Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Исследование выполнено за счет гранта Министерства образования и науки Республики Хакасия (Соглашение № 93 от 13.12.2022).

Республика Хакасия занимает четырнадцатое место среди всех субъектов Российской Федерации и третье место в Сибири по добыче каменного угля. В настоящее время Республика добывает 5 % от общего объема извлечения данного природного ресурса в России, а к 2035 г. запланировано осуществить добычу каменного угля в объеме 68,5 млн т [1]. Учитывая интенсивное развитие данной отрасли в Республике Хакасия, важно уделять внимание и изучению экологических аспектов угледобычи, в частности вопросам, связанным с мониторингом загрязнения атмосферы пылевыми частицами.

Как известно, технологические процессы, связанные с открытой добычей, перемещением, хранением и переработкой угля, сопровождаются образованием угольной пыли [2–4]. Ее повышенная концентрация может приводить к различным негативным последствиям: от возникновения угрозы для здоровья людей до снижения атмосферной видимости и усугубления смога вокруг близлежащих населенных пунктов [5–7].

Важным параметром в экологической оценке угольной пыли является размер частиц (гранулометрический состав), так как он напрямую влияет на скорость прохождения реакции, седиментацию, растворимость и в конечном итоге на здоровье человека. В настоящее время существует множество методов измерения размера частиц угольной пыли: седиментация, механическая сортировка частиц, фильтрация, оптические методы, динамическое светорассеяние и др. [6]. Многие исследования документально подтвердили, что воздействие на человека высоких концентраций аэрозольных частиц может привести к серьезным заболеваниям, таким как ишемическая болезнь сердца, инсульт, рак и острые респираторные заболевания легких [5, 7]. В этой связи особую опасность представляют респирабельные и трахеобронхиальные пылинки, способные проникать в альвеолы и периферии легкого [8].

Одними из распространенных и доступных методов борьбы с пылью на угледобывающих предприятиях являются: смачивание водой при горных работах, орошение основных источников пылеобразования, снижение пылеобразования пеной. В настоящее время в мире активно ведутся исследования и разработки, связанные с химическими пылеподавителями. При этом важным направлением исследований технологии обеспыливания и пылеподавления является разработка комбинированного пылеподавителя с широким спектром дешевого сырья, простым и легким процессом изготовления, экологически чистыми продуктами и хорошим эффектом подавления пыли [5]. К основным критериям отбора можно отнести следующие факторы: смачиваемость, покрытие площади поверхности, скорость поглощения мелких частиц, силы сцепления между частицами, проникновение и долговечность пылеподавителя [3].

Несмотря на актуальность исследований, касающихся размерных и весовых характеристик пыли в районах угледобычи, данных по вышеуказанным параметрам в научной литературе приводится относительно немного.

Цель работы заключалась в анализе размерных и весовых характеристик пылевых частиц в районах угледобычи, на примере Алтайского района Республики Хакасия, с использованием депонирующей способности снежного покрова.

Материалы и методы исследования

В качестве территории исследования был выбран Алтайский район Республики Хакасия, а именно близлежащие к угольным разрезам («Белоярский», «Изыхский» и «Аршановский») сельские населенные пункты – с. Белый Яр и с. Аршаново. Краткое описание точек отбора проб для изучения размерных и весовых характеристик пылевых частиц представлено в табл. 1.

Таблица 1

Расположение и характеристика точек отбора снежного покрова

Отбор снеговых проб проводили в феврале – марте вблизи с. Аршаново и с. Белый Яр Алтайского района, Республики Хакасия на 17 участках. Атмосферные осадки в течение указанного периода распределялись неравномерно и находились в пределах среднемноголетних значений. Высота снежного покрова на исследуемых точках отражена на рис. 1. Можно видеть, что для точек, расположенных в окрестностях с. Аршаново, высота снежного покрова имела значения от 4,5 (точки № 5, 6) до 16 см (точка № 4), средние по точкам значения высоты снега для данной территории – 7,7 см, коэффициент вариации – 48,6 %. Для точек в границах с. Белый Яр диапазон варьирования данного показателя находился в интервале от 5,5 (точка № 9) до 12,5 см (точка № 1). Средние по точкам значения высоты снежного покрова – 9,4 см, коэффициент вариации – 23,8 %, что может являться косвенным критерием однородности условий для данной территории.

Анализ состава снеговых проб проводился в лаборатории института естественных наук и математики Хакасского государственного университета им. Н.Ф. Катанова. После топления проб и фильтрования массу взвешенных частиц определяли весовым методом, точность составила 0,0001 г. Анализ размерности частиц проводили методом дифракции лазерного излучения на лазерном анализаторе микрочастиц «Ласка ТД». Повторность всех измерений трех-четырехкратная [9].

Результаты исследования и их обсуждение

На первом этапе были изучены весовые характеристики пылевого загрязнения снежного покрова вышеописанных точек, при этом было установлено, что полученные данные разнятся в зависимости от территории и точек исследования (рис. 2, 3).

Рис. 1. Высота снежного покрова в районе с. Белый Яр и с. Аршаново (Алтайский район Республики Хакасия)

Рис. 2. Массовые характеристики пылевых частиц в районе с. Аршаново (Алтайский район Республики Хакасия)

Рис. 3. Массовые характеристики пылевых частиц в районе с. Белый Яр (Алтайский район Республики Хакасия)

Рисунок 2 отражает весовые характеристики пылевых частиц в районе с. Аршаново. Можно видеть, что наибольшие значения данного показателя зарегистрированы в точках № 4 (4,24 г/100 мл) и № 3 (2,57 г/100 мл), которые расположены на второй надпойменной террасе (8–10 м над урезом воды) после древесно-кустарниковой растительности в 5 м от дороги к северу от с. Аршаново на расстоянии 505 и 507 м соответственно.

Наименьшие показатели в части массы пыли, депонирующей на снежном покрове, были получены для точек № 7 (0,0176 г/100 мл) и № 8 (0,0572 г/100 мл). Точка № 7 расположена в западном направлении от с. Аршаново на расстоянии 492 м, с западной стороны дамбы, ориентированной на юг (171°).

Точка № 8 расположена на старичном русле р. Абакан в южном направлении от с. Аршаново (на расстоянии 485 м). В восточном направлении от точки (на расстоянии 313 м) расположена автомобильная дорога, по которой транспортируют уголь из разреза «Аршановский» участок Аршановский – 1, расположенного в 2723 м на восток от точки. В 765 м на юго-запад от точки расположен разрез «Аршановский» участок Аршановский – 2. При этом разница между минимальным и максимальным значениями массы пылевых частиц для вышеуказанных точек – 240 раз, коэффициент вариации – 1,62.

Для территории в окрестностях с. Белый Яр минимальные весовые значения были получены для точек № 1 (0,0096 г/100мл) и № 5 (0,0032 г/100 мл). Первая точка расположена на склоне (уклон 33°) выровненной террасоподобной площадки отвала вскрышных пород Изыхского угольного карьера на расстоянии 465 м в северном направлении от с. Белый Яр. Река Абакан находится на расстоянии 188 м в северо-западном направлении (300°) от точки. Автомобильная дорога расположена в юго-восточном направлении (132°), на расстоянии 342 м. Точка № 5 расположена на юго-западе с. Белый Яр в 337 м, вблизи намывного берега старичного русла р. Абакан. Максимальные значения зарегистрированы на участках № 9 (0,0289 г/100 мл) и № 3 (0,0241 г/100 мл). Точка № 9 расположена в восточном направлении (90°) на расстоянии 500 м от с. Белый Яр, на расстоянии 490 м (Р412) и 250 м (Р411) находятся автомобильные дороги. В восточном направлении (90°) от точки отбора проб на расстоянии 430 м размещаются внешние отвалы рекультивированного участка № 3 Изыхского угольного разреза. Точка № 3 расположена в западном направлении от с. Белый Яр на расстоянии 425 м, в пойме русла (3–5 м над урезом воды) в 38 м от р. Абакан. Разница между крайними значениями составила 9 раз, коэффициент вариации – 0,51.

На следующем этапе были проведены исследования в части размерности частиц и сравнительный анализ по данному показателю двух исследуемых территорий. Полученные данные представлены в табл. 2.

При проведении сравнительного анализа размера частиц снежно-грязевого шлама (табл. 2), образующегося путем смешивания снега и поверхностных осаждений с транспортных средств, транспортирующих уголь, было установлено, что независимо от пункта исследования основная доля частиц имеет размеры в диапазоне от 5 до 20 мкм.

Таблица 2

Средние размерные характеристики частиц, содержащихся в образцах талой снеговой воды, в зависимости от пункта исследования

Для участков в окрестностях с. Аршаново данный показатель составляет 78,1 %, а для Белого Яра – 68,3 %. Для проб с территории с. Аршаново доля частиц с размерностью от 2 до 5 мкм практически в 10 раз превышала таковое для участков, близлежащих к с. Белый Яр. Напротив, для проб, отобранных в окрестностях с. Белый Яр, было обнаружено более высокое содержание крупных частиц в диапазоне 20–50 и 50–100 мкм.

Как известно, обязательным элементом добычи угля открытым способом является борьба с пылью на разных этапах технологического процесса, которая включает предупреждение пылеобразования, пылеподавление и пылеулавливание. Все источники пылевыделения на открытых горных работах можно разделить на две группы: локальные (точечные), к которым относятся объекты бурения, работа горного оборудования, пункты перегрузки и пересыпки горной массы, и площадные, включающие внешние и внутренние отвалы, техногенные массивы, взрывные работы, технологические дороги. Последние источники характеризуются более высокими объемами загрязненного воздуха, снижение концентрации угольной пыли может достигаться различными способами: предотвращением образования пыли, осаждением пыли посредством коагуляции, фильтрованием воздуха, разжижением и удалением пылевого облака из атмосферы [4].

На сегодняшний день выделяют несколько направлений борьбы с угольной пылью на разрезах. Первое – организационное, которое заключается в оптимизации производственных процессов. Второе основано на модернизации средств труда и применении обновленных машин и называется технологическое. Техническое направление состоит в использовании различных средств, способствующих снижению образования пыли. Еще одно направление – биологическое, которое заключается в применении материалов на органической основе (биогенные способы) или с помощью объектов живой природы (биоценотические способы) [10]. При этом, в зависимости от экономических, энергетических, санитарно-гигиенических или экологических условий, возможно использовать как один, так и несколько способов [3, 4].

Анализ научных исследований и технических решений, направленных на снижение пылевыделения в условиях открытых горных работ, показал, что основным способом борьбы с пылью на точечных и площадных источниках пылеподавления является улавливание и осаждение твердых частиц пыли каплями жидкости [2–5]. Снижение пылевого загрязнения с помощью распыления воды или растворов на ее основе является одним из часто используемых и эффективных (снижение пыли до 95 %) способов борьбы с пылью на горных предприятиях. Ограничивающим природным фактором при использовании пылеподавляющих средств на основе воды в условиях Республики Хакасия являются отрицательные температуры воздуха в течение половины календарного года, в результате низких температур вода замерзает и затрудняет, а иногда и делает невозможным выход жидкости. В этой связи важным вопросом является разработка такого раствора, который не терял бы свои пылеподавляющие свойства даже при низких температурах.

В заключение хочется отметить, что представленные в работе данные позволяют сделать вывод о наличии в снежном покрове большого количества мелкоразмерной пыли, способной накапливаться в окружающей среде и негативно влиять на ее биологическую составляющую, в том числе человека, и иллюстрируют необходимость проведения исследований в части разработки состава для пылеподавления на разрезах и мониторинга загрязнения атмосферного воздуха угольной пылью в границах влияния угольных предприятий.