ДонНТУ   Портал магистров

Кириллова Людмила Александровна

Горный факультет

Кафедра охраны труда и аэрологии

Специальность « Безопасность трудовой деятельности»

Методика определения количества вредных веществ, выбрасываемых горящим породным отвалом

Научный руководитель: д. т. н., проф. Булгаков Юрий Федорович

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Проблема и ее связь с научными и практическими задачами
• Понятие вредных выбросов и их виды
• Обзор существующих методов контроля состояния вредных выбросов
• Выводы
• Список источников

Проблема и ее связь с научными и практическими задачами

В наши дни, в связи с быстрыми темпами развития промышленности, сельского хозяйства и количества транспортных средств, экологические проблемы выходят на первое место. В связи с развитием техники и различных производственных систем, увеличивается возможность загрязнения окружающей среды. Из-за развития промышленного производства, количество отходов увеличивается, загрязняются подземные воды, поверхностные воды, атмосфера, а также почвенно растительный слой. Необратимые изменения состава природных вод и почв отрицательно сказывается на состоянии окружающей среды и здоровье населения. В Украине ведётся добыча каменного угля, и его потребление, а это оказывает ощутимое влияние на атмосферу, так как в некоторых случаях уголь содержит содержание серы. При сжигании угля, сера в виде сернистого газа выделяется в атмосферу. Однако сера попадает в атмосферу не только при сжигании угля, а и при горении породных отвалов. Характерной чертой Донбасса, его визитной карточкой являются терриконы угольных шахт. За 200 лет добычи угля в регионе их накопилось более 1500. Их высота достигает 100 м, углы откосов 45°С, занимаемая площадь – десятки гектаров. Внешне они похожи на пирамиды. Но если последние пришли к нам как памятники древней старины, то терриконы – объекты техногенной опасности. Они пылят, горят, подвергаются размыву, являются источниками радиоактивности, под их отсыпку отводятся плодородные земли. Необходимо учесть, что только в Донецке находится около 120 отвалов, которые занимают территорию около 1000 га. Это не малые деньги, если рассматривать этот вопрос с точки зрения утилизации отходов, а именно использование отвалов в качестве химического сырья. Но дороже всего терриконы обходятся нашему здоровью. Горящий породный отвал имеет санитарно-защитную зону 500 м., не горящий – 300 м., разнос вредных веществ и продуктов горения по розе ветров до 3-х км. Исходя из этих данных, можно сделать вывод о том, что Донецк является сплошной санитарной зоной, в которой проживание становится опасным. Поэтому вопрос изучения влияния породных отвалов на окружающую среду и здоровье человека является актуальным.

Понятие вредных выбросов и их виды

Под вредными выбросами будем понимать твердые, жидкие и газообразные вещества, которые наносят необратимый вред окружающей среде или здоровью человека. Одним из факторов вредного воздействия отвалов угольных шахт Донбасса является их радиоактивность. По данным Зубовой Л. Г., Гречки В.А., Матюшенко Ю.В. [1] экспозиционная доза гамма–излучения породы отвалов ПО «Луганскуголь» колеблется в пределах 17–33 мкР/ч, плотность потока гамма-частиц в пределах 334–501 1/см², удельная активность А108 от 7 до 10 Ки/кг. Исследованиями Воробьева С.Г. и Кудленко В.Г. [2] установлено, что гамма-активность пород и почв, прилегающих к терриконам, находится на одном уровне с фоном, а удельная гамма-активность превышает фоновое значение. Превышение над гамма-фоном, по их мнению, обусловлено содержанием в исследуемых образцах Th232, других тяжелых элементов и продуктов их распада. Однако они указывают, что удельная гамма-активность не превышает предельно допустимого значения для стройматериалов, которое составляет 370 Бк/кг. По результатам измерения удельной гамма-активности Уханева М.И. и Хоботова Е.Б. [3] также относят отвальную породу к 1 классу радиационной опасности и предлагают использовать ее в строительстве без ограничений. Однако они указывают, что сохраняется определенная опасность радоновыделений, т.к. существует прямая корреляция между удельной активностью радия и объемной концентрацией радона в воздухе помещений, повышение которой является причиной увеличения легочной дозы облучения человека. Еще одним из вредных проявлений терриконов является их горение. По данным В.И. Бакланова [4] в терриконах Донецка ежегодно сгорает более 30 тыс. т серы и 150 тыс. т угля. Сущность самовозгорания углей или пород, содержащих уголь, по мнению Д.Н. Калюжного и др. [5] заключается в том, что уголь сорбирует на своей поверхности из воздуха молекулярный кислород, который образует с углеродом нестойкое пероксидное соединение. Последнее легко разлагается, выделяя при этом активный кислород, окисляющий уголь и превращающий последний в богатые кислородом стойкие соединения. Так как этот процесс – экзотермический, то он сопровождается повышением температуры, ускоряющим процесс окисления, что, в конечном счете, приводит к самовозгоранию. М.П. Зборщик и В.В. Осокин [6, 7] в горении отвальной породы выделяют несколько стадий: самонагревание влажной горной породы вследствие биохимического и химического окислительного выщелачивания пирита, завершающееся образованием в ней химического реактора; прогревание химическим реактором поверхностного слоя горной породы и обогащение его элементарной серой; воспламенение паров серы на воздухе вблизи поверхности самонагревающейся горной породы при температуре 248…261°С; возникновение устойчивого горения десорбирующегося метана, продуктов термической деструкции и газификации горной породы. Уханева М.И. и Хоботова Е.Б. [3] приблизительно определили температуру сгорания породы. Отсутствие метакаолинита Аl₂0₃*2SiO₂ и силиманита Аl₂0₃*SiO₂, свидетельствует о том, что температура сгорания составляла более 600°С. Отсутствие же углистых примесей, что температура сгорания достигала 900–1000°С. Горение терриконов приводит к значительному изменению состава атмосферного воздуха и выпадению кислотных дождей, т.к. из одного горящего отвала за сутки в среднем выделяется в атмосферу 4–5 т оксидов углерода и от 600 до 1100 кг сернистого ангидрида, а также небольшие количества сероводорода, оксидов азота и других продуктов горения [8]. Отвалы угольных шахт подвергаются сильнейшей водной эрозии.

Обзор существующих методов контроля состояния вредных выбросов

В МакНИИ разработана инструкция [10] в которой указано, что контроль теплового состояния породных отвалов проводится с целью: а) своевременного выявления очагов самонагревания на отвалах и принятия мер для предотвращения самовозгорания пород; б) оценки эффективности мероприятий по снижению интенсивности горения породных отвалов; в) получение исходных данных для разработки проектов тушения или разбирания породных отвалов. 1. При обследовании теплового состояния конусного отвала точки измерения ния температуры располагаются по 8 образующим на расстоянии по вертикали 10 м по схеме, приведенной на рис. 1а. Точки измерения температуры пород хребтовидного отвала распологаются на расстоянии 20 м в горизонтальной плоскости и 10 м по вертикали по схеме на рис. 1б). Точки измерения температуры пород на плоском отвале распологаются на горизонтальной поверхности на расстоянии 5 м от бровки откоса, и на расстоянии 20 м в горизонтальной плоскости по схеме на рис 1в. Кроме того, если высота яруса более 10 м точки измерения температуры аспологаются на откосе на расстоянии 0,5 Ня по вертикали, и на расстоянии 20 м в горизонтальной плоскости по схеме на рис. 1в. Дополнительные точки измерения располагаются в возможных (видимых) ячейках самонагревания. Измерение температуры осуществляется на глубине 0,5 м от поверхности. 2. В точках, где будет измерен температуру превышающую 45°С, но меньше 80°С, проводится измерение температуры на глубине до 2,5 м. Результаты измерения температуры заносятся в журнал, форма которого приведена в приложении 4. 3. На действующих отвалах измерения температуры (температурная сьёмка) проводится дважды в год (май – сентябрь) с интервалом не менее 2 месяца согласно требованиям указанных в пункте 2 главы 5 раздела III настоящей Инструкции. 4. На бездействующих отвалах измерения температуры (температурная съемка) проводится один раз в год (август – октябрь) согласно требованиям указанных в пункте 2 главы 5 раздела III настоящей Инструкции. 5. Температурная съемка, которая необходима для разработки проектов тушения или разборки породного отвала, производится путем измерения температура на глубине 0,5 м в соответствии с требованиями указанных в пункте 2 главы 5 раздела III настоящей Инструкции. В точках, где температура пород превышала температуру окружающих пород более чем на 5°С осуществляется измеривания температуры на глубине до 2,5 м. Дополнительные точки измерения температура располагаются в видимых или предполагаемых очагах горения. 6. При выполнении работ по разборке породных отвалов проводится контроль температуры пород слоя разбирается. Температура пород, перемещаемых бульдозером или разбираются экскаватором, не должна превышать 80°С. 7. По характеру изменения температуры во времени на породных отвалах, которые горят, в одних и тех же точках оценивается эффективность мер по снижению интенсивности горения.Температурные съемки разрешается проводить только после обследованных поверхности рабочих мест щупами с целью выявления трещин, пустот и др. Обнаружены опасные участки должны оконтурюватися предджувальнимы знаками на расстоянии 5 м до обнаруженных трещин, полостей и др.

Бусыгиным предложена методика мониторинга состояния терриконов Донбасса поданным мультиспектральных космических съемок которая заключается в зондировании земли из космоса. В основе методики лежит то что активные угольные пожары проявляются на поверхности земли и отображаются на космических снимках посредством тепловых аномалий – участков повышенной приповерхностной температуры. Выявление и мониторинг процессов тления и горения терриконов производится с использованием методов обработки, анализа и дешифрирования мультиспектральных космических снимков в рамках специализированных ГИС, таких как, ERDAS Imagine, ER Mapper, INVI и др. Верификация и оценка качества результатов анализа данных спутниковых наблюдений требует совместного использования материалов спутниковых и наземных исследований, что обуславливает необходимость создания подхода к анализу и мониторингу приповерхностных тепловых аномалий на основе материалов дистанционного зондирования земли и наземных наблюдений. Широко распространенными методами анализа и мониторинга динамики распространения процессов горения углесодержащих пород являются численное моделирование, расчет вегетационных и тепловых индексов, анализ разновременных данных спутниковых наблюдений. Численное моделирование динамики распространения угольных пожаров позволяет получить наиболее полное понимание причин и следствий процессов горения углесодержащих пород, установить взаимосвязь между генерацией и переносом тепловой энергии в пределах угольного пожара и вблизи него, производить круглосуточные замеры температуры в пределах очага горения Повышенная температура тлеющих и горящих терриконов, а также присутствие побочных продуктов горения (таких как SO₂, NO, CO, CH₄, N₂O, CO₂ и др.) обуславливает ухудшение состояния растительного покрова или полное его отсутствие. Таким образом, для выявления процессов горения могут использоваться показатели состояния растительности – вегетационные индексы. Контекстные адаптивные алгоритмы обеспечивают выявление приповерхностных тепловых аномалий, основываясь на вычислении температурных расхождений фоновых пикселов и пикселов пожара в пределах области соседства анализируемого пиксела растра. Алгоритмы с фиксированными порогами основываются на разделении множества фоновых пикселов и пикселов пожара на основе глобального, определенного для изображения порога. Разновременные преобразования применяются для выявления пикселов, неизменных на сериях разновременных изображений. Частично поросшие растительностью терриконы близки по своим спектральным и температурным характеристикам к открытому грунту, что повышает вероятность ложного выявления участков термальной активности терриконов по данным космической съемки, выполненной в дневное время суток. Сведения представлены на (рис. 3).

№	Наименование предприятия	Город	Широта	Состояние горения	Площадь
1	ОП	48,0244	38,024	горит	63,6
2	–	Донецк	47,9344	горит	49,8
3	ОАО ЦОФ Пролетарская	Макеевка	40,0252	не горит	10,7
4	ОАО ЦОФ Колосниковская	Макеевка	40,0285	не горит	22,2
5	ОП Шахта Холодная Балка	Макеевка	48,0041	не горит	18,1

Мониторинг состояния терриконов. Схема процесса мониторинга состояния терриконов по разновременным данным мультиспектральных космических съемок включает следующие этапы: ввод данных и дешифровка терриконов; оценка приповерхностной температуры и формирование вектора характеристик объектов; классификация с обучением, оценка точности и визуализация результатов классификации; отслеживание динамики изменения состояния терриконов.

1. Оценка приповерхностной температуры. Определение приповерхностной температуры по данным Landsat-TM производится в следующей последовательности. На предварительном этапе расчета температуры осуществляется преобразование первичных, необработанных данных космических съемок в количествоизлучения, попадающего на сенсор (Вт/м²*ср*мкм). Определение действительных значений излучения на основе необработанных данных космических съемок осуществляется по формуле определенной формуле. Следует отметить, что высокие значения приповерхностной температуры для летних снимков, зарегистрированных в дневное время суток, зачастую соответствуют участкам открытого грунта – полям, открытым горным роботам и т. п.

2. Классификация с обучением. Отнесение исходного множества объектов-терриконов (рис. 4) к одному из двух классов («негорящий террикон», «горящий террикон») производилось по минимуму спектральных расстояний между векторами характеристик исходного множества 112 терриконов, состояние которых не определено, и соответствующими характеристиками эталонных объектов – горящих и негорящих терриконов.

3. Отслеживание динамики изменения состояния терриконов. Мониторинг состояния терриконов залючается в анализе временной динамики изменения принадлежности террикона к классу «горящий терикон», «негорящий террикон» в соответствии с решающим правилом: 1) террикон относится к классу «негорящий террикон» либо «горящий террикон» в случае, если он признан таковым как минимум для 6 из 7 космических снимков; 2) при частом переходе террикона из состояния состояние невозможно принять однозначное решение о его классовой принадлежности и в этом случае террикон интерпретируется как «тлеющий». На (рис. 5) представлены результаты классификации в соответствии с различными метриками, в частности, отмечены терриконы, признанные горящими и негорящими как минимум для 6 из 7 анализируемых моментов наблюдений. Суммарное число терриконов, отнесенных к классам «негорящий террикон», «тлеющий террикон» и «горящий террикон».

Результаты классификации объединены для построения результирующей карты расположения негорящих, тлеющих и горящих терриконов. По шести метрикам к классу горящих терриконов одновременно отнесено 8 объектов, к классу негорящих.

где

Таким образом в работе Бусыгина показано состояние проблемы разработки методики выявления и анализа угольных пожаров, в частности, определения расположения тлеющих и горящих терриконов. Представленные элементы методики позволяют производить мониторинг состояния терриконов по разновременным данным мультиспектральной космической съемки Landsat–TM и данным наземных наблюдений. В результате классификации с обучением определено состояние терриконов участка Донбасса – городов Донецк и Макеевка. Установлено, что 6,5% терриконовисследуемого участка являются горящими, у 22,8% терриконов процессы тления и горения отсутствуют.

В НИИГД [11] разработана методика контроля теплового состояния породных отвалов, где для повышения точности определения формы и площади очагов тепловыделения на их поверхности используются тепловизоры, воспроизводящие инфракрасное изображение объекта на экране и термоизображения на гибком магнитном диске с дальнейшей его обработкой на ПЭВМ.16:10 11.05.2012 В зависимости от температуры породы они различают три зоны: от температуры пород, превышающей температуру воздуха на 30°С, и до 120°С (зона І), от 120°С до 260°С (зона П) и выше 260°С (зона Ш). Ими также предложены расчетные значения удельных газовыделений вредных веществ в атмосферу. Эти значения представлены нами в виде графиков (рис. 6). Методика контроля теплового состояния породных отвалов, разработанная НИИГД позволяет оперативно получать информацию о тепловом состоянии любого породного отвала («горит» – «не горит») при отсутствии явных (видимых) очагов горения и позволяет в 1,5–2 разасократить финансовые, материальные и людские ресурсы. Однако, фотографическая съемка каждого террикона с хвостовой, лобовой, а затем с боковых сторон; плоских отвалов – со всех четырех боков; обработка снимков длительна и не дает информацию в динамике.

Однако перечисленные методы контроля не позволяют учесть весть спектр вредных воздействий породного отвала (рис. 7).

Следует отметить (рис. 8), что в состав породы входят, по данным Укргеологии: зола 57,05%, выход летучих веществ – 29,62%, сера – 1,576% и оксиды – 11,74%. Особо следует отметить, что доля в оксидах SiO₂ – 46,04%; Fl₂O₃ – 20,52%; Al₂O₃ – 11,58% и т. д. По данным исследователей порода отвалов содержит галлий – до 100 г/т, скандий 15 г/т, германий – 30 г/т [12].

Разработаная авторами методика позволяет, в бальной системе показатель опасности каждого из исследуемых отвалов и установить последовательность выполнения технологических процессов по их тушению, разборке и рекультивации. Исследования в этом направлении позволяют оценить степень экологической опасности не только конических горящих породных отвалов, но и для отвалов конических, плоских и комбинированных (рис. 9).

Вещество	Действие на организм	Источники выбросов
Сероводород	При концентрации более 1 мг/л наблюдаются судороги, обморок, смерть	Коксомихичнн заводы, добыча природного газа, производство искусственного вискозного волокна
Диоксид углерода	Концентрация более 5% (о.) опасная для жизни	Газы после сгорания органического топлива, содового производства, процессов брожения
Оксиды азота	N0 - при попадании к организму действует на ЦНС, при большой концентрации разрушает гемоглобин крови N02 - действует на слизевую оболочку легких, при концентрации 5 мг/м3 наблюдается тяжелое отравление	Заводы по производству азотной кислоты, ТЕС, выхлопы ДВС, котельные, которые работают на органическом топливе
Оксид углерода	Действует на кровь, в результате чего кровь теряет способность переносить кислород	Коксохимические заводы, производство чугуна и стали, выхлопы ДВС

Рисунок 9 – Определение показателей экологической опасности действующих породных отвалов в Донецкой области

Выводы

В данной работе обозначена актуальность вопроса вредных выбросов из горящих породных отвалов, проанализированы существующие, наиболее распространённые способы. Установлено, что способы контроля ориентированы в основном на контроль теплового состояния породного отвала. Однако наиболее перспективный это бальный способ, который заключает в себе комплексный подход, учитывающий не только выбросы от процессов горения, но и от процессов выщелачивания и выветривания. В качестве направления дальнейших исследования следует выбрать метод дистанционного зондирования, который бы позволял отслеживать не только тепловые процессы, а и процессы выветривания. В основу этого метода можно положить пикселизацию поверхности террикона, которая бы учитывала ее фракционный состав. Задаваясь скоростями ветра по данным метеоспутников можно сделать экспресс- оценку количества твердых веществ сдуваемых с поверхности породного отвала.