Российская академия наук

Кольский научный цент

Горный институт

На правах рукописи

УДК 504.3.064.36: 622.012.3

ЗОРИН АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

ПРОГНОЗ СОСТОЯНИЯ АТМОСФЕРЫ В КАРЬЕРАХ

Специальность 25.00.30 "Метеорология, климатология, агрометеорология"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук Санкт-Петербург PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

Работа выполнена в Горном институте Кольского научного центра Российской академии наук

Научный руководитель: доктор технических наук С.А.Козырев

Научный консультант: кандидат географических наук, профессор О.Г.Богаткин

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор В.И.Воробьев;

кандидат физико-математических наук, доцент В.А.Васильев

Ведущая организация: ОАО "Апатит"

Защита состоится "_ " _ 2006 г. на заседании диссертационного совета К 212.197.01 Российского государственного гидрометеорологического университета по адресу: 195196, г.Санкт-Петербург, Малоохтинский проспект, 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета.

Автореферат разослан " " 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук А.В.Лубяной PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Обеспечение оптимального воздействия горного производства на состояние воздуха рабочей зоны при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом остается одной из проблем горной науки и производства.

Анализ материалов длительных наблюдений свидетельствует о том, что загрязнение атмосферы в карьерах неблагоприятно сказывается на состоянии здоровья трудящихся, повышая опасность возникновения профессиональных заболеваний, а иногда и острых отравлений, снижает производительность труда и наносит определенный экономический, а также PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Основная идея работы заключается в использовании экспериментально установленных закономерностей пространственно-временного распределения загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы и особенностей внутрикарьерной циркуляции воздуха для разработки методики прогноза опасных для производства состояний атмосферы карьеров.

Задачи исследований. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследовать процессы циркуляции воздушных потоков в карьерах и районах их расположения в зависимости от рельефа местности и 2. Выявить закономерности пространственно-временного распределения вредных примесей в пределах действующих карьеров при различных 3. Разработать методику прогноза метеоусловий, опасных по загрязнению предшествующего опыта по литературным и производственным данным, метеорологические наблюдения и их обработку, экспериментальные исследования в естественных условиях, методы математической статистики, методы синоптической метеорологии.

Научное значение работы заключается в развитии методических принципов комплексного подхода к прогнозу и контролю пылегазовых режимов карьеров на иерархически взаимосвязанных временных и пространственных уровнях, установлении временных и пространственных особенностей распределения вредных примесей в объеме карьеров, разработке методики прогноза опасных по загрязнению состояний атмосферы карьера и комплекса мероприятий по нормализации воздушной среды.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Выявленные особенности распределения вредных примесей в атмосфере карьера при различных метеоусловиях являются основой для разработки методики прогноза состояния атмосферы карьера.

2. Разработанная методика прогноза опасных по загрязнению состояний атмосферы карьера позволяет снизить негативное воздействие атмосферных процессов на технологический режим PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Вопросами изучения проблем аэрологии карьеров и путей их решения занимаются многие исследователи. Особенно следует отметить работы Н.З.Битколова, В.С.Никитина, М.М.Конорева, С.С.Филатова, А.Д.Вассермана, В.А.Рогалева, А.А.Бакланова, К.З.Ушакова, П.В.Бересневича, В.А.Михайлов и др., в которых отражены основные направления решения проблемы, но в них недостаточно полно рассмотрены вопросы циркуляции воздушных потоков в карьерном пространстве при сложных формах рельефа, а также причины, их вызывающие.

Рядом авторов П.В.Бересневич, В.А.Михайлов, В.Н.Сытенков, С.М.Лепешкин и др. предложены методы прогноза пылегазового состояния атмосферы карьеров, но это делалось в основном для одного конкретного карьера. Данная работа развивает концепции и понятия, изложенные вышеуказанными авторами. Здесь предлагается методика прогноза метеорологических условий, способствующих загрязнению карьера. Она состоит из прогноза синоптической ситуации над регионом и прогноза температурного режима атмосферы карьера. Данная методика применима для Северо-Западного региона, а при определенной доработке может стать универсальной. Представляется правомерным утверждать, что надежность прогноза длительности возникновения метеорологических ситуаций, опасных по загрязнению атмосферы карьеров вредными примесями, с углублением карьеров будет возрастать и общая длительность этих ситуаций будет увеличиваться.

';

Среди факторов, способных изменить состояние воздуха в карьере (уровень его загрязнения), основным является поток тепла, который получает поверхность Земли от Солнца. Потоки тепла от почвы нагревают приземный слой атмосферы, тем самым уменьшая его плотность и соответственно, устойчивость. Поднимаясь, теплый приземный слой воздуха уносит с собой и загрязнения. Так работает естественный механизм очистки приземного слоя воздуха, где наблюдается конвекция. Конвекция обычно характеризуется высотой слоя перемешивания, мощность которого, в свою очередь, зависит от степени устойчивости атмосферы (градиент температуры), и при благоприятных условиях может достигать нескольких километров. Устойчивое состояние атмосферы, в отличие от неустойчивого, не только не способствует развитию конвективных течений, но и, наоборот, подавляет их, что приводит к накоплению вредных веществ в приземном слое атмосферы.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Пути нормализации атмосферы карьеров имеют разную меру полноты решения проблемы. Коренное решение проблемы - полное подавление и улавливание вредных примесей, выделяющихся при работе оборудования, транспорта и ведении технологических процессов в карьере.

Как разновидность рассмотренного пути, прогноз, оценка и ограничение предельно допустимого выброса (ПДВ) вредных примесей в атмосферу карьера и промышленную зону имеет существенно меньшие технико-организационные и экономические недостатки.

Для действующих карьеров предложен метод краткосрочного прогноза состояния атмосферы карьера суточной заблаговременности для различного периода суток и времени года, разработана система автоматизированного дистанционного контроля состояния атмосферы карьера и оповещения об опасных ситуациях.

Вооруженные такими методами прогноза и системой контроля и на подземных рудниках) способны обеспечить контроль за соблюдением безопасных условий труда в карьерах по фактору загрязнения атмосферы. Предлагаемое направление решения проблемы оздоровления атмосферы в карьерах по срокам реализации и экономичности является наиболее эффективным.

Весь комплекс исследований проведен по следующей схеме: изучение циркуляции воздушных потоков в районах ведения горных работ, затем анализ их трансформации в сложных формах рельефа и карьерах с учетом микроклиматических особенностей, далее исследование распределения (временного и пространственного) вредных примесей в объемах карьеров в зависимости от метеорологических условий и технологических процессов.

На основании полученной информации разрабатывались методы прогноза опасных по загрязнению метеоусловий в атмосфере карьера.

Для определения значений метеорологических параметров в карьерах и районах их расположения проводились стандартные наблюдения в соответствии с требованиями Наставлений гидрометеорологическим станциям и постам.

Проводимые наблюдения были трех типов, каждый из которых направлен на решение конкретных задач. Первые два вида работ проводились с целью сбора информации для описания микроклиматического режима карьеров, используемого при разработке проектных рекомендаций и для определения границ эффективного воздухообмена.

Первый вид наблюдений проводится с помощью стандартных метеорологических самописцев (термографов, гигрографов, барографов) на стационарных пунктах. Данные наблюдения требуют минимальной трудоемкости и направлены на сбор общей непрерывной информации о микроклимате карьеров.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Для исследования внутрикарьерной циркуляции были проведены экспериментальные исследования с созданием искусственных потоков воздуха в объеме карьера и определением их параметров, с фиксированием конкретных метеорологических условий и уровня концентрации вредных примесей.

Данные работы проводились совместно с сотрудниками ИГД МЧМ СССР.

Полученные результаты показали, что при устойчивом состоянии атмосферы в зависимости от интенсивности инверсии активность внутрикарьерной циркуляции уменьшается в два и более раз. Для эффективного выноса примесей за пределы карьера требуется достаточно высокая скорость их транспортирования на границе и, соответственно, большие энергозатраты.

Выявленные особенности распределения вредных примесей в атмосфере карьера при различных метеоусловиях являются основой для разработки методики прогноза состояния атмосферы карьера В работе подробно изложены климатические условия районов расположения карьеров, даются особенности микроклиматических режимов Карьер "Центральный" ОАО "Апатит" расположен на горной платообразной вершине, "Коашвинский" в горной долине в закрытом цирке, "Ньоркпахский" на горном склоне, "Железный" ОАО "Ковдорский ГОК" в холмистой, лесистой местности, "Оленегорский" ОАО "Олкон" на равнине, "Центральный" ГМК "Печенганикель" в холмистой местности в непосредственной близости от Баренцева моря, что во многом определяет особенности его микроклимата.

Все рассматриваемые карьеры расположены в зоне отрицательных среднегодовых температур воздуха. Такое положение обусловливает короткое прохладное лето и продолжительную зиму.

Ветры со скоростями ниже 3 м/с в районах расположения карьеров составляют для "Центрального" ОАО "Апатит" 37% (3240 час. в год), для Коашвинского 78% (6830 час.), для Ньоркпахского 63% (5519 час.), для "Железного" 68,5% (6000 час.), Оленегорского 64,5% (5950 час.) и для "Центрального" ГМК "Печенганикель" ориентировочно до 20% (1500 час.).

При этом штили составляют соответственно 13, 34, 7, 24, 21, 7%. В Коашвинском карьере наблюдаются наименьшие скорости ветра, как по месяцам, так и по румбам.

Из анализа среднемесячных температур воздуха в карьерах Кольского полуострова на различных высотах и среднемесячных температур воздуха в карьерах по слоям можно оценить термический режим в карьерах полуострова. В Оленегорском карьере в нижнем придонном слое инверсия наблюдается 50% времени года, что также характерно для Железного и PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com При устойчивом состоянии атмосферы необходимо создать в карьере конвективное движение и обеспечить обмен воздушными массами с внешней средой. Оценка требуемого для этого количества энергии приведена применительно к установившейся инверсии в карьере из условий разрушения инверсионного состояния, ибо образование циркуляционных зон с помощью вентиляционных потоков без изменения стратификации атмосферы в карьере не обеспечивает необходимого уровня снижения концентрации примесей, поскольку обмена с внешней средой фактически не происходит. Необходимо отметить, что указанные оценки освещают лишь одну сторону затрат на воздухообмен разрушение далеко не самой мощной и продолжительной по своей природе инверсии. Однако разрушение устойчивой стратификации дает только предпосылки и возможность организовать взаимодействие (массообмен) системы с окружающей средой и вынос примесей из карьера. Для осуществления этого процесса необходимы дополнительные затраты кинетической энергии на поддержание движения воздушных масс. Кроме того, для практической реализации разрушения инверсии и организации воздухообмена чрезвычайно важным является рационально вкладывать необходимую энергию, так как можно создать очень интенсивные циркуляции в локальных областях, а во всем объеме карьера инверсия будет сохраняться и выноса примесей не произойдет.

В результате проведенных исследований с учетом необходимых обоснований и доказательств установлено, что в карьерах Кольского полуострова преобладают приземные инверсии, распределение температуры воздуха по глубине в глубоких карьерах и горных долинах имеет равнозначный характер, нарушения естественного воздухообмена наибольшей продолжительности наблюдаются во всех исследуемых карьерах в течение пяти месяцев, с ноября по март, большей частью из-за приземных инверсий на нижних горизонтах карьеров. Ветровой режим в карьерах определяется горнодолинной циркуляцией, при этом в тупиковых забоях, на бермах образуются застойные зоны с местной замкнутой циркуляцией соленоидального вида.

С углублением карьеров происходит еще большее обособление внутрикарьерной циркуляции от общеатмосферной, увеличивается количество застойных зон в карьерах с замкнутой циркуляцией. Выявлено также наличие в чаше карьера застойной области, препятствующей интенсивному естественному воздухообмену, причем с увеличением скорости фонового потока эта область опускается ко дну карьера и еще более снижает эффективность естественного воздухообмена. Основная зона загрязнения атмосферы исследуемых карьеров совпадает с этой застойной областью. Данная зона находится в средней части карьера, верхняя граница ее расположена на 1/3 глубины карьера от замкнутого контура. В соответствии с циркуляционными условиями основными очагами загрязнения внутрикарьерной атмосферы являются рабочие забои (как правило, PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Краткосрочный прогноз метеоусловий, способствующих накоплению загрязнений в атмосфере карьеров, состоит из двух частей: прогноза синоптического положения над регионом и расчета вертикального Синоптические процессы, протекающие над районом расположения карьеров, определяют погодные условия данного региона. В объеме карьера эти условия претерпевают определенную трансформацию и формируют режим естественного воздухообмена карьера. Исследование зависимости естественного воздухообмена в карьерах от синоптических процессов, развивающихся над районом их расположения, проводилось:

- синоптическим методом изучения погодных условий, основанным на анализе карт погоды, на качественно-физических выводах из этого анализа и на количественных расчетах, - физико-статистическим методом, основанным на статистических закономерностях изменений погоды, выявлении закономерностей атмосферных процессов и прогностических связей между различными характеристиками Цель данного анализа - выявление синоптических процессов, при которых в приземном слое атмосферы над Кольским полуостровом, а следовательно, и в атмосфере карьеров, наблюдалась устойчивая стратификация и резкое ослабление естественного проветривания открытых горных работ.

Наиболее часто инверсии над Кольским полуостровом наблюдаются, когда над ним расположена малоактивная барическая ложбина. Рост давления и слабые ветры способствуют выхолаживанию земной поверхности и возникновению инверсии, такие ситуации характерны для ноября-декабря и января-февраля. Достаточно часто инверсии наблюдаются при западной и северо-западной периферии антициклона и в гребне повышенного давления.

Эти ситуации характерны для января-марта и возникают в большинстве случаев при усилении Сибирского антициклона и распространении его на европейскую территорию и Скандинавский полуостров. Особо необходимо отметить ситуацию, когда обширный антициклон занимает весь Скандинавский полуостров, в течение 5-7 дней остается малоподвижным.

На Кольский полуостров при такой ситуации поступает теплый воздух с Атлантики, а холодный воздух, как более тяжелый, находится у земной поверхности. Приземные инверсии в этом случае могут занимать весь нижний слой атмосферы от земли до 1.5 км, или возникает несколько слоев с инверсиями. Момент окончания инверсии наступает, когда теплый воздух распространяется до земной поверхности.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com также переходят на ежечасные наблюдения, а при дальнейшем его увеличении осуществляют контроль газового состояния атмосферы карьера.

Для карьера "Железный" ОАО "Ковдорский ГОК" основой прогноза (после определения типа синоптической ситуации), послужила статистическая обработка данных измерений метеорологических величин. Были получены эмпирические зависимости изменения температуры воздуха в нижнем слое карьера Т Н от температуры во всем объеме карьера Т К :

Тд - температура воздуха на дне карьера, Тп - температура воздуха на поверхности карьера, Изменения температуры в верхнем слое карьера Т В от температуры во всем объеме Т К определяются по уравнению вида:

проводятся те же мероприятия, что и в первых двух случаях. В последних двух карьерах энергия неустойчивости оценивается и прогнозируется на основании фактических и прогностических данных температур воздуха по нижним пунктам наблюдения в карьере и по данным с АТ-925 мб (400 м). Температурный критерий для обоих карьеров составляет 2.5оC.

Прогноз ветра в приземном слое, как и прогноз температуры воздуха (в том числе и минимальной), в районах расположения карьеров может осуществляться любым известным методом, наиболее подходящим для данного прогностическими центрами, в этом случае есть возможность вносить корректировку в прогноз, штормпредупреждения, а также осуществлять оценку оправдываемости прогнозов, что позволит повысить их надежность, так и в упрощенном варианте непосредственно диспетчерским составом рудников.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com мероприятия: оптимизация схем транспортных потоков, сокращение количества дизельной техники в карьере, перевод части ее на ремонт, ТО, прекращение работ на нижних горизонтах, применение средств индивидуальной защиты (в кабинах горной техники использование кондиционеров с фильтрующими элементами), для постоянных пунктов (водоотлив) создание помещений с подачей чистого воздуха, сокращение числа работающего персонала на открытом воздухе в карьере (маркшейдера, геологи, взрывники и т.д.), для тех, кого нельзя вывести использование гермошлемов и масок с избыточным давлением.

Предлагаемые меры позволяют осуществлять контроль за состоянием атмосферы карьера после массового взрыва, оценивать уровень загрязнения воздушной среды на промплощадке рудников и их взаимовлияние, оценивать общую нагрузку на окружающую среду с учетом реальных объемов выбросов.

Обработка и анализ получаемой информации приведет к созданию перспективных, более надежных методов прогноза и рекомендаций вплоть до рекомендаций заводам-изготовителям дизельных двигателей и газоанализаторного оборудования, а также герметизации кабин и разработок газопоглощающего, нейтрализующего оборудования и индивидуальных средств защиты. Использование прогноза позволит перераспределить рабочих по сменам, перенести сроки взрывных работ, изменить оперативное планирование по автоперевозкам, улучшит экономические показатели, повысит надежность использования механизмов и оборудования, обеспечит безопасность проведения работ. При оценке экономической эффективности мероприятий по нормализации состава атмосферы в карьере необходимо учитывать не только прямые доходы, связанные с сокращением простоев, повышением производительности труда, уменьшением профзаболеваний, но также социальные и психологические аспекты, неподдающиеся экономическому учету, хотя, безусловно, значительно влияющие на деятельность горного предприятия в целом.

Основные результаты и выводы диссертационной работы сформулированы в заключении и сводятся к следующему:

- на Кольском полуострове преобладают приземные инверсии;

- нарушение естественного воздухообмена обусловлено инверсионным состоянием атмосферы карьеров, наибольшая продолжительность которых наблюдается в течение пяти месяцев, с ноября по март, включительно;

- с углублением карьеров происходит еще большее обособление внутрикарьерной циркуляции от общеатмосферной, увеличивается количество застойных зон в карьерах. Выявлено наличие в чаши карьера застойной области, препятствующей интенсивному естественному воздухообмену;

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 9. Зорин, А.В. Исследование метеоусловий в районе карьеров Коашвинский и Ньоркпахский [Текст] / А.В.Зорин // Горн. журн. - 2002. - № 4. С.90-91.

10. Аристотелевское понимание метеорологии как науки о физике (природе) атмосферы [Текст]: Тез. докл. Материалы итоговой сессии Ученого совета, 27-28 январь 2003 г., Санкт-Петербург: РГГУ, 2003. - С.100-102.

11. Зорин, А.В. Оценка загрязнения снежного покрова в карьерах горнодобывающих предприятий и районах их расположения [Текст] / А.В.Зорин // Кольский полуостров на пороге третьего тысячелетия. Проблемы экологии: сб. научн. тр. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2003. - С.58-66.

12. Зорин, А.В. Оценка загрязнения промышленной зоны путем химического анализа снежного покрова [Текст] / А.В.Зорин // Материалы гляциологических исследований / Ин-т географии РАН. - 2003. - № 94. - С.153-156.

13. Зорин, А.В. Комплекс мероприятий по нормализации атмосферы промышленных зон [Текст] / А.В.Зорин // Современные экологические проблемы Севера. Ч.2. Материалы Международной конференции. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2006. - С.13-14.

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com