Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оценка загрязнения атмосферы при освоении месторождений известняка

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Оценка загрязнения атмосферы при освоении месторождений известняка"

На правахщкотиси

ДИАНОВ Юрий Юрьевич

ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ПРИ ОСВОЕНИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ИЗВЕСТНЯКА

Специальность 25.00.36 - Геоэкология (в горно-перерабатывающей промышленности)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

14 НОЯ 2013

Тула 2013

005538143

005538143

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» (ТулГУ) на кафедре геотехнологий и строительства подземных сооружений.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

КАЧУРИН Николай Михайлович.

Официальные оппоненты:

АБРАМКИН Николай Иванович, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Подземная разработка пластовых месторождений», ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный институт», г. Москва,

БАКУНИН Евгений Иванович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Аэрологии, охраны труда и окружающей среды», ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», г. Тула.

Ведущая организация: ОАО «ТулНИГП», г. Тула.

Защита диссертации состоится «29» ноября 2013 г. в 14 час 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.271.00 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина, 90, 6-й уч. корпус, ауд. 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан « 28 » октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета /у\У ПЬонид Элярдович Шейнкман

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Центральный федеральный округ Российской Федерации обладает развитой минерально-сырьевой базой, что позволяет не только поддерживать высокий промышленный потенциал территории, но и экспортировать некоторые виды минерального сырья и продукцию его передела в другие регионы России, страны ближнего и дальнего зарубежья. В настоящее время на территории округа разведано более 2300 месторождений твердых полезных ископаемых. Наибольшее значение для расширения минерально-сырьевой базы округа имеют запасы и прогнозные ресурсы железных руд, строительных материалов, подземных вод, цементного и стекольного сырья, титан-циркониевых песков, гипса, агрохимического сырья. Кроме этого возможно обнаружение нетрадиционных для территории полезных ископаемых.

В соответствии с программой реструктуризации и общей стратегией развития горной промышленности различных стран предусматривается превращение ее в устойчиво функционирующую и рентабельную отрасль за счет создания конкурентоспособных предприятий, освоения месторождений с благоприятными горно-геологическими условиями, внедрения новых технологий, комплексной экологически чистой переработкой полезных ископаемых. Особое место в этих стратегических планах занимает открытый способ разработки месторождений полезных ископаемых. Современные масштабы воздействия на атмосферу и гидросферу, а также техногенная активизация геохимического переноса на территориях горнопромышленных регионов сопоставимы с геологическими процессами. Проектирование и развитие горных работ на карьерах связанно с необходимостью одновременного широкого учета большого числа факторов. При этом учет принципа экологической направленности ведения горных работ становится важной научной задачей. Существующие методы прогнозирования техногенного воздействия на известняковых карьерах требуют более глубокого научного обоснование экологически рациональных параметров технологических процессов. Это повысит точность прогнозных расчетов и оценки воздействия на окружающую среду при добыче полезных ископаемых открытым способом.

Поэтому совершенствование методов оценки экологической эффективности при освоении месторождений карбонатных пород открытым способом является актуальным.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 — 2010 гт.)» (per. номер 2.2.1.1/3942) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0319).

Целью работы являлось уточнение существующих закономерностей влияния технологических факторов при добыче известняков на атмосферу и их взаимосвязь с экологической эффективностью освоения месторождений известняка для совершенствования методических положений по обеспечению экологической безопасности горнодобывающих регионов при открытой добыче карбонатных пород.

Идея работы заключается в том, что обеспечение экологической безопасности горнодобывающих регионов при открытой добыче карбонатных пород основывается на адекватных математических моделях комплексной оценки аэрологических факторов геотехнологической эффективности при открытой добыче известняков и утилизации отходов, позволяющих прогнозировать воздействия на атмосферу при разработке месторождений известняка.

Основные научные положения работы:

1. Аэрологическая эффективность проектов рационального освоения месторождений карбонатных пород характеризуется интенсивностью воздействия открытой добычи и переработки известняков на атмосферу и оценивается по уровням воздействия, которые описываются закономерностями формирования пылегазовых выбросов от различных источников.

2. Математические модели, основывающиеся на дифференциальных уравнениях логистического типа, позволяют прогнозировать расход топлива при транспортировании известняка и выбросы токсичных веществ в атмосферу, а также обосновать периодичность доставки полезного ископаемого к погрузочным пунктам, которая по аэрологическому фактору составляет от 2 до 5 ч.

3. Экологический риск при анализе проектов рационального освоения месторождений карбонатных пород открытым способом представляет собой произведение математического ожидания финансовых потерь на вероятность возникновения экологических ситуаций, приводящих к таким потерям.

Новизна основных научных и практических результатов:

1. Уточнены основные закономерности газовых выбросов в приземный слой атмосферы от автомобильного транспорта на карьере, отличающиеся тем, что взаимосвязь расхода топлива и объемы грузоперевозок описываются дифференциальными уравнениями логистического типа.

2. Сформулированы методические положения по определению параметров математических моделей, отражающих взаимосвязь расхода топлива и объемы грузоперевозок при добыче известняка открытым способом.

3. Уточнена математическая модель оценки оптимальной периодичности доставки полезного ископаемого к погрузочным пунктам по аэрологическому фактору.

4. Обоснована взаимосвязь технико-экономических показателей работы известнякового карьера с перспективами реализации мероприятий по защите атмосферы.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием методов математической физики, численных методов, современных достижений вычислительной техники; большим объемом вычислительных экспериментов, проведенных в процессе исследования и решения поставленных задач, а также положительными результатами практической апробации на территории Тульской области.

Практическое значение работы. Основные научные результаты позволяют реализовать эффективные инженерные методы прогноза расхода топлива на известняковом карьере и повысить качество инвентаризации источников загрязнения атмосферы. Разработанные алгоритмы оценки загрязнения атмосферы при освоении месторождений известняка позволяют автоматизировать решение прогнозных задач при разработке проектных решений.

Апробация работы. Научные положения и практические рекомендации диссертационной работы в целом, и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений ТулГУ (г. Тула, 2009-2013 гг.); ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 2009-2013 гг.); научно-технических советах Западноуральского машиностроительного концерна (г. Пермь, 2011-2013 гг.); Международной конференции

«Ecology, Energy, Economy Safety in a Non Liner World. 3E - SAFETY» (г. Белград, 2009 г.); 3-я Международная конференция по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 2010 г.); 3-rd International Symposium ENERGY MINING «Energy Mining, New Technologies, Sustainable Development» (Сербия, г. Апатин, 2010 г.).

Публикации. По результатам научных исследований имеется 4 публикаций, 2 из которых в изданиях, входящих в Перечень ВАК РФ.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 172 страницах машинописного текста, состоит из 4 разделов, содержит 16 таблиц, 23 рисунка, список литературы из 108 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Современные методы прогноза пылегазовых выбросов в атмосферу горными предприятиями являются результатом исследований, выполненных ИПКОН РАН, ИТТФ НАН Украины, ДонНТУ, МакНИИ, ИПКОН РАН, ИГД им. А.А. Скочинского, Института угля СО РАН, Национального минерально-сырьевого университета «Горный», ГИ ПермНЦ УрО РАН, МГТУ, СПГТИ, ПГТУ, ТулГУ и др. Большой вклад в решение проблемы внесли академики РАН К.Н. Трубецкой, Ю.Н. Малышев; чл. корреспонденты РАН Д.А. Рубан, Д.Р. Каплунов, А.Е. Красноштейн; профессора Э.М. Соколов, М.А. Пашкевич, Е.И. Захаров, Б.П. Казаков, Н.М. Качурин, Ю.В. Шувалов и др. Анализ основных научных и практических результатов, полученных в различных научных школах, показал, что оценка воздействия на атмосферу при реализации проектов освоения месторождений известняка требуют дополнительных исследований по данной проблеме.

Цель и идея работы, а также современное состояние знаний по рассматриваемой проблеме обусловили необходимость постановки и решения следующих задач.

1. Изучить и обобщить содержание и структуру существующей базы данных по воздействию известняковых карьеров на окружающую среду в районах размещения предприятий по открытой добыче и переработке карбонатных пород на территории Тульской области.

2. Установить закономерности формирования пылегазовых выбросов, сбросов и нарушения земель при открытой добыче и переработке

карбонатных пород, и усовершенствовать методические положения оценки воздействия процессов транспортирования полезных ископаемых на окружающую среду.

3. Разработать обобщенную математическую модель воздействия известняковых карьеров на окружающую среду для количественной оценки уровня экологической эффективности открытой добычи карбонатных пород и получить прогнозные оценки воздействия на атмосферу действующими известняковыми карьерами.

4. Разработать математическую модель оценки риска проекта рационального природопользования при добыче известняка открытым способом и провести вычислительные эксперименты.

5. Провести практическую апробацию усовершенствованных методов оценки аэрологической эффективности проектов рационального освоения месторождений известняка.

В качестве объекта исследований была принята территория Тульской области. Девонские толщи в пределах области содержат большие запасы известняков. Эти запасы определяются сотнями миллиардов тонн. Наибольшее распространение девонские известняки в пределах области имеют в южных районах - Ефремовском, Плавском, Чернском и других. Образование мраморовидных известняков, ценного строительного материала, связано с каменноугольным периодом. Они располагаются в северных районах области: Веневском, Заокском и Алексинском.

Источниками загрязнения воздушного бассейна являются эрозия поверхности отвалов и уступов, массовые взрывы и автотранспорт с двигателями внутреннего сгорания. В соответствии с задачами исследований была проведена инвентаризация источников загрязнения атмосферы известняковыми карьерами Тульской области. Были исследованы Гуровский карьер акционерной компании «Гурово-Бетон» и Турдейский щебеночный завод. Выполнена оценка воздействия на окружающую среду Горбачевского участка Берниковского известнякового карьера. В таблице 1 приведена Качественная и количественная характеристика источников загрязнения атмосферы в зоне действия известнякового карьера «Горбачево»

Воздействие на атмосферу в зоне действия известнякового карьера «Горбачево» осуществляют следующие источники: экскаватор; взрывные работы; буровой станок; двигатели автомобилей; карьерные автодороги; отвалы.

Таблица 1 - Качественная и количественная характеристика источников загрязнения атмосферы в зоне действия известнякового карьера «Горбачево»

Загрязняющее Суммарный выброс

вещество г/с т/год

1. Сажа.............................. 0,0270 0,113

2. Взвешенные вещества......... 17,3070 10,067

3. Углеводороды.................. 0,0912 0,219

4. Диоксид азота.................. 0,258 0,349

5. Диоксид серы..................... 0,038 0,146

6. Оксид углерода................. 1,446 1,117

7. Бенз(а)пирен..................... 0,00000038 0,0000008

ВСЕГО: 12,011

Пылегазовые выбросы от данных источников включают следующие вещества: оксид углерода; углеводороды; диоксид азота; сажа; диоксид серы; бенз(а)пирен; пыль. Аналогичные качественные результаты были получены И по другим известняковым карьерам Тульской области. Взрывные работы являются одной из основных технологических операций добычи полезных ископаемых при разработке месторождений открытым способом. Массовые взрывы на карьерах являются основным источником пылегазовых выбросов при производстве горных работ, однако, на сегодняшний день, исследований направленных на изучение формирования пылегазового облака на начальной стадии взрыва мало. При взрыве скважинных зарядов образуется мелкодисперсная пылевая фракция менее 100 мкм, которая наиболее опасна как для человека, так и для окружающей среды. Существенное влияние на эффективность действия взрыва оказывает конструкция заряда ВВ и забойка. Применение забойки скважинных зарядов на карьерах рассматривается как способ повышения эффективности взрывных работ, в то же время забойка влияет на образование пылевой фракции в ближней зоне.

Обобщение результатов натурных наблюдений позволило разработать схему материальных потоков, представленную на рисунке 1.

Рисунок 1 - Экологическая балансовая схема материальных потоков при работе известнякового карьера «Горбачеве»

Для оценки аэрологической эффективности геотехнологии необходимо получить прогнозное значение объема добычи известняка на карьере, которое обеспечивает эколого-экономическую эффективность предприятия в целом. Объем добычи известняка предлагается определять по следующей формуле:

V, (ДО = С* (ДО + С,к (ДО + (1 - РГЯС ) •■ £ у (Д1 -1) а' Ц, (ДО -

1=1

-г(до[и(до - (1 - Р™с) < Ц, (ДОX', (1)

где Дг-длительность отчетного периода (например, год или квартал); У;(ДО - объем добычи ¡-го вида полезного ископаемого в отчетный период; 1 - порядковый номер полезного ископаемого; и(Д^ - удельное значение переменных затрат; Z(Дt) - удельное значение постоянных затрат;

С* (ДО - сумма полученных кредитов для добычи 1-го вида полезного ископаемого, которые не должны погашаться в период Д1;

С,с(ДО - собственные финансовые средства предприятия, которые могут быть использованы для добычи и переработки 1-го вида полезного ископаемого;

Р"дс - нормативная ставка налога на добавленную стоимость; Т — число периодов необходимых для реализации продукции; а[ - доля ¡-го вида полезного ископаемого, добытого в период (Д1 -1), выручка от реализации, которых поступает в период Д1;

У}(Д1 - 0 - объем добычи 1-го вида полезного ископаемого в период (Д1 -0;

ЦКДО - цена единицы ¡-го вида полезного ископаемого; а° - доля ¡-го вида полезного ископаемого, добытого в период Д1 и реализованного в этот же период.

Критерий оптимальности объема добычи известняка задан соотношением Р|0((Д1),тт{ВДД1)}|-» шах, где D¡ и B¡ доходы и издержки

от добычи и переработки известняка соответственно. Следовательно, оптимальный объем добычи и переработки известняка Уор,(Д0 = тах^Р[О^Д0,тт{В1(Д1)}]). Если для достижения оптимального объема добычи известняка и производства товарной продукции не хватает производственных мощностей и необходимо приобретение нового оборудования, строительство дополнительных сооружений и обучение персонала, то при таких обстоятельствах необходимо проводить прогнозные расчеты ожидаемых доходов по инвестициям и оценивать воздействие на окружающую среду. При этом определяют величину инвестиций, ликвидную стоимость капитала, а также влияние инвестиций на величину эксплуатационных экологических издержек в будущем периоде.

Натурные наблюдения на известняковых карьерах Тульской области показали, что работа автомобильного транспорта является одним из наиболее опасных источников загрязнения атмосферы (рисунок 2). При этом газовые выбросы в атмосферу от автомобильного транспорта весьма динамичны, т.к. функционально связаны с расходом топлива.

!

я

I I

!

Прогнозная оценка загрязнения атмосферы автомобильным транспортом основывалась на следующих математических моделях расхода топлива. Формально модель расхода топлива должна определяться скоростями двух противоположных процессов - увеличения расхода топлива с ростом нагрузки на карьеры и уменьшение расхода топлива за счет энергосберегающих мероприятий. Тогда для автомобильного транспорта с бензиновыми двигателями можно записать следующие соотношения:

\У(+)=сЦ/сЮ = к(+)(чн-ч) и =

где , - скорости процессов увеличения расхода бензинового

топлива с ростом нагрузки на карьеры и уменьшение расхода топлива за счет энергосберегающих мероприятий соответственно; Я - расход бензина в объемных единицах; Ян - начальное значение расхода бензина;

С - грузоперевозки, представляющие произведение массы перевозимых грузов на расстояние соответствующих перевозок; к(+), к( ) - константы скоростей процессов, при которых происходит

увеличения расхода бензинового топлива с ростом нагрузки на карьеры, и уменьшение расхода бензина за счет энергосберегающих мероприятий соответственно.

Рисунок 2

- Добычной уступ Малиновского карьера Тульской области

Скорости процессов увеличения расхода топлива с ростом нагрузки на карьеры и уменьшений расхода топлива за счет энергосберегающих мероприятий для автомобильного транспорта с дизельными двигателями можно записать в виде следующих соотношений: W{d+) = dQ/dG = K?+)(QH -Q)Q, W,"., = dQ/dG = K^Q2,

где W(d+), W(d_, - скорости процессов увеличения расхода дизельного

топлива с ростом нагрузки на карьеры и уменьшение расхода топлива

за счет энергосберегающих мероприятий соответственно;

Q — расход дизельного топлива в объемных единицах;

QH - начальное значение расход дизельного топлива;

Kd+), К(.} - константы скоростей процессов, при которых происходит

увеличения расхода дизельного топлива с ростом нагрузки на карьеры, и уменьшение расхода дизельного топлива за счет энергосберегающих мероприятий соответственно.

Тогда математические модели расхода топлива можно представить в следующем виде:

автомобильный транспорт с бензиновыми двигателями

5- = P(q*-q), (?)

do

q(G) = qe[l-(l-q„/qe)exp(-pG)], (3)

автомобильный транспорт с дизельными двигателями

^U(e-pdQ)Q, (4) do

Q(G) = Q. [1 + (Q. / Q„ - l)exp(-eG)] ', (5)

qL=qH=const; P=k(+)-V); QL=QH=c°nst; E=PdCL;

pd = Kd+) - Kd_,; Qx - предельное значение расхода дизельного топлива.

Таким образом, можно осуществлять мониторинг потребления топлива, затрачиваемого на перевозки, связанные с доставкой полезного ископаемого и других вспомогательных грузов. Если принять положение о том, что расход топлива автомобильным транспортом с бензиновыми дизельными двигателями задан соотношениями (3) и (5), то это позволит получить прогнозную информацию, необходимую для прогнозной оценки загрязнения атмосферы автомобильным транспортом на конкретном карьере.

Задача управления аэрологически безопасной реализацией инвестиционного проекта по добыче известняка сводится к осуществлению мероприятий, позволяющих обеспечить следующие условия: V(t) min или P,(t) -> шах, где Pj(t) - функция безопасности инвестиционного проекта по i-му виду нежелательных ситуаций; ^ - оценка среднестатистической интенсивности нежелательных ситуаций i-ro вида.

Многофакторная связь вероятности возникновения нежелательных ситуаций с экономическими (f3), технологическими (fT), природными и экологическими (frra)> а также социальными (fc) факторами, то в самом общем виде A,1*(t) = F[f3(t),fT(t),fn3(t),fc(t)].

Эта зависимость устанавливается в явном виде на основе закономерностей интенсивности возникновения нежелательных ситуаций при реализации аэрологического инвестиционного проекта, выявляемых в процессе имитационного моделирования, и необходимых для повышения достоверности прогноза эффективности инвестиционного проекта и разработки эффективных мероприятий, снижающих вероятность финансовых потерь. Идея такого подхода заключается в том, что достоверный прогноз вероятности возникновения финансовых потерь возможен на основе ретроспективного анализа динамики нежелательных ситуаций, а также экономических, технологических, экологических, и социальных факторов, которые позволяют рассчитать математическое ожидание длительности экономически безопасного периода при реализации инвестиционного проекта. Значение же риска в количественно выражении рекомендуется определять как произведение математического ожидания финансовых потерь (ФП) на вероятность возникновения ситуаций, приводящих к таким потерям, т.е. можно записать, Rtav = М{ФП} • Р{Т > t}, где RInv - инвестиционный риск; М{ФП} - математического ожидания финансовых потерь.

Анализ результатов обработки временных рядов по интенсивности возникновения нежелательных ситуаций, полученных при имитационном моделировании, показывает, что в целом осуществлять экстраполяцию, используя тренды, можно только на короткий период времени и для приближенных оценок.

Экологически рациональное транспортирование подразумевает эколого-экономическую эффективность этого процесса. Среди технологических характеристик транспортирования существенное влияние на суммарные эколого-логистические издержки оказывает периодич-

ность доставки полезного ископаемого к погрузочным пунктам: Следовательно, эколого-логистическая целесообразность обусловливает необходимость определения оптимального периода, при котором выполняется следующее условие: ZCost —>• min , где ZCost - суммарные затраты на проведение экологических мероприятий, у.е. При транспортировании полезного ископаемого действуют две противоположные тенденции. Существует оптимальная величина периодичности доставки полезного ископаемого к погрузочным пунктам, как следствие влияния этих противоположных тенденций, которая по аэрологическому фактору составляет от 2 до 5 ч.

Результаты прогнозных оценок экологически рациональных параметров добычи известняка, полученные для некоторых предприятий Тульской области, выглядят следующим образом. Пусть требуется определить периодичность доставки полезного ископаемого к погрузочным пунктам для следующих исходных данных: Р°°=105у.е.; Р0 = 2• 104 у.е.; Cost0 =1,5-104 у.е.; Кэ=0,06 1/ч; Кс=0,8 1/ч. Тогда прогнозный расчет дает следующий результат: Т^1* = 5,76 = 6 ч. Имитационное моделирование проведенное для детерминированных исходных данных показало, что для большинства ситуаций значение оптимальной периодичности доставки полезного ископаемого к погрузочным пунктам составляет около 2 ч.

Основные научные и практические результаты диссертации были использованы на горных предприятиях Тульской области: Туровский карьер акционерной компании «Гурово-Бетон», Турдейский щебеночный завод и Горбачевский участок Берниковского известнякового карьера. Теоретические результаты диссертации использованы в учебном процессе при подготовки инженеров по специальности «Горное дело» в Тульском государственном университете.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, на основании экспериментальных и теоретических исследований уточнены существующие закономерности влияния технологических факторов при добыче известняков на атмосферу и их взаимосвязи с экологической эффективностью освоения месторождений известняка для совершенствования методических положений по обеспечению экологической безопасности горнодобывающих регио-

нов при открытой добыче карбонатных пород, что имеет важное значение для горной промышленности страны.

Основные выводы и рекомендации работы заключаются в следующем,

1. Доказано, что аэрологическая эффективность проектов рационального освоения месторождений карбонатных пород характеризуется интенсивностью воздействия открытой добычи и переработки известняков на атмосферу и оценивается по уровням воздействия, которые описываются закономерностями формирования пылегазовых выбросов от различных источников.

2. Обоснованы математические модели, которые основываются на дифференциальных уравнениях логистического типа и позволяют прогнозировать расход топлива при транспортировании известняка и выбросы токсичных веществ в атмосферу, а также оценивать экологически рациональную периодичность доставки полезного ископаемого к погрузочным пунктам, которая по аэрологическому фактору составляет от 2 до 5 ч.

3. Обоснованы теоретические закономерности формирования экологического риска и показано, что при анализе проектов аэрологически рационального освоения месторождений карбонатных пород открытым способом экологический риск представляет собой произведение математического ожидания финансовых потерь на вероятность возникновения экологических ситуаций, приводящих к таким потерям.

4. Уточнены основные закономерности газовых выбросов в приземный слой атмосферы от автомобильного транспорта на карьере, отличающиеся тем, что взаимосвязь расхода топлива и объемы грузоперевозок описываются дифференциальными уравнениями логистического типа. И предложены зависимости для оценки параметров математических моделей.

5. Уточнена математическая модель оценки оптимальной периодичности доставки полезного ископаемого к погрузочным пунктам по аэрологическому фактору.

6. Обоснована взаимосвязь технико-экономических показателей работы известнякового карьера с перспективами реализации мероприятий по защите атмосферы.

Основные научные и практические результаты диссертации отражены в следующих публикациях.

/к

1. Качурин Н.М., Комиссаров М.С., Дианов Ю.Ю. Экологическая логистика транспортирования полезных ископаемых при открытом способе добычи. М: ООО «Издательство « Новые технологии», Безопасность жизнедеятельности. 2012. №12. С. 38- 41.

2. Качурин Н.М., Зоркин Е.И., Рыбак JI.JI., Дианов Ю.Ю. Эколого-экономическая оценка эффективности проектов добычи и переработки полезных ископаемых. Изв. ТулГУ. Науки о Земле. Вып. 1. Тула: Тул-ГУ, 2013. С. 177-187.

3.. Качурин Н.М., Комиссаров М.С., Дианов Ю.Ю. Эколого-логистическая модель транспортирования полезных ископаемых при открытом способе добычи. Известия вузов. Горный журнал. 2012. № 6. С. 29-33

4. Качурин Н.М., Комиссаров М.С., Дианов Ю.Ю. Environmental logistics of transporting opencast minerals. Transport i logistika. Beograd, 2010. P. 61-68.

Изд.лиц.ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 24.10.2013 Формат бумаги 60x84 'Лб- Бумага офсетная. Усл.печ. л. 0,9 Уч.изд. л. 0,8 Тираж 80 экз. Заказ 085 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 95.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Дианов, Юрий Юрьевич, Тула

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ПРИ ОСВОЕНИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ИЗВЕСТНЯКА

Специальность 25.00.36 - Геоэкология (горно-перерабатывающая

промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - д.т.н., профессор Н.М. Качурин

Тульский государственный университет

На правах рукописи

04201365988

ДИАНОВ Юрий Юрьевич

Тула 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................. 5

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ ........................................................................... 9

1.1. Месторождения карбонатных пород Центрального района Российской Федерации................................................................................... 9

1.2. Системные принципы в практике рационального природопользования

при добыче полезных ископаемы............................................................................................................26

1.3. Экологически рациональная стратегия природопользования на территории субъекта Российской Федерации..............................................................................................31

1.4. Строение тропосферы и ее загрязнение пылегазовыми выбросами при

добыче полезных ископаемых......................................................................................................................42

Выводы..............................................................................................................................................................................47

ГЛАВА 2. ИНВЕНТАРИЗАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ НА ИЗВЕСТНЯКОВЫХ КАРЬЕРАХ, ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ.......................................................... 50

2.1. Полезные ископаемые Тульской области....................................... 50

2.2. Результаты инвентаризации источников загрязнения атмосферы известняковыми карьерами Тульской области........................................ 54

2.2.1. Гуровский карьер ОАО «Гурово-Бетон»..................................................................54

2.2.2. Тарусский филиал ООО «Ока-Сервис»..............................................................................65

2.2.3. Щебеночный завод «Турдейский»..................................................................................69

2.3. Оценка воздействия на окружающую среду Горбачевского участка известнякового карьера..........................................................................................................................................75

2.3.1. Экологическая и социально-экономическая характеристика

предприятия.......................................................................................... 75

2.3.2. Прогноз и оценка ожидаемых экологических последствий строительства и эксплуатации....................................................................... 85

2.4. Формирования пылевых фракций и распространение пылегазового облака при массовом взрыве в карьере................................................... 90

Выводы....................................................................................... 97

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИ ДОБЫЧЕ ИЗВЕСТНЯКОВ ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ............................................ 98

3.1. Прогнозная оценка объема добычи известняка на карьере, обеспечивающей эколого-экономическую эффективность................................... 98

3.2. Комплексная оценка показателей эффективности рационального природопользования при добыче известняка открытым способом.................. 104

3.3. Прогнозная оценка расхода топлива при транспортировании известняка и выбросов токсичных веществ в атмосферу.................................... 108

3.4. Оценка риска проекта рационального природопользования при комплексном освоении месторождения известняка................................... 114

3.5. Обоснование периодичности доставки полезного ископаемого к погрузочным пунктам........................................................................... 120

Выводы...................................................................................... 123

ГЛАВА 4. ФОРМИРОВАНИЕ БАЗЫ ДАННЫХ, АЛГОРИТМЫ И КОМПЛЕКС ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЕКТОВ ЭКОЛОГИЧЕСКИ РАЦИОНАЛЬНОГО ОСВОЕНИЯ МЕ-

СТОРОЖДЕНИЙ ИЗВЕСТНЯКА ПО АЭРОЛОГИЧЕСКОМУ ФАКТОРУ.. 125

4.1. Организация локальной автоматизированной базы данных..................................125

4.2. Информационное обеспечение базы данных......................................................................128

4.3. Структура и содержание автоматизированной базы данных по эколо-го-экономической эффективности известняковых карьеров..........................................131

4.4. Оценка динамики основных показателей известнякового карьера................140

4.5. Оценка эколого-экономической эффективности проекта экологически рационального освоения месторождения известняка по аэрологическому

фактору....................................................................................... 155

Выводы....................................................................................... 158

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................. 161

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...................................... 163

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Центральный федеральный округ Российской Федерации обладает развитой минерально-сырьевой базой, что позволяет не только поддерживать высокий промышленный потенциал территории, но и экспортировать некоторые виды минерального сырья и продукцию его передела в другие регионы России, страны ближнего и дальнего зарубежья. В настоящее время на территории округа разведано более 2300 месторождений твердых полезных ископаемых. Наибольшее значение для расширения минерально-сырьевой базы округа имеют запасы и прогнозные ресурсы железных руд, строительных материалов, подземных вод, цементного и стекольного сырья, титан-циркониевых песков, гипса, агрохимического сырья. Кроме этого возможно обнаружение нетрадиционных для территории полезных ископаемых.

В соответствии с программой реструктуризации и общей стратегией развития горной промышленности различных стран предусматривается превращение ее в устойчиво функционирующую и рентабельную отрасль за счет создания конкурентоспособных предприятий, освоения месторождений с благоприятными горно-геологическими условиями, внедрения новых технологий, комплексной экологически чистой переработкой полезных ископаемых. Особое место в этих стратегических планах занимает открытый способ разработки месторождений полезных ископаемых. Современные масштабы воздействия на атмосферу и гидросферу, а также техногенная активизация геохимического переноса на территориях горнопромышленных регионов сопоставимы с геологическими процессами. Проектирование и развитие горных работ на карьерах связанно с необходимостью одновременного широкого учета большого числа факторов. При этом учет принципа экологической направленности ведения горных работ становится важной научной задачей. Существующие методы прогнозирования техногенного воздействия на известняковых карьерах требуют более глубокого научного обоснование экологически рациональных параметров технологических процессов. Это повысит точность прогнозных расчетов и оценки

воздействия на окружающую среду при добыче полезных ископаемых открытым способом.

Поэтому совершенствование методов оценки экологической эффективности при освоении месторождений карбонатных пород открытым способом является актуальным.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 - 2010 гг.)» (per. номер 2.2.1.1/3942) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0319).

Целью работы являлось уточнение существующих закономерностей влияния технологических факторов при добыче известняков на атмосферу и их взаимосвязь с экологической эффективностью освоения месторождений известняка для совершенствования методических положений по обеспечению экологической безопасности горнодобывающих регионов при открытой добыче карбонатных пород.

Идея работы заключается в том, что обеспечение экологической безопасности горнодобывающих регионов при открытой добыче карбонатных пород основывается на адекватных математических моделях комплексной оценки аэрологических факторов геотехнологической эффективности при открытой добыче известняков и утилизации отходов, позволяющих прогнозировать воздействия на атмосферу при разработке месторождений известняка.

Основные научные положения работы:

1. Аэрологическая эффективность проектов рационального освоения месторождений карбонатных пород характеризуется интенсивностью воздействия открытой добычи и переработки известняков на атмосферу и оценивается по уровням воздействия, которые описываются закономерностями формирования пылегазовых выбросов от различных источников.

2. Математические модели, основывающиеся на дифференциальных уравнениях логистического типа, позволяют прогнозировать расход топлива при транспортировании известняка и выбросы токсичных веществ в атмосферу, а также обосновать периодичность доставки полезного ископаемого к погрузочным пунктам, которая по аэрологическому фактору составляет от 2 до 5 ч.

3. Экологический риск при анализе проектов рационального освоения месторождений карбонатных пород открытым способом представляет собой произведение математического ожидания финансовых потерь на вероятность возникновения экологических ситуаций, приводящих к таким потерям.

Новизна основных научных и практических результатов:

1. Уточнены основные закономерности газовых выбросов в приземный слой атмосферы от автомобильного транспорта на карьере, отличающиеся тем, что взаимосвязь расхода топлива и объемы грузоперевозок описываются дифференциальными уравнениями логистического типа.

2. Сформулированы методические положения по определению параметров математических моделей, отражающих взаимосвязь расхода топлива и объемы грузоперевозок при добыче известняка открытым способом.

3. Уточнена математическая модель оценки оптимальной периодичности доставки полезного ископаемого к погрузочным пунктам по аэрологическому фактору.

4. Обоснована взаимосвязь технико-экономических показателей работы известнякового карьера с перспективами реализации мероприятий по защите атмосферы.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием методов математической физики, численных методов, современных достижений вычислительной техники; большим объемом вычислительных экспериментов, проведенных в процессе исследования и решения поставленных

задач, а также положительными результатами практической апробации на территории Тульской области.

Практическое значение работы. Основные научные результаты позволяют реализовать эффективные инженерные методы прогноза расхода топлива на известняковом карьере и повысить качество инвентаризации источников загрязнения атмосферы. Разработанные алгоритмы оценки загрязнения атмосферы при освоении месторождений известняка позволяют автоматизировать решение прогнозных задач при разработке проектных решений.

Апробация работы. Научные положения и практические рекомендации диссертационной работы в целом, и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений ТулГУ (г. Тула, 2009-2013 гг.); ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 2009-2013 гг.); научно-технических советах Западноуральского машиностроительного концерна (г. Пермь, 2011-2013 гг.); Международной конференции «Ecology, Energy, Economy Safety in a Non Liner World. 3E - SAFETY» (г. Белград, 2009 г.); 3-я Международная конференция по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 2010 г.); 3-rd International Symposium ENERGY MINING «Energy Mining, New Technologies, Sustainable Development» (Сербия, г. Ana-тин, 2010 г.).

Публикации. По результатам научных исследований имеется 4 публикации, 2 из которых в изданиях, входящих в Перечень ВАК РФ.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 172 страницах машинописного текста, состоит из 4 разделов, содержит 16 таблиц, 23 рисунка, список литературы из 108 наименований.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Месторождения карбонатных пород Центрального района Российской Федерации

На поверхности Земли в результате действия различных экзогенных факторов образуются осадки, которые в дальнейшем уплотняются, претерпевают различные физико-химические изменения - диагенез, и превращаются в осадочные горные породы. Осадочные породы тонким чехлом покрывают около 75% поверхности континентов [1]. Многие из них являются полезными ископаемыми, другие - содержат таковые.

Среди осадочных пород в зависимости от условий их образования выделяют три группы:

- обломочные породы (механические осадки), возникающие в результате механического разрушения каких-либо пород и накопления образовавшихся обломков;

-глинистые породы, являющиеся продуктом преимущественно химического разрушения пород и накопления возникших при этом глинистых минералов;

-химические (хемогенные) и органогенные породы, образовавшиеся в результате химических и биологических процессов.

Известняки в зависимости от их происхождения относятся к химическим либо органогенным породам.

Химические и органогенные породы образуются преимущественно в водных бассейнах. Структура химических (хемогенных) пород определяется агрегатным состоянием слагающих их минералов. То есть структура хемогенных пород определяется размерами кристаллических зерен, структура органогенных пород обусловлена состоянием слагающих их органических остатков и принадлежностью организмов к тем или иным группам. Классификация хемогенных и органогенных горных пород обычно производится по химическому составу

слагающих их минералов. К горным породам карбонатной группы относят все породы, состоящие из кальцита СаСОз, доломита СаМ§(СОз)г, арагонита СаС03, анкерита CaC03(MgFe)C03, магнезита MgCC^, сидерита FeC03, родохрозита МпСОз и др. [2].

Все породы карбонатной группы состоят из минералов (карбонатов), являющихся солями угольной кислоты Н2СО3. Практически термин «карбонатные породы» укрепился за породами известняково-доломитово-мергельного комплекса [3].

На долю карбонатных пород в осадочной оболочке Земли приходится около 14%. Главный породообразующий минерал этих пород - кальцит, в меньшей степени - доломит. Соответственно, известняки являются наиболее распространенными среди карбонатных пород. Известняки - это мономинеральные породы, состоящие из кальцита, содержащего 56,04% СаО и 43,96% СО2. Свойства, присущие этому минералу, могут быть использованы для определения известняков. Известняк легко определяется по бурно протекающей реакции с HCl.

Известняки часто содержат в качестве примеси глину, песок, органические вещества, кварц, опал, глауконит, халцедон, пирит, сидерит, окислов желез, полевые шпаты, слюду и др. [4-9].

Цвет известняков обычно светлый — белый, светло-желтый, светло-серый, но примесями может быть изменен в любой, вплоть до черного. Известняки бывают химического и органогенного (биогенного) происхождения. Первые образуются при выпадении кальцита из вод морей, озер, подземных вод.

Среди них различают: 1) плотные мелко- и тонкокристаллические массы, в которых кристаллическое строение определяется лишь микроскопически — плотные (пелитоморфные) известняки; 2) скопление известковых оолитов скорлуповатого или радиально-лучистого строения, соединенных известковым цементом - оолитовые известняки, образующиеся в прибрежной зоне моря; 3) сильнопористые породы, состоящие из мелкокристаллического или скрытокри-сталлического кальцита — известковые туфы или травертины - связанные с вы-

ходами на поверхность подземных вод; 4) обломочные известняки, слагающиеся обломками известняков разных размеров и окатанности, скрепленными карбонатным цементом. Среди биогенных известняков, прежде всего, выделяются известняки, состоящие из цельных остатков органогенных построек или отдельных раковин - известняки-ракушечники и из их обломков — детритусовые известняки.

Известняк органогенный состоит из остатков организмов. Последние редко сохраняются полностью, чаще они раздроблены, а также изменены последующими процессами. Степень сохранности их указывает на условия отложения осадка и последующей истории формирования породы.

Для подразделения органогенных известняков используется признак, который основывается на систематической принадлежности органических остатков. Например, выделяют известняки коралловые, брахиоподовые, фузулино-вые и др. Иногда органические остатки бывают столь мелки, что невооруженным глазом не могут быть обнаружены.

Важнейшим признаком, характеризующим строение осадочных пород, является их слоистая структура. Образование слоистости связано с условиями накопления осадков. Лю