Прогноз поглощения кислорода атмосферного воздуха разрабатываемыми угольными пластами

Бакланов, Кирилл Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему
Прогноз поглощения кислорода атмосферного воздуха разрабатываемыми угольными пластами
ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Прогноз поглощения кислорода атмосферного воздуха разрабатываемыми угольными пластами"

\г

На правах рукописи

БАКЛАНОВ Кирилл Владимирович

ПРОГНОЗ ПОГЛОЩЕНИЯ КИСЛОРОДА АТМОСОЕРНОГО ПОЗ ДУХА РАЗРАБАТЫВАЕМЫМИ УГОЛЬНЫМИ ПЛАСТАМИ

Специальность 11.00.11 - Охрана окружающей среды и

рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 1907

Работа выполнена 8 Тульском государственном университете

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор

Николай Михайлович Кпчурмн;

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор

Арсен Тигранович Айруни;

кандидат технических наук, Леонид Васильевич Заводчиков;

Ведущая организация - 1У!е>;<дународная академия наук

экологии и безопасности жизнедеятельности (МАИ35)

Защита диссертации состоится "¿P" цл^-а1697 г. В У ^ часов (¡а заседании диссертационного совета Д 0G3.47.G3 в Тульском государственном университете па адресу; 300500, г. Тула, пр. Ленина, 92.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета

Автореферат разослан "Лк" Á. _1997 г.

Ученый секретарь диссертационного ^

совета канд. технических наук, доцент ^Ъг^у^ И.В. Панферова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Воздействие человека на природную среду о процесса хозяйственной деятельности ныне приобретает глобальный характер. По масштабам извлекаемых и перемещаемых пород, преобразования рельефа, воздействия на перераспределение и динамику поверхностных и подземных вод, активизации геохимического переноса и т.д. эта деятельность сопоставима с геологическими процессами. В этой связи на повестку дня встает вопрос о детальном анализ?? и учете всего антропогенного материального баланса. Для проведения такого учета был разработан целый ряд методик, по которым, з частности, можно оценить вред, наносимый окружающей среде конкретным производством, изъятие им из окружающей среды сырья и энергии и, о этветственно, вычислить плату за используемые природные ресурсы. Обращает на себя вниманий тот факт, что учат кислородопотребленм находится ещо а зачаточном состоянии.

В основу расчетов потребления кислорода положен расход на горе-, 4ие в энергетика, на транспорте, п металлургии т.е. от организованных потребителей. Но только организованными потребителями при составле-жи общего техногенного баланса ограничиться не удается. Одним из ка учитываемых неорганизованных потребителей кислорода является казенный уголь на складах, в шахтах и разрезах. Несмотря ;на то, что удельное потребление кислорода единицей поверхности обнажения относительно незелико, а площади поверхностей обнажения угольных 1ласто'в весьма значительны, этот фактор необходимо учитывать в провозе кислородопотребления.

В практике горного дела для расчетов такого рода используются »мпирические и полуэмпирические методы, построенные, главным обра-юм, на различных предположениях и аналогиях. Общими недостатками аких методов является то, что они основаны на условных предположе-1иях и не вытекают из физической сущности процессов, а такж'е требуют 1ля своего осуществления значительного объема лабораторных наблю-1ений, уникальной лабораторной техники, специально обученного персо-1ала и, следовательно, значительных затрат времени и средств на продление измерений, подготовку специалистов, конструирование и изго-овление штучных лабораторных установок. Они хорошо работают толь-о в диапазонах управляющих параметров (например, расходах воздуха ¡а проветривание в шахтах), применяемых в технологии добычи угля и

не пригодны для обобщающих прогнозов и из-за резкого роста доверительного интервала.

Недостатком их является непригодность даже для качественных оценок на угольных разрезах и складах шахт. В то же время, имеющаяся в настоящий момент тенденция к сокращению добычи угля и закрытию неперспективных шахт ведет к тому, что основная часть угля будет добываться открытым способом, а затрать) на исследовательские цели существенно уменьшаться.

В этой связи вопрос совершенствования моделей поглощения кислорода углем и методов оценки газоемкости угольного вещества по кислороду, основанных на физически обоснованных предположениях для повышения достоверности экологических прогнозов и управления состоянием окружающей среды, и позволяющих снизить трудозатраты по каждому отдельному объекту измерений является актуальной научно-технической задачей.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическими планами межвузовских научно-технических программ "Прогноз" и "Экологически чистое горное производство.

Целью работы является установление новых и уточнение руществующих закономерностей низкотемпературного взаимодействия кислорода с угольным веществом в 'зависимости от физико-химических свойств угля и свойств поверхности обнажения угольного пласта для повышения достоверности прогноза поглощения .тропосферного кислорода поверхностями обнажения угольных пластов на угольных шахтах и разрезах.

Идея.работы заключается в том, что повышение достоверности прогноза поглощения "кислорода атмосферного воздуха разрабатываемыми угольными пластами, достигается за счет адекватной физико-химической модели кинетики процесса сорбции и использования газо-хроматографических методов для определения макрокинетических параметров процесса низкотемпературного взаимодействия кислорода. с углями. \

Основные научные положения работы заключаются в следующем:

динамика поглощения кислорода дегазированным угольным пластом на этапе первоначальной сорбции качественно и количественно характеризуется лолем концентрации газа в порах и моделируется сильно нелинейными системами дифференциальных уравнений параболического типа, описывающими процессы сорбции, диффузии и фильтрации с

граничными условиями первого рода или смешанного типа - первого и второго рода и нулевым начальным условием;

уменьшение сорбции кислорода в присутствии избытка азота возникает из-за кинетических затруднений, связанных с превалированием . молекул азота в порах угольного вещества, а движущей силой процесса поглощения является разница в теллотах сорбции кислорода и азота, которая эффективно моделируется изотермой сорбции типа Фрейндлиха;

интенсивность сорбции атмосферного кислорода определяется значениями коэффициента диффузии кислорода в угле, константы сорбции кислорода, параметров изотермы сорбции, а также площади поверхности обнажения угольного пласта;

использование стандартной хроматографической аппаратуры и современных высокочувствительных детекторов позволяет снизить трудоемкость определения констант сорбции и диффузии кислорода в угле за счет проведения измерений в динамическом режиме.

Новизна основных научных и практических рёз у л ь т а то в:_

предложона усовершенствованная модель взаимодействия кислорода с углем с использованием изотермы Фрейндлиха для описания нелинейности процесса сорбции кислорода, позволяющая физически обоснованно прогнозировать величину установившегося потока кислорода в угольный пласт;

уточнены величины констант сорбции и получены оценки энергии активации сорбции кислорода для углей Подмосковного бассейна на основе усовершенствования методики обработки результатов, полученных при хроматографичейсом анализе продуктов взаимодействия кислорода с углем, отличающейся методом выбора начального приближения . по параметрам модели, способом оптимизации оценок параметров и процедурой анализа остатков;

усовершенствован способ тазохроматогрпфическога измерения коэффициента диффузии и константы сорбции кислорода углем, отличающийся тем, что после ¡заполнения колонки углем используется специальная процедура ее кондиционирования, измерение проводится при сниженных скоростях газа-носителя,'а обработка хроматограммы проводится методом неградиентной оптимизации полученного пика по модели, являющейся решением линеаризованной фильтрацианно-диффузионной задачи;

прздложэна методика оценки величины поглощения кислорода уг-лзм, основанная на решении нелинейной диффузионной задачи пссред-

сгвом использования неявной комбинированной конечно-разностной и конечно-элементной схемой четвертого порядка.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

корректной постановкой задач исследований, применением классических матодов физической химии, математической физики, численных методов, математической статистики и современных достижений вычислительной техники и программного обеспечения;

достаточным объемом исследований и представительностью отобранных проб, удовлетворительной сходимостью оцениваемых значений параметров взаимодействия, полученных статическим и динамическим методами и сходимостью расчетных значений с данными натурных наблюдений;

получением физически обоснованных результатов при обработке экспериментальных данных и их удовлетворительной сходимостью с фактическими данными (отклонения не превышают 20 %);

положительными результатами промышленной апробации математического обеспечения и усовершенствованной методики прогноза кис-• лородопотребления на шахтах и угольных разрезах.

Практическое значение р'аботы. Усовершенствованная методика оценки кислородопотребления угольного разреза, реализо - ванная в виде комплекта прикладных программ для персональных ком пьютеров позволяет физически обоснованно и с минимальной трудоем костью оценить поглощение кислорода поверхностями обнажени» угольного пласта. Предложены способы для определения потреблена кислорода, основанные на применении высокопроизводительной хрома тографической аппаратуры, позволяющие резко снизить трудоемкое^ работ.

'Реализация работы. Основные научные и практически« результаты выполненных исследований внедрены в Государственно» комитете по охране окружающей Среды Тульской области и использова мы при выполнении прикладных "исследований в ОАО "Тулауголь" I Тульском региональном отделении Академии горных наук. Результат* исследозаннй были, использованы при выполнении хоздоговорных | госбюджетных научно-исследовательских работ в Тульском государ ственном университете.

Апробация работы. Научные положения и практически рекомендации диссертационной работы в целом и отдельные ее разде лы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры аэрс

опт, охраны труда и окружающей Среды Туя ГУ (г. Тулп, iS93-1997'rr.), жегодных . научно-практических конференциях срсфзссорско-реподавательского'состав з Тул!"У (г. Тула, 1993-1037 гг.); на 1-ой Меж-ународной конференция "Проблемы создания зко.'юпл-'сски чистых и есурсесбсрегающих технологий добычи полезны;; ископаемых и пера-ГлС"с.-?:,м отходов горнего производства." (г. Тула, 19SG г.), ¡на 2-ой Между-ародней конференции по n'-cononv-t'jcucf.iy образован? ,'') "Между школой и ииверситетом." (г. Тула, 1993 г.) и на 1-ом Мзждунзродной конференции Наука и экологическое образезанмо. Практика я перспективы." (г. Т;;л.а, 997 г.). " , ,

Публнкац я и. По результатам выполненных исследовании публиковано 9 статей и получено положительное решение НИИГПЗ >'-¡ ыдачу патента.

Об ъ ем р а б о т и. Диссертационная работа состоит из 5 ¡л:-.?-, сложенных на 209 страницах мзшгшоркснсго текста, 45 нллюстрс;;-10 таблиц, и списка литературы из 105 наименований.

Автор выражает глуЗокую благодарность д.т.н. профессору Э г*. Соколову за предложенную идеологию работы, постоянную научно-методическую помощь и поддержку, а также, сотрудникам, кафедры аэро-юпии, охраны труда и окружающей среды ТулГУ, обеспечившим все н;*-»бходимые условия для выполнения исследований. >

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Проблема достоверного прогноза поглощения кислорода ;ферного воздуха разрабатываемыми угольными пластами не терпуг зоей актуальности на протяжении нескольких десятилетий эксплуатации игольных месторождений, как открытым, та:; и подземным способами. В эоссии особую остроту эта проблема приобрела so время зкономс-¡еской нестабильности переходного периода, о условиях которой происходит формирование и дальнейшее развитие системы экономического управления уровнем воздействия промышленных предприятий на экружающуга среду. И угольная промышленность, вероятно, является ;амым показательным объектом, где рзструктуризация и .диверсификация промышленных объектов протекают на'фоне общего снижения уровня экологической безопасности технологических процессов и снижения качества контроля кпд воздействием на важнейшие составляющие био-. сферы.

Комплексное изучение проблемы обескислороживания рудничной атмосферы было организовано поинициативе академика A.A. Скочин-ского, В.Б. Комарова, А.И. Ксенофонтовой, затем это направление было продолжено применительно к проблеме низкотемпературного окисления углей школой B.C. Веселовского и в значительной мере разработано в научном плане в Тульском государственном университете Э.М. Соколовым, М.Б. Суллой, Н.М.-Качуриным и др.

Фундаментальные и прикладные аспекты проблемы прогнознрй -оценки нестационарных процессов кислородообмена атмосферы угольных шахт и разрезов с разрабатываемыми угольными пластами, в частности, сформулированы в работах А.Т. Айруни, В.Я. ёалтайтиса", Е.И. Захарова, Н.М. Качурина, А.И. Козлюка, Г.Д. Лидина, С.Н.Осипова, О.Н. Русака, М.Н.Судиловского, Г.Г.Соболэва, Э.М". Соколова, М.Б. Суллы, . К.З. Ушакова ы др. Анализ основных научных и практических результатов, полученных в Московском государственном горном университете, Санкт-петербургском горном институте, ИГД им. A.A. Скочинского, Академии горных наук, Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности, и современные тенденции в развитии прогнозных моделей глобальных экологических эффектов позволили сформулировать цель и идею работы. ■

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

1. Изучить влияния антропогенной деятельности на баланс кислорода в атмосфере, проявления прЬцессоа низкотемпературного окислг-ния угля на шахтах и угольных разрезах и провести лабораторные исследования взаимодействия кислорода с углями.

2. Исследовать процессы поглощения кислорода углем методо?,! газохроматографического анализа газовой фазы в адсорбере, закрытого типа, взаимодействия кислорода с углем в хроматографической колонне и изучить влияние температуры на интенсивность сорбции кислорода.

3. Разработать математические модели взаимодействия атмосферного кислорода с угольными пластами, для чего необходимо;

уточнить макрокинетическукг модель и математическое описание поглощения кислорода угольным пластом и обосновать методические принципы решения массообменных задач при комплексном исследовании низкотемпературного окисления угля;

усовершенствовать математическую модель сорбции кислорода в адсорбере закрытого типа.с учетом влияния азота и оценить границы применимости линейной модели;

адаптировать математическую модель диффузионного переноса в . реагирующих средах к процессу движений кислорода в хроматографи-ческой колонке и разработать методики оценки кинетических параметров сорбции кислорода с использованием адсорберов закрытого типа и методов газовой хроматографии;

усовершенствовать методику определения констант сорбции кислорода углем, изотермы сорбции и коэффициента эффективной диффузии кислорода в угле.

4. Разработать методические положения прогнозной оценки поглощения кислорода разрабатываемыми угольными пластами, дать практические рекомендации по численной реализации прогнозных моделей, провести вычислительные эксперименты для условий Подмосковного угольного бассейна и оценить адекватность полученных результатов.

Тенденция изменений глобальных потерь кислорода при сжигании минерального топлива свидетельствует о том, что имеется устойчивый рост потребления кислорода. Более того, современная величина антропогенного потребления кислорода составляет с учетом сжигания топлива, мусора, лесных и торфяных пожаров и горения при подсечно-огневом земледелии (20...23) ,109 т/год. Эти величины сопоставимы с количеством кислорода, вырабатываемым всей растительностью Земли -494 109 т/год. Результирующие оценки потребления кислороде: по данным эмиссии углекислого газа на основе официальных данных показывают, что достаточно легко оценить потребление кислорода организованными потребителями, такими как промышленность, энергетика, теплоснабжение и т.п. В то же время, из подобных расчетов оказываются исключены неорганизованные потребитзли другого рода, которые являются протяженными в пространства и изменяющимися во времени, в том числе, поверхности обнажения угольных пластов, взрыхленная угольная масса, породоугольные отвалы и т.п. В этом случае достаточно сложные физико-химические и макрокинетические особенности процессов на развитой поверхности обнажения обусловливает необходимость учета всего разнообразие природных и горнотехнических условий, влияющих на изучаемые явления.

Анализ структуры и содержания существующей базы данных, а также ее адаптация к рассматриваемой проблеме позволили с единых позиций оценить антропогенное потребление кислорода как для органи-

I ' И 10

зованных, так и дня неорганизованных его лотребителей, и получит* массив информации необходимый для оценки. С использованием горно статистического метода проанализированы особенности, процесса по глощения куслорода на угольных разрезах и показано, что „ наблю даемые эффекты удовлетворительно согласуются со сформулирован ной на основе аналитического обзора моделью низкотемпературно^ окисления углей. На. основании анализа теоретических предпосылок по добраны условия проведения эксперимента в адсорбере закрытого типа < целью максимального использования его конструктивных особенностей I . проведены серии экспериментов, подтверждающие правильность вы бранных условий. Методом многомерной оптимизации уточнены пара метры динамического эксперимента по изучению сорбции в хроматогра фической системе, а методом прямых измерений подтверждена на ка чественном уровне возможность оценки константы взаимодействия кис порода с угольным веществом. .

Процесс сорбции кислорода из газовой фазы углем составляет от дельную макростадию процесса низкотемпературного окисления. Модел) взаимодействия кислорода с поверхностью угля сформулирована в еле дующем виде. Вначале на доступной поверхности образуются слои сор бированного кислорода. Затем часть атомов кислорода начинает мигри ровать в объем угольной фазы, а часть стабилизируется на поверхности а том числе путем хемосорбции на активных центрах угольного вещества Следует, однако, заметить, что миграция кислорода связана не только ( адсорбированным кислородом. Она может иметь место и в случае хемо сорбции. Действительно, энергия активации миграции значительно ниже «■¡ем энэрр.ш сктпзации десорбции. Тем самым, она способна активно ид та при температурах значительно меньших, чем те,-при которых наблю дается дгеорбцчя. На молекулярном уровне ясно, что при миграции хН и»чссуг.я пахромолекулы угольного вешоетса с' кислородом де

рзе-тс,;. гопьио ослабляется, при' ото;-.» оНйргетичзсхий уровень, с ¡сою рого подкжмэ глигргция, существенно нижо уровня, с которого возмоиок досорСцкн. Волге того, поскольку теплота адсорбции убывает с ростов заполнения поверхности, следует-ожидать увеличения подвижности кис лорода с ростом заполнения.

При обсуждении закономерностей изменения наблюдаемой скорое ти'реакции кислорода с поверхностью угля во времени принимается в ка чееп'о модельного предположения, что гю поверхности угольного ве щест^м статистически распределены "активированные" области рсакци окно способны.". звеньев мафомолекул, и вероятность соударения моле

кулы с любой точкой поверхности одинакова. Наличие реакции на остальной части поверхности и диффузионный сток в объем твердого тела приводят к более медленному снижению скорости сорбции. При этом вклад диффузионного обмена между поверхностью и объемом твердого тела становится основным на квазистационарном участке кинетической кривой. Поскольку статический эксперимент проводился при поддержании постоянного давления, а не концентрации в адсорбере закрытого типа, то оказалось возможным пренебречь диффузионным фактором. Кроме того, выбранная для работы фракция -0.1. мм также ослабляла действие диффузионного фактора ввиду малости частиц и незначительности объемной фазы, недоступной через макро - и мезопоры с поверхности. В то же время, при расчетах сорбции кислорода в реальных условиях шахты и на складах угля вклад диффузионного обмена оказывается значимым.

Дифференциальная постановка задачи, описывающая нестационарный фильтрационно-диффузионный процесс, основывается на уравнениях материального баланса по кислороду, тогда в одномерном случае получаются следующие уравнения в безразмерных переменных:

дt

дс _ д2с ГдеУ у{Тоу дс да ■

да _ кКцРТй ,„

с"п - НТ,а, (2)

С(0Д) О 1, I > 0, (3)

где е(к,|) и с(хД) - концентрация кислорода р твердой и газовой фазах, соответственно; е- доля свободного оЗъвма в слое угляжу - летим-¡ш скорость газа ¡з промежутках между чясткцамм угля; Ка - константа равновесия сорбции кислорода; Т0 и с0 - характеристическое время и концент-"" рация, соответственно; к' - общий коэффициент массопгредачи; О - коэффициент эффективной диффузии; р - объемная плотность угольного вещества. .

Жесткость системы уравнений диффузионно-фильтрационного процесса, с сопутстзующей сорбцией, вьиекает кз существенной разницы характеристических времен процессов .сорбции, фильтрации и диффузии кислорода в угольном пласте. В условиях низкотемпературных процессов

в шахтных услознях сорбция протекает достаточно быстро,. следующим по временным показателям будет процесс диффузии в угольном веществе, а фильтрация кислорода через массив угля за счет перепада давлений - самый ?ледленный процесс. Основной проблемой численных приближении к решению жесткой задачи является устойчивость. Для того чтобы обеспечить^ абсолютную устойчивость -системы обыкновенных дифференциальных уравнений, необходимо использовать такой шаг 1г при котором каисдое из значений 1ч, = лежало бы внутри области абсолютной устойчивости, где Я|- собственные значения Якобиана системы.

Вычислительные эксперименты показали, что проведение реальны) расчетов на компьютерах сопровождается быстрым накоплением ошибо( округления. Чтобы избежать этого, можно использовать такие численные методы, для которых область абсолютной устойчивости простирается дс бесконечности, либо сосредоточить внимание на особенностях конкрет "ной решаемой системы и ее временных постоянных с целью учета спе цифики а алгоритм«. Неявные итерационные алгоритмы обладают абсо лютной устойчивостью. Простые итерации накладывают на величину ша га сильные ограничения, и эффективность устойчивости теряется. Значи тельно чаще'применяют метод Ньютона-Рафсона. Использование сеточ ных методов дискретизации более низкого порядка для нелинейных си стем часто повышает точность результатов из-за компенсаций ошибо округления, ко приводит к появлению осцилляции решения.

Матоматичесхоё описание процесса сорбции кислорода представ ляёт ссйой систему двух дифференциальных уравнений, первое из кото рых описывает материальный баланс кислорода, находящегося в газово! фазе, и второе - с сорбированном состоянии. При этом оказалось воз можкы;.; учесть мешающее влияние других возможных сорбатов в не де газированном угле и, воздуха посрздством вывода соответствующих оё общекных изотерм сорбции и добавления для каждого газа урайнени материального баланса в газовой фазе. Решать полученную систем уравнений целесообразно посредством сочетания аналитических и чис ленныч методов, причем с помощью аналитических методов, требую щи ьаедзниЯ значительных упрощений исходной системы, следует исследс вать процессы, происходящие при малых и больших временах, а такж использовать пх для оценок значений параметров модели.по резульп там лабораторных исследований, для построения же прогнозных моде лен по схем временном интервале необходимо численное решение.

. Установлено, что в адсорбере закрытого типа концентрация кисл( рода описывается следующей зависимостью:

с = Со >+ {а-1)с0уехр(-К}{) ' , (4)

а ' ау -■ас11К,\а ~ 3)[ехр(-Ку!) -1]

где а ~ К-.Г.ту + 1; у = К-.Г.ту + Ка.С0 + 1 - К5.»> - !С-.К3.ту.Г.Р; К, -константа сорбции азота типа Лонгмюра; Р = С + Са - суммарная концентрация азота й кислорода, т.о. компонентов, способных к сорбции в »»»м."«:' модели; !(• - коэффициент, учитывающий скорость уменьшения крнцент-рации кислорода; К - константа сорбции кислорода углем; Г - кокстаг'тс. типа Генри; С0 - начальная концентрация кислорода о газовой смеси; п:, -масса навески углл.

Решение обратной линааризозанной задачи для адсорбера зекры-того типа следует начинать с обработки Финишного участка сорбциснниЛ кривой, который приближают гипербола:!, я находят начальные приЗги-жения по параметрам; затем, пользуясь полученными оценками, их угоняют нелинейным методом наименьших «сяздратоз с помощью мет.у.; Ньютона-Рафсона уже по всей сорбциенной- кривой. Решение обрати;:.", задачи для нелинейной системы, опгсмвякмцсЛ адсорбер закрытого типа, состоит из тех же двух частей, что и решение линейной задачи, и опирается на полученные при этом начальные приближения по двум параметрам, тогда на финишное участка кривой оценизаотся только один ро~ г.олнительный параметр с помощью разложении в ряд Тейлора, а у гонение параметров нелинейным методом наименьших квадратов проводится затем также по о сом эксперимента лы <ым точкам. Но точность экспериментальных данных, которые' целесообразно обрабатывать с попользованном нелинейной модели, должна быть существенно повышена. Эффективное использование нелинейной модели, учитывающей решающее влияние другого газа, находящегося в избытке, возможно толь\"з в случае достижения воспроизводимого начального состояния угольного вещества п обеспечения близких свойств.поверхности в серии параллельных измерений.

Линеаризованная система дифференциальных уравнений, описывающая фильтрзционно-диффузионную задачу в одномерном случае, состоит из-двух уравнений, первое из которых имеет первый порядок по времени и зторой по пространственной переменной, я второе - первый порядок по времени. Решение задачи операционным методом целесообразно начинать с преобразования по пространственной переменной.-

Полученное приближенное решение имеет необходимую" точность и физически обосновано описывает особенности движения кислорода по колонке с углем:

ехр

с(х,0 = *чоехр(-Ю)-

: V-

- Ч-

vУ к

Ю) О

о-рГ)

1/2^

-X

1 *

-кц0 ехр {-ркП) / ег1с

ркГ - к о

хехр

~20 +

V V" к

20) 0

(1 -рГ>

207 о

/I4

ёу-

(1 -рГ)

1/2

-11/2'

(х-/)

ехр

го; о

(1-рГ)

1/2

-(1 - ехр[-/?/(Г(/ - г0)]-_-1-г/е//с

рК1 К о

* е-'<>)

хехр

~20 +

Л?-*

(1-/^0

207 О" - ехр[-р/сГ(Г - Г0)]ег/с

1/2

(х-у)

2 V о

сУу-

2 4 О

* е-о

, (5)

где /7(г) - единичная функция Хэвисайда; Ь - время окончания подачи метки кислорода в колонку; ,ч0 - величина метки кислорода, подаваемого в колонку. *

Сопоставление полученной модели движения кислорода с традиционно применяемой в хроматографии моделью Томаса показало, что предлагаемое решение более соответствует реальной физической картине движения метки вещества в колонке и не требует введения искусственных предположений о размывании пика по Гауссовой кривой, как это обычно делается. Было сформулировано решение и для случая фронтальной хроматографии: . •

с(х,() = /сс0ехр(-Ю)-

- г 1/2] -

ехр V --+ 20 [шчи X

1/2

I *

-кс0 вхр^ркП)----—-1 ег/с

хехр

ркГ-кь 2

у V

24Ш ~*2 "УО

20 О

(1 -РГ)

1/2'

-(х-у) с\у (6)

Посде решения, описывающего начальный этап фильтрации газа через хроматографическую колонку, логично перейти к анализу задачи при больших значениях переменных. Но и в этом случае найденное выше решение (6) имеет смысл, если рассматривается начальный этап проникновения газа в очень удаленную часть колонки с координатой *1, где до этого момента времени 41 концентрация и адсорбция пренебрежимо малы: с(Х1,1,)=0; а(х,Д,)=0;

(7)

( ( |ф„г)о(г = /ф„г)с/г,

О (,

для времен на слишком удаленных от!, применимо выражение (6). /

Интеграл |с(х,т)с1т является мерой времени появления кислорода

в данной точке х, и при больших значениях данного интеграла практиче-

ски уже устанавливается локальное равновесна. Тогда значением втора го уравнения и соответствующим членом в первом уравнении можно пре небречь, что приводит к упрощению задачи и позволяет воспользоватьа решением (5).

Для обработки данных по поглощению кислорода в адсорбере за крытого типа был использован метод наименьших квадратов и определе ны оценки параметров сорбции. При качественном статистическом ана лизе выявлено, что сорбция кислорода из атмосферного воздуха при из менении его концентрации от 20.9% до 15% удовлетворительно описы вается линейной изотермой сорбции. Установлено, что оценить су ществующую нелипайность сорбции кислорода, возникающую благодар! мешающему влиянию азота, находящегося в избытке, в статическом экс перименте, возможно только путем значительного повышения чувстви тельности и точности анализа, т.к. данные явления уносят весьма незна чительную'поправку и в настоящий момент определяются только на каче ' ственном уровне.

Лабораторные исследования свидетельствуют о том, что газохро матографический способ определения изотермы сорбции лучше приспо соблен для нахождения оценок параметров нелинейности, благодар! своим динамическим свойствам. Он позволяет создать в колонке с углер, достаточный градиент концентраций, а предварительное кондициониро вание угля повышает воспроизводимость результатов между параллеля ми. Наиболее целесообразными сорбатами для определения удельно£ поверхности угля являются легкокипящие органические соединения, на пример, гексан. Уточнение величины сорбирующей поверхности по кис породу достигается как корректировкой результатов по сорбции гексанг стандгфтсм, так и переходом от тонко измельченной фракции угля, ис яольоузмой в колонке, Н реальным фракциям добытого угля. Методом по еяедоа^тгяьнэге учета размывания метки кислорода в незаполненно* углем хро^атографической системе, в частности, в подводящих линиях & детекгерз, а также молекулярной диффузии кислорода в газе-носителе удается выделить суммарную составляющую, увеличивающую размыва ние шплороф в наполненной колонками ее значение отвечает величин* эффективной диффузии кислорода в.угле.

Г азультатб! вычислительных экспериментов свидетельствуют с том, что теоретическая динамика поля концентраций кислорода В уголь ¡<о..< пласта можот быть представлена о ридо монотонно убывающих кри выл', стремящихся с течением времени к стационарному распределению Расчетные.значения средней теоретической скорости прглощенил кисло

рода поверхностью обнажения угольного пласта имеют вид кривых газового "истощения", но отличаются от них тем, что скорость поглощения кислорода убывает не до нуля, а до значения, соответствующего количеству кислорода, расходуемого в реакции низкотемпературного окисления.

" Получены регрессионные модели на основании численных рёше-ний,-которые позволили получить закономерности изменения концентрации кислорода в подготовительных выработках и на очистных участках. Результаты натурных наблюдений и расчеты показывают, что при скорости воздушного потока в выработках в интервале значений 0,25 ... 8,0 м/с и начальной концентрации кислорода в вентиляционной струе 20,0 ... 20,93.%, среднее значение градиента концентраций в выработках будет изменяться от 1,867 10"5 до 6,27 10"6 1/м. Следовательно, изменения концентрации по длине выработок будут определяться, главным образом, конвективным диффузионным потоком кислорода, интенсивность которого составляет 2,3257 Ю"э ... 7,447 10"2 м/с.

Проанализированы особенности поглощения кислорода из шахтного воздуха, и на его основе разработаны методические рекомендации, состоящие в необходимости учета как нестационарности диффузионного потока кислорода в угольный пласт, так и нелинейности процесса сорбции в реальных пластах. Моделирование процесса поглощения кислорода поверхностью обнажения угля целесообразно производить на основе численной аппроксимации нелинейной, системы дифференциальных уравнений, описывающей нестационарный процесс диффузии и сорбции кислорода в угле, комбинированным методом 4-го порядка, что позволяет на ее основе рассчитать концентрационные поля кислорода, его поток во времени и общее количество поглощенного кислорода поверхностями обнажения угольных шахт и разрезов.

. Основные научные и практические результаты выполненных исследований использованы в Государственном комитете по охране окружающей среды Тульской области. Усовершенствованная методика определения параметров взаимодействия кислорода с углем использована для проведения прикладных исследований в ОАО "Тулауголь" и Тульском региональном отделении Академии горных наук.' -

ЗАКЛЮЧЕНИЕ '

В диссертационной работе на основе экспериментальных и теоретических исследований установлены новые и-уточнены существующие

закономерности динамики поглощения кислорода поверхностями обнажения угля, позволившие повысить достоверность и снизить трудоемкость прогноза потребления кислорода на угольных шахтах и разрезах за счет адекватных математических моделей, ориентированных на использование существующей базы данных, что имеет важное значение для совершенствования управления состоянием окружающей среды на угледобывающих предприятиях.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем, "

1. Установлено, что величина антропогенного Поглощения атмосферного кислорода стала сопоставимой по величине с природными потребителями. Определены виды и выделены факторы влияющие на интенсивность низкотемпературного взаимодействия кислорода с углями на шахтах и разрезах.

2. Усовершенствована методика проведения эксперимента в адсорбере закрытого типа, позволяющая снизить время эксперимента за счет уточнения точки установления равновесия.

3. Уточнен алгоритм решения обратной задачи для нахождения . оценок значений константы скорости сорбции и константы равновесия сорбции. Установлено, что линейная модель сорбции адекватно описывает полученные' Экспериментальные данные в пределах ошибки измерения хроматографа и позволяет получить физически обоснованные значения энергии активации сорбции, составляющие для углей Подмосковного бассейна значения 2000-10600 Дж/моль. Константы скорости сорбции и состояния динамического равновесия для углей Подмосковного бассейна при температуре 25°С и 40°С, соответственно, равны 0,051 10"4 ...0,142 10"4 1/с, 0,053 10"4 ...0,178 10"4 1/с,'0,12 10'2 ...0,66 ,10'г м3/кг, 0,21 10* ,..0,91 10'2 м3/кг,

4. Определены условия работы хроматографической системы, позволяющие исследовать движение кислорода в хроматографической колонке с углем для учета сорбции кислорода угЛем и диффузионного размывания метки кислорода. Разработан способ определения параметров взаимодействия кислорода с углем на стандартной хроматографической технике, позволяющий снизить трудоемкость определения коэффициента эффективной диффузии и констант сорбции кислорода углем в 7-10 раз.

' . ,5. Предложена математическая модель диффузии кислорода в угольном пласте, учитывающая сорбцию кислорода углем в виде изотермы Фрейндлиха. Для численной реализации математической модели выбран оптимальный алгоритм расчета. Создан комплекс программных

1(3

;рядств на язьвсэ Turbo Päses! 7.0, пог-голяющиЛ ¡. , са-с- имеющихся данных осуществить прогноз поглощения ¡спся^род:' ч v:sv-.,H--tx шахтгх и взрезах.

6. Разработка мэтодиа расчета количества г^тпещанного кисла-"J3 позсохностями сбнзже:тя угольных ппзстсв. С^г-.м-'онич сданным!!

'. П'ТТЕСр днла адекватность рязргбогзнных модо-

iefi я показала, что точность прогноза псотапллот 'l-iü"'..

Основные положаккя диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Соколов D.M., Качурмн Н.М., Бгклаксп К.В., Ковалев P.A. -"отз-Ифозаниэ сорбции ¡аюлорода углем о адсорбере закрытого г/. ~J< .'.]•••.'*:-

йзрекцизльныз ургвпгнгя :i поягсладиь^. зодачи. Сб. научи та, Г;/ ГГТУ, 1994, с. '19-54.

2. Баклансз К.З., Соргсзэ f.D., Качур$:?1 Н.М. О позмо;::коси-. •юкил BspimuiîOHHC-ra готода при решении задач моделирозе'-чч р п ;> ленип шслсропз угольчы" пл"-:г^:^..'/ДигЬф:-';0ЧЦпальнь:-; ур* -•гч'." ■ трг.клздкыз зйдйчи. СО. изучи, тр., Тул~, ТГТУ, 1095, с. 128-Î3Û. u -• - -пса Э.М., Качу.ош« Н.ГЛ., Бакланов ,'i.ü., 'Лаэпса P.A. Поглощение .-дг.:.;«-яода при разработка угольных мзетеоо^'дяний..// Горный вести:«:: 1Г-93, с. 53-60.'

4. Соколоз Э..ч"., Кпчурлн Н.М., Б-тхлакоз К.З. Поглощен»? ratare-v*. да поверхностями обнажения угольных плг.стов./ГГсз. докл. 1 Не; vr/h"-родной конф. "Проблемы ссгдянчя г.-ллегичоски чистых и pocypcnoicr.u-гающих технолопи! добыча полезных ис::сг£эг-;ых и napapaGom oK.o-'t,:.-горного лрсязаодстза." Тула, 1993, с. 01-£■?..

5. Соколоз Э.М., :'а!:ур!'и i-i.M, Бахлсмсз К.В., Солодкоп CA., Но-¡кдаися И.З., Клнмол P.A. Теорэтичесгая и лрлчтичсская подготовь учению процессов газооомонп горных предприятий с атмосфзрсй.,7 Тл1 догл. 2 Международной конф. по экологическому образованию школой н университетом." Ту.пп, 1996, с. 3Û0-366.

в. Кзчувим H.Î7L, Ковалев P.A., Бвклзкок К.З., Копытцев С.П. 3.m?4'ï слсчс-тп количества воздуха для шахт по интенсивности поглощои*,л кислорода и мх егязь с проблемами экологи» человека.// Тез. докл. 2 Международная ''оиф. по зкол отческому образованию "Между школей и университетом." Тула, 1996, с. 375-377.

7. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Козалев P.A., Бакланов K.D. Лоле:;-:-тельное, рошение от 17.0S.SG по ?япяке на изобретение N 95112550 ст 19.07.CS "Сг.ссоб определения сорбции кислорода углем".

S. Соколов 3.;'.":., Качурин И.М., Бакланов К.В. Особенности оцени рания потраблоньл кислорода углем с учетом мешающего влияния сор бированнык газоа на примере смеси кислород-азот.// Тез. докл. 1-oí Международной конф. по проблемам экологии и безопасности жизнедея тельности "Наука и экологическое образование. Практика и перспективы.' Тула, 1997, с. 532-534.

9. Качурин Н.М., Бакланов К.В. Взаимосвязь этапов иссладованм процесса потребления кислорода углам. // Тез. докл. 1-ой Международ ной конф. по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельное™ "Наука и экологическое образование. Практика и перспективы." Тула 1997, С. 534-535.

10. Бакланов К.В. Перспективы использования прогнозных моделе* кислородопотрзбления при подготовке специалистов в области экологии II Тез. дсгсп. ¡-ой международной конф. по проблемам экологии и без опасности ;:<язнздеятольности "Наука и экологическое образование Практика и перспективы." Тула, 1397, с. 63-67.

Подписано а печать г, Формат бумаги 60x84 1/10. Бумага типа

граф. И 2. Офсетная начать. Усл. поч. л.£/. Усл. кр.-отт^УУЧ.-изд. ЛХ

Тираж 100 окз..... Заказ *.и. Тульский государственный университет

300600 Тула, просп. Ленина, 02. Подразделение оперативной лолифафи! Тульского государственного университета. 300000, Тула, ул. Волдйна 151.

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Бакланов, Кирилл Владимирович, Тула

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Тульский государственный университет

-,.;„. На правах рукописи

БАКЛАНОВ Кирилл Владимирович

ПРОГНОЗ ПОГЛОЩЕНИЯ КИСЛОРОДА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА РАЗРАБАТЫВАЕМЫМИ УГОЛЬНЫМИ ПЛАСТАМИ

Специальность 11.00.11 - "Охрана окружающей среды и рациональное

использование природных ресурсов"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

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

Тула 1997

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

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

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ OBSOP И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ, . . 12

1.1. Основные закономерности и тенденции в глобальном балансе кислорода в результате

техногенного потребления............................ 12

1.2. Теоретические положения процесса низкотемпературного окисления угля.................. 20

1.3. математические модели поглощения кислорода при низкотемпературном окислении угля............................30

1.4. Методология и аппаратурное оформление способов и устройств для определения кинетических

параметров сорбции кислорода углем.................. 38

В ы в о д ы.............................................. 50

Задачи исследования...................................................................51

2. НАТУРНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ И ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КИСЛОРОДА С УГЛЯМИ. . ................... 54

2.1. Влияние антропогенной деятельности на баланс кислорода в атмосфере..........................................54

2.2. Проявления процессов низкотемпературного окисления угля на шахтах и угольных разрезах.........................67

2.3. Исследование низкотемпературного окисления

в адсорбере закрытого типа.......................... 71

2.4. Исследование сорбции кислорода углем

с использованием хроматографической техники......... 33

Б н в о д ы............................................................................ЭЗ

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

КИСЛОРОДА С УГЛЕМ. .............................................95

3.1. Макрокинетическая модель и математическое описание поглощения кислорода угольным пластом. 95

3.2. Методические принципы решения массообменкых задач при комплексном исследовании

низкотемпературного окисления угля.................. 104

3.3. Математическая модель сорбции кислорода в адсорбере закрытого типа с учетом влияния азота...............112

3.4. Математическая модель движения кислорода

в хромат ографической колонке........................116

3.5. Методика решения обратной задачи для определения кинетических параметров,сорбции, кислорода

в адсорбере закрытого типа. ......................... 128

3.6. Использование математической модели движения метки вещества в хроматографической колонке

для решения обратной задачи......................... 138

выводы

143

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОЦЕНКИ КИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КИСЛОРОДА С УГЛЕМ НА ОСНОВЕ ГА30ХР0МАТ0ГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ...................146

4.1. Методика определения констант сорбции и равновесия при низкотемпературном окислении угля

в адсорбере закрытого типа..........................146

4.2. Оценка констант сорбции кислорода углями

с использованием методов газовой хроматографии......159

4.3. Оценка удельной площади поверхности угля

с использованием методов газовой хроматографии......167

4.4. Оценка значений коэффициента эффективной диффузии кислорода в угле методами

газовой хроматографии...............................172

В ы в о д ы..............................................175

5. ПРОГНОЗНЫЕ ОЦЕНКИ ПОГЛОЩЕНИЯ КИСЛОРОДА

РАЗРАБАТЫВАЕМЫЙ УГОЛБНЫМИ ПЛАСТАМИ...................177

5.1. Методические положения прогнозирования поглощения кислорода разрабатываемыми

угольными пластами.. ......................;.......177

5.2. Практические рекомендации по численной реализации прогнозных моделей..................................180

5.3. Методика расчета количества поглощенного кислорода поверхностями обнажения угольных пластов............189

Выв о д ы..............................................201

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................201

Литература...............................................205

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Воздействие человека ка природную среду в процессе хозяйственной деятельности ныне приобретает глобальный характер. По масштабам извлекаемых и перемещаемых пород, преобразования рельефа, воздействия на перераспределение и динамику поверхностных и подземных вод, активизации геохимического переноса и т.д. эта деятельность сопоставима с геологическими процессами. Анализ ситуации, сложившейся в геоэкологии, показывает, что основной причиной надвигающегося кризиса является технократическая концепция. господствующая в отношениях между нашим обществом и природой. В основе этой концепции лежит рассмотрение природы как неограниченного источника физических ресурсов (воздуха, воды, почв, минерального сырья, энергетических источников), используемых для нужд человека, и как "сточную трубу" для удаления различных отходов. В результате такого развития может возникнуть парадоксальная ситуация, когда национальный доход будет возрастать, а национальное богатство уменьшаться.

В этой связи на повестку дня встает вопрос о детальном анализе и учете всего антропогенного материального баланса. Для проведения такого учета был разработан целый ряд методик, по которым, в частности, можно оценить вред, наносимый окружающей среде конкретным производством, изъятие им из окружающей среды сырья и энергии и, соответственно, вычислить плату за используемые природные ресурсы, -Обращает на себя внимание тот факт, что учет кислородо-потребления находится еще в зачаточном состоянии.

В основу расчетов потребления кислорода положен расход на горение в энергетике, на транспорте, в металлургии т.е. от органи-

вованных потребителей. Но только организованными потребителями при составлении общего техногенного баланса ограничиться не удается. Одним ив не учитываемых неорганизованных потребителей кислорода является каменный уголь на складах, в шахтах и разрезах. Несмотря на то, что удельное потребление кислорода единицей поверхности обнажения относительно невелико, а площади поверхностей обнажения угольных пластов весьма значительны, то этот фактор необходимо учитывать б прогнозе кислородопотребления.

В практике горного дела для расчетов такого рода используются эмпирические и полуэмпирические /методы, построенные, главным образом, на различных предположениях и аналогиях. Общим недостатком таких методов является то, что они основаны на условных предположениях и не вытекают из физической сущности процессов. Они хорошо работают только в диапазонах управляющих параметров (например, расходах воздуха на проветривание в шахтах), применяемых в технологии добычи угля. Недостатком их является непригодность даже для качественных оценок на угольных складах шахт и разрезов. В то

же время, имеющаяся в настоящий момент тенденция к сокращению до-_

оычи угля и закрытию неперспективных шахт ведет к тому, что основная часть угля будет добываться открытым способом.

Б этой связи вопрос совершенствования моделей поглощения кислорода углем и методов оценки газоемкости угольного вещества по кислороду, основанных на Физически обоснованных предположениях для повышения достоверности экологических прогнозов и управления состоянием окружающей среды является актуальной научно-технической задачей.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом межрегиональной научно-технической программы "Прогноз"

— —

(утверждена приказом N 576 государственного комитета Российской Федерации по высшему образованию от 15.09,92) и "Экологически чистое горное производство" (утверждена приказом N 275 Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации от 26.03.95).

Целью работы является установление новых и уточнение существующих закономерностей низкотемпературного взаимодействия кислорода с угольным веществом в зависимости от физико-химических свойств угля и свойств поверхности обнажения угольного пласта для повышения достоверности прогноза поглощения тропосферного кислорода поверхностями обнажения угольных пластов на угольных шахтах и разрезах.

Идея работы заключается в том, что повышение достоверности прогноза поглощения кислорода атмосферного воздуха разрабатываемыми угольными пластами, достигается за счет адекватной физико-хими-чеокой модели кинетики процесса сорбции и использования газохрома-тографических методов для определения макрокинетичеоких параметров процесса низкотемпературного взаимодействия кислорода о углями. Основные научные положения работы заключаются в следующем: динамика поглощения кислорода дегазированным угольным плао-' том на этапе первоначальной сорбции качественно и количественно характеризуется полем концентрации газа в порах и моделируется сильно нелинейными системами дифференциальных уравнений параболического типа, описывающими процессы сорбции, диффузии и фильтрации с граничными условиями первого рода или смешанного типа - первого и второго рода и кулевым начальным условием;

уменьшение сорбции кислорода в присутствии избытка авота возникает из-за кинетических затруднений, связанных о превалирова-

нием молекул азота в порах угольного вещества, а движущей силой процесса поглощения является разница в теплотах сорбции кислорода и азота, которая эффективно моделируется изотермой сорбции типа Фрейндлиха;

Новизна основных научных и практических результатов: предложена усовершенствованная модель взаимодействия кислорода с углем с использованием изотермы Фрейндлиха для описания нелинейности процесса сорбции кислорода, позволяющая физически обоснованно прогнозировать величину установившегося потока кислорода в угольный пласт;

уточнены величины констант сорбции и получены оценки энергии активации сорбции кислорода для углей Подмосковного бассейна на основе усовершенствования методики обработки результатов, полученных при хроматографическом анализе продуктов взаимодействия кислорода с углем, отличающейся методом выбора начального приближения по параметрам модели, способом оптимизации оценок параметров и процедурой анализа остатков;

усовершенствован способ газохроматографического измерения коэффициента диффузии и константы сорбции кислорода углем, отличающийся тем, что после заполнения колонки углем используется специ-

альная процедура ее кондиционирования, измерение проводится при сниженных скоростях газа-носителя, а обработка хроматограммы проводится методом неградиентной оптимизации полученного пика по модели, являющейся решением линеаризованной фильтрационно-диффузион-ной задачи;

предложена методика оценки величины поглощения кислорода углем, основанная на решении нелинейной диффузионной задачи посредством использования неявной комбинированной конечно-разностной и конечно-элементной схемой четвертого порядка.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

корректной постановкой задач исследований, применением классических методов физической химии, математической физики, численных методов, математической статистики и современных достижений вычислительной техники и программного обеспечения;

положительными результатами промышленной апробации математического обеспечения и усовершенствованной методики прогноза кисло-родопотребления на шахтах и угольных разрезах.

Практическое значение работы.

Усовершенствованная методика оценки кислородопотребления

угольного разреза, реализованная в виде комплекта прикладных программ для персональных компьютеров позволяет физически обоснованно и с минимальной трудоемкостью оценить поглощение кислорода поверхностями обнажения угольного пласта. Предложены способы для определения потребления кислорода, основанные на применении высокопроизводительной хроматографической аппаратуры, позволяющие резко снизить трудоемкость работ. Усовершенствованная методика

оценки кислородопотребления угольного разреза, реализованная в виде комплекта прикладных программ для персональных ЭВМ, позволяет физически обоснованно и с минимальной трудоемкостью оценить поглощение кислорода на всех технологических стадиях добычи угля от проведения вскрышных работ до отгрузки угля потребителю.

Предложены способы для определения потребления кислорода, основанные на применении высокопроизводительной хроматографической аппаратуры, позволяющие резко снизить трудоемкость работ.

Реализация работы. Основные научные и практические результаты работы использованы в центре по экологии и безопасности жизнедеятельности при администрации Тульской области. Усовершенствованная методика определения параметров взаимодействия кислорода с углем использована ВНИИОСуголь при разработке методических указаний по определению количества воздуха, подаваемого для вентиляции шахт, а также использованы при выполнении хоздоговорных и госбюджетных НИР в Тульском государственном университете.

Апробация работы. Научные положения и практические рекомендации диссертационной работы в целом и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 1993-1996 г.г.);

на 1-ой Международной конференции "Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства." (г. Тула, 1996 г.), на 2-ой Международной конференции по экологическому образованию "Между школой и университетом." (г.Тула, 1996 г.) и на 1-ой Международной конференции "Наука и экологическое образование. Практика и перспективы." (г. Тула, 1997 г.).

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору Э.М. Соколову за предложенную идеологию работы, постоянную научно-методическую помощь и поддержку, а также сотрудникам кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды ТулГУ, обеспечившим все необходимые условия для выполнения исследований.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Основные закономерности и тенденции в глобальном балансе кислорода в результате техногенного потребления

До недавнего времени проблема кислород©потребления считалась относительно менее значимой, по сравнению, например, с глобальным загрязнением окружающей среды, разрушением озонового слоя и целым рядом других антропогенных воздействий. Вместе с тем, глобальные экологические факторы отличаются коренным образом от факторов локальных своей жесткой связанностью между собой.

Чтобы проиллюстрировать эту взаимосвязь, обратимся к данным физиологических опытов. Характерным отличием кислорода от других потребляемых ресурсов, является его относительно более быстрая воспроизводимость. Действительно, фотосинтезирующая способность фитопланктона океана,. тропических лесов и сибирской тайги до сих пор оказывается непревзойденной как биогенным, так и техногенным потреблением кислорода. На важность учета техногенного потребления указывает■ уже простое сопоставление годового биосферного обмена и антропогенного потребления (рис. 1.1). Тем не менее, несмотря на быстрый рост кислородопотребления до сих пор нигде, кроме разве, что застойных зон в центрах крупных городов в "час пик" не происходило реальное уменьшение концентрации кислорода относительно его постоянного значения. Такое кажущееся благополучие имеет место только при оперировании абсолютным значением объемной концентрации кислорода. С точки зрения кинетики биохимического процесса фотосинтеза, механизм которого, кстати, остается тайной для исследова-

Ооотнсшение долей наиболее часто учитываемых антропогенных потребителей кислорода.

Биосферный обмен

Г400

3% /+ 13%

антропогенное потребление

+ 75%\ = 91%

(

1.1 Гт/год) ( 5.4 Гт/год) ( 30 Гт/год.)

на дыхание в животно- на сжигание людей водстве топлива

гелей, б нормально функционирующем растении сохраняется молекулярный коэффициент реакции в точности равный 1, То ест

Информация о работе