Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование и разработка способа пылеподавления с реализацией процесса насыщения водой пылевого облака при взрывных работах на карьерах

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

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Новиков, Игорь Валериевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Анализ способов и технических средств пылеподавления при производстве массовых взрывов на карьерах.4.Q.

1.1. Обзор известных способов пылеподавления на карьерах. .iQ.

1.2. Анализ исследований в области распространения пыли при взрывных работах. .22.

1.3. Актуальность, цель и задачи исследований.ГТ. Sri.

Глава 2. Исследования процесса распространения пыли при взрывных работах. .кг.

2.1. Анализ сил действующих на пылевые частицы в газовом облаке. .hl.

2.2. Исследование процесса перемещения пылевого облака, образованного при взрыве. .кЬ

2.3. Анализ факторов влияющих на формирование пылевого облака

2.4. Исследование процесса охлаждения пылевых частиц в облаке, 7.

2.5. Выводы.

Глава 3. Разработка эффективного способа пылеподавления при производстве массовых взрывов на карьерах.

3.1. Описание нового способа пылеподавления с реализацией процесса насыщения водой пылевого облака. .Ж.

3.2. Анализ влияния воды на параметры продуктов детонации в скважине.$i.

3.3. Технологические параметры разработанного способа пылеподавления.

3.4. Выводы.9о

Глава 4. Производственные испытания способа пылеподавления при взрывных работах на карьерах.92.

4.1. Методика испытаний способа пылеподавления при производстве массовых взрывов.>т.гг.

4.2. Результаты производственных испытаний на железорудных карьерах.>:.

4.3. Технико-экономические показатели разработанного способа пылеподавления.

4.4. Выводы.т

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование и разработка способа пылеподавления с реализацией процесса насыщения водой пылевого облака при взрывных работах на карьерах"

Горнодобывающая промышленность в настоящее время характеризуется концентрацией всех горных работ и интенсификацией производственных процессов. На открытых горных работ это проявляется в наибольшей степени, сопровождаясь увеличением глубины разработки, усложнением процесса проветривания карьерного пространства, ухудшением условий труда по газовому и пылевому фактору.

В горнодобывающей промышленности прослеживается тенденция на развитие открытого способа разработки, являющемся наиболее экономичным и высокопроизводительным. За последние годы доля руд чёрных и цветных металлов, добытых на карьерах открытым способом, увеличилась. Ежегодно открытым способом в нашей стране перерабатывается несколько миллиардов кубических метров горных пород. Большая часть из действующих карьеров будет эксплуатироваться и за пределами 2005 года. При этом 50% горной массы будет добываться на карьерах глубиной более 300 м.

Однако открытый способ разработки достиг такого уровня развития, что стал оказывать очень серьёзное негативное воздействие на окружающую среду, вызывая ландшафтные изменения, способствуя загрязнению прилегающих территорий, воздушного и водного бассейнов. Это отрицательно влияет на природу и здоровье людей, создавая неудовлетворительную экологическую ситуацию в промышленных зонах региона.

Многочисленными исследованиями установлено, что в карьерах при высокой интенсивности и концентрации производства, с увеличением глубины горных работ происходит загрязнение вредными примесями их атмосферы, превышающее ПДК. Концентрация пыли на рабочих местах

3 3 достигает 2,7-2,8 мг/м , оксида углерода - 13-24 мг/м , окислов азота 3,1-5,8 мг/м3 [4].

Значительное ухудшение экологической обстановки при ведении горных работах открытым способом привело к тому, что в конце 50-х начале 60-х годов начала интенсивно развиваться новая область горной науки - аэрология карьеров, основоположником которой является академик А.А.Скочинский. Большую роль в решении теоретических и практических вопросов проблемы оздоровления условий труда на открытых горных работах сыграли труды члена -корреспондента АН УССР Ф.А. Абрамова, докторов наук Н.З. Битколова, П.В. Бересневича, Л.Д.Вассериана, Г.В. Калабина, К.В.Кочнева, A.A. Кулешова, А.Н. Купина, В.А.Михайлова, B.C. Никитина, В.В. Силаева, В.Н.Сытенкова, К.З. Ушакова, С.С. Филатова, П.Ч.Чулакова, кандидатов наук Я.З.Бухмана, A.A. Вершинина, Ю.В.Гуля, И.И.Иванова, А.А.Козакова, В.П.Куликова, Н.В.Ненашева, Г.Ф. Нестеренко, А.И.Павлова, Г.А.Радченко, С.М.Рослякова, О.Г.Страшникова, П.Д.Шилова и многих других.

Современные требования экологии ставят необходимость не только в обеспечении нормальных санитарно - гигиенических условий труда непосредственно в карьере, но и в сокращении выбросов вредных примесей за его пределы для предотвращения загрязнения окружающей среды.

Несовершенство технологических процессов и оборудования, ухудшение условий естественного воздухообмена с ростом глубины карьеров, являются основными причинами загрязнения атмосферы карьера и прилегающей территорию. Основными источниками пылегазовыделения при этом являются: бурение; дробление и выброс породы взрывом; погрузочно-разгрузочные работы; транспортирование, отвалообразование и отстойников хвостохранилищ, вспомогательные технологические операции и оборудования, а также промышленных выбросов обогатительных и особенно агломерационных фабрик. Наибольшее число выбросов вредных примесей (пыли и газа) приходиться на долю буровзрывных работ около 3,5%, погрузочно-транспортные работы 40% и пыль осевшая на карьерных площадях [1].

Широко применяемые при разработке полезных ископаемых открытым способом для отбойки, разрушения и экскавации крепких горных пород взрывные работы являются сильным источником воздействия горного производства на окружающую среду. Они сопровождаются сейсмическими и акустическими возмущениями вблизи карьеров, а также подъёмом больших масс пыли, которая оседает на территории окружающих жилых массивов и на сельскохозяйственных угодьях и полях, вызывая изменения состава почв. После взрыва пылегазовое облако распространяется по пространству карьера и, будучи вовлечённым в атмосферные потоки, рассеивается по поверхности земли. Визуально фиксированное время рассеивания облака превышает 30 мин, а высота подъёма достигает 1,6 км при дальности его распространения до 12 - 15 км [3].

Интенсивность пыле- и газообразования при ведении буровзрывных работ на карьерах зависит от многих причин, к которым, прежде всего, следует отнести условия взрывания (крепость горных пород и их обводнённость, время производства взрывных работ), тип используемого ВВ и забойки, способ бурения скважин, методы взрывания [2].

В нашей стране и за рубежом было уделено много внимания проблеме борьбы с пылью при производстве взрывных работ. Предложено большое количество способов пылеподавления. Однако в настоящее время при производстве взрывных работ известные способы практически не применяются из за своей технологической сложности и дороговизны. Следовательно, проблема борьбы с пылью после массовых взрывов остаётся актуальной и в настоящее время.

Диссертационная работа посвящена техническому решению этой актуальной проблемы - сокращению выбросов вредных примесей за пределы карьера.

Цель работы - установление закономерностей формирования и осаждения пылегазового облака для разработки эффективного способа осаждения пыли и нейтрализации вредных газов при производстве массовых взрывов на карьерах, применение которого снижает экологическую нагрузку на окружающую среду.

Основная идея работы заключается в использовании установленных закономерностей процессов насыщения пылевого облака парами воды, её конденсации на пылевых частицах, коагуляции для повышения эффективности осаждения пыли и нейтрализации вредных газов на карьерах.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:

1. Установлена зависимость формирования и осаждения пылегазовых облаков при производстве взрывных работ на карьерах, новизна которой заключается в учете влияния на аэродинамическую силу восходящего потока, молекулярного веса и температуры продуктов детонации взрывчатых веществ (ВВ) с учетом содержания паров воды, позволяющей повысить эффективность нейтрализацию вредных газов и коагуляцию пылевых частиц.

2. Установлено влияние массы оболочки с водой, расположенной внутри заряда ВВ, на величину давления продуктов детонации в скважине. С увеличением диаметра оболочки с водой максимальное давление уменьшается, при этом на величину давления оказывают два фактора: с одной стороны, наличие оболочки с водой внутри заряда ВВ понижает температуру продуктов детонации, а с другой - возрастает составляющая парциального давления пара.

3. Впервые в условиях открытых горных работ установлено, что насыщение пылевого облака продуктами диссоциации водной суспензии известняка интенсифицирует процесс нейтрализации ядовитых газов, образующихся при взрыве.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- использованием в аналитических моделях формирования и осаждения пылевых облаков фундаментальных физических законов термо- и аэродинамики, удовлетворительно согласующихся с результатами производственных экспериментов.

- соответствием теоретических зависимостей перемещения пылевых облаков с результатами обработки производственных экспериментов, позволивших установить зависимости интенсивности осаждения пыли и нейтрализации вредных газов в течение времени. Погрешность результатов обработки видеоматериала не превышает 5%, при надежности более 90%.

Научное значение работы. Установлены закономерности формирования и осаждения пылегазового облака с учетом влияния на него парогазовой смеси при разных типах ВВ.

Практическое значение работы. Обоснован и разработан эффективный способ пылеподавления, обеспечивающий осаждение пылевого облака и нейтрализацию вредных газов над местом массового взрыва.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработанный способ пылеподавления испытан на железорудных карьерах Оленегорского и Михайловского ГОКов, где подтверждена его высокая эффективность и целесообразность практического использования.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на конференции в Санкт-Петербурге, 2001 г, на симпозиуме "Неделя горняка" в МГГУ 2001, 2002 гг, на технических советах МГОКа 2000-2001 гг. Разработанный способ пылеподавления награждён дипломом и медалью Почёта 93-го Международного салона изобретений " Конкурс Лепин", Париж, Франция, 2002 г. Техническая разработка награждена дипломом III степени Российского агентства по патентам и товарным знакам, 2002 г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 печатные работы, имеется один патент Российской Федерации.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из 4 глав, введения, заключения, списка использованных источников из 56 наименований, 6 приложений, содержит 129 печатных страниц, 16 рисунков и 12 таблиц.

Автор выражает глубокую и искреннюю благодарность научному руководителю, проф. д.т.н. Г.Г. Каркашадзе, а также сотрудникам кафедры "Физика горных пород и процессов " Московского государственного горного университета: проф., д.т.н. С.А. Гончарову, проф., д.т.н. Гридину О.М., проф., д.т.н., Г.А. Янченко, доц., к.т.н. A.B. Дугарцыренову и др. за большую помощь при подготовке диссертации выражаю благодарность. Инженерно-техническим работникам ОАО "Михайловского ГОКа" начальнику БВК Олименко В.М., гл. инж. Мачулину Н.И., д.т.н. Мочалову В.И. и др., и ОАО "OJIKOH" нач. БВР Сёмочкину B.C. за помощь при проведении промышленных экспериментов.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Новиков, Игорь Валериевич

4.4. Выводы

1. При шарошечном варианте обуривания блока эффективное пылеподавление наблюдается при использовании воды суммарным объёмом 8-10 литров в каждой скважине. При комбинированной технологии оптимальный объём воды составляет 15-20 литров в каждой скважине.

2. На всех экспериментальных блоках зафиксировано, что примерно через 20 секунд после взрыва пылевое облако принимает белый, парообразный цвет, что свидетельствует о реализации механизма конденсации воды в пылевом облаке. После конденсации воды наблюдается интенсивное осаждение пылевых частиц в течение до 5 минут вплоть до полной очистки атмосферы над местом взрыва. Экспертная оценка эффективности пылеподавления составляет 95% для граммонита и 90% для гранулотола.

3. Из анализа цвета пылевого облака на экспериментальных блоках отмечен факт уменьшения красноватых оттенков, по сравнению с базовыми вариантами, что свидетельствует о нейтрализации ядовитых газов в форме оксидов азота. Экспертная оценка эффективности нейтрализации ядовитых газов составляет 90-95%.

Заключение

В диссертационной работе решена важная научно-техническая задача установления закономерностей осаждения пыли и нейтрализации продуктов детонации водяными парами при производстве взрывных работ на карьерах, позволяющей повысить экологию окружающей среды. По результатам работы сформулированы следующие основные выводы:

1. Установлено, что формирование и распространение пылевых облаков обусловлено преимущественным влиянием аэродинамической силы. Поэтому главным фактором пылеподавления является управление аэродинамической силой газа в пылевом облаке, зависящей от молекулярного веса, содержания воды, продуктов детонации ВВ, температуры газа, размеров и плотности частиц пыли, а дальность их распространения определяется ещё размерами и плотностью, высотой первичного выброса пыли и скоростью ветра.

2. Теоретически установлено влияние типов ВВ на процесс распространения пылевого облака. В расчёте учитывается теплота взрыва, содержание паров воды и молекулярный вес газообразных продуктов детонации, определяющие величину подъёмной аэродинамической силы. Из проанализированных типов ВВ наибольшей пылеобразующей способностью обладает гранулотол, а наименьшей - акватолы, что подтверждается практикой ведения взрывных работ.

3. Разработан новый способ пылеподавления, основанный на целенаправленном насыщении пылевого облака водой с возможностью её осаждения внутри пылевого облака и на пылевых частицах, что приводит к реализации процесса пылеподавления над местом взрыва. Способ реализуется путём размещения внутри заряда ВВ, в его верхней части, ёмкостей с водой объёмом 10-15 л.

4. Теоретически исследовано влияние фактора размещения оболочки с водой внутри заряда ВВ на его работоспособность. Установлено влияние на величину максимального давления двух противоположных факторов: с одной стороны, наличие воды внутри заряда ВВ понижает давление продуктов детонации вследствие расходования энергии на нагрев (отрицательный фактор), а с другой - давление продуктов детонации возрастает за счёт повышения парциального давления.

5. Разработанный способ пылеподавления испытан в производственных условиях на железорудных карьерах Михайловского и Оленегорского ГОКов. Отработаны технологические варианты с использованием пластиковых ёмкостей с водой и водной суспензии известняка, размещаемых в верхней части заряда ВВ. Эффект пылеподавления реализуется при использовании 10-15 л воды на одну скважину. Осаждение 90-95% пыли происходит в течение 5 мин и менее практически над местом массового взрыва. Кроме того, достигается осаждение не менее 90% ядовитых газов (оксидов азота и углерода).

6. При использовании разработанного способа пылеподавления экономическая эффективность порядка 160 тыс. рублей достигается за счёт сокращения ежегодных плат за вредные выбросы. Экономическая эффективность достигается за счёт снижения загрязнения окружающей среды и окружающей карьер территории. р

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Новиков, Игорь Валериевич, Москва

1. Адушкин В.В. Основные факторы воздействия открытых горных работ на окружающую среду. Горный журнал, №4, 1996.

2. Азаркович А.Е., Болховитинов Л.Г., Перник Л.М. Возможности уменьшения выделения оксидов азота при взрывании аммиачноселитренных ВВ. ФТПРИ, - №2, 1995.

3. Бересневич П.В. Определение газовости взрывчатых веществ в условиях карьеров. Бюлл. ЦНИИЧМ, №17, серия 2, 1966.

4. Бересневич П.В., Фурса И.В., Никколин Г.Я., Перегудов В.В. Пути сокращения пылевыделения при массовых взрывах на карьерах. -Горный журнал. 1980. - №8. - с. 55-56.

5. Бересневич П.В., Михайлов В.А., Филатов С.С. Аэрология карьеров. Справочник, М., Недра, 1990.

6. Бересневич П.В., Михайлов В.А. Оседание пыли при массовых взрывах в карьерах. Изв. Вузов., Горный журнал, №7,1969.

7. Бересневич П.В., Лобода А.И., Ребристый В.Н. Прогноз способов и средств нормализации атмосферы глубоких карьеров методом экспертной оценки. Горный журнал - 1990 - №8 - с. 52-55.

8. Бересневич П.В., Наливайко В.Г. Снижение выбросов пыли и газов в атмосферу карьеров и окружающую среду при массовых взрывах: Черметинформация М, 1989, Вып.4, с. 20.

9. Бересневич П.В., Фурса И.В., Николин Г.Я. и др. Пути сокращения пылевыделения при массовых взрывах в карьерах. "Безопасность труда в промышленности". - 1978. - № 1.-е. 54-56.

10. Ю.Борзенков П. А., Семунькин М.Б. Применение ПАВ для пылеподавления при массовых взрывах в карьерах. Всесоюзный научно-технический семинар (Кривой Рог. 16-18 октября): Тез.докл. -М.: 1990-е. 12-13.

11. П.Волохов М.И., Журавлёв В.Н. Определение электрозаряженности пыли. Изучение физико химических свойств пыли и возможности их использования в целях пылеулавливания. - Материалы совещания в Москве, 1969 г., М., ИГД им. Скочинского, 1970 г.

12. Викторов С. Д., Бутысин B.C. Методика и программа расчёта образования, распространения пылегазового облака при массовом взрыве на карьере. Горный журнал, №5, 1996.

13. Гончаров С.А., Янченко Г.А., Дугарцыренов A.B. Осаждение твердых частиц в пылевом облаке при взрывных работах на карьерах, разрабатывающих железистые кварциты. ГИБ. МГГУ, 2001.

14. Давыдов Б.С., Архипов A.B. "Горный журнал". - 1965. - №5.

15. Дробот Б.Я. Влияние водяной забойки скважин и поливки взорванной горной массы на газовыделение после массовых взрывов в карьерах. Тезисы докладов научно технической конференции КГРИ. - изд-во КРГИ, Кривой Рог, 1967.

16. Дубенюк В.М. и др. Проветривание карьеров реактивной вентиляционной установкой. "Горный журнал". - 1965. - №10

17. Единые правила безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом. М., Недра, 1969.

18. Ефремов Э.И. Проблемы охраны окружающей среды при массовых взрывах на карьерах. Вюник АН УССР. - 1989. - № 11. - с. 64 - 70.

19. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача. Учебник для вузов, Изд. 3-е, перераб. и доп. М., "Энергия", 1975.

20. Карапетьянц М.Х. Химическая термодинамика. Изд. 3-е, перераб. и доп. М., "Химия", 1975.

21. Конорев М.М. Искусственная вентиляция и пылегазоподавление в атмосфере карьеров. Диссертация д.т.н. Екатеренбург ИГД., 1999 г.

22. Конорев М.М., Нестеренко Г.Ф. Термодинамика формирования пылегазового облака (ПГО) при массовых взрывах.// Горные науки нарубеже 21 века : Материалы международной конференции 1997/ ГИ УрО РАН. Екатеренбург: УрО РАН, 1998 с. 220-226.

23. Лавренчик В.М. Глобальное выпадение продуктов ядерных взрывов. -М., Атомиздат, 1965.

24. Луговский С.И., Дубенюк В.М. Проветривание карьеров воздушно -водяными струями. Волгоград, Нижне - волжское книжное изд - во. - 1967.

25. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М., "Высшая школа", 1967.

26. Марченко Л.Н. Иследование процессов образования и развития трещин в твёрдых средах в зависимости от концентрации заряда. Сб. "Взрывное дело", №54/11, М., изд-во Недра, 1964.

27. Марчук Г.М. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. -М.: Черметинформация, 1985.

28. Михайлов A.M. Охрана окружающей среды на карьерах. Киев: Высшая школа. - 1990. - 186 с.

29. Михайлов В.А., Бересневич П.В., Борисов В .Г., Лобода А.И. Борьба с пылью в рудных карьерах. М.:Недра,1981. - 262 с.

30. Михайлов В.А., Бересневич П.В., Михайлов Н.П., Клевцов И.В. Снижение запылённости воздуха при массовых взрывах на карьерах. Бюлл. ЦНИИЧМ. 1969, №9.

31. Михайлов В.А., Бересневич П.В., Лобода А.И., Родионов Н.Ф. Борьба с пылью и ядовитыми газами при буровзрывных работах на карьерах. -М., Недра, 1971.

32. Михайлов В.А., Макаревич Д.Н., Родионов Н.Ф. Сб. "Вентиляция и очистка воздуха". №2. - М., Недра, 1967.

33. Михайлов В.А., Бересневич П.В. Снижение запылённости и загазованности воздуха на открытых горных работах. Киев, Техн., 1975.

34. Михайлов В. А., Михайлов Н.П., Бересневич П.В. Иследование запылённости и загазованности атмосферы карьеров после массовых взрывов. Сб. " Вентиляция и очистка воздуха", №2, М., изд-во Недра, 1969.

35. Мосинец В.Н., Лукьянов А.Н., Аверкин JI.A., Конорев М.М. Проблемы и нормализация атмосферы на открытых горных работах. Горный журнал. - 1991 - №1 - с. 48-52.

36. Никитин B.C., Бересневич П.В. К вопросу о выносе вредных газов из карьера после массовых взрывов. В кн.: Научные работы институтов охраны труда ВЦСПС. - М., Профиздат, 1969, вып. 59,с. 7-13.

37. Николаев В.Д., Малинин В.А. и др. "Безопасность труда в промышленности". - 1964. - №6.

38. Новожилов М.Г., Друкованный М.Ф. и др. Иследование эффективности зарядов с воздушными промежутками. Сб. "Взрывное дело", №54/11, М., изд-во Недра, 1964.

39. Новожилов М.П., Друкованный М.Ф., Ильин В.И., Оксанич И.Ф. Взрывание в зажатой среде на карьерах. Киев, изд-во "Наукова думка.", 1967.

40. Носов Г.К., Кашицын О.П., Бересневич П.В., Фурса. И.В. Контроль запылённости и загазованности атмосферы с применением вертолётов. Труды ВНИИСХСПГА, вып. 13, Краснодар, 1974, с. 20-28.

41. Петренко П.Д., Тютюнник В.И., Дробин Г.Ф. Исследование влияния взрывных работ в выпускных отверстиях на устойчивость днища. Известия вузов. Горный журнал. 1970. - №1. - с. 31-32.

42. Поляков И.Р. Способ снижения пыле- и газообразований при массовых взрывах на рудных карьерах. Изд. НИИ НТИ и технико-экономических исследований Госплана УзССР. Ташкент, 1976.

43. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики. -М.: Наука, 1966.

44. Филатов С.С. О предотвращении опасных загрязнений атмосферы глубоких карьеров. Горный журнал, 1979, №1, с. 59-61.

45. Филатов С.С. Нормализация состава атмосферы в глубоких карьерах. -Горный журнал. 1987, №2, с. 35-37.

46. Филатов С.С., Михайлов В.А., Вершинин А. Борьба с пылью и газами на карьерах. М., Недра, 1973.

47. Ханукаев A.M. О влиянии радиальных зазоров и воздушных промежутков на параметры волны напряжений и процесс разрушения. Сб. "Взрывное дело", №54/11, М., изд-во Недра, 1964.

48. Чулаков П.Ч., Мухитов И., Абдраманов Ш.А. Эффективность очистки воздуха от пыли воздушно-механической пеной. В кн.: Горное дело, вып. 11, Алма-Ата, 1975, с. 59-61.

49. Яворский Б.М., Пинский A.A. Основы физики: Учебник в 2т. 4-е изд., перераб./под ред. Ю.И.Дика. М.: Физматгиз, 2000, 576 с. - ISBN5 -9221 -0036-Х.

50. Ягнышева JI.M., Рыжков Ф.Н. Магнитная обработка воды и растворов как средство повышения эффективности пылеподавления на рудниках.

51. Изучение физико химических свойств пыли и возможности их использования в целях пылеулавливания. - Материалы совещания в Москве, 1969 г., М., ИГД им. Скочинского, 1970 г.

52. Ященко С.С., Гурин А.А. Защита окружающей среды при массовых взрывах. "Безопасность труда в промышленности". - 1981. - № 1. - с. 23- 24.

53. Gypsum based stemming compound for shothdes "International Mining Equipment", 1963,No 9, V.7.

54. Update on Belt Cleaners. Rock Products/ 1988 - Vol. 91 - №3 - P. 45-49.