Обоснование рациональных параметров буровзрывных работ для снижения вредных выбросов пыли и газа при производстве массовых взрывов на карьерах (стр. 1 )

На правах рукописи

ЛАРИЧЕВ Анатолий Юрьевич

Обоснование рациональных параметров буровзрывных работ для снижения вредных выбросов пыли и газа при производстве массовых взрывов

на карьерах

Специальность 05.26.03 – «Пожарная и промышленная безопасность»

(в горной промышленности)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2012

Работа выполнена в ФГБОУ «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»

на кафедре «Химическая энергетика»

Научный руководитель МАЗУР Андрей Семёнович,

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ «Санкт-Петербургский

государственный технологический

институт (технический университет)»,

декан инженерно-технологического

факультета, заведующий кафедрой

«Химическая энергетика»

Официальные оппоненты: ДРЕМОВ Виктор Иванович,

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ «Московский государственный

горный университет», профессор

кафедры «Аэрология и охрана труда»

ГОРЛОВ Юрий Владимирович,

кандидат технических наук,

«Межведомственная комиссия

по взрывному делу» при Академии

горных наук, Генеральный директор

Ведущая организация: – Институт горного дела

им. » (МО, г. Люберцы)

Защита диссертации состоится « 14 » мая 2012 г. в 15 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.128.06 в Московском государственном горном университете по адресу: 119991 Москва, ГСП-1, Ленинский пр.,.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета (МГГУ).

Автореферат разослан « » 2012 г.

Учёный секретарь КОРОЛЕВА

диссертационного совета, Валентина

доктор технических наук Николаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Снижение вредных выбросов пыли и газа при производстве массовых взрывов на карьерах строительных материалов во многом зависит от технологии производства взрывных работ. Взрывные работы являются основным способом подготовки горной массы к выемке, в то же время они представляют собой интенсивный источник выброса пыли и газа.

При производстве массовых взрывов выделяется огромное количество пыли и газа в окружающую среду. Масса заряда при производстве взрывных работ на карьерах достигает т, а объём взорванной горной массы – 2 млн. м3. По гранулометрическому составу раздробленных взрывом горных пород разной крепости установлено, что на 1 кг взрывчатых веществ при проведении массовых взрывов в пылегазовое облако поступает от 80 до 320 г пылевой фракции до 20 мкм. Существующие способы снижения вредных примесей в пылегазовом облаке при производстве массовых взрывов основаны на их нейтрализации различными растворами, пенами, пылесвязующими добавками, применении новых взрывчатых веществ, способов взрывания, различных видов забоечных материалов.

Несмотря на большой объем исследований и достигнутые успехи в этом направлении, до настоящего времени нет достаточно обоснованной методики численного определения пылегазовых выбросов для различных параметров БВР; не определена численная зависимость пылегазовыделения от конструкции зарядов и энергетических характеристик ВВ, определяющая формирование и распространение пылегазового облака.

Таким образом, обоснование рациональных параметров буровзрывных работ для снижения вредных выбросов пыли и газа при производстве массовых взрывов на карьерах является актуальной для горной промышленности в научном и практическом плане задачей, решение которой позволяет повысить безопасность и эффективность горных работ.

Цель работы состоит в установлении зависимостей выхода пыли и газа от конструкций заряда и типов ВВ для обоснования рациональных параметров буровзрывных работ, обеспечивающих повышение безопасности и эффективности горных работ за счет снижения вредных выбросов пыли и газа при производстве массовых взрывов на карьерах.

Идея работы заключается в учёте газодинамических процессов, протекающих в зарядной полости, и свойств пород при выборе рациональных конструкций заряда и типов ВВ.

Научные положения, разработанные соискателем, и их новизна:

1. Основной объем пылевидных фракций формируется в узкой зоне интенсивного мелкодисперсного дробления массива взрывом и определяется газодинамическими параметрами продуктов детонации и свойствами породы.

2. Гранулометрический состав образующихся пылевидных фракций остаётся постоянным при взрыве удлиненных скважинных зарядов независимо от их конструкций и типов ВВ.

3. Снижение вредных выбросов пыли и газа при производстве массовых взрывов на карьерах достигается применением сплошных и рассредоточенных скважинных зарядов ВВ уменьшенного диаметра (75-165 мм) и типов ВВ с пониженной энергией взрыва, при этом оптимальная величина воздушного промежутка составляет одну четвёртую длины заряда.

4. Разработанный метод оценки количества, гранулометрического и химического состава вредных выбросов пыли и газа в зависимости от типа ВВ и параметров буровзрывных работ при производстве массовых взрывов на карьерах позволяет рассчитать границы зоны высокого загрязнения и тем самым обеспечить повышение безопасности и эффективности горных работ.

Обоснованность и достоверность защищаемых положений, выводов и рекомендаций подтверждаются большим объемом проанализированной информации отечественных и зарубежных исследований, использованием современных представлений физики и механики в области трещинообразования при динамических нагрузках, достаточной сходимостью расчётных данных с результатами производственных и лабораторных экспериментов; положительными результатами внедрения разработанных рекомендаций при проведении массовых взрывов на карьерах карьероуправление».

Научная значимость работы заключается в установлении зависимостей выхода пыли и газа для различных конструкций заряда и типов ВВ при производстве взрывных работ.

Практическое значение работы заключается в разработке методики расчёта пылегазовых выбросов для различных параметров БВР; прогнозировании выхода мелкодисперсной пылевой фракции в ближней зоне взрыва для условий карьеров карьероуправление» на различных расстояниях от заряда; в рекомендации конструкций скважинных зарядов и типов ВВ, обеспечивающих снижение вредных выбросов пыли и газа при производстве массовых взрывов на карьерах.

Реализация работы. Разработанные в диссертации технологические решения внедрены на карьерах карьероуправление» при проведении массовых взрывов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы» (Санкт-Петербург, 2009), научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, МГГУ ) и заседаниях кафедр «Химическая энергетика» в СПбГТИ (ТУ) и «Взрывное дело» и «Аэрология и охрана труда» в МГГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 6 в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 36 рисунков, 28 таблиц, список литературы из 109 наименований и 2 приложения.

Автор выражает глубокую и искреннюю благодарность научному руководителю профессору , заведующему кафедрой «Взрывное дело» профессору , доценту , доценту и другим сотрудникам кафедры, а также профессору .

Особую благодарность автор выражает гл. инженеру карьероуправление» за предоставленную возможность провести научно-практические исследования и эксперименты.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Разработка полезных ископаемых на карьерах является источником пылевыделения, а добычные технологические процессы, которые связаны с бурением и проведением массовых взрывов, погрузочно-транспортными работами, - основные его составляющие. На эти виды работ приходится суммарно около 70% от общего выброса пыли.

Было выявлено, что из всех технологических процессов на карьере при проведении буровзрывных работ (БВР) выход пыли максимальный. Пылегазовое облако (ПГО), образующееся в результате взрыва, а также скорость оседания пылевых частиц, напрямую зависящая от скорости сноса пылевого облака, влияют на степень загрязнения карьера и близлежащих территорий.

Из проведённого в работе анализа исследований следует, что при разработке железорудных карьеров дробление пород взрывным способом сопровождается образованием пылевых частиц, в среднем около 75 г с тонны рудной массы, на долю остальных технологических процессов в карьере приходится выделение пыли - 50-150 г/т. Следует отметить, что погрузочно-разгрузочные работы по сути являются источником образования пылевых фракций, более рассредоточенным по территории и растянутым во времени, и не оказывают такого мгновенного вредного воздействия пыли и газа, в отличие от БВР.

Основная масса пыли в виде пылегазового облака обычно уносится из карьера в течение 10-30 минут в зависимости от скорости ветра. Вредные продукты взрыва (оксиды азота и углерода, мелкодисперсная пыль) в ПГО оказывают существенное отрицательное воздействие, снижая безопасность и эффективность горных работ.

Вопросами снижения воздействия взрывных работ на окружающую среду занимались ведущие ученые: , , , , , , , , и др.

Влияние энергии ВВ на процесс пылегазообразования рассматривается во многих работах. Отмечается, что детонационная волна на начальной стадии взрыва преобразуется в ударную волну, на которую расходуется приблизительно 5-15% общей энергии взрыва. В большинстве работ основное внимание уделяется повышению использования энергии взрыва на полезные формы работы, но не рассматривается влияние энергетических характеристик взрыва на выход пыли и газов.

Существует большое количество работ, посвящённых характеру влияния параметров буровзрывных работ на формирование выброса пыли и газа, но они не рассматривают процессы образования мелкодисперсной пыли в ближней зоне взрыва при изменении газодинамических параметров в зарядной полости.

В связи с этим в диссертации решались следующие задачи:

1. Исследование особенностей образования пылевой фракции в ближней зоне взрыва скважинного заряда при различных условиях динамического нагружения.

2. Анализ и оценка влияния параметров БВР на формирование пылегазового облака при производстве массовых взрывов на карьерах.

3. Разработка методики оценки вредных выбросов пыли и газа для различных параметров буровзрывных работ при производстве массовых взрывов на карьерах, позволяющей рассчитывать границы зоны высокого загрязнения.

4. Изучение влияния технологии проведения взрывных работ и свойств используемых ВВ на образование пылевой фракции.

5. Обоснование рациональных параметров БВР для снижения вредных выбросов пыли и газа при производстве массовых взрывов на карьерах.

Для определения объёма пылевидных фракций, образующихся в ближней зоне взрыва, необходимо рассчитать газодинамические параметры в зарядной камере и на их основе с использованием статистических законов распределения гранулометрического состава определить выход пылевых фракций на различных расстояниях от заряда ВВ с учётом свойств горных пород и энергетических характеристик используемых ВВ. Для решения поставленной задачи предлагается модель формирования пылевой фракции, включающая следующую последовательность процессов. На фиксированных расстояниях от взрыва действуют переменные во времени напряжения, создаваемые волной напряжений, и продуктами детонации, находящимися в зарядной полости под высоким давлением на квазистатической стадии. Квазистатическая стадия взрыва – начальная стадия, протекающая в зарядной полости. Если известны параметры напряжений в породе при взрыве, то могут быть рассчитаны концентрации микротрещин различных размеров и образуемых ими отколовшихся кусков на различных расстояниях от заряда ВВ.

Исследование протекающих газодинамических процессов в скважине и нагружения её стенок при взрыве зарядов различных конструкций осуществлялось посредством численного решения двухмерной нестационарной задачи в гидродинамическом приближении. При решении изучались детонационные и газодинамические процессы, процессы истечения продуктов через устье скважины, и путём обработки этих расчетов вычислялись параметры течения: ударно-волновые, волновые процессы и определялось давление на стенки скважины.

Результаты численного расчёта давления на стенки скважин в фиксированных точках для сплошного заряда граммонита 79/21 с обратным инициированием представлены на рис. 1. Длина скважины – 10 м, длина колонки заряда – 7 м. Фиксированные точки расчёта располагались от дна скважины на расстояниях соответственно: 1 – 0 м, 2 – 1 м (точка инициирования), 3 – 3,5 м, 4 – 6 м, 5 – 7 м, 6 – 10 м (устье скважины).

Рисунок 1. Изменение давления с течением времени в

фиксированных точках скважины

Из рис. 1 видно, что давление в точках 1÷5 с течением времени резко возрастает, затем резко убывает, а далее выравнивается. В устье скважины (точка 6) в начальный период времени давление незначительно возрастает, а затем выравнивается. Это говорит о том, что при взрывании сплошного заряда в устье скважины происходит постоянное истечение продуктов взрыва, формирующее ПГО.

Расчёт выполнялся следующим образом. Доли пылевых фракций на каждом из расстояний определялись по формуле:

. (1)

Суммарная разрушенная масса горной породы в некотором известном цилиндрическом объёме толщиной , который находится на расстоянии от заряда, равна , следовательно, масса некоторой пылевой фракции тогда равняется

. (2)

В соответствии с принятой моделью формирования пылевой фракции масса пыли в некотором слое цилиндрической формы, который находится между поверхностью заряда и поверхностью радиусом , будет равна

. (3)

Для установления влияния конструкции заряда на процесс пылеобразования было проведено численное моделирование. Результаты приведены на рис. 2 и 3.

Результаты численных расчётов показывают, что основная масса (до 80%) образующихся пылевидных фракций от 0 до 100 мкм формируется на расстояниях 10 радиусов заряда. Из анализа полученных зависимостей следует, что для граммонита 79/21 при уменьшении массы заряда в 1,3 раза (т. е. с воздушным промежутком 1/4 длины заряда) диаметром 252 мм по сравнению со сплошным зарядом выход пылевой фракции уменьшается в 2,5-3 раза и составляет 0,32 г на 1 пог. м.

Рисунок 2. Зависимость выхода массы пылевой фракции мкм на погонный метр удлиненного скважинного заряда с воздушным промежутком 1/4 длины заряда граммонита 79/21 диаметром 252 мм от относительного расстояния

Рисунок 3. Зависимость выхода массы фракции 0 – 200 мкм на погонный метр удлиненного сплошного заряда граммонита 79/21 диаметром 252 мм от относительного расстояния

Для определения количества образовавшейся мелкодисперсной пыли при взрыве скважинных зарядов c различными энергетическими показателями были проведены лабораторные эксперименты.

Для экспериментов были изготовлены кубики с размерами 150×150 мм из гранитов карьера Каменногорского месторождения. В центре кубика бурился шпур длиной 100 мм и диаметром 5 мм. В шпуре размещался заряд ТЭНа массой 1,5 г. Модель помещалась во взрывную камеру, футированную изнутри резиной, для исключения дополнительного дробления образца породы.

Для уменьшения теплоты взрыва в состав заряда вводились инертные добавки - порошок CaCO3.

После взрыва с использованием ситового вибрационного анализатора АСВ-200 проводились ситовой и микроскопический анализы фракционного состава образовавшейся пыли.

Для каждой серии экспериментов проводилось не менее пяти взрывов. Энергетические характеристики применяемых в экспериментах ВВ приведены в табл. 1.

Таблица 1

Энергетические характеристики применяемых в эксперименте ВВ

№ опыта	ВВ	Количество добавки, %	Q, кДж/кг
1(Q1)	Чистый ТЭН	-	5900
2 (Q2)	ТЭН+ CaCO3	25	4425
3(Q3)	ТЭН+ CaCO3	50	2950

По результатам экспериментов построена зависимость (рис. 4), характера процесса пылеобразования от энергетических характеристик ВВ.

Рисунок 4. Зависимость процесса пылеобразования фракции 0-150 мкм от энергетических характеристик ВВ

Анализ данных рис. 4 показал, что масса пыли, образующейся в результате взрыва, прямо пропорциональна величине теплоты взрыва.

Для установления зависимости влияния энергетических характеристик ВВ на процесс газообразования из взрывной камеры после экспериментов газоотборником брались пробы воздуха для последующего анализа на переносном хроматографе ХПМ-4. Результаты замера состава газообразных продуктов взрыва приведены в табл. 2.

Таблица 2

Газовый состав продуктов взрыва

№ опыта	NxOy, л/г	N2, л/г	H2, л/г	CO, л/г	CO2 , л/г
1(Q1)	0,0125	0,0024	0,0031	0,0038	0,0091
2(Q2)	0,0894	0,0017	0,002	0,0045	0,0132
3(Q3)	0,1455	0,0015	0,0017	0,0060	0,0151

С целью оценки количества выбрасываемой пыли по фракционному составу для условий карьеров «Каменногорского Карьероуправления» были рассчитаны массы пылевых фракций, образующихся от взрывов разных ВВ. Результаты расчётов гранулометрического состава пыли в ПГО для рассматриваемых типов ВВ приведены в табл. 3.