Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Прогноз состояния атмосферы в карьерах

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Прогноз состояния атмосферы в карьерах"

На правах рукописи

ЗОРИН АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

ПРОГНОЗ СОСТОЯНИЯ АТМОСФЕРЫ В КАРЬЕРАХ (на примере карьеров Кольского полуострова)

Специальность 25.00.30 "Метеорология, климатология, агрометеорология"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург 2006

Работа выполнена в Горном институте Кольского научного центра Российской академии наук

Научный руководитель: доктор технических наук С.А.Козырев

Научный консультант: кандидат географических наук, профессор О.Г.Богапсин

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор В.И.Воробьев; кандидат физико-математических наук, доцент В. А.Васильев

Ведущая организация: ОАО "Апатит"

Защита состоится " _2006 г. на заседании диссертационного совета

К 212.197.01 Российского государственного гидрометеорологического университета по адресу: 195196, г.Санкт-Петербург, Малоохтинский проспект, 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета.

Автореферат разослан "

2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

А.В. Лубяной

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Обеспечение оптимального воздействия горного производства на состояние воздуха рабочей зоны при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом остается одной из проблем горной науки и производства.

Анализ материалов длительных наблюдений свидетельствует о том, что загрязнение атмосферы в карьерах неблагоприятно сказывается на состоянии здоровья трудящихся, повышая опасность возникновения профессиональных заболеваний, а иногда и острых отравлений, снижает производительность труда и наносит определенный экономический, а также социальный ущерб.

На предприятиях горной промышленности учет потерь вследствие неблагоприятных погодных условий в настоящее время не ведется, хотя добыча полезных ископаемых в карьерах во многих случаях при опасных для производства метеорологических явлениях осложняется. Прогноз и своевременное оповещение о таких явлениях позволяют предпринимать меры по сокращению простоя людей и механизмов, уменьшать количество недополученной по этой причине продукции. Без обеспечения безопасного состояния атмосферы карьеров по фактору загрязнения невозможно стабильное, ритмичное ведение горных работ и создание комфортных условий для персонала рудников.

Основным направлением проводимых по проблеме исследований является изучение закономерностей и причин нарушения естественного воздухообмена в карьерах и загрязнения атмосферы, происходящего вслед за этим нарушением, определение потребности в энергетических ресурсах для выведения атмосферы карьерного пространства из состояния устойчивости, прогнозирование моментов наступления загрязнения атмосферы карьеров, разработка средств и методов оперативной регистрации параметров физического и санитарно-гигиенического состояния атмосферы в карьерах. .....*

Прогноз состояния атмосферы карьера, процессов и явлений погоды, влияющих на ее загрязнение, представляет собой одну из основных задач метеорологического обеспечения открытых горных работ.

Цель работы заключается в выявлении особенностей внутрикарьерной циркуляции воздуха и закономерностей пространственно-временного распределения загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы для разработки методики прогноза опасных состояний атмосферы карьера.

Основная идея работы заключается в использовании экспериментально установленных закономерностей пространственно-временного распределения загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы и особенностей внутрикарьерной циркуляции воздуха для разработки методики прогноза опасных для производства состояний атмосферы карьеров.

Задачи исследований. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1.Исследовать процессы циркуляции воздушных потоков в карьерах и районах их расположения в зависимости от рельефа местности и метеоусловий;

2.Выявить закономерности пространственно-временного распределения вредных примесей в пределах действующих карьеров при различных метеоусловиях;

3.Разработать методику прогноза метеоусловий, опасных по загрязнению атмосферы карьеров.

Методы исследований включают анализ и обобщение предшествующего опыта по литературным и производственным данным, метеорологические наблюдения и их обработку, экспериментальные исследования в естественных условиях, методы математической статистики, методы синоптической метеорологии.

Научное значение работы заключается в развитии методических принципов комплексного подхода к прогнозу и контролю пылегазовых режимов карьеров на иерархически взаимосвязанных временных и пространственных уровнях, установлении временных и пространственных особенностей распределения вредных примесей в объеме карьеров, разработке методики прогноза опасных по загрязнению состояний атмосферы карьера и комплекса мероприятий по нормализации воздушной среды.

Научные положения, выносимые на защиту;

1. Нарушения естественного воздухообмена в карьерах Кольского полуострова определяются синоптическими ситуациями в регионе, при которых формируются приземные инверсии и штили. Продолжительность проявления данных ситуаций наблюдается в течение пяти месяцев (с ноября по март месяц включительно).

2. Методика прогноза опасных состояний атмосферы в карьерах, основанная на выявленных неблагоприятных типов синоптических процессов и их продолжительности в регионе, и установленными взаимосвязями между температурным градиентом по глубине карьера с инверсионным состоянием, определяющих ослабление естественного воздухообмена в карьерах.

Практическая значимость. Предлагается научно обоснованная и апробированная в результате экспериментальных работ методика прогноза опасных по загрязнению метеорологических условий в атмосфере карьеров, а также система контроля состояния атмосферы и управления организацией работ в карьере при опасных метеорологических ситуациях.

Реализация результатов работы.

Разработанная методика апробирована в карьерах "Оленегорский" ОАО "Олкон" и "Железный" ОАО "Ковдорский ГОК" и рекомендуется для использования на карьерах Кольского полуострова.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались на Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Физико-технические проблемы управления воздухообменом в горных выработках больших объемов", Кохтла-Ярве, 1983 г.; Всесоюзном совещании по горной метеорологии, Киев, 1985 г.; Всесоюзной конференции "Теоретические и прикладные вопросы воздухообмена в глубоких карьерах", Апатиты, 1985 г.; Международной конференции "Лавины и смежные вопросы", Кировск, 2001 г.; Международной конференции "Современные экологические проблемы Севера", Апатиты, 2006 г.

Основные публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 76 наименований, содержит 108 страниц, в том числе 20 рисунков, 29 таблицы, 4 схемы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Вопросами изучения проблем аэрологии карьеров и путей их решения занимаются многие исследователи. Особенно следует отметить работы Н.З.Битколова, В.С.Никитина, М.М.КЬнорева, С.С.Филатова, А.Д.Вассермана, В.А.Рогалева, А.А.Бакланова, К.З.Ушакова, П.В.Бересневича, В.А.Михайлов и др., в которых отражены основные направления решения проблемы, но в них недостаточно полно рассмотрены вопросы циркуляции воздушных потоков в карьерном пространстве при сложных формах рельефа, а также причины, их вызывающие.

Рядом авторов П.В.Бересневич, В.А.Михайлов, В.Н.Сытенгов, С.М.Лепешкин и др. предложены методы прогноза пылегазового состояния атмосферы карьеров, но это делалось в основном для одного конкретного карьера. Данная работа развивает концепции и понятия, изложенные вышеуказанными авторами. Здесь предлагается методика прогноза метеорологических условий, способствующих загрязнению карьера. Она состоит из прогноза синоптической ситуации над регионом и прогноза температурного режима атмосферы карьера. Данная методика применима для Северо-Западного региона, а при определенной доработке может стать универсальной. Представляется правомерным утверждать, что надежность прогноза длительности возникновения метеорологических ситуаций, опасных по загрязнению атмосферы карьеров вредными примесями, с углублением карьеров будет возрастать и общая длительность этих ситуаций будет увеличиваться.

Среди факторов, способных изменить состояние воздуха в карьере (уровень его загрязнения), основным является поток тепла, который получает поверхность Земли от Солнца. Потоки тепла от почвы нагревают приземный слой атмосферы, тем самым уменьшая его плотность и соответственно, устойчивость. Поднимаясь, теплый приземный слой воздуха уносит с собой и загрязнения. Так работает естественный механизм очистки приземного слоя воздуха, где наблюдается конвекция. Конвекция обычно характеризуется высотой слоя перемешивания, мощность которого, в свою очередь, зависит от степени устойчивости атмосферы (градиент температуры), и при благоприятных условиях может достигать нескольких километров. Устойчивое состояние атмосферы, в отличие от неустойчивого, не только не способствует развитию конвективных течений, но и, наоборот, подавляет их, что приводит к накоплению вредных веществ в приземном слое атмосферы.

Другой фактор, изменяющий состояние воздуха в карьере - это работа ветра. Аэрация карьеров (обмен внутрикарьерного воздуха с атмосферным) под действием ветровых потоков также способствует выносу вредных примесей из объема карьеров и нормализации их атмосферы.

Оценка влияния метеорологических условий на распространение примесей в атмосфере проведена для основных районов расположения открытых горных работ (карьеров) на территории России и стран СНГ на основе анализа климатических данных. В наиболее благоприятных условиях находится район Кольского полуострова. Несмотря на значительную продолжительность инверсионных состояний атмосферы, их интенсивность и мощность, рассеивающая способность атмосферы здесь высокие. Здесь почти постоянно наблюдаются достаточно сильные ветры. Формирование приземных инверсий в этой зоне редко сопровождается ослаблением скорости ветра. Очищению атмосферы благоприятствуют особенности годового хода продолжительности осадков, которые вымывают примеси. Данные климатические условия определяются активной циклонической деятельностью над регионом. Однако, несмотря на столь благоприятные условия, карьеры Кольского полуострова имеют простои по фактору загрязнения их атмосферы выше нормативных.

Очень высокой степенью загрязнения атмосферы характеризуются ВосточноСибирский и Среднеазиатский районы. Здесь три четверти времени года преобладают штили и слабые ветры, а также мощные инверсии. Важнейшим фактором, определяющим высокий потенциал загрязнения атмосферы на этих территориях, является чрезвычайно малое количество осадков в условиях продолжительного жаркого лета.

Основные глубокие карьеры расположены в тех регионах, где в силу метеорологических условий рассеивающие способности атмосферы крайне незначительны и потенциал ее загрязнения достигает максимальных значений относительно остальной территории бывшего Союза.

Степень загрязнения атмосферы определяет не количество выбросов (в нашем случае они достаточно малы, чтобы их могла "переварить", нейтрализовать, рассеять атмосфера карьера, "выбросив" в окружающую атмосферу), а состояние самой атмосферы, способной или нет к "перевариванию" загрязнений.

Основными неблагоприятными факторами для рассеивания загрязнителей являются штиль и устойчивое состояние атмосферы, в том числе инверсия температуры в

нижних слоях атмосферы,

возникающая в основном вследствие радиационного выхолаживания земной поверхности, адвекции теплого воздуха на холодную подстилающую поверхность, а также при стоке холодного воздуха в вогнутые формы рельефа.

Пути нормализации атмосферы карьеров имеют разную меру полноты решения проблемы. Коренное решение проблемы - полное подавление и улавливание вредных примесей, выделяющихся при работе оборудования, транспорта и ведении технологических процессов в карьере.

Как разновидность рассмотренного пути, прогноз, оценка и ограничение предельно допустимого выброса (ПДВ) вредных примесей в атмосферу карьера и промышленную зону имеет существенно меньшие технико-организационные и экономические недостатки.

Для действующих карьеров предложен метод краткосрочного прогноза состояния атмосферы карьера суточной заблаговременности для различного периода суток и времени года, разработана система автоматизированного дистанционного контроля состояния атмосферы карьера и оповещения об опасных ситуациях.

Вооруженные такими методами прогноза и системой контроля и оповещения, специальные службы (аналогичные пылевентиляционным на подземных рудниках) способны обеспечить контроль за соблюдением безопасных условий труда в карьерах по фактору загрязнения атмосферы. Предлагаемое направление решения проблемы оздоровления атмосферы в карьерах по срокам реализации и экономичности,, является наиболее эффективным.

Весь комплекс исследований проведен по следующей схеме: изучение циркуляции воздушных потоков в районах ведения горных работ, затем анализ их трансформации в сложных формах рельефа и карьерах с учетом микроклиматических особенностей, далее исследование распределения (временного и пространственного) вредных примесей в объемах карьеров в зависимости от метеорологических условий и технологических процессов. На основании полученной информации разрабатывались методы прогноза опасных по загрязнению метеоусловий в атмосфере карьера.

Для определения значений метеорологических параметров в карьерах и районах их расположения проводились стандартные наблюдения в соответствии с требованиями Наставлений гидрометеорологическим станциям и постам. Проводимые наблюдения были трех типов, каждый из которых направлен на решение конкретных задач. Первые два вида работ проводились с целью сбора информации для описания микроклиматического режима карьеров, используемого при разработке проектных рекомендаций и для определения границ эффективного воздухообмена.

....... Первый вид наблюдений проводится с помощью стандартных метеорологических

самописцев (термографов, гигрографов, барографов) на стационарных пунктах. Данные наблюдения требуют минимальной трудоемкости и направлены на сбор общей непрерывной информации о микроклимате карьеров.

Второй вид - регулярные метеорологические наблюдения, проводимые по заранее разработанной, методике с целью сбора более детальной информации по конкретным вопросам внутрикарьерной и долинной циркуляции. Сюда входят градиентные, шаропилотные наблюдения, наблюдения за облачностью, ветром, атмосферными явлениями, состоянием подстилающей поверхности и др. Для этого используются ручные чашечные анемометры, аспирационные психрометры, барометры-анероиды, ртутные метеорологические термометры, шаропилотные комплекты, аэрологические теодолиты и другие приборы.

Отдельно нужно выделить вертикальное зондирование карьерной атмосферы, которое осуществлялось с помощью привязных аэростатов. Эти наблюдения крайне необходимы для полного изучения всех особенностей внутрикарьерной циркуляции. Особенно они нужны для определения параметров турбулентности и температурной стратификации.

Третий вид наблюдений имеет целью получение постоянных оперативных сведений о состоянии атмосферы карьера для определения фактической степени

интенсивности воздухообмена в объеме карьера. Это и есть система автоматизированного дистанционного контроля состояния атмосферы карьера. Для этих целей использовались различные дистанционные приборы, позволяющие получать оперативную информацию о состоянии карьерной атмосферы в любой момент времени, не находясь в карьере. Датчики этих приборов устанавливаются в карьерах с учетом их геометрических размеров и форм, а также производственных условий. Пульт приборов выводится в диспетчерскую. Данная система позволяет получать информацию о ветровом, температурном и влажностном режимах атмосферы карьера по трем осям.

При проведении взрывных работ в карьерах выполнялись наблюдения за распространением газового облака, исследования естественного процесса внутрикарьерной циркуляции, а также его изменения в результате трансформации процессов при различных метеорологических условиях.

Отдельно следует отметить методы отбора проб карьерного воздуха и их химический анализ для определения содержания вредных примесей. Отбор производился методом многократной прокачки с помощью насосов в полиэтиленовые мешки и резиновые камеры. Анализ осуществлялся на газоанализаторах ГМК-3 и спектрофотометрах СФ-26. Для экспресс-анализа применялись многокомпонентный электрохимический газоанализатор фирмы ОПТЭК "Каскад 312.5" и японские газоанализаторы фирмы ЫКЕЫ КЕ1К1 модели СО-7 и 8С-7.

Для исследования внутрикарьерной циркуляции были проведены экспериментальные исследования с созданием искусственных потоков воздуха в объеме карьера и определением их параметров, с фиксированием конкретных метеорологических условий и уровня концентрации вредных примесей. Данные работы проводились совместно с сотрудниками ИГД МЧМ СССР. Полученные результаты показали, что при устойчивом состоянии атмосферы в зависимости от интенсивности инверсии активность внутрикарьерной циркуляции уменьшается в два и более раз. Для эффективного выноса примесей за пределы карьера требуется достаточно высокая скорость их транспортирования на границе и, соответственно, большие энергозатраты.

Выявленные особенности распределения вредных примесей в атмосфере карьера при различных метеоусловиях являются основой для разработки методики прогноза состояния атмосферы карьера

В работе подробно изложены климатические условия районов расположения карьеров, даются особенности микроклиматических режимов карьеров.

Карьер "Центральный" ОАО "Апатит" расположен на горной платообразной вершине, "Коашвинский" в горной долине в закрытом цирке, "Ньоркпахский" на горном склоне, "Железный" ОАО "Ковдорский ГОК" в холмистой, лесистой местности, "Оленегорский" ОАО "Олкон" на равнине, "Центральный" ГМК "Печенганикель" в холмистой местности в непосредственной близости от Баренцева моря, что во многом определяет особенности его микроклимата.

Все рассматриваемые карьеры расположены в зоне отрицательных среднегодовых температур воздуха. Такое положение обусловливает короткое прохладное лето и продолжительную зиму.

Ветры со скоростями ниже 3 м/с в районах расположения карьеров составляют для "Центрального" ОАО "Апатит" 37% (3240 час. в год), для Коашвинского 78% (6830 час.), для Ньоркпахского 63% (5519 час.), для "Железного" 68,5% (6000 час.), Оленегорского 64,5% (5950 час.) и для "Центрального" ГМК "Печенганикель" ориентировочно до 20% (1500 час.). При этом штили составляют соответственно 13, 34, 7, 24, 21, 7%. В Коашвинском карьере наблюдаются наименьшие скорости ветра, как по месяцам, так и по румбам.

Из анализа среднемесячных температур воздуха в карьерах Кольского полуострова на различных высотах и среднемесячных температур воздуха в карьерах по слоям можно оценить термический режим в карьерах полуострова. В Оленегорском карьере в нижнем

придонном слое инверсия наблюдается 50% времени года, что также характерно для Железного и Коашвинского карьеров. А вот в верхних слоях инверсии соответственно составляют 17, 50 и 33% времени года. В Ньоркпахском карьере преобладают приподнятые инверсии (58%) в верхнем слое карьера. Все это хорошо согласуется с данными аэрологических наблюдений в нижнем слое от 26 м над уровнем моря (метеостанция Кандалакша) до 400 м по АТ-925 мб. В этом слое инверсии на Кольском полуострове в течение года наблюдаются в 3 раза чаще, чем в слое от 380 м, пункт наблюдения на Коашвинском карьере, до 1090 м метеостанция на плато Ловчорр, перепад высот 810 м. Значения инверсионных градиентов, наблюдавшихся в карьерах, приведены в таблице. Инверсии образуются в слоях воздуха, развивающегося по сухоадиабатическому закону.

В карьерах разность температур воздуха над освещенным солнцем бортом, по сравнению с затененным, достигает 4-5оС, а температура поверхности почвы 9-13оС. Скорости потоков местной циркуляции термического происхождения достигают 5-6 м/с (при скоростях ветра над карьером от 1,2 до 2 м/с). В карьерах глубиной свыше 80 м при ветре на поверхности 2-3 м/с циркуляция возникает в основном за счет местных потоков воздуха. При ветрах на замкнутом контуре карьера более 3 м/с при глубине его до 100 м скорость ветра на дне составляет 0,5-0,6 скорости ветра на поверхности.

Инверсионные градиенты, наблюдающиеся в карьерах Кольского полуострова

Карьеры Град. ср. °/100м Град. шах. °/100м

Железный ОАО "Ковдорский ГОК" 2,1 6,7

ОленегорскийОАО "ОЛКОН" 1,9 4,2

Центральный ГМК "Печенганикель" 2,4 5,6

Центральный ОАО "Апатит" 2,7 5,7

Коашвинский ОАО "Апатит" 3,4 8,6

Ньоркпахкский ОАО "Апатит" 2,9 7,3

Описаны особенности микроклимата карьеров, формирующиеся под влиянием комплекса факторов, основными из которых являются абсолютные и относительные размеры карьерного пространства, его ориентация относительно стран света, рельеф окружающей местности и его антропогенное изменение, солнечная радиация, тепловой и радиационный баланс подстилающих пород, наличие снежного покрова и водоемов в карьере, температурная стратификация и влажность карьерной атмосферы, ветровые характеристики набегающего потока.

При устойчивом состоянии атмосферы необходимо создать в карьере конвективное движение и обеспечить обмен воздушными массами с внешней средой. Оценка требуемого для этого количества энергии приведена применительнок установившейся инверсии в карьере из условий разрушения инверсионного состояния, ибо образование циркуляционных зон с помощью вентиляционных потоков без изменения стратификации атмосферы в карьере не обеспечивает необходимого уровня снижения концентрации примесей, поскольку обмена с внешней средой фактически не происходит. Необходимо отметить, что указанные оценки освещают лишь одну сторону затрат на воздухообмен - разрушение далеко не самой мощной и продолжительной по своей природе инверсии. Однако разрушение устойчивой стратификации дает только предпосылки и возможность организовать взаимодействие (массообмен) системы с окружающей средой и вынос примесей из карьера. Для осуществления этого процесса необходимы дополнительные затраты кинетической энергии на поддержание движения воздушных масс. Кроме того, для практической реализации разрушения инверсии и организации воздухообмена чрезвычайно важным является рационально вкладывать необходимую энергию, так как можно создать очень интенсивные циркуляции в локальных областях, а во всем объеме карьера инверсия будет сохраняться и

выноса примесей не произойдет.

В результате проведенных исследований с учетом необходимых обоснований и доказательств установлено, что в карьерах Кольского полуострова преобладают приземные инверсии, распределение температуры воздуха по глубине в глубоких карьерах и горных долинах имеет равнозначный характер, нарушения естественного воздухообмена наибольшей продолжительности наблюдаются во всех исследуемых карьерах в течение пяти месяцев, с ноября по март, большей частью из-за приземных инверсий на нижних горизонтах карьеров. Ветровой режим в карьерах определяется горно-долинной циркуляцией, при этом в тупиковых забоях, на бермах образуются застойные зоны с местной замкнутой циркуляцией соленоидального вида. С углублением карьеров происходит еще большее обособление внутрикарьерной циркуляции от общеатмосферной, увеличивается количество застойных зон в карьерах с замкнутой циркуляцией. Выявлено также наличие в чаше карьера застойной области, препятствующей интенсивному естественному воздухообмену, причем с увеличением скорости фонового потока эта область опускается ко дну карьера и еще более снижает эффективность естественного воздухообмена. Основная зона загрязнения атмосферы исследуемых карьеров совпадает с этой застойной областью. Данная зона находится в средней части карьера, верхняя граница ее расположена на 1 /3 глубины карьера от замкнутого контура. В соответствии с циркуляционными условиями основными очагами загрязнения внутрикарьерной атмосферы являются рабочие забои (как правило, тупиковые) и главные транспортные магистрали. Наибольшему скоплению вредных примесей в объеме карьера способствуют инверсионное распределение температуры воздуха с высотой и штилевые условия.

Установлены особенности распространения вредных примесей от технологических источников в атмосфере карьера. На рассеивание загрязняющих веществ в атмосфере карьера активно влияет планировочная структура территории. Одна из проблем, часто встречающихся при рассеивании загрязняющих веществ от низких источников, состоит в том, что начальное рассеивание существенно увеличивается в аэродинамической тени от технологических складок местности. Все вредные примеси поступают в атмосферу карьера в перегретом виде (газы после проведения массового взрыва, выхлопные газы от технологического транспорта и оборудования), то есть их температура значительно отличается от температуры атмосферы карьера. Распространение вредных примесей в атмосфере карьера имеет волновой характер. Волна (объем максимальной концентрации, выброса) вредных примесей распространяется радиально от источника выброса до тех пор, пока температура волны не сравняется с температурой окружающего воздуха. Выбросы вредных примесей в атмосферу карьера носят дискретный характер (массовый взрыв - разовый выброс, дизельная техника работает в разном режиме), кроме того, дизельная техника перемещается, значит, характер выбросов становится еще и блуждающим.

Наблюдения над загрязнением атмосферы карьеров проведены в период, наиболее благоприятный для развития атмосферных процессов, способствующих скоплению вредных примесей в них. Источниками загрязнения атмосферы в нижней зоне карьеров являются внутренние источники, а при инверсиях - источники с вышележащих горизонтов. Источниками загрязнения в верхней зоне являются внутренние источники, а при инверсиях и неблагоприятных ветровых переносах - источники вне контура карьера.

Проведена оценка времени загрязнения атмосферы фактически существующего карьера до уровня ПДК и времени его естественного проветривания ветром и конвекцией. Оценивая экономические потери от простоя фактически существующего карьера по фактору загрязнения его атмосферы более ПДК вредных веществ, получилось, что суточный простой в среднем будет обходиться много более миллиона рублей и это без учета рыночной стоимости не добытой за это время продукции. При проектировании и эксплуатации следует учитывать возможности влияния расположенных близко друг к другу объектов горнодобывающей промышленности, чтобы избегать ненужных производственных осложнений в части загрязнения их опасными выбросами. 1

Краткосрочный прогноз метеоусловий, способствующих накоплению загрязнений в атмосфере карьеров, состоит из двух частей: прогноза синоптического положения над регионом и расчета вертикального температурного градиента в атмосфере карьера

Синоптические процессы, протекающие над районом расположения карьеров, определяют погодные условия данного региона. В объеме карьера эти условия претерпевают определенную трансформацию и формируют режим естественного воздухообмена карьера. Исследование зависимости естественного воздухообмена в карьерах от синоптических процессов, развивающихся над районом их расположения, проводилось:

- синоптическим методом изучения погодных условий, основанным на анализе карт погоды, на качественно-физических выводах из этого анализа и на количественных расчетах,

- физико-статистическим методом, основанным на статистических закономерностях изменений погоды, выявлении закономерностей атмосферных процессов и прогностических связей между различными характеристиками погоды.

Цель данного анализа - выявление синоптических процессов, при которых в приземном слое атмосферы над Кольским полуостровом, а следовательно, и в атмосфере карьеров, наблюдалась устойчивая стратификация и резкое ослабление естественного проветривания открытых горных работ.

Наиболее часто инверсии над Кольским полуостровом наблюдаются, когда над ним расположена малоактивная барическая ложбина. Рост давления и слабые ветры способствуют выхолаживанию земной поверхности и возникновению инверсии, такие ситуации характерны для ноября-декабря и января-февраля. Достаточно часто инверсии наблюдаются при западной и северо-западной периферии антициклона и в гребне повышенного давления. Эти ситуации характерны для января-марта и возникают в большинстве случаев при усилении Сибирского антициклона и распространении его на европейскую территорию и Скандинавский полуостров. Особо необходимо отметить ситуацию, когда обширный антициклон занимает весь Скандинавский полуостров, в течение 5-7 дней остается малоподвижным. На Кольский полуостров при такой ситуации поступает теплый воздух с Атлантики, а холодный воздух, как более тяжелый, находится у земной поверхности. Приземные инверсии в этом случае могут занимать весь нижний слой атмосферы от земли до 1.5 км, или возникает несколько слоев с инверсиями. Момент окончания инверсии наступает, когда теплый воздух распространяется до земной поверхности.

Суть предлагаемой методики прогнозирования состояния атмосферы карьера сводится к следующему. По ожидаемому синоптическому процессу определяется вероятность возникновения типовой метеоситуации, способствующей развитию загрязнения атмосферы карьера. Далее

применяются расчетные метеорологические методики для каждого карьера конкретно с учетом их особенностей.

Для прогноза состояния термической стратификации в слое 1.5 км (Коашвинский -Центральный карьеры ОАО "Апатит") построены эмпирические графики методом последовательной графической регрессии за зимний сезон для случаев наличия и отсутствия инверсии в 1.5-километровом слое. На этих графиках представлена зависимость вертикального профиля температуры от степени ночного выхолаживания или дневного прогрева у поверхности земли и от стратификации атмосферы в слое до 1.5 км до начала охлаждения или прогрева. По скорости перемещения барического образования определяем продолжительность инверсии, прогнозируем температуру воздуха в 9 и 21 час, а также минимальную и максимальную температуру на станциях Восточная и Центральный или используем прогностические значения АТ-925 и АТ-850 мб. С полученными данными входим в графики, определяя будет ли инверсия сохраняться на 9 утра и на 15 часов. Ведется контроль за состоянием внутрикарьерной атмосферы по разности температур воздуха на водозаборе Коашвинского карьера и станции Рудная. При градиенте 0 и ослаблении ветра на станции Рудная менее 3 м/с переходят на ежечасные наблюдения, а при дальнейшем увеличении градиента (в абсолютном значении) проводят отбор проб воздуха в тупиковых забоях и в забоях с наибольшим скоплением дизельной техники и осуществляют последующий

химический анализ. Энергия неустойчивости оценивается по данным станций Восточная и Центральный. Если разница температур воздуха на них больше 7оС, т.е. на Центральном холоднее, то энергия неустойчивости положительна, чем больше разница температур воздуха, тем лучше развита конвекция. Если разница меньше - энергия неустойчивости отрицательна, конвективная деятельность ослаблена. Для района Расвумчоррского и Центрального рудников данный критерий составляет 5,5оС, зависимость та же. Прогноз конвективной деятельности осуществляется по прогнозным данным температур воздуха на точках или с помощью прогностических карт.

Для Оленегорского карьера ОАО "Олкон" расчетная методика составления прогноза после определения типа синоптической ситуации заключается в определении вертикального градиента температуры воздуха в атмосфере карьера по формуле:

У=058(Г60 - Тт) '102,

ще Тт - температура воздуха на гор. +60 м; Тш-температура воздуха на гор. +180м.

При градиентеи ослаблении ветра на гор.+180 м менее 3 м/с также переходят на ежечасные наблюдения, а при дальнейшем его увеличении осуществляют контроль газового состояния атмосферы карьера.

Для карьера "Железный" ОАО "Ковдорский ГОК" основой прогноза (после определения типа синоптической ситуации), послужила статистическая обработка данных измерений метеорологических величин. Были получены эмпирические зависимости изменения температуры воздуха в нижнем слое карьера А Т„ от температуры во всем объеме карьера :

у = 0,16+0,757;-0,023 Ат\,

где А Тк— Тд - Тп, . . . ,

Тд - температура воздуха на дне карьера, Тп - температура воздуха на поверхности карьера, Т„ - слой от 70 до 214 м.

Изменения температуры в верхнем слое карьера от температуры во всем объеме определяются по уравнению вида:

>>=0,02+0,15 тк +о,огАг%

где А Тв - слой от 214 до 276 м.

При градиенте у< 0 и ослаблении ветра на гор. +276 м менее 3 м/с проводятся те же мероприятия, что и в первых двух случаях. В последних двух карьерах энергия неустойчивости оценивается и прогнозируется на основании фактических й прогностических данных температур воздуха по нижним пунктам наблюдения в карьере и по данным с АТ-925 мб (400 м). Температурный критерий для обоих карьеров составляет 2.5°С.

Прогноз ветра в приземном слое, как и прогноз температуры воздуха (в том числе й минимальной), в районах расположения карьеров может осуществляться любым известным методом, наиболее подходящим для данного района.

Методика может применяться как специализированными прогностическими центрами, в этом случае есть возможность вносить корректировку в прогноз, штормпредупреждения, а также осуществлять оценку оправдываемости прогнозов, что позволит повысить их надежность, так и в упрощенном варианте непосредственно диспетчерским составом рудников.

Контроль состояния атмосферы и управление организацией работ в карьере при опасных метеорологических ситуациях

" Для контроля состояния внутрикарьерной атмосферы предлагается использовать программу автоматизированного расчета уровня чистоты атмосферы в различных зонах при естественной аэрации карьерного пространства. По данной программе для любого карьера рассчитываются по стадиям отработки и фактическом положении горных работ схемы зон естественной аэрации для всех направлений и возможных скоростей ветра. Осуществляется это следующим образом. Взависимости от направления ветра и геометрических параметров карьера возможны различные схемы естественной аэрации- схемы воздухообмена, при которых появляются зоны с обратным направлением и замкнутой циркуляцией воздушных потоков (зоны рециркуляции). От величины этих зон и количества единиц техники, находящейся в такой зоне, с учетом скорости и направления ветра зависит эффективность выноса вредных примесей. При ветре, набегающем на карьер, в зависимости от его скорости и направления определяется схема естественной аэрации карьера, характер и размер зоны. По размерам и характеру этих зон и количеству работающей в них техники программа рассчитывает концентрации вредных примесей в атмосфере карьера и условия, при которых не буцет превышения предельно допустимых концентраций. Имея такие схемы, в конкретных метеоусловиях, остается определить в какой зоне какая и сколько техники работает, чтобы оценить вероятность загрязнения рабочих зон выше нормативов и принять организационные решения по недопущению ухудшения санитарного состояния атмосферы карьера. Расчет зон аэрации (их тип и размер) производится для всех направлений и скоростей ветра. На основании соответствующей конкретному карьеру розе ветров определяется вероятность преобладания той или иной зоны аэрации в данном карьере.

Программа позволяет проводить прогнозную оценку уровня чистоты атмосферы карьера при проектировании и планировании горных работ на основе многолетних метеорологических данных, а также рассчитывать состояние уровня загрязнения атмосферы карьера по текущим метеорологическим данным или краткосрочному прогнозу (изложенному в пункте два) в процессе работы карьера. При решении первой задачи задаются многолетние метеоданные за необходимый период и геометрия карьера на определенные периоды его работы, а для решения второй задачи необходимо задавать текущую информацию о состоянии погоды и горных работ в карьере.

Метеорологические мероприятия по контролю состава воздуха в карьере состоят из контроля метеорологического режима и прогнозе состояния атмосферы карьера. На основе этой информации проводятся организационные мероприятия: оптимизация схем транспортных потоков, сокращение количества дизельной техники в карьере, перевод части ее на ремонт, ТО, прекращение работ на нижних горизонтах, применение средств индивидуальной защиты (в кабинах горной техники использование кондиционеров с фильтрующими элементами), для постоянных пунктов (водоотлив) создание помещений с подачей чистого воздуха, сокращение числа работающего персонала на открытом воздухе в карьере (маркшейдера, геологи, взрывники и т.д.), для тех, кого нельзя вывести использование гермошлемов и масок с избыточным давлением.

Предлагаемые меры позволяют осуществлять контроль за состоянием атмосферы карьера после массового взрыва, оценивать уровень загрязнения воздушной среды на промплощадке рудников и их взаимовлияние, оценивать общую нагрузку на окружающую среду с учетом реальных объемов выбросов. Обработка и анализ получаемой информации приведет к созданию перспективных, более надежных методов прогноза и рекомендаций вплоть до рекомендаций заводам-изготовителям дизельных двигателей и газоанализаторного оборудования, а также герметизации кабин и разработок газопоглощающего, нейтрализующего оборудования и индивидуальных средств защиты. Использование прогноза позволит перераспределить рабочих по сменам, перенести сроки взрывных работ, изменить оперативное планирование по автоперевозкам, улучшит экономические показатели, повысит надежность использования механизмов и оборудования, обеспечит безопасность проведения работ. При оценке экономической эффективности

мероприятий по нормализации состава атмосферы в карьере необходимо учитывать не только прямые доходы, связанные с сокращением простоев, повышением производительности труда, уменьшением профзаболеваний, но также социальные и психологические аспекты, неподдающиеся экономическому учету, хотя, безусловно, значительно влияющие на деятельность горного предприятия в целом.

Основные результаты и выводы диссертационной работы сформулированы в заключении и сводятся к следующему:

- на Кольском полуострове преобладают приземные инверсии;

- нарушение естественного воздухообмена обусловлено инверсионным состоянием атмосферы карьеров, наибольшая продолжительность которых наблюдается в течение пяти месяцев, с ноября по март, включительно;

- с углублением карьеров происходит еще большее обособление внутрикарьерной циркуляции от общеатмосферной, увеличивается количество застойных зон в карьерах. Выявлено наличие в чаши карьера застойной области, препятствующей интенсивному естественному воздухообмену;

- распространение вредных примесей от внутрикарьерных источников носит волновой (волна газов распространяется до тех пор, пока температура их не сравняется с температурой окружающего воздуха), дискретный (массовые взрывы - разовый выброс, техника работает в разном режиме), блуждающий (т.к. техника перемещается) характер;

- определены типы синоптических процессов, способствующих ослаблению естественного воздухообмен в карьерах Кольского полуострова;

- разработан прогноз состояния атмосферы карьера на основе синоптической ситуации и развития вертикального температурного градиента в атмосфере карьера, автоматизированная программа расчетов параметров загрязнения атмосферы карьеров при естественной аэрации;

- предложен комплекс мер по нормализации атмосферы карьеров.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Совершенствование методики прогнозирования состояния атмосферы глубоких карьеров [Текст]: Тез. докл. Физико-технические проблемы управ, воздухообменом в горных выработках больших объемов. Всесоюз. научно-техн. симпозиум, 27-30 июня 1983 г., Ленинград: ЦПНТГО, 1983. -132 с.

2. Погодные условия, определяющие естественный воздухообмен в карьерах, и методика их прогнозирования [Текст]: Тез. докл. Всесоюзная конференция, 23-25 сентябрь 1985 г., Апатиты: Изд. КФАН СССР, 1985. - С.44-45.

3. Особенности микроклиматических условий и состояние атмосферы в карьере "Железный" Ковдорского ГОКа [Текст]: Тез. докл. Всесоюзная конференция, 23-25 сентябрь 1985 г., Апатиты: Изд. КФАН СССР, 1985. - С.55-56.

4. Использование вскрывающей траншеи для улучшения естественного воздухообмена в карьерах [Текст]: Тез. докл. Всесоюзная конференция, 23-25 сентябрь 1985 г., Апатиты: Изд. КФАН СССР, 1985. - С. 106-107.

5. Методика метеонаблюдений при испытании вентиляционных установок в карьере "Железный" [Текст]: Тез. докл. Всесоюзная конференция, 23-25 сентябрь 1985 г., Апатиты: Изд. КФАН СССР, 1985. - С. 162-163.

6. Влияние климатических условий на разработку полезных ископаемых в горной местности [Текст]: Тез. докл. Всесоюзное совещание по горной метеорологии, 19-21 нояб. 1985 г., Киев: ГКГМиКПС, 1985. -Юс.

7. Нормализация атмосферы глубоких карьеров [Текст] / А.Е.Алоян [и др.]. - Л.: Наука, 1986.-295 с.

8. Природные условия Хибинского учебного полигона [Текст] / С.М.Мягков [и др.]. -М.: Изд. Московского университета, 1986.- 169 с.

9. Зорин, A.B. Исследование метеоусловий в районе карьеров Коашвинский и

Ньоркпахский [Текст] / А.В.Зорин // Горн. журн. - 2002. - № 4. - С.90-91.

10. Аристотелевское понимание метеорологии как науки о физике (природе) атмосферы [Текст]: Тез. докл. Материалы итоговой сессии Ученого совета, 27-28 январь 2003 г., Санкт-Петербург: РГГУ, 2003. - С. 100-102.

11. Зорин, A.B. Оценка загрязнения снежного покрова в карьерах горнодобывающих предприятий и районах их расположения [Текст] / А.В.Зорин // Кольский полуостров на пороге третьего тысячелетия. Проблемы экологии: сб. научн. тр. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2003. - С.58-66.

12. Зорин, A.B. Оценка загрязнения промышленной зоны путем химического анализа снежного покрова [Текст] / А.В.Зорин // Материалы гляциологических исследований / Ин-тгеографии РАН. - 2003. - № 94. - С. 153-156.

13. Зорин, A.B. Комплекс мероприятий по нормализации атмосферы промышленных зон [Текст] / А.В.Зорин // Современные экологические проблемы Севера. 4.2. Материалы Международной конференции. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2006. - С. 13-14.

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Зорин, Александр Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОЗДУХООБМЕНА В КАРЬЕРАХ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ объектов исследования и современных подходов к анализу процессов воздухообмена в карьерах.

1.2. Общая оценка потенциала загрязнения атмосферы карьеров.

1.3. Обоснование пути и методов решения задачи поддержания безопасной атмосферы в карьерах.

2. МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЖИМ В КАРЬЕРАХ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА.

2.1. Методы измерения и определения параметров атмосферы в карьерах.

2.2. Термический и ветровой режим в карьерах.;.

2.3. Особенности атмосферной циркуляции в условиях горного рельефа.

Выводы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ

В ИЗУЧАЕМЫХ ОБЪЕКТАХ.

3.1. Исследование внутрикарьерной циркуляции воздуха.'.

3.2. Энергетическая оценка процессов при интенсификации воздухообмена в карьерах

3.3. Исследование распространения газового облака в карьерах при проведении массовых взрывов и расчет его параметров

Выводы.

4. ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВНУТРИКАРЬЕРНОЙ АТМОСФЕРЫ.

4.1. Загрязнение атмосферы карьеров Кольского полуострова.

4.2. Оценка эффективности естественного проветривания карьера.

4.3. Влияние близкорасположенных источников загрязнения друг на друга.

Выводы.

5. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА МЕРОПРИЯТИЙ ПО НОРМАЛИЗАЦИИ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ.

5.1. Организация мониторинга по метеонаблюдениям и загрязнению атмосферы на промплощадке.

5.2. Синоптические процессы, определяющие ослабление естественного воздухообмена в карьерах.

5.3. Прогноз инверсий.

5.4. Программа автоматизированных расчетов параметров загрязнения атмосферы карьера при естественной аэрации.

5.5. Комплекс мероприятий и его оперативное применение.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Прогноз состояния атмосферы в карьерах"

Обеспечение оптимального воздействия горного производства на состояние воздуха рабочей зоны при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом остается одной из проблем горной науки и производства.

Прогноз состояния атмосферы карьера, процессов и явлений погоды, влияющих на загрязнение атмосферы, представляет собой одну из основных задач метеорологического обеспечения открытых горных работ.

Основным направлением проводимых по проблеме исследований является изучение закономерностей и причин нарушения естественного воздухообмена в карьерах и ресурсах для выведения атмосферы карьерного пространства из состояния устойчивости, прогнозирование моментов наступления загрязнения атмосферы карьеров, разработка средств и методов оперативной регистрации параметров физического и санитарно-гигиенического состояния атмосферы в карьерах.

На предприятиях горной промышленности учет потерь вследствие неблагоприятных погодных условий в настоящее время не ведется, хотя добыча полезных ископаемых в карьерах во многих случаях при опасных метеорологических явлениях осложняется. Прогноз и своевременное оповещение о таких явлениях позволяют предпринимать меры по сокращению простоя людей и механизмов, уменьшать количество недополученной по этим причинам продукции.

В настоящее время не подвергается сомнению, что актуальность проблемы создания безопасных атмосферных условий на рабочих местах в карьерах по мере их углубления постоянно возрастает. Важным этапом решения проблемы является создание системы контроля параметров атмосферы карьеров, без которой невозможно своевременно предупредить о сверхнормативном загрязнении воздуха и принять соответствующие меры безопасности.

Далеко не во всех вопросах решение этой проблемы идет эффективно и дает положительные результаты. Это связано с рядом объективных трудностей, вызванных попытками управления такой сложной вероятностной системой, как атмосфера карьера. Состояние загрязнения атмосферы карьеров зависит как от регулируемых, так и от нерегулируемых факторов - орографии местности, метеорологических условий и времени года, видов технологических процессов и системы разработки конкретного месторождения, типов, количества и режимов работы горного и транспортного оборудования III.

Технологические процессы, массовая отбойка горной породы с использованием взрывчатых веществ, применение дизельной техники в горнодобывающей промышленности приводят к выделению пыли и вредных газов в атмосферу. Поэтому возникает серьезная проблема поддержания нормальных санитарных условий на рабочих местах /2/.

Обострение проблемы проветривания карьеров и быстрое изменение условий накопления примесей приводят к необходимости более частого и надежного, чем это предусмотрено в ЕПБ /31, контроля загрязнения атмосферы карьера, его оперативного прогнозирования и управления качеством воздушной среды.

Среди факторов, способных изменить состояние воздуха в карьере (уровень его загрязнения), основным является поток тепла, который получает поверхность Земли от Солнца. Потоки тепла от почвы нагревают приземный слой атмосферы, тем самым, уменьшая его плотность и, соответственно, устойчивость. Поднимаясь, теплый приземный слой воздуха уносит с собой и загрязнители. Так работает естественный механизм очистки приземного слоя воздуха, где наблюдается конвекция. Конвекция обычно характеризуется высотой слоя перемешивания, мощность которого, в свою очередь, зависит от степени устойчивости атмосферы (градиент температуры) и при благоприятных условиях может достигать нескольких километров. Устойчивое состояние атмосферы, в отличие от неустойчивого, не только не способствует развитию конвективных течений, но и, наоборот, подавляет их, что приводит к накоплению вредных веществ в приземном слое атмосферы.

Другой фактор, изменяющий состояние воздуха в карьере, работа ветра. Аэрация карьеров (обмен внутри карьерного воздуха с атмосферным) под действием ветровых потоков также способствует выносу вредных примесей из объема карьеров и нормализации их атмосферы. Можно выделить три способа взаимодействия внешней среды с атмосферой карьера:

- передача теплоты, в том числе и антропогенной, поступающей в атмосферу при различных производственных процессах;

- совершение работы ветром при изменении атмосферного давления;

- перенос воздушных масс через открытую границу карьера, которые поступают или удаляются со своим запасом энергии.

При наличии на объекте источников вредностей сохранить или изменить состояние воздуха по фактору его загрязнения можно только в результате внешнего воздействия -совершения определенного, вида работы или подведения тепла, а для этого необходимо, чтобы объект был открытым, т.е. имел поверхности контакта с внешней средой - входы и выходы. Через входы оказывается воздействие на атмосферу объекта, а на выходе получают ожидаемую реакцию на такое воздействие. В то же время открытость объекта приводит к тому, что наряду с положительным воздействием появляется и возможность влияния внешней среды, масштабы, проявления которых возрастают по мере увеличения открытости границ.

Управление состоянием атмосферы карьера возможно лишь косвенными методами на основе надежного контроля и прогноза опасных по загазованности ситуаций - изменением организации горных и транспортных работ в карьере в эти периоды. Необходимо на основе исследований разработать методы обоснования параметров системы контроля и сформулировать технические требования к системе (диапазон измеряемых параметров, точность, частота и длительность измерений). Особое значение имеет метод определения количества и координат размещения пунктов контроля для надежной оценки состояния атмосферы и его прогноза.

В настоящее время предложены различные пути решения проблемы загазованности карьеров. Это и методы искусственной вентиляции (разработаны и созданы различные установки искусственного проветривания и схемы их применения) /4/ и интенсификация естественной аэрации различными техническими средствами. Предлагается оснастить кабины горной техники пылегазоочистными устройствами с кондиционированием воздуха, индивидуальными средствами защиты /5/. Рассматриваются и прогнозные варианты решения проблемы. Предлагаются долгосрочные прогнозы на стадии проектирования на весь срок существования карьера, среднесрочные прогнозы от нескольких суток до нескольких месяцев и краткосрочные суточные прогнозы /6,7/. Так как в данной работе предлагается прогнозное краткосрочное решение, то остановимся на этих аспектах. Основными слабыми местами, предлагаемых методов является то, что предлагаются прогнозы пылегазового режима карьеров, а не условий, которые способствуют загазованности карьеров. Есть попытки спрогнозировать синоптические условия, опасные по загазованности карьеров, но это делается, как и в случае с прогнозом пылегазового режима, для одного конкретного карьера. В данной работе предлагается методика прогноза метеорологических условий, способствующих загрязнению карьера. Эта методика применима для целого региона, а при определенной доработке может стать универсальной.

Цель работы заключается в выявлении особенностей внутрикарьерной циркуляции воздуха и закономерностей пространственно-временного распределения загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы для разработки методики прогноза опасных состояний атмосферы карьера.

Идея работы заключается в использовании экспериментально установленных закономерностей пространственно-временного распределения загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы и особенностей внутрикарьерной циркуляции воздуха для разработки методики прогноза опасных состояний атмосферы карьеров и организационно-технических мероприятий по нормализации воздушной среды.

Задачи исследований;

1. Исследовать процессы циркуляции воздушных потоков в карьерах и районах их расположения в зависимости от рельефа местности и метеоусловий.

2. Выявить закономерности пространственно-временного распределения вредных примесей в пределах действующих карьеров при различных метеоусловиях.

3. Разработать методику прогноза метеоусловий, опасных по загрязнению атмосферы карьеров.

Методы исследования включают методы метеорологических наблюдений, экспериментальные исследования в естественных условиях, методы математической статистики и синоптической метеорологии.

Научная новизна работы определяется следующими результатами практического и методологического характера:

• изучены температурный и ветровой режимы карьеров Кольского полуострова, особенности атмосферной циркуляции в технологическом рельефе;

• установлено волнообразное распространение загрязняющих веществ в атмосфере карьеров, их скопление в тупиковых забоях, на бермах, где образуются застойные зоны с местной циркуляцией. Основная зона загрязнения атмосферы карьеров находится в средней части карьеров, ее верхняя граница расположена на 1/3 глубины карьера от замкнутого контура;

• разработанная методика прогноза опасных состояний атмосферы карьеров отличается от предлагаемых ранее тем, что предназначена не для одного карьера, а для региона и что прогнозируется не уровень самого загрязнения, а метеоусловия, способствующие накоплению загрязнений в определенном объеме. Она состоит из двух частей - из прогноза синоптической ситуации и метеорологической расчетной части, может применяться для различных регионов;

• предложен комплекс мероприятий по нормализации воздушной среды в карьерах, включающий в себя технические, метеорологические и организационные мероприятия. Технические заключаются в регулировке двигателей, метеорологические - в контроле метеорологического и газового состояния атмосферы карьера и метеопрогноз, организационные - в ведении горных работ, обеспечивающем оптимальную схему естественной вентиляции карьера.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Нарушения естественного воздухообмена в карьерах Кольского полуострова определяются синоптическими ситуациями в регионе, при которых формируются приземные инверсии и штили. Продолжительность проявления данных ситуаций наблюдается в течение пяти месяцев (с ноября по март месяц включительно).

2. Методика прогноза опасных состояний атмосферы в карьерах, основанная на выявленных неблагоприятных типов синоптических процессов и их продолжительности в регионе, и установленными взаимосвязями между температурным градиентом по глубине карьера с инверсионным состоянием, определяющих ослабление естественного воздухообмена в карьерах.

Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертационной работе, обоснована репрезентативностью объема исходного материала по мониторингу объектов исследования, методическими принципами комплексного подхода к прогнозу и контролю пылегазовых режимов карьеров, иерархически взаимосвязанными временными и пространственными уровнями, корректно поставленными и проведенными экспериментальными исследованиями, удовлетворительной сходимостью результатов прогноза с фактическими данными.

Практическая значимость заключается в том, что разработанная методика прогноза опасных по загрязнению метеорологических условий в атмосфере карьеров применима для всех карьеров Кольского полуострова. При определенной доработке данная методика может быть универсальной. На основании данного прогноза разработаны практические рекомендации по оперативному применению комплекса мероприятий по нормализации воздушной среды в карьерах.

Реализация работы.

Разработанные методики и результаты проведенных исследований были использованы в оперативной работе в карьерах "Оленегорский" ОАО "Олкон" и "Железный" ОАО "Ковдорский ГОК" и рекомендуются для использования на карьерах Кольского полуострова.

Личный вклад автора состоит: в постановке задач исследований, выборе и разработке методик исследований; в организации, подготовке и проведении метеонаблюдений и экспериментальных исследований в естественных условиях; в обработке полученной информации и проведении аналитических исследований; в разработке методики прогноза метеоусловий опасных по загрязнению состояний атмосферы карьера; в апробации указанных методик на карьерах "Оленегорский" ОАО "Олкон" и "Железный" ОАО "Ковдорский ГОК".

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Физико-технические проблемы управления воздухообменом в горных выработках больших объемов", Кохтла-Ярве, 1983 г.; Всесоюзном совещании по горной метеорологии, Киев, 1985 г.; Всесоюзной конференции "Теоретические и прикладные вопросы воздухообмена в глубоких карьерах", Апатиты, 1985 г.; Международной конференции "Лавины и смежные вопросы", Кировск, 2001 г.; Международной конференции "Современные экологические проблемы Севера", Апатиты, 2006 г. Основные положения работы были изложены в научно-исследовательских отчетах Горного института КНЦ РАН и хоздоговорных работах.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 13 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, и заключения, списка литературы из 76 наименований, содержит 108 страниц машинописного текста, в том числе 20 рисунков, 29 таблиц, 4 схемы.

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Зорин, Александр Владимирович

Выводы

Предложенная схема мониторинга метеоэлементов и газового состояния атмосферы позволит получить надежную исходную информацию для составления прогнозов. Выявление типов синоптических процессов, определяющих ослабление естественного воздухообмена в карьерах, является первой стадией прогноза для всех карьеров Кольского полуострова. Вторая стадия - метеорологические расчеты для каждого карьера проводятся по своей методике. Предлагаемая программа позволяет проводить прогнозную оценку чистоты атмосферы карьера, а также рассчитывать уровень ее загрязнения по текущим метеоданным или краткосрочному прогнозу. Использование прогноза опасных по загрязнению состояний атмосферы карьера позволит оперативно решать технологические и организационные вопросы горного производства с целью снижения экономических потерь.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе предложена достаточно надежная и простая методика краткосрочного прогноза состояния атмосферы карьера. Разработанная методика применима для всех карьеров Кольского региона. При определенной доработке она может быть универсальной. Схема составления прогноза следующая: анализируется аэросиноптический материал и определяется вероятность появления типов синоптических процессов, способствующих ослаблению естественного воздухообмена в карьерах данного конкретного региона. Далее применяются расчетные метеорологические методики для каждого карьера данного региона. Применение методики ориентировано на вполне определенные управленческие решения. На основании данного прогноза разработаны практические рекомендации по оперативному применению комплекса мероприятий по нормализации воздушной среды в карьерах.

Атмосфера карьеров является открытой системой; состояние ее весьма чувствительно к изменениям, происходящим в окружающей среде, и требует учета существующих между ними связей. Стремление атмосферы к образованию циркуляционных течений самого различного масштаба (хотя и не всегда четко выраженных) характерно для течений, возникающих в объеме карьера. Масштаб циркуляционных течений в основном определяет объем воздуха, в котором происходит рассеивание вредных примесей.

При вентиляции карьеров (открытых систем) удаляемые в окружающую среду массы воздуха должны иметь определенный запас энергии во избежание попадания в систему выброшенных вредных примесей со струей свежего воздуха, в то время как для закрытых систем энергия потока массы воздуха, удаляемого в окружающую среду, является потерянной и минимизируется.

Учитывая, что атмосфера карьера является открытой системой, контроль функционирования ее включает следующие основные условия:

- наличие потоков воздуха и энергии через границы системы и соответственно потоков массы примесей;

- суммарный поток массы примесей, покидающих систему, должен быть не менее поступающего свежего потока.

Эти условия зачастую не принимаются во внимание, что приводит к субъективным оценкам масштабов воздействия на систему.

Анализ взаимодействия физических процессов в атмосфере карьера и граничной воздушной массе при устойчивом ее состоянии позволил получить представление о неадекватности воздействия их друг на друга, т.е. состояние атмосферы карьера полностью определяется состоянием окружающей среды. При общем крупномасштабном, устойчивом состоянии воздушных масс и их механическом равновесии ввод дополнительной энергии на локальных участках приводит лишь к усилению процесса рассеяния примесей в определенном объеме, ограниченном областью действия возникающей местной циркуляции.

Для организации функционирования системы вентиляции карьеров необходимо нарушить тепловое или механическое равновесие в атмосфере не только в объеме карьера, но и за его пределами, что при современных ограниченных энергетических ресурсах является практически неосуществимой задачей, поэтому становится совершенно неочевидной возможность санитарно-гигиенической нормализации атмосферных условий в карьерах с помощью вводимой антропогенной энергии.

При современном уровне развития техники и технологии ведения открытых горных работ неизбежен рост затрат, связанных с поддержанием воздушной среды в карьерах в пределах ПДК.

Представляется перспективным изыскание, новых методов использования энергии естественных процессов для решения проблемы активизации воздухообмена в карьерах. Методы нормализации состава атмосферы в карьерах, в том числе и вентиляция, являются составной частью технологического комплекса, только в совокупности, с которым возможно эффективное и экономичное решение проблем безопасных условий труда на открытых горных работах. В дальнейшем целесообразно комплексное решение следующих вопросов:

- совершенствование методов прогнозирования опасных по загрязнению атмосферы метеорологических условий;

- разработка методов снижения выделения вредных примесей при всех технологических процессах и на используемом оборудовании;

- изыскание экологически чистых технических средств и технологий ведения открытых горных работ;

- разработка методов социально-экономической оценки системы нормализации состояния атмосферы глубоких карьеров;

- рассмотрение возможности предварительной оценки стоимости вынужденных простоев по метеоусловиям за год и отнесение ее на себестоимость продукции или же учет в планах добычи и отгрузки. Оценивать эффективность применения метео прогнозов.

Комплексная проработка проблемы нормализации атмосферы в карьерах на базе современной технологии позволит обеспечить чистоту воздуха в карьерном пространстве и на прилегающих территориях.

- на Кольском полуострове преобладают приземные инверсии;

- нарушение естественного воздухообмена обусловлено инверсионным состоянием атмосферы карьеров, наибольшая продолжительность которых наблюдается в течение пяти месяцев, с ноября по март, включительно;

- с углублением карьеров происходит еще большее обособление внутрикарьерной циркуляции от общеатмосферной, увеличивается количество застойных зон в карьерах. Выявлено наличие в чаши карьера застойной области, препятствующей интенсивному естественному воздухообмену;

- распространение вредных примесей от внутри карьерных источников носит волновой (волна газов распространяется до тех пор, пока температура их не сравняется с температурой окружающего воздуха), дискретный (массовые взрывы-разовый выброс, техника работает в разном режиме), блуждающий (т.к. техника перемещается) характер;

- определены типы синоптических процессов, способствующих ослаблению естественного воздухообмен в карьерах Кольского полуострова;

- разработан прогноз состояния атмосферы карьера на основе синоптической ситуации и развития вертикального температурного градиента в атмосфере карьера, автоматезированная программа расчетов параметров загрязнения атмосферы карьеров при естественной аэрации;

- предложен комплекс мер по нормализации атмосферы карьеров.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Зорин, Александр Владимирович, Апатиты

1. Математическое моделирование процессов загрязнения атмосферы на объектах горной промышленности Текст.: сб. науч. тр. / Рос. акад. наук, Кол. науч. центр, ИППЭС,-Апатиты: Изд. КНЦРАН, 1991. 88 с.

2. Сытенков, В.Н. Решение экологических проблем карьера Мурунтау Текст. / В.Н.Сытенков // Горн. журн. -1991. № 7. - С.56-57.

3. Единые правила безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом Текст. ПБОЗ - 498-02. Госгортехнадзор России. -112 с.

4. Филатов, С.С. Вентиляция карьеров Текст. / С.С.Филатов. М.: Недра, 1981. - 206 с.

5. Рогалев, В.А. Нормализация атмосферы горнорудных предприятий Текст. / В.А.Рогалев. М.: Недра, 1993. - 240 с.

6. Сытенков, В.Н. Прогноз пылегазового режима глубоких карьеров Текст. /

7. B.Н.Сытенков, А.В.Кочетов //Горн. журн. 2003. - № 8. - С.86-89.

8. Сытенков, В.Н. О целесообразности искусственного проветривания глубоких карьеров Текст. / В.Н.Сытенков // Горн. журн. 2003. - № 8. - С.89-92.

9. Берлянд, М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы Текст. / М.Е.Берлянд. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 448 с.

10. Конорев, М.М. Вентиляция и пылегазоподавление в атмосфере карьера Текст. / М.М.Конорев, Г.Ф.Нестеренко. Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2000. - 311 с.

11. Никитин, B.C. Проектирование вентиляции в карьерах Текст. / В.С.Никитин, Н.З.Битколов. -М.: Недра, 1980. 171 с.

12. Нормализация атмосферы глубоких карьеров Текст. / А.Е.Алоян [и др.]. Л.: Наука, 1986. - 295 с.

13. Ушаков, К.З. Аэрология карьеров Текст. / К.З.Ушаков, В.А.Михайлов. М.: Недра, 1985.- 169 с.

14. Бересневич, П.В. Аэрология карьеров Текст. / П.В.Бересневич, В.А.Михайлов,

15. C.С.Филатов. М.: Недра, 1990. - 280 с.

16. Совершенствование методов расчета параметров системы нормализации атмосферы в глубоких карьерах Текст.: отчет о НИР (промежуточ.): 5-841 Горный ин-т КНЦ РАН; рук. А.Д.Вассерман; отв. исполн.: ААБакланов. Апатиты. - 81 е.- инв. № 391.

17. Вершинин, А.А. Об энергетической оценке естественного и искусственного воздухообмена в карьерах Текст. / А.А.Вершинин // Борьба с пылью на открытых горных работах: часть 1. Свердловск: ИГД УрО АН СССР, 1970. - С.24-34 с.

18. Развитие открытой разработки месторождений СССР до 2005 г. Текст.: сб. науч. тр. / Рос. акад. наук, ШЖОН. М., 1984. - 106 с.

19. Физическая и динамическая климатология Текст.: тр. симл. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. -414 с.

20. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам Текст.: части 1 и 2. JL: Гидрометеоиздат, 1969. -Вып.З. -308 е., 116 с.

21. Руководство по градиентным наблюдениям и определению составляющих теплового баланса Текст. Л.: Гидрометеоиздат, 1964. - 130 с.

22. Борисенков, Е.П. Зондирование атмосферы метеорологическими аэростатами Текст. /Е.П.Борисенков, Ю.Ж.Альтер-Залик, АДКузнецов. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. - 175 с.

23. Воронцов, П.А. Методы аэрологических исследований пограничного слоя атмосферы Текст. /ПАВоронцов. Л.: Гидрометеоиздат, 1961. - 233 с.

24. Совершенствование методов расчета атмосферы в глубоких карьерах Текст.: отчет о НИР (промежуточ.): Горный ин-т КНЦ РАН; АДВассерман; отв. исполн.: А.А.Бакланов. Апатиты. - 90 с,- инв. № 240.

25. Барри Роджер Г. Погода и климат в горах Текст. / Роджер Г.Барри. Л.: Гидрометеоиздат, 1984.-311 с.

26. Израэль, Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды Текст. / Ю.АИзраэль. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 375 с.

27. Матвеев, Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы Текст. / Л.ТМатвеев. -Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 751 с.

28. Зверев, А.С. Синоптическая метеорология Текст. / АС.Зверев. Л.: Гидрометеоиздат, 1977.-711 с.

29. Петерсен, С. Анализ и прогноз погоды Текст. / С.Петерсен. Л.: Гидрометеоиздат, 1961.-652 с.

30. Бурман, Э.А. Местные ветры Текст. /Э.АБурман. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - 340 с.

31. Теория и расчет вентиляционных струй Текст.: сб. науч. тр. / ВНИИОТ ВЦСПС. -Л., 1965.-290 с.

32. Бекряев, В.И. Трансформация метеорологических полей в карьерах при искусственной вентиляции Текст. /В.И.Бекряев// Тр. ГГО. 1973. - Вып.З 10. - С.27-39.

33. Руководство по контролю загрязнения атмосферы Текст. Л.: Гидрометеоиздат, 1979.-448 с.

34. Берлянд, М.Е. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты рассеяния примесей Текст. / М.Е.Берлянд. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - 457 с.

35. Бакулин, Л.М. Энергетика циркуляционных течений в карьере Текст. / Л.М.Бакулин, В.Д.Луковский, А.Д.Вассерман // Теоретические и прикладные вопросы воздухообмена в глубоких карьерах: сб. тез. докл. Апатиты: Изд. КФАН СССР, 1985. - С.96-97.

36. Аюрзанайн, Б.А. Физические процессы формирования и распространения пылегазового облака при взрывных работах на карьерах Текст. / Б.А.Аюрзанайн, Н.З.Битколов, В.И.Пичуев //Борьба с силикозом: сб. науч. тр. -М.: Наука, 1981. Т. 12. - С. 114-118.

37. Барышев, А.С. Механизм формирования и расчет зоны отбора газов при взрывных работах Текст. / А.С.Барышев, А.П.Казаков // Вентиляция шахт и рудников: межвузовский сб. -М.: 1980.-Вып.7.-С.99-105.

38. Успенский, Б.Д. Новая аэрологическая диаграмма и применение ее при диагнозе и прогнозе погоды Текст. /Б.Д.Успенский, Г.КВеселова. М.: Гидрометеоиздат, 1969. - 120 с.

39. Зверев, А.С. Практикум по синоптической метеорологии Текст. / А.С.Зверев. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. - 336 с.

40. Авдеев, Ф.А. Производство массовых взрывов Текст. / Ф.А.Авдеев, В.Л.Барон. -М.: Недра, 1977.-312 с.

41. Гурин, А. А. Ударные воздушные волны в горных выработках Текст. / А.А.Гурин, П.С.Малый. М.: Недра, 1983. - 223 с.

42. Инструкция по определению радиуса опасной зоны действия ударных воздушных волн взрывов на застекление Текст. -М.: Союзвзрывпром, 1979. 20 с.

43. Цейтлин, Я.И. Влияние метеоусловий и интенсивность слабых ударно-воздушных волн взрывов Текст. / Я.И.Цейтлин // Физ.-техн. проблемы разработки полезных ископаемых. 1980,- № 3,- С. 51-56.

44. Цейтлин, Я.И. Сейсмические и ударные воздушные волны промышленных взрывов Текст. / Я.И.Цейтлин, Н.И.Смолий. -М.: Недра, 1981. 192 с.

45. Кухлинг, X. Справочник по физике Текст. / Х.Кухлинг. М.: Мир, 1982. - 519 с.

46. Руководство по защите рудничной атмосферы от загрязнения (открытые горные работы) Текст. Кривой Рог: ВНИИБТГ, 1988. - 175 с.

47. Клевцов, А.А. Обоснование комплексов оборудования рудных карьеров с учетом загрязнения атмосферы Текст.: автореф. канд. техн. наук: 05.15.03 / Клевцов Анатолий Александрович. М., 1995. - 20 с.

48. Зорин,А.В. Оценка загрязнения промышленной зоны путем химического анализа снежного покрова Текст. /А.В.Зорин // Материалы гляциологических исследований / Ин-т географии РАН. 2003. - № 94. - С.153-156.

49. Грей, ДМ. Снег. Справочник Текст. / Д.М.Грей, Д.Х.Мэйл. JI: Гидрометеоиздат, 1986, - 751с,

50. Руководство по снеголавинным работам Текст. Л: Гидрометеоиздат, 1965. - 896 с.

51. Радченко, Г.А. Аэрация и обеспыливание карьеров Казахстана Текст. / Г.А.Радченко, И.В.Ненашев. Алма-Ата: Наука КССР, 1975. - 158с.

52. Тверской, П.Н. Курс метеорологии. Физика атмосферы Текст. / П.Н.Тверской. -Л.: Гидрометеоиздат, 1962. 700 с.

53. АндрущенкоДА. Образование кольцевого вихря при подъеме нагретой массы воздуха в стратифицированной атмосфере Текст. / В.А.Андрущенко // Изв.АН СССР. Сер. МЖГ. 1978. - № 2. - С.186-189.

54. Зорин.А.В. Исследование метеоусловий в районе карьеров Коашвинский и Ньоркпахский Текст. / А.В.Зорин // Горн. журн. 2002. - № 4. - С.90-91.

55. МонокровичДИ. Гидрометеорологическая информация в народном хозяйстве Текст. / Э.И.Монокрович. М.: Гидрометеоиздат, 1980. -175 с.

56. Герман,М.А. Спутниковая метеорология Текст. / М.А.Герман. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. -367с.

57. Лепешкин, С.М. Разработка комплекса методов прогноза и контроля качестваатмосферы с целью управления пылегазовыми режимами карьеров Текст.: автореф. дис.канд. техн. наук: 05.26.01 / Лепешкин Сергей Михайлович. М., 1994. - 23 с.

58. Проблемы нормализации атмосферы на открытых горных работах отрасли Текст. / В.Н.Мосинец и [др.] //Горн. журн. -1991. № 1. - С.48-52.

59. Кулешов, А.А. Проектирование и эксплуатация карьерного автотранспорта: справочник, часть 1 Текст. / А.АКулешов. СПб.: Машиностроение, 1994. - 350 с.

60. Михайлов, М.В. Микроклимат в кабинах мобильных машин,- Конструктивная безопасность автомобиля Текст. / М.В.Михайлов, С.В.Гусева. М.: Машиностроение, 1983, -212 с.

61. Павлухин, Л.В. Методические рекомендации по анализу социально-экономической эффективности применения кондиционирования воздуха для улучшения условий труда Текст. / Л.В.Павлухин. Л.: ВНИИОТ, 1977. - 42 с.