Физика Земли, 2021, № 5, стр. 120-132

ВВЕДЕНИЕ

Атмосфера Земли, помимо газовых примесей, содержит множество жидких и твердых микрочастиц, которые существуют в виде дисперсных фаз в воздухе – аэрозолей. Атмосферные аэрозоли являются важным фактором в процессах взаимодействия в системе литосфера–атмосфера [Адушкин, Попель, 2012]. Хотя концентрация аэрозолей значительно ниже, чем основных компонент воздуха, но они играют очень важную роль во многих метеорологических, физических и химических процессах, происходящих в атмосфере. К ним относятся: конденсация водяного пара на небольших ядрах и последующее образование тумана и облачных капель; химические реакции, приводящие к образованию кислотных осадков; изменение параметров рассеяния и поглощения как поступающего солнечного (коротковолнового) излучения, так и теплового земного (длинноволнового) излучения и др. процессы [Andreae, 1995; Ивлев, Довгалюк, 1999; Satheesh, Moorthy, 2005; Кондратьев, 2006; Гинзбург и др., 2008; Atmospheric Aerosols, 2017]. Существенное влияние аэрозоли оказывают и на электрические параметры атмосферы, поскольку взаимодействие аэрозольных частиц с атмосферными ионами приводит к изменению их спектрального состава в сторону тяжелых ионов и, как следствие, уменьшению электропроводности воздуха. Но особенно сильное влияние на электрические параметры атмосферы оказывают выбросы радиоактивных аэрозольных частиц: увеличивается степень ионизации воздуха, увеличивается электропроводность и изменяется напряженность электрического поля [Морозов, Куповых, 2012]. Масштабы влияния выбросов радиоактивных аэрозольных частиц в атмосферу могут иметь не только локальный, но и континентальный характер. Такое влияние проявилось после Чернобыльской аварии в 1986 г. [Смирнов, 1991; Морозов, Куповых, 2012] и аварии на АЭС “Фукусима-1” в 2011 г. [Авария на АЭС…, 2013].

Влияние аэрозолей на атмосферные процессы изучено еще недостаточно полно и особенно заметно это проявляется при обсуждении проблемы воздействия аэрозолей на климат. Вклад атмосферного аэрозоля остается одним из главных факторов неопределенностей оценок роли различных климатообразующих процессов [Кондратьев, 2006]. Воздействие аэрозолей обычно подразделяется на прямое и косвенное. Прямое воздействие заключается в том, что аэрозоли рассеивают и поглощают солнечное и тепловое излучения и тем самым изменяют радиационный баланс атмосферы и подстилающей поверхности. Наряду с природными аэрозолями существенное воздействие на потоки солнечного и теплового излучения оказывают техногенные аэрозоли, содержащие сульфаты, органический углерод и сажу (черный углерод) от сжигания топлива и биомассы, а также микрочастицы, попадающие в атмосферу и на поверхность Земли в результате хозяйственной деятельности.

Роль черного углерода (ЧУ) как климатообразующего фактора была отмечена, когда в конце 60-х гг. прошлого века получили первые результаты изучения явлений Арктической дымки [Rosen et al., 1981]. Проблема влияния ЧУ на радиационный баланс, с точки зрения поглощения солнечной радиации аэрозолями и последующего прямого радиационного воздействия, вызванного аэрозолями, остается актуальной темой и в современных исследованиях [Bond et al., 2013; Huang et al., 2015; Atmospheric Aerosols, 2017; Виноградова, Титкова, 2020]. Крупнейшие мировые источники ЧУ связаны с открытым выжиганием лесов и саванн, но большая часть содержащихся в атмосфере микрочастиц ЧУ обусловлена антропогенной деятельностью [Bond et al., 2013]. В частности, микрочастицы ЧУ, переносимые из сильно загрязненных районов Европы в сторону Арктики, могут оказать существенное влияние на облачные процессы, на таяние снега и ледяного покрова в этом районе. Эффекты воздействия микрочастиц рассчитываются с помощью климатических моделей, но, когда это возможно, они оцениваются с помощью полевых наблюдений и микрофизических измерений. По оценкам приведенным в работе [Huang et al., 2015] суммарные антропогенные выбросы ЧУ в России в 2010 г. составили 224 тыс. т.

Выбросы твердых веществ от всех стационарных источников на территории России значительно превосходят выбросы ЧУ, в 2010 г. эти выбросы составили 2283.1 тыс. т [Государственный доклад…, 2012], выбросы твердых веществ в атмосферу от источников, связанных с добычей полезных ископаемых, сравнимы с оценками выбросов ЧУ – 392.8 тыс. т. Химические, физические, в том числе и оптические, свойства микрочастиц определяются специфическими характеристиками их источников и в результате оказывают различное влияние на радиационный баланс и загрязнение окружающей среды. Например, в регионах интенсивной добычи полезных ископаемых, таких как уголь, влияние выбросов твердых микрочастиц на спектральные характеристики поверхности в видимой и инфракрасной областях были обнаружены в зимний период [Опарин и др., 2014].

Как правило, облака микрочастиц, выбрасываемых в приземный слой атмосферы различными источниками, представляют собой полидисперсные структуры, одной из важных характеристик которых является их гранулометрический состав. Очень мелкие частицы за счет действия внутренних сил сцепления и ничтожно малых скоростей гравитационного оседания будут образовывать новые частицы увеличенных размеров, в результате размер изучаемых аэрозольных частиц ограничивают диапазоном от нескольких нанометров до нескольких десятков микрон [Atmospheric Aerosols, 2017]. Частицы с размерами более сотен микрон не считаются принадлежащими к классу крупных аэрозолей, так как у них очень короткое время жизни. Верхний предел размеров, наблюдаемых в свободной атмосфере частиц, обусловлен действием двух процессов: оседанием частиц в поле силы тяжести и способностью турбулентной диффузии переносить частицы в более высокие слои атмосферы. Для частиц с радиусами 10–20 мкм основным процессом является гравитационное осаждение, они остаются в воздухе лишь ограниченное время и выпадают на земную поверхность в ближней зоне источника частиц на расстоянии первых километров. Более мелкие частицы активно увлекаются атмосферными потоками и загрязняют атмосферу на региональном уровне, охватывающем расстояния до сотен километров от источника частиц.

Принципиальной особенностью добычи полезных ископаемых является разрушение горных пород до размеров куска, определяемого технологией переработки. До настоящего времени наиболее эффективным способом разрушения горных пород остается использование энергии взрыва [Викторов, 2015; Михайлов, Тарасенко, 2017; Silva et al., 2019; Викторов и др., 2019]. Применение взрывных технологий для дробления горной породы имеет важное отличие от других технологических операций, используемых при разработке открытых горных карьеров. В результате массовых взрывов происходит не только разрушение горной породы, но и образование мощных пылегазовых облаков в приземном слое атмосферы – после детонации взрывчатых веществ продукты взрыва выбрасываются в атмосферу вместе с частицами разрушенной горной породы. Особо следует отметить, что пылегазовое облако взрыва содержит частицы и в нанометровом диапазоне размеров. Возможность образования наночастиц при проведении массовых взрывов показана в работах [Адушкин и др., 2004; 2007]. Значительная часть наночастиц формируется в процессе разрушения более крупных частиц, при многократном дроблении. По оценкам работ [Викторов, 2011; Трубецкой и др., 2006], при промышленных взрывах доля высокодисперсных частиц может составлять несколько процентов от массы отбитой породы, что является наиболее высоким показателем среди источников техногенных минеральных наночастиц.

Таким образом, неослабевающее внимание научного сообщества к проблеме загрязнения окружающей среды аэрозольными микрочастицами и их влияния на здоровье населения подтверждает актуальность задачи изучения физических, химических и других свойств микрочастиц в природных средах. Микрочастицы характеризуются повышенной сорбционной емкостью по сравнению с частицами более крупного размера, поэтому они способны накапливать повышенные уровни многих вредных загрязняющих веществ. Обладая малым размером, микрочастицы способны длительное время находиться во взвешенном состоянии в атмосфере и переноситься на далекие расстояния.

Цель настоящей работы – анализ данных о выбросах микрочастиц в атмосферу от техногенных источников и, в частности, о выбросах частиц горной породы в процессе добычи полезных ископаемых на открытых карьерах. Основное внимание уделяется оценке выбросов микрочастиц в приземный слой атмосферы при добыче угля открытым способом как на территории России, так и в мире в целом.

ТЕХНОГЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ВЫБРОСОВ МИКРОЧАСТИЦ

Индустриальный и постиндустриальный период развития общества сопровождается опережающим ростом темпов добычи вещества литосферы в виде минерального сырья и топлива. По оценкам из литосферы ежегодно добывается от сотни миллиардов до триллиона тонн твердого вещества, при этом значительная доля переработанной горной массы приходится на добычу полезных ископаемых открытым способом [Викторов, 2015; Трубецкой, Галченко, 2015]. Экономики многих стран зависят от производства и потребления широкого спектра полезных ископаемых, что ведет к расширению деятельности по добыче полезных ископаемых. Как отмечено в работе [Трубецкой, Галченко, 2015], постоянное увеличение темпов роста общественного потребления происходит исключительно на основе экстенсивных методов развития минерально-сырьевого комплекса, при которых количество отходов обычно соизмеримо с количеством добытого вещества литосферы, использованного в хозяйственных целях. Минерально-сырьевой комплекс дает исходные материалы для производства более чем 70% всей номенклатуры конечной продукции современного общества и обеспечивает почти 90% его энергетических потребностей. Поэтому все производственные процессы, связанные с добычей полезных ископаемых и их дальнейшей промышленной переработкой, потенциально являются одними из основных источников выбросов микрочастиц в приземный слой атмосферы. Немаловажно, что микрочастицы техногенного происхождения вследствие своего химического состава в большинстве случаев намного превосходят природный материал по негативному воздействию как на человека, так и на среду обитания в целом.

Техногенные выбросы в атмосферу распределены по земному шару неравномерно. Основные их источники сосредоточены в индустриальных странах, и связано это с интенсификацией и ростом объемов производства, увеличением населения, урбанизацией, развитием транспортной индустрии. Следует также отметить, что совершенствование технологий очистки выбросов и экономические санкции против предприятий, загрязняющих окружающую среду, в развитых странах позволяют последовательно снижать вклад в аэрозольное загрязнение, однако в развивающихся странах, наоборот, наблюдается рост загрязняющего воздействия [IPCC, 2014; Klimont et al., 2017].

В ряде работ, в которых анализируются техногенные выбросы аэрозолей, выделяют следующие категории источников: промышленные предприятия; установки для сжигания топлива; источники, связанные с ветровой эрозией пахотных земель, строительством, дорожной пылью; транспорт всех видов [Атмосфера, 1991; Atmospheric Aerosols, 2017]. Техногенные аэрозоли состоят как из первичных частиц, так и вторичных частиц, образующихся из газов, выбрасываемых в результате промышленной и других видов деятельности. В настоящей работе основное внимание уделяется первичным микрочастицам, поступающим в приземный слой атмосферы.

Статистические данные о выбросах загрязняющих веществ в атмосферу в нашей стране можно найти в ежегодных Государственных докладах “О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации” Минприроды России. Основными загрязняющими веществами, поступающими в атмосферный воздух вместе с выбросами предприятий различных отраслей экономики, являются твердые вещества, диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода. В докладах используются термины “твердые вещества” и “взвешенные вещества” без обсуждения их гранулометрического состава. Также отдельно приводятся данные о выбросах загрязняющих веществ от стационарных и передвижных источников. Наряду с этим в докладах приводятся данные о структуре выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников по видам экономической деятельности. Так, распределение объема выбросов по видам экономической деятельности осуществляется в следующей градации [Государственный доклад…, 2020]: 1 – “обрабатывающие производства” (например, в 2014 г. доля этих выбросов составляла 34.0% от общего объема выбросов стационарных источников, в 2017 г. – 33.2%, в 2019 г. – 33%); 2 – “добыча полезных ископаемых” (в 2014 г. – 28.3%, в 2017 г. – 28.1%, в 2019 г. – 28.5%); 3 – “обеспечение электрической энергией, газом и паром; кондиционирование воздуха” (в 2017 г. – 20.3%, в 2019 г. – 17.3%); 4 – сельское хозяйство, лесное хозяйство, охота, рыболовство; 5 – прочие виды выбросов. Основная масса выбросов от стационарных источников приходится на предприятия и организации, расположенные на территории городов и городских округов.

Представляют интерес статистические данные о выбросах твердых веществ от стационарных источников как от всех видов экономической деятельности в целом, так и от добычи полезных ископаемых. В результате по данным, включенным в Государственные доклады “О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации” за период с 2000 по 2019 гг., можно проследить динамику выбросов твердых веществ от стационарных источников (табл. 1). В 2019 г. выбросы твердых веществ увеличились на 6.8% относительно 2018 г., что может быть связано с ростом промышленного производства. Данные по выбросам от предприятий по добыче полезных ископаемых в докладах приведены не для каждого календарного года. Тем не менее, доля выбросов предприятий по добыче полезных ископаемых от общего объема выбросов достаточно стабильна и находится в пределах 16–19%. Сокращение общих объемов выбросов твердых веществ с 2000 г., как это следует из табл. 1, приближается к двукратному. В докладе за 2018 г. сокращение выбросов микрочастиц объясняется “относительной простотой и меньшими затратами на проведение мероприятий по улавливанию, обезвреживанию и снижению их образования” [Государственный доклад…, 2019].

Наряду с этим в ряде докладов “О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации” представлены статистические данные о выбросах твердых веществ по отдельным видам деятельности в разделе “Добыча полезных ископаемых”. Эти данные носят фрагментарный характер и приводятся не для каждого календарного года. Например, данные, приведенные в работе [Государственный доклад…, 2012], показывают, что по итогам 2010 г. при добыче угля выбросы твердых веществ увеличились на 3.3% по отношению к предыдущему году. Количественные данные о выбросах твердых веществ при добыче угля за ряд лет содержатся в работе [Государственный доклад…, 2018]: в 2008 г. они составили 55.5 тыс. т, в 2016 г. – 58.4 тыс. т, в 2017 г. – 65.4 тыс. т. В работе [Таразанов, Губанов, 2020] приведен обзор итогов работы угольной промышленности России по состоянию на 2019 г. На территории страны находятся 22 угольных бассейна и 129 отдельных месторождений (насчитывается 187 предприятий, из них шахты – 57, угольные разрезы – 130). На рисунке приведена схема расположения угольных бассейнов России. В табл. 2 приведены объемы добычи угля по способам добычи [Таразанов, Губанов, 2020]. По данным за 2019 г. удельный вес открытого способа в общей добыче составил 75.7%. Как видно из табл. 2, добыча подземным способом находится приблизительно на одном уровне, а добыча угля открытым способом непрерывно растет. Увеличение выбросов твердых веществ соответствует данным об увеличении объемов добычи угля.

Рис. 1.

Схема расположения угольных бассейнов Российской Федерации: 1 – Донецкий бассейн; 2 – Подмосковный бассейн; 3 – Южно-Уральский бассейн; 4 – Мурманская область – Архипелаг Шпицберген; 5 – Печорский бассейн; 6 – Горловский бассейн; 7 – Кузнецкий бассейн; 8 – Минусинский бассейн; 9 – Канско-Ачинский бассейн; 10 – Тунгусский бассейн; 11 – Улуг-Хемский бассейн; 12 – Иркутский (Черемховский) бассейн; 13 – месторождения Бурятии и Забайкалья; 14 – Южно-Якутский бассейн; 15 – Зырянский бассейн; 16 – Ленский бассейн; 17 – Сахалинский бассейн; 18 – Нижне-Зейский бассейн; 19 – Буреинский бассейн; 20 – Бикино-Уссурийский бассейн; 21 – Раздольненский бассейн; 22 – месторождения севера Дальнего Востока (адаптировано из работы [Григорьев, Курошев, 2019]).

Независимые оценки выбросов твердых веществ в атмосферу при производстве работ на открытых карьерах можно получить по методике, основанной на анализе данных о пылевыделении при различных технологических процессах в горных работах и их общего объема. В настоящее время на открытых карьерах добывают 80–93% руд черных и цветных металлов, 75% угля, практически 100% строительных горных пород [Таразанов, Губанов, 2020; Трубецкой, Рыльникова, 2015]. При добыче полезных ископаемых на открытых карьерах в результате разрушения горной породы практически все технологические процессы сопровождаются образованием твердых частиц в широком диапазоне размеров и выносом их в приземный слой атмосферы [Бересневич и др., 1990; Csavina et al., 2012; Jain et al., 2016; Patra et al., 2016; Assessment, 2017]. Как упоминалось выше, для частиц, которые выбрасываются в атмосферу в процессе горных работ и имеют радиусы более 10–20 мкм, основным процессом является гравитационное осаждение, они остаются в воздухе лишь ограниченное время и выпадают на земную поверхность в ближней зоне источника частиц. Более мелкие частицы активно увлекаются атмосферными потоками и переносятся на расстояния до сотен километров от источника частиц. Ниже рассматриваются твердые частицы с размерами менее 10–20 мкм и используется термин – микрочастицы.

Основными источниками выбросов микрочастиц на открытых карьерах являются: бурение, дробление горной породы взрывом, выемочно-погрузочные работы и операции, связанные с перемещением горной массы, а также пылящие поверхности техногенных массивов – отвалов и хвостохранилищ. Наиболее распространенным методом оценки выбросов частиц горной породы и других загрязняющих веществ в атмосферу являются расчеты по эмпирическим зависимостям на основе коэффициентов выбросов [Бересневич и др., 1990; Викторов, Бутысин, 1996; Roy et al., 2010; Huertas et al., 2012; Patra et al., 2016]. Эти зависимости являются эмпирическими по своей природе и были разработаны на основе результатов экспериментальных исследований, проводившихся в процессе эксплуатации карьеров в соответствии с конкретной геометрией, типом горных пород, метеорологическими условиями и т.д. Основным элементом этих формул являются коэффициенты выбросов, которые обычно выражаются в виде веса загрязняющего вещества, деленного на единицу веса, объема, расстояния или продолжительности технологических операций на карьерах. Данные о коэффициентах выбросов для различных технологических операций содержатся в рекомендациях, разработанных в основных добывающих странах (в США это Агентство по охране окружающей среды – [USEPA, 1991; USEPA, 1998], в Австралии – [National Pollutant Inventory, 1999], в России – [Методика…, 1999] и т.д.). Рассмотрим оценки выбросов микрочастиц в атмосферу на примере открытых угольных карьеров.

ОЦЕНКИ ВЫБРОСОВ МИКРОЧАСТИЦ ЧАСТИЦ ПРИ ДОБЫЧЕ УГЛЯ ОТКРЫТЫМ СПОСОБОМ

В практике разрушения горных пород использование энергии взрыва остается наиболее эффективным способом. При добыче большинства полезных ископаемых взрывная отбойка горной массы является основной технологией при подготовке горных пород к выемке. Современные исследования в области разработки новых технологий добычи полезных ископаемых и разрушения горных пород показывают, что подобная ситуация сохранится и в ближайшие десятилетия [Викторов, 2015; Zhang, 2016; Михайлов, Тарасенко, 2017; Silva, 2019]. Следует отметить, что на первых этапах разработки открытых карьеров проводятся вскрыши (грунт и горные породы, лежащие под поверхностью и над месторождением) для доступа к интересующим минералам. В работе [Трубецкой, Галченко, 2015] анализировалась полнота использования твердого вещества при добыче ряда полезных ископаемых (руды металлов, энергоносители, стройматериалы и неметаллические полезные ископаемые). Из представленных данных следует, что в процессе добычи полезных ископаемых необходимо переработать значительно бόльшие объемы горной массы, чем занимает конечный продукт: в среднем доля полезных ископаемых от общего объема переработанной горной массы составляет приблизительно 41%, а доля попутных горных пород – 59%. Именно общий объем переработанной горной массы и будет определять объем выбросов микрочастиц в приземный слой атмосферы. При добыче угля объемы вскрышных пород могут превосходить объемы добытого угля до 10 раз.

В процессе подготовки массовых взрывов взрывчатое вещество (ВВ) размещается в пробуренных в горной породе скважинах диаметром до 300 мм и более [Угаров и др., 2017]. Бурение скважин связано с выбросами в атмосферу частиц горной породы, которые зависят от типов и количества буровых станков, времени их работы, влажности горной массы и применяемых средств пылеподавления. В процессе бурения наблюдаются достаточно высокие концентрации микрочастиц в непосредственной близости от места проведения работ. Для наиболее типичных условий бурения вскрышных пород доля частиц с линейными размерами менее 50 мкм составляет в среднем 12–15% от общей массы образующихся продуктов разрушения [Методика…, 1999]. Буровые станки, как правило, оборудуются системами пылеулавливания, но во многих случаях разрушенная при бурении горная порода сбрасывается в непосредственной близости от скважин.

Применение взрывных технологий для дробления горной породы имеет важное отличие от других технологических операций – массовые взрывы сопровождаются образованием пылегазового облака, верхняя кромка которого может достигать высоты нескольких километров [Адушкин и др., 2020; Khazins et al., 2020; Khazins, Soloviev, 2020], что вызывает загрязнение атмосферы не только карьеров, но и прилегающих к ним обширных территорий. После детонации ВВ продукты взрыва выбрасываются в атмосферу вместе с частицами разрушенной горной породы и материалом забойки. В последующем из них формируется вихревая структура, аналогичная термику, поднимающаяся в атмосфере, вследствие чего происходит дальнейшее вовлечение в облако продуктов взрыва частиц разрушенной горной породы и окружающего воздуха (в центральной части скорости потока могут достигать нескольких десятков метров в секунду [Khazins et al., 2020]). В результате значительная доля в общей массе частиц в пылегазовом облаке приходится на микрочастицы ранее разрушенной породы и частицы, находившиеся на поверхности вокруг скважин. Интенсивность вовлечения микрочастиц в облако продуктов взрыва зависит как от физико-механических свойств разрабатываемых горных пород, так и от ряда совместно действующих технологических факторов: крепости горных пород и удельного расхода взрывчатого вещества, размеров взрываемого блока и высоты уступа, характеристик забойки скважин и состояния поверхности вокруг них, метеорологических условий во время проведения массового взрыва и др. Влияние указанных факторов обычно учитывается на основе результатов экспериментальных исследований, проводившихся во время массовых взрывов на действующих карьерах [Бересневич и др. 1990; Методика…, 1999; Викторов, Бутысин, 1996].

При добыче угля, в зависимости от горно-геологических условий, объем взрывных работ относительно экскавации в технологическом цикле различен. Эффективная разработка скальных и полускальных пород экскаваторами цикличного действия возможна только после их предварительной взрывной подготовки. По данным работы [Мельников, 1982], доля взрывных работ на угольных разрезах РФ составляет от 10 до 90%, при этом доля менее 50% приходится на неглубокие маломощные разрезы. В настоящее время на разрезах Кузнецкого угольного бассейна (Кузбасса) около 80% общего объема вскрыши разрабатывается с применением буровзрывных работ [Ташкинов и др., 2010]. В работе [Тимофеева, Мурзин, 2015] на примере Черемховского угольного разреза показано распределение объемов выбросов микрочастиц при различных технологических операциях на карьере. Отработка вскрышных пород и междупластья производится с применением буровзрывных работ. Пласты угля имеют мощность от 2 до 4.2 м. Вскрыша составляет от 10 до 42 м. Наибольшее количество микрочастиц дают технологические вскрыши и отвалообразование (порядка 600–700 т в год), бурение – 10 т в год, погрузочные процессы – 15 т в год.

Рост добычи угля открытым способом сопровождается и увеличением количества ВВ, применяемого в процессе работ на карьерах. Это демонстрируют данные по добыче угля и потреблению ВВ на предприятиях Кузбасса [Адушкин и др., 2020]. Если в 2010 г. в Кузбассе добыча угля составила 185.5 млн т, то в 2018 г. – уже 255.3 млн т. Ежегодное потребление ВВ при проведении работ на карьерах Кузбасса в период 1998–2018 гг. приведено в табл. 3. За последние 10 лет количество используемого ВВ удвоилось.

Массу выбросов микрочастиц при проведении массовых взрывов можно получить, зная величину удельных выбросов на 1 кг ВВ и ежегодное потребление ВВ. Следует отметить, что несмотря на меры по модернизации взрывных технологий и изменение схем проведения массовых взрывов, количество микрочастиц горных пород, поступающих в атмосферу при взрывной отбойке горной массы, изменяется в узких пределах при пересчете на единицу массы ВВ [Бересневич и др., 1990]. Удельные расходы ВВ на отбойку 1 м³ горной породы на угольных разрезах в разных странах находятся в пределах 0.4–0.7 кг/м³, соответственно, и коэффициенты выбросов микрочастиц будут иметь близкие значения. Так, в работе [National Pollutant Inventory…, 1999] приведены эмпирические данные, полученные на угольных разрезах Австралии: коэффициенты выбросов q_вв (т.е. масса частиц, приходящаяся на 1 кг ВВ) для частиц с размерами 0–30 мкм дают значение q_вв = = 0.101 кг/кг ВВ. Для оценок примем значение q_вв в диапазоне от 0.08 до 0.1 кг/кг ВВ. В табл. 3 приведены оценки массы выбросов микрочастиц на угольных разрезах Кузбасса по ежегодному потреблению ВВ: M_d = q_ввQ.

Аналогичные оценки могут быть получены, исходя из годовых объемов V_гп горной породы, отбитой при проведении массовых взрывов в работе [Методика…, 1999]. Расчеты проводятся по эмпирической зависимости вида: M_гп = q_тчV_гп, где q_тч – удельные выбросы микрочастиц из 1 м³ горной породы. Коэффициент q_тч зависит от крепости горной породы, рецептуры ВВ и ряда других параметров. В [Методика…, 1999] приведены значения этого коэффициента в виде таблиц. Для расчетов возьмем значения q_тч в диапазоне 0.03–0.06 кг/м³. Объемы V_гп рассчитываются на основе данных по годовой добыче угля. Полученные оценки выбросов микрочастиц на угольных разрезах Кузбасса при проведении массовых взрывов приведены в табл. 4. Видно, что эти оценки хоть и отличаются, но, в целом, удовлетворительно соответствуют друг другу.

Для экскавации нормативные и опытные данные приводятся в виде интенсивности пылевыделения [Михайлов и др., 1981; Бересневич и др., 1990; Методика…, 1999]. Так, для одноковшовых экскаваторов нормативная интенсивность пылевыделения составляет 2 г/с. Экспериментальные данные для данного типа машин с различной производительностью находятся в пределах 0.4–2 г/с при добыче угля и 0.1–1.4 г/с при добыче рудных ископаемых. Для других экскаваторов (роторные, экскаваторы типа драглайн и т.д.) также установлены величины интенсивности пылевыделения. Зная производительность экскаватора, можно вычислить коэффициент пылевыделения. Например, для внутрикарьерного участка производительностью 400 м³/ч карьера Новокриворожского горно-обогатительного комбината вычисленный коэффициент пылевыделения имеет значение 8–10 г/м³ при годовой производительности 10.5 млн т руды [Справочник…, 1982]. В результате средние значения коэффициентов пылевыделения при экскавации лежат в пределах от 8 до 20 г/м³.

Ведение вскрышных работ на карьерах и обогащение руды на фабриках ГОКов привели к необходимости формирования отвалов и строительства хвостохранилищ. Выброс микрочастиц при отвалообразовании вскрышных пород осуществляется, независимо от способов отвалообразования, точечными, линейными и плоскостными источниками. Точечные источники – экскаваторы, бульдозеры, крупнотоннажные автомобили. Все транспортные средства оснащены мощными дизельными двигателями при работе которых в атмосферу выбрасывается значительное количество частиц сажи (ЧУ). Линейные источники – конвейеры, железнодорожные составы, автодороги. Общим для всех способов отвалообразования является образование больших незакрепленных поверхностей (плоскостных источников), которые при неблагоприятных условиях приводят к интенсивному пылеобразованию, зависящему от вида материала, гранулометрического состава, метеорологических условий.

Например, при среднегодовой скорости ветра в Кривбассе интенсивность пыления отвалов составляет 0.62–0.94 мг/(с ⋅ м²), а хвостохранилищ – 0.7–2.5 мг/(с ⋅ м²) [Бересневич, Деньгуб, 2000]. При неблагоприятных метеорологических условиях на незакрепленных участках отвалов и хвостохранилищ возникают пылевые бури и пыль распространяется на десятки километров. С целью уменьшения пылевыделения применяется ряд методов. Так, в проектных решениях по развитию отвального хозяйства АО “Лебединский ГОК” предусматривается санитарно-гигиеническая рекультивация неэксплуатируемых участков отвала и мероприятия по закреплению пылящих пляжей хвостохранилища при помощи поливооросительной техники. Однако, несмотря на актуальность проблемы пыления, большой объем научных исследований и экспериментов в этой области, в настоящее время эффективного, безопасного и дешевого способа пылеподавления на больших площадях не существует [Михайлов, Черкащенко, 2017]. Таким образом, вынос микрочастиц с поверхностей отвалов и хвостохранилищ зависит от локальных метеорологических условий, орографии местности, гранулометрического состава разрушенных горных пород и мер защиты, что, в целом, приводит к очень широкому диапазону коэффициентов выброса микрочастиц. Для оценок примем, что выбросы с поверхностей отвалов и хвостохранилищ составляют 20% от общего количества (по-видимому, это минимальное значение, которое следует учитывать).

В итоге оценка коэффициента выбросов микрочастиц при добыче угля на открытых карьерах дает следующие значения: q_тч = (0.048–0.1) кг/м³. Зная объемы годовой добычи угля в РФ и мире можно рассчитать соответствующие им объемы V_гп переработанной горной породы и получить оценки массы выбросов микрочастиц на угольных разрезах. Для оценок будем считать, что удельный вес открытого способа в общей добыче составляет 75%. Данные по добыче угля в РФ приведены в табл. 2, добыча угля по странам – bp.com/statisticalreview. Полученные оценки массы выбросов микрочастиц при добыче угля в мире и для двух стран – России и Китая, приведены в табл. 5. На долю Китая приходится немногим меньше половины добычи угля в мире и, соответственно, немногим меньше половины выбросов микрочастиц. Если принять выбросы микрочастиц в 2010 г. за 100%, то увеличение выбросов микрочастиц при добыче угля в мире в 2019 г. составит ≈12%, а в Китае и России – ≈19 и 36.5% соответственно.

Оценки выбросов микрочастиц при добыче угля в мире из табл. 5 находятся в пределах от 1.12 до 3.48 млн т. Полученные оценки массы выбросов микрочастиц при добыче угля открытым способом в мире близки к годовым выбросам микрочастиц от транспорта, которые по данным [IPCC, 2014] находятся в пределах от 1.1 до 3.4 млн т (по данным работы [Атмосфера, 1991] выбросы от транспорта составляют 1 млн т в год; по данным работы [Wang, 2015] эта величина также составляет ~1 млн т в год, различие в оценках выбросов часто связано с различием подходов к учету источников выбросов и используемых моделей). Годовые выбросы авиационного и морского флота по данным [IPCC, 2014] находятся в пределах от 0.8 до 2.4 млн т. Твердые микрочастицы, которые выбрасываются в атмосферу при работе транспортных средств, относятся к категории ЧУ (сажа). Эти частицы образуются в результате неполного сгорания топлива, в их составе на углерод приходится до 99% по массе. Размеры частиц ЧУ сверху ограничиваются величиной 2.5 мкм (в аэродинамическом диаметре), но в основном – это частицы нанометрового диапазона [Anenberg et al., 2012]. В микрочастицах каменного угля, которые выбрасываются в атмосферу в процессе добычи на открытых карьерах, на долю углерода приходится 75–97% по массе, но распределение частиц по размерам включает и наноразмерные частицы [Fan, Liu, 2021]. Естественно, что химические, физические свойства, включая оптические характеристики и гранулометрический состав этих двух типов микрочастиц будут существенно отличаться. Тем не менее, микрочастицы, выбрасываемые в атмосферу при разработке открытых угольных карьеров, обладают высоким содержанием углерода и широким спектром размеров, и они, наряду с частицами ЧУ, могут оказывать влияние на радиационный баланс атмосферы в регионах их добычи, однако оценка этого влияния потребует проведения дополнительных исследований.

Выбросы ЧУ в мире по оценкам, приведенным в работе [Bond et al., 2013], составили в среднем 7500 тыс т в год в 2000 г. Оценки выбросов ЧУ на основе модели, представленной в работе [Klimont et al., 2017], дали следующие значения: 6600 тыс. т в 2000 г. и 7200 тыс. т в 2010 г. Источниками выбросов ЧУ, которые анализируются в указанных работах, являются различные процессы горения, которые сгруппированы следующим образом: транспорт, промышленность, твердое топливо для жилых помещений и открытое сжигание. Преобладающие источники выбросов черного углерода зависят от местоположения. На твердое топливо для бытовых нужд (т.е. уголь и биомасса) приходится от 60 до 80% выбросов в Азии и Африке, в то время как на дорожные и внедорожные дизельные двигатели приходится около 70% выбросов в Европе, Северной Америке и Латинской Америке. Отметим, что оценки массы выбросов микрочастиц от открытых карьеров по добыче угля сравнимы по величине с каждым из источников, составляющих суммарные выбросы ЧУ. Вне зависимости от их влияния на климатические процессы, выбросы микрочастиц от открытых угольных карьеров могут быть учтены при анализе общего аэрозольного баланса атмосферы в разделе техногенные источники.

Суммарные антропогенные выбросы ЧУ в России в 2010 г. по оценкам, приведенным в работе [Huang et al., 2015], составили 224 тыс т, при этом на выбросы от факельного сжигания газа приходится 81.1 тыс. т (36.2%), от сжигания топлива в жилом секторе – 56.0 тыс. т (25.0%), от работы транспорта – 45.5 тыс. т (20.3%), от промышленности – 29.3 тыс. т (13.1%) и электростанций – 12.1 тыс. т (5.4%). По статистическим данным [Государственный отчет…, 2019], динамика выбросов микрочастиц (в данном случае – частицы сажи или ЧУ) от передвижных источников в России приведена в табл. 6. Среднее значение массы выбросов микрочастиц при добыче угля за 2010 г. из табл. 5 составляет 94.3 тыс. т. Из сравнения полученных оценок видно, что масса выбросов микрочастиц при добыче угля открытым способом в России превосходит массу выбросов от каждого из перечисленных выше источников ЧУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Значительный интерес в настоящее время представляет изучение тенденций загрязнения окружающей среды, связанных с выбросами микрочастиц от техногенных источников в процессе извлечения минерального сырья и топлива из литосферы. Анализ данных свидетельствует о том, что за последние десятилетия происходит существенное увеличение объемов добычи полезных ископаемых. Аналогичный процесс характерен и для выбросов микрочастиц от предприятий по добыче полезных ископаемых и, в частности, предприятий по добыче угля открытым способом. Следует это из полученных оценок выбросов микрочастиц при добыче угля на открытых карьерах. Динамика оценок выбросов микрочастиц при добыче угля в мире за период с 2010 по 2019 гг. показывает, что выбросы увеличились примерно на 12% по отношению к 2010 г. – это соответствует росту мировой добычи угля открытым способом. Полученные оценки выбросов микрочастиц при добыче угля открытым способом в мире очень близки к массе выбросов от автотранспорта и превосходят выбросы авиационного и морского флота, и их также следует учитывать при анализе общего аэрозольного баланса атмосферы в разделе техногенные источники.

На примере крупнейшего в России угледобывающего Кузнецкого бассейна были получены оценки выбросов микрочастиц на открытых карьерах на основе данных о пылевыделении при проведении взрывных работ и общего объема переработанной горной массы. Ежегодное потребление ВВ, применяемого для вскрышных работ и дробления угля, непрерывно растет, как растет и добыча угля. Судя по тенденции использования ВВ и росту добычи на открытых карьерах, можно ожидать, что абсолютное значение массы выбросов микрочастиц будет расти и далее. Оценки выбросов микрочастиц при добыче угля в 2019 г., по России в целом, выросли примерно на 36.5% по отношению к 2010 г. Сравнение оценок выбросов микрочастиц при добыче угля открытым способом и данных по антропогенным выбросам ЧУ в России, показывает, что масса выбросов микрочастиц при добыче угля превосходит массу выбросов от каждого из учитываемых источников ЧУ. Микрочастицы угля, выбрасываемого в атмосферу при разработке открытых карьеров, характеризуются высоким содержанием углерода, сравнимым с его содержанием в частицах ЧУ, образующегося в результате сгорания различных видов топлива, поэтому они также могут оказывать заметное влияние на радиационный баланс атмосферы в регионах их добычи.