CC BY
24
Б.Т. Исмаилов, 2012
ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ И ВЗРЫВНЫХ РАБОТ С УЧЕТОМ ИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА КОМПОНЕНТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Проведен анализ влияния горных работ при открытой добыче доломита. Выявлены основные наиболее острые экологические и технологические проблемы. Предложен инструментарий подбора параметров ведения горных и взрывных работ с целью снижения их негативного воздействия на компоненты окружающей среды.
Ключевые слова: открытые горные и взрывные работы, добыча доломита, негативное воздействие на компоненты окружающей среды эколого-экономическое моделирование
Повышенная экологическая опасность процессов открытой разработки месторождений для окружающей среды определяется синергетическим характером проявления процессов, при котором развитие отдельных процессов порождает другие процессы, создающие суммарный ущерб больший, чем сумма ущербов слагающих процессов. Факторы техногенного влияния на экосистемы типизированы и представлены в табл. 1.
Таблица 1
Факторы техногенного влияния горных работ на окружающую среду
Тип Сущность
Геоморфологические Гидрогеологические Геохимические Геотермические Инженерно-геологические Минералогические преобразование поверхности подтопление и осушение, загрязнение подземных вод, изменение условий питания водоносных горизонтов рассеяние химических элементов, веществ и соединений, нарушение водно-солевого баланса изменение структуры и режима водно-теплового баланса развитие оползневых явлений, карстов, просадок, селей истощение земных недр
Анализ факторов техногенного влияния горных работ на окружающую среду и классификация нарушений экосистем естественной среды открытой разработкой месторождений доломита позволили выявить, что наиболее значимой экологической компонентой являются пылегазовые выбросы в атмосферу. Аспекты нарушений экосистем естественной среды открытой разработкой месторождений доломита классифицированы по их характеру (табл. 2).
Также следует отметить, что рельеф поверхности месторождений отличается скалистостью и крутизной склонов. Водные потоки по крутым склонам стекают, поглощаются рыхлым обломочным материалом и по тальвегу направляются в речные стоки. Пылегазовые продукты сносятся в реки и изменяют химическую характеристику вод. Основным источником данного воздействия являются буровзрывные работы и транспортирование горной массы, что предопределило направленность проведенных исследований.
В первую очередь, исходя из известной взаимосвязи объемов выбросов от объема используемых взрывчатых веществ и взрываемой горной массы, исследовались параметры взрыва. Для исследования влияния параметров взрыва выявлялись зависимости образования выбросов от размеров уступов карьера, а также количества детонаторов. Задача моделирования заключалась в подборе таких параметров взрыва, при которых обеспечивалась ровная поверхность берм и откосов модели при сохранении заданного направления и дальности развала породы от места взрыва. В зависимости от параметров определялась дальность отброса доломита зависящая от числом горизонтально уложенных электродетонаторов: при одном их количестве обеспечивался взброс, в другом — отброс, в третьем выброс.
Для уступов 30-30-30 м оказались эффективнее взрывы 1 детонатора для взброса, 2 горизонтальных для отброса и 3 горизонтальных — для выброса. Для уступов 40-40-40 -2 — для взброса, 3 — для отброса и 4-е для выброса. Для уступов 50-50-50 -3 — для взброса, 4 — выброса и 5 — выброса. Определено, что в этом случае масса зарядов на единицу высоты уступа уменьшается.
Классификация нарушений окружающей среды
Таблица 2
Типы нарушений
Причины, вызывающие нарушения природной среды
Характерные виды нарушений
Геомеханические
Гидрологические
Химические
Физико-механические
Термические
Строительство карьеров, отвалов, насыпей и траншей, деформация поверхности в результате разработки, хранение отходов, воздействие карьерного оборудования
Дренирующее воздействие горных выработок на породный массив. Деформация поверхности в связи с дренажом вод. Смещение направления водостоков. Загрязнение внутренних и внешних вод. Откачка подземных вод. Дренаж месторождений.
Эмиссия газов и химически активной пыли. Сбросы загрязненных органическими и неорганическими компонентами вод. Воздействие токсичных компонентов отвалов.
Эмиссия пыли и аэрозолей из атмосферы и вод, загрязненных суспензией и гидрозолями.
Загрязнение воздуха пы-легазовыми компонентами.
Изменение рельефа местности, геологической структуры массива, грунтов, почвы. Повреждение почвы. Изменение структуры использования поверхности.
Изменение уровня подземных вод и параметров гидрографической сети. Ухудшение качества вод водоносных горизонтов, инженерно-геологических свойств грунтов и водного режи-ма в почве. Оседание поверхности. Изменение режима подпитки рек.
Изменение состава и свойств атмосферного воздуха, подкисление, засоление, загрязнение вод, подкисление, алкализация, засоление, увеличение токсичных элементов почв.
Изменение состава и свойств атмосферного воздуха, вод и почвы.
Изменение состава и свойств атмосферного воздуха, биохимических процессов в экосистемах и микроклимата.
Также осуществлялось аналитическое моделирование влияния увеличения высоты уступа на расход взрывчатых веществ. В результате определено, что расходы ВВ на взброс и отброс на выброс возрастают монотонно, а расход на выброс увеличивается медленнее, что объясняется полезным использованием сил гравитации.
При увеличении высоты уступа расход ВВ на отбойку и взрывное перемещение ее возрастает в арифметической прогрессии, а объем отбойки увеличивается в степенной зависимости (рис.3, 1). Поэтому удельный расход ВВ с увеличением высоты уступа уменьшается (рис. 3, 2). Поскольку количество газов и пыли при взрывании 1 единицы ВВ постоянно, то увеличение параметров отбиваемого участка уменьшает загрязнение окружающей среды.
Проведенные исследования позволили выявить, что основной экологический ущерб формируется посредством загрязнения земельных ресурсов осаждаемой пылью. Для определения величин экологического ущерба от пылегазовых выбросов анализировалась динамика распространения пыли после взрывных работ. В результате проведенных исследований было установлено, что ореол загрязнения достигает 3000 м при скорости ветра до 2 м/с. При скорости ветра 5—6 м/с ореол увеличивается в направлении ветра. При скорости ветра 2 м/с время рассеивания пылегазового облака составляет около 4 ч. Фоновый уровень концентрации наступает через 3,5 ч на расстоянии 3,0—3,5 км.
Для проведения исследований влияния пылегазовых выбросов на подвергающиеся негативному воздействию экосистемы выбраны три участка в окрестностях Боснинского доломитового карьера. Анализу подверглись характеристики содержания минералов в растениях и загрязняющих веществ в почве. Базовый участок расположен в безопасной зоне, а два других — на разном расстоянии от карьера. На каждом участке были отобрано по 30 образцов каждого вида растений в одно и то же время. Содержание минералов в растениях изучали методом атомно-абсорб-ционного анализа (табл. 3).
Таблица 3
Содержание минералов в растениях, мг/кг сухого вещества
Растения и Металлы
участки Диоксид кремния Оксид железа Оксид алюминия
Кукуруза
Прилегающий 80± 2,5 280± 0,4 30 ± 1,2
Удаленный 30± 1,0 120± 0,2 15 ± 0,1
Базовый 15± 0,7 20± 0,3 10 ± 0,8
Яблоня
Прилегающий 170 ± 3,0 410± 0,3 39 ± 0,1
Удаленный 20± 1,0 190± 0,8 19 ± 0,1
Базовый 11, ± 0,2 70 ± 1,1 9 ± 0,2
р. Терек с. Чми
Рис. 1. Ранжирование почв в районе карьера по показателю загрязнения
По результатам исследования произведено ранжирование почв по показателю загрязнения (рис. 1).
Первая зона чрезвычайно опасного загрязнения распространяется в радиусе до 10 км от карьера. В почвах этой зоны на долю элементов первого класса опасности приходится 80 %.
Вторая зона располагается на расстоянии от 10 до 20 км. На долю элементов первого класса опасности приходится не более 10 %. Третья зона — зона умеренного уровня загрязнения расположена на расстоянии более 20 км.
Количественная оценка влияния загрязнителей на растения выполнена методом вегетационного моделирования. По измерению высоты растений установлено, что доломитовая пыль обла-
дает более выраженными токсичными свойствами, чем суглинок и песок.
Показатель загрязненности почв варьирует в интервале 0,47—2,21 и 0,78—4,79, что приближает состояние почвенного покрова к черте необратимых процессов. При 20 % загрязнении почвы токсичными химическими агентами урожайность почв по пшенице не превышает 12 %, а при загрязнении 40 % и более урожайность составляет всего 3—5 % от базового показателя. Выявленная закономерность требует учета при экономической оценке экологического ущерба. Для расчета принимается уровень средней урожайности при базовых характеристиках почв, степень снижения урожайности и текущие рыночные цены на пшеницу.
При этом формирование площадных зон загрязнения зависит от объемов выбросов газа и пыли:
5,. = / (уг ,УП ), (1)
где S — площадь зоны загрязнения (Га); , — индекс зоны; (УГ), (УП) — объем выбросов, соответственно, газа и пыли (кг)
Таким образом, экологический ущерб от площадного загрязнения может быть определен следующим образом:
УЗ = 1 УЗ, ■ , (2)
, д
где д УЗ — удельный экологический ущерб в , — ой зоне загрязнения.
Как показали проведенные исследования ущерб от снижения урожайности (УУ) также зависит от объемов выбросов газа и пыли:
УУ = / (УГ УП,,) (3)
Экологический ущерб от снижения урожайности (УУ) может быть рассчитан по следующей формуле
УУ = У • Ц ■ 15 (1 -д У,.) , (4)
.г
где дУi — снижение урожайности в , -ой зоне, доли ед., У — норматив урожайности кг/м2, Ц — цена единицы урожая, руб/кг.
Для оценки масштабов воздействия стоков карьера, насыщенных пылегазовыми выбросами, на окружающую среду использованы результаты исследований вод р. Терек. Анализ проводился на основе разделения растворимых и взвешенных форм загрязнителей в водах реки в трех точках отбора.
Проведенные исследования позволили сделать вывод, что формирование загрязнения вод от сброса загрязняющих веществ (СЗ) зависит от следующих факторов:
СЗ = / (УГ ,УП, I, ГМ ) (5)
В этом случае экологический ущерб водным ресурсам будет рассчитываться по следующей формуле:
УВ = ке 1 СЗ РСп (6)
п п
где ке — коэффициент экологической значимости водного объекта
Таким образом, экономическую оценку экологического ущерба при открытой добыче доломита необходимо рассчитывать исходя из количества образуемых пыли и газов при отбойке минералов, определяемого параметрами ведения горных работ. Выявленные закономерности являются основой расчета экологического ущерба сопровождающего пылегазовые выбросы (УЭ), который определяется по следующей формуле.
УЭ = УЗ+УУ+УВ. (7)
Таким образом, выявлено, что экономическую оценку экологического ущерба при открытой добыче доломита необходимо осуществлять исходя из количества образуемых пыли и газов при отбойке минералов, определяемого параметрами ведения горных работ. Проведенные исследования позволили выявить возможность управления горными работами для минимизации негативного воздействия на окружающую среду.
Для обеспечения экологизации ведения горных работ и снижения пылегазовых загрязнений с учетом воздействия на экосистемы окружающей среды необходимо формирование рациональной совокупности технологических параметров отбойки и транспортирования минералов на основе выявленных уравнений
диффузии, гидротермодинамики и внутри — диффузионной и химической кинетики.
Проведенные исследования позволили определить, что состав продуктов взрыва подчиняется следующим закономерностям.
Закономерность 1. Количество пылегазовой смеси определяется параметрами уступа, расходом ВВ, скоростью детонации ВВ, полнотой использования энергии взрыва и свойствами с приоритетом параметров уступа.
Закономерность 2. Качественный состав пылегазовой смеси определяется параметрами отбойки и дробления минералов: уменьшение заряда интенсифицирует процесс образования пыли; максимальное пыление наблюдается при расходе более 2.0 кг/м ; увеличение скорости детонации ВВ до 3900 м/с снижает темпы пыления.
Закономерность 3. Концентрация загрязнителей в атмосфере над поверхностью карьера определяется решением уравнения диффузии, а поле скорости ветра — находится из системы двумерных уравнений гидро- термодинамики.
Закономерность 4. Механизм и скорость химико-физических процессов выщелачивания пылегазовых продуктов в гидросфере определяется суммой скоростей отдельных реакций внутри — диффузионной и химической кинетики.
Закономерность 5. Механизм и объем накопления пылегазо-вых загрязнителей в почвах описываются совокупностью параметров загрязнения, времени и показателем влияния взаимозависимых факторов отбойки и транспортирования минералов.
Закономерность 6. Масса пыли при отбойке увеличенного уступа уменьшается по линейной зависимости с корреляцией от г = -0,88 до й = 0,17 м.
При взрывании уступов высотой более 15 м рационально увеличивать объем зарядов. Это снижает пылевыделение для пород с асж = 100 МПа на 8—10 % при одинаковой высоте уступа и на 15—17 % при одновременном увеличении величины заряда и высоты уступа. Проведенные исследования позволили предложить модель загрязнения окружающей среды газопылевыми продуктами с учетом мероприятий по снижению загрязнения.
В настоящее время приоритетным способом эколого-экономической оценки воздействия источников выбросов на окружающую среду являются вариантные расчеты с помощью имитационных компьютерных систем, основывающихся на математическом моделировании экономических, природных и технологических процессов. Для достижения поставленной цели необходимо математическое описание процесса загрязнения экосистем техногенными источниками и расчета экологического ущерба.
На основе разработанного программного продукта проведено имитационное исследование процесса отбойки доломита. В качестве независимых переменных выбраны: высота уступа, прочность пород, объем отбиваемой горной массы и стоимость отбойки. В качестве параметров оптимизации приняты удельный расход ВВ, удельный выброс пыли и газа и некоторые другие. Константы имитационного исследования (размеры карьера, количество пыли и т.д.) приняты по данным Боснинского карьера.
После обработки результатов эксперимента и отсева незначимых коэффициентов регрессии получены уравнения регрессии с надёжностью на уровне значимости 0,05. Модель удельного расхода ВВ на добычу доломита с независимыми переменными в безразмерном масштабе:
Ж = 3067,4331 + 79,5726 Х1 - 70,6014Х2 + 75,3897Х3 -
-12,3154 Х4 + 3,2961 X,2 + 7,5659 Х22 - 95,6046 X,2 +
4 1 2 3 (8)
+0,3859 Х42 -13,8129 Х1Х2 + 2,1476 Х1Х3 - 2,2259 Х1X4 -
-1,6698 Х2Х3 -1,8389 Х2Х4 - 0,3533 Х3X 4,
(Я2 = 0,9991, ^ = 1662,35),
где Ж — расход ВВ на отбойку, кг/м3; Х1 — расход ВВ на выброс, кг/м3; Х2 — расход ВВ на отброс, кг/м3; Х3 — расход ВВ на взброс, кг/м3; Х4 — высота уступа, м.
Столь детальное исследование расхода взрывчатых веществ обусловлено выявленным его влиянием на эколого-экономичес-кие показатели работы карьеров. Доля расходов на ВВ в себестоимости доломита составляет 60 %, в формировании экологического ущерба 35 %. Это позволяет использовать расхода взрывчатых веществ в качестве основного критерия оптимиза-
ции. Значения независимых переменных в безразмерном масштабе составили: Х1 = -1, Х2 = +1, Х3 = -1, Х4 = +1, что в переводе на натуральный масштаб составляет: высота уступа 50 м, расход ВВ на выброс 0.5 кг/м3.
Установлено, что наибольшее влияние на расход ВВ оказывают высота уступа и расход ВВ на выброс, а меньшее — расход на взброс и отброс доломита. Наиболее сильное влияние на состояние окружающей среды оказывает высота уступа, а незначительное — способы улавливания и нейтрализации пыли.
Проведенные исследования процесса формирования экологического ущерба позволили сформировать два основных концептуальных подхода к организации природоохранной деятельности.
Первый — обеспечение охраны приземной атмосферы от критического газопылевого загрязнения, который заключается в минимизации объемов газов и пыли за счет рационального назначения параметров разработки месторождения. Уменьшение опасности пылегазового загрязнения возможно в случае реализации следующих технологических мероприятий (табл. 4).
Технология обеспечивает концентрацию погрузочных работ в основании карьера взрывом, что на 2/3 снижает транспортные расходы. При годовом объеме добычи 700 тыс. тонн экономия составляет 700 000- 6,71-2/3 = 3 130 000 руб.
Второй подход — минимизация загрязнения экосистем газопылевыми продуктами добычи минералов, который заключается в создании условий для регулируемого измельчения минералов взрывом путем рационализации технологических операций, слагающих буровзрывной комплекс.
Таблица 4
Технологии предотвращения загрязнения пылью
Технологии Варианты оснащения
Уменьшение при отбойке Улавливание в ходе процесса Нейтрализация при выбросе Увеличение высоты уступа, применение специальных ВВ, рационализация конструкции заряда и т.п. Фильтры, скрубберы, циклоны, мокрые камеры, осадители, сорбенты и т.п. Связывание и утилизация элементарных частиц
При отбойке минными зарядами на взброс масса ВВ составляет 60 т. При оптимизированной технологии на выполнение той же работы требуется 50 т, или экономится в пределах 17 % взрывчатых веществ. Увеличение высоты уступа при одновременном уменьшении размеров берм до 30 или 40 м позволяет уменьшать расход ВВ за счет направленного взрывания. Максимальный эффект достигается при снижении размера бермы до 30 м при высоте уступа 50 м. Сокращение размера берм позволяет уменьшить расход ВВ на отбойку уступов до 20 %.
Снижение затрат на ВВ для уступов 50-50-50 м обеспечивает экономический эффект в размере 0.14 млн рублей в год при добыче 700 тыс. т/год.
Укрупненный расчет объемов расхода взрывчатых веществ, (Г )
ВУ х ГМ = ВВ = f (15hsp), (9)
где ВУ — удельный расход ВВ, г/см3; ГМ — объем взрываемой горной массы, см .
2. Объем выбросов газа (УГ) и пыли (УП) ОГ хВВ = УГ~ ОП х ВВ = УП I
'1
и f (У2,ОЬ,УЬ ), (10)
где ОГ, ОП — удельный объем образования, соответственно, газа и пыли, г/г.
Управляемые параметры горного производства:
■ параметры уступа: I — высота, h — глубина, р — длина, м.
■ параметры взрывного транспортирования горной массы: — взброс, оЬ — отброс, уЬ — выброс.
Выше представленные исследования позволяю осуществить расчет экологического ущерба району ведения горных работ исходя из распространения загрязнителей в атмосфере, учитывающий специфику контролируемой территории и особенности протекающих в ее пределах технологических и природных процессов.
Для эколого-экономического обоснования рационализации параметров открытой добычи доломитов на основе формирования вариантов технологических параметров, конструктивных элементов системы разработки и технологических операций буровзрывного комплекса, снижающих выбросы необходим расчет предотвращенного экологического ущерба.
расширение объема производства
Рис.2. Механизм формирования, оценки и выбора вариантов технологических параметров открытой добыче доломитов
Предотвращенный ущерб от влияния загрязнителей на экосистемы:
X Уэ = У + У2 +... + У„ (11)
1
где У1... Уп — ущербы по элементам образования отходов, руб.
Ущерб от изъятия из сельскохозяйственного пользования земли:
Уц.к= У, ■ + е (12)
Ущерб от нарушения экосистем газовыми и пылевыми продуктами:
Уе = ] • Жэ • Ме (13)
Ущерб от поражения флоры и фауны загрязнителями:
т _
У™ .™ = £(( .. - Аъ .. ), (14)
1
где т — количество видов флоры и фауны; Ап и Ад — количество флоры и фауны после и до модернизации технологии, ед.; Цп и Цд — цена единиц флоры и фауны после и до модернизации технологии, руб./ед.; ^, — затраты на охрану окружающей среды, руб.
Представленный подход к расчету предотвращенного экологического ущерба позволяет разработать экономико-математическую модель оценки вариантов рационализации параметров ведения горных работ и природоохранной деятельности. В качестве целевой функции модели предложен критерий эколого-экономи-ческой эффективности.
Данная модель функционирует при условии выполнения следующих ограничений: по объему производства; по экономическим параметрам; по технологическим параметрам; по экологическим параметрам.
Предложенные подходы позволил разработать механизм эколого-экономического обоснования рационализации параметров (рис. 2), конструктивных элементов системы разработки и технологических операций буровзрывного комплекса, снижающих выбросы и минимизирующих ущерб экосистемам при открытой добыче доломитов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Стоянова И.А., Харченко В.А. Механизм выбора наиболее предпочтительных вариантов развития угледобывающего производства. — М.: МГГУ, 2005. — 30 с.
2. Петров И.В., Стоянова И.А., Харченко В.А. Основные показатели влияния угледобывающей промышленности России на окружающую среду/ Сборник научных трудов «Экология и Экономика Горного дела». — М.: МГГУ, 2006. — С. 31—36.
3. Стоянова Е.В., Стоянова И.А. К вопросу о рациональной инвестиционной политике в сфере охраны окружающей среды / Сборник научных трудов «Экология и экономика». — М.: МГГУ, 2009. — С. 49—55.
