Загрязнение атмосферы. Загрязняющие вещества

Загрязнение атмосферы — привнесение в атмосферный воздух новых нехарактерных для него физических, химических и биологических веществ или изменение естественной среднемноголетней концентрации этих веществ в нём.

Загрязняющее вещество (также поллютант) — один из видов загрязнителей, любое химическое вещество или соединение, которое находится в объекте окружающей природной среды в количествах, превышающих фоновые значения и вызывающие тем самым химическое загрязнение.

По происхождению загрязняющие вещества делятся на:

- загрязняющие вещества природного происхождения — попадающие в природную среду в результате естественных, обычно катастрофических процессов (пример — загрязнение прилегающих территорий пеплом при извержении вулкана)

- загрязняющие вещества антропогенного происхождения.

По характеру загрязняющие вещества делятся на:

- первичные (поступившие в окружающую среду непосредственно из источников загрязнения)

- вторичные, образующиеся из первичных в объектах окружающей среды в результате биогенных и абиогенных трансформаций.

При рассмотрении загрязнения атмосферного воздуха газами следует учитывать факторы эмиссии (выброс) вредных газов, трансмиссии (перенос) газов и имиссии (ввод) вредных веществ в организмы и растения.

Среди газов, имеющих тенденцию к глобальному распространению, можно назвать диоксид углерода, метан, фреоны, в то время как диоксид серы и диоксид азота подобно пыли в тропосфере, сохраняются в атмосфере от нескольких дней до нескольких недель. Перенос газовых загрязнений связан с метеорологическими условиями, особенностями земной поверхности, значениями температуры отдельных слоев воздуха, а также определяется их растворимостью в воде и способностью к химическому взаимодействию с компонентами атмосферы.

По «времени жизни» в атмосфере вещества в первом приближении могут быть разделены на: долгоживущие вещества (с временем жизни около года и более), короткоживующие вещества (с временем жизни до 10 суток) и среднеживущие (табл. 2.1).

Таблица 2.1 - Пребывание (τ) следовых газов в атмосфере

Скорость распространения воздушных масс при дальнем переносе обычно состав­ляет от нескольких сотен до тысячи километров в сутки. Поэтому на большие рассто­яния могут распространяться вещества со временем жизни в атмосфере более 0,5 суток. Заметное пополнение при поступлении вещества из атмосферы в воды и почвы происходит, если его время жизни в этих средах не менее года.

Среди основных вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу от источников выбросов предприятий горного комплекса, различают:

- твердые— угольная, рудничная и породная пыль, зола, сажа;

- газообразные— сернистый ангидрид, сероводород, оксиды азота и углерода, углеводороды.

По подсчетам специалистов общая годовая стоимость потерь от загрязнения атмосферы только во Франции составляет 4 % нацио­нального дохода, в США — 3 %, в Японии — до 8 %. Это одна сторона экономического ущерба. Другая сторона связана с потерей большого количества ценного сырья, поступающего в воздух вместе с промыш­ленными выбросами. Подсчитано, что если добиться полной очист­ки выбрасываемых газов от сернистого ангидрида, то можно получить дополнительное количество серы, которое перекроет все потребнос­ти в ней.

В шахтах основная масса углекислого газа (90...95 %) образуется при окислении древесины и угля, разложении горных пород кислы­ми рудничными водами, выделении углекислого газа из угля и пород. Определяющим фактором является длина горных выработок и объем выработанного пространства. Состав и дебит газа, вьщеляющегося из горного массива, зависит от газовой зональности месторождения, глубины разработки и объема добычи.

К основным источникам загрязнения оксидом углерода относят­ся рудничные пожары, взрывы угольной пыли и метана, взрывные работы. Особую опасность представляют пожары от самовозгорания углей, так как затруднено их обнаружение.

Сероводород в шахтах выделяется при гниении органических ве­ществ, разложении водой сернистого колчедана и гипса, а также при пожарах и взрывных работах. Сернистый газ выделяется в небольших количествах из пород и угля вместе с другими газами на горящих породных отвалах.

Оксиды азота образуются при взрывах в шахтах и при сжигании угля или метана в шахтных котельных.

Метан — основной газ, выделяющийся из угля и вмещающих по­род, в незначительных количествах могут выделяться и тяжелые уг­леводороды. Если угольные пласты подвергались термометаморфиз­му, содержание тяжелых углеводородов значительно увеличивается. Большая часть метана в угольных плас­тах находится в связанном состоянии, в свободном — не более 10... 15 %. При разрушении угля в первую очередь интенсивно выде­ляется свободный газ, а затем десорбируется связанный. Различают обыкновенное, суфлярное и внезапное выделение метана:

− обыкновенное — происходящее из невидимых трещин и пор в угле и породах;

− суфлярное — местное концентрированное выделения газа из природных или эксплуатационных трещин с дебитом 1м³/мин и более на участке выработки протяженностью до 20 м;

− внезапное — местное выделение больших объемов газа, сопровождающееся разрушением призабойной части угольного пласта.

Обыкновенное выделение метана происходит с обнаженной поверхности угольного массива через мелкие, невидимые трещины. Величина этого газовыделения тем больше, чем выше газоносность и газопроницаемость угля, а также газовое давление.

В первые моменты после вскрытия пласта газовыделение происходит весьма интенсивно. Затем быстро падает и, через 6÷10 месяцев, оно практически прекращается. Время после обнажения пласта, по истечении которого газовыделение с обнаженной поверхности практически прекращается, называется периодом дренирования. В результате выделения метана с обнаженной поверхности в массиве угля образуется зона дренирования, метаноносность угля в которой изменяется от минимальной величины на кромке обнажения пласта до природной метаноносности на некотором расстоянии от обнаженной поверхности пласта.

Выделение метана с обнаженной поверхности пласта зависит также от производственных процессов, изменяющих условия выделения газа с поверхности пласта: зарубка, отбойка угля, управление кровлей.

Суфлярное метановыделение происходит из крупных, видимых на глаз трещин и пустот в угле и породах или из эксплуатационных трещин. Дебит их может быть до десятков тысяч кубических метров в сутки, продолжительность действия от нескольких часов до нескольких лет. Суфляры представляют опасность вследствие неожиданности их проявления и сопутствующего им увеличения концентрации газа в выработке. Суфляры бывают природного и эксплуатационного происхождения. Природные суфляры (первого рода) обычно встречаются в зонах геологических нарушений. Суфляры эксплуатационного происхождения (второго рода) появляются вследствие нарушения целостности боковых пород при выемке угля.

Борьба с суфлярами ведется путем дегазации массива (для этого применяется передовое бурение скважин, опережающая отработка защитных пластов, соответствующий способ управления кровлей) и увеличением подачи воздуха в выработки.

При внезапном выбросе из угольного пласта в выработку за короткий промежуток времени может выделиться большое количество газа вместе со значительным количеством угольной мелочи. В пласте угля образуются характерные пустоты, а выработка заполняется углем и газом на десятки и сотни метров от забоя.

Количество метана, выделяющегося при выбросе, находится в пределах от нескольких сотен до 500 тыс. м³ и более, горной массы — от 1÷2 до 15000 т.

Внезапные выбросы обычно происходят в забоях подготовительных и очистных выработок, при вскрытии опасных пластов, при пересечении зон геологических нарушений.

Внезапным выбросам обычно предшествуют предупредительные признаки: удары, толчки, гул в массиве угля, осыпание забоя, отскакивание кусочков угля (стреляние), выжимание угля, повышенное газовыделение.