ГЕОЛОГИЯ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, 2010, том 52, № 5, с. 418-426
УДК 553.065:553.21/24
СВОЙСТВА НАНО- И МИКРОМАСШТАБНЫХ ЧАСТИЦ, ПОСТУПАЮЩИХ В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ПРИ ОТКРЫТОЙ РАЗРАБОТКЕ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
© 2010 г. В. В. Адушкин*, П. Г. Вайдлер**, А. Н. Дубовской*, Л. М. Перник*,
С. И. Попель*, Ф. Фридрих**
* Институт динамики геосфер РАН 119334, Москва, Ленинский просп., 38, корп.1 ** Institute for Functional Interfaces - Nanomineralogy Division, Karlsruhe Institute of Technology, Campus North, Hermann-von-Helmholtz-Platz 1, D-76344Eggenstein-Leopoldshafen, Germany Поступила в редакцию 25.05.2010 г.
Проведено исследование свойств нано- и микромасштабных пылевых частиц, образующихся при массовых взрывах на железорудном карьере Лебединского горно-обогатительного комбината, в широком диапазоне размеров от 60 нм до 200 мкм. В ходе исследований получены данные о морфологии частиц, их магнитных свойствах, минералогическом и гранулометрическом составах. Обнаруженные минералы — кварц, магнетит и слюда. Основная часть пыли состоит из частиц разнообразной морфологии железистого кварцита, в массиве которого и производился взрыв.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время существенное внимание уделяется изучению нано- и микромасштабных объектов в природных и техногенных системах (Богатиков, 2003; Nanoparticles ..., 2001). Нано- и микромасштабные частицы обнаруживаются в земной коре, в тропосфере, стратосфере, ионосфере и магнитосфере Земли (Адушкин и др., 20041 2, 2006, 2007; Беседина, Попель, 2008; Клумов и др., 2005; Новгородова и др., 20031, 2; Popel, Gisko, 2006) и играют значительную роль в явлениях, определяющих образование пылевых облаков и изменение химического состава вещества в окружающей среде. Атмосферные нано- и микромасштабные частицы и образуемые ими более крупные частицы существенным образом влияют на климатические изменения, на прозрачность и электрофизические свойства атмосферы, на перенос загрязнителей окружающей среды и биологических веществ. Наномасштабные частицы и аэрозоли участвуют в химических процессах в оболочках Земли и влияют на состояние биоты экосистем и здоровье человека.
В науках о Земле нано- и микроразмерные компоненты выступают в качестве основных элементов ее структуры, и поэтому исследования нано- и микроразмерных объектов могут привести к расширению наших представлений о фундаментальных процессах геологии (Богатиков, 2003). Особый интерес с точки зрения геологии рудных месторождений представляет исследование нано- и микромасштабных
Адрес для переписки: С.И. Попель. E-mail: popel@idg.chph. ras.ru
пылевых частиц, образующихся при разработке полезных ископаемых и, в частности, при взрывах.
В геологических процессах важную роль играют взрывы при извержениях вулканов. Так, например, твердые продукты извержения образуются при мощных газовых взрывах. Считают, что взрывные процессы, связанные с падением крупных метеоритов на Землю (1—1.5 млрд. лет назад), повлияли на формирование минералов высокобарических фаз кремнезема и других соединений, шоковые (или планарные) структуры минералов, импактиты (ударные брекчии, состоящие из стекла, цементирующего обломки пород и минералов), раздробленные и брекчированные породы и т.д.
Взрывы используются и для дробления рудных тел. Так, например, данные, полученные в Мурманской области в экспериментах "Днепр— 1" и "Днепр—2", подтвердили расчетную эффективность использования ядерных взрывов для дробления рудных тел.
Существенно менее мощные массовые взрывы на карьерах горнообогатительных предприятий являются одним из источников мгновенного выделения на-но- и микромасштабной пыли в атмосферу — из всех источников пылеобразования при эксплуатации карьеров 60—80% общего количества пыли приходится именно на долю массовых взрывов (Адушкин 1996; Адушкин и др., 2000). Значительные объемы горного производства открытым способом определяют высокую значимость проблемы воздействия массовых промышленных взрывов на окружающую среду.
Темпы роста добычи полезных ископаемых на каждого жителя Земли, составляющие около 10% в год, существенно опережают темпы увеличения ее народонаселения (Богатиков, 2003). Рост добычи полезных ископаемых приводит к увеличению массы одновременно взрываемых взрывчатых веществ, которая может достигать 1000 т и более. При этом имеют место энергетические потоки такой плотности, которая оказывается достаточной для любой степени дезинтеграции горных пород с образованием минеральных частиц нано- и микромасштабного размера.
В данной работе приведены результаты исследования нано- и микромасштабных частиц, образованных при массовом взрыве на карьере Лебединского горно-обогатительного комбината (ГОКа). Приведено описание экспериментов, в которых были собраны частицы. Проведен анализ минералогического и гранулометрического составов частиц, что позволяет выявить их свойства. Подразумевается, что полученные знания о нано- и микромасштабных частицах, образованных при массовом взрыве на карьере, дадут возможность создания технологий с меньшими рисками угрозы окружающей среде и здоровью человека.
МАССОВЫЕ ВЗРЫВЫ НА КАРЬЕРАХ
КУРСКО-БЕЛГОРОДСКОГО РЕГИОНА
Большинство крупных массовых взрывов на Европейской территории РФ проводится на карьерах Курско-Белгородского региона. В настоящее время только на Лебединском ГОКе с регулярностью раз в три недели производится массовый взрыв с массой взрывчатого вещества порядка 1000 т. Подобные массовые взрывы сопровождаются образованием мощных пылегазовых облаков, достигающих высоты до 2 км и распространяющихся на расстояние 10—12 км. Исследования дальности распространения пылегазового облака показывают, что на расстояниях, значительно превышающих санитарно-защитные зоны, концентрация пыли в несколько раз превышает предельно допустимую норму.
В пылегазовом облаке количество пыли составляет от 27 до 170 г/м3 или 35—200 г на каждый килограмм используемого взрывчатого вещества (Адуш-кин, 1996). Количество образованной пыли и ее дисперсность изменяются в широких пределах и зависят от типа и крепости горных пород взрываемого массива, степени их обводненности, удельного расхода взрывчатых веществ и др.
По мере движения пылевого облака с воздушными массами происходит выпадение частиц пыли на поверхность. По данным (Адушкин и др., 2000), частицы с размерами более 100 мкм осаждаются на примыкающей к карьеру территории — на расстояниях 15—20 км за время около 1 ч, а частицы, составляющие пылевой аэрозоль с размерами менее
Время, с
10-4 10
10
10-1 10° 101 Размер, мкм
Фиг. 1. Время жизни пылевых частиц в атмосфере в зависимости от размера частиц на высоте 1.5 км.
100 мкм, могут достигать значительных расстояний и существовать в облаке 2—3 суток. Например, частицы с размером 10 мкм могут перемещаться на расстояния в 1000 км.
Пылевые частицы, образующиеся при взрывном разрушении горных пород, могут достигать различных высот в атмосфере и оставаться там в течение долгого времени — от нескольких минут до нескольких недель в зависимости от диаметра и площади поверхности частиц. Основными стоками частиц служат диффузия, гравитационное осаждение и влажное осаждение, причем каждый из трех типов характерен для частиц определенного размера. Для крупных частиц (с диаметром более 2.5 мкм) основным механизмом оттока из атмосферы является гравитационное осаждение. Самое большое время жизни у частиц средних размеров (от 0.1 до 2.5 мкм), так как они не удаляются эффективно ни диффузией, ни осаждением и живут в атмосфере от нескольких дней до нескольких недель (Беседина, Попель, 2006). Суммарная эффективность осаждения пылевых частиц из атмосферы отображена на фиг. 1.
Действие частиц нано- и макромасштабных размеров на окружающую среду весьма разнообразно за счет влияния на физико-химические свойства атмосферы — начиная от ухудшения видимости из-за рассеяния и поглощения света и заканчивая серьезными климатическими изменениями. Воздействие пыли на атмосферу заметно различается в зависимости от ее химического состава и размера частиц. Поэтому для оценки последствий массовых взрывов на карьерах необходимо знать такие характери-
Таблица 1. Основные параметры массового взрыва
№ блока Горизонт; м Масса взрывчатых веществ в блоке, т Число скважин Число групп Средняя масса взрывчатых веществ в группе, т Задержка взрыва, с
31 130...125 35 505 44 0.795 0
9 — 180...—195 45 51 19 2.37 31
29 -150.-165 130 143 39 3.33 31
28 -75.-90 105 122 32 3.28 38
25 -60.-75 105 118 47 2.23 43
24 -15.-30 340 389 110 3.09 67
22 0.-15 410 549 182 2.25 67
32 15.0 6.5 12 6 1.08 67
23 -30.-45 45 60 28 1.61 107
30 60.45 70 83 34 2.06 126
21 75.60 185 162 65 2.85 126
20 30.15 340 260 94 3.62 164
19 -60.-75 55 74 27 2.04 195
17 -45.-60 95 104 33 2.88 195
18 -60.-75 190 206 73 2.60 225
стики пыли как химический и гранулометрический состав.
ЭКСПЕРИМЕНТ 9 ФЕВРАЛЯ 2006 г.
9 февраля 2006 г. на Лебединском ГОКе был проведен плановый массовый взрыв общей массой
Таблица 2. Химический состав пыли
Компоненты Содержание, %
FeO 13.76
24.51
42.3
Л1203 5.08
СаО 1.72
МБО 3.27
тю2 0.34
Р2О3 0.21
№20 0.33
8 0.48
2156 т. Было разрушено 15 блоков горной породы. Параметры массового взрыва приведены в табл. 1: номера взрываемых блоков, масса взрывчатых веществ в каждом блоке, число скважин и групп, задержка взрыва соответствующего блока по отношению к моменту начала взрыва блока 31. Блок 31 состоял из известняка, остальные блоки — из железистого кварцита. Расположение блоков представлено на фиг. 2.
Перед массовым взрывом на разных расстояниях от карьера в направлении ожидаемого ветрового сноса пылевого облака размещались контейнеры для сбора пыли. При данном массовом взрыве контейнеры располагались в двух точках, которые отмечены на фиг. 2 черными кружками — 1 и 2. Процесс формирования и распространения облака фиксировался с помощью видеокамер. Сбор выпадающих из пылевого облака твердых частиц осуществлялся в течение всего времени прохождения облака над пунктом наблюдений.
Контейнер для сбора пылевых частиц представлял собой цилиндрический сосуд диаметром 50
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.