Технические науки/13. Охрана труда

Д.т.н., проф. Жараспаев М.Т., к.т.н. Бектурганова Г.С.

Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева, Республика Казахстан

Анализ и оценка интенсивности распространения вредных веществ при разработке полезных ископаемых открытым способом

In article interaction of a turbulent stream from the muffler with turbulent streams of air raising degree of turbulence is considered. Turbulence consideration, from the point of view of fractional and multifractional structures, allows drawing a conclusion that pollution of local volume of atmosphere has high enough gassed condition and can be on big enough distance.

Процессы переноса газообразных вредных веществ можно разделить на два основных класса: стационарные, основные характеристики которых не изменяются во времени, и нестационарные, изменяющиеся во времени. При этом распространение вредных веществ в воздушном потоке происходит в результате увлечения их движущимся воздухом и перемешивания на молекулярном и турбулентном уровнях. В производственной деятельности человека распространение вредных веществ в основном происходит за счет турбулентной диффузии. При турбулентной диффузии происходит обмен объемами, содержащими диффундирующие среды, поскольку даже малые вихревые объемы, участвующие в турбулентном обмене, значительно больше отдельных молекул. Поэтому при турбулентной диффузии концентрация вредных веществ интенсивно распространяется в атмосферном воздухе.

Интенсивность распространения вредных веществ, прежде всего, зависит от мощности и интенсивности их выделения. Все эти величины на практике определяются количеством вещества в единице объема. Поэтому целесообразно рассмотреть изменение концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе от турбулентного источника. Концентрацию вредных веществ в атмосферном воздухе традиционно принято называть загазованностью среды, хотя представляет собой пылевоздушную среду

Поток пылегазовоздушных веществ в атмосферном воздухе следует рассматривать как распространение фракталов, для которых одной из характеристик является загазованность или запыленность окружающей среды. Из-за турбулентности то и другое меняется скачкообразно во времени. Кроме того, концентрация газообразных вредных веществ в атмосферном воздухе обладает фрактальной размерностью, с которой ознакомились в предыдущем параграфе. Но фрактальные свойства турбулентности определены, прежде всего, ее пространственной структурностью и наличием самоподобных каскадных процессов изменения ее различных характеристик. Турбулентное перемешивание происходит в объеме, ограниченном фрактальной поверхностью. Структурные элементы турбулентности в виде вихрей и их образований, являющиеся элементарными возбуждениями рассматриваемой нелинейной среды, каковым является загрязненный атмосферный воздух, пространственно локализованы, находятся всегда в движении, и их можно рассматривать в виде квазичастиц. Поэтому распространение концентрации вредных газообразных веществ в атмосферном воздухе следует рассмотреть как рассеяния квазичастиц в атмосферном воздухе.

Возьмем декартовую координатную систему, начало которой совпадает с центральной осью источника загрязнения атмосферного воздуха. Предположим, что источник загрязнения атмосферного воздуха газообразными веществами расположен к рассматриваемой местности вертикально. Тогда ось 0Z направлена вертикально вверх и совпадает с направлением распространения турбулентного потока, состоящего из частиц пыли и газа.

Точка, в которой отбирается проба на запыленность или загазованность, в декартовой системе координат описывается радиус-вектором:

Пусть в двух точках, описываемых радиус-векторами и загазованность составляет соответственно N₁ и N₂. Тогда изменение загазованности с расстоянием будет определяться по разности

ΔN = N₂ – N₁, (1)

где ΔN – разность загазованности в точках, определяемых радиус-векторами и , мг/м³; N₁ – загазованность в месте отбора пробы, соответствующая радиус-вектору - мг/м³; N₂ – загазованность в месте отбора пробы, соответствующая радиус-вектору - мг/м³.

Величина ΔN, направленная в сторону уменьшения содержания вредных газообразных веществ, имеет отрицательный знак, так как радиус-вектор расположен от центра координат дальше, чем вектор . Отношение ΔN к разности векторов будет характеризовать изменение запыленности или загазованности с расстоянием. Следовательно, можно записать следующее соотношение, характеризующее изменение запыленности с расстоянием:

К = . (2)

Однако, это отношение показывает только лишь изменение концентрации вредного вещества в атмосферном воздухе в определенном интервале расстояния и не показывает, на сколько оно изменилось. При другом интервале расстояния эта величина по значению может существенно измениться, и каждый раз при разных интервалах расстояния исследователь будет получать значение величины К, существенно отличающиеся друг от друга. Это обстоятельство не позволит исследователю представить полную картину рассеяния вредных веществ в атмосферном воздухе. Следовательно, величина К должна определяться относительно того, какова была концентрация в какой-то точке. Иначе говоря, в точке, определяемой радиус-вектором , величина К должна определяться относительно концентрации вредных веществ N₁ в этой же точке. Тогда формулу (2) следовало бы записать следующим образом:

К₁ = .

Для точки, определяемой радиус-вектором , величина К₂ определялась бы формулой:

К₂ = .

В этом случае отличие значений К₁ и К₂ было бы несущественным.

Величину К, отнесенную к первоначальному значению для любых интервалов, следует записать

К = (3)

Формулу (3) следует рассматривать как относительное изменение концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе с расстоянием. Таким образом, величина К характеризует относительное изменение концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе с расстоянием. Эта величина в некоторой степени зависит от дальности интервалов расстояния от источника загрязнения атмосферного воздуха вредными веществами. Для того чтобы исключить эту зависимость, необходимо формулу (3) записать в более строгой математической форме:

К =

Знак “минус” выходит из-за того, что концентрация N₂ на расстоянии r₂ меньше концентрации N₁ на расстоянии r₁. Первоначальная величина N на расстоянии r₁ в момент времени t должна быть фиксированной. Поэтому величину N можно вывести из-под предела, что позволит формулу записать в следующем виде:

К = . (4)

Из формулы (4) следует записать

К = . (5)

Как известно из математики, такая запись представляет собой градиент величины N, которую следует записать следующим образом

. (6)

Из формулы (6) вытекает следующая формулировка коэффициента рассеяния вредных веществ. Физическая сущность коэффициента рассеяния вредных веществ с расстоянием определяется как относительное изменение градиента концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе.

Выражение (6) можно представить в декартовой системе координат в виде:

. (7)

Если рассеяние рассматривается в плоскости (x, z) или (y, z), то величина будет определяться соответствующими формулами:

, (8)

, (9)

где индексы при К указывают плоскости, в которых происходит изменение концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе. Поэтому формулы (8) и (9) следует рассматривать как выражения, позволяющие описывать рассеяния вредных веществ в атмосферном воздухе в двух взаимно перпендикулярных плоскостях XOZ и YOZ.

Полученные выражения позволяют осуществлять исследование рассеяния вредных веществ при движении автомобильного транспорта по постоянным дорогам на отвалы. Из отвалов пустых пород и забалансовых руд под действием атмосферных явлений выделяются вредные вещества в виде пыли и газа, которых следует рассмотреть.

Литература:

1. Шлихтинг Г. «Теория пограничного слоя. – М., 1969. - С.742

2. Жараспаев М.Т., Касенов К.М., Жараспаева Г.Ж. Мероприятия по организации санитарно-защитной зоны промышленного предприятия // Сборник материалов Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы безопасности жизнедеятельности» - Алматы: КазГАСА, 2006. - С.90-127.