Розробка технології знепилення хвостосховищ гірничо-збагачувальних комбінатів Кривбасу

Размещено на http://www.allbest.ru/

КРИВОРІЗЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МІНІСТЕРСТВА ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

05.26.01 - охорона праці

УДК 622.807.622.684

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Розробка технології знепилення хвостосховищ

гірничо-збагачувальних комбінатів КРИВБАСУ

Домнічев Микола Володимирович

Кривий Ріг 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Криворізькому технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Гурін Аркадій Олександрович, Криворізький технічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри рудникової аерології та охорони праці.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Колесник Валерій Євгенійович, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, професор кафедри екології;

Кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Тищук Володимир Юрійович, ДП «Науково-дослідний інститут безпеки праці та екології в гірничорудній і металургійній промисловості» (м. Кривий Ріг), Міністерства промислової політики України, завідувач лабораторії промислової екології.

Захист відбудеться «19» травня 2010 р. об 11⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 09.052.02 в Криворізькому технічному університеті за адресою: 50002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Криворізького технічного університету за адресою: 50002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37.

Автореферат розісланий «19» квітня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор О.М. Голишев

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

пил хвостосховище здування

Актуальність теми. Технологія видобутку корисних копалин з подальшим збагаченням бідних руд, що існує на сьогодні, потребує великих територій під облаштування спеціальних місць для розміщення відходів збагачення (хвостів). Найбільшого поширення в промислових умовах набув мокрий спосіб їх складування, тобто гідровідвалоутворення. В основному, це намив гідросуміші хвостової пульпи у спеціальні гідротехнічні споруди - хвостосховища, що являють собою місткості природного чи штучного походження, обгороджені греблею чи дамбою, які споруджуються зі скельних і глинистих порід та хвостів.

Понад 70 % видобутої залізорудної сировини у Кривбасі переробляється на п'яти гірничо-збагачувальних комбінатах (далі ГЗК). Відходи збагачення (хвости) складуються до хвостосховищ, які займають значну площу (близько 4700 га). Більшість хвостосховищ регіону насьогодні є діючими, обсяги хвостів, які щорічно складуються до хвостосховищ, вимірюються в межах 30-40 млн.,м³.

Після намиву карти у зонах випуску хвостової пульпи на хвостосховищах утворюються сухі ділянки, котрі виступають над водною поверхнею. Хвости на ділянках укосів швидко віддають вологу, висихають і при швидкостях вітру понад 3 м/с, піддаючись вітровій ерозії, стають джерелами винесення пилу в атмосферне повітря. Намив деяких діючих хвостосховищ Кривбасу вже наблизився до проектних відміток і досягає висоти понад 100 м. Це сприяє зпонаднню вітрової ерозії на їх поверхні, а відповідно і поширенню негативного впливу хвостосховищ на стан здоров'я працівників підприємств. Переважна більшість хвостів за своїм фракційним складом належить до ерозійно-небезпечного пилу, до 90 % якого становлять частинки діаметром менше 50 мкм. При тривалому впливі пил сприяє розвитку таких професійних захворювань як пиловий бронхіт, силікоз тощо. Лише на обслуговуванні хвостосховищ ГЗК Кривбасу щоденно задіяно понад 300 осіб персоналу. За період 2003-2006 рр. у постійного персоналу ГЗК Кривбасу було зареєстровано 72 випадки різних професійних захворювань дихальних шляхів.

Для запобігання негативному впливу діючих хвостосховищ на стан здоров'я працівників і з метою поліпшення санітарно-гігієнічних умов на прилеглих територіях різні автори пропонують закріплювати сухі ділянки хвостосховищ відходами нафтопереробки та виробництва целюлози, латексами, полімерами тощо, які утворюють на поверхні хвостів тонку плівку. Але всі ці засоби мають суттєві недоліки: низьку механічну стійкість покриття, токсичність, складність приготування і нанесення, неможливість використання в зимовий період, велику вартість тощо. Крім того, всі вони пройшли лише експериментальне випробування і на момент проведення досліджень не знайшли використання на ГЗК Кривбасу.

Тому розробка і дослідження нової технології закріплення поверхонь діючих хвостосховищ, з яких відбувається винесення пилу, є актуальною науковою і практичною задачею, що має важливе значення для захисту виробничого персоналу та навколишнього середовища від шкідливої дії пилу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок досліджень відповідає основним напрямкам Концепції розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 року. Роботу спрямовано на виконання Конституції України, зокрема статті 16, щодо збереження генофонду українського народу та статті 43, спрямованої на забезпечення права на належні, безпечні і здорові умови праці, а також ст. 153 «Створення безпечних і нешкідливих умов праці» Кодексу законів про працю України. Наукові результати дисертації одержано при виконанні науково-дослідної роботи «Експериментальні роботи з дослідження нових способів зниження або усунення процесів пилоутворення із сухих пляжів хвостосховища, пилоутворюючих поверхонь відпрацьованих відвалів та інших пило утворюючих поверхонь об'єктів ВАТ «ІнГЗК» (№ ДР 0109U006136), у якій автор брав участь як виконавець.

Метою дисертаційної роботи є скорочення винесення пилу з поверхонь діючих хвостосховищ гірничо-збагачувальних комбінатів та покращення умов праці гірників за рахунок зменшення концентрації пилу в повітрі робочої зони.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:

· проаналізувати наявні засоби закріплення поверхонь діючих хвостосховищ, з яких відбувається винесення пилу, і визначити їх ефективність;

· дослідити процеси здування пилу з поверхні хвостосховищ з урахуванням складу, стану й особливостей хвостів;

· виконати математичне моделювання процесу винесення частинок пилу з поверхні хвостосховища залежно від його вологості та метеорологічних умов;

· обґрунтувати доцільність використання водного розчину природного бішофіту (РПБ) в умовах гірничо-збагачувальних комбінатів Кривбасу, визначити оптимальні параметри його використання;

· розробити технологію закріплення поверхонь пилоутворення на діючих хвостосховищах Кривбасу та провести її промислові дослідження.

Об'єкт дослідження - процеси підвищення безпеки праці гірників на залізорудних гірничо-збагачувальних комбінатах, що перебувають під впливом пиловиділення з хвостосховищ.

Предмет дослідження - процеси винесення і розповсюдження пилу з сухих ділянок діючих хвостосховищ та їх закріплення з урахуванням взаємодії хвостів з вологою та розчином природного бішофіту.

Методи дослідження. При розв'язанні поставлених завдань використовувався комплексний метод досліджень, який містить аналіз літературних джерел, методи теоретичних узагальнень з адгезії й аутогезії дисперсних систем, аерогазодинаміки, фізичного моделювання, а також лабораторні та промислові дослідження з використанням загальноприйнятих методик.

Ідея роботи полягає у використанні сил аутогезії, утворених водним розчином природного бішофіту на поверхні пилових частинок для їх зв'язування в поверхневому шарі хвостів.

Наукові положення, які виносяться на захист.

1. Зволоження сухих хвостів збагачення водою до максимально-молекулярної вологоємності 6-7 %, що відповідає питомій силі аутогезії

60-80 Н/м², забезпечує утримування пилу на поверхні хвостосховища та дотримання допустимих концентрацій пилових частинок у повітрі робочих зон при швидкостях вітру не понад, ніж 3-4 м/с.

2. Використання для протипилового закріплення сухої поверхні хвостосховища водного розчину природного бішофіту густиною не менше 1250 кг/м³ з витратами закріплювача 1,5-2 л/м², при проникненні його на глибину до 3см та нанесенні з висоти понад 1 м дозволяє обмежити ступінь забруднення повітря пилом на межах хвостосховища не вище ГДК, з урахуванням вмісту в ньому діоксиду кремнію, при швидкостях вітру до 12 м/с.

Наукова новизна одержаних результатів:

- встановлено закономірності винесення пилу з поверхонь хвостосховищ у межах їх робочих зон залежно від вологості хвостів з урахуванням кліматичних умов;

- уперше на основі використання моделі двофазного потоку виконано математичне описання процесів здіймання пилу хвостів збагачення залежно від швидкості вітрового потоку, вологості хвостів, їх дисперсного складу та значення сил аутогезії;

- уперше визначено критичну вологість хвостів збагачення залізної руди відносно початку здіймання його частинок у повітря під впливом вітру, що досягає 3,5-4%, та їх максимальну молекулярну вологість, в межах 6-6,7%;

- встановлено вплив висоти нанесення розчину природного бішофіту на ефективність змочування поверхні сухих пляжів хвостосховища і глибини проникнення у матеріал хвостів, при цьому її мінімальна необхідна висота над поверхнею склала приблизно 1 м;

- обґрунтовано можливість використання водного розчину природного бішофіту як всепогодного засобу боротьби з пилом для закріплення поверхонь хвостосховищ, що дозволяє протягом тривалого часу підтримувати їх у зволоженому стані.

Наукове значення роботи полягає у подальшому розвитку наукових уявлень щодо механізму взаємодії гігроскопічних пилозв'язувальних речовин з ерозійно-нестійкою поверхнею хвостосховищ, яка скорочує здіймання пилу у повітря робочих зон, покращення умов праці гірників.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Розроблено технологію закріплення поверхні діючих хвостосховищ за допомогою розчину природного бішофіту, що враховує його фізико-механічні властивості, метеорологічні умови, конфігурацію карт, яка показала позитивні результати в різних погодних умовах.

2. Розроблено інструкцію “Закрепление пылящих поверхностей хвостохранилищ ОАО “СевГОК” водным раствором природного бишофита”, яку затверджено ВАТ “Північний ГЗК”.

Технологію закріплення розчином природного бішофіту було перевірено у промислових умовах на хвостосховищах ГЗК ВАТ “АМКР” та ВАТ “Північний ГЗК” та прийнято до застосування, що дозволило значно скоротити кількість винесення пилу у повітря та покращити умови праці за пиловим фактором не тільки на робочих місцях хвостосховища, але й на прилеглих до нього промислових об'єктах.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно сформулював ідею і мету роботи; визначив шляхи та методи їх реалізації; сформулював наукові положення і висновки за одержаними результатами досліджень; здійснив математичне описання процесу здіймання пилових частинок хвостосховищ залежно від сили вітрового потоку, вологості матеріалу та величини його аутогезії; одержав і перевірив розрахункову залежність, що дозволяє визначати критичну вологість матеріалу хвостосховищ з урахуванням вищенаведених факторів; виконав лабораторні та промислові дослідження ефективності запропонованої технології закріплення хвостів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та окремі результати роботи доповідалися й отримали схвалення на міжнародних науково-технічних конференціях “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості” (Кривий Ріг, 2006, 2008, 2009 рр.), Міжнародному форумі молодих вчених “Проблемы недропользования” (РФ, Санкт-Петербург, 2008 р.), міжнародному симпозіумі “Якість металургійної сировини” (Крим, Партеніт, 2008 р.), Міжнародній конференції «Охорона навколишнього середовища промислових регіонів як умова сталого розвитку України» (Запоріжжя, 2009р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 6 наукових статей, з яких 3 - у фахових виданнях, затверджених ВАК України, одержано патент України на винахід.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 94 найменувань на 10 сторінках і 4 додатків на 22 сторінках. Загальний обсяг дисертації становить 128 сторінок, з них основний текст - 117 сторінок, 34 рисунки і 26 таблиць.

Автор висловлює глибоку вдячність усім працівникам ВАТ «АМКР» та ВАТ «ПівнГЗК» та особисто народному депутатові України - Вілкулу Олександру Юрійовичу за надану можливість та допомогу в проведенні промислових досліджень розробленої технології закріплення поверхонь хвостосховищ.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету, ідею та завдання дослідження, визначено наукову новизну і практичну цінність одержаних результатів, наведено наукові положення, що виносяться на захист, а також дані щодо апробації та публікації результатів досліджень.

У першому розділі зроблено аналітичний огляд сучасного стану хвостосховищ та існуючої технології складування відходів збагачення, дано характеристику джерел пиловиділення і стану об'єктів дослідження, розглянуто відомі заходи зі зменшення пиловиділення з поверхні хвостосховищ, розглянуто придатність використання тих чи інших заходів та засобів закріплення поверхонь, що пилять.

Проблематикою хвостосховищ як джерела забруднення атмосферного повітря пилом займалися такі вчені, як Бересневич П.В., Борисов В.Г., Бондарчук О.М. Гурін А.О., Кузьменко П.К., Лапшин О.Є., Михайлов В.О., Неженцева Н.Г., Сметана М.Г., Тищук В.Ю., Черконос А.І. та інші. Вони зокрема вивчали особливості пиловиділення і запропонували різні методи боротьби з винесенням пилу з хвостосховищ. Але такі закріплювачі, як бітумна емульсія, гліцериновий гудрон, універсин, госіполова емульсія тощо, запропоновані в нашому регіоні, насьогодні не знайшли промислового використання. В основному, на заваді їх впровадженню стають незадовільна механічна стійкість, висока вартість і неможливість використання цих засобів у зимовий період.

Єдиним реагентом, що знайшов реальне використання на діючих хвостосховищах Кривбасу на момент проведення досліджень, став розчин сирого сульфатного мила (ССМ). Але він також має численні недоліки - мала стійкість, неможливість використання в зимовий період, складність транспортування та необхідність спеціальної підготовки розчину перед використанням.

Тому, на підставі проведеного аналізу, було сформульовано мету дисертаційної роботи та визначено завдання досліджень.

У другому розділі наведено результати дослідження процесу здування пилу з поверхні хвостосховища.

Гранулометричний та ситовий склад хвостів на хвостосховищах ГЗК Кривбасу доводить, що хвости - це тонкозернистий матеріал, в якому вміст фракцій ? 0,05 мм становить до 90%, середній діаметр частинок хвостів змінюється від 0,07 мм до 0,55 мм, однак переважають пилуваті хвости. Важливими характеристиками хвостів є також пористість і коефіцієнт фільтрації, що характеризується проникністю хвостів, їх властивістю пропускати через себе рідину, які перебувають в межах 0,541-3,39 м/добу.

Було досліджено процеси, які впливають на здіймання пилу з поверхні хвостосховищ, і встановлено, що вони визначаються комплексом керованих і некерованих факторів. До керованих факторів відносимо параметри хвостосховищ, техніку й технологію складування хвостів, організацію робіт, а також гранулометричний і хімічний склад хвостів, зв'язуваність частинок хвостів між собою тощо. До головних некерованих факторів відносяться кліматичні умови, такі як швидкість вітру, характер його зміни над поверхнею хвостів, кількість і тривалість штилів та інверсій, турбулентність вітрового потоку.

Інтенсивність пиловиділення з поверхні хвостосховища зростає зі зростанням швидкості вітру. Хвости збагачення є ерозійно-небезпечним матеріалом, їх висока водопроникність сприяє водовіддачі та висиханню при відповідних умовах, а також схильності до вітрової ерозії. Розвиток ерозії починається при певних критичних швидкостях, які залежать від розміру частинок. Для піщаних і ґрунтових частинок розміром 0,05-0,25 мм критична швидкість дорівнює 3-5 м/с.

Фактором, що впливає на процес здіймання пилу хвостів, є також вологість як повітря, так і матеріалу хвостів. Аутогезія малих частинок, що має вплив на ерозію, при вологості повітря понад 70% збільшується. Однак при низькій вологості повітря вона зменшується. Так, влітку при високих температурах повітря і низькій вологості повітря та матеріалу хвостів поверхня хвостосховища стає джерелом інтенсивного пиловиділення.

У зв'язку з тим, що питома сила аутогезії частинок пилу залежить від вологості матеріалу, нами було проведено комплекс лабораторних досліджень для кількісноого оцінювання сил аутогезії сухого і вологого пилу порід та хвостів Кривбасу за методикою ДП НДІБПГ.

Для визначення питомої сили аутогезії було використано спеціальне устаткування. Результати цих дослідів (рис. 1) ілюструють питому силу аутогезії залежно від вологості пилу різних порід.

З наведених даних, можна зробити висновок про недоцільність зволоження пилу вище, ніж значення максимальної-молекулярної вологоємності. У результаті обробки цієї інформації було одержано залежність, що визначає питому силу аутогезії як функцію вологості досліджуваного матеріалу.

,(1)

де - питома сила аутогезії, H/м², W - вологість матеріалу, %; W₀ - вологість, при якій отримано максимальну силу аутогезії, %; А, В, С - дослідні коефіцієнти для кожного типу матеріалу (табл. 1).

При різних значеннях вологості поверхневого шару змінюється значення аутогезії хвостів. Для визначення залежності стійкості поверхні хвостосховища до вітрового навантаження від вологості хвостів було використано елементи математичного моделювання процесу.

Таблиця 1 Значення коефіцієнтів А, В, С для різних видів пилу

Тип руди і породи, з яких одержано пил	Коефіцієнти	W0, %
	А	В	С
Хвости	28,7	0,37	0,92	20
Окислені роговики	79	-1	0,377	20
Сланці	91	-1,28	0,303	20
Вапняки	86	-1,22	0,21	24
Кварцити	35,5	0,29	0,75	20

Досліджено рух частинки пилу під впливом вітру

,(2)

де маса частинки пилу, кг; - радіус-вектор, проведений від початку координат до тієї точки, де в цей момент часу перебуває частинка пилу, м; прискорення частинки пилу, м/с²; - і-та сила, що діє на частинку пилу, Н.

Аналіз дозволяє виділити такі основні сили, що діють на частинку пилу: піднімальну силу (), питому силу аутогезії () тощо.

Піднімальна сила, що діє на частинку пилу, виникає як результат перепаду тиску при переміщенні повітря над поверхнею хвостосховища. Вектор піднімальної сили для одиниці об'єму може бути записаний у вигляді

,(3)

де оператор Гамільтона; р - тиск над поверхнею хвостосховища, Па.

У кінцевому вигляді її можна подати як:

,(4)

де об'єм частинки пилу, м³.

Для питомої сили аутогезії нами було визначено її обмеження, при якому не відбувається відрив частинки від поверхні

,(5)

де с - щільність повітря, кг/м³; а - параметр зміни швидкості залежно від висоти, 1/м; v₀ - швидкість вітру над поверхнею хвостосховища, м/с; кг/м³ - щільність частинки пилу; прискорення вільного падіння, м/с².

Праву частину нерівності можна виразити через комплекс змінних, що визначаються параметрами повітряного потоку. У безрозмірному вигляді вона може бути записана як

.

Тоді ѓ_б буде дорівнювати

.

кг/м³,

де - щільність сухого повітря, кг/м³; кг/м³ - щільність води; відносна вологість повітря.

Тоді обмеження (5) набуває вигляду .

Критична величина сили аутогезії визначається за формулою

,(6)

де критична величина питомої сили аутогезії, Па; поверхня зіткнення частинки пилу з поверхнею хвостосховища, м²; маса частинки пилу, кг.

Якщо взяти до уваги формулу (1), то одержимо формулу для розрахунку критичної величини вологості пилу

,(7)

У кінцевому результаті формула (7) набуває вигляду

,(8)

де R - радіус частинки пилу, м; е - коефіцієнт зіткнення.

Знання критичної вологості дозволяє визначити умови, за яких частинки різного діаметра утримуються на поверхні хвостосховища.

На рис. 2 подано графік як результат розрахунків за формулою (8). Аналіз графіку показує, що зі зпонаднням радіуса частинок пилу, для утримання частинки на поверхні необхідна більша вологість матеріалу, причому з ростом комплексу обумовленого параметрами повітряного потоку, вологість також має зростати.

У третьому розділі наведено результати лабораторних досліджень процесу пиління хвостів при зволоженні їх водою та розчинами речовин.

Для проведення досліджень було використано лабораторну установку, що складалася з таких основних частин, як аеродинамічна труба, в якій було відтворено дію повітряного потоку на поверхню хвостосховища, вентилятор, відвідна труба, регулювальна засувка. Швидкість повітряного потоку змінювалася від 1,5 до 15 м/с, що відповідає основним природним швидкостям вітру в нашому регіоні. Оцінювання дії повітряного потоку на поверхню хвостосховища визначали за двома параметрами: кількістю винесеного з поверхні пилу та ступенем забрудненості повітря пилом.

У зв'язку з тим, що при відносній вологості повітря понад 65% починає проявлятися капілярна конденсація, яка збільшує сили адгезії й аутогезії, дослідження проводилися при меншій вологості, котра є найбільш характерною для весняних, літніх і осінніх умов.

Для визначення оптимального рівня вологості хвостів, необхідного при закріпленні, на досліджувані хвости діяли потоком повітря. У результаті було з'ясовано, що зволоження хвостів водою до максимально-молекулярної вологоємності 6-7 % відповідає питомій силі аутогезії 60-80 Н/м², яка забезпечує утримування пилу на поверхні хвостосховища при швидкостях вітру не понад, ніж 3-4 м/с.

З певним наближенням можна визначити ту кількість води, яка потрібна для зволоження хвостів до критичної вологості. Для запобігання пилоутворенню з поверхні хвостосховищ необхідним є їх зволоження до певної глибини, яка за даними ДП НДІБПГ, дорівнює 0,10-0,15 м.

Зволоження хвостів до значень критичної вологості існуючими способами зробити неможливо, оскільки пилові фракції хвостів мають здатність утримувати фізично зв'язану воду і віддавати нижнім шарам вологу, що перевищує критичну.

Проведені лабораторні дослідження показали, що при зрошенні шарів пилу згори зволоження відбувається досить нерівномірно. При зрошенні водою хвостів, останні утримують на поверхні своїх частинок певну кількість води залежно від гранулометричного складу і типу порід. Як відомо, здатність матеріалу утримувати певну кількість води визначає його максимальну молекулярну вологоємність _м.м.в.. Вода понад цю кількість буде стікати під дією гравітаційних сил.

Для визначення показника ц_м.м.в., що забезпечує неможливість винесення пилу з поверхні, було використано експериментальний метод високих колон. Визначено, що стікання води для хвостів Кривбасу становить від 6 до 11 годин залежно від фракційного складу. Рівень підйому капілярної води в хвостах досягав висоти 0,5-0,7 м. Отримані значення вологості (ц_м.м.в. = 6-7 %) дозволяють визначити питомі витрати води за формулою:

,(9)

де - витрата води на одне зволоження, м³; - зрошувана площа хвостосховища, м²; - початкова вологість у шарі (h_о, м), %; ц_м.м.в..- максимальна молекулярна вологоємність хвостів, %, що підтримується в шарі , м.

За даними ДП НДІБПГ для знепилення 1 га хвостосховища в умовах Кривбасу необхідно 12 тис. м³ води на рік. Для зволоження водою в місцевих умовах на сьогодні в основному використовують поливальні машини та гідромонітори. Тому подібна технологія зволоження потребує значних економічних витрат. Основною причиною високої вартості даної технології є необхідність постійного зрошення поверхні та, як наслідок, високі експлуатаційні витрати.

У зв'язку з цим виконано детальний огляд відомих закріплювачів і проаналізовано ефективність використання різних хімічних розчинів та їх композицій для закріплення поверхонь, що пилять, у сучасних умовах. Як показав аналіз, переважна більшість запропонованих засобів при нанесенні на поверхню хвостосховища утворювала на ньому тверду плівку, яка перешкоджала потраплянню пилу в атмосферне повітря. Однак, загальними недоліками способу формування твердої плівки закріплювача на поверхні хвостів є невисока механічна стійкість покриття, вибагливість до температури повітря, перенесення вітром на плівку хвостів із незакріплених ділянок та утворення на її поверхні нових джерел забруднення атмосферного повітря пилом.

З метою запобігання вищеназваним негативним факторам було запропоновано не створювати на поверхні хвостів тверду плівку, а підтримувати постійну високу вологість поверхневого шару хвостів, що перешкоджатиме винесенню пилу до повітря.

Постійну високу вологість хвостів було вирішено забезпечити шляхом нанесення на їх поверхню розчину хлоридів. Для цього було обрано водний розчин природного бішофіту (РПБ) MgCl₂·6H₂O, оскільки він вже знайшов використання як закріплювач автошляхів та сипкого матеріалу в думпкарах, має високу ефективність як за скороченням пиловиділення, так і за тривалістю дії. Основною перевагою бішофіту при його використанні для закріплення поверхонь, що пилять, є також його висока гігроскопічність, яка дозволяє постійно підтримувати високу вологість верхнього шару хвостів. Тому, на відміну від решти закріплювачів, поверхня, оброблена РПБ, більш стійка до механічних навантажень.

З метою визначення ефективності РПБ було проведено порівняльні випробування ефективності закріплення хвостів водою і розчином природного бішофіту. Витрати води та РПБ, як оптимальні, було взято на рівні 2 л/м². Було встановлено, що протягом першої години вода і РПБ закріплюють поверхню хвостів однаково добре. Однак, при температурі повітря 20-22єС і відносній вологості 65-70% відбувається інтенсивне випаровування води зі зволожених хвостів, і вже через добу вони стають сухими, а забрудненість повітря пилом над поверхнею, яку оброблено водою при швидкості вітру 15 м/с, збільшується до 47 мг/м³, тоді як над поверхнею, закріпленою РПБ, навіть через 3 місяці, вона не перевищує 2,9 мг/м³. (табл. 2).

Одержані результати показали, що значення концентрації пилу в повітрі при закріпленні хвостів РПБ не перевищують ГДК тривалий період (до 90 днів навіть при швидкості вітру до 15 м/с). Це вказує на перспективність використання РПБ у промислових умовах.

Як відзначалося раніше, верхній шар хвостів у суху погоду під впливом сонячних променів і вітру висихає дуже швидко. Аналіз результатів лабораторних досліджень показав, що без попереднього змочування хвостів водою РПБ погано закріпляє їхню поверхню. У результаті цього утворюються не закріплені РПБ “плями” (рис.3). З цих незакріплених ділянок у першу чергу починає виділятися пил вже при швидкості вітру 4 м/с.

Таблиця 2. Зміна запиленості повітря протягом часу на виході з моделі при змочуванні хвостів водою та РПБ

Час відбору проб після закріплення хвостів, година, доба	Забрудненість повітря пилом над закріпленою поверхнею, мг/м3
	Вода	РПБ
1 година	1,7	1,2
6 годин	38	1,9
1 доба	46	2
15 діб	46	2,6
90 діб	47,3	2,9

І навпаки, попереднє зволоження закріплюваної поверхні дозволяє домогтися рівномірного нанесення РПБ і позбутися незакріплених ділянок. Але це вимагає значних витрат, знижує швидкість закріплення і неприйнятно для використання в зимовий період.

Тому було проведено дослідження впливу висоти нанесення РПБ на якість закріплення сухої поверхні хвостів. Експерименти показали, що при падінні крапель з висоти 1 м і понад відбувається повне і рівномірне проникнення розчину в матеріал хвостів, що гарантує високу стійкість закріпленої поверхні і виключає необхідність попереднього змочування хвостів водою. Ефективність закріплення визначалась як за закріпленою площею поверхні так і за глибиною проникнення розчину в матеріал хвостів. Результати досліджень подано на рис. 4, 5.

Для визначення оптимальних витрат РПБ у лабораторній моделі було проведено дослідження ефективності закріплення хвостів при різних витратах РПБ. Результати цих досліджень наведено на рис. 6. Товщина шару хвостів, змоченого РПБ із витратою 1; 1,5; 2 л/м², відповідно дорівнює 0,05; 0,1 і 0,15 м, тобто, чим більша витрата РПБ, тим більший і надійніший захисний шар хвостів, насичений РПБ.

Оптимальними є витрати РПБ 1,5-2 л/м², коли забруднення повітря пилом коливається від 0 до 0,4 мг/м³ при швидкостях вітру до 12 м/с, і лише при перевищенні 12 м/с починається збільшення винесення частинок пилу.

У четвертому розділі наведено і проаналізовано результати промислових досліджень ефективності обраного методу боротьби з пиловиділенням на хвостосховищах ГЗК Кривбасу.

Внаслідок того, що в лабораторних умовах неможливо змоделювати всі погодні умови, на сухих пляжах діючих хвостосховищ ВАТ «АМКР» та ВАТ «ПівнГЗК» було проведено промислові дослідження ефективності запропонованої технології закріплення поверхні хвостів. РПБ на поверхні пляжів наносився гідромоніторами, змонтованими на базі автомобілів БілАЗ 7648, які, рухаючись дамбами, закріплювали поверхню хвостів. Дальність дії струменя з урахуванням напрямку вітру перебувала в межах 50-120 м, що дозволяло обробити РПБ всю поверхню карти (рис. 7). Окремі ділянки карт (у центрі чи недостатньо закріплені) з експериментальною метою обробляли за допомогою розбризкучів, встановлених на пожежні рукави (рис. 8). Висота падіння крапель РПБ на поверхню карти перевищувала 1 м, оптимальні витрати було прийнято в межах 1,5-2 л/м².

Під час досліджень на обох підприємствах було закріплено 9 карт загальною площею понад 200 га.

Перед початком проведення досліджень нами було розроблено і затверджено схеми нанесення РПБ на закріплювану поверхню.

Ефективність технології оцінювали шляхом визначення вологості хвостів та вимірювання ступеня забруднення повітря пилом на закріпленій і незакріпленій (контрольній) картах хвостосховищ. Вологість хвостів визначали за допомогою проб, які відбирали з поверхневого шару хвостосховища. Забрудненість повітря визначали на виході його з карт. Дослідження проводилися в зимовий, весняний та літній періоди протягом 4,5 місяця, що дозволило визначити вплив різних погодних умов на ефективність використання технології боротьби з пилінням хвостосховищ. Результати досліджень забруднення повітря пилом і вологості хвостів наведено в табл.3, з якої видно, що вологість верхнього шару хвостів, на оброблених РПБ картах протягом 4-х місяців була значно вищою, ніж на контрольних, необроблених картах, що відповідає теоретичним і лабораторним дослідженням. Дослідження показали, що вологість хвостів контрольної карти невисока, і при температурах, вищих від 0єС, не перевищує 1,6 % навіть після дощу. У суху погоду вона знижується до 0,15 %. У той же час вологість оброблених РПБ хвостів перевищує вологість контрольних у 3-10 разів, як у дощову, так і суху погоду. При зниженні відносної вологості повітря менше 65 % РПБ з хвостів частково випаровується, і на поверхні обробленої ділянки хвостосховища з'являється соляна шкірка, яка запобігає винесенню пилу в повітря. При підвищенні вологості понад 65-75 % соляна шкірка розчиняється й утримує вологу.

Таблиця 3. Результати промислових досліджень ефективності закріплення поверхні хвостосховища ВАТ “ПівнГЗК”

№ карти	Дата вимірювання	Температура повітря, єС	Відносна вологість повітря, %	Швидкість вітру, м/с	Час після обробки карт, діб	Вологість хвостів, %	Забрудненість повітря, мг/м3	Наявність опадів
						Оброблено РПБ	Контрольний	Оброблено РПБ	Контрольний
1	11.02.08	-4,8	70	3-4	13	5,52	4,61	0,16	2,6	09-10.02 - сніг
1	25.02.08	-3,0	75	5-7	27	6,97	0,96	0,30	116	без опадів
1	03.03.08	7,0	68	5,7-6	3,0	10	0,90	1,06	125	без опадів
9	14.03.08	14,2	82	6-7	11	-	-	0,8	26	без опадів
10	17.03.08	12,2	86	4-6	14	-	-	0,3	15,5	16.04 - дощ
14	21.04.08	12,0	70	3,8-4	15	-	-	0,43	2,3	без опадів
15	24.04.08	8,0	84	5,4-6	16	11,3	1,6	1,13	6	24.04 - короткочасний дощ
9	20.05.08	25	63	4,4-4,8	44	9,01	1,3	1	4,6	25.04-18.05 - періодичні дощі
10	20.05.08	25	63	4,4-4,8	43	6,53	1,3	0	4,6
12	20.05.08	25	63	3,8-4	38	5,36	1,3	0,27	4,6
13	20.05.08	25	63	4	29	4	1,3	0,27	4,6
14	20.05.08	25	63	4	37	4,1	1,3	1,2	4,6
15	20.05.08	25	63	4	30	8	1,3	-	4,6
16	20.05.08	25	63	3,5-4	26	3,24	1,3	0,4	4,6
9	25.06.08	26	60	2,5-3	75	8,8	0,15	0,26	4,5	сухо
10	25.06.08	26	60	2,5	74	6	0,15	0,44	4,5
35	25.06.08	26	60	3-4	74	7	1	1,5	4,5

Забрудненість повітря пилом, що вимірювалася за напрямком вітру на виході з карти, на обробленій РПБ ділянці перебувала в межах 0,16-1,5 мг/м³, у той час як над контрольною ділянкою карти вона коливалася від 2,6 до 125 мг/м³. У процесі досліджень було визначено, що при швидкості вітру понад 5 м/с на поверхні незакріплених карт хвостосховищ починають формуватися так звані «пилові бурі», які виносять пил на значні відстані. У той же час на обробленій РПБ ділянці карти таке явище не спостерігається. Поверхня обробленої РПБ карти стає щільнішою завдяки концентрації мінеральних солей на контактах частинок.

Проведені дослідження ефективності закріплення поверхні хвостосховища РПБ показали, що розроблена технологія попередження пилоутворення може застосовуватися в будь-яку пору року в діапазоні температур від -5 до +26єС, що частково співпадає з його паспортними даними (-35єС ... + 45єС).

Завдяки низькій температурі замерзання (-35єС) і високій гігроскопічності, РПБ надійно зволожує і зв'язує поверхню хвостосховищ навіть у суху морозну погоду протягом 1,5-2 місяців при витратах РПБ понад 1,5 л/м².

Слід зазначити, що, незважаючи на періодичні рясні дощі та інші несприятливі умови, РПБ, нанесений на поверхню хвостів, навіть через більш як 75 діб продовжує підтримувати високу вологість верхнього шару хвостів, зв'язуючи тонкодисперсний пил та утримуючи його на поверхні хвостосховища.

Ефективність закріплення досягала 75 діб, що збігається з результатами, одержаними під час проведення лабораторних досліджень.

Техніко-економічне оцінювання ефективності запропонованого методу боротьби з пилоутворенням виконувалося згідно з методикою ДП НДІБПГ. Розрахований очікуваний економічний ефект для умов ВАТ «ПівнГЗК» від упровадження розробленої технології буде дорівнювати Е_{о РПБ} = 54270 грн/га.

У додатках подано патент на корисну модель № 31847, технологічну інструкцію із закріплення поверхонь хвостосховищ що пилять, та акти щодо впровадження розробленої технології на гірничо-збагачувальних комбінатах Кривбасу.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій на основі встановлених закономірностей винесення пилу з поверхонь діючих хвостосховищ з урахуванням фізико-механічних властивостей матеріалу хвостів, атмосферних факторів та пори року вирішена актуальна наукова задача, яка полягає в розробленні ефективної технології закріплення поверхонь хвостосховищ, заснованої на підтримці постійної високої вологості верхнього шару хвостів, оброблених високогігроскопічним розчином природного бішофіту, що дозволяє підтримувати ступінь забрудненості повітря пилом в робочий зоні хвостосховища в межах ГДК протягом не менше трьох місяців. Вирішення цієї задачі має важливе практичне значення для поліпшення умов праці в гірничовидобувній галузі.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають в наступному:

1. З проведеного аналізу результатів теоретичних і практичних досліджень вітчизняних і зарубіжних авторів випливає, що запропоновані засоби для зменшення кількості надходження пилу до атмосферного повітря не відповідають поставленим перед ним вимогам і не забезпечують надійного утримання пилу на поверхні хвостосховищ. Для обрання ефективного засобу боротьби з винесенням пилу з поверхні хвостосховищ проведено кількісне оцінювання факторів, що впливають на цей процес, таких як кліматичні умови, хімічний та мінеральний склад хвостів, технологія складування тощо.

2. Вперше було досліджено сили, які впливають на здатність матеріалу хвостів опиратися впливу вітрової ерозії. Досліджено і встановлено закономірності зміни основних сил, що впливають на частинку пилу, зокрема піднімальну силу та питому силу аутогезії. Одержано залежність питомої сили аутогезії від вологості хвостів та ущільнювального навантаження на них, що дозволяє визначити момент відриву частинки пилу від поверхні. Вперше здійснено математичний опис процесу здіймання пилових частинок хвостів залежно від сили вітрового потоку, вологості матеріалу та величини його аутогезії. Одержано розрахункову залежність, що дозволяє визначати критичну вологість матеріалу хвостосховищ з урахуванням зазначених факторів.

3. Вперше визначено критичну вологість хвостів, яка досягає 3,5-4 %, та максимальну молекулярну вологість хвостів (_м.м.в.), що досягає 6-6,7 %, яка дозволяє визначати оптимальні витрати закріплювача залежно від параметрів вологості матеріалу хвостів.

4. Вперше експериментально обґрунтовано можливість використання водного розчину природного бішофіту, який у порівнянні з аналогами має такі суттєві переваги, як можливість використання в широкому діапазоні температур (від -35^оС до +45^оС), порівняно невисоку вартість, значний термін дії, для закріплення хвостів діючих хвостосховищ. У ході лабораторних досліджень визначено фактори, що сприяють найбільш якісному закріпленню поверхневого шару хвостів та встановлено оптимальні витрати РПБ на рівні 1,5-2 л/м² і концентрацію 1250 кг/м³, що дозволить надійно закріпити поверхню хвостів строком не менше 3-х місяців.

5. Розроблена технологія закріплення поверхонь, які пилять, діючих хвостосховищ розчином природного бішофіту дозволяє поліпшити умови праці персоналу хвостосховищ шляхом зменшення концентрації пилу в повітрі робочої зони до значень ГДК. Вона передбачає повністю механізований процес нанесення за допомогою гідромоніторів та поливальних машин з висоти понад 1 м. Промислові дослідження ефективності розробленої технології боротьби з винесенням пилу на діючих хвостосховищах ГЗК Кривбасу було проведено на ВАТ “АМКР” і ВАТ “ПівнГЗК”. Встановлено, що при закріпленні РПБ поверхонь діючих хвостосховищ вітрова ерозія зменшується протягом тривалого періоду (не менше 75 діб). Очікуваний економічний ефект становить 54 тис.,грн./га.

6. Результати дисертаційної роботи та розроблені на її основі рекомендації щодо зменшення забрудненості повітря робочої зони пилом реалізовані в інструкції “Закрепление пылящих поверхностей хвостохранилищ ОАО “СевГОК” водным раствором природного бишофита” та впроваджено на ГЗК ВАТ “АМКР” та ВАТ “ПівнГЗК”. Це дозволило покращити умови праці персоналу хвостосховищ і зменшити ризик розвитку в них професійних легеневих захворювань.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Домничев Н.В. Смачивание пыли водными растворами / А.А. Гурин, И.С. Радченко, Ю.А. Гурин, Н.В. Домничев // Вісник Криворізького технічного університету : зб. наук. праць. - 2007. - Вип. 16. - С. 160-162.

2. Домничев Н.В. Моделирование пылеудержания на пылящих поверхностях / Ю.А. Гурин, Н.В. Домничев, Э.В. Серебреников // Разработка рудных месторождений : научн.-техн. сборник. - 2007. - Вып. 91. -С. 248-251.

3. Домничев Н.В. Технология борьбы с пылением действующих хвостохранилищ / А.А. Гурин, Ю.А. Гурин, В.А. Шаповалов, Н.В. Домничев // Качество минерального сырья : сб. науч. трудов. - 2008. - С. 371-375.

4. Домнічев М.В. Розробка методу боротьби з пилінням на хвостосховищі ВАТ «ПівнГЗК» / М.В. Домнічев // Матеріали міжнародної науково-технічної конференції «Гірничо-металургійний комплекс: досягнення проблеми та перспектива розвитку» - 2009. - Мінерал. - С. 142-143.

5. Пат. на корисну модель № 31847. Спосіб закріплення поверхонь сухих пляжів діючих хвостосховищ / Гурін А.О., Гурін Ю.А., Шаповалов В.А., Домнічев М.В. - № U200713775 ; заявл. 10.12. 07 ; опубл. 25.04. 08, Бюл. № 8.

6. Домничев Н.В. Опыт применения технологии борьбы с пылением действующих хвостохранилищ основанного на применении водного раствора природного бишофита / А.А. Гурин, Ю.А. Гурин, Н.В. Домничев // Матеріали V Всеукраїнської науково-практичної конференції «Охорона навколишнього середовища промислових регіонів як умова сталого розвитку України» : збірник статей. - 2009. - С. 46-50.

7. Домничев Н.В. Новый способ борьбы с пылением на хвостохранилищах / Домничев Н.В. // Проблемы недропользования : международный форум молодых учених, 2008г ; тезисы докл. - СПб., 2008. - С. 24.

Особистий внесок автора в роботах, опублікованих у співавторстві:

[1, 2] - лабораторні дослідження процесів винесення пилу з закріпленої поверхні;

[3, 5, 6] - лабораторні дослідження особливостей нанесення водного розчину природного бішофіту на поверхню хвостів, лабораторні та промислові дослідження ефективності закріплення поверхонь що пилять.

АНОТАЦІЯ

Домнічев М.В. Розробка технології знепилювання хвостосховищ гірничо-збагачувальних комбінатів Кривбасу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.26.01 - охорона праці. - Криворізький технічний університет, Кривий Ріг, 2010.

Дисертацію присвячено питанням зменшення кількості пилу, що виноситься з поверхні хвостосховища.

Метою роботи є зменшення кількості винесення пилу з поверхонь діючих хвостосховищ гірничо-збагачувальних комбінатів.

Ідея роботи полягає у використанні сил аутогезії, утворених водним розчином природного бішофіту, на поверхні пилових частинок для їх зв'язування в поверхневому шарі хвостів.

При нанесенні на поверхню хвостів діючого хвостосховища водного розчину природного бішофіту (РПБ) з витратами не менше 2 л/м² та густиною не менше 1250 кг/м³ спостерігається зпонадння вологості та стійке зменшення кількості пилу в повітрі робочої зони протягом тривалого часу (не менше 75 діб).

Розроблено технологію закріплення поверхонь що пилять діючих хвостосховищ гігроскопічним розчином РПБ, яка дозволяє надійно закріпляти значні площі без залучення додаткового персоналу.

Технологію закріплення запатентовано та впроваджено на ВАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг» та ВАТ «ПівнГЗК».

Ключові слова: технологія закріплення, хвостосховище, водний розчин природного бішофіту, гігроскопічність, пил, вологість, концентрація, персонал, робоча зона.

АННОТАЦИЯ

Домничев Н.В. Разработка технологии обеспыливания хвостохранилищ горно-обогатительных комбинатов Кривбасса. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.01 - охрана труда. - Криворожский технический университет, Кривой Рог, 2010.

Диссертация посвящена вопросам уменьшения количества выносимой пыли с поверхности действующих хвостохранилищ горно-обогатительных комбинатов.

Существующие способы и средства борьбы с пылением действующих (периодически намываемых) хвостохранилищ основаны на создании на поверхности хвостов пленок или корок. Из-за малой механической прочности и быстрого наноса на них нового слоя пыли они не обеспечивают надежного закрепления хвостов и на момент исследований не нашли промышленного применения. Общая площадь хвостохранилищ только в Кривбассе составляет около 4700 га. При скорости ветра более 3 м/с начинается вынос пыли с поверхности хвостохранилища. Ежегодно с хвостохранилищ сдувается около 5,7 кг мелкодисперсной пыли с одного квадратного метра поверхности. Запыленность воздуха на местах работы персонала, обслуживающего хвостохранилища территории комбината, в ветреную погоду достигает 125 мг/м³, что приводит к развитию у персонала профессиональных заболеваний органов дыхания.

В результате исследований впервые выполнено математическое описание процесса сдувания пылевых частиц с поверхности хвостохранилища в зависимости от скорости ветра, влажности материала и величины аутогезии. Получена зависимость силы аутогезии от влажности хвостов и уплотняющей нагрузки на них, что позволяет определять момент отрыва пылинок от поверхности. Впервые определены критическая и молекулярная влажность хвостов.

Проведенные теоретические исследования позволили разработать новый способ закрепления поверхностей действующих хвостохранилищ, основанный на поддержании постоянной высокой влажности верхнего слоя хвостов. В качестве средства закрепления выбран раствор хлоридов магния MgCl₂·6H₂O (водный раствор природного бишофита, РПБ), обладающий высокой гигроскопичностью, имеющий четвертый класс опасности, сравнительно невысокую стоимость и стойкость к замерзанию (до -35єС).

Определен оптимальный расход РПБ, составляющий не менее 2 л/м², который позволяет удерживать материал хвостов от выноса с поверхности хвостохранилища при скорости ветра до 12 м/с. Эффективность закрепления зависит также от глубины проникновения РПБ в материал хвостов, оптимальной является глубина 3-3,5 см.

Разработана технология нанесения РПБ, которая позволяет добиться стойкого уменьшения количества сдуваемой с хвостохранилища пыли, следствием чего является уменьшение загрязненности воздуха рабочей зоны. Технология предполагает широкую механизацию процесса и позволяет закреплять сухие поверхности хвостохранилища с ограждающей дамбы при помощи гидромониторной установки. Запыленность воздуха над поверхностью закрепленного хвостохранилища не превышает 1,5 мг/м³, в тоже время над незакрепленной поверхностью она значительно превышает это значение. Эффективный срок службы закрепленной РПБ поверхности в реальных условиях составляет более 75 суток. Высокая гигроскопичность позволяет получать влагу из атмосферного воздуха и поддерживать постоянную высокую влажность верхнего слоя хвостов даже в самые засушливые периоды.

Применение разработанной технологии позволяет получить расчетный экономический эффект в сумме около 54 тыс грн/га. Данная технология внедрена на ОАО «АрселорМиттал Кривой Рог» и ОАО «СевГОК».

Ключевые слова: технология закрепления, хвостохранилище, водный раствор природного бишофита, гигроскопичность, пыль, влажность, концентрация, персонал, рабочая зона.

ANNOTATION

Domnichev M.V. The technology development for the tailing ponds dust suppressing for the mining and beneficiation enterprises Krivbass. - Manuscript.

Candidate's thesis, speciality 05.26.01 - labor protection. - Kryvyi Rih Technical University, Kryvyi Rih, 2010.

The thesis is devoted to the issues concerning dust level decrease at the surface of tailing ponds.

The aim of the work is to increase the dust suppression at the operating tailing ponds.

The idea of the thesis is the usage of the interaction mechanism of dust-consolidating absorbing materials with erosive-unstable surface of the tailing ponds.

It is observed the stable decrease of dust content in the workplace air for a long time (no less than 75 days), in case of natural bischofite water solution (NBWS) is spreading on the surface of the operating tailing ponds, consumption - no less than 2 l/m² and concentration - no less than 1250 mg/m³.

The developed technology of the dust-forming surfaces fixing by the absorbing NBWS allows the fixing of big areas without the additional staff involving.

This fixing technology was patented and implemented at OJSC `ArcelorMittal Kryviy Rih' and OJSC `Pivnichniy M&BC'.

Key words: technology consolidation, tailing, aqueous solution of natural bishofit, hygroscopic, dust, humidity, concentration, staff, working area.

Размещено на Allbest.ru

...