Разработка взрывной технологии, снижающей вредное воздействие на окружающую среду

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_

УДК 622.271:552.2

РАЗРАБОТКА ВЗРЫВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ, СНИЖАЮЩЕЙ

ВРЕДНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

В.И. Комащенко

Разработаны ресурсосберегающие методы уступной отбойки при помощи комплексного использования детонационных процессов скважинных зарядов и рецептурного состава взрывчатых веществ. Предложена конструкция универсального канального боевика, конструктивная особенность которого заключается в сочетании детонирующего заряда ВВ с пустотелой полостью. Рассмотрены новые конструкции зарядов с продольными полостями.

Ключевые слова: дробление горной массы, взрывная отбойка, карьеры, сква-жинные заряды, конверсионные добавки, буровзрывные работы, охрана окружающей среды, геоэкология.

Более 65 % железной руды России в самые ближайшие годы будет добываться в крупных карьерах глубиной более 300 м в условиях крепких и весьма крепких пород, доля которых в вынимаемой горной массе превышает 86 % [1]. Подавляющее большинство вынимаемой горной массы в железорудных карьерах в настоящее время составляют породы и руды крепостью более 14 по шкале М.М. Протодьяконова, требующие применения буровзрывных работ. Темпы загрязнения окружающей среды при добыче полезных ископаемых зависят от количества образующейся активной пыли, способной мигрировать в окрестности карьера. Железные руды отличаются друг от друга по прочности в пределах 8 - 30, что указывает на их хрупкость. Месторождения рассматриваемого типа представляет собой сложную модель, состоящую из структурных элементов с неоднородными свойствами. У кварцитов отмечается тенденция увеличения свойств руд и пород: сцепление, угол внутреннего трения, хрупкость и т.п. с возрастанием глубины их залегания. Поэтому расходы взрывчатых веществ (ВВ) на отбойку руд увеличиваются, а с ними увеличивается и выход активных фракций пыли крупностью до 500 мкм.

С целью минимизации эффекта переизмельчения руд при отбойке варьируют энергией взрыва зарядов за счет регулирования начального давления смеси газов в зарядной полости и ее объема. Это позволяет управлять очередностью взрывания зарядов с различными интервалами замедления. Выход однородных фракций кварцита при отбойке пород с плотно сомкнутыми трещинами выход больше, чем при отбойке пород с открытыми трещинами. При снижении удельного расхода ВВ на отбойку и увеличении выхода горной массы с 1 м скважины за счет расширения сетки скважин в условиях уменьшенных величин ЛНС и увеличенной высоты

34

уступа выход кварцита однородных фракций возрастает, а количество пыли уменьшается [2]. Скальный массив руд и пород включает трещины, заполненные глинкой трения и породной мелочью. В момент взрыва геоматериалы сталкиваются друг с другом, превращаясь в пыль. В атмосферу поднимается мелкодисперсная пыль, которая уносится на периферию и угнетает экосистемы окружающей среды. В массиве взметнувшейся над карьером пыли протекают и конвективные процессы перемещения потоком воздуха и диффузионные, если длина пробега их молекул сравнима с размерами пылинок. По мере удаления от взрыва концентрация пыли уменьшается до фонового значения.

Радиус опасного техногенного пылевого загрязнения окрестностей карьера измеряется десятками километров. Ореол разноса корректируется ветровыми потоками с коэффициентом в пределах 1,5...2,0. Фоновый уровень концентрации пыли появляется через несколько часов. Выпадая из пылевого облака, минеральные частицы становятся средой природного выщелачивания атмосферными осадками и поверхностными водами. Интенсивность загрязнения окружающей среды пылевыми продуктами горного производства возрастает в прямой зависимости от доли мелких фракций и в обратной зависимости от расстояния переноса с корректировкой на скорость ветра. Таким образом, наиболее весомый вклад в валовое загрязнение атмосферы горнопромышленного района вносят, периодически осуществляемые массовые взрывы в карьерах с большой мощностью зарядов. Они загрязняют воздух мелкодисперсной пылью, аэрозолями и газами. Средние многолетние газопылевые выбросы Лебединского и Стойленского горно-обогатительных комбинатов оцениваются примерно в 30 тыс. т/год.

3

При массовом взрыве основная масса пыли и газов объемом 15...20 млн м выбрасывается на высоту до 300 м и распространяется далеко за контуры карьеров. За их пределами через 15 часов после взрыва в радиусе до 4 км имеет место превышение ПДК содержания пыли в 2 - 10, СО - в 2 - 5, N02 -в 1,5 - 2 раза. Примерный радиус устойчивой зоны запыленности воздуха в контуре 1 ПДК достигает 20...30 км [3].

В подавляющем большинстве случаев концентрация пыли в атмосфере прямо пропорциональна интенсивности выброса и обратно пропорциональна скорости ветра и высоте источника над землей. Увеличение высоты выброса, например, за счет увеличения количества и мощности ВВ может снизить концентрацию пыли в воздухе в окрестности карьера, но увеличивает суммарный объем пыли.

Цель исследований заключалась в том, чтобы стабилизировать или сократить в течение определенного периода времени пылегазовые выбросы. Также необходимо при ведении буровзрывных работ осуществлять регулирование гранулометрического состава и снижение переизмельчения горной массы вблизи скважинного заряда ВВ. Это позволит повысить эф-

фективность процедур оценки изменений, происходящих при взрывном разрушении горных пород, с целью разработки оперативной политики минимизации вредных выбросов в атмосферу.

При проектировании и расчете параметров буровзрывных работ в карьере необходимо учитывать структурные особенности массива, категорию трещиноватости и коэффициент крепости горных пород, определенного петрографического состава и структурного залегания, а также пространственное положение структурно-однородных зон. Для снижения концентрации пыли и газа требуется постоянное совершенствование буровзрывных работ с применением современных ВВ и рациональных параметров взрывания, а также применение новейших методов, способов и средств взрывания.

В связи с обеспечением надежного инициирования скважинных зарядов ВВ с конверсионными добавками целесообразно рекомендовать разработанный так называемый универсальный канальный боевик (УКБ), который хорошо зарекомендовал себя при инициировании эмульсионных водоустойчивых взрывчатых веществ типа «Украинит» и других гранулированных смесевых взрывчатых веществ. Конструктивная особенность УКБ заключается в сочетании детонирующего заряда с пустотелой полостью (каналом). Взрыв промежуточного боевика обеспечивается, за счет пустотелой полости, формирование потока выделяемой энергии с большей скоростью, чем скорость детонации основного заряда, что позволяет развить в нем предшествующие детонационные процессы, переходящие в детонацию с увеличенной скоростью. Это очень важно в случае применения взрывчатых веществ с невысокой скоростью детонации, а также при наличии конверсионных добавок в промышленные взрывчатые вещества.

Была разработана конструкция так называемого универсального канального боевика, конструктивная особенность которого заключается в сочетании детонирующего заряда ВВ с пустотелой полостью [4]. УКБ устанавливаются в скважины перед началом заряжания. При применении УКБ в частично обводненных скважинах с применением технологии заряжания в полиэтиленовый рукав, изделие устанавливается вне рукава. Устройства УКБ используются в скважинах, заряжаемых любыми взрывчатыми веществами. Установка УКБ в скважинах с водой может осуществляться вслед за бурением. Типовая конструкция скважинного заряда с универсальным канальным боевиком показана на рис. 1.

Возможны два варианта размещения УКБ в скважине.

УКБ устанавливается на забой скважины и общая длина собранных элементов меньше высоты заряда на 1,5 м. В этом варианте верхний промежуточный детонатор (ПД) устанавливается над УКБ на 1 м ниже верхней кромки заряда. Нижний ПД устанавливается сбоку УКБ на высоте 4,5

м выше забоя скважины при инициировании ПД с помощью детонирующего шнура (ДТШ), а при инициировании ПД с помощью средств неэлектрического инициирования нижний ПД устанавливается на высоте 1м выше забоя скважины.

Кроме этого, можно рекомендовать новый способ инициирования зарядов с использованием кумулятивного эффекта, который показал на практике высокую надежность инициирования. Этот способ инициирования скважинных зарядов включает создание в скважине воздушной полости, установку кумулятивного устройства, промежуточного детонатора с детонирующим шнуром над кумулятивным устройством, с последующим заполнением скважины взрывчатым веществом [5].

№ 1

№2

№3

№4

Рис. 1. Конструкции промежуточных детонаторов-боевиков (УКБ):

1 - забойка; 2 - нити ДШЭ-12; 3 - тара; 4 - шашка Т-400Г;

5 - волновод 11475; 6 - шашка ДПУ-830; 7 - пластиковые бутылки

При размещении УКБ в перебуре груз и запорное устройство закрепляется нижним концом веревки непосредственно у нижнего элемента. При размещении УКБ выше линии перебура груз и запорное устройство подвязываются к веревке УКБ на расстоянии 3,5...4,0 м от нижнего элемента. Механизмом достижения цели служит обоснование технологических параметров взрывной отбойки железистых кварцитов, обеспечивающих минимальный выхода мобильных пылевых частиц, состоящее из последовательно выполняемых этапов [6].

Заряжание скважины диаметром 250 мм с применением воздушной подушки осуществляется следующим образом. Для формирования такой конструкции заряда в скважину предварительно опускают изготовленную

37

заранее гирлянду, состоящую из полиэтиленового рукава диаметром 200 мм, в котором последовательно расположены соединенные между собой кассеты высотой 0,33 м каждая. Кассеты представляют собой 4 пустотелые круглого сечения полиэтиленовые емкости диаметром 100 мм, соединенные между собой по периметру специальным шпагатом, внутри них расположен шнур, с помощью которого гирлянда опускается в скважину. В нижней части гирлянды располагается кассета утяжелитель - отражатель ударных волн. Она представляет собой 4 полиэтиленовые емкости, заполненные концентратом.

После утяжелителя в полиэтиленовом рукаве располагаются последовательно 3-5 кассет, емкости которых заполнены воздухом давлением 2 атм. Гирлянды с утяжелителем используются в обводненных скважинах, в сухих скважинах - можно использовать гирлянды без утяжелителя. С помощью шнура, расположенного по центру кассет, гирлянду опускают на дно скважины и располагают над уровнем подошвы уступа (рис. 2). Конец шнура, удерживающий гирлянду, укрепляют у устья скважины.

Рис. 2. Конструкция скважинного заряда ВВ с воздушной подушкой: 1 - скважина; 2 - забойка; 3 - заряд ВВ; 4 - детонирующий шнур; 5 - промежуточный детонатор; 6 - шнур, к которому крепится гирлянда; 7 - полиэтиленовый рукав; 8 - полиэтиленовая емкость, заполненная воздухом; 9 - уровень подошвы уступа; 10 - полиэтиленовая емкость, заполненная концентратом -отражатель ударных волн

Для формирования конструкции заряда в скважину предварительно опускают изготовленную заранее или в процессе заряжания гирлянду из пустотелых полиэтиленовых емкостей круглого сечения диаметром

38

80...100 мм для скважин диаметром 250 мм. Благодаря наличию мощного канального и кумулятивного действия взрыва, направленного ко дну скважины, лучше прорабатывается подошва уступа, что позволяет уменьшить величину перебура на 30...50 %. Создание промежутков во взрывчатом веществе или каналов гирляндой из пустотелых изделий отходов при заряжании буровых скважин в разных горнотехнических условиях, дает возможность не только улучшить дробление отбиваемого массива с минимально возможным расходом ВВ, но и утилизировать отходы производства, что является одним из элементов энергоснабжения.

Разработанные конструкции испытаны на железорудных карьерах ЮГОКа, ЦГОКа, НКГОКа и СевГОКа [7]. На основании полученных в ходе исследований данных разрабатывается общая концепция охраны окружающей среды от технологического загрязнения.

Концепция основана на положениях:

- совместная оценка параметров окружающей среды и производства;

- регулирование цен на производство и компенсацию ущерба среде.

Расстояние оседания мелких частиц в турбулентной атмосфере сокращается за счет турбулентной диффузии. Даже самые мелкие частицы осаждаются в окрестности карьера за счет седиментации, инерционного осаждения, диффузии и действия электрического поля Земли.

Попавшие в почву пылевые частицы при любых малых размерах имеют возможности для поддержания процесса выщелачивания: воду, кислород и плюсовую температуру.

Наиболее активно металлы извлекаются при отношении твердого к жидкому 1:400 по объему. В интервале значений 0...400 объемов выделяются 2 пика значений, что связано с физическим состоянием выщелачиваемого материала. Скорость химико-физических процессов определяется суммой скоростей отдельных реакций внутри-диффузионной и химической кинетики.

В зонах регионов, подверженных техногенному влиянию, отмечается снижение урожайности культур и деградация растительности. Становится опасным использовать в рационе питания продукты животноводства, полученные на фураже, заготовленном в окрестностях карьеров, и зерновые культуры, выращенные на землях вблизи источников выбросов пыли [8-9].

Минералы железа в числе прочих подвергаются фотохимическому разрушению, образованию комплексов, микробиологическому выщелачиванию, в результате чего железо переходит в водную среду.

В присутствии воды железосодержащие минералы реагируют с образованием серной кислоты. Высвобождающиеся из твердых матриц металлы транспортируются водными потоками в пределах почвенного слоя

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_

литосферы. Железо в истинно растворенной форме входит в состав донных отложений и гетерогенных систем, которые сорбируют и накапливают его. Впоследствии железо может высвобождаться из систем под действием энергии и образовывать токсиканты, в результате чего происходит деградация окружающей среды. Металлы, попадающие в почвы с мелкодисперсными пылевыми частицами, накапливаются в верхнем, аккумулятивном горизонте, что обуславливается не только способностью гуминовых кислот, но и климатическими особенностями региона. При увлажнении среды они немедленно вступают в реакции с образованием токсикантов.

В процессе наложения геохимических барьеров в регионе формируются локальные техногенные аномалии, способные перерасти в региональные и глобальные. В радиусе до 10 км от горных предприятий формируется зона чрезвычайно опасного загрязнения, а в почвах содержится 70 % элементов первого класса опасности. В радиусе от 10 до 20 км в почвах формируется зона опасного загрязнения, а в почвах на долю элементов первого класса опасности приходится 20 %. На расстоянии более 20 километров формируется зона умеренно опасного загрязнения [10-11].

В рамках сформировавшихся аномалий проявляются новые свойства токсичных загрязнителей. В том числе коллективные факторы взаимодействия металлов. Например, совместная токсичность железа и меди в 6 раз выше, чем токсичность каждого из этих металлов в тех же количествах в отдельности. Этот феномен наблюдается и между коллективами других металлов. Суммарная загрязненность почв опасна не только массой техногенной нагрузки, но и ответной реакцией на воздействие вследствие синер-гетических эффектов комбинированного воздействия составляющих их компонентов.

Таким образом, важнейшими направлениями в области снижения техногенного воздействия процессов добычи железных руд, являются:

- разработка общей концепция охраны окружающей среды от технологического загрязнения;

- совершенствование и внедрение рациональных параметров буровзрывных работ.

Внедрение новейших современных технологий добычи и переработки железных руд, позволит снизить техногенные нагрузки горнодобывающих предприятий на окружающую среду и улучшить геоэкологическое состояние сельского хозяйства Белгородского региона.

Основные выводы и предложения заключаются в следующем.

1. При производстве буровзрывных работ в карьере необходимо учитывать категорию трещиноватости и коэффициент крепости в кварцитах определенного петрографического состава и структурного залегания, а также пространственное положение структурно-однородных зон.

40

В связи, с чем рекомендуется в отдельных случаях по возможности ориентировать взрывные блоки длинной стороной параллельно простиранию структуры.

2. Сетку буровзрывных скважин следует располагать в блоке так, чтобы концентрация напряжений от взрыва одновременно взрываемых групп зарядов приходилась на приосевые крупноблочные зоны. Инициирование скважинных зарядов их порядок следует обеспечивать с учётом концентрации упругих волн напряжений на наиболее трудно-взрываемых участках массива, где требуется наибольшая концентрация напряжений. Все перечисленные особенности неоднократно использовались при проектировании параметров БВР в производственных условиях при массовых взрывах в карьерах при добыче железистых кварцитов на Лебединском ГОКе, Старого Оскола и КМА.

3. С целью повышения эффективности и экологической безопасности взрывных работ целесообразно применять взрывчатые вещества с малым содержанием тротила, а также эмульсионные и гелеобразные взрывчатые вещества, и утилизируемые изделия военного назначения в сочетании с мощными инициирующими зарядами. Целесообразно ориентироваться на скважинные заряды с осевыми полостями.

4. Для повышения устойчивого режима детонации применять универсальный канальный боевик, отличительная особенность которого заключается в сочетании детонирующего заряда взрывчатого вещества с продольной пустотной полостью. Отличительной особенностью новых конструкций зарядов является формирование устойчивых полостей различного назначения до начала производства взрыва, а также применение гирлянд из пустотелых емкостей для формирования зарядов с универсальным канальным боевиком.

5. Применение зарядов с универсальным канальным боевиком позволяет на 10...15 % сократить расход дорогостоящих и дефицитных взрывчатых веществ и, не увеличивая удельный расход, обеспечить снижение диаметра среднего куска взорванной горной массы на 15...20 % при компактном развале с коэффициентом разрыхления 1,15...1,20 и за счет направленного развития взрыва достичь проектной отметки подошвы уступа.

6. Расчет и выбор рациональных параметров БВР должен осуществляться с учетом комплексного влияния природных и техногенных факторов с использованием современных программ, методик и ЭВМ.

Список литературы

1. Воробьев А.Е., Балыхин Г. А., Комащенко В.И. Национальная минерально-сырьевая безопасность России: современное состояние и перспективы: учебник. М.: Высшая школа, 2007. 471 с.

_Известия ТулГУ. Науки о Земле. 2016. Вып. 1_

2. Комащенко В.И., Голик В.И., Дребенштедт К. Влияние деятельности геологоразведочной и горнодобывающей промышленности на окружающую среду. М.: КДУ, 2010. 356 с.

3. Белин В. А., Дугарцыренов А.В., Цэдэнбат А. Взрывание неоднородных массивов горных пород с вечномерзлыми линзообразными включениями // Взрывное дело: сборник научных трудов. Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня. 2007. №ОВ7. C. 266 -272.

4. Повышение эффективности взрывной отбойки на основе новых способов инициирования скважинных зарядов на карьерах / В.И. Кома-щенко, В.И. Голик, В.А. Белин, А.Л. Гапоненко // ГИАБ. № 9. 2014. С. 293304.

5. Komashchenko V.I., Erokhin I.V. Iron ore explosive blasting technology improvement, which reduce soil and environment pollution // Technische University Bergakademie Freiberg. Medienzentrum der TU Bergakademie Freiberg. Germany. 2014. P. 185 -193.

6. Лукьянов В.Г., Комащенко В.И, Шмурыгин В.А. Взрывные работы. Томск: Изд-во ТПУ, 2008. 402 с.

7. Экологические проблемы разработки рудных месторождений КМА / В.И. Голик, О.Н. Полухин, А.Н. Петин, В.И. Комащенко // Горный журнал. 2013. №4. С. 91-98.

8. Белин В.А. Уровень промышленной безопасности при ведении взрывных работ на горных предприятиях России // ГИАБ. № 6. 2011. С. 2935.

9. Голик В.И., Комащенко В.И. Природоохранные технологии управления состоянием массива на геомеханической основе. М. КДУ. 2010. 520 с.

10. Kachurin Nikolai, ^mashchenko Vitaly, Morkun Vladimir Environmental monitoring atmosphere of mining territories. // Metallurgical and Mining Industry. 2015. № 6. P. 595-597.

Комащенко Виталий Иванович, д-р техн. наук, проф., galina_stas@mail.ru, Россия, Владикавказ, Северо-Кавказский государственный технологический университет

CREATING BLASTING TECHNOLOGY WHICH DECREASING ENVIRONMENTAL

DETRIMENTAL EFFECT

V.I. Koma^shenko

Alternative technologies of benching with complex using detonating processes of deep-hole charges and explosive materials composition were created. Construction of universal canal initiator constriction which consists of detonating charge and hollow volume was proposed. New constructions of the deep-hole charges were considered.

Key words: crushing rocks, blasting, open pit, deep-hole charges, conversion additive, drilling and blasting operations, environmental protection, geoecology.

Komashenko Vitalyi Ivanovicg, doctor of technical sciences, professor, gali-na_stas@mail.ru, Russia, Vladikavkaz, North Caucasus State Technological University

УДК [622.271.45:504.1]-047.43

МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОРОДНЫХ ОТВАЛОВ ШАХТ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Н.Д. Левкин, С.З. Калаева, В.Л. Рыбак, С.М. Богданов

Уточнены закономерности воздействия породных отвалов угольных шахт на окружающую среду как в процессе их эксплуатации, так и после ликвидации шахт. Усовершенствованы методические подходы к комплексной геоэкологической оценке воздействия породных отвалов угольных шахт на окружающую среду. Показано, что эффективный подход основывается на адекватных моделях ветрового обтекания отвалов и конвективно-диффузионного переноса пылегазовых примесей в зоне действия отвалов.

Ключевые слова: породный отвал, воздействие, окружающая среда, воздушный поток, диффузия, пыль, газовый загрязнитель, математическая модель, оценка экологических последствий, вычислительный эксперимент.

В последние годы в мире растет значение угля как источника энергии и ожидается, что в перспективе такая тенденция сохранится. Согласно прогнозу «Energy Information Administration» к 2030 г. доля угля в мировом потреблении энергоносителей составит около 28 %, а в производстве электроэнергии - примерно 45 % (например, в 2004 г. - 43 %). В настоящее время уголь имеет ценовые преимущества перед нефтью и природным газом. Несмотря на возрастающие транспортные издержки, аналитики называют уголь «конкурентоспособным энергоносителем будущего». Долгосрочная программа развития угольной промышленности России также нацелена на реализацию потенциальных конкурентных преимуществ российских угольных компаний и переход к инновационному социально ориентированному типу экономического развития страны. Прогнозный диапазон рациональных объемов добычи угля в 2030 г. должен составить 380...430 млн т. При этом научные исследования, связанные с экологической оценкой реструктуризации и диверсификации угольной промышленности, позволят реформировать экономику страны во многих промышленных отраслях на собственной природно-ресурсной базе.

43