Инженерная защита окружающей среды при разработке недр. Учебное пособие

2. ВЛИЯНИЕ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ВОЗДУШНЫЙ БАССЕЙН

2.1 Источники загрязнения

Атмосфера играет важную роль во всех природных процессах, она не только определяет климат данной местности и планеты, но и защищает ее от вредных космических излучений. Современный характер газооборота сформировался около 50 млн лет назад. На 78 % атмосфера состоит из азота, на 20,9 % – из кислорода, на 0,93 % – из аргона, на 0,03 % — из углекислого газа. На долю остальных газов (неон, гелий, метан, ксенон, радон и др.) приходится примерно 0,06 %.

Масса газовой оболочки планеты оценивается в 5,9х1015т, при этом доля ежегодных загрязнений, например углекислым газом, ниже 0,0003 %, для остальных загрязнителей эта цифра во много раз меньше. Однако делать вывод о неисчерпаемости ресурсов воздушного бассейна на основании этих данных ни в коем случае нельзя. Основной причиной этого являются темпы прироста населения Земли, которое по ряду оценок удваивается каждые 32 года, и интенсивное развитие промышленности и транспорта. Так, в глобальном масштабе постоянно растет поступление углекислого газа в атмосферу из-за интенсивного сжигания ископаемого топлива. За последние 100 лет его концентрация в атмосфере возросла с 0,029 до

0,032 %, т.е. более чем на 10 %.

Под атмосферным загрязнением понимается поступление в воздух газов, паров, твердых и жидких веществ, которые неблагоприятно влияют на живые организмы и растительность, ухудшают климат Земли или наносят материальный ущерб (т.е. выводят природные системы из состояния равновесия). И хотя в атмосферу попадают сотни различных веществ, значимым для загрязнения оказывается весьма ограниченное их число. В первую очередь это газы: оксиды азота, углерода, аммиак, газообразные фреоны, а также вещества, которые могут находиться в аэрозольной и паровой фазах, например углеводороды, ртуть.

Необходимо отметить, что загрязнение атмосферы происходит крайне неравномерно и связано с расположением основных центров добычи и потребления энергоносителей, на долю которых в Северном полушарии приходится около 70 % добычи и почти 90 % потребления мирового объема, составляющего более 11000 млн т условного топлива.

Но и в Северном полушарии выделяются промышленные районы, уровень загрязнения атмосферы которых может быть в тысячи и более

21

раз выше средних глобальных значений. Если в среднем в атмосферу поступает около 150 млн т диоксида серы в год, что составляет около 70 кг на 1 км2 поверхности планеты, в таких индустриальных районах, как Рурский или Донецкий, поступление диоксида серы достигает 100 т на 1 км2, что превышает среднее значение в 1400 раз.

По территориальному признаку выделяют следующие виды загрязнений: локальные, региональные, глобальные. Первые связаны главным образом с городами и крупными промышленными районами. Последние распространяются на огромные территории и влияют на биосферу всей планеты. Глобальное и региональное загрязнения среды практически полностью обусловлены дальним атмосферным переносом и последующим поступлением загрязняющих веществ в другие среды: почвы, воду, биоту. Определяющим фактором является время жизни вещества или продуктов его преобразований в природных средах, токсичностью, способностью вызывать в этих средах отрицательные эффекты.

Скорость распространения воздушных масс при дальнем переносе обычно составляет от нескольких сотен до тысячи километров в сутки. Поэтому на большие расстояния могут распространяться вещества с временем жизни в атмосфере более 0,5 суток. Заметное накопление вещества при поступлении из атмосферы в воды и почвы происходит, если его время жизни в этих средах не менее года.

Отрицательные эффекты от загрязнения могут проявиться лишь при достаточно больших объемах выбросов, при которых накапливаются значительные количества и достигаются относительно высокие концентрации. Для большинства веществ такое накопление происходит при выбросе не менее десятков и сотен миллионов тонн в год.

По времени жизни в атмосфере могут быть выделены две группы веществ:

•со временем жизни около года и более. Концентрация таких веществ в атмосфере мало зависит от распределения источниковвыбросов по земному шару;

•со временем жизни порядка 10 суток и менее. Концентрация этих веществ в атмосфере тесно связана с пространственным распределением источников выбросов и различается для промышленных и фоновых районов на несколько порядков. Различают также загрязняющие вещества естественного и искусственного (антропогенного) происхождения. Среди первых особое место занимает природная пыль, играющая роль ядер конденсации водяных

22

паров. Искусственное загрязнение атмосферы, связанное с деятельностью человека, на 90 % состоит из вредных газов и на 10 % из аэрозолей.

Горное производство вызывает два вида загрязнения атмосферного воздуха:

-запыленность;

-загазованность.

Количество выбросов, их объем и вещественный состав определяются источниками загрязнения.

В табл. 4 приведены данные о видах и источниках загрязнения при открытом и подземном способах разработки.

Источники выбросов вредных веществ в атмосферу подразделяют на организованные и неорганизованные, стационарные и передвижные.

Организованныепромышленные выбросы в атмосферу обусловлены деятельностью промышленных и коммунально-бытовых котельных; сушильных установок обогатительных, агломерационных и брикетных фабрик; систем аспирации обогатительных и брикетных фабрик, углесортировок и зданий промышленного комплекса.

Основными источниками неорганизованныхпромышленных выбросов в атмосферу являются открытые склады полезных ископаемых и продуктов обогащения; горящие породные отвалы;

23

хвостохранилища обогатительных фабрик; технологическое и транспортное оборудование; взрывные работы на разрезах и карьерах.

К стационарнымисточникам загрязнения окружающей среды относят промышленные и коммунально-бытовые котельные, сушильные установки и аспирационные системы, горящие породные отвалы, вентиляторы главного проветривания.

Передвижныеисточники загрязнения – автотранспорт, экскаваторы, бульдозеры, работающие на бензине или дизельном топливе.

Среди основных вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу, различают твердые– угольная, рудничная и породная пыль, зола, сажа и газообразные— сернистый ангидрид, сероводород, оксиды азота и углерода, углеводороды.

Общая тенденция изменения показателей по охране атмосферы, например в угольной отрасли, согласно данным МНИИЭКО показывает, что количество образующихся вредных веществе 2000 г. составило 4,94 млн т, в 2005 г. – 5,61 млн т, в том числе твердых соответственно 3,91 и 4,54 млн т, а газообразных – 1,03 млн т и 1,06 млн т соответственно, количество улавливаемых и обезвреживаемых вредных веществ в 2000 г. составило 3,1 млн т, в 2005 г. – 4,13 млн т, из них твердых соответственно 3,09 и 4,12 млн т, т.е. степень улавливания вредных веществ в 1990 г. составила 73,6 %, из них твердых 90,8 %, а газообразных всего 0,6 %.

Наиболее важными характеристиками выбросов являются качественный состав, определяемый видом производства и его технологией, концентрация загрязняющих веществ, мощность – количество вещества, выбрасываемое за единицу времени.

Состав воздуха, поступающего в подземные горные выработки, меняется из-за поступления газов, содержащихся в горном массиве; окислительных процессов; ведения взрывных работ; рудничных пожаров; пылеобразования при разрушении горных пород и полезного ископаемого; взрывов метана и пыли. В результате перечисленных процессов в воздух выделяются вредные ядовитые примеси: углекислый газ, оксид углерода, сероводород, оксиды азота, сернистые газы, метан, водород, тяжелые углеводороды и др. В отдельных рудниках встречаются аммиак, пары мышьяка и ртути, цианистый водород и различные альдегиды.

Эмиссию вредных веществ в атмосферу определяют

естественные и производственные факторы. К первым относятся состав вмещающих горных пород и полезных ископаемых, окислительные процессы, шахтные и карьерные воды, а ко вторым – в

24

основном использование взрывчатых веществ, при ведении горных работ. При разработке угольных месторождений преобладают естественные факторы, а рудных ‒ производственные, в которые существенный вклад вносят выхлопные газы применяемого самоходного оборудования и буровзрывные работы.

В шахтах основная масса углекислого газа (90...95 %) образуется при окислении древесины и угля, разложении горных пород кислыми рудничными водами, выделении углекислого газа из угля и пород. Определяющим фактором является длина горных выработок и объем выработанного пространства. Состав и дебит газа, вьщеляющегося из горного массива, зависит от газовой зональности месторождения, глубины разработки и объема добычи.

К основным источникам загрязнения оксидом углерода относятся рудничные пожары, взрывы угольной пыли и метана, взрывные работы. Особую опасность представляют пожары от самовозгорания углей, так как затруднено их обнаружение.

Сероводород в шахтах выделяется при гниении органических веществ, разложении водой сернистого колчедана и гипса, а также при пожарах и взрывных работах. Сернистый газ выделяется в небольших количествах из пород и угля вместе с другими газами.

Метан – основной газ, выделяющийся из угля и вмещающих пород, в незначительных количествах могут выделяться и тяжелые углеводороды. Если угольные пласты подвергались термометаморфизму (Норильское месторождение), содержание тяжелых углеводородов значительно увеличивается. Большая часть метана в угольных пластах находится в связанном состоянии, в свободном – не более 10... 15 %. При разрушении угля в первую очередь интенсивно выделяется свободный газ, а затем десорбируется связанный. Различают обыкновенное, суфлярное и внезапное выделение метана.

Основным источником загрязнения атмосферы пылью при подземной разработке является поверхностный комплекс шахт и рудников. Наибольшее пылевыделение приходится на процессы, связанные с транспортированием, сортировкой, дроблением, складированием и отгрузкой полезного ископаемого.

Максимальная запыленность наблюдается в местах перегрузки. Так, над поверхностью угольного склада запыленность воздуха достигает 70 мг/м3, а в местах пересыпки колеблется от 125 до 160 мг/м3. При отсутствии мер пылеподавления в местах выгрузки угля из бункера она может достигать нескольких тысяч миллиграмм в одном кубическом метре. На интенсивность пылеобразования значительно

25

влияют фракционный состав, физико-механические свойства, влажность, скорость воздушного потока и ряд других факторов.

При разработке месторождений полезных ископаемых на поверхность извлекается и порода. Технологическая цепочка, обеспечивающая ее выдачу, прием, погрузку, транспортирование и отвалообразование, формирует породный комплекс, «весомо» загрязняющий атмосферу не только пылью, но и газами.

При разработке угольных месторождений выдаваемая на поверхность порода содержит горючие вещества (уголь, углистые сланцы, пирит), доля которых колеблется от 5 до 30 %. В благоприятных термодинамических условиях (доступ кислорода и аккумулирование тепла) процесс окисления горючих компонент переходит в самовозгорание.

При открытой добыче полезных ископаемых по характеру действия источники загрязнения подразделяются на периодические

(взрывные работы) и непрерывно действующие, а по геометрическим

параметрам — точечные, линейные и равномерно распределенные.

Одним из наиболее интенсивных источников загрязнения атмосферы оказываются массовые взрывы на карьерах, в результате которых образуется пылегазовое облако объемом 15,..20 млн м3. В радиусе 2...4 км рассеивается от 200 до 500 т мелкодисперсной пыли, содержащей 93,6...99,6 % частиц размером менее 5 мкм. Значительное количество мелкодисперсной пыли образуется при бурении скважин и при погрузке горной массы.

Буровые станки шарошечного бурения без пылеулавливания выделяют в атмосферу до 2200 мг/с, с водяной промывкой — 3...5 мг/с, пневмоударного с пылеулавливанием — до 30 мг/с, при выемке угля роторным экскаватором — 8000 мг/с, при погрузке экскаватором —

6000 мг/с.

Еще одним источником запыления атмосферы при производстве горных работ являются внутрикарьерные дороги, в районе которых запыленность воздуха в среднем составляет 100 мг/м3. Загрязняют воздух отработанными газами также технологические машины и механизмы: бульдозеры, скреперы, погрузчики, тракторы и пр. Около половины выбрасываемых в атмосферу вредных веществ приходится на промышленные и коммунально-бытовые котельные.

26

2.2 Предельно допустимые концентрации и их нормирование

Выделяют четыре уровня загрязнения воздуха: отсутствие влияния, раздражение, хронические заболевания, острые заболевания.

В России при установлении ПДК принимают самый низкий уровень загрязнения, независимо от характера действия: общетоксичного, раздражающего, канцерогенного и т.п.

Первые ПДК были определены для рабочих зон (ПДКрз) в 1925 г. В дальнейшем были установлены среднесуточные (ПДКСС) и максимальные разовые (ПДКмр) (табл. 5).

Таблица 5

Предельно допустимые концентрации (мг/м3) для основных видов атмосферных загрязнений (Санитарные нормы

проектирования промышленных предприятий СН 245-71)

ПДКрз– концентрация вредного (загрязняющего) вещества в воздухе рабочей зоны, которая не вызывает заболеваний или отклонений здоровья у работающих при ежедневном вдыхании в течение всего рабочего стажа.

27

ПДКсс– концентрация вредного вещества в воздухе, которая не оказывает прямого или косвенного вредного воздействия (токсического, канцерогенного, мутагенного) в условиях неопределенно долгого круглосуточного вдыхания.

ПДКмр– концентрация вредного вещества в воздухе, которая не вызывает рефлекторных реакций в организме человека.

При установлении ПДК руководствуются следующими основными критериями вредности атмосферных загрязнений:

•допустимой может быть признана такая концентрация того или иного вещества в атмосферном воздухе, которая не оказывает на человека прямого или косвенного вредного или неприятного действия, не снижает его работоспособности, не влияет на самочувствие;

•адаптация к вредным веществам должна рассматриваться как неблагоприятный момент и доказательство недопустимости изучаемой концентрации;

•к недопустимым относятся и такие концентрации вредных веществ, которые неблагоприятно влияют на растительность, климат, прозрачность атмосферы и условия жизни.

Поскольку ПДК определяются в опытах с теплокровными, то именно их применение и приемлемо. Основной упор при установлении ПДК делается на исследование влияния данного компонента на организм, а оно может проявиться в виде неблагоприятных сдвигов физиологических и биохимических показателей, в нарушениях работы отдельных органов, изменениях условно-рефлекторной деятельности и т.п.

Токсичность и характер действия изучаемого вредного вещества на организм исследуют его введением либо в легкие вместе с вдыхаемым воздухом, либо в желудок с пищей и без нее, либо в брюшную полость или мышечную ткань, а также нанесением на кожу

ина слизистые оболочки рта, носа, глаз, как правило, животных. Летальные дозы (ЛД) определяют, вводя вредные вещества или их растворы, эмульсии, суспензии в организм животного.

При установлении ПДК вредного вещества в воздухе рабочей зоны наиболее важный и ответственный этап — определение минимально действующей (пороговой) концентрации (ПК) в

длительном (хроническом) эксперименте.

Для утвержденияПДКрз и включения его в санитарное законодательство разрабатывают методику определения данного вредного вещества в воздушной среде, обеспечивающую оценки предельно допустимой концентрации в анализируемом объеме воздуха с достаточной точностью.

28

По степени воздействия на организм человека загрязняющие вещества подразделяются на 4 класса опасности (табл. 6).

Таблица 6

Показатели токсичного действия вредных веществ в зависимости от класса опасности

где сi– физическая концентрация загрязняющего вещества в приземном слое атмосферы (усредненная величина концентрации по замерамв течение 20 мин. на высоте до 2 м от поверхности земли), мг/м3; ПДКi– максимально разовая предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества, мг/м3.

Если значение j ≥1, то опасность загрязнения существует. Значения ПДК для некоторых загрязняющих веществ приведены в табл.1.

При совместном присутствии в атмосфере нескольких веществ, обладающих эффектом суммации (т.е. взаимно усиливающих воздействие на организм человека) опасность загрязнения

где с1, с2, сn– фактические концентрации веществ, мг/м3; ПДК1; ПДК2; ПДКn - максимально разовые предельно допустимые концентрации для этих веществ, мг/м3.

Для специально охраняемых территорий, имеющих особое назначение (больницы, санатории, курорты, дома отдыха, спортивные сооружения, детские учреждения, заповедники) качество атмосферного воздуха оценивается по выражению:

0,8 ПДК

29

Для растительности и биосферы в целом ПДК до сих пор не установлены, так как считалось, что они должны быть равны или же близки к санитарным. В современный период антропоцентрический подход к этому не имеет научного оправдания. Опыт показал, что продуценты более чувствительны к воздействию многих токсичных газов, чем человек, и это объясняется наличием у продуцентов фотосинтетического аппарата, а также способностью их с высокой скоростью поглощать токсичные газы вместе с углекислым газом или вместо него. Для установления ПДК газов для растений используется специальная методика, основанная на определении подавления фотосинтеза. Необходимость установления биосферных ПДК очевидна, так как контроль качества ‒ главная задача глобальной системы мониторинга окружающей среды.

Для загрязнителей атмосферы ПДК следует устанавливать по минимальной пороговой концентрации, еще не вызывающей нарушения организмов, в том числе и продуцентов. В связи с этим необходимо нормировать ПДК не только для человека, но и для растений. ПДК многих газов (сернистого газа, аммиака, оксида азота (IV) NO2, хлора) для растений и для биосферы должны быть ниже санитарных. Лишь ПДК оксида углерода (II) СО и сероводорода оказались для растений выше, чем для человека, поскольку растения могут легко окислять оксид углерода (II) СО до СО2 и связывать фотосинтетическим путем.

Основываясь на критерии качества атмосферного воздуха, можно сделать вывод о том, что в атмосфере возможно содержание определенного количества загрязняющих веществ без проявления воздействия на растительность и живые организмы. Это может обеспечиваться за счет способности атмосферы к рассеиванию и самоочищению, деятельности растений и организмов по переработке этих веществ.

С экологических и социально-экономических позиций наиболее эффективен комплекс профилактических мероприятий, направленных на предупреждение загрязнения атмосферного воздуха пылегазовыми выбросами горного производства.

Охрана атмосферного воздуха от загрязнений вредными выбросами горных предприятий включает следующие направления: установление фактических концентраций выбросов и уровней

30