Загрязнение атмосферы

Содержание  углерода в биосфере

Углерод по распространенности на Земле занимает шестнадцатое место  среди всех элементов и составляет приблизительно 0,027% массы земной коры. Каменный уголь содержит до 90% углерода. В связанном состоянии углерод  входит также в разные горючие ископаемые, в карбонатные минералы, например кальцит и доломит, а также в состав всех биологических веществ. В форме доксида углерода он входит в состав земной атмосферы, в которой на его долю приходится 0,046% массы.

Углерод имеет  исключительное значение для живого вещества (живым веществом в геологии называют совокупность всех организмов, населяющих Землю). Он является основным элементом, слагающим все живые организмы на Земле. Он входит в состав сложных органических соединений — белков, жиров, углеводов. Наиболее важный этап образования живого вещества из неорганических соединений происходит в зеленых растениях в процессе фотосинтеза. Именно фотосинтез создает сложные органические вещества из диоксида углерода и воды с поглощением солнечной энергии и участием сложных ферментов, которые «руководят» реакцией фотосинтеза, оставаясь, сами в конечном счете, неизменными.

Диоксид углерода совершает круговорот в биосфере (рис. 3.2), однако процентное содержание его в воздушной оболочке Земли значительно ниже, чем у кислорода, всего 0,03 %.

Рис. 3.2. Круговорот углерода в природе (по Дювиньо и  Тангу) 

При этом усвоение СО2 живыми организмами происходит только в процессе фотосинтеза, на уровне зеленых растений — автотрофов. Зато выделение СО2 в атмосферу идет на всех уровнях биоценоза, поскольку диоксид углерода — продукт процессов окисления. Атмосфера «снабжается» диоксидом углерода в результате дыхания растений, дыхания животных, разложения отмерших организмов.Поступление диоксида углерода в атмосферу имеет суточную и сезонную ритмику: в течение дня фотосинтетическая деятельность растений снижает количество диоксида углерода в приземном слое воздуха, а ночью, с прекращением фотосинтеза, дыхание живых организмов делает концентрацию диоксида углерода в воздухе максимальной. Если сравнить содержание диоксида углерода в нижних слоях атмосферы в разные месяцы года, то окажется, что больше всего его весной, а меньше — осенью.

Полный гипотетический круговорот атмосферного диоксида углерода через связанные формы углерода в живых организмах и обратно в атмосферу может пройти всего за 300 лет.

Горное  производство и воздушный  бассейн

антропогенные источники загрязнения

К антропогенным  источникам загрязнения относятся: автомобильный и железнодорожный транспорт; тепловые и энергетические установки, работающие на твердом или жидком топливе; промышленные предприятия различного рода; пахотные земли; воздушный транспорт, космонавтика и пр. Поэтому в атмосферу попадают газообразные выбросы, твердые частицы, радиоактивные вещества и влага. Во время пребывания в атмосфере их температура, свойства и состояние могут существенно меняться. Эти изменения проявляются в виде осаждения тяжелых фракций, распада на компоненты (по массе и размерам), химических и фотохимических реакций и т.д. Вследствие этого в атмосферном воздухе образуются новые компоненты, свойства и поведение которых могут значительно отличаться от исходных.

Газообразные  выбросы образуют соединения углерода, серы и азота. По оценочным данным за последние 100 лет в атмосферу вследствие сжигания различных видов топлива выделилось около 250 млрд т углекислого газа, в то время как за все предшествующее время было выделено 350 млрд т. В последний период ежегодно в атмосферу выделяется 23 млрд т углекислого газа. Половина этого количества осаждается и растворяется в водах мирового океана, где концентрация углекислого газа в 60 раз больше, чем в воздухе. При существующих темпах выделения углекислого газа его содержание в атмосфере Земли может увеличиться с 0,03 до 0,04 %.

Так же в атмосферу поступает значительное количество других газообразных и аэрозольных веществ как из естественных, так и антропогенных источников, например, аммиака - соответственно и 4 млн т/год, оксида углерода - и 300 млн т/год, метана - и 100 млн т/год, соединений серы - 250 и 70 млн т/год, углеводородов -200 и 50 млн т/год. Длительность пребывания в атмосфере этих веществ и соединений относительно невелика - от нескольких дней до нескольких лет. Суммарное количество веществ, поступающих ежегодно с поверхности Земли от естественных источников и образующих аэрозоли в атмосфере, составляет 800-2200 млн т. В результате антропогенной деятельности добавляется еще от 200 до 400 млн т частиц. Средняя продолжительность пребывания аэрозольных частиц в атмосфере составляет около 10 дней. По расчетам специалистов в атмосфере постоянно содержится 30-70 млн т аэрозолей. 

Природный газ при освоении недр

Основным источником природного газа на горных предприятиях является угольная промышленность.В угольной промышленности стран СНГ с ростом концентрации и интенсификации угледобычи в условиях непрерывного возрастания глубины горных работ произошло резкое увеличение газообильности шахт, которое за последние 10 лет увеличилось с 25 до 35 м3 метана на 1 т добываемого угля, а на отдельных шахтах этот показатель достигает 120 м3/т. В пластах угля рабочей мощности (до глубины 1800 м) угольных бассейнов стран СНГ содержится 120 трлн м3 метана, а с учетом маломощных пластов - до 250 трлн м3.Как видно, эти запасы метана в угле значительны и представляют большой практический интерес. Некоторые угольные бассейны с большим содержанием метана в угленосной толще позволяют их рассматривать как газоугольные месторождения. В настоящее время по энергетической емкости метан газоугольного месторождения в среднем составляет 5-10%. У некоторых пластов энергоемкость метана может достигать 20% при глубине залегания угольных пластов до 1000 м.

Абсолютные запасы метана во всех угольных бассейнах в основном оценены и подсчитаны. По данным подсчета (данные 1995г.) ПО "Укруглегеология", общие геологические запасы метана в Донбассе, содержащиеся в угольных пластах и прослойках, превышают 2,5 трлн м3. В угольных пластах рабочей мощности Кузбасса до глубины 700 м содержится 326 млрд м3 метана. В Карагандинском угольном бассейне запасы чистого метана составляют 1-2 трлн м3. В Печорском угольном бассейне запасы метана исчисляются сотнями млрд м3, увеличиваясь с повышением угленосности до 1,3-1,7 трлн м3 на Усинско-Сейденской площади. 

Меры  безопасности при  освоении недр  

Основным средством  обеспечения безопасных условий  проведения очистных работ на газообильных шахтах является вентиляция. Количество метана, выносимого исходящей струей вентиляционного потока с концентрацией 0,5-0,7%, составляет несколько млрд м3/год, а по мнению других авторов, - несколько десятков млрд м3 /год.

В том случае, когда вентиляция не может справиться с выделением метана в выработки  при очистных работах, для обеспечения безопасности проведения работ применяется такой технологический процесс, как дегазация. Основным методом дегазации угольных шахт является подземная дегазация разрабатываемых пластов, смежных неразрабатываемых пластов и пропластков угля и вмещающих пород. Кроме того, применяются способы дегазации скважинами с поверхности. С повышением содержания метана в угле роль дегазации по сравнению с вентиляцией растет и на некоторых шахтах доля ее достигает 50% и выше.

Экономическая и техническая целесообразность использования газа дегазации очевидна. Газовый фактор становится одним  из главных препятствий на пути увеличения нагрузки на очистной забой, повышения темпов подготовительных работ и отработки выемочных полей, обеспечения безопасных условий труда шахтеров. Приэтом дегазация угольных пластов на шахтах является неотделимой частью технологического процесса добычи угля. В настоящее время в угольной промышленности стран СНГ проводится дегазация на свыше 200 шахтах и при помощи стационарных и передвижных вакуум-насосных станций извлекается свыше 1,5 млрд м3/год.

Основной задачей  дегазации является повышение безопасности ведения горных работ за счет снижения содержания метана в рудничном воздухе  до допустимых норм, а также повышение комфортности условий труда подземных рабочих. Эти задачи выполняются за счет изолированного вывода на поверхность метано-воздушной смеси (МВС) с высоким содержанием метана.

Об эффективности  применения дегазации можно судить по данным, представленным в табл. 2.1

     Таблица 2.1

Результаты дегазации  на шахтах "Томская" и "Усинская" (Кузбасс, 1988 г.)

Эффективность применения отдельных способов дегазации, характер и степень их вазимного влияния определяются газоносностью и коллекторскими свойствами дегазируемых источников, мощностью вынимаемой части пласта, литологией и стратиграфией угле-вмещающей толщи, характером обрушения пород кровли.

В настоящее  время в угольной промышленности стран СНГ извлекается средствами дегазации 1,4-1,5 млрд м3 шахтного метана в год. Ожидается, что его количество достигнет к 2000 г. более 2,1 млрд м3/год.

МВС с концентрацией  до 25% называется некондиционной. По правилам техники безопасности МВС с концентрацией  от 2,5 до 25% в промышленности не используется.

Процент использования  газа дегазации составляет 6—8% от общего количества МВС, дегазированного из шахт. Остальная МВС выбрасывается в атмосферу.

Выброс МВС  в атмосферу имеет большое  влияние на состояние озонного слоя. Образуя в нижних слоях атмосферы (тропосфере) озон в результате фотохимических реакций, метан способствует уменьшению озонного слоя в стратосфере. Кроме того, метан в атмосфере способствует созданию "парникового" эффекта. В результате антропогенного стока метана в атмосферу температура окружающей среды ежегодно может повышаться от 0,5 до 1,3°С. Таким образом, выброс метана в атмосферу наносит двоякий экологический ущерб: разрушает озоновый слой и создает "парниковый" эффект.

Потепление  климата «Парниковый  эффект»

Масштабы антропогенного воздействия на биосферу поистине глобальны.

В атмосфере  сейчас находится около 20 млн т  взвешенных частиц (аэрозолей). Из-за неравномерности распределения океанов и материков, а также различного уровня развития стран на северное полушарие приходится около 93 % всех выбросов в земную атмосферу. Около 90 % этих выбросов приходится на 8-10 % поверхности материков (часть Европы, Северной Америки и Японии).

За последние  десять лет в атмосферу Земли  поступило 74 тыс. т кадмия, около 600 тыс. т меди, почти 4,5 млн т свинца, чуть больше -никеля и более 3 млн т  цинка. Современное производство ежегодно высвобождает (за счет сжигания топлива) Дж тепловой энергии, которая рассеивается в окружающем пространстве, меняя температурный режим среды и динамику происходящих в нем процессов.

В 1988 г. был опубликован  доклад ООН о воздействии "парникового эффекта" на условия жизни на Земле, в котором отмечается, что в результате усиления "парникового эффекта", т.е. нагрева внутренних слоев атмосферы, вызванного уменьшением притока тепла в высокие атмосферные слои из-за повышенного накопления в тропосфере углекислого газа, метана, хлорфторидов и других веществ, температура земной атмосферы будет за 10 лет повышаться на 0,2-0,5°С, что приведет к глобальному потеплению климата на Земле и, как следствие, к повышению уровня Мирового океана, затоплению береговых зон и серьезному подрыву экономики многих стран.