Размещено на http://www.allbest.ru/

Житомирський державний технологічний університет

Оцінка еколого-гідрологічного впливу на довкілля вибухових робіт при розробці нерудних родовищ корисних копалин

УДК 628.1

Бакка М.Т., Давидова І.В.

Рекомендовано до друку д.т.н., проф. Воробйовим В.В.

20.11.2006

Вступ

Проблема забруднення водойм Центрального Полісся України набуває сьогодні катастрофічного характеру. Збільшення антропогенного впливу на водні джерела та ландшафти водозбірних територій призвело до порушення умов формування стоку і гідрологічного режиму, зниження самовідновної спроможності водних ресурсів. Це зумовило зменшення водності річок та зниження їх біопродуктивності. Для вирішення цієї проблеми необхідно вжити систему заходів щодо попередження забруднення водних об'єктів. Першою ланкою такої системи повинен стати детальний аналіз джерел забруднення водного середовища.

Дослідження динаміки основних видів землекористування свідчить про високе навантаження території області гірничовидобувними підприємствами, які здійснюють значний негативний вплив на довкілля. Житомирська область характеризується великим обсягом видобування і переробки гранітів, гранодіоритів, габро, лабрадоритів, граніто-гнейсів та інших порід. Найбільш поширеними корисними копалинами регіону є камінь будівельний (буто-щебенева сировина). В зв'язку з тим, що підприємства з видобування будівельного каменю розміщені нерівномірно і часто знаходяться досить близько один від одного, на території Житомирської області утворилися локальні зони забруднення, спричинені діяльністю гірничовидобувної промисловості, деякі з яких мають досить високий рівень токсичності.

У наукових матеріалах з вивчення впливу гірничовидобувних підприємств на гідросферу регіону не завжди достатньо висвітлюються питання динаміки хіміко-гідрологічних показників водних об'єктів при проведенні вибухових робіт на кар'єрах з видобування будівельного каменю. Кожен з показників має свої основні характеристики, що визначають його вплив на загальну токсичність водного середовища. Тому дослідження залежності цих показників від часу відстоювання кар'єрної води і обґрунтування на цій основі параметрів її самоочищення є досить актуальними.

Аналіз попередніх досліджень. Вивченню впливу розробки родовищ корисних копалин відкритим способом на забруднення довкілля присвячені роботи багатьох відомих вчених: Е.І. Єфремова, П.В. Бересневича, З.Г. Лознякова, А.М. Михайлова, Б.Д. Россі, О.А Пирського, Г.М. Рижова та ін. Більшість цих досліджень спрямовані на вивчення впливу кар'єрів на забруднення атмосферного повітря та земну поверхню [1,2]. При цьому значна увага приділяється негативному впливу на атмосферу саме вибухових робіт. Забрудненню природних водних об'єктів при проведенні масових вибухів на кар'єрах присвячено менше досліджень, і основна увага приділяється вимиванню аміачної селітри з тротилвмісних вибухових сумішей без подальшого аналізу впливу сполук нітрогену на водне середовище [3].

Мета роботи. Аналіз гідрохімічних показників якості кар'єрних вод при проведенні вибухових робіт на нерудних кар'єрах Центрального Полісся та дослідження їх динаміки за допомогою математико-статистичних прийомів.

Матеріал і результати досліджень

При руйнуванні твердої скельної породи вибуховим способом в атмосферу потрапляє значна кількість пилу та газів. Заряд вибухової речовини досягає 800 - 1200 т, а кількість зруйнованої породи досягає 6 млн. т за один масовий вибух на кар'єрі. При цьому викидається в атмосферу 150...200 т пилу і 6000...8000 м³ шкідливих газів [4]. Пилогазова хмара піднімається на висоту 150...250 м, а потім поширюється за напрямком вітру на значні відстані. Її об'єм може досягати 15...20 млн. м³, концентрація пилу залежно від різних причин змінюється від 680 до 4250 мг/м³, а питоме пилоутворення складає 0,043...0,254 кг пилу на 1 кг вибухової речовини (ВР) [5]. Зі збільшенням питомої витрати ВР в два рази питоме пиловидалення збільшується в шість разів [4].

Відомо, що якісний і кількісний склад токсичних газів і екологічно шкідливих твердих продуктів реакції вибухового перетворення свердловинних зарядів залежить як від типу ВР, так і від умов вибуху (хімічного складу ВР, фізико-механічних властивостей порід, технології ведення вибухових робіт і т.д.). Установлено, що застосування тротилвмісних ВР при здійсненні масових вибухів призводить до викиду в повітря від сотень до тисяч кубометрів пилу та шкідливих газів [4]. За різними даними при вибуху 1 кг гранулатолу в атмосферу виділяється від 250 до 300 л умовного оксиду карбону (СО), при вибуху 1 кг граммоніту 79/21 - 84-150 л, ігданіту - 64 л, грануліту УП-1 - 74 л, пореміту - 23-25 л [1,2]. Ця пилогазова хмара забруднює на своєму шляху ґрунтовий покрив, рослинність, водні об'єкти. Суттєвого впливу зазнають і поверхневі та підземні води. Практично всі продукти вибуху (оксиди нітрогену, сульфуру і т.п.) розчинні у воді та здатні вступати з нею в реакцію з утворенням при цьому відповідних кислот і солей. Крім цього, руйнування скельних порід спричиняє вимивання ґрунтовими водами розчинних мінералів та сполук, які містяться в покладах корисних копалин [6].

Більшість вибухівок, які застосовуються в Україні (граммонит, грануліт тощо) в своєму складі містять аміачну селітру. Вона є нестійкою до дії води, розчиняється в ній і може вимиватися з вибухової суміші природними водами. Так, за даними НТУ при застосуванні такої вибухової речовини як граммоніт 50/50 до 30% аміачної селітри, що міститься в її складі, розчиняється ґрунтовими та підземними водами ще до проведення вибухових робіт. Для граммоніту 79/21 цей показник сягає 50%, що становить приблизно 6...25 т водорозчинних компонентів за один масовий вибух для гранітних кар'єрів [3]. Разом з продуктами розкладу вибухових речовин та водорозчинними сполуками, що вимиваються із зруйнованої гірської породи, ці речовини потрапляють до вод кар'єрного водовідливу, а потім надходять до природних водних об'єктів, забруднюючи їх.

Аналіз та порівняння попередніх експериментальних даних свідчать про те, що для буто-щебеневих кар'єрів Центрального Полісся України найбільш характерними забруднювачами ґрунтових та поверхневих вод після проведення масового вибуху є сполуки нітрогену (нітрити, нітрати, сольовий амоній), які є продуктами розкладу вибухових речовин; сульфати, іони магнію та кальцію як результат вимивання хімічних речовин зі зруйнованої породи та пов'язані з ними значення твердості, лужності і рН води. Тому для моделювання динаміки хімічного складу кар'єрних вод проводився аналіз саме за цими показниками.

Застосування математико-статистичних прийомів у даній роботі передбачає вивчення за хіміко-токсикологічним параметрами кар'єрних вод часових змін загальної токсичності водних об'єктів. У даній роботі статистична обробка виконувалася за результатами натурних спостережень та лабораторних досліджень хімічного складу вод кар'єрного водовідливу на прикладі одного із найбільших нерудних родовищ регіону - Пенізевицького родовища №1. антропогенний гідрохімічний нерудний полісся

Щоб застосувати апарат математичної статистики і встановити емпіричну залежність, були взяті часові точки, для кожної з яких були відомі концентрації хімічних речовин у досліджуваній воді. Застосовання статистичної обробки щодо отриманих результатів дозволило вирішувати такі задачі:

- визначення гідрохімічних статистичних показників і законів їх динаміки;

- аналіз форми і близькості зв'язку між показниками та часовими характеристиками;

- оцінка й ступінь парної кореляції між показниками та визначення сукупностей взаємопов'язаних параметрів.

За існуючою класифікацією [7] досліджувані показники з якісної оцінки належать до показників статистичних властивостей будь-яких масових явищ і процесів, за кількісною ознакою - до відносних показників, що характеризують взаємозв'язок результативних показників (у)-наслідків (параметри зміни концентрації хімічних речовин у кар'єрній воді) з факторними показниками (х)-причинами (час відстоювання кар'єрної води).

Статистичні дослідження показників виконувалися в такій послідовності: побудова гістограм показників; установлення форми залежності від часу; обґрунтування достовірності залежностей шляхом проведення дисперсійного аналізу і розрахунок близькості зв'язку між показниками методом кореляційно-регресивного аналізу і моделювання.

На підставі експериментальних даних можна підібрати теоретичну криву, що апроксимує емпіричний розподіл, описати її відомими рівняннями й виявити статистичний закон динаміки гідрохімічного показника. В регресійному аналізі спочатку вибирається вид залежності показника від часу. Перш, ніж обчислювати коефіцієнт детермінації, будують графік поля кореляції у вигляді крапкових діаграм [7] (рис. 1). Вид залежності обирають, виходячи з конфігурації кореляційного поля.

Рисунок 1 - Графіки поля кореляції й рівняння регресії результативних показників від часових характеристик

Усі обчислення і побудова графічних зображень виконуються в пакеті прикладних програм Excel.

За конфігурацією поля кореляції можна відразу зробити висновок про форму й тісноту зв'язку. Коефіцієнт парної лінійної кореляції r обчислюється в тих випадках, коли поле кореляції досить прямолінійне, тобто існують лінійні зв'язки y = a + bx Прикладом припустимого виду зв'язків можуть бути інші рівняння парної регресії. Існують зв'язки, які добре описуються логарифмічними y = a + bln(х), параболічними y = a + bx² + сx, експонентними y = e^a+bx й іншими.

Комп'ютерні програми регресійного аналізу дають можливість на підставі прийнятого критерію вибрати найбільш адекватну модель (табл. 1).

Для підтвердження достовірності виявлених залежностей нами був проведений однофакторний дисперсійний аналіз (табл. 2). Оцінка виконується за допомогою F-критерію Фішера: F = s²_факт./s²_ост.. Для цього були обчислені фактичне значення критерію Фішера статистики F_факт і значення критичної точки розподілу Фішера (з таблиць) F_табл. = 3,02. Оскільки для всіх моделей F_табл. < F_факт., то гіпотеза про незначимість моделей відхиляється.

Таким чином, можна зробити висновок, що концентрація певного ряду хімічних речовин у кар'єрній воді лінійно або параболічно залежить від часу її відстоювання після проведення масового вибуху. При наявності набору подібних розподілів і розрахунків для них теоретичних функцій за формою гістограм і видом функцій можна визначати концентрацію певної хімічної речовини в кар'єрній воді в необхідну точку часу. Але зазвичай доводиться вирішувати протилежну задачу. Часто виникає необхідність перед скиданням стічних вод провести їх очищення до рівня, який відповідає фоновому. Час, необхідний для самоочищення кар'єрних вод, можна розрахувати на основі отриманих емпіричних залежностей.

Особлива роль при проведенні математичного аналізу належить статистичним прийомам виявлення зв'язків між явищами. З цією метою застосовується різноманітний апарат кореляційного аналізу, що створює основу для більш тонких видів аналізу: дисперсійного, факторного, регресійного і т.д., які є найбільш перспективними математичними моделями.

Застосування кореляційного зв'язку дозволяє виміряти параметри рівняння, які відображують зв'язок середніх значень залежної змінної зі значеннями незалежної змінної, дозволяють виміряти параметри рівняння зв'язків середніх значень залежної змінної зі значеннями незалежної змінної; визначають близькість зв'язку двох (або більшого числа) показників між собою.

Кореляційний аналіз дозволяє визначити форму і близькість зв'язку між гідрохімічними параметрами, визначити взаємопов'язані показники.

Найпростішою системою кореляційного зв'язку є лінійний зв'язок між двома показниками - парна кореляція. Рівнянням парного лінійного кореляційного зв'язку є рівняння парної регресії:

y = a + bx, (1)

де у - середнє значення результативної ознаки b при певному значенні фактичної ознаки х; а - вільний член рівняння; b - коефіцієнт регресії. Вільний член рівняння регресії а обчислюється за формулою:

a = y - bх. (2)

Оскільки розрахунок рівняння кореляційного зв'язку (1) ведеться відносно первинних даних х_і; у_і, то зручніша для обчислення коефіцієнта регресії b наступна формула [8]:

, (3)

де х_і; у_і - індивідуальні значення результативної і факторної ознак для кожної одиниці сукупності.

Надійність встановленого кореляційного зв'язку перевіряють за стандартною помилкою коефіцієнта кореляції:

, (4)

Таблиця 1 - Типи і рівняння кореляційної залежності хімічних показників від часу відстоювання кар'єрної води

Таблиця 2 - Однофакторний дисперсійний аналіз

Знаючи стандартну похибку оцінки коефіцієнта регресії m_r і значення самого коефіцієнта r_x,y, обчислюють критерій суттєвості коефіцієнта кореляції:

. (5)

Суттєвість встановленого зв'язку перевіряється згідно табличного значення t-критерію Стьюдента (t_теор.) і обчисленого (t_факт.), приймаючи рівень значущості 0,1 або 0,05.

Для всіх досліджуваних елементів був розрахований коефіцієнт кореляції. Як видно з таблиці 3 майже всі елементи мають між собою суттєвий кореляційний зв'язок (достовірність 99%). Загальній тенденції не відповідає сольовий амоній, який має кореляційний зв'язок лише з нітритами. Нітрогенвмісні сполуки є продуктами розкладу вибухових речовин. Тому їх концентрація в кар'єрній воді залежить від кількості та виду вибухівки, що використовується при проведенні вибухових робіт і практично не залежить від хімічного складу порід, що руйнуються.

Закономірно пов'язані між собою концентрація іонів кальцію та магнію, оскільки мають подібні шляхи надходження. Вони потрапляють у поверхневі води в результаті взаємодії розчиненого двооксиду карбону, що в значній кількості утворюється після проведення масового вибуху, з карбонатними мінералами та інших процесів хімічного вивітрювання і розчинення ґрунтовими водами карбонатних мінералів з розрихленої породи та ґрунту. Збільшення вмісту у воді іонів кальцію і магнію закономірно обумовлює збільшення твердості води, що підтверджується значенням коефіцієнту кореляції.

Таблиця 3 - Значення коефіцієнтів парної кореляції між елементами, що досліджувалися

Висновки

1. Застосування математико-статистичних прийомів при аналізі хімічного складу кар'єрної води дозволяє отримати рівняння кореляційної залежності показників якості води від часу її відстоювання.

2. На основі дисперсійного аналізу було підтверджено достовірність отриманих кореляційних залежностей лінійного типу для таких показників, як концентрація іонів калію, магнію та загальної жорсткості, параболічного типу для концентрації нітритів, нітратів і показника рН та гіперболічного типу для концентрації сольового амонію і лужності води.

3. Попарна кореляція між показниками дозволяє із загальної кількості показників виділити дві сукупності, які з причин свого походження більш тісно пов'язані між собою: нітрогеновмісні сполуки як продукти розмивання вибухівки та іони кальцію та натрію, що вимиваються зі зруйнованої породи і пов'язані між собою через загальну твердість.

Література

1. Михайлов А.М. Охрана окружающей среды при разработке месторождений открытым способом. - М.: Недра. 1981. - 184 с.

2. Позняков З.Г., Росси Б.Д. Справочник по взрывчатым веществам и средствам взрывания. - М.: Недра, 1977. - 342 с.

3. Гопанюк Д.Г., Швець В.Ю., Стрілець О.П. Підвищення екологічної безпеки здійснення масових підривних робіт для потреб гірничо-видобувного виробництва// Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки регіонів. Матеріали Другої Міжнародної науково-практичної конференції. - Дніпропетровськ, 2003. - С. 183-184.

4. Бересневич П.В. Исследования процессов образования, выделения и рассеивания газов при массовых взрывах. - Кривой Рог, 1966.

5. Ефремов Э.И., Борескович П.В., Петренко В.. и др. Проблемы экологии массовых взрывов в карьерах. - Днепропетровск: Січ, 1996. - 179 с.

6. Техногенные потоки вещества в ландшафтах и состояние екосистем / Под ред. М.А. Глазовской. - М.: Наука, 1981. - 256 с.

7. Гліненко Л.К., Сухоносов О.Г. Основи моделювання технічних систем: Навч. посібник. - Львів: Видавництво «Бескид Біт», 2003. - 176 с.

Размещено на Allbest.ru