Methodology for the determination of dust emission rate caused by wind erosion in the area of the open-pit mine of mineral products

56 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2013 UKD 622.271: 622.7: 622.502.13/.14 Metodyka wyznaczania emisji pyłu do powietrza z procesu erozji wietrznej na terenie kopalni odkrywkowej surowców mineralnych Methodology for the determination of dust emission rate caused by wind erosion in the area of the open-pit mine of mineral products Dr inż. Marek Bogacki ) Mgr inż. Monika Dziugieł ) Treść: W artykule przedstawiono metodykę szacowania emisji powodowanej erozją wietrzną. Rozważono emisję pyłów unoszonych zarówno z obszarów płaskich, jak i zwałowisk/składowisk. Metodyka oparta jest na pojęciu potencjału emisyjnego pyłu wyrażonego w g/m 2. Parametr ten zależy od składu granulometrycznego unoszonego pyłu oraz prędkości wiatru, przy czym najistotniejsze są dwa pojęcia związane z prędkością wiatru tj. prędkość tarciowa wiatru u, m/s oraz krytyczna prędkość tarciowa wiatru u t, m/s. Aby mogło dojść do erozji wietrznej musi być spełniony warunek: u > u t. Ze względu na fakt, że potencjał emisyjny powierzchni erodowanej w funkcji czasu może ulegać zarówno zmniejszeniu na skutek wywiewania cząstek stałych do powietrza, jak również może być okresowo odtwarzany, na skutek różnego rodzaju operacji technologicznych, zakłada się że wskaźnik emisji jest funkcją występowania zdarzeń technologicznych, odtwarzających pierwotny potencjał emisyjny. W celu lepszego zrozumienia przedstawionej w artykule metodyki obliczeniowej, przeanalizowano na przykładzie składowiska surowców skalnych w kształcie stożka, sposób szacowania emisji niezorganizowanej wynikającej z erozji wietrznej. W wyniku obliczeń uzyskano szukaną wartość emisji miesięcznej pyłu do powietrza. Abstract: This paper presents a methodology for the estimation of dust emissions caused by wind erosion. Dust emission generated by wind erosion of open aggregate storage piles and the exposed areas within an industrial facility for a dry, exposed surface was considered. The methodology is based on a concept of dust emission potential expressed in g/m 2 per year. This parameter depends on the composition of the borne material and wind speed, where the friction velocity (u t, m/s) and the threshold friction velocity (u t, m/s) are the two most important elements involved. Wind erosion occurs only if u > u t. Aggregate material surfaces are characterized by the finite availability of erodible material referred to as the erosion potential. The erosion potential can be either reduced as a result of natural crusting of the surface or blowing off particles, or it can be restored as a result of a variety of different processing operations. It is assumed that the emission factor is a function of the processing operations occurrence in different frequencies that restores the erosion potential of the surface.in order to improve the understanding of methodology presented in this paper, an example of fugitive dust emission estimation of rock material cone storage pile was used. As a result of calculations performed as part of this study, a monthly figure of dust emission of a pile was calculated. Słowa kluczowe: górnictwo odkrywkowe, surowce mineralne, emisja niezorganizowana Key words: open-pit mining, mineral products, uncontrolled emission 1. Wprowadzenie Górnictwo odkrywkowe surowców mineralnych, bez względu na stosowane technologie eksploatacji, negatywnie ) Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, Katedra Kształtowania i Ochrony Środowiska, Kraków wpływa na środowisko, w tym na jakość powietrza atmosferycznego. Z tego względu na terenie kopalni surowców mineralnych dużą wagę przywiązuje się do działań zgodnych z zasadami zrównoważonego rozwoju, które w zakresie ochrony powietrza skupiają się przede wszystkim na ograniczaniu emisji pyłów i gazów z procesów wydobycia, przeróbki i składowania surowców mineralnych. Poziom stężenia pyłu w powietrzu na terenie kopalni oraz w jej otoczeniu zdeter-

Nr 11 PRZEGLĄD GÓRNICZY 57 minowany jest w znacznej mierze emisją niezorganizowaną pyłu. Największa ilość zanieczyszczeń pyłowych uwalniana jest do powietrza podczas urabiania skał (szczególnie metodą robót strzałowych), transportu oraz przeroburowców. Dodatkowym źródłem niezorganizowanej emisji pyłu do powietrza jest unoszenie drobnych frakcji cząstek stałych z placów, dróg oraz nieosłoniętych zwałowisk wynikające z oddziaływania wiatru oraz turbulencji powietrza (np. wywołanych ruchem pojazdów). Na rysunku 1 przedstawiono typowy schemat technologiczny kopalni odkrywkowej surowców mineralnych. Oddziaływanie wiatru o odpowiedniej sile na nieosłoniętą powierzchnię powoduje porywanie cząstek zdeponowanych lub wchodzących w skład erodującej powierzchni. Taki proces unoszenia cząstek z różnych powierzchni wskutek oddziaływania wiatru nazywamy erozją wietrzną [6 10]. Z erozją wietrzną związany jest proces deflacji, czyli wywiewania cząstek glebowych, ziemnych i skalnych, korazji czyli żłobienia i szlifowania powierzchni skał przez piasek niesiony wiatrem oraz akumulacji polegającej na osadzaniu się niesionego wraz z wiatrem materiału deflacyjnego na powierzchni. Występowanie deflacji na zwałowiskach nadkładu, składowiskach surowców oraz wszelkich nieosłoniętych powierzchniach (wyrobiska, place manewrowe itp.) w kopalniach odkrywkowych surowców mineralnych jest istotnym źródłem emisji niezorganizowanej pyłu, trudnym do ograniczenia i zapobiegania ze względu na zwykle duży obszar objęty tą emisją, jej niezorganizowany charakter oraz znaczną liczbę czynników determinujących jej poziom. Ilość wyemitowanego pyłu do powietrza w wyniku erozji wietrznej zależy także m.in. od wieku zwałowiska/składowiska, jego zawilgocenia, oraz udziału cząstek erodujących w materiale. Znaczna zawartość wody w składowanym/zdeponowanym/zwałowanym materiale lub w przypowierzchniowych warstwach erodujących powierzchni sprzyja łączeniię oraz cementacji cząstek najdrobniejszych w większe agregaty, co zmienia potencjał erozyjny powierzchni podlegającej erozji. Woda znajdująca się w zewnętrznych warstwach składowanego/zwałowanego materiałtosunkowo szybko paruje lub przesącza się w głąb składowiska/zwałowiska, co przyspiesza proces schnięcia erodującej powierzchni, przez co sprzyja erozji. W niniejszej pracy przedstawiona zostanie metodyka wyznaczania emisji pyłu do powietrza z procesu erozji wietrznej z powierzchni wyrobisk różnego rodzaju kopalni odkrywkowych surowców mineralnych. Metodyka została zaadoptowana z wytycznych Amerykańskiej Agencji ds. Ochrony Środowiska dotyczących obliczania emisji niezorganizowanej z procesu erozji wietrznej [4, 5, 14]. Metodyka ta może być wykorzystywana dla celów inwentaryzacji emisji lub dla potrzeb wykonywania ocen oddziaływania na środowisko. Dla lepszego zrozumienia przedstawionego w artykule algorytmu obliczeń emisji w rozdziale 2 przedstawiono przykład obliczeniowy. Zaprezentowana metodyka obliczeniowa odnosi się do sytuacji, w których występuje erozja wietrzna, tj. dla pory suchej, ciepłej (bez przymrozków). 2. Wyznaczanie emisji pyłu z procesu erozji wietrznej Procesy wydobycia i przeroburowców mineralnych w kopalniach odkrywkowych charakteryzują się emisją pyłów do powietrza o składzie chemicznym i mineralogicznym zbliżonym do składu przerabianego surowca mineralnego. W zależności od stosowanej metody wydobycia, transportu i składowania surowca, a także od występujących na danym obszarze lokalnych warunków klimatycznych, emisja niezorganizowana pyłu drobnego do powietrza może okazać się niezwykle trudna do ograniczenia. Sytuacja staje się jeszcze bardziej skomplikowana, gdy emisja ta dodatkowo powodowana jest przez niezależne od człowieka czynniki zewnętrzne, takie jak wiatr. Zdolność wiatru do erodowania determinowana jest przede wszystkim przez takie parametry jak: siła parcia, turbulencje, porywistość oraz przeważający kierunek. W Polsce najsilniejsze są południowe wiatry halne oraz północne i północno-zachodnie wiatry nadmorskie (bryza) [6-9]. Rozkład prędkości i kierunku wiatru w funkcji wysokości nad poziom terenu jest uzależniony od sposobu zagospodarowania terenu, czyli pokrycia powierzchni gruntu, oraz wynikających z niego sił tarcia. Ilość transportowanego przez wiatr materiału zależy przede wszystkim od prędkości wiatru w strefie przygruntowej, ciężaru właściwego oraz kształtu poderwanych z powierzchni cząstek. Rys. 1. Schemat technologiczny kopalni odkrywkowej surowców mineralnych Fig. 1. Technological scheme of the mineral products open-pit mine

58 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2013 Sposób zagospodarowania terenu można opisać poprzez tzw. współczynnik aerodynamicznej szorstkości podłoża z o. Parametr szorstkości podłoża decyduje o możliwości wystąpienia mikroturbulencji w warstwie przypowierzchniowej, powodujących m.in. wyhamowanie lub zawirowania napierającego strumienia powietrza [12]. O intensywności mikroturbulencji decyduje z kolei siła tarcia. Logarytmiczny rozkład prędkości wiatru w warstwie przypowierzchniowej erodującego podłoża (warstwie granicznej) wyrażony jest równaniem (1) [14] u z u(z) = ln (1) 0,4 z o gdzie: u(z) prędkość wiatru na wysokości z nad powierzchnią podłoża, cm/s, u prędkość tarciowa wiatru, cm/s, z wysokość nad powierzchnią podłoża, cm, z o aerodynamiczna szorstkość podłoża, cm, 0,4 stała von Karmana. Logarytmiczny profil prędkości wiatru opisany równaniem (1) w zależności od wysokości nad powierzchnią podłoża zilustrowano na rysunku 2 [14]. Prędkość wiatru u jest miarą naporu wiatru na erodującą powierzchnię, zależną od nachylenia logarytmicznego profilu prędkości wiatru. Prędkość ta, zgodnie z rysunkiem 2, zależna jest od prędkości wiatru na standardowej wysokości nad powierzchnią gruntu, zwykle wynoszącej 10 m. Prędkość napierającego wiatru u ma znaczący wpływ na siłę tarcia podłoża, która dodatkowo uzależniona jest od zdolności danej nawierzchni do erodowania. Współczynnik aerodynamicznej szorstkości z o określa wysokość nad erodującą powierzchnią, na której prędkość wiatru jest równa zero. Przedstawione w dalszej części artykułu wskaźniki emisji zakładają typowy dla odkrytych, nie zarośniętych roślinnością powierzchni współczynnik aerodynamicznej szorstkości podłoża wynoszący 0,5 cm. Na terenie każdej kopalni odkrywkowej występują powierzchnie ulegające ciągłym lub okresowym oddziaływaniom wiatru. Oddziaływaniom tym ulegają nie tylko obszary płaskie, ale również zwałowiska mas nadkładowych, składowiska surowców, a także drogi technologiczne znajdujące się na terenie kopalni. Powierzchnie te stanowią niehomogeniczne źródła emisji pyłu do powietrza. Charakteryzują się zróżnicowanym rozkładem frakcyjnym wchodzącego w ich skład materiału oraz skończoną liczbą cząstek ulegających erozji. Każdą z powierzchni różni wskaźnik podatności na erozję (tzw. potencjał emisyjny) P, stąd obszary o odmiennym potencjale P powinny być rozpatrywane oddzielnie. Potencjał emisyjny zależny jest m.in. od składu frakcyjnego zdeponowanego na podłożu materiału, a w szczególności udziału masowego frakcji pylistej, wytrzymałości podłoża na ścieranie, a także od składu mineralnego podłoża i zawartości w nim części organicznych. Wysoki potencjał emisyjny wykazują produkty suche i drobne, szczególnie podczas ich przesypywania, pakowania (jeśli ma miejsce), składowania i transportu do sprzedaży. Podatność na erozję jest parametrem skończonym, jednak każde działanie (zaburzenie), prowadzące do odsłonięcia warstwy powierzchni lub naniesienia świeżego materiału tworzącego nowe pokrycie prowadzi do jego odbudowania [14]. W związku z tym, wskaźnik emisji pyłów do powietrza, związany z procesem erozji wietrznej, zależy przede wszystkim od częstości występowania zaburzeń w ciągu roku, czyli takich epizodów, w których dochodzi do odbudowy potencjału emisyjnego rozpatrywanego obszaru. Stąd powierzchnię kopalni, wraz z występującymi na niej obiektami (np. zwałowiska nadkładu, składowiska surowców), można podzielić na obszary ulegające różnej liczbie zaburzeń w ciągu roku. Dopiero wówczas, dla poszczególnych obszarów kopalni (jednakowo często ulegających zaburzeniom), można wyznaczyć indywidualne wskaźniki emisji. Indywidualny wskaźnik emisji wyznaczany jest oddzielnie dla wydzielonych obszarów kopalni ze względu na to, iż powierzchnie te charakteryzuje inny potencjał emisyjny. Wskaźnik emisji (W e ) pyłów w g/m 2 z suchej, niehomogenicznej, erodującej powierzchni wyraża równanie (2) [14]: gdzie: k N W e = k Ʃ Pi i = 1 (2) współczynnik zależny od frakcji emitowanego pyłu (tabela 1), N liczba zaburzeń w ciągu roku, P i wskaźnik podatności na erozję w i-tym okresie między zaburzeniami (potencjał emisyjny), g/m 2. Zgodnie z równaniem (2), całkowity wskaźnik emisji pyłu wyraża się poprzez iloczyn współczynnika k oraz sumy potencjałów emisyjnych P i poszczególnych erodujących na terenie wyrobiska obszarów w ciągu roku. Znajdujące się na terenie kopalni odkrywkowej surowców mineralnych powierzchnie, mogą ulegać oddziaływaniom z różną częstością, więc podczas wyznaczania wskaźnika emisji należy je traktować indywidualnie. Dla tych, które w ciągu roku kalendarzowego ulegają codziennym zaburzeniom zakłada się, że N = 365, a w przypadku zaburzeń występujących raz na 6 miesięcy zakłada się liczbę zaburzeń w ciągu roku na poziomie N = 2. Jeśli weźmiemy pod uwagę zwałowisko, na którym co tydzień rozładowuje się świeże masy ziemne, wówczas Rys. 2. Logarytmiczny profil prędkości wiatru przy powierzchni podłoża [14] Fig. 2. Logarithmic distribution of the wind speed profile in the surface boundary layer [14]

Nr 11 PRZEGLĄD GÓRNICZY 59 zwałowisko ulega: N = 52 (365 : 7 = 52) zaburzeniom w ciągu roku, które prowadzą do odbudowy potencjału emisyjnego powierzchni zwału. Potencjał emisyjny każdego z siedmiodniowych okresów między kolejnymi dostawami świeżych mas ziemnych na zwałowisko może być różny, gdyż w znacznym stopniu zależy on od występujących w tym czasie prędkości wiatru. Z tego względu w obliczeniach potencjału emisyjnego należy uwzględnić największą prędkość wiatru z każdego tygodnia, a indywidualny wskaźnik emisji pyłu wyznaczyć jedynie dla tych epizodów, w których potencjał emisyjny był większy od zera. Współczynnik k zmienia się w zależności od średnicy aerodynamicznej emitowanych w wyniku erozji cząstek. Wartości współczynnika k odpowiadające m.in. wskaźnikom emisji pyłu PM10 oraz PM2,5 do powietrza w wyniku oddziaływania wiatru przedstawiono w tablicy 1. Potencjał emisyjny powierzchni znajdującej się na terenie kopalni odkrywkowej (np. powierzchnia wyrobiska, placu manewrowego, placu przeładunkowego surowców itp.) wyznacza się korzystając z zależności (3) [2]: P = 58 (u u t ) 2 25 (u u t ) (3) gdzie: u prędkość tarciowa wiatru, m/s, u t krytyczna prędkość tarciowa wiatru (prędkość erozyjna), m/s. Potencjał emisyjny powierzchni, zgodnie z równaniem (3), zależny jest od krytycznej prędkości tarciowej wiatru u t inicjującej ruch pojedynczych ziaren. Od momentu, gdy wiatr zapoczątkuje ruch cząstek, erozja może postępować przy nieco niższych, od wartości krytycznej, prędkościach. W przypadku, gdy cząstka jest nieruchoma oraz u u t, wówczas potencjał emisyjny P = 0. Krytyczna prędkość tarciowa wiatru u t determinowana jest przez skład frakcyjny erodującej powierzchni. Najprostszą metodą wyznaczania u t jest analiza sitowa materiału wchodzącego w skład górnej warstwy rozpatrywanej powierzchni. Analizę tę przeprowadza się na sitach Tyler a o wielkościach oczka 4 mm, 2 mm, 1 mm, 0,5 mm oraz 0,25 mm. Ręczne przesiewanie próbki, wyselekcjonowanej z ulegającej oddziaływaniom wiatru powierzchni, pozwala na rozdzielenie agregatów o różnych wielkościach i określenie ich rozmiarów [1, 11, 13]. Próbkę materiału do analizy sitowej, o powierzchni 30 cm 30 cm, należy pobrać tak, aby głębokość czerpania nie przekroczyła 1 cm. Sposób interpretacji wyników przeprowadzonej analizy sitowej zaprezentowano w tablicy 2. Krytyczne prędkości tarciowe wiatru u t dla przykładowych źródeł emisji niezorganizowanej pyłu znajdujących się na terenie kopalni odkrywkowej surowców mineralnych przedstawiono w tablicy 3. Na podstawie wyników testów przeprowadzonych przez Amerykańską Agencję ds. Środowiska (US EPA) stwier- Tablica 1. Wartość współczynnika k związana z aerodynamiczną średnicą cząstek emitowanych do powietrza w wyniku erozji wietrznej [14] Table 1. Value of the particle size multiplier k dependent on the aerodynamic diameter of particles generated by wind erosion [14] Średnica aerodynamiczna erodujących cząstek < 30 μm < 15 μm < 10 μm < 2,5 μm Współczynnik k 1,0 0,6 0,5 0,075 Tablica 2. Wartość krytycznej prędkości tarciowej wiatru w zależności od składu frakcyjnego erodującej powierzchni [14, 3] Table 2. Threshold friction velocity determined by sieving results [14, 3] Numer sita Tyler a Średnica oczka sit, mm Środek klasy wymiarowej, mm u t, cm/s 5 4 9 2 3 100 16 1 1,5 76 32 0,5 0,75 58 60 0,25 0,375 43 Tablica 3. Wartość krytycznej prędkości tarciowej wiatru dla wybranych powierzchni [14, 5] Table 3. Threshold friction velocity for several surface types [14, 5] Materiał Krytyczna prędkość tarciowa u t, m/s Wysokość zaburzenia z, cm Prędkość wiatru na wysokości 10 m, m/s z o = z, cm z o = 0,5, cm Nadkład 1,02 0,3 21 19 Droga z wysypką żużlową 1,33 0,3 27 25 Pył zdeponowany w otoczeniu hałdy węgla kamiennego 0,55 0,01 16 10 Składowisko węgla kamiennego 1,12 0,3 23 21 Pył węglowy zdeponowany na zgarniarce gąsienicowej obsługującej składowisko węgla 0,62 0,06 15 12 kamiennego Pył węglowy zdeponowany na powierzchni betonowej 0,54 0,2 11 10

60 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2013 dzono, że procesy urabiania, przetwarzania i składowania różnego rodzajurowców mineralnych, w tym również węgla brunatnego i kamiennego posiadają podobnej wartości wskaźniki emisji pyłów do powietrza. Stąd w uzasadnionych przypadkach, podczas wyznaczania emisji zorganizowanej i niezorganizowanej w kopalniach odkrywkowych różnych surowców mineralnych (np. surowców skalnych), istnieje możliwość posługiwania się wskaźnikami emisji wyznaczonymi dla podobnych procesów technologicznych związanych z pozyskiwaniem, przerobem i składowaniem np. węgla kamiennego. Prędkość tarciową wiatru u wyznacza się na podstawie prędkości mierzonej na standardowej wysokości 10 m nad powierzchnią gruntu u10 [2]. W celu określenia u10 na terenie kopalni odkrywkowej, wykorzystuje się zwykle dane meteorologiczne z najbliższej stacji meteorologicznej, reprezentatywnej dla danego obszaru. Gdy prędkość wiatru na stacji uz mierzona jest na wysokości z 10 m, wówczas prędkość referencyjną wyznaczamy wykorzystując równanie (4) [14] u = 10 u ln(10/0,005) (4) z ln(z/0,005) W obliczeniach potencjału emisyjnego poszczególnych powierzchni zlokalizowanych na terenie kopalni, a w szczególności podczas wyznaczania prędkości tarciowej u, należy wziąć pod uwagę najwyższe wartości prędkości wiatru w analizowanym okresie (czas liczony pomiędzy zaistniałymi zdarzeniami technologicznymi odtwarzającymi potencjał emisyjny). Prędkość u dla nieosłoniętych powierzchni płaskich oraz dla różnego rodzajkładowisk surowców mineralnych (np. surowców skalnych) wyznacza się korzystając z różnych zależności. W odniesieniu do obszarów płaskich znajdujących się na terenie kopalni odkrywkowej sprawa jest bardzo prosta. Na podstawie wartości prędkości u 10 dla powierzchni płaskich prędkość u można wyznaczyć jako (5) [14] u = 0,053 u 10 (5) Z kolei dla powierzchni składowisk surowców mineralnych określenie prędkości u jest znacznie bardziej skomplikowane. Proces wydobycia i przeroburowców mineralnych związany jest z czasowym składowaniem urobionych i/lub przetworzonych surowców zwykle na nieosłoniętych składowiskach. Obrót materiału na składowisku prowadzi do emisji pyłu, która jest wypadkową wielu jednostkowych procesów technologicznych zachodzących w całym cyklkładowania. W celu wyznaczenia prędkości wiatru, która pokona siłę tarcia składowanego materiału należy zwrócić szczególną uwagę na wymiary oraz kształt składowiska. Powszechnie spotykane w górnictwie odkrywkowym składowiska mają zwykle kształt stożkowy. Skarpy składowiska nachylone są przeważnie pod kątem nieprzekraczającym 37. W artykule przedstawiono metodykę wyznaczania wskaźnika emisji pyłów do powietrza w wyniku oddziaływania wiatru na powierzchnię składowiska o kształcie stożka. Na rysunku 3 przedstawiono kształt składowiska stożkowego występującego w kopalniach surowców mineralnych. W schemacie uwzględniono podział powierzchni składowiska na podobszary o różnym potencjale emisyjnym. Rys. 3. Typowy kształt składowiska z podziałem na podobszary tworzące się w wyniku oddziaływania dominującego kierunku wiatru [14] Fig. 3. Typical shape of storage pile with a division into subareas created as a result of normalized surface wind speeds [14] Korzystając z rysunku 3, na powierzchni bocznej składowiska o znanym polu, w zależności od dominującego kierunku wiatru na danym obszarze, można wyznaczyć erodujące w różnym stopniu podobszary. Podobszary te przybierają charakterystyczne kształty i mają ściśle określone udziały powierzchniowe w stosunku do powierzchni całego składowiska (tabl. 4). Zawarte w tablicy 4 informacje pozwalają na wyznaczenie prędkości u dla poszczególnych podobszarów składowiska w kształcie stożka, a w rezultacie, na określenie ich potencjałów emisyjnych P. Transportową prędkość wiatru dla poszczególnych podobszarów składowiska w kształcie stożka, określonych w tablicy 4, można wyznaczyć korzystając z zależności (6) [14]: natomiast prędkość wiatru u dla tych podobszarów oblicza się jako (7) (US EPA 2006): (6) Tablica 4. Udziały powierzchniowe poszczególnych podobszarów składowiska oraz współczynniki zgodne z jego kształtem oraz orientacją dominującego kierunku wiatru [14] Table 4. Subarea distribution for regimes of us/ur dependent on the shape of the pile and prevailing wind direction [14] Podobszar zwałowiska u r Udział powierzchniowy podobszarów [%] 0,2a 0,2 5 0,2b 0,2 35 0,6a 0,6 48 0,9 0,9 12 prędkość transportowa wiatru, u r - prędkość unoszenia wiatru

Nr 11 PRZEGLĄD GÓRNICZY 61 0,4 u u = s 25 = 0,10 ln 0,5 Każdy z podobszarów składowiska charakteryzuje się ściśle określonym stosunkiem zwanym współczynnikiem ekspozycji. W pewnym sensie współczynnik ekspozycji charakteryzuje podatność poszczególnych obszarów składowiska na erozyjne oddziaływanie wiatru i odzwierciedla chwilowe fluktuacje prędkości wiatru. Niski stosunek świadczy o znacznie wyższej prędkości unoszenia w stosunku do prędkości transportowej wiatru. W oparciu o wyliczony zgodnie z równaniem (2) wskaźnik emisji pyłu można wyznaczyć wartość emisji dla danej powierzchni erodującej A wyrażonej w m 2, stosując następującą zależność (8) (7) E = A W e (1 R 100 ) (8) gdzie: E emisja pyłu z erodującej powierzchni A, g, A powierzchnia obszaru podlegającego erozji, m 2, W e wskaźnik emisji analizowanej frakcji pyłu, g/m 2, R stopień redukcji emisji na skutek podjętych działań techniczno-organizacyjnych, %. W celu ograniczania ilości emitowanego do powietrza pyłu w wyniku erozji wietrznej należy w okresach suchych dokonywać zraszania tej powierzchni wodą lub odpowiednimi środkami chemicznymi, wiążącymi luźne frakcje pyłowe z powierzchnią. 3. Przykład wyznaczania emisji pyłu PM10 do powietrza z procesu erozji wietrznej nieosłoniętego składowiska kruszywa skalnego w kształcie stożka Na terenie kopalni odkrywkowej kruszyw skalnych znajduje się składowisko kruszywa w kształcie stożka, o średnicy podstawy 27 m i wysokości 10 m. Całkowita powierzchnia składowiska, ulegająca erozyjnemu oddziaływaniu wiatru, odpowiada polu powierzchni bocznej stożka, które wynosi 2 2 2 ( 13,5) ( 10) 712,5 2 2 S r r h =,5 = = π π 13 m Raz na tydzień (czyli co 7 dni) składowisko uzupełniane jest kruszywem w takiej ilości, aby przywrócić maksymalną jego objętość, redukowaną w wyniku okresowych prac koparko-ładowarki. Koparko-ładowarka w ciągu tygodnia rozładowuje materiał ze zwałowiska od strony zawietrznej, więc prace rozładowcze związane są jedynie z niewielkim obszarem składowiska (rys. 4). Wprowadzenie świeżej porcji kruszywa na składowisko (za pomocą zwałowarki) prowadzi do odbudowania potencjału erozyjnego na całej powierzchni składowiska. Ze względu na to, iż w ciągu roku dochodzi do znacznej liczby zaburzeń technologicznych rozpatrywanego obiektu (N = 365/7 = 52), a każde z nich należałoby rozpatrywać oddzielnie (ze względu m.in. na zmienną prędkość wiatru w każdym z 52 okresów), w celu uproszczenia, przykładowe obliczenia wykonano dla pojedynczego miesiąca. Krok 1: Wyznaczanie krytycznej prędkości tarciowej wiatru u t Ze względu na brak danych dotyczących składu frakcyjnego składowanego materiału krytyczną prędkość tarciową wiatru wyznaczamy z tablicy 3, przyjmując wartość u t = 1,12 m/s, jak dla składowiska węgla, gdyż przyjęta metodyka obliczeń dopuszcza przyjęcie dla składowiska surowców skalnych krytycznej prędkości tarciowej wyprowadzonej dla składowiska węgla kamiennego. Krok 2: Wyznaczanie referencyjnej prędkości wiatru u 10 W tablicy 5 przedstawiono dane ze stacji meteorologicznej odnoszące się do prędkości wiatru mierzonej na wysokości 7 m n.p.t. Dla każdego z 7-dniowych okresów (w czasie przykładowego miesiąca występują 4 takie okresy) należy wyznaczyć Rys. 4. Kształt składowiska kruszywa skalnego z podziałem na podobszary, zasięgiem prac rozładowczych oraz orientacją dominującego kierunku wiatru Fig. 4. Shape of the crushed stone storage pile with a division into subareas of normalized surface wind speeds, the range of frontend loader operations and the prevailing wind direction

62 PRZEGLĄD GÓRNICZY 2013 najwyższą prędkość wiatru, którą następnie przeliczamy na prędkość wiatru mierzoną na wysokości 10 m n.p.t. zgodnie z równaniem (4) ln( 10 / 0,005) u 10 = u 7 ln( 7 / 0,005) Uzyskane w wyniku obliczeń wartości referencyjnych prędkości wiatru u 10 dla najwyższych prędkości wiatru z poszczególnych okresów między zaburzeniami zawarto w tablicy 5. Krok 3. Wyznaczanie prędkości wiatru u Zgodnie z wynikami zawartymi w tablicy 6 można stwierdzić, iż w analizowanym okresie tylko w dwóch przypadkach wartość prędkości u przekroczyła krytyczną prędkość tarciową wiatru u t = 1,12 m/s. Oba przypadki związane są z emisją cząstek z podobszarkładowiska o współczynniku ekspozycji = 0,9. W pozostałych przypadkach z okresu przykładowego miesiąca podobszary składowiska nie wykazują potencjału emisyjnego pyłów do powietrza. Krok 4: Obliczanie potencjału emisji cząstek P i Dla podobszarkładowiska o współczynniku ekspozycji = 0,9 należy obliczyć potencjał emisyjny w tych 7 dniowych okresach między zaburzeniami, które charakteryzują się wartością u t > 1,12 m/s. Potencjał emisyjny wyznaczamy korzystając z równania (3). Emisję pyłu PM10 do powietrza z procesu erozji wietrznej składowiska stożkowego można Tablica 5. Prędkość wiatru mierzona na wysokości 7 m nad powierzchnią gruntu w poszczególnych dniach analizowanego miesiąca Table 5. Wind speed values registered during each day of the analyzed month at the height of 7 m above the surface Dzień miesiąca Prędkość wiatru u 7, m/s Referencyjna prędkość wiatru u 10, m/s 1 2,3 2 4,5 3 6,7 4 10,9 5 13,0 13,65 6 10,3 7 7,6 8 9,4 9 6,7 10 7,8 11 13,9 14,6 12 11,0 13 10,5 14 6,0 15 6,7 16 5,6 17 7,1 18 9,4 19 10,5 20 11,0 21 11,3 11,87 22 5,9 23 6,1 24 8,2 8,61 25 5,6 26 5,6 27 4,4 28 6,9 29 5,8 30 4,9 31 11,0 Tablica 6. Wyznaczanie prędkości u dla podobszarów składowiska w poszczególnych okresach między zaburzeniami Table 6. Calculation of the friction velocity u for each subarea of the pile in the periods between the disturbances Numer okresu u między zaburzeniami u 7 u 10 =0,2 =0,6 =0,9 =0,2 =0,6 =0,9 1 13,0 13,65 2,73 8,19 12,29 0,273 0,819 1,229 2 13,9 14,6 2,78 8,76 13,14 0,278 0,876 1,314 3 11,3 11,87 2,37 7,12 10,68 0,237 0,712 1,068 4 8,2 8,61 1,72 5,17 7,75 0,172 0,517 0,775

Nr 11 PRZEGLĄD GÓRNICZY 63 Tablica 7. Wartość emisji pyłu PM10 (k = 0,5) do powietrza z procesu erozji wietrznej składowiska z podobszaru o stosunku = 0,9 Table 7. PM10 wind-generated emission rate (k = 0,5) determined for the subarea regime = 0,9 Numer okresu między zaburzeniami u m/s u - u t m/s P g/m 2 1 1,229 0,109 3,41 A m 2 E g 145,8 2 1,314 0,194 7,03 85,5 300,5 SUMA 446,3 następnie wyznaczyć mnożąc potencjał emisyjny z danego okresu przez wartość współczynnika k (tabl. 1) oraz powierzchnie erodujące podobszarkładowiska. Wyniki obliczeń przedstawiono w tablicy 7. Powierzchnie poszczególnych podobszarów składowiska wyznaczamy zgodnie z informacją zawartą w tablicy 4 dotyczącą udziałów tych podobszarów względem całkowitej powierzchni bocznej stożka. (Uwaga! Obszary o takim samym stosunku sumuje się). W wyniku erozyjnego oddziaływania wiatru w ciągu analizowanego miesiąca zostało wyemitowane do powietrza 446,3 g pyłu PM10. 4. Podsumowanie Ilość emitowanego do powietrza pyłu z procesów związanych z oddziaływaniem wiatru na nieosłonięte powierzchnie płaskie oraz zwałowiska/składowiska na terenie kopalni odkrywkowej surowców mineralnych zależy od wielu czynników. Liczba oraz wielkość cząstek unoszonych do powietrza wraz z wiatrem waha się w zależności od intensywności prac wydobywczych i przeróbczych oraz prędkości wiatru sprzyjających podrywaniu cząstek wchodzących w skład powierzchni podłoża. Wiatr powoduje nie tylko mieszanie się mas powietrza, ale także przyczynia się do unoszenia z powierzchni oraz rozprzestrzeniania się pyłu w powietrzu. W przypowierzchniowej warstwie atmosfery prędkość wiatrłabnie w wyniku tarcia o podłoże. Proces ten jest bardziej efektywny na terenach o zwartej zabudowie lub gęsto porośniętych roślinnością. Na obszarze typowej kopalni odkrywkowej surowców mineralnych prędkość wiatru nie jest wydatnie hamowana. W takich warunkach wiatr może porywać nie tylko ziarna pyłu i piasku, ale również drobne okruchy skalne. Efekty erozyjnej działalności wiatru zależą głównie od charakteru podłoża. Z powierzchni skalnych wywiewane są przede wszystkim cząstki o wymiarach najmniejszych, zwykle nie przekraczających 3 mm. Najdrobniejsze frakcje (pyły drobne) przenoszone są wraz ze strumieniem powietrza na dalszą odległość, niejednokrotnie poza granice kopalni. Grubsze pyły są zwykle transportowane lokalnie i deponowane w najbliższym sąsiedztwie miejsca emisji. Przedstawiona metodyka wyznaczania emisji niezorganizowanej pyłu do powietrza powinna być głównie wykorzystywana do szacowania poziomu wartości emisji niezorganizowanej drobnych cząstek materiałów/surowców, pozyskiwanych/przerabianych w różnego rodzaju kopalniach odkrywkowych do celów związanych z inwentaryzacją emisji lub na potrzeby sporządzania ocen oddziaływania kopalni odkrywkowych na środowisko. Metodyka może być również stosowana do ilościowego opisu emisji pyłu z procesów erozyjnych zachodzących na terenach narażonych na oddziaływanie erozyjne wiatru oraz różnego rodzaju składowisk materiałów sypkich. Praca została wykonana w ramach badań statutowych AGH nr: 11.11.150.008. Literatura 1. Axtell K., Cowherd Jr. C.: Improved Emission Factors For Fugitive Dust From Surface Coal Mining Sources, EPA-600/7-84-048, U. S. Environmental Protection Agency, Cincinnati, OH, March 1984. 2. Changery M.J.: National Wind Data Index Final Report. HCO/T1041-01 UC-60, National Climatic Center, Asheville, NC, December 1978. 3. Chepil W.S.: Improved Rotary Sieve For Measuring State And Stability Of Dry Soil Structure. Soil Science Society Of America Proceedings, 16:113-117, 1952. 4. Cowherd C.: Background Document for Revisions to Fine Fraction Ratios Used for AP-42 Fugitive Dust Emission Factors. Prepared by Midwest Research Institute for Western Governors Association, Western Regional Air Partnership, Denver, CO, February 2006. 5. Cowherd Jr. C.: A New Approach To Estimating Wind Generated Emissions From Coal Storage Piles. Presented at the APCA Specialty Conference on Fugitive Dust Issues in the Coal Use Cycle, Pittsburgh, PA, April 1983. 6. Józefaciuk A., Józefaciuk Cz.: Erozja agrosystemów. Warszawa, Państwowa Inspekcja Ochrony Środowiska, 1995. 7. Józefaciuk A., Józefaciuk Cz.: Mechanizm i wskazówki metodyczne badania procesów erozji. Warszawa, Państwowa Inspekcja Ochrony Środowiska, 1996. 8. Józefaciuk A., Józefaciuk Cz.: Erozja i melioracje przeciwerozyjne. Warszawa, Państwowa Inspekcja Ochrony Środowiska, 1996. 9. Józefaciuk A., Józefaciuk Cz.: Ochrona gruntów przed erozją. Puławy, Wydawnictwo IUNG, 1999. 10. Liu Lianyou, Wang Jianhua, Li Xiaoyan, Liu Yuzhang, Ta Wanquan, Peng Haimei: Determination of erodible particles on cultivated soils by wind tunnel simulation. Chinese Science Bulletin, Vol. 43 No. 19 October 1998. 11. Muleski G.E.: Coal Yard Wind Erosion Measurement. Midwest Research Institute, Kansas City, MO, March 1985. 12. Trepińska J.: Pionowy profil prędkości wiatru przyziemnego. Folia Geographica, Series Geographica-Physica, Vol. XXXV-XXXVI, 2004-2005 s. 153 166. 13. United States Environmental Protection Agency: Update Of Fugitive Dust Emissions Factors In AP-42 Section 11.2 Wind Erosion, MRI No. 8985-K, Midwest Research Institute, Kansas City, MO, 1988. 14. United States Environmental Protection Agency: AP42, Fifth Edition, Volume 1, Chaper 13: Miscellaneous Sources 13.2.5. Industrial wind erosion, November 2006 (źródło: http://www.epa.gov/ttnchie1/ap42/, pobrane dnia: 30.04.2013).