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

Одним из источников поступления в атмосферу карьера вредных примесей являются массовые взрывы. При их проведении образуется значительное газовое облако, которое распространяется в объеме карьера и за его пределами. Естественно, что его распространение зависит от конкретных метеорологических условий. При определенных условиях проветривание карьера значительно ухудшается и требует гораздо большего времени, чем нормативные сроки. Рассмотрим несколько наиболее характерных случаев.

При проведении массового взрыва в карьере «Железный» ОАО «Ковдорский ГОК» в период инверсионного состояния атмосферы с градиентом 0,8 °С / 100 м через 45 минут после взрыва на гор. +214 м концентрация СО превышала ПДК и составила 31,25 мг/м3, а на гор. +202 м — 12,5 мг/м3. Подобная ситуация складывается и при более слабом инверсионном градиенте 0,4 °С / 100 м, через 45 мин после взрыва на средних горизонтах зарегистрировано превышение ПДК по СО (25 мг/м3). В этих случаях максимальные концентрации регистрировались в местах проведения массовых взрывов. Выше и ниже этих горизонтов уровень загрязнения снижался, но зона его распространения была значительна за счет атмосферной диффузии. Следует отметить, что уровень загрязнения верхних горизонтов в 3—4 раза ниже, чем на горизонтах ниже места проведения взрыва. То есть в результате инверсионного состояния атмосферы карьера зона загрязнения проникала вглубь карьера. Для большей наглядности при исследованиивнутрикарьерной циркуляции были использованы дымовые шашки. За два часа до начала взрывных работ в карьере были проведены градиентные наблюдения. В результате выявлен слой инверсии со значительным градиентом (см. табл. 9.1) в верхней части карьера. В нижней и средней части наблюдались сверхадиабатические процессы. По всей глубине карьера отмечался ветер. Погодные условия определялись малоградиентным барическим полем антициклональной кривизны. Ветер над карьером северного направления. Дымовые шашки зажигались на взрываемых блоках гор. +118, +166 и +190 м. Результаты наблюдений показали наличие типичного дневного случая горно-долинной циркуляции. Вынос из карьера газового облака после массового взрыва происходил в южном направлении (по потоку) в сторону промплощадки и города. За счет значительной турбулентности облака быстро рассеивались в инверсионном слое, не распространяясь выше.

Таблица 9.1

Погодные условия в карьере «Железный» при проведении взрывных работ

й, м

Г, °С

у, °С / 100 м

V, м/с

К, м2

276

-17,4

-5,5

2,1

0,08

214

-20,8

5,3

0,2

190

-20,4

1,33

2,2

0,09

166

-19,8

1,5

0,06

118

-19,6

3,7

0,15

В «Коашвинском» карьере ОАО «Апатит» на блоке гор. + 280 м в 13 ч 20 мин был произведен массовый взрыв заряда весом 150 т при сплошной десятибалльной слоисто-кучевой облачности без атмосферных явлений и осадков. Из Коашвин-ского и Китчепахского цирков потоки воздуха через долинную часть карьера поступали в район озера Порок-Явр. В долине р. Вуоннеймиок преобладали воздушные потоки с запада на восток, причем при выходе из долины они значительно ослаблялись. После взрыва газовое облако сразу же сместилось в долину. Часть его осталась в подынверсионном слое приподнятой инверсии на высоте 100—150 м от дна долины. Визуально продукты взрыва с точек наблюдения прослеживались в течение 30 мин. Концентрации вредных примесей в пунктах отбора проб приведены в табл. 9.2. Результаты наблюдений показали, что, несмотря на наличие приподнятого слоя инверсии, естественное проветривание горных работ было достаточно эффективным.

Таблица 9.2

Концентрации вредных примесей при проведении массового взрыва и метеоусловия на Коашвинском карьере

Высота, м

Время, мск

Концентрация, мг/м3

Темпера-тура, °С

Градиент, °С / 100 м

Скорость ветра, м/с

Коэффициент турбулентности, м2

СО

КЮХ

280

13:30

0,4

0,0

3,4

0,0

0,0

280

13:40

0,0

0,0

3,4

0,7

0,03

280

13:45

0,0

0,0

3,2

0,0

1,3

0,05

310

13:50

0,4

0,025

3,2

1,7

0,07

280 вне карьера

13:55

0,0

0,032

3,0

1,2

0,05

Более детальные исследования, позволившие выявить характер распространения газов в атмосфере карьера после массового взрыва, были проведены в Коашвинском карьере. Взрывные работы проводились в первой половине дня с 9 до 13 часов в феврале 2002 г. Погодные условия района работ определялись передней частью циклона. Наблюдалась малооблачная погода со слабым неустойчивым ветром. Во второй половине дня подошел теплый фронт. В самом карьере тихо, 10 баллов слоистой подынверсионной облачности толщиной 150—200 м на высоте 200—300 м от замкнутого контура, подстилающая поверхность скала, снег, лед грязный серого цвета. От дна карьера до верхней границы облачности падение температуры воздуха с высотой — градиент 0,8 °С / 100 м, толщина слоя около 370 м, к 12 ч он уменьшился до 0,4 °С / 100 м. Выше располагался инверсионный слой с градиентом 1,4 °С / 100 м на 9 утра, впоследствии идет перестройка термического поля, уменьшение интенсивности инверсии до 1 °С / 100 м на 12 часов и менее. К взрыву подготовлено два блока на северо-западном борту гор. +140, +150, + 160 м площадью 10 100 м2, мощностью 126,9 т и на южном борту гор. +140, +150 м площадью 3000 м2, вес заряда 38,8 т. Заложена взрывчатка порэмит, гранулотол, грамонит. Взрыв произведен в 11 ч 9 мин. Данные метеонаблюдений по станциям и точкам отбора газовых проб в карьере представлены в табл. 9.3—9.5 и на рис. 9.1, 9.2. Там же приведены результаты анализов проб карьерного воздуха после проведения массового взрыва и графики их распределения по масштабу и времени. Из приведенного материала наглядно видно, что распространение газов после массового взрыва носит волнообразный характер. Рассмотрим на примере окислов азота. Так, на расстоянии 100 м от взрываемого блока через 25 мин после взрыва концентрация окислов азота незначительно увеличилась, а через 35 мин достигла своего максимума и далее значительно снизилась, однако оставаясь выше, чем до взрыва. На расстоянии 300 м от блока картина та же, только максимум был достигнут через 50 мин после взрыва. Для того чтобы преодолеть 200 м в данных метеорологических условиях в горизонтальной плоскости карьера объему максимальной концентрации окислов азота потребовалось 15 мин. С окислами углерода картина иная. Отмечается равномерная концентрация на всем расстоянии (300 м) от блока через 25 мин после взрыва, затем резкое возрастание до максимума во второй точке через 50 мин после взрыва с последующим снижением и рост концентрации в первой точке. В данном случае при проведении замеров не успели захватить начало волнового движения. Окислы углерода, как более легкие, быстрее распространялись в атмосфере карьера и быстрее рассеивались. Распространение вредных примесей имеет волновой характер. Волна (объем максимальной концентрации) вредных примесей распространяется радиально от источника выброса до тех пор, пока температура волны не сравняется с температурой окружающего воздуха. На волнообразный процесс рассеивания вредных веществ в атмосфере карьера накладывается и процесс диффузии.

Погода по станциям

Таблица 9.3

Станция

Срок 9 ч

Срок 12 ч

ветер, м/с

св>°с

гп>°с

Р, мб

ветер, м/с

Св>°с

^°с

Р, мб

Коашва 210 м

  • 3
  • 2

-22,0

-23,0

967,1

ЮЗ

2

-21,1

-22,0

967,1

Центральный 1090 м

ЮЗ 6—9

-16,7

-18,0

861,7

ЮЮЗ 8-14

-17,0

-17,0

860,9

Таблица 9.4

Метеоданные по точкам

Время

Св, точка 1

Время

ів, точка 2

+ 130

-100

+ 130

-300

9:45

-21,6

-24,7

9:52

-23,0

-25,0

11:35

-21,0

-20,0

11:35

-23,0

-22,5

11:45

-21,0

-21,0

11:45

-23,3

-22,0

12:00

-21,5

-20,0

11:55

-23,0

-22,0

12:10

-21,5

н/д

12:05

-23,0

-22,0

Таблица 9.5

Данные химических анализов

Точка 1 100-300

10:20

11:35

11:45

12:00

12:10

Мск

2,1

1,9

2,3

4,0

4,5

СО, мг/м3

2,48

3,1

6,39

4,46

4,14

МОХ, мг/м3

Точка 2 100-300

10:10

11:35

11:45

11:55

12:05

Мск

2,0

1,9

3,5

7,5

4,2

СО, мг/м3

1,98

2,86

3,52

6,55

4,79

ЫОХ, мг/м3

Легко диффундирующие вещества рассеиваются быстрее, и максимальные концентрации распространяются на меньшее расстояние. Волна более тяжелых веществ за счет меньшей диффузии распространяется на большее расстояние.

После проведения массового взрыва происходят два основных процесса с образовавшимися газообразными продуктами взрыва. Часть газообразных продуктов взрыва (около 50 %) расходится по трещинам в толще горных пород, другие 50 % выбрасываются из скважин подобно выстрелам. В каждом конкретном случае количество и состав газовой смеси зависит от типа применяемого взрывчатого вещества. Выброс газовой струи происходит на значительное расстояние в очень короткое время. Так как атмосфера очень инерционная система, то распределение газового облака в ней после массового взрыва можно разбить на две части. Первая часть — это вылет газовой смеси из шпура, на этом этапе действуют следующие силы: сам взрыв и вылет газовой струи из шпура. Здесь на очень коротком временном отрезке (мс) и незначительном расстоянии (м) резко падает температура газовой струи (до 20 °С), и скорость ее распространения гаснет.

На втором этапе происходит уже взаимодействие газовой струи и окружающей атмосферы. Так как температура струи выше, чем температура окружающего воздуха (зимой разница больше, летом меньше), то за счет сил плавучести газообразные продукты взрыва будут продолжать подниматься в окружающей атмосфере, одновременно рассеиваясь до полного выравнивания их температур. Это при штилевых условиях, при ветре картина усложнится за счет горизонтального переноса и турбулентности, при достижении уровня выравнивания температур газовой смеси и окружающей атмосферы подъем облака прекратится. В дальнейшем будут преобладать процессы атмосферных диффузий, переноса и осаждения примесей. Для примера приведем случай, когда температура атмосферного воздуха -10 °С и наблюдается изотермическое состояние атмосферы. В этом случае высота подъема облака составит около 2800 м. Расчеты проводятся по аэрологической диаграмме (рис. 11.1). В случае неустойчивой стратификации подъем будет еще более значительным. При инверсии, наоборот, уменьшится. Здесь речь идет не о предельно допустимой концентрации в облаке, а о максимальном подъеме его. Расчеты проводятся следующим образом. Определяется атмосферное давление и температура воздуха на блоке, температура воздуха на доступной высоте (в нашем случае плато Ловчорр, брокерка на рудоспуске), строится на аэрологической диаграмме кривая стратификации. Зная температуру газовой струи выброса (20 °С), по сухой адиабате поднимаемся до пересечения с кривой стратификации, т. е. до высоты, где температура поднимающегося облака продуктов взрыва и температура окружающей атмосферы выравниваются, а следовательно, дальнейшего подъема не будет. Эта высота будет верхней границей распространения газообразных продуктов взрыва в атмосфере.

Концентрация СО и N0* в двух точках по расстоянию после МВ

Рис. 9.1. Концентрация СО и N0* в двух точках по расстоянию после МВ

Инверсионное распределение температуры воздуха влияет на многие процессы, протекающие в атмосфере. Наличие инверсионных слоев в тропосфере позволяет самолетам экономить горючее. Инверсионные слои способствуют созданию волноводов для дециметровых и метровых радиоволн, благоприятствуют распространению звука.

Развитие инверсий способствует не только скоплению вредных примесей в карьере, но также влияет на характер распространения ударных воздушных волн (УВВ), возникающих при проведении массовых взрывов. Распространение слабых (с превышением давления на фронте до полуторного значения от атмосферного) УВВ изменяется в зависимости от знака вертикального градиента температуры воздуха. Если при нормальном распределении температуры воздуха волна уходит вверх, то увеличение температуры с высотой ведет к увеличению скорости звука, поэтому температурные изменения в атмосфере на расстоянии 1000—1500 м от поверхности над районом взрыва могут вызвать фокусирование УВВ, что приведет к росту давления в некоторых районах поверхности, результатом которого могут быть непредвиденные последствия (расстекле-ния). Особенно неприятны моменты с инверсиями в пограничном слое и инверсиями, сочетающимися значительными сверхадиабатическими градиентами в верхней части карьера, и инверсией в нижней части также со значительным градиентом. Основным параметром, характеризующим действие УВВ, является избыточное давление на фронте волны, которое определяется по формуле:

где ДР — избыточное давление на фронте УВВ, Па;

О — эквивалентная масса заряда, кг; г — расстояние, м;

Кг — коэффициент, зависящий от физико-механических свойств взрываемых пород;

Км — коэффициент, учитывающий метеоусловия.

Влияние метеоусловий рассматривается на изменение скорости звука с высотой. Так, изменение скорости звука в зависимости от температуры воздуха определяется по формуле:

где с — скорость звука, м/с;

Т, Г — температура воздуха, К и °С.

Концентрация СО и N0* в двух точках по времени после МВ

Рис. 9.2. Концентрация СО и N0* в двух точках по времени после МВ

Для учета метеоусловий на УВВ используется коэффициент К, который меняется в зависимости от распределения температуры воздуха с высотой. Поскольку скорость звука прямо пропорциональна температуре, то в литературе К рассматривается в зависимости от изменения скорости звука с высотой. Исследования показали, что в период с ноября по март на Кольском полуострове возможны случаи, соответствующие К = 100 с вероятностью от 0,2 до 0,3, в феврале она равна 0,5. Необходимо учитывать изменения температуры воздуха не только на поверхности карьера, но и от места взрыва, т. е. от какой-то глубины карьера. Поэтому для определения К необходимо знать распределение температуры воздуха как в пограничном слое, так и в атмосфере карьера.

Дистанционная система метеонаблюдений в районе расположения карьеров в сочетании с прогнозом погоды позволяет оперативно оценить изменение перепада давления на фронте УВВ, возникающих при взрыве при конкретных метеоусловиях.

В результате проведенных исследований установлено, что в карьерах Кольского полуострова преобладает горно-долинная циркуляция, при этом в тупиковых забоях, на бермах образуются застойные зоны с местной замкнутой циркуляцией со-леноидального 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 к дну карьера и еще более снижает эффективность естественного воздухообмена.

Таблица 9.6

Значение К в зависимости от профиля скорости звука в атмосфере

Тип профиля

Постоянный отриц. градиент температуры

Однородный слой изотермии

Постоянный положит, градиент

Слой положит, градиента на слой отриц.

Слой большого положит, градиента на слой меньшего

Слой положит, градиента на однородном слое

Слой отриц. градиента между двумя слоями положит.

К

< 1

1

5

100

25

10

100

Приведенные оценки дают минимально необходимые энергетические затраты на общеобменную вентиляцию. На эффективность воздухообмена кроме величины вносимой энергии очень влияет способ эффективного ввода энергии в систему. Указанные оценки относятся к варианту максимально рационального ввода энергии.

Газы поступают в атмосферу карьерного пространства в перегретом виде и под давлением.

Распространение газов после взрыва имеет волновой характер. Волна газов распространяется от источника выброса до тех пор, пока температура волны не сравняется с температурой окружающего воздуха. Далее начинает действовать атмосферная диффузия.

Контрольные вопросы

1. Расскажите об исследованиях, проводившихся в карьере «Железный» при проведении массовых взрывов.

  • 2. Расскажите об исследованиях, проводившихся в карьере «Коаш-винский» при проведении массовых взрывах.
  • 3. Что происходит с газообразными продуктами после массового взрыва?
  • 4. Как инверсии влияют на распространение ударных воздушных волн?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >