Основные способы снижения выбросов пыли и газов при выполнении массовых взрывов в карьере Мурунтау

О.Н.Мальгин, д.т.н., зам. главного инженера Навоийского ГМК
В.Н.Сытенков, д.т.н., главный инженер Центрального рудоуправления, Навоийский ГМК
С.К.Рубцов, д.т.н., начальник лаборатории ВНИПИпромтехнологии
В.Ф.Джос, к.т.н., ст. научн. сотр. института геотехнической механики АН Украины

Особенностью современного этапа развития горных работ на карьере Мурунтау является высокая концентрация и интенсификация всех технологических процессов, связанных с добычей и переработкой золоторудного сырья. Отмеченное сопровождается усложнением процесса проветривания выработанного пространства карьера, ухудшением условий труда по пылевому и газовому факторам, негативным воздействиям на окружающую среду.

Основными источниками образования пыли и газа в карьере являются буровзрывные работы (до 35%), погрузочно-транспортные операции и пыль, осевшая на карьерных площадях. Выделение токсичных газов вызвано проведением массовых взрывов в карьере (до 60%) и работой технологического автотранспорта при перевозках взорванной горной массы на отвалы, дробильно-перегрузочные пункты, а также на рудные склады различного назначения.

Данные экспериментальных киносъемок процесса развития взрыва показывают, что после производства массового взрыва пылегазовое облако распространяется по всему объему карьера и, вовлеченное в воздушные атмосферные потоки, рассеивается за его пределами (рис. 1, 2). Визуально фиксированное время рассеивания пылегазового облака при различных метеоусловиях в карьере Мурунтау составляет в среднем от 20 до 40 минут, высота его подъема в среднем 400–600 м (в отдельных случаях до 800 м), дальность распространения достигает значений 14–17 км.

Интенсивность пылегазообразования при ведении буровзрывных работ на карьере зависит от многих факторов, к основным из которых следует отнести физико-механические свойства горных пород и их обводненность, способы бурения взрывных скважин, ассортимент применяемых ВВ, типы используемых забоечных материалов, методы взрывания (на подобранный откос уступа или в зажатой среде), время производства массового взрыва, метеоусловия на момент массового взрыва и др.

Как показали результаты исследований в условиях взрывного полигона, с увеличением коэффициента крепости пород по шкале М.М.Протодьяконова возрастает объем выделившейся при взрыве пыли. Так, если при взрывании горных пород с коэффициентом крепости f=6–8 образуется до 0.04 кг/м3 пыли, то при взрывании пород с f=l2–14 выделяется до 0.22 кг/м3 пылеобразных частиц (размер фракции ±1 мм). В то же время, взрывание обводненных горных пород той же крепости, приводит к снижению объема выхода указанных фракций в 1.3–2.7 раза, что связано с процессом коагуляции (связывания) образовавшихся при взрыве паров и мельчайших частиц воды, с пылевидными фракциями горных пород.

Основной способ бурения взрывных скважин на карьере – шарошечный (станки СБШ-250 МН). Очистка забоя скважин от продуктов разрушения и выноса буровой мелочи осуществляется с помощью воздушно-водяной смеси. Крупные частицы продуктов бурения оседают у устья скважины, а мелкие (в том числе и пылевые) уносятся на расстояние до 10–14 м.

В различных горно-геологических условиях разработки пород и руд карьера были проведены исследования дисперсного состава бурового шлама, которые показали, что выход пылевых фракций размером 1.4 мкм в зависимости от крепости буримых пород достигает значений 22–25% от его общего объема. Это свидетельствует о том, что шарошечное бурение взрывных скважин также является одним из основных процессов, сопровождающихся выделением пылевого материала, который при массовых взрывах выбрасывается в атмосферу. Расчетами установлено, что масса пылевых частиц при бурении в условиях карьера составляет порядка 70 тыс. т/год, удельное пылеобразование составляет 0.043–0.254 кг на 1 кг взорванного ВВ.

Для связывания пылевидных частиц продуктов бурения было предложено производить обработку поверхности взрываемого блока химическими реагентами (спиртовая барда, растворы поверхностно-активных веществ и др.). В этом случае на поверхности блока образовывалась «корка» толщиной 20–30 мм, которая коагулировала пылевидные частицы и, тем самым предотвращала их попадание в атмосферу при взрыве, что подтверждалось данными киносъемок и замерами концентрации пыли после производства взрывов. В частности, уменьшается на 25–30% выброс пыли в атмосферу карьера, на 15–20% снижается высота подъема пылегазового облака. Масштабность и эффективность этого способа борьбы с пылевыделением связана с обеспечением ритмичной поставки необходимых химических реагентов на карьер, а также наличием механизированных средств для поливки поверхности взрываемых блоков.

В условиях карьера были проведены экспериментальные взрывы по установлению влияния условий взрывания (в зажатой среде и на свободную поверхность уступа) на объем пылегазового облака. Для фиксации процесса формирования облака во времени была использована скоростная киносъемка.

Взрываемые породы были представлены кварцево-слюдистыми сланцами крепостью f=9–10. Половина блока взрывалась на подобранный забой, другая часть – на подпор из ранее взорванной горной массы. Объем экспериментального блока составил 115 тыс. м3, сетка скважин – 7(7 м, средняя высота уступа –10.5 м, перебур – 2 м, в качестве ВВ применялся гранулит С-6М. Схема взрывания – диагональная с интервалом замедления между рядами – 35 мс.

Расшифровка данных кинограмм показала, что формирование пылегазового облака на участке блока с подобранным забоем уступа закончилась к 5-й секунде. При этом формирование облака наблюдается не только за счет выбросов из верхней части площадки уступа, но и за счет взметывания пыли с нижнего горизонта под действием газов взрыва, прорвавшихся из откоса уступа и формирования развала из пород бокового откоса уступа (рис. 3). Высота подъема пылегазового облака в этом случае составила 320 м, его объем – 3.8 млн. м3. На участке взрываемого блока в зажатой среде формирование облака закончилось за 3 с, высота его подъема была равна 280 м, а объем – 2.6 млн. м3. Снижение объема пылегазового облака произошло за счет отсутствия выбросов пыли из боковой поверхности уступа, а также падений кусков породы на его нижнюю площадку.

При взрывании в зажатой среде (рис. 4) уступов различной высоты данными скоростной киносъемки установлено отсутствие пылеобразования, как правило, в направлении формирования развала взорванных пород, что снижает объем пылегазового облака на 30–35%.

Экспериментальными замерами установлено, что концентрация пылевидных частиц в момент массового взрыва изменяется во времени следующим образом: в начальный момент взрыва на карьере достигает значений – 2500 мг/м3, через 30 мин – 850 мг/м3. Содержание пылевых частиц размером до 1.4 мкм на расстоянии до 100 м от взрываемого блока составляет 56%, а размером более 60 мкм – только 2.3%. На расстоянии 500 м от взрываемого блока содержание частиц пыли до 1.4 мкм составляет более 84%, а частиц крупнее 60 мкм – 0,3%. Это обусловлено тем, что под действием сил гравитации крупные фракции из облака осаждаются на поверхность уступа в более ближней от места взрыва зоне.

Из большого числа технологических факторов, способствующих снижению выбросов пыли и токсичных газов при производстве взрывных работ, следует также выделить взрывание высоких уступов, рациональные конструкции скважинных зарядов, типы и конструкции забойки взрывных скважин, орошение взрываемых массивов пород, использование ВВ с нулевым или близким к нему кислородным балансом. В частности, экспериментальными замерами установлено, что при взрывании простейших (игданит и т.п.) и эмульсионных взрывчатых веществ происходит значительно меньшее загрязнение окружающей среды, чем при взрывании промышленных тротилосодержащих ВВ. Так, например, при взрыве 1 кг гранулотола в атмосферу карьера выделяется порядка 200 л, а при взрыве 1 кг граммонита 79/21 – порядка 100–140 л ядовитых газов в пересчете на условную окись углерода. Аналогичным образом объем ядовитых газов при взрывании простейших и эмульсионных ВВ оказывается значительно меньшим и составляет 30–50 л/кг. Основываясь на результатах проведенных в карьере исследований технологии взрывания различными ВВ, разработан и предложен рациональный ассортимент ВВ для карьера Мурунтау (см. табл.).

Выработанные рекомендации по ассортименту ВВ использованы при разработке, проектировании комплексной механизации взрывных работ на карьере и ведущемся в настоящее время (в соответствии с контрактом с фирмой «Динамит Нобель») строительстве прикарьерного пункта подготовки и производства простейших и эмульсионных ВВ на основе сырьевых компонентов, производимых в условиях НГМК и республики Узбекистан, в частности, на основе гранулированной аммиачной селитры ПО «Навоиазот».

Известно, что при взрыве скважинного заряда вокруг него образуется зона переизмельчения, при этом порода здесь переизмельчается настолько, что выдувается истекающими из скважины продуктами детонации (газами). В этом случае взрывание с применением воздушных промежутков обуславливает существенное уменьшение зоны пластических деформаций (переизмельчения), которое приводит к снижению количества образующейся при взрыве пыли.

Переход на взрывание высоких уступов, как показала практика расконсервации юго-западного борта карьера Мурунтау, ведет к уменьшению на 15–20% количества окислов азота, выбрасываемых в атмосферу. Увеличение в этом случае степени полезного использования энергии взрыва способствует уменьшению зоны переизмельчения (пластических деформаций) и, как следствие, снижению высоты пылегазового облака, т.е. количества выбрасываемой пыли. Высота подъема пылегазового облака зафиксирована в 1.2 раза меньшей по сравнению с методом взрывания 10–15-метровыми уступами. Концентрация пыли в атмосфере карьера при взрывании 10–15-метровыми уступами составила 3300 мг/м3, а при взрывании тех же пород 20–30-метровыми уступами концентрация пыли снизилась в 1.3–1.4 раза.

Применение качественной забойки взрывных скважин заметно снижает уровень пылегазовых выбросов в атмосферу карьера. Забойка уменьшает начальную скорость вылета газов при взрыве из скважины в среднем на 20–30%, максимальную высоту подъема пылегазового облака в 1.3–1.5 раза и в 1.2–1.3 раза уменьшает количество окислов азота.

Практика показывает, что производство массового взрыва в карьере предпочтительно производить в период максимальной ветровой активности. Для условий карьера Мурунтау этот период приходится на временной промежуток между 12–13 часами дня. Однако по технологическим условиям, ограничениям и производственной необходимости время выполнения взрывных работ в карьере назначено на 16 часов. В связи с этим использование только этого резерва должно уменьшить по предварительным подсчетам запыленность атмосферы карьера после производства массовых взрывов в среднем на 15–20%.

Внедрение в условиях карьера Мурунтау новых технологических решений и ухудшение условий естественного воздухообмена с увеличением его глубины предопределили необходимость интенсивной реализации комплексной системы нормализации атмосферы в карьере по трем иерархическим уровням; карьер, рабочая зона, рабочая площадка. Комплексная система включила горно-геологические задачи оптимизации направлений углубки и интенсивного ведения горных работ, совершенствование технологических процессов буровзрывных и погрузочно-доставочных работ, разработку и внедрение индивидуальных средств защиты персонала от газа и пыли, приборов для контроля загрязненности атмосферы карьера, лазерной станции и оптических приборов измерения запыленности и др.

С учетом изложенного проблема борьбы с пылеобразованием при производстве буровзрывных работ в карьере Мурунтау связана в перспективе с решением ряда задач, сущность которых заключается в следующем:

•    внедрение и оснащение буровой техники средствами эффективного пылеподавления и пылеулавливания в процессе бурения технологических скважин;

•    внедрение технологии и технических средств для обработки экологически безопасными химическими реагентами поверхности взрываемых блоков с целью связывания мелкодисперсных пылевых фракций;

•    осуществление взрывной отбойки горных пород в зажатой среде методом многорядного короткозамедленного взрывания преимущественно высоких уступов, использование рациональных типов забоечных материалов, конструкций скважинных зарядов и схем инициирования;

•    использование в качестве ВВ простейших и эмульсионных составов с нулевым или близким к нему кислородным балансом, а также средств механизированного заряжания скважин;

•    разработка и внедрение современных средств и методов индивидуальной защиты людей от вредного воздействия пылегазовых факторов;

•    разработка и внедрение компьютерных технологий моделирования и проектирования рациональных параметров БВР, оценки залповых выбросов пыли и газа, опасных зон распределения пылегазового облака и разлета кусков взорванной породы.   

Журнал "Горная Промышленность" №4 2002