Снижение техногенной нагрузки на окружающую среду при использовании простейших взрывчатых веществ и специальной забойки

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Одним из основных источников загрязнения окружающей среды при добыче полезных ископаемых открытым способом являются массовые взрывы, при производстве которых загрязняется атмосфера карьеров и прилегающих районов, создаётся неудовлетворительная экологическая ситуация промышленных зон региона.

Годовой расход взрывчатых веществ (ВВ) в США составляет около 2 млн. тонн, России - свыше 700 тыс. тонн. В Украине при добыче полезных ископаемых открытым способом расходуется 80-85 тыс. тонн ВВ в год. При этом значительная часть из них (свыше 65 %) используется на железорудных карьерах Кривбасса. Карьеры по добыче флюсовых известняков и доломитов расходуют свыше 7,7 тыс. тонн ВВ в год.

Ассортимент ВВ для открытых горных работ в Украине (табл.1) за последние годы практически не изменился и представлен в основном тротилосодержащими ВВ (граммонит 79/21, акватол Т-20Г), чистым тротилом, а также ВВ простейшего состава (КС-1, ПВС-1У, Д-5 и др.).

Увеличение глубины карьеров ведет к соответствующему росту объёмов добычи крепких и обводнённых горных пород. Достаточно сказать, что только на железорудных карьерах Кривбасса около 75 % отбиваемых пород относятся к крепким и обводнённым.

Карьеры нерудной промышленности (гранитные и флюсовые карьеры) разрабатывают породы различной крепости, хотя преобладают породы средней крепости. Их обводнённость, в отличие от железорудных карьеров, не такая высокая: более высокая на гранитных карьерах, а обводнённость пород флюсовых карьеров не превышает 30 %. При разрушении обводнённых пород растут объёмы использования мощных водоустойчивых ВВ, являющихся наиболее опасными по выбросам вредных газов.

Известно, что при разрушении пород различного минералогического состава с удельным расходом ВВ от 0,4 до 1,1 кг/м3 образуется от 0,03 до 0,17 кг пыли, а вредных газов, в зависимости от типа ВВ (таблице 1), до 270 л/кг (при использовании гранулотола). Объём пылегазового облака (ПГО) при массовом взрыве средней мощности (400-500т) составляет 10-12 млн. м3. Высота его подъёма достигает 1,5 км при дальности распространения более 12 км.

Таким образом, массовый взрыв в карьере является источником двух основных вредных компонентов: пыли и газов.

Таблица 1. Характеристика основных типов ВВ для открытых горных работ

Следует отметить, что понятие «массовый» взрыв не несет однозначную информацию. Если на мелких карьерах - это взрыв одного блока, то на крупных карьерах - это взрывы нескольких блоков (5-7) на разных горизонтах и участках карьера в один день. Вполне очевидно, что локальное пылегазоподавление в этом случае практически исключается. Как следствие, атмосфера карьера интенсивно загрязняется. Нужны другие нетрадиционные методы нейтрализации ПГО, и, прежде всего, на стадии подготовки взрыва.

Основным источником вредных газов при взрыве являются взрывчатые вещества. Качественный и количественный состав токсичных газов зависит как от типа ВВ, так и условий взрывания (химический состав ВВ, физико-механические свойства пород, технологии ведения взрывных работ и т.д.). При положительном кислородном балансе образуются окислы азота, а при отрицательном - окись углерода. Предельно допустимая концентрация (ПДК) окиси углерода составляет 0,0016 % по объёму или 0,02 мг/л. Предельно допустимая концентрация окиси азота - 0,0002 %.

Пути сокращения выбросов вредных газов. Как отмечалось выше, на железорудных карьерах Кривбасса объём крепких и обводнённых пород на данный момент составляет около 75 % [1]. Как следствие, расход дорогостоящих водоустойчивых ВВ, например, в 2002 г. составил: гранулотола - 9,2 %, акватола - 18,7 % и граммонита 79/21 - 68,3 %. Именно эти ВВ относятся к наиболее опасными по выбросам вредных газов. Решение проблемы сокращения выбросов вредных газов возможно двумя путями. С одной стороны, широкомасштабное внедрение эмульсионных ВВ в обводнённых породах, а также модернизированных горячельющихся ВВ типа ГЛТ-15ГУ, с другой - использование ВВ простейшего состава. Эмульсионные ВВ являются самыми «чистыми» по выбросам вредных газов. Экологически «чистыми» являются и ВВ простейшего состава, в частности, ПВС-1У, игданит ИВД-5 и гранулит Д-5.

Проблема использования ВВ простейшего состава в обводнённых породах решается сложно, а вернее, технология заряжания находится в стадии испытаний (осушение скважин перед заряжанием ВВ в полиэтиленовые рукава, пневмозаряжание ВВ в рукава и др.). Более оправданным и эффективным на данном этапе следует признать использование простейших ВВ в необводнённых породах. Для железорудных карьеров Кривбасса - это 12-13 млн. м3 горных пород или 25 % общего годового объёма взрывания по бассейну. Реально это может составить около 5-6 млн. м3 (породы средней и ниже средней крепости). Для карьеров по добыче флюсовых известняков и доломитов объём обводнённых пород не превышает 30 %, а это предопределяет широкомасштабное использование простейших ВВ. Это подтверждается практикой работы предприятий (ДФДК, Балаклавское РУ, Комсомольское РУ и др.).

При отбойке обводнённых горных пород в настоящее время, в связи с отсутствием эмульсионных ВВ, наибольшее применение получили граммонит 79/21 и акватол Т-20Г. В перспективе намечается активное применение эмульсионных ВВ (до 50 %), хотя объём использования граммонита 79/21 всё еще останется на уровне 30 %.

Таким образом, в ближайшее время логично ожидать значительного снижения выбросов вредных газов при массовых взрывах за счет замены тротилосодержащих ВВ на эмульсионные ВВ и на ВВ простейшего состава. Вместе с тем, уже на данном этапе возможны способы нейтрализации вредных газов при взрыве и уменьшения объёма газов, выбрасываемых в атмосферу карьера.

В Украине разработано устройство управления энергией взрыва (УУЭВ), которое представляет собой пластиковую капсулу, заполненную гашеной известью в виде элемента овальной формы [2]. Устройство опускают на заряд ВВ в скважине, после чего в скважину засыпают забоечный материал (не более 0,3-0,5 длины забойки). Устройство под действием газообразных продуктов взрыва сминается, при этом возрастает трение забоечного материала о стенки скважины и происходит в ней запирание продуктов взрыва. Опытные промышленные взрывы на карьерах показали, что объём пылегазового облака с использованием УУЭВ уменьшается более чем в два раза. Газы в этом случае «работают» на дробление пород.

Особую роль с позиции охраны окружающей среды в устройстве УУЭВ играет гашеная известь (Ca(OH)2). Использование гашеной извести приводит к следующему. Соединение Ca(OH)2 относится к сильным основаниям и способно энергично взаимодействовать с оксидами кислотного характера: NO2, CO и CO2:

2Ca(OH)2+4NO2=Ca(NO3)2+Ca(NO2)2+2H2O (1)

Ca(OH)2 + 2NO2 + 0,5O2 = Ca(NO3)2 + H2O (2)

Ca(OH)2 + 2CO = Ca(OOCH)2 (3)

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O (4)

Из материального баланса приведенных уравнений следует, что 1 кг гашеной извести при нормальных условиях способен поглотить 605, 4 литров NO2 или СО или 302,7 литров СО2.

Если ВВ имеет положительный кислородный баланс, то в продуктах взрыва будет преимущественно содержаться NO2 и CO2.

Оценим термодинамическую вероятность протекания реакций (1,2) и реакции (4).

Критерием направленности реакций является, как правило, сродство или изменение свободной энергии Гиббса (G), определяемое из соотношения:

G0T = H0T - TS0T, (5)

где H0T - тепловой эффект реакции при данной температуре;

S0T - изменение энтропии в ходе процесса.

При нормальных условиях (Т=298 К, Р = 1,013 • 105 Па) изменение свободной энергии, определённое по справочным данным [3], для реакций (1,2) составило 250ч270 кДж/моль, тогда как для реакции (4) G0298 = - 65 кДж/моль.

Таким образом, термодинамическая вероятность протекания реакций (1,2) гораздо выше, чем реакции (4). Следовательно, 10 кг гашеной извести, с учётом высокой температуры взрыва, создают условия достаточно высокой вероятности поглощения до 6000 литров NO2.

Если ВВ имеет небольшой отрицательный кислородный баланс, то, согласно правилу Бринкли-Вильсона [4], кислород будет последовательно окислять водород до Н2О, затем до СО и лишь оставшаяся часть кислорода образует СО2. Исходя из этого следует, что реакция (3) поглощения СО гашеной известью с образованием формиата кальция [5] будет более вероятна, чем реакция (4), и 10 кг Ca(OH)2 способны нейтрализовать до 6000 литров CO.

Принимая во внимание, что при взрыве ВВ с близким нулевому кислородным балансом выделяется не более 5 л/кг NO2 и 10 л/кг СО, можно утверждать, что использование в устройстве увеличения эффективности взрыва (УУЭВ) 10 кг гашеной извести на заряд массой 600-800 кг акватола ГЛТ-20 или граммонита 79/21, с учетом высокой температуры взрыва, позволяет практически полностью нейтрализовать выделяющийся NO2 и на 40-60 % снизить содержание СО в продуктах взрыва. Даже, если предположить, что в нейтрализации вредных газов примет участие лишь часть гашеной извести, сочетание механического запирания газообразных продуктов взрыва пластиковой капсулой и реакции поглощения вредных газов гашеной известью, приведёт к значительному улучшению экологической ситуации при производстве массовых взрывов в карьерах по газовому фактору. взрывной пылевой деформация пластический

Сокращение размеров зоны пластических деформаций - путь к снижению объёмов пылевых выбросов. Объём пылевых выбросов при ведении взрывных работ определяется несколькими факторами: зоной пластических деформаций на контакте заряда ВВ с породой, массой буровой мелочи на площадке уступа, а также забоечного материала. Наконец, это пылевые частицы, образовавшиеся при непосредственном разрушении породы энергией взрыва и при соударении кусков породы в процессе взрыва. При этом объём пылевых частиц за счет буровой мелочи и забоечного материала практически постоянен, а масса пыли из зоны пластических деформаций является доминирующей и достигает 50 % от объёма всей пыли при взрыве. Таким образом, решение проблемы сокращения пылевых выбросов при массовых взрывах в карьерах нам видится в сокращении размеров зоны пластических деформаций.

Известно, что размер зоны пластических деформаций колеблется в пределах 3-7 радиусов заряда и зависит от типа ВВ и пород. Чем выше скорость детонации и плотность ВВ, тем большая зона переизмельчения пород. Как показывают расчёты [6], потери энергии для чистого тэна в 1,85 раза выше, чем для низкобризантного ВВ. Таким образом, уменьшить размеры зоны пластических деформаций можно за счет использования ВВ простейшего состава, что было подтверждено расчетами и практикой ведения взрывных работ в условиях карьеров нерудной промышленности. Зона переизмельчения при использовании простейших ВВ уменьшается вдвое по сравнению с высокобризантными ВВ типа граммонит 79/21. Управляя размерами этой зоны, мы решаем две задачи: повышаем коэффициент полезного действия взрыва на дробление пород и снижаем объём пылевых выбросов в атмосферу карьера. Если же учесть, что ВВ простейшего состава, такие как ПВС-1У, гранулит Д-5, игданит ИВД-5 и др. наиболее благоприятные по выбросам вредных газов, целесообразность их использования становится очевидной.

Отбойка крепких и обводнённых горных пород ВВ простейшего состава неэффективна. В свою очередь, водоустойчивые высокобризантные ВВ типа гранулотол, акватол Т-20Г при взрыве выделяют значительное количество вредных газов и создают максимальный объём переизмельчения (пылевых фракций). Переход на использование в этих условиях эмульсионных ВВ решает проблему выбросов вредных газов, но в силу высокой плотности и скорости детонации этих ВВ, не решает вопрос уменьшения зоны переизмельчения (выбросов пыли). Теоретически эту проблему можно решить, создав кольцевой воздушный зазор между стенкой скважины и зарядом ВВ. Однако технологически это нереальная задача, а поэтому нужны другие способы пылеподавления. В частности, это возможно за счет использования гидрозабоек и размещения на поверхности уступа между рядами скважин полиэтиленовых рукавов, заполненных водой. При взрыве вода распыляется и подавляет пыль.

Таким образом, уже на данном этапе существуют реальные условия для снижения техногенной нагрузки на окружающую среду при производстве массовых взрывов в карьерах, что может быть достигнуто за счет широкомасштабного внедрения эмульсионных ВВ и ВВ простейшего состава, а также средств запирания продуктов детонации в скважинах и нейтрализации вредных газов.

Литература

1. Ищенко Н.И., Лисицын Н.В., Монаков А.Ф. Перспективы развития взрывных технологий на карьерах Кривбасса. / Бюллетень УСИВ, №1, 2003. - С.18-33.

2. Ефремов Э.И., Мартыненко В.П., Бережецкий А.Я. Способ повышения эффективности взрыва и локализации пылегазовых выбросов / Вісник Кременчуцького державного політехн. унів-ту, вип. 2, 2002. - С. 3-7.

3. Краткий справочник физико-химических величин /Под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономарёвой. - Л.: Химия, 1983. - 232 с.

4. Баум Ф.А., Станюкович К.П., Шехтер Б.И. Физика взрыва. - М.: Изд-во физмат лит-ры, 1959. - С.130.

5. Химическая энциклопедия, т2. -М.: Сов. Энциклопедия, 1990. - С. 587.

6. Пономарёв А.В. Разработка ресурсосберегающей технологии отбойки нерудных полезных ископаемых с использованием простейших ВВ. Автореферат канд. диссертации, Днепропетровск, 2002.

Размещено на Allbest.ru