Глава 5. Методы прогноза опасных ситуаций.

5.1. Математическое моделирование атмосферных процессов в карьерах.

Для математического моделирования атмосферных процессов в карьере существуют разные модели. Наиболее простые из них одномерные. Они не учитывают горизонтальную термическую неоднородность, геометрию карьера и окружающей местности. Двухмерные модели позволяют решать изотермические задачи обтекания впадин, но их использование в практических целях ограничено. Трехмерная модель дает простейшую модель естественной аэрации карьера, модель микроклимата и загрязнения карьера, модель воздухообмена в карьерах с незакрепленной верхней границей воздушной массы, модель искусственного проветривания карьера. Перейдем к изложению физической постановки трехмерной нестационарной модели микроклимата карьеров с учетом термической и орографической неоднородностей поверхности, трансформации влажности и радиационных эффектов, предназначенной для решения задач по естественному и искусственному воздухообмену в карьерах.

Так как описываемые процессы ограничены в основном пограничным слоем, обратимся к системе уравнений термогидродинамики турбулентной атмосферы и приведем ее к виду, наиболее удобному для решения задач интересующего нас класса. В качестве исходных в трехмерной модели принимаются следующие уравнения:

Уравнения движения это приложение второго закона Ньютона к воздуху. Полное ускорение частицы приравнивается сумме сил, действующих на частицу. В правой части стоят составляющие сил Кориолиса, барического градиента, трения и тяжести.

Уравнение неразрывности это выражение связи между распределением скорости и изменением плотности, т.е. условие сохранение массы - если в данном бесконечно малом объеме пространства приток и истечение газа неравны происходит соответствующие изменение массы.

Уравнение состояния выражает связь между переменными величинами, определяющими физическое состояние газа.

Уравнение притока тепла это первое начало термодинамики. В данном случае, когда внешнее воздействие на систему сводится к притоку тепла, можно выразить так; количество тепла, переданное системе, идет на увеличение ее внутренней энергии и на работу против внешних сил.

Уравнение переноса влажности описывает перераспределение в атмосфере водяного пара, поступающего в результате испарения с земной поверхности, в непосредственной близости к подстилающей поверхности путем молекулярной диффузии, в выше лежащих слоях - турбулентность и конвекция.

Схема расчетов следующая:

1. Постановка начальных и краевых условий.

2. Учет орографии. Интегрирование в специальной криволинейной системе координат с приведенной высотой.

3. Применение метода фиктивных областей, дополнительных областей до удобной для численной реализации.

4. Получение основного интегрального тождества.

5. Определение основного суммарного тождества и построение конечно-разностных аппроксимаций.

6. Перенос субстанций и турбулентный обмен.

7. Процесс согласования метеорологических полей атмосферных давления, температуры, влажности.

8. Основное интегральное тождество для системы атмосфера-поверхность-почва для расчета радиационного баланса и теплового режима подстилающей поверхности

9. Построение энергетических сбалансированных дискретных аналогов.

На основе комплекса моделей можно решать следующий класс практических задач по изучению атмосферы карьеров.

1. Естественное проветривание карьеров при различных метеорологических ситуациях.

2. Оценка времени проветривания карьера после массовых взрывов.

3. Проектирование максимальной глубины отработки карьеров с точки зрения возможностей проветривания.

4. Влияние солнечной радиации и суточного хода температуры почвы на процессы проветривания карьера.

5. Зависимость накопления примесей в атмосфере карьера от свойств подстилающей поверхности.

6. Влияние процессов переноса и трансформации влажности на режим проветривания.

7. Ряд задач искусственного проветривания динамическими струями,

8. Аэрация карьеров искусственными термиками, увлажненными конвективными струями.

9. Проветривание карьеров охлаждением слоев воздуха.

10. Оценка фонового загрязнения окружающей местности при выносе загрязняющих примесей из карьера.

11. Выявление возможностей разрушения внутрикарьерных инверсий.

Наряду с этим конкретно поставленным классом задач возможно решение более широкого круга физических задач описания микро- и мезометеорологических режимов горных районов, влияния антропогенных воздействий на атмосферные процессы, оценки и контроля загрязнения атмосферы в условиях сложной орографии и т.д.

Основные входные данные, необходимые для моделирования гидрометеорологического режима карьеров:

- географические координаты и размеры рассматриваемой области;

- рельеф местности и геометрия карьера;

- характеристики подстилающей поверхности;

- параметры шероховатости, относительной влажности, альбедо, среднесуточная температура воздуха, коэффициенты температуро – и тепло – проводности почвы или вместо последних четырех – разность между температурами подстилающей поверхности и воздуха;

- зенитный угол и склонение Солнца, облачность фоновой атмосферы;

- состав загрязняющих примесей, скорость гравитационного оседания, коэффициенты поглощения примесей поверхностью;

- термическая стратификация фоновой атмосферы и значения фоновых метеоэлементов: температуры воздуха, удельной влажности, компонент вектора скорости ветра и концентрации загрязняющих примесей;

- распределение и мощность искусственных источников примесей, тепла, влажности и импульса (для установок искусственного проветривания: начальная скорость, диаметр, угол наклона, дальнобойность струи).

Все величины, задаваемые на уровне входной информации, являются функциями пространственных координат. Фоновые значения метеоэлементов могут быть получены либо из модели мезомасштабных процессов в пограничном слое, либо по результатам обработки данных измерений в атмосфере.

Выходная информация выдается в следующих формах:

- численные значения полей метеоэлементов и концентраций во всей области, ее частях или сечениях в виде таблиц;

- поля изолиний метеоэлементов и концентраций примесей в различных сечениях;

- трехмерные поверхности изолиний метеоэлементов или рельефа;

- векторные поля скорости для различных сечений области;

- эпюры метеоэлементов по горизонтальным и вертикальным координатам в любой точке области;

- графические зависимости между различными входными и выходными параметрами.

С помощью приведенной модели можно осуществлять: моделирование метеопараметров и естественной аэрации в глубоких карьерах, численные эксперименты по расчету загрязнения атмосферы карьеров, оценивать загрязнение окружающей среды при выносе примесей из карьера, численное моделирование искусственных воздействий на атмосферу карьеров.

При решении задач проветривания атмосферы карьера очень важной является оценка загрязнения атмосферы карьера и особенно рабочих зон в карьере при определенных выбросах различных загрязняющих примесей для различных метеорологических ситуаций, а также оценка времени проветривания атмосферы карьера до нормально допустимых концентраций вредностей. С другой стороны, представляет интерес исследование возможности физической или химической нейтрализации и подавления вредных примесей в атмосфере карьеров. Поэтому модели динамики атмосферы в карьерах дополняют математическими моделями переноса и трансформаций примесей. В зависимости от природы возникновения атмосферных выбросов состав загрязняющих примесей может быть достаточно разнообразным, и они одновременно могут содержать до нескольких десятков различных пылевых и газовых компонентов. Во многих случаях на практике необходимо делать расчеты по загрязнению примесями, которые, попадая в атмосферу карьера, могут дополнительно взаимодействовать между собой и испытывать различные химические и фотохимические превращения. Для решения этих вопросов строятся модели загрязнения атмосферы карьеров многокомпонентными примесями.

5.2. Прогноз опасных ситуаций

На предприятиях горной промышленности учет потерь от неблагоприятных погодных условий в настоящее время не ведется, хотя добыча полезных ископаемых в карьерах во многих случаях при опасных метеорологических явлениях осложняется. Предупреждения о таких явлениях позволяют предпринимать меры по сокращению простоя людей и механизмов, уменьшать недовыработки продукции. При инверсии или ветре неблагоприятного направления вести в карьере взрывные работы нельзя. Системы прогноза и мониторинга, являясь неотъемлемой частью общей концепции управления пылегазовым режимом горного предприятия, рассматриваются в двух взаимосвязанных иерархиях: временной и пространственной. Прогноз является одной из важнейших составных частей проекта по защите атмосферы от загрязнений и должен включать подготовку исходных данных прогнозирования, составление прогноза, сопоставление результатов прогноза с фактическим состоянием атмосферы карьера. В данной работе даются методы краткосрочных прогнозов состояния атмосферы карьера продолжительностью от нескольких часов до суток, заблаговременность прогнозов составляет от шести часов и менее.

Суть предлагаемой методики прогнозирования состояния атмосферы карьера сводится к следующему. По ожидаемому синоптическому процессу определяется вероятность возникновения типовой метеоситуации, способствующей развитию загрязнения атмосферы карьера. По полученной информации с учетом климатических характеристик района и микроклиматического режима карьера определяется вероятность возникновения опасного по загрязнению состояния карьерной атмосферы. Приведем несколько примеров.

Для прогноза состояния термической стратификации в слое 1.5 км (Коашвинский - Центральный карьеры ОАО "Апатит") построены эмпирические графики методом последовательной графической регрессии за зимний сезон для случаев наличия и отсутствия инверсий в 1.5 км слое. На этих графиках представлена зависимость вертикального профиля температуры от степени ночного выхолаживания или дневного прогрева у поверхности земли и от стратификации атмосферы в слое до 1.5 км до начала охлаждения или прогрева. На графике (рис.14), составленном по данным за 9 часов, на оси ординат отмечен средний вертикальный градиент температуры, рассчитанный как разность температур между горнолавинными станциями Коашва и Центральный, деленный на семь слоев, т.е. , на оси абцисс - разность между температурой воздуха в 21 час и минимальной температурой последующей ночи, т.е. ΔТ = (Т₂₁ - Т_мин). Из данного рисунка видно, что чем меньше исходное значение градиента (γ) и чем больше ΔТ, тем более вероятно наличие приземной инверсии в утренние часы. Для прогноза инверсий в дневные часы прогностические графики строились на основании разностей (Т_макс - Т₃) между максимальной температурой дня (Т_макс) и температурой воздуха в 3 часа (Т₃) и значением γ по данным 03 часа.

Схема составления прогноза следующая: определяется тип синоптической ситуации, при которой может возникнуть инверсия; по скорости перемещения барического образования определяем продолжительность инверсии, прогнозируем температуру воздуха в 9 и 21 час, а также минимальную и максимальную температуру на Коашве и Центральном или, используя прогностические значения АТ-925 и АТ-850 мб. С полученными данными входим в графики, определяя, будет ли инверсия сохраняться на 9 утра (рис.14) и на 15 часов (рис.15). Ведется контроль за состоянием внутрикарьерной атмосферы по разности температур воздуха на водозаборе Коашвинского карьера и станции Рудная в долине реки Вуоннеймиок. Для удобства текущего анализа и последующего использования данная разность относится на 100 м, т.е. градиент. При градиенте γ ≤ 0 и ослаблении ветра на станции Рудная менее 3 м/с переходят на ежечасные наблюдения, а при дальнейшем увеличении градиента (в абсолютном значении) проводят отбор проб воздуха в тупиковых забоях и в забоях с наибольшим скоплением дизельной техники и осуществляют последующий химический анализ.

Для прогнозной оценки степени конвекции в районе Коашвинского карьера и карьера Центральный, а также Расвумчоррского рудника по разрезам долина реки Вуоннеймиок - плато Ловчорр и Расвумчоррской долины - плато Ловчорр по прогнозным данным температур воздуха в определенных точках строятся прогностические кривые стратификации и состояния и оценивается степень возможной конвекции. Если разница температур воздуха между ГЛС "Восточная" и ГЛС "Центральная" больше 7^о, т.е. на Центральной холоднее, то энергия неустойчивости положительна. Чем больше разница температур воздуха, тем лучше, значит, хорошо развита конвективная деятельность. Если разница меньше, энергия неустойчивости отрицательна, конвективная деятельность ослаблена. Для Расвумчоррской долины значения температуры воздуха берутся по АБК рудника и ГЛС "Центральная". Здесь критическая цифра составляет 5,5^о, зависимость та же.

Рисунок14. Прогноз инверсии на утренние часы

Для Оленегорского карьера ОАО "Олкон" расчетная методика составления прогноза после определения типа синоптической ситуации заключается в определении вертикального градиента температуры воздуха в атмосфере карьера по формуле:

γ = 0,8(Т₆₀ - Т₁₈₀)10^-2,

где Т₆₀ - температура воздуха на гор. +60 м;

Т₁₈₀ - температура воздуха на гор. +180 м.

Рисунок15. Прогноз инверсии в дневные часы

При градиенте γ ≤ 0 и ослаблении ветра на гор. +180 менее 3 м/с также переходят на ежечасные наблюдения, а при дальнейшем увеличении его проводят отбор проб воздуха в карьере и его химический анализ. Для оценки степени конвекции в этом районе, так как карьер находится на равнине, верхнее значение температуры воздуха необходимо брать по карте АТ-925 мб (400 м), как фактическое, так и прогностическое, а нижнее на нижнем горизонте. Здесь критическое значение разности температур составит 2,5^о.

Для карьера "Железный" ОАО "Ковдорский ГОК" основой прогноза после определения типа синоптической ситуации на определенном этапе его отработки послужила статистическая обработка данных измерений метеорологических величин. Были получены эмпирические зависимости изменения температуры воздуха в нижнем слое карьера ΔТ_н от температуры во всем объеме карьера ΔТ_к:

γ = 0,16 + 0,75 ΔТ_к - 0,023 ΔТ_к²

где ΔТ_к = Т_д - Т_п;

Т_д - температура воздуха на дне карьера;

Т_п - температура воздуха на поверхности карьера;

ΔТ_н - слой от 70 до 214 м.

Изменения температуры в верхнем слое карьера ΔТ_В от температуры во всем объеме ΔТ_к определяется по уравнению вида:

γ = 0,02 + 0,15 ΔТ_к + 0,02 Т_к² ,

где ΔТ_В - слой от 214 до 276 м.

Здесь критическое значение разности температур составит 2,5⁰. Данные разности температур также относятся на 100 м. При градиенте γ ≤ 0 и ослаблении ветра на гор. +276 м менее 3 м/с проводятся те же мероприятия, что и в первых двух случаях. При дальнейшем углублении данного карьера разрабатывается новая методика прогноза.

При полном штиле или при ослаблении скорости ветра с глубиной во всех карьерах также следует переходить на ежечасные метеонаблюдения. Необходимо учитывать и направление воздушных потоков, уделяя особое внимание ситуациям, когда в разных точках наблюдений при незначительных скоростях (0-3 м/с) отмечаются потоки встречных направлений.

Для района Центрального и Коашвинского карьеров расчет по аэрологической диаграмме (рисунок 16) производится следующим образом. По данным температуры воздуха ГЛС "Восточная" (отметка 210 м) и ГЛС "Центральная" (отметка 1090 м) строится кривая стратификации. Для этого на отметке 210 м отмечается температура воздуха по данным ГЛС "Восточная" на конкретный момент времени. На отметке 1090 м фиксируется температура воздуха по данным ГЛС "Центральная" на тот же момент времени. Эти две точки соединяются. Это и есть кривая стратификации. Затем проводится кривая состояния (из этой же точки температура на отметке 210 м подъем по сухой адиабате параллельно существующим). Если кривая состояния расположена правее кривой стратификации, то энергия неустойчивости положительна, причем величина ее тем больше, чем больше площадь между кривыми, что способствует развитию конвекции. Если кривая состояния расположена левее кривой стратификации, то энергия неустойчивости отрицательна, перемещение воздушных масс вверх невозможно. В данном случае затруднительно оценить энергию неустойчивости в атмосфере самого карьера, так как глубина его слишком мала для масштаба аэрологической диаграммы. Если расположить пункт наблюдения за температурой воздуха на дне карьера (водозабор 95 м), а второй пункт где-то на горизонте 300-350 м, то можно попытаться произвести такую оценку. С углублением горных работ точность данной методики будет увеличиваться. Применение данной методики позволит определять неблагоприятные метеоусловия для естественного проветривания Коашвинского и Центрального карьеров, а также вероятность попадания вредных веществ от взрыва на Коашве в атмосферу Центрального рудника и наоборот.

Рисунок 16 Аэрологическая диаграмма

Прогноз ветра в приземном слое, как и прогноз температуры воздуха (в том числе и минимальной) в районах расположения карьеров, может осуществляться любым известным методом, наиболее подходящим для данного района.

Для всех трех карьеров горизонты, где проводились метеонаблюдения, и где технически возможно установить необходимое оборудование, определялись на конкретный момент отработки. В дальнейшем для данных карьеров расположение метеооборудования можно менять и увеличивать количество точек наблюдения, делая необходимые поправки в расчетах для составления более точного прогноза. Схема для всех карьеров одна: мониторинг метео- и газонаблюдений, определение синоптической ситуации, расчет вертикального градиента температуры воздуха в объеме карьера и в атмосфере над ним, оценка энергии неустойчивости, прогноз ветра, контроль ветрового и температурного режимов.

Описанная методика составляет основу прогноза состояния атмосферы карьеров Кольского полуострова. Главные особенности этого прогноза заключаются в том, что он обеспечивает не один какой-либо карьер, а целый регион, где находятся карьеры с весьма разнообразными климатическими режимами, как в них самих, так и в районах их расположения. Эти режимы формируются одними и теми же синоптическими процессами, протекающими над Кольским полуостровом. Комплексные синоптические и климатические исследования данного региона и самих карьеров позволяют значительно повысить надежность, обеспеченность и точность прогноза. Динамика синоптических процессов, протекающих над Кольским полуостровом, позволяет разработать хотя и сложный, но в то же время и достаточно универсальный метод прогноза, который при соответствующих уточнениях и учете местных условий представляется возможным использовать и в других регионах страны. Методика может применяться как специализированными прогностическими центрами, в этом случае есть возможность вносить корректировку в прогноз, штормпредупреждения, а также осуществлять оценку оправдываемости прогнозов, что позволит повысить их надежность, так и в упрощенном варианте непосредственно диспетчерским составом рудников.

5.3. Программа автоматизированных расчетов параметров загрязнения атмосферы карьера при естественной аэрации

В Горном институте КНЦ РАН разработан метод подхода, алгоритмы и программы для автоматизированных расчетов уровня чистоты атмосферы в различных зонах при естественной аэрации карьерного пространства в произвольной точке карьера (на рабочем месте). Применение предлагаемых программ позволяет осуществлять прогноз чистоты карьерной атмосферы и повысить качество проектирования горных работ в карьере. На горном предприятии они позволяют осуществить оперативный контроль и управление горными работами при поддержании постоянно безопасной воздушной среды в карьере.

Предлагаемая программа представляет собой комплекс моделей для расчета параметров состояния чистоты атмосферы карьера в зависимости от орографии его расположения, текущих метеорологических и организационно-технических условий работы карьера. Это позволяет применить ее для решения проектных и оперативных задач поддержания безопасных условий работы карьера по фактору чистоты атмосферы. При этом критерием чистоты воздушной среды являются предельно допустимые концентрации вредных технологических примесей, выделяемых горным оборудованием и процессами (массовыми взрывами), приводящих при их превышении к острым отравлениям горнорабочих.

Основой всех расчетов является задача качественной подготовки исходных данных, от которой зависит адекватность результатов определения меры чистоты атмосферы и обеспечение безопасности воздушной среды в карьерном пространстве. Поэтому они должны готовиться и своевременно пополняться специалистами проектных или производственно-технических отделов горных предприятий, в составе которых находятся и сменные инженеры (диспетчера), осуществляющие оперативный контроль и организацию текущих горных работ в карьере.

Данная программа предназначена:

- для обоснования суточной производительности карьера по фактору безопасности атмосферы при годовом планировании горных работ;

- для оперативного управления горными работами в карьере на основе текущего состояния атмосферы при фактическом количестве и типах карьерного технологического оборудования;

- для оперативного прогноза чистоты атмосферы на рабочих местах в карьере.

Для работы с программой необходимо иметь план и вертикальные разрезы карьера, розу ветров района расположения. Это позволит в необходимой и достаточной мере задать все исходные данные для проведения всего комплекса расчетов.

Решение поставленных задач основано на следующих общеизвестных фактах.

В зависимости от направления ветра и (соответствующих этому направлению) геометрических параметров карьера возможны различные схемы естественной аэрации - схемы воздухообмена, при которых появляются зоны с обратным направлением и замкнутой циркуляцией воздушных потоков (зоны рециркуляции). От величины этих зон и количества единиц оборудования, находящегося в такой зоне, от скорости и направления (румба) ветра зависит эффективность выноса вредных технологических примесей:

- при ветре, набегающем на карьер, в зависимости от его скорости и направления (румба) определяется схема естественной аэрации карьера и размеры зон;

- по размерам этих зон и количеству работающего в них технологического оборудования программа рассчитывает концентрации вредных технологических примесей в атмосфере карьера и условия, при которых не будет превышения предельно допустимых концентраций;

- при штиле, когда скорость ветра, набегающего на карьер, равна или менее 0.5 м/с,

определяется время, необходимое для нормализации атмосферы карьера - для приведения ее в безопасное по чистоте состояние с момента появления ветра выше 0.5 м/с.

Метеорологическую информацию целесообразно получать и вводить в синоптические сроки 03, 09, 15, 21 час, а при наступлении штиля или температурной инверсии через каждый час.

Программа позволяет проводить прогнозную оценку уровня чистоты атмосферы карьера при проектировании и планировании горных работ на основе среднегодовых многолетних метеорологических данных, а также рассчитывать состояние уровня загрязнения атмосферы карьера по текущим метеорологическим данным или краткосрочному прогнозу в процессе работы карьера. При решении первой задачи задаются среднегодовые метеорологические данные и геометрия карьера на определенные периоды его работы, а для решения второй задачи необходимо задавать текущую информацию о состоянии погоды и горных работах в карьере.

Для решения указанных задач программа построена таким образом, чтобы ею могли пользоваться расчетчики, даже не имеющие опыта работы на компьютерах. Для этого на каждом листе программы (где это необходимо) указано, какие исходные данные необходимо ввести для проведения очередного этапа расчета (решения очередной задачи). Задачи в программе решаются в строгой последовательности.

Проведенные сравнительные расчеты по данной методике и общеизвестными способами ручных расчетов для проекта на месторождении алмазов им.М.В.Ломоносова показали хорошую сходимость. С помощью указанной методики рассчитаны зоны естественной аэрации для современного состояния карьеров "Коашвинский" и "Центральный" ОАО "Апатит" для всех направлений и скоростей ветра. В дальнейшем возможно для любого карьера по стадиям отработки рассчитать схемы зон естественной аэрации для всех направлений и возможных скоростей ветра. Имея такие схемы, в конкретных метеорологических условиях остается определить, в какой зоне, какая техника и сколько ее работает, чтобы оценить вероятность загрязнения атмосферы рабочих зон выше нормативных и принять организационные решения по недопущению ухудшения санитарного состояния атмосферы карьера.

5.4. Комплекс мероприятий и его оперативное применение

Комплекс мероприятий по нормализации состава атмосферы рабочих зон карьеров включает решение следующих задач: технологических и организационных, улавливания и подавления вредных примесей, интенсификации воздухообмена, снижение уровня выбросов. Задачи комплекса мероприятий должны реализовываться на следующих стадиях: проектирования, планирования, оперативного управления и контроля. Здесь рассматриваются технологические и организационные задачи на стадии оперативного управления и контроля. Факторы, определяющие уровень загрязнения атмосферы карьера, представлены в схеме 1.

Факторы, определяющие уровень загрязнения атмосферы карьера

Метеорологические

Производственные

Температурный режим

Ветровой режим

Количество работающей техники

Количество вредных выбросов

Распределение техники в карьере

Схема 1

Наихудшие условия по загрязнению атмосферы возникают при значительной инверсии и штилевых условиях, а также при большом количестве дизельной техники со значительным выбросом вредных примесей и скоплением ее в какой-то одной части карьера. Наиболее благоприятные условия будут наблюдаться при развитой конвекции и устойчивом ветровом режиме, а также при работе техники с отрегулированными двигателями, незначительным количеством вредных выбросов и равномерном распределении техники в карьере.Комплекс мероприятий по нормализации состава атмосферы в карьере представлен в схеме 2. Он включает в себя технические, организационные и метеорологические мероприятия. Технические мероприятия заключаются в регулировке двигателей и контроле содержания вредных веществ в их выхлопах при проведении ТО и ремонтных работ в различных режимах (холостой ход, 50% нагрузки, максимальная нагрузка) с фиксированием данных в соответствующих паспортах, а также включают контроль качества топлива. Для снижения токсичности выхлопных газов при работе автотранспорта необходимо предусматривать обеспечение полного сгорания топлива за счет исключения его работы на переобогащенных смесях, применения топлива соответствующей марки и чистоты, использования специальных присадок к топливу. Для уменьшения потерь от простоев карьеров предлагается система мероприятий, направленных на снижение загазованности атмосферы карьера. Основой системы является комплекс технических средств для обеспечения эффективной эксплуатации дизельной техники в условиях ограниченного воздухообмена в карьерном пространстве. Данный комплекс состоит из следующих частей, представленных на схеме 3. Районы возможного загрязнения и оценка уровня загрязнения определяются, используя рассчитанные по приведенной выше программе схемы естественной аэрации карьера при различных направлениях и скоростях ветра.

Схема оперативного контроля состояния атмосферы карьера представлена ниже (схема 4). Все расчеты по ней ведутся по изложенным выше методикам. Вся информация выводится на дисплей компьютера диспетчера смены. Ячейки 1,2,3 не требуют пояснений. Учет метеоусловий ведется по изложенным выше методикам. Контрольный отбор проб воздуха производится по необходимости с учетом производственных и метеорологических условий. На основании метеопрогноза и производственных условий определяются район и уровень возможного загрязнения атмосферы карьера.

На основе этой информации проводится оптимизация схем транспортных потоков: сокращение количества дизельной техники в карьере, перевод части ее на ремонт, ТО, прекращение работ на нижних горизонтах, применение средств индивидуальной защиты (в кабинах горной техники использование кондиционеров с фильтрующими элементами), для постоянных пунктов (водоотлив), создание помещений с подачей чистого воздуха, сокращение числа работающего персонала на открытом воздухе в карьере (маркшейдеры, взрывники и т.д.), использование гермошлемов и масок с избыточным давлением теми, кого нельзя вывести.

На основе этой информации проводится оптимизация схем транспортных потоков: сокращение количества дизельной техники в карьере, перевод части ее на ремонт, ТО, прекращение работ на нижних горизонтах, применение средств индивидуальной защиты (в кабинах горной техники использование кондиционеров с фильтрующими элементами), для постоянных пунктов (водоотлив), создание помещений с подачей чистого воздуха, сокращение числа работающего персонала на открытом воздухе в карьере (маркшейдеры, взрывники и т.д.), использование гермошлемов и масок с избыточным давлением теми, кого нельзя вывести.

Комплекс мероприятий по нормализации состава атмосферы в карьерах

Технические мероприятия

Организационные мероприятия

Метеорологические мероприятия

Использование в технологиче-ском комплексе техники с наи-меньшей интен-сивностью выделения вредных примесей

Ведение горных работ, обеспечивающее оптимальную схему естественной вентиляции карьера

Расположение оборудования у верхних бровок уступов

Проведение МВ при благо-приятных метеоусловиях

Составление паспортов расположения оборудования и предупрежда-ющего наложения потоков загряз-ненного воздуха на рабочие места

Контроль состава воздуха в карьере

Контроль метеорологи-ческого режима в карьере

Прогноз состояния атмосферы карьера

Схема 2

Какая техника и сколько ее работает в карьере за N

Данные из паспорта по выхлопу на единицу техники за N

Где работает в карьере

Контроль состояния атмосферы карьера оперативный

Определение районов возможного загрязнения

Оценка уровня воз-можного загрязнения

Принятие оперативных мер

Схема 3

Предлагаемый комплекс позволяет осуществлять контроль за состоянием атмосферы карьера после массового взрыва, оценивать уровень загрязнения воздушной среды на промплощадке рудников и их взаимовлияние, оценивать общую нагрузку на окружающую среду с учетом реальных объемов выбросов. Обработка и анализ получаемой информации приведет к созданию перспективных, более надежных методов прогноза и рекомендаций, вплоть до рекомендаций заводам-изготовителям дизельных двигателей и газоанализаторного оборудования, разработка газопоглощающего, нейтрализующего оборудования и индивидуальных средств защиты, а также кабин (герметизация).

Метеонаблюдения в карьере и его районе

Прогноз на 12-24 часа

Контроль газового состояния атмосферы карьера

Оценка синоптической

ситуации

Прогнозный метеорасчет

для карьерного пространства

Схема 4

Использование прогноза позволит перераспределить рабочих по сменам, перенести сроки взрывных работ, изменить оперативное планирование по автоперевозкам, улучшит экономические показатели, повысит надежность использования механизмов и оборудования, обеспечит безопасность проведения работ.

При оценке экономической эффективности комплекса мероприятий по нормализации состава атмосферы в карьере необходимо учитывать не только прямые доходы, связанные с сокращением простоев, повышением производительности труда, уменьшением профзаболеваний, но также социальные и психологические аспекты, не поддающиеся экономическому учету, хотя, безусловно, значительно влияющие на деятельность горного предприятия в целом.

5.5. Оценка природных условий и выбор технологических основ открытых горных работ по фактору вентиляции.

Разработка регламента по нормализации воздушной среды при отработке карьера производится следующим образом.

Во-первых, рассматриваются природные условия района и площадки будущего карьера. При этом анализу подлежат географическое положение месторождения, рельеф местности, климатические и метеорологические условия района, горно-геологическая характеристика месторождения,

Далее определяются условия и интенсивность естественного воздухообмена в карьере на различных этапах его отработки.

Устанавливается суммарное количество примесей, поступающих в атмосферу карьерного пространства, и определяется удельный вес выделений от техники или иных источников.

Затем прогнозируется концентрация примесей в общей атмосфере карьерного пространства и устанавливаются периоды, требующие проведения специальных профилактических мероприятий по оздоровлению воздушной среды в карьере.

Определяются концентрации примесей, атак же метеоусловия на рабочих местах горного оборудования.

Обосновываются и выбираются необходимые средства и методы снижения количества пыли и газов, поступающих в атмосферу карьерного пространства.

Далее решаются организационные вопросы, связанные с контролем состава воздуха и эксплуатацией средств нормализации атмосферы в карьерном пространстве.

Из климатических характеристик задаются среднемесячные температуры воздуха, скорость ветра и направление (роза ветров), повторяемость скоростей ветра по градациям, повторяемость штилей, продолжительность и повторяемость инверсий в приземном слое, средние и максимальные инверсионные градиенты.

Горно-геологические характеристики свойства вмещающих горных пород. Способы осушения карьеров путем строительства водоотливных каналов и бурение водопонижающих скважин.

Исходными данными к расчету показателей работы технологического автотранспорта по первой и второй очереди эксплуатации карьера: -расчет показателей работы технологического транспорта; -расчет схем загрязнения -рециркуляционная, прямоточная, комбинированная;

-учет интенсивности выбросов загрязнений при разном режиме работы двигателей (холостой ход, 50% мощности, максимальная мощность);

-учет времени работы технологического транспорта в карьере и на поверхности,

-выход вредных примесей от единичных источников автосамосвалов, бульдозеров, экскаваторов, автопогрузчиков и т.д. с учетом режима работы по мощности и его временем.

Далее рассчитывается выход вредных примесей по карьеру от количества работающей техники по срокам отработки. Следующим определяется уровень загрязнения атмосферы карьера по срокам отработки, интенсивность поступления пыли от горного оборудования, характеристики пылевой обстановки по периодам отработки.

Затем производится расчет эффективности проветривания отдельных рабочих мест Определяется состояние атмосферы карьера при штилях, время загрязнения карьера при штилевых условиях и его проветривание после штиля.

Для обеспечения санитарно-гигиенических условий труда в карьере применяются:

- способы пылеподавления;

- способы снижения загрязнения воздушного пространства карьера.

На заключительной стадии рассматриваются возможности распределения вредных примесей в окружающей среде за пределами карьера, проводится мониторинг атмосферы карьера и окружающей среды,

При проектировании открытых горных работ необходимо производить оценку состояния атмосферы карьера. Безопасность ведения горных работ в карьере зависит от ряда факторов, одним из которых является наличие вредных газовых примесей выхлопов технологического оборудования. Актуальность работы состоит в прогнозной оценке состояния атмосферы карьера по газовому фактору. Разработана программа идентификации варианта работы карьера для конкретных метеорологических условий и количества оборудования по типам.

В зависимости от направления ветра и геометрических параметров карьера возможны различные схемы естественной аэрации - схемы воздухообмена, при которых появляются зоны с обратными направлениями и замкнутой циркуляцией воздушных потоков (зоны рециркуляции). От величины этих зон и количества единиц оборудования, находящегося в такой зоне, с учетом скорости и направления ветра зависит эффективность выноса вредных технологических примесей.

Вторым фактором, от которого зависит эффективность выноса вредных примесей является температурная стратификация в атмосфере карьера и над ним. Если температура воздуха в карьере с высотой понижается, то конвективные потоки способствуют выносу

вредных примесей за пределы карьера. Если температура с высотой растет, то вредные примеси скапливаются в атмосфере карьера.

Программа позволяет проводить прогнозную оценку состояния атмосферы карьера при проектировании и планировании горных работ на основе многолетних метеорологических данных, а также рассчитывать состояние уровня загрязнения атмосферы карьера по текущим метеоданным или краткосрочному прогнозу в процессе работы карьера.

Задачи, решаемые с помощью данной программы, являются сопряженными с задачами экологических расчетов окружающей среды вокруг карьеров. Применение программы позволяет осуществлять прогноз чистоты атмосферы карьера и повысить качество проектирования горных работ в карьере. На горном предприятии она позволяет осуществлять оперативный контроль и управление горными работами при поддержании постоянно безопасной воздушной среды в карьере.

5.6. Возможные пути нормализации атмосферы карьеров.

Обеспечение оптимального воздействия горного производства на состояние воздуха рабочей зоны при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом остается одной из проблем горной науки и производства. Анализ материала длительных наблюдений свидетельствует о том, что загрязнение атмосферы в карьерах неблагоприятно сказывается на состоянии здоровья трудящихся, повышая опасность возникновения профессиональных заболеваний, а иногда и острых отравлений, снижает производительность труда и наносит определенный экономический, а также социальный ущерб.

На предприятиях горной промышленности учет потерь от неблагоприятных погодных условий в настоящее время не ведется, хотя добыча полезных ископаемых в карьерах во многих случаях при опасных для производства метеорологических явлениях осложняется. Предупреждения о таких явлениях позволяют принимать меры по сокращению простоя людей и механизмов. Без обеспечения безопасного состояния атмосферы карьеров по фактору загрязнения невозможно стабильное ритмичное ведение горных работ и создание комфортных условий для персонала рудника.

Основным направлением проводимых исследований является: изучение закономерностей и причин нарушения естественного воздухообмена в карьерах и сопровождающее его загрязнение атмосферы; определение потребности в энергетических ресурсах для выведения атмосферы карьерного пространства из состояния устойчивости; прогнозирование моментов наступления загрязнения атмосферы карьеров; разработка средств и методов оперативной регистрации параметров физического санитарно-гигиенического состояния атмосферы в карьерах.

В последнее время не снимается в повестки дня искусственная вентиляция глубоких карьеров, при этом главный упор делается на оценку технической возможности проветривания, а вопрос о его целесообразности даже не ставится, поскольку ответ на него вроде очевиден: оно необходимо для нормализации условий труда персонала. Известно, что какие бы идеальные условия производственной среды ни создавались, повышенная чувствительность отдельных работников к химическим воздействиям обуславливает возникновение общих и профессиональных заболеваний. А поскольку определено, что работники карьеров трудятся и, объективно будут продолжать трудиться в условиях сверхнормативного загрязнения атмосферы, то положение только усугубляется. Поэтому применение средств обеспечения персонала карьеров воздухом нормативного состава становится неизбежным.

Попытки применения для принудительного проветривания карьерного пространства изотермических и термических искусственных струй показали их несостоятельность как в природном (невозможность изменить фактическое состояние атмосферы внутри карьера и над районом его расположения), в технологическом (громоздкие установки, большое их количество), так и в экономическом плане (огромные энергетические затраты).

Пути нормализации атмосферы карьеров различны по полноте решения проблемы. Коренное решение – полное подавление и улавливание вредных примесей, выделяющихся при работе оборудования, транспорта и технологических процессов в карьере. Сюда относятся: жесткий контроль за качеством топлива, использование катализаторов на выхлопе двигателей, герметизация кабин горного оборудования и использование фильтров для очистки поступающего в кабины воздуха, проведение массовых взрывов при метеорологических условиях, способствующих естественному проветриванию карьерного пространства, мониторинг состояния карьерной атмосферы и окружающего пространства. Все эти вопросы нужно не только декларировать, но и решать на практике.

Атмосфера карьеров является открытой системой; состояние ее весьма чувствительно к изменениям, происходящим в окружающей среде, и требует учета существующих между ними связей. Стремление атмосферы к образованию циркуляционных течений самого различного масштаба (хотя и не всегда четко выраженных) характерно для течений, возникающих в объеме карьера. Масштаб циркуляционных течений в основном определяет объем воздуха, в котором происходит рассеивание вредных примесей. Учитывая, что атмосфера карьера является открытой системой, контроль ее функционирования включает следующие основные условия: наличие потоков воздуха и энергии через границы системы и, соответственно, потоков массы примесей; суммарный поток массы примесей, покидающих систему, должен быть не менее поступающего свежего потока. Эти условия зачастую не принимаются во внимание исследователями, что приводит к субъективным оценкам масштабов воздействия на систему.

Анализ взаимодействия физических процессов в атмосфере карьера и граничной воздушной массе при устойчивом ее состоянии позволил получить представление о неадекватности воздействия их друг на друга, то есть состояние атмосферы карьера полностью определяется состоянием окружающей среды. При общем крупномасштабном устойчивом состоянии воздушных масс и их механическом равновесии ввод дополнительной энергии на локальных участках приводит лишь к усилению процесса рассеяния примесей в определенном объеме, ограниченном областью действия возникающей местной циркуляции.

Представляется перспективным изыскание новых методов использования энергии естественных процессов для активизации воздухообмена в карьерах. Методы нормализации состава атмосферы в карьерах, в том числе и вентиляция, являются составной частью технологического комплекса, только в совокупности с которым возможно эффективное и экономичное создание безопасных условий труда.

При современном уровне развития техники и технологии ведения открытых горных работ неизбежен рост затрат, связанных с поддержанием воздушной среды в карьерах в пределах ПДК. Для организации функционирования системы вентиляции карьеров необходимо нарушить тепловое или механическое равновесие в атмосфере не только в объеме карьера, но и за его пределами, что при современных ограниченных энергетических ресурсах является практически неосуществимой задачей, поэтому становится совершенно неочевидной возможность санитарно-гигиенической нормализации атмосферных условий в карьере с помощью вводимой антропогенной энергии. Правильный выбор технологии горных работ является наиболее эффективным средством улучшения атмосферных условий, не требующим специальных материальных затрат. В дальнейшем целесообразно комплексное решение следующих вопросов:

-совершенствование методов прогнозирования опасных по загрязнению атмосферы метеорологических ситуаций,

-разработка методов снижения выделения вредных примесей при всех технологических процессах и используемом оборудовании,

-изыскание экологически чистых технических средств и технологий ведения открытых горных работ,

-разработка методов социально-экономической оценки системы нормализации состояния атмосферы глубоких карьеров,

-рассмотрение возможности предварительной оценки стоимости вынужденных простоев по метеорологическим факторам за год и отнесение ее на себестоимость продукции, а также учет в планах добычи и отгрузки; оценка эффективности применения метеопрогнозов.

Комплексная проработка проблемы нормализации атмосферы в карьерах на базе современной технологии позволит обеспечить чистоту воздуха в карьерном пространстве и на прилегающих территориях.