Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Совершенствование методики прогноза загрязнения атмосферы породными отвалами и поверхностными технологическими комплексами угольных шахт

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование методики прогноза загрязнения атмосферы породными отвалами и поверхностными технологическими комплексами угольных шахт"

На правах руколии!

3 Г Б ОД

РОЖКОВ Виктор Федорович

совершенствование методики прогноза загрязнения атмосферы породными отвалами

и поверхностными технологическими

комплексами угольных шахт

Специальность 11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациинипиюг!

использование природных ресурсно

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Туле

Гч-Оотз выполнена в Тульском государственном университете

11аучныи руководитель - доктор технических наук, профессор-

Николай Михайлович Качурин

"Официпяьиые оппоненты: доктор технических наук, профессор

Олег Николаевич Русзк;

кандидат технических н-зук, доцент Викгор Павлович Баранов.

Ведущая организации - Тульское региональное отделение

Академии горных наук Российской Федора

цш;

Защита диссертации состоится 1987 Г.

li /У. ч- на заседании диссертационного совета Д 063.47.00 н 1улыжом государственном университете по адресу: 300600, г. ¡'улз. пр. Ленина, S2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан «¿4"1997 г.

Ученый секретарь диссертационного Г /р

совета канд. технических наук, доцент oiCU^f^ И.В.Панферог

з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Техническое совершенствование утольнон промышленности характеризуется созданием новых горнодобывающих и перерабатывающих производств на базе перспективных месторождений бурых и каменных углей, расположенных в различных природно-климатических зонах страны.

Непрерывный рост энерговооруженности экономики, и сокращения запасов жидкого и газообразного топлива потребует неуклонного увеличения поставок твердого топлива. Добыча этого вида топлива связана с увеличением выработки отходов добычи и обогащения углей: При этом масса отходов увеличивается не пропорционально росту добычи угля и объему его переработки, а более быстрыми темпами, (обусловленными ухудшением горно-геоло п 'еских условий угольных месторождений), чщ в свою очередь, приводит к усилению отрицательного воздействия на окружающую среду и проявляется в загрязнении водных источником, атмосферного воздуха, почвы твердыми, жидкими и пылегазообразными отходами в количествах, зачастую во много раз превышающих предельно допустимые концентрации (вблизи горящего породного отвала кои центрация окиси углерода в 46,6, сернистого ангидрида 1,2 раза выше установленных санитарных норм.а превышение ПДК по пыли достигает 54 раз). Все это нарушает сложившуюся экологическую сбалансирован ность природной среды, вызывая необходимость проведения специальных природозащитных мер.

Основными источниками загрязнения воздушного бассейна з угольной промышленности являются промышленные и коммунально-бытовые котельные, сушильные установки обогатительных фабрик, аспирацион-ные системы предприятий и горящие породные отвалы. Из этих источни коз ежегодно в атмосферный воздух выбрасывается значительное коли чество твердых и газообразных вредных веществ.

Ухудшение физических и химических свойств атмосферного воздуха на территории, прилегающей к предприятиям угольной промышленности, отрицательно сказывается на здоровье людей, их работоспособности и продолжительности жизни. Как следствие ухудшаются технико-экономические показатели и снижается эффективность деятельности как отдельного предприятия, так и отрасли в целом.

Выбросы крупных предприятий угольной промышленности загрязняют атмосферный воздух в радиусе нескольких десятков километров, угнетающе действуя на растительный и животный мир. Кроме того, пред приятия вынуждены нести значительные расходы для компенсации экологического ущерба, наносимого окружающей среде.

Валовые выбросы вредных веществ от предприятий угольной про мышленности составляют тысячи тонн в год. Однако значения объем-

вредных выделений, выраженные в таком измерении, не дают достаточного представления о степени загрязнения атмосферы, оцениваемой по предельно допустимой концентрации их содержания в воздушной среде. Поэтому важно знать современное состояние и динамику поступлений загрязнителей в окружающую среду, их свойства.

Существующие прогнозные методики основаны на „использовании среднегодовых значений выбросов загрязняющих веществ по бассейну в цепом, не учитывая изменение физико-механических свойств угля и го-" рения отвалов в зависимости от изменения горно-технических и погодно-климагичвских условий. Кроме того, они не позволяют оценить уровни адщентраций вредных веществ в атмосферном воздухе.

Таким образом, вопрос совершенствования методики прогноза выбросок вредностей в атмосферу поверхностными технологическими комплексами шахт, является актуальным и имеет важное значение для принятия организационно-технических решений.

Целью работы являпось установление новых и уточнение существующих закономерностей выделения пыли и газов технологическими комплексами и породными отвалами угольных шахт для повышения достоверности прогноза загрязнения атмосферного воздуха промплоща-/кж угольных шахт.

Идеи работы состоит в том, что повышение достоверности прогноза загрязнения атмосферного воздуха промппощадок угольных шахт обеспечивается адекватностью математических моделей поступления , вредностей в атмосферу, учитывающих закономерности процессов газо-пыпевыделения технологическими комплексами и породными отвалами.

Основные научные положения работы заключаются в следующем: . .

главными источниками выбросов вредных веществ в атмосферу промплощадок угольных шахт являются поверхностные комплексы и ¡наги горения породных отвалов, поэтому решение задачи совершен:., новация прогноза масштабов загрязнения осуществляется на основы закономерностей изменения удельных пылегазовыделений от этих источников; -

для определения удельных пылевыделений от поверхностных комплексов игах 1 использованы зависимости этих характеристик 01 механической прочности и влажности добываемого угля, а также от величины скорости ветра, которые моделируются уравнениями множественной регрессии;

удельные газовыделения определяются интенсивностью очагов горения породных отвалов, фильтрационными свойствами лородо-угольной мйгсы, условий горения, характеризуемых концентрацией газов на глубине 0,1 м, величины скорости ветра и моделируются уравнениями конаекпшно-диффузионного переноса с учетом зависимости параметров переноса от темпера гуры;

методика прогноза экологического влияния угольных предприятий, дсполнзна расчетными зависимостями дпя максимальных разспых выбрасываемых вредных- веществ в атмосферу про!/плещг?док шахт в со-отизтстзие с существующими сзнитпрчыми нормами. Новизна научных положении:

получены "мпирическиз зависимости для инженерных расчетов значений удельных пьшевыдблений на различных технологических операциях поверхностных комплексов шахт, отличающиеся там, что интен-сигнссть*пь1Я22ЫДвлокий определяется а зависимости от скорости ветра, влажности и коэффициента механической прочности угля;

установлены закономерности изменения концентрации гззоп 'и УДЧЛЬНЫЙ ГЗЗОСЫДйЛйНИЙ КЗ горящих породных ОТБЭЛСЗ, отличающиеся том, что концентрация газоз и удельные гпзавыделения определяю :ся с учзтем температуры позеохностп отекла;

• устпнсг.ланы згзис ости ггредкнзчичесхи* козффшкгс-итс.; от-. депы'ых фрокций спэлькой мзссы, отлимлющиссп т5м, мто'лйксйн«* и

Езздрзтичнеэ аэродинамическое «.опротивление определяется с учетом слс.та-;ости я среднего диамотрл куска пористого материала;

р,-:оро0о1зна усозершенствоввннаЯ'Мвтодика расчета коэффициенте '■■!■ мэсшг<збз ма*рошеро::оз<1тости отзппькой мпс~>.;, учп11Лй:'Г-«..-:л рлиянчо раз'-сероз среднего куска ¡1 влзхчссп! отдельных (.''..'Г.1,'I) Л пористого материала;

Гоор^Сотпп [.пт'1?.'?т«часч'ая' модель фильтрации зоздуха з клее пг?ОДО-уГСЛЬ!!ОЙ маСС:.-!, ОТЛИЧО!ОЩЗЯСЯ ТСМ, ЧТО СКОРОСТЬ ф!ШЬТ[1!"»1И спргдзляотся 3 ЗЭЗНСИ.МОрТИ СТ ВЕЛИЧИНЫ спорости сотрэ и незфпм'иисп- •• тя ррочр'^згсстк лор.^А'«5'! мгтсы огзап::;

¡ггиргботзна матомзткче&ад модель газзвыделений из породных отзалоз,.отличающаяся тем что, гс?с«ыдсл8ния описызаются с учетом рзснасти ::онц«йтрпций на глубине 0,1 м и на гоззрхности отпала, диффузионных пер-змзтроо среды и фактической площади зоны горения;

разработана усовершенствованная методика расчета количества сыдзлпкмцкхсл газоз из горящих породных отоалоз, для шахт Подиос-гагного, Печорсгого и Челябинского бассейноо, отличающаяся тем, что Гизо:*ыд>зл<знил определяются с учетом зависимости удельных газовыдо-ленпй от температурного режима и диффузионных свойств породог угольной массы отзалэ,- а такжо тем, что определяются максимальные разезыз выбросы для расчета предельно допустимых выбросоз;

разработана усовершенствованная методика расчета лылеэыдалз-ний от технологических комплексов угольных шахт, учитывающая влияние коэффициента механической прочности, влажности добываемого угля величины скорости ветра, а также тем, что определяются максимальные рззозые выбросы для расчета предельно допустимьгх выбро-соз. . . ■ ■ '

Достоверность научных положений выводов й рекомендаций

подтверждается:

корректней постановкой задач исследований, обоснованным использованием классических методов физической химии, математической физики, математической статистики и современных достижений вычис-пительной техники;

достаточным объемом лабораторных исследований проб отвальной массы, удовлетворительной сходимостью расчетных значений с результатами эксперимента по определению аэродинамических характеристик породо-угольной массы;

удовлетворительной сходимостью результатов прогноза загрязнения атмосферного воздуха промплощадок шахт с фактическими данными ( отклонения не превышают 20% ) и значительным объемом фактических данных пыле- и газовыделений от поверхностных комплексов и горящих' породных отвалов, обработанных в процессе вычислительных экспериментов ( проанализированы данные по шахтам четырех бассейнов России и Украины ).

Практическое значение работы. Усовершенствованная методика прожоза пылегазовыделений позьоляет удовлетворительно и с минимальной трудоемкостью прогнозировать уровень загрязнения атмосферного воздуха поверхностными комплексами и породными отвалами. Полученные расчетные зависимости для определения коэффициента проницаемости и масштаба макрошероховатости отвальной массы обеспечивают требуемый уровень достоверности получаемых результатов. .

Предложенные способы определения параметров процессов пыле-газовыделения обладают умеренной трудоемкостью и обеспечивают требуемый уровень достоверности прогнозной информации.

Реализация работы. Основные научные и практические реульта-ты диссертационной работы использованы в центре по экологии и безопасности жизнедеятельности при администрации Тульской "области. Усовершенствованная методика газовыделений использована ВНИИО-Суголь при разработке методических указаний по определению количества отходящих вредных веществ^ выделяемых горящими гюродными отвалами, а также в Тульском государственном университете при выполнении госбютжетных и хоздоговорных НИР.

Апробация работы. Научные положения и практические рекомендации диссертационной работы в целом и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды ТулГУ.( г. Тула, 1980-1996 гг.); на региональных научно-технических конференциях "Совершенствование технологии, механизации и автоматизации горных работ" ( г. Тула, 19801982 гг.); на научных семинарах института ВНИИОСуголь ( г. Пермь, '1985-1986 гг.); на 1 международной конференции "Проблемы создалия экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полез-

ных ископаемых и переработки отходов горного производства^ г Тула, 1996 г.); на 2 международной конференции по экологическому образованию "Между школой и университетом" (г. Тула, 1996 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 9 статей.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-глав, заключения и содержит 219 страниц машинописного текста, в том числе 30 рисунков, 44 таблицы, список литературы из 127 наименований и приложение.

Автор выражает благодарность профессору Э.М.Соколову за предложенную идеологию работы и научно-методическую помощь и поддержку, сотрудникам кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды, а также сотрудникам кафедры теплогазоснабжения г вентиляции ТулГу, обеспечившим все необходимые условия для выполнения диссертационной работы.

' ОСНОВНОЙ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Решению сложной проблемы по определению загрязнения атмосферного воздуха пром'площадок шахг поверхностными технологическими комплексами и горящим;! породными отвалами, теоретическим и экспериментальными исследованиям пылегазовыделений, причин самовозгорания и горения породных отвалов посвящен целый ряд работ ученых а области горного дела: А.А.Скочинского, Л.Н.Быкова, A.C.' Бурчакова, А.Т.Айруни, А.Л.Айруни, И. И. Медведев а. А.Д.Климансва, Э.М.Соколова, М.В.Суллы, Ё.И.Захарова, Н.М.Каиурина, А.Ф.Симанкина, В.И.Саранчука, З.К.Расхидхина, В.С.Еэсеяовского и др.

Результаты их исследований показывают, что, во-первых, пылега-зойыделения от технологических комплексов и породных отвалов являо-го воздуха на предприятиях угольной промышленности, во-вторых, эти показатели должны отражало специфические особенности рассматриваемого угольного бассейна. Газовая ситуация на промплощадках шахт-обусловлена двумя взаимосвязанными и одновременно протекающими процессами - это горение породных отвалов и газовыделение из них.

Анализ научных г. пракжческих результатов по теме исследований, цель и идея работы обусловили необходимость постановки и решения следующих задан; л -

1.Исследовать характер пылзвыделекнй при различных технологических операциях на поверхностных комплексах шахт и изучить влияние физико-механичзских свойств угля на интенсивность пылевыделений.

2.0пред?лить факторы к изучить влияния горнотехнических и гор-кагеологичоския условий на интенсивность газовыделений из горящих породных отвалов

3.Изучить фильтрационные свойства отвальной массы и разработать математическую модель фильтрации воздуха в породном отвале.

4.Исследовать температурный режим породных отвалов и определить качественные и количественные характеристики вредностей поступающих в атмосферный воздух промплощадок шахт.

5.Разработать математическую модель газовыделений из горящих породных отвалов, учитывающую зависимость удельных газовыделений от температурного режима горения и диффузионных параметров среды.

6.Разработать усовершенствованную методику прогноза пылевы-делений от технологических комплексов шахт.

7.Разработать усовершенствованную методику прогноза гвзовыде-ль'ний из горящих породных отвалов.

Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха пылью на угольных шахтах являются вентиляционные стволы, технологические комплексы и породные отвалы. На интенсивность пылееыдо-ланий от этих источников влияют следующие .факторы: направление и скорость ватра, физико-механические свойства угля и технологические воздействия при переработке угольной массы. Количественная оценка связи пылевыделений с природными и технологическими факторами проведена методом корреляционного анализа. Анализировались результаты наблюдений на шахтах Подмосковного, Кузноцкого и Донецкого бассейнов.Результативным признаком являлось удельное пылеаыделе-ние при различных технологичосхих операциях - Е, г/т, а в качестве фак-ториальных признаков пылевыделений рассматривались: скорость ветра- V, м/с; относительная влажность- \Л/Р, % ; коэффициент механической прочности-1

Результаты регрессионного анализа свидетельствуют о том, что удельная величина пылевыделений от конвейерных галерей, при погрузке угля о ж. д. вагоны и из скиповых стволов пропорциональна влажности, угля и коэффициенту мэхаиичоской прочности, а при погрузке угля на склгд - влажности и скорости ветра. Аппроксимирующие функции удельных пылевыделений (Е) имеют вид:

при погрузка угля в ж.д. вагоны и от конвейерных галерей для шахт Подмосковного, Кузнецкого и Донецкого бассейнов

Е = а + Ы + с\лл, . (1)

при подаче угля ни с.:лад для шах! Подмосковного и Кузнецкого бассейнов

Е = Ь'Л* + сУ,

\

из подземных выработок и при разгрузке скипов

Е " -1,0281 Yf + 3-4, 3599 f,

(3)

E=-0,17i>!> W° +3,5135 f, (4)

гдз f - хсэффхцнзнт механической.прочности угля; Wp - относительна влажность угля, %; V - скорость вчтрз, м/с ; з,Ь,с - эмпирические коэффициенты.

Сравнение рзсч-зтных пылстыдэлечий с результат?.™ прямых измерений есидячс-пьстеуют сб удовлетворительной сходимости { о пелен «о нно нэ превышает 20 %; пример сравнения для погрузки угли п ж д. г-?го-кы приведен на рис.1).

Газовыделениа из породных отвалов я-зляется резульглтом окисления горючих кемпонет и з, накопления тзпла в прсцвссо низкотемпературного окисления, рдзегреза определенней части отспла и оогпрп нил. Зследстзнэ неравномернос-ч поступл^жя матяризло, ого »юодно-роднссти по ::ачегпзенн(.!гл лэректеристикам, различной степени фильтрации воздуха и других причин, горение происходит неравномерно по площади отвала, что приводит к изменению качрстзвнных и кпк«"з-стзенмь'х хЬрзхгорисжк вь:5росоз вредных .веществ ч необходимоет". г.иесекг.л корректив о oiiat'if/ влиянии отвалов на окру>чающу"> сролу. t's-•!гстсо1!Н1-м анализ гьтшляющкхся газоз лока-юл, «тс нг»д очг.гап« ошз-лоз шахт Подмососиого, Почорс.жго и ЧоляСинского бассейнов, прнеут-стчуюглиоксид углероде, оксид углерода, диоксид серы и сероводород.

Шзхчныи иаолюдвиия за гаговыделониями из юрпошх породны", огяолоз почззали, что зют процосс является случайным, однчко, кс;: цгнтрация гггов (Ca,i, r/r.r) и удплькыэ ггзовыдеяения (1УД, г/с м2) хорошо ::сррзлируются с температурой пород поверхности отвала и описызаютсп' аналогичными эмпирическим!-; закономерностям!), которые имеют вид: оксяд углзрода

C„".tb; = (5)

диоксид углерода и сероводород '

С о 1 = з + ЬМ с',г; lw = a + bt+'ct'; (6;

диоксид серы

C0,i='a + bt; !уд = а + Ы; (?)

Резулыапи статистической обработки данных но удельным пылелыделениям при погрузке угля в ж.д. вагоны

Ь,

г/1 ял

7.2 6.2 5.2 4.2

О

Г/"

.0 1

N

а)

о

3

12

N

.0) ■ ■ . Рис. 2.3

а) Подмосковный бассейн; б) Кузнецкнп бассейн. -- результаты расиста; и - данные измерений; Ы- номер измерении.

6

9

Отличие составляют удельные газовыделения двуокиси серы для интервала температур от 100 до 260 оС,'которые описываются зависимостью: ' . •

С о,1 = ехр(а + bt); |>д = ехр(а + bt), (8)

где t - температура пород поверхности отвала на глубине 0,1 м, °С; а,Ь,с -эмпирические коэффициенты.

Анализ уравнений (5...3) позволил сделать вывод о том, что имеются характерные температуры пород поверхности очага горения, при которых происходят изменения з количественном и качественном составе выделяющихся газов, Tai: при температуре 600 °С наблюдается максимальное выделение диоксида угперода, а в интервале температур ог 350 до 400 °С выделяется максимальное количество сероводорода. Сравнение результатов расчетов по зависимостям (5...8) с данными- на турных наблюдений погазеваот вполне достаточную для практических цопай точность (пример для о<сида углерода приведен на рис 2).

На интенсивность газозыделений оказывают влияние процессы езмозозгоранип и горения породных отвалов, которые, в стою очепедь, зависят от ряд? гернегголе« плоских и горнотехнических факторов, таких как аэрация огзяла за счет ветра-, гранулометрический "состав, епзж-иЬсть, зольность и т.д. Од'.'им из оснсвИых факторов, способствующих сймоко^горанию и гергнию породных -ствчлсв, является поступление поздуха к очагам за счет динамического напора ветра, так "как для развития очага самовозгорания необходимо непрерывное поступление кислорода, и этот процесс на мсайт идти за счет одной молекулярной диффузии При сбг;-жании отвала потоком воздуха на его поверхности возникают области повышенного и пониженного давления, что служит непосредственной причиной появления внутри отвала фильтрационных воздушных потоков. На ргнних стэдиях-самовозгорания, когда температура пород невысока и тепловая конвекция в связи с этим отсутствует или.недостаточна, ветер может virpaib основную роль в газообмене отвала.

Процесс самовозгорания на различных участках отвала будет протекать неравномерно и с разной ингенсивчостью. Начавшийся пожар на каком-либо участке может быть подавлен добавлении свежей порции инертного материала, или, наоборот, развиться а результате поступления горючей массы. Результаты исследований распределения породной массы по поверхности отвала показали, что с увеличением высоты отвала зольность и размер фракций, слагающих отвальную массу уменьшаются, а весовая влажность увеличивается. Следовательно, пористость, воздухопроницаемость и коэффициент теплопередачи породных отзалез уменьшаются по мере приближения к вершимо отвала, а влажность и активная поверхность окисления увеличиваются, что приводит к

Зависимость удельных выделений« СО ог температуры

Рис. 2

¡-Подмосковный бассейн; З-Челябинский бассейн.

—- результаты расчета;

2-Псчорский бассейн; е - данные измерений.

самовозгоранию и горению отвалов. Поступление новых масс породы приводит к изменению физико-механических свойств отвальной массы, а это отражается не только на изменении процесса горения, но и процессов окисления и восстановления, в результате" чего изменится газовыделение, а также качественное и количественное соотношение между газовыми составпяющими. Следовательно, процесс самовозгорания и, как следствие'его, газозыделения, характерен только для данного огна-ла.

Под действием динамического напора воздуха возникает фильтрационное движение в породо-угольной массе отвала. Интенсивность фильтрационного потока зависит от структуры пористой среды и величины скоростного напора ветра, являющегося движущей силой фильтрации. О зависимости от проницаемости, пористости материалов, находящихся з отвале, и возникающих перепадов давления, режим движения еоздуха может быть, ламинарным, комбинированным и турбулентным. Определение характеристик пористой среды осуществлялось .в ходе экспериментальных исследований путем продувки воздуха через отдельные фракции и смесь компонентов отвальной массы. Результаты экспериментальных исследований.аэродинамических характеристик отдельных фракций породо-угольной массы свидетельствуют о том, что они существенно различаются п зазисимости от среднего диаметра фракции и ее влажности. Регрессионные зависимости линейного (а) и квадратичного (Ь) азродинами некого сопротивления имеют вид:

b = [ 0,4 0,37 / (dCp- 2)0,í'5 ] х Ю8, при dcp > 3 мм (9)

b = 1,34 х 10a, при dcp < 3 мм (10)

Как показали расчеты, влияние влажности на хоэффициент b незначительно - но превышает погрешность аппроксимации эмпирической кривей. Зависимость коэффициента а от влажности и среднего диаметра фракции, характеризуется следующим эмпирическим уравнением:

а = (1,236 W- 4,63 In dCp + 6,824 )х 10 , (11)

где W - относительная влажность, %; dcp- средний диаметр фракции, мм.

По полученным значениям коэффициентов а и b рассчитывался ко-зффк^зкт грсница-эмости к и масштаб макрошероховатости I отдельных фракций qtbsí ьной массы. Результаты расчета удовлетворительно совпадают с данными лабораторного эксперимента (отклонение составляет 20%). .

работана методика определения этих параметров с учетом характеристик к и I отдельных фракций, в результате получены следующие теоретические зависимости:

V V

„а . |„ из»

где V - сбъем отвальной массы; V,, - объем отдельной фракции; кп, !„ - ко-кффициант проницаемости й масштаб макрошсроховатости отдельной фракции, соответственно.

Расчетные величины характеристик к и !• совпадают с данными опыты, отклонение составляет около 20%.

Знание фильтрационных параметров гюродо-угольной массы отвала позволяет решить задачу прогнозирования появления очага самовозгорания в отвала. При этом, вероятность самовозгорания отвальной массы й значительной мере определяется массопереносом кислорода соз-духа и отеала, вызванным динамическим напором ветра, Поэтому мода-ллрозаниз фильтрации воздуха в слое породо-угольной мэссы осу-щосгглялось с помощью следующего уравнения:

д2Р д7Р ,, ....

г——та—у---0, 14) .

дх.' (У2

где Р .- да&поние Еолдуха в порах или пустотах отвала; Х;У - пространственные координаты, причем ось'Х совпадает с направлением ветра; а=

Избыточное давление воздуха на поверхности откоса отвала с достаточной степенью точности мо;кно считать величиной постоянной и разной динамическому напору ветра. Даелвние воздуха на горизонтальной поверхности является величиной перйменной. Воздухопроницае-гиость отзальной массы на несколько перядкои больше, чгм почвы, поэтому:

P(X,Y) = угф(Х) - 0.81ф(0)^Г(-1)"(2п -0,363)(2n + I) ' x

г=.П t

x exp j- Xjo,5ir(2n + I) ]ni }cos Y[o,5Tt(2n f I) ]. (1С) Скорость фильтрации определяется по формула |»,| = - ~{а1У'ч1.'(Х)+ 0,31<?(0)Р;(Х,У)]г + {17)

+ [2У ф (X ) + 0,0 1ф (0)Fy'(X, У )]: }"5, • г AS F; = -(0,5^)°' ¿(-f)r'(2n -0,353) (2n f 1)'" i

rwO

X exp j-X [0,5 14 + 1)]" I cos У0,5(2п + 1); - • !r; = (0,55 ¿ (-1)" (2л - 0,)03) (2n + 1)"" X

X эхр|-Х [o,5(2n -<- 1)]° S | sin У [o,S(2n -!-1)]".

Результат вычислительного эксперимента, проз-зденного с использованием зависимости (17.) показал, что наибольшая интенсивность фплырпцип имеот моете п верхней части отвала, с удалением вглубь отпапа скорость фильтрации убывает. Зто позволяет сделать сладу« 1Цпо сысоды о позможном влиянии ветра на развитие процесса самовозгорания и горения отвала. В начальный период самовозгорания интенсивная аэрация области, прим!-;кнюшей к наеетренному склону, способствует «ыпо'су тепла, образующегося при окислении и этим препятствует росту температуры. С удалением вглубь отвала скорость фильтрации убывает, и из некоторой глубине могут возникать благоприятные условия для самовозгорания. Дальнейшее развитие очага требует где^з болей иозрастающего количества кислорода; поэтому очаг будет продвигаться по направленно к поверхности склона. Действие ветра на расположенные близко' к позорхности назетренного склона очаги усиливает интенсивность горения, а следовательно, и газйзыделения из отвала.

Полученную расчетную зависимость полл скоростей фильтрации можно испояьзооать длл определения вероятной площади очагоз само-созгг.ранил, как площадь ограниченную изолиниями с критическим вкаченном скорости, определяемым по известным формулам для расчета пожароопасной скорости фильтрации.

Решение задачи прогнозирования выбросов вредных газов от от-' палов требует также опряделония удэльных газовыделений с их поверхности. Количество газоо, з'ыделяющихся из породных отвалов^зависит. Гйглпым образом, от температуры пород поверхности и размероа очагс-з гот горения.

Процесс, газопереноса из горящего породного отвала четко разделяется f-ja две стадия - газопереыос в настилающейся воздушной струе » (аэоперенос к поверхности отвала из очагв горения.

Перенос в воздушной струе происходит при постоянной концентрации газов в горизонтальном направлении, перпендикулярном но.праслс-нию ветра. Для действующего 'очага горения можно считать процесс установившимся, что следует из результатов натурных наблюдений, то есть ,'С/сП= 0.

Если поедположигь, что концентрация газа по высоте настилающейся струи постоянна (PCId t=0), а направление осп Ох совпадает с направлением Eeipa (8„=U,), то поле концентраций описывается уравнением

0С Dm дгС йх ~ U dz2

С граничным!! УСЛОВИЯМ!',

CU0=C0; C|Z._0=C„; lim С * С

I у-г со

Решением данной краевой задачи является выражение для концентрации юза в настилающейся воздушной струе

С(х,7.) ---- С„ + (Cn ~С„)erfc[(T,5• Z(U/ Dra-xf) ' (1P)

/

Следовательно, поток газовыделения с поверхности отвала будет иметь вид ч-

]Zno.= -(C„-C0)-(U-Dm/ л-х)0'5 ' ■

Рассмотрим дапзй'суммарноа газовыделение от очага шзгоран:!л, при этом условно принимаем, что газоотдающая Поверхность имеет форму квадрата со стороной I. Тогда суммарный поток газа с поверхности очага горения равен

1-о.= Jjjz„0B(x,y)dxdy = 1,128(С„ - Co)(UDm)0'sl1'5."

(10)

»

При этом значение эквивалентного размера "квадратного" очага горения определяется из условия равенства площади "квадрата" и фактической площади очага Э»:

I2 = в».

Следовательно,

. 11,„1=],12«ГС„-С0)(иО„1)'°5иф75.

Средний удельный поток газовыделения с поверхности очага при этом будет равен

0) ~ Зф11106 = 1.128(С, - Са)(1Ют)"5 Б; 25

Перенос к поверхности очага горения породоутольнои массы Происходит при постоянной концентрации в направлениях, параллепьиых по-гархности отвала и учитывал малые скорости конвективного газопнрено са внутри отвала, приходим к уравнению одномерного диффузионного переноса, которое при установившемся процессе горения (,'С= я -сопз!) принимай- вид

Л ; Г

, ~„ Ч (20)

ч;

где Оэ - коэффициент эквивалентной диффузии, учитывающий как диффузионный, так и конвективный перенос.

Па поверхности отвала выполняется граничное условие баланса

потоков газовыделения в воздушную среду из отвальной массы:

. . -,„ ^ • ^ -

. Кроме того, на глубине 0,1 м выполняется граничное условие

- = СОНМ ,22)

• Решение данного уравнения на поверхности отвала имеет вид

'с„ = с0., + 0,005 -А-+ 0,1^-.

Тогда удельный поток газа с поверхности очага горения будет

равен

уа 5ф оз5ф0'25 -0,1128(и0т)°'5 <23>

где Со 1- концентрация газа на глубине 0,1 м по эмпирической зависимости,

Из выражения (23) получена зависимость для определения эквивалентного коэффициента диффузии: .

■ = __0 ,1 1 2 8 (Ц Р „, )0,6 !уД_

3 - 1,126<иОт)°'6(Сал-С,;) '

* где Со ,- измеренные значения концентрации газе на глубине 0,1 м, г/м3; - фактическое ( измеренное ) значение удельного потока газовыделения, г/с м2.

Для удобства практического использования формулы (24) по полу-' ченным на основе экспериментальных данных значениям эквивалентного коэффициента диффузии были построены регрессионные зависимости Оэ от температуры очага горения.

С целью практической реализации прогноза удельных газевыделе-ний с поверхности горящего отвала, разработан комплекс программных средств для ЭВМ, на база которых был прозедон вычислительный экс-лвримзнг длг. проверки адекватности предлагаемой модели.

Сравнение результатез реечета удельных гаэозыдсяиний с данными натурных наблюдений, пэкеэало достаточную для практических целей точности прогнозных оценок ( относитольная погрешность иа преаышаяа 25 %) . .

Таким образом, е результате матаиатического. моделирования установлена зависимость, позволяющая рассчитать млсеые йыбросы вредностей из горящих породных отвалоз.

.Срзьмен^о прогнозных Б&лоеых кыбросоа вредностей с данными многолетних натурных наблюдений, выполненных научными коллективами кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды ТулГУ, ■ также свидетельствуют .об адекватности разработанной математической

модели (отклонение расчетных |азовыделений от фактических не превышает 20%).

Выполненные исследования по определению загрязнения атмосферного воздуха промплощадок шахт, были использованы при разработке усовершенствованной методики пыле- и газовыделений от технологических комплексов и горящих породных отвалов. В полном объеме* методикой предусматривается: расчет пылевыделений при различных технологических операциях на поверхностных комплексах шахт; расчет средних значений валовых выбросов вредных газов из горящих породных отвалов. Отклонение расчетных значений от фактических изменялось от 0,5 % до 20 % , что свидетельствует об удовлетворительном уровне адекватности разработанной методики прогноза пыле- и.гчзовы-делений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

■Таким образом, з диссертационной работе на основе экспериментальных и -теоретических исследований установлены новые и уточнены существующие закономерности выделения пыли и газов технологическими комплексами и породными отвалами угольных шахт, позволившие повысить достоверность прогноза загрязнения атмосферного воздуха в пределах промплощадок шахт и на этой основе усовершенствовать методику прогноза пыло-газовыделский п атмосферный воздух, повысив достоверность прогноза за счет адекватных математических моделей, ориентированных на использование существующей базы данных.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

1. Определены факторы, вгшяющие на величину удельных пылевыделений при различных технологических операциях, основными из которых являются механическая прочность добываемых углей, их влажность и скорость ветра.

2. Получены эмпирические закономерности удельных величин пылевыделений от конвейерных галерей, из подземных выработок, при разгрузке скипоз, погрузке угля на склад и в железнодорожные вагоны от механической прочности, влажности угля и скорости ветра в виде уравнений линейной множественной регрессии для ряда угольных бассейнов. Значения коэффициентов корреляции при этом .составили от 0,84 до 0,99. Относительные погрешности расчетов по предлагаемым зависимостям находились в пределах 20 %.

3. Установлено', что для шахт Подмосковного бассейна основным источником выделения СОг пвляются скиповые стволы шахт, допя которых достигает 00% от общего объема выбросов этого газа, а основными источниками СО, НгБ и БОг являются очаги горения породных отвалов

4.Усгановлено, что на интенсианость и расположение очагов самовозгорания оказывают влияние не только зольность и влажность массива, но и процессы фильтрации, а также структура отвальной массы в приповерхностном слоо, определяющая условия поступления кислорода,

к окисляющимся компонентам и рассеивания образующегося тепла. _ Благоприятные условия для возгорания а средней части отвала, тек как с увеличением высоты отвала зольность и размер фракций отвальной массы уменьшаются, и,-как следствие, уменьшается ьоздухопроницаэ- ' мость отвала, а влажность и активная поверхность окисления увеличиваются. -

5.Разработана усовершенствованная методика расчета коэффициента проницаемости и масштаба'макрошероховатости отвальной массы, в основу которой положены эмпирические зависимости аэродинамических коэффициентов отвальной массы, отличающиеся тем, что линейное и 'квадратичное аэродинамические сопротивления определяется иг. основе ее фракционного состава с учетом влажности и среднего размера куска лородо-угольиой массы отвала.

6.Разработана-математическая модель фильтрации воздуха в слоо' породо-угольной массы, отличающаяся тем, что скорость фильтрации определяется в зависимости от величины скорости ветра и коэффициента проницаемости породной ь-гесы отвала. Получаемое в результате решения уравнений модели пог-? скоростей фильтрации позволяет прогнозировать возможность самовозгорания отвальной массы и оцонизать площадь очагов горения.

7. Получены эмпирические зависимости удельных грзоаыделений и концентраций выделяющихся газов-от температуры очагов горения в б;;- . де уравнений регрессии первой и второй степени. Рассчитаны значения коэффициентов этнх'зависимостей для ряда угольных бассейнов, значения коэффициентов корреляции при этом находились с пределах 0,94 -0,99.

8.Разработана модель массопоренос'а газов, выделяющихся из очага горения, учитывающая две стадии • процесса - коньа.ггисно. диффузионный перенос газов в настилающейся воздушной струе и эквивалентный диффузионный перенос газов из очага горения к поверхности отвала, при этом массоперенос внутри отвальной массы описывается с учетом разности концентраций на глубине 0,1 ми на поверхности отвала, диффузионных параметров среды и фактической площади зоны горения.

9.Получены эмпирические зависимости эквивалентного коэффициента диффузии в отвальной массе для выделяющихся газов от температуры очага Горения, позволяющие учитывать температурный режим при решении уравнений модели массопереноса.

10. Разработана усовершенствованная методика расчета количества выделяющихся газов из горящих породных отвалов, для шахт Подмосковного, Печорского и Челябинского бассейнов, отличающаяся •

тем что газовыделенпя определяются с учетом зависимости удельных газовыделений от температурного режима и диффузионных свойств по-родо-угольной массы отвала, а также тем, чю оиредепяюн-я максимальные разовые'выбросы для расчета предельно допусшмых выпросив.

11. Разработана усовершенствованная методика расчета пылевы-дел'ений от технологических комплексов угопьных шахт, учитывающая влияние коэффициента механической прочности, виажности добываемого угля и величины скорости ветра, а также тем, что определяются максимальные разовые выбросы для расчета предельно допустимых выбросов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Рожков В.Ф. К оценке выбросов вредностей в атмосферу от породных отвалов/УСовершенствование технологии, механизации и нмто матизации горных работ: Сб.ст./Тула, 1980,- С. 78-79.

2. Рожков В.Ф. Режим фильтрации воздуха в породных огна-лах//Совершенствование технологии, механизации и автоматизации горных работ: Сб.ст./Тула, 1081,- С. 83-89.

3. Рожков В.Ф., Дыба Н.В Физико-механические свойства отвальной массы на шахтах Подмосковного бассейна// Совершенствование технологии, механизации и автоматизации горных работ: Сб.с г./Тула, 1982,-С. 82-83.

4. Качурин Н.М , Симанкин А.Ф.^ Рожков В.Ф. Фильтрация воздуха в плоских породных отвалах//"Изв. вузов, Горный журнал", N 12, !0í:->,- С. 61-63.

5. Климанов А.Д., Симанкин АФ., Рожков В.Ф. Загрязнение атмосферного воздуха продуктами горения отвалов// "Изв. вузов, Горный журнал", N 4, 1986,- С. 42-44. •

6. Рожков В.Ф. Влияние температурного режима горящих породных отвалов на газовыделение из них/ТулПИ,- Тула, 1987, 5 с. Деп. в ЦНИ-ЭИуголь 19.11 87, N 4331-уп87,-

7. Рыжикова Н.Г., Степанов B.W., Бакунин Е.И., Рожков В Ф. Агре-гатно-закладочный комплекс-эффективное средство защиты окружающей среды//Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих,технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов торного производства: Сб.ст./Тула, 1998,- С. 116-117.

8. Заводчиков Л.В., Качурин Н.М., Рожков В.Ф. Желтиков Р.Г. Прогноз валовых выбросов поверхностными технолог ическими компгГексами шахт// Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов торного производства: Сб.сг/Тула, 1996,-С. 105-108.

б. Соколов Э.М., Качурин Н.М., Рожков В.Ф., Желтиков Р.Г. Прогнозные модели загрязнения атмосферы поверхностными комплексами шахт как практическая основа для разработки задач по экологии//Между школой и университетом: Сб.ст./Тула, 1996,- С. 367-370.

(юдниоскно в печать //.л. У/г. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага типо-фафскан N 2. Офсетная печать. Усл. леч. л./.¿Усл. кр.-отт..^Уч.-изд. и.(,.!. Тираж экз 100 Заказ.2 Тульский государственный университет. ЗООиИО Тупа, просп. Ленина,92. Подразделение оперативной полиграфии Тульскою юсударстеенного университета.300600, Тула,ул. Болдина, 151.