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 месторождений полезных ископаемых открытым способом

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