РАЗВИТИЕ НАУЧНЫХ ОСНОВ ЗАЩИТЫ ВОЗДУХА РАБОЧИХ ЗОН ОТ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ПРИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКЕ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Краткое содержание

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, задачі, ідею роботи, об’єкт і предмет дослідження, викладено основні наукові положення, що виносяться на захист, наукове і практичне значення роботи, наведено дані про зв’язок роботи з науковими програмами й темами, методи досліджень, апробацію та реалізацію результатів роботи, публікації та структуру дисертації.

У першому розділі виконано аналіз теорії й практики розв’язання проблеми боротьби з забруднюючими речовинами, що виділяються при масових вибухах, виймально-навантажувальних роботах, а також, з кар’єрних автодоріг і пильних поверхонь бортів кар’єрів, відвалів пустих порід, шламосховищ. Основний внесок для розв’язання цієї проблеми зробили вчені: П. В. Бересневич, Н. З. Бітколов, А. О. Гурін, А. Ю. Дріженко, Е. І. Єфремов, О. В. Зберовський, В. Є. Колесник, О. Є. Лапшин, В. А. Михайлов, А. А. Немченко, В. С. Нікітін, К. Н. Ткачук, К. З. Ушаков, С. С. Філатов, П. Ч. Чулаков, А. Г. Шапар та інші.

Традиційним способом пилогазоподавлення , що застосовується при масових вибухах, є внутрішня та зовнішня гідрозабійки з використанням поліетиленових рукавів, заповнених водою. Недоліком цього способу є те, що в умовах високих температур повітря, після підривання порід вибухом, вода виплескується в атмосферу, переходить у диспергований стан і частково випаровується, що знижує ефективність пилоподавлення. Крім того, вода не володіє властивостями нейтралізації шкідливого газу – оксиду вуглецю. У цьому ж контексті малоефективним при високих температурах повітря є спосіб пилоподавлення при виймально-навантажувальних роботах, коли породи зволожуються водою. Для попередження пиловиділення з кар’єрних автодоріг вони зволожуються водою або розчинами хімічних речовин. Проте ефективна пилозв’язувальна дія їх, в основному, недовготривала, що потребує подальшої багаторазової обробки автодоріг цими речовинами, а, відповідно, приводить до збільшення економічних витрат на пилоподавлення. Інші розчини, що забезпечують більш тривалий термін пилозв’язування на автодорогах, можуть зникнути з асортименту пилозв’язувальних речовин, тому що у своєму складі містять корисні компоненти й у подальшому будуть використані в інших галузях як вторинна сировина. На даний час з технічних та економічних причин різко зменшилася кількість найменувань речовин, що можуть використовуватися для закріплення пильних поверхонь бортів кар’єрів, відвалів пустих порід та інших стаціонарних пильних об’єктів. Сучасні засоби закріплення поверхонь мають ті ж недоліки, що й засоби, які використовуються для пилоподавлення на кар’єрних автодорогах, а крім того, вони нестійкі до атмосферних опадів.

Аналіз та оцінка сучасних заходів пилогазоподавлення свідчать, що подальший розвиток гірничодобувної промисловості вимагає підвищення ефективності захисту повітря робочих зон кар’єрів від забруднюючих речовин на підставі розробки нових, більш ефективних, технологічних і економічних способів та засобів боротьби з пилом та шкідливими газами. Як базу розробки нових засобів пилогазоподавлення прийнято основні положення колоїдної хімії про поверхневі явища в дисперсних системах, де відбувається взаємодія твердої, рідкої та газоподібної фаз. У даній системі дисперсною фазою є частинки гірських порід і молекули шкідливих газів, а дисперсійним середовищем – розчини хімічних речовин. Поверхневі явища відповідають таким показникам, як адгезія, змочування, капілярність, адсорбція, хемосорбція, електричні чинники. Результати досліджень цих явищ було закладено в основу розробки нових засобів захисту повітря робочих зон кар’єрів від забруднюючих речовин.

У другому розділі подано результати проведених промислових вимірювань концентрацій забруднюючих речовин у повітрі робочих зон кар’єрів і розрахунків інтенсивності пиловиділення при роботі гірничого обладнання. Установлення місць відбору пилових проб та визначення інтенсивності пиловиділення проводилися за загальноприйнятою методикою проф. В.С Нікітіна. Виміри концентрацій забруднюючих речовин у пилогазовій хмарі (ПГХ) після проведення масових вибухів проводилися за методикою НДІБПГ. Результати досліджень показали, що концентрації пилу в кабінах екскаваторів досягають 8,0–9,6 мг/м³, а в забоях – 24,3–30,0 мг/м³. Концентрації пилу в повітрі поблизу автодоріг становлять 690,0–760,0 мг/м³, а в робочих зонах бульдозерів – 620,0–790,0 мг/м³. Інтенсивність пиловиділення при роботі екскаваторів, бульдозерів і з поверхні автодоріг при русі автотранспорту, відповідно, досягає, мг/с: 1800,0; 623,0; 1190,0. Результати свідчать, що концентрації пилу в повітрі робочих зон кар’єрів значно перевищують граничнодопустиму концентрацію (ГДК), яка становить 2,0 мг/м³. Концентрація пилу в ПГХ після масових вибухів досягає 1400,0 мг/м³, а оксиду вуглецю – 260,0 мг/м³. Уперше встановлено значення питомих викидів пилу та шкідливих газів при підриванні гірських порід вибуховими речовинами: Анемікс А-70, Україніт ПП-2Б, які складають, відповідно, за пилом 0,200–0,218 кг на 1 кг ВР й за оксидом вуглецю – 5,49 –6,72 л/кг ВР. Враховуючи те, що на кар’єрах Кривбасу за один вибух висаджується 1100 т Україніту-ПП-2Б і до 700 т Анеміксу А-70, то в атмосферу надходить, відповідно, 220,0 т і 152,6 т силікозонебезпечного пилу та 5,5 т і 4,6 т оксиду вуглецю. Основна маса забруднюючих речовин залишається в кар’єрному просторі та є джерелом вторинного надходження пилу й шкідливих газів у повітря робочих зон при подальшому проведенні технологічних робіт. Указані фактори призводять до незадовільних санітарно-гігієнічних умов праці гірників, що потребує застосування спеціальних способів і засобів боротьби зі шкідливими викидами.

У третьому розділі наведено результати досліджень розроблених засобів пилогазоподавлення при масових вибухах і виймально-навантажувальних роботах у кар’єрах. Найбільш поширеним способом пилоподавлення при масових вибухах є використання водяних гідрозабивок. Проте до їх складу входить полімер, який має високий негативний кисневий баланс (–343), що призводить до додаткового утворення оксиду вуглецю.

Розглянемо це явище на прикладі вибухової речовини Україніт-ПП-2Б, реакція вибухового розкладання якої в присутності полімеру має такий вигляд

Як видно з реакції, при використанні в забивках полімерної плівки надлишок СО складатиме 3,58 л на 1 кг полімеру.

У зв’язку з цим у роботі розроблено спосіб пилогазоподавлення при масових вибухах, що включає операції формування у свердловинах і на поверхні висаджуваних блоків двофазного пилогазоподавляючого середовища у вигляді шару дрібних фракцій порід, які зволожуються пилогазоподавляючим водяним розчином ВЛР, концентрацій 1–2 мас.%. В якості матеріалу для пилогазоподавляючого середовища необхідно використовувати породи фракції 0–20 мм, які зазвичай є штатною забивкою для свердловинних зарядів.

Сформований таким способом пилогазоподавляючий екран на поверхні блока порід чинить фізичний та фізико-хімічний вплив на висхідні потоки продуктів детонації ВР. У результаті енергія пилогазового потоку падає за рахунок зниження його газодинамічних і термодинамічних показників. При цьому пил коагулює та ефективно зв’язується в результаті взаємодії з розчином ВЛР і зволоженою поверхнею твердих частинок, а шкідливі гази адсорбуються складовими компонентами ВЛР і піддаються нейтралізації. Відомо, що основний об’єм пилогазового потоку виділяється із зони пластичної деформації порід. Термодинамічні розрахунки показали, що при середньому розмірі частинок захисного екрану 3–5 мм його товщина повинна складати 0,133–0,220 м. При збільшенні розміру частинок, яке неодмінно має місце при використанні штатного забійного матеріалу, товщина шару збільшиться, але не перевищить 0,5 м. Товщина захисного екрана на решті частини блока розраховується за виразом h = 0,01H, де Н – висота уступу, м. Проте, як свідчить практика, достатня його товщина знаходиться в межах 50–100 мм. Установлено, що в системі «породні частинки екрану – пилоподібні частинки потоку» відбувається адсорбція пилу на поверхні  частинок екрану, зволожених пилогазоподавляючим розчином. При цьому площа поверхні адсорбенту (породних частинок екрану) складає 3543 м², а площа адсорбату (пилоподібних частинок) – 840 м², що свідчить про потенційно високу пилоємність захисного екрану. Відповідно до поставлених задач було виділено й проаналізовано основні властивості розчинів, якими повинні бути зволожені тверда забивка та породи захисного екрану. Результати аналітичних досліджень показали, що розчини, які необхідно застосовувати для пилоподавлення при масових вибухах у кар’єрах, повинні володіти змочувальними, коагулюючими і склеювальними властивостями.

Для досліджень було прийнято три види водяних розчинів, які потенційно можуть ефективно зв’язувати пил. Це ВЛР, що містить вуглегумінові комплекси; водяний розчин «ЕКОМ», який включає неіоногенні поверхнево-активні речовини (ПАР) – оксиетиловані алкілфеноли, що здатні понизити поверхневий натяг розчинів, а також полікарбоксилати, які мають плівкотвірні та агрегуючі властивості, і метасилікат натрію, що підвищує силу адгезії розчину з пиловидними частинками. Третім розчином прийнято водяний розчин змочувача рудникового пилу (РП). Змочувач містить аніонні ПАР і неіоногенні ПАР – оксиетиловані нонілфеноли, а також зволожувач ОД-5, до складу якого входить оксиетилований спирт фракції С₈-С₁₀.

Критерієм змочувальної здатності розчинів є їх поверхневий натяг. Результати досліджень поверхневого натягу розчинів показали, що при концентраціях 0,5–1,0 мас. % його значення складає (Н/м): для РП – 0,032, «ЕКОМ» – 0,04, а для ВЛР – 0,06. Найбільш високу коагулюючу здатність мають розчини «ЕКОМ» і ВЛР.

Критерієм склеювальної здатності пилозв’язувальних розчинів є значення водоміцності пилових агрегатів, одержаних у результаті взаємодії пилових частинок з цими розчинами. Формування пилових агрегатів проводилося за відомою методикою проф. Л.Г. Віленського методом зволоження дрібнодисперсних частинок розчинами, їх агрегуванням та подальшим висушуванням. Водоміцність агрегатів визначалася за методикою проф. І.Б. Ревута шляхом їх розмивання краплями води, що падають з висоти 50 мм. Критерієм водоміцності агрегатів є кількість (Q, мл) води, яку витрачено на їх розмивання. При цьому чим більші витрати води, тим вища склеювальна здатність розчинів, з допомогою яких утворено агрегати. Як видно з результатів досліджень (рис.1), водоміцність пилових агрегатів залежить від типів і концентрацій розчинів. Найбільша міцність у агрегатів, утворених водяним розчином ВЛР. Додавання до розчинів ВЛР сульфітно-спиртової барди (ССБ) підвищує їх клеючі властивості.