ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Проблема та її зв’язок з науковими і практичними завданнями

У наш час, у зв’язку зі швидкими темпами розвитку промисловості, сільського господарства та кількості транспортних засобів, екологічні проблеми виходять на перше місце. У зв’язку з розвитком техніки і різних виробничих систем, збільшується можливість забруднення навколишнього середовища. Через розвиток промислового виробництва, кількість відходів збільшується, забруднюються підземні води, поверхневі води, атмосфера, а також грунтово рослинний шар. Необоротні зміни складу природних вод і грунтів негативно позначається на стані навколишнього середовища та здоров’я населення. В Україні ведеться видобуток кам’яного вугілля, і його споживання, а це робить відчутний вплив на атмосферу, так як в деяких випадках вугілля містить вміст сірки. При спалюванні вугілля, сірка у вигляді сірчистого газу виділяється в атмосферу. Проте сірка потрапляє в атмосферу не тільки при спалюванні вугілля, а й при горінні породних відвалів. Характерною рисою Донбасу, його візитною карткою є терикони вугільних шахт. За 200 років видобутку вугілля в регіоні їх накопичилося понад 1500. Їх висота сягає 100 м, кути відкосів 45, займана площа – десятки гектарів. Зовні вони схожі на піраміди. Але якщо останні прийшли до нас як пам’ятки старовини, то терикони – об’єкти техногенної небезпеки. Вони порошать, горять, піддаються розмиву, є джерелами радіоактивності, під їх відсипання відводяться родючі землі. Необхідно врахувати, що тільки в Донецьку знаходиться близько 120 відвалів, які займають територію близько 1000 га. Це не малі гроші, якщо розглядати це питання з точки зору утилізації відходів, а саме використання відвалів як хімічна сировина. Але найдорожче терикони обходяться нашому здоров’ю. Палаючий породний відвал має санітарно – захисну зону 500 м., не горить – 300 м., рознос шкідливих речовин та продуктів горіння по розі вітрів до 3-х км. Виходячи з цих даних, можна зробити висновок про те, що Донецьк є суцільною санітарною зоною, в якій проживання стає небезпечним. Тому питання вивчення впливу породних відвалів на навколишнє середовище та здоров’я людини є актуальним.

Поняття шкідливих викидів і їх види

Під шкідливими викидами будемо розуміти тверді, рідкі та газоподібні речовини, які завдають незворотної шкоди навколишньому середовищу або здоров’ю людини. Одним з чинників шкідливого впливу відвалів вугільних шахт Донбасу є їх радіоактивність. За даними Зубової Л.Г., Гречки В.А., Матюшенко Ю.В. [1] експозиційна доза гамма-випромінювання породи відвалів ВО Луганськвугілля коливається в межах 17–33 мкР/год, щільність потоку гамма-частинок в межах 334–501 1/см2, питома-активність А*108 від 7 до 10 Кі/кг. Дослідженнями Воробйова С.Г. і Кудленко В.Г. [2] встановлено, що гамма-активність порід і грунтів, прилеглих до териконах, знаходиться на одному рівні з фоном, а питома-активність перевищує фонове значення. Перевищення над гамма-фоном, на їхню думку, обумовлено вмістом в досліджуваних зразках Th232, інших важких елементів і продуктів їх розпаду. Однак вони вказують, що питома-активність не перевищує гранично допустимого значення для будматеріалів, що становить 370 Бк/кг. За результатами вимірювання питомої активності Уханева М.І. і Хоботова Е.Б. [3] також відносять отвальную породу до 1 класу радіаційної небезпеки і пропонують використовувати її в будівництві без обмежень. Однак вони вказують, що зберігається певна небезпека радоновиделеній, так як існує пряма кореляція між питомою активністю радію і об’ємною концентрацією радону в повітрі приміщень, підвищення якої є причиною збільшення легеневої дози опромінення людини. Ще одним зі шкідливих проявів териконів є їх горіння. За даними В.І. Бакланова [4] в териконах Донецька щорічно згорає більше 30 тис. т сірки і 150 тис. т вугілля. Сутність самозаймання вугілля або порід, що містять вугілля, на думку Д.Н. Калюжного та ін. [5] полягає в тому, що вугілля сорбує на своїй поверхні з повітря молекулярний кисень, який утворює з вуглецем нестійке пероксидне з’єднання. Останнє легко розкладається, виділяючи при цьому активний кисень, що окислює вугілля і перетворює останній у багаті киснем стійкі з’єднання. Так як цей процес – екзотермічний, то він супроводжується підвищенням температури, що прискорює процес окислення, що, в кінцевому рахунку, призводить до самозаймання. М.П. Зборщик і В.В. Осокін [6, 7] в горінні відвальної породи виділяють кілька стадій: самонагрівання вологої гірської породи внаслідок біохімічного та хімічного окисного вилуговування піриту, що завершується утворенням в ній хімічного реактора; прогрівання хімічним реактором поверхневого шару гірської породи і збагачення його елементарною сіркою; займання парів сірки на повітрі поблизу поверхні самонагріваючої гірської породи при температурі 248…261oС; виникнення стійкого горіння десорбується метану, продуктів термічної деструкції та газифікації гірської породи. Уханева М.І. і Хоботова Е.Б. [3] приблизно визначили температуру згоряння породи. Відсутність метакаолініта Аl203 * 2SiO2 і сіліманіта Аl203 * SiO2, свідчить про те, що температура згоряння становила понад 600оС. Відсутність же вуглистих домішок, що температура згоряння досягала 900–1000oC. Горіння териконів призводить до значної зміни складу атмосферного повітря та випадання кислотних дощів, тому що з одного палаючого відвалу за добу в середньому виділяється в атмосферу 4–5 т оксидів вуглецю і від 600 до 1100 кг сірчистого ангідриду, а також невеликі кількості сірководню, оксидів азоту та інших продуктів горіння [8]. Відвали вугільних шахт піддаються найсильнішої водної ерозії.

Огляд існуючих методів контролю стану шкідливих викидів

МакНІІ розроблена інструкція [10] в якій зазначено, що контроль теплового стану породних відвалів проводиться з метою: а) своєчасного виявлення осередків самонагрівання на відвалах та вжиття заходів для запобігання самозаймання порід; б) оцінки ефективності заходів щодо зниження інтенсивності горіння породних відвалів; в) отримання вихідних даних для розробки проектів гасіння або розібрання породних відвалів. 2. При обстеженні теплового стану конусного відвалу точки вимірювання ня температури розташовуються по 8 утворюючим на відстані по вертикалі 10 м за схемою, наведеною на рис. 1а. Точки вимірювання температури порід хребтовідного відвалу розташовуються на відстані 20 м в горизонтальній площині і 10 м по верти-калі за схемою на рис. 1б. Точки вимірювання температури порід на плоскому відвалі розташовуються на горизонтальній поверхні на відстані 5 м від бровки укосу, і на відстані 20 м в горизонтальній площині за схемою на рис. 1в. Крім того, якщо висота ярусу більше 10 м точки вимірювання температури розташовуються на укосі на відстані 0,5 На по вертикалі, і на відстані 20 м в горизонтальній площині за схемою на рис. 1в. Додаткові точки вимірювання розташовуються в можливих (видимих) осередках самонагрівання. Вимірювання температури здійснюється на глибині 0,5 м від поверхні. У точках, де буде виміряно температуру перевищує 45°С, але менше 80°С, проводиться вимір температури на глибині до 2,5 м. Результати вимірювання температури заносяться до журналу, форма якого наведена в додатку 4. 3. На діючих відвалах виміру температури (температурна зйомка) проводиться двічі на рік (травень – вересень) з інтервалом не менше 2 місяці відповідно до вимог зазначених у пункті 2 глави 5 розділу III цієї інструкції. 4. На бездіяльних відвалах виміру температури (температурна зйомка) проводиться один раз на рік (серпень – жовтень) відповідно до вимог зазначених у пункті 2 глави 5 розділу III цієї Інструкції. 5. Температурна зйомка, яка необхідна для розробки проектів гасіння або розбирання породного відвалу, проводиться шляхом вимірювання температура на глибині 0,5 м відповідно до вимог зазначених у пункті 2 глави 5 розділу III цієї Інструкції. У точках, де температура порід перевищувала температуру навколишніх порід більш ніж на 5°С здійснюється вимірювання температури на глибині до 2,5 м. Додаткові точки вимірювання температура розташовуються в видимих або передбачуваних осередках Горіння. 6. При виконанні робіт з розбирання породних відвалів проводиться контроль температури порід шару розбирається. Температура порід, переміщуваних бульдозером або розбираються екскаватором, не повинна перевищувати 80°С. 7. За характером зміни температури в часі на породних відвалах, що горять, в одних і тих же точках оцінюється ефективність заходів щодо зниження інтенсивності горіння. 8. Температурні зйомки дозволяється проводити тільки після обстеження поверхні робочих місць щупами з метою виявлення тріщин, порожнин та ін. Виявлені небезпечні ділянки повинні оконтурюватися передджувальніми знаками на відстані 5 м до виявлених тріщин, порожнин та ін.

Зразкові схеми розміщення точок вимірювання температури

Рисунок 1 – Зразкові схеми розміщення точок вимірювання температури
(анімація: 6 кадрів, тривалість кожного кадру – 50 мс, 58 Кб)

Забороняється проведення температурної зйомки на породних відвалах в зоні відсипки порід при роботі відкатки, а також при атмосферних опадів і обмерзання укосів, і укосах з кутами нахилу понад 35°С. Результати вимірювань заносяться в журнал (рис. 2).

Журнал реєстрації температури порід породного відвалу

Рисунок 2 – Журнал реєстрації температури порід породного відвалу

Бусигіним запропонована методика моніторингу стану териконів Донбасу поданим мультиспектральних космічних зйомок яка полягає в зондуванні землі з космосу. В основі методики лежить те що активні вугільні пожежі проявляються на поверхні землі і відображаються на космічних знімках за допомогою теплових аномалій ділянок підвищеної приповерхневої температури Виявлення та моніторинг процесів тління та горіння териконів проводиться з використанням методів обробки, аналізу та дешифрування мультиспектральних космічних знімків в рамках спеціалізованих ГІС , таких як, ERDAS Imagine, ER Mapper, INVI та ін. Верифікація та оцінка якості результатів аналізу даних супутникових спостережень вимагає спільного використання матеріалів супутникових та наземних досліджень, що обумовлює необхідність створення підходу до аналізу та моніторингу при поверхневих теплових аномалій на основі матеріалів дистанційного зондування землі та наземних спостережень. Широко розповсюдженими методами аналізу та моніторингу динаміки поширення процесів горіння вуглевмісних порід є чисельне моделювання, розрахунок вегетаційних і теплових індексів, аналіз різночасових даних супутникових спостережень. Чисельне моделювання динаміки розповсюдження вугільних пожеж дозволяє отримати найбільш повне розуміння причин і наслідків процесів горіння вуглевмісних порід, встановити взаємозв’язок між генерацією і перенесенням теплової енергії в межах вугільного пожежі і поблизу нього, виробляти цілодобові виміри температури в межах вогнища горіння. Підвищена температура тліючих і палаючих териконів, а також присутність побічних продуктів горіння (таких як SO2, NO, CO, CH2, N2O, CO2 та ін.). Зумовлює погіршення стану рослинного покриву або повна його відсутність. Таким чином, для виявлення процесів горіння можуть використовуватися показники стану рослинності вегетаційні індекси. Контекстні адаптивні алгоритми забезпечують виявлення при поверхневих теплових аномалій, грунтуючись на обчисленні температурних розходжень фонових пікселів і пікселів пожежі в межах області сусідства аналізованого піксела растра. Алгоритми з фіксованими порогами грунтуються на поділі безлічі фонових пікселів і пікселів пожежі на основі глобального, визначеного для зображення порога. Різночасові перетворення застосовуються для виявлення пікселів, незмінних на серіях різночасових зображень. Частково порослі рослинністю терикони близькі за своїм спектральним і температурним характеристикам до відкритого грунту, що підвищує ймовірність помилкового виявлення ділянок термальною активності териконів за даними космічної зйомки, виконаної в денний час доби (рис. 3).

№ Найменування підприємства Місто Широта Стан горіння Площа
1 ОП 48,0244 38,024 палає 63,6
2 – Донецьк 47,9344 горит 49,8
3 ОАО ЦОФ Пролетарська Макїївка 40,0252 не палає 10,7
4 ОАО ЦОФ Колосниковська Макїївка 40,0285 не палає 22,2
5 ОП Шахта Холодна Балка Макїївка 48,0041 не палає 18,1

Рисунок 3 – Відомості про гарячі і негорящі відвали

Моніторинг стану териконів. Схема процесу моніторингу стану териконів по різночасних даними мультиспектральних космічних зйомка представлена на (рис. 4) і включає наступні етапи: введення даних і дешифрування териконів; оцінка приповерхневої температури і формування вектора характеристик об’єктів; класифікація з навчанням, оцінка точності і візуалізація результатів класифікації; відстеження динаміки зміни стану териконів.

1. Оцінка приповерхневої температури. Визначення приповерхневої температури за даними Landsat-TM проводиться в такій послідовності. На попередньому етапі розрахунку температури здійснюється перетворення первинних, необроблених даних космічних зйомок в кількість випромінювання, що потрапляє на сенсор (Вт/м2•ср•мкм). Визначення дійсних значень випромінювання на основі необроблених даних космічних зйомок здійснюється за формулою певною формулою. Слід зазначити, що високі значення приповерхневої температури для літніх знімків, зареєстрованих в денний час доби, найчастіше відповідають ділянкам відкритого грунту – полям, відкритим гірським роботам і та ін.

Схема процесів моніторингу стану териконів

Рисунок 4 – Схема процесів моніторингу стану териконів

2. Віднесення ісходної множини об’єтів териконів (рис. 5) до одного з двох класів (непалаючий терикон, палаючий терикон) производилось по мінімуму спектральных расстояний між векторами характеристик ісходної множини 112 териконів, стан яких не визначено, и соответствующими характеристиками эталонных об’ектів – палаючих та не палаючих териконів.

Фрагмент мультиспектрального изображения

Рисунок 5 – Фрагмент мультиспектрального зображення

де

3. Класифікація з навчанням. Відстеження динаміки зміни стану териконів. Моніторинг стану териконів полягає в аналізі тимчасової динаміки зміни приналежності терикону до класу палаючий терикон, непалаючий терикон відповідно до вирішальним правилом: 1) терикон відноситься до класу непалаючий терикон або палаючий терикон у випадку, якщо він визнаний таким як мінімум для 6 з 7 космічних знімків; 2) при частому переході терикону зі стану стан неможливо прийняти однозначне рішення про його класової приналежності і в цьому випадку терикон інтерпретується як тліючий. На (рис. 6) представлені результати класифікації згідно з різними метриками, зокрема, відзначені терикони, визнані палаючими і непалаючих як мінімум для 6 з 7 аналізованих моментів спостережень. Сумарне число териконів, віднесених до класів непалаючий терикон, тліючий терикон та палаючий терикон.

Результаты классификации терриконов

Рисунок 6 – Результати класифікації териконів

Результати класифікації (рис. 7) об’єднані для построєння результуючої карти розташування непалаючих, тліючих і палаючих териконів. По шести метрикам до класу палаючих териконів одночасово віднесено 8 об’єктів, до класу непалаючих 28. Число тліючих териконів

Карта расположения горящих и тлеющих отвалов

Рисунок 7 – Карта розташування гарячих і тліючих відвалів

Таким чином в роботі Бусигіна показано стан проблеми розробки методики виявлення й аналізу вугільних пожеж, зокрема, визначення розташування тліючих і палаючих териконів. Представлені елементи методики дозволяють робити моніторинг стану териконів по різночасним даним мультиспектральної космічної зйомки Landsat-TM і даними наземних спостережень. В результаті класифікації з навчанням визначено стан териконів ділянки Донбасу – міст Донецьк і Макіївка. Встановлено, що 6,5% терриконів досліджуваноі ділянки є палаючими, у 22,8% териконів процеси тління і горіння відсутні.

В НІІГД [11]. Розроблена методика контролю теплового стану породних відвалів, де для підвищення точності визначення форми і площі осередків тепловиділення на їх поверхні використовуються тепловізори, які відтворюють інфрачервоне зображення об’єкта на екрані і термозображення на гнучкому магнітному диску з подальшою його обробкою на ПЕОМ В залежності від температури породи вони розрізняють три зони: від температури порід, що перевищує температуру повітря на 30°С, і до 120°С (зона І), від 120°С до 260°С (зона П) і вище 260°С (зона Ш). Ними також запропоновані розрахункові значення питомих газовиділень шкідливих речовин в атмосферу. Ці значення представлені нами у вигляді графіків рис. 8. Методика контролю теплового стану породних відвалів, розроблена НДІГС дозволяє оперативно отримувати інформацію про тепловий стан будь-якого породного відвалу (горить – не горить) при відсутності явних (видимих) вогнищ горіння і дозволяє в 1,5–2 рази скоротити фінансові, матеріальні та людські ресурси. Однак, фотографічна зйомка кожного терикону з хвостової, лобової, а потім з бічних сторін; плоских відвалів – з усіх чотирьох боків; обробка знімків тривала і не дає інформацію в динаміці (рис. 8).

Количество вредных веществ в зависимости от температуры горящих породных отвалов

Рисунок 8 – Кількість шкідливих речовин в залежності від температури породних відвалі

Однак перелічені методи контролю не дозволяють врахувати звістку спектр шкідливих впливів породного відвалу (рис. 9).

Речовина Дія на організм Джерела викидів
Сірководень При концентрації більше 1 мг/л спостерігаються судоми, непритомність, смерть Коксоміхічнн заводи, видобуток природного газу, виробництво штучного віскозного волокна
Діоксид вуглецю Концентрація більше 5% (о.) небезпечна для життя Гази після згорання органічного палива, содового виробництва, процесів бродіння
Оксиди азоту N0 - при попаданні до організму діє на ЦНС, при великій концентрації руйнує гемоглобін крові N02 - діє на слизову оболонку легень, при концентрації 5 мг/м3 спостерігається важке отруєння Заводи з виробництва азотної кислоти, ТЕС, вихлопи ДВС, котельні, які працюють на органічному паливі
Оксид вуглецю Діє на кров, в результаті чого кров втрачає здатність переносити кисень Коксохімічні заводи, виробництво чавуну і сталі, вихлопи ДВС

Рисунок 9 – Формування небезпек в зоні палаючого породного відвалу

Висновки

У даній роботі позначена актуальність питання шкідливих викидів із палаючих породних відвалів, проаналізовано існуючі, найбільш поширені способи. Встановлено, що способи контролю орієнтовані в основному на контроль теплового стану породного відвалу. Однак найбільш перспективний це бальний спосіб, який містить в собі комплексний підхід, що враховує не тільки викиди від процесів горіння, але і від процесів вилуговування і вивітрювання. Як напрямки подальших дослідження слід вибрати метод дистанційного зондування, який би дозволяв відстежувати не тільки теплові процеси, а й процеси вивітрювання. В основу цього методу можна покласти пікселізація поверхні терикону, яка б враховувала її фракційний склад. Переймаючись швидкостями вітру за даними метеосупутників можна зробити експрес-оцінку кількості твердих речовин здуває з поверхні породного відвалу.

Перелік посилань

  1. Зубова Л.Г., Гречка В.А., Матюшенко Ю.В. Воздействие горнодобывающей промышленности на естественные ландшафты Донбасса//Экотехнологии и ресурсосбережение, 1999. – № 4. – С. 63–66.
  2. Воробьев С.Г., Кудленко В.Г. Определения удельной гамма-активности пород шахтных отвалов//Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського, 2008. – № 6/2008(53), ч.1. – С. 120–123.
  3. Уханьова М.І., Хоботова Е.Б. Дослідження радіаційно-хімічних властивостей відвальних горілих порід//Матер.конф. Сучасні проблеми екології та геотехнологій. – Житомир, 2009. – С. 38–39.
  4. Бакланов В.И. Растительные условия терриконов Донбасса: В кн. Интродукция растений и зеленое строительство в Донбассе. – К.: Наукова думка, 1970. – С. 15–25.
  5. Калюжный Д.Н., Давыдов С.А., Дукарская Л.Г., Аксельрод М.Б. Загрязнение атмосферного воздуха сернистым газом от шахтных терриконов // Гигиена и санитария. – М. : Медгиз, 1950. – № 5. – С. 19–24.
  6. Зборщик М.П., Осокин В.В. Природа опасных и экологически вредных проявлений в пиритсодержащих породах // Уголь Украины. – 1998. – № 5. – С. 26–27.
  7. Зборщик М.П., Осокин В.В. Предотвращение экологически вредных проявлений в породах угольных месторождений. – Донецк.:ДонГТУ, 1996. – 178 с.
  8. Саранчук В.М. Борьба с горением породных отвалов. – К.: Наукова думка, 1978. – 268 с.
  9. Пашковский П.С., Попов Э.А., Яремчук М.А. Контроль теплового состояния породных отвалов // Уголь Украины. – 2000. – № 7. – С. 27–29.
  10. інструкція із запобігання самозапалюванню, гасіння та розбирання породних відвалів НПАОП 10.0–5.21–04
  11. Канин В.А., Тиркель М.Г., Киселев Н.Н. Комплексное решение экологических проблем в крупных промышленных районах // Уголь Украины. – К.: Техніка, 2004. – № 9. – С. 44\ – 46.
  12. Бусыгин б.с. Мониторинг состояния терриконов донбасса по данным мультиспектральных космических съемок / Вестник НГУ 2011, № 2. – С. 39–44.