ - коэффици-

ент формы выходного сечения скважины, 7] — 0,7 — 1, у — показатель гооэн-тропы продуктов детонации ВВ, Я - газовая постоянная, Я =8,314 Дж / (моль К), Т - температура продуктов детонации, К, ц - молекулярная масса продуктов детонации, Рпах - максимальное (начальное) давление газов, Па; ¿вых - диаметр устья скважины, м, £ вд - высота заряжаемой части скважины, м, йк - диаметр котловой полости (при применении котловых зарядов), м Расчеты показывают, что давление в скважине снижается до двух атмосфер практически в течение 20 - 60 мс Продолжительность процесса истечения газов из скважины тист можно получить из (1), исходя из условия окончания критического режима течения

У

Тист 61 (1 ~ 7)

Ьг

р г _ (2р ^ г

тгах V атму

(2)

Продолжительность истечения продуктов взрыва из скважины колонкового типа при глубине скважины £с= 17 м, высоте и диаметре ее заряжаемой час-

ти •

= --£с=: 11,333 ми (1к =0,4 м, г)~ 0,8 и при взрыве заряда граммо-

нита 79/21 (Р^ =6,8 109 Па) - у = 2,8, Т= 4000 К, полученная по формуле (2), составляет 0,311 с Действительное значение времени истечения будет меньше (20-60 мс), поскольку в результате разрушения стенок скважины и в целом всего блока продукты взрыва истекают не только через устье скважины, но и через образованные трещины в массиве

Скорость со истечения продуктов детонации ВВ из скважины определяется выражением

Поскольку в силу малости времени истечения температура взрывных газов в скважине остается практически постоянной, то и скорость их истечения постоянна и равна примерно 450 м/с.

В результате анализа факторов, определяющих за1рязнение атмосферы на глобальном уровне, можно сделать вывод об определяющей роли начальной стадии взрыва на формирование ПГО его объема, концентрации пыли в нем, его высоты и ширины При этом главенствующую роль в формировании ПГО играет характер истечения продуктов детонации ВВ и разрушенной породы через устье скважины, который определяет температуру термика и его подъемную силу Последнее представляет основную причину, ответственную за высоту подъема и размеры ПГО Следовательно, способы и средства предотвращения выноса ПГО за пределы карьера должны быть направлены в первую очередь на подавление температуры изолированного термика (ПГО) и осуществление процессов коагуляции пылевых частиц и нейтрализации ядовитых газов Для осуществления этих разнородных целей целесообразно использовать один способ, поскольку в противном случае ряд способов потребует для своей реализации различные технические средства, которые могут оказаться несовместимыми

Одновременно с истечением продуктов детонации ВВ из скважины происходит процесс разрушения породы в ближней зоне скважинного заряда Разрушение в этой зоне имеет место в начальный момент воздействия давления на стенки скважины, когда порода находится под действием сжимающих радиального и полярного напряжений, т е когда в точках возмущенной зоны наблюдается всестороннее сжатие Известно, что в ближней зоне заряда разрушение породы при взрывном воздействии происходит за счет ее раздавли-

вания, причем радиус гмд этой зоны определяется пределом прочности породы а , соответствующем ее мелкодисперсному дроблению-

(3)

\ мл

где с1зар - 2гзар - диаметр скважинного заряда, м

Эмпирическая зависимость <тмд от крепости породы по М М Протодъяконо-ву / имеет вид

<гмя=13[1 + 0,079(/-15) + 0,0019(/-15)2] 108. (4)

Объем ближней зоны, или что одно и то же, объем мелкодисперсного разрушения, находится из выражения

V = я:(г£ ~ зар = п{г2т - вв (5)

После окончания раздавливания породы в ближней зоне начинается процесс ее разрушения в так называемой зоне регулируемого дробления, или иначе, зоне радиальных трещин. Образование зоны радиальных трещин начинается, как только полярные напряжения сг^ на стенках скважины достигнут предела прочности породы на растяжение сгр. Как отмечалось ранее, в начальный момент времени напряжения аф являются сжимающими, и только по истечении некоторого времени они меняют знак и становятся растягивающими Оценку момента начала образования трещин íwp и, соответственно, окончания процесса разрушения в ближней зоне проведем исходя из соотношения для полярного напряжения для стенок скважины и условия

1

-^"тпах

'-2 уС,{ N

1-1/

V У

(6)

где С[ - скорость продольных волн в железистом кварците, г0 - радиус скважины, у - коэффициент Пуассона

Решение данного трансцендентного уравнения имеет вид.

1~ У г а ,

0-")

Р

\ ■* шах /

(7)

Предел прочности на разрыв сг_ колеблется в пределах 12 10 -22 106 Па для железистых кварцитов Стойленского месторождения В случае взрыва заряда граммонита 79/21 (Рш =6,8 109 Па) оценка показьшает, что величина ¿нр составляет примерно 10-12 мкс, т е процесс разрушения породы начинается практически сразу после детонации ВВ Такое малое время связано с

ар 1

тем, что имеет место неравенство —— <К 1

Р о

Поскольку продолжительность процесса истечения взрывных газов из скважины составляет 20 — 60 мс, т е почти на три порядка превышает время разрушения в зоне мелкодисперсного дробления, можно утверждать, что вся масса продуктов разрушения в этой зоне выносится из скважины в область изолированного термика Объем разрушенной породы (мелкодисперсной пыли) в ближней зоне, рассчитанный по формуле (5), составляет 1,460 м3 Соответственно масса пыли с учетом плотности железистого кварцита, равной р= 3400 кг/м 3, будет составлять примерно 4964 кг. Таким образом, на начальном этапе взрыва в изолированный термик поступает значительное количество мелкодисперсной пыли

Для проверки наличия нескомпенсированного электрического заряда на поверхности частиц пыли, возникающей при разрушении железистых кварцитов, были проведены экспериментальные исследования С этой целью была создана лабораторная установка в виде камеры, внутри которой были закреплены две вертикальные металлические пластины, подключенные к положительному и отрицательному электродам источника постоянного тока В камеру сверху подавалась исследуемая пыль с размером частиц от 0 до 40 микрон

Результаты экспериментов, проведенных на пыли, полученной от помола железистых кварцитов Стойленского ГОКа в лабораторной шаровой

13

мельнице, показали, что в обоих случаях пылевидные частицы оседали в основном (более 90%) на вертикальной поверхности пластины, которая была подключена к минусу. На установке «ДРОН - 2 0» был проведен рентгенофа-зовый анализ минерального состава осевшей на пластинках пыли, который показал, что на отрицательный электрод оседали ггылеватые частицы магнетита, гематита, кварца и др, а на положительный - монтмориллонита

Исходя из этого, можно сделать вывод, что пылевое облако, образуемое после взрывных работ, и пыль с хвостохранилищ имеют нескомпенсирован-ный положительный заряд

Проблема уменьшения доли ядовитых газов в продуктах взрыва промышленных ВВ в связи с увеличением масштабов проводимых взрывов и ужесточением экологических требований к последствиям этих взрывов существенно возрастает. Так как выделение токсичных газов неизбежно при массовых взрывах, представляет интерес снижение неблагоприятных экологических последствий

Одним из решений этой задачи является введение в состав ВВ добавок, способных связывать оксиды азота. В качестве таких добавок могут выступать любые соединения с щелочной реакцией — основания и соли слабых кислот Практическое значение, очевидно, могут иметь только вещества дешевые и достаточно распространенные К таким веществам относятся гашеная известь, мел, сода и др

Эффективность мела в качестве нейтрализующих добавок позволяет использовать его как материал для комбинированной забойки - прослойки между водяными емкостями и зарядом ВВ в скважине Тем более что мел является основной вскрышной породой на Стойленском ГОКе.

Исходя из того, что в первую очередь требуется уменьшить температуру термика на начальной стадии взрыва, когда начинается истечение взрывных газов и продуктов разрушения из скважин, необходимо ввести в область, прилегающую к поверхности блока, охлаждающий реагент, например наиболее дешевое и распространенное вещество - воду Если технические средства

(мониторы, оросители на основе турбовинтовых двигателей и др ), подающие реагент, расположены за пределами блока, то основное затруднение вызывает подача воды точно в зону устья скважин, причем вода должна быть достаточно диспергирована, чтобы иметь большую площадь испарения Технически это трудно осуществимо

Следовательно, остается единственный путь - вода должна находиться в самой скважине еще до взрыва, причем она должна иметь избыток анионов и содержаться в верхней части скважины изолированно от заряда ВВ, чтобы при взрыве вода достигла скоростей, при которых она самодиспергируется Известно, что при скоростях порядка 200 м/с вода распыляется и медианный диаметр частиц воды, образующихся в результате диспергации при такой скорости, равен 17-20 мкм Скорости в пределах 260 м/с при вылете забойки вполне реальны, и в работе они обоснованы расчетами При таких скоростях скважина выполняет роль пульверизатора, подавая воду в воздушное пространство над скважиной и диспергируя ее до размеров менее 20 мкм

Для того чтобы вода в верхней части скважины не растеклась по трещинам массива, ее необходимо размещать в сосудах, например в полиэтиленовых рукавах При этом рукава надо размещать над зарядом ВВ на некотором расстоянии, определяемом толщиной промежуточной забойки из непроницаемого материала, например глинистой массы или мела

Взаимодействуя с пылевыми частицами и охлаждая их, вода одновременно должна улучшать смачиваемость частиц Для нейтрализации неском-пенсированного положительного заряда пылевых частиц следует применять воду с избытком анионов (воду с низкой величиной водородного показателя рН), что приводит к коагуляции частиц пыли в пылегазовом облаке

Третья глава посвящена разработке рекомендаций по пылеподавле-нию и нейтрализации токсичных газов при массовых взрывах

Основными факторами, способствующими образованию пылегазового облака (ПГО), являются разрушение и переизмельчение горной массы до размеров пылевого аэрозоля в ближней зоне взрыва под воздействием высо-

ких температур (до 4000° С) и давлений (до Ю10 Па) продуктов детонации ВВ, разгон и вынос пылевого аэрозоля в атмосферу через устье скважины сверхзвуковой струей газообразных продуктов взрыва, подъем пылевых частиц за счет приобретенной в газовом потоке начальной скорости и движения в восходящем потоке высокотемпературных продуктов взрыва

Для устранения причин образования термина требуется снизить температуру продуктов детонации ВВ в области над устьем скважины Этого можно добиться с помощью использования комбинированной забойки, нижняя часть которой состоит из твердых материалов, а верхняя - представляет собой герметичную оболочку, заполненную водой Нижняя часть, в отличие от верхней, испытывает трение со стенками скважины, вода же играет роль инертной массы, оказывая давление на нижнюю часть при ускоренном движении забойки Помимо этого, за счет высокой скорости вылета забойки вода распыляется и способствует подавлению пыли, образующейся в результате взрыва Исследование движения забойки в скважине диаметром йс под действием давления Р продуктов детонации ВВ показало, что скорость забойки в момент ее вылета определяется выражением-

где рз и рв - соответственно плотности нижней и верхней частей забойки,

кг/м3, £ и £е - длины нижней меловой и верхней (водяной) частей забойки, £

м, А = 2ктрК$ — - коэффициент, Ь — IС11 т - отношение длины скважины

¿с

к длине ее заряжаемой часта, ктр - коэффициент трения забойки о стенки

скважины, К„ — коэффициент компрессионного распора забойки при ее вылете

Расчетное значение скорости вылета комбинированной забойки и, соответственно, ее верхней водяной части при взрыве заряда граммонита 79/21, полу-

ченное по формуле (8), составляет 260,7 м/с. При такой скорости вода распыляется до частиц диаметром 17-20 мкм Суммарная площадь поверхности частиц диаметром 20 мкм, образуемых из 1 литра воды, составляет 150 м 2 Установлено, что скорость и мало зависит от длины водяной части забойки и определяется в основном силами трения ее нижней твердой части, представленной мелом

С целью определения влияния зарядов воды и поверхности были проведены лабораторные исследования по ее смачиваемости Смачиваемость имеет максимальную величину при разнополярных зарядах воды и смачиваемого материала Для лучшего смачивания пыли, частицы которой имеют положительный электрический заряд, при ее пылеподавлении целесообразно использовать воду с избытком анионов (отрицательно заряженную) Показано, что улучшение смачиваемости приводит к росту сил сцепления между частицами пьши, что подтверждено экспериментами по определению предела прочности на сжатие и растяжение образцов, изготовленных из смеси породной ныли с водой, имеющей различные значения рН, после их высушивания

В четвертой главе изложены результаты оценки количества и состава пыли и ее влияния на окружающую среду на основании результатов экспериментальных исследований в районе карьера Стойленского ГОКа КМА и результаты проведенных массовых взрывов с экспериментальными блоками, на которых была применена комбинированная забойка.

Для отбора проб пыли использовали ловушки — открытые площадные сосуды, а также автоматические пылесборники, засасывающие запыленный воздух и осаждающие пыль на фильтрах типа АФА-В-10 Применяли также засасывание запыленного воздуха портативной воздуходувкой типа ПРМ-1М через упомянутые фильтры Пылеулавливающие приборы ставили по ходу движения пыпегазового облака через определенное (50-250 м) расстояние Направление движения ветра и облака определяли заранее по данным гидрометеослужбы города Пыль из ловушек и фильтры из пылесборников собирали, взвешивали в лаборатории ГОКа, а в лабораториях МГГУ и ИПКОН

РАН определяли крупность частиц пыли и ее состав в каждой точке улавливания, а также отбирали образцы почвы и определяли ее рН в лаборатории Взвешивание проводили на аналитических лабораторных весах с погрешностью не более 10 мг, что составляло не более 1,0-1,5% от массы пыли в пробе Крупность частиц пыли определяли под микроскопом марки МСБ-1 с увеличением 64, а также прибором Ценеприс-014 Определение минерального состава пыли производили рентгеновским дифракционным фазовым анализатором с получением и обработкой рентгенограмм на компьютере Характеристику пылегазового облака (его размер, высоту подъема, время существования) определяли по фотографиям и видеозаписям

Дисперсный состав пыли изменяется по мере удаления от места взрыва уменьшается как крупность пылевых частиц, так и их содержание в воздухе Наиболее крупные частицы пыли (до 260 мкм) состоят из магнетита, значительно меньше размер частиц гематита (до 70 мкм), а наименьший размер частиц относится к кварцу (около 30 мкм)

Наиболее крупные и тяжелые частицы пыли (магнетит) выпадают на расстоянии до 250 м от края карьера Крупность частиц пыли резко уменьшается с расстоянием от края карьера для магнетита, сравнительно плавно - для гематита и почти не меняется для кварца. Состав пыли с увеличением расстояния от эпицентра взрыва качественно не меняется, т е во всех пробах остаются магнетит, гематит и кварц С увеличением расстояния от эпицентра взрыва несколько увеличивается содержание в пыли гематита и магнетита, но уменьшается содержание кварца, однако кварца в пыли содержится больше, чем магнетита и гематита

Водородный показатель рН почвы в районе карьера уменьшается с расстоянием от края карьера, причем у края карьера почва закислена, а далее в основном - щелочная

Во всех случаях с расстоянием от края карьера (от эпицентра взрыва) уменьшается масса выпадающей пыли, причем при удалении от оси облака удельная масса выпадающей пыли уменьшается Уменьшение массы пыли в

зависимости от расстояния имеет примерно линейный характер. Распределение массы выпавшей пыли в поперечном направлении оси движения облака на расстояниях 100, 200 и 1200 м от эпицентра взрыва показывает, что максимальное количество пыли выпадает по оси движения облака и уменьшается на его периферии

С целью определения оптимальных параметров комбинированной забойки и эффективности разработанного способа пылегазоподавления на карьере Стойленского ГОКа было проведено пять экспериментальных взрывов, которые показали значительное снижение количества пыли и газа вблизи взрываемых блоков В среднем по данным этих взрывов оно снизилось примерно в 100 раз Осевшая в экспериментальной часта блока пыль представлена тонкодисперсными фракциями Очевидно, в результате коагуляции за счет воздействия тонкодиспергированного водяного компонента комбинированной забойки основная масса пыли осаждается в пределах развала горной массы и ловушек достигает только ее небольшая часть. Что касается токсичных газов, выделяющихся при взрыве, то практическое отсутствие пылегазо-вого облака указывает на их незначительное содержание или их полное отсутствие

Заключение

Диссертация является научно - квалификационной работой, в которой дано новое решение актуальной задачи по обоснованию и разработке способа пылеподавления и нейтрализации вредных газов при массовых взрывах на карьерах путем применения комбинированной забойки в скважинах, представленной в нижней части мелом, а в верхней части водой с избытком анионов, размещенной в полиэтиленовом рукаве

По результатам работы сформулированы следующие основные выводы

1 Процесс образования ПГО состоит из трех основных этапов первого - вынос пылевых частиц из скважины или образование так называемого изо-

лированного термика; второго - восходящее движение термика, обусловленное разностью плотностей газов в термике и окружающей среде, т.е за счет действия архимедовой силы, и третего - перенос ПГО ветром и осаждение пылевых частиц по траектории горизонтального перемещения облака

2 Изолированный газовый объем (термик) образуется в результате выброса продуктов детонации ВВ через устье скважины и в последующем через магистральные трещины в массиве Истечение газообразных продуктов взрыва из скважины происходит в критическом режиме, поскольку отношение давлений в атмосфере и в скважине («109 Па) значительно превышает критическое, равное для большинства газов примерно 0,5 Расчеты показывают, что давление в скважине, независимо от ее диаметра, практически снижается до атмосферного в течение 0,02-0,06 с Оценка величины критической скорости истечения из скважины показывает, что ее значение для продуктов взрыва граммонита 79/21 в момент после завершения детонации и после этого составляет примерно 450 м/с Скорость пылевых частиц в таком двухфазном потоке значительно меньше и зависит от их крупности (скорости витания)

На втором этапе термик под действием архимедовой силы перемещается вверх, одновременно вовлекая внутрь себя массу окружающего воздуха из пограничного слоя В результате вовлечения окружающего воздуха и адиабатического расширения радиус термика растет с высотой Также на втором этапе имеет место выпадение из ПГО частиц пыли тех размеров, скорость витания которых меньше скорости восходящего потока термика. Для более мелких частиц эффективным возможным способом их осаждения является коагуляция в крупные агломераты При использовании коагуляции с помощью мелкодисперсных частиц воды определяющей является смачиваемость пылевых частиц Поэтому вода должна содержать компоненты, улучшающие смачиваемость Величина архимедовой силы является определяющей для подъема и набора максимальной высоты ПГО Для снижения величины архимедовой силы необходимо уменьшить начальную температуру термика

20

3. Одним из факторов, отрицательно влияющих на коагуляцию пылевых частиц, является их электростатический заряд Для проверки наличия не-скомпенсированного электрического заряда на поверхности частиц пыли, возникающей при разрушении железистых кварцитов, были проведены лабораторные исследования По результатам исследований выявлено, что частицы пыли несут положительный электрический заряд Естественно, одноименная заряженность пылевых частиц препятствует их эффективной коагуляции в связи с их взаимным отталкиванием и их смачиванию коагулирующей жидкостью, поэтому для интенсификации пылеподавления необходима предварительная нейтрализация заряда частиц пыли, которую осуществляют водой с избытком анионов Экспериментально показано, что вода с отрицательно заряжепными ионами (рН < 6) существенно увеличивает смачиваемость частиц пыли и величину сил сцепления между ними

4 Способы и средства предотвращения выноса ПГО за пределы карьера должны быть направлены в первую очередь на подавление температуры изолированного термика (ПГО), осуществление процесса коагуляции пылевых частиц и нейтрализацию ядовитых газов Для осуществления этих разнородных целей целесообразно использовать один способ

Исходя из этого, на начальной стадии взрыва, когда начинается истечение взрывных газов и продуктов разрушения из скважин, целесообразно ввести в область, прилегающую к поверхности блока, охлаждающий реагент, например, наиболее дешевое и распространенное вещество — воду Вода должна находиться в самой скважине еще до взрыва, причем она должна содержаться в верхней части скважины изолировано от заряда ВВ, чтобы при взрыве объем воды можно было ускорить до скоростей, при которых она самодиспергируется

Предлагаемый способ заключается в создании над зарядом ВВ комбинированной забойки, верхняя часть которой состоит из водяной емкости с водой, имеющей избыток анионов, а нижняя - из непроницаемой меловой

Расчетное значение скорости вылета комбинированной забойки и соответственно ее верхней водяной часта составляет 260,7 м/с. Медианный диаметр частиц воды, образующихся в результате ее диспергации при такой скорости водяного компонента забойки, равен 17-20 мкм При объеме водяной части забойки, равном 1 м3, суммарная площадь поверхности частиц диаметром 20 мкм составляет 150000 м2 Такое сверхтонкое распыление водяной части забойки позволяет организовать интенсивную нейтрализацию температуры термика за счет испарения частиц воды и пылегазоподавление при массовых взрывах Поскольку скорость вылета забойки мало зависит от количества воды в ее верхней части, то существует возможность выбора этого количества для оптимального пылегазоподавления

При вылете из скважины инертная часть забойки также распыляется, что способствует наиболее полной нейтрализации ядовитых газов Экспериментальными исследованиями установлено, что оптимальное содержание мела в инертной части должно быть в пределах 20 - 40 кг на 1 тонну ВВ

5. Опытно-промышленные испытания комбинированной забойки для подавления пыли и газа при производстве массовых взрывов применительно к условиям Стойленского карьера были проведены в несколько этапов Первый массовый взрыв был проведен 20 10 2006 года Экспериментальный блок был разделен на два участка Северная часть блока взрывалась со стандартной забойкой, на южной была выполнена комбинированная забойка (нижняя часть примерно 0,75 м - мел и верхняя часть - отрицательно заряженная вода в полиэтиленовом рукаве)

После взвешивания пыли, собранной с ловушек, было установлено, что количество пыли с экспериментальной части блока в 117 раз меньше, чем с части с обычной забойкой и составило по массе 2,1 г/м2. Пыль с экспериментальной части взрываемого блока представлена в основном мелкими фракциями (менее 60 мкм), а с экспериментальной части - фракциями более 170 мкм. Проведенные пять экспериментальных взрывов показали аналогичные

результаты Осевшая в экспериментальной части блока пыль представлена тонкодисперсными фракциями Очевидно, в результате коагуляции пыли за счет воздействия тонкодиспергированного водяного компонента при комбинированной забойке основная масса пыли осаждается в пределах развала горной массы, и ловушек достигает только ее небольшая часть Что касается токсичных газов, выделяющихся при взрыве, то практическое отсутствие пылегазового облака указывает на их незначительное содержание или их полное отсутствие

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1 Гончаров С А, Каркашадзе Г Г, Чурилов Н Г , Семенов В В Исследование процесса распространения пыли в атмосфере при взрыве на открытых горных работах // Горный информационно-аналитический бюллетень -1998 -№3 -С 51-55.

2 Гончаров С А., Каркашадзе Г Г, Чурилов Н Г., Семенов В В Оценка возможности процесса диспергирования коагулирующей забойки при взрыве скважинных зарядов // Горный информационно-аналитический бюллетень - 1999 -№1 -С 21-23

3 Гончаров С А , Бондаренко Ю В , Чурилов Н Г , Семенов В В Расчет электростатического заряда взрывного пылевого облака на железорудных карьерах // Горный информационно-аналитический бюллетень -2001 - №6 - С 17-23

4 Гончаров С А, Бондаренко Ю В, Чурилов Н Г, Семенов В В Оценка электростатического заряда пылевых частиц, образующихся при добыче и переработке железистых кварцитов // Горный журнал - 2002 -№7 - С 82-84

5 Гончаров С А, Семенов В В , Корендясова Ю // Горный информационно-аналитический бюллетень - 2004 - №6 - С 5-9

6 Гончаров С А, Дугарцыренов А В , Каркашадзе Г Г., Семенов В В Оценка влияния параметров комбинированной забойки на пылеобразо-

вание при взрыве скважинных зарядов // Горный информационно-аналитический бюллетень -2005 -№11.-С 27-35.

7 Дугарцыренов А В , Анисимов В H, Семенов В В Об определяющих факторах формирования пылегазового облака при массовых взрывах на карьерах // Горный информационно-аналитический бюллетень - 2007 -№2 - С 43-51

Подписано в печать_Формат 60 х 90 / 16

Объем 1 п л Тираж 100 экз Заказ № _

Типография МГГУ, Москва, Ленинский проспект, д 6