Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор и постановка задач исследования 8
1.1 Природно-географическая характеристика Тульской области 8
1.2 Санитарно-эпидемиологическая обстановка в Тульской области 12
1.3 Угольная промышленность как источник экологического неблагополучия в Тульской области 16
1.4 Методы снижения пылевого воздействия техногенных массивов на окружающую среду 28
Выводы к главе 1 32
Идея работы. Постановка задач исследования 32
2 Влияние породных отвалов на состояние окружающей среды 34
2.1 Характеристика объекта исследований 34
2.2 Физико-химические процессы, протекающие в породном отвале 38
2.3 Экспериментальные исследования влияния породных отвалов на почвы прилегающих территорий 47
2.4 Экспериментальные исследования загрязнения окружающей среды выносимой с породных отвалов пылью 52
Выводы к главе 2 58
3 Загрязнение окружающей среды породной пылью 59
3.1 Потенциал породного отвала как источника пыли 59
3.2 Исследование распределения влаги и кислоты в породной массе 64
3.3 Моделирование изменения показателя рН по глубине, породного отвала 71
Выводы к главе 3 77
4 Разработка методики оценки загрязнения территории породной пылью 78
4.1 Общие положения 78
4.2 Физическая модель и математическое моделирование процесса 80
4.3 Методы оценки загрязнения окружающей среды пылью 87
4.4 Разработка методики оценки загрязнения атмосферы пылью от породных отвалов 92
Выводы к главе 4 96
5 Обоснование мероприятий по защите окружающей среды от негативного воздействия породной пыли 97
5.1 Общие положения 97
5.2 Исследование эффективности снижения токсичности породной пыли посредством её раскисления 99
5.3 Экспериментальные исследования электрохимических свойств породной массы 102
5.4 Исследование электрических свойств породной массы 105
5.5 Мероприятия по раскислению пылящей поверхности 119
Выводы к главе 5 123
Заключение 125
Библиографический список 128
- Угольная промышленность как источник экологического неблагополучия в Тульской области
- Исследование распределения влаги и кислоты в породной массе
- Методы оценки загрязнения окружающей среды пылью
- Исследование электрических свойств породной массы
Введение к работе
Актуальность работы. Подземная добыча угля в Подмосковном бассейне в настоящее время сведена к минимуму. Однако и сейчас отходы угледобывающей промышленности оказывают негативное влияние на состояние окружающей среды. Вследствие того, что при подземной разработке месторождений технологические отходы, удаляемые в отвал, достигают 10-20 % от массы добываемого угля, за полуторавековой период разработки месторождений Подмосковного бассейна на дневной поверхности скопилось более 300 млн. тонн горных пород с высоким содержанием ряда токсичных химических элементов.
Эти отходы сосредоточены в 200 породных отвалах, причем большая часть породной массы сосредоточена в хребтовых отвалах, которые являются мощными рассредоточенными источниками аэрозольных и газовых выбросов.
Результатом посттехногенной трансформации породных отвалов является образование значительного числа химически активных воднорастворимых соединений. При этом окисление минералов, содержащих серу, под воздействием атмосферных осадков приводит к образованию серной кислоты, что обусловливает сильнокислотную реакцию выбросов с отвалов.
Для отвалов характерно также значительное выделение в атмосферу пыли. Интенсивность этого процесса зависит от влажности горной массы, фракционного состава породной массы, а также от скорости ветра и других гидрометеорологических условий. Основное негативное влияние породной пыли заключается в воздействии на человека и природную среду содержащейся в ней серной кислоты.
Поэтому тема работы, направленная на локализацию и ликвидацию негативных техногенных воздействий на окружающую среду является актуальной.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 г.г.)» (Рег. номер 2.2.1.1/3942) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (Г.к. № 02.740.11.0319).
Целью работы является установление новых и уточнение существующих закономерностей формирования пылевых выбросов с породных отвалов шахт для обоснования мероприятий по защите окружающей среды от негативного воздействия.
Идея работы заключается в уменьшении негативного воздействия на окружающую среду за счет снижения кислотности породной пыли.
Основные научные положения, защищаемые автором:
основными вредными факторами, оказывающими влияние на загрязнение прилегающих территорий, является поступающие с отвалов кислотные стоки и породная пыль;
подкисление почв породной пылью приводит к уменьшению содержания в них подвижных калия и фосфора и, как следствие, снижению плодородия;
снижение негативного влияния на прилегающие к отвалам территории возможно обеспечить посредством раскисления породной массы;
снижение уровня кислотности на поверхности отвала во время атмосферных осадков впоследствии компенсируется за счет диффузии серной кислоты из нижележащих слоев породной массы;
для раскисления пылящих поверхностей породных отвалов целесообразно использовать особенность процесса электролиза серной кислоты при пропускании постоянного электрического тока через водонасыщенный поверхностный слой породной массы;
образующиеся в результате реакций серной кислоты с минеральными компонентами породы, водорастворимые соединения магния, калия, серы и микроэлементов, становятся доступными для растений и, являясь по своей сути удобрениями, повышают плодородие породной массы и облегчают задачу реализации биологического закрепления отвалов.
Новизна основных научных и практических результатов заключается в следующем:
установлены зависимости распределения по глубине породной массы её влажности и уровня рН;
установлено, что скорость диффузии серной кислоты в породной массе составляет порядка 1,5 см/месяц;
распространение пыли от породных отвалов с учетом ее влажности можно определить на основе уточненной модели Пасквилла-Гиффорда;
адекватное описание распределения влаги внутри породного отвала можно получить на основе уравнения параболического типа для полуограниченного одномерного пространства при наличии непрерывного поглощения влаги;
установлено, что электролиз водонасыщенной породной массы позволяет снизить содержание кислоты в 3-10 раз;
на основе исследования электрических характеристик и электрохимических свойств породной массы обоснованы мероприятия по раскислению пылящей поверхности породных отвалов.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием классических методов аналитической химии, математической физики и современных достижений вычислительной техники;
достаточным объемом натурных, лабораторных и вычислительных экспериментов, результаты которых свидетельствуют об адекватности разработанных моделей, эффективности технических решений, обоснованности выводов и рекомендаций.
Практическая значимость работы заключается в том, что мероприятия по раскислению пылящей поверхности породных отвалов позволяют предотвратить сверхнормативное загрязнение окружающей среды при интенсивном поступлении пыли на прилегающие к отвалам селитебные территории, а также обеспечивают условия для ускорения формирования растительного покрова.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Аэрология, охрана труда и окружающей среды» ТулГУ (г. Тула, 2006-2009 гг.).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 10 статьях, из них 3 в рекомендованных ВАК.
Объем работы. Диссертация изложена на 141 странице машинописного текста, состоит из 5 глав, содержит 27 таблиц, 43 иллюстрации, список литературы из 148 наименований.
Угольная промышленность как источник экологического неблагополучия в Тульской области
В Тульской области полуторовековая разработка месторождений бурых углей привела к резкому нарушению природных ландшафтов и формированию новых - антропогенных, в пределах которых на площади 2,6 тыс. кв. км активизировались экзогенные геологические процессы: эрозия, плоскостной смыв поверхностных почв, оползни и провалы, заболачивание [74].
Степень воздействия угледобывающих предприятий на состояние окружающей среды в значительной мере зависит от природных условий (в частности, ландшафта) в месте расположения шахты и технологии разработки угольных месторождений.
Подмосковный угольный бассейн, карта которого представлена на рисунке 1.6, включает в себя территории Новгородской, Тверской, Московской, Смоленской, Рязанской, Калужской и Тульской областей [9].
История бассейна начинается с 1843 года, когда на территории Тульской губернии были построены первые шахты, и началась систематическая промышленная разработка угольных месторождений [92].
За весь период освоения месторождения более 300 шахт и десятки разрезов добыли около 1,8 млрд. тонн угля. При этом подавляющая часть добычи приходится на вторую половину XX века.
К началу 30-х годов прошлого века в бассейне было всего 17 шахт, общая производительность которых составляла 1775 тыс. тонн угля в год. В 1931 г. были введены в эксплуатацию 10 шахт производительностью 2 млн. тонн и начато строительство 13 шахт производительностью 3,9 млн тонн. Всего за период с 1932 по 1938 г. бассейн получил 43 новые шахты общей проектной мощностью 10 миллионов тонн.
Основными типами шахт, построенных в 1930-1938 гг., были предприятия производительностью 400 тыс. тонн в год (№№ 18, 19 и 20 - Болохов-ские, №№ 19 и 20 - Задонские, № 8 - Щекинская и др.) и 200 тысяч тонн в год (№№ 16 и 18 - Задонские, №№ 16 и 17 - Болоховские, №№ 59, 63 и 64 - Бого-родицкие и др.). Исключение составляли построенные по индивидуальным проектам шахты №№ 12 и 13 - Донские, рассчитанные на проектную производительность в 800 тысяч тонн угля в год каждая.
Особенно бурно росло шахтное строительство в 1939-1940 гг. Если в начале 1939 г. в бассейне находилось в процессе строительства И шахт, то в начале 1941 г. их было уже 30.
В 1939 г в бассейне начали строить шахты нового, более индустриального типа, с производительностью 1000 тонн в сутки (шахты №№ 4, 7 и 8 «Молотовугля», №№ 22 и 26 «Сталиногорскугля», №№ 23, 24 и 30 - Донские №№ 10 и И - Щекинские и №№ 31 и 32 - Ширино-Сокольнические и др.). За 1939-1940 гг. бассейн получил 37 новых шахт производительностью 6,3 млн. тонн в год.
Перед началом Великой Отечественной войны в бассейне работало 69 шахт. В период оккупации все они были выведены из строя. Однако восстановление шахт шло быстрыми темпами и уже в сентябре 1942 г. шахты бассейна превысили довоенный уровень добычи.
В декабре 1942 г. было проведено разукрупнение комбината «Москвоуголь» и созданы два угольных комбината: «Москвоуголь» - с пребыванием в Сталиногорске и «Тулауголь» — с местонахождением в Туле. В состав «Моск-воугля» вошли пять эксплуатационных трестов, имеющих 33 шахты. В «Тулауголь» вошли пять трестов с 34 шахтами примерно той же общей мощности.
К августу 1943 г. целый ряд разрушенных шахт был превращен в предприятия более производительные по сравнению с теми, какими они были до войны. Такие шахты, как, например, № 20-Задонская, №№ 22 и 26-Сталиногорские, №№ 2 и 4-Узловские и др., впоследствии не только освоили, но и перекрыли проектные мощности в 1,5-2 раза и более.
Для развития добычи угля в первые послевоенные годы большое значение имело строительство мелких шахт, осуществлявшееся эксплуатационными трестами. В течение 1946-1955 гг. были сооружены 72 такие шахты на общую проектную мощность в 5500 тыс. тонн.
В 1956-1960 гг. были введены в эксплуатацию 90 шахт общей годовой мощностью около 27 млн тонн угля.
В послевоенные годы произошли качественные изменения в механизации горных работ. Проведена модернизация парка горных машин нескольких типов, стали применяться более мощные врубовые машины, скребковые конвейеры, тяжелые электровозы. Получили распространение новые виды крепления, буросбоечные и другие машины. Созданы углепогрузочные, породопогрузочные машины и проходческие комбайны.
В 60-е годы началось массовое внедрение более совершенных средств комплексной механизации процессов добычи угля и проходческого цикла.
Построенные в это время-шахты по технической оснащенности намного превзошли предприятия предыдущего поколения. На новых шахтах при помощи очистных и проходческих комплексов практически полностью механизированы процессы навалки угля в лавах, погрузки угля и породы в подготовительных забоях.
Значительным шагом вперед в горном хозяйстве бассейна явилось применение железобетонной крепи, позволяющей резко снизить расход крепежного леса при добыче угля.
На новых шахтах предусмотрены более совершенные способы выдачи породы на-гора и удаления ее от промышленной площадки. В частности, все современные шахты были оснащены подвесными канатными дорогами с челночным движением сосудов со значительной скоростью.
Не смотря на то, что промышленные запасы угля в Тульской области составляют 17,5 млрд. тонн, подземная добыча угля в Подмосковном бассейне в настоящее время сведена к минимуму. Однако и сейчас отходы угледобывающей промышленности оказывают существенное влияние на состояние окружающей среды. Вследствие того, что при подземной разработке месторождений технологические отходы, удаляемые в отвал (рисунок 1.7), достигают 10-20% от массы добываемого угля, за предыдущий период в Подмосковном бассейне на дневной поверхности скопилось более 300 млн. тонн горных пород с высоким содержанием ряда токсичных химических элементов.
Отвал вмещающих пород и некондиционных полезных ископаемых является рассредоточенным источником аэрозольных и газовых выбросов.
Наиболее интенсивное загрязнение атмосферы производят горящие породные отвалы. Горючим материалом в отвалах является уголь в виде мелочи, кусков и прослоев в углесодержащих породах.
Исследования самовозгорания породных отвалов, выполненные П.А. Леоновым и Б.А. Сурначевым [75,127], показали, что самовозгорание отвальной массы происходит из-за наличия в отвалах значительного количества угля, пирита и серы. В процессе накопления породных масс происходит окисление горючих компонентов, генерация и накопление тепла в ходе низкотемпературного окисления, последующий разогрев части отвала и его возгорание. Горение по площади отвала происходит неравномерно и приводит к изменению объёмов валовых выбросов вредных веществ. Процесс требует постоянного контроля степени опасности горящих отвалов для окружающей среды [137]. Интенсивность горения породных отвалов оценивается концентрацией выделяющихся газов и размерами площадей горения. Выбросы газов сім поверхности горящего отвала, достигают 180 м /ч.
Анализ выделяющихся вредных газов показал, что в их составе присутствуют преимущественно диоксид и оксид углерода, диоксид серы и сероводород [11,43].
После прекращения эксплуатации отвалов поверхностные очаги горения породы довольно быстро исчезают, однако внутри отвалов горение, остаточные термические процессы и медленное тление ранее не прогоревших отдельных блоков.продолжаются многие годы. Даже на старых небольших терриконах можно наблюдать выходы теплых газов и отложения низкотемпературной фумарольной минерализации [100].
Исследование распределения влаги и кислоты в породной массе
Одним из основных факторов, определяющих интенсивность образования и выноса пыли с породных отвалов является влажность породной массы.
По данным климатических наблюдений и в результате наших натурных наблюдений диапазон преобладающих в регионе скоростей ветра составляет 2-7 м/с. Поэтому экспериментальные исследования проводились в этом диапазоне скоростей.
Для определения влияния на характеристики пылевого потока скорости ветра, дисперсного состава породной и влажности породной массы нами были проведены экспериментальные исследования интенсивности пылеуноса. С этой целью навески породной массы, состоящие из частиц размером мене 0,25 мм, помещались в аэродинамическую трубу (рисунок 3.3) и обдувались как постоянным, так и пульсирующим потоком, при различных скоростях воздуха и разной продолжительности обдува.
Полученные результаты приведены в таблице 3.2.
В результате наблюдений установлено, что для частиц установленного размера величина пылеуноса резко возрастает при скорости воздуха, превышающей 5 м/с.
В таблице 3.3 приведены результаты исследования интенсивности пы-левыделения в зависимости от влажности породной массы.
Опытами установлено, что отвал, увлажненный до 10-12%, начинает пылить в зависимости от температуры и скорости движения воздушного потока через 20-40 мин. Замеры в лабораторных условиях показали, что при комнатной температуре воздуха и скорости воздушного потока 2-5 м/с влажность верхнего слоя отвала с 10-12 % уменьшилась до 5-6 % через 30-60 мин.
Влияние влажности пылеобразующей поверхности на интенсивность пылевзмётывания обусловливается тем, что в результате смачивания пыли происходит усиление адгезионного взаимодействия, что приводит к слипанию частиц и препятствует переходу их в аэрозоль.
При соприкосновении твёрдой частицы с водой возникают электромолекулярные силы взаимодействия, которые притягивают диполи воды к поверхности частицы, и чем больше удельная поверхность частицы, тем большее количество молекул воды будет находиться в связанном состоянии, что сокращает пылевыделение с поверхности массива.
По ряду причин, (таких как изменения погоды) в породных отвалах постоянно происходит перераспределение влаги, что, помимо влияния на указанные выше процессы, определяет уровень кислотности, сдуваемой с отвалов пыли, которая, в свою очередь, лимитирует лабильность педогенных химических элементов в местах выпадения пыли.
Для количественной оценки указанных факторов мы провели ряд натурных наблюдений и лабораторных экспериментов по изучению процессов смачивания и сушки породной массы как фактора пылеобразования, а также миграции в отвале кислотных соединений.
Натурные наблюдения проводились, на терриконе шахты № 6 треста «Скуратовоуголь» (отработана 50 лет назад) и породном отвале ш. «Подлес-ная» (отсыпка отвала закончена в 1992 г.). При проведении исследований определялись профили влажности,» до глубины Л,5 м, а также деформация поверхности породного отвала.
Полученные результаты приведены на рисунках 3.4-3.6.
Лабораторные экспериментальные исследования проводились на кернах породной массы диаметром 100 мм и высотой 1 м.
При этом в керны подавалась дистиллированная вода со скоростями равными интенсивности дождей, характерных для Тульской области: 1, 3, 5 и 10 мм/мин. Имитировались осадки различной продолжительности и частоты. Максимальное количество воды было эквивалентно выпадению 200 мм осадков. В процессе экспериментов проводился регулярный анализ влажности породы на различной глубине от поверхности, что позволяло отслеживать динамику увлажнения породной массы.
Результаты исследований приведены на рисунках 3.7-3.8.
Кроме того, нами были проведены исследования показателя рН породной массы 40 отвалов шахт, расположенных на территории области. Измерения проводились потенциометрическим методом.
В результате исследований установлено, что минимальное значение показателя рН породной массы отвалов приближается к 1 единице, поэтому поступление образующейся на поверхности отвалов пыли в окружающую среду приводит к подкислению почв и снижению их плодородия, а также к увеличению кислотности поверхностных вод.
Для оценки практической значимости указанных процессов на ОС нами были проведены исследования буферности породной массы. Результаты исследований приведены на рисунке 3.9.
Из рисунка видно, что породная масса практически не обладает буферной ёмкостью и изменение её кислотности определяется степенью насыщения пробы водой. При этом для достижения породной массой экологически безопасного уровня рН 5 к ней необходимо добавить 900 весовых частей воды.
Таким образом, можно сделать вывод, что даже небольшое количество пыли с низким показателем рН может оказать существенное влияние на состояние сельскохозяйственных угодий.
Методы оценки загрязнения окружающей среды пылью
Для частиц гравитационного спектра и выбросов, имеющих характер взрыва, обычно используют полуэмпирическую модель, допускающую, что гравитационное осаждение частиц примеси происходит со скоростью, практически не отличающейся от установившейся скорости падения в неподвижной атмосфере. В этом случае уравнение, описывающее поведение частиц, имеет вид
Граничного условия в данном случае не требуется. Основной проблемой в модели гравитационного осаждения является нахождение скорости w.
Скорость гравитационного осаждения можно найти из решения уравнений Навье-Стокса об обтекании воздухом падающих частиц. Если среднее расстояние между частицами мало, что определяется, в свою очередь, концентрацией частиц, то нахождение этой скорости сильно усложняется по сравнению со случаем малых концентраций. При малых расстояниях между частицами всю их совокупность необходимо рассматривать как сплошную среду, так как нельзя пренебрегать взаимным влиянием частиц друг на друга. В современной механике сплошных сред широко используется для таких случаев так называемая механика взаимопроникающих континуумов.
Если же среднее расстояние между частицами велико, то при равных их физических и геометрических характеристиках (плотность, размер и др.) скорость всей совокупности частиц будет равна скорости падения одной частицы, которую можно определить из гидродинамической задачи обтекания одиночной частицы. Здесь, в свою очередь, необходимо учитывать геометрическую форму частицы.
В начале XX века выработалось представление о том, что во многих случаях перенос тепла, влаги и количества движения в приземном слое воздуха можно приближенно рассматривать как перенос пассивной примеси и исследовать их на основе одних и тех же дифференциальных уравнений. Так, получаемые при решении дифференциальных уравнений тепло- и влагообмена функции Грина, представляют собой функции распределения диффундирующей субстанции от источников при определенных граничных условиях. Большое значение имело установление вида и типа уравнений, описывающих атмосферную диффузию. По аналогии с процессами молекулярной диффузии для данной цели использовались уравнения параболического типа, являющиеся обобщением известного уравнения Фика.
Исследования в этой области проводились Пасквиллом, Ченади, Детри, Пристли и др. В работах, проводившихся отечественными учеными, в основном избирался путь решения уравнения турбулентной диффузии с переменными коэффициентами. Такой подход является универсальным, поскольку позволяет рассматривать случаи с источниками различного типа, разными характеристиками среды и граничными условиями. Он дает возможность использовать параметры турбулентного обмена, применяемые в задачах тегаю-и влагообмена. Первые работы по расчету загрязнения атмосферы выбросами промышленных предприятий были выполнены Шелейховским, Андреевым, Дергачевым, которые опирались на подход, предложенный Сеттоном.
Для расчёта переноса и выпадения частиц от отвалов породных масс целесообразно применить диффузионную модель Пасквилла-Гиффорда. Теоретической основой ее служат следующие положения.
Так как ку & const u, kz & const u, то параметры u, ку, kz можно считать постоянными. Представим q = Y(x,y) Z(x,z) и подставим его в уравнение (4.7)
Слева от равенства стоит выражение, зависящее от х и у, а справа — от х и z. Для выполнения равенства левая и правая части должны быть равны константе. Эта константа должна быть равна нулю. В противном случае для одной из функции Y или Z, в зависимости от знака этой постоянной, не удалось бы удовлетворить граничным условиям на бесконечности.
Подобные решения есть не что иное, как гауссовские распределения, свойственные случайным процессам с нулевой корреляцией случайной величины (концентрации примеси) в двух разных и произвольных точках х =
Если будем считать зу и аг произвольными функциями х, а не данными по формулам (4.10), то основной случайный (и гауссовский) характер распределения концентрации q сохранится. Хотя теперь уже такое q с произвольными зависимостями зу(х) и з2(х) не будет удовлетворять исходному уравнению (4.7), но сущность физики явления сохраняется. Поэтому Паск-вилл и Гиффорд взяли за основу формулы (4.10) и предложили зу и сг считать эмпирическими функциями.
Распределение концентрации примеси от точечного источника на высоте h, отвечающее условию отражения на подстилающей поверхности в этом случае описывается формулой
При определении и корректировке значений стандартных отклонений су и az существенное значение имеют такие факторы, как высота выброса, характер местности, время осреднения концентрации. В настоящее время существует ряд наборов 5У и а полученных при некоторых определенных условиях. Эти условия сравниваются с реальными условиями на площадке, и ис пользуется такой набор параметров, который более всего приближается к заданным условиям.
Многофакторный характер рассеяния загрязняющих воздух веществ на региональном уровне делает проблему моделирования весьма сложной. Эти модели невозможно свести до простых уравнений. Обычно в таких ситуациях прослеживают перемещение множества индивидуальных порций воздуха. В этом случае из-за громадного объема вычислений необходимо применять ЭВМ. Для урбанизированных районов разработано огромное количество упрощенных моделей, в которых городская атмосфера рассматривается как отдельная порция воздуха. Это дает возможность очень грубой оценки средних концентраций загрязняющих веществ. Например, С(г/м3)=О/0,45udU68, (4.12) где О - интенсивность выброса городом данного загрязняющего вещества, г/с; и - средняя за рассматриваемый период скорость ветра, м/с; d- диаметр города, м.
До настоящего времени не существует единой методики расчёта пыле-выделения с поверхности неорганизованных источников выбросов в атмосферу. Для различных производств, сгруппированных по качественным признакам, разработаны эмпирические методики расчёта, применение которых основано на использовании справочных данных о коэффициентах удельных выделений вредных веществ при хранении различных материалов [37, 95, 101].
Существуют различные методики расчёта количества поступающей с отвалов пыли. Интенсивность пылеобразования с поверхностей отвалов зависит от следующих основных факторов: скорости ветра, влажности поверхности и фракционного состава [14].
Исследование электрических свойств породной массы
Для обоснования параметров источника тока, необходимого для реализации предлагаемого метода мы согласно ГОСТ 30501-97 определили объемное электрическое сопротивление породной массы отвалов угольных шахт.
В таблице 5.1 приведены значения сопротивления воздушно сухой породной массы отвалов 4 шахт Подмосковного бассейна.
Кроме того согласно ГОСТ 30501-97 определены значения удельного сопротивления водной вытяжки породной массы при различных значениях её рН. Для этого использовались вытяжки из породной массы отвалов ряда угольных шахт Подмосковного бассейна, а также разбавленные деионизиро-ванной водой сильнокислотные вытяжки. На рисунке 5.1 приведена зависимость удельной электрической проводимости водной вытяжки породы от уровня её рН.
На рисунке 5.2 представлена зависимость рН водной вытяжки от содержания в ней серной кислоты
Явный вид функции рН (Cmsod получен в результате обработки эмпирических данных. Эмпирические зависимости рН и концентрации H2S04 в водной вытяжке породной массы шахты № 22 изображаются формулой (5.11) рЯ = 1,1928С-07291 (5.11)
При этом квадратичное отклонение составляет 0.9807.
Из полученных данных можно сделать вывод о том, что при относительно безопасном для человека напряжении источника тока перемещение ионов возможно только при высокой степени увлажнения породной массы.
В публикациях, посвященных исследованиям в области мелиорации сельскохозяйственных почв [39] приводятся результаты исследований по электроремидиации (электролизу) образцов почв, где отмечается, что теоретически и практически важными сторонами электровоздействия на почвы являются электрохимические реакции, возникающие при наложении постоянного электрического тока на почвы насыщенные водой и приводящие к образованию мелиоративно знаковых зон - анодной с кислыми продуктами электролиза и катодной - с щелочными. Таким образом, если исходная почва щелочная, то она нейтрализуется в анодной зоне, а если кислая - в катодной. Следовательно, по существу метод может быть использован как для мелиорации щелочных почв, так и кислых почв. Это подтверждено для почв с резко щелочной реакцией.
В МГУ такие исследования проводились путём электровоздействия на насыпные образцы почв (в специальных электролизных ваннах из оргстекла 1 м длины с железными перфорированными электродами в их торцах размером 15x15 см), а.также на почвах естественного сложения — на монолитах 1 м высоты и сечением 25x25 см.
Сила тока во время опытов изменялась от 0,2 до 1,2 А при напряжении на электродах 24-40 В.
Длительность обработки достигала 150-360 часов. При этом был установлен высокий эффект рассоления, возрастающий с увеличением времени воздействия тока.
На рисунке 5.3 показано распределение содержания сульфат-иона в межэлектродном пространстве опытных образцов почв, полученное по результатам исследований в МГУ.
Из рисунка следует, что после электрообработки образца почвы на прилегающей к катоду половине межэлектродного пространства содержание сульфат-иона в 25-50 раз ниже его концентрации в исходном состоянии.
Для оценки эффективности раскисления породной массы нами проведены аналогичные экспериментальные исследования на образцах, отобранных с отвалов угольных шахт разрабатывающих разные месторождения, отличающихся степенью кислотности и химическим составом.
На рисунке 5.4 приведена динамика изменения тока, проходящего через водонасыщенную пробу с отвала шахты №66 при различных напряжениях на источнике тока.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что при однотипном распределении тока во времени при напряжении на электродах ПО В продолжительность активной фазы электролиза значительно больше, чем при напряжении ЗОВ.
На рисунке 5.5 приведены результаты исследования изменения тока в водонасыщенных пробах породной массы шахт № 22 и № 67, обладающих различными степенями кислотности (исходный рН составляет 1,5 и 3,2 соответственно) при напряжении источника ЗОВ.
Похожие диссертации на Обоснование мероприятий по защите окружающей среды от негативного воздействия породных отвалов шахт Подмосковного угольного бассейна
