Uploaded byigdweb
203 views

Проблемы недропользования. 2017. Выпуск 2 (13).

Сетевое периодическое научное издание 'Проблемы недропользования' освещает вопросы разработки сложноструктурных месторождений и инновационных технологий добычи. Публикация включает статьи на темы карьерного транспорта, геомеханики, экологии и других аспектов горной промышленности. Издание выходит 4 раза в год в электронном виде и проходит обязательное рецензирование.

Embed presentation

1 / 142
2 / 142
3 / 142
4 / 142
5 / 142
6 / 142
7 / 142
8 / 142
9 / 142
10 / 142
11 / 142
12 / 142
13 / 142
14 / 142
15 / 142
16 / 142
17 / 142
18 / 142
19 / 142
20 / 142
21 / 142
22 / 142
23 / 142
24 / 142
25 / 142
26 / 142
27 / 142
28 / 142
29 / 142
30 / 142
31 / 142
32 / 142
33 / 142
34 / 142
35 / 142
36 / 142
37 / 142
38 / 142
39 / 142
40 / 142
41 / 142
42 / 142
43 / 142
44 / 142
45 / 142
46 / 142
47 / 142
48 / 142
49 / 142
50 / 142
51 / 142
52 / 142
53 / 142
54 / 142
55 / 142
56 / 142
57 / 142
58 / 142
59 / 142
60 / 142
61 / 142
62 / 142
63 / 142
64 / 142
65 / 142
66 / 142
67 / 142
68 / 142
69 / 142
70 / 142
71 / 142
72 / 142
73 / 142
74 / 142
75 / 142
76 / 142
77 / 142
78 / 142
79 / 142
80 / 142
81 / 142
82 / 142
83 / 142
84 / 142
85 / 142
86 / 142
87 / 142
88 / 142
89 / 142
90 / 142
91 / 142
92 / 142
93 / 142
94 / 142
95 / 142
96 / 142
97 / 142
98 / 142
99 / 142
100 / 142
101 / 142
102 / 142
103 / 142
104 / 142
105 / 142
106 / 142
107 / 142
108 / 142
109 / 142
110 / 142
111 / 142
112 / 142
113 / 142
114 / 142
115 / 142
116 / 142
117 / 142
118 / 142
119 / 142
120 / 142
121 / 142
122 / 142
123 / 142
124 / 142
125 / 142
126 / 142
127 / 142
128 / 142
129 / 142
130 / 142
131 / 142
132 / 142
133 / 142
134 / 142
135 / 142
136 / 142
137 / 142
138 / 142
139 / 142
140 / 142
141 / 142
142 / 142
Сетевое периодическое научное издание ISSN 2313-1586 Выпуск 2 Екатеринбург 2017 16+
Сетевое периодическое научное издание ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ Учредитель – Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела Уральского отделения РАН № государственной регистрации Эл № ФС77-56413 от 11.12.2013 Выходит 4 раза в год только в электронном виде РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ: С.В. Корнилков, д.т.н., проф., директор ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург - главный редактор В.М. Аленичев, д.т.н., проф., г.н.с., ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург – зам. главного редактора Члены редакционной коллегии: Н.Ю. Антонинова, к.т.н., заведующая лабораторией ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург А.А. Барях, д.т.н., проф., директор ГИ УрО РАН, г. Пермь Н.Г. Валиев, д.т.н., проф., проректор по науке УГГУ, г. Екатеринбург С.Д. Викторов, д.т.н., проф., заместитель директора ИПКОН РАН, г. Москва С.Е. Гавришев, д.т.н., проф., директор ИГД и Т, МГТУ, г. Магнитогорск А.В. Глебов, к.т.н., заместитель директора ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург С.Н. Жариков, к.т.н., с.н.с., ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург А.Г. Журавлев, к.т.н., с.н.с., ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург В.С. Коваленко, д.т.н., проф., заведующий кафедрой МГГУ, г. Москва В.А. Коротеев, д.т.н., проф., академик, советник РАН ИГГ УрО РАН, г. Екатеринбург М.В. Курленя, д.т.н., проф., академик, директор ИГД СО РАН, г. Новосибирск С.В. Лукичев, д.т.н., проф., заместитель директора ГоИ КНЦ РАН, г. Апатиты В.В. Мельник, к.т.н., заведующий лабораторией ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург И.Ю. Рассказов, д.т.н., директор ИГД ДВО РАН, г. Хабаровск И.В. Соколов, д.т.н., заведующий лабораторией ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург С.М. Ткач, д.т.н., директор ИГДС СО РАН, г. Якутск С.И. Фомин, д.т.н., проф. кафедры, НМСУ «Горный», г. Санкт-Петербург А.В. Яковлев, к.т.н., заведующий лабораторией ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург В.Л. Яковлев, д.т.н., проф., чл.-корр., советник РАН, ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург Издатель: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела Уральского отделения РАН Все статьи проходят обязательное рецензирование Адрес редакции: 620075, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, д. 58, тел. (343)350-35-62 Сайт издания: trud.igduran.ru Выпускающий редактор: О.В. Падучева Редактор: О.А. Истомина Компьютерный набор и верстка: Т.Н. Инякина, Т.Г. Петрова Верстка сайта: М.В. Яковлев 16+
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2017 г. 3С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Содержание ПРОБЛЕМЫ ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Яковлев В.Л. Исследование переходных процессов – новый методологический подход к разработке и развитию инновационных технологий добычи и рудоподготовки минерального сырья при освоении глубокозалегающих сложноструктурных месторождений…... 5 КАРЬЕРНЫЙ ТРАНСПОРТ Лель Ю.И., Глебов И.А., Ганиев Р.С., Иванова О.А. Систематизация условий эксплуатации карьерного автотранспорта по энергетическому критерию …………………………. 16 Реутов А.А. Имитационное моделирование ступенчатого регулирования скорости конвейера ………………………………………………………………………………………………... 26 ГЕОМЕХАНИКА Далатказин Т.Ш. Исследования формирования оползней в Коршуновском карьере ……………. 34 МЕХАНИКА ГОРНЫХ ПОРОД Рубцова Е.В., Скулкин А.А. О физическом моделировании процесса измерительного гидроразрыва в модельных образцах при их неравнокомпонентном нагружении ………………… 42 ФИЗИКА ВЗРЫВА Фадеева И.И., Аюнов Д.Е., Романенко В.В. Оценка современного теплового эффекта от подземного ядерного взрыва на Семипалатинском испытательном полигоне ………………….. 48 ГЕОЭКОЛОГИЯ Уланов А.Н., Шельменкина Х.Х., Смирнова А.В. Экологические аспекты рекультивации нарушенных болотных экосистем …………………………………………………………………….. 56 Воробьев А.Е., Тчаро Хоноре, Чекушина Т.В. Практика применения геосинтетических глинистых экранов на площадках кучного выщелачивания в Перу ………………………………… 62 Борисков Ф.Ф., Борисков Д.Ф. Использование холода тропосферы – нового энергетического ресурса планеты Земля для сохранения и создания ледников ..…………………. 73 Кириллов В.В., Жоров В.А., Безматерных Д.М., Бурмистрова О.С., Винокурова Г.В., Долматова Л.А., Дьяченко А.В., Зарубина Е.Ю., Котовщиков А.В., Соколова М.И., Медникова Г.М., Трошкова И.А., Эйрих А.Н., Эйрих С.С. Эволюция природно-технической системы гидроотвала угольного разреза в бассейне реки Иня (Кузбасс) …………………………... 75 СТАТЬИ УЧАСТНИКОВ XI ВСЕРОССИЙСКОЙ МОЛОДЕЖНОЙ НАУЧНО - ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ПО ПРОБЛЕМАМ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ, проведенной ИГД УрО РАН 8-10 февраля 2017 г. Беспальков А.А., Журавлев А.Г. Технические вопросы при использовании кабельных кранов для ведения горных работ ……………………………………………………………………... 85 Жабко А.В. Энергетическая трактовка условия разрушения откосов ……………………………… 96 Кутуев В.А., Жариков С.Н. О показателе расширения продуктов взрыва ………………………... 103 Кутуев В.А. О взаимосвязи между скоростью детонации и временем газификации на примере промышленного эмульсионного взрывчатого вещества ПОРЭМИТ 1А ...………......... 106 Меньшикова Н.А., Давлетшина И.Р. Перспективные вопросы совершенствования технологической схемы очистки сернокислых рудничных и промышленных сточных вод ……… 112 Сентябов С.В. Мониторинг напряженно-деформированного состояния бетонной крепи стволов на Гайском месторождении …………………………………………………………………... 119 Собенин А.В., Шеломенцев И.Г., Шаихова Д.Р. Особенности развития Raphanus Sativus на техногенном субстрате ………………………………………………………………………………. 127 Чендырев М.А., Журавлев А.Г. Особенности конструкции автомобильной карьерной наклонной подъемной установки ……………………………………………………………………… 133
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2017 г. С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е ПРОБЛЕМЫ ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 5С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 622.271.3:001.895 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.005 Яковлев Виктор Леонтьевич член-корр. РАН, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, Институт горного дела УрО РАН, 620075, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 е-mail: yakovlev@igduran.ru ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ – НОВЫЙ МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД К РАЗРАБОТКЕ И РАЗВИТИЮ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДОБЫЧИ И РУДОПОДГОТОВКИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ ПРИ ОСВОЕНИИ ГЛУБОКОЗАЛЕГАЮЩИХ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Yakovlev Victor L. Corresponding member RAS, professor, The Institute of Mining UB RAS, 620075, Yekaterinburg, 58 Mamin-Sibiryak st. e-mail: yakovlev@igduran.ru THE STUDY OF TRANSIENT PROCESSES AS A NEW METHODOLOGICAL APPROACH TO THE DEVELOPMENT OF INNOVATIVE TECHNOLOGIES FOR EXTRACTION AND ORE PREPARATION OF MINERAL RAW MATERIALS MINING DEEP-SEATED COMPLEX-STRUCTURED DEPOSITS Аннотация: Обоснованы специфика освоения глубокозалега- ющих сложноструктурных месторождений и необходимость периодического пересмотра принятых в проекте открытой разработки ме- сторождения технических и технологических решений, в том числе в зависимости от измене- ния геологической и горнотехнической информа- ции по мере развития горных работ и перехода рабочей зоны на более глубокие горизонты, а также последующего перехода на подземную или комбинированную разработку месторожде- ния. Предлагается методический подход, основан- ный на исследовании переходных процессов, ос- новной задачей которых являются технические, технологические и организационные действия при реализации принимаемых инновационных ре- шений по адаптации горнотехнической и орга- низационно-технологической системы горно- обогатительного предприятия к изменяющимся условиям его функционирования. Ключевые слова: переходные процессы, глубо- кие карьеры, сложноструктурные месторож- дения, инновационные технологии Abstract: The specifics of deep-seated complex-structured de- posits development is grounded and the need for pe- riodic review of technical and technological solu- tions adopted in the project of surface mining are substantiated, including the dependence on changes in geological and mining information as mining pro- gresses and the working zone moves to deeper hori- zons, as well as the subsequent transition on under- ground or combined deposit mining are based. A methodical approach is proposed based on the study of transient processes, the main task of which is technical, technological and organizational ac- tions in realization the adopted innovative solutions on adaptation the mining and organizational and technological system of the ore mining and pro- cessing plant to the changing conditions of its func- tioning. Key words: transient processes, deep open pits, complex-structured deposits, innovative technolo- gies Специфика освоения глубокозалегающих сложноструктурных месторождений твердых полезных ископаемых состоит в том, что их разработка продолжается десятки лет, как правило, начинается открытой геотехнологией, в условиях непрерывного роста глубины рабочей зоны карьера, нарастанием геологической, горнотехнической и техно- логической информации, требующих безусловного выделения этапов формирования ка- рьерного пространства, изменения параметров систем разработки, формирования транс- портной системы карьера путем применения новых видов транспорта и т. д., то есть прак- тически пересмотра большинства принятых проектных решений, уточнения глубины ка- рьера и, как правило, перехода к подземной или комбинированной геотехнологии.  Статья подготовлена с использованием результатов исследований в рамках Госзадания 007-01398-17-00 по теме № 0405-2015-0010
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 6С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Необходимость исследования переходных процессов в технологии добычи и пе- реработки полезных ископаемых на отдельных этапах, технологических процессах давно начала назревать, и в отдельных разделах горной науки и производства находились ре- шения адаптации технологии к изменяющимся условиям разработки месторождений, но сегодня это становится актуальной проблемой. Одной из главных причин необходимости исследования переходных процессов в технике и технологии горно-обогатительного производства минерального сырья явля- ется высочайшая степень зависимости от природной изменчивости геологических пара- метров глубокозалегающих сложноструктурных месторождений, информация о которых нарастает по мере развития горных работ, что требует, наряду с изменением горнотех- нических условий, периодического перехода на новые параметры техники и технологии с целью адаптации к изменяющимся условиям функционирования горнообогатительного производства. Исследование переходных процессов, установление причин их возникновения, понимание сущности происходящих изменений и закономерностей их развития в кон- кретных горно-геологических и горнотехнических условиях является основой создания стратегии управления этими процессами в течение всего срока отработки месторожде- ния. В работе [1] автором данной статьи изложен исторический опыт развития науч- ных идей и методологических подходов к обоснованию технологий, параметров горных работ и стратегии освоения недр и приведен перечень публикаций ученых, вложивших наибольший вклад в решение соответствующих проблем. В табл. 1 приведен последовательный ряд этапов, характеризующихся социально- экономическими условиями развития горнодобывающих отраслей промышленности и основных направлений научных исследований, которые были наиболее актуальны и со- ответствовали целям разработки научных основ проектирования, строительства и экс- плуатации шахт, рудников и карьеров, горно-обогатительных комбинатов. О необходимости коренного пересмотра сложившегося к концу 80-х годов, т.е. практически к распаду СССР, методического подхода к решению широкого круга акту- альных технических, технологических и экономических проблем развития горного про- изводства и горных наук очень ярко изложено в монографии «Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли» [2]. Исследование переходных процессов – новый этап в развитии методологического подхода к выбору стратегии освоения глубокозалегающих сложноструктурных место- рождений твердых полезных ископаемых, основанного на принципах системности, ком- плексности, междисциплинарности и инновационной направленности путем своевре- менного внесения изменений в технологию добычи и рудоподготовки минерального сы- рья по мере нарастания информации о геологических и горнотехнических условиях функ- ционирования горнотехнической системы горно-обогатительного предприятия. Актуальность исследования переходных процессов обусловлена важнейшей их ролью на стадиях проектирования и разработки глубокозалегающих сложноструктурных месторождений в связи с объективной необходимостью периодического изменения па- раметров горнотехнической системы вследствие нарастания геологической информации о параметрах залежей и содержания в них основных и попутных полезных компонентов, поэтапного формирования карьерного пространства и развития транспортной системы карьера, перехода с открытой к подземной или комбинированной геотехнологии, необ- ходимости управления количеством и качеством направляемых на переработку потоков добываемой горной массы, применения более совершенных технических средств, со- ставляющих основу инновационных технологий добычи и рудоподготовки минераль- ного сырья.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 7С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Таблица 1 Этапы развития технологий и методологии освоения недр России и стран СНГ Годы Особенности этапов развития горного дела Основные направления научных исследований 1945 – 1960 гг. Послевоенный период восста- новления и развития народного хозяйства Научные основы проектирования и строительства комплексно-механи- зированных предприятий 1960 – 1975 гг. Интенсивное развитие откры- тых горных разработок, строи- тельство крупных горно-обога- тительных комбинатов для обеспечения сырьем заводов черной и цветной металлургии, строительство угольных разре- зов большой мощности Научное обоснование приоритет- ного развития открытых разработок, зарождение методов экономико-ма- тематического моделирования, ЭВМ для планирования и управле- ния производством на карьерах. 1975 – 1987 гг. На основе анализа опыта экс- плуатации ГОКов установлено отставание фактических объе- мов добычи и вскрыши от про- ектных Необходимость новых подходов к исследованию, проектированию и планированию горных работ, схем вскрытия, систем разработки, фор- мированию транспортных систем ка- рьеров с учетом роста их глубины 1987 – 1996 гг. Изменение социально-экономи- ческих условий. Переход от пла- новой экономики к рыночной. Резкое снижение объемов добычных и вскрышных работ Необходимость разработки принци- пиально новых подходов к исследо- ванию и решению проблем горного производства 1997 – 2007 гг. Восстановление объемов до- бычи полезных ископаемых на действующих ГОКах. Дефицит рудного сырья на Урале и необ- ходимость завоза товарной руды на металлургические предприятия из других регио- нов Новый этап в развитии горных наук: «Освоение и сохранение недр». Классификация горных наук 2007 – 2014 гг. Освоение глубоких горизонтов на действующих горных пред- приятиях и новых месторожде- ниях, в т. ч. в северных регионах УрФО и ДФО Программно-целевые методы иссле- дований на основе принципов си- стемности, комплексности, междис- циплинарности и инновационной направленности 2014 г. – современный период Нарастание информации о ме- сторождении и принятие основ- ных технологических решений. Освоение новых минерально- сырьевых центров Исследование переходных процес- сов и учет закономерностей их раз- вития при разработке инновацион- ных технологий оценки, добычи и рудоподготовки минерального сы- рья
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 8С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Методологической и организационно-технологической основой исследования пе- реходных процессов являются изменившиеся условия производства горных работ. Особенности ведения горных работ на глубоких карьерах состоят в том, что, на какой бы стадии по глубине карьера горные работы ни находились, они остаются откры- тыми до установленной глубины карьера, однако требуют исследования два главных во- проса, основанные на опыте длительной эксплуатации карьеров большой глубины и про- изводительности: - следует ли пересматривать принятую в проекте предельную глубину карьера; - требуется ли коренной пересмотр действующей технологии горных работ при достигнутой глубине карьера или достаточно совершенствования параметров системы разработки, принятой схемы вскрытия, порядка формирования рабочей зоны глубоких горизонтов, транспортной системы карьера и основных технологических процессов до- бычи и переработки минерального сырья. При любом варианте ответа на первые два вопроса необходимо исследовать сле- дующие особенности ведения горных работ на карьерах, особенно при их доработке до предельной глубины: - особенности погрузочно-транспортных работ в прибортовой зоне с учетом обес- печения устойчивости бортов, сохранности законтурного массива и безопасности распо- ложенных на прибортовой территории зданий и сооружений; - необходимость селективной разработки и усреднения при формировании грузо- потоков для последующей переработки добываемого минерального сырья; - обеспечение эффективной модернизации парка горных машин, параметров и ор- ганизации их эксплуатации; - постоянный мониторинг качества добываемого сырья, параметров и показателей основных технологических процессов с целью своевременного на основе технологиче- ского аудита применения и реализации организационно-технических управляющих воз- действий. Наиболее значимые научные, технологические и организационно-технические вопросы, решаемые при проектировании и разработке сложноструктурных месторожде- ний большой глубины, требующие исследования переходных процессов: 1. Оценка объема и качества запасов, принятие решения о целесообразности их комплексного освоения. 2. Обоснование способа разработки глубокозалегающего месторождения и воз- можности (целесообразности) перехода от открытого к подземному или комбинирован- ному способу. 3. Обоснование границ карьера, его глубины, углов откоса бортов, последователь- ность развития рабочей зоны, выделение этапов разработки. 4. Формирование транспортной системы карьера во взаимосвязи с развитием ка- рьерного пространства и его рабочей зоны, применение новых видов, технических средств и схем транспорта с заменой действующих, но чаще в дополнение к ним. 5. Поэтапная разработка месторождений, формирование временно нерабочих бор- тов карьеров и последующая их разработка с использованием специальных технологий и технических средств взрывания, экскавации, транспорта. 6. Вскрытие новых горизонтов, в том числе с возможным изменением физико- механических свойств и вещественного состава слагающих их горных пород. 7. Разработка месторождений сложного геологического строения залежей основ- ного полезного ископаемого при наличии попутных полезных компонентов, значитель- ной изменчивости их содержания и других свойств, требующих селективной разработки, усреднения и периодического изменения параметров систем разработки, рудоподго- товки и обогащения.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 9С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е 8. Переходные процессы, связанные с изменением физико-механических свойств многолетнемерзлых горных пород (фазовые переходы при изменении температуры воз- духа от +40о С до –60о С), в том числе в бортах карьеров и в стволах подземных рудников. Таким образом, сущность исследования переходных процессов состоит в том, что если необходимо что-либо изменить в технике или технологии горного производства в конкретных горнотехнических условиях, то необходимо установить совокупность и обосновать последовательность ряда разработанных в установленные сроки организаци- онно-технических мероприятий для принятия и реализации принятых технологических инновационных решений. На действующих горных предприятиях этот подход реализуется на основе мони- торинга показателей и технологического аудита условий и показателей функционирова- ния горнотехнической системы, а при проектировании освоения новых месторождений – на основе установленных закономерностей развития предприятий, разрабатывающих аналогичные или близкие по геологическим и горнотехнических условиям месторожде- ния. Установлено, что для исследования закономерностей (устойчивых зависимостей) протекания и направлений совершенствования технологических процессов, параметров инновационных технологий и прогноза их развития, обеспечивающих экономически эф- фективную и безопасную разработку глубокозалегающих месторождений твердых по- лезных ископаемых, необходимо иметь следующую информацию: 1. Стадия (период) разработки месторождения (строительство карьера, освоение проектной мощности, полное развитие работ, доработка запасов в нижней части карьера, переход на подземную или комбинированную разработку месторождения). 2. Геологическая информация: исходная и нарастающая по мере освоения место- рождения. 3. Техническая – применяемое буровое, погрузочное и транспортное оборудова- ние и его соответствие изменяющимся горнотехническим условиям эксплуатации. Вы- вод: следует ли переходить на новые технические средства. 4. Технологическая – схема вскрытия, система разработки – соответствие их па- раметров условиям и возможные изменения технологии на основе инновационных ре- шений. 5. Оценка состояния техники и технологии, изменяющихся условий эксплуатации и обоснование необходимости установления начала и сроков перехода на новые техни- ческие средства и технологии. Для установления закономерностей и их количественной оценки в методическом плане на конкретных предприятиях следует осуществлять мониторинг и комплексный технологический аудит – способ проверки технологического состояния предприятия с помощью определенных критериев, дающих возможность выявления сильных и слабых сторон, что ведет к формированию стратегии дальнейшей экономически эффективной и безопасной разработки глубокозалегающих сложноструктурных месторождений. Совершенствование технологических процессов и применение инновационных технологий разработки глубокозалегающих сложноструктурных месторождений обу- словлено их природной изменчивостью и изменением горнотехнических условий их освоения. С ростом глубины рабочей зоны карьера увеличивается расстояние транспорти- рования добываемой горной массы, осуществляется дальнейшее развитие транспортной системы карьера, схемы вскрытия глубоких горизонтов, переход на новые параметры погрузочного и транспортного оборудования (табл. 2).
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 10С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Таблица 2 Этапы формирования транспортной системы карьера при освоении глубокозалегающих месторождений Этапы освоения месторождения Этапы формирования транспортной системы 1. Оценка геологических, природно-кли- матических и социально-экономических условий освоения месторождения: разве- данности, условий залегания, запасов и их качественной и технологической характе- ристики, физико-механических свойств руд и пород Обоснование возможных для применения видов и технических средств транспорта, в том числе внутрикарьерного (сборочного и магистрального) и внешнего. 2. Проект разработки месторождения: способ разработки (открытый, подземный, комбинированный); границы и глубина карьера, поэтапная раз- работка; производственная мощность по рудной и горной массе; схема вскрытия и системы разработки (ва- ловая или селективная разработка запа- сов); система управления качеством (усредне- ние, управление развитием рабочей зоны и т. п.). Выбор видов и технических средств транс- порта, их параметров, зон эффективного применения; переходные процессы (внутри вида транспорта, с одного вида транспорта на другой). Перегрузочные пункты при схемах комбинированного транспорта, ме- ста их расположения, периодичность и по- рядок переноса по мере роста глубины ка- рьера; схема транспортных коммуникаций по этапам разработки до предельных кон- туров карьера. 3. Строительство и ввод в эксплуатацию горного предприятия. Применяемая техника может отличаться от проектной. Уточняются объем и каче- ственная характеристика запасов, условий их залегания, физико-механические свой- ства горных пород и др. Применяемые в период строительства ка- рьера виды технических средств транс- порта, транспортные коммуникации должны стать звеном формируемой в даль- нейшем транспортной системы. Особенно это важно при применении циклично-по- точной технологии, железнодорожного транспорта, транспортные коммуникации которых следует развивать с момента ввода карьера в эксплуатацию. 4. Поэтапная разработка месторождения: 4.1. Открытая геотехнология с выделе- нием этапов, их границ по глубине, вре- менно законсервированных запасов и бор- тов карьера. 4.2. Переход на подземную разработку ме- сторождения с полной изоляцией внутри- шахтных выработок и коммуникаций от внутрикарьерного пространства. 4.3. Комбинированная открыто-подземная разработка с одновременным или последо- вательным ведением открытых и подзем- ных горных работ. Формирование поэтапных схем развития транспортных коммуникаций. Периодическая реконструкция транспорт- ной системы карьера с переносом транс- портных коммуникаций с временно нера- бочих бортов на постоянные. Вскрытие новых, в том числе глубоких, го- ризонтов. Перенос перегрузочных пунктов. Использование карьерного транспорта для доставки на поверхность горной массы из подземных горных выработок.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 11С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Изменение физико-механических свойств горных пород требует совершенствова- ния параметров и техники буровых и взрывных работ. Нарастание геологической информации требует принятия решения о сохранении валовой или переходе к селективной разработке запасов, технологии их рудоподготовки и предобогащения. Новый этап развития горных наук, в том числе в методологии выполнения иссле- дований, связан с изданием коллективной монографии «Освоение и сохранение недр Земли» [2]. Современный этап развития горного дела характеризуется необходимостью со- здания технологий и техники для вскрытия и отработки глубоких горизонтов действую- щих горных предприятий и освоения новых месторождений с учетом изменения геоло- гических и горнотехнических условий их разработки в динамике развития горнотехни- ческих систем на основе исследования переходных процессов. Среди факторов, влияющих на необходимость периодического пересмотра при- нятых в проекте технических и технологических решений, следует выделить следующие основные: 1. Природная изменчивость геологических параметров сложноструктурных глу- бокозалегающих месторождений. К числу основных факторов, обосновывающих необходимость исследования и учета переходных процессов в технологии разработки сложноструктурных месторожде- ний, относятся факторы природной особенности и изменчивости их геологических пара- метров: - залегание в виде жил, линз, пластов переменной мощности; - тела полезного ископаемого содержат включения пустых пород или некондици- онных руд разных размеров и формы, осложнены складчатыми или разрывными текто- ническими нарушениями; - мощность и элементы залегания, устойчивость горных пород, их трещинова- тость, естественная блочность, слоистость, пределы прочности и деформационные свой- ства меняются в широких пределах; - изменяется качественный состав полезного ископаемого, имеет место законо- мерная или случайная зональность общего баланса минералов, высокая неравномерность их содержания и гранулометрического состава от сплошных до тонковкрапленных руд. Все это требует детальной геометризации размещения полезного ископаемого в недрах и учета при выборе горной техники и технологий, адаптивных к изменениям гео- логической среды, планирования горных работ в режимах селективной выемки и усред- нения, создания инновационных технологий добычи и рудоподготовки с учетом законо- мерностей переходных процессов при изменении условий функционирования горнообо- гатительного предприятия. 2. Нарастание информации о геологических параметрах месторождения по этапам разведки: предварительной, на основе которой обосновываются кондиции и ведется под- счет запасов по категориям С1 и С2, детальной, когда уточняются строение месторожде- ния, условия залегания тел полезного ископаемого, запасы переводятся в категории А и В, уточняются их качество и горнотехнические условия предполагаемой разработки, с учетом которых принимаются основные проектные решения, к сожалению, обычно с ошибками, вследствие недостаточной достоверности информации. Устранение неопределенности в геологической обстановке достигается при экс- плуатационной разведке, которая ведется весь период отработки месторождения, с уче- том чего осуществляется планирование добычи полезного ископаемого по сортам, кор- рекции типоразмеров горных машин, технологии добычи, режимов усреднения и обога- щения.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 12С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Добыча полезных ископаемых открытым способом связана с перемещением боль- ших масс горных пород, что приводит к изменению естественного напряженного состо- яния массива горных пород. В результате такого воздействия наряду с естественными геомеханическими процессами, такими как тектонические подвижки блоков, возникают наведенные геомеханические процессы, вызванные техногенной деятельностью при ве- дении горных работ. Решение проблемы обеспечения долговременной устойчивости уступов и бортов имеет особую актуальность, так как от их параметров зависит безопасность разработки месторождений, а также объемы вскрыши и запасы полезного ископаемого в контурах карьеров. Главная особенность переходных периодов в развитии горных работ и техноло- гических процессов состоит в том, что реально сложившиеся к определенному моменту эксплуатации месторождения схема вскрытия и параметры системы разработки, порядок формирования рабочей зоны, применяемое оборудование основных технологических процессов и режим их функционирования не в полной мере соответствуют геологиче- ским, горнотехническим и экологическим условиям и требованиям добычи и перера- ботки горной массы, в том числе полезных ископаемых и вскрышных пород, что не со- ответствует требованиям по количеству и качеству товарной продукции и экономически эффективной ее реализации на внутреннем и внешнем рынках. Переходные процессы являются этапами стратегии освоения глубокозалегаю- щих сложноструктурных месторождений – долгосрочного плана действий на всех эта- пах разведки, проектирования и разработки месторождения до получения товарной продукции на основе методологического подхода на принципах системности, комплекс- ности, междисциплинарности и инновационной направленности, учитывающих нарас- тание геологической информации о месторождении при принятии заранее спланирован- ных технологических и технических решений в качестве реакции на изменения внутрен- них и внешних условий функционирования горного предприятия, включая учет законо- мерностей их развития при принятии инновационных технологий оценки, добычи, рудо- подготовки и обогащения минерального сырья. Основной задачей переходных процессов являются технические, технологиче- ские и организационные действия при реализации принимаемых инновационных реше- ний по адаптации горнотехнической и организационно-технологической системы пред- приятия к изменяющимся условиям его функционирования. Признанием объективной необходимости исследования переходных процессов в качестве нового научного направления при разработке теоретических основ стратегии и технологии комплексного освоения месторождений явилось включение в план научно- исследовательских работ УрО РАН в качестве государственного задания темы фунда- ментальных исследований на 2016 – 2018 гг. «Теоретические основы стратегии ком- плексного освоения месторождений и технологий их разработки с учетом особенностей переходных процессов в динамике развития горнотехнических систем»* (*рег. №0405- 2015-0010). При этом в число исполнителей важнейших разделов исследований вошли сотрудники нескольких научных лабораторий института: 1. Исследование и разработка инновационных технологий добычи рудного и не- рудного минерального сырья в сложных горно-геологических условиях (лаборатория от- крытой геотехнологии) [6]. 2. Исследование технологических процессов и разработка теоретических основ геотехнологической стратегии освоения переходных зон рудных месторождений (лабо- ратория подземной геотехнологии) [11]. 3. Обоснование стратегии формирования транспортных систем карьеров при раз- работке глубокозалегающих месторождений (лаборатория транспортных систем карье- ров и геотехники) [5, 6, 7].
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 13С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е 4. Методы оценки и технологии управления качеством минерального сырья при освоении природных и техногенных месторождений (сектор управления качеством ми- нерального сырья) [8]. 5. Исследование экологических и экономических аспектов функционирования и развития природно-техногенных экосистем в районах функционирования предприятий горно-металлургического комплекса (лаборатория экологии горного производства) [10]. 6. Изучение основных факторов и закономерностей при разрушении локальных массивов буровзрывным способом в динамике изменения горно-технологических усло- вий для обеспечения энергоэффективности, ресурсосбережения и промышленной без- опасности (лаборатория разрушения горных пород). 7. Экономические аспекты обеспечения безопасности основных технологических процессов горного производства (филиал ИГД УрО РАН в г. Челябинске) [12]. Выводы Разработанный ранее методологический подход на основе совокупного использо- вания принципов системности, комплексности, междисциплинарности и инновационной направленности [3, 4] возможно реализовать непрерывным мониторингом развития гор- нотехнической системы горнообогатительного предприятия, своевременной разработ- кой переходных процессов на всех стадиях освоения месторождения и реализацией ре- комендаций по совершенствованию требующих изменения параметров и технологий в связи с изменяющимися внутренними и внешними условиями функционирования гор- ного предприятия. Предлагаемый методологический подход, основанный на исследовании переход- ных процессов, является универсальным, и может использоваться при проектировании освоения глубокозалегающих месторождений, планировании, организации и управлении добычей и рудоподготовкой минерального сырья на действующих горных предприятиях с учетом нарастания геологической информации, внедрения разработанных инноваци- онных мероприятий, изменения параметров и показателей горнотехнической системы горного предприятия по мере развития горных работ. Главным показателем, характеризующим высокую степень новизны исследова- ний, является дальнейшее развитие программно-целевого методологического подхода к исследованию проблем освоения недр, основанного на принципах системности, ком- плексности, междисциплинарности и инновационной направленности, путем введения принципиально нового понятия «переходные процессы» и учета закономерностей их развития при разработке инновационных технологий добычи и рудоподготовки мине- рального сырья. Сущность новизны исследования переходных процессов при проектировании и разработке глубокозалегающих месторождений состоит в том, что если при оценке ди- намики развития горнотехнической системы и показателей ее функционирования возни- кает необходимость изменить параметры техники или технологии горнообогатительного производства, то следует установить необходимость, совокупность и последователь- ность ряда действий (мероприятий), чтобы принять и реализовать принятые технологи- ческие инновационные решения. Литература 1. Яковлев В.Л. Исторический опыт развития научных идей методологических подходов к обоснованию технологий, параметров горных работ / В.Л. Яковлев // Про- блемы недропользования [Электронный ресурс]: рецензируемое сетевое периодическое издание / ИГД УрО РАН. - 2014. - № 3. - С. 15 - 26. – Режим доступа: ////trud.igduran.ru 2. Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли / К.Н. Трубецкой, Ю.Н. Ма- лышев, Л.А. Пучков, … В.Л. Яковлев и др. - М.: Изд-во Академии горных наук, 1997. – 478 с.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 14С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е 3. Яковлев В.Л. Методологические особенности освоения недр на современном этапе / В.Л. Яковлев, С.В. Корнилков // Вестник УрО РАН. Наука. Общество. Человек. - 2013. - № 4. - C. 43 - 49. 4. Яковлев В.Л. О методологическом подходе к исследованиям в области освое- ния недр на основе системности, комплексности, междисциплинарности и инновацион- ной направленности / С.В. Корнилков, В.Л. Яковлев // Горный журнал. - 2015. - № 1. - C. 4 - 5. 5. Яковлев В.Л. Основные аспекты формирования и новые научные направления исследований транспортных систем карьеров / В.Л. Яковлев, Ю.А. Бахтурин, А.Г. Жу- равлев // Наука и образование. - №4 (80). - 2015. - С 67 - 72. 6. Яковлев В.Л. Переходные процессы в технологии разработки сложноструктур- ных месторождений полезных ископаемых // Открытые горные работы в XXI веке - 1: Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2015. – № 10 (специальный выпуск № 45 – 1). – С. 65 – 76. 7. Новые решения в развитии циклично-поточной технологии / В.Л. Яковлев, Г.Д. Кармаев, В.А. Берсенев, И.Г. Сумина // Горный журнал. - 2016. - № 10. – C. 54 - 64. 8. Геоинформационная оценка распределения показателей обогатимости титано- магнетитовых руд в контурах отрабатываемых карьеров Гусевогорского месторождения / В.Л. Яковлев, Ю.В. Лаптев, В.А. Гордеев, А.М. Яковлев // Литосфера. - 2016. - № 2. – С. 111 - 120. 9. Яковлев В.Л. Особенности методологического подхода к обоснованию страте- гии освоения сложноструктурных месторождений на основе исследования переходных процессов // Геомеханические и геотехнологические проблемы освоения недр Севера: Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2015. – СВ № 30.– С. 22 - 35. 10. Антонинова Н.Ю. Использование техногенных отходов ГМК в природоохран- ных целях на предприятиях ГМК / Н.Ю. Антонинова, Л.А. Шубина // Экология и про- мышленность России. – 2015. - № 10. - С. 38 - 41. 11. Изыскание подземной геотехнологии при переходе к освоению глубокозале- гающих запасов наклонного медноколчеданного месторождения / И.В. Соколов, Ю.Г. Антипин, И.В. Никитин, К.В. Барановский, А.А. Рожков // Изв. УГГУ. – 2016. – №2 (42). – С. 47 - 53. 12. Галкин В.А. О теории и методологии организации безопасного производства / В.А. Галкин, А.М. Макаров, И.Л. Кравчук // Уголь. – 2016. – № 4. – С. 39 - 43.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2017 г. С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е КАРЬЕРНЫЙ ТРАНСПОРТ
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 16С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 622.684 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.016 Лель Юрий Иванович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой разработки месторождений открытым способом, Уральский государственный горный университет, 620144 г. Екатеринбург, ул. Кубышева, 30 e-mail: lel49@mail.ru Глебов Игорь Андреевич студент, Уральский государственный горный университет e-mail: gleb_igor@mail.ru Ганиев Руслан Салаватович ассистент кафедры разработки месторождений открытым способом, Уральский государственный горный университет e-mail: sunmail2003@mail.ru Иванова Ольга Анатольевна аспирант, Уральский государственный горный университет e-mail: olga15-07-83@mail.ru СИСТЕМАТИЗАЦИЯ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ КАРЬЕРНОГО АВТОТРАНСПОРТА ПО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМУ КРИТЕРИЮ Lel Yuri I. Doctor of technical sciences, professor, the head of Department of surface deposits development, The Ural state mining University, 620144, Yekaterinburg, 30 Kuibishev st. e-mail: lel49@mail.ru Glebov Igor Andreevich student, The Ural state mining University e-mail: gleb_igor@mail.ru Ganiev Ruslan S. assistant professor, The department of surface deposits development, The Ural state mining University e-mail: sunmail2003@mail.ru Ivanova Olga A. post-graduate student, The Ural state mining University e-mail: olga15-07-83@mail.ru SYSTEMATIZATION OF OPERATING CONDITIONS FOR OPEN-PIT MOTOR TRANSPORT ACCORDING TO ENERGY CRITERION Аннотация: На основе экспериментально-аналитических ис- следований разработана методика оценки трудности транспортирования, основанная на расчете расхода дизельного топлива автосамо- свалами за транспортный цикл и приведенной фактической длины трассы к условному гори- зонтальному расстоянию с использованием энергетического критерия. В качестве крите- рия оценки трудности транспортирования обосновано использование коэффициента слож- ности трассы, представляющего собой отно- шение приведенного расстояния транспортиро- вания к фактическому. Получены расчетные за- висимости для определения приведенного рас- стояния на основе горизонтальных эквивален- тов вертикального перемещения горной массы. На основе разработанной методики получены зависимости для расчета линейной дифферен- цированной нормы расхода топлива автосамо- свалами Cat-777D и Cat-745С в условиях Нюр- бинского карьера АК «АЛРОСА». Проведена си- стематизация условий эксплуатации карьер- ного автотранспорта по критерию сложности трассы. Все условия разделены на пять классов сложности, при варьировании коэффициента сложности трассы от 1 до 3 и более. Установ- лено, что в настоящее время условия эксплуата- ции автотранспорта на большинстве алмазо- добывающих карьеров АК «АЛРОСА» отно- Abstract: While operating modern motor vehicles in deep open pit mines, it is crucially important to develop methods and measures to evaluate the difficulty of mined rock transportation by open- pit dump trucks. It has been found out that currently there is no uni- fied complex measure of transportation difficulty that could be used in technological evaluation of open-pit motor transport. Experimental and analyt- ical researches carried out by the authors serve as a basis for the development of the transportation dif- ficulty evaluation methods based on the calculation of the diesel fuel consumed by dump trucks per a load-haul-dump cycle and the actual load distance corrected in relation to conditional horizontal dis- tance by means of the energy criterion. The coeffi- cient of the haul distance complexity (μ) being the ratio of the corrected haul distance to the actual one is justified to be used as a criterion for the transpor- tation difficulty evaluation. To correct a haul dis- tance on the basis of the horizontal equivalents of the vertical rock mass movement, the calculated cor- relations have been obtained. It has been discovered that the haul distance complexity is determined by the rate of slope, rolling resistance, tare-load ratio and load capacity utilization factor as well as em- pirical coefficients, taking into account the increase in the rolling resistance of empty dump trucks in mo- tion, the increase in specific fuel consumption at a rated load of an engine of empty dump trucks mov- ing along a horizontal road, fuel consumption of
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 17С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е сятся к III-IV классам (сложные и весьма слож- ные, μ = 2,0…3,0). Внедрение полноприводных автосамосвалов при доработке карьеров будет сопровождаться переходом условий к V классу (исключительно сложные, μ = 5,0…7,0). Разра- ботанные методические положения прошли апробацию и рекомендуются к использованию в проектной практике и практике эксплуатации карьерного автотранспорта. Ключевые слова: карьер, автотранспорт, усло- вия эксплуатации, приведенное расстояние, го- ризонтальный эквивалент вертикального пере- мещения, расход топлива, коэффициент слож- ности трассы, коэффициент сопротивления ка- чению, коэффициент тары, коэффициент ис- пользования грузоподъемности, высота подъ- ема горной массы dump trucks in the brake-applied mode. The devel- oped technique has provided the correlations for the calculation of the linear differential fuel allowance of dump trucks Cat-777D Cat-745S under operating conditions of Nyurbinsk open-pit mine of «AL- ROSA» Diamond Company. Operating conditions for the open-pit motor transport have been systema- tized by means of the haul distance complexity cri- terion and divided into five classes (relatively easy, medium, complex, highly complex and extremely complex) with the haul distance complexity coeffi- cient ranging from 1 to 3 and more. It has been found out that the current operating conditions of the motor transport in the majority of the diamond mining pits of «ALROSA» refer to classes III-IV (complex and highly complex, μ = 2,0 ... 3,0). The introduction of all-wheel drive dump trucks during the cleaning-up stage will be accompanied by the transition to the operating conditions of Class V (ex- tremely complex, μ = 5,0 ... 7,0). The developed methodological principles have been tested and are recommended for application in open pit motor transport. designing and operating Key words: open-pit mine, motor transport, operat- ing conditions, corrected distance, horizontal equiv- alent of the vertical movement, fuel consumption, haul distance complexity coefficient, rolling re- sistance coefficient, tare-load ratio, load capacity utilization factor, rock mass rise height Внедрение на карьерах современных моделей автотранспортных средств, в том числе полноприводных автосамосвалов, сопровождается усложнением условий эксплу- атации технологического автотранспорта. При этом важное значение приобретает разра- ботка методики и показателей оценки трудности транспортирования горной массы. Наибольшую известность в этом направлении получил предложенный академиком В.В. Ржевским относительный показатель трудности транспортирования породы Пт, рас- считываемый по эмпирическому выражению [1]: ,П 3ср21т WnBCКАdКК  (1) где  – плотность породы, кг/м3 ; cpd – средний размер кусков породы в транспортном сосуде, м; А = 1 + 0,1σсдв; σсдв – сопротивление породы сдвигу (в образце), МПа; W – влажность перевозимой породы (в долях единицы); n – содержание в породе глинистых частиц (в долях единицы); B = 1 + lg(T + 1); Т – продолжительность транспортирования породы, ч; C = 1 – 0,025t; t – температура воздуха, ºС (учитывается только при t ≤ 0ºС); К1, К2, К3 – эмпирические коэффициенты. Все транспортируемые горные породы по величине Пт подразделяются на пять классов. Вместе с тем, ввиду сложности расчета, указанный показатель не нашел долж- ного практического применения. Существенным недостатком показателя Пт является то, что входящая в него продолжительность транспортирования (Т) также зависит от ком- плекса горнотехнических и дорожных условий эксплуатации. В качестве показателей оценки трудности транспортирования горной массы карь- ерными автосамосвалами различными авторами предлагались расстояние транспортиро-
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 18С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е вания, высота подъема (спуска) горной массы, средневзвешенный уклон трассы, каче- ство дорожного покрытия, сложность трассы в плане и другие факторы в различном их сочетании [2 – 4]. Однако до настоящего времени единого комплексного показателя трудности транспортирования, который мог бы использоваться в технологических рас- четах карьерного автотранспорта, не предложено. В основу разработанной методики авторами положен энергетический принцип, поскольку расход энергии (дизельного топлива) наиболее адекватно реагирует на изме- нение условий эксплуатации технологического автотранспорта. Расход дизельного топлива автотранспортом за транспортный цикл (Qц, л) опре- деляется по формуле Qц = Qconst + Qпер, (2) где Qconst – относительно постоянная часть расхода топлива в транспортном цикле, л; Qпер – переменная часть расхода топлива, зависящая от расстояния транспортиро- вания, высоты подъема (спуска) горной массы и других горнотехнических и дорожно- транспортных условий эксплуатации, л. Qconst = Qп + Qо + Qр + Qмп + Qмр, (3) где Qп, Qо, Qр, Qмп, Qмр – расход топлива, соответственно, при погрузке автосамосвала, ожидании погрузки, разгрузке, маневровых операций при установке на погрузку и раз- грузку, л. (4) где gх – удельный расход топлива на холостом ходу двигателя (полный холостой ход), л/ч (определяется экспериментально); tп + tо – суммарная продолжительность погрузки автосамосвала и ожидания по- грузки, мин. Расход топлива при разгрузке и производстве маневровых операций определя- ется из выражения ,60/iii tgQ  (5) где Qi – расход топлива на i-ом режиме, л; gi – удельный расход топлива на i-ом режиме, л/ч; ti – длительность i-го режима, мин. ,1000/пдн  kkNgg Nii (6) где нg – удельный расход топлива при номинальной нагрузке двигателя, г/кВт∙ч; дN – номинальная мощность двигателя автосамосвала, кВт; Nik – коэффициент использования мощности двигателей на i-ом режиме (табл. 1); пk – поправочный коэффициент, учитывающий изменения gн в зависимости от ис- пользования мощности двигателя ( пk = 1,1 … 1,2); ρ – плотность дизельного топлива, кг/л. Таблица 1 Значения коэффициентов использования мощности двигателя ( Nik ) на различных режимах (экспериментальные данные) [5] Характеристика режима Nik Маневры при установке: на погрузку 0,10 – 0,12 на разгрузку 0,38 – 0,40 Разгрузка 0,06 – 0,08   ,60/oпxоп ttgQQ 
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 19С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Переменная часть расхода топлива (Qпер, л) при движении автосамосвала по гори- зонтальной щебеночной автодороге с коэффициентом сопротивления качению ωо опре- деляется из выражения [6]:    , 367 1 т г21топрнп д г дпер    kkkkLGg QQQ (7) где г дQ – расход топлива при движении груженых самосвалов, л; п дQ – расход топлива при движении порожних самосвалов, л; G – грузоподъемность автосамосвала, т; kг – коэффициент использования грузоподъемности; т – коэффициент полезного действия трансмиссии автосамосвала; ωо – коэффициент сопротивления качению груженых автосамосвалов на автодороге со щебеночным покрытием [10]; k1 – коэффициент, учитывающий увеличение ωо при движении порожних автоса- мосвалов (k1 ≈ 1,15 … 1,20) [6]; k2 – коэффициент, учитывающий увеличение удельного расхода дизтоплива при номинальной нагрузке gн при движении порожних автосамосвалов (k2 ≈ 1,1) [6]; kт – коэффициент тары самосвала; Lпр – расстояние транспортирования (длина горизонтальной трассы), км. Формулу (7) можно применить для расчета расхода топлива по реальной трассе, если фактическую длину трассы привести к горизонтальной автодороге со щебеночным покрытием. Общую длину реальной трассы движения (L, км) можно представить в виде суммы отдельных участков (рис. 1): Рис. 1 – Схема к расчету расхода дизтоплива (8) где Lг – суммарная протяженность горизонтальных участков со щебеночным покрытием, км; Lв – суммарная протяженность временных горизонтальных участков без покрытия, км. (9) где Lг – суммарная протяженность наклонных участков с уклоном iп при движении на подъем, км; Lс – суммарная протяженность наклонных участков с уклоном iс при движении на спуск, км; Hп, Hс – высота подъема (глубина спуска) горной массы, м. ,вг LLLL i  ,1010 3 сс 3 ппсп  iHiHLLLi Lв Lг Lг Lг Lг Lв Нп L iп iп iп
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 20С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 2 – Схема к расчету приведенного расстояния транспортирования при работе автосамосвала на подъем горной массы Приведенное расстояние транспортирования (Lпр, км) рассчитывается по фор- муле (рис. 2) [6, 7]: (10) где Эп, Эс – горизонтальные эквиваленты вертикального перемещения (подъема, спуска) горной массы, показывающие, какое расстояние транспортирование по горизонтальной автодороге со щебеночным покрытием эквивалентно по затратам энергии подъему (спуску) горной массы по наклонному участку на высоту (глубину) 1 м, м/м. Экспери- ментально-аналитические зависимости для расчета горизонтальных эквивалентов, полу- ченные на основании исследований УГГУ, представлены в табл. 2 [6]. Таблица 2 Зависимости для расчета горизонтальных эквивалентов Горизонтальные эквиваленты вертикального перемещения, м/м Подъем горной массы Спуск горной массы      г21топ погт3 п 1 Э kkkki ikkk        г21тос сот421 п 1 Э kkkki ikkkk    Примечание: k3 – коэффициент, учитывающий расход топлива при движении порожних автоса- мосвалов на спуск в тормозном режиме (k3 = 1,05…1,07); k4 – коэффициент, учитывающий расход топлива при движении груженых автосамосвалов на спуск в тормозном режиме (k4 = 1,2…1,3); iп (iс) > ωо При расчете приведенного расстояния возникает необходимость приведения участков автодорог к одному типу покрытия – базовому. В качестве базового рекомен- дуется принимать наиболее распространенное в карьерах щебеночное покрытие с коэф- фициентом сопротивления качению ωо = 0,020 … 0,025 [11,12]. В формуле (10) kпр – коэффициент приведения покрытия временных автодорог к базовому (щебеноч- ному) покрытию. ,о в опр k (11) где в оω – коэффициент сопротивления качению на временных забойных и отвальных автодорогах. Значения горизонтальных эквивалентов вертикального перемещения горной массы и коэффициентов приведения покрытий временных автодорог для автосамосвалов Cat-777D с колесной формулой 4×2 и полноприводных автосамосвалов Cat-745C в гор- нотехнических условиях Нюрбинского карьера АК «АЛРОСА» приведены в табл. 3. ,10Э10Э впр 3 сс 3 ппгпр LkНHLL   Lпр=НпЭп Lп=Нп iп -1 Нп(Эп – iп -1 ) iп Нп
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 21С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Таблица 3 Значения горизонтальных эквивалентов и коэффициентов приведения покрытий временных автодорог Модель и грузоподъемность самосвала Значения горизонтальных эквивалентов (kг = 0,9; ωо = 0,0225) kпрЭп, м/м при iп Эс, м/м при ic 0,08 0,12 0,18 0,24 0,08 0,12 0,18 0,24 Cat-777D (G = 91т) 38,54 – – – 27,20 – – – 1,78 Cat-745С (G = 41т) 37,57 34,82 32,99 32,08 28,39 26,32 24,93 24,24 1,78 Умножив расход дизельного топлива за транспортный цикл (Qц, л) на величину 1000ρ/kгGL, где L – фактическое расстояние транспортирования в км, получим диффе- ренцированную норму расхода топлива для конкретной модели автосамосвала (Na, г/ткм):    . 1725,21000 гт г21тпрон г const a kL kkkkLg GLk Q N      (12) Обозначив L Lпр  – коэффициент сложности трассы, получим   . 1725,21000 гт г21тон г const a k kkkkg GLk Q N      (13) В горнотехнических условиях Нюрбинского карьера для автосамосвалов Cat-777D при Qconst = 2,86 л; gн = 225 г/кВт∙ч; kт = 0,71; kг = 0,9; k1 = 1,2; k2 = 1,1; ωо = 0,0225; G = 91 т; т = 0,85; ρ = 0,836 кг/л норма расхода топлива составит .80,45 19,29 a  L N (14) Сравнение фактического расхода топлива автосамосвалами Cat-777D на Нюрбин- ском карьере с расчетным показывает высокую точность предлагаемой методики прак- тически в любых диапазонах изменения горнотехнических условий эксплуатации, то есть при любой сложности трасс. Ошибка составляет 2,5–4,0 %. Для полноприводных автосамосвалов Cat-745С, применение которых предпола- гается при разработке глубоких горизонтов Нюрбинского карьера, при Qconst = 1,34 л; gн = 210 г/кВт∙ч; kт = 0,80; kг = 0,9; k1 = 1,2; k2 = 1,1; ωо = 0,0225; G = 41 т; т = 0,85; ρ = 0,836 кг/л норма расхода топлива составит .μ48,46 36,30 a  L N (15) Таким образом, линейная норма расхода топлива при прочих равных условиях для конкретной модели автосамосвала представляет собой функцию двух переменных – фак- тического расстояния транспортирования (L) и отношения приведенного расстояния к фактическому, то есть сложности трассы. Левая часть уравнений (12) – (15) отражает постоянную составляющую расхода топлива, доля которой в общем расходе за цикл уменьшается с увеличением расстояния транспортирования. Правая часть указанных уравнений отражает переменную часть расхода, которая линейно зависит от сложности трассы. Коэффициент сложности трассы (μ) показывает, во сколько раз энергозатраты при движении автосамосвала по реальной трассе протяженностью L превышают энергоза- траты при движении по горизонтальной автодороге со щебеночным покрытием такой же протяженности.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 22С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е В простейшем случае, когда трасса представлена участком подъема или спуска, коэффициент сложности трассы определится из следующих выражений: при работе на подъем горной массы ,Э Э пп пп пппр i iН H L L  (16) при работе на спуск .Э Э μ сс сс сспр i iН H L L  (17) В развернутом виде при работе на подъем       , 1ω ω μ г21то погт3 kkkk ikkk    (18) при работе на спуск      . 1 г21то сот421 kkkk ikkkk    (19) Если коэффициент сопротивления качению (ωi) на участке подъема (спуска) от- личается от стандартных значений на автодороге со щебеночным покрытием (ωо), то вы- ражения (18) и (19) принимают следующий вид: при движении и на подъем       , 1ω ω μ г21то пгт3 kkkk ikkk i    (20) при движении на спуск      . 1ω ω μ г21то ст421 kkkk ikkkk i    (21) Таким образом, сложность трассы определяется уклоном, сопротивлением каче- нию, зависит от коэффициента тары и коэффициента использования грузоподъемности, а также от эмпирических коэффициентов, учитывающих увеличение сопротивления ка- чению при движении порожних автосамосвалов, увеличение удельного расхода топлива при номинальной нагрузке двигателя при движении порожних автосамосвалов по гори- зонтальной дороге, расход топлива при движении автосамосвалов в тормозных режимах. Основное влияние на сложность трассы оказывает уклон автодорог (рис. 3). На рис. 4 представлена зависимость линейной нормы расхода топлива автосамо- свалов Cat-745C от расстояния транспортирования и коэффициента сложности трассы в условиях Нюрбинского карьера АК «АЛРОСА». Установлено, что объективной закономерностью для глубоких карьеров является увеличение сложности трассы с ростом глубины разработки (рис. 5). При этом макси- мальные значения коэффициентов сложности трассы для автосамосвалов с колесной формулой 4×2, работающих на руководящих уклонах iр ≤ 10…12 %, могут достигать 2,5 – 3,2. При внедрении полноприводных автосамосвалов, эксплуатирующихся на руко- водящих уклонах до 18 – 24 %, коэффициент сложности трассы увеличивается до 5 – 7 [8, 9]. Показатель сложности трассы является комплексным, объективно отражает изме- нения горнотехнических условий эксплуатации карьерного автотранспорта, имеет чис- ленное выражение, может использоваться в технологических расчетах расхода дизель- ного топлива. Этот показатель можно применить в качестве основы для систематизации условий эксплуатации технологического карьерного автотранспорта (табл. 4).
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 23С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 3 – Зависимость коэффициента сложности трассы (μ) от уклона автодорог (iп) и коэффициента сопротивления качению (ωi) при работе автосамосвалов на подъем горной массы Рис. 4 – Зависимость нормы расхода топлива (Na, г/ткм) от расстояния транспортирования (L) и коэффициента сложности трассы (μ) (автосамосвал Cat-745C) а) б) Рис. 5 – Зависимость коэффициента сложности трассы (μ) от глубины карьеров (Нк): а) карьер «Нюрбинский»; б) карьер «Юбилейный» АК «АЛРОСА» (ПАО)
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 24С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Все условия эксплуатации карьерного автотранспорта разделены на пять классов. В настоящее время условия эксплуатации автотранспорта на карьерах АК «АЛРОСА» (ПАО) относятся к III – IV классам (сложные и весьма сложные). Для большинства карь- еров Уральского региона характерны условия эксплуатации II – III классов (средние и сложные). К IV классу (весьма сложные) можно отнести условия эксплуатации на двух карьерах, находящихся в стадии доработки: Карагайский карьер комбината «Магнезит» и карьер «Малый Куйбас» Магнитогорского металлургического комбината. Внедрение полноприводных автосамосвалов при доработке алмазодобывающих карьеров АК «АЛРОСА» (ПАО) будет сопровождаться переходом условий к V классу (исключительно сложные) и потребует дополнительных исследований по обеспечению безопасности и эффективности эксплуатации. Таблица 4 Систематизация условий эксплуатации карьерного транспорта Класс условий эксплуата- ции Коэффици- ент сложно- сти трассы м = Lпр/L Характеристика условий эксплуатации Примечания I 1,00 – 1,50 Относительно легкие Карьеры поверхностного типа глубиной до 40 -50 м, ip ≤ 6…8 %; доля уклонов в общем расстоянии транспортирования до 40 %. Пре- имущественное использование автосамосва- лов с колесной формулой 4Ч2, на грунтах со слабой несущей способностью возможно при- менение полноприводных автосамосвалов. II 1,51 – 2,00 Средние Карьеры глубиной до 100-150 м; ip ≤ 8 %; доля уклонов в общем расстоянии транспортирова- ния до 60 %. Использование автосамосвалов с колесной формулой 4Ч2. III 2,01 – 2,50 Сложные Карьеры глубиной до 300-350 м; ip = 8…12 %; доля уклонов в общем расстоянии транспорти- рования до 70 %. Нагорные и нагорно-глубин- ные карьеры при работе автосамосвалов на спуск горной массы. Использование автосамосвалов с колесной формулой 4Ч2. IV 2,51 – 3,00 Весьма сложные Карьеры глубиной до 600 м; доля уклонов в общем расстоянии транспортирования до 80 %. Совместное использование автосамо- свалов с колесной формулой 4Ч2 в верхней и средней зонах карьера (ip = 10…12 %) и пол- ноприводных автосамосвалов в нижней зоне (ip = 18…24 %). V > 3,00 Исключительно сложные Карьеры глубиной более 600 м; доля уклонов в общем расстоянии транспортирования бо- лее 80 %. Преимущественное использование полноприводных автосамосвалов (ip = 18…24 %). Выводы В результате проведенных исследований разработана методика оценки трудности транспортирования горной массы карьерными автосамосвалами, основанная на расчете расхода дизельного топлива за транспортный цикл и приведении фактической длины трассы к условному горизонтальному расстоянию транспортирования с использованием
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 25С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е энергетического критерия. В качестве критерия оценки трудности транспортирования обосновано использование коэффициента сложности трассы, показывающего, во сколько раз энергозатраты при движении автосамосвалов по реальной трассе превышают энергозатраты при движении по горизонтальной автодороге со щебеночным покрытием такой же протяженности. Получены расчетные формулы для определения приведенного расстояния транспортирования на основе горизонтальных эквивалентов вертикального перемещения горной массы. Проведена систематизация условий эксплуатации карьер- ного транспорта по критерию сложности трассы. Все условия разделены на пять классов (относительно легкие, средние, сложные, весьма сложные и исключительно сложные). Установлено, что в настоящее время условия эксплуатации автотранспорта на большин- стве алмазодобывающих карьеров АК «АЛРОСА» относятся к III – IV классам (слож- ные и весьма сложные μ = 2,0…3,0). Внедрение полноприводных автосамосвалов, рабо- тающих на руководящих уклонах до 18 – 24 %, будет сопровождаться переходом усло- вий эксплуатации к V классу (исключительно сложные, μ = 5,0…7,0). Методика может быть использована в проектной практике и в практике эксплуа- тации технологического карьерного автотранспорта. Литература 1. Ржевский В.В. Открытые горные работы: Производственные процессы: Учеб- ник. Изв. стереотип / В.В. Ржевский. – М.: Книжный дом «ЛИБКОМ», 2013. – 512 с. 2. Яковлев В.Л. Новые специализированные виды транспорта для горных работ / В.Л. Яковлев, П.И. Тарасов, А.Г. Журавлев. – Екатеринбург: УрО РАН, 2011. – 375 с. 3. Кармаев Г.Д. Выбор горно-транспортного оборудования циклично-поточной технологии карьеров / Г.Д. Кармаев, А.В. Глебов. – Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2012. – 296 с. 4. Углубочный комплекс для доработки кимберлитовых карьеров / В.Л. Яковлев, П.И. Тарасов, В.О. Фурин, И.В. Зырянов. – Екатеринбург: УрО РАН, 2015. – 268 с. 5. Смирнов В.П. Теория карьерного большегрузного автотранспорта / В.П. Смир- нов, Ю.И. Лель. – Екатеринбург: УрО РАН, 2002. – 355 с. 6. Совершенствование нормирования расхода топлива карьерными автосамосва- лами на основе горизонтальных эквивалентов вертикального перемещения горной массы / Ю.И. Лель, Р.Г. Салахиев, С.А. Арефьев, И.Н. Сандригайло // Изв. вузов. Горный жур- нал. – 2014. - № 2. – С. 107 - 116. 7. Галкин В.А. Горизонтальный эквивалент вертикального перемещения горной массы карьерными автосамосвалами / В.А. Галкин, Г.А. Караулов, В.Н. Сидоренко // Изв. вузов. Горный журнал. - 1983. - № 7. – С. 14 - 18. 8. Технологические схемы перехода на новые модели автосамосвалов при дора- ботке глубоких карьеров / Ю.И. Лель, А.В. Глебов, Д.Х. Ильбульдин и др. // Изв. вузов. Горный журнал. – 2015. - № 8. – С. 4 - 13. 9. Формирование рабочей зоны глубоких кимберлитовых карьеров / А.Н. Аки- шев, И.В. Зырянов, Б.Н. Заровняев, Г.В. Шубин и др. – Новосибирск: Наука, 2015. – 204 с. 10. К вопросу оценки качества карьерных автодорог / Ю.И. Лель, С.А. Арефьев, А.В. Глебов, Д.Х. Ильбульдин // Известия УГГУ. – Вып. 3(43). – С. 70 - 73. 11. Atkinson T., Walton G. Design and Layout of haul roads for surface mines. «Sur- face Mining and Quarryng/ Pap. 2nd Int. Symp. Bristol, 4-6 Oct. 1983» 12. Willimson Owen S. Haul road design for off-highway mining equipment. World Mining Equip. - 1987. - Vol. 12. - № 3. - Р. 24 - 26.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 26С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 621.867:004.94 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.026 Реутов Александр Алексеевич доктор технических наук, профессор, Брянский государственный технический университет, 241035, г. Брянск, бульвар 50-летия Октября, 7 e-mail: aareutov@yandex.ru ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТУПЕНЧАТОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ КОНВЕЙЕРА Reutov Alexander A. Doctor of technical sciences, professor, The Bryansk State Technical University, 241035, Bryansk, 7 bul. 50years of October e-mail: aareutov@yandex.ru SIMULATION OF THE CONVEYOR SPEED STEP CONTROL Аннотация: Рассмотрено моделирование процесса ступен- чатого регулирования скорости конвейера с ис- пользованием программ Mathcad, Simulink. По- казано, что общие статистические характери- стики грузопотоков можно использовать лишь для ориентировочной оценки значений скоро- стей ступеней Vi. Для более точного определе- ния значений Vi необходимо моделировать про- цесс регулирования скорости конвейера с реаль- ными значениями грузопотока за рабочую смену или за сутки. Получены аналитические зависи- мости для вычисления оптимальных значений скорости конвейера через статистическую оценку грузопотока за период наблюдения. Рассмотрен пример имитационного моделиро- вания с применением программы Mathcad. С ис- пользованием линейной интерполяции 104 значе- ний грузопотока и операторов программирова- ния вычислены значения Vср и Nп для двух-, трех- и четырехступенчатых режимов регулирова- ния. Результаты работы могут использоваться при проектировании регулируемого привода лен- точных конвейеров. Ключевые слова: грузопоток, конвейер, ступен- чатое регулирование скорости, алгоритм регу- лирования, имитационное моделирование, Mathcad, Simulink Abstract: The possibilities of step control conveyor speed sim- ulation within Mathcad and Simulink software are considered in the article.. General statistical param- eters of the conveyor load can be used for a rough estimation of the speed step values only. To check the efficiency of the control algorithms and to deter- mine the characteristics of the control system more accurately it is necessary to simulate the process of speed control with real values of traffic for a work shift or for a day. The analytical formulas for opti- mal speed step values were obtained using empirical values of load. The simulation example within Mathcad software is considered. The values of Vср and Nп for two-step, three-step and four-step control regimes were calculated with linear interpolation of 104 load data and the use of Mathcad programming operators. Work results can be applied during the design of belt conveyors with adjustable drives. Key words: load flow, conveyor, the stepped speed regulation, an algorithm of regulation, simulation, Mathcad, Simulink Введение При проектировании конвейеров горных предприятий необходимо учитывать, что поступающий на конвейер грузопоток изменяется в течение времени. Характери- стики грузопотоков, поступающих на конвейеры горных предприятий, измерялись со- трудниками ИГД им. А.А. Скочинского, НИИКМА им. Л.Д. Шевякова и других органи- заций. По результатам статистической обработки эмпирических данных грузопотоков были разработаны методики расчета оптимальных параметров конвейеров и бункеров, обеспечивающих минимальные эксплуатационные расходы. В [1] отмечено, что вследствие неравномерной работы очистного оборудования участковый конвейер значительную часть времени работает с неполной загрузкой. По- этому предложено выбирать участковый конвейер с учетом коэффициента машинного времени добывающего оборудования и коэффициента неравномерности грузопотока. Приведенные эмпирические значения минутного грузопотока Qм, т. е. массы груза, по- ступающего на конвейер за одну минуту, показывают изменение Qм от 2 до 5 т/мин в течение 9 минут.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 27С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Снижение загрузки конвейера ведет к гиперболическому увеличению удельных энергозатрат  на транспортирование. Так, работа конвейера с 25-процентной загрузкой увеличивает  на 160 % по сравнению с номинальной загрузкой [2]. При скорости ленты, например, 2,5 м/с за одну минуту происходит загрузка 150 м ленты конвейера, поэтому для оценки загруженности ленты и отсутствия просыпей необ- ходимо использовать эмпирические значения грузопотока за более короткий промежу- ток времени. Характеристики минутных грузопотоков пригодны для расчетов конвейе- ров с загрузочным бункером, оборудованным питателем. В ряде случаев установка за- грузочного бункера конвейера невозможна или требует существенных капитальных за- трат. Для анализа безбункерной загрузки конвейеров необходимы значения грузопотока Qс за время tQ = 1…3 с. Обработка результатов замеров забойных грузопотоков угольных шахт показала, что коэффициент вариации Qс достигает величины 0,73 при tQ = 1,2 с [3]. Целью исследования является разработка имитационных моделей для проверки работоспособности алгоритмов и определения параметров управления скоростью кон- вейера с учетом поступающего грузопотока. Возможности регулирования скорости конвейера Важным способом снижения эксплуатационных расходов является регулирова- ние скорости конвейера в соответствии с фактическим грузопотоком. Регулирование скорости конвейеров не получило ранее широкого распространения на горных предпри- ятиях из-за недостаточной надежности и эффективности регулирующей аппаратуры. Многоскоростные асинхронные электродвигатели позволяют дискретно изменять скорость конвейера. Их применение обеспечивает движения грузонесущего органа с не- сколькими фиксированными скоростями, однако согласовать скорости электродвигателя с необходимыми скоростями конвейера практически невозможно. Кроме того, переклю- чение скоростей сопровождается вредными электромагнитными и механическими про- цессами в приводе конвейера. Новые возможности регулирования появились с созданием полупроводниковых устройств регулирования электроприводов, которые позволяют регулировать в широком диапазоне частоту вращения и электромагнитный момент электродвигателя. Поступающий на конвейер грузопоток изменяется почти непрерывно. Если устройство регулирования также изменяет скорость конвейера непрерывно в соответ- ствии с изменением Qc, то конвейер постоянно работает в переходном динамическом ре- жиме с повышенным износом и энергозатратами. Ступенчатое регулирование скорости сокращает количество и время переходных динамических процессов, повышает эффек- тивность работы конвейера за счет обеспечения полной загрузки ленты без просыпания груза, уменьшения потерь энергии и износа узлов конвейера [4]. При проектировании конвейеров используют большое количество критериев [5]. Для выбора оптимального количества ступеней и соответствующих им значений скоро- сти в качестве критериев можно использовать энергопотребление конвейера или приве- денную стоимость транспортировки. Однако рассчитать эти показатели с приемлемой точностью трудоемко. В качестве критерия эффективности регулирования скорости кон- вейера лучше использовать среднее значение скорости или путь, пройденный лентой, за установленное время. В [6] приведены зависимости для расчета значений скорости ступеней Vi для ста- ционарного нормального случайного процесса изменения Qс. Однако многие исследова- тели отмечают, что во многих случаях забойные грузопотоки не являются ни стационар- ными, ни нормальными случайными процессами [7]. Поэтому общие статистические ха- рактеристики грузопотоков можно использовать лишь для ориентировочной оценки зна- чений Vi. Для более точного определения значений Vi необходимо моделирование про- цесса регулирования скорости с реальными значениями грузопотока Qc за установлен-
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 28С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е ное время. Для горных предприятий с учетом технологии добычи необходимо использо- вать значения грузопотока Qc за рабочую смену или за сутки. Результаты замеров грузо- потока и мощности привода магистрального ленточного конвейера 2ЛУ120 в течение 4 суток на шахте «Должанская-Капитальная» представлены в [8]. Расчетное значение средней скорости mV зависит от ожидаемой относительной длительности Pi работы конвейера со скоростью i-ой ступени Vi: ;;2211 nnV PVPVPVm   ,1 1   SN i iP (1) где NS – количество ступеней регулирования. Скорость i-ой ступени Vi выразим через величину номинальной погонной нагрузки  и значение грузопотока Qi , соответствующего i-ой ступени: ./ ii QV Величина номинальной погонной нагрузки  является конструктивной характе- ристикой конвейера и обеспечивает его нормальную работу без просыпания груза:  = Qn /Vn , где Qn и Vn – номинальные значения производительности и скорости конвейера. Величины Pi могут быть вычислены через статистическую оценку p(x) суммарной длительности грузопотока Qc = x за период наблюдения (то есть через статистическую плотность распределения величины Qc): ;)( 1 dxxpP i i Q Q i    i = 1, …, NS. Необходимое условие минимума средней скорости mV имеет следующий вид: ,0   i V Q m i = 1, …, NS -1. (2) Если система управления не останавливает конвейер при Qc = 0, а лишь снижает скорость до значения V0, то уравнение (1) принимает вид: )1( 1102 2 1 1 00  nnV PPPVP Q P Q PVm   . Имитационное моделирование с использованием Mathcad Целью имитационного моделирования процесса регулирования скорости конвей- ера является проверка работоспособности алгоритма, определение оптимальных пара- метров регулирования, соответствующих характеристикам поступающего на ленту гру- зопотока Qс , например, определение оптимального количества ступеней регулирования и соответствующих им значений производительности. В качестве критериев эффективности регулирования примем среднее значение скорости Vср и количество переключений скорости Nп за время моделирования. Исходными данными для имитационного моделирования являются эмпирические данные замеров грузопотока Qc. При tQ = 1 с только за одну восьмичасовую рабочую смену результаты замеров включают 28800 значений Qc. Программная обработка таких больших массивов данных возможна с использованием математических программ Mathcad, Matlab или программ, специально написанных для данной задачи на одном из алгоритмических языков. Рассмотрим пример имитационного моделирования процесса регулирования ско- рости конвейера с использованием программы Mathcad. В качестве исходных данных использованы 104 значения Qс с математическим ожиданием 28,8 кг/с и средним квад- ратичным отклонением 14,2 кг/с. Максимальные значения Qс достигают 50 кг/с, что со- ответствует теоретической производительности конвейера 180 т/ч tQ = 3 c.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 29С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е С использованием линейной интерполяции дискретных значений Qс и операторов программирования вычислены значения Vср и Nп для двух-, трех- и четырехступенчатых режимов регулирования при номинальной скорости Vn = 2,5 м/с. В табл. 1 приведены рассчитанные значения Vср и Nп для оптимальных значений скорости ступеней Vi (i = 0…NS), рассчитанных по уравнениям (2). Таблица 1 Результаты моделирования NS Vi / Vn Vср, м/с Nп 2 0,125; 0,66; 1 1,96 11 3 0,125; 0,3; 0,66; 1 1,79 16 4 0,125; 0,25; 0,6; 0,75, 1 1,74 24 Количество значений отношения скоростей Vi/Vn в таблице на единицу превышает NS, так как в модели принято V0 = Vn/8 при Qс = 0. На рис. 1 приведены графики рассмотренного примера изменения поступающего грузопотока Qс и скорости конвейера во времени. Для приведения к одному масштабу значения Qс на графике умножены на 0,05, т. е. масштаб по оси ординат для Qс – 1:20 кг/с. Vtwo, Vthree, Vfour – скорость конвейера (м/с) при двухступенчатом, трехступенчатом и четырехступенчатом регулировании. Для использованных в примере исходных данных наиболее заметно Vср снижается при двух- и трехступенчатом регулировании. Четырехступенчатый режим снижает Vср лишь на 2,9 % по сравнению с трехступенчатым при заметном увеличении Nп на 53 %. а б Z Рис. 1 – Графики изменения грузопотока Qс (кг/с) и скорости конвейера (м/с) во времени t (с): а – двухступенчатое регулирование, б – трех- и четырехступенчатое регулирование В рассмотренном примере значения скоростей ступеней Vi остаются неизмен- ными, а в [9] предложен способ ступенчатого регулирования скорости ленты конвейера, в котором количество ступеней регулирования и скорости ступеней Vi принимают раз- ные значения при возрастании и снижении грузопотока. Инкрементный алгоритм регулирования скорости ленты конвейера Способ [9] включает постоянное измерение фактической скорости ленты путем управления приводом конвейера в местах загрузки и поступающего грузопотока. При- емная способность конвейера qout (кг/с) зависит от текущей скорости V ленты в месте загрузки и номинальной погонной нагрузки  (кг/м) конвейера (qout = V). Скорость ленты увеличивают на величину q1/ в течение времени t1, если посту- пающий грузопоток Qс превышает приемную способность конвейера qout; или умень-
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 30С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е шают скорость ленты на величину q2/ в течение времени t2, если поступающий гру- зопоток Qс меньше приемной способности конвейера qout на величину q2; или оставляют скорость ленты без изменения, если величина поступающего грузопотока Qс находится в диапазоне значений от qout – q2 до qout; или прекращают загрузку конвейера без изме- нения скорости ленты, если поступающий грузопоток Qс превышает максимальную при- емную способность конвейера Qmax. Здесь q1, q2 – отношение номинальной производительности конвейера Qn к вы- бранному количеству ступеней регулирования при увеличении и снижении скорости ленты. Интервалы времени t1 и t2 необходимы для плавного изменения скорости. Если а1 и а2 – допустимые ускорение и замедление ленты, то t1  q1/а1 , t2  q2/а2. Имитационная модель инкрементного алгоритма регулирования скорости разра- ботана в среде Simulink с использованием блоков «From File», «Scope», «HitCrossing», «Unit Delay», «Saturation», «Stop Simulation» и др. для трехступенчатого режима увели- чения скорости V ленты от начального значения V0 до номинального значения Vn и двух- ступенчатого режима снижения скорости V ленты от Vn до V0. При этом q1 = Qn /3, а q2 = Qn /2. Трехступенчатый режим увеличения скорости позволяет увеличивать скорость V ленты на величину инкремента 1 = (Vn – V0)/3. Двухступенчатый режим снижения скорости позволяет уменьшать скорость ленты на величину инкремента 2 = (Vn – V0)/2. Большее количество ступеней при увеличении скорости и меньшее при снижении позво- ляют плавно увеличивать скорость и снизить количество переключений при снижении грузопотока. Результаты моделирования для 104 значений Qс рассмотренного выше примера приведены на рис. 2. а б Рис. 2 – Схема модели (а) и графики (б) изменения грузопотока Qс и скорости V конвей- ера, полученные с использованием Simulink (масштаб по оси абсцисс для t – 1:1 с; масштаб по оси ординат для Qс – 1:50 кг/с, для V – 1:2,5 м/с) Модель включает 3 блока «HitCrossing» (Cross zero rising, Cross First rising, Cross Second rising), соответствующие трем ступеням возрастания Qс и 2 блока «HitCrossing» (Cross zero falling, Cross Second falling), соответствующие двум ступеням снижения Qс (см. рис. 2). Параметры блоков «HitCrossing» настроены так, что переключение ступеней происходит, если Qс = {0, Qn/3, 2Qn/3} при возрастании грузопотока и Qс = {Qn/2, 0} при снижении грузопотока. Блок «Stop Simulation» контролирует превышение максимальной приемной способности конвейера и останавливает моделирование, если Qс > Qmax .
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 31С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Уменьшение количества ступеней регулирования при снижении грузопотока поз- волило сократить по сравнению с полностью трехступенчатым режимом (см. рис. 1б) количество переключений до 12 и незначительно увеличило Vср до 2,03 м/с. То есть ко- личество переключений сократилось в 1,54 раза, средняя скорость увеличилась на 12,8 % (см. табл. 1). Имитационное моделирование инкрементного алгоритма регулирования пока- зало возможность управления плавностью изменения скорости конвейера при монотон- ном изменении грузопотока. Однако осцилляции величины Qс около значений ступеней приводят к необоснованному завышению или занижению скорости конвейера. Рассмотренные подходы к имитационному моделированию применимы не только для конвейерного транспорта, но и для экскаваторно-автомобильных комплексов карье- ров [10]. Они позволяют оценить эффективность диспетчерского алгоритма, определить путь повышения производительности. Заключение Эффективным способом снижения эксплуатационных расходов конвейерного транспорта является регулирование скорости конвейера в соответствии с фактическим грузопотоком. Вероятностные методы расчета характеристик процессов загрузки и регулирова- ния скорости конвейера не позволяют получать результаты с достаточной для практиче- ского использования точностью из-за сложности формального описания грузопотоков горных предприятий. Для проверки работоспособности алгоритмов регулирования и бо- лее точного определения характеристик системы регулирования необходимо имитаци- онное моделирование процесса регулирования скорости с реальными значениями грузо- потока за рабочую смену или за сутки. Характеристики минутных грузопотоков при- годны для расчетов конвейеров с загрузочным бункером, а для анализа безбункерной загрузки конвейеров необходимы значения грузопотока за время 1…3 с. С учетом больших объемов эмпирических данных замеров грузопотоков имита- ционное моделирование регулирования скорости конвейера с использованием программ Mathcad, Simulink позволяет определить характеристики системы регулирования с при- емлемой точностью и трудозатратами. Рассмотренный пример моделирования показал, что среднее значение скорости конвейера Vср наиболее заметно снижается при двух- и трехступенчатом регулировании. Дальнейшее увеличение количества ступеней регулирования незначительно снижает Vср по сравнению с трехступенчатым, но заметно увеличивает интенсивность переключений скорости. Инкрементный алгоритм использует разное количество ступеней регулирования при возрастании и снижении грузопотока и позволяет управлять интенсивностью пере- ключения ступеней регулирования скорости конвейера. Имитационное моделирование инкрементного алгоритма регулирования в среде Simulink показало возможность управ- ления интенсивностью переключений ступеней регулирования скорости конвейера при монотонном изменении грузопотока. Однако осцилляции величины грузопотока около значений ступеней приводят к необоснованному завышению или занижению скорости. Литература 1. Гудалов В.П. Выбор ленточных конвейеров для транспортирования угля из очистных забоев / В.П. Гудалов // Шахтный и карьерный транспорт. Вып. 2. - М.: Недра, 1975. - C. 80 – 86. 2. Semenchenko A. The impact of an uneven loading of a belt conveyor on the loading of drive motors and energy consumption in transportation/ A. Semenchenko, M. Stadnik, P. Be- litsky, D. Semenchenko, O. Stepanenko// Eastern-European Journal of Enterprise Technolo- gies. Issue 4/1 (82). - 2016. - Р. 42 –51.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 32С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е 3. Пономаренко В.А. Исследование внутриминутных характеристик забойных грузопотоков / В.А. Пономаренко, Е.Л. Креймер // Шахтный и карьерный транспорт. Вып. 4. - М.: Недра, 1978. - C. 27 – 33. 4. Реутов А.А. Обеспечение загрузки конвейеров с регулируемой скоростью ленты / А.А. Реутов // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2005. - № 3 (7). - C. 4 – 6. 5. Реутов А.А. Основы автоматизации проектирования машин / А.А. Реутов. – Брянск: Изд-во Брянского государственного технического университета, 2013. - C. 44 – 48. 6. Шахмейстер Л.Г. Вероятностные методы расчета транспортирующих машин / Л.Г. Шахмейстер, В.Г. Дмитриев. - М.: Машиностроение, 1983. - C. 100 – 114. 7. Мерцалов Р.В. Обобщение статистики о неравномерности забойных грузопото- ков на угольных шахтах / Р.В. Мерцалов // Шахтный и карьерный транспорт. Вып. 9. - М.: Недра, 1984. - C. 5 – 13. 8. Кондрахин В.П. Статистический анализ эксплуатационных параметров шахт- ного ленточного конвейера / В.П. Кондрахин, Н.И. Стадник, П.В. Белицкий // Науковi працi Донецького нацiонального технiчного унiверситету. Серiя: Гiрничо-електроме- ханiчна. - 2013. -№ 2 (26). - С. 140 – 150. 9. Пат. 2600404 Российская Федерация, МПК B65G 43/08. Способ регулирования скорости ленты конвейера / А.А. Реутов. - № 2015144201/11; заявл. 14.10.2015, опубл. 20.10.2016. Бюл. № 29. 10. Захаров А.Ю. Алгоритм оперативной диспетчеризации карьерного автотранс- порта / А.Ю. Захаров, А.Ю. Воронов // Вестник Кузбасского государственного техниче- ского университета. - 2012. - № 5 (93)
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2017 г. С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е ГЕОМЕХАНИКА
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 34С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК [622.1:528 + 550.3]:624.131.1 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.034 Далатказин Тимур Шавкатович кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории сдвижения горных пород, Институт горного дела УрО РАН, 620075, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: 9043846175@mail.ru ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОПОЛЗНЕЙ В КОРШУНОВСКОМ КАРЬЕРЕ Dalatkazin. Timur Sh. candidate of technical sciences, The Institute of Mining UB RAS 620075, Yekaterinburg, 58 Mamin-Sibiryak st. e-mail: 9043846175@mail.ru FORMING LANDSLIDES RESEARCHES IN THEKORSHUNOVSKY OPEN PIT Аннотация: По мере повышения интенсивности освоения верхней части земной коры наблюдается рост количества аварийных деформаций горного мас- сива на ответственных объектах недропользо- вания, что определяет необходимость пере- смотра идеологии проектирования, инженерно- геологических изысканий, внедрения в традици- онный комплекс диагностики современных, раз- работанных на основании новых фундаменталь- ных научных знаний методов исследований. Рас- смотрены результаты инженерно-геологиче- ских исследований горного массива Северного борта Коршуновского карьера, где десятилети- ями происходили оползневые процессы, причины которых оставались неразгаданными. Комплекс диагностики, разработанный на основе синерге- тического подхода к изучаемому вопросу, и ис- следование геодинамической ситуации с исполь- зованием современных научных технологий поз- волили определить механизм формирования оползней и путь решения проблемы. Ключевые слова: синергетика, самоорганизация, современная геодинамика, горный массив, опол- зень, разрывное нарушение, тиксотропия Abstract: In the process of increasing the intensity of Crust top of the top layer development the growth of emer- gency deformations rock mass number on responsi- ble subsurface use objects is observed that defines the need in engineering-geological researches ide- ology revision, introducing modern methods of re- searches in terms of new fundamental scientific knowledge into traditional complex diagnostics. The results of engineering-geological researches of rock mass in the Korshunovsky pit Northern board, where the reasons of constant landslide processes remained unknown. Mechanism of landslides formation and problem solution have been defined owing to studying rock mass in terms of synergetric principles basis appli- cating up-to-date methods of researches. Keywords: synergetrics, self-organization, modern geo-dynamics, rock mass, landslide, explosive vio- lation, thixotropy Введение Опыт исследований неожиданных деформаций горного массива на объектах недропользования, как правило, выявляет синергизм формирования механизма подго- товки и реализации аварийного события. Слово синергетика происходит от латинского слова «sinergia», которое означает совместное взаимодействие. Сегодня синергетику по- нимают как междисциплинарное знание, совокупность знаний о закономерностях само- организации, нелинейности, хаосе и порядке при изучении объектов, являющихся откры- тыми системами, взаимодействующими между собой и окружающей средой путем об- мена энергией, информацией, веществом. Синергетика также изучает взаимосвязи раз- личных факторов, определяющих процесс эволюции объекта, называемого самооргани- зацией [1]. Использование принципов синергетики и новейших методов исследования в повседневной практике изысканий позволит существенно повысить качество инже- нерно-геологического прогнозирования. Показательным примером с точки зрения прикладного использования принципов синергетики в инженерной геологии являются исследования процесса оползнеобразова-
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 35С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е ния в Коршуновском карьере одноименного железорудного месторождения. Здесь, в се- веро-западном борту карьера, периодически, начиная с 1975 года, происходят крупные оползни при углах наклона борта 22º. По всем расчетным оценкам скальные осадочные породы, слагающие этот борт, должны обеспечивать его устойчивость при углах 28 – 30º с нормативным запасом устойчивости 1,3. Взаимосвязь оползнеобразования с временами года отсутствует. Многочисленные исследования, выполненные по всем правилам тра- диционными методами, так и не раскрыли причины и механизм оползнеобразования. В 2007 г. Институтом горного дела УрО РАН под руководством А.Д. Сашурина выполнена комплексная, разработанная на принципах синергетики структурно-геодина- мическая диагностика, по результатам которой был наконец определен механизм фор- мирования оползневого процесса и пути борьбы с ним. Геологические условия оползневого участка Коршуновского карьера Оползнеопасный участок расположен на Северном борту Коршуновского карь- ера в зоне широтного разлома мощностью около 500 м. Северный борт Коршуновского карьера в верхней и средней частях сложен слои- стыми породами усть-кутской и верхоленской свит, а в нижней части – туфогенными образованиями. Породы усть-кутской свиты представлены чередующимися пачками толстослои- стых известняков, известняковых песчаников и тонкоплитчатых разновидностей этих пород с прослоями алевролитов, аргиллитов, мергелей, глин. Отмечаются скарнирован- ные жилы. В основании породы усть-кутской свиты имеют более низкие прочностные характеристики, чем вверху. Породы усть-кутской свиты залегают с углом падения 10 – 12º в сторону выработанного пространства карьера. На контуре карьера в нагорной части их мощность составляет 80 – 90 м (рис. 1). Средняя часть Северного борта сложена породами верхоленской свиты: аргилли- тами, алевролитами и мелкозернистыми песчаниками. В нижней части Северного борта залегают в основном туфогенные образования. В тектонических зонах породы разру- шены до состояния дресвы, брекчии, глины. Глины отмечаются по всему разрезу Северного борта. Они заполняют межблоч- ное пространство. Вещественный состав глин определяет их особенности и принципи- ально важен. По данным В.Г. Зотеева, на Коршуновском месторождении глинистая фракция выветрелых пород представлена монтмориллонитом и гидрослюдами. Характерным признаком минералов монтмориллонитовой группы (m{Mg3[Si4O10][OH]2}·p{Al,Fe)2[Si4O10][OH]2}·n H2O) является переменное содержание в них воды, сильно изменяющееся в зависимости от влажности окружающей среды. Вода легко проникает в кристаллическую решетку монтмориллонита, раздвигает ее и обуслов- ливает сильную его набухаемость. Гидрослюды являются промежуточным продуктом выветривания слюд. Разруше- ние кристаллической решетки слюд (на примере мусковита K Al2 (OH) 2Al Si3 O10) происходит по схеме замещения ионов калия (К+1) на связанные молекулы воды (Н2О). Кристаллическая структура гидрослюды незначительно отлича- ется от структуры слюды и является переходной к структуре монтмориллонита. Имеет место переслаивание пакетов слюд с пакетами монтмориллонита. Молекулы Н2О располагаются в межпакетных пространствах, т. е. проникают вдоль плоскостей, разграничивающих плоские пакеты кристаллической структуры. Каж- дый пакет с обеих сторон на внешних плоскостях содержит гидроксильные ионы и, сле- довательно, пакеты примыкают друг к другу по поверхностям. Поэтому при проникно- вении воды происходит раздвижение этих пакетов. При этом межплоскостные расстоя- ния кристаллической решетки могут колебаться в значительных пределах – от 9,6 до 28,4 ангстрем в зависимости от количества молекул Н2О, участвующих в кристалличе- ской структуре минерала.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 36С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Таким образом, характерным признаком для монтмориллонита и гидрослюд яв- ляется переменное содержание в них воды, сильно изменяющееся в зависимости от влажности окружающей среды: из-за особенности строения кристаллической решетки монтмориллонит и гидрослюды очень гидрофильны и, как следствие, тиксотропны. Под тиксотропией понимается физико-химическое явление, возникающее в дисперсных по- родах и выражающееся в их разжижении и практически полной потере прочности под влиянием внешних динамических воздействий и быстром восстановлении прочности при снятии внешних воздействий. Такие обратимые явления характерны для пород, об- ладающих структурными связями, обусловленными непосредственным взаимодей- ствием частиц и агрегатов между собой. Эти связи отличаются малой прочностью, мо- бильностью и обратимостью. Степень тиксотропного разупрочнения зависит от внешних и внутренних факторов. К внешним факторам относятся параметры динамического воз- действия на горный массив. К внутренним факторам относятся дисперсность породы, ее минеральный состав и влажность. Тиксотропия проявляется под воздействием современ- ных геодинамических процессов, взрывов, движения транспорта и т.д. [2, 3, 4]. В Северном борту карьера находится гидротехнический тоннель, по которому из карьерного поля отведена река Коршуниха. При обследовании тоннеля было установ- лено, что монолитная железобетонная крепь на участке разломной зоны трещинами раз- рыва разбита на отдельные секции длиной 7 – 10 м, из которых в тоннельное простран- ство поступают подземные воды, иногда фонтанируя под давлением. Это свидетель- ствует о высокой степени геодинамической активности разломной зоны. По сведениям Н.И. Ермакова, очевидцы, непосредственно наблюдавшие оползни Северного борта карьера Коршуновского месторождения, отмечали, что они, по сути, являлись селями [5]. Для селеобразования определяющее значение имеют тиксотроп- ность и плывунчатость горных пород. Методы исследований Л а б о р а т о р н ы м и и с п ы т а н и я м и с использованием пенетрометра Разоре- нова установлено, что глинистые породы горного массива оползневой зоны (гор. 345) и тела оползня при влажности от 20 до 40 % проявляют тиксотропные свойства с коэффи- циентами чувствительности от 1,05 до 1,97. Результаты испытаний приведены в табл. 1. Порода считается тиксотропной при значении величины тиксотропного упрочнения больше 1. Лабораторные испытания показали, что уже при влажности 0,200 д.е. порода, отобранная из оползня (переотложенный алеврит) обладает тиксотропными свойствами (величина тиксотропного упрочнения 1,96). Кроме того, проба № 1 при заданной влажности 0,4 д.е. приобрела свойства плы- вуна. Даже при незначительном встряхивании наблюдалось разжижение породы. Г е о ф и з и ч е с к и е и с с л е д о в а н и я структурных особенностей массива се- веро-западного борта выполнены с использованием методов ССП (спектральное сей- смопрофилирование) геоэлектрическим методом в варианте срединного градиента [6, 7] . С целью выявления подвижных разрывных структур и предварительного геодинамиче- ского районирования была выполнена эманационная радоновая съемка. Радонометрия обладает уникальными для геодинамической диагностики возмож- ностями, поскольку, согласно современным научным представлениям, геодинамическая активность участвует в формировании поля радоновых эманаций. При этом радономет- рия фиксирует весь частотный диапазон современной геодинамической активности. Ос- новными геодинамическими факторами формирования поля радоновых эманаций явля- ются – разрыхление и разуплотнение пород, образование новых трещин, подновление и расширение уже существующих за счет современной геодинамической активности; – активизация процесса эманирования радона в результате вибровоздействия на гор- ные породы, вызванного полем напряжений в массиве.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 37С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Таким образом, интенсивность выделения радона определяется степенью совре- менной геодинамической активности. Это позволяет использовать поле радоновых эма- наций для обнаружения подвижных разрывных нарушений и районирования горного массива по степени современной геодинамической активности [8, 9, 10]. Таблица 1 Результаты лабораторных испытаний тиксотропных свойств пород № проб ы Место отбора пробы Влажность, W, д.е. Плотность породы, p, г/см3 Удельное сопротивление пенетрации, мгновенное, кг/см2 Удельное сопротивление пенетрации через 10 суток, кг/см2 Величина тиксотропного упрочнения 1 Северо- западный борт, гор. 345 0,304 1,94 0,20 0,21 1,05 2 Северо- западный борт, гор. 345 0,341 1,71 0,30 0,59 1,97 3 Из оползня 0,391 1,69 0,19 0,20 1,05 4 Из оползня 0,360 1,77 0,34 0,64 1,88 5 Из оползня 0,315 1,85 0,14 0,23 1,64 6 Из оползня 0,200 1,85 0,26 0,51 1,96 Примечание. Испытания проводились из отсева фракции менее 2 мм при заданной влажности Согласно результатам радонометрических исследований в варианте эманацион- ной съемки в оползневой зоне были выявлены две подвижные системы разрывных нару- шений: – с азимутом простирания 355о ; – с азимутом простирания 11о (рис. 1). Рис. 1 – Результаты радонометрических исследований на Северном борту Коршуновского карьера
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 38С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Согласно результатам электроразведки и спектрального сейсмопрофилирования массив горных пород в оползневой зоне имеет блочную структуру. Межблочные шовные зоны заполнены выветрелыми до глинистого состояния породами. Наблюдения с применением технологий спутниковой геодезии GPS в районе оползневой зоны показали высокий уровень современной геодинамической активности. Исследованиями последних десятилетий выявлены два вида современных геоди- намических движений – трендовые и цикличные, которые придают массиву горных по- род земной поверхности постоянную подвижность, выступающую как естественная форма существования геологической среды. Относительное перемещение блоков происходит по разрывным нарушениям. Трендовые движения сохраняют на относительно продолжительных промежутках времени направление и скорость смещения. Трендовые движения, укладывающиеся в продолжительные геологические и исторические временные рамки, известны давно [11, 12, 13]. Работами Ю.О. Кузьмина (Институт физики Земли РАН) выявлены цикличные геодинамические движения. Цикличные движения имеют периодические знакоперемен- ные изменения направления движения и характеризуются частотой циклов и амплитудой перемещения в цикле [14]. В районе Северного борта Коршуновского карьера короткопериодные цикличные геодинамические движения вызывают до 20 – 25 цикличных нагружений массива в час с амплитудами 0,2 – 0,3 МПа. Длиннопериодные цикличные геодинамические движения обусловливают здесь изменения напряжений в массиве за годичный цикл до 0,3 – 0,5 МПа. А за 30-летний период изменения напряжений достигают 2 – 3 МПа. Анализ гидрогеологической ситуации исследуемого массива показал, что на участке Северного борта сформировались условия для переувлажнения глинистых, ха- рактеризующихся склонностью к проявлению тиксотропии пород, межблоковых шов- ных зон горизонтальной и вертикальной ориентировки залегания. Результаты исследований По результатам комплексной диагностики была подтверждена гипотеза меха- низма оползнеобразования, наблюдаемого в пределах Северного борта карьера. Под вли- янием современных короткопериодных геодинамических движений переувлажненные, характеризующиеся тиксотропным разупрочнением глинистые породы, заполняющие межблоковые пространства, находятся в неустойчивом, потенциально текучем состоя- нии. Далее длиннопериодные цикличные нагружения в определенный момент, когда па- раметры системы приобретают «благоприятные» значения, в так называемой точке би- фуркации переводят подготовленный массив в селеобразные оплывины. Понятие бифур- кация происходит от латинского «бифуркус» – развилка, двузубый. В точке бифуркации происходит изменение стратегии развития. Таким образом, оползнеобразование на Северном борту Коршуновского карьера определяют три фактора: 1. Увлажнение глинистых, склонных к тиксотропному разупрочнению глини- стых пород. 2. Воздействие на массив короткопериодных цикличных геодинамических нагру- зок, поддерживающих глинистые, гидрослюдисто-монтмориллонитовые породы в не- устойчивом состоянии. 3. Периодические длиннопериодные цикличные геодинамические движения, как спусковой механизм, вызывают сползание подготовленного массива в виде масштаб- ных оплывин. Природа перечисленных факторов, формирующих оползневые процессы в Кор- шуновском карьере, позволяет реально воздействовать только на гидрогеологический режим с целью уменьшения увлажнения глинистых пород.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 39С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Выводы В качестве причин оползней и обрушений предыдущими исследователями опре- делялись все возможные факторы, сопровождающие рассматриваемую ситуацию, от структуры и свойств пород, слагающих оползневой участок, до техногенного увлажне- ния и воздействия массовых взрывов. Безусловно, все они имеют место и на проблемном участке, и на любом другом участке бортов карьера. Но ни один из приведенных факто- ров сам по себе не является единственно определяющим. Так, рекомендованные меры по стабилизации оползневого участка – приведение углов откоса борта и его уступов в со- ответствие с конкретными условиями данного участка (структурой, физико-механиче- скими свойствами и др.); сооружение нагорной канавы для предотвращения увлажнения от ливневых и паводковых вод; проведение гидроизоляции трещин в нагорной части борта, препятствующей проникновению воды в массив; применение специальной техно- логии взрывных работ в приконтурной зоне, снижающей действие взрывов на массив пород законтурной области и др., не решили существа проблемы. Использование принципов синергетики при анализе реальностей существования изучаемого массива как сложной и открытой системы, находящейся в процессе самоор- ганизации, основанном на постоянном стремлении к устойчивому состоянию, опреде- лило гипотезу механизма оползнеобразования в Коршуновском карьере и конкретный междисциплинарный состав комплекса примененной диагностики. Использование тра- диционных и современных научных методов исследований, разработанных на основе но- вейших фундаментальных знаний о процессах, происходящих в горном массиве, позво- лило подтвердить гипотезу механизма оползнеобразования на объекте исследований и пути борьбы с этой хронической многолетней проблемой. Литература 1. Андреев А.А. Философские аспекты синергетики / А.А. Андреев // Вестник Южно-Уральского государственного университета. – 2008. - Вып. № 21(121). 2. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Инженерная петрология / В.Д. Ломтадзе. - Л.: Недра, 1970. – 528 с. 3. Бетехтин А.Г. Курс минералогии / А.Г. Бетехтин // ГНТИ литературы по геоло- гии и охране недр. – М., 1956. – 558 с. 4. Далатказин Т.Ш. Литологические особенности горного массива г. Березовский в прогнозе активизации процесса сдвижения горных пород в случае затопления подзем- ного рудника / Т.Ш. Далатказин // Проблемы недропользования [Электронный ресурс]: рецензируемое сетевое периодическое научное издание / ИГД УрО РАН. – 2016. - № 3(10). - С. 5 – 8. Режим доступа: //trud.igduran.ru 5. Роль тектонических деформаций породного массива в формировании оползне- вых явлений на Коршуновском карьере / А.Д. Сашурин, А.В. Яковлев, Н.И. Ермаков, А.А. Панжин, А.В. Наумов // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2003.– № 2.– С. 193 – 196. 6. Сашурин А.Д. Решение задачи устойчивости бортов в целях защиты потенци- ально опасных участков транспортных берм карьеров / А.Д. Сашурин, В.В. Мельник, А.А. Панжин // Инженерная защита. - 2015. - № 2 (7). - С. 80 – 86. 7. Мельник В.В. Исследование причин деформирования инженерных сооружений / В.В. Мельник // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2014. - № 2. - С. 161 – 167. 8. Далатказин Т.Ш. Взаимосвязь уровня радоновой эмиссии с современной гео- динамикой и тектоническими зонами / Т.Ш. Далатказин // Горный информационно-ана- литический бюллетень. - 2007. - № 2. - С. 212 - 215. 9. Далатказин Т.Ш. Диагностика современной геодинамической активности гор- ного массива при строительстве и эксплуатации ответственных объектов / Т.Ш. Далат- казин // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2005. - № 11.- С. 120 – 123.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 40С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е 10. Далатказин Т.Ш. Экспериментальные исследования возможности использова- ния радонометрии для геодинамического районирования / Т.Ш. Далатказин, Ю.П. Коно- валова, В.И. Ручкин // Литосфера. - 2013. - № 3. - С. 146 – 150. 11. Панжин А.А. Мониторинг геодинамических процессов на предприятиях и ур- банизированных территориях / А.А. Панжин, Н.А. Панжина // Горный информационно- аналитический бюллетень. - 2007. - № 3. - С. 171 – 182. 12. Панжин А.А. Диагностика геодинамической активности массива горных по- род геодезическим методом / А.А. Панжин // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли: сборник науч. трудов междунар. конф. – Новосибирск: ИГД СО РАН, 2004. 13. Сашурин А.Д. Исследование геодинамических процессов с применением GPS-технологий / А.Д. Сашурин, А.А. Панжин, Ю.П. Коновалова // Горный информа- ционно-аналитический бюллетень. - 2003. - № 7. 14. Усанов С.В. Геодинамические движения горного массива при техногенном воздействии крупного горно-обогатительного комбината / С.В. Усанов // Горный инфор- мационно-аналитический бюллетень. – 2011. - № 11. – С. 248 – 255. 15. Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика и оценка геодинамического риска при недропользовании / Ю.О. Кузьмин. – М.: Агентство экологических новостей, 1999. – 220 с.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2017 г. С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е МЕХАНИКА ГОРНЫХ ПОРОД
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 42С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 622.02:531 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.042 Рубцова Екатерина Владимировна кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН, 630091 г. Новосибирск, Красный проспект, 54 e-mail: rubth@misd.ru Скулкин Александр Александрович младший научный сотрудник, Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН e-mail: chuptt@yandex.ru О ФИЗИЧЕСКОМ МОДЕЛИРОВАНИИ ПРОЦЕССА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ГИДРОРАЗРЫВА В МОДЕЛЬНЫХ ОБРАЗЦАХ ПРИ ИХ НЕРАВНОКОМПОНЕНТНОМ НАГРУЖЕНИИ Rubtsova Ekaterina Vl. candidate of technical sciences, assistant professor, senior researcher, Chinakal Institute of Mining, SB RAS, 630091 Novosibirsk, 54 Krasny prospect e-mail: rubth@misd.ru Skulkin Alexander Al. junior researcher, Chinakal Institute of Mining, SB RAS e-mail: chuptt@yandex.ru PHYSICAL SIMULATION THE PROCESS OF MEASUREMENT HYDROFRACTURING IN SPECIMEN UNDER THEIR NON-EQUICOMPONENT LOADING Аннотация: Представлены конструкции стенда и макетов скважинных зондов для выполнения тестов из- мерительного гидроразрыва в модельных образ- цах размерами 200×200×200 мм при их незави- симом трехосном нагружении. По результатам физического моделирования на стенде дана сравнительная оценка методов косвенного опре- деления величины давления «запирания» трещин гидроразрыва. Ключевые слова: измерительный гидроразрыв, стенд, макет, скважинный зонд, нагружение, трещина, диаграмма Abstract: A test bench and experimental models of down hole surveying devices for test hydro-fracturing in speci- men 200×200×200 mm in size under triaxial non- equicomponent loading are described. The methods of indirect estimation of shut-in pressure are com- pared based on physical simulation results. Key words: measuring hydraulic fracturing, test bench, experimental model, down hole surveying de- vice, loading, fracture, diagram Метод измерительного гидроразрыва применяется для экспериментальной оценки напряжений в массиве горных пород с конца 60-х годов двадцатого века. В ИГД СО РАН выполнен большой объем исследований, направленных на развитие метода и создание технических средств для его практической реализации [1, 2]. Исследование и обоснование методических и технологических подходов к выпол- нению тестов измерительного гидроразрыва может быть выполнено методом физиче- ского моделирования. Для этих целей в лаборатории горной информатики ИГД СО РАН в 2014 – 2015 гг. создан стенд (рис. 1), позволяющий производить гидроразрыв в модель- ных образцах размерами 200×200×200 мм при их трехосном независимом нагружении [3]. Для выполнения тестов гидроразрыва в образцах из полиметилметакрилата изго- товлены макеты скважинных зондов с различными элементами системы пакеровки. Обоснованы вид и форма уплотнительных элементов для предотвращения эффекта «обыгрывания» пакеров, т. е. проникновения рабочего флюида из межпакерной области (в процессе гидроразрыва) в зону контакта пакера со стенкой скважины и, возможно, за его пределы. В целях надежной герметизации участка скважины принято решение о це- лесообразности использования составных пакерных элементов в виде полиуретановых цилиндров с разделительными металлическими вставками между ними.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 43С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 1 – Стенд трехосного независимого нагружения: 1 – плита пресса; 2 – подставка; 3 – рычаг; 4, 5 – гидравлические домкраты; 6 – опорные площадки; 7 – прокладки из фторопласта; 8 – образцовый динамометр; 9, 10 – адаптеры; 11 – насос; 12 – шланги высокого давления; 13 – манометр; 14 – устройство преобразования и передачи данных; 15 – персональный компьютер На рис. 2 представлена конструкция макета зонда в виде двух полиуретановых цилиндров длиной 1,5 и 2,0 d (d - диаметр скважины в кубическом образце) и металли- ческой шайбой между ними толщиной 0,7 d; для герметизации участка скважины приме- нено осевое поджатие пакерной сборки. Рис. 2 – Макет зонда с составной конструкцией пакеров: 1 – центральная втулка на корпусе зонда в сборе; 2 – отверстие для подачи флюида в межпакерное пространство; 3 – полиуретановые пакеры; 4 – металлическая втулка между пакерами; 5 – концевые части зонда – переходники для соединения с напорной магистралью; 6 – втулки для осевого поджатия пакеров; 7 – полиуретановые пакеры При выполнении тестов гидроразрыва в скважинах с тупиковым забоем исполь- зована конструкция макета скважинного зонда, приведенная на рис. 3. 1 11 9 4 3 2 1512 7 6 14 5 8 10 13
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 44С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 3 – Макет зонда для скважины с тупиковым забоем Программа физического моделирования на стенде предусматривает обоснование достоверности применяемых методов определения давления «запирания» трещины флюидоразрыва по экспериментальным диаграммам «давление – время»; отработку технологий образования инициирующей трещины и параметров гидроразрыва для полу- чения направленных трещин при одноосном, двухосном и трехосном нагружении образ- цов; исследование возможностей контроля момента «смыкания» берегов трещины в про- цессе измерительного гидроразрыва. На первом этапе проводилось исследование методов косвенного определения дав- ления «запирания», соответствующего моменту равновесного состояния открытой тре- щины перед ее «схлопыванием». Точность определения этого параметра по эксперимен- тальным диаграммам существенно влияет на достоверность оценки компонент главных напряжений, поскольку расчетное значение минимальной компоненты принимается рав- ным давлению «запирания», а при расчете максимальной компоненты величина давле- ния «запирания» умножается на коэффициент три, и, соответственно, также будет утра- иваться погрешность ее определения. Для сравнительного анализа выбраны семь методов, которые практики гидрораз- рыва используют при обработке экспериментальных диаграмм [1, 4 –6]: I – «метод точки перегиба», заключается в проведении касательной к кривой спада давления на диаграмме «давление – время» сразу после прекращения подачи флю- ида и выборе значения давления запирания в точке, где кривая отклоняется от касатель- ной; (следующие четыре метода (II – V) аналогичны «методу точки перегиба», отличия заключаются в виде диаграмм, на которых выполняется построение касательной) II – используется диаграмма «P относительно log Δt», где P – давление, Δt – ин- тервал времени с момента начала спада кривой; III – используется диаграмма «log P относительно log Δt»; IV – используется диаграмма «P относительно log (t+ Δt)/ Δt», где t – время нагне- тания флюида; V – используется диаграмма «dP/dt относительно P»; VI – метод, предложенный в ИГТМ АН УССР, при котором величина давления запирания определяется как величина стабилизировавшего давления на участке запира- ния; VII – «метод биссектрисы», который заключается в проведении одной касатель- ной к начальному участку кривой спада, второй касательной к участку стабилизации дав- ления и построению биссектрисы угла пересечения двух касательных, величина давле- ния запирания определяется в точке пересечения биссектрисы с кривой спада давления.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 45С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Выполнены две серии модельных экспериментов на образцах из полиметилметак- рилата размерами 200×200×200 мм. Скважины в образцах при данной конструкции стенда ориентированы по вертикали, в двух образцах предварительно была создана за- родышевая трещина по образующей скважине. Независимое нагружение на грани образ- цов задавалось от 3,0 до 5,5 тс. При этом соответствующие заданные компоненты напря- жений в образцах составили от 0,76 до 1,52 МПа. Полученные методом физического мо- делирования гидроразрыва диаграммы были обработаны с использованием перечислен- ных выше методов. Результаты определения величины давления «запирания» приведены в табл. 1. Таблица 1 Расчетная величина давления «запирания» Вид образца Заданная мини- мальная компо- нента напряже- ний в образце, МПа Величина давления «запирания», рассчитанная методами I - VII, МПа I II III IV V VI VII Скважина без инициирующей щели 1,25 4.67 1,29 1,33 1,54 1,2 0,69 1,16 Скважина с инициирующей щелью 0,76 1,37 0,77 0,89 0,86 0,8 0,42 0,65 Как можно видеть, наиболее точные результаты (соответствие расчетного значе- ния величины давления «запирания» заданной минимальной компоненте напряжений в образце) обеспечивают методы, основанные на использовании диаграмм «P относи- тельно log Δt» (II) и «dP/dt относительно P» (V). Погрешность определения давления «запирания» в этих случаях не превышает 5 %. Однако полученные результаты следует рассматривать как предварительные, ввиду ограниченного числа выполненных тестов гидроразрыва. Для дальнейшего решения поставленных задач физического моделирования пла- нируется дооснащение стенда высоконапорными трубопроводами (до 70 МПа), что поз- волит полностью реализовать возможности домкратов и выполнять тесты гидроразрыва при усилии воздействия на грани образцов до 10 тс. Результаты физического моделиро- вания на стенде станут основой дальнейшего совершенствования разработанного в ИГД СО РАН измерительно-вычислительного комплекса «Гидроразрыв» [1], применяе- мого в настоящее время для оценки напряженного состояния горных пород в шахтных условиях. Литература 1. Измерительно-вычислительный комплекс «Гидроразрыв» / А.В. Леонтьев, Е.В. Рубцова, Ю.М. Леконцев, В.Г. Качальский // Физико-технические проблемы разра- ботки полезных ископаемых. – 2010. – № 1. – С. 104 - 110. 2. Рубцова Е.В. Развитие методических основ измерительного гидроразрыва / Е.В. Рубцова, А.А. Скулкин // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2013. – № 5. – С. 188 - 191. 3. Рубцова Е.В. Стенд трехосного независимого нагружения для физического мо- делирования процесса измерительного гидроразрыва / Е.В. Рубцова // Интерэкспо ГЕО- Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр., 13–25 апреля 2015 г., Новосибирск: междунар.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 46С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, раз- ведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология»: сб. матер. в 3-х томах. Т. 3. – Новосибирск: СГУГиТ, 2015. – С. 211 - 216. 4. Aggson, J.R. Analysis of Hydraulic Fracturing Pressure Histories: A Comparison of Five Methods Used to Identify Shut–in Pressure / J.R. Aggson, K. Kim // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. – 1987. – Vol. 24. – № 1. – PP. 75-80. 5. Tunbridge, L.W. Technical Note-Interpretation of the Shut-In Pressure from the Rate of Pressure Decay // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. – 1989. – Vol. 26. – PP. 457-459. 6. Кулинич В.С. Теоретические и экспериментальные аспекты измерения напря- жений в массиве горных пород гидравлическим разрывом / В.С. Кулинич // Исследова- ния напряжений в горных породах: сб. науч трудов. – Новосибирск: Изд-во ИГД АН СССР, 1985. – С. 67 - 74.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2017 г. С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е ФИЗИКА ВЗРЫВА
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 48С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 550.361+550.362 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.048 Фадеева Ирина Игоревна научный сотрудник, Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН, 630091 г. Новосибирск, Красный пр., 54 инженер, Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А.Трофимука СО РАН, 630090 г. Новосибирск, пр. ак. Коптюга, 3 е-mail: FadeevaII@ipgg.sbras.ru Аюнов Дмитрий Евгеньевич кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А.Трофимука СО РАН е-mail: AyunovDE@ipgg.sbras.ru Романенко Виталий Владимирович начальник группы, Институт радиационной безопасности и экологии Национального ядерного центра РК, г. Курчатов, Республика Казахстан е-mail: Romanenko@nnc.kz ОЦЕНКА СОВРЕМЕННОГО ТЕПЛОВОГО ЭФФЕКТА ОТ ПОДЗЕМНОГО ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА НА СЕМИПАЛАТИНСКОМ ИСПЫТАТЕЛЬНОМ ПОЛИГОНЕ Fadeeva Irina I. researcher, The Chinakala Institute of Mining SB RAS, 630091, Novosibirsk, 54 Krasny pr., engineer, The A.A. Trofimuk Institute of petroleum geology and geo-physics SB RAS, 630090, Novosibirsk, 3 Akademic Koptug pr. е-mail: FadeevaII@ipgg.sbras.ru Ayunov Dmitry E. candidate of physical and mathematical sciences, senior researcher, The A.A. Trofimuk Institute petroleum geology and geo-physics SB RAS е-mail: AyunovDE@ipgg.sbras.ru Romanenko Vitaly V. the group head, The Institute of Radiation Safety and Ecology of the National Nuclear Center RK, Kurchatov. Kazakhstan e-mail: Romanenko@nnc.kz ESTIMATION THE UP-TO-DATE THERMAL EFFECT FROM UNDERGROUND NUCLEAR EXPLOSION IN THE SEMIPALATINSK TEST SITE Аннотация: В работе приведены результаты математиче- ского моделирования нестационарной есте- ственной конвекции и сопряженного с ней теп- лопереноса в сферически симметричной, отно- сительно центра подземного ядерного взрыва (ПЯВ), пористой породе с заданными парамет- рами пористости и проницаемости. Проанали- зировано влияние этих параметров на скорость тепломассопереноса в пористой среде. Отме- чены особенности распределения температуры в верхней части разреза над ПЯВ, их временная динамика и зависимость от параметров прони- цаемости и пористости. Ключевые слова: подземный ядерный взрыв, Се- мипалатинский испытательный полигон, тре- щиноватость, теплоперенос, температурный каротаж, пористая среда, численное моделиро- вание, нестационарный режим, термогравита- ционная конвекция, приближение Бринкмана– Буссинеска Abstract: The paper presents the numerical modeling results concerning natural convection and the conjugated heat transfer in porous medium, which is spheri- cally symmetric relatively the center of an under- ground nuclear explosion (UNE). The porosity and permeability parameters of porous medium were determined. The effect of these parameters on the heat and mass transfer rate in porous media is con- sidered. The features of the temperature distribu- tion, their temporal dynamics and dependence on permeability and porosity parameters of the me- dium are denoted. Key words: underground nuclear explosion, the Se- mipalatinsk test site, fracturing, heat transfer, tem- perature logging, porous media, numerical simula- tion, unsteady regime, natural convection, Brink- man–Boussinesq approximation Введение Исследования тепловых остаточных эффектов от подземных ядерных взрывов (ПЯВ) на Семипалатинском испытательном полигоне (СИП) велись на протяжении мно- гих десятилетий. Использовалась тепловая съемка с летательных аппаратов, температур- ные измерения на поверхности, в штольнях, в скважинах и непосредственно в котловых
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 49С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е полостях, проводились исследования тепловых аномалий СИП по данным спутниковых снимков [1]. В частности, с помощью тепловой съемки эффектов от ПЯВ с летательного аппа- рата фиксировались температурные аномалии на поверхности земли как в течение пер- вого года, так и по прошествии нескольких лет после испытания. В результате данных работ выявлялись тепловые аномалии с размерами от 80 до 250 м, при давности прове- дения испытаний до 26 лет. Обобщение материалов показывает, что котловые полости в течение многих лет сохраняют высокую внутреннюю температуру. Например, темпера- тура в полости взрыва "Рулисон" (США) через 6 лет упала лишь до 290 °С [2], при этом оценка начальной температуры в первое время после взрыва составляла 450°С [3]. В данной работе продолжена тема изучения тепловых аномалий от ПЯВ для оценки активности процессов, связанных с подземными испытаниями [4, 5, 6]. Серия температурных исследований в исследовательских скважинах, пробуренных вблизи ПЯВ, выявила наличие «горячих» скважин с резко выделяющимися по температуре и по высокому вертикальному температурному градиенту подземных вод (рис. 1). Рис. 1 – Термокаротаж в наблюдательных скважинах площадки Балапан СИП в 2010 г. «Горячие» скважины соответствуют графикам 5 и 6 [7] Природа этих тепловых аномалий в разрезе недостаточно изучена, но мы можем в качестве одного из объяснений предположить, что они обусловлены прогревом от ПЯВ. Последующие более детальные исследования скважин в окрестностях некоторых боевых скважин показали сложное пространственное распределение температуры. В частности, на участке Сары-Узень у скв. 104 мы можем отметить, что вариации темпера- туры от скважины к скважине (рис. 2) выявляют горизонтальный температурный гради- ент порядка 0,002 – 0,007 К/м, а также обнаружены особенности в вертикальном темпе- ратурном градиенте (рис. 3). По данным комплексного обследования на участке скважины 104 наблюдается струйная газопроницаемость пород по имеющимся ослабленным структурам, которые в результате способствуют вертикальной миграции газов и образованию на дневной по- верхности газовых аномалий в почвенном воздухе, а также вертикального градиента тем- ператур [8].
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 50С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е А) Б) Рис. 2 – А) – температуры в скважинах в районе скв. 104 участка Сары-Узень в 2014 – 2015 гг. (в скобках указаны расстояния до боевой скважины); Б) – расположение скважин относительно боевой скважины (темное пятно – провал от ПЯВ) Рис. 3 – Вертикальный температурный градиент в районе скв. 104 участка Сары-Узень В рамках исследования современного остаточного тепла от ПЯВ в данной работе мы рассмотрели модель перераспределения тепла от ПЯВ путем вывода тепла разогре- тыми газами к поверхности из остывающих полостей ПЯВ через поры и трещины горной породы. Постановка задачи Рассмотрим задачу стабилизации температуры в безграничной, сферически сим- метричной относительно центра ПЯВ пористой породе с неравномерным начальным рас- пределением температуры. Предполагается, что после взрыва порода имеет повышен- ную температуру и проницаемость вблизи полости взрыва, которые уменьшаются с уве- личением расстояния от полости. Давление в полости взрыва и ближней зоне достаточно 0 20 40 60 80 100 120 140 7 8 9 10 Глубина,м Температура, С 104/ст (57 м) 104/а (72 м) 104/2 (97 м) 104/б (137 м) 104/г (200 м)
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 51С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е быстро, по сравнению с температурой, уравновешивается с фоновым значением давле- ния. Положим, что основным механизмом распространения тепла от прогретой обла- сти является свободно конвективное или термогравитационное течение газа в порах по- роды. Предлагается течение газа в высокопроницаемой пористой среде в условиях гра- витационной силы описывать в рамках приближения Бринкмана–Буссинеска [9]. В дан- ном приближении для нахождения поля скоростей в уравнение импульса Бринкмана вво- дится член плавучести Буссинеска [10], учитывающий подъемную силу, обусловленную тепловым расширением. Полученные скорости используются в уравнении теплопровод- ности для нахождения распределения температуры в породе. Таким образом, процесс переноса массы, импульса и энергии в пористой среде описывается системой нестацио- нарных уравнений: ;0)u(      t (1) );(g 0TTuu K p uu t u                (2) ),(, TTuC t T C efffpf     (3) где t – время;  – плотность, – пористость; u – вектор скорости фильтрации; p – дав- ление;  – коэффициент динамической вязкости; K – проницаемость пористой среды; g – ускорение свободного падения;  – термический коэффициент объемного расшире- ния; T – температура; T0 – начальная температура области решения; fpfskpsk CCC ,,)1(  и fskeff  )1( , где skpsksk C ,,,  – тепло- проводность, плотность и удельная теплоемкость скелета пористой породы; fpff C , ,,  – теплопроводность, плотность и удельная теплоемкость порового флю- ида. Теплообмен излучением не учитывался, так как пренебрежимо мал по сравнению с конвективным теплообменом. Граничные условия. На достаточно большом расстоянии (можно рассматри- вать как бесконечность) от ПЯВ скорость газа 0u , фоновая температура постоянна TT . Начальные условия. Давление в пористой породе постоянное 0pp  , газ неподвижен 0u , задано начальное распределение температуры: ),1000exp()()( 2 0 rTTTrT h   (4) где  T – фоновая температура породы; h T – начальная температура в центре взрыва; r – расстояние от центра взрыва. Давление в системе отсчитывается относительно постоянного давления, задан- ного в точке на бесконечности 0pp  . Параметры среды. Газ в порах породы считается вязкой, теплопроводной, ньютоновской жидкостью при постоянном давлении 0 p . Теплофизические свойства ске- лета пористой породы полагаются постоянными, не зависящими от температуры. Рассматривалось две модели пространственного распределения параметра прони- цаемости породы: некоторый объем, включающий область ПЯВ, однородный по пара- метру проницаемости ( constK ) и линейное уменьшение проницаемости с удалением от ПЯВ, отражающее степень разрушенности породы в зависимости от расстояния r от центра ПЯВ:
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 52С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е ,)( 0 0 r R KK KrK R    (5) где 0K – проницаемость в центре ПЯВ (r =0 м), R K – проницаемость породы на рассто- янии Rr  от эпицентра ПЯВ. Результаты Численно промоделированы термогравитационная конвекция газа СО2 и сопря- женный с ней теплоперенос в безграничной, сферически симметричной относительно центра ПЯВ породе, с заданными начальным распределением температуры (4), пористо- стью  и проницаемостью (однородная K и линейная )(rK модель). Теплофизические свойства газа СО2 взяты из справочных данных [11,12]. Тепло- физические свойства твердого скелета следующие: 3sk Вт/м/К, 3000sk кг/м3 , 1000, skpC Дж/кг/К. Начальное распределение температуры (4) условно было взято следующим: 8T о С и 350hT о С. Рассматривалось три варианта линейной проницаемости (5) с разной проницае- мостью в эпицентре ПЯВ: А) 7 0 102  K м2 , Б) 7 0 106  K м2 , С) 6 0 101  K м2 – и одним значением проницаемости породы на расстоянии 500R м от эпицентра 14 10 RK м2 . Также рассматривались три однородные по проницаемости среды с при- веденными на рис. 4 значениями K. Расчеты проводились для двух значений пористости: 3,0 и 4,0 (см. рис. 4). Рис. 4 – В первой строке представлено горизонтальное распределение температуры в зависимости от расстояния до эпицентра взрыва{0, 250}, находящегося на высоте 250 м над центром ПЯВ {0, 0} в разные моменты времени, для разных параметров пористости φ, проницаемости: К – постоянная и К(r) – линейно зависящая от r (5). Во второй строке представлены графики изменения со временем распределения температуры вдоль вертикальной оси взрыва для трех вариантов проницаемости (5) (три столбца: А), Б), С)). 0T – начальное распределение температуры
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 53С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Вертикальное распределение температуры . Из графиков приращения температуры  TT вдоль вертикальной оси взрыва (нижняя строка рис. 4) видно, что при увеличении проницаемости в эпицентре 0K (5) усиливается перенос тепла вверх, что связано с повышением скорости потока разогретого газа. Чем больше проницае- мость, тем больше скорость потока газа в начальные моменты времени, далее процесс замедляется и переходит в стационарный режим истечения газа. Дополнительные рас- четы с более высокими значениями проницаемости показывают, что в целом можно вы- делить два сценария тепломассопереноса: «медленный» – при низкой проницаемости по- роды (температура в эпицентре долгое время остается горячей) и «быстрый» – при вы- сокой проницаемости породы (К>10-6 м2 ) происходит быстрое остывание разогретой зоны ПЯВ. Это находит подтверждение в наблюдениях за температурами котловых по- лостей [2]. Горизонтальное распределение температуры. Рассмотрим тепловые процессы в «верхней части разреза», на определенном расстоянии над эпицентром ПЯВ, которые, как мы предполагаем, могут фиксироваться аппаратурно в виде тепловых ано- малий. В верхней строке рис. 4 приведены графики приращения температуры  TT вдоль горизонтального профиля, расположенного на высоте 250 м над эпицентром ПЯВ. Из графиков видно, что происходит прогрев горизонтальной зоны над ПЯВ, на рассмат- риваемом интервале времени. Изменение проницаемости с 7 0 102  K м2 до 6 0 101  K м2 увеличивает амплитуду температурной аномалии в зоне непосред- ственно над ПЯВ на два порядка. Разуплотнение породы также повышает вынос тепла с глубины. Так, изменение пористости с 0,3 до 0,4 увеличивает амплитуду прогрева этой зоны для рассматриваемых параметров модели в 1,2 – 1,7 раза. Согласно результатам произведенных расчетов за период 30 – 48 лет после взрыва значения градиента примерно составляют: 0,001 - 0,018 К/м для 7 0 106  K м2 и 0,018 - 0,043 К/м для 6 0 101  K м2 . Радиус зоны температурной аномалии в целом не превышает 200 м для разных значений проницаемости и пористости. Дополнительно проводились расчеты для разных значений начальной температуры h T и глубины. При этом размер зоны аномалии оста- ется в тех же пределах даже при увеличении h T до 900о С. Заключение Для оценки современного теплового эффекта от ПЯВ в верхней части разреза были проанализированы модели нестационарной естественной конвекции в пористой среде. Предложена и численно реализована модель термогравитационной конвекции Бринкмана–Буссинеска и сопряженного с ней теплопереноса от прогретой зоны в пори- стой породе. Результаты расчетов показывают, что в рассматриваемом диапазоне пара- метров среды современные температурные аномалии в верхней части разреза могут со- ставлять от нескольких сотых до нескольких единиц градусов. При этом радиус анома- лии по горизонтали в целом не превышает 200 м для разных значений проницаемости и пористости, что в целом согласуется с полевыми наблюдениями за температурными ано- малиями на поверхности в первые годы после испытаний. В целом совокупность методов программных расчетов и полевых исследований позволяет более детально подходить к оценке пространственно-временных конфигура- ций тепловых аномалий.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 54С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Литература 1. Исследование температурного режима территории Семипалатинского поли- гона с использованием пространственно-временной агрегации длинных рядов спутнико- вых измерений / Е.А. Мамаш, Д.Е. Аюнов, В.А. Кихтенко, В.В. Смирнов, Д.Л. Чубаров // Интерэкспо Гео-Сибирь. - 2015. - Т. 4. - № 2. - С. 39 - 44. 2. Бусыгин В.П. Локальные тепловые аномалии в эпицентральной зоне подзем- ных ядерных взрывов, выполненных в штольнях / В.П. Бусыгин, А.И. Андреев // Вест- ник НЯЦРК. – 2004. - Вып. 3. 3. Тейлор Р.У. Тепловые эффекты подземных ядерных взрывов: пер. Н.И Шуга- ева / Р.У. Тейлор. – 1974. 4. BusyginV.P. Remote monitoring of former underground nuclear explosion sites pre- dominantly in the former USSR. Radioactive Waste Management and Contaminated Site Clean-Up Processes, Technologies and International Experience. A volume in Woodhead Pub- lishing Series in Energy. 2013. - P. 833–851. 5. Исследование термальной активности эпицентральных зон подземных ядерных взрывов / В.В. Романенко, С.Б. Субботин, Д.Е. Аюнов, А.Д. Дучков, М.Е. Пермяков // Семипалатинский испытательный полигон. Радиационное наследие и проблемы нерас- пространения: тез. докл. VI междунар. науч.-практ. конф., 24-26 сентября 2014 г. - Пав- лодар: Дом печати, 2014. - С.131 - 133. 6. Шайторов В.Н. Геоэкологическое районирование территории СИП по геолого- геофизическим данным (на примере участков “Балапан” и “Сары-узень”) / В.Н. Шайто- ров // Вестник НЯЦ РК. - 2013. - Вып. 2. 7. Дучков А.Д. Результаты исследований температурного поля в наблюдательных скважинах Семипалатинского полигона (Восточно-Казахстанская область) / А.Д. Дуч- ков, Д.Е. Аюнов, М.Е. Пермяков // ГЕО-Сибирь-2011. Т.2. Недропользование. Горное дело. Новые направления и технология поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Ч. 1: сб. матер. VII Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь- 2011», 19 - 29 апреля 2011 г., Новосибирск. – Новосибирск: СГГА, 2011. - С. 42 - 47. 8. Геоэкологическое моделирование очаговых зон ПЯВ по геологогеофизическим данным / В.Н. Шайторов, А.В. Беляшов и др. // Вестник НЯЦ РК. - 2013.– Вып. 2(54). 9. Трифонова Т.А. Сравнительный анализ моделей Дарси и Бринкмана при иссле- довании нестационарных режимов сопряженной естественной конвекции в пористой ци- линдрической области / Т.А. Трифонова, М.А. Шеремет // Компьютерные исследования и моделирование. – 2013. - Т. 5. - № 4. - С. 623 – 634. 10. Donald A. Nield and Adrian Bejan. Convection in Porous Media. Third Edition // USA, New York: Springer Science & Business Media, 2006. – 546. 11. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидко- стей / Н.Б. Варгафтик. - 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Наука, 1972. - 721 с. 12. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники / В.С. Чиркин. - М.: Атомиздат, 1967. - 474 с.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2017 г. С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е ГЕОЭКОЛОГИЯ
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 56С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 631.615 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.056 Уланов Анатолий Николаевич доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ВРИО директора ФГУП «Кировская лугоболотная опытная станция» 612097, п. Юбилейный Оричевского района Кировской области e-mail: bolotoagro50@mail.ru Шельменкина Хамида Халитовна кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник ФГУП «Кировская лугоболотная опытная станция» e-mail: bolotoagro50@mail.ru Смирнова Анна Владимировна кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник ФГУП «Кировская лугоболотная опытная станция» e-mail: bolotoagro50@mail.ru ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РЕКУЛЬТИВАЦИИ НАРУШЕННЫХ БОЛОТНЫХ ЭКОСИСТЕМ Ulanov Anatoly N. Doctor of agricultural sciences, professor, acting director, FSUE "Kirov lugobolotnaya experimental station", 612097, p. Jubilee, Orichevsky district of the Kirov region е-mail: bolotoagro50@mail.ru Shelmenkina Khamida H. candidate of agricultural sciences, senior researcher, FSUE "Kirov lugobolotnaya experimental station". е-mail: bolotoagro50@mail.ru Smirnova Anna Vl. candidate of agricultural sciences, senior researcher, FSUE "Kirov lugobolotnaya experimental station". е-mail: bolotoagro50@mail.ru ENVIRONMENTAL ASPECTS OF RECLAMATION THE DISTURBED WETLAND ECOSYSTEMS Аннотация: Приведены результаты многолетних исследова- ний Кировской лугоболотной опытной станции по возможности использования выработанных торфяных почв в сельском хозяйстве и восста- новлению нарушенных болотных экосистем. Ключевые слова: выработанные торфяники, сельскохозяйственное использование, болот- ные экосистемы, уровень влажности, есте- ственное зарастание, растения-торфообразо- ватели Abstract: The results of long-term Kirov lugobolotnaya ex- perimental station researches are cited on the pos- sibility of application the developed peat soils in agriculture and restoration the disturbed wetland ecosystems. Keywords: exhausted peats, agricultural use, wet- land ecosystems, the level of humidity, natural overgrowing, peat forming plants Интенсивная разработка торфяных месторождений относится к таким воздей- ствиям человека на окружающую среду, когда природные комплексы уничтожаются полностью и одновременно происходят глубокие изменения в прилегающих к торфораз- работкам территориях. Площади выработанных торфяников – это в основном заброшен- ные, эродированные или вновь заболоченные земли, они мало отличаются от индустри- альных пустынь горнопромышленных разработок. Естественное зарастание их идет крайне медленно, в основном единичными экземплярами малоценной травянистой и ку- старниковой растительности, то есть происходит фактическое нарушение природного комплекса. Однако на этих территориях уже проведены основные мелиоративные ра- боты (осушение, культуртехника), поэтому после завершения добычи торфа данные пло- щади необходимо реконструировать в культурные ландшафты. Освоение выработанных торфяников рекомендуется производить сразу же после их выработки, если же площади после выработки торфа не будут использованы в течение последующих 3 – 5 лет, то за- траты значительно возрастут.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 57С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Объектом наших исследований и наблюдений в течение столетия являлся выра- ботанный фрезерным способом торфомассив “Гадовское” площадью 2000 га, располо- женный в Волго-Вятском регионе. Научно-производственный опыт Кировской лугоболотной опытной станции по- казывает, что процесс технической и биологической рекультивации антропогенных бо- лотных ландшафтов происходит значительно быстрее и с большим экономическим эф- фектом, если применяется принцип комплексности, когда луговые угодья в определен- ной последовательности чередуются с лесными полосами или участками леса. Под кормовые угодья отводятся площади с максимальными запасами остаточного торфа, под лесопосадками используют участки сильно или полностью сработанные. На торфяно-глеевом выработанном участке торфомассива полноценно функцио- нирует 42-летний травостой, состоящий из смеси костреца безостого, тимофеевки луго- вой, овсяницы луговой. Двуукосное использование при ежегодном, сравнительно невы- соком уровне минерального питания N120P60K120 в течение всего этого времени обеспе- чивает урожайность более 80 ц/га сухого вещества. С 11-го года пользования на 80 - 90 % в травостое преобладает кострец безостый [1]. На маломощных и полностью сработанных выработках с древесным, высокозоль- ным (>12 %), хорошо разложившимся (50 – 60 %) торфом освоение площадей можно начинать непосредственно с залужения. Предпочтение на таких почвах следует отдавать бобово-злаковым травостоям. На вновь освоенной выработанной торфянисто-глеевой почве с мощностью остаточного слоя торфа до 20 см при двуукосном использовании в течение трех лет высокую урожайность сеяные бобово-злаковые сенокосы обеспечили при внесении полного минерального удобрения N60Р120К180 (60,9-63,6 ц/га сухого вещества (СВ). Создание сеяных сенокосов без внесения удобрений на выработанных торфяниках экономически себя не оправдало [2]. На основании своих исследований А.Ф. Тимофеев (Вятская ГСХА) в качестве лучшей лесной культуры для условий выработанных низинных торфяников рекомендует сосну обыкновенную в чистом виде, сосново-березовые лесонасаждения, а в более бла- гоприятных гидрологических условиях – лиственные, еловые и тополевые. При таком комплексном освоении земель после торфоразработки, правильном расположении по территории массива сельскохозяйственных, лесных угодий создаются хорошие условия для развития охотничьего хозяйства [3]. Искусственные лесонасаждения или участки леса необходимо закладывать одно- временно со строительством и реконструкцией регулирующей мелиоративной системы [4]. Следует отметить, что после послойно-фрезерной торфодобычи оставались большие площади выработанных торфяников для самовосстановления в связи с тем, что не было технической возможности и хозяйственной необходимости отрегулировать водный режим. Даже спустя 10 – 15 лет с момента прекращения торфодобычи значительная часть торфяников имела вид безжизненной техногенной пустыни, покрытой скудной древесно-кустарниковой и болотной растительностью, часть торфа безвозвратно терялась в результате водно-ветровой эрозии. Болотная экосистема, нарушенная торфодобычей, со временем обретала устойчивое состояние, но процесс «самовосстановления» болотного ценоза чрезвычайно медленный, неравномерный и непредсказуемый. Формирование биогеоценозов – процесс сложный и длительный, поэтому в целях разработки эколого-технологических принципов восстановления болото- и торфообра- зовательных функций нарушенных болотных экосистем южной тайги евро-северо-во- стока России особенно важно проведение многолетних стационарных исследований с
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 58С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е участием представителей разных научных направлений – биологических, почвоведче- ских, геологических и агроклиматических. Свежевыработанный среднемощный торфяник, оставленный в условиях есте- ственного зарастания, характеризовался слабой биологической активностью и низкой численностью микроорганизмов. Заселение верхнего горизонта низшими и высшими растениями с прилегающих территорий способствовало возрастанию численности гете- ротрофных микроорганизмов, накоплению в торфе различных ферментов и, как след- ствие, повышению биологической активности верхнего слоя почвы. При этом формиро- вался микробиологический профиль, свойственный невыработанному целинному торфя- нику [5]. Формирование растительных ассоциаций при самозарастании выработанных тор- фяников происходило как последовательная сукцессия видов фенотипических групп от водорослей и фотосинтезирующих бактерий до высших растений. Естественное зарастание после завершения добычи торфа – процесс медленный, даже болотные растения не поселялись на этих почвах в течение многих лет. Зарастание высшими растениями начиналось с появления берез – слаборазвитых, с корневой систе- мой, располагающейся в верхнем двухсантиметровом слое, мелколистных, темноокра- шенных. Затем появлялись ивы, растения из семейства злаковых и осоковых. Поскольку оставшийся слой торфа практически не обладал эффективным плодородием, а водный режим подвержен большим колебаниям, то корневая система растений была слабой и часть их ежегодно погибала. Это особенно заметно проявлялось в засушливый период: мятлик болотный отмирал целыми клонами, гибли мелкие березы и ивы [6]. В результате наблюдений была выделена группа растений-эдификаторов, являю- щихся индикаторами среды их произрастания: осоки, мятлик болотный, береза, вейник наземный, ива, белозор болотный, одноцветка крупноцветковая, кульбаба осенняя, кру- шина ломкая. Геоботаническое описание на торфяном массиве при его естественном зарастании показало, что процесс формирования растительного покрова и виды растений на выра- ботанных торфяниках в определяющей степени зависели от уровня влажности. При повышенном увлажнении (уровень грунтовых вод (УГВ) 0 – 30 см) в первую очередь поселялись влаголюбивые (болотные) растения: мятлик болотный, осоки, в ос- новном пухонос альпийский, береза, ива, мхи, главным образом маршанция обыкновен- ная, из растений-субэдификаторов – осот болотный, череда трехраздельная, канареечник тростниковидный, костяника, крушина ломкая, малина обыкновенная, ель. Общее состо- яние растений угнетенное, о чем свидетельствовал и размер листьев, и их окраска, недо- развитость соцветий, отмершие растения. При умеренном увлажнении (УГВ – 60-80 см) растительность была представлена лишь пятью видами, через 25 лет – 22 видами. Проективное покрытие составляло 90 % (в среднем за 25 лет). В растительном покрове преобладали осоки, мхи, в основном ку- кушкин лен и плауны. Реальные условия для восстановительных процессов биогенных элементов с пе- ременной валентностью (азот, железо, марганец и др.) и положительного баланса орга- нического вещества создавались при умеренно-застойном водном режиме, при уровне грунтовых вод в течение всего года до 10 – 40 см над поверхностью [7]. При режиме постоянного затопления основными растениями-эдификаторами являлись различные виды осок, вейник тростниковидный, рогоз широколиственный, субэдификаторами – хвощ топяной, сабельник болотный, ивы, редко встречались кипрей болотный, череда трехраздельная, мхи. Основной опад обеспечили растения-торфообразователи: осоки (20 – 22), рогоз (70 – 150), вейник (75 – 130 ц/га СВ), химический состав которых характеризуется зна- чительным содержанием сырой клетчатки и невысоким – минеральных элементов (табл. 1). Однако от этого опада ежегодно в виде полуразложившейся массы под водой
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 59С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е остается не более 20 – 30 %. Фитомасса ежегодно отмирающей растительности, попада- ющая на поверхность и далее частично погребенная в почву, разрушается достаточно быстро, вследствие чего накопление опада в этих условиях незначительно. При постоянном затоплении поверхности остаточной залежи (40 – 70 см) процесс зарастания кустарниково-болотной растительностью существенно подавлен, однако большая часть (60 – 70 %) опада здесь сохранялась в полуразложенном состоянии. Еже- годное повторение этой ситуации приводило к накоплению органической массы из по- луразрушившихся остатков растений, которая впоследствии служила исходным матери- алом для образования «молодых» горизонтов торфяной залежи. В среднем ежегодно от- кладывалось 0,5 – 1 мм органогенной массы, что значительно ниже по сравнению с це- линным болотом. Естественно, что торфом эта масса пока называться не может. Кроме того, именно в этих условиях создается наиболее благоприятная среда обитания для мно- гих представителей охотничье-промысловой болотной фауны. По результатам исследований, максимальному разложению оказались подвер- жены травянистые растения, относящиеся к группе легкоразлагающихся: осоки, хвощ, рогоз, папоротник, лиственный опад. Степень разложения травянистых растений состав- ляла 49 %. Менее интенсивно протекал процесс разложения кустарничков (багульник, клюква, голубика). Группу трудноразлагающихся растений составляли мхи, лишайники и древесина. Опад лиственных пород деревьев разлагался быстрее, чем хвойных. Замед- ление процесса разложения растительных остатков древесины хвойных пород, богатых углеводами и лигнином, происходило из-за наличия воска и смол, присутствующих в хвое. Таблица 1 Химический состав растений-торфообразователей (% СВ) Вид трав Сырая зола Сырая клетчатка Сырой жир Сырой протеин Безазотистые экстрактивные вещества(БЭВ) N общ. Р К Cа Вейник тростниковидный 1,51 42,8 1,18 5,9 48,6 0,94 0,14 0,12 0,08 Осоки 3,74 31,3 2,47 7,0 55,5 1,12 0,13 0,56 0,73 Рогоз широколиственный 5,72 36,6 1,35 4,9 51,4 0,78 0,14 0,94 1,28 Сабельник болотный 2,90 33,1 1,52 8,0 54,5 1,29 0,12 0,40 0,74 Процесс степени разложения растений-торфообразователей в естественных усло- виях торфомассива «Гадовское» зависел от условий среды: активность микрофлоры и микроорганизмов отмечена выше на поверхности почвы, чем в самой почве или под во- дой. На поверхности почвы растительные остатки пушицы и древесины подвержены разложению на 31,5 и 18,0 %, а в зоне постоянного затопления – на 13,2 и 8,4 %, соответ- ственно [8]. Зарастание поверхности выработанных торфяников древесно-кустарниково-тра- вянистой растительностью после добычи торфа в значительной степени зависело от мощности слоя остаточного торфа. Геоботаническое описание площадок, проведенное через 45 лет после окончания торфодобычи, показало, что при мощности слоя остаточ-
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 60С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е ного торфа от 0 до 0,5 м формировался лесной ценоз: основную массу древостоя пред- ставляли высокорослые березы пушистые (15 – 20 м), составляющие первый ярус леса. Во втором ярусе преобладали осина, ель обыкновенная, рябина обыкновенная, черемуха обыкновенная. Третий ярус составляли кустарники: костяника, малина обыкновенная. В четвертом ярусе доминировала травянистая растительность, представленная кипреем бо- лотным, майником круглолистным, земляникой обыкновенной, щитовником мужским, хвощем топяным, осоками, вейником Лангсдорфа, луговиком дернистым. При мощности слоя остаточного торфа 0,7 – 1,0 м рост и развитие древесной рас- тительности замедлены. Многоярусность леса выражена слабо. Высота берез в возрасте 20 – 23 года достигает 3 – 10 м, сосен 13 – 16 лет – 1,5 – 4 м, ели – 1 м, количество деревьев значительно меньше, чем при мощности торфа 0 – 0,5 м. При мощности слоя остаточного торфа более одного метра древесно-кустарни- ково-травянистая растительность развивалась слабо и находилась в угнетенном состоя- нии. Высота берез здесь составляет 0,6 – 2,0 м, елей – 0,7 – 0,8 м, рябины – 0,7 - 1,0 м, сосна в возрасте 20 – 23 года достигает 4,5 – 5,0 м. Корневая система деревьев распола- гается в верхнем десятисантиметровом слое или практически на поверхности почвы. Возможность управления растительно-восстановительными процессами на выра- ботанном торфянике изучалась с помощью минерального удобрения. Обработка почвы, внесение удобрений, посев трав при сельскохозяйственном использовании оказывали значительное влияние на формирование растительного покрова. Однако влияние этих факторов неоднозначно: обработка почвы и посев трав, и сами по себе травы, практически только в год посева, на стадии всходы-кущение, создавали впечатление окультуренности и отличались от естественного зарастания. Установлено, что культурные многолетние злаковые и бобовые травы достаточно быстро снижали продуктивность даже при регулярном и полном минеральном обеспечении и через 3 – 4 года выпадали из травостоев. Сеяный травостой вырождался при этом полностью. Оставшееся болотное разнотравье практически не реагировало на удобрение. Развитие древесно-кустарниково-травянистой растительности на участках, где в течение пяти лет вносились различные сочетания минеральных удобрений, и в следую- щие годы оставленных без скашивания и удобрения, шло значительно интенсивнее, чем на объекте, где изначально не применялись минеральные удобрения. То есть однажды внесенное удобрение под древесно-кустарниковую аборигенную растительность много- кратно ускоряет формирование хвойно-лиственного древостоя. Таким образом, принцип комплексности, основанный на сочетании сельскохозяй- ственной, лесохозяйственной, рыболовно-охотничьей деятельности представляет собой наглядный образец рационального природопользования на примере Кировской Лугобо- лотной опытной станции, где в настоящее время восстанавливаются нарушенные про- мышленностью болотные экосистемы [9]. Динамика изменений состояния и численности основных представителей болот- ного биогеоценоза (микроорганизмов, мхов, древесно-кустарниковой и болотной травя- нистой растительности) свидетельствует о крайне слабой способности нарушенных бо- лотных комплексов к самовосстановлению. Реальные условия для образования промежуточно-исходного сырья для образо- вания торфа складывались при умеренно-застойном водном режиме. Естественное за- растание поверхности выработанного торфяника болотной растительностью интенсивно происходило при постоянном затоплении и повышенном увлажнении. На торфяно-глее- вой выработанной почве в условиях умеренного осушения формировался полноразви- тый хвойно-лиственный древостой. Постоянное внесение минерального удобрения не способствовало развитию водно-болотной растительности. Единовременное внесение удобрения давало мощный толчок развитию лесного ценоза.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 61С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Направленное регулирование болотовосстановительных процессов позволяет ре- шать несколько экологических проблем. Прежде всего практически полностью исклю- чаются торфяные пожары. Реанимирующейся болотной экосистеме возвращаются неза- менимые биосферные функции по оптимизации газового, гидрологического, темпера- турного, геохимического, геологического режимов. Расширяется среда обитания для охотничье-промысловых и ягодно-лекарственных ресурсов лесной зоны. Литература 1. Ковшова В.Н. Удобрение сеяных сенокосов на выработанных торфяниках Евро-Северо-Востока / В.Н. Ковшова // Высокопродуктивные ландшафты на торфяных почвах: матер. междунар. науч.-практ. конф., посвященной 95-летию основания Киров- ской лугоболотной опытной станции. – Киров: Вятка, 2013. – С. 132 - 140. 2. Сенокосы и пастбища на осушаемых землях Нечерноземья / А.А. Зотов, В.М. Косолапов, А.Г. Кобзин, И.А. Трофимов, А.Н. Уланов, А.В. Шевцов, Х.Х. Шельменкина, Н.Н. Щукин. – Кокшетау: Типография ИП «Изотова К.У.», 2012. – 1198 с. 3. Тимофеев А.Ф. Комплексное освоение и интенсивное использование земель после торфоразработок / А.Ф. Тимофеев // Освоение экосистем и рациональное приро- допользование на торфяных почвах: матер. Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 85-летию основания ГУП Кировская лугоболотная опытная станция. – Киров: Вятка, 2003. – С. 169 - 171. 4. Уланов А.Н. Торфяные и выработанные почвы южной тайги Евро-северо-во- стока России / А.Н. Уланов. – Киров: «Вятка», 2005. – 320 с. 5. Копенкина Н.А. Охрана болот и вопросы охраны природы при промышленном использовании торфяных ресурсов / Н.А. Копенкина, В.Д. Копенкин // Исследование торфяных месторождений. Вып. 1. - Калинин: Обл. типография, 1975. - С. 12 - 17. 6. Широких А.А. Комплекс эпифитно-сапротрофных бактерий выработанного торфяника в условиях естественного зарастания / А.А. Широких // Луга на болотах: науч. труды Кировской лугоболотной опытной станции. – Киров: Миньон ВМП Авитек, 1993. – С. 53 - 60. 7. Результаты стационарных исследований на осушаемых низинных, в том числе нарушенных добычей, торфяных почвах / И.А. Вертоградская, А.Н. Уланов, Ю.В. Звер- ков и др. // На торфяных почвах. Ч. 1. – Киров: Миньон ВМП Авитек, 1993. – С. 26 - 42. 8. Уланов А.Н. Восстановление нарушенных болотных экосистем южной тайги европейской части северо-востока России / А.Н. Уланов, Е.Л. Журавлева, Х.Х. Шельменкина // Кормопроизводство. – 2012. – № 6. – С. 34 - 35. 9. Смирнова А.В. Динамика разложения растений-торфообразователей / А.В. Смирнова // Мелиорация и водное хозяйство 21 века: проблемы и перспективы раз- вития: матер. междунар. науч.-практ. конф. ФГБНУ ВНИИМС, г. Тверь, 27-28 августа 2014 г. Кн. 2 – Тверь: Тверской государственный университет, 2014. – С. 148 - 153. 10. Уланов А.Н. Использование торфяных ресурсов Кировской области / А.Н. Уланов // Рациональное использование торфяных месторождений: матер. Между- нар. науч.-практ. конф., посвященной 90-летию основания Кировской лугоболотной опытной станции – Киров: Вятка, 2008. – С. 42 - 48.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 62С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 622.745 (100) DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.062 Воробьев Александр Егорович доктор технических наук, профессор, проректор по международной деятельности, Институт повышения квалификации руководящих работников и специалистов топливно-энергетического комплекса, 140103, Российская Федерация, Московская область, г. Раменское, Донинское шоссе, 4 км e-mail: fogel_al@mail.ru Тчаро Хоноре аспирант, Инженерная академия Российского университета дружбы народов, 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6 Чекушина Татьяна Владимировна кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник отдела горной экологии, Институт проблем комплексного освоения недр РАН, 111020, г. Москва, Крюковский тупик, д.4 e-mail: council-ras@bk.ru ПРАКТИКА ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ ГЛИНИСТЫХ ЭКРАНОВ НА ПЛОЩАДКАХ КУЧНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ В ПЕРУ Vorobjev Alexander E. Doctor of technical sciences, The Institute of continuous education top managers and specialists of fuel and power industries, 140103, Moscow region, Ramenskoye, 4 km, Doninskoe highway e-mail: fogel_al@mail.ru Tcharo Honore post graduate student of EngineeringAcademy, Peoples Friendship University of Russia, 117198, Moscow, 6 Miklukho-Maklaya st. Chekushina TatyanaV. candidate of technical sciences, The Institute of comprehensive exploitation of mineral resources, RAS. 111020, Moscow, 4 Krukovsky blind alley e-mail: council-ras@bk.ru PRACTICE OF APPLICATION CLAY GEOSYNTHETIC SCREENS IN THE SITES OF HEAP LEACHING IN PERU Аннотация: Кучное выщелачивание (КВ) является самым деше- вым из альтернативных методов способа получения золота и других металлов из минерального сырья. Практическая реализация технологии кучного выще- лачивания сталкивается с серьезными современными экологическими проблемами в развитых и развиваю- щихся странах мира, оптимальное решение которых все еще находится в состоянии опытно-промышлен- ных работ. Одним из предпочтительных методов ре- шения этих экологических проблем является примене- ние различных видов покрытия с целью предотвраще- ния проникновения технологических растворов в под- земные воды, управления потоками воды во время до- ждей, а также уменьшения их испарения в окружаю- щую среду. В настоящее время многие усилия пред- принимаются по улучшению строительства, каче- ства и экономичности проектов кучного выщелачива- ния. В статье рассматриваются возможности уменьшения объемов земляных работ, которые по- требляют до 70 % капитальных затрат таких про- ектов. Важное значение для проектов КВ имеет обеспечение контакта непроницаемого слоя грунта с геомембраной. В мировой практике установлено, что при уклоне более 63,4º применение непроницае- мого слоя грунта несколько осложнено и не всегда вы- годно. Вместо непроницаемого слоя грунта предлага- ется использование мембран, так называемых гео- синтетических глинистых экранов. Иногда геосинте- тические глинистые экраны используются для обес- печения дополнительной герметичности в целях за- щиты грунтовых вод от последствий промышленной деятельности: складирования, добычи и хранения опасных материалов. В данной статье рассматрива- ются не только преимущества и недостатки, но и экономическая составляющая применения мембран на площадках кучного выщелачивания меди в Перу и других странах. Ключевые слова: кучное выщелачивание, непроницаемый слой грунта, геосинтетические глинистые экраны, геомембрана, штабель КВ, гео- композиты, экономика Abstract: Heap leaching is the cheapest of the alternative methods in processing of gold and other metals. Heap leaching op- erations face with serious up-to-date environmental prob- lems in the developed and developing countries around the world, the best solution of which is still in the process of development works.One of the preferred methods to solve these environmental problems is the use of various types of coatings in order to prevent the penetration of technological solutions in the ground water, managing water flows during the rainy season, as well as to reduce their evaporation into the environment. Currently, many efforts are being made to improve construction, quality and efficiency of heap leaching projects. The possibilites to reduce activities of earthworks, which consume up to 70 % of the capital costs of such projects are considered. .The important factor for heap leaching projects is to ensure the contact of the soil low-permeability with a geomembrane. In world practice it is established that when the slope is more than 63,4º the use of low- permeability soil is complicated and unsuitable. Instead low-permeability soil it is proposed to use membranes, the so-called geosynthetic clay coatings.. This article discusses not only the advantages and disadvantages, but also the economic component of of such membranes application in the sites of copper heap leaching in Peru and other countries. Key words: heap leaching, low-permeable soil, geo-syn- thetic clay screens, geo-membrane, heap leach pad, geo- composites, economics
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 63С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Введение В зарубежной практике кучного выщелачивания золота и других металлов для обеспечения антифильтрационных свойств основания и покрытия штабеля КВ широко применяют различные геоматериалы [7 – 9, 10]. Уплотненный глинистый экран был исторически применен для защиты грунта от жидкостей, загрязненных отходами. Однако плотную глину трудно построить при вы- сушивании и замораживании – оттаивании. Геосинтетические глинистые экраны (рис. 1) (глиноматы, бентонитовые маты) изготавливаются из глины (бентонита) и геосинтети- ков. Они содержат тонкий слой набухшей глины, размещенный между 2 слоями геотек- стиля, и прикрепляются к синтетической геомембране. Рис. 1 – Геосинтетический глинистый экран с двумя слоями геотекстиля герметизирующего слоя бентонита натрия В настоящее время в практике кучного выщелачивания металлов используют 3 типа бентонитовых матов [3]:  Слой бентонита между двумя слоями геотекстиля, которые соединены швом или с помощью спиц. Такое крепление существенно повышает сопротивление сдвигу. Если необходимо соединить две секции материала, то они укладываются внахлест. Если креп- ление производится с помощью спиц, то бентонит укладывают по всей поверхности между уложенными внахлест секциями геотекстиля. После увлажнения бентонита фик- сация происходит автоматически, и нет необходимости в дополнительном механическом креплении.  Натриевый бентонит, смешанный с растворимым в воде клеем, размещенный между двумя слоями геотекстиля. Клей удерживает материал во время транспортировки и при укладке. При этом нижний тонкий слой геотекстиля изготавливается из неплотного материала, чтобы бентонит после увлажнения легко проходил через отверстия геотек- стиля, автоматически скрепляя верхний слой.  Бентонит, смешанный с клеем: клей обеспечивает прочность склейки бентонита и HDPE-геомембраны; крепление между секциями происходит так же, как и во втором типе. Однако применение геосинтетических глинистых экранов (глиноматов) требует учета следующего ряда факторов при их проектировании и установке: – определения географических областей, где геосинтетические глинистые экраны не будут наносить ущерба при их использовании в кучном выщелачивании (из-за до- вольно низкой прочности геосинтетических глинистых экранов); – оценки необходимости и характеристик промежуточных берм, т. к. длина рулона геосинтетических глинистых экранов всегда намного короче, чем длина рулона геомем- бран; – оценки перекрытия конструкции, предотвращающей разделение края геосинте- тических глинистых экранов, и эффективного контроля качества в процессе их монтажа.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 64С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Оценка возможности использования геосинтетических глинистых экранов в каче- стве непроницаемого барьера в проектах кучного выщелачивания должна осуществ- ляться на основе конкретных характеристик этих проектов. Так, расположение, расстоя- ние до месторождения глины и реальные условия окружающей среды на территории раз- мещения штабеля КВ являются весьма важными аспектами, которые определяют, явля- ется ли использование геосинтетических глинистых экранов лучшей альтернативой для таких проектов. При этом необходимо отметить, что на территориях с уклонами круче, чем 63,4º, размещение слоя антифильтрационного грунта становится весьма сложным и занимает довольно много времени. Причем в некоторых проектах КВ имеющиеся ограничения по безопасности исключают возможность разматывания рулона на крутых откосах с помо- щью привода для уплотнения слоя глины, поэтому здесь в качестве замены слоя глины может быть применен только геосинтетический глинистый экран. Расстояние от установки КВ до месторождения глин и наличие их в достаточном количестве, а также стоимость их перевозки на площадку КВ, должны быть оценены и сравнены со стоимостью использования геосинтетических глинистых экранов. Кроме того, содержание влаги в глинах является также весьма важным аспектом, особенно если формирование штабеля КВ будет осуществляться в период дождей или дождевого се- зона. Во многих случаях сроки строительства штабеля КВ осуществляются гораздо быстрее при применении геосинтетических глинистых экранов, потому что подготовка поверхности под площадку КВ и размещение на ней геосинтетических глинистых экра- нов осуществляется несколько легче и быстрее, чем подготовка поверхности, сорти- ровка, размещение и уплотнение слоя низкопроницаемого грунта. Однако важно отметить, что в некоторых случаях скальные обнаженные породы, градуированные взрывом, своими чрезмерными неровностями могут повредить геосин- тетические глинистые экраны. В таких случаях их поверхность должна быть выровнена с помощью раствора торкрет-бетона или известкового раствора (рис. 2) либо путем раз- мещения мешков с песком, а в некоторых случаях – с помощью электросварной прово- лочной сетки. Рис. 2 – Подготовка поверхности перед установкой геосинтетических глинистых экранов и геомембран
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 65С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е В табл. 1 приведены результаты сравнения установки геосинтетических глинистых экранов и установки слоя глинистого грунта. Таблица 1 Сравнение между слоем глинистого грунта и геосинтетическими глинистыми экранами [1] Закрепленный глинистый грунт Геосинтетический глинистый экран Как правило, наиболее экономичный ва- риант для уклонов менее 68,2º или даже 63,4º, когда источники непроницаемого грунта доступны на участке кучного вы- щелачивания Более экономичный на неровных откосах после проведения взрывных работ или ко- гда материал барьерного грунтового слоя доступен вблизи участка кучного выщела- чивания Может быть использован при откосах до 56,3º. Ограничен в некоторых местах с уклоном 64,3 или 68,2º Может быть использован при любом от- косе площадки выщелачивания с прежде- временной проверкой общей геотехниче- ской стабильности Может быть размещен непосредственно на земляном полотне и структурном наполнении, согласно планировке разра- ботки Эффективен на крутых скальных откосах неправильной формы, где должен быть размещен в сочетании с геокомпозитами и геотекстилями, во избежание возможных проколов Может быть размещен на грунтовых ос- нованиях весьма неправильной формы. Из-за длины рулона промежуточные бермы должны быть спроектированы и по- строены для обеспечения эффективного крепления Не требует промежуточных берм, если система сбора технологических раство- ров в них не нуждается Уязвимые к гидратации уровнем грунто- вых вод в фундаменте, снижающие его эф- фективность в качестве защиты Для крепления геосинтетических глинистых экранов используют анкерную тран- шею, в которой экраны прикрепляются к земляному полотну. Устойчивость экрана по- вышается, если устраняются швы между панелями геосинтетических глинистых экранов на крутых откосах и бермах. Расположение и конфигурация при использовании берм определяются для макси- мальной длины рулонов геосинтетических глинистых экранов, которая, как правило, равна 45 м (хотя некоторые производители обеспечивают рулоны длиной до 75 м). На рис. 3 показаны типичные бермы, где геосинтетические глинистые экраны закреплены в траншее, заполненной закрепленным низкопроницаемым грунтом. Подобные бермы могут быть использованы в качестве фазовой границы раздела или фазового барьера в конструкции штабеля КВ, позволяют осуществлять независимую систему сбора технологических растворов и целенаправленно управлять дождевой водой выше берм путем сбора и эвакуации этих потоков вдоль берм. При формировании подобных слоев необходимо учесть возможные расходы на ма- териалы, предназначенные для предотвращения повреждения геосинтетических глини- стых экранов из-за неравномерных и агрессивных поверхностей (таких, как скальные об- наженные породы, образуемые в результате взрывных работ) и сравнить с эффективно- стью традиционного антифильтрационного грунтового слоя.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 66С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 3 – Типичные промежуточные бермы для защиты площадки КВ: 1 – анкерная траншея (грунт низкой проницаемости); 2 – материал разной мощности, укладываемый сверху; 3 – промежуточная траншея; 4 – нижняя дренажная система; 5 – геокомпозит; 6 – геосинтетический глинистый экран; 7 – уровень грунтового основания; 8 –полиэтиленовая геомембранная пленка низкой плотности (толщиной 2,0 мм); 9 – перекрытие на крутых откосах (3 м); 10 – анкерная траншея (грунт низ- кой проницаемости) Иногда тонкий слой известкового раствора (песок + цемент) нужен для того, чтобы обеспечить равномерность подготавливаемой поверхности (рис. 4). Рис. 4 – Подготовленная скальная поверхность до установки геосинтетических глинистых экранов или геомембран Тяжелый геотекстиль (весом до 500 г/м2 ) может быть использован для защиты, чтобы предотвращать возможные проколы и разрывы геосинтетических глинистых экра- нов. Использование геокомпозитов (или даже геомембран) необходимо в неоднородных склонах, где острые изломы скал могут повредить геосинтетические глинистые экраны. Геокомпозиты в проектах кучного выщелачивания преимущественно использу- ются на рудниках в Перу. В качестве дополнительного преимущества геокомпозит через систему дренажных труб может накапливать любые несобранные подземные воды, тем самым предотвращая излишнее увлажнение геосинтетических глинистых экранов (рис. 5).
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 67С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 5 – Установка геокомпозитов, геосинтетических глинистых экранов и геомембран В более агрессивных склонах или каменистой местности с острыми поверхностями скальных выступов (рис. 6), которые обычно образуются на стадии ведения взрывных работ, в контакте с такой породой укладывают электросварную проволочную сетку, за- тем укладывают геокомпозит, комплексируя впоследствии с геосинтетическими глини- стыми экранами. Рис. 6 – Вид склонов со скальными обнажениями, которые способны повредить геосинтетические глинистые экраны На рис. 7 показана поверхность, где будет размещена сетка для получения более гладкой поверхности перед размещением геокомпозита, впоследствии скомплексиро- ванная с геосинтетическими глинистыми экранами. Когда геосинтетические глинистые экраны используются вместо слоя низкопрони- цаемого грунта, то прочность на сдвиг такого геомембранного интерфейса значительно ниже, чем грунтового слоя геомембраны. В этом случае необходимо учитывать стабиль- ность всей площадки кучного выщелачивания. Крупномасштабное прямое испытание на сдвиг, как правило, производится, чтобы определить прочность на сдвиг этого интерфейса, который из-за утечки технологиче- ских растворов через системный слой или из подземных вод включает в себя некоторое увлажнение.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 68С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Геосинтетические глинистые экраны не должны использоваться ниже зоны уста- новки кучного выщелачивания для того, чтобы избежать проблем стабильности [1]. Рис. 7 – Скальная поверхность для размещения сетки Образцы по обеспечению качества берутся с частотой один тест на 10 000 м2 [1]. Все испытания на совместимость экранов должны быть сделаны с помощью соответству- ющих методов и рекомендуемых стандартов и проверены во внешних квалифицирован- ных лабораториях для определения следующих технологических свойств: – массы на единицу площади, чтобы убедиться, что рулон геосинтетических гли- нистых экранов сохраняет не менее 95 % от исходного бентонита, который был исполь- зован на фабрике (с 0% содержания влаги); – гидравлической проводимости, которая в Перу должна быть протестирована в соответствии с ASTM D-5048; – прочности и относительного удлинения, которые в Перу должны быть протести- рованы в соответствии с ASTM D-4632. Геосинтетические глинистые экраны должны быть установлены в зонах, показан- ных на чертежах проекта. Причем перед установкой геосинтетических глинистых экра- нов поверхность площадки должна быть как можно более гладкой, без препятствий, де- прессий и острых предметов [2]. Геосинтетические глинистые экраны с целью получения ровной поверхности, свободной от напряженности, складок или морщин, должны быть развернуты длинной стороной на склон и расширены. В верхней части склонов геосинтетические глинистые экраны будут крепиться к анкерной траншее, а затем будут развернуты вниз по склону. Кроме того, при размещении нижележащего защитного слоя (геотекстиль, геоком- позит или проволочная сетка) установщик несет полную ответственность за проверку качества защитного слоя. Все отверстия или разрывы геосинтетических глинистых экранов должны быть устранены с помощью специальных накладок (используя тот же класс геосинтетических глинистых экранов), которые должны распространяться на 300 мм за края отверстия или разрыва. Все это должно иметь фаску гранулированного бентонита или другого уплот- нителя (свободного от инородных материалов, таких как иглы). Никакие гвозди или скобы не должны быть использованы для закрепления подобной накладки.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 69С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Одной из главных проблем, возникающих после установки геосинтетических гли- нистых экранов, является усадка их панелей, вызывающая появление разделения между панелями геосинтетических глинистых экранов. Поэтому перекрытие должно всегда быть не менее 150 – 400 мм (в зависимости от склона, погодных условий и рекомендаций производителя). Однако отмеченное сжатие (усадка) геосинтетических глинистых экра- нов зависит прежде всего от изменения климата, но не от поверхности склона. На рис. 8 показано сжатие (усадка) геосинтетических глинистых экранов, возник- шее после их размещения, что привело к разделению панелей из-за недостаточного пе- рекрытия. Рис. 8 – Сжатие геосинтетических глинистых экранов и разделение панели из-за недостаточного перекрытия Контрастные изменения температур между днем и ночью были, вероятно, причи- нами такого сжатия и последующего разделения. Поэтому в районах, где ожидаются большие перепады температуры, при откосах менее 45º минимальное перекрытие должно составлять 300 мм, между тем оно должно составлять 500 мм как минимум на склонах более 45º из-за тонкости прокладки, образующейся на полосе в соответствии с их массами. Примеры использования геосинтетических глинистых экранов Случай 1. Оптимизация земляных работ Этот проект кучного выщелачивания с 89,9 га площадки, расположенной в южной части Перу, будет построен в узкой долине, где средний склон составляет 56,3º. Проек- тируемые земляные работы (в основном разрезы) необходимы для того, чтобы достичь поверхности земляного полотна, и составляют около 830 000 м3 , из которых 30 % были сформированы на поверхности выходов скальных пород. При этом из 89,9 га площадки выщелачивания 35,7 га находятся в местах, где склоны круче, чем 68,2º, что составляет 39 % площади. Для обычного размещения низкопроницаемых грунтовых слоев дополнительный отрезок потребуется для профилирования поверхности ниже, чем 68,2º. Для этого потре- буется объем 1 840 000 м3 , который представляет 221 % оригинального кроя. Зоны, где требуются дополнительные разрезы, показаны на рис. 9 зеленым цветом, с типичной сек- цией, показанной на рис. 10.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 70С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 9 – Зоны, где необходим дополнительный разрез для сокращения площадей крутых склонов Однако на откосах круче, чем 68,2º, всех этих дополнительных земляных работ уда- лось избежать благодаря использованию геосинтетических глинистых экранов. Рис. 10 – Дополнительный разрез, где удалось избежать применения геосинтетических глинистых экранов Случай 2. Наличие малопроницаемых грунтов Данный конкретный случай является ситуацией, когда существует ограниченность антифильтрационного материала, который может быть использован в качестве низко- проницаемого грунтового покрытия в отсутствие источников выемки грунта. В этом слу- чае необходимо разместить как можно больше геосинтетических глинистых экранов, настолько это возможно без ущерба для стабильности установки кучного выщелачива- ния. Одна из основных проблем, возникающих в данном случае, заключается в том, что это может генерировать большой объем земляных работ [5]. Кроме того, в условиях до- ждей и особенно на равнинных участках, необходимо соблюдать определенную осто- рожность, чтобы избежать гидратации геосинтетических глинистых экранов: даже уме- ренное количество осадков может привести к ухудшению их состояния [6]. На рис. 11 показан типичный чертеж проекта для региона Северного Перу (до- вольно дождливая область), где доступность антифильтрационных грунтов довольно ограниченная (в основном из-за проблем содержания влаги). Критерии конструкции для установки геосинтетических глинистых экранов включают в себя участки установки куч- ного выщелачивания, где склоны более 68,2º.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 71С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 11 – Зоны для установки геосинтетических глинистых экранов (коричневые участки) Выводы При кучном выщелачивании, когда месторождения глины не расположены в непо- средственной близости от площадки КВ, следует вместо грунтового покрытия использо- вать геосинтетический глинистый экран. Также необходимо принимать во внимание сле- дующие обстоятельства:  Важно проанализировать элементы управления размещением антифильтрацион- ного материала и качеством его установки, для того чтобы обеспечить слой, который бы отвечал требованиям к проектированию и обеспечивал требуемую производительность работ на площадке кучного выщелачивания.  Расчеты устойчивости объемов земляных работ [4], сроки строительства, распо- ложение месторождения глины и процесс строительства являются основными вопро- сами, которые необходимо учитывать при принятии решения, следует ли использовать геосинтетические глинистые экраны вместо малопроницаемых грунтов.  Анализ технологичности и знаний строительного процесса и деталей на стадии проектирования является важным фактором для определения оптимальной конструкции площадки кучного выщелачивания при использовании геосинтетических глинистых экранов.  Четкое описание должно быть представлено в технической спецификации и ру- ководстве по обеспечению качества для технических данных, таких как механические свойства материала, частота испытаний и требования к установке. Литература 1. Cesar, C., Mendoza, J., and Parra, D. 2013. Heap leach pad design in very aggressive terrain, Proceedings of the FirstInternational Heap Leach Solutions Conference, Vancouver, Canada: InfoMine, Inc. 2. Standard Guide for "Design Considerations for Geosynthetic Clay Liners (GCLs) in Various applications" by Geosynthetic Institute (Revision 1 (Editorial): January 9, 2013) 3. Классификация геосинтетических материалов IGS [Электронный ресурс] – Ре- жим доступа: http://www.polyline.ru/publications/klassifikaciya-geosinteticheskih-materi- alov
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 72С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е 4. NI 43-101 Technical Report Golden Summit Project Preliminary Economic Assessment Fairbanks North Star Borough, Alaska USA, 2016 5. Prevents/reduces oxidation of potentially ARD generating Proceedings of Heap Leach Solutions, 2014 6. Chappel, M.J., Rowe, R.K., Brachman, R.W.I, Take, W.A. (2012). A comparison of geomembrane wrinkles for nine field cases, Geosynthetics International, 19. - No. 6. - 453 – 469. 7. Воробьев А.Е. Классификация штабелей кучного выщелачивания металлов / А.Е. Воробьев, Т.В. Чекушина // Горный журнал. - № 3. - 1997. – С. 36 - 42. 8. Воробьев А.Е. Группировка рудных штабелей для кучного выщелачивания золота / А.Е. Воробьев, Т.В. Чекушина // Руды и металлы. - 2000. - № 5. – С. 65 - 76. 9. Воробьев А.Е. Проблемы кучного выщелачивания золота из техногенного мине- рального сырья / А.Е. Воробьев // Проблемы извлечения благородных металлов из руд от- ходов обогащения и металлургии. – Екатеринбург, 1998. – С. 9 - 10. 10. Извлечение золота из хвостов золотоизвлекательной фабрики от перера- ботки упорных руд смешанного типа / К.К. Гурин и др. // Цветные металлы. - 2013. - № 5 (845). - С. 39 - 44.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 73С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 622.014.3:553.042]:621.31:18 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.073 Борисков Федор Федорович кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, Институт горного дела УрО РАН, 620075, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 е-mail: ukr07@)mail.ru Борисков Дмитрий Федорович преподаватель, Свердловский техникум дизайна и сервиса, 620027 г. Екатеринбург, переулок Красный, 3 е-mail: dima481246@mail.ru ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ХОЛОДА ТРОПОСФЕРЫ – НОВОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РЕСУРСА ПЛАНЕТЫ ЗЕМЛЯ ДЛЯ СОХРАНЕНИЯ И СОЗДАНИЯ ЛЕДНИКОВ Boriskov Pheodor Ph. candidate of mineralogical and geological sciences, senior researcher, The Institute of Mining UB RAS, 620075, Yekaterinburg, 58 Mamin-Sibiryak st., e-mail: ukr07@mail.ru Boriskov Dmitry Ph. teacher, The Sverdlovsck technical school of design and service, 620027, Yekaterinburg, 3 side-street Krasny е-mail: dima481246@mail.ru TROPOSHERE COLD APPLICATION AS A NEW ENERGETIC EARTH PLANET RESOURCE FOR GLACIERS PRESERVATION AND CREATION Аннотация: Обосновано применение холода тропосферы Земли – нового энергетического ресурса пла- неты для сохранения и создания ледников. Ключевые слова: тропосфера Земли, холод, по- тепление Abstract: Using the Earth troposphere cold as a new planet energy resource for glaciers preservation and crea- tion is based. Key words: the Earth troposphere, cold, warming Энергетические ресурсы Земли формируются излучением Солнца, теплом ее недр (извержения вулканов), распадом радиоактивных элементов, падением метеоритов. Часть энергии, в основном Солнца, накапливается растениями и животными и сохраня- ется в дереве, торфе, угле и углеводородах (нефть, газ). Уменьшение количества энергии на Земле приводит к похолоданию климата, увеличение – к потеплению, которое сопро- вождается также таянием ледников. Более 1000 мелких и средних ледников исчезло в Киргизской республике [1]. На горе Килиманджаро ледник потерял около 80 % своей площади и 17 м толщины льда [2]. Для характеристики теплофизического состояния тропосферы Земли используются также следующие природные явления: 1. Тропосферотермический (вертикально термический) градиент – уменьшение температуры (Т) воздуха при увеличении высоты над земной поверхностью. Например, тропический климат у подножья горы Килиманджаро – вечное лето в экваториальной зоне Африки (Т > 0о C) – сменяется оледенением (Т < 0о C) на пиках горы под фрагмен- тами тающего ледника. 2. Кругооборот воды в природе (испарение воды с поверхности Земли, перенос во- дяного пара вверх в холодную зону тропосферы (Т < 0о С) теплым легким воздухом, кон- денсация паров воды в холодной зоне тропосферы с образованием воды и льда, выпаде- ние осадков (дождь иногда с градом, снег). 3. Теплообмен и массоперенос воздуха, водяного пара, воды, льда при кругообо- роте воды в природе, в траектории которого можно выделить: – вертикальный участок, возникающий при подъеме легкого теплого воздуха с во- дяным паром в холодную зону тропосферы, в которой пар конденсируется с образова- нием воды, снега, льда (конденсат);
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 74С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е – горизонтальный участок в холодной зоне тропосферы, где конденсат поддержи- вается восходящим потоком воздуха; – второй вертикальный участок, по которому конденсат выпадает на поверхность Земли тогда, когда сила тяжести капель воды или частиц льда, увеличивающаяся при конденсации паров воды, превысит силу восходящего потока воздуха, поддерживающую конденсат в воздухе. Выпадением конденсата на поверхность Земли формируется П-образная траекто- рия теплообмена и массопереноса при кругообороте воды в природе. Предлагается использовать модель П-образной траектории теплообмена и массо- переноса вещества (воздух, водяной пар, вода, снег, лед) при кругообороте воды в при- роде для получения и отложения снега на горах с применением П-образного пустотелого устройства (ПУ). ПУ содержит две вертикальные трубы, соединенные вверху между собой гори- зонтальной трубой (радиатором), образующие две горизонтальные (нижняя, верхняя) и две вертикальные (правая и левая) части. ПУ устанавливается преимущественно верти- кально (рис. 1). Нижняя (горизонтальная) часть размещается в зоне с Т > 0о C, верхняя часть и радиатор – с Т < 0о C. Рис. 1 – Схема доставки снега на участок земной поверхности холодным воздухом Т < 0о С↓ П-образным пустотелым устройством (ПУ) (0о С – 0о С – изолиния 0о С) Теплообмен и массоперенос по схеме кругооборота воды в природе можно осу- ществлять в ПУ принудительно, например, с использованием вентилятора. Теплый воздух с Т > 0о C, подаваемый, например, в правую часть ПУ, движется вверх. В радиаторе и в верхней холодной части ПУ воздух охлаждается до Т < 0о С, где пары воды конденсируются. При замерзании капель воды образуются льдинки, которые с холодным воздухом левой частью ПУ направляются на сохраняемый или вновь созда- ваемый участок ледника. Более рациональным направлением в организации теплообмена и массопереноса в ПУ является использование силы тяги, возникающей в процессе подъема легкого теп- лого воздуха по его правой трубе, охлаждения воздуха в верхней части ПУ и выхода холодного воздуха со снегом по левой трубе ПУ на тающий ледник. Литература 1. Таяние ледников, 2015 [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.bing.com/ 2. Килиманджаро [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://ru.wik- ipeda.org//wiki/
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 75С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 574.589 (571.17) DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.075 Кириллов Владимир Викторович кандидат биологических наук, доцент, заведующий лабораторией водной экологии, Институт водных и экологических проблем СО РАН, 656038, Алтайский край, г. Барнаул, ул. Молодежная, 1 e-mail: vkirillov@iwep.ru Жоров Виктор Алексеевич кандидат географических наук, главный инженер ООО «Центр инженерных технологий», 656031, Алтайский край, г. Барнаул, ул. Папанинцев, 129 e-mail: cit.barnaul@gmail.com Безматерных Дмитрий Михайлович кандидат биологических наук, доцент, заместитель директора по научной работе, Институт водных и экологических проблем СО РАН e-mail: bezmater@iwep.ru Бурмистрова Ольга Сергеевна кандидат биологических наук, научный сотрудник, Институт водных и экологических проблем СО РАН e-mail: burmolga@yandex.ru Винокурова Галина Владимировна кандидат биологических наук, научный сотрудник, Институт водных и экологических проблем СО РАН e-mail: kimg@iwep.ru Долматова Людмила Анатольевна кандидат химических наук, научный сотрудник, Институт водных и экологических проблем СО РАН e-mail: dolmatova@iwep.ru Дьяченко Александр Владимирович младший научный сотрудник, Институт водных и экологических проблем СО РАН e-mail: dychenko@iwep.ru Зарубина Евгения Юрьевна кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, Новосибирский филиал Института водных и экологических проблем СО РАН, 630090, г. Новосибирск, Морской проспект, 2 e-mail: zeur@mail.ru Котовщиков Антон Викторович кандидат биологических наук, научный сотрудник, Институт водных и экологических проблем СО РАН e-mail: kotovschik@iwep.ru Соколова Мария Ивановна младший научный сотрудник, Институт водных и экологических проблем СО РАН e-mail: smi1181@mail.ru Медникова Галина Mихайловна ведущий химик-технолог, Институт водных и экологических проблем СО РАН e-mail: mednikova@iwep.asu.ru Трошкова Ирина Александровна младший научный сотрудник, Институт водных и экологических проблем СО РАН e-mail: egorka_iren@mail.ru Эйрих Алла Николаевна кандидат технических наук, научный сотрудник, Институт водных и экологических проблем СО РАН e-mail: alnik@iwep.ru Эйрих Стелла Сергеевна кандидат химических наук, старший научный сотрудник, Институт водных и экологических проблем СО РАН e-mail: stella@iwep.ru Kirillov Vladimir V. candidate of biological sciences, associate professor, the head of water ecology laboratory, The Institute of water and environmental problems SB RAS, 656038, Altai Krai, Barnaul, 1 Molodezhnaya St. e-mail: vkirillov@iwep.ru Zhorov Victor Al. candidate of geographical sciences, chief engineer, «The Center of Engineering Technologies» Ltd., 656031, Altai Krai, Barnaul, 129 Papanintzev St. e-mail: cit.barnaul@gmail.com Bezmaternykh Dmitry M. candidate of biological sciences, associate professor, Deputy Director on science, The Institute of water and environmental problems SB RAS e-mail: bezmater@iwep.ru Burmistrova Olga S. candidate of biological sciences, researcher, The Institute of water and environmental problems SB RAS e-mail: burmolga@yandex.ru Vinokurova Galina V. candidate of biological sciences, researcher, The Institute of water and environmental problems SB RAS e-mail: kimg@iwep.ru Dolmatova Ludmila A. candidate of chemical sciences, researcher, The Institute of water and environmental problems SB RAS e-mail: dolmatova@iwep.ru Dyachenko Alexander V. junior researcher, The Institute of water and environmental problems SB RAS e-mail: dychenko@iwep.ru Zarubina Evgeniya Yu. candidate of biological sciences, senior researcher, The Institute of water and environmental problems, Novosibirsk Branch SB RAS 630090, Novosibirsk, 2 Morskoy Avenue e-mail: zeur@mail.ru Kotovshchikov Anton V. candidate of biological sciences, researcher, The Institute of water and environmental problems SB RAS e-mail: kotovschik@iwep.ru Sokolova Maria I. junior researcher, The Institute of water and environmental problems SB RAS e-mail: smi1181@mail.ru Mednikova Galina M. leading chemical engineer, The Institute of water and environmental problems SB RAS e-mail: mednikova@iwep.asu.ru Troshkova Irina Al. junior researcher, The Institute of water and environmental problems SB RAS e-mail: egorka_iren@mail.ru Eyrikh Alla N. candidate of technical sciences, researcher, The Institute of water and environmental problems SB RAS e-mail: alnik@iwep.ru Eyrikh Stella S. candidate of chemical sciences, senior researcher, The Institute of water and environmental problems SB RAS e-mail: stella@iwep.ru
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 76С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е ЭВОЛЮЦИЯ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ГИДРООТВАЛА УГОЛЬНОГО РАЗРЕЗА В БАССЕЙНЕ РЕКИ ИНЯ (КУЗБАСС) THE EVOLUTION OF NATURAL AND TECHNICAL SYSTEM OF A COAL MINE HYDRAULIC FILL IN THE INYA RIVER BASIN (KUZBASS) Аннотация: Исследована многолетняя динамика малого водо- хранилища, использовавшегося для открытых горных работ гидромеханизированным способом в течение 27 лет. Современные характеристики водохранилища свидетельствуют, что за после- дующие 16 лет произошла стабилизация его эко- системы и в настоящее время оно перешло из ка- тегории природно-технических систем в катего- рию лимнических систем искусственного проис- хождения. Рекультивация «водным зеркалом» территории бывшего гидроотвала достаточна, и ликвидация водохранилища нецелесообразна. Ключевые слова: река, водохранилище, водная эко- система, угольный разрез, гидрохимия, гидробио- логия, тяжелые металлы, ликвидация плотин Abstract: The long-term dynamics of a small reservoir used for open-cast mining by hydro-mechanization during 27 year period is studied. Modern characteristics of the reservoir are evidence of its ecosystem stabiliza- tion over the last 16 years; from a category of natural- technical it went over into a category of man-made limnological systems. The water surface based recla- mation of the site of the former hydraulic mine dump is sufficient, and the reservoir elimination is unreason- able. Key words: river, reservoir, aquatic ecosystem, open- cast mining, hydrochemistry, hydro-biology, heavy metal, dam removal Введение Экологическое воздействие строительства плотин на речные экосистемы изучено достаточно хорошо. Значительно меньше исследованы экологические последствия, свя- занные с ликвидацией искусственных водоемов. Спуск водохранилищ производится чаще всего в случае истечения срока эксплуатации плотины как следствие ее износа и нахождения в аварийном состоянии, а также в связи с тем, что финансовые средства, необходимые для ремонта плотины и ее содержания, могут намного превышать стои- мость спуска водоема и демонтажа плотины [1]. Но при спуске водохранилища возни- кает множество вопросов, связанных в первую очередь с возможными негативными эко- логическими последствиями осушения значительных по объему и разнообразных по хи- мическому составу, включая токсические вещества, донных отложений. Цель данной работы – оценка современного экологического состояния и возмож- ности безопасной ликвидации водохранилища на реке Черновой Уроп, расположенного в бассейне реки Иня в Беловском районе Кемеровской области (Кузбасс). Объект и методы исследований Река Черновой Уроп длиной 22 км берет начало на южном склоне Тарадановского увала, в 1,5 км юго-восточнее горы Елбан на отметках 400 м, течет на юг, впадает с ле- вого берега в реку Уроп – правый приток реки Иня (нижняя). Для ведения на разрезе «Колмогоровский» открытых горных работ по вскрыше угольных пластов гидромехани- зированным способом в 1971 г. был создан гидроотвал на реке Черновой Уроп, образо- ванный двумя дамбами. Основная дамба, расположенная поперек русла реки, предна- значалась для создания емкости гидроотвала. Ограждающая дамба, расположенная вдоль русла реки, предназначалась для создания емкости гидроотвала, секций пруда-от- стойника, а также для защиты водосбросного канала. С 1998 г. все работы на гидроотвале прекращены, технологическое оборудование систем гидротранспорта и оборотного во- доснабжения демонтировано. С западной стороны гидроотвала расположен водосброс- ный канал, предназначенный для отвода осветленных и паводковых вод. В устье канала был расположен трубчатый водосброс для регулирования уровня воды в гидроотвале. В настоящее время сооружения водосброса полностью демонтированы. Максимальная
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 77С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е пропускная способность канала составляет 79,5 м3 /с, глубина – до 20 м, ширина по дну – 6,0 м, заложения откосов – 1:2. Емкость гидроотвала не используется для сбросов пульпы уже более 16 лет. В настоящее время большая ее часть занята заросшими сухими участками, образовавши- мися из осажденных отложений вскрышных грунтов. Пруд-отстойник, водная поверх- ность которого осталась лишь в верховьях гидроотвала, расположен в 10 км от устья реки и используется в целях рекреации и рыборазведения. В июле – августе 2014 г. на месте расположения гидроотвала были проведены натурные гидрологические работы по оценке современного состояния гидрографической сети, включая батиметрическую съемку водохранилища на месте бывшего гидроотвала. Морфометрические характери- стики водохранилища в период исследований: емкость – 2,153 млн. м3 ; площадь зеркала – 1,75 км2 ; средняя глубина – 1,2 м; максимальная глубина – 4,0 м. Поскольку в настоя- щее время никакой производственной деятельности в данном районе не ведется, произо- шедшие изменения в водном режиме и гидрографической структуре можно считать уста- новившимися. Схема исходного водохранилища и современной гидрографической сети показаны на рис. 1. Физические, химические и биологические характеристики воды и донных отло- жений водохранилища были исследованы 22 июля 2014 г. на шести экологически раз- личных участках (рис. 2). Пробы воды для определения содержания кислорода, биоген- ных и органических веществ, состава и количества планктона отбирали батометром из поверхностного слоя. Пробы донных отложений для исследования гранулометрических и химического составов, определения состава и количества зообентоса отбирали дночер- пателем Петерсена. Отбор проб и их последующая обработка, геоботанические описания выполнены в соответствии со стандартными методами [2, 3]. Рис. 1 – Схема исходного водохранилища и современной гидрографии реки Черновой Уроп
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 78С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 2 – Карта-схема расположения водохранилища и пунктов исследования Результаты исследований Г и д р о х и м и я . Активная реакция воды водохранилища является щелочной (рН в интервале 8,70 – 8,85), концентрация растворенного кислорода 11,2 – 14,9 мг/дм3 , процент насыщения 141 – 187 %. В воде водохранилища содержится значительное коли- чество растворенного органического вещества: значения БПК5 2,37 – 3,17 мг О2/дм3 , пер- манганатной окисляемости (ПО) 4,27 – 5,29 мг О/дм3 . Количество биогенных веществ низкое: концентрации нитритов и нитратов ниже предела обнаружения использованных аналитических методик, содержание фосфатов 0,04 – 0,08 мг/дм3 , ионов аммония 0,06 – 0,14 мг/дм3 . По величине минерализации [4] вода водохранилища относится к альфа–гипогалинным пресным водам (155 – 225 мг/дм3 ), по ионному составу [5] – при- надлежит к гидрокарбонатно-кальциевым водам I типа. Жесткость воды 1,65 – 2,35 ммоль/дм3 , что характерно для мягких вод. П о с о д е р ж а н и ю м е х а н и ч е с к и х э л е м е н т о в донные отложения водо- хранилища на всех исследованных участках относятся к глинам [6]. Доля фракций с раз- мерами частиц менее 0,01 мм (в % на воздушно-сухую почву, по фракциям по классифи- кации Н.А. Качинского) составляет от 44 % в центральной части водохранилища (см. рис. 2, т. 4) до 90 % на участке, прилегающем к наиболее заиленной части (см. рис. 2, т. 3). Такой состав соответствует почвенному покрову побережья водохранилища, но в случае его спуска потребует дополнительных мер по рекультивации осушенной терри- тории. Смыв донных отложений в речную сеть ниже водохранилища изменит морфомет- рию реки и условия обитания гидробионтов, включая рыб, до, возможно, полного их ис- чезновения. Х и м и ч е с к и й с о с т а в д о н н ы х о т л о ж е н и й . В пробах донных отложе- ний, отобранных в шести пунктах исследований, было определено содержание подвиж- ных форм 10 элементов (табл. 1). Анализ выполнен в аккредитованной лаборатории Хи- мико-аналитического центра ИВЭП СО РАН в соответствии с [7, 8].
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 79С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Таблица 1 Содержание тяжелых металлов* в донных отложениях водохранилища на реке Черновой Уроп (среднее значение двух измерений, мг/кг) № пункта Fe** Mn Cu Zn Pb Cd Co Ni As Hg 1 46±7 600±120 30±9 91±27 23±7 <1 14±4 44±13 58±14 0,05±0,02 2 53±8 1182±236 38±11 96±29 36±11 <1 7±2 55±16 16±4 < 0,02 3 42±6 610±122 26±8 65±20 28±8 <1 14±4 44±13 11±3 < 0,02 4 348±5 587±117 19±6 52±16 19±6 <1 13±4 35±10 17±4 < 0,02 5 62±9 1040±208 39±12 95±28 33±10 <1 15±4 44±13 16±4 0,03±0,1 6 57±9 2598±520 19±6 76±23 15±4 <1 13±4 38±11 44±11 0,04±0,02 Класс опасности [9] - 3 2 1 1 1 2 2 1 1 ПДК [10, 16 с.; 11, 15 с.; 12, 29 с.] – 1500 – – 32 – – – 2 2,1 * - кислотные вытяжки **- г/кг Оценка выполнена с учетом перспективы возможного последующего использова- ния донных отложений в качестве почвообразующих пород в случае принятия решения о рекультивации осушенной части водохранилища. Поэтому при анализе результатов ис- пользованы почвенные показатели качества грунтов [9]. Установленные концентрации соединений тяжелых металлов при значительном превышении предельно допустимой концентрации (ПДК) для элементов 1 и 3 классов опасности (Mn, Pb, As) являются осно- ванием для отнесения донных отложений к категории «опасные» [10]. Наиболее суще- ственные превышения ПДК (до 29 раз) наблюдаются для мышьяка, относящегося к 1 классу опасности. В случае спуска водохранилища состояние почв в зоне осушения будет оценено как «экологическое бедствие» [9] и, кроме того, возможны отрицательные экологические последствия перераспределения донных отложений вниз по течению реки, а также атмосферный перенос токсикантов на прилегающие территории. В фитопланктоне водохранилища отмечено 90 видов водорослей из шести отде- лов. Зеленые (34,4 %), диатомовые (25,6 %) и синезеленые (цианобактерии или циано- прокариоты) (22,2 %) водоросли являются основными по видовому разнообразию, при существенной роли эвгленовых водорослей (11,1 %) в таксономическом составе. По всей акватории водохранилища доминирующими по численности являются синезеленые во- доросли Anabaena flos-aquae, A. contorta, A. variabilis, A. spiroides f. woronichiniana, Aphanizomenom flos-aquae. Но по биомассе доминируют крупноклеточные Ceratium hi- rundinella, Peridinium willei (динофитовые) и Cosmarium obtusatum, колонии Dic- tiosphaerium granulatum (зеленые). Общая численность водорослей находилась в преде- лах 93,7 – 845,9 тыс. кл./л, биомасса – 85,0 – 1202 мг/м3 (табл. 2). По биомассе водорос- лей водохранилище является мезотрофным водоемом, трофический статус его южной оконечности можно отнести к мезоэвтрофной зоне. К о н ц е н т р а ц и я Хл «а» в фитопланктоне поверхностного слоя воды водохра- нилища изменялась на различных участках от 2,1 до 8,8 мг/м3 при средней по акватории 5,1±0,9 мг/м3 , что индицирует умеренное развитие фитопланктона в водохранилище, а сам водоем характеризует как мезотрофный. Высокое относительное содержание Хл «а» в сумме всех хлорофиллов (95 – 99 %) указывает на значительный вклад в количество фитопланктона синезеленых водорослей, что соответствует альгологическим данным, представленным выше.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 80С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Таблица 2 Число видов и количество фитопланктона, зоопланктона и зообентоса водохранилища на реке Черновой Уроп 22 июля 2014 г. Примечание: n–общее число видов, N–численность, B–биомасса; Хл «а» – концентрация хлорофилла «а», Хл «b»–концентрация хлорофилла «b», Хл «c»–концентрация хлорофилла «c». Во флоре водохранилища отмечено 24 вида макрофитов из 19 родов, 14 семейств и 2 отделов. По числу видов преобладают цветковые (Magnoliophyta) – 23 вида, отдел хвощевые (Equisetophyta) представлен 1 видом. По видовому разнообразию доминируют семейства рдестовых (Potamogetonaceae), водокрасовых (Hydrocharitaceae), осоковых (Cyperaceae) и рясковых (Lemnaceae), по три вида в каждом [13]. Кроме высших водных растений, отмечено значительное развитие двух видов нитчатых водорослей - Spirogyra ternata Ripart и Spirogyra sp. Для водохранилища характерен массивно-зарослевый тип зарастания. Раститель- ность занимает значительную часть акватории, площадь зарастания достигает 60 – 75 %. Однако при общем значительном обилии растительности сохраняется четкая зональ- ность в ее распределении по водоему. Сообщества надводных растений окаймляют во- дохранилища почти со всех сторон, подводные и с плавающими листьями растения рас- пространяются мозаично по всей акватории, прерываясь небольшими плесами чистой воды. В настоящее время растительность водохранилища находится в состоянии эколо- гического климакса, который характеризуется постоянством доминирующих видов, ин- тенсивным зарастанием с выраженной поясностью. В составе зоопланктона водохранилища обнаружено 39 видов и форм при наибольшем разнообразии Rotifera – 18 видов. Cladocera отмечено 13 видов, Cope- poda – 8. По численности доминировали Rotifera (до 69 % от общей численности) – Keratella c. f. cochlearis, Polyarthra dolychoptera и Polyarthra vulgaris. Самая низкая чис- ленность зоопланктона (212,1 тыс. экз./м3 ) – в юго-западной части между зарослями ро- голистника и телореза. Максимальная численность зоопланктона (595,9 тыс. экз./м3 ) – в северо-западной части водохранилища над зарослями роголистника (см. табл. 2). По биомассе в зоопланктоне водохранилища доминировали Copepoda (до 93 % от общей биомассы) – ювенильные стадии Copepoda, Bosmina longirosris и Simocephalus mixtus. Самая низкая биомасса зоопланктона (1,78 г/м3 ), как и численности, отмечена в юго-западной части между зарослями роголистника и телореза. Максимальная биомасса зоопланктона (9,66 г/м3 ) – в восточной части водохранилища, свободной от зарослей мак- рофитов (здесь обнаружено большее количество крупных форм Cladocera). № пункта Фитопланктон Зоопланктон Зообентос n N, тыс. кл./л B, мг/л Хлорофилл «а» n N, тыс. экз./м3 B, г/м3 n N, экз./м2 B, г/м2содержание, мг/м3 доля от суммы (Хл a+b+c), % 1 29 596, 7 715,3 5,03 94,9 21 595,9 3,62 11 660 19,4 2 22 845,9 953,4 8,82 96,6 20 426,6 4,23 13 18860 2,0 3 31 839,2 1091 5,40 98,3 13 212,1 1,78 11 740 0,2 4 41 438,9 1202 4,28 96,8 22 326,3 4,60 19 2320 18,5 5 24 240,9 543,7 5,18 95,7 18 566,0 9,66 7 54680 19,9 6 25 93,7 85,0 2,05 99,1 15 295,7 4,14 17 14900 8,5
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 81С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е В зообентосе водохранилища выявлено 50 видов донных беспозвоночных, вклю- чая нематод – 2 вида, олигохет – 6, пиявок – 4, двустворчатых моллюсков – 3, брюхоно- гих – 12, клещей – 1, ручейников – 1, стрекоз – 3, поденок – 2, клопов – 2, двукрылых – 14 (среди них 3 – мокрецов и 11 – хирономид). Многие из обнаруженных видов являются лимнофильными и фитофильными, что характерно для мелких зарастающих водоемов [14]. По частоте встречаемости в пробах доминировали малощетинковые черви Limno- drilus hoffmeisteri и личинки хирономид Tanytarsus gr. mendax. В среднем по всем пунк- там исследования в водохранилище биомасса зообентоса составила 11,4±7,6 г/м2 , что со- ответствует повышенному классу продуктивности по шкале трофности С.П. Китаева [15] – альфа-эвтрофному типу водоемов. В точке 2 отмечена высокая численность нематод, которая обычно наблюдается в полисапробных водоемах [16]. Большое количество олигохет семейства Tubificidae также является показателем высокого содержания органических веществ в водоеме. По индексу Пареле водохранилище практически на всех участках является «сильно загряз- ненным», по олигохетному индексу Гуднайта-Уитлея и биотическому Вудивисса (TBI) – имеет сильную степень загрязненности органическими веществами. Это соответствует V классу качества вод по шкале Росгидромета. В состав ихтиоценоза водоема входят щука, окунь, карп, карась, сазан, ерш, плотва, елец. Начиная с 1981 г. производилось дополнительное зарыбление водоема кар- пом и толстолобиком. Водохранилище является рыбопромысловым участком № 53 – «пруд Сартаковский» по Перечню рыбопромысловых участков Кемеровской области, и оно передано Беловской районной общественной организации охотников и рыболовов для организации любительского и спортивного рыболовства. Рыбопродуктивность водо- ема, согласно Паспорту водоема, составляет 60 кг/га. По данным учета уловов, представ- ленных пользователем, на водохранилище ежегодно вылавливается от 50 до 80 ц рыбы. Заключение В результате проведенных исследований выявлены необратимые антропогенные изменения гидрографической сети и гидрологического режима вследствие образования на реке проточного водоема антропогенного происхождения на месте бывшего гидроот- вала. Уровенный режим водохранилища, состояние поймы и нового русла на месте об- водного канала, морфометрия водоема, существование гидрографической системы в те- чение длительного периода позволяют утверждать, что эта система устойчива. Основная и ограждающая дамбы в настоящее время находятся на территории осушенной части гидроотвала. Между водохранилищем и руслом ниже него нет какой-либо перемычки, и возникновение чрезвычайной ситуации в нижнем бьефе вследствие ее размыва в резуль- тате катастрофического паводка полностью исключено. Результаты натурных исследований водохранилища в конце июля 2014 г., в пе- риод максимального уровня развития биоценозов, а также архивные данные свидетель- ствуют, что в соответствии с существующими классификациями водохранилище на реке Уроп по составу и уровню развития фитопланктона и зоопланктона относится к мезо- трофным водоемам, макрофитов и зообентоса – слабоэвтрофным, по уровню рыбопро- дуктивности – среднепродуктивным. При этом в автотрофном звене наблюдается доми- нирующая роль высшей водной растительности и фитоперифитона, по сравнению с фи- топланктоном. В гетеротрофной части зообентос преобладает над зоопланктоном. При таком соотношении планктонного и детритного звеньев экосистемы водоем относится к типу «макрофитный», что является основанием для предварительных рекомендаций по зарыблению его растительноядными видами рыб, например, белым амуром. В целом экосистема водохранилища на реке Уроп в настоящее время является полной по составу, сбалансированной по структуре и средней по уровню биологической продуктивности с высоким потенциалом саморегулирования. Современное экологиче-
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 82С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е ское состояние водохранилища аналогично таковому для искусственных водных объек- тов со значительным вкладом антропогенных факторов в их формирование в течение длительного времени. Это соответствует истории данного водоема, который использо- вался в качестве гидроотвала угольного разреза с 1971 по 1998 год (27 лет). Учитывая современные гидрологические, гидрохимические и гидробиологические характеристики водохранилища, можно заключить, что за последующие 16 лет произошла стабилизация его экосистемы, и в настоящее время оно перешло из категории природно-технических систем в категорию лимнических систем искусственного происхождения. В течение длительного периода использования водохранилища в качестве гидро- отвала загрязняющие вещества, такие как тяжелые металлы, присутствовавшие в воде в растворенном состоянии, попадая в водохранилище, адсорбировались на взвешенных ча- стицах и осаждались вместе с ними в донные отложения. Установленные концентрации соединений тяжелых металлов при значительном превышении ПДК для элементов 1 и 3 классов опасности (Mn, Pb, As) являются основанием для отнесения донных отложений к категории «опасные» [10]. Наиболее существенные превышения ПДК (до 29 раз) наблюдаются для мышьяка, относящегося к 1 классу опасности. В случае спуска водо- хранилища состояние почв в зоне осушения будет оценено как «экологическое бедствие» [9]. Кроме того, возможен атмосферный перенос токсикантов на прилегающие террито- рии, включая один из крупных городов Кузбасса – г. Белово и населенные пункты Бе- ловского района. Ликвидация водохранилища приведет к неблагоприятным экологиче- ским последствиям для реки Черновой Уроп в связи с поступлением большого объема донных отложений, содержащих повышенную концентрацию токсических веществ в речную систему верхнего течения реки Иня и далее в Беловское водохранилище много- целевого назначения (теплоэнергетика, хозяйственно-питьевое водоснабжение, рекреа- ция, рыбное хозяйство) [17]. В непосредственной близости от гидроотвала в пойме реки Черновой Уроп рас- положены пять артезианских скважин Уропского водозабора с общим дебитом 350 м3 /час. При ликвидации водоема возможно резкое сокращение производительности скважин вплоть до их полного истощения. Учитывая высокую вероятность загрязнения гидросферы, атмосферы и почвен- ного покрова, риск потери подземных источников питьевого водоснабжения в случае ликвидации водохранилища, а также его актуальную социально-экономическую значи- мость для рекреационного и рыбохозяйственного использования, целесообразно при- знать достаточной рекультивацию «водным зеркалом» территории бывшего гидроот- вала. Водохранилище необходимо включить в реестр водных объектов региона. Литература 1. Максимович Н.Г. Малые водохранилища: экология и безопасность / Н.Г. Мак- симович, С.В. Пьянков. – Пермь: Перм. гос. нац. исслед. ун-т, 2012. – 256 с. 2. Руководство по гидробиологическому мониторингу пресноводных экосистем / Под ред. В.А. Абакумова– СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. – 318 с. 3. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши. Ч. 1 / Под ред. Л.В. Боевой. – Ростов-на-Дону: «НОК», 2009. – 1044 с. 4. Комплексная экологическая классификация качества поверхностных вод суши / О.П. Оксиюк и др. // Гидробиологический журнал. – 1993. – № 29 (4). – C. 62 – 76. 5. Алекин О.А. Основы гидрохимии / О.А. Алекин. – Л.: Гидрометеоиздат, 1970. – 444 с. 6. Государственный стандарт ГОСТ 12536-79 Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава. – Взамен ГОСТ 12536-67; Введ. 1980–07–01. – М.: Изд-во стандартов, 1980. – 18 с.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 83С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е 7. Природоохранные нормативные документы федеральные ПНД Ф 14.1:2:4.139- 98. Методика выполнения измерений массовой концентрации железа, кобальта, мар- ганца, меди, никеля, серебра, хрома и цинка в пробах питьевых, природных и сточных вод методом атомно-абсорбционной спектрометрии / Государственный комитет Россий- ской Федерации по охране окружающей среды. – М., 1998 (издание 2010 г.). – 23 с. 8. Природоохранные нормативные документы федеральные ПНД Ф 16.2.2:2.3:3.25-02. Количественный химический анализ почв. Методика выпол- нения измерений содержания ртути общей в твердых и жидких отходах производства и потребления, осадках, шламах, активном иле, донных отложениях атомно-абсорбцион- ным методом / Государственный комитет Российской Федерации по охране окружающей среды. – М., 2002 (издание 2005 г.). – 20 с. 9. Критерии оценки экологической обстановки территорий для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия. Утв. ГНТУ МООСПР РФ 30.11.1992. - М., 1992. 10. СанПиН 2.1.7.1287-03. Санитарные правила и нормы. Санитарно-эпидемиоло- гические требования к качеству почвы / Федеральный центр госсанэпидемнадзора Мин- здрава России. – М., 2004. – 16 с. 11. ГН 2.1.7.2041-06 Гигиенические нормативы. Предельно допустимые концен- трации (ПДК) химических веществ в почве / Федеральный центр гигиены и эпидемиоло- гии Роспотребнадзора. - М., 2006. – 15 с. 12. МУ 2.1.7.730-99 Методические указания. Гигиеническая оценка качества почвы населенных мест. – М., 1999. – 29 с. 13. Соколова М.И. Особенности зарастания малого равнинного водохранилища бассейна реки Иня (Кемеровская область) / М.И. Соколова // Шаг в науку: матер. XV конф. молодых ученых ИВЭП СО РАН, Барнаул, 5 февраля 2015 г. – Барнаул: Изд- во «Пять плюс», 2015. – С. 67 - 75. 14. Безматерных Д.М. Макрозообентос водохранилища на р. Черновой Уроп (Ке- меровская область) / Д.М. Безматерных, Е.Н. Крылова // Известия Алтайского отделения Русского географического общества. – 2014. – Вып. 35. – С. 63 - 68. 15. Китаев С.П. О соотношении некоторых трофических уровней и «шкалах трофности» озер разных природных зон / С.П. Китаев // V съезд Всерос. гидроб. общ-ва: тез. докл. Ч. 2. – Куйбышев, 1986. – С. 254 - 255. 16. Гагарин В.Г. Свободноживущие нематоды пресных вод России и сопредель- ных территорий: фауна и пути ее формирования, экология, таксономия, филогения / В.Г. Гагарин. – М.: Наука, 2001. – 170 с. 17. Кириллов В.В. Экологические и технологические аспекты оптимизации ком- плексного использования Беловского водохранилища / В.В. Кириллов, О.П. Кислов, А.М. Смаков // Экология и экономика: региональные проблемы перехода к устойчивому развитию. Взгляд в XXI век: Докл. Всерос. науч.-практ. конф. – Кемерово: Кузбассвузиз- дат, 1997. – С. 173 - 177.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ № 2, 2017 г. С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е СТАТЬИ УЧАСТНИКОВ XI ВСЕРОССИЙСКОЙ МОЛОДЕЖНОЙ НАУЧНО - ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ПО ПРОБЛЕМАМ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ, проведенной ИГД УрО РАН 8-10 февраля 2017 г.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 85С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 622.232:621.877.3 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.085 Беспальков Алексей Андреевич инженер лаборатории транспортных систем карьеров и геотехники, Институт горного дела УрО РАН, 620075, Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: bespalkov@igduran.ru Журавлев Артем Геннадиевич кандидат технических наук, заведующий лабораторией, Институт горного дела УрО РАН e-mail: juravlev@igduran.ru ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КАБЕЛЬНЫХ КРАНОВ ДЛЯ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ Bespalkov Alexey A. engineer of the laboratory of open pit transport systems and geotechnics, Тhe Institute of mining UB RAS, 620075, Yekaterinburg, 58 Mamin-Sibiryak st. e-mail: bespalkov@igduran.ru Zhuravlev Artem G. candidate of technical sciences, chief of the laboratory, The Institute of mining UB RAS e-mail: juravlev@igduran.ru TECHNICAL ISSUES RELATED TO USING CABLE CRANES FOR MINING OPERATIONS Аннотация: В статье рассмотрены вопросы, связанные с обеспечением достаточной производительно- сти и возможности ведения горных работ при использовании в качестве магистрального звена транспорта кабельных кранов. В частности, представлены схемы грузоподъемной тары для кабельного крана, рассмотрен вопрос обеспече- ния достаточного обзора для оператора и нали- чия мониторинговой системы при ведении ра- бот кабельным краном в карьере, а также пути увеличения производительности кабельного крана. Ключевые слова: кабельный кран, разгрузочная эстакада, саморазгружающийся контейнер, глубокий карьер, система видеонаблюдения, ав- томатическая система управления, система безопасности Abstarct: The article considers the issues related to providing sufficient performance and possibilities of using cable crane as a trunk link in mining operations . In particular, schemes of containers for cable crane are presented, the question of providing sufficient availability of review and monitoring system for the operator of cable crane in the open pit is considered, as well as the ways of increasing cable perfor- mance. Key words: cable crane, unloading scaffold bridge, self-unloading container, deep open pit,, video mon- itoring system, automatic control system, safety sys- tem Чаще всего связь забоев с поверхностью осуществляется с использованием колес- ных транспортных средств. Необходимость размещения съездов на бортах карьера вле- чет значительный объем вскрышных работ, что требует поиска технологий и соответ- ствующих горнотранспортных машин, позволяющих снизить объемы вскрыши [1]. Од- ним из вариантов сокращения объема вскрышных работ и/или при прочих равных усло- виях увеличения глубины карьера, отрабатываемого по углубочной системе разработки, является бестраншейное вскрытие нижних горизонтов карьеров. В качестве варианта транспорта для доставки горной массы в пределах зоны бестраншейного вскрытия рас- сматривается кабельный кран. Кабельные краны являются достаточно специфическим видом подъемно-транс- портного оборудования, и их применение целесообразно для карьеров определенной формы (глубокие карьеры с крутым залеганием рудного тела). Их применение в горном деле не имеет широкого распространения, а потому мало изучено в данной сфере. По- этому некоторые технические вопросы, связанные с обеспечением достаточной произ-  Исследования выполнены в рамках Государственного задания 007-01398-17-00, тема № 0405-2015-0010
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 86С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е водительности и возможности ведения горных работ кабельным краном, до сих пор оста- ются открытыми, и часть из них рассмотрена в данной статье. Известны технологии бестраншейного вскрытия кабельным краном месторожде- ний природного камня большой мощности либо значительной протяженности фронта работ [2]. В патенте №2571776 «Способ открытой разработки крутопадающих рудных тел» (разработчик – Институт «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА» (ПАО)) описано примене- ние кабельных кранов для отработки ограниченных в плане крутопадающих залежей – кимберлитовых трубок. Способ предполагает поэтапную отработку месторождения от- крытым способом с применением транспортной углубочной системы разработки. При этом с определенной глубины нижняя часть карьера отстраивается без транспортных берм, с доставкой горной массы в нижней части специализированным подъемным устройством (СПУ) – кабельным краном со стационарными опорами [3]. Применение такой технологии влечет за собой ряд проблем, в частности: - ограниченность производительности кабельного крана, особенно при значитель- ной высоте подъема (зоны бестраншейного вскрытия); - обеспечение устойчивости уступов, на которых размещаются башни кабельных кранов; - ограниченность обзора рабочей зоны крана, особенно на участке загрузки транс- портного сосуда в придонной части карьера; - риск возникновения раскачки грузового контейнера на тросах; - комплекс технических вопросов, связанных с необходимостью сокращения вре- мени погрузки и разгрузки транспортного сосуда, автоматизации операций, организации перегрузки из кабельного крана в автосамосвалы, доставляющие горную массу на по- верхность и др. Ниже приведены некоторые предложения, которые в той или иной мере будут способствовать решению указанных проблем. Лабораторией транспортных систем карьеров и геотехники ИГД УрО РАН прора- ботано компоновочное решение звена транспортной системы, осуществляющей подъем горной массы, включающего пункт загрузки, кабельный кран и верхний перегрузочный пункт в автосамосвалы (рис. 1). Рис. 1 – Общий вид кабельного крана в карьере: 1 – машинная башня кабельного крана с разгрузочной эстакадой; 2 – контрбашня; 3 – грузовая тележка; 4 – пункт загрузки контейнера на дне карьера; 5 – несущие канаты; 6 – тяговые канаты; 7 – экскаватор; 8 – карьерный самосвал
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 87С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Кабельный кран состоит из одной машинной башни, расположенной на площадке верхнего перегрузочного пункта и одной контрбашни, размещенной на противополож- ном борту карьера. Подъем горной массы осуществляется в транспортном сосуде – от- крытом контейнере, загружаемом внизу в добычной зоне с помощью погрузчика, а раз- гружается он на верхнем перегрузочном пункте, где осуществляется перегрузка в авто- самосвалы. Поскольку верхний перегрузочный пункт расположен в карьере, одним из ключе- вых требований к нему является, с одной стороны, минимизация размеров площадки с целью снижения разноса бортов. С другой стороны, поскольку лимитирующим по про- изводительности звеном является кабельный кран, важно в первую очередь обеспечить его бесперебойную работу. Для этого перегрузочный пункт должен иметь достаточную вместимость для обеспечения относительно независимой работы кабельного крана даже в случае остановки по каким-либо причинам верхнего автотранспортного звена. В связи с этим разгрузка кабельного крана должна выполняться при помощи осо- бой конструкции, обеспечивающей формирование компактного штабеля горной массы с несколькими секциями (на одной ведется разгрузка крана, на другой – погрузка автоса- мосвалов). Применение накопительного бункера не совсем целесообразно из-за значи- тельных его размеров при требуемой вместимости и проблем со смерзанием горной массы в холодный период. Кроме того, при одновременной выдаче руды и вскрыши необходимо предусмотреть возможность раздельного их складирования. Такое разгрузочное устройство может быть реализовано в виде эстакады с рас- пределительным устройством. В связи с этим разгрузка контейнера будет производиться в достаточно узкое приемное устройство, что требует проработки схемы грузоподъем- ной тары. Схемы грузоподъемной тары для кабельного крана Для обеспечения работы вышеописанного комплекса необходима специальная грузоподъемная тара, которая обеспечивала бы не только транспортировку горной массы, но и ее автоматическую разгрузку в вагонетку, расположенную на разгрузочной эстакаде. Авторами проработаны следующие схемы грузоподъемной тары: 1) Контейнер с самозацепляющейся траверсой (рис. 2). Рис. 2 – Приемное устройство разгрузочной эстакады для контейнера с самозацепляющейся траверсой: 1 – траверса с подпружиненными зацепами 2 и направляющими лапами 3; 4 – контейнер с планками 5 для зацепа траверсы и цапфами 6 для установки в тележке
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 88С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е При такой схеме груженый контейнер транспортируется краном до разгрузочной эстакады, где происходит установка контейнера на тележку и отцепление его от траверсы специальным устройством. Далее тележка перемещается к определенной оператором точке разгрузки и после выгрузки возвращается к приемному устройству, где траверса автоматически прицепляется к контейнеру и транспортирует его на дно карьера к пункту загрузки. Основным недостатком данного технического решения является простой крана и потеря его производительности в период разгрузки контейнера. 2) Саморазгружающийся контейнер с конусным затвором (рис. 3). Рис. 3 – Приемное устройство разгрузочной эстакады для саморазгружающегося контейнера с конусным затвором: 1 – корпус контейнера; 2 – штанга; 3 – защитный кожух штанги; 4 – конусный затвор; 5 – рым-гайка; 6 – направляющая В этом случае контейнер имеет пирамидальное (конусообразное) днище, способ- ное открываться при перемещении штанги. При транспортировании сила тяжести кор- пуса контейнера и сила давления горной массы на него обеспечивают надежную сты- ковку посадочного места горловины контейнера с затвором. На месте разгрузки контей- нер опускается в приемное устройство, при этом происходит ослабление натяжения гру- зового каната, и штанга с затвором перемещаются вниз под действием веса горной массы, что приводит к разгрузке. Преимуществом данного решения перед первым вариантом является сокращение времени разгрузки, т. к. в данном случае нет необходимости отцеплять контейнер. После его разгрузки в вагонетку он сразу транспортируется на дно карьера, а вагонетка незави- симо от контейнера осуществляет отсыпку штабеля. Недостатки данного решения следующие: возможна заштыбовка разгрузочной горловины контейнера негабаритными кусками породы; относительно большая зона раз- лета кусков при разгрузке за счет конусообразной формы затвора. 3) Опрокидывающийся контейнер (рис. 4). Принцип работы опрокидывающегося контейнера заключается в следующем: груженый контейнер доставляется к приемному устройству, где происходит его зацеп- ление одной из перекладин за крюки на приемном устройстве. Далее оператор крана включает реверсивный ход грузовой лебедки, вследствие чего происходит наклон (опро- кидывание) контейнера и его опорожнение в вагонетку. Для предотвращения вылета кус- ков горной массы за пределы разгрузочной эстакады предусмотрен щит.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 89С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 4 – Приемное устройство для опрокидывающегося контейнера: 1 – траверса; 2 – контейнер; 3 – подшипниковый узел траверсы; 4 – перекладина; 5 – ролик Преимущества такого варианта следующие: сокращение времени разгрузки, как и в схеме на рис. 3; более простая конструкция контейнера. Из недостатков можно выделить увеличенную высоту башен кабельного крана для обеспечения необходимого угла поворота контейнера и сложность установки кон- тейнера на опрокидывающие крюки ввиду его раскачки на канатах. Обеспечение обзора для оператора и предотвращение опасных ситуаций Поскольку загрузка контейнера осуществляется в нижней точке карьера на значи- тельном удалении от кабины оператора кабельного крана, вопрос точной установки гру- зового контейнера на место погрузки требует обеспечения хорошего обзора для опера- тора. Вопрос осложняется тем, что место погрузки на дне карьера неизбежно будет пе- реноситься по мере отработки очередного горизонта для отработки целика под погруз- кой. Проблему, связанную с ограничением обзора оператора крана, можно решить пу- тем применения систем видеонаблюдения и автоматической мониторинговой системы, предупреждающей о возникновении опасной ситуации. Существует целый ряд прототи- пов таких систем. Так, в патенте CN103803411В «Cable crane video monitoring system for concrete construction» [4] описывается применение системы видеонаблюдения кабель- ного крана для ведения бетонных работ: установленная на кабельный кран система включает в себя камеру, установленную на траверсе. Также на грузонесущем устройстве расположены модуль питания и модуль беспроводной связи, который соединен с уда- ленным сервером, а тот в свою очередь – с дисплеем оператора. Из существующих аналогов имеется система видеонаблюдения HookCam (рис. 5), разработанная для башенных кранов американской компанией Pacific Systems Solutions. Данная система является беспроводной и передает в кабину изображение с камеры, уста- новленной на крюковой подвеске, позволяя избежать «слепых» зон при работе на башен- ном кране. По словам производителя, система HookCam может обеспечить 8 – 10 часов автономной работы камер на одном заряде аккумуляторов [5].
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 90С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 5 – Система видеонаблюдения HookCam [5]: а – камера и герметичный корпус с аккумулятором и устройством беспроводной связи, установленные на крюковой подвеске крана; б – монитор, установленный в кабине оператора крана В настоящее время многими производителями ведутся работы по внедрению мно- гофункциональных систем управления грузоподъемными машинами. Наличие в системе безопасности микропроцессоров открывает широкие возможности формирования на их основе более совершенных систем, в том числе с функциями управления крана, контроля и регистрации его рабочих параметров, с дистанционной передачей информации (мони- торинг) и диагностированием неисправностей. Как правило, все производители подобных систем предлагают большой мно- гофункциональный дисплей, на который выводится информация с датчиков, а также ин- дикаторы системы безопасности. Такие дисплеи обычно содержат графическую и циф- ровую информацию о массе груза, высоте подъема, вылете каретки, скорости ветра и т.д. [6]. Система сигнализирует оператору в случае превышения грузоподъемности крана, наличии недопустимой скорости ветра, предупреждает оператора о столкновении с окру- жающими предметами и в случае, если оператор не реагирует на сигналы системы без- опасности, автоматически выключает механизмы подъема и передвижения крана. Таким образом, улучшение условий обзорности возможно за счет применения су- ществующих систем мониторинга состояния и работы кабельного крана и видеонаблю- дения. Безусловно, требуется их совершенствование в плане решения проблем: обеспе- чения надежного электропитания датчиков и видеокамер мониторинговой системы, установленных на крюковой подвеске и контейнере (увеличение емкости аккумулято- ров, беспроводная зарядка аккумуляторов, беспроводное питание и др.), улучшения ка- чества видеоизображения при работе в темное время суток. Пути увеличения производительности кабельного крана Поскольку единственной грузотранспортной связью между рабочей зоной – дном карьера и верхними горизонтами – является кабельный кран, его производительность бу- дет ограничивать производительность карьера по горной массе. Оценить ее можно по формуле П = 3,6 𝑇ц ∙ 𝑄п ∙ 𝑡см ∙ 𝑁дн ∙ 𝑁см ∙ 𝑘нер ∙ 𝑘исп ∙ 𝑘т.г. , (1) где Qп – полезная масса груза, т; tсм – продолжительность рабочей смены, ч; Nдн – коли- чество рабочих дней в году; Nсм – количество смен в сутки; kнер – коэффициент неравно- мерности работы (0,98); kисп – коэффициент использования сменного времени (0,92); kт.г. – коэффициент технической готовности (0,96); Тц – время цикла, с. Продолжительность транспортного цикла кабельного крана 𝑇ц = 𝑇з + 2𝑇п + 𝑇р , (2)
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 91С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е где Тз – время загрузки контейнера погрузчиком, с; Тп – время перемещения контейнера кабельным краном, с; Тр – время разгрузки контейнера, с. Предполагаемое время загрузки контейнера объемом 17,5 м3 , фронтальным по- грузчиком с вместимостью ковша 6 м3 264 секунды [7]. Время перемещения контейнера кабельным краном рассчитывается по наиболь- шему значению, полученному из формул: 𝑡под = 𝐻 𝑣под ; (3) 𝑡гор = 𝑆 𝑣пер , (4) где tпод – время подъема, с; tгор – время горизонтального перемещения контейнера, с; H – высота подъема, м; vпод – скорость подъема контейнера, м/с; S – расстояние от точки за- грузки до точки разгрузки (по горизонтали), м; vпер – скорость передвижения тележки, м/с. Производительность кабельного крана при доставке горной массы со дна карьера на средние горизонты, рассчитанная по приведенным формулам, представлена на рис. 6. Рис. 6 – Зависимость производительности кабельного крана от основных параметров: а – от высоты подъема и грузоподъемности (при скорости подъема/перемещения 2 м/с); б – от скорости подъема и высоты подъема (при грузоподъемности 50 т) Расчеты показывают, что при высоте подъема 150 м производительность состав- ляет 1,8 – 2 млн.т/год при длине пролета, соответственно, 300 м. Для сравнения, произ- водительность карьера «Ботуобинский» АК «АЛРОСА» составляет 0,6 млн.т/год по руде и 4 млн. м3 по вскрыше, «Нюрбинский» – 1,2 млн.т/год по руде и 6 млн. м3 по вскрыше, «Комсомольский» – 1,5 млн.т/год по руде и 6 млн. м3 по вскрыше [8]. Согласно рассматриваемой технологии применение кабельных кранов предпола- гается либо на малых карьерах, либо в нижней части карьеров при их доработке, когда объемы добычи будут меньше указанных. Тем не менее очевидно, что для эффективного применения кабельных кранов при подъеме горной массы необходимо увеличение их производительности. Анализ формул показывает, что производительность комплекса можно увеличить следующими путями: 1) Увеличением грузоподъемности крана. Данный параметр ограничивается устойчивостью породы бортов карьера, где установлен кран (т. к. масса его металлоконструкции напрямую зависит от грузоподъ- емности), а также возможностью предприятий изготовить кран определенной грузо-
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 92С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е подъемности. После изучения предварительных технических предложений производи- телей кабельных кранов было выявлено, что максимальная грузоподъемность, которая значится в их технических характеристиках, – это 50 т. Одним из потенциальных произ- водителей кабельных кранов, готовых спроектировать, произвести и смонтировать на месте разработки карьера данное грузоподъемное оборудование, является компания ООО «Кемкран» [9]. 2) Увеличением скорости транспортировки контейнера между точками погрузки и разгрузки. Скорость передвижения тележки и подъема груза возможно увеличивать до до- статочно больших величин, ограничиваясь лишь мощностью привода и вытекающими из него габаритами трансмиссии. Рекомендуемые в РТМ 24.090.34-85 предельные ско- рости составляют: для передвижения тележки 12,5 м/с, подъема груза 6,3 м/с [10]. Зна- чительное повышение рабочих скоростей приводит к перегрузкам канатов из-за попе- речных колебаний, возникающих при экстренном торможении, что снижает срок их службы [11]. 3) Увеличением коэффициента использования сменного времени – устранением пересменок, перерывов на обед и т.д., т.е. исключением человека из процесса управления комплексом. Такие технические решения в настоящее время вполне реальны. Так, в патенте [12] рассмотрена система управления в автоматическом режиме кабельным краном, предназначенным для транспортировки бетона на место постройки плотины. Система управления кабельным краном предполагает автоматическую транспортировку бадьи по кратчайшей траектории, путем вычисления координат положения груза при помощи дат- чиков веса, электронных дальномеров и энкодеров, установленных на лебедках, и кор- ректирует их, учитывая прогиб несущего каната и действие ветра. Точная установка ба- дьи на пункт загрузки и разгрузки происходит при помощи ультразвуковых датчиков обнаружения объекта. Оператор в данной системе выполняет функцию контроля за про- исходящим процессом и корректирует действия в случае возникновения внештатных си- туаций. Известна также система GPS-наведения крюковой подвески кабельных кранов, используемых при строительстве плотин, под управлением «искусственной иммунной системы» [13], алгоритмы которой могут определить оптимальный маршрут для бадьи, предотвращая столкновения с окружающими объектами. Данная система успешно ис- пользовалась при строительстве ГЭС Дагангшань (Китай). 4) Увеличение количества подъемно-транспортных устройств. Это можно осуществить либо увеличением количества кабельных кранов на ка- рьере, но тогда пропорционально числу кранов возрастут и капитальные затраты на осу- ществление данного проекта. Либо использовать две грузовые тележки, кинематически не связанные между собой, на одном кране путем установки двух машинных башен с разгрузочными эстакадами на противоположных бортах карьера. Подобное решение описано в патенте [14], где рассматривается кабельный кран с аэростатом, поддерживающим центральную часть несущих канатов. Это решение увели- чивает стоимость комплекса в связи с установкой еще одного машинного помещения, грузовой тележки и разгрузочной эстакады, а также массу металлоконструкции самого крана. Передвижение тележек по несущему канату через систему управления синхрони- зируется так, что в центральной части несущих канатов находится только одна тележка. Это позволяет снизить нагрузки на канаты и уменьшить их металлоемкость. Вполне возможно, что такая схема применима и без аэростата. В этом случае ме- таллоемкость кабельного крана неизбежно увеличится, однако если использовать пред- лагаемую в патенте [14] схему синхронизации движения, то рост будет не столь значи- тельным. Схема кабельного крана с двумя грузовыми тележками представлена на рис. 7.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 93С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 7 – Схема кабельного крана с двумя грузовыми тележками: 1 – грузовая лебедка; 2 – тяговая лебедка; 3 – несущий канат; 4 – грузовой канат; 5 – тяговый канат; 6 – грузовая тележка; 7 – промежуточный узел (рис. 8); 8 – крюковая подвеска; 9 – контейнер; 10 – разгрузочная эстакада Рис. 8 – Модель промежуточного узла: 1 – несущие канаты; 2 – грузовой канат; 3 – тяговый канат; 4 – концевая муфта несущего каната; 5 – концевая муфта грузового каната; 6 – обводной блок По расчетам данное решение увеличивает производительность комплекса на 50 % по сравнению с краном с одной тележкой при условии сохранения грузоподъемности каждой грузовой тележки. При этом металлоемкость крана вырастет примерно в полтора раза. С одной стороны, определенные технологические ограничения применения такой схемы связаны с необходимостью организации двух перегрузочных площадок у каждой
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 94С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е машинной башни, что в некоторых условиях может привести к дополнительному раз- носу бортов карьера. С другой стороны, появляется возможность раздельной выдачи руды и вскрыши. Выводы 1. Одним из решений при доработке карьеров с ограниченными в плане размерами может явиться применение кабельных кранов в качестве технологического транспорта на подъеме горной массы с нижних горизонтов на верхние. 2. Применение современных технических решений позволит решить значитель- ный ряд конструктивных проблем при применении кабельных кранов для транспортиро- вания горной массы в карьерах (повысить их «технологичность», безопасность); полно- стью использовать существующие резервы достижения максимальной производительно- сти. 3. Ограничивающим параметром для их применения является относительно невы- сокая производительность, особенно при значительной высоте подъема и длине пролета. Наиболее продуктивным решением будет повышение грузоподъемности (так, повыше- ние скорости на 50 % повысит производительность в среднем на 11 %, а повышение гру- зоподъемности увеличит производительность прямо пропорционально, соответственно, на 50 %). Однако это приведет к пропорциональному росту нагрузок на башни крана и увеличению их металлоемкости, что усложнит вопросы обеспечения устойчивости ба- шен кранов и пород уступов, на которых они установлены. Литература 1. Технико-технологический комплекс для доработки запасов на глубинных гори- зонтах алмазорудных карьеров / А.Н. Акишев, И.В. Зырянов, Б.Н. Заровняев, П.И. Тара- сов, А.Г. Журавлев // Горный журнал. – 2012. – № 12. – С. 39 - 43. 2. Кокунин Р.В. Обоснование условий применения бестраншейного вскрытия на месторождениях природного камня: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 25.00.22 / Р.В. Ко- кунин; УГГУ. - Екатеринбург, 2006. – 131 с. 3. Пат. 2571776 Российская Федерация, МПК7 E21C41/26. Способ открытой разра- ботки крутопадающих рудных тел / С.Л. Бабаскин, А.Н. Акишев, В.С. Самоловов; заяви- тель и патентообладатель Акционерная компания "АЛРОСА" (публичное акционерное общество) (АК "АЛРОСА" (ПАО) – № 2014139741/03; заявл. 30.09.2014; опубл. 20.12.2015, Бюл. № 35. – 9 с. 4. Pat. 201410078599.0 China, IPC B66C 21/00, B66C 13/00. Cable crane video mon- itoring system for concrete construction / 邱向东, 尹习双, 刘金飞, 钟桂良; assignee 中国水 电顾问集团成都勘测设计研究院有限公司. - CN103803411 A; filed 05.03.2014; publ. 21.05.2014 – 6 p. 5. Сайт компании HookCam, раздел FEATURES & DESIGN [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.hookcam.com/features/ 6. Свиридов Д.Ю. Обеспечение безопасной работы башенных кранов / Д.Ю. Сви- ридов, А.В. Вершинский, А.Н. Шубин // Механизация строительства. – 2012. – № 7. – С. 19 - 24. 7. Беспальков А.А. Разработка глубоких карьеров по бестранспортной схеме с применением кабельных кранов / А.А. Беспальков, А.Г. Журавлев // Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых: матер. 13 междунар. науч. школы молодых ученых и специалистов, 21 - 25 ноября 2016 г. – М.: ИПКОН РАН, 2016. – С. 159 - 162. 8. Ганченко М.В. Определение границ и оптимизация технологических парамет- ров открытых горных работ / М.В. Ганченко, А.Н. Акишев, В.А. Бахтин // Горный жур- нал. – 2005. - № 7. – С. 77 - 80.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 95С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е 9. Сайт компании ООО «Кемкран», раздел «Продукция – Стационарные кабель- ные краны» [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.kemkran.ru/Produk- ciya/shop.product_details/24/kemkran.tpl/100 10. РТМ 24.090.34-85. Краны кабельные. Нормы расчета и проектирования.– Вза- мен РТМ 24.090.34-77; введ. 1985-17-01. – М.: Министерство тяжелого и транспортного машиностроения, 1985. – 120 с. 11. Куйбида Г.Г. Кабельные краны / Г.Г. Куйбида. – М.: Машиностроение, 1989. – 288 с. 12. Pat. 5,392,935 USA, IPCB66C 21/00.Controlsystemfor cable crane / KeizoKazama, KiichiroTanaka, EijiTakahashi, MichioNakao; assignee Obayashi Corporation. - US 08/105,979; filed 13.08.1993; publ. 28.02.1995 - 40 p. 13. Wu, H., Yin, Y., Wang, S. et al.GPSSolut (2016). doi:10.1007/s10291-016-0573-6. 14. Пат. 2208571 Российская Федерация, МПК7 B66C21/00, B64B1/50. Кабельный кран / З.Ш. Зиганшин, М.Н. Ковалев, В.Н. Жиляев, А.Б. Жорницкий; заявитель и патен- тообладатель Государственный ракетный центр "КБ им. акад. В.П. Макеева", Открытое акционерное общество "Комбинат "Магнезит" – № 98122567/28; заявл. 15.12.1998; опубл. 20.07.2003, Бюл. № 20. – 3
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 96С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 622.271.332:622.236 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.096 Жабко Андрей Викторович кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры маркшейдерского дела, Уральский государственный горный университет, 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 e-mail: zhabkoav@mail.ru ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ТРАКТОВКА УСЛОВИЯ РАЗРУШЕНИЯ ОТКОСОВ Zhabko Andrew V. candidate of technical sciences, associate professor, mine surveying department, The Ural State Mining University, 620144, Yekaterinburg, 30 Kuibishev st. e-mail: zhabkoav@mail.ru STABILITY OF SLOPES IN THE FIELD TECTONIC TENSION Аннотация: В работе, на основе выполненных ранее автором исследований по вопросам устойчивости отко- сов, получен вариационный принцип разрушения. Ключевые слова: откос, поверхность скольже- ния, условие равновесия, вариационный принцип, работа, потенциал, разрушение Abstract: In terms of the researches on questions of slopes sta- bility executed earlier by the author, the variation principle of destruction is obtained in the article. Key words: slope, surface of sliding, balance condi- tion, variation principle, work, potential, destruc- tion В работах [1 – 6] представлена общая теория устойчивости или разрушения отко- сов сооружений. Данная теория является законченной работой, позволяющей произво- дить оценку устойчивости откосов сооружений практически для любых горно-геологи- ческих условий разработки: однородного откоса, неоднородного откоса, анизотропного откоса, подработанного откоса, обводненного откоса, откоса в поле тектонических напряжений и сейсмических нагрузок. Отличительной особенностью данной теории яв- ляется ее строгость. Полученные в ней условия равновесия откосов и дифференциальные уравнения поверхностей скольжения являются фундаментальными для континуальной среды. Как показано в работах [1, 3], условие равновесия призмы смещения в общем виде определяется уравнением1 :           2 1 0 1 01 0y y y f C y T fE y dx E E f T T                   , (1) где  – объемный вес горных пород; ,y y – функции линий откоса и поверхности сколь- жения, соответственно; tgy   – производная функции поверхности скольжения; 0 0 1 1, , ,T E T E – внешние касательные и нормальные реакции на вертикальных гранях призмы смещения, соответственно, слева и справа; tgf   – коэффициент внутреннего трения (тангенс угла внутреннего трения); C – сцепление массива горных пород; ,E T – соответственно, производные функций нормальной и касательной составляю- щих межблоковой реакции2 . В однородных массивах при углах наклона поверхности скольжения, превышаю- щих угол внутреннего трения  i   , условие равновесия призмы смещения опреде- ляется уравнением: 1 Здесь и далее пределы интегрирования функционалов опущены за ненадобностью. 2 В приведенных зависимостях могут быть использованы абсолютно любые единицы измерений согласных между собой, например система СИ (сила – Н; напряжение, сцепление – Па; объемный вес – Н/куб. м; длина – м, и т.д.) или внесистемные единицы измерения, часто используемые в геомеханике.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 97С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е          2 1 0 1 02 1 0 1 y y y f C y dx E E f T T y                    . (2) А для участков с углами наклона поверхности скольжения  i   условие рав- новесия имеет следующий вид:          2 1 0 1 0 1 0 1 y y y f C y dx E E f T T fy                    . (3) Уравнения (2) и (3) получены из уравнения (1). Причем условие (2) подразумевает присутствие и касательной, и нормальной составляющих межблоковой реакции, а урав- нение (3) – только нормальной составляющей [1, 3]. Положим в уравнении (1) 0E T   , получим следующее условие равновесия:         2 1 0 1 01 0y y y f C y dx E E f T T              . (4) Уравнения (2), (3), (4) позволяют оценить устойчивость призмы смещения (от- коса) по произвольной поверхности скольжения. Для определения положения и формы (геометрии) наиболее опасной поверхности скольжения в плоском однородном откосе с горизонтальной бермой решалась следую- щая задача вариационного исчисления [1, 3]:                2 2 1 1 1 2 2 2 2 1 2 2 берма 1 1 1 1 1 max, kx y y f y kx y y f y dx dx fy y C H y y f y dx                                               (5) где tgk   – тангенс угла наклона плоского откоса; H – высота откоса; 0 С n     – постоянная, зависящая от формы откоса, физико-механических свойств гор- ных пород, определяющая предельную высоту откоса; n – постоянная, обеспечивающая выполнение условия предельного равновесия в пределах каждого отсека. Для плоских однородных откосов, с учетом (5), наиболее опасная поверхность скольжения (откос включает верхнюю берму и собственно откос) определяется диффе- ренциальными уравнениями [1, 3]:             2 1 1 1 12 2 2 1 1 22 2 2 22 3 2 2 2 2 2 3 3 1 2 1 π α , tg tg , 4 22 откос 11 , tg ,откос 1 2 3 2 1 , берма γtg kf y k f y kf kx y y fy f y k f kf ykf kx y y f y k f y kfy k f С y H y                                            (6) На рис. 1 приведены наиболее опасные поверхности скольжения и плоские от- косы в предельном равновесии. С методикой построения поверхностей скольжения и определения предельных параметров откосов (высоты и угла) можно ознакомиться в работах [1, 3]. откос, берма. откос,
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 98С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 1 – Поверхности скольжения в плоских однородных откосах Условие равновесия откоса (призмы смещения) в условиях обводненности, сей- смичности и тектонических напряжений примет следующий вид (интегралы заменены на суммы, а производные функции поверхности скольжения выражены через углы ее наклона) [1, 6]:                        2 с к т в в 2 с к т в в 2 с к т в в tg tg / cos cos tg 1 tg tg tg 1 tg 1 tg tg tg tg / cos cos tg 1 tg tg tg 1 tg 1 tg tg tg / cos cos tg 1 tg tg tg 1 t h k k C h h k k C h h k k C h                                                                                2 берма g 0,      (7)
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 99С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е где h – высота отсека (вертикальное расстояние от поверхности скольжения до поверх- ности откоса в точке); с /k a g – коэффициент сейсмичности, равный отношению уско- рения сейсмической волны к ускорению свободного падения; кk – коэффициент концен- трации нормального напряжения в точке поверхности скольжения в горизонтальном направлении; т 1h   – тектоническое (горизонтальное) напряжение нетронутого (естественного) массива;  – коэффициент, изменяющийся в реальных условиях от 0 до 10 − 12; 1h – глубина точки поверхности скольжения, отсчитываемая от ненарушенной (естественной) поверхности земли; в в, h – объемный вес воды и высота ее столба над поверхностью скольжения;  – ширина вертикального отсека (блока). Каждый из функционалов (5) можно представить в следующем виде:          2 , , , , 1 , , , , max A x y y y y x y y y dx A x y y dS x y y dl                     (8) где  , ,A x y y − некоторая функция координат и производной поверхности скольже- ния;  , ,x y y − некоторая функция;  − постоянная; dS − дифференциал площади; dl − дифференциал дуги поверхности скольжения (разрушения). Заметим, что выражение (8) можно представить как вариационное уравнение:         , , , , 0, или max , , , , A x y y dS A x y y dS x y y dl x y y dl                   , (9) где  − вариация функционалов или их функции. Условия равновесия (1) – (4), (7) и вариационная задача (5) получены исходя из принципа возможных перемещений [1, 3], который, как известно, является энергетиче- ским. В этой связи функция  , ,A x y y представляет собой удельную работу внутрен- них (приложенных внутри призмы смещения или объемных) сил и внешних сил, завися- щих от объемных (трение), на возможном перемещении всей механической системы (призмы смещения). По сути, функция  , ,A x y y является удельной потенциальной энергией деформации твердого тела на возможном перемещении. А функция  , ,x y y является половиной удельной поверхностной энергии разрушения на возможном пере- мещении системы. Рассмотрим случай, когда A и  постоянны, то есть работа внутренних и объем- ных сил на возможном перемещении (удельная потенциальная энергия деформации) и удельная поверхностная энергия разрушения не зависят от координат точки. В этом слу- чае решением вариационного уравнения (9), при отсутствии дополнительных условий, для объемной задачи является шар, а в плоском случае – круг. Данный результат следует из так называемой изопериметрической задачи (задача Дидоны) и закона ее взаимности, например [1]. То есть при фиксированном числителе в уравнении (9) знаменатель мини- мизирован, и, наоборот, при постоянном знаменателе числитель максимален. Приведем несколько примеров. Как известно, капля воды в невесомости принимает сферическую форму, мини- мизируя посредством площади энергию поверхностного натяжения. Другим примером является одиночный мыльный пузырь, также принимающий в полете форму шара. Со- гласно теореме Пуассона средняя кривизна поверхности раздела двух физических сред, ,
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 100С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е находящихся в равновесии, пропорциональна разности давлений в этих средах (для пу- зыря разность давлений отлична от нуля, тогда средняя кривизна постоянна и отлична от нуля). Мыльные пленки впервые подробно исследовал Плато, который вывел следую- щие правила: – три поверхности могут сходиться под углом только 120º; – разграничивающие кривые обязаны встречаться только по четыре и только под углом примерно 109 градусов 28 минут – это углы, под которыми в правильном тетра- эдре расходятся отрезки, соединяющие его центр с вершинами. Кошка, сворачивающаяся в клубок, отдает в окружающее пространство меньше теплоты, но самое удивительное, что кошка не может мыслить, она это делает в угоду инстинкту. Замерзший человек также подгибает ноги и горбится, сам не понимая, для чего он это делает, это получается как бы произвольно, как будто им кто-то управляет, в том числе во сне. По этой же причине, например, Солнце, Земля и Луна имеют шарооб- разную форму. Шары как экстремальные геометрические фигуры не могут абсолютно компактно заполнить предоставленное им трехмерное пространство, наилучшая упаковка шаров со- ставляет / 18 74%  (задача Кеплера, 1611 г.), а для плоского аналога –  / 12 90%  . В этой связи дополнительным условием к принципу (9) может яв- ляться требование полного заполнения фигурами всего предоставленного им простран- ства. В случае постоянных A и  приходим к задаче Кельвина (Томсона), 1887 г. То есть необходимо найти форму фигур с наименьшими поверхностями, непрерывно за- полняющими бесконечное пространство, при одинаковых и заданных объемах. Послед- ним решением-приближением является форма Уэйра – Фелана, для плоского случая ре- шением, по-видимому, является система шестигранников, напоминающих пчелиные соты. С другой стороны, при одинаковом числе сторон и равных периметрах площадь правильного многоугольника больше, чем неправильного. Из двух правильных много- угольников с равными периметрами площадь больше у того многоугольника, у которого больше сторон. Необходимо также отметить, что на форму оптимальных объемов сильно влияет граница области, в которой они находятся, то есть геометрия границы тела. Таким образом, реальная форма тел деструкции в конечном итоге будет зависеть от особенно- стей распределения энергии по объему тела, его формы, структурных особенностей на микро-, мезо- и макроуровне. Приведем примеры из горного дела. Примером из геомеханики открытых горных работ является так называемая “круглоцилиндрическая” поверхность скольжения, пред- ложенная Петерсоном в 1916 г. и подтверждаемая Шведской геотехнической комиссией. И действительно, при равномерности распределения энергий, поверхность скольжения представляла бы собой дугу окружности. Однако, как показано в работах [1, 3], функция поверхности скольжения лишь кусочно гладкая, то есть производная имеет разрыв. Это говорит о сложном распределении энергии вдоль поверхности скольжения. С другой сто- роны, каждый из трех участков поверхности скольжения в однородных откосах в отдель- ности достаточно тесно описывается дугой окружности. Кроме того, обращает на себя внимание тот факт, что на первых двух участках (нижних) поверхность скольжения во- гнутая, а на третьем (верхнем) – выпуклая, но все равно по форме достаточно близка к дуге некоторой окружности (см. рис. 1). Зададимся вопросом, чем принципиально отли- чаются первый, второй и третий участки поверхности скольжения. Ответ очевиден: на третьем участке внутренние (межблоковые) реакции ,E T не совершают работы на воз- можном перемещении. Таким образом, данный участок можно ассоциировать с идеаль- ной пластичностью. По-видимому, для пластичной среды необходимо использовать не работу деформаций, а дополнительную работу. Математически это означает, что перед числителем в (9) нужно поставить знак минус. То есть оставшаяся часть горного массива
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 101С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е экономит площади (объемы) с низкой потенциальной энергией (пластичные) и отбрасы- вает, не скупясь, объемы с повышенной потенциальной энергией (перенапряженные), во всех случаях минимизируя площадь вновь образованных поверхностей разрушения. Другими словами, экономится суммарная потенциальная энергия при разрушении. Е.М. Морозов [7] еще в 1961 году для условия равномерного двухосного растяжения вы- двигал условие минимизации длины периметра при охвате наибольшей возможной по условиям разрушения площади в качестве принципа деструкции. Однако, как показано выше, для условий сдвигового разрушения и сложного распределения энергии по объему данное условие может оказаться несостоятельным. Примером из геомеханики подземных горных работ является зональная дезинте- грация горных пород вокруг горных выработок в сильнонапряженных горных массивах [8]. Суть явления заключается в образовании вокруг горизонтальных выработок несколь- ких (в зависимости от уровня напряжений) кольцевых или квазипараллельных выработке зон упругих и пластических (разрушения) состояний горных пород, поочередно сменя- ющих друг друга. С вариационных позиций данный факт достаточно просто объясним. Кольцо разрушенных горных пород обладает минимальной длиной при заданной мощ- ности (определяется напряженным состоянием), посредством чего минимизируется дис- сипация (рассеяние) энергии при разрушении, при этом оконтуривается максимальная площадь пород с высокой потенциальной энергией деформации (сильнонапряженные участки). Используя теорию работ [1, 3], можно показать, что радиусы зон дезинтеграции формируются согласно некоторой постоянной: 2sin 4 2 m         . (10) Примечательно, что если положить в (10) 0  (идеально пластичные породы), то 2m  , что соответствует масштабному фактору [8]. Максимальное же значение (10) соответствует идеально хрупким породам и приближенно составляет 1,85m  , что соответствует постоянной модифицированного закона Тициуса – Боде (1,89) [9]. Таким образом, исходя из выражения (9) и его подробного анализа следует, что тело при деструкции, дезинтеграции (диссипации энергии), стремится отделить от себя части тела с повышенной потенциальной энергией и, наоборот, сохранить части тела с пониженной потенциальной энергией, при этом минимизируя площадь (длину для плос- кой задачи) поверхности отделения (деструкции). Во всех случаях выполняется условие предельного равновесия. Заметим, что при деструкции потенциальная энергия деформа- ции тела отсекается некоторыми порциями (отделяемые тела имеют определенные раз- меры) – квантами энергии. Обобщая уравнение (9), запишем вариационный принцип деструкции в общем виде:       , , extr 2 , , 2 , , V S S A x y z dV x y z dS x y z dS              , (11) где A − потенциал работы деформации или дополнительная работа; ; S  − удельная поверхностная энергия разрушения при срезе и площадь вновь образованных поверхно- стей; ; S  − удельная поверхностная энергия разрушения при разрыве и площадь вновь образованных поверхностей; V − отделяемый при деструкции объем. Принцип (11) подразумевает стационарность процесса деструкции. Однако в принципе его можно модифицировать с учетом фактора времени. Коэффициент “2” в
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 102С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е знаменателе (11) формален и показывает, что при разрушении тела (образование тре- щины) образуются две поверхности, однако на наличие экстремума выражения он не влияет. Что касается вопроса физических предпосылок выполнения условий (9) и (11), то нужно признать, что это проблема будущих исследований, собственно, это касается и других вариационных принципов механики, да и не только механики. Однако можно предположить существование некоторого более общего вариационного принципа разру- шения и созидания (самоорганизации) в природе. Литература 1. Жабко А.В. Аналитическая геомеханика: научная монография / А.В. Жабко. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2016. – 224 с. 2. Жабко А.В. Теория расчета устойчивости откосов и оснований. Анализ, харак- теристика и классификация существующих методов расчета устойчивости откосов / А.В. Жабко // Известия Уральского государственного горного университета. – 2015. – № 4 (40). – С. 45 - 57. 3. Жабко А.В. Теория расчета устойчивости откосов и оснований. Общая теория расчета устойчивости однородных откосов / А.В. Жабко // Известия Уральского государ- ственного горного университета. – 2016. – №1 (41). – С. 72-83. 4. Жабко А.В. Теория расчета устойчивости откосов и оснований. Расчет анизо- тропных, неоднородных и подработанных откосов / А.В. Жабко // Известия Уральского государственного горного университета. – 2016. – № 2(42). – С. 42 - 46. 5. Жабко А.В. Теория расчета устойчивости откосов и оснований. Устойчивость отвалов / А.В. Жабко // Известия Уральского государственного горного университета. – 2016. – № 3 (43). – С. 4 - 6. 6. Жабко А.В. Теория расчета устойчивости откосов и оснований. Устойчивость откосов в поле тектонических, сейсмических и гидростатических напряжений / А.В Жабко // Известия Уральского государственного горного университета. – 2016. – № 4 (44). – С. 47 - 50. 7. Левин В.А. Избранные нелинейные задачи механики разрушения / В.А. Левин, Е.М. Морозов, Ю.Г. Матвиенко. – М.: Физматлит, 2004. – 408 с. 8. Опарин В.Н. Научные открытия межтысячелетия в геомеханике и перспективы их применения / В.Н. Опарин // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли: труды конференции с участием иностранных ученых, 2 – 5 октября 2007 г., Новосибирск. – Новосибирск: ИГД СО РАН, 2007. – С. 7 - 30. 9. Кашубин С.Н. Физика Земли: учеб. пособие для бакалавров / С.Н. Кашубин, В.Б. Виноградов, А.В. Кузин; под ред. В.В. Филатова. - 2-е изд., испр. и переработ. - Ека- теринбург: УГГУ, 2005. – 188 с.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 103С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 622.235.213.42 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.103 Кутуев Вячеслав Александрович младший научный сотрудник, Институт горного дела УрО РАН, 620075 г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: kutuev88@gmail.com Жариков Сергей Николаевич кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт горного дела УрО РАН e-mail: 333vista@mail.ru О ПОКАЗАТЕЛЕ РАСШИРЕНИЯ ПРОДУКТОВ ВЗРЫВА Kutuev Vyacheslav Al. junior researcher, The Institute of Mining UB RAS, 620075, Yekaterinburg, 58, Mamin-Sibiryak st. e-mail: kutuev88@gmail.com Zharikov Sergey N. candidate of technical sciences, senior researcher, The Institute of Mining UB RAS e-mail: 333vista@mail.ru ON THE INDEX OF EXPLOSION PRODUCTS EXPANSION Аннотация: В рамках научно-исследовательской экспедиции на полигоне горно-обогатительного комбината ОАО «Ураласбест» были проведены опытно- промышленные испытания на предмет выявле- ния показателя расширения продуктов взрыва для промышленного эмульсионного взрывчатого вещества (ПЭВВ) порэмит 1А. По результатам эксперимента отношение радиуса кольцевого заряда (R) к радиусу зоны взрывных газов (r) со- ставило k = 2,33, что примерно на 22 % меньше показателя расширения продуктов взрыва для штатных ВВ (k = 3); на основании этого выдви- нуто предположение, что детонационное дав- ление ПЭВВ порэмит 1А может быть выше расчетного (если принимать при расчетах k = 3) примерно на 20 %. Более точное определе- ние этого показателя для ПЭВВ путем проведе- ния серии опытно-промышленных испытаний не только ПЭВВ порэмит 1А, но и других ПЭВВ (при условии чистоты эксперимента), позволит уточнять детонационное давление и опреде- лять рациональные параметры буровзрывных работ (БВР) в выемочных блоках. Ключевые слова: показатель расширения про- дуктов взрыва, кольцевой заряд, показатель изо- энтропы, промышленные эмульсионные взрыв- чатые вещества, порэмит 1А Abstract: In the framework of the research expedition in the site of the "Uralasbest" mining and processing plant pilot and commercial tests were conducted to iden- tify the index of explosion products expansion for industrial emulsion explosive poremit 1A. Accord- ing to the results of the experiment the ratio of the radius of the ring charge (R) to the radius of explo- sive gases (r) zone was k = 2,33, which is approxi- mately 22% less than the expansion of the explosion products to a regular BB (k = 3).In terms of this the supposition was assumed that the detonation pres- sure of poremit 1A may be higher than calculated (if taken in the calculations k = 3) by about 20%. A more precise definition of this indicator, through a series of pilot and commercial tests not only poremit 1A, but others, maintaining the purity of the experi- ment will allow to clarify the detonation pressure and determine rational parameters of drilling and blasting operations in excavation blocks. Key words: the index of explosion products expan- sion, ring charge, isoentropic exponent, the indus- trial emulsion explosives, poremit 1A Теплоемкость есть количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы данного вещества на один градус. В термодинамике теплоемкость у взрывных га- зов делится на две составляющие: при постоянном объеме Cv и при постоянном давлении Cp [1 - 2]. Отношение теплоемкостей взрывных газов есть показатель изоэнтропы (k). Это важнейший показатель свойств ВВ, характеризующий процессы расширения про- дуктов взрыва. Ранее установленные научные теории и выводы о показателе расширения продуктов взрыва упоминаются в трудах Г.И. Покровского, Л.Д. Ландау, К.П. Станюко-  Исследования выполнены в рамках Госзадания 007-01398-17-00, а также при дополнительном привле- чении хоздоговорных средств и финансирования по конкурсному проекту № 15-11-57
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 104С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е вича, Й.Д. Ван дер Ваальса, М.А. Кука , Д.Л. Чепмена , Э. Жуге , К. Юхансона , П. Пар- сона , А.Н. Дремина, К.К. Шведова, С.Д. Викторова, О.Е. Власова, Я.Б. Зельдовича, Е.И. Забабахина, С.А. Горинова и ряда других ученых. Существует зависимость [1], которая выражает пропорциональность между дав- лением детонации (P), плотностью ВВ (ρ0) и квадратом скорости его детонации (D): 1 2 0    k P D . (1) Значение k можно установить при помощи теории подобия и достаточно неслож- ных экспериментальных взрывов Г - образного и кольцевого зарядов ВВ [2]. С достаточ- ной степенью точности можно считать, что для штатных ВВ k = 3. Поэтому расчеты дав- ления при использовании ВВ заводского изготовления значительно упрощаются. Слож- нее дело обстоит с промышленными эмульсионными взрывчатыми веществами (ПЭВВ). Указанный показатель у ПЭВВ изменяется [3], поэтому воздействие зарядов на горную породу при технологических взрывах с применением ПЭВВ менее предсказуемо. Согласно работе [4], можно измерить детонационное давление (P) при помощи современного регистратора данных «DATA TRAP II» с применением калиброванных PVDF манометров, карбоновых резисторов или турмалиновых датчиков. Однако для ор- ганизации этих измерений требуются серьезные финансовые вложения, поэтому для ис- следований был применен менее затратный способ – взрыв кольцевого заряда с даль- нейшим анализом его последствий. В рамках научно-исследовательской экспедиции на полигоне горно-обогатитель- ного комбината ОАО «Ураласбест» в составе творческого коллектива сотрудников лабо- ратории разрушения горных пород ИГД УрО РАН: С.Н. Жарикова, П.В. Меньшикова, А.С. Флягина , Н.С. Матухно и В.А. Кутуева - были проведены опытно-промышлен- ные испытания на предмет выявления показателя расширения продуктов взрыва для ПЭВВ порэмит 1А. Согласно методу [5], взрывали кольцевой заряд, представляющий собой полиэтиленовый рукав длиной l = 1900 мм и диаметром Ø 100 мм, заполненный ПЭВВ порэмит 1А с известной плотностью ρ = 1,25 г/см3 . За отсутствием бронирован- ной плиты кольцевой заряд был уложен на прямоугольный кусок транспортерной ленты габаритными размерами 700×1000×20 мм. В заряд устанавливался промежуточный де- тонатор – шашка БШД-800У с введенным в нее детонирующим шнуром (ДШ). Иниции- рование производилось при помощи электродетонатора ЭД-1-8Т. В процессе взрыва за- ряда, согласно методу, должно было образоваться два следа, как показано на рис. 1: один непосредственно под испытуемым зарядом, а другой – меньшего радиуса, так называе- мая зона усиленного действия взрывных газов, направленных к центру кольца. В нашем случае в процессе взрыва кольцевого заряда произошел разрыв транс- портерной ленты, но на песке остались два характерных следа: большой радиус – 350 мм, малый радиус – 150 мм. Отношение радиуса кольцевого заряда (R = 350 мм) к радиусу зоны сосредоточения взрывных газов (r = 150 мм) составило k = 2,33, а это на 22 % меньше показателя расширения продуктов взрыва для штатных ВВ (k = 3). На основании результатов эксперимента выдвинуто предположение, что детонационное давление ПЭВВ порэмит 1А может быть выше расчетного (если принимать при расчетах k = 3) примерно на 20 %. Данное предположение требует дальнейших подтверждений, так как утверждение, сделанное на основании одного эксперимента, может быть достаточно спорным. Для этого необходимо провести серию опытно-промышленных испытаний, желательно не только ПЭВВ порэмит 1А, но и других ПЭВВ, выдерживая чистоту экс- перимента. При этом для каждого конкретного ПЭВВ по шесть испытаний, на наш взгляд, будет достаточно для обобщения и принятия установленного факта к сведению при проектировании технологических взрывов.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 105С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 1 – Схема к определению показателя расширения продуктов взрыва (k): 1 – кольцевой заряд; 2 – детонатор; 3 – зона усиленного действия взрывных газов; R – радиус кольцевого заряда; r – радиус зоны действия взрывных газов Вывод Эффективность дробящего действия технологического взрыва определяется ве- личиной давления (P), создаваемого в колонке заряда, которое зависит от плотности (ρ0) и скорости детонации (D) ПЭВВ, а также показателя расширения продуктов взрыва (k), с одной стороны, и свойствами горных пород – с другой. Наиболее точное определение показателя расширения продуктов взрыва для ПЭВВ позволит уточнять детонационное давление расчетным путем и, соответственно, иметь более точное представление о свой- ствах разрушающей нагрузки в конкретных условиях. Это откроет возможность опреде- лять рациональные параметры буровзрывных работ в выемочных блоках с учетом воз- можных перепадов давлений, что может существенно повысить эффективность исполь- зования ПЭВВ при производстве технологических взрывов. Литература 1. Физика взрыва / Под ред. Л.П. Орленко. - Изд. 3-е, перераб. - В 2 т. Т. 1. - М.: Физматлит, 2002. - С. 95 - 98. 2. Покровский Г.И. Взрыв / Г.И. Покровский . - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1980. - С. 42 - 43. 3. Синицын В.А. Повышение эффективности взрывной подготовки горной массы на карьерах с применением взрывчатых веществ на основе обратных эмульсий: автореф. … канд. техн. наук / В.А. Синицын; ИГД УрО РАН. - Екатеринбург, 2007. - 26 с. 4. Кутуев В.А. О методах исследования детонационных характеристик ВВ / В.А. Кутуев, П.В. Меньшиков, С.Н. Жариков // Теория и практика взрывного дела: сб. ст. / ИПКОН РАН. - М.: ЗАО МВК по взрывному делу при Академии горных наук, 2015. - С. 155 - 165. (Взрывное дело. № 113/70). 5. Покровский Г.И. Успехи газодинамики / Г.И. Покровский. - М.: Знание, 1974. - С. 16 - 20.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 106С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 622.235.213 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.106 Кутуев Вячеслав Александрович младший научный сотрудник, Институт горного дела УрО РАН, 620075 г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: kutuev88@gmail.com О ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ СКОРОСТЬЮ ДЕТОНАЦИИ И ВРЕМЕНЕМ ГАЗИФИКАЦИИ НА ПРИМЕРЕ ПРОМЫШЛЕННОГО ЭМУЛЬСИОННОГО ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА ПОРЭМИТ 1А Kutuev Vyacheslav Al. junior researcher, The Institute of Mining UB RAS, 620075, Yekaterinburg, 58 Mamin-Sibiryak st. e-mail: kutuev88@gmail.com ON THE RELATIONSHIP BETWEEN DETONATION VELOCITY AND THE TIME OF GASIFICATION, POREMIT 1A INDUSTRIAL EMULSION EXPLOSIVE AS AN EXAMPLE Аннотация: В статье изложены результаты опытно-про- мышленных испытаний, проведенных в рамках научно-исследовательской экспедиции на горно- обогатительном комбинате ОАО «Уралас- бест». Для исследования детонационных харак- теристик использовалась «Методика измерений скорости детонации взрывчатых веществ рео- статным методом, ускорения сейсмических ко- лебаний и давления на фронте ударной воздуш- ной волны с использованием измерителя скоро- сти детонации «DATATRAP II™ DATA/VOD RE- CORDER». Выполнено исследование детонаци- онных характеристик промышленного эмульси- онного взрывчатого вещества (ПЭВВ) порэ- мит 1А в полигонных условиях с применением 8- канального высокоскоростного регистратора данных «DATATRAP II™». Замеры скорости де- тонации производили при парном взрывании гильзовых зарядов Ø 100 мм толщиной стенки 7 мм и длиной 1000 мм. В результате опытно- промышленных испытаний получена зависи- мость скорости детонации от времени газифи- кации эмульсионного взрывчатого вещества (ЭВВ), и предложены пути решения проблем, связанных с получением при производстве взрыв- ных работ необходимых детонационных харак- теристик. Ключевые слова: промышленные эмульсионные взрывчатые вещества, детонационная волна, скорость детонации, гильзовый заряд, пор- эмит 1А Abstract: The article presents the results of experimental-in- dustrial tests carried out in the framework of the re- search expedition in the integrated-concentrating plant "Uralasbest". To study the detonation charac- teristics "Methods of measurement the explosives’ detonation velocity by rheostatic method, acceler- ation of seismic vibrations and pressure on the front shock air wave using the "DATATRAP II™ DATA/VOD RECORDER" meter of detonation ve- locity were used The study on detonation character- istics of industrial emulsion explosives poremit 1A, in field conditions, using 8-channel high speed data logger "DATATRAP II™".100 mm Measurements of detonation velocity were performed in a paired core blasting⌀ 100 mm charges, with wall thickness of 7 mm and 1000 mm length. In the experimental-indus- trial tests of the dependence of detonation velocity from the time of emulsion explosives gasification and solutions of the problems associated with ob- taining essential detonation characteristics in blast- ing operations are proposed. Key words: industrial emulsion explosives, detona- tion wave, detonation velocity, core charge poremit 1A Детонационная волна распространяется во взрывчатых веществах (ВВ) при взрыве со скоростью несколько тысяч метров в секунду, в результате чего возникает чрезвычайно высокое давление в среде, которое принято называть детонационным или давлением детонации. При этом указанная величина существенно зависит от изменения скорости перемещения горения по ВВ. В этой связи в современных условиях очень важно знать и контролировать такую характеристику, как скорость детонации, потому что она напрямую связана с качеством дробления конкретных горных пород.  Исследования выполнены в рамках Госзадания 007-01398-17-00, тема № 0405-2015-0010, а также при дополнительном привлечении хоздоговорных средств и финансирования по конкурсному проекту № 15-11-57
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 107С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е В статье изложены результаты опытно-промышленных испытаний, проведенные в рамках научно-исследовательской экспедиции на горно-обогатительном комбинате ОАО «Ураласбест». Использовалось промышленное эмульсионное взрывчатое вещество (ПЭВВ) порэмит 1А с заявленными характеристиками, представленными в табл.1. Таблица 1 Основные характеристики ПЭВВ порэмит 1А [1] Для исследования детонационных характеристик использовалась методика, раз- работанная лабораторией разрушения горных пород ИГД УрО РАН, –«Методика изме- рений скорости детонации взрывчатых веществ реостатным методом, ускорения сейсми- ческих колебаний и давления на фронте ударной воздушной волны с использованием измерителя скорости детонации «DATATRAP II». В основе этой методики лежит рео- статный метод [2 – 5], точнее, его современный вариант, согласно [6], метод непрерыв- ного измерения скорости детонации «НИСД». Принцип работы «DataTrap II» заключается в следующем. В заряд ВВ по всей его длине помещают измерительный кабель, который присоединяют к кабелю РК. При взрыве, по мере прохождения детонационной волны, длина измерительного кабеля уменьшается, и, соответственно, изменяется сопротивление кабеля. Регистрирующий прибор непрерывно измеряет изменения величины сопротивления электрической цепи и записывает во встроенную память. Регистрирующий прибор фиксирует событие (взрыв одного заряда) в виде цифрового файла (таблицы «время – величина сопротивления») с возможностью расшифровки на персональном компьютере в виде диаграммы «длина за- ряда – время» с автоматическим вычислением скорости детонации (D). Схема последовательности соединения и измерения D, а также сам прибор показаны на рис. 1 и рис. 2, соответственно. Рис. 1 – Схема измерения скорости детонации ВВ в одиночной скважине прибором «Data Trap II» Тип ВВ Марка ВВ Характеристики Теплота взрыва, ккал/кг Концентрация энергии, ккал/дм3 Плотность заряжания, г/см3 Скорость детонации, м/с Газовая вредность, л/кг Критический диаметр, мм Порэмит 1А 720 900 1,15 – 1,25 4900 - 5100 40 30
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 108С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 2 – Высокоскоростной регистратор данных «DataTrap II™ Data / VOD Recorder» Порядок проведения полигонных испытаний Для проведения испытаний подготовлены 6 картонных гильз диаметром Ø100 мм, толщиной стенки 7 мм и длиной L = 1000 мм, запаянные в нижней части при помощи монтажной строительной пены с одновременным креплением устойчивого основания для вертикального расположения в условиях полигона. Также просверлено 2 отверстия в верхней и нижней частях гильзы (строго друг под другом), через которые протянут кабель-датчик (VOD PROCABLE «Зеленый») с заданным сопротивлением 10,8 Ом/м. Верхний конец кабеля зачищен и замкнут сердечник на оплетку, после чего заизолирован и закреплен скотчем на гильзе. Нижний конец кабель-датчика также зачищен и подго- товлен к последующему соединению с коаксиальным кабелем РК-75, подключаемым к измерительному прибору «Data Trap II™». На полигоне горнодобывающего предприятия ОАО «Ураласбест» в подготовлен- ные картонные гильзы заряжали промышленное эмульсионное взрывчатое вещество порэмит 1А с известной плотностью ρ = 1,25 г/см3 , сверху устанавливался промежуточ- ный детонатор шашка БШД-800У с введенным волноводом ИСКРА-С, инициирование производилось при помощи электродетонатора ЭД-1-8Т (рис. 3). В процессе взрыва за- ряда, с момента детонации, регистратором данных «DataTrap II™» фиксировалось изме- нение сопротивления датчика по колонке заряда, как описано в ранее представленной методике. После проведения опытно-промышленных испытаний была произведена обра- ботка данных прибора «DataTrap II™» и получены следующие результаты (табл. 2). В качестве примера на рис. 4 представлен график первого замера. Табличные данные в графическом виде представлены на рис. 5.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 109С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 3 – Картонные гильзовые заряды Рис. 4 – Результат измерения скорости детонации прибором «DataTrapII™» = 4536 м/с Таблица 2 Результаты замеров скорости детонации в условиях полигона Взрывчатое вещество Скорость детонации, м/с Первый опытный взрыв Второй опытный взрыв Третий опытный взрыв 1 гильза 2 гильза 3 гильза 4 гильза 5 гильза 6 гильза Порэмит 1А 4536 4546 4660 4709 4852 5177
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 110С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 5 – Динамика скорости детонации ПЭВВ порэмит 1А Всего было 6 гильз, которые взорваны парно, в результате трех взрывов. Замеры парных гильзовых зарядов каждого из трех опытных взрывов велись одновременно по двум каналам регистратора «Data Trap II™». Гильзы заранее промаркированы метками. Их взрывали в том порядке, в котором заряжали, с интервалами времени 5 – 7 мин между заряжанием конкретного гильзового заряда с одной зарядной машины. Первый взрыв был проведен через час после зарядки первой гильзы. Время между опытными взрывами составило 40 – 50 мин. С учетом временных интервалов, была построена зависимость скорости детонации от времени газификации ЭВВ (рис. 6). Рис. 6 – Зависимость скорости детонации от времени газификации для ПЭВВ порэмит 1А
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 111С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Согласно [7], в среднем процесс газификации ПЭВВ наиболее полно протекает при температуре эмульсии 80 – 60° С в течение 30 – 40 мин после введения газогенери- рующей добавки. Длительное нахождение смесительно-зарядной машины на блоке и за- ряжание обводненных скважин при низких температурах приводит к быстрому остыва- нию эмульсии в скважине, в результате чего нарушается процесс газификации. Необхо- димо ускорить процесс газификации и обеспечить его стабильность посредством введе- ния ряда добавок и разработки новых составов ЭВВ. Выводы Из графика, представленного на рис. 6, видно, что детонационные характеристики ЭВВ порэмит 1А значительно меньше заявленных производителем при времени газифи- кации менее двух часов. Результат замера скорости детонации в первых двух гильзах спустя 30 – 35 мин после зарядки составил 4536 – 4546 м/с, когда заявленный мини- мум – 4900 м/с. Таким образом, разница между ними составляет 350 м/с. При этом пол- ная газификация ЭВВ проходит только через 2 ч с момента заряжания, что подтвер- ждают значения измеренной скорости детонации 4852 – 5177 м/с. Для производства мас- совых взрывов этот показатель имеет определяющее значение, так как от него напрямую зависит качество дробления горных пород. Исследование, проведенное в условиях полигона ОАО «Ураласбест», показало, что требуется более двух часов для получения заявленных детонационных характери- стик ЭВВ порэмит 1А. В этой связи является актуальной разработка способов ускорения процесса газификации ЭВВ, особенно в условиях пониженных температур. Также при производстве взрывных работ следует учитывать газификационные свойства ЭВВ для получения при взрыве требуемых детонационных характеристик. Литература 1. Колганов Е.В. Эмульсионные промышленные взрывчатые вещества. Кн. 1. Со- ставы и свойства / Е.В. Колганов, В.А. Соснин. – Дзержинск, Изд-во ГосНИИ «Кри- сталл», 2009. – 592 с. 2. Кутуев В.А. О методах исследования детонационных характеристик ВВ / В.А. Кутуев, П.В. Меньшиков, С.Н. Жариков // Теория и практика взрывного дела: сб. ст. / ИПКОН РАН. - М.: ЗАО МВК по взрывному делу при Академии горных наук, 2015. - С. 155 – 165. (Взрывное дело. - 113/70). 3. Андреев К.К. Теория взрывчатых веществ / К.К. Андреев, А.Ф. Беляев. - М.: Оборонгиз, 1960. - С. 210 - 212. 4. Корнилков М.В. Разрушение горных пород взрывом: конспект лекций / М.В. Корнилков; УГГУ. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2008. - С. 56 - 62. 5. Физика взрыва / Под ред. Л.П. Орленко. - Изд. 3-е, перераб. - В 2 т. Т. 1. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 832 с. 6. Определение фактической скорости детонации и работоспособности новых эмульсионных ВВ с целью выбора рациональной плотности заряжания при взрывопод- готовке железных руд / И.Ю. Маслов и др. // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2003. - № 5. 7. Натаров О.В. Совершенствование технологии взрывных работ с применением эмульсионных взрывчатых веществ на карьерах Хибинских месторождений: дис. ... канд. техн. наук : 25.00.20 / О.В. Натаров. - Апатиты, 2006. - 113 с.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 112С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 67.08:628.339 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.112 Меньшикова Наталья Александровна студентка, Уральский государственный горный университет, 620144, Екатеринбург, пер. Университетский, 9 e-mail: glzchs@mail.ru Давлетшина Ильмира Рустамовна студентка, Уральский государственный горный университет e-mail: glzchs@mail.ru ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ВОПРОСЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ОЧИСТКИ СЕРНОКИСЛЫХ РУДНИЧНЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД Menshikova Natalya Al. student, Ural State Mining University, 620144, Yekaterinburg, 9 lane University e-mail: glzchs@mail.ru Davletshina Ilmira R. student, Ural State Mining University e-mail: glzchs@mail.ru FUTURE ISSUES OF IMPROVEMENT THE TECHNOLOGICAL SCHEME OF ACID MINE AND INDUSTRIAL WASTEWATER PURIFICATION Аннотация: Постоянно растущие требования к охране окружаю- щей среды подчеркивают необходимость повышения качества процессов очистки сточных вод и направ- ляют промышленных производителей на поиск эф- фектных способов обработки рудничных и производ- ственных вод. Активная разработка месторождений ведет к образованию шламо- и шлакохранилищ, от- стойников и строительству очистных сооружений. Проблема рекультивации отвалов является актуаль- ной на сегодняшний день. В зависимости от геогра- фических и геологических условий залегания руд, спо- соба добычи и формирования отвалов требуется вы- бирать метод рекультивации того или иного отвала. Один из методов рекультивации базируется на извле- чении полезных элементов из терриконов с помощью различных химических реакций и дополнительной очистке шахтных и подотвальных вод. Наибольшее количество высококонцентрированных сернокислых сточных вод различного состава образуется в горном производстве предприятий цветной металлургии, что связано с масштабностью горных работ и объе- мов откачиваемых вод из горных выработок для предотвращения их затопления, со сложностью и многообразием вещественного состава руд, особен- ностями процесса выщелачивания компонентов руд при разработке месторождений, влиянием сезонных и погодных явлений. Кроме высококонцентрирован- ных сернокислых вод на горнодобывающих и перера- батывающих предприятиях могут формироваться и низкоконцентрированные сточные воды. Определяю- щими факторами формирования сточных вод с низ- кой концентрацией вредных веществ являются усло- вия окисления; химическая устойчивость; время кон- такта выщелачивающихся растворов с рудами; раз- бавление растворов водами; условия накопления, хра- нения, обработки и очистки сточных вод. В целом для очистки всех типов рудничных и промышленных сер- нокислых вод должны использоваться технологиче- ские операции, обладающие малой чувствительно- стью к колебаниям исходного состава и объема вод, содержанию в них взвешенных веществ. Ключевые слова: рекультивация, отвалы, подотваль- ные воды, рудничные и промышленные сточные воды, способы очистки, открытый, подземный и комбини- рованный способы добычи. Abstract: The ever-increasing demands for environmental protec- tion emphasize the need to improve the quality of wastewater treatment processes and guide manufacturers to search efficient methods of mine and industrial waters treatment. Deposits active development leads to the for- mation of slag and slime stocks, septic tanks and water treatment facilities construction. The problem of dumps recultivation is actual today. Depending on the geograph- ical and geological conditions of ores occurrence, method of mining and dumps formation the method of dump recultivation is to be choosen. One method of remediation is based on the extraction of useful elements from waste heaps with the help of various chemical reactions and ad- ditional cleaning mine and under-dump waters. The greatest number of highly concentrated sulfuric acid waste waters of different composition is formed in the min- ing process of non-ferrous metallurgy, that is associated with large scales of mining operations and volumes of pumped water from the mine workings to prevent flooding as well as with complexity and diversity of the material composition of ores, the process of leaching components of ores during mining, the influence of seasonal and weather events. In addition, highly concentrated sulfuric water for mining and processing plants and low-concen- trated wastewater can be formed. The determining factors in waste water formation with low concentration of pollu- tants are: the conditions of oxidation; chemical re- sistance; contact time solutions of ores; dilution of solu- tions with water; conditions of collection, storage, pro- cessing, and wastewater treatment. As a whole for clean- ing all types of mining and industrial sulphate waters the technological operations should be used with low sensi- tivity to fluctuations in the source composition and volume of waters, as well as the content of suspended solids in them. Key words: reclamation; waste dumps; under-dump wa- ters; mining and industrial waste water; cleaning meth- ods; open pit, underground and combined methods of min- ing, nonferrous metallurgy
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 113С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Сернокислотные воды занимают доминирующее положение среди рудничных и промышленных сточных вод. Они образуются при добыче и переработке сульфидных и смешанных руд цветных металлов, добыче угля и других нерудных серосодержащих по- лезных ископаемых. Месторождение медных, медно-цинковых и полиметаллических руд разрабаты- вают в настоящее время открытым, подземным и комбинированным (открытым с под- земной доработкой глубоких горизонтов) способами. Вопрос о выборе способа разработки месторождений в отечественной практике решается в зависимости от глубины залегания рудных тел и не связан с оценкой долго- временных эколого-экономических аспектов, присущих открытому или подземному спо- собам [1]. Это связано с тем, что до настоящего времени охрана окружающей среды явля- ется больше декларативным, а не одним из основных направлений в деятельности про- мышленных предприятий, отражая существующие экономические отношения в России, когда нанесение ущерба не компенсируется соответствующими платежами. Считается, что открытый способ разработки рудных тел с глубиной залегания до 300 – 400 м экономически выгоднее подземного способа. Следует отметить, что совре- менные способы массовой выемки горных пород при открытых разработках практически не позволяют полностью отделить пустые породы от минерализованных, содержащих цветные металлы и другие токсичные примеси. Поэтому как на отработанных, так и на действующих рудниках не существует отвалов так называемых пустых пород. Отсюда при проведении вскрышных работ требуется складирование этих пород и забалансовых руд на заранее подготовленные гидроизолирующие основания [2]. Подземный способ разработки месторождений с обогатительным комплексом, расположенным в горных выработках, с использованием хвостов обогащения для твер- деющей закладки выработанного пространства, позволяет избежать отвалообразования и провалов на дневной поверхности. Следует отметить, что при подземном способе воз- можна очистка воздуха от пыли на вентиляционных стволах при проветривании горных выработок, а использование гидрозакладки уменьшает объем водоотлива и размер де- прессионной воронки при понижении уровня грунтовых вод [3]. Условия образования сернокислых рудничных и промышленных сточных вод Сточные воды, содержащие значительное количество сульфат-ионов и имеющие кислую реакцию среды, можно подразделить в зависимости от условий образования на две большие группы: • рудничные (карьерные, подотвальные и шахтные) сточные воды; • промышленные сточные воды. Рассмотрим условия образования объемов и состав сернокислых вод на примере действующих рудников с открытым и комбинированным способами разработки место- рождений медных, медно-цинковых и медно-баритовых руд, имеющих старогодние от- валы. Условия образования и состав сточных вод на рудниках с открытым способом добычи полезных ископаемых Наиболее типичными рудниками являются Бурибаевское рудоуправление и Уча- линский горно-обогатительный комбинат (Башкортостан), Гайский горно-обогатитель- ный комбинат (Оренбургская область) и Маднеульский горно-обогатительный комбинат (Грузия). Примерами типового состава высококонцентрированных шахтных вод явля- ются воды Левихинского рудника (Свердловская область), а низкоконцентрированных – Башкирского медно-серного комбината, Березовского рудника (Свердловская область). По данным министерства природных ресурсов и экологии Свердловской области, кислотность в Левихинском руднике превышена в два раза. Содержание меди, цинка и
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 114С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е железа превышает ПДК в 18, 1000 и 3000 раз, соответственно [4]. Экологическое состо- яние водоема вызывает тревогу еще и потому, что здесь постоянно случаются обвалы (глубина самого большого обвала 90 м). Вода в самом руднике настолько отравлена, что непригодна для существования в нем каких-либо организмов. Территория вокруг водо- ема представляет собой участок красноватых вязких грунтов, на которых ничего не про- израстает. Близлежащие площади – это выжженные участки с высохшими на корню де- ревьями. На сегодняшний день отравленные воды мелкими ручьями из затопленного руд- ника растекаются по округе. Их количество невелико, поэтому сейчас они не создают серьезной угрозы попадания в реку, следовательно, и для ее флоры, фауны и прибрежных районов (табл. 1) [5]. Таблица 1 Данные по качеству вод в реке Тагил, спускаемых после очистки Наименование вещества Мг/дм3 Превышение / раз Железо 1,4 14 Цинк 0,388 39 Марганец 0,198 20 Сульфаты 57,9 - Условия образования и состав сернокислых сточных вод рудников с подземным способом добычи На подземных рудниках, добывающих медные и медно-цинковые руды, в резуль- тате проведения горных работ подрезаются водоносные горизонты, а ввиду откачки под- земных вод из горных выработок и их проветривания происходит окисление обнажае- мых серосодержащих минералов и закисление подземных вод с выщелачиванием меди, цинка, железа и других компонентов руд [6]. В связи с тем что на многих шахтах Урала горные работы длительное время ве- лись без закладки вырабатываемого пространства, наблюдались провалы на дневной по- верхности в результате обрушений пород в выработанное пространство. В итоге увели- чивался водоприток поверхностных вод в горные выработки, а объем откачиваемых шахтных вод в большой степени становился зависимым от сезонных и погодных явлений (например, годовой объем шахтных вод Левихинского рудника достигает 3 млн. м3 с большими сезонными колебаниями паводкового характера). Даже после отработки не- которых шахт происходит изливание кислых вод на дневную поверхность [7]. Химический состав сточных вод подземных рудников приведен в табл. 2. Таблица 2 Типовые составы высококонцентрированных шахтных вод подземного способа разработки месторождений на Левихинском руднике Наименование рудничных вод рН Содержание, мг/дм3 Cu Zn Fe As Ca Mg Al Cl- SO4 2- Шахтные воды 2,5 - 2,7 135- 170 270- 320 800- 1100 0,1 250- 265 340 375 29- 32 5950- 6050 Подотвальные воды 3,0 13,5 36 28,5 0,01 120 10,5 51 41,7 1170
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 115С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Перспективные вопросы совершенствования технологической схемы очистки сернокислых рудничных и промышленных сточных вод Среди перспективных вопросов совершенствования универсальной схемы очистки названных вод наиболее актуальными являются следующие:  селективное извлечение из исходных кислых вод меди, цинка, лантанидов и других редких элементов;  использование образующихся шламов в качестве флюса в металлургии и про- изводстве строительных материалов;  расширение номенклатуры и эффективности применения используемых реа- гентов и природных сорбентов;  синтезирование новых реагентов для очистки сточных вод от сульфатов;  применение перекиси водорода и озона в технологиях окисления и осаждения поливалентных металлов и мышьяка, органических примесей;  щелочная пассивация отвалов забалансовых руд и вскрышных пород для предотвращения образования высококонцентрированных подотвальных вод;  использование сточных вод после очистки для сельхозорошения и удобрения [8]. Из известных способов извлечения меди из сернокислых вод, образующих на руд- никах, где добываются медные и медно-цинковые руды, промышленную апробацию, прошли способы осаждения меди цементацией на железном скрапе в желобах и барабан- ных цементаторах, на губчатом железе, а также на металлизированном клинкере цинко- вых заводов [9]. Из-за низкого извлечения меди при цементации в желобах и больших затрат ручного труда при ворошении скрапа большинство таких установок ликвидиро- вано. Губчатое железо является не только эффективным реагентом, но и дефицитным материалом, поэтому его использование бесперспективно. Наилучшие технико-эконо- мические показатели по цементации меди на железном скрапе получены в барабанных цементаторах. Недостатком способа является то, что эти цементаторы изготавливаются из дорогой нержавеющей стали, подвергаемой при вращении цементатора быстрому ис- тиранию скрапом. Кроме этого, в последние годы и железный скрап стал дефицитным материалом. Поэтому целесообразно проведение испытаний в тихоходных шаровых мельницах, футерованных износоустойчивым и кислостойким каменным литьем [10]. Способы извлечения цинка из кислых вод в виде сульфида цинка с использова- нием сернистого натрия или гидросульфида натрия позволяют получать цинковый кон- центрат приемлемого качества только после предварительного осаждения меди цемен- тацией. Однако эти способы экологически вредны, так как приводят к появлению в руд- ничных водах сульфид-ионов, к сверхнормативному загрязнению натрием и к ухудше- нию показателей очистки рудничных вод от сульфатов при нейтрализации этих вод из- вестковым молоком [11]. Новым способом извлечения цинка из рудничных вод может явиться способ его осаждения сульфидом кальция, получение которого отработано в промышленных усло- виях. Применение этого реагента при контролируемой дозировке в шаровую мельницу исключит негативные последствия. Это возможно потому, что сульфид кальция, не- смотря на его малую растворимость в воде, в сернокислых растворах гидролизуется с выделением сульфид-ионов. Осаждение сульфида цинка после цементации меди проис- ходит с более высокой скоростью ввиду повышения содержания железа в рудничных водах при цементации. Важнейшим вопросом совершенствования универсальной схемы очистки серно- кислых вод является обезвоживание и использование шламов, образующихся при нейтра- лизации этих вод, а в будущем и шламов после очистки нейтрализованных вод от суль- фатов [12].
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 116С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Высокая влажность шламов от нейтрализации и осветления рудничных вод свя- зана с дисперсностью составляющих их компонентов. Шламы представляют собой из- вестково-гипсо-гидратную смесь гидроксидов меди, цинка, железа и других металлов, а также гипса – продукта взаимодействия свободной и высвобождающейся при гидролизе сульфатов серной кислоты с известковым молоком. Использование шламов от очистки сернокислотных вод позволяет не только ути- лизировать ценные компоненты, содержащиеся в них, но и решить проблему складиро- вания текущих шламов в прудах-шламоотстойниках без увеличения их объема. Полная переработка накопившихся шламов в прудах-шламоотстойниках, занимающих огром- ные площади, обеспечит экологическую безопасность этих объектов, связанную с по- следствиями прорыва дамб и попадания токсичных шламов в естественные водоемы [13]. Проблема использования шламов от очистки сернокислых рудничных и промыш- ленных сточных вод в качестве флюса в цветной металлургии и производстве строитель- ных материалов всецело связана с обезвоживанием и подсушкой шламов, складирован- ных в прудах-шламонакопителях или поступающих непосредственно с очистных соору- жений. Решение этой проблемы является чрезвычайно сложной задачей. Расширение номенклатуры и эффективности применения используемых реаген- тов и природных сорбентов связано в основном с тонкой доочисткой очищаемых вод и достижением их хорошего осветления перед сбросом в естественные водоемы. Использование природных сорбентов – опок – может получить широкое распро- странение для тонкой доочистки вод при повышении их сорбционной емкости по тяже- лым цветным металлам. Возможна зарядка опок анионами СО3 2- , S2- и другими, образу- ющими с указанными металлами малорастворимые соединения. Это может быть достиг- нуто пропусканием растворов Na2CO3, Na2S и NaHS через опоковые фильтры [14]. Как и при очистке сточных вод от сульфатов с использованием алюминийсодер- жащих реагентов, предотвращение вторичного загрязнения очищаемых вод анионами возможно при использовании оксосульфата железа (ОСЖ) или оксокарбоната железа (ОКЖ) [15]. Щелочная пассивация отвалов забалансовых руд и вскрышных пород предлага- ется для предотвращения образования высококонцентрированных подотвальных вод. Общеизвестно, что закисление забалансовых руд в отвалах, особенно медно-цинковых, приводит к потере их технологических свойств при флотационном обогащении ввиду активации минералов меди и цинка кислыми медьсодержащими растворами. Учитывая то, что паводковые и дождевые воды проходят через толщу отвала, складированного из крупнокускового материала, по путям наименьшего сопротивления водному потоку от вершины до подошвы отвала, известкование отвала преследует цель создания защитных пленок на поверхности омываемых кусков в водотоках, т. е. извест- ковать надо не всю толщу отвала. Щелочная пассивация отвала будет сопряжена с мень- шим расходом известкового молока, чем на нейтрализацию подотвальных вод. Поисковые исследования необходимы для совершенствования методик прогно- зирования состава серноксилых рудничных вод, а также расширения области примене- ния перколяционного выщелачивания. С помощью перколяторов отрабатывается и ме- тод щелочной пассивации отвалов [16]. Загружаемые в перколяторы пробы забалансовых руд и вскрышных пород выще- лачивали до выхода на наиболее концентрированный состав вод, после чего проводили щелочную пассивацию проб до выхода из перколятора щелочных вод с рН 9-10,5. До- бавление вспомогательных веществ инициирует как процесс выщелачивания, так и про- цесс пассивации проб, кроме того, при их использовании пассивация проб проходит бо- лее надежно, и повторное закисление проб при проведении орошения кислыми водами происходит медленнее [17].
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 117С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Щелочная пассивация отвалов может отказаться особенно эффективной для но- вых месторождений как превентивное мероприятие против образования сернокислых подотвальных вод [18]. В отдельных случаях возможно использование сернокислых рудничных и про- мышленных сточных вод после очистки для сельхозорошения при условии выполнения требований СанПиН 2.1.7.573-96 «Гигиенические требования к использованию сточных вод и осадков для орошения и удобрения» [19]. Подводя итог, нужно сказать о том, что совершенствование методов очистки сточных вод требует большого внимания. С наращиванием производственных мощно- стей при добыче руд возрастает количество шламо-, шлакоотстойников, образование огромных терриконов и объемы сточных вод, задействованных в производстве. В зависимости от способа добычи и процентного содержания тех или иных ком- понентов в породах меняется способ очистки сточных вод, то есть используются различ- ные технологии, направленные на осаждение определенного элемента в шахтных и подотвальных водах. Литература 1. Халезов Б.Д. Кучное выщелачивание отвалов горных пород медных рудников как способ обезвреживания экологически опасных объектов / Б.Д. Халезов, В.А. Нежи- вых, А.Ю. Тверяков // Изв. вузов. Горный журнал. – 1997. - № 11-12. - С. 198 - 206. 2. Меньшикова Н.А. Методы очистки сточных вод и их эффективность при до- быче руд цветных металлов // Актуальные проблемы обеспечения гражданской безопас- ности: III Всероссийский семинар, г. Екатеринбург, 27 сентября 2016 г. / ООО «Со- юзПромЭкспо»; Факультет гражданской защиты Уральского Государственного Горного Университета, Кафедра защиты в чрезвычайных ситуациях Уральского Федерального Университета. – Екатеринбург, 2016. – С. 58 - 59. 3. Алкацев М.И. Процессы цементации в цветной металлургии / М.И. Алкацев. - М., Металлургия, 1981. 4. Меньшикова Н.А. Экологическое состояние отработки рудных отложений Свердловской области на примере Лёвихинского рудника // Актуальные проблемы обес- печения гражданской безопасности: Материалы III Всероссийского семинара, г. Екате- ринбург, 27 сентября 2016 г. / ООО «СоюзПромЭкспо», Факультет гражданской защиты Уральского Государственного Горного Университета, Кафедра защиты в чрезвычайных ситуациях Уральского Федерального Университета. - Екатеринбург, 2016. – С. 57 - 58. 5. Меньшикова Н.А. Методы очистки сточных вод и их эффективность при до- быче руд цветных металлов / Актуальные проблемы обеспечения гражданской безопас- ности: Материалы III Всероссийского семинара, г. Екатеринбург, 27 сентября 2016 г. / ООО «СоюзПромЭкспо», Факультет гражданской защиты Уральского Государственного Горного Университета, Кафедра защиты в чрезвычайных ситуациях Уральского Феде- рального Университета. - Екатеринбург, 2016. – С. 58 - 59. 6. Мониторинг безопасности, оценка риска и прогнозирование чрезвычайных си- туаций на территории Свердловской области // Информационный бюллетень. Вып. № 5 / Государственное казенное учреждение Свердловской области «Территориальный центр мониторинга и реагирования на чрезвычайные ситуации в Свердловской области». - Екатеринбург, 2016 – С. 23. 7. Рыбникова Л.С. Проблемы инженерной защиты гидросферы при отработке и ликвидации рудников Среднего Урала (на примере Левихинского рудника) / Л.С. Рыб- никова, А.Л. Фельдман, П.А. Рыбников // Водное хозяйство России. – 2011. – №. 2. – С. 58 - 71. 8. Зубков А.А. Концепция решения минерально-сырьевых проблем и охраны окружающей среды / А.А. Зубков, А.Е. Воробьёв, З.М. Шуленина // Маркшейдерия и недропользование. – 2009. – №. 4. – С. 42.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 118С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е 9. Оптимизация технологии цементационного извлечения меди из сернокислых рудничных вод / Л.С. Диньмухаметова и др. // Фундаментальные исследования. – 2015. – №. 6 - 1. 10. Очистка сточных вод от сульфатов-ионов с помощью извести и оксосульфат алюминия / Е.О. Сальников и др. // Химия и технология воды АН УССР – 1992. - Т.14, №2. - С. 152 - 157. 11. Рыбникова Л.С. Геоэкологические и экономические аспекты защиты гидро- сферы в районах ликвидируемых рудников Урала / Л.С. Рыбникова, А.Л. Фельдман, П.А. Рыбников // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2009. – Т. 5. – №. 12. 12. Сотников В.И. Влияние рудных месторождений и их отработки на окружаю- щую среду / В.И. Сотников // Соросовский образовательный журнал. – 1997. – №. 5. – С. 62 - 65. 13. Медяник Н.Л. Квантово-химический метод выбора реагента-собирателя и его использование в процессе флотационного извлечения катионов цинка и меди (II) из тех- ногенных вод горных предприятий / Н.Л. Медяник, В.А. Чантурия, И.В. Шадрунова // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2012. – №. 1. – С. 155 - 165. 14. Рыбаков Ю.С. Управление качеством вод на техногенной провинции медно- цинковых рудников / Ю.С. Рыбаков // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 1. 15. Рыбаков Ю.С. Технико-экономическая оценка химической рекультивации техногенных образований цветной металлургии / Ю.С. Рыбаков, М.В. Фёдоров, А.Ю Рыбаков // Известия Уральского государственного экономического университета. – 2007. – № 1 (18). 16. Рыбникова Л.С. Геофильтрационная модель массива горных пород в области влияния отрабатываемых и ликвидируемых рудников горноскладчатого Урала / Л.С. Рыбникова, П.А. Рыбников // Литосфера. – 2013. – № 3. – С. 130 - 136. 17. Рыбаков Ю.С. Применение геотехнологических методов для защиты водных объектов от загрязнения стоком с техногенных образований / Ю.С. Рыбаков // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 1999. – №. 2. 18. Совершенствование технологии нейтрализации шахтных вод Левихинского рудника / В.З. Козин и др. // Известия вузов. Горный журнал. – 1997. – №. 11 - 12. – С. 211 - 214. 19. Санитарные правила и нормы СанПиН 2.1.7.573-96 «Гигиенические требова- ния к использованию сточных вод и их осадков для орошения и удобрения» (утв. поста- новлением Госкомсанэпиднадзора РФ от 31 октября 1996 г.). № 46. [Электронный ре- сурс] - Режим доступа: http://www.ecocentre.ru/normativy/normativy_49.pdf
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 119С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 622.833.5 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.119 Сентябов Сергей Васильевич кандидат технических наук, младший научный сотрудник лаборатории геодинамики и горного давления, Институт горного дела УрО РАН, 620075, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: sentyabov1989@mail.ru МОНИТОРИНГ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ БЕТОННОЙ КРЕПИ СТВОЛОВ НА ГАЙСКОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ Sentyabov Sergey V. candidate of technical sciences, junior researcher, The Institute of Mining UB RAS, 620075, Yekaterinburg, 58 Mamin-Sibiryak st. е-mail: sentyabov1989@mail.ru MONITORING STRESSED-DEFORMED STATE OF THE SHAFTS CONCRETE LINING THE IN GAISKY DEPOSIT Аннотация: Представлены результаты проведенных иссле- дований, в значительной мере повышающие сте- пень геомеханической изученности массива гор- ных пород Гайского месторождения. Основной целью исследований являлось определение пара- метров первоначальных напряжений, действу- ющих в бетонной крепи стволов на различных глубинах. В натурных условиях определялись па- раметры напряжений, действующих в крепи стволов на глубоких горизонтах рудника, произ- водился мониторинг напряженно-деформиро- ванного состояния крепи стволов на различных горизонтах по всей глубине ствола в период 2013 – 2017 гг. Ключевые слова: наблюдательная станция, де- формации, мониторинг напряженно-деформи- рованного состояния крепи стволов, перемен- ные во времени напряжения, бетонная крепь, массив горных пород Abstract: The results of researches, largely increasing the de- gree of knowledge of the geo-mechanical rock mass in Gaisky deposit are presented. The main purpose of the research was to determine the initial parame- ters of stresses acting in the shafts’ concrete lining at different depths. In natural conditions the param- eters of the stress acting in the shafts lining in the deep horizons of the mine were determined; moni- toring the stressed-deformed state of the shafts lin- ing at different levels throughout the depth of the shaft in the period 2013 - 2017 years was carried out.. Key words: observation station, deformations, mon- itoring the shafts’ lining stressed-deformed state, the voltage variable in time, concrete lining, rock mass Геомеханические натурные исследования в действующем стволе шахты «Клетевая» на Гайском подземном руднике, проводимые с 2013 г., направлены на установление закономерностей влияния переменных во времени напряжений на напряженно-деформированное состояние бетонной крепи и породного массива в закрепном пространстве. Для этой цели каждые три месяца проводились замеры изменения напряжений в бетонной крепи для последующего их прогноза до 2020 г. Для замеров напряжений использовался метод щелевой разгрузки [1] (табл. 1), который хорошо себя зарекомендовал для определения напряженного состояния в монолитной бетонной крепи стволов в условиях шахт Гайского ГОКа. Для этого был применен модифицированный вариант производства измерений. Для образования разгрузочной щели был использован бензорез, алмазная пила которого позволяла пропилить щель шириной 330 мм на глубину 120 мм. Расстояние между реперами было принято 70 мм. Это потребовало корректировки расчетной формулы [2]. Путем решения плоской задачи теории упругости пересчет полученных величин относительных деформаций в напряжения производится по формуле: ,σ )1(2034,1 )()( БАВ    КKlL EU где UАВ – величина смещения реперов на базе АВ, см;
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 120С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е ЕБ – модуль упругости бетона, МПа; l – расстояние между реперами, м; L – радиус щели, м; К – интегральные коэффициенты концентрации напряжений, действующие на участках между основными реперами и разгрузочной щелью;  – коэффициент Пуассона деформируемого материала крепи. При замерах в бетонной крепи ствола повсеместно принимали 3,0 . Результаты расчета напряжений, действующих в бетонной крепи, представлены в табл. 1. Таблица 1 Результаты расчета напряжений в бетонной крепи ствола методом щелевой разгрузки 1-я станция (гор. -830 м) 2-я станция (гор. -910 м) 3-я станция (гор. -990 м) 4-я станция (гор. -1075 м) 5-я станция (гор. -1390 м) 6-я станция (гор. -1390 м) -2,9 МПа -2,9 МПа -0,72 МПа -1,4 МПа -0,72 МПа -1,4 МПа Для замера переменных напряжений во времени, формирующихся в бетонной крепи, были оборудованы наблюдательные станции на базе 1600 мм в горизонтальном и вертикальном направлениях. Станции установлены в ходовом отделении ствола шахты «Клетевая» на отметках -830 м, -910 м, -990 м, -1070 м и -1390 м. На этих базах произво- дились измерения изменения напряженно-деформированного состояния во времени с пе- риодичностью раз в четыре месяца. Изменения напряжений также фиксировались и по реперам, установленным при проведении щелевой разгрузки на базах 70 мм. Характер изменения напряжений при измерении деформаций в бетонной крепи ствола шахты «Клетевая» на базе 70 мм и на базе 1600 мм в мм представлен на рис. 1–5. Рис. 1 – График изменения напряжений в бетонной крепи ствола шахты «Клетевая» на горизонте -830 м
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 121С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 2 – График изменения напряжений в бетонной крепи ствола шахты «Клетевая» на горизонте -910 м Рис. 3 – График изменения напряжений в бетонной крепи ствола шахты «Клетевая» на горизонте -990 м
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 122С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 4 – График изменения напряжений в бетонной крепи ствола шахты «Клетевая» на горизонте -1075 м Рис. 5 – График изменения напряжений в бетонной крепи ствола шахты «Клетевая» на горизонте -1390 м
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 123С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е В результате длительного геодеформационного мониторинга изменения напря- женно-деформированного состояния в крепи ствола «Клетевой» было зафиксировано из- менение напряженно-деформированного состояния на величину до -12 МПа на нижних горизонтах в горизонтальном (X) направлении и на величину до -12 МПа в вертикальном (Z) направлении. Результаты измерений переменных во времени напряжений, представленные на графиках (рис. 1 – 5), согласуются с результатами измерений в массиве, проводимых лабораторией геодинамики и горного давления с 1998 г. [3]. При поддержке РФФИ в 1998 г. ИГД УрО РАН начал изучение периода, амплитуды и азимутов пульсации тектонических напряжений в земной коре Северного, Среднего и Южного Урала, в рамках наноцикла 15-го класса [4]. Были оборудованы геодезические пункты (ГП) под землей и на поверхности. Подземные ГП расположены на действующих рудниках вне зоны влияния горных работ, в районе следующих городов: Краснотурьинск на глубине -600 м; Нижний Тагил (-480 м); Березовский (-512 м; -712 м), Гай (-830 м), а также на поверхности в окрестностях г. Екатеринбург. Для подземных ГП выбраны различно ориентированные выработки, в которых заложены реперные линии на базах 40 – 50 м. Расстояния между реперами измеряются рулеткой по методике гибких нитей [5], что обеспечивает точность измерения изменения базы до 0,2 мм. На поверхности измерения производили на базах от 1,5 км с помощью спутниковой навигационной системы GPS. Обработка результатов заключалась в следующем: – была выбрана база Lо, измеренная, к примеру, в декабре 1998г., относительно которой оценивали изменение длины в последующие замеры; – по полученным изменениям длины линий ∆(Li - Lo) определялась относительная деформация массива горных пород εi; – подбирались комбинации из трех линий и находились ∆σ1; ∆ σ2, (МПа); αI-1, (град); – после статистической обработки получали средние значения ∆σ1; ∆σ2; α1 и ази- мут действия ∆σ1; – за весь период наблюдений был найден средний азимут действия ∆σ1 или ∆σ2, который принимается за ось абсцисс Х и ∆σх; ∆σу; ∆τху, которые более наглядно характеризуют изменение напряжений во времени. Анализ изменения во времени (пульсации) значений ∆σ1; ∆σ2 на месторождениях Урала показал, что они примерно равны, поэтому было принято решение в дальнейшем величину, характеризующую изменение горизонтальных напряжений, принимать как среднее значение (∆σср) ∆σ1 и ∆σ2. Так как предполагается, что это изменение вызвано астрофизическими явлениями, то вышеописанное среднее значение (∆σср) обозначается σАФ: σАФ = ∆σср = (∆σ1+∆σ2)/2. Наиболее близки к таким явлениям галактические космические лучи (протон- электронная плазма), периодичность интенсификации которых имеет 11-летний цикл и совпадает по фазе с σАФ, но в противофазе с интенсивностью пятнообразования (W) и солнечной постоянной (S)o [6]. Считается, что преобладание протонного излучения приводит к сжатию, а преобладание электронного – к расширению материала [7]. На рис. 6 представлены графики изменения составляющих НДС массива АФ (астрофизические напряжения) и АФ (деформация, вызванная действием АФ) на рудниках в городах Урала и Алтая на фоне изменения излучения Солнца So в 11-летних циклах. Данные изменения НДС на рудниках Алтая были взяты из литературы [8]. Из графика на рисунке видно, что изменения тренда НДС массива точно повторяют изменения So. Деформация Земли получена по прогнозу В.Е. Хаина [9, 10].
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 124С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 6 – Изменение НДС массива АФ и АФ на рудниках в городах Урала и Алтая на фоне изменения излучающей способности Солнца So и интенсивности космического излучения В 2013 г. на Гайском подземном руднике были зафиксированы АФ = -9 МПа. В соответствии с прогнозируемым трендом изменения переменных во времени напряже- ний к 2020 г. их величины могут достигнуть -30 МПа, при этом напряжения в бетонной крепи вертикальных стволов значительно увеличатся при модуле упругости массива по- род Ем = 0,72*105 до горизонта -1075м, Ем = 0,57*105 – до горизонта -1390 м, а модуль упругости бетона ЕБ=0,2*105 . Прогнозные результаты напряжений в бетонной крепи ствола представлены в табл. 2. Величины расчетных напряжений близки к нормативной прочности бетона. Вследствие этого, одной из основных задач является поиск конструктивных и техноло- гических решений, направленных на повышение устойчивости крепи. Эта задача реша- ется за счет применения упрочняющих видов крепления: анкерования приконтурного массива штанговыми или тросовыми анкерами, смолоинъекцией, цементацией и про- чими способами повышения сцепления между структурными породными блоками. Для вновь строящихся шахт проведенные исследования показывают, что приме- нение бетонной крепи для поддержания стволов в условиях экстремальных значений пе- ременных во времени напряжений не обеспечит необходимого запаса прочности, т. е. действующие напряжения в крепи могут превысить нормативную прочность бетона. Учитывая, что стволы будут работать в сложных условиях, можно рекомендовать тюбинговую крепь с тампонажем закрепного пространства цементно-песчаной смесью и последующим упрочнением массива путем цементации, что обеспечит устойчивое со- стояние ствола. В табл. 2 приведены данные напряжений, которые могут возникнуть в крепи при экстремальных значениях переменных во времени напряжений. В таких усло- виях бетонная крепь не обеспечит устойчивость ствола, поэтому необходимо применять крепь из чугунных тюбингов. Упрочнение массива путем цементации позволит создать вокруг ствола упроч- ненную породобетонную оболочку и повысить несущую способность крепи.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 125С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Таблица 2 Расчетные напряжения в крепи при экстремальных значениях переменных во времени напряжений Вид крепи Гор. -830 м Гор. -910 м Гор. -990 м Гор. -1075 м Гор. -1390 м Гор. -1390 м σӨ(к) бетон, МПа -20,38 -20,38 -18,8 -23,5 -22,97 -23,5 σӨ(к) чугун, МПа -68,38 -68,38 -66,8 -59,19 -58,66 -59,19 Сравнивая расчетные величины напряжений в крепи с расчетными сопротивле- ниями чугуна, можно отметить, что тюбинговая крепь с тампонажем закрепного про- странства 30 см обеспечит устойчивое состояние ствола при прогнозируемых условиях работы. Выводы В результате проведенных исследований в значительной мере повышена степень геомеханической изученности массива горных пород Гайского месторождения. Основные практические выводы и рекомендации, полученные при выполнении работы, сводятся к следующему: 1. Расчет напряженного состояния бетонной крепи шахтных стволов должен про- изводиться с учетом суммы гравитационных, статических тектонических и переменных во времени напряжений в окружающем массиве горных пород. 2. Напряжения в бетонной крепи стволов формируются как в момент строитель- ства с учетом способа проходки, так и за счет дополнительного воздействия переменных напряжений в исследуемый момент времени, которые с 1998 по 2017 год изменились от 0 до 15 МПа. 3. Зафиксировано изменение напряженно-деформированного состояния в крепи ствола шахты «Клетевая» на величину до -12 МПа на нижних горизонтах в горизонталь- ном (X) направлении и на величину до -12 МПа в вертикальном (Z) направлении. Литература 1. Зубков А.В. Геомеханика и геотехнология / А.В. Зубков. – Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2001. – 333 с. 2. Сентябов С.В. Анализ современного состояния строительства вертикальных стволов / С.В. Сентябов // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2014. – № 7. – С. 415 – 419. 3. Зубков А.В. Горнотехнические условия отработки колчеданных месторожде- ний / А.В. Зубков // Уральский горнопромышленный форум: V: Колчеданные месторож- дения – геология, поиски, добыча и переработка руд: матер. Всерос. науч. конф. Чтения памяти С.Н. Иванова / УрО РАН, Институт геологии и геохимии УрО РАН и др. - Ека- теринбург, 2013. – С. 60 - 62. 4. Зубков А.В. Закономерности формирования напряженного состояния массива горных пород в верхней части земной коры / А.В. Зубков, К.В. Селин, С.В. Сентябов // Литосфера. - 2015. - № 6. - C. 116 - 129. 5. Зубков А.В. Напряженное состояние Земной коры Урала / А.В. Зубков // Литосфера. - 2002. - № 3. - C. 13 - 18.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 126С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е 6. Абдусаматов Х.И. Глубокий минимум мощности солнечного излучения приведет к малому ледниковому периоду / Х.И. Абдусаматов. – СПб.: Нестор, 2013. – 246 с. 7. Тарасов Б.Г. Пульсация земли и циклы геодинамической активности в потоках космической плазмы / Б.Г. Тарасов. - СПб: МАНЭБ, 2009. – 319 с. 8. Синкевич Н.И. Исследование напряженно-деформированного состояния в призабойном массиве вертикальных стволов Абаканского месторождения / Н.И. Синкевич // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2006. - № 5. - C. 32 - 35. 9. Хаин В.Е. Геотектоника с основами геодинамики: 2-е изд./ В.Е. Хаин, М.Г. Ломидзе. – М.: МГУ, 1995. – 463 с. 10. Штенгелов Е.С. Современное раздвижение земной коры и гипотезы тектоники плит / Е.С. Штенгелов // Бюллетень МОИП. Отд. геол. - 1982. - № 3. - C. 13 - 17.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 127С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 622.235.213 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.127 Собенин Артём Вячеславович инженер-исследователь, Институт горного дела УрО РАН, 620075 г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: arsob@yandex.ru Шеломенцев Иван Глебович инженер-исследователь, Институт горного дела УрО РАН е-mail: gopi0@list.ru Шаихова Дарья Рамильевна магистрант, Уральский Федеральный Университет, 620026, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 48 e-mail: darya.boo@mail.ru ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ RAPHANUS SATIVUS НА ТЕХНОГЕННОМ СУБСТРАТЕ SobeninArtyomV. engineer-researcher, The Institute of Mining UB RAS, 620075, Yekaterinburg, 58 Mamin-Sibiryak st. е-mail: ar-sob@yandex.ru Shelomentsev Ivan G. engineer-researcher, The Institute of Mining UB RAS е-mail: go-pi0@list.ru Shaikhova Daria R. magisrant, The Ural Federal University 620026, Yekaterinburg, 48 Kuibishev st. е-mail: darya.boo@mail.ru RAPHANUS SATIVUS DEVELOPMENT FEATURES IN TECH-NOGENOUS SUBSTRATE Аннотация: В данной статье были рассмотрены морфометрические показатели Raphanus Sativus, выращеных на различных субстратах. Определено содержание тяжелых металлов в субстратах и растениях, сделаны выводы об использовании данного вида в рекультивации отвалов, а также даны рекомендации по условиям ее проведения. Ключевые слова: Raphanus sativus, почвенное дыхание, техногенное загрязнение, морфометрия, тяжелые металлы Abstract: Morphological parameters of radish grown in vari- ous substrates were considered in the article. Con- tent of heavy metals in substrates and plants was de- fined and conclusions on application this kind of dump recultivation were made. Recommendations are also given on the conditions of this procedure carrying out. Key words: Raphanus Sativus, soil respiration, ,tech- nogenous pollution, morphometry, heavy metals Введение Быстрый рост городов и развитие промышленности приводят к существенным, а зачастую и к необратимым изменениям ландшафта. Золоотвалы тепловых электростан- ций как одна из форм антропогенного нарушения занимают большие территории и явля- ются постоянным источником загрязнения воздуха и почвы. Восстановление раститель- ности на этих территориях происходит крайне медленно. Техногенные почвогрунты су- щественно отличаются от зональных почв и представляют собой стерильный неоэкотоп, осваиваемый организмами «с нуля» [1, 2]. Решающие факторы для биологического осво- ения субстрата – физико-химические свойства породы, топографический профиль с ва- риантами рекультивации и климатические условия. Для восстановления нарушенных площадей и предотвращения вредного влияния их на природную среду проводится рекультивация земель. Конечной целью биологиче- ской рекультивации является создание на поверхности отвалов продуктивных биогеоце- нозов преимущественно сельскохозяйственного и лесохозяйственного назначения или озеленение с целью санитарно-гигиенического оздоровления и создания зон отдыха.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 128С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Объектом данного исследования являлся вид Raphanus sativus (Редька посевная), выяс- нение особенностей развития данного растения на техногенном субстрате и перспективы его использования в технологиях рекультивации. Материалы и методы Исследования проводились с 29 июля по 19 сентября 2016 года на Научно-экспе- риментальной базе ИГД УрО РАН, д. Фомино, Сысертский р-н. Семена опытных растений 29 июля были высеяны на экспериментальные грядки с тремя разными субстратами, обозначенными “Почва”, “Почва:Зола(1:1)”, “Зола” в трех повторностях. Субстратом для выращивания исследуемых растений была взята зола от- валов Верхнетагильской ГРЭС, расположенной в Свердловской области (восточный склон Среднего Урала, таежная зона, подзона южной тайги; 57°20'N и 59°56'Е). В каждую грядку было высеяно по 50 семян. Растения поливали 1 раз в неделю. Эксперимент закончился 19 сентября, когда все растения были собраны, и по 20 образцов с каждой грядки были взяты на анализ морфометрических показателей и содержания тя- желых металлов. Также было определено содержание подвижных форм тяжелых метал- лов в кислотной вытяжке почвы (5-процентный раствор HNO3) и общее содержание тя- желых металлов в субстрате. Содержание тяжелых металлов определяли атомно-абсорб- ционным методом при помощи Spectr AA-240 FS (Varian Optical Spectr. Instrum, Australia). Минерализацию проб производили в концентрированной HNO3 при помощи лабораторной микроволновой системы MARS 5 (CEM, USA). Для оценки и прогноза потенциала самовосстановления техноземов и техногенно- нарушенных почв с помощью газоанализатора ECOPROBE 5 (RS DYNAMICS, Switzerland) были измерены показатели содержания углекислого газа, метана и кисло- рода в субстрате. Эти данные являются показателем биологической активности и воз- можностей самовосстановления нарушенных экосистем [7]. Кислотность субстрата определялась согласно ГОСТу 26423-85 при помощи pH-метра HI 99121N (Hanna, Germany) (табл. 1). Таблица 1 Показатели содержания углекислого газа, метана и кислорода в исследуемом субстрате № площадки СО2, ppm О2, % CH4, ppm Почва - 1 1043 17,87 173,4 Почва - 2 1258 17,84 171,8 Почва - 3 1093 17,83 190,0 Почва : Зола(1:1) - 1 1270 17,87 170,1 Почва : Зола(1:1) - 2 1126 17,89 158,0 Почва : Зола(1:1) - 3 1107 17,86 147,3 Зола - 1 648 17,89 101,4 Зола - 2 639 17,91 95,3 Зола - 3 682 17,91 108,6
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 129С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Результаты и обсуждения Зола каменных и бурых углей, складируемая в золоотвалы, является специфиче- ским субстратом, обладающим рядом особенностей. По механическому составу зола представлена фракциями песка и пыли с большой примесью измельченного шлака. Для золы характерна низкая влагоемкость, слабая теплопроводность, щелочная реакция среды, следовые количества или полное отсутствие азота, недостаточное содержание ка- лия и в некоторых случаях недостаточное содержание фосфора в доступной для растений форме [3]. В ходе анализа содержания тяжелых металлов в золе, почве и в смеси почвы и золы было установлено, что содержание тяжелых металлов во всех субстратах не пре- вышает ориентировочно допустимых концентраций (ОДК) [4]. Однако необходимо от- метить, что содержание Cu, Zn, Ni, Cr в золе значительно меньше, чем в почвенном суб- страте (табл. 2). Высокую подвижность металлов в почвенном и почвенно-зольном суб- страте можно объяснить низкими значениями pH, в то время как в золе наблюдается ще- лочная реакция среды. Таблица 2 Содержание тяжелых металлов в используемых субстратах со стандартными ошибками среднего Показатели Субстрат Почва Почва : зола (1:1) Зола рН 5,490ab ± 0,017 6,233ab ± 0,197 8,533ab ± 0,116 Водорас- творимые формы, мкг/г Cu 12,177a ± 0,610 12,050b ± 1,701 7,610ab ± 0,666 Zn 40,550a ± 9,553 25,183b ± 5,016 9,917ab ± 1,351 Ni 33,317ab ± 0,248 21,600ab ± 2,262 0,723ab ± 0,025 Cr 8,513ab ± 0,387 5,050ab ± 0,893 0,000ab ± 0,000 Валовое, мкг/г Cu 40,800a ± 7,749 33,933b ± 4,499 21,600ab ± 1,442 Zn 81,957ab ± 4,475 51,633a ± 15,535 23,773b ± 9,620 Ni 58,200a ± 7,708 39,133b ± 11,993 4,400ab ± 3,651 Cr 46,233a ± 7,737 36,100b ± 3,736 0,000ab ± 0,000 Примечание: a,b – значения, имеющие статистически значимые различия при p≤0,05 Содержание тяжелых металлов в растениях Raphanus sativus ни на одном опытном участке не превышало предельно допустимых концентраций (ПДК) [5], что говорит о том, что данный вид не накапливает Cu и Zn в больших количествах и, следовательно, его можно использовать для рекультивации отвалов (рис. 1, 2).
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 130С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 * * * Надземная часть "ПОЧВА" Подземная часть "ПОЧВА+ЗОЛА" "ЗОЛА" 7 6 5 4 3 2 1 0 * * * ab a b Надземная часть "ПОЧВА" Подземная часть "ПОЧВА+ЗОЛА" "ЗОЛА" Рис. 1 – Содержание меди в Raphanus sativus, выращенных на различных субстратах со стандартной ошибкой среднего Примечание. * – значения, имеющие статистически значимые различия при p≤0,05 Рис. 2 – Содержание цинка в Raphanus sativus, выращенных на различных субстратах со стандартной ошибкой среднего Примечание. *, a,b – значения, имеющие статистически значимые различия при p≤0,05 В результате анализа морфометрических показателей было установлено, что у растений, произрастающих на золе, практически все они снижены в 2 – 3 раза по отно- шению к двум другим группам данного вида (табл. 3). Cu,мкг/г Zn,мкг/г
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 131С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Таблица 3 Морфометрические показатели Raphanus Sativus, выращенных на различных субстратах со стандартными ошибками среднего Показатели Субстрат Почва Почва : зола (1:1) Зола Масса подземной части, г Сырая 25,184a ± 24,800 21,507b ± 12,833 7,257ab ± 5,905 5 , 9 0 5 Сухая 1,250a ± 0,978 1,461b ± 0,768 0,451ab ± 0,298 0 , 2 9 8 Масса надземной части, г Сырая 27,081a ± 15,776 21,845b ± 8,786 7,805ab ± 3,361 3 , 3 6 1 Сухая 2,018a ± 1,288 1,659b ± 0,645 0,572ab ± 0,276 0 , 2 7 6 Общая сухая масса, г 3,269a ± 1,960 3,062b ± 1,195 1,023ab ± 0,503 0 , 5 0 3 Длина подземной части, см 14,6a ± 3,8 18,0ab ± 3,2 13,3b ± 2,7 2 , 7Длина надземной части, см 33,1a ± 6,6 30,7b ± 6,3 20,5ab ± 4,0 4 , 0Примечание: a,b – значения, имеющие статистически значимые различия при p≤0,05 Однако жизнеспособность этого вида и на данном субстрате является высокой [6]. В то же время значимой разницы между морфометрическими показателями растений в почве и смеси почва/зола нет, что говорит о возможности внесения почвенного субстрата для лучшей рекультивации нарушенных земель. Выводы Raphanus sativus характеризуется высокими морфометрическими показателями на всех представленных субстратах, а концентрация исследованных тяжелых металлов не превышает ПДК, что позволяет использовать данный вид при разработке мероприятий по рекультивации нарушенных земель. В качестве потенциального субстрата лучше ис- пользовать смесь «почва + зола». Полученные результаты определили ход дальнейших исследований, заключающихся в поиске оптимальных соотношений субстратов с целью уменьшения экономических затрат на внесение потенциально плодородных слоев земли. Литература 1. Экология и рекультивация техногенных ландшафтов / И.М. Гаджиев и др.; под ред. В.М. Курачева. – Новосибирск: Наука, Сиб. отд-е, 1992. – 215 с. 2. Горлов В.Д. Биолого-экологические критерии рекультивации земель и их эф- фективность / В.Д. Горлов, И.Н. Лозановская // Почвоведение. - 1984. - № 10. 3. Микоризообразование травянистых видов в условиях техногенных эдафотопов / Н.В. Лукина и др. // Вестник Башкирск. ун-та. - 2014. - № 3. - С. 871 - 874. 4. Государственный доклад "О состоянии и об охране окружающей среды Сверд- ловской области в 2015 году", Екатеринбург, 2016. [Электронный ресурс] – Режим до- ступа: http://docs.cntd.ru/document/429067556 5. Приложение. СанПиН 2.3.2.2401-08 "Дополнения и изменения N 10 к сани- тарно-эпидемиологическим правилам и нормативам СанПиН 2.3.2.1078-01 "Гигиениче- ские требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов", 2008 [Элек- тронный ресурс] – Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/902112577 6. Елисеева О.В. Влияние меди и цинка на рост редьки посевной (Raphanus sativus L.) и их аккумуляция в растениях / О.В. Елисеева, А.Ф. Елисеев // Евразийский Союз Ученых. - 2015. - Т. №11-1 (20). - С. 24 - 26.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 132С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е 7. Антонинова Н.Ю. Об особенностях комплексного экологического анализа рай- онов, испытывающих локальную техногенную нагрузку предприятий горнометаллурги- ческого комплекса / Н.Ю. Антонинова, Л.А. Шубина // Экология и промышленность Рос- сии. – 2017. - № 1. – С. 52 - 56.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 133С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 622.68:621.86.032 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.133 Чендырев Михаил Андреевич лаборант, Институт горного дела УрО РАН, 620075, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: Chendyrev@igduran.ru Журавлев Артем Геннадиевич кандидат технических наук, заведующий лабораторией, Институт горного дела УрО РАН e-mail: juravlev@igduran.ru ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ АВТОМОБИЛЬНОЙ КАРЬЕРНОЙ НАКЛОННОЙ ПОДЪЕМНОЙ УСТАНОВКИ Chendyrev Mikhail A. assistant, The Institute of mining UB RAS, 620075, Yekaterinburg, 58 Mamin-Sibiryak st.. e-mail: Chendyrev@igduran.ru Zhuravlev Artem G. candidate of technical sciences, chief of the laboratory, The Institute of mining UB RAS e-mail: juravlev@igduran.ru THE FEATURES OF QUARRY SLOPING TRUCK HOISTING INSTALLATION CONSTRUCTION Аннотация: В данной статье представлены результаты ис- следований карьерных наклонных подъемных установок. Выявлены зависимости конструк- тивных параметров установки от основных входных параметров – длины и угла подъема, грузоподъемности самосвала. Освещены неко- торые аспекты строительства подъемной установки, разобраны варианты конфигурации нижнего загрузочного пункта, уравновешивания платформ для размещения автосамосвалов. Ключевые слова: карьерная автомобильная наклонная подъемная установка, специальные виды транспорта, доработка карьеров, канат- ный подъем, карьерный транспорт, многока- натный подъем, подъемные машины Abstract: This article presents the results of quarry sloping hoisting installations researches. The dependences of installation structural parameters on the main in- put parameters - the length and angle of ascent, dump trucks lifting capacity are revealed. Certain aspects of the hoisting installation construction are dealt with; options for the lower boot station loca- tion, as well as balancing platforms to accommodate trucks are investigated. Key words: open pit sloping truck hoisting installa- tion, special modes of transport, open pit’s comple- tion, rope hoist, open pit transport, multiroping hoist, hoist engines Мировой опыт применения скиповых наклонных установок на карьерах берет начало примерно с 1904 г. Технология преимущественно применялась на карьерах с ру- дами металлов. При существовавшей в то время невысокой грузоподъемности колесного транспорта (начиная с гужевых повозок и заканчивая первыми автосамосвалами до мо- мента создания специализированных карьерных автосамосвалов) вплоть до середины XX века прямой подъем по борту карьера обеспечивал хорошие технико-экономические показатели для карьеров со сжатыми в плане размерами. В связи со значительным совер- шенствованием карьерных автосамосвалов наклонные карьерные подъемники уже усту- пают по производительности автотранспорту и их применение ограничено. На сегодняшний день многие карьеры достигли большой глубины (300 –500 м), и актуален вопрос поиска способов отработки их глубинной части без разноса бортов при одновременном сокращении затрат на подъем горной массы. В связи с этим имеет смысл проанализировать возможность и целесообразность применения наклонных подъемни- ков для глубоких карьеров, позволяющих сократить коэффициент вскрыши, уменьшить выбросы вредных веществ с отработавшими газами автосамосвалов, сократить их парк. Исторически одно из первых применений наклонного подъема – Гданцевка, Кри- вой Рог, конец XIX века. Разработка месторождения осуществлялась комбинированным  Исследования выполнены в рамках Государственного задания 07-01398-17-00, тема № 0405-2015-0010
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 134С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е способом, при этом трасса наклонного подъема частично проходила по выработке в борту карьера и имела специальные мосты для прохода над ней (рис. 1). Рис. 1 – Саксаганский рудник (г. Кривой Рог, ориентировочно 1899 г.) [1] В России единственным проектом применения наклонного скипового подъем- ника, расположенного в открытом исполнении на борту карьера, был Сибайский карьер (рис. 2). Подъемник имел грузоподъемность 40 т, располагался на нерабочем борту ка- рьера и имел максимальную вертикальную высоту подъема 372 м. Место установки подъемника выбрано с учетом возможного размещения поверхностных сооружений подъемника, наиболее устойчивых пород в борту карьера, достижения бортом границы карьера и минимального расстояния до отвалов. До ввода в эксплуатацию скипового подъемника, поднимающего руду и породу, на карьере применялся автомобильно-же- лезнодорожный транспорт [2, 3]. Подъемник использовался на карьере с 1972 г. на про- тяжении 25 лет [4], а в целом доработка Сибайского карьера открытым способом завер- шилась в 2008 г. Применение скиповых подъемников ограничивает ряд недостатков, среди кото- рых – необходимость перегрузок и доизмельчения породы и, следовательно, размещения внутри карьера дополнительного оборудования, что усложняет технологическую це- почку, снижает надежность системы, требует дополнительного пространства для разме- щения крупного оборудования. Для устранения этих недостатков рядом специалистов предлагается автомобиль- ная наклонная карьерная подъемная установка (АНКП) [5, 6, 7], в которой вместо скипа используется платформа для поднятия груженого самосвала. Такая схема позволит – исключить перегрузку горной массы (на поверхность поднимается загруженный самосвал, и может продолжить движение до места назначения); – экономить дизельное топливо и ресурс самосвалов; – снизить загазованность в карьере; – сократить парк самосвалов в сравнении с вариантом доставки горной массы ав- тосамосвалами на поверхность без подъемника.
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 135С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 2 – Трасса и разгрузочный пункт наклонного карьерного скипового подъемника на Сибайском карьере (фотоматериалы из архива ИГД УрО РАН) Конструкция автомобильного наклонного подъемника рассматривалась отече- ственными специалистами лишь для нескольких карьеров, в частности в работе [5] рас- смотрен вариант автомобильного наклонного подъемника для карьера «Юбилейный». С целью определения технико-технологических параметров такого вида транс- порта были выполнены расчеты, включающие – расчет основных конструктивных параметров (типы и количество канатов, подъемных машин, мощность и параметры приводов, приблизительные массогабарит- ные показатели); – расчет технологических параметров (скорости подъемника, производитель- ность, расход электроэнергии и др.). График годовой производительности подъемной установки при использовании самосвала грузоподъемностью 136 т представлен на рис. 3. Видно, что с ростом высоты подъема производительность снижается (примерно 4 – 5 % на каждые 50 м подъема), а вот влияние угла наклона подъемника не столь существенно. Расчеты также показали, что повышение грузоподъемности подъемника увеличивает его производительность прямо пропорционально: с 4,6 млн.т/год для 45-тонного автосамосвала до 18 млн.т/год для 220-тонного при высоте установки 300 м. При расчетах оценивалась также металлоемкость АНКП (рис. 4) основных узлов (клети, подъемные машины, подъемные канаты и противовес, отклоняющие шкивы, рельсовые пути, вспомогательные конструкции подъемного механизма). Так, с увеличе- нием высоты подъемника с 100 до 500 м его масса возрастает на 26 – 30 %, повышение же грузоподъемности на каждые 50 т влечет увеличение массы на 180 – 220 т. Видимые переломы на графике металлоемкости связаны со ступенчатым изменением компоновки (увеличением количества тяговых электродвигателей, количества и типоразмера канатов и др.). При существенном увеличении подъемной силы свыше 4 500 кН (соответствует подъему автосамосвала грузоподъемностью 240 т) начинает проявляться ряд конструк- тивных ограничений для дальнейшего ее наращивания:
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 136С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е – увеличение количества тяговых канатов ведет к возрастанию их массы и массы их уравновешивающих частей, а также размеров барабанов подъемной машины, что еще увеличивает массогабаритные показатели; – возникают сложности с электроприводом (количество тяговых электродвигате- лей больше 4); – увеличение массогабаритных параметров нижнего загрузочного пункта. Теоретически при сохранении принятых в расчетах компоновочных решений всей установки и подъемных машин масса металлоконструкций подъемника для автосамо- свала грузоподъемностью 450 т (БелАЗ-75710) составит 3 900 – 4 450 т в зависимости от глубины. Однако возможность реализации на практике такой конструкции требует от- дельной проработки. Рис. 3 – График зависимости годовой производительности АНКП при использовании самосвала грузоподъемностью 136 т Рис. 4 – График зависимости металлоемкости АНКП от его параметров (угол наклона трассы принят равным 45 градусам) 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 100 160 220 280 340 400 460 520 580 Угол наклона пути Годоваяпроизводительность,млн.т/год Высота подъема, м 100 175 250 325 400 475 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 Глубина установки, м Металлоемкостьустановки,т Грузоподъемность австосамосвала, т
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 137С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Ниже приведены некоторые конструктивные требования к карьерным наклонным подъемникам, сформулированные с учетом опыта, изложенного в научно-технической литературе. Т р а с с а н а к л о н н о г о п о д ъ е м а Подъемная установка состоит из здания подъемных машин, укрепленной выра- ботки в борту карьера, подъемных сосудов/платформ, нижнего загрузочного пункта (НЗП) и верхнего разгрузочного пункта (ВРП) (рис. 5). Рис. 5 – Общий вид автомобильной карьерной наклонной подъемной установки (высота трассы условно уменьшена) Платформы или скипы соединены подъемными канатами через систему подъем- ных машин и отклоняющих шкивов и движутся поочередно челночно вверх-вниз (один поднимается – второй опускается). Выбор расположения трассы подъемника осуществляется исходя из нескольких условий. В связи с тем, что трасса подъемника стационарна, ее следует размещать на нерабочем борту карьера. Трасса должна иметь относительно прямолинейную траекто- рию [8] для минимального изменения угла наклона грузовой платформы к горизонту в процессе движения вверх и вниз, а также изменения распределения нагрузки на опорные механизмы. Трасса подъемника прокладывается непосредственно по борту карьера, и может наращиваться с глубиной для увеличения высоты подъема. При выборе трассы всегда учитывается следующая закономерность: с увеличением угла наклона трассы давление от сосуда на трассу уменьшается, но увеличивается нагрузка на тяговые канаты. В случае
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 138С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е мягких либо сыпучих пород поверхность трассы может бетонироваться. В качестве направляющих для движения сосудов прокладываются железнодорожные пути соответ- ствующей нагрузочной способности [9]. Важный вопрос – провисание подъемных кана- тов. В зависимости от их параметров применяются соответствующие поддерживающие устройства, а при необходимости также устраивается соответствующей глубины канал для исключения соприкосновения канатов с поверхностью траншеи. Также в траншее располагается водоотливная канавка и лестницы для пешего подъема. П о д ъ е м н ы е с о с уд ы В качестве подъемного сосуда может применяться скип [10, 11] либо платформа для размещения автосамосвала [5, 12]. Серийно выпускаемые скипы для шахтного подъема имеют вытянутую форму, так как при этом используется меньшее поперечное сечение ствола. Поэтому их приме- нение не обеспечит должной производительности для карьера в связи с ограниченной грузоподъемностью (до 75 т). Кроме того, ввиду ограниченного объема приемного бун- кера скиповой установки существуют определенные ограничения и по соотношению грузоподъемности (вместимости) кузова автосамосвала и скипа для обеспечения рит- мичной работы каждого из звеньев, работающих в единой транспортной системе. Тем не менее конструкция шахтных скипов имеет и определенные преимущества для примене- ния в карьерном подъемнике: за счет вытянутой формы подъемных сосудов траншея для трассы подъема будет иметь минимальную ширину, хотя увеличится высота переподъ- ема. Одним из ограничений для применения скиповых подъемников в карьерах явля- ется необходимость дробления перед загрузкой в стандартные скипы. Решить эту про- блему можно, изменив геометрию скипов, которые будут способны принимать крупно- кусковую горную массу, как и кузов автосамосвала. За счет исключения дробилки будет достигнуто сокращение размеров нижнего загрузочного пункта. В случае АНКП в качестве подъемного устройства используется платформа для размещения самосвала. При этом высота загрузочного и разгрузочного пунктов будет минимальной, но нагрузки на подвижные и опорные механизмы увеличиваются почти вдвое. З а г р уз о ч н ы й и р а з г р уз о ч н ы й п ун к т ы п о д ъ е м н и к а Конструкция верхнего разгрузочного пункта может иметь следующие варианты в зависимости от организации въезда – выезда автосамосвалов: - при размещении автосамосвала на платформе подъемника перпендикулярно к борту карьера необходимо организовать безопасный проезд через здание подъемных ма- шин; - при размещении автосамосвала на платформе параллельно борту карьера необ- ходимо создать безопасные условия для движения задним ходом при въезде/выезде с платформы либо для проезда самосвала над траншеей; - при размещении автосамосвала на платформе параллельно бровке уступа и на разных горизонтах разгрузки необходимо организовать безопасный проезд автосамосва- лов над тяговыми канатами платформы, располагающейся на нижележащей ветви. Наиболее компактной будет компоновка здания подъемных машин в случае его расположения непосредственно у бровки верхнего уступа, но при этом из-за изменения угла обхвата отклоняющих шкивов необходим больший их диаметр, что несколько уве- личит металлоемкость конструкции. В случае же отнесения подъемных машин дальше от края карьера будет увеличена общая площадь поверхности, занимаемая сооружени- ями. Рельсовый путь должен возвышаться над площадкой выгрузки самосвала с плат- формы с целью обеспечения высоты переподъема на случай нештатных ситуаций при работе приводов подъема (снижение эффективности торможения, отказ автоматики и т.п.).
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 139С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Наиболее сложен вопрос конструирования нижнего загрузочного пункта. Это свя- зано с необходимостью учитывать несколько взаимопротиворечивых обстоятельств: – схема движения автосамосвалов должна быть простой с минимумом маневров, обеспечивать быстрый обмен самосвалов; – ширина площадки НЗП должна быть минимальной как по ширине, так и по вы- соте (при разноуровневой схеме); – конструкция и схема движения на верхнем разгрузочном пункте должны быть максимально простыми. Варианты схем НЗП представлены в табл. 1. При использовании скипового подъема основные вопросы, возникающие при по- строении, схожи с АНКП. Отличия состоят в необходимости погрузки/выгрузки горной массы из первичного транспортного звена в скип и затем из скипа в третье транспортное звено [13, 14]. К а н а т о в е д ущ е е о б о р уд о в а н и е т я г о в о й в е т в и Канатоведущее оборудование тяговых канатов состоит из приводных и отклоня- ющих шкивов. Приводные шкивы имеют 4 – 8 канатов в зависимости от нагрузок. Шкивы при- водятся в движение через редуктор от двух двигателей [15], что позволяет использовать двигатели меньшей мощности. В научно-технической литературе рассматриваются и специфические варианты: привод платформы от ведущих колес автосамосвалов [16] либо использование системы полиспаст для сокращения нагрузок [10]. У р а в н о в е ш и в а н и е п л а т ф о р м При использовании подъемных машин со шкивами трения необходимо не допу- стить проскальзывания канатов и обеспечить относительную равномерность нагрузки на поднимаемую и опускаемую ветви по мере изменения их длин и относительно равномер- ную загрузку приводов подъемных машин. Наибольшая разница натяжения канатов имеет место в начале цикла подъема, ко- гда в нижней части находится груженый самосвал/скип и вся длина тягового каната. При трогании и разгоне всей системы возникают пиковые нагрузки на приводы. Для решения данной проблемы возможно применение уравновешивающих хво- стовых канатов по следующим схемам: 1. Полное уравновешивание канатов. При этом разница в натяжении канатов бу- дет оставаться постоянной на всем протяжении подъема – спуска и будет равной разнице масс, перемещаемых грузовыми платформами/скипами. 2. Применение утяжеленных хвостовых канатов. При этом облегчается начало ра- боты подъемной установки, так как уравновешивается часть груза, но к концу подъема нагрузка на канаты возрастает. 3. Неполное уравновешивание канатов. Помогает сократить разницу в натяжении ветвей, при этом, в сравнении с первыми способами, общее натяжение тяговых канатов меньше. Наиболее приемлемая схема. Известны и специфические схемы, например, использование платформ со специ- альным баком, наполняемым водой для уравновешивания горной массы в самосвале на груженой платформе [17]. Из-за отсутствия на хвостовых канатах нагрузки они имеют значительное прови- сание, что может привести к аварийной ситуации. Для их натяжения можно применить натяжное устройство, состоящее из двух отклоняющих шкивов, установленных таким образом, чтобы их оси вращения были перпендикулярны плоскости трассы. Но в этом случае за счет усилия натяжения нагрузка на тяговых канатах возрастает почти в дву- кратном размере. Решить проблему можно, уменьшив вес натяжителя, и при этом исклю- чить контакт контактов с поверхностью трассы (траншеи) за счет установки поддержи- вающих роликов, расположенных вдоль трассы подъема в центральной ее части.
Таблица 1 Схема движения на нижнем загрузочном пункте (НЗП) наклонного автомобильного подъемника 1 – трасса наклонного автомобильного подъемника, 2 – подъемные платформы АНКП для автосамосвалов, 3 – пути движения автосамосвалов Схема Описание Преимущества Недостатки Самосвал располагается на плат- форме параллельно бровке уступа. Выезд осуществляется на отдельном горизонте для каждой ветви. Отсутствие использования зад- него хода при постановке и съезде автосамосвала с плат- формы подъемной установки. Громоздкость схемы. Необходимость расширения дорог для без- опасной разминовки самосвалов. Большая ширина траншеи. Самосвал располагается на плат- форме параллельно бровке уступа. Выезд осуществляется на одном горизонте для обеих вет- вей. Компактность. Расположение НЗП на одном горизонте. Необходимость маневрирования задним ходом при съезде с платформы или заезде на нее. Большая ширина траншеи. Самосвал располагается на плат- форме перпендикулярно бровке уступа. Выезд осуществляется на одном горизонте. Прямой проезд самосвала через платформу (въезд на НЗП пе- редним ходом и выезд на ВРП передним ходом и наоборот). Простота въезда и выезда само- свалов. Меньшая ширина траншеи. Необходимость проезда автосамосвала че- рез (под) здание подъемных машин на верхнем разгрузочном пункте при выезде самосвала с платформы. Уширение площадки (бермы) на уровне НЗП подъемника за счет двухполосной до- роги. Самосвал располагается на плат- форме перпендикулярно бровке уступа. Выезд осуществляется на одном горизонте, на однополосную дорогу. Прямой проезд самосвала через платформу. Компактность схемы. Меньшая ширина траншеи. Необходимость проезда автосамосвала че- рез (под) здание подъемных машин на верхнем разгрузочном пункте при выезде самосвала с платформы. 1 2 3
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 141С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Выводы 1. Применение в качестве карьерного транспорта наклонных подъемников имеет целый ряд потенциальных преимуществ: – сокращение парка автосамосвалов за счет уменьшенного времени подъема; – уменьшение расхода дизельного топлива и выбросов отработавших газов; – возможность увеличения глубины карьера в случае отказа от размещения авто- мобильных дорог на бортах карьера в зоне вскрытия наклонным подъемником. 2. Недостатки такого вида транспорта: – ограничение годовой производительности подъемника; – необходимость длительного строительства и заблаговременного формирования траншеи; – большая массивность установки включая бетонные и строительные конструк- ции; – значительные капитальные затраты; – сложность формирования вместительного перегрузочного пункта, а потому зна- чительная «привязанность» сборочного автомобильного транспорта и подъемника к вза- имной ритмичности работы. 3. Имеет смысл рассмотреть технико-экономическую целесообразность примене- ния наклонных подъемников для карьеров с ограниченными в плане размерами и значи- тельной глубиной, где их преимущество будет и в сокращении разноса бортов за счет заужения или исключения автодорог на бортах карьера. Литература 1. Бейгбедер Д. Альбом. Кривой Рог - Гданцевка. 1899. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://sudilovski.livejournal.com/67427.html / 2. Васильев М.В. Устройство, опыт эксплуатации и перспективы карьерного скипового подъема / М.В. Васильев // Тр. ИГД МЧМ СССР. – 1975. – Вып. 46. – С. 14 - 25. 3. Васильев М.В. Транспорт глубоких карьеров / М.В. Васильев. – М.: Недра, 1983. – 296 с. 4. Хохряков В.С. Новожилов Михаил Галактанович (1911-1997). К столетию со дня рождения / В.С. Хохряков // Известия Уральского государственного горного универ- ситета. – 2012. - № 27 - 28. 5. Эффективность автомобильно-клетьевых подъёмников АНК-120 на глубоких карьерах / А.Г. Сисин, В.И. Белобров, М.А. Файнблит, А.Н. Акишев // Горный журнал. – 1995. - № 6. 6. Trucklift technical information. [Буклет] system. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.siemagtecberg.com/cms/upload/downloads/en//TI_27_Truck- lift_e.pdf / 7. [Видеофайл] GHD - "Innovation - TULIP Truck lift" [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=kZFAuKhNtPo / 8. Жуков Л.И. Карьерные наклонные скиповые подъёмники с выпуклым про- филем пути / Л.И. Жуков // Материалы к Всесоюзной науч.-техн. конф. по карьерному транспорту II / М-во черной металлургии СССР; Ин-т горного дела. - Свердловск, 1966. – С. 144 – 145. 9. Волков Г.М. Рельсовые пути карьерных наклонных скиповых подъёмников / Г.М. Волков // Материалы к Всесоюзной науч.-техн. конф. по карьерному транспорту II / М-во черной металлургии СССР; Ин-т горного дела. – Свердловск, 1966. – С. 149 - 151. 10. Многоканатные скиповые наклонные карьерные подъёмные установки гру- зоподъёмностью 30…180 т / Г.И. Попов, А.Н. Хавро, В.И. Белобров, В.А. Дзержинский,
ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 142С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Е.К. Кузьменчук // Проблемы карьерного транспорта. – Екатеринбург: УрО РАН, 2005. – С. 154 – 158. 11. Носырев Б.А. Основные технологические параметры карьерных наклонных скиповых установок / Б.А. Носырев // Материалы к Всесоюзной науч.-техн. конф. по ка- рьерному транспорту II / М-во черной металлургии СССР; Ин-т горного дела. – Сверд- ловск, 1966. – С. 145 - 149. 12. Использование наклонных подъёмников для транспортирования крупнокус- ковой горной массы на глубоких карьерах Заполярья / Ю.В. Демидов, Н.К. Трубецкой, С.С. Наумов, О.С. Головатая // Изв. вузов. Горный журнал. – 1998. - № 7. 13. Долинин К.А. Опыт проектирования и строительства на Сибайском карьере первого в СССР наклонного скипового подъёмника / К.А. Долинин // Материалы к III Всесоюзной науч.-техн. конф. по карьерному транспорту. – Свердловск, 1973. – С. 337 - 341. 14. Кубарев С.М. Перегрузочные пункты карьерных наклонных скиповых подъ- ёмников / С.М. Кубарев // Материалы к Всесоюзной науч.-техн. конф. по карьерному транспорту II. – Свердловск, 1966. – С. 149 - 151. 15. Тетяев Е.Ф. Реконструкция электроприводов подъёмных шахтных установок / Е.Ф. Тетяев, С.М. Третьяков, В.В. Романов // Проблемы карьерного транспорта. - Ека- теринбург: УрО РАН, 2011. - С 197 – 201. 16. Кулешов А.А. Автомобильный карьерный подъёмник с автономным приво- дом / А.А. Кулешов, Ю.Д. Тарасов // Изв. вузов. Горный журнал. – 2001. – № 1. 17. Механико-гидравлический фрикционный подъёмник для карьеров / В.И. Бе- лобров и др. // Изв. вузов. Горный журнал. – 1988. - № 4. 18. Тарасов П.И. Рациональные параметры углубочной зоны при доработке ким- берлитовых месторождений / П.И. Тарасов, А.Г. Журавлёв // Проблемы карьерного транспорта. – Екатеринбург: УрО РАН, 2011. – С. 218 – 226.

More Related Content

PDF
Проблемы недропользования. 2016. Выпуск 1 (8).
byigdweb
 
PDF
Проблемы недропользования. 2014. Выпуск 1.
byigdweb
 
PDF
Проблемы недропользования. 2016. Выпуск 2 (9).
byigdweb
 
PDF
Проблемы недропользования. 2015. Выпуск 1 (4)
byigdweb
 
PDF
Проблемы недропользования. 2016. Выпуск 3 (10).
byigdweb
 
PDF
Проблемы недропользования. 2015. Выпуск 3 (6).
byigdweb
 
PDF
Проблемы недропользования. 2015. Выпуск 4 (7).
byigdweb
 
PDF
Проблемы недропользования. 2016. Выпуск 4 (11).
byigdweb
 
Проблемы недропользования. 2016. Выпуск 1 (8).
byigdweb
 
Проблемы недропользования. 2014. Выпуск 1.
byigdweb
 
Проблемы недропользования. 2016. Выпуск 2 (9).
byigdweb
 
Проблемы недропользования. 2015. Выпуск 1 (4)
byigdweb
 
Проблемы недропользования. 2016. Выпуск 3 (10).
byigdweb
 
Проблемы недропользования. 2015. Выпуск 3 (6).
byigdweb
 
Проблемы недропользования. 2015. Выпуск 4 (7).
byigdweb
 
Проблемы недропользования. 2016. Выпуск 4 (11).
byigdweb
 

What's hot

PDF
Проблемы недропользования. 2015. Выпуск 2 (5).
byigdweb
 
PDF
Проблемы недропользования. 2015. Выпуск 1 (4).
bymikhail-66
 
PDF
Проблемы недропользования. 2017. Выпуск 1 (12).
byigdweb
 
PDF
The scientific heritage No 69 (69) (2021) Vol 2
byThe scientific heritage
 
PDF
план мероприятий по 150 летию вернадского 13.02.06-150-вернадский
byEcolife Journal
 
PDF
Edu11 18 p2
byInternational_Science_Institute_Educatio
 
PDF
Вестник СКГМИ №13-14, октябрь 2014
bySergeyWalsh
 
PPTX
ЕДИНОЕ НАЦИОНАЛЬНОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ-2021 В ЭЛЕКТРОННОМ ФОРМАТЕ
byssuser16ee1a
 
PDF
VOL 3, No 7 (7) (2016)
byThe scientific heritage
 
PDF
методические аспекты интеграции икт в процесс обучения
byDiana Moglan
 
DOC
Программа научно-практической конференции "Внутрисосудистые методы визуализац...
byNPSAIC
 
PDF
Mir 10
byedinayass
 
PDF
Spb 5 7_april
bysk1ll
 
PDF
VOL-3-No-53-2020
bySciences of Europe
 
Проблемы недропользования. 2015. Выпуск 2 (5).
byigdweb
 
Проблемы недропользования. 2015. Выпуск 1 (4).
bymikhail-66
 
Проблемы недропользования. 2017. Выпуск 1 (12).
byigdweb
 
The scientific heritage No 69 (69) (2021) Vol 2
byThe scientific heritage
 
план мероприятий по 150 летию вернадского 13.02.06-150-вернадский
byEcolife Journal
 
Edu11 18 p2
byInternational_Science_Institute_Educatio
 
Вестник СКГМИ №13-14, октябрь 2014
bySergeyWalsh
 
ЕДИНОЕ НАЦИОНАЛЬНОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ-2021 В ЭЛЕКТРОННОМ ФОРМАТЕ
byssuser16ee1a
 
VOL 3, No 7 (7) (2016)
byThe scientific heritage
 
методические аспекты интеграции икт в процесс обучения
byDiana Moglan
 
Программа научно-практической конференции "Внутрисосудистые методы визуализац...
byNPSAIC
 
Mir 10
byedinayass
 
Spb 5 7_april
bysk1ll
 
VOL-3-No-53-2020
bySciences of Europe
 

Проблемы недропользования. 2017. Выпуск 2 (13).

  • 1.
    Сетевое периодическое научноеиздание ISSN 2313-1586 Выпуск 2 Екатеринбург 2017 16+
  • 2.
    Сетевое периодическое научноеиздание ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ Учредитель – Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела Уральского отделения РАН № государственной регистрации Эл № ФС77-56413 от 11.12.2013 Выходит 4 раза в год только в электронном виде РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ: С.В. Корнилков, д.т.н., проф., директор ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург - главный редактор В.М. Аленичев, д.т.н., проф., г.н.с., ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург – зам. главного редактора Члены редакционной коллегии: Н.Ю. Антонинова, к.т.н., заведующая лабораторией ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург А.А. Барях, д.т.н., проф., директор ГИ УрО РАН, г. Пермь Н.Г. Валиев, д.т.н., проф., проректор по науке УГГУ, г. Екатеринбург С.Д. Викторов, д.т.н., проф., заместитель директора ИПКОН РАН, г. Москва С.Е. Гавришев, д.т.н., проф., директор ИГД и Т, МГТУ, г. Магнитогорск А.В. Глебов, к.т.н., заместитель директора ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург С.Н. Жариков, к.т.н., с.н.с., ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург А.Г. Журавлев, к.т.н., с.н.с., ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург В.С. Коваленко, д.т.н., проф., заведующий кафедрой МГГУ, г. Москва В.А. Коротеев, д.т.н., проф., академик, советник РАН ИГГ УрО РАН, г. Екатеринбург М.В. Курленя, д.т.н., проф., академик, директор ИГД СО РАН, г. Новосибирск С.В. Лукичев, д.т.н., проф., заместитель директора ГоИ КНЦ РАН, г. Апатиты В.В. Мельник, к.т.н., заведующий лабораторией ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург И.Ю. Рассказов, д.т.н., директор ИГД ДВО РАН, г. Хабаровск И.В. Соколов, д.т.н., заведующий лабораторией ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург С.М. Ткач, д.т.н., директор ИГДС СО РАН, г. Якутск С.И. Фомин, д.т.н., проф. кафедры, НМСУ «Горный», г. Санкт-Петербург А.В. Яковлев, к.т.н., заведующий лабораторией ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург В.Л. Яковлев, д.т.н., проф., чл.-корр., советник РАН, ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург Издатель: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела Уральского отделения РАН Все статьи проходят обязательное рецензирование Адрес редакции: 620075, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, д. 58, тел. (343)350-35-62 Сайт издания: trud.igduran.ru Выпускающий редактор: О.В. Падучева Редактор: О.А. Истомина Компьютерный набор и верстка: Т.Н. Инякина, Т.Г. Петрова Верстка сайта: М.В. Яковлев 16+
  • 3.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. 3С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Содержание ПРОБЛЕМЫ ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Яковлев В.Л. Исследование переходных процессов – новый методологический подход к разработке и развитию инновационных технологий добычи и рудоподготовки минерального сырья при освоении глубокозалегающих сложноструктурных месторождений…... 5 КАРЬЕРНЫЙ ТРАНСПОРТ Лель Ю.И., Глебов И.А., Ганиев Р.С., Иванова О.А. Систематизация условий эксплуатации карьерного автотранспорта по энергетическому критерию …………………………. 16 Реутов А.А. Имитационное моделирование ступенчатого регулирования скорости конвейера ………………………………………………………………………………………………... 26 ГЕОМЕХАНИКА Далатказин Т.Ш. Исследования формирования оползней в Коршуновском карьере ……………. 34 МЕХАНИКА ГОРНЫХ ПОРОД Рубцова Е.В., Скулкин А.А. О физическом моделировании процесса измерительного гидроразрыва в модельных образцах при их неравнокомпонентном нагружении ………………… 42 ФИЗИКА ВЗРЫВА Фадеева И.И., Аюнов Д.Е., Романенко В.В. Оценка современного теплового эффекта от подземного ядерного взрыва на Семипалатинском испытательном полигоне ………………….. 48 ГЕОЭКОЛОГИЯ Уланов А.Н., Шельменкина Х.Х., Смирнова А.В. Экологические аспекты рекультивации нарушенных болотных экосистем …………………………………………………………………….. 56 Воробьев А.Е., Тчаро Хоноре, Чекушина Т.В. Практика применения геосинтетических глинистых экранов на площадках кучного выщелачивания в Перу ………………………………… 62 Борисков Ф.Ф., Борисков Д.Ф. Использование холода тропосферы – нового энергетического ресурса планеты Земля для сохранения и создания ледников ..…………………. 73 Кириллов В.В., Жоров В.А., Безматерных Д.М., Бурмистрова О.С., Винокурова Г.В., Долматова Л.А., Дьяченко А.В., Зарубина Е.Ю., Котовщиков А.В., Соколова М.И., Медникова Г.М., Трошкова И.А., Эйрих А.Н., Эйрих С.С. Эволюция природно-технической системы гидроотвала угольного разреза в бассейне реки Иня (Кузбасс) …………………………... 75 СТАТЬИ УЧАСТНИКОВ XI ВСЕРОССИЙСКОЙ МОЛОДЕЖНОЙ НАУЧНО - ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ПО ПРОБЛЕМАМ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ, проведенной ИГД УрО РАН 8-10 февраля 2017 г. Беспальков А.А., Журавлев А.Г. Технические вопросы при использовании кабельных кранов для ведения горных работ ……………………………………………………………………... 85 Жабко А.В. Энергетическая трактовка условия разрушения откосов ……………………………… 96 Кутуев В.А., Жариков С.Н. О показателе расширения продуктов взрыва ………………………... 103 Кутуев В.А. О взаимосвязи между скоростью детонации и временем газификации на примере промышленного эмульсионного взрывчатого вещества ПОРЭМИТ 1А ...………......... 106 Меньшикова Н.А., Давлетшина И.Р. Перспективные вопросы совершенствования технологической схемы очистки сернокислых рудничных и промышленных сточных вод ……… 112 Сентябов С.В. Мониторинг напряженно-деформированного состояния бетонной крепи стволов на Гайском месторождении …………………………………………………………………... 119 Собенин А.В., Шеломенцев И.Г., Шаихова Д.Р. Особенности развития Raphanus Sativus на техногенном субстрате ………………………………………………………………………………. 127 Чендырев М.А., Журавлев А.Г. Особенности конструкции автомобильной карьерной наклонной подъемной установки ……………………………………………………………………… 133
  • 4.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е ПРОБЛЕМЫ ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
  • 5.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 5С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 622.271.3:001.895 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.005 Яковлев Виктор Леонтьевич член-корр. РАН, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, Институт горного дела УрО РАН, 620075, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 е-mail: yakovlev@igduran.ru ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ – НОВЫЙ МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД К РАЗРАБОТКЕ И РАЗВИТИЮ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДОБЫЧИ И РУДОПОДГОТОВКИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ ПРИ ОСВОЕНИИ ГЛУБОКОЗАЛЕГАЮЩИХ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Yakovlev Victor L. Corresponding member RAS, professor, The Institute of Mining UB RAS, 620075, Yekaterinburg, 58 Mamin-Sibiryak st. e-mail: yakovlev@igduran.ru THE STUDY OF TRANSIENT PROCESSES AS A NEW METHODOLOGICAL APPROACH TO THE DEVELOPMENT OF INNOVATIVE TECHNOLOGIES FOR EXTRACTION AND ORE PREPARATION OF MINERAL RAW MATERIALS MINING DEEP-SEATED COMPLEX-STRUCTURED DEPOSITS Аннотация: Обоснованы специфика освоения глубокозалега- ющих сложноструктурных месторождений и необходимость периодического пересмотра принятых в проекте открытой разработки ме- сторождения технических и технологических решений, в том числе в зависимости от измене- ния геологической и горнотехнической информа- ции по мере развития горных работ и перехода рабочей зоны на более глубокие горизонты, а также последующего перехода на подземную или комбинированную разработку месторожде- ния. Предлагается методический подход, основан- ный на исследовании переходных процессов, ос- новной задачей которых являются технические, технологические и организационные действия при реализации принимаемых инновационных ре- шений по адаптации горнотехнической и орга- низационно-технологической системы горно- обогатительного предприятия к изменяющимся условиям его функционирования. Ключевые слова: переходные процессы, глубо- кие карьеры, сложноструктурные месторож- дения, инновационные технологии Abstract: The specifics of deep-seated complex-structured de- posits development is grounded and the need for pe- riodic review of technical and technological solu- tions adopted in the project of surface mining are substantiated, including the dependence on changes in geological and mining information as mining pro- gresses and the working zone moves to deeper hori- zons, as well as the subsequent transition on under- ground or combined deposit mining are based. A methodical approach is proposed based on the study of transient processes, the main task of which is technical, technological and organizational ac- tions in realization the adopted innovative solutions on adaptation the mining and organizational and technological system of the ore mining and pro- cessing plant to the changing conditions of its func- tioning. Key words: transient processes, deep open pits, complex-structured deposits, innovative technolo- gies Специфика освоения глубокозалегающих сложноструктурных месторождений твердых полезных ископаемых состоит в том, что их разработка продолжается десятки лет, как правило, начинается открытой геотехнологией, в условиях непрерывного роста глубины рабочей зоны карьера, нарастанием геологической, горнотехнической и техно- логической информации, требующих безусловного выделения этапов формирования ка- рьерного пространства, изменения параметров систем разработки, формирования транс- портной системы карьера путем применения новых видов транспорта и т. д., то есть прак- тически пересмотра большинства принятых проектных решений, уточнения глубины ка- рьера и, как правило, перехода к подземной или комбинированной геотехнологии.  Статья подготовлена с использованием результатов исследований в рамках Госзадания 007-01398-17-00 по теме № 0405-2015-0010
  • 6.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 6С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Необходимость исследования переходных процессов в технологии добычи и пе- реработки полезных ископаемых на отдельных этапах, технологических процессах давно начала назревать, и в отдельных разделах горной науки и производства находились ре- шения адаптации технологии к изменяющимся условиям разработки месторождений, но сегодня это становится актуальной проблемой. Одной из главных причин необходимости исследования переходных процессов в технике и технологии горно-обогатительного производства минерального сырья явля- ется высочайшая степень зависимости от природной изменчивости геологических пара- метров глубокозалегающих сложноструктурных месторождений, информация о которых нарастает по мере развития горных работ, что требует, наряду с изменением горнотех- нических условий, периодического перехода на новые параметры техники и технологии с целью адаптации к изменяющимся условиям функционирования горнообогатительного производства. Исследование переходных процессов, установление причин их возникновения, понимание сущности происходящих изменений и закономерностей их развития в кон- кретных горно-геологических и горнотехнических условиях является основой создания стратегии управления этими процессами в течение всего срока отработки месторожде- ния. В работе [1] автором данной статьи изложен исторический опыт развития науч- ных идей и методологических подходов к обоснованию технологий, параметров горных работ и стратегии освоения недр и приведен перечень публикаций ученых, вложивших наибольший вклад в решение соответствующих проблем. В табл. 1 приведен последовательный ряд этапов, характеризующихся социально- экономическими условиями развития горнодобывающих отраслей промышленности и основных направлений научных исследований, которые были наиболее актуальны и со- ответствовали целям разработки научных основ проектирования, строительства и экс- плуатации шахт, рудников и карьеров, горно-обогатительных комбинатов. О необходимости коренного пересмотра сложившегося к концу 80-х годов, т.е. практически к распаду СССР, методического подхода к решению широкого круга акту- альных технических, технологических и экономических проблем развития горного про- изводства и горных наук очень ярко изложено в монографии «Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли» [2]. Исследование переходных процессов – новый этап в развитии методологического подхода к выбору стратегии освоения глубокозалегающих сложноструктурных место- рождений твердых полезных ископаемых, основанного на принципах системности, ком- плексности, междисциплинарности и инновационной направленности путем своевре- менного внесения изменений в технологию добычи и рудоподготовки минерального сы- рья по мере нарастания информации о геологических и горнотехнических условиях функ- ционирования горнотехнической системы горно-обогатительного предприятия. Актуальность исследования переходных процессов обусловлена важнейшей их ролью на стадиях проектирования и разработки глубокозалегающих сложноструктурных месторождений в связи с объективной необходимостью периодического изменения па- раметров горнотехнической системы вследствие нарастания геологической информации о параметрах залежей и содержания в них основных и попутных полезных компонентов, поэтапного формирования карьерного пространства и развития транспортной системы карьера, перехода с открытой к подземной или комбинированной геотехнологии, необ- ходимости управления количеством и качеством направляемых на переработку потоков добываемой горной массы, применения более совершенных технических средств, со- ставляющих основу инновационных технологий добычи и рудоподготовки минераль- ного сырья.
  • 7.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 7С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Таблица 1 Этапы развития технологий и методологии освоения недр России и стран СНГ Годы Особенности этапов развития горного дела Основные направления научных исследований 1945 – 1960 гг. Послевоенный период восста- новления и развития народного хозяйства Научные основы проектирования и строительства комплексно-механи- зированных предприятий 1960 – 1975 гг. Интенсивное развитие откры- тых горных разработок, строи- тельство крупных горно-обога- тительных комбинатов для обеспечения сырьем заводов черной и цветной металлургии, строительство угольных разре- зов большой мощности Научное обоснование приоритет- ного развития открытых разработок, зарождение методов экономико-ма- тематического моделирования, ЭВМ для планирования и управле- ния производством на карьерах. 1975 – 1987 гг. На основе анализа опыта экс- плуатации ГОКов установлено отставание фактических объе- мов добычи и вскрыши от про- ектных Необходимость новых подходов к исследованию, проектированию и планированию горных работ, схем вскрытия, систем разработки, фор- мированию транспортных систем ка- рьеров с учетом роста их глубины 1987 – 1996 гг. Изменение социально-экономи- ческих условий. Переход от пла- новой экономики к рыночной. Резкое снижение объемов добычных и вскрышных работ Необходимость разработки принци- пиально новых подходов к исследо- ванию и решению проблем горного производства 1997 – 2007 гг. Восстановление объемов до- бычи полезных ископаемых на действующих ГОКах. Дефицит рудного сырья на Урале и необ- ходимость завоза товарной руды на металлургические предприятия из других регио- нов Новый этап в развитии горных наук: «Освоение и сохранение недр». Классификация горных наук 2007 – 2014 гг. Освоение глубоких горизонтов на действующих горных пред- приятиях и новых месторожде- ниях, в т. ч. в северных регионах УрФО и ДФО Программно-целевые методы иссле- дований на основе принципов си- стемности, комплексности, междис- циплинарности и инновационной направленности 2014 г. – современный период Нарастание информации о ме- сторождении и принятие основ- ных технологических решений. Освоение новых минерально- сырьевых центров Исследование переходных процес- сов и учет закономерностей их раз- вития при разработке инновацион- ных технологий оценки, добычи и рудоподготовки минерального сы- рья
  • 8.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 8С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Методологической и организационно-технологической основой исследования пе- реходных процессов являются изменившиеся условия производства горных работ. Особенности ведения горных работ на глубоких карьерах состоят в том, что, на какой бы стадии по глубине карьера горные работы ни находились, они остаются откры- тыми до установленной глубины карьера, однако требуют исследования два главных во- проса, основанные на опыте длительной эксплуатации карьеров большой глубины и про- изводительности: - следует ли пересматривать принятую в проекте предельную глубину карьера; - требуется ли коренной пересмотр действующей технологии горных работ при достигнутой глубине карьера или достаточно совершенствования параметров системы разработки, принятой схемы вскрытия, порядка формирования рабочей зоны глубоких горизонтов, транспортной системы карьера и основных технологических процессов до- бычи и переработки минерального сырья. При любом варианте ответа на первые два вопроса необходимо исследовать сле- дующие особенности ведения горных работ на карьерах, особенно при их доработке до предельной глубины: - особенности погрузочно-транспортных работ в прибортовой зоне с учетом обес- печения устойчивости бортов, сохранности законтурного массива и безопасности распо- ложенных на прибортовой территории зданий и сооружений; - необходимость селективной разработки и усреднения при формировании грузо- потоков для последующей переработки добываемого минерального сырья; - обеспечение эффективной модернизации парка горных машин, параметров и ор- ганизации их эксплуатации; - постоянный мониторинг качества добываемого сырья, параметров и показателей основных технологических процессов с целью своевременного на основе технологиче- ского аудита применения и реализации организационно-технических управляющих воз- действий. Наиболее значимые научные, технологические и организационно-технические вопросы, решаемые при проектировании и разработке сложноструктурных месторожде- ний большой глубины, требующие исследования переходных процессов: 1. Оценка объема и качества запасов, принятие решения о целесообразности их комплексного освоения. 2. Обоснование способа разработки глубокозалегающего месторождения и воз- можности (целесообразности) перехода от открытого к подземному или комбинирован- ному способу. 3. Обоснование границ карьера, его глубины, углов откоса бортов, последователь- ность развития рабочей зоны, выделение этапов разработки. 4. Формирование транспортной системы карьера во взаимосвязи с развитием ка- рьерного пространства и его рабочей зоны, применение новых видов, технических средств и схем транспорта с заменой действующих, но чаще в дополнение к ним. 5. Поэтапная разработка месторождений, формирование временно нерабочих бор- тов карьеров и последующая их разработка с использованием специальных технологий и технических средств взрывания, экскавации, транспорта. 6. Вскрытие новых горизонтов, в том числе с возможным изменением физико- механических свойств и вещественного состава слагающих их горных пород. 7. Разработка месторождений сложного геологического строения залежей основ- ного полезного ископаемого при наличии попутных полезных компонентов, значитель- ной изменчивости их содержания и других свойств, требующих селективной разработки, усреднения и периодического изменения параметров систем разработки, рудоподго- товки и обогащения.
  • 9.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 9С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е 8. Переходные процессы, связанные с изменением физико-механических свойств многолетнемерзлых горных пород (фазовые переходы при изменении температуры воз- духа от +40о С до –60о С), в том числе в бортах карьеров и в стволах подземных рудников. Таким образом, сущность исследования переходных процессов состоит в том, что если необходимо что-либо изменить в технике или технологии горного производства в конкретных горнотехнических условиях, то необходимо установить совокупность и обосновать последовательность ряда разработанных в установленные сроки организаци- онно-технических мероприятий для принятия и реализации принятых технологических инновационных решений. На действующих горных предприятиях этот подход реализуется на основе мони- торинга показателей и технологического аудита условий и показателей функционирова- ния горнотехнической системы, а при проектировании освоения новых месторождений – на основе установленных закономерностей развития предприятий, разрабатывающих аналогичные или близкие по геологическим и горнотехнических условиям месторожде- ния. Установлено, что для исследования закономерностей (устойчивых зависимостей) протекания и направлений совершенствования технологических процессов, параметров инновационных технологий и прогноза их развития, обеспечивающих экономически эф- фективную и безопасную разработку глубокозалегающих месторождений твердых по- лезных ископаемых, необходимо иметь следующую информацию: 1. Стадия (период) разработки месторождения (строительство карьера, освоение проектной мощности, полное развитие работ, доработка запасов в нижней части карьера, переход на подземную или комбинированную разработку месторождения). 2. Геологическая информация: исходная и нарастающая по мере освоения место- рождения. 3. Техническая – применяемое буровое, погрузочное и транспортное оборудова- ние и его соответствие изменяющимся горнотехническим условиям эксплуатации. Вы- вод: следует ли переходить на новые технические средства. 4. Технологическая – схема вскрытия, система разработки – соответствие их па- раметров условиям и возможные изменения технологии на основе инновационных ре- шений. 5. Оценка состояния техники и технологии, изменяющихся условий эксплуатации и обоснование необходимости установления начала и сроков перехода на новые техни- ческие средства и технологии. Для установления закономерностей и их количественной оценки в методическом плане на конкретных предприятиях следует осуществлять мониторинг и комплексный технологический аудит – способ проверки технологического состояния предприятия с помощью определенных критериев, дающих возможность выявления сильных и слабых сторон, что ведет к формированию стратегии дальнейшей экономически эффективной и безопасной разработки глубокозалегающих сложноструктурных месторождений. Совершенствование технологических процессов и применение инновационных технологий разработки глубокозалегающих сложноструктурных месторождений обу- словлено их природной изменчивостью и изменением горнотехнических условий их освоения. С ростом глубины рабочей зоны карьера увеличивается расстояние транспорти- рования добываемой горной массы, осуществляется дальнейшее развитие транспортной системы карьера, схемы вскрытия глубоких горизонтов, переход на новые параметры погрузочного и транспортного оборудования (табл. 2).
  • 10.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 10С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Таблица 2 Этапы формирования транспортной системы карьера при освоении глубокозалегающих месторождений Этапы освоения месторождения Этапы формирования транспортной системы 1. Оценка геологических, природно-кли- матических и социально-экономических условий освоения месторождения: разве- данности, условий залегания, запасов и их качественной и технологической характе- ристики, физико-механических свойств руд и пород Обоснование возможных для применения видов и технических средств транспорта, в том числе внутрикарьерного (сборочного и магистрального) и внешнего. 2. Проект разработки месторождения: способ разработки (открытый, подземный, комбинированный); границы и глубина карьера, поэтапная раз- работка; производственная мощность по рудной и горной массе; схема вскрытия и системы разработки (ва- ловая или селективная разработка запа- сов); система управления качеством (усредне- ние, управление развитием рабочей зоны и т. п.). Выбор видов и технических средств транс- порта, их параметров, зон эффективного применения; переходные процессы (внутри вида транспорта, с одного вида транспорта на другой). Перегрузочные пункты при схемах комбинированного транспорта, ме- ста их расположения, периодичность и по- рядок переноса по мере роста глубины ка- рьера; схема транспортных коммуникаций по этапам разработки до предельных кон- туров карьера. 3. Строительство и ввод в эксплуатацию горного предприятия. Применяемая техника может отличаться от проектной. Уточняются объем и каче- ственная характеристика запасов, условий их залегания, физико-механические свой- ства горных пород и др. Применяемые в период строительства ка- рьера виды технических средств транс- порта, транспортные коммуникации должны стать звеном формируемой в даль- нейшем транспортной системы. Особенно это важно при применении циклично-по- точной технологии, железнодорожного транспорта, транспортные коммуникации которых следует развивать с момента ввода карьера в эксплуатацию. 4. Поэтапная разработка месторождения: 4.1. Открытая геотехнология с выделе- нием этапов, их границ по глубине, вре- менно законсервированных запасов и бор- тов карьера. 4.2. Переход на подземную разработку ме- сторождения с полной изоляцией внутри- шахтных выработок и коммуникаций от внутрикарьерного пространства. 4.3. Комбинированная открыто-подземная разработка с одновременным или последо- вательным ведением открытых и подзем- ных горных работ. Формирование поэтапных схем развития транспортных коммуникаций. Периодическая реконструкция транспорт- ной системы карьера с переносом транс- портных коммуникаций с временно нера- бочих бортов на постоянные. Вскрытие новых, в том числе глубоких, го- ризонтов. Перенос перегрузочных пунктов. Использование карьерного транспорта для доставки на поверхность горной массы из подземных горных выработок.
  • 11.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 11С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Изменение физико-механических свойств горных пород требует совершенствова- ния параметров и техники буровых и взрывных работ. Нарастание геологической информации требует принятия решения о сохранении валовой или переходе к селективной разработке запасов, технологии их рудоподготовки и предобогащения. Новый этап развития горных наук, в том числе в методологии выполнения иссле- дований, связан с изданием коллективной монографии «Освоение и сохранение недр Земли» [2]. Современный этап развития горного дела характеризуется необходимостью со- здания технологий и техники для вскрытия и отработки глубоких горизонтов действую- щих горных предприятий и освоения новых месторождений с учетом изменения геоло- гических и горнотехнических условий их разработки в динамике развития горнотехни- ческих систем на основе исследования переходных процессов. Среди факторов, влияющих на необходимость периодического пересмотра при- нятых в проекте технических и технологических решений, следует выделить следующие основные: 1. Природная изменчивость геологических параметров сложноструктурных глу- бокозалегающих месторождений. К числу основных факторов, обосновывающих необходимость исследования и учета переходных процессов в технологии разработки сложноструктурных месторожде- ний, относятся факторы природной особенности и изменчивости их геологических пара- метров: - залегание в виде жил, линз, пластов переменной мощности; - тела полезного ископаемого содержат включения пустых пород или некондици- онных руд разных размеров и формы, осложнены складчатыми или разрывными текто- ническими нарушениями; - мощность и элементы залегания, устойчивость горных пород, их трещинова- тость, естественная блочность, слоистость, пределы прочности и деформационные свой- ства меняются в широких пределах; - изменяется качественный состав полезного ископаемого, имеет место законо- мерная или случайная зональность общего баланса минералов, высокая неравномерность их содержания и гранулометрического состава от сплошных до тонковкрапленных руд. Все это требует детальной геометризации размещения полезного ископаемого в недрах и учета при выборе горной техники и технологий, адаптивных к изменениям гео- логической среды, планирования горных работ в режимах селективной выемки и усред- нения, создания инновационных технологий добычи и рудоподготовки с учетом законо- мерностей переходных процессов при изменении условий функционирования горнообо- гатительного предприятия. 2. Нарастание информации о геологических параметрах месторождения по этапам разведки: предварительной, на основе которой обосновываются кондиции и ведется под- счет запасов по категориям С1 и С2, детальной, когда уточняются строение месторожде- ния, условия залегания тел полезного ископаемого, запасы переводятся в категории А и В, уточняются их качество и горнотехнические условия предполагаемой разработки, с учетом которых принимаются основные проектные решения, к сожалению, обычно с ошибками, вследствие недостаточной достоверности информации. Устранение неопределенности в геологической обстановке достигается при экс- плуатационной разведке, которая ведется весь период отработки месторождения, с уче- том чего осуществляется планирование добычи полезного ископаемого по сортам, кор- рекции типоразмеров горных машин, технологии добычи, режимов усреднения и обога- щения.
  • 12.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 12С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Добыча полезных ископаемых открытым способом связана с перемещением боль- ших масс горных пород, что приводит к изменению естественного напряженного состо- яния массива горных пород. В результате такого воздействия наряду с естественными геомеханическими процессами, такими как тектонические подвижки блоков, возникают наведенные геомеханические процессы, вызванные техногенной деятельностью при ве- дении горных работ. Решение проблемы обеспечения долговременной устойчивости уступов и бортов имеет особую актуальность, так как от их параметров зависит безопасность разработки месторождений, а также объемы вскрыши и запасы полезного ископаемого в контурах карьеров. Главная особенность переходных периодов в развитии горных работ и техноло- гических процессов состоит в том, что реально сложившиеся к определенному моменту эксплуатации месторождения схема вскрытия и параметры системы разработки, порядок формирования рабочей зоны, применяемое оборудование основных технологических процессов и режим их функционирования не в полной мере соответствуют геологиче- ским, горнотехническим и экологическим условиям и требованиям добычи и перера- ботки горной массы, в том числе полезных ископаемых и вскрышных пород, что не со- ответствует требованиям по количеству и качеству товарной продукции и экономически эффективной ее реализации на внутреннем и внешнем рынках. Переходные процессы являются этапами стратегии освоения глубокозалегаю- щих сложноструктурных месторождений – долгосрочного плана действий на всех эта- пах разведки, проектирования и разработки месторождения до получения товарной продукции на основе методологического подхода на принципах системности, комплекс- ности, междисциплинарности и инновационной направленности, учитывающих нарас- тание геологической информации о месторождении при принятии заранее спланирован- ных технологических и технических решений в качестве реакции на изменения внутрен- них и внешних условий функционирования горного предприятия, включая учет законо- мерностей их развития при принятии инновационных технологий оценки, добычи, рудо- подготовки и обогащения минерального сырья. Основной задачей переходных процессов являются технические, технологиче- ские и организационные действия при реализации принимаемых инновационных реше- ний по адаптации горнотехнической и организационно-технологической системы пред- приятия к изменяющимся условиям его функционирования. Признанием объективной необходимости исследования переходных процессов в качестве нового научного направления при разработке теоретических основ стратегии и технологии комплексного освоения месторождений явилось включение в план научно- исследовательских работ УрО РАН в качестве государственного задания темы фунда- ментальных исследований на 2016 – 2018 гг. «Теоретические основы стратегии ком- плексного освоения месторождений и технологий их разработки с учетом особенностей переходных процессов в динамике развития горнотехнических систем»* (*рег. №0405- 2015-0010). При этом в число исполнителей важнейших разделов исследований вошли сотрудники нескольких научных лабораторий института: 1. Исследование и разработка инновационных технологий добычи рудного и не- рудного минерального сырья в сложных горно-геологических условиях (лаборатория от- крытой геотехнологии) [6]. 2. Исследование технологических процессов и разработка теоретических основ геотехнологической стратегии освоения переходных зон рудных месторождений (лабо- ратория подземной геотехнологии) [11]. 3. Обоснование стратегии формирования транспортных систем карьеров при раз- работке глубокозалегающих месторождений (лаборатория транспортных систем карье- ров и геотехники) [5, 6, 7].
  • 13.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 13С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е 4. Методы оценки и технологии управления качеством минерального сырья при освоении природных и техногенных месторождений (сектор управления качеством ми- нерального сырья) [8]. 5. Исследование экологических и экономических аспектов функционирования и развития природно-техногенных экосистем в районах функционирования предприятий горно-металлургического комплекса (лаборатория экологии горного производства) [10]. 6. Изучение основных факторов и закономерностей при разрушении локальных массивов буровзрывным способом в динамике изменения горно-технологических усло- вий для обеспечения энергоэффективности, ресурсосбережения и промышленной без- опасности (лаборатория разрушения горных пород). 7. Экономические аспекты обеспечения безопасности основных технологических процессов горного производства (филиал ИГД УрО РАН в г. Челябинске) [12]. Выводы Разработанный ранее методологический подход на основе совокупного использо- вания принципов системности, комплексности, междисциплинарности и инновационной направленности [3, 4] возможно реализовать непрерывным мониторингом развития гор- нотехнической системы горнообогатительного предприятия, своевременной разработ- кой переходных процессов на всех стадиях освоения месторождения и реализацией ре- комендаций по совершенствованию требующих изменения параметров и технологий в связи с изменяющимися внутренними и внешними условиями функционирования гор- ного предприятия. Предлагаемый методологический подход, основанный на исследовании переход- ных процессов, является универсальным, и может использоваться при проектировании освоения глубокозалегающих месторождений, планировании, организации и управлении добычей и рудоподготовкой минерального сырья на действующих горных предприятиях с учетом нарастания геологической информации, внедрения разработанных инноваци- онных мероприятий, изменения параметров и показателей горнотехнической системы горного предприятия по мере развития горных работ. Главным показателем, характеризующим высокую степень новизны исследова- ний, является дальнейшее развитие программно-целевого методологического подхода к исследованию проблем освоения недр, основанного на принципах системности, ком- плексности, междисциплинарности и инновационной направленности, путем введения принципиально нового понятия «переходные процессы» и учета закономерностей их развития при разработке инновационных технологий добычи и рудоподготовки мине- рального сырья. Сущность новизны исследования переходных процессов при проектировании и разработке глубокозалегающих месторождений состоит в том, что если при оценке ди- намики развития горнотехнической системы и показателей ее функционирования возни- кает необходимость изменить параметры техники или технологии горнообогатительного производства, то следует установить необходимость, совокупность и последователь- ность ряда действий (мероприятий), чтобы принять и реализовать принятые технологи- ческие инновационные решения. Литература 1. Яковлев В.Л. Исторический опыт развития научных идей методологических подходов к обоснованию технологий, параметров горных работ / В.Л. Яковлев // Про- блемы недропользования [Электронный ресурс]: рецензируемое сетевое периодическое издание / ИГД УрО РАН. - 2014. - № 3. - С. 15 - 26. – Режим доступа: ////trud.igduran.ru 2. Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли / К.Н. Трубецкой, Ю.Н. Ма- лышев, Л.А. Пучков, … В.Л. Яковлев и др. - М.: Изд-во Академии горных наук, 1997. – 478 с.
  • 14.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 14С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е 3. Яковлев В.Л. Методологические особенности освоения недр на современном этапе / В.Л. Яковлев, С.В. Корнилков // Вестник УрО РАН. Наука. Общество. Человек. - 2013. - № 4. - C. 43 - 49. 4. Яковлев В.Л. О методологическом подходе к исследованиям в области освое- ния недр на основе системности, комплексности, междисциплинарности и инновацион- ной направленности / С.В. Корнилков, В.Л. Яковлев // Горный журнал. - 2015. - № 1. - C. 4 - 5. 5. Яковлев В.Л. Основные аспекты формирования и новые научные направления исследований транспортных систем карьеров / В.Л. Яковлев, Ю.А. Бахтурин, А.Г. Жу- равлев // Наука и образование. - №4 (80). - 2015. - С 67 - 72. 6. Яковлев В.Л. Переходные процессы в технологии разработки сложноструктур- ных месторождений полезных ископаемых // Открытые горные работы в XXI веке - 1: Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2015. – № 10 (специальный выпуск № 45 – 1). – С. 65 – 76. 7. Новые решения в развитии циклично-поточной технологии / В.Л. Яковлев, Г.Д. Кармаев, В.А. Берсенев, И.Г. Сумина // Горный журнал. - 2016. - № 10. – C. 54 - 64. 8. Геоинформационная оценка распределения показателей обогатимости титано- магнетитовых руд в контурах отрабатываемых карьеров Гусевогорского месторождения / В.Л. Яковлев, Ю.В. Лаптев, В.А. Гордеев, А.М. Яковлев // Литосфера. - 2016. - № 2. – С. 111 - 120. 9. Яковлев В.Л. Особенности методологического подхода к обоснованию страте- гии освоения сложноструктурных месторождений на основе исследования переходных процессов // Геомеханические и геотехнологические проблемы освоения недр Севера: Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2015. – СВ № 30.– С. 22 - 35. 10. Антонинова Н.Ю. Использование техногенных отходов ГМК в природоохран- ных целях на предприятиях ГМК / Н.Ю. Антонинова, Л.А. Шубина // Экология и про- мышленность России. – 2015. - № 10. - С. 38 - 41. 11. Изыскание подземной геотехнологии при переходе к освоению глубокозале- гающих запасов наклонного медноколчеданного месторождения / И.В. Соколов, Ю.Г. Антипин, И.В. Никитин, К.В. Барановский, А.А. Рожков // Изв. УГГУ. – 2016. – №2 (42). – С. 47 - 53. 12. Галкин В.А. О теории и методологии организации безопасного производства / В.А. Галкин, А.М. Макаров, И.Л. Кравчук // Уголь. – 2016. – № 4. – С. 39 - 43.
  • 15.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е КАРЬЕРНЫЙ ТРАНСПОРТ
  • 16.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 16С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 622.684 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.016 Лель Юрий Иванович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой разработки месторождений открытым способом, Уральский государственный горный университет, 620144 г. Екатеринбург, ул. Кубышева, 30 e-mail: lel49@mail.ru Глебов Игорь Андреевич студент, Уральский государственный горный университет e-mail: gleb_igor@mail.ru Ганиев Руслан Салаватович ассистент кафедры разработки месторождений открытым способом, Уральский государственный горный университет e-mail: sunmail2003@mail.ru Иванова Ольга Анатольевна аспирант, Уральский государственный горный университет e-mail: olga15-07-83@mail.ru СИСТЕМАТИЗАЦИЯ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ КАРЬЕРНОГО АВТОТРАНСПОРТА ПО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМУ КРИТЕРИЮ Lel Yuri I. Doctor of technical sciences, professor, the head of Department of surface deposits development, The Ural state mining University, 620144, Yekaterinburg, 30 Kuibishev st. e-mail: lel49@mail.ru Glebov Igor Andreevich student, The Ural state mining University e-mail: gleb_igor@mail.ru Ganiev Ruslan S. assistant professor, The department of surface deposits development, The Ural state mining University e-mail: sunmail2003@mail.ru Ivanova Olga A. post-graduate student, The Ural state mining University e-mail: olga15-07-83@mail.ru SYSTEMATIZATION OF OPERATING CONDITIONS FOR OPEN-PIT MOTOR TRANSPORT ACCORDING TO ENERGY CRITERION Аннотация: На основе экспериментально-аналитических ис- следований разработана методика оценки трудности транспортирования, основанная на расчете расхода дизельного топлива автосамо- свалами за транспортный цикл и приведенной фактической длины трассы к условному гори- зонтальному расстоянию с использованием энергетического критерия. В качестве крите- рия оценки трудности транспортирования обосновано использование коэффициента слож- ности трассы, представляющего собой отно- шение приведенного расстояния транспортиро- вания к фактическому. Получены расчетные за- висимости для определения приведенного рас- стояния на основе горизонтальных эквивален- тов вертикального перемещения горной массы. На основе разработанной методики получены зависимости для расчета линейной дифферен- цированной нормы расхода топлива автосамо- свалами Cat-777D и Cat-745С в условиях Нюр- бинского карьера АК «АЛРОСА». Проведена си- стематизация условий эксплуатации карьер- ного автотранспорта по критерию сложности трассы. Все условия разделены на пять классов сложности, при варьировании коэффициента сложности трассы от 1 до 3 и более. Установ- лено, что в настоящее время условия эксплуата- ции автотранспорта на большинстве алмазо- добывающих карьеров АК «АЛРОСА» отно- Abstract: While operating modern motor vehicles in deep open pit mines, it is crucially important to develop methods and measures to evaluate the difficulty of mined rock transportation by open- pit dump trucks. It has been found out that currently there is no uni- fied complex measure of transportation difficulty that could be used in technological evaluation of open-pit motor transport. Experimental and analyt- ical researches carried out by the authors serve as a basis for the development of the transportation dif- ficulty evaluation methods based on the calculation of the diesel fuel consumed by dump trucks per a load-haul-dump cycle and the actual load distance corrected in relation to conditional horizontal dis- tance by means of the energy criterion. The coeffi- cient of the haul distance complexity (μ) being the ratio of the corrected haul distance to the actual one is justified to be used as a criterion for the transpor- tation difficulty evaluation. To correct a haul dis- tance on the basis of the horizontal equivalents of the vertical rock mass movement, the calculated cor- relations have been obtained. It has been discovered that the haul distance complexity is determined by the rate of slope, rolling resistance, tare-load ratio and load capacity utilization factor as well as em- pirical coefficients, taking into account the increase in the rolling resistance of empty dump trucks in mo- tion, the increase in specific fuel consumption at a rated load of an engine of empty dump trucks mov- ing along a horizontal road, fuel consumption of
  • 17.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 17С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е сятся к III-IV классам (сложные и весьма слож- ные, μ = 2,0…3,0). Внедрение полноприводных автосамосвалов при доработке карьеров будет сопровождаться переходом условий к V классу (исключительно сложные, μ = 5,0…7,0). Разра- ботанные методические положения прошли апробацию и рекомендуются к использованию в проектной практике и практике эксплуатации карьерного автотранспорта. Ключевые слова: карьер, автотранспорт, усло- вия эксплуатации, приведенное расстояние, го- ризонтальный эквивалент вертикального пере- мещения, расход топлива, коэффициент слож- ности трассы, коэффициент сопротивления ка- чению, коэффициент тары, коэффициент ис- пользования грузоподъемности, высота подъ- ема горной массы dump trucks in the brake-applied mode. The devel- oped technique has provided the correlations for the calculation of the linear differential fuel allowance of dump trucks Cat-777D Cat-745S under operating conditions of Nyurbinsk open-pit mine of «AL- ROSA» Diamond Company. Operating conditions for the open-pit motor transport have been systema- tized by means of the haul distance complexity cri- terion and divided into five classes (relatively easy, medium, complex, highly complex and extremely complex) with the haul distance complexity coeffi- cient ranging from 1 to 3 and more. It has been found out that the current operating conditions of the motor transport in the majority of the diamond mining pits of «ALROSA» refer to classes III-IV (complex and highly complex, μ = 2,0 ... 3,0). The introduction of all-wheel drive dump trucks during the cleaning-up stage will be accompanied by the transition to the operating conditions of Class V (ex- tremely complex, μ = 5,0 ... 7,0). The developed methodological principles have been tested and are recommended for application in open pit motor transport. designing and operating Key words: open-pit mine, motor transport, operat- ing conditions, corrected distance, horizontal equiv- alent of the vertical movement, fuel consumption, haul distance complexity coefficient, rolling re- sistance coefficient, tare-load ratio, load capacity utilization factor, rock mass rise height Внедрение на карьерах современных моделей автотранспортных средств, в том числе полноприводных автосамосвалов, сопровождается усложнением условий эксплу- атации технологического автотранспорта. При этом важное значение приобретает разра- ботка методики и показателей оценки трудности транспортирования горной массы. Наибольшую известность в этом направлении получил предложенный академиком В.В. Ржевским относительный показатель трудности транспортирования породы Пт, рас- считываемый по эмпирическому выражению [1]: ,П 3ср21т WnBCКАdКК  (1) где  – плотность породы, кг/м3 ; cpd – средний размер кусков породы в транспортном сосуде, м; А = 1 + 0,1σсдв; σсдв – сопротивление породы сдвигу (в образце), МПа; W – влажность перевозимой породы (в долях единицы); n – содержание в породе глинистых частиц (в долях единицы); B = 1 + lg(T + 1); Т – продолжительность транспортирования породы, ч; C = 1 – 0,025t; t – температура воздуха, ºС (учитывается только при t ≤ 0ºС); К1, К2, К3 – эмпирические коэффициенты. Все транспортируемые горные породы по величине Пт подразделяются на пять классов. Вместе с тем, ввиду сложности расчета, указанный показатель не нашел долж- ного практического применения. Существенным недостатком показателя Пт является то, что входящая в него продолжительность транспортирования (Т) также зависит от ком- плекса горнотехнических и дорожных условий эксплуатации. В качестве показателей оценки трудности транспортирования горной массы карь- ерными автосамосвалами различными авторами предлагались расстояние транспортиро-
  • 18.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 18С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е вания, высота подъема (спуска) горной массы, средневзвешенный уклон трассы, каче- ство дорожного покрытия, сложность трассы в плане и другие факторы в различном их сочетании [2 – 4]. Однако до настоящего времени единого комплексного показателя трудности транспортирования, который мог бы использоваться в технологических рас- четах карьерного автотранспорта, не предложено. В основу разработанной методики авторами положен энергетический принцип, поскольку расход энергии (дизельного топлива) наиболее адекватно реагирует на изме- нение условий эксплуатации технологического автотранспорта. Расход дизельного топлива автотранспортом за транспортный цикл (Qц, л) опре- деляется по формуле Qц = Qconst + Qпер, (2) где Qconst – относительно постоянная часть расхода топлива в транспортном цикле, л; Qпер – переменная часть расхода топлива, зависящая от расстояния транспортиро- вания, высоты подъема (спуска) горной массы и других горнотехнических и дорожно- транспортных условий эксплуатации, л. Qconst = Qп + Qо + Qр + Qмп + Qмр, (3) где Qп, Qо, Qр, Qмп, Qмр – расход топлива, соответственно, при погрузке автосамосвала, ожидании погрузки, разгрузке, маневровых операций при установке на погрузку и раз- грузку, л. (4) где gх – удельный расход топлива на холостом ходу двигателя (полный холостой ход), л/ч (определяется экспериментально); tп + tо – суммарная продолжительность погрузки автосамосвала и ожидания по- грузки, мин. Расход топлива при разгрузке и производстве маневровых операций определя- ется из выражения ,60/iii tgQ  (5) где Qi – расход топлива на i-ом режиме, л; gi – удельный расход топлива на i-ом режиме, л/ч; ti – длительность i-го режима, мин. ,1000/пдн  kkNgg Nii (6) где нg – удельный расход топлива при номинальной нагрузке двигателя, г/кВт∙ч; дN – номинальная мощность двигателя автосамосвала, кВт; Nik – коэффициент использования мощности двигателей на i-ом режиме (табл. 1); пk – поправочный коэффициент, учитывающий изменения gн в зависимости от ис- пользования мощности двигателя ( пk = 1,1 … 1,2); ρ – плотность дизельного топлива, кг/л. Таблица 1 Значения коэффициентов использования мощности двигателя ( Nik ) на различных режимах (экспериментальные данные) [5] Характеристика режима Nik Маневры при установке: на погрузку 0,10 – 0,12 на разгрузку 0,38 – 0,40 Разгрузка 0,06 – 0,08   ,60/oпxоп ttgQQ 
  • 19.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 19С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Переменная часть расхода топлива (Qпер, л) при движении автосамосвала по гори- зонтальной щебеночной автодороге с коэффициентом сопротивления качению ωо опре- деляется из выражения [6]:    , 367 1 т г21топрнп д г дпер    kkkkLGg QQQ (7) где г дQ – расход топлива при движении груженых самосвалов, л; п дQ – расход топлива при движении порожних самосвалов, л; G – грузоподъемность автосамосвала, т; kг – коэффициент использования грузоподъемности; т – коэффициент полезного действия трансмиссии автосамосвала; ωо – коэффициент сопротивления качению груженых автосамосвалов на автодороге со щебеночным покрытием [10]; k1 – коэффициент, учитывающий увеличение ωо при движении порожних автоса- мосвалов (k1 ≈ 1,15 … 1,20) [6]; k2 – коэффициент, учитывающий увеличение удельного расхода дизтоплива при номинальной нагрузке gн при движении порожних автосамосвалов (k2 ≈ 1,1) [6]; kт – коэффициент тары самосвала; Lпр – расстояние транспортирования (длина горизонтальной трассы), км. Формулу (7) можно применить для расчета расхода топлива по реальной трассе, если фактическую длину трассы привести к горизонтальной автодороге со щебеночным покрытием. Общую длину реальной трассы движения (L, км) можно представить в виде суммы отдельных участков (рис. 1): Рис. 1 – Схема к расчету расхода дизтоплива (8) где Lг – суммарная протяженность горизонтальных участков со щебеночным покрытием, км; Lв – суммарная протяженность временных горизонтальных участков без покрытия, км. (9) где Lг – суммарная протяженность наклонных участков с уклоном iп при движении на подъем, км; Lс – суммарная протяженность наклонных участков с уклоном iс при движении на спуск, км; Hп, Hс – высота подъема (глубина спуска) горной массы, м. ,вг LLLL i  ,1010 3 сс 3 ппсп  iHiHLLLi Lв Lг Lг Lг Lг Lв Нп L iп iп iп
  • 20.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 20С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 2 – Схема к расчету приведенного расстояния транспортирования при работе автосамосвала на подъем горной массы Приведенное расстояние транспортирования (Lпр, км) рассчитывается по фор- муле (рис. 2) [6, 7]: (10) где Эп, Эс – горизонтальные эквиваленты вертикального перемещения (подъема, спуска) горной массы, показывающие, какое расстояние транспортирование по горизонтальной автодороге со щебеночным покрытием эквивалентно по затратам энергии подъему (спуску) горной массы по наклонному участку на высоту (глубину) 1 м, м/м. Экспери- ментально-аналитические зависимости для расчета горизонтальных эквивалентов, полу- ченные на основании исследований УГГУ, представлены в табл. 2 [6]. Таблица 2 Зависимости для расчета горизонтальных эквивалентов Горизонтальные эквиваленты вертикального перемещения, м/м Подъем горной массы Спуск горной массы      г21топ погт3 п 1 Э kkkki ikkk        г21тос сот421 п 1 Э kkkki ikkkk    Примечание: k3 – коэффициент, учитывающий расход топлива при движении порожних автоса- мосвалов на спуск в тормозном режиме (k3 = 1,05…1,07); k4 – коэффициент, учитывающий расход топлива при движении груженых автосамосвалов на спуск в тормозном режиме (k4 = 1,2…1,3); iп (iс) > ωо При расчете приведенного расстояния возникает необходимость приведения участков автодорог к одному типу покрытия – базовому. В качестве базового рекомен- дуется принимать наиболее распространенное в карьерах щебеночное покрытие с коэф- фициентом сопротивления качению ωо = 0,020 … 0,025 [11,12]. В формуле (10) kпр – коэффициент приведения покрытия временных автодорог к базовому (щебеноч- ному) покрытию. ,о в опр k (11) где в оω – коэффициент сопротивления качению на временных забойных и отвальных автодорогах. Значения горизонтальных эквивалентов вертикального перемещения горной массы и коэффициентов приведения покрытий временных автодорог для автосамосвалов Cat-777D с колесной формулой 4×2 и полноприводных автосамосвалов Cat-745C в гор- нотехнических условиях Нюрбинского карьера АК «АЛРОСА» приведены в табл. 3. ,10Э10Э впр 3 сс 3 ппгпр LkНHLL   Lпр=НпЭп Lп=Нп iп -1 Нп(Эп – iп -1 ) iп Нп
  • 21.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 21С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Таблица 3 Значения горизонтальных эквивалентов и коэффициентов приведения покрытий временных автодорог Модель и грузоподъемность самосвала Значения горизонтальных эквивалентов (kг = 0,9; ωо = 0,0225) kпрЭп, м/м при iп Эс, м/м при ic 0,08 0,12 0,18 0,24 0,08 0,12 0,18 0,24 Cat-777D (G = 91т) 38,54 – – – 27,20 – – – 1,78 Cat-745С (G = 41т) 37,57 34,82 32,99 32,08 28,39 26,32 24,93 24,24 1,78 Умножив расход дизельного топлива за транспортный цикл (Qц, л) на величину 1000ρ/kгGL, где L – фактическое расстояние транспортирования в км, получим диффе- ренцированную норму расхода топлива для конкретной модели автосамосвала (Na, г/ткм):    . 1725,21000 гт г21тпрон г const a kL kkkkLg GLk Q N      (12) Обозначив L Lпр  – коэффициент сложности трассы, получим   . 1725,21000 гт г21тон г const a k kkkkg GLk Q N      (13) В горнотехнических условиях Нюрбинского карьера для автосамосвалов Cat-777D при Qconst = 2,86 л; gн = 225 г/кВт∙ч; kт = 0,71; kг = 0,9; k1 = 1,2; k2 = 1,1; ωо = 0,0225; G = 91 т; т = 0,85; ρ = 0,836 кг/л норма расхода топлива составит .80,45 19,29 a  L N (14) Сравнение фактического расхода топлива автосамосвалами Cat-777D на Нюрбин- ском карьере с расчетным показывает высокую точность предлагаемой методики прак- тически в любых диапазонах изменения горнотехнических условий эксплуатации, то есть при любой сложности трасс. Ошибка составляет 2,5–4,0 %. Для полноприводных автосамосвалов Cat-745С, применение которых предпола- гается при разработке глубоких горизонтов Нюрбинского карьера, при Qconst = 1,34 л; gн = 210 г/кВт∙ч; kт = 0,80; kг = 0,9; k1 = 1,2; k2 = 1,1; ωо = 0,0225; G = 41 т; т = 0,85; ρ = 0,836 кг/л норма расхода топлива составит .μ48,46 36,30 a  L N (15) Таким образом, линейная норма расхода топлива при прочих равных условиях для конкретной модели автосамосвала представляет собой функцию двух переменных – фак- тического расстояния транспортирования (L) и отношения приведенного расстояния к фактическому, то есть сложности трассы. Левая часть уравнений (12) – (15) отражает постоянную составляющую расхода топлива, доля которой в общем расходе за цикл уменьшается с увеличением расстояния транспортирования. Правая часть указанных уравнений отражает переменную часть расхода, которая линейно зависит от сложности трассы. Коэффициент сложности трассы (μ) показывает, во сколько раз энергозатраты при движении автосамосвала по реальной трассе протяженностью L превышают энергоза- траты при движении по горизонтальной автодороге со щебеночным покрытием такой же протяженности.
  • 22.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 22С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е В простейшем случае, когда трасса представлена участком подъема или спуска, коэффициент сложности трассы определится из следующих выражений: при работе на подъем горной массы ,Э Э пп пп пппр i iН H L L  (16) при работе на спуск .Э Э μ сс сс сспр i iН H L L  (17) В развернутом виде при работе на подъем       , 1ω ω μ г21то погт3 kkkk ikkk    (18) при работе на спуск      . 1 г21то сот421 kkkk ikkkk    (19) Если коэффициент сопротивления качению (ωi) на участке подъема (спуска) от- личается от стандартных значений на автодороге со щебеночным покрытием (ωо), то вы- ражения (18) и (19) принимают следующий вид: при движении и на подъем       , 1ω ω μ г21то пгт3 kkkk ikkk i    (20) при движении на спуск      . 1ω ω μ г21то ст421 kkkk ikkkk i    (21) Таким образом, сложность трассы определяется уклоном, сопротивлением каче- нию, зависит от коэффициента тары и коэффициента использования грузоподъемности, а также от эмпирических коэффициентов, учитывающих увеличение сопротивления ка- чению при движении порожних автосамосвалов, увеличение удельного расхода топлива при номинальной нагрузке двигателя при движении порожних автосамосвалов по гори- зонтальной дороге, расход топлива при движении автосамосвалов в тормозных режимах. Основное влияние на сложность трассы оказывает уклон автодорог (рис. 3). На рис. 4 представлена зависимость линейной нормы расхода топлива автосамо- свалов Cat-745C от расстояния транспортирования и коэффициента сложности трассы в условиях Нюрбинского карьера АК «АЛРОСА». Установлено, что объективной закономерностью для глубоких карьеров является увеличение сложности трассы с ростом глубины разработки (рис. 5). При этом макси- мальные значения коэффициентов сложности трассы для автосамосвалов с колесной формулой 4×2, работающих на руководящих уклонах iр ≤ 10…12 %, могут достигать 2,5 – 3,2. При внедрении полноприводных автосамосвалов, эксплуатирующихся на руко- водящих уклонах до 18 – 24 %, коэффициент сложности трассы увеличивается до 5 – 7 [8, 9]. Показатель сложности трассы является комплексным, объективно отражает изме- нения горнотехнических условий эксплуатации карьерного автотранспорта, имеет чис- ленное выражение, может использоваться в технологических расчетах расхода дизель- ного топлива. Этот показатель можно применить в качестве основы для систематизации условий эксплуатации технологического карьерного автотранспорта (табл. 4).
  • 23.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 23С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 3 – Зависимость коэффициента сложности трассы (μ) от уклона автодорог (iп) и коэффициента сопротивления качению (ωi) при работе автосамосвалов на подъем горной массы Рис. 4 – Зависимость нормы расхода топлива (Na, г/ткм) от расстояния транспортирования (L) и коэффициента сложности трассы (μ) (автосамосвал Cat-745C) а) б) Рис. 5 – Зависимость коэффициента сложности трассы (μ) от глубины карьеров (Нк): а) карьер «Нюрбинский»; б) карьер «Юбилейный» АК «АЛРОСА» (ПАО)
  • 24.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 24С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Все условия эксплуатации карьерного автотранспорта разделены на пять классов. В настоящее время условия эксплуатации автотранспорта на карьерах АК «АЛРОСА» (ПАО) относятся к III – IV классам (сложные и весьма сложные). Для большинства карь- еров Уральского региона характерны условия эксплуатации II – III классов (средние и сложные). К IV классу (весьма сложные) можно отнести условия эксплуатации на двух карьерах, находящихся в стадии доработки: Карагайский карьер комбината «Магнезит» и карьер «Малый Куйбас» Магнитогорского металлургического комбината. Внедрение полноприводных автосамосвалов при доработке алмазодобывающих карьеров АК «АЛРОСА» (ПАО) будет сопровождаться переходом условий к V классу (исключительно сложные) и потребует дополнительных исследований по обеспечению безопасности и эффективности эксплуатации. Таблица 4 Систематизация условий эксплуатации карьерного транспорта Класс условий эксплуата- ции Коэффици- ент сложно- сти трассы м = Lпр/L Характеристика условий эксплуатации Примечания I 1,00 – 1,50 Относительно легкие Карьеры поверхностного типа глубиной до 40 -50 м, ip ≤ 6…8 %; доля уклонов в общем расстоянии транспортирования до 40 %. Пре- имущественное использование автосамосва- лов с колесной формулой 4Ч2, на грунтах со слабой несущей способностью возможно при- менение полноприводных автосамосвалов. II 1,51 – 2,00 Средние Карьеры глубиной до 100-150 м; ip ≤ 8 %; доля уклонов в общем расстоянии транспортирова- ния до 60 %. Использование автосамосвалов с колесной формулой 4Ч2. III 2,01 – 2,50 Сложные Карьеры глубиной до 300-350 м; ip = 8…12 %; доля уклонов в общем расстоянии транспорти- рования до 70 %. Нагорные и нагорно-глубин- ные карьеры при работе автосамосвалов на спуск горной массы. Использование автосамосвалов с колесной формулой 4Ч2. IV 2,51 – 3,00 Весьма сложные Карьеры глубиной до 600 м; доля уклонов в общем расстоянии транспортирования до 80 %. Совместное использование автосамо- свалов с колесной формулой 4Ч2 в верхней и средней зонах карьера (ip = 10…12 %) и пол- ноприводных автосамосвалов в нижней зоне (ip = 18…24 %). V > 3,00 Исключительно сложные Карьеры глубиной более 600 м; доля уклонов в общем расстоянии транспортирования бо- лее 80 %. Преимущественное использование полноприводных автосамосвалов (ip = 18…24 %). Выводы В результате проведенных исследований разработана методика оценки трудности транспортирования горной массы карьерными автосамосвалами, основанная на расчете расхода дизельного топлива за транспортный цикл и приведении фактической длины трассы к условному горизонтальному расстоянию транспортирования с использованием
  • 25.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 25С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е энергетического критерия. В качестве критерия оценки трудности транспортирования обосновано использование коэффициента сложности трассы, показывающего, во сколько раз энергозатраты при движении автосамосвалов по реальной трассе превышают энергозатраты при движении по горизонтальной автодороге со щебеночным покрытием такой же протяженности. Получены расчетные формулы для определения приведенного расстояния транспортирования на основе горизонтальных эквивалентов вертикального перемещения горной массы. Проведена систематизация условий эксплуатации карьер- ного транспорта по критерию сложности трассы. Все условия разделены на пять классов (относительно легкие, средние, сложные, весьма сложные и исключительно сложные). Установлено, что в настоящее время условия эксплуатации автотранспорта на большин- стве алмазодобывающих карьеров АК «АЛРОСА» относятся к III – IV классам (слож- ные и весьма сложные μ = 2,0…3,0). Внедрение полноприводных автосамосвалов, рабо- тающих на руководящих уклонах до 18 – 24 %, будет сопровождаться переходом усло- вий эксплуатации к V классу (исключительно сложные, μ = 5,0…7,0). Методика может быть использована в проектной практике и в практике эксплуа- тации технологического карьерного автотранспорта. Литература 1. Ржевский В.В. Открытые горные работы: Производственные процессы: Учеб- ник. Изв. стереотип / В.В. Ржевский. – М.: Книжный дом «ЛИБКОМ», 2013. – 512 с. 2. Яковлев В.Л. Новые специализированные виды транспорта для горных работ / В.Л. Яковлев, П.И. Тарасов, А.Г. Журавлев. – Екатеринбург: УрО РАН, 2011. – 375 с. 3. Кармаев Г.Д. Выбор горно-транспортного оборудования циклично-поточной технологии карьеров / Г.Д. Кармаев, А.В. Глебов. – Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2012. – 296 с. 4. Углубочный комплекс для доработки кимберлитовых карьеров / В.Л. Яковлев, П.И. Тарасов, В.О. Фурин, И.В. Зырянов. – Екатеринбург: УрО РАН, 2015. – 268 с. 5. Смирнов В.П. Теория карьерного большегрузного автотранспорта / В.П. Смир- нов, Ю.И. Лель. – Екатеринбург: УрО РАН, 2002. – 355 с. 6. Совершенствование нормирования расхода топлива карьерными автосамосва- лами на основе горизонтальных эквивалентов вертикального перемещения горной массы / Ю.И. Лель, Р.Г. Салахиев, С.А. Арефьев, И.Н. Сандригайло // Изв. вузов. Горный жур- нал. – 2014. - № 2. – С. 107 - 116. 7. Галкин В.А. Горизонтальный эквивалент вертикального перемещения горной массы карьерными автосамосвалами / В.А. Галкин, Г.А. Караулов, В.Н. Сидоренко // Изв. вузов. Горный журнал. - 1983. - № 7. – С. 14 - 18. 8. Технологические схемы перехода на новые модели автосамосвалов при дора- ботке глубоких карьеров / Ю.И. Лель, А.В. Глебов, Д.Х. Ильбульдин и др. // Изв. вузов. Горный журнал. – 2015. - № 8. – С. 4 - 13. 9. Формирование рабочей зоны глубоких кимберлитовых карьеров / А.Н. Аки- шев, И.В. Зырянов, Б.Н. Заровняев, Г.В. Шубин и др. – Новосибирск: Наука, 2015. – 204 с. 10. К вопросу оценки качества карьерных автодорог / Ю.И. Лель, С.А. Арефьев, А.В. Глебов, Д.Х. Ильбульдин // Известия УГГУ. – Вып. 3(43). – С. 70 - 73. 11. Atkinson T., Walton G. Design and Layout of haul roads for surface mines. «Sur- face Mining and Quarryng/ Pap. 2nd Int. Symp. Bristol, 4-6 Oct. 1983» 12. Willimson Owen S. Haul road design for off-highway mining equipment. World Mining Equip. - 1987. - Vol. 12. - № 3. - Р. 24 - 26.
  • 26.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 26С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 621.867:004.94 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.026 Реутов Александр Алексеевич доктор технических наук, профессор, Брянский государственный технический университет, 241035, г. Брянск, бульвар 50-летия Октября, 7 e-mail: aareutov@yandex.ru ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТУПЕНЧАТОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ КОНВЕЙЕРА Reutov Alexander A. Doctor of technical sciences, professor, The Bryansk State Technical University, 241035, Bryansk, 7 bul. 50years of October e-mail: aareutov@yandex.ru SIMULATION OF THE CONVEYOR SPEED STEP CONTROL Аннотация: Рассмотрено моделирование процесса ступен- чатого регулирования скорости конвейера с ис- пользованием программ Mathcad, Simulink. По- казано, что общие статистические характери- стики грузопотоков можно использовать лишь для ориентировочной оценки значений скоро- стей ступеней Vi. Для более точного определе- ния значений Vi необходимо моделировать про- цесс регулирования скорости конвейера с реаль- ными значениями грузопотока за рабочую смену или за сутки. Получены аналитические зависи- мости для вычисления оптимальных значений скорости конвейера через статистическую оценку грузопотока за период наблюдения. Рассмотрен пример имитационного моделиро- вания с применением программы Mathcad. С ис- пользованием линейной интерполяции 104 значе- ний грузопотока и операторов программирова- ния вычислены значения Vср и Nп для двух-, трех- и четырехступенчатых режимов регулирова- ния. Результаты работы могут использоваться при проектировании регулируемого привода лен- точных конвейеров. Ключевые слова: грузопоток, конвейер, ступен- чатое регулирование скорости, алгоритм регу- лирования, имитационное моделирование, Mathcad, Simulink Abstract: The possibilities of step control conveyor speed sim- ulation within Mathcad and Simulink software are considered in the article.. General statistical param- eters of the conveyor load can be used for a rough estimation of the speed step values only. To check the efficiency of the control algorithms and to deter- mine the characteristics of the control system more accurately it is necessary to simulate the process of speed control with real values of traffic for a work shift or for a day. The analytical formulas for opti- mal speed step values were obtained using empirical values of load. The simulation example within Mathcad software is considered. The values of Vср and Nп for two-step, three-step and four-step control regimes were calculated with linear interpolation of 104 load data and the use of Mathcad programming operators. Work results can be applied during the design of belt conveyors with adjustable drives. Key words: load flow, conveyor, the stepped speed regulation, an algorithm of regulation, simulation, Mathcad, Simulink Введение При проектировании конвейеров горных предприятий необходимо учитывать, что поступающий на конвейер грузопоток изменяется в течение времени. Характери- стики грузопотоков, поступающих на конвейеры горных предприятий, измерялись со- трудниками ИГД им. А.А. Скочинского, НИИКМА им. Л.Д. Шевякова и других органи- заций. По результатам статистической обработки эмпирических данных грузопотоков были разработаны методики расчета оптимальных параметров конвейеров и бункеров, обеспечивающих минимальные эксплуатационные расходы. В [1] отмечено, что вследствие неравномерной работы очистного оборудования участковый конвейер значительную часть времени работает с неполной загрузкой. По- этому предложено выбирать участковый конвейер с учетом коэффициента машинного времени добывающего оборудования и коэффициента неравномерности грузопотока. Приведенные эмпирические значения минутного грузопотока Qм, т. е. массы груза, по- ступающего на конвейер за одну минуту, показывают изменение Qм от 2 до 5 т/мин в течение 9 минут.
  • 27.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 27С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Снижение загрузки конвейера ведет к гиперболическому увеличению удельных энергозатрат  на транспортирование. Так, работа конвейера с 25-процентной загрузкой увеличивает  на 160 % по сравнению с номинальной загрузкой [2]. При скорости ленты, например, 2,5 м/с за одну минуту происходит загрузка 150 м ленты конвейера, поэтому для оценки загруженности ленты и отсутствия просыпей необ- ходимо использовать эмпирические значения грузопотока за более короткий промежу- ток времени. Характеристики минутных грузопотоков пригодны для расчетов конвейе- ров с загрузочным бункером, оборудованным питателем. В ряде случаев установка за- грузочного бункера конвейера невозможна или требует существенных капитальных за- трат. Для анализа безбункерной загрузки конвейеров необходимы значения грузопотока Qс за время tQ = 1…3 с. Обработка результатов замеров забойных грузопотоков угольных шахт показала, что коэффициент вариации Qс достигает величины 0,73 при tQ = 1,2 с [3]. Целью исследования является разработка имитационных моделей для проверки работоспособности алгоритмов и определения параметров управления скоростью кон- вейера с учетом поступающего грузопотока. Возможности регулирования скорости конвейера Важным способом снижения эксплуатационных расходов является регулирова- ние скорости конвейера в соответствии с фактическим грузопотоком. Регулирование скорости конвейеров не получило ранее широкого распространения на горных предпри- ятиях из-за недостаточной надежности и эффективности регулирующей аппаратуры. Многоскоростные асинхронные электродвигатели позволяют дискретно изменять скорость конвейера. Их применение обеспечивает движения грузонесущего органа с не- сколькими фиксированными скоростями, однако согласовать скорости электродвигателя с необходимыми скоростями конвейера практически невозможно. Кроме того, переклю- чение скоростей сопровождается вредными электромагнитными и механическими про- цессами в приводе конвейера. Новые возможности регулирования появились с созданием полупроводниковых устройств регулирования электроприводов, которые позволяют регулировать в широком диапазоне частоту вращения и электромагнитный момент электродвигателя. Поступающий на конвейер грузопоток изменяется почти непрерывно. Если устройство регулирования также изменяет скорость конвейера непрерывно в соответ- ствии с изменением Qc, то конвейер постоянно работает в переходном динамическом ре- жиме с повышенным износом и энергозатратами. Ступенчатое регулирование скорости сокращает количество и время переходных динамических процессов, повышает эффек- тивность работы конвейера за счет обеспечения полной загрузки ленты без просыпания груза, уменьшения потерь энергии и износа узлов конвейера [4]. При проектировании конвейеров используют большое количество критериев [5]. Для выбора оптимального количества ступеней и соответствующих им значений скоро- сти в качестве критериев можно использовать энергопотребление конвейера или приве- денную стоимость транспортировки. Однако рассчитать эти показатели с приемлемой точностью трудоемко. В качестве критерия эффективности регулирования скорости кон- вейера лучше использовать среднее значение скорости или путь, пройденный лентой, за установленное время. В [6] приведены зависимости для расчета значений скорости ступеней Vi для ста- ционарного нормального случайного процесса изменения Qс. Однако многие исследова- тели отмечают, что во многих случаях забойные грузопотоки не являются ни стационар- ными, ни нормальными случайными процессами [7]. Поэтому общие статистические ха- рактеристики грузопотоков можно использовать лишь для ориентировочной оценки зна- чений Vi. Для более точного определения значений Vi необходимо моделирование про- цесса регулирования скорости с реальными значениями грузопотока Qc за установлен-
  • 28.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 28С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е ное время. Для горных предприятий с учетом технологии добычи необходимо использо- вать значения грузопотока Qc за рабочую смену или за сутки. Результаты замеров грузо- потока и мощности привода магистрального ленточного конвейера 2ЛУ120 в течение 4 суток на шахте «Должанская-Капитальная» представлены в [8]. Расчетное значение средней скорости mV зависит от ожидаемой относительной длительности Pi работы конвейера со скоростью i-ой ступени Vi: ;;2211 nnV PVPVPVm   ,1 1   SN i iP (1) где NS – количество ступеней регулирования. Скорость i-ой ступени Vi выразим через величину номинальной погонной нагрузки  и значение грузопотока Qi , соответствующего i-ой ступени: ./ ii QV Величина номинальной погонной нагрузки  является конструктивной характе- ристикой конвейера и обеспечивает его нормальную работу без просыпания груза:  = Qn /Vn , где Qn и Vn – номинальные значения производительности и скорости конвейера. Величины Pi могут быть вычислены через статистическую оценку p(x) суммарной длительности грузопотока Qc = x за период наблюдения (то есть через статистическую плотность распределения величины Qc): ;)( 1 dxxpP i i Q Q i    i = 1, …, NS. Необходимое условие минимума средней скорости mV имеет следующий вид: ,0   i V Q m i = 1, …, NS -1. (2) Если система управления не останавливает конвейер при Qc = 0, а лишь снижает скорость до значения V0, то уравнение (1) принимает вид: )1( 1102 2 1 1 00  nnV PPPVP Q P Q PVm   . Имитационное моделирование с использованием Mathcad Целью имитационного моделирования процесса регулирования скорости конвей- ера является проверка работоспособности алгоритма, определение оптимальных пара- метров регулирования, соответствующих характеристикам поступающего на ленту гру- зопотока Qс , например, определение оптимального количества ступеней регулирования и соответствующих им значений производительности. В качестве критериев эффективности регулирования примем среднее значение скорости Vср и количество переключений скорости Nп за время моделирования. Исходными данными для имитационного моделирования являются эмпирические данные замеров грузопотока Qc. При tQ = 1 с только за одну восьмичасовую рабочую смену результаты замеров включают 28800 значений Qc. Программная обработка таких больших массивов данных возможна с использованием математических программ Mathcad, Matlab или программ, специально написанных для данной задачи на одном из алгоритмических языков. Рассмотрим пример имитационного моделирования процесса регулирования ско- рости конвейера с использованием программы Mathcad. В качестве исходных данных использованы 104 значения Qс с математическим ожиданием 28,8 кг/с и средним квад- ратичным отклонением 14,2 кг/с. Максимальные значения Qс достигают 50 кг/с, что со- ответствует теоретической производительности конвейера 180 т/ч tQ = 3 c.
  • 29.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 29С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е С использованием линейной интерполяции дискретных значений Qс и операторов программирования вычислены значения Vср и Nп для двух-, трех- и четырехступенчатых режимов регулирования при номинальной скорости Vn = 2,5 м/с. В табл. 1 приведены рассчитанные значения Vср и Nп для оптимальных значений скорости ступеней Vi (i = 0…NS), рассчитанных по уравнениям (2). Таблица 1 Результаты моделирования NS Vi / Vn Vср, м/с Nп 2 0,125; 0,66; 1 1,96 11 3 0,125; 0,3; 0,66; 1 1,79 16 4 0,125; 0,25; 0,6; 0,75, 1 1,74 24 Количество значений отношения скоростей Vi/Vn в таблице на единицу превышает NS, так как в модели принято V0 = Vn/8 при Qс = 0. На рис. 1 приведены графики рассмотренного примера изменения поступающего грузопотока Qс и скорости конвейера во времени. Для приведения к одному масштабу значения Qс на графике умножены на 0,05, т. е. масштаб по оси ординат для Qс – 1:20 кг/с. Vtwo, Vthree, Vfour – скорость конвейера (м/с) при двухступенчатом, трехступенчатом и четырехступенчатом регулировании. Для использованных в примере исходных данных наиболее заметно Vср снижается при двух- и трехступенчатом регулировании. Четырехступенчатый режим снижает Vср лишь на 2,9 % по сравнению с трехступенчатым при заметном увеличении Nп на 53 %. а б Z Рис. 1 – Графики изменения грузопотока Qс (кг/с) и скорости конвейера (м/с) во времени t (с): а – двухступенчатое регулирование, б – трех- и четырехступенчатое регулирование В рассмотренном примере значения скоростей ступеней Vi остаются неизмен- ными, а в [9] предложен способ ступенчатого регулирования скорости ленты конвейера, в котором количество ступеней регулирования и скорости ступеней Vi принимают раз- ные значения при возрастании и снижении грузопотока. Инкрементный алгоритм регулирования скорости ленты конвейера Способ [9] включает постоянное измерение фактической скорости ленты путем управления приводом конвейера в местах загрузки и поступающего грузопотока. При- емная способность конвейера qout (кг/с) зависит от текущей скорости V ленты в месте загрузки и номинальной погонной нагрузки  (кг/м) конвейера (qout = V). Скорость ленты увеличивают на величину q1/ в течение времени t1, если посту- пающий грузопоток Qс превышает приемную способность конвейера qout; или умень-
  • 30.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 30С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е шают скорость ленты на величину q2/ в течение времени t2, если поступающий гру- зопоток Qс меньше приемной способности конвейера qout на величину q2; или оставляют скорость ленты без изменения, если величина поступающего грузопотока Qс находится в диапазоне значений от qout – q2 до qout; или прекращают загрузку конвейера без изме- нения скорости ленты, если поступающий грузопоток Qс превышает максимальную при- емную способность конвейера Qmax. Здесь q1, q2 – отношение номинальной производительности конвейера Qn к вы- бранному количеству ступеней регулирования при увеличении и снижении скорости ленты. Интервалы времени t1 и t2 необходимы для плавного изменения скорости. Если а1 и а2 – допустимые ускорение и замедление ленты, то t1  q1/а1 , t2  q2/а2. Имитационная модель инкрементного алгоритма регулирования скорости разра- ботана в среде Simulink с использованием блоков «From File», «Scope», «HitCrossing», «Unit Delay», «Saturation», «Stop Simulation» и др. для трехступенчатого режима увели- чения скорости V ленты от начального значения V0 до номинального значения Vn и двух- ступенчатого режима снижения скорости V ленты от Vn до V0. При этом q1 = Qn /3, а q2 = Qn /2. Трехступенчатый режим увеличения скорости позволяет увеличивать скорость V ленты на величину инкремента 1 = (Vn – V0)/3. Двухступенчатый режим снижения скорости позволяет уменьшать скорость ленты на величину инкремента 2 = (Vn – V0)/2. Большее количество ступеней при увеличении скорости и меньшее при снижении позво- ляют плавно увеличивать скорость и снизить количество переключений при снижении грузопотока. Результаты моделирования для 104 значений Qс рассмотренного выше примера приведены на рис. 2. а б Рис. 2 – Схема модели (а) и графики (б) изменения грузопотока Qс и скорости V конвей- ера, полученные с использованием Simulink (масштаб по оси абсцисс для t – 1:1 с; масштаб по оси ординат для Qс – 1:50 кг/с, для V – 1:2,5 м/с) Модель включает 3 блока «HitCrossing» (Cross zero rising, Cross First rising, Cross Second rising), соответствующие трем ступеням возрастания Qс и 2 блока «HitCrossing» (Cross zero falling, Cross Second falling), соответствующие двум ступеням снижения Qс (см. рис. 2). Параметры блоков «HitCrossing» настроены так, что переключение ступеней происходит, если Qс = {0, Qn/3, 2Qn/3} при возрастании грузопотока и Qс = {Qn/2, 0} при снижении грузопотока. Блок «Stop Simulation» контролирует превышение максимальной приемной способности конвейера и останавливает моделирование, если Qс > Qmax .
  • 31.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 31С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Уменьшение количества ступеней регулирования при снижении грузопотока поз- волило сократить по сравнению с полностью трехступенчатым режимом (см. рис. 1б) количество переключений до 12 и незначительно увеличило Vср до 2,03 м/с. То есть ко- личество переключений сократилось в 1,54 раза, средняя скорость увеличилась на 12,8 % (см. табл. 1). Имитационное моделирование инкрементного алгоритма регулирования пока- зало возможность управления плавностью изменения скорости конвейера при монотон- ном изменении грузопотока. Однако осцилляции величины Qс около значений ступеней приводят к необоснованному завышению или занижению скорости конвейера. Рассмотренные подходы к имитационному моделированию применимы не только для конвейерного транспорта, но и для экскаваторно-автомобильных комплексов карье- ров [10]. Они позволяют оценить эффективность диспетчерского алгоритма, определить путь повышения производительности. Заключение Эффективным способом снижения эксплуатационных расходов конвейерного транспорта является регулирование скорости конвейера в соответствии с фактическим грузопотоком. Вероятностные методы расчета характеристик процессов загрузки и регулирова- ния скорости конвейера не позволяют получать результаты с достаточной для практиче- ского использования точностью из-за сложности формального описания грузопотоков горных предприятий. Для проверки работоспособности алгоритмов регулирования и бо- лее точного определения характеристик системы регулирования необходимо имитаци- онное моделирование процесса регулирования скорости с реальными значениями грузо- потока за рабочую смену или за сутки. Характеристики минутных грузопотоков при- годны для расчетов конвейеров с загрузочным бункером, а для анализа безбункерной загрузки конвейеров необходимы значения грузопотока за время 1…3 с. С учетом больших объемов эмпирических данных замеров грузопотоков имита- ционное моделирование регулирования скорости конвейера с использованием программ Mathcad, Simulink позволяет определить характеристики системы регулирования с при- емлемой точностью и трудозатратами. Рассмотренный пример моделирования показал, что среднее значение скорости конвейера Vср наиболее заметно снижается при двух- и трехступенчатом регулировании. Дальнейшее увеличение количества ступеней регулирования незначительно снижает Vср по сравнению с трехступенчатым, но заметно увеличивает интенсивность переключений скорости. Инкрементный алгоритм использует разное количество ступеней регулирования при возрастании и снижении грузопотока и позволяет управлять интенсивностью пере- ключения ступеней регулирования скорости конвейера. Имитационное моделирование инкрементного алгоритма регулирования в среде Simulink показало возможность управ- ления интенсивностью переключений ступеней регулирования скорости конвейера при монотонном изменении грузопотока. Однако осцилляции величины грузопотока около значений ступеней приводят к необоснованному завышению или занижению скорости. Литература 1. Гудалов В.П. Выбор ленточных конвейеров для транспортирования угля из очистных забоев / В.П. Гудалов // Шахтный и карьерный транспорт. Вып. 2. - М.: Недра, 1975. - C. 80 – 86. 2. Semenchenko A. The impact of an uneven loading of a belt conveyor on the loading of drive motors and energy consumption in transportation/ A. Semenchenko, M. Stadnik, P. Be- litsky, D. Semenchenko, O. Stepanenko// Eastern-European Journal of Enterprise Technolo- gies. Issue 4/1 (82). - 2016. - Р. 42 –51.
  • 32.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 32С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е 3. Пономаренко В.А. Исследование внутриминутных характеристик забойных грузопотоков / В.А. Пономаренко, Е.Л. Креймер // Шахтный и карьерный транспорт. Вып. 4. - М.: Недра, 1978. - C. 27 – 33. 4. Реутов А.А. Обеспечение загрузки конвейеров с регулируемой скоростью ленты / А.А. Реутов // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2005. - № 3 (7). - C. 4 – 6. 5. Реутов А.А. Основы автоматизации проектирования машин / А.А. Реутов. – Брянск: Изд-во Брянского государственного технического университета, 2013. - C. 44 – 48. 6. Шахмейстер Л.Г. Вероятностные методы расчета транспортирующих машин / Л.Г. Шахмейстер, В.Г. Дмитриев. - М.: Машиностроение, 1983. - C. 100 – 114. 7. Мерцалов Р.В. Обобщение статистики о неравномерности забойных грузопото- ков на угольных шахтах / Р.В. Мерцалов // Шахтный и карьерный транспорт. Вып. 9. - М.: Недра, 1984. - C. 5 – 13. 8. Кондрахин В.П. Статистический анализ эксплуатационных параметров шахт- ного ленточного конвейера / В.П. Кондрахин, Н.И. Стадник, П.В. Белицкий // Науковi працi Донецького нацiонального технiчного унiверситету. Серiя: Гiрничо-електроме- ханiчна. - 2013. -№ 2 (26). - С. 140 – 150. 9. Пат. 2600404 Российская Федерация, МПК B65G 43/08. Способ регулирования скорости ленты конвейера / А.А. Реутов. - № 2015144201/11; заявл. 14.10.2015, опубл. 20.10.2016. Бюл. № 29. 10. Захаров А.Ю. Алгоритм оперативной диспетчеризации карьерного автотранс- порта / А.Ю. Захаров, А.Ю. Воронов // Вестник Кузбасского государственного техниче- ского университета. - 2012. - № 5 (93)
  • 33.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е ГЕОМЕХАНИКА
  • 34.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 34С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК [622.1:528 + 550.3]:624.131.1 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.034 Далатказин Тимур Шавкатович кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории сдвижения горных пород, Институт горного дела УрО РАН, 620075, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: 9043846175@mail.ru ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОПОЛЗНЕЙ В КОРШУНОВСКОМ КАРЬЕРЕ Dalatkazin. Timur Sh. candidate of technical sciences, The Institute of Mining UB RAS 620075, Yekaterinburg, 58 Mamin-Sibiryak st. e-mail: 9043846175@mail.ru FORMING LANDSLIDES RESEARCHES IN THEKORSHUNOVSKY OPEN PIT Аннотация: По мере повышения интенсивности освоения верхней части земной коры наблюдается рост количества аварийных деформаций горного мас- сива на ответственных объектах недропользо- вания, что определяет необходимость пере- смотра идеологии проектирования, инженерно- геологических изысканий, внедрения в традици- онный комплекс диагностики современных, раз- работанных на основании новых фундаменталь- ных научных знаний методов исследований. Рас- смотрены результаты инженерно-геологиче- ских исследований горного массива Северного борта Коршуновского карьера, где десятилети- ями происходили оползневые процессы, причины которых оставались неразгаданными. Комплекс диагностики, разработанный на основе синерге- тического подхода к изучаемому вопросу, и ис- следование геодинамической ситуации с исполь- зованием современных научных технологий поз- волили определить механизм формирования оползней и путь решения проблемы. Ключевые слова: синергетика, самоорганизация, современная геодинамика, горный массив, опол- зень, разрывное нарушение, тиксотропия Abstract: In the process of increasing the intensity of Crust top of the top layer development the growth of emer- gency deformations rock mass number on responsi- ble subsurface use objects is observed that defines the need in engineering-geological researches ide- ology revision, introducing modern methods of re- searches in terms of new fundamental scientific knowledge into traditional complex diagnostics. The results of engineering-geological researches of rock mass in the Korshunovsky pit Northern board, where the reasons of constant landslide processes remained unknown. Mechanism of landslides formation and problem solution have been defined owing to studying rock mass in terms of synergetric principles basis appli- cating up-to-date methods of researches. Keywords: synergetrics, self-organization, modern geo-dynamics, rock mass, landslide, explosive vio- lation, thixotropy Введение Опыт исследований неожиданных деформаций горного массива на объектах недропользования, как правило, выявляет синергизм формирования механизма подго- товки и реализации аварийного события. Слово синергетика происходит от латинского слова «sinergia», которое означает совместное взаимодействие. Сегодня синергетику по- нимают как междисциплинарное знание, совокупность знаний о закономерностях само- организации, нелинейности, хаосе и порядке при изучении объектов, являющихся откры- тыми системами, взаимодействующими между собой и окружающей средой путем об- мена энергией, информацией, веществом. Синергетика также изучает взаимосвязи раз- личных факторов, определяющих процесс эволюции объекта, называемого самооргани- зацией [1]. Использование принципов синергетики и новейших методов исследования в повседневной практике изысканий позволит существенно повысить качество инже- нерно-геологического прогнозирования. Показательным примером с точки зрения прикладного использования принципов синергетики в инженерной геологии являются исследования процесса оползнеобразова-
  • 35.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 35С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е ния в Коршуновском карьере одноименного железорудного месторождения. Здесь, в се- веро-западном борту карьера, периодически, начиная с 1975 года, происходят крупные оползни при углах наклона борта 22º. По всем расчетным оценкам скальные осадочные породы, слагающие этот борт, должны обеспечивать его устойчивость при углах 28 – 30º с нормативным запасом устойчивости 1,3. Взаимосвязь оползнеобразования с временами года отсутствует. Многочисленные исследования, выполненные по всем правилам тра- диционными методами, так и не раскрыли причины и механизм оползнеобразования. В 2007 г. Институтом горного дела УрО РАН под руководством А.Д. Сашурина выполнена комплексная, разработанная на принципах синергетики структурно-геодина- мическая диагностика, по результатам которой был наконец определен механизм фор- мирования оползневого процесса и пути борьбы с ним. Геологические условия оползневого участка Коршуновского карьера Оползнеопасный участок расположен на Северном борту Коршуновского карь- ера в зоне широтного разлома мощностью около 500 м. Северный борт Коршуновского карьера в верхней и средней частях сложен слои- стыми породами усть-кутской и верхоленской свит, а в нижней части – туфогенными образованиями. Породы усть-кутской свиты представлены чередующимися пачками толстослои- стых известняков, известняковых песчаников и тонкоплитчатых разновидностей этих пород с прослоями алевролитов, аргиллитов, мергелей, глин. Отмечаются скарнирован- ные жилы. В основании породы усть-кутской свиты имеют более низкие прочностные характеристики, чем вверху. Породы усть-кутской свиты залегают с углом падения 10 – 12º в сторону выработанного пространства карьера. На контуре карьера в нагорной части их мощность составляет 80 – 90 м (рис. 1). Средняя часть Северного борта сложена породами верхоленской свиты: аргилли- тами, алевролитами и мелкозернистыми песчаниками. В нижней части Северного борта залегают в основном туфогенные образования. В тектонических зонах породы разру- шены до состояния дресвы, брекчии, глины. Глины отмечаются по всему разрезу Северного борта. Они заполняют межблоч- ное пространство. Вещественный состав глин определяет их особенности и принципи- ально важен. По данным В.Г. Зотеева, на Коршуновском месторождении глинистая фракция выветрелых пород представлена монтмориллонитом и гидрослюдами. Характерным признаком минералов монтмориллонитовой группы (m{Mg3[Si4O10][OH]2}·p{Al,Fe)2[Si4O10][OH]2}·n H2O) является переменное содержание в них воды, сильно изменяющееся в зависимости от влажности окружающей среды. Вода легко проникает в кристаллическую решетку монтмориллонита, раздвигает ее и обуслов- ливает сильную его набухаемость. Гидрослюды являются промежуточным продуктом выветривания слюд. Разруше- ние кристаллической решетки слюд (на примере мусковита K Al2 (OH) 2Al Si3 O10) происходит по схеме замещения ионов калия (К+1) на связанные молекулы воды (Н2О). Кристаллическая структура гидрослюды незначительно отлича- ется от структуры слюды и является переходной к структуре монтмориллонита. Имеет место переслаивание пакетов слюд с пакетами монтмориллонита. Молекулы Н2О располагаются в межпакетных пространствах, т. е. проникают вдоль плоскостей, разграничивающих плоские пакеты кристаллической структуры. Каж- дый пакет с обеих сторон на внешних плоскостях содержит гидроксильные ионы и, сле- довательно, пакеты примыкают друг к другу по поверхностям. Поэтому при проникно- вении воды происходит раздвижение этих пакетов. При этом межплоскостные расстоя- ния кристаллической решетки могут колебаться в значительных пределах – от 9,6 до 28,4 ангстрем в зависимости от количества молекул Н2О, участвующих в кристалличе- ской структуре минерала.
  • 36.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 36С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Таким образом, характерным признаком для монтмориллонита и гидрослюд яв- ляется переменное содержание в них воды, сильно изменяющееся в зависимости от влажности окружающей среды: из-за особенности строения кристаллической решетки монтмориллонит и гидрослюды очень гидрофильны и, как следствие, тиксотропны. Под тиксотропией понимается физико-химическое явление, возникающее в дисперсных по- родах и выражающееся в их разжижении и практически полной потере прочности под влиянием внешних динамических воздействий и быстром восстановлении прочности при снятии внешних воздействий. Такие обратимые явления характерны для пород, об- ладающих структурными связями, обусловленными непосредственным взаимодей- ствием частиц и агрегатов между собой. Эти связи отличаются малой прочностью, мо- бильностью и обратимостью. Степень тиксотропного разупрочнения зависит от внешних и внутренних факторов. К внешним факторам относятся параметры динамического воз- действия на горный массив. К внутренним факторам относятся дисперсность породы, ее минеральный состав и влажность. Тиксотропия проявляется под воздействием современ- ных геодинамических процессов, взрывов, движения транспорта и т.д. [2, 3, 4]. В Северном борту карьера находится гидротехнический тоннель, по которому из карьерного поля отведена река Коршуниха. При обследовании тоннеля было установ- лено, что монолитная железобетонная крепь на участке разломной зоны трещинами раз- рыва разбита на отдельные секции длиной 7 – 10 м, из которых в тоннельное простран- ство поступают подземные воды, иногда фонтанируя под давлением. Это свидетель- ствует о высокой степени геодинамической активности разломной зоны. По сведениям Н.И. Ермакова, очевидцы, непосредственно наблюдавшие оползни Северного борта карьера Коршуновского месторождения, отмечали, что они, по сути, являлись селями [5]. Для селеобразования определяющее значение имеют тиксотроп- ность и плывунчатость горных пород. Методы исследований Л а б о р а т о р н ы м и и с п ы т а н и я м и с использованием пенетрометра Разоре- нова установлено, что глинистые породы горного массива оползневой зоны (гор. 345) и тела оползня при влажности от 20 до 40 % проявляют тиксотропные свойства с коэффи- циентами чувствительности от 1,05 до 1,97. Результаты испытаний приведены в табл. 1. Порода считается тиксотропной при значении величины тиксотропного упрочнения больше 1. Лабораторные испытания показали, что уже при влажности 0,200 д.е. порода, отобранная из оползня (переотложенный алеврит) обладает тиксотропными свойствами (величина тиксотропного упрочнения 1,96). Кроме того, проба № 1 при заданной влажности 0,4 д.е. приобрела свойства плы- вуна. Даже при незначительном встряхивании наблюдалось разжижение породы. Г е о ф и з и ч е с к и е и с с л е д о в а н и я структурных особенностей массива се- веро-западного борта выполнены с использованием методов ССП (спектральное сей- смопрофилирование) геоэлектрическим методом в варианте срединного градиента [6, 7] . С целью выявления подвижных разрывных структур и предварительного геодинамиче- ского районирования была выполнена эманационная радоновая съемка. Радонометрия обладает уникальными для геодинамической диагностики возмож- ностями, поскольку, согласно современным научным представлениям, геодинамическая активность участвует в формировании поля радоновых эманаций. При этом радономет- рия фиксирует весь частотный диапазон современной геодинамической активности. Ос- новными геодинамическими факторами формирования поля радоновых эманаций явля- ются – разрыхление и разуплотнение пород, образование новых трещин, подновление и расширение уже существующих за счет современной геодинамической активности; – активизация процесса эманирования радона в результате вибровоздействия на гор- ные породы, вызванного полем напряжений в массиве.
  • 37.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 37С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Таким образом, интенсивность выделения радона определяется степенью совре- менной геодинамической активности. Это позволяет использовать поле радоновых эма- наций для обнаружения подвижных разрывных нарушений и районирования горного массива по степени современной геодинамической активности [8, 9, 10]. Таблица 1 Результаты лабораторных испытаний тиксотропных свойств пород № проб ы Место отбора пробы Влажность, W, д.е. Плотность породы, p, г/см3 Удельное сопротивление пенетрации, мгновенное, кг/см2 Удельное сопротивление пенетрации через 10 суток, кг/см2 Величина тиксотропного упрочнения 1 Северо- западный борт, гор. 345 0,304 1,94 0,20 0,21 1,05 2 Северо- западный борт, гор. 345 0,341 1,71 0,30 0,59 1,97 3 Из оползня 0,391 1,69 0,19 0,20 1,05 4 Из оползня 0,360 1,77 0,34 0,64 1,88 5 Из оползня 0,315 1,85 0,14 0,23 1,64 6 Из оползня 0,200 1,85 0,26 0,51 1,96 Примечание. Испытания проводились из отсева фракции менее 2 мм при заданной влажности Согласно результатам радонометрических исследований в варианте эманацион- ной съемки в оползневой зоне были выявлены две подвижные системы разрывных нару- шений: – с азимутом простирания 355о ; – с азимутом простирания 11о (рис. 1). Рис. 1 – Результаты радонометрических исследований на Северном борту Коршуновского карьера
  • 38.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 38С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Согласно результатам электроразведки и спектрального сейсмопрофилирования массив горных пород в оползневой зоне имеет блочную структуру. Межблочные шовные зоны заполнены выветрелыми до глинистого состояния породами. Наблюдения с применением технологий спутниковой геодезии GPS в районе оползневой зоны показали высокий уровень современной геодинамической активности. Исследованиями последних десятилетий выявлены два вида современных геоди- намических движений – трендовые и цикличные, которые придают массиву горных по- род земной поверхности постоянную подвижность, выступающую как естественная форма существования геологической среды. Относительное перемещение блоков происходит по разрывным нарушениям. Трендовые движения сохраняют на относительно продолжительных промежутках времени направление и скорость смещения. Трендовые движения, укладывающиеся в продолжительные геологические и исторические временные рамки, известны давно [11, 12, 13]. Работами Ю.О. Кузьмина (Институт физики Земли РАН) выявлены цикличные геодинамические движения. Цикличные движения имеют периодические знакоперемен- ные изменения направления движения и характеризуются частотой циклов и амплитудой перемещения в цикле [14]. В районе Северного борта Коршуновского карьера короткопериодные цикличные геодинамические движения вызывают до 20 – 25 цикличных нагружений массива в час с амплитудами 0,2 – 0,3 МПа. Длиннопериодные цикличные геодинамические движения обусловливают здесь изменения напряжений в массиве за годичный цикл до 0,3 – 0,5 МПа. А за 30-летний период изменения напряжений достигают 2 – 3 МПа. Анализ гидрогеологической ситуации исследуемого массива показал, что на участке Северного борта сформировались условия для переувлажнения глинистых, ха- рактеризующихся склонностью к проявлению тиксотропии пород, межблоковых шов- ных зон горизонтальной и вертикальной ориентировки залегания. Результаты исследований По результатам комплексной диагностики была подтверждена гипотеза меха- низма оползнеобразования, наблюдаемого в пределах Северного борта карьера. Под вли- янием современных короткопериодных геодинамических движений переувлажненные, характеризующиеся тиксотропным разупрочнением глинистые породы, заполняющие межблоковые пространства, находятся в неустойчивом, потенциально текучем состоя- нии. Далее длиннопериодные цикличные нагружения в определенный момент, когда па- раметры системы приобретают «благоприятные» значения, в так называемой точке би- фуркации переводят подготовленный массив в селеобразные оплывины. Понятие бифур- кация происходит от латинского «бифуркус» – развилка, двузубый. В точке бифуркации происходит изменение стратегии развития. Таким образом, оползнеобразование на Северном борту Коршуновского карьера определяют три фактора: 1. Увлажнение глинистых, склонных к тиксотропному разупрочнению глини- стых пород. 2. Воздействие на массив короткопериодных цикличных геодинамических нагру- зок, поддерживающих глинистые, гидрослюдисто-монтмориллонитовые породы в не- устойчивом состоянии. 3. Периодические длиннопериодные цикличные геодинамические движения, как спусковой механизм, вызывают сползание подготовленного массива в виде масштаб- ных оплывин. Природа перечисленных факторов, формирующих оползневые процессы в Кор- шуновском карьере, позволяет реально воздействовать только на гидрогеологический режим с целью уменьшения увлажнения глинистых пород.
  • 39.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 39С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Выводы В качестве причин оползней и обрушений предыдущими исследователями опре- делялись все возможные факторы, сопровождающие рассматриваемую ситуацию, от структуры и свойств пород, слагающих оползневой участок, до техногенного увлажне- ния и воздействия массовых взрывов. Безусловно, все они имеют место и на проблемном участке, и на любом другом участке бортов карьера. Но ни один из приведенных факто- ров сам по себе не является единственно определяющим. Так, рекомендованные меры по стабилизации оползневого участка – приведение углов откоса борта и его уступов в со- ответствие с конкретными условиями данного участка (структурой, физико-механиче- скими свойствами и др.); сооружение нагорной канавы для предотвращения увлажнения от ливневых и паводковых вод; проведение гидроизоляции трещин в нагорной части борта, препятствующей проникновению воды в массив; применение специальной техно- логии взрывных работ в приконтурной зоне, снижающей действие взрывов на массив пород законтурной области и др., не решили существа проблемы. Использование принципов синергетики при анализе реальностей существования изучаемого массива как сложной и открытой системы, находящейся в процессе самоор- ганизации, основанном на постоянном стремлении к устойчивому состоянию, опреде- лило гипотезу механизма оползнеобразования в Коршуновском карьере и конкретный междисциплинарный состав комплекса примененной диагностики. Использование тра- диционных и современных научных методов исследований, разработанных на основе но- вейших фундаментальных знаний о процессах, происходящих в горном массиве, позво- лило подтвердить гипотезу механизма оползнеобразования на объекте исследований и пути борьбы с этой хронической многолетней проблемой. Литература 1. Андреев А.А. Философские аспекты синергетики / А.А. Андреев // Вестник Южно-Уральского государственного университета. – 2008. - Вып. № 21(121). 2. Ломтадзе В.Д. Инженерная геология. Инженерная петрология / В.Д. Ломтадзе. - Л.: Недра, 1970. – 528 с. 3. Бетехтин А.Г. Курс минералогии / А.Г. Бетехтин // ГНТИ литературы по геоло- гии и охране недр. – М., 1956. – 558 с. 4. Далатказин Т.Ш. Литологические особенности горного массива г. Березовский в прогнозе активизации процесса сдвижения горных пород в случае затопления подзем- ного рудника / Т.Ш. Далатказин // Проблемы недропользования [Электронный ресурс]: рецензируемое сетевое периодическое научное издание / ИГД УрО РАН. – 2016. - № 3(10). - С. 5 – 8. Режим доступа: //trud.igduran.ru 5. Роль тектонических деформаций породного массива в формировании оползне- вых явлений на Коршуновском карьере / А.Д. Сашурин, А.В. Яковлев, Н.И. Ермаков, А.А. Панжин, А.В. Наумов // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2003.– № 2.– С. 193 – 196. 6. Сашурин А.Д. Решение задачи устойчивости бортов в целях защиты потенци- ально опасных участков транспортных берм карьеров / А.Д. Сашурин, В.В. Мельник, А.А. Панжин // Инженерная защита. - 2015. - № 2 (7). - С. 80 – 86. 7. Мельник В.В. Исследование причин деформирования инженерных сооружений / В.В. Мельник // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2014. - № 2. - С. 161 – 167. 8. Далатказин Т.Ш. Взаимосвязь уровня радоновой эмиссии с современной гео- динамикой и тектоническими зонами / Т.Ш. Далатказин // Горный информационно-ана- литический бюллетень. - 2007. - № 2. - С. 212 - 215. 9. Далатказин Т.Ш. Диагностика современной геодинамической активности гор- ного массива при строительстве и эксплуатации ответственных объектов / Т.Ш. Далат- казин // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2005. - № 11.- С. 120 – 123.
  • 40.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 40С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е 10. Далатказин Т.Ш. Экспериментальные исследования возможности использова- ния радонометрии для геодинамического районирования / Т.Ш. Далатказин, Ю.П. Коно- валова, В.И. Ручкин // Литосфера. - 2013. - № 3. - С. 146 – 150. 11. Панжин А.А. Мониторинг геодинамических процессов на предприятиях и ур- банизированных территориях / А.А. Панжин, Н.А. Панжина // Горный информационно- аналитический бюллетень. - 2007. - № 3. - С. 171 – 182. 12. Панжин А.А. Диагностика геодинамической активности массива горных по- род геодезическим методом / А.А. Панжин // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли: сборник науч. трудов междунар. конф. – Новосибирск: ИГД СО РАН, 2004. 13. Сашурин А.Д. Исследование геодинамических процессов с применением GPS-технологий / А.Д. Сашурин, А.А. Панжин, Ю.П. Коновалова // Горный информа- ционно-аналитический бюллетень. - 2003. - № 7. 14. Усанов С.В. Геодинамические движения горного массива при техногенном воздействии крупного горно-обогатительного комбината / С.В. Усанов // Горный инфор- мационно-аналитический бюллетень. – 2011. - № 11. – С. 248 – 255. 15. Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика и оценка геодинамического риска при недропользовании / Ю.О. Кузьмин. – М.: Агентство экологических новостей, 1999. – 220 с.
  • 41.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е МЕХАНИКА ГОРНЫХ ПОРОД
  • 42.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 42С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 622.02:531 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.042 Рубцова Екатерина Владимировна кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН, 630091 г. Новосибирск, Красный проспект, 54 e-mail: rubth@misd.ru Скулкин Александр Александрович младший научный сотрудник, Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН e-mail: chuptt@yandex.ru О ФИЗИЧЕСКОМ МОДЕЛИРОВАНИИ ПРОЦЕССА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ГИДРОРАЗРЫВА В МОДЕЛЬНЫХ ОБРАЗЦАХ ПРИ ИХ НЕРАВНОКОМПОНЕНТНОМ НАГРУЖЕНИИ Rubtsova Ekaterina Vl. candidate of technical sciences, assistant professor, senior researcher, Chinakal Institute of Mining, SB RAS, 630091 Novosibirsk, 54 Krasny prospect e-mail: rubth@misd.ru Skulkin Alexander Al. junior researcher, Chinakal Institute of Mining, SB RAS e-mail: chuptt@yandex.ru PHYSICAL SIMULATION THE PROCESS OF MEASUREMENT HYDROFRACTURING IN SPECIMEN UNDER THEIR NON-EQUICOMPONENT LOADING Аннотация: Представлены конструкции стенда и макетов скважинных зондов для выполнения тестов из- мерительного гидроразрыва в модельных образ- цах размерами 200×200×200 мм при их незави- симом трехосном нагружении. По результатам физического моделирования на стенде дана сравнительная оценка методов косвенного опре- деления величины давления «запирания» трещин гидроразрыва. Ключевые слова: измерительный гидроразрыв, стенд, макет, скважинный зонд, нагружение, трещина, диаграмма Abstract: A test bench and experimental models of down hole surveying devices for test hydro-fracturing in speci- men 200×200×200 mm in size under triaxial non- equicomponent loading are described. The methods of indirect estimation of shut-in pressure are com- pared based on physical simulation results. Key words: measuring hydraulic fracturing, test bench, experimental model, down hole surveying de- vice, loading, fracture, diagram Метод измерительного гидроразрыва применяется для экспериментальной оценки напряжений в массиве горных пород с конца 60-х годов двадцатого века. В ИГД СО РАН выполнен большой объем исследований, направленных на развитие метода и создание технических средств для его практической реализации [1, 2]. Исследование и обоснование методических и технологических подходов к выпол- нению тестов измерительного гидроразрыва может быть выполнено методом физиче- ского моделирования. Для этих целей в лаборатории горной информатики ИГД СО РАН в 2014 – 2015 гг. создан стенд (рис. 1), позволяющий производить гидроразрыв в модель- ных образцах размерами 200×200×200 мм при их трехосном независимом нагружении [3]. Для выполнения тестов гидроразрыва в образцах из полиметилметакрилата изго- товлены макеты скважинных зондов с различными элементами системы пакеровки. Обоснованы вид и форма уплотнительных элементов для предотвращения эффекта «обыгрывания» пакеров, т. е. проникновения рабочего флюида из межпакерной области (в процессе гидроразрыва) в зону контакта пакера со стенкой скважины и, возможно, за его пределы. В целях надежной герметизации участка скважины принято решение о це- лесообразности использования составных пакерных элементов в виде полиуретановых цилиндров с разделительными металлическими вставками между ними.
  • 43.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 43С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 1 – Стенд трехосного независимого нагружения: 1 – плита пресса; 2 – подставка; 3 – рычаг; 4, 5 – гидравлические домкраты; 6 – опорные площадки; 7 – прокладки из фторопласта; 8 – образцовый динамометр; 9, 10 – адаптеры; 11 – насос; 12 – шланги высокого давления; 13 – манометр; 14 – устройство преобразования и передачи данных; 15 – персональный компьютер На рис. 2 представлена конструкция макета зонда в виде двух полиуретановых цилиндров длиной 1,5 и 2,0 d (d - диаметр скважины в кубическом образце) и металли- ческой шайбой между ними толщиной 0,7 d; для герметизации участка скважины приме- нено осевое поджатие пакерной сборки. Рис. 2 – Макет зонда с составной конструкцией пакеров: 1 – центральная втулка на корпусе зонда в сборе; 2 – отверстие для подачи флюида в межпакерное пространство; 3 – полиуретановые пакеры; 4 – металлическая втулка между пакерами; 5 – концевые части зонда – переходники для соединения с напорной магистралью; 6 – втулки для осевого поджатия пакеров; 7 – полиуретановые пакеры При выполнении тестов гидроразрыва в скважинах с тупиковым забоем исполь- зована конструкция макета скважинного зонда, приведенная на рис. 3. 1 11 9 4 3 2 1512 7 6 14 5 8 10 13
  • 44.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 44С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 3 – Макет зонда для скважины с тупиковым забоем Программа физического моделирования на стенде предусматривает обоснование достоверности применяемых методов определения давления «запирания» трещины флюидоразрыва по экспериментальным диаграммам «давление – время»; отработку технологий образования инициирующей трещины и параметров гидроразрыва для полу- чения направленных трещин при одноосном, двухосном и трехосном нагружении образ- цов; исследование возможностей контроля момента «смыкания» берегов трещины в про- цессе измерительного гидроразрыва. На первом этапе проводилось исследование методов косвенного определения дав- ления «запирания», соответствующего моменту равновесного состояния открытой тре- щины перед ее «схлопыванием». Точность определения этого параметра по эксперимен- тальным диаграммам существенно влияет на достоверность оценки компонент главных напряжений, поскольку расчетное значение минимальной компоненты принимается рав- ным давлению «запирания», а при расчете максимальной компоненты величина давле- ния «запирания» умножается на коэффициент три, и, соответственно, также будет утра- иваться погрешность ее определения. Для сравнительного анализа выбраны семь методов, которые практики гидрораз- рыва используют при обработке экспериментальных диаграмм [1, 4 –6]: I – «метод точки перегиба», заключается в проведении касательной к кривой спада давления на диаграмме «давление – время» сразу после прекращения подачи флю- ида и выборе значения давления запирания в точке, где кривая отклоняется от касатель- ной; (следующие четыре метода (II – V) аналогичны «методу точки перегиба», отличия заключаются в виде диаграмм, на которых выполняется построение касательной) II – используется диаграмма «P относительно log Δt», где P – давление, Δt – ин- тервал времени с момента начала спада кривой; III – используется диаграмма «log P относительно log Δt»; IV – используется диаграмма «P относительно log (t+ Δt)/ Δt», где t – время нагне- тания флюида; V – используется диаграмма «dP/dt относительно P»; VI – метод, предложенный в ИГТМ АН УССР, при котором величина давления запирания определяется как величина стабилизировавшего давления на участке запира- ния; VII – «метод биссектрисы», который заключается в проведении одной касатель- ной к начальному участку кривой спада, второй касательной к участку стабилизации дав- ления и построению биссектрисы угла пересечения двух касательных, величина давле- ния запирания определяется в точке пересечения биссектрисы с кривой спада давления.
  • 45.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 45С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Выполнены две серии модельных экспериментов на образцах из полиметилметак- рилата размерами 200×200×200 мм. Скважины в образцах при данной конструкции стенда ориентированы по вертикали, в двух образцах предварительно была создана за- родышевая трещина по образующей скважине. Независимое нагружение на грани образ- цов задавалось от 3,0 до 5,5 тс. При этом соответствующие заданные компоненты напря- жений в образцах составили от 0,76 до 1,52 МПа. Полученные методом физического мо- делирования гидроразрыва диаграммы были обработаны с использованием перечислен- ных выше методов. Результаты определения величины давления «запирания» приведены в табл. 1. Таблица 1 Расчетная величина давления «запирания» Вид образца Заданная мини- мальная компо- нента напряже- ний в образце, МПа Величина давления «запирания», рассчитанная методами I - VII, МПа I II III IV V VI VII Скважина без инициирующей щели 1,25 4.67 1,29 1,33 1,54 1,2 0,69 1,16 Скважина с инициирующей щелью 0,76 1,37 0,77 0,89 0,86 0,8 0,42 0,65 Как можно видеть, наиболее точные результаты (соответствие расчетного значе- ния величины давления «запирания» заданной минимальной компоненте напряжений в образце) обеспечивают методы, основанные на использовании диаграмм «P относи- тельно log Δt» (II) и «dP/dt относительно P» (V). Погрешность определения давления «запирания» в этих случаях не превышает 5 %. Однако полученные результаты следует рассматривать как предварительные, ввиду ограниченного числа выполненных тестов гидроразрыва. Для дальнейшего решения поставленных задач физического моделирования пла- нируется дооснащение стенда высоконапорными трубопроводами (до 70 МПа), что поз- волит полностью реализовать возможности домкратов и выполнять тесты гидроразрыва при усилии воздействия на грани образцов до 10 тс. Результаты физического моделиро- вания на стенде станут основой дальнейшего совершенствования разработанного в ИГД СО РАН измерительно-вычислительного комплекса «Гидроразрыв» [1], применяе- мого в настоящее время для оценки напряженного состояния горных пород в шахтных условиях. Литература 1. Измерительно-вычислительный комплекс «Гидроразрыв» / А.В. Леонтьев, Е.В. Рубцова, Ю.М. Леконцев, В.Г. Качальский // Физико-технические проблемы разра- ботки полезных ископаемых. – 2010. – № 1. – С. 104 - 110. 2. Рубцова Е.В. Развитие методических основ измерительного гидроразрыва / Е.В. Рубцова, А.А. Скулкин // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2013. – № 5. – С. 188 - 191. 3. Рубцова Е.В. Стенд трехосного независимого нагружения для физического мо- делирования процесса измерительного гидроразрыва / Е.В. Рубцова // Интерэкспо ГЕО- Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр., 13–25 апреля 2015 г., Новосибирск: междунар.
  • 46.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 46С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, раз- ведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология»: сб. матер. в 3-х томах. Т. 3. – Новосибирск: СГУГиТ, 2015. – С. 211 - 216. 4. Aggson, J.R. Analysis of Hydraulic Fracturing Pressure Histories: A Comparison of Five Methods Used to Identify Shut–in Pressure / J.R. Aggson, K. Kim // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. – 1987. – Vol. 24. – № 1. – PP. 75-80. 5. Tunbridge, L.W. Technical Note-Interpretation of the Shut-In Pressure from the Rate of Pressure Decay // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. – 1989. – Vol. 26. – PP. 457-459. 6. Кулинич В.С. Теоретические и экспериментальные аспекты измерения напря- жений в массиве горных пород гидравлическим разрывом / В.С. Кулинич // Исследова- ния напряжений в горных породах: сб. науч трудов. – Новосибирск: Изд-во ИГД АН СССР, 1985. – С. 67 - 74.
  • 47.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е ФИЗИКА ВЗРЫВА
  • 48.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 48С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 550.361+550.362 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.048 Фадеева Ирина Игоревна научный сотрудник, Институт горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН, 630091 г. Новосибирск, Красный пр., 54 инженер, Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А.Трофимука СО РАН, 630090 г. Новосибирск, пр. ак. Коптюга, 3 е-mail: FadeevaII@ipgg.sbras.ru Аюнов Дмитрий Евгеньевич кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А.Трофимука СО РАН е-mail: AyunovDE@ipgg.sbras.ru Романенко Виталий Владимирович начальник группы, Институт радиационной безопасности и экологии Национального ядерного центра РК, г. Курчатов, Республика Казахстан е-mail: Romanenko@nnc.kz ОЦЕНКА СОВРЕМЕННОГО ТЕПЛОВОГО ЭФФЕКТА ОТ ПОДЗЕМНОГО ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА НА СЕМИПАЛАТИНСКОМ ИСПЫТАТЕЛЬНОМ ПОЛИГОНЕ Fadeeva Irina I. researcher, The Chinakala Institute of Mining SB RAS, 630091, Novosibirsk, 54 Krasny pr., engineer, The A.A. Trofimuk Institute of petroleum geology and geo-physics SB RAS, 630090, Novosibirsk, 3 Akademic Koptug pr. е-mail: FadeevaII@ipgg.sbras.ru Ayunov Dmitry E. candidate of physical and mathematical sciences, senior researcher, The A.A. Trofimuk Institute petroleum geology and geo-physics SB RAS е-mail: AyunovDE@ipgg.sbras.ru Romanenko Vitaly V. the group head, The Institute of Radiation Safety and Ecology of the National Nuclear Center RK, Kurchatov. Kazakhstan e-mail: Romanenko@nnc.kz ESTIMATION THE UP-TO-DATE THERMAL EFFECT FROM UNDERGROUND NUCLEAR EXPLOSION IN THE SEMIPALATINSK TEST SITE Аннотация: В работе приведены результаты математиче- ского моделирования нестационарной есте- ственной конвекции и сопряженного с ней теп- лопереноса в сферически симметричной, отно- сительно центра подземного ядерного взрыва (ПЯВ), пористой породе с заданными парамет- рами пористости и проницаемости. Проанали- зировано влияние этих параметров на скорость тепломассопереноса в пористой среде. Отме- чены особенности распределения температуры в верхней части разреза над ПЯВ, их временная динамика и зависимость от параметров прони- цаемости и пористости. Ключевые слова: подземный ядерный взрыв, Се- мипалатинский испытательный полигон, тре- щиноватость, теплоперенос, температурный каротаж, пористая среда, численное моделиро- вание, нестационарный режим, термогравита- ционная конвекция, приближение Бринкмана– Буссинеска Abstract: The paper presents the numerical modeling results concerning natural convection and the conjugated heat transfer in porous medium, which is spheri- cally symmetric relatively the center of an under- ground nuclear explosion (UNE). The porosity and permeability parameters of porous medium were determined. The effect of these parameters on the heat and mass transfer rate in porous media is con- sidered. The features of the temperature distribu- tion, their temporal dynamics and dependence on permeability and porosity parameters of the me- dium are denoted. Key words: underground nuclear explosion, the Se- mipalatinsk test site, fracturing, heat transfer, tem- perature logging, porous media, numerical simula- tion, unsteady regime, natural convection, Brink- man–Boussinesq approximation Введение Исследования тепловых остаточных эффектов от подземных ядерных взрывов (ПЯВ) на Семипалатинском испытательном полигоне (СИП) велись на протяжении мно- гих десятилетий. Использовалась тепловая съемка с летательных аппаратов, температур- ные измерения на поверхности, в штольнях, в скважинах и непосредственно в котловых
  • 49.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 49С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е полостях, проводились исследования тепловых аномалий СИП по данным спутниковых снимков [1]. В частности, с помощью тепловой съемки эффектов от ПЯВ с летательного аппа- рата фиксировались температурные аномалии на поверхности земли как в течение пер- вого года, так и по прошествии нескольких лет после испытания. В результате данных работ выявлялись тепловые аномалии с размерами от 80 до 250 м, при давности прове- дения испытаний до 26 лет. Обобщение материалов показывает, что котловые полости в течение многих лет сохраняют высокую внутреннюю температуру. Например, темпера- тура в полости взрыва "Рулисон" (США) через 6 лет упала лишь до 290 °С [2], при этом оценка начальной температуры в первое время после взрыва составляла 450°С [3]. В данной работе продолжена тема изучения тепловых аномалий от ПЯВ для оценки активности процессов, связанных с подземными испытаниями [4, 5, 6]. Серия температурных исследований в исследовательских скважинах, пробуренных вблизи ПЯВ, выявила наличие «горячих» скважин с резко выделяющимися по температуре и по высокому вертикальному температурному градиенту подземных вод (рис. 1). Рис. 1 – Термокаротаж в наблюдательных скважинах площадки Балапан СИП в 2010 г. «Горячие» скважины соответствуют графикам 5 и 6 [7] Природа этих тепловых аномалий в разрезе недостаточно изучена, но мы можем в качестве одного из объяснений предположить, что они обусловлены прогревом от ПЯВ. Последующие более детальные исследования скважин в окрестностях некоторых боевых скважин показали сложное пространственное распределение температуры. В частности, на участке Сары-Узень у скв. 104 мы можем отметить, что вариации темпера- туры от скважины к скважине (рис. 2) выявляют горизонтальный температурный гради- ент порядка 0,002 – 0,007 К/м, а также обнаружены особенности в вертикальном темпе- ратурном градиенте (рис. 3). По данным комплексного обследования на участке скважины 104 наблюдается струйная газопроницаемость пород по имеющимся ослабленным структурам, которые в результате способствуют вертикальной миграции газов и образованию на дневной по- верхности газовых аномалий в почвенном воздухе, а также вертикального градиента тем- ператур [8].
  • 50.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 50С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е А) Б) Рис. 2 – А) – температуры в скважинах в районе скв. 104 участка Сары-Узень в 2014 – 2015 гг. (в скобках указаны расстояния до боевой скважины); Б) – расположение скважин относительно боевой скважины (темное пятно – провал от ПЯВ) Рис. 3 – Вертикальный температурный градиент в районе скв. 104 участка Сары-Узень В рамках исследования современного остаточного тепла от ПЯВ в данной работе мы рассмотрели модель перераспределения тепла от ПЯВ путем вывода тепла разогре- тыми газами к поверхности из остывающих полостей ПЯВ через поры и трещины горной породы. Постановка задачи Рассмотрим задачу стабилизации температуры в безграничной, сферически сим- метричной относительно центра ПЯВ пористой породе с неравномерным начальным рас- пределением температуры. Предполагается, что после взрыва порода имеет повышен- ную температуру и проницаемость вблизи полости взрыва, которые уменьшаются с уве- личением расстояния от полости. Давление в полости взрыва и ближней зоне достаточно 0 20 40 60 80 100 120 140 7 8 9 10 Глубина,м Температура, С 104/ст (57 м) 104/а (72 м) 104/2 (97 м) 104/б (137 м) 104/г (200 м)
  • 51.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 51С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е быстро, по сравнению с температурой, уравновешивается с фоновым значением давле- ния. Положим, что основным механизмом распространения тепла от прогретой обла- сти является свободно конвективное или термогравитационное течение газа в порах по- роды. Предлагается течение газа в высокопроницаемой пористой среде в условиях гра- витационной силы описывать в рамках приближения Бринкмана–Буссинеска [9]. В дан- ном приближении для нахождения поля скоростей в уравнение импульса Бринкмана вво- дится член плавучести Буссинеска [10], учитывающий подъемную силу, обусловленную тепловым расширением. Полученные скорости используются в уравнении теплопровод- ности для нахождения распределения температуры в породе. Таким образом, процесс переноса массы, импульса и энергии в пористой среде описывается системой нестацио- нарных уравнений: ;0)u(      t (1) );(g 0TTuu K p uu t u                (2) ),(, TTuC t T C efffpf     (3) где t – время;  – плотность, – пористость; u – вектор скорости фильтрации; p – дав- ление;  – коэффициент динамической вязкости; K – проницаемость пористой среды; g – ускорение свободного падения;  – термический коэффициент объемного расшире- ния; T – температура; T0 – начальная температура области решения; fpfskpsk CCC ,,)1(  и fskeff  )1( , где skpsksk C ,,,  – тепло- проводность, плотность и удельная теплоемкость скелета пористой породы; fpff C , ,,  – теплопроводность, плотность и удельная теплоемкость порового флю- ида. Теплообмен излучением не учитывался, так как пренебрежимо мал по сравнению с конвективным теплообменом. Граничные условия. На достаточно большом расстоянии (можно рассматри- вать как бесконечность) от ПЯВ скорость газа 0u , фоновая температура постоянна TT . Начальные условия. Давление в пористой породе постоянное 0pp  , газ неподвижен 0u , задано начальное распределение температуры: ),1000exp()()( 2 0 rTTTrT h   (4) где  T – фоновая температура породы; h T – начальная температура в центре взрыва; r – расстояние от центра взрыва. Давление в системе отсчитывается относительно постоянного давления, задан- ного в точке на бесконечности 0pp  . Параметры среды. Газ в порах породы считается вязкой, теплопроводной, ньютоновской жидкостью при постоянном давлении 0 p . Теплофизические свойства ске- лета пористой породы полагаются постоянными, не зависящими от температуры. Рассматривалось две модели пространственного распределения параметра прони- цаемости породы: некоторый объем, включающий область ПЯВ, однородный по пара- метру проницаемости ( constK ) и линейное уменьшение проницаемости с удалением от ПЯВ, отражающее степень разрушенности породы в зависимости от расстояния r от центра ПЯВ:
  • 52.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 52С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е ,)( 0 0 r R KK KrK R    (5) где 0K – проницаемость в центре ПЯВ (r =0 м), R K – проницаемость породы на рассто- янии Rr  от эпицентра ПЯВ. Результаты Численно промоделированы термогравитационная конвекция газа СО2 и сопря- женный с ней теплоперенос в безграничной, сферически симметричной относительно центра ПЯВ породе, с заданными начальным распределением температуры (4), пористо- стью  и проницаемостью (однородная K и линейная )(rK модель). Теплофизические свойства газа СО2 взяты из справочных данных [11,12]. Тепло- физические свойства твердого скелета следующие: 3sk Вт/м/К, 3000sk кг/м3 , 1000, skpC Дж/кг/К. Начальное распределение температуры (4) условно было взято следующим: 8T о С и 350hT о С. Рассматривалось три варианта линейной проницаемости (5) с разной проницае- мостью в эпицентре ПЯВ: А) 7 0 102  K м2 , Б) 7 0 106  K м2 , С) 6 0 101  K м2 – и одним значением проницаемости породы на расстоянии 500R м от эпицентра 14 10 RK м2 . Также рассматривались три однородные по проницаемости среды с при- веденными на рис. 4 значениями K. Расчеты проводились для двух значений пористости: 3,0 и 4,0 (см. рис. 4). Рис. 4 – В первой строке представлено горизонтальное распределение температуры в зависимости от расстояния до эпицентра взрыва{0, 250}, находящегося на высоте 250 м над центром ПЯВ {0, 0} в разные моменты времени, для разных параметров пористости φ, проницаемости: К – постоянная и К(r) – линейно зависящая от r (5). Во второй строке представлены графики изменения со временем распределения температуры вдоль вертикальной оси взрыва для трех вариантов проницаемости (5) (три столбца: А), Б), С)). 0T – начальное распределение температуры
  • 53.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 53С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Вертикальное распределение температуры . Из графиков приращения температуры  TT вдоль вертикальной оси взрыва (нижняя строка рис. 4) видно, что при увеличении проницаемости в эпицентре 0K (5) усиливается перенос тепла вверх, что связано с повышением скорости потока разогретого газа. Чем больше проницае- мость, тем больше скорость потока газа в начальные моменты времени, далее процесс замедляется и переходит в стационарный режим истечения газа. Дополнительные рас- четы с более высокими значениями проницаемости показывают, что в целом можно вы- делить два сценария тепломассопереноса: «медленный» – при низкой проницаемости по- роды (температура в эпицентре долгое время остается горячей) и «быстрый» – при вы- сокой проницаемости породы (К>10-6 м2 ) происходит быстрое остывание разогретой зоны ПЯВ. Это находит подтверждение в наблюдениях за температурами котловых по- лостей [2]. Горизонтальное распределение температуры. Рассмотрим тепловые процессы в «верхней части разреза», на определенном расстоянии над эпицентром ПЯВ, которые, как мы предполагаем, могут фиксироваться аппаратурно в виде тепловых ано- малий. В верхней строке рис. 4 приведены графики приращения температуры  TT вдоль горизонтального профиля, расположенного на высоте 250 м над эпицентром ПЯВ. Из графиков видно, что происходит прогрев горизонтальной зоны над ПЯВ, на рассмат- риваемом интервале времени. Изменение проницаемости с 7 0 102  K м2 до 6 0 101  K м2 увеличивает амплитуду температурной аномалии в зоне непосред- ственно над ПЯВ на два порядка. Разуплотнение породы также повышает вынос тепла с глубины. Так, изменение пористости с 0,3 до 0,4 увеличивает амплитуду прогрева этой зоны для рассматриваемых параметров модели в 1,2 – 1,7 раза. Согласно результатам произведенных расчетов за период 30 – 48 лет после взрыва значения градиента примерно составляют: 0,001 - 0,018 К/м для 7 0 106  K м2 и 0,018 - 0,043 К/м для 6 0 101  K м2 . Радиус зоны температурной аномалии в целом не превышает 200 м для разных значений проницаемости и пористости. Дополнительно проводились расчеты для разных значений начальной температуры h T и глубины. При этом размер зоны аномалии оста- ется в тех же пределах даже при увеличении h T до 900о С. Заключение Для оценки современного теплового эффекта от ПЯВ в верхней части разреза были проанализированы модели нестационарной естественной конвекции в пористой среде. Предложена и численно реализована модель термогравитационной конвекции Бринкмана–Буссинеска и сопряженного с ней теплопереноса от прогретой зоны в пори- стой породе. Результаты расчетов показывают, что в рассматриваемом диапазоне пара- метров среды современные температурные аномалии в верхней части разреза могут со- ставлять от нескольких сотых до нескольких единиц градусов. При этом радиус анома- лии по горизонтали в целом не превышает 200 м для разных значений проницаемости и пористости, что в целом согласуется с полевыми наблюдениями за температурными ано- малиями на поверхности в первые годы после испытаний. В целом совокупность методов программных расчетов и полевых исследований позволяет более детально подходить к оценке пространственно-временных конфигура- ций тепловых аномалий.
  • 54.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 54С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Литература 1. Исследование температурного режима территории Семипалатинского поли- гона с использованием пространственно-временной агрегации длинных рядов спутнико- вых измерений / Е.А. Мамаш, Д.Е. Аюнов, В.А. Кихтенко, В.В. Смирнов, Д.Л. Чубаров // Интерэкспо Гео-Сибирь. - 2015. - Т. 4. - № 2. - С. 39 - 44. 2. Бусыгин В.П. Локальные тепловые аномалии в эпицентральной зоне подзем- ных ядерных взрывов, выполненных в штольнях / В.П. Бусыгин, А.И. Андреев // Вест- ник НЯЦРК. – 2004. - Вып. 3. 3. Тейлор Р.У. Тепловые эффекты подземных ядерных взрывов: пер. Н.И Шуга- ева / Р.У. Тейлор. – 1974. 4. BusyginV.P. Remote monitoring of former underground nuclear explosion sites pre- dominantly in the former USSR. Radioactive Waste Management and Contaminated Site Clean-Up Processes, Technologies and International Experience. A volume in Woodhead Pub- lishing Series in Energy. 2013. - P. 833–851. 5. Исследование термальной активности эпицентральных зон подземных ядерных взрывов / В.В. Романенко, С.Б. Субботин, Д.Е. Аюнов, А.Д. Дучков, М.Е. Пермяков // Семипалатинский испытательный полигон. Радиационное наследие и проблемы нерас- пространения: тез. докл. VI междунар. науч.-практ. конф., 24-26 сентября 2014 г. - Пав- лодар: Дом печати, 2014. - С.131 - 133. 6. Шайторов В.Н. Геоэкологическое районирование территории СИП по геолого- геофизическим данным (на примере участков “Балапан” и “Сары-узень”) / В.Н. Шайто- ров // Вестник НЯЦ РК. - 2013. - Вып. 2. 7. Дучков А.Д. Результаты исследований температурного поля в наблюдательных скважинах Семипалатинского полигона (Восточно-Казахстанская область) / А.Д. Дуч- ков, Д.Е. Аюнов, М.Е. Пермяков // ГЕО-Сибирь-2011. Т.2. Недропользование. Горное дело. Новые направления и технология поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Ч. 1: сб. матер. VII Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь- 2011», 19 - 29 апреля 2011 г., Новосибирск. – Новосибирск: СГГА, 2011. - С. 42 - 47. 8. Геоэкологическое моделирование очаговых зон ПЯВ по геологогеофизическим данным / В.Н. Шайторов, А.В. Беляшов и др. // Вестник НЯЦ РК. - 2013.– Вып. 2(54). 9. Трифонова Т.А. Сравнительный анализ моделей Дарси и Бринкмана при иссле- довании нестационарных режимов сопряженной естественной конвекции в пористой ци- линдрической области / Т.А. Трифонова, М.А. Шеремет // Компьютерные исследования и моделирование. – 2013. - Т. 5. - № 4. - С. 623 – 634. 10. Donald A. Nield and Adrian Bejan. Convection in Porous Media. Third Edition // USA, New York: Springer Science & Business Media, 2006. – 546. 11. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидко- стей / Н.Б. Варгафтик. - 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Наука, 1972. - 721 с. 12. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники / В.С. Чиркин. - М.: Атомиздат, 1967. - 474 с.
  • 55.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е ГЕОЭКОЛОГИЯ
  • 56.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 56С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 631.615 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.056 Уланов Анатолий Николаевич доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ВРИО директора ФГУП «Кировская лугоболотная опытная станция» 612097, п. Юбилейный Оричевского района Кировской области e-mail: bolotoagro50@mail.ru Шельменкина Хамида Халитовна кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник ФГУП «Кировская лугоболотная опытная станция» e-mail: bolotoagro50@mail.ru Смирнова Анна Владимировна кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник ФГУП «Кировская лугоболотная опытная станция» e-mail: bolotoagro50@mail.ru ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РЕКУЛЬТИВАЦИИ НАРУШЕННЫХ БОЛОТНЫХ ЭКОСИСТЕМ Ulanov Anatoly N. Doctor of agricultural sciences, professor, acting director, FSUE "Kirov lugobolotnaya experimental station", 612097, p. Jubilee, Orichevsky district of the Kirov region е-mail: bolotoagro50@mail.ru Shelmenkina Khamida H. candidate of agricultural sciences, senior researcher, FSUE "Kirov lugobolotnaya experimental station". е-mail: bolotoagro50@mail.ru Smirnova Anna Vl. candidate of agricultural sciences, senior researcher, FSUE "Kirov lugobolotnaya experimental station". е-mail: bolotoagro50@mail.ru ENVIRONMENTAL ASPECTS OF RECLAMATION THE DISTURBED WETLAND ECOSYSTEMS Аннотация: Приведены результаты многолетних исследова- ний Кировской лугоболотной опытной станции по возможности использования выработанных торфяных почв в сельском хозяйстве и восста- новлению нарушенных болотных экосистем. Ключевые слова: выработанные торфяники, сельскохозяйственное использование, болот- ные экосистемы, уровень влажности, есте- ственное зарастание, растения-торфообразо- ватели Abstract: The results of long-term Kirov lugobolotnaya ex- perimental station researches are cited on the pos- sibility of application the developed peat soils in agriculture and restoration the disturbed wetland ecosystems. Keywords: exhausted peats, agricultural use, wet- land ecosystems, the level of humidity, natural overgrowing, peat forming plants Интенсивная разработка торфяных месторождений относится к таким воздей- ствиям человека на окружающую среду, когда природные комплексы уничтожаются полностью и одновременно происходят глубокие изменения в прилегающих к торфораз- работкам территориях. Площади выработанных торфяников – это в основном заброшен- ные, эродированные или вновь заболоченные земли, они мало отличаются от индустри- альных пустынь горнопромышленных разработок. Естественное зарастание их идет крайне медленно, в основном единичными экземплярами малоценной травянистой и ку- старниковой растительности, то есть происходит фактическое нарушение природного комплекса. Однако на этих территориях уже проведены основные мелиоративные ра- боты (осушение, культуртехника), поэтому после завершения добычи торфа данные пло- щади необходимо реконструировать в культурные ландшафты. Освоение выработанных торфяников рекомендуется производить сразу же после их выработки, если же площади после выработки торфа не будут использованы в течение последующих 3 – 5 лет, то за- траты значительно возрастут.
  • 57.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 57С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Объектом наших исследований и наблюдений в течение столетия являлся выра- ботанный фрезерным способом торфомассив “Гадовское” площадью 2000 га, располо- женный в Волго-Вятском регионе. Научно-производственный опыт Кировской лугоболотной опытной станции по- казывает, что процесс технической и биологической рекультивации антропогенных бо- лотных ландшафтов происходит значительно быстрее и с большим экономическим эф- фектом, если применяется принцип комплексности, когда луговые угодья в определен- ной последовательности чередуются с лесными полосами или участками леса. Под кормовые угодья отводятся площади с максимальными запасами остаточного торфа, под лесопосадками используют участки сильно или полностью сработанные. На торфяно-глеевом выработанном участке торфомассива полноценно функцио- нирует 42-летний травостой, состоящий из смеси костреца безостого, тимофеевки луго- вой, овсяницы луговой. Двуукосное использование при ежегодном, сравнительно невы- соком уровне минерального питания N120P60K120 в течение всего этого времени обеспе- чивает урожайность более 80 ц/га сухого вещества. С 11-го года пользования на 80 - 90 % в травостое преобладает кострец безостый [1]. На маломощных и полностью сработанных выработках с древесным, высокозоль- ным (>12 %), хорошо разложившимся (50 – 60 %) торфом освоение площадей можно начинать непосредственно с залужения. Предпочтение на таких почвах следует отдавать бобово-злаковым травостоям. На вновь освоенной выработанной торфянисто-глеевой почве с мощностью остаточного слоя торфа до 20 см при двуукосном использовании в течение трех лет высокую урожайность сеяные бобово-злаковые сенокосы обеспечили при внесении полного минерального удобрения N60Р120К180 (60,9-63,6 ц/га сухого вещества (СВ). Создание сеяных сенокосов без внесения удобрений на выработанных торфяниках экономически себя не оправдало [2]. На основании своих исследований А.Ф. Тимофеев (Вятская ГСХА) в качестве лучшей лесной культуры для условий выработанных низинных торфяников рекомендует сосну обыкновенную в чистом виде, сосново-березовые лесонасаждения, а в более бла- гоприятных гидрологических условиях – лиственные, еловые и тополевые. При таком комплексном освоении земель после торфоразработки, правильном расположении по территории массива сельскохозяйственных, лесных угодий создаются хорошие условия для развития охотничьего хозяйства [3]. Искусственные лесонасаждения или участки леса необходимо закладывать одно- временно со строительством и реконструкцией регулирующей мелиоративной системы [4]. Следует отметить, что после послойно-фрезерной торфодобычи оставались большие площади выработанных торфяников для самовосстановления в связи с тем, что не было технической возможности и хозяйственной необходимости отрегулировать водный режим. Даже спустя 10 – 15 лет с момента прекращения торфодобычи значительная часть торфяников имела вид безжизненной техногенной пустыни, покрытой скудной древесно-кустарниковой и болотной растительностью, часть торфа безвозвратно терялась в результате водно-ветровой эрозии. Болотная экосистема, нарушенная торфодобычей, со временем обретала устойчивое состояние, но процесс «самовосстановления» болотного ценоза чрезвычайно медленный, неравномерный и непредсказуемый. Формирование биогеоценозов – процесс сложный и длительный, поэтому в целях разработки эколого-технологических принципов восстановления болото- и торфообра- зовательных функций нарушенных болотных экосистем южной тайги евро-северо-во- стока России особенно важно проведение многолетних стационарных исследований с
  • 58.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 58С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е участием представителей разных научных направлений – биологических, почвоведче- ских, геологических и агроклиматических. Свежевыработанный среднемощный торфяник, оставленный в условиях есте- ственного зарастания, характеризовался слабой биологической активностью и низкой численностью микроорганизмов. Заселение верхнего горизонта низшими и высшими растениями с прилегающих территорий способствовало возрастанию численности гете- ротрофных микроорганизмов, накоплению в торфе различных ферментов и, как след- ствие, повышению биологической активности верхнего слоя почвы. При этом формиро- вался микробиологический профиль, свойственный невыработанному целинному торфя- нику [5]. Формирование растительных ассоциаций при самозарастании выработанных тор- фяников происходило как последовательная сукцессия видов фенотипических групп от водорослей и фотосинтезирующих бактерий до высших растений. Естественное зарастание после завершения добычи торфа – процесс медленный, даже болотные растения не поселялись на этих почвах в течение многих лет. Зарастание высшими растениями начиналось с появления берез – слаборазвитых, с корневой систе- мой, располагающейся в верхнем двухсантиметровом слое, мелколистных, темноокра- шенных. Затем появлялись ивы, растения из семейства злаковых и осоковых. Поскольку оставшийся слой торфа практически не обладал эффективным плодородием, а водный режим подвержен большим колебаниям, то корневая система растений была слабой и часть их ежегодно погибала. Это особенно заметно проявлялось в засушливый период: мятлик болотный отмирал целыми клонами, гибли мелкие березы и ивы [6]. В результате наблюдений была выделена группа растений-эдификаторов, являю- щихся индикаторами среды их произрастания: осоки, мятлик болотный, береза, вейник наземный, ива, белозор болотный, одноцветка крупноцветковая, кульбаба осенняя, кру- шина ломкая. Геоботаническое описание на торфяном массиве при его естественном зарастании показало, что процесс формирования растительного покрова и виды растений на выра- ботанных торфяниках в определяющей степени зависели от уровня влажности. При повышенном увлажнении (уровень грунтовых вод (УГВ) 0 – 30 см) в первую очередь поселялись влаголюбивые (болотные) растения: мятлик болотный, осоки, в ос- новном пухонос альпийский, береза, ива, мхи, главным образом маршанция обыкновен- ная, из растений-субэдификаторов – осот болотный, череда трехраздельная, канареечник тростниковидный, костяника, крушина ломкая, малина обыкновенная, ель. Общее состо- яние растений угнетенное, о чем свидетельствовал и размер листьев, и их окраска, недо- развитость соцветий, отмершие растения. При умеренном увлажнении (УГВ – 60-80 см) растительность была представлена лишь пятью видами, через 25 лет – 22 видами. Проективное покрытие составляло 90 % (в среднем за 25 лет). В растительном покрове преобладали осоки, мхи, в основном ку- кушкин лен и плауны. Реальные условия для восстановительных процессов биогенных элементов с пе- ременной валентностью (азот, железо, марганец и др.) и положительного баланса орга- нического вещества создавались при умеренно-застойном водном режиме, при уровне грунтовых вод в течение всего года до 10 – 40 см над поверхностью [7]. При режиме постоянного затопления основными растениями-эдификаторами являлись различные виды осок, вейник тростниковидный, рогоз широколиственный, субэдификаторами – хвощ топяной, сабельник болотный, ивы, редко встречались кипрей болотный, череда трехраздельная, мхи. Основной опад обеспечили растения-торфообразователи: осоки (20 – 22), рогоз (70 – 150), вейник (75 – 130 ц/га СВ), химический состав которых характеризуется зна- чительным содержанием сырой клетчатки и невысоким – минеральных элементов (табл. 1). Однако от этого опада ежегодно в виде полуразложившейся массы под водой
  • 59.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 59С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е остается не более 20 – 30 %. Фитомасса ежегодно отмирающей растительности, попада- ющая на поверхность и далее частично погребенная в почву, разрушается достаточно быстро, вследствие чего накопление опада в этих условиях незначительно. При постоянном затоплении поверхности остаточной залежи (40 – 70 см) процесс зарастания кустарниково-болотной растительностью существенно подавлен, однако большая часть (60 – 70 %) опада здесь сохранялась в полуразложенном состоянии. Еже- годное повторение этой ситуации приводило к накоплению органической массы из по- луразрушившихся остатков растений, которая впоследствии служила исходным матери- алом для образования «молодых» горизонтов торфяной залежи. В среднем ежегодно от- кладывалось 0,5 – 1 мм органогенной массы, что значительно ниже по сравнению с це- линным болотом. Естественно, что торфом эта масса пока называться не может. Кроме того, именно в этих условиях создается наиболее благоприятная среда обитания для мно- гих представителей охотничье-промысловой болотной фауны. По результатам исследований, максимальному разложению оказались подвер- жены травянистые растения, относящиеся к группе легкоразлагающихся: осоки, хвощ, рогоз, папоротник, лиственный опад. Степень разложения травянистых растений состав- ляла 49 %. Менее интенсивно протекал процесс разложения кустарничков (багульник, клюква, голубика). Группу трудноразлагающихся растений составляли мхи, лишайники и древесина. Опад лиственных пород деревьев разлагался быстрее, чем хвойных. Замед- ление процесса разложения растительных остатков древесины хвойных пород, богатых углеводами и лигнином, происходило из-за наличия воска и смол, присутствующих в хвое. Таблица 1 Химический состав растений-торфообразователей (% СВ) Вид трав Сырая зола Сырая клетчатка Сырой жир Сырой протеин Безазотистые экстрактивные вещества(БЭВ) N общ. Р К Cа Вейник тростниковидный 1,51 42,8 1,18 5,9 48,6 0,94 0,14 0,12 0,08 Осоки 3,74 31,3 2,47 7,0 55,5 1,12 0,13 0,56 0,73 Рогоз широколиственный 5,72 36,6 1,35 4,9 51,4 0,78 0,14 0,94 1,28 Сабельник болотный 2,90 33,1 1,52 8,0 54,5 1,29 0,12 0,40 0,74 Процесс степени разложения растений-торфообразователей в естественных усло- виях торфомассива «Гадовское» зависел от условий среды: активность микрофлоры и микроорганизмов отмечена выше на поверхности почвы, чем в самой почве или под во- дой. На поверхности почвы растительные остатки пушицы и древесины подвержены разложению на 31,5 и 18,0 %, а в зоне постоянного затопления – на 13,2 и 8,4 %, соответ- ственно [8]. Зарастание поверхности выработанных торфяников древесно-кустарниково-тра- вянистой растительностью после добычи торфа в значительной степени зависело от мощности слоя остаточного торфа. Геоботаническое описание площадок, проведенное через 45 лет после окончания торфодобычи, показало, что при мощности слоя остаточ-
  • 60.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 60С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е ного торфа от 0 до 0,5 м формировался лесной ценоз: основную массу древостоя пред- ставляли высокорослые березы пушистые (15 – 20 м), составляющие первый ярус леса. Во втором ярусе преобладали осина, ель обыкновенная, рябина обыкновенная, черемуха обыкновенная. Третий ярус составляли кустарники: костяника, малина обыкновенная. В четвертом ярусе доминировала травянистая растительность, представленная кипреем бо- лотным, майником круглолистным, земляникой обыкновенной, щитовником мужским, хвощем топяным, осоками, вейником Лангсдорфа, луговиком дернистым. При мощности слоя остаточного торфа 0,7 – 1,0 м рост и развитие древесной рас- тительности замедлены. Многоярусность леса выражена слабо. Высота берез в возрасте 20 – 23 года достигает 3 – 10 м, сосен 13 – 16 лет – 1,5 – 4 м, ели – 1 м, количество деревьев значительно меньше, чем при мощности торфа 0 – 0,5 м. При мощности слоя остаточного торфа более одного метра древесно-кустарни- ково-травянистая растительность развивалась слабо и находилась в угнетенном состоя- нии. Высота берез здесь составляет 0,6 – 2,0 м, елей – 0,7 – 0,8 м, рябины – 0,7 - 1,0 м, сосна в возрасте 20 – 23 года достигает 4,5 – 5,0 м. Корневая система деревьев распола- гается в верхнем десятисантиметровом слое или практически на поверхности почвы. Возможность управления растительно-восстановительными процессами на выра- ботанном торфянике изучалась с помощью минерального удобрения. Обработка почвы, внесение удобрений, посев трав при сельскохозяйственном использовании оказывали значительное влияние на формирование растительного покрова. Однако влияние этих факторов неоднозначно: обработка почвы и посев трав, и сами по себе травы, практически только в год посева, на стадии всходы-кущение, создавали впечатление окультуренности и отличались от естественного зарастания. Установлено, что культурные многолетние злаковые и бобовые травы достаточно быстро снижали продуктивность даже при регулярном и полном минеральном обеспечении и через 3 – 4 года выпадали из травостоев. Сеяный травостой вырождался при этом полностью. Оставшееся болотное разнотравье практически не реагировало на удобрение. Развитие древесно-кустарниково-травянистой растительности на участках, где в течение пяти лет вносились различные сочетания минеральных удобрений, и в следую- щие годы оставленных без скашивания и удобрения, шло значительно интенсивнее, чем на объекте, где изначально не применялись минеральные удобрения. То есть однажды внесенное удобрение под древесно-кустарниковую аборигенную растительность много- кратно ускоряет формирование хвойно-лиственного древостоя. Таким образом, принцип комплексности, основанный на сочетании сельскохозяй- ственной, лесохозяйственной, рыболовно-охотничьей деятельности представляет собой наглядный образец рационального природопользования на примере Кировской Лугобо- лотной опытной станции, где в настоящее время восстанавливаются нарушенные про- мышленностью болотные экосистемы [9]. Динамика изменений состояния и численности основных представителей болот- ного биогеоценоза (микроорганизмов, мхов, древесно-кустарниковой и болотной травя- нистой растительности) свидетельствует о крайне слабой способности нарушенных бо- лотных комплексов к самовосстановлению. Реальные условия для образования промежуточно-исходного сырья для образо- вания торфа складывались при умеренно-застойном водном режиме. Естественное за- растание поверхности выработанного торфяника болотной растительностью интенсивно происходило при постоянном затоплении и повышенном увлажнении. На торфяно-глее- вой выработанной почве в условиях умеренного осушения формировался полноразви- тый хвойно-лиственный древостой. Постоянное внесение минерального удобрения не способствовало развитию водно-болотной растительности. Единовременное внесение удобрения давало мощный толчок развитию лесного ценоза.
  • 61.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 61С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Направленное регулирование болотовосстановительных процессов позволяет ре- шать несколько экологических проблем. Прежде всего практически полностью исклю- чаются торфяные пожары. Реанимирующейся болотной экосистеме возвращаются неза- менимые биосферные функции по оптимизации газового, гидрологического, темпера- турного, геохимического, геологического режимов. Расширяется среда обитания для охотничье-промысловых и ягодно-лекарственных ресурсов лесной зоны. Литература 1. Ковшова В.Н. Удобрение сеяных сенокосов на выработанных торфяниках Евро-Северо-Востока / В.Н. Ковшова // Высокопродуктивные ландшафты на торфяных почвах: матер. междунар. науч.-практ. конф., посвященной 95-летию основания Киров- ской лугоболотной опытной станции. – Киров: Вятка, 2013. – С. 132 - 140. 2. Сенокосы и пастбища на осушаемых землях Нечерноземья / А.А. Зотов, В.М. Косолапов, А.Г. Кобзин, И.А. Трофимов, А.Н. Уланов, А.В. Шевцов, Х.Х. Шельменкина, Н.Н. Щукин. – Кокшетау: Типография ИП «Изотова К.У.», 2012. – 1198 с. 3. Тимофеев А.Ф. Комплексное освоение и интенсивное использование земель после торфоразработок / А.Ф. Тимофеев // Освоение экосистем и рациональное приро- допользование на торфяных почвах: матер. Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 85-летию основания ГУП Кировская лугоболотная опытная станция. – Киров: Вятка, 2003. – С. 169 - 171. 4. Уланов А.Н. Торфяные и выработанные почвы южной тайги Евро-северо-во- стока России / А.Н. Уланов. – Киров: «Вятка», 2005. – 320 с. 5. Копенкина Н.А. Охрана болот и вопросы охраны природы при промышленном использовании торфяных ресурсов / Н.А. Копенкина, В.Д. Копенкин // Исследование торфяных месторождений. Вып. 1. - Калинин: Обл. типография, 1975. - С. 12 - 17. 6. Широких А.А. Комплекс эпифитно-сапротрофных бактерий выработанного торфяника в условиях естественного зарастания / А.А. Широких // Луга на болотах: науч. труды Кировской лугоболотной опытной станции. – Киров: Миньон ВМП Авитек, 1993. – С. 53 - 60. 7. Результаты стационарных исследований на осушаемых низинных, в том числе нарушенных добычей, торфяных почвах / И.А. Вертоградская, А.Н. Уланов, Ю.В. Звер- ков и др. // На торфяных почвах. Ч. 1. – Киров: Миньон ВМП Авитек, 1993. – С. 26 - 42. 8. Уланов А.Н. Восстановление нарушенных болотных экосистем южной тайги европейской части северо-востока России / А.Н. Уланов, Е.Л. Журавлева, Х.Х. Шельменкина // Кормопроизводство. – 2012. – № 6. – С. 34 - 35. 9. Смирнова А.В. Динамика разложения растений-торфообразователей / А.В. Смирнова // Мелиорация и водное хозяйство 21 века: проблемы и перспективы раз- вития: матер. междунар. науч.-практ. конф. ФГБНУ ВНИИМС, г. Тверь, 27-28 августа 2014 г. Кн. 2 – Тверь: Тверской государственный университет, 2014. – С. 148 - 153. 10. Уланов А.Н. Использование торфяных ресурсов Кировской области / А.Н. Уланов // Рациональное использование торфяных месторождений: матер. Между- нар. науч.-практ. конф., посвященной 90-летию основания Кировской лугоболотной опытной станции – Киров: Вятка, 2008. – С. 42 - 48.
  • 62.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 62С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 622.745 (100) DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.062 Воробьев Александр Егорович доктор технических наук, профессор, проректор по международной деятельности, Институт повышения квалификации руководящих работников и специалистов топливно-энергетического комплекса, 140103, Российская Федерация, Московская область, г. Раменское, Донинское шоссе, 4 км e-mail: fogel_al@mail.ru Тчаро Хоноре аспирант, Инженерная академия Российского университета дружбы народов, 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6 Чекушина Татьяна Владимировна кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник отдела горной экологии, Институт проблем комплексного освоения недр РАН, 111020, г. Москва, Крюковский тупик, д.4 e-mail: council-ras@bk.ru ПРАКТИКА ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ ГЛИНИСТЫХ ЭКРАНОВ НА ПЛОЩАДКАХ КУЧНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ В ПЕРУ Vorobjev Alexander E. Doctor of technical sciences, The Institute of continuous education top managers and specialists of fuel and power industries, 140103, Moscow region, Ramenskoye, 4 km, Doninskoe highway e-mail: fogel_al@mail.ru Tcharo Honore post graduate student of EngineeringAcademy, Peoples Friendship University of Russia, 117198, Moscow, 6 Miklukho-Maklaya st. Chekushina TatyanaV. candidate of technical sciences, The Institute of comprehensive exploitation of mineral resources, RAS. 111020, Moscow, 4 Krukovsky blind alley e-mail: council-ras@bk.ru PRACTICE OF APPLICATION CLAY GEOSYNTHETIC SCREENS IN THE SITES OF HEAP LEACHING IN PERU Аннотация: Кучное выщелачивание (КВ) является самым деше- вым из альтернативных методов способа получения золота и других металлов из минерального сырья. Практическая реализация технологии кучного выще- лачивания сталкивается с серьезными современными экологическими проблемами в развитых и развиваю- щихся странах мира, оптимальное решение которых все еще находится в состоянии опытно-промышлен- ных работ. Одним из предпочтительных методов ре- шения этих экологических проблем является примене- ние различных видов покрытия с целью предотвраще- ния проникновения технологических растворов в под- земные воды, управления потоками воды во время до- ждей, а также уменьшения их испарения в окружаю- щую среду. В настоящее время многие усилия пред- принимаются по улучшению строительства, каче- ства и экономичности проектов кучного выщелачива- ния. В статье рассматриваются возможности уменьшения объемов земляных работ, которые по- требляют до 70 % капитальных затрат таких про- ектов. Важное значение для проектов КВ имеет обеспечение контакта непроницаемого слоя грунта с геомембраной. В мировой практике установлено, что при уклоне более 63,4º применение непроницае- мого слоя грунта несколько осложнено и не всегда вы- годно. Вместо непроницаемого слоя грунта предлага- ется использование мембран, так называемых гео- синтетических глинистых экранов. Иногда геосинте- тические глинистые экраны используются для обес- печения дополнительной герметичности в целях за- щиты грунтовых вод от последствий промышленной деятельности: складирования, добычи и хранения опасных материалов. В данной статье рассматрива- ются не только преимущества и недостатки, но и экономическая составляющая применения мембран на площадках кучного выщелачивания меди в Перу и других странах. Ключевые слова: кучное выщелачивание, непроницаемый слой грунта, геосинтетические глинистые экраны, геомембрана, штабель КВ, гео- композиты, экономика Abstract: Heap leaching is the cheapest of the alternative methods in processing of gold and other metals. Heap leaching op- erations face with serious up-to-date environmental prob- lems in the developed and developing countries around the world, the best solution of which is still in the process of development works.One of the preferred methods to solve these environmental problems is the use of various types of coatings in order to prevent the penetration of technological solutions in the ground water, managing water flows during the rainy season, as well as to reduce their evaporation into the environment. Currently, many efforts are being made to improve construction, quality and efficiency of heap leaching projects. The possibilites to reduce activities of earthworks, which consume up to 70 % of the capital costs of such projects are considered. .The important factor for heap leaching projects is to ensure the contact of the soil low-permeability with a geomembrane. In world practice it is established that when the slope is more than 63,4º the use of low- permeability soil is complicated and unsuitable. Instead low-permeability soil it is proposed to use membranes, the so-called geosynthetic clay coatings.. This article discusses not only the advantages and disadvantages, but also the economic component of of such membranes application in the sites of copper heap leaching in Peru and other countries. Key words: heap leaching, low-permeable soil, geo-syn- thetic clay screens, geo-membrane, heap leach pad, geo- composites, economics
  • 63.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 63С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Введение В зарубежной практике кучного выщелачивания золота и других металлов для обеспечения антифильтрационных свойств основания и покрытия штабеля КВ широко применяют различные геоматериалы [7 – 9, 10]. Уплотненный глинистый экран был исторически применен для защиты грунта от жидкостей, загрязненных отходами. Однако плотную глину трудно построить при вы- сушивании и замораживании – оттаивании. Геосинтетические глинистые экраны (рис. 1) (глиноматы, бентонитовые маты) изготавливаются из глины (бентонита) и геосинтети- ков. Они содержат тонкий слой набухшей глины, размещенный между 2 слоями геотек- стиля, и прикрепляются к синтетической геомембране. Рис. 1 – Геосинтетический глинистый экран с двумя слоями геотекстиля герметизирующего слоя бентонита натрия В настоящее время в практике кучного выщелачивания металлов используют 3 типа бентонитовых матов [3]:  Слой бентонита между двумя слоями геотекстиля, которые соединены швом или с помощью спиц. Такое крепление существенно повышает сопротивление сдвигу. Если необходимо соединить две секции материала, то они укладываются внахлест. Если креп- ление производится с помощью спиц, то бентонит укладывают по всей поверхности между уложенными внахлест секциями геотекстиля. После увлажнения бентонита фик- сация происходит автоматически, и нет необходимости в дополнительном механическом креплении.  Натриевый бентонит, смешанный с растворимым в воде клеем, размещенный между двумя слоями геотекстиля. Клей удерживает материал во время транспортировки и при укладке. При этом нижний тонкий слой геотекстиля изготавливается из неплотного материала, чтобы бентонит после увлажнения легко проходил через отверстия геотек- стиля, автоматически скрепляя верхний слой.  Бентонит, смешанный с клеем: клей обеспечивает прочность склейки бентонита и HDPE-геомембраны; крепление между секциями происходит так же, как и во втором типе. Однако применение геосинтетических глинистых экранов (глиноматов) требует учета следующего ряда факторов при их проектировании и установке: – определения географических областей, где геосинтетические глинистые экраны не будут наносить ущерба при их использовании в кучном выщелачивании (из-за до- вольно низкой прочности геосинтетических глинистых экранов); – оценки необходимости и характеристик промежуточных берм, т. к. длина рулона геосинтетических глинистых экранов всегда намного короче, чем длина рулона геомем- бран; – оценки перекрытия конструкции, предотвращающей разделение края геосинте- тических глинистых экранов, и эффективного контроля качества в процессе их монтажа.
  • 64.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 64С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Оценка возможности использования геосинтетических глинистых экранов в каче- стве непроницаемого барьера в проектах кучного выщелачивания должна осуществ- ляться на основе конкретных характеристик этих проектов. Так, расположение, расстоя- ние до месторождения глины и реальные условия окружающей среды на территории раз- мещения штабеля КВ являются весьма важными аспектами, которые определяют, явля- ется ли использование геосинтетических глинистых экранов лучшей альтернативой для таких проектов. При этом необходимо отметить, что на территориях с уклонами круче, чем 63,4º, размещение слоя антифильтрационного грунта становится весьма сложным и занимает довольно много времени. Причем в некоторых проектах КВ имеющиеся ограничения по безопасности исключают возможность разматывания рулона на крутых откосах с помо- щью привода для уплотнения слоя глины, поэтому здесь в качестве замены слоя глины может быть применен только геосинтетический глинистый экран. Расстояние от установки КВ до месторождения глин и наличие их в достаточном количестве, а также стоимость их перевозки на площадку КВ, должны быть оценены и сравнены со стоимостью использования геосинтетических глинистых экранов. Кроме того, содержание влаги в глинах является также весьма важным аспектом, особенно если формирование штабеля КВ будет осуществляться в период дождей или дождевого се- зона. Во многих случаях сроки строительства штабеля КВ осуществляются гораздо быстрее при применении геосинтетических глинистых экранов, потому что подготовка поверхности под площадку КВ и размещение на ней геосинтетических глинистых экра- нов осуществляется несколько легче и быстрее, чем подготовка поверхности, сорти- ровка, размещение и уплотнение слоя низкопроницаемого грунта. Однако важно отметить, что в некоторых случаях скальные обнаженные породы, градуированные взрывом, своими чрезмерными неровностями могут повредить геосин- тетические глинистые экраны. В таких случаях их поверхность должна быть выровнена с помощью раствора торкрет-бетона или известкового раствора (рис. 2) либо путем раз- мещения мешков с песком, а в некоторых случаях – с помощью электросварной прово- лочной сетки. Рис. 2 – Подготовка поверхности перед установкой геосинтетических глинистых экранов и геомембран
  • 65.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 65С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е В табл. 1 приведены результаты сравнения установки геосинтетических глинистых экранов и установки слоя глинистого грунта. Таблица 1 Сравнение между слоем глинистого грунта и геосинтетическими глинистыми экранами [1] Закрепленный глинистый грунт Геосинтетический глинистый экран Как правило, наиболее экономичный ва- риант для уклонов менее 68,2º или даже 63,4º, когда источники непроницаемого грунта доступны на участке кучного вы- щелачивания Более экономичный на неровных откосах после проведения взрывных работ или ко- гда материал барьерного грунтового слоя доступен вблизи участка кучного выщела- чивания Может быть использован при откосах до 56,3º. Ограничен в некоторых местах с уклоном 64,3 или 68,2º Может быть использован при любом от- косе площадки выщелачивания с прежде- временной проверкой общей геотехниче- ской стабильности Может быть размещен непосредственно на земляном полотне и структурном наполнении, согласно планировке разра- ботки Эффективен на крутых скальных откосах неправильной формы, где должен быть размещен в сочетании с геокомпозитами и геотекстилями, во избежание возможных проколов Может быть размещен на грунтовых ос- нованиях весьма неправильной формы. Из-за длины рулона промежуточные бермы должны быть спроектированы и по- строены для обеспечения эффективного крепления Не требует промежуточных берм, если система сбора технологических раство- ров в них не нуждается Уязвимые к гидратации уровнем грунто- вых вод в фундаменте, снижающие его эф- фективность в качестве защиты Для крепления геосинтетических глинистых экранов используют анкерную тран- шею, в которой экраны прикрепляются к земляному полотну. Устойчивость экрана по- вышается, если устраняются швы между панелями геосинтетических глинистых экранов на крутых откосах и бермах. Расположение и конфигурация при использовании берм определяются для макси- мальной длины рулонов геосинтетических глинистых экранов, которая, как правило, равна 45 м (хотя некоторые производители обеспечивают рулоны длиной до 75 м). На рис. 3 показаны типичные бермы, где геосинтетические глинистые экраны закреплены в траншее, заполненной закрепленным низкопроницаемым грунтом. Подобные бермы могут быть использованы в качестве фазовой границы раздела или фазового барьера в конструкции штабеля КВ, позволяют осуществлять независимую систему сбора технологических растворов и целенаправленно управлять дождевой водой выше берм путем сбора и эвакуации этих потоков вдоль берм. При формировании подобных слоев необходимо учесть возможные расходы на ма- териалы, предназначенные для предотвращения повреждения геосинтетических глини- стых экранов из-за неравномерных и агрессивных поверхностей (таких, как скальные об- наженные породы, образуемые в результате взрывных работ) и сравнить с эффективно- стью традиционного антифильтрационного грунтового слоя.
  • 66.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 66С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 3 – Типичные промежуточные бермы для защиты площадки КВ: 1 – анкерная траншея (грунт низкой проницаемости); 2 – материал разной мощности, укладываемый сверху; 3 – промежуточная траншея; 4 – нижняя дренажная система; 5 – геокомпозит; 6 – геосинтетический глинистый экран; 7 – уровень грунтового основания; 8 –полиэтиленовая геомембранная пленка низкой плотности (толщиной 2,0 мм); 9 – перекрытие на крутых откосах (3 м); 10 – анкерная траншея (грунт низ- кой проницаемости) Иногда тонкий слой известкового раствора (песок + цемент) нужен для того, чтобы обеспечить равномерность подготавливаемой поверхности (рис. 4). Рис. 4 – Подготовленная скальная поверхность до установки геосинтетических глинистых экранов или геомембран Тяжелый геотекстиль (весом до 500 г/м2 ) может быть использован для защиты, чтобы предотвращать возможные проколы и разрывы геосинтетических глинистых экра- нов. Использование геокомпозитов (или даже геомембран) необходимо в неоднородных склонах, где острые изломы скал могут повредить геосинтетические глинистые экраны. Геокомпозиты в проектах кучного выщелачивания преимущественно использу- ются на рудниках в Перу. В качестве дополнительного преимущества геокомпозит через систему дренажных труб может накапливать любые несобранные подземные воды, тем самым предотвращая излишнее увлажнение геосинтетических глинистых экранов (рис. 5).
  • 67.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 67С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 5 – Установка геокомпозитов, геосинтетических глинистых экранов и геомембран В более агрессивных склонах или каменистой местности с острыми поверхностями скальных выступов (рис. 6), которые обычно образуются на стадии ведения взрывных работ, в контакте с такой породой укладывают электросварную проволочную сетку, за- тем укладывают геокомпозит, комплексируя впоследствии с геосинтетическими глини- стыми экранами. Рис. 6 – Вид склонов со скальными обнажениями, которые способны повредить геосинтетические глинистые экраны На рис. 7 показана поверхность, где будет размещена сетка для получения более гладкой поверхности перед размещением геокомпозита, впоследствии скомплексиро- ванная с геосинтетическими глинистыми экранами. Когда геосинтетические глинистые экраны используются вместо слоя низкопрони- цаемого грунта, то прочность на сдвиг такого геомембранного интерфейса значительно ниже, чем грунтового слоя геомембраны. В этом случае необходимо учитывать стабиль- ность всей площадки кучного выщелачивания. Крупномасштабное прямое испытание на сдвиг, как правило, производится, чтобы определить прочность на сдвиг этого интерфейса, который из-за утечки технологиче- ских растворов через системный слой или из подземных вод включает в себя некоторое увлажнение.
  • 68.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 68С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Геосинтетические глинистые экраны не должны использоваться ниже зоны уста- новки кучного выщелачивания для того, чтобы избежать проблем стабильности [1]. Рис. 7 – Скальная поверхность для размещения сетки Образцы по обеспечению качества берутся с частотой один тест на 10 000 м2 [1]. Все испытания на совместимость экранов должны быть сделаны с помощью соответству- ющих методов и рекомендуемых стандартов и проверены во внешних квалифицирован- ных лабораториях для определения следующих технологических свойств: – массы на единицу площади, чтобы убедиться, что рулон геосинтетических гли- нистых экранов сохраняет не менее 95 % от исходного бентонита, который был исполь- зован на фабрике (с 0% содержания влаги); – гидравлической проводимости, которая в Перу должна быть протестирована в соответствии с ASTM D-5048; – прочности и относительного удлинения, которые в Перу должны быть протести- рованы в соответствии с ASTM D-4632. Геосинтетические глинистые экраны должны быть установлены в зонах, показан- ных на чертежах проекта. Причем перед установкой геосинтетических глинистых экра- нов поверхность площадки должна быть как можно более гладкой, без препятствий, де- прессий и острых предметов [2]. Геосинтетические глинистые экраны с целью получения ровной поверхности, свободной от напряженности, складок или морщин, должны быть развернуты длинной стороной на склон и расширены. В верхней части склонов геосинтетические глинистые экраны будут крепиться к анкерной траншее, а затем будут развернуты вниз по склону. Кроме того, при размещении нижележащего защитного слоя (геотекстиль, геоком- позит или проволочная сетка) установщик несет полную ответственность за проверку качества защитного слоя. Все отверстия или разрывы геосинтетических глинистых экранов должны быть устранены с помощью специальных накладок (используя тот же класс геосинтетических глинистых экранов), которые должны распространяться на 300 мм за края отверстия или разрыва. Все это должно иметь фаску гранулированного бентонита или другого уплот- нителя (свободного от инородных материалов, таких как иглы). Никакие гвозди или скобы не должны быть использованы для закрепления подобной накладки.
  • 69.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 69С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Одной из главных проблем, возникающих после установки геосинтетических гли- нистых экранов, является усадка их панелей, вызывающая появление разделения между панелями геосинтетических глинистых экранов. Поэтому перекрытие должно всегда быть не менее 150 – 400 мм (в зависимости от склона, погодных условий и рекомендаций производителя). Однако отмеченное сжатие (усадка) геосинтетических глинистых экра- нов зависит прежде всего от изменения климата, но не от поверхности склона. На рис. 8 показано сжатие (усадка) геосинтетических глинистых экранов, возник- шее после их размещения, что привело к разделению панелей из-за недостаточного пе- рекрытия. Рис. 8 – Сжатие геосинтетических глинистых экранов и разделение панели из-за недостаточного перекрытия Контрастные изменения температур между днем и ночью были, вероятно, причи- нами такого сжатия и последующего разделения. Поэтому в районах, где ожидаются большие перепады температуры, при откосах менее 45º минимальное перекрытие должно составлять 300 мм, между тем оно должно составлять 500 мм как минимум на склонах более 45º из-за тонкости прокладки, образующейся на полосе в соответствии с их массами. Примеры использования геосинтетических глинистых экранов Случай 1. Оптимизация земляных работ Этот проект кучного выщелачивания с 89,9 га площадки, расположенной в южной части Перу, будет построен в узкой долине, где средний склон составляет 56,3º. Проек- тируемые земляные работы (в основном разрезы) необходимы для того, чтобы достичь поверхности земляного полотна, и составляют около 830 000 м3 , из которых 30 % были сформированы на поверхности выходов скальных пород. При этом из 89,9 га площадки выщелачивания 35,7 га находятся в местах, где склоны круче, чем 68,2º, что составляет 39 % площади. Для обычного размещения низкопроницаемых грунтовых слоев дополнительный отрезок потребуется для профилирования поверхности ниже, чем 68,2º. Для этого потре- буется объем 1 840 000 м3 , который представляет 221 % оригинального кроя. Зоны, где требуются дополнительные разрезы, показаны на рис. 9 зеленым цветом, с типичной сек- цией, показанной на рис. 10.
  • 70.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 70С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 9 – Зоны, где необходим дополнительный разрез для сокращения площадей крутых склонов Однако на откосах круче, чем 68,2º, всех этих дополнительных земляных работ уда- лось избежать благодаря использованию геосинтетических глинистых экранов. Рис. 10 – Дополнительный разрез, где удалось избежать применения геосинтетических глинистых экранов Случай 2. Наличие малопроницаемых грунтов Данный конкретный случай является ситуацией, когда существует ограниченность антифильтрационного материала, который может быть использован в качестве низко- проницаемого грунтового покрытия в отсутствие источников выемки грунта. В этом слу- чае необходимо разместить как можно больше геосинтетических глинистых экранов, настолько это возможно без ущерба для стабильности установки кучного выщелачива- ния. Одна из основных проблем, возникающих в данном случае, заключается в том, что это может генерировать большой объем земляных работ [5]. Кроме того, в условиях до- ждей и особенно на равнинных участках, необходимо соблюдать определенную осто- рожность, чтобы избежать гидратации геосинтетических глинистых экранов: даже уме- ренное количество осадков может привести к ухудшению их состояния [6]. На рис. 11 показан типичный чертеж проекта для региона Северного Перу (до- вольно дождливая область), где доступность антифильтрационных грунтов довольно ограниченная (в основном из-за проблем содержания влаги). Критерии конструкции для установки геосинтетических глинистых экранов включают в себя участки установки куч- ного выщелачивания, где склоны более 68,2º.
  • 71.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 71С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 11 – Зоны для установки геосинтетических глинистых экранов (коричневые участки) Выводы При кучном выщелачивании, когда месторождения глины не расположены в непо- средственной близости от площадки КВ, следует вместо грунтового покрытия использо- вать геосинтетический глинистый экран. Также необходимо принимать во внимание сле- дующие обстоятельства:  Важно проанализировать элементы управления размещением антифильтрацион- ного материала и качеством его установки, для того чтобы обеспечить слой, который бы отвечал требованиям к проектированию и обеспечивал требуемую производительность работ на площадке кучного выщелачивания.  Расчеты устойчивости объемов земляных работ [4], сроки строительства, распо- ложение месторождения глины и процесс строительства являются основными вопро- сами, которые необходимо учитывать при принятии решения, следует ли использовать геосинтетические глинистые экраны вместо малопроницаемых грунтов.  Анализ технологичности и знаний строительного процесса и деталей на стадии проектирования является важным фактором для определения оптимальной конструкции площадки кучного выщелачивания при использовании геосинтетических глинистых экранов.  Четкое описание должно быть представлено в технической спецификации и ру- ководстве по обеспечению качества для технических данных, таких как механические свойства материала, частота испытаний и требования к установке. Литература 1. Cesar, C., Mendoza, J., and Parra, D. 2013. Heap leach pad design in very aggressive terrain, Proceedings of the FirstInternational Heap Leach Solutions Conference, Vancouver, Canada: InfoMine, Inc. 2. Standard Guide for "Design Considerations for Geosynthetic Clay Liners (GCLs) in Various applications" by Geosynthetic Institute (Revision 1 (Editorial): January 9, 2013) 3. Классификация геосинтетических материалов IGS [Электронный ресурс] – Ре- жим доступа: http://www.polyline.ru/publications/klassifikaciya-geosinteticheskih-materi- alov
  • 72.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 72С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е 4. NI 43-101 Technical Report Golden Summit Project Preliminary Economic Assessment Fairbanks North Star Borough, Alaska USA, 2016 5. Prevents/reduces oxidation of potentially ARD generating Proceedings of Heap Leach Solutions, 2014 6. Chappel, M.J., Rowe, R.K., Brachman, R.W.I, Take, W.A. (2012). A comparison of geomembrane wrinkles for nine field cases, Geosynthetics International, 19. - No. 6. - 453 – 469. 7. Воробьев А.Е. Классификация штабелей кучного выщелачивания металлов / А.Е. Воробьев, Т.В. Чекушина // Горный журнал. - № 3. - 1997. – С. 36 - 42. 8. Воробьев А.Е. Группировка рудных штабелей для кучного выщелачивания золота / А.Е. Воробьев, Т.В. Чекушина // Руды и металлы. - 2000. - № 5. – С. 65 - 76. 9. Воробьев А.Е. Проблемы кучного выщелачивания золота из техногенного мине- рального сырья / А.Е. Воробьев // Проблемы извлечения благородных металлов из руд от- ходов обогащения и металлургии. – Екатеринбург, 1998. – С. 9 - 10. 10. Извлечение золота из хвостов золотоизвлекательной фабрики от перера- ботки упорных руд смешанного типа / К.К. Гурин и др. // Цветные металлы. - 2013. - № 5 (845). - С. 39 - 44.
  • 73.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 73С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 622.014.3:553.042]:621.31:18 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.073 Борисков Федор Федорович кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, Институт горного дела УрО РАН, 620075, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 е-mail: ukr07@)mail.ru Борисков Дмитрий Федорович преподаватель, Свердловский техникум дизайна и сервиса, 620027 г. Екатеринбург, переулок Красный, 3 е-mail: dima481246@mail.ru ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ХОЛОДА ТРОПОСФЕРЫ – НОВОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РЕСУРСА ПЛАНЕТЫ ЗЕМЛЯ ДЛЯ СОХРАНЕНИЯ И СОЗДАНИЯ ЛЕДНИКОВ Boriskov Pheodor Ph. candidate of mineralogical and geological sciences, senior researcher, The Institute of Mining UB RAS, 620075, Yekaterinburg, 58 Mamin-Sibiryak st., e-mail: ukr07@mail.ru Boriskov Dmitry Ph. teacher, The Sverdlovsck technical school of design and service, 620027, Yekaterinburg, 3 side-street Krasny е-mail: dima481246@mail.ru TROPOSHERE COLD APPLICATION AS A NEW ENERGETIC EARTH PLANET RESOURCE FOR GLACIERS PRESERVATION AND CREATION Аннотация: Обосновано применение холода тропосферы Земли – нового энергетического ресурса пла- неты для сохранения и создания ледников. Ключевые слова: тропосфера Земли, холод, по- тепление Abstract: Using the Earth troposphere cold as a new planet energy resource for glaciers preservation and crea- tion is based. Key words: the Earth troposphere, cold, warming Энергетические ресурсы Земли формируются излучением Солнца, теплом ее недр (извержения вулканов), распадом радиоактивных элементов, падением метеоритов. Часть энергии, в основном Солнца, накапливается растениями и животными и сохраня- ется в дереве, торфе, угле и углеводородах (нефть, газ). Уменьшение количества энергии на Земле приводит к похолоданию климата, увеличение – к потеплению, которое сопро- вождается также таянием ледников. Более 1000 мелких и средних ледников исчезло в Киргизской республике [1]. На горе Килиманджаро ледник потерял около 80 % своей площади и 17 м толщины льда [2]. Для характеристики теплофизического состояния тропосферы Земли используются также следующие природные явления: 1. Тропосферотермический (вертикально термический) градиент – уменьшение температуры (Т) воздуха при увеличении высоты над земной поверхностью. Например, тропический климат у подножья горы Килиманджаро – вечное лето в экваториальной зоне Африки (Т > 0о C) – сменяется оледенением (Т < 0о C) на пиках горы под фрагмен- тами тающего ледника. 2. Кругооборот воды в природе (испарение воды с поверхности Земли, перенос во- дяного пара вверх в холодную зону тропосферы (Т < 0о С) теплым легким воздухом, кон- денсация паров воды в холодной зоне тропосферы с образованием воды и льда, выпаде- ние осадков (дождь иногда с градом, снег). 3. Теплообмен и массоперенос воздуха, водяного пара, воды, льда при кругообо- роте воды в природе, в траектории которого можно выделить: – вертикальный участок, возникающий при подъеме легкого теплого воздуха с во- дяным паром в холодную зону тропосферы, в которой пар конденсируется с образова- нием воды, снега, льда (конденсат);
  • 74.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 74С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е – горизонтальный участок в холодной зоне тропосферы, где конденсат поддержи- вается восходящим потоком воздуха; – второй вертикальный участок, по которому конденсат выпадает на поверхность Земли тогда, когда сила тяжести капель воды или частиц льда, увеличивающаяся при конденсации паров воды, превысит силу восходящего потока воздуха, поддерживающую конденсат в воздухе. Выпадением конденсата на поверхность Земли формируется П-образная траекто- рия теплообмена и массопереноса при кругообороте воды в природе. Предлагается использовать модель П-образной траектории теплообмена и массо- переноса вещества (воздух, водяной пар, вода, снег, лед) при кругообороте воды в при- роде для получения и отложения снега на горах с применением П-образного пустотелого устройства (ПУ). ПУ содержит две вертикальные трубы, соединенные вверху между собой гори- зонтальной трубой (радиатором), образующие две горизонтальные (нижняя, верхняя) и две вертикальные (правая и левая) части. ПУ устанавливается преимущественно верти- кально (рис. 1). Нижняя (горизонтальная) часть размещается в зоне с Т > 0о C, верхняя часть и радиатор – с Т < 0о C. Рис. 1 – Схема доставки снега на участок земной поверхности холодным воздухом Т < 0о С↓ П-образным пустотелым устройством (ПУ) (0о С – 0о С – изолиния 0о С) Теплообмен и массоперенос по схеме кругооборота воды в природе можно осу- ществлять в ПУ принудительно, например, с использованием вентилятора. Теплый воздух с Т > 0о C, подаваемый, например, в правую часть ПУ, движется вверх. В радиаторе и в верхней холодной части ПУ воздух охлаждается до Т < 0о С, где пары воды конденсируются. При замерзании капель воды образуются льдинки, которые с холодным воздухом левой частью ПУ направляются на сохраняемый или вновь созда- ваемый участок ледника. Более рациональным направлением в организации теплообмена и массопереноса в ПУ является использование силы тяги, возникающей в процессе подъема легкого теп- лого воздуха по его правой трубе, охлаждения воздуха в верхней части ПУ и выхода холодного воздуха со снегом по левой трубе ПУ на тающий ледник. Литература 1. Таяние ледников, 2015 [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.bing.com/ 2. Килиманджаро [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://ru.wik- ipeda.org//wiki/
  • 75.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 75С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 574.589 (571.17) DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.075 Кириллов Владимир Викторович кандидат биологических наук, доцент, заведующий лабораторией водной экологии, Институт водных и экологических проблем СО РАН, 656038, Алтайский край, г. Барнаул, ул. Молодежная, 1 e-mail: vkirillov@iwep.ru Жоров Виктор Алексеевич кандидат географических наук, главный инженер ООО «Центр инженерных технологий», 656031, Алтайский край, г. Барнаул, ул. Папанинцев, 129 e-mail: cit.barnaul@gmail.com Безматерных Дмитрий Михайлович кандидат биологических наук, доцент, заместитель директора по научной работе, Институт водных и экологических проблем СО РАН e-mail: bezmater@iwep.ru Бурмистрова Ольга Сергеевна кандидат биологических наук, научный сотрудник, Институт водных и экологических проблем СО РАН e-mail: burmolga@yandex.ru Винокурова Галина Владимировна кандидат биологических наук, научный сотрудник, Институт водных и экологических проблем СО РАН e-mail: kimg@iwep.ru Долматова Людмила Анатольевна кандидат химических наук, научный сотрудник, Институт водных и экологических проблем СО РАН e-mail: dolmatova@iwep.ru Дьяченко Александр Владимирович младший научный сотрудник, Институт водных и экологических проблем СО РАН e-mail: dychenko@iwep.ru Зарубина Евгения Юрьевна кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, Новосибирский филиал Института водных и экологических проблем СО РАН, 630090, г. Новосибирск, Морской проспект, 2 e-mail: zeur@mail.ru Котовщиков Антон Викторович кандидат биологических наук, научный сотрудник, Институт водных и экологических проблем СО РАН e-mail: kotovschik@iwep.ru Соколова Мария Ивановна младший научный сотрудник, Институт водных и экологических проблем СО РАН e-mail: smi1181@mail.ru Медникова Галина Mихайловна ведущий химик-технолог, Институт водных и экологических проблем СО РАН e-mail: mednikova@iwep.asu.ru Трошкова Ирина Александровна младший научный сотрудник, Институт водных и экологических проблем СО РАН e-mail: egorka_iren@mail.ru Эйрих Алла Николаевна кандидат технических наук, научный сотрудник, Институт водных и экологических проблем СО РАН e-mail: alnik@iwep.ru Эйрих Стелла Сергеевна кандидат химических наук, старший научный сотрудник, Институт водных и экологических проблем СО РАН e-mail: stella@iwep.ru Kirillov Vladimir V. candidate of biological sciences, associate professor, the head of water ecology laboratory, The Institute of water and environmental problems SB RAS, 656038, Altai Krai, Barnaul, 1 Molodezhnaya St. e-mail: vkirillov@iwep.ru Zhorov Victor Al. candidate of geographical sciences, chief engineer, «The Center of Engineering Technologies» Ltd., 656031, Altai Krai, Barnaul, 129 Papanintzev St. e-mail: cit.barnaul@gmail.com Bezmaternykh Dmitry M. candidate of biological sciences, associate professor, Deputy Director on science, The Institute of water and environmental problems SB RAS e-mail: bezmater@iwep.ru Burmistrova Olga S. candidate of biological sciences, researcher, The Institute of water and environmental problems SB RAS e-mail: burmolga@yandex.ru Vinokurova Galina V. candidate of biological sciences, researcher, The Institute of water and environmental problems SB RAS e-mail: kimg@iwep.ru Dolmatova Ludmila A. candidate of chemical sciences, researcher, The Institute of water and environmental problems SB RAS e-mail: dolmatova@iwep.ru Dyachenko Alexander V. junior researcher, The Institute of water and environmental problems SB RAS e-mail: dychenko@iwep.ru Zarubina Evgeniya Yu. candidate of biological sciences, senior researcher, The Institute of water and environmental problems, Novosibirsk Branch SB RAS 630090, Novosibirsk, 2 Morskoy Avenue e-mail: zeur@mail.ru Kotovshchikov Anton V. candidate of biological sciences, researcher, The Institute of water and environmental problems SB RAS e-mail: kotovschik@iwep.ru Sokolova Maria I. junior researcher, The Institute of water and environmental problems SB RAS e-mail: smi1181@mail.ru Mednikova Galina M. leading chemical engineer, The Institute of water and environmental problems SB RAS e-mail: mednikova@iwep.asu.ru Troshkova Irina Al. junior researcher, The Institute of water and environmental problems SB RAS e-mail: egorka_iren@mail.ru Eyrikh Alla N. candidate of technical sciences, researcher, The Institute of water and environmental problems SB RAS e-mail: alnik@iwep.ru Eyrikh Stella S. candidate of chemical sciences, senior researcher, The Institute of water and environmental problems SB RAS e-mail: stella@iwep.ru
  • 76.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 76С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е ЭВОЛЮЦИЯ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ГИДРООТВАЛА УГОЛЬНОГО РАЗРЕЗА В БАССЕЙНЕ РЕКИ ИНЯ (КУЗБАСС) THE EVOLUTION OF NATURAL AND TECHNICAL SYSTEM OF A COAL MINE HYDRAULIC FILL IN THE INYA RIVER BASIN (KUZBASS) Аннотация: Исследована многолетняя динамика малого водо- хранилища, использовавшегося для открытых горных работ гидромеханизированным способом в течение 27 лет. Современные характеристики водохранилища свидетельствуют, что за после- дующие 16 лет произошла стабилизация его эко- системы и в настоящее время оно перешло из ка- тегории природно-технических систем в катего- рию лимнических систем искусственного проис- хождения. Рекультивация «водным зеркалом» территории бывшего гидроотвала достаточна, и ликвидация водохранилища нецелесообразна. Ключевые слова: река, водохранилище, водная эко- система, угольный разрез, гидрохимия, гидробио- логия, тяжелые металлы, ликвидация плотин Abstract: The long-term dynamics of a small reservoir used for open-cast mining by hydro-mechanization during 27 year period is studied. Modern characteristics of the reservoir are evidence of its ecosystem stabiliza- tion over the last 16 years; from a category of natural- technical it went over into a category of man-made limnological systems. The water surface based recla- mation of the site of the former hydraulic mine dump is sufficient, and the reservoir elimination is unreason- able. Key words: river, reservoir, aquatic ecosystem, open- cast mining, hydrochemistry, hydro-biology, heavy metal, dam removal Введение Экологическое воздействие строительства плотин на речные экосистемы изучено достаточно хорошо. Значительно меньше исследованы экологические последствия, свя- занные с ликвидацией искусственных водоемов. Спуск водохранилищ производится чаще всего в случае истечения срока эксплуатации плотины как следствие ее износа и нахождения в аварийном состоянии, а также в связи с тем, что финансовые средства, необходимые для ремонта плотины и ее содержания, могут намного превышать стои- мость спуска водоема и демонтажа плотины [1]. Но при спуске водохранилища возни- кает множество вопросов, связанных в первую очередь с возможными негативными эко- логическими последствиями осушения значительных по объему и разнообразных по хи- мическому составу, включая токсические вещества, донных отложений. Цель данной работы – оценка современного экологического состояния и возмож- ности безопасной ликвидации водохранилища на реке Черновой Уроп, расположенного в бассейне реки Иня в Беловском районе Кемеровской области (Кузбасс). Объект и методы исследований Река Черновой Уроп длиной 22 км берет начало на южном склоне Тарадановского увала, в 1,5 км юго-восточнее горы Елбан на отметках 400 м, течет на юг, впадает с ле- вого берега в реку Уроп – правый приток реки Иня (нижняя). Для ведения на разрезе «Колмогоровский» открытых горных работ по вскрыше угольных пластов гидромехани- зированным способом в 1971 г. был создан гидроотвал на реке Черновой Уроп, образо- ванный двумя дамбами. Основная дамба, расположенная поперек русла реки, предна- значалась для создания емкости гидроотвала. Ограждающая дамба, расположенная вдоль русла реки, предназначалась для создания емкости гидроотвала, секций пруда-от- стойника, а также для защиты водосбросного канала. С 1998 г. все работы на гидроотвале прекращены, технологическое оборудование систем гидротранспорта и оборотного во- доснабжения демонтировано. С западной стороны гидроотвала расположен водосброс- ный канал, предназначенный для отвода осветленных и паводковых вод. В устье канала был расположен трубчатый водосброс для регулирования уровня воды в гидроотвале. В настоящее время сооружения водосброса полностью демонтированы. Максимальная
  • 77.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 77С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е пропускная способность канала составляет 79,5 м3 /с, глубина – до 20 м, ширина по дну – 6,0 м, заложения откосов – 1:2. Емкость гидроотвала не используется для сбросов пульпы уже более 16 лет. В настоящее время большая ее часть занята заросшими сухими участками, образовавши- мися из осажденных отложений вскрышных грунтов. Пруд-отстойник, водная поверх- ность которого осталась лишь в верховьях гидроотвала, расположен в 10 км от устья реки и используется в целях рекреации и рыборазведения. В июле – августе 2014 г. на месте расположения гидроотвала были проведены натурные гидрологические работы по оценке современного состояния гидрографической сети, включая батиметрическую съемку водохранилища на месте бывшего гидроотвала. Морфометрические характери- стики водохранилища в период исследований: емкость – 2,153 млн. м3 ; площадь зеркала – 1,75 км2 ; средняя глубина – 1,2 м; максимальная глубина – 4,0 м. Поскольку в настоя- щее время никакой производственной деятельности в данном районе не ведется, произо- шедшие изменения в водном режиме и гидрографической структуре можно считать уста- новившимися. Схема исходного водохранилища и современной гидрографической сети показаны на рис. 1. Физические, химические и биологические характеристики воды и донных отло- жений водохранилища были исследованы 22 июля 2014 г. на шести экологически раз- личных участках (рис. 2). Пробы воды для определения содержания кислорода, биоген- ных и органических веществ, состава и количества планктона отбирали батометром из поверхностного слоя. Пробы донных отложений для исследования гранулометрических и химического составов, определения состава и количества зообентоса отбирали дночер- пателем Петерсена. Отбор проб и их последующая обработка, геоботанические описания выполнены в соответствии со стандартными методами [2, 3]. Рис. 1 – Схема исходного водохранилища и современной гидрографии реки Черновой Уроп
  • 78.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 78С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 2 – Карта-схема расположения водохранилища и пунктов исследования Результаты исследований Г и д р о х и м и я . Активная реакция воды водохранилища является щелочной (рН в интервале 8,70 – 8,85), концентрация растворенного кислорода 11,2 – 14,9 мг/дм3 , процент насыщения 141 – 187 %. В воде водохранилища содержится значительное коли- чество растворенного органического вещества: значения БПК5 2,37 – 3,17 мг О2/дм3 , пер- манганатной окисляемости (ПО) 4,27 – 5,29 мг О/дм3 . Количество биогенных веществ низкое: концентрации нитритов и нитратов ниже предела обнаружения использованных аналитических методик, содержание фосфатов 0,04 – 0,08 мг/дм3 , ионов аммония 0,06 – 0,14 мг/дм3 . По величине минерализации [4] вода водохранилища относится к альфа–гипогалинным пресным водам (155 – 225 мг/дм3 ), по ионному составу [5] – при- надлежит к гидрокарбонатно-кальциевым водам I типа. Жесткость воды 1,65 – 2,35 ммоль/дм3 , что характерно для мягких вод. П о с о д е р ж а н и ю м е х а н и ч е с к и х э л е м е н т о в донные отложения водо- хранилища на всех исследованных участках относятся к глинам [6]. Доля фракций с раз- мерами частиц менее 0,01 мм (в % на воздушно-сухую почву, по фракциям по классифи- кации Н.А. Качинского) составляет от 44 % в центральной части водохранилища (см. рис. 2, т. 4) до 90 % на участке, прилегающем к наиболее заиленной части (см. рис. 2, т. 3). Такой состав соответствует почвенному покрову побережья водохранилища, но в случае его спуска потребует дополнительных мер по рекультивации осушенной терри- тории. Смыв донных отложений в речную сеть ниже водохранилища изменит морфомет- рию реки и условия обитания гидробионтов, включая рыб, до, возможно, полного их ис- чезновения. Х и м и ч е с к и й с о с т а в д о н н ы х о т л о ж е н и й . В пробах донных отложе- ний, отобранных в шести пунктах исследований, было определено содержание подвиж- ных форм 10 элементов (табл. 1). Анализ выполнен в аккредитованной лаборатории Хи- мико-аналитического центра ИВЭП СО РАН в соответствии с [7, 8].
  • 79.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 79С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Таблица 1 Содержание тяжелых металлов* в донных отложениях водохранилища на реке Черновой Уроп (среднее значение двух измерений, мг/кг) № пункта Fe** Mn Cu Zn Pb Cd Co Ni As Hg 1 46±7 600±120 30±9 91±27 23±7 <1 14±4 44±13 58±14 0,05±0,02 2 53±8 1182±236 38±11 96±29 36±11 <1 7±2 55±16 16±4 < 0,02 3 42±6 610±122 26±8 65±20 28±8 <1 14±4 44±13 11±3 < 0,02 4 348±5 587±117 19±6 52±16 19±6 <1 13±4 35±10 17±4 < 0,02 5 62±9 1040±208 39±12 95±28 33±10 <1 15±4 44±13 16±4 0,03±0,1 6 57±9 2598±520 19±6 76±23 15±4 <1 13±4 38±11 44±11 0,04±0,02 Класс опасности [9] - 3 2 1 1 1 2 2 1 1 ПДК [10, 16 с.; 11, 15 с.; 12, 29 с.] – 1500 – – 32 – – – 2 2,1 * - кислотные вытяжки **- г/кг Оценка выполнена с учетом перспективы возможного последующего использова- ния донных отложений в качестве почвообразующих пород в случае принятия решения о рекультивации осушенной части водохранилища. Поэтому при анализе результатов ис- пользованы почвенные показатели качества грунтов [9]. Установленные концентрации соединений тяжелых металлов при значительном превышении предельно допустимой концентрации (ПДК) для элементов 1 и 3 классов опасности (Mn, Pb, As) являются осно- ванием для отнесения донных отложений к категории «опасные» [10]. Наиболее суще- ственные превышения ПДК (до 29 раз) наблюдаются для мышьяка, относящегося к 1 классу опасности. В случае спуска водохранилища состояние почв в зоне осушения будет оценено как «экологическое бедствие» [9] и, кроме того, возможны отрицательные экологические последствия перераспределения донных отложений вниз по течению реки, а также атмосферный перенос токсикантов на прилегающие территории. В фитопланктоне водохранилища отмечено 90 видов водорослей из шести отде- лов. Зеленые (34,4 %), диатомовые (25,6 %) и синезеленые (цианобактерии или циано- прокариоты) (22,2 %) водоросли являются основными по видовому разнообразию, при существенной роли эвгленовых водорослей (11,1 %) в таксономическом составе. По всей акватории водохранилища доминирующими по численности являются синезеленые во- доросли Anabaena flos-aquae, A. contorta, A. variabilis, A. spiroides f. woronichiniana, Aphanizomenom flos-aquae. Но по биомассе доминируют крупноклеточные Ceratium hi- rundinella, Peridinium willei (динофитовые) и Cosmarium obtusatum, колонии Dic- tiosphaerium granulatum (зеленые). Общая численность водорослей находилась в преде- лах 93,7 – 845,9 тыс. кл./л, биомасса – 85,0 – 1202 мг/м3 (табл. 2). По биомассе водорос- лей водохранилище является мезотрофным водоемом, трофический статус его южной оконечности можно отнести к мезоэвтрофной зоне. К о н ц е н т р а ц и я Хл «а» в фитопланктоне поверхностного слоя воды водохра- нилища изменялась на различных участках от 2,1 до 8,8 мг/м3 при средней по акватории 5,1±0,9 мг/м3 , что индицирует умеренное развитие фитопланктона в водохранилище, а сам водоем характеризует как мезотрофный. Высокое относительное содержание Хл «а» в сумме всех хлорофиллов (95 – 99 %) указывает на значительный вклад в количество фитопланктона синезеленых водорослей, что соответствует альгологическим данным, представленным выше.
  • 80.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 80С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Таблица 2 Число видов и количество фитопланктона, зоопланктона и зообентоса водохранилища на реке Черновой Уроп 22 июля 2014 г. Примечание: n–общее число видов, N–численность, B–биомасса; Хл «а» – концентрация хлорофилла «а», Хл «b»–концентрация хлорофилла «b», Хл «c»–концентрация хлорофилла «c». Во флоре водохранилища отмечено 24 вида макрофитов из 19 родов, 14 семейств и 2 отделов. По числу видов преобладают цветковые (Magnoliophyta) – 23 вида, отдел хвощевые (Equisetophyta) представлен 1 видом. По видовому разнообразию доминируют семейства рдестовых (Potamogetonaceae), водокрасовых (Hydrocharitaceae), осоковых (Cyperaceae) и рясковых (Lemnaceae), по три вида в каждом [13]. Кроме высших водных растений, отмечено значительное развитие двух видов нитчатых водорослей - Spirogyra ternata Ripart и Spirogyra sp. Для водохранилища характерен массивно-зарослевый тип зарастания. Раститель- ность занимает значительную часть акватории, площадь зарастания достигает 60 – 75 %. Однако при общем значительном обилии растительности сохраняется четкая зональ- ность в ее распределении по водоему. Сообщества надводных растений окаймляют во- дохранилища почти со всех сторон, подводные и с плавающими листьями растения рас- пространяются мозаично по всей акватории, прерываясь небольшими плесами чистой воды. В настоящее время растительность водохранилища находится в состоянии эколо- гического климакса, который характеризуется постоянством доминирующих видов, ин- тенсивным зарастанием с выраженной поясностью. В составе зоопланктона водохранилища обнаружено 39 видов и форм при наибольшем разнообразии Rotifera – 18 видов. Cladocera отмечено 13 видов, Cope- poda – 8. По численности доминировали Rotifera (до 69 % от общей численности) – Keratella c. f. cochlearis, Polyarthra dolychoptera и Polyarthra vulgaris. Самая низкая чис- ленность зоопланктона (212,1 тыс. экз./м3 ) – в юго-западной части между зарослями ро- голистника и телореза. Максимальная численность зоопланктона (595,9 тыс. экз./м3 ) – в северо-западной части водохранилища над зарослями роголистника (см. табл. 2). По биомассе в зоопланктоне водохранилища доминировали Copepoda (до 93 % от общей биомассы) – ювенильные стадии Copepoda, Bosmina longirosris и Simocephalus mixtus. Самая низкая биомасса зоопланктона (1,78 г/м3 ), как и численности, отмечена в юго-западной части между зарослями роголистника и телореза. Максимальная биомасса зоопланктона (9,66 г/м3 ) – в восточной части водохранилища, свободной от зарослей мак- рофитов (здесь обнаружено большее количество крупных форм Cladocera). № пункта Фитопланктон Зоопланктон Зообентос n N, тыс. кл./л B, мг/л Хлорофилл «а» n N, тыс. экз./м3 B, г/м3 n N, экз./м2 B, г/м2содержание, мг/м3 доля от суммы (Хл a+b+c), % 1 29 596, 7 715,3 5,03 94,9 21 595,9 3,62 11 660 19,4 2 22 845,9 953,4 8,82 96,6 20 426,6 4,23 13 18860 2,0 3 31 839,2 1091 5,40 98,3 13 212,1 1,78 11 740 0,2 4 41 438,9 1202 4,28 96,8 22 326,3 4,60 19 2320 18,5 5 24 240,9 543,7 5,18 95,7 18 566,0 9,66 7 54680 19,9 6 25 93,7 85,0 2,05 99,1 15 295,7 4,14 17 14900 8,5
  • 81.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 81С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е В зообентосе водохранилища выявлено 50 видов донных беспозвоночных, вклю- чая нематод – 2 вида, олигохет – 6, пиявок – 4, двустворчатых моллюсков – 3, брюхоно- гих – 12, клещей – 1, ручейников – 1, стрекоз – 3, поденок – 2, клопов – 2, двукрылых – 14 (среди них 3 – мокрецов и 11 – хирономид). Многие из обнаруженных видов являются лимнофильными и фитофильными, что характерно для мелких зарастающих водоемов [14]. По частоте встречаемости в пробах доминировали малощетинковые черви Limno- drilus hoffmeisteri и личинки хирономид Tanytarsus gr. mendax. В среднем по всем пунк- там исследования в водохранилище биомасса зообентоса составила 11,4±7,6 г/м2 , что со- ответствует повышенному классу продуктивности по шкале трофности С.П. Китаева [15] – альфа-эвтрофному типу водоемов. В точке 2 отмечена высокая численность нематод, которая обычно наблюдается в полисапробных водоемах [16]. Большое количество олигохет семейства Tubificidae также является показателем высокого содержания органических веществ в водоеме. По индексу Пареле водохранилище практически на всех участках является «сильно загряз- ненным», по олигохетному индексу Гуднайта-Уитлея и биотическому Вудивисса (TBI) – имеет сильную степень загрязненности органическими веществами. Это соответствует V классу качества вод по шкале Росгидромета. В состав ихтиоценоза водоема входят щука, окунь, карп, карась, сазан, ерш, плотва, елец. Начиная с 1981 г. производилось дополнительное зарыбление водоема кар- пом и толстолобиком. Водохранилище является рыбопромысловым участком № 53 – «пруд Сартаковский» по Перечню рыбопромысловых участков Кемеровской области, и оно передано Беловской районной общественной организации охотников и рыболовов для организации любительского и спортивного рыболовства. Рыбопродуктивность водо- ема, согласно Паспорту водоема, составляет 60 кг/га. По данным учета уловов, представ- ленных пользователем, на водохранилище ежегодно вылавливается от 50 до 80 ц рыбы. Заключение В результате проведенных исследований выявлены необратимые антропогенные изменения гидрографической сети и гидрологического режима вследствие образования на реке проточного водоема антропогенного происхождения на месте бывшего гидроот- вала. Уровенный режим водохранилища, состояние поймы и нового русла на месте об- водного канала, морфометрия водоема, существование гидрографической системы в те- чение длительного периода позволяют утверждать, что эта система устойчива. Основная и ограждающая дамбы в настоящее время находятся на территории осушенной части гидроотвала. Между водохранилищем и руслом ниже него нет какой-либо перемычки, и возникновение чрезвычайной ситуации в нижнем бьефе вследствие ее размыва в резуль- тате катастрофического паводка полностью исключено. Результаты натурных исследований водохранилища в конце июля 2014 г., в пе- риод максимального уровня развития биоценозов, а также архивные данные свидетель- ствуют, что в соответствии с существующими классификациями водохранилище на реке Уроп по составу и уровню развития фитопланктона и зоопланктона относится к мезо- трофным водоемам, макрофитов и зообентоса – слабоэвтрофным, по уровню рыбопро- дуктивности – среднепродуктивным. При этом в автотрофном звене наблюдается доми- нирующая роль высшей водной растительности и фитоперифитона, по сравнению с фи- топланктоном. В гетеротрофной части зообентос преобладает над зоопланктоном. При таком соотношении планктонного и детритного звеньев экосистемы водоем относится к типу «макрофитный», что является основанием для предварительных рекомендаций по зарыблению его растительноядными видами рыб, например, белым амуром. В целом экосистема водохранилища на реке Уроп в настоящее время является полной по составу, сбалансированной по структуре и средней по уровню биологической продуктивности с высоким потенциалом саморегулирования. Современное экологиче-
  • 82.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 82С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е ское состояние водохранилища аналогично таковому для искусственных водных объек- тов со значительным вкладом антропогенных факторов в их формирование в течение длительного времени. Это соответствует истории данного водоема, который использо- вался в качестве гидроотвала угольного разреза с 1971 по 1998 год (27 лет). Учитывая современные гидрологические, гидрохимические и гидробиологические характеристики водохранилища, можно заключить, что за последующие 16 лет произошла стабилизация его экосистемы, и в настоящее время оно перешло из категории природно-технических систем в категорию лимнических систем искусственного происхождения. В течение длительного периода использования водохранилища в качестве гидро- отвала загрязняющие вещества, такие как тяжелые металлы, присутствовавшие в воде в растворенном состоянии, попадая в водохранилище, адсорбировались на взвешенных ча- стицах и осаждались вместе с ними в донные отложения. Установленные концентрации соединений тяжелых металлов при значительном превышении ПДК для элементов 1 и 3 классов опасности (Mn, Pb, As) являются основанием для отнесения донных отложений к категории «опасные» [10]. Наиболее существенные превышения ПДК (до 29 раз) наблюдаются для мышьяка, относящегося к 1 классу опасности. В случае спуска водо- хранилища состояние почв в зоне осушения будет оценено как «экологическое бедствие» [9]. Кроме того, возможен атмосферный перенос токсикантов на прилегающие террито- рии, включая один из крупных городов Кузбасса – г. Белово и населенные пункты Бе- ловского района. Ликвидация водохранилища приведет к неблагоприятным экологиче- ским последствиям для реки Черновой Уроп в связи с поступлением большого объема донных отложений, содержащих повышенную концентрацию токсических веществ в речную систему верхнего течения реки Иня и далее в Беловское водохранилище много- целевого назначения (теплоэнергетика, хозяйственно-питьевое водоснабжение, рекреа- ция, рыбное хозяйство) [17]. В непосредственной близости от гидроотвала в пойме реки Черновой Уроп рас- положены пять артезианских скважин Уропского водозабора с общим дебитом 350 м3 /час. При ликвидации водоема возможно резкое сокращение производительности скважин вплоть до их полного истощения. Учитывая высокую вероятность загрязнения гидросферы, атмосферы и почвен- ного покрова, риск потери подземных источников питьевого водоснабжения в случае ликвидации водохранилища, а также его актуальную социально-экономическую значи- мость для рекреационного и рыбохозяйственного использования, целесообразно при- знать достаточной рекультивацию «водным зеркалом» территории бывшего гидроот- вала. Водохранилище необходимо включить в реестр водных объектов региона. Литература 1. Максимович Н.Г. Малые водохранилища: экология и безопасность / Н.Г. Мак- симович, С.В. Пьянков. – Пермь: Перм. гос. нац. исслед. ун-т, 2012. – 256 с. 2. Руководство по гидробиологическому мониторингу пресноводных экосистем / Под ред. В.А. Абакумова– СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. – 318 с. 3. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши. Ч. 1 / Под ред. Л.В. Боевой. – Ростов-на-Дону: «НОК», 2009. – 1044 с. 4. Комплексная экологическая классификация качества поверхностных вод суши / О.П. Оксиюк и др. // Гидробиологический журнал. – 1993. – № 29 (4). – C. 62 – 76. 5. Алекин О.А. Основы гидрохимии / О.А. Алекин. – Л.: Гидрометеоиздат, 1970. – 444 с. 6. Государственный стандарт ГОСТ 12536-79 Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава. – Взамен ГОСТ 12536-67; Введ. 1980–07–01. – М.: Изд-во стандартов, 1980. – 18 с.
  • 83.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 83С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е 7. Природоохранные нормативные документы федеральные ПНД Ф 14.1:2:4.139- 98. Методика выполнения измерений массовой концентрации железа, кобальта, мар- ганца, меди, никеля, серебра, хрома и цинка в пробах питьевых, природных и сточных вод методом атомно-абсорбционной спектрометрии / Государственный комитет Россий- ской Федерации по охране окружающей среды. – М., 1998 (издание 2010 г.). – 23 с. 8. Природоохранные нормативные документы федеральные ПНД Ф 16.2.2:2.3:3.25-02. Количественный химический анализ почв. Методика выпол- нения измерений содержания ртути общей в твердых и жидких отходах производства и потребления, осадках, шламах, активном иле, донных отложениях атомно-абсорбцион- ным методом / Государственный комитет Российской Федерации по охране окружающей среды. – М., 2002 (издание 2005 г.). – 20 с. 9. Критерии оценки экологической обстановки территорий для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия. Утв. ГНТУ МООСПР РФ 30.11.1992. - М., 1992. 10. СанПиН 2.1.7.1287-03. Санитарные правила и нормы. Санитарно-эпидемиоло- гические требования к качеству почвы / Федеральный центр госсанэпидемнадзора Мин- здрава России. – М., 2004. – 16 с. 11. ГН 2.1.7.2041-06 Гигиенические нормативы. Предельно допустимые концен- трации (ПДК) химических веществ в почве / Федеральный центр гигиены и эпидемиоло- гии Роспотребнадзора. - М., 2006. – 15 с. 12. МУ 2.1.7.730-99 Методические указания. Гигиеническая оценка качества почвы населенных мест. – М., 1999. – 29 с. 13. Соколова М.И. Особенности зарастания малого равнинного водохранилища бассейна реки Иня (Кемеровская область) / М.И. Соколова // Шаг в науку: матер. XV конф. молодых ученых ИВЭП СО РАН, Барнаул, 5 февраля 2015 г. – Барнаул: Изд- во «Пять плюс», 2015. – С. 67 - 75. 14. Безматерных Д.М. Макрозообентос водохранилища на р. Черновой Уроп (Ке- меровская область) / Д.М. Безматерных, Е.Н. Крылова // Известия Алтайского отделения Русского географического общества. – 2014. – Вып. 35. – С. 63 - 68. 15. Китаев С.П. О соотношении некоторых трофических уровней и «шкалах трофности» озер разных природных зон / С.П. Китаев // V съезд Всерос. гидроб. общ-ва: тез. докл. Ч. 2. – Куйбышев, 1986. – С. 254 - 255. 16. Гагарин В.Г. Свободноживущие нематоды пресных вод России и сопредель- ных территорий: фауна и пути ее формирования, экология, таксономия, филогения / В.Г. Гагарин. – М.: Наука, 2001. – 170 с. 17. Кириллов В.В. Экологические и технологические аспекты оптимизации ком- плексного использования Беловского водохранилища / В.В. Кириллов, О.П. Кислов, А.М. Смаков // Экология и экономика: региональные проблемы перехода к устойчивому развитию. Взгляд в XXI век: Докл. Всерос. науч.-практ. конф. – Кемерово: Кузбассвузиз- дат, 1997. – С. 173 - 177.
  • 84.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2, 2017 г. С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е СТАТЬИ УЧАСТНИКОВ XI ВСЕРОССИЙСКОЙ МОЛОДЕЖНОЙ НАУЧНО - ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ПО ПРОБЛЕМАМ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ, проведенной ИГД УрО РАН 8-10 февраля 2017 г.
  • 85.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 85С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 622.232:621.877.3 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.085 Беспальков Алексей Андреевич инженер лаборатории транспортных систем карьеров и геотехники, Институт горного дела УрО РАН, 620075, Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: bespalkov@igduran.ru Журавлев Артем Геннадиевич кандидат технических наук, заведующий лабораторией, Институт горного дела УрО РАН e-mail: juravlev@igduran.ru ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КАБЕЛЬНЫХ КРАНОВ ДЛЯ ВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ РАБОТ Bespalkov Alexey A. engineer of the laboratory of open pit transport systems and geotechnics, Тhe Institute of mining UB RAS, 620075, Yekaterinburg, 58 Mamin-Sibiryak st. e-mail: bespalkov@igduran.ru Zhuravlev Artem G. candidate of technical sciences, chief of the laboratory, The Institute of mining UB RAS e-mail: juravlev@igduran.ru TECHNICAL ISSUES RELATED TO USING CABLE CRANES FOR MINING OPERATIONS Аннотация: В статье рассмотрены вопросы, связанные с обеспечением достаточной производительно- сти и возможности ведения горных работ при использовании в качестве магистрального звена транспорта кабельных кранов. В частности, представлены схемы грузоподъемной тары для кабельного крана, рассмотрен вопрос обеспече- ния достаточного обзора для оператора и нали- чия мониторинговой системы при ведении ра- бот кабельным краном в карьере, а также пути увеличения производительности кабельного крана. Ключевые слова: кабельный кран, разгрузочная эстакада, саморазгружающийся контейнер, глубокий карьер, система видеонаблюдения, ав- томатическая система управления, система безопасности Abstarct: The article considers the issues related to providing sufficient performance and possibilities of using cable crane as a trunk link in mining operations . In particular, schemes of containers for cable crane are presented, the question of providing sufficient availability of review and monitoring system for the operator of cable crane in the open pit is considered, as well as the ways of increasing cable perfor- mance. Key words: cable crane, unloading scaffold bridge, self-unloading container, deep open pit,, video mon- itoring system, automatic control system, safety sys- tem Чаще всего связь забоев с поверхностью осуществляется с использованием колес- ных транспортных средств. Необходимость размещения съездов на бортах карьера вле- чет значительный объем вскрышных работ, что требует поиска технологий и соответ- ствующих горнотранспортных машин, позволяющих снизить объемы вскрыши [1]. Од- ним из вариантов сокращения объема вскрышных работ и/или при прочих равных усло- виях увеличения глубины карьера, отрабатываемого по углубочной системе разработки, является бестраншейное вскрытие нижних горизонтов карьеров. В качестве варианта транспорта для доставки горной массы в пределах зоны бестраншейного вскрытия рас- сматривается кабельный кран. Кабельные краны являются достаточно специфическим видом подъемно-транс- портного оборудования, и их применение целесообразно для карьеров определенной формы (глубокие карьеры с крутым залеганием рудного тела). Их применение в горном деле не имеет широкого распространения, а потому мало изучено в данной сфере. По- этому некоторые технические вопросы, связанные с обеспечением достаточной произ-  Исследования выполнены в рамках Государственного задания 007-01398-17-00, тема № 0405-2015-0010
  • 86.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 86С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е водительности и возможности ведения горных работ кабельным краном, до сих пор оста- ются открытыми, и часть из них рассмотрена в данной статье. Известны технологии бестраншейного вскрытия кабельным краном месторожде- ний природного камня большой мощности либо значительной протяженности фронта работ [2]. В патенте №2571776 «Способ открытой разработки крутопадающих рудных тел» (разработчик – Институт «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА» (ПАО)) описано примене- ние кабельных кранов для отработки ограниченных в плане крутопадающих залежей – кимберлитовых трубок. Способ предполагает поэтапную отработку месторождения от- крытым способом с применением транспортной углубочной системы разработки. При этом с определенной глубины нижняя часть карьера отстраивается без транспортных берм, с доставкой горной массы в нижней части специализированным подъемным устройством (СПУ) – кабельным краном со стационарными опорами [3]. Применение такой технологии влечет за собой ряд проблем, в частности: - ограниченность производительности кабельного крана, особенно при значитель- ной высоте подъема (зоны бестраншейного вскрытия); - обеспечение устойчивости уступов, на которых размещаются башни кабельных кранов; - ограниченность обзора рабочей зоны крана, особенно на участке загрузки транс- портного сосуда в придонной части карьера; - риск возникновения раскачки грузового контейнера на тросах; - комплекс технических вопросов, связанных с необходимостью сокращения вре- мени погрузки и разгрузки транспортного сосуда, автоматизации операций, организации перегрузки из кабельного крана в автосамосвалы, доставляющие горную массу на по- верхность и др. Ниже приведены некоторые предложения, которые в той или иной мере будут способствовать решению указанных проблем. Лабораторией транспортных систем карьеров и геотехники ИГД УрО РАН прора- ботано компоновочное решение звена транспортной системы, осуществляющей подъем горной массы, включающего пункт загрузки, кабельный кран и верхний перегрузочный пункт в автосамосвалы (рис. 1). Рис. 1 – Общий вид кабельного крана в карьере: 1 – машинная башня кабельного крана с разгрузочной эстакадой; 2 – контрбашня; 3 – грузовая тележка; 4 – пункт загрузки контейнера на дне карьера; 5 – несущие канаты; 6 – тяговые канаты; 7 – экскаватор; 8 – карьерный самосвал
  • 87.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 87С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Кабельный кран состоит из одной машинной башни, расположенной на площадке верхнего перегрузочного пункта и одной контрбашни, размещенной на противополож- ном борту карьера. Подъем горной массы осуществляется в транспортном сосуде – от- крытом контейнере, загружаемом внизу в добычной зоне с помощью погрузчика, а раз- гружается он на верхнем перегрузочном пункте, где осуществляется перегрузка в авто- самосвалы. Поскольку верхний перегрузочный пункт расположен в карьере, одним из ключе- вых требований к нему является, с одной стороны, минимизация размеров площадки с целью снижения разноса бортов. С другой стороны, поскольку лимитирующим по про- изводительности звеном является кабельный кран, важно в первую очередь обеспечить его бесперебойную работу. Для этого перегрузочный пункт должен иметь достаточную вместимость для обеспечения относительно независимой работы кабельного крана даже в случае остановки по каким-либо причинам верхнего автотранспортного звена. В связи с этим разгрузка кабельного крана должна выполняться при помощи осо- бой конструкции, обеспечивающей формирование компактного штабеля горной массы с несколькими секциями (на одной ведется разгрузка крана, на другой – погрузка автоса- мосвалов). Применение накопительного бункера не совсем целесообразно из-за значи- тельных его размеров при требуемой вместимости и проблем со смерзанием горной массы в холодный период. Кроме того, при одновременной выдаче руды и вскрыши необходимо предусмотреть возможность раздельного их складирования. Такое разгрузочное устройство может быть реализовано в виде эстакады с рас- пределительным устройством. В связи с этим разгрузка контейнера будет производиться в достаточно узкое приемное устройство, что требует проработки схемы грузоподъем- ной тары. Схемы грузоподъемной тары для кабельного крана Для обеспечения работы вышеописанного комплекса необходима специальная грузоподъемная тара, которая обеспечивала бы не только транспортировку горной массы, но и ее автоматическую разгрузку в вагонетку, расположенную на разгрузочной эстакаде. Авторами проработаны следующие схемы грузоподъемной тары: 1) Контейнер с самозацепляющейся траверсой (рис. 2). Рис. 2 – Приемное устройство разгрузочной эстакады для контейнера с самозацепляющейся траверсой: 1 – траверса с подпружиненными зацепами 2 и направляющими лапами 3; 4 – контейнер с планками 5 для зацепа траверсы и цапфами 6 для установки в тележке
  • 88.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 88С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е При такой схеме груженый контейнер транспортируется краном до разгрузочной эстакады, где происходит установка контейнера на тележку и отцепление его от траверсы специальным устройством. Далее тележка перемещается к определенной оператором точке разгрузки и после выгрузки возвращается к приемному устройству, где траверса автоматически прицепляется к контейнеру и транспортирует его на дно карьера к пункту загрузки. Основным недостатком данного технического решения является простой крана и потеря его производительности в период разгрузки контейнера. 2) Саморазгружающийся контейнер с конусным затвором (рис. 3). Рис. 3 – Приемное устройство разгрузочной эстакады для саморазгружающегося контейнера с конусным затвором: 1 – корпус контейнера; 2 – штанга; 3 – защитный кожух штанги; 4 – конусный затвор; 5 – рым-гайка; 6 – направляющая В этом случае контейнер имеет пирамидальное (конусообразное) днище, способ- ное открываться при перемещении штанги. При транспортировании сила тяжести кор- пуса контейнера и сила давления горной массы на него обеспечивают надежную сты- ковку посадочного места горловины контейнера с затвором. На месте разгрузки контей- нер опускается в приемное устройство, при этом происходит ослабление натяжения гру- зового каната, и штанга с затвором перемещаются вниз под действием веса горной массы, что приводит к разгрузке. Преимуществом данного решения перед первым вариантом является сокращение времени разгрузки, т. к. в данном случае нет необходимости отцеплять контейнер. После его разгрузки в вагонетку он сразу транспортируется на дно карьера, а вагонетка незави- симо от контейнера осуществляет отсыпку штабеля. Недостатки данного решения следующие: возможна заштыбовка разгрузочной горловины контейнера негабаритными кусками породы; относительно большая зона раз- лета кусков при разгрузке за счет конусообразной формы затвора. 3) Опрокидывающийся контейнер (рис. 4). Принцип работы опрокидывающегося контейнера заключается в следующем: груженый контейнер доставляется к приемному устройству, где происходит его зацеп- ление одной из перекладин за крюки на приемном устройстве. Далее оператор крана включает реверсивный ход грузовой лебедки, вследствие чего происходит наклон (опро- кидывание) контейнера и его опорожнение в вагонетку. Для предотвращения вылета кус- ков горной массы за пределы разгрузочной эстакады предусмотрен щит.
  • 89.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 89С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 4 – Приемное устройство для опрокидывающегося контейнера: 1 – траверса; 2 – контейнер; 3 – подшипниковый узел траверсы; 4 – перекладина; 5 – ролик Преимущества такого варианта следующие: сокращение времени разгрузки, как и в схеме на рис. 3; более простая конструкция контейнера. Из недостатков можно выделить увеличенную высоту башен кабельного крана для обеспечения необходимого угла поворота контейнера и сложность установки кон- тейнера на опрокидывающие крюки ввиду его раскачки на канатах. Обеспечение обзора для оператора и предотвращение опасных ситуаций Поскольку загрузка контейнера осуществляется в нижней точке карьера на значи- тельном удалении от кабины оператора кабельного крана, вопрос точной установки гру- зового контейнера на место погрузки требует обеспечения хорошего обзора для опера- тора. Вопрос осложняется тем, что место погрузки на дне карьера неизбежно будет пе- реноситься по мере отработки очередного горизонта для отработки целика под погруз- кой. Проблему, связанную с ограничением обзора оператора крана, можно решить пу- тем применения систем видеонаблюдения и автоматической мониторинговой системы, предупреждающей о возникновении опасной ситуации. Существует целый ряд прототи- пов таких систем. Так, в патенте CN103803411В «Cable crane video monitoring system for concrete construction» [4] описывается применение системы видеонаблюдения кабель- ного крана для ведения бетонных работ: установленная на кабельный кран система включает в себя камеру, установленную на траверсе. Также на грузонесущем устройстве расположены модуль питания и модуль беспроводной связи, который соединен с уда- ленным сервером, а тот в свою очередь – с дисплеем оператора. Из существующих аналогов имеется система видеонаблюдения HookCam (рис. 5), разработанная для башенных кранов американской компанией Pacific Systems Solutions. Данная система является беспроводной и передает в кабину изображение с камеры, уста- новленной на крюковой подвеске, позволяя избежать «слепых» зон при работе на башен- ном кране. По словам производителя, система HookCam может обеспечить 8 – 10 часов автономной работы камер на одном заряде аккумуляторов [5].
  • 90.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 90С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 5 – Система видеонаблюдения HookCam [5]: а – камера и герметичный корпус с аккумулятором и устройством беспроводной связи, установленные на крюковой подвеске крана; б – монитор, установленный в кабине оператора крана В настоящее время многими производителями ведутся работы по внедрению мно- гофункциональных систем управления грузоподъемными машинами. Наличие в системе безопасности микропроцессоров открывает широкие возможности формирования на их основе более совершенных систем, в том числе с функциями управления крана, контроля и регистрации его рабочих параметров, с дистанционной передачей информации (мони- торинг) и диагностированием неисправностей. Как правило, все производители подобных систем предлагают большой мно- гофункциональный дисплей, на который выводится информация с датчиков, а также ин- дикаторы системы безопасности. Такие дисплеи обычно содержат графическую и циф- ровую информацию о массе груза, высоте подъема, вылете каретки, скорости ветра и т.д. [6]. Система сигнализирует оператору в случае превышения грузоподъемности крана, наличии недопустимой скорости ветра, предупреждает оператора о столкновении с окру- жающими предметами и в случае, если оператор не реагирует на сигналы системы без- опасности, автоматически выключает механизмы подъема и передвижения крана. Таким образом, улучшение условий обзорности возможно за счет применения су- ществующих систем мониторинга состояния и работы кабельного крана и видеонаблю- дения. Безусловно, требуется их совершенствование в плане решения проблем: обеспе- чения надежного электропитания датчиков и видеокамер мониторинговой системы, установленных на крюковой подвеске и контейнере (увеличение емкости аккумулято- ров, беспроводная зарядка аккумуляторов, беспроводное питание и др.), улучшения ка- чества видеоизображения при работе в темное время суток. Пути увеличения производительности кабельного крана Поскольку единственной грузотранспортной связью между рабочей зоной – дном карьера и верхними горизонтами – является кабельный кран, его производительность бу- дет ограничивать производительность карьера по горной массе. Оценить ее можно по формуле П = 3,6 𝑇ц ∙ 𝑄п ∙ 𝑡см ∙ 𝑁дн ∙ 𝑁см ∙ 𝑘нер ∙ 𝑘исп ∙ 𝑘т.г. , (1) где Qп – полезная масса груза, т; tсм – продолжительность рабочей смены, ч; Nдн – коли- чество рабочих дней в году; Nсм – количество смен в сутки; kнер – коэффициент неравно- мерности работы (0,98); kисп – коэффициент использования сменного времени (0,92); kт.г. – коэффициент технической готовности (0,96); Тц – время цикла, с. Продолжительность транспортного цикла кабельного крана 𝑇ц = 𝑇з + 2𝑇п + 𝑇р , (2)
  • 91.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 91С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е где Тз – время загрузки контейнера погрузчиком, с; Тп – время перемещения контейнера кабельным краном, с; Тр – время разгрузки контейнера, с. Предполагаемое время загрузки контейнера объемом 17,5 м3 , фронтальным по- грузчиком с вместимостью ковша 6 м3 264 секунды [7]. Время перемещения контейнера кабельным краном рассчитывается по наиболь- шему значению, полученному из формул: 𝑡под = 𝐻 𝑣под ; (3) 𝑡гор = 𝑆 𝑣пер , (4) где tпод – время подъема, с; tгор – время горизонтального перемещения контейнера, с; H – высота подъема, м; vпод – скорость подъема контейнера, м/с; S – расстояние от точки за- грузки до точки разгрузки (по горизонтали), м; vпер – скорость передвижения тележки, м/с. Производительность кабельного крана при доставке горной массы со дна карьера на средние горизонты, рассчитанная по приведенным формулам, представлена на рис. 6. Рис. 6 – Зависимость производительности кабельного крана от основных параметров: а – от высоты подъема и грузоподъемности (при скорости подъема/перемещения 2 м/с); б – от скорости подъема и высоты подъема (при грузоподъемности 50 т) Расчеты показывают, что при высоте подъема 150 м производительность состав- ляет 1,8 – 2 млн.т/год при длине пролета, соответственно, 300 м. Для сравнения, произ- водительность карьера «Ботуобинский» АК «АЛРОСА» составляет 0,6 млн.т/год по руде и 4 млн. м3 по вскрыше, «Нюрбинский» – 1,2 млн.т/год по руде и 6 млн. м3 по вскрыше, «Комсомольский» – 1,5 млн.т/год по руде и 6 млн. м3 по вскрыше [8]. Согласно рассматриваемой технологии применение кабельных кранов предпола- гается либо на малых карьерах, либо в нижней части карьеров при их доработке, когда объемы добычи будут меньше указанных. Тем не менее очевидно, что для эффективного применения кабельных кранов при подъеме горной массы необходимо увеличение их производительности. Анализ формул показывает, что производительность комплекса можно увеличить следующими путями: 1) Увеличением грузоподъемности крана. Данный параметр ограничивается устойчивостью породы бортов карьера, где установлен кран (т. к. масса его металлоконструкции напрямую зависит от грузоподъ- емности), а также возможностью предприятий изготовить кран определенной грузо-
  • 92.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 92С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е подъемности. После изучения предварительных технических предложений производи- телей кабельных кранов было выявлено, что максимальная грузоподъемность, которая значится в их технических характеристиках, – это 50 т. Одним из потенциальных произ- водителей кабельных кранов, готовых спроектировать, произвести и смонтировать на месте разработки карьера данное грузоподъемное оборудование, является компания ООО «Кемкран» [9]. 2) Увеличением скорости транспортировки контейнера между точками погрузки и разгрузки. Скорость передвижения тележки и подъема груза возможно увеличивать до до- статочно больших величин, ограничиваясь лишь мощностью привода и вытекающими из него габаритами трансмиссии. Рекомендуемые в РТМ 24.090.34-85 предельные ско- рости составляют: для передвижения тележки 12,5 м/с, подъема груза 6,3 м/с [10]. Зна- чительное повышение рабочих скоростей приводит к перегрузкам канатов из-за попе- речных колебаний, возникающих при экстренном торможении, что снижает срок их службы [11]. 3) Увеличением коэффициента использования сменного времени – устранением пересменок, перерывов на обед и т.д., т.е. исключением человека из процесса управления комплексом. Такие технические решения в настоящее время вполне реальны. Так, в патенте [12] рассмотрена система управления в автоматическом режиме кабельным краном, предназначенным для транспортировки бетона на место постройки плотины. Система управления кабельным краном предполагает автоматическую транспортировку бадьи по кратчайшей траектории, путем вычисления координат положения груза при помощи дат- чиков веса, электронных дальномеров и энкодеров, установленных на лебедках, и кор- ректирует их, учитывая прогиб несущего каната и действие ветра. Точная установка ба- дьи на пункт загрузки и разгрузки происходит при помощи ультразвуковых датчиков обнаружения объекта. Оператор в данной системе выполняет функцию контроля за про- исходящим процессом и корректирует действия в случае возникновения внештатных си- туаций. Известна также система GPS-наведения крюковой подвески кабельных кранов, используемых при строительстве плотин, под управлением «искусственной иммунной системы» [13], алгоритмы которой могут определить оптимальный маршрут для бадьи, предотвращая столкновения с окружающими объектами. Данная система успешно ис- пользовалась при строительстве ГЭС Дагангшань (Китай). 4) Увеличение количества подъемно-транспортных устройств. Это можно осуществить либо увеличением количества кабельных кранов на ка- рьере, но тогда пропорционально числу кранов возрастут и капитальные затраты на осу- ществление данного проекта. Либо использовать две грузовые тележки, кинематически не связанные между собой, на одном кране путем установки двух машинных башен с разгрузочными эстакадами на противоположных бортах карьера. Подобное решение описано в патенте [14], где рассматривается кабельный кран с аэростатом, поддерживающим центральную часть несущих канатов. Это решение увели- чивает стоимость комплекса в связи с установкой еще одного машинного помещения, грузовой тележки и разгрузочной эстакады, а также массу металлоконструкции самого крана. Передвижение тележек по несущему канату через систему управления синхрони- зируется так, что в центральной части несущих канатов находится только одна тележка. Это позволяет снизить нагрузки на канаты и уменьшить их металлоемкость. Вполне возможно, что такая схема применима и без аэростата. В этом случае ме- таллоемкость кабельного крана неизбежно увеличится, однако если использовать пред- лагаемую в патенте [14] схему синхронизации движения, то рост будет не столь значи- тельным. Схема кабельного крана с двумя грузовыми тележками представлена на рис. 7.
  • 93.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 93С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 7 – Схема кабельного крана с двумя грузовыми тележками: 1 – грузовая лебедка; 2 – тяговая лебедка; 3 – несущий канат; 4 – грузовой канат; 5 – тяговый канат; 6 – грузовая тележка; 7 – промежуточный узел (рис. 8); 8 – крюковая подвеска; 9 – контейнер; 10 – разгрузочная эстакада Рис. 8 – Модель промежуточного узла: 1 – несущие канаты; 2 – грузовой канат; 3 – тяговый канат; 4 – концевая муфта несущего каната; 5 – концевая муфта грузового каната; 6 – обводной блок По расчетам данное решение увеличивает производительность комплекса на 50 % по сравнению с краном с одной тележкой при условии сохранения грузоподъемности каждой грузовой тележки. При этом металлоемкость крана вырастет примерно в полтора раза. С одной стороны, определенные технологические ограничения применения такой схемы связаны с необходимостью организации двух перегрузочных площадок у каждой
  • 94.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 94С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е машинной башни, что в некоторых условиях может привести к дополнительному раз- носу бортов карьера. С другой стороны, появляется возможность раздельной выдачи руды и вскрыши. Выводы 1. Одним из решений при доработке карьеров с ограниченными в плане размерами может явиться применение кабельных кранов в качестве технологического транспорта на подъеме горной массы с нижних горизонтов на верхние. 2. Применение современных технических решений позволит решить значитель- ный ряд конструктивных проблем при применении кабельных кранов для транспортиро- вания горной массы в карьерах (повысить их «технологичность», безопасность); полно- стью использовать существующие резервы достижения максимальной производительно- сти. 3. Ограничивающим параметром для их применения является относительно невы- сокая производительность, особенно при значительной высоте подъема и длине пролета. Наиболее продуктивным решением будет повышение грузоподъемности (так, повыше- ние скорости на 50 % повысит производительность в среднем на 11 %, а повышение гру- зоподъемности увеличит производительность прямо пропорционально, соответственно, на 50 %). Однако это приведет к пропорциональному росту нагрузок на башни крана и увеличению их металлоемкости, что усложнит вопросы обеспечения устойчивости ба- шен кранов и пород уступов, на которых они установлены. Литература 1. Технико-технологический комплекс для доработки запасов на глубинных гори- зонтах алмазорудных карьеров / А.Н. Акишев, И.В. Зырянов, Б.Н. Заровняев, П.И. Тара- сов, А.Г. Журавлев // Горный журнал. – 2012. – № 12. – С. 39 - 43. 2. Кокунин Р.В. Обоснование условий применения бестраншейного вскрытия на месторождениях природного камня: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 25.00.22 / Р.В. Ко- кунин; УГГУ. - Екатеринбург, 2006. – 131 с. 3. Пат. 2571776 Российская Федерация, МПК7 E21C41/26. Способ открытой разра- ботки крутопадающих рудных тел / С.Л. Бабаскин, А.Н. Акишев, В.С. Самоловов; заяви- тель и патентообладатель Акционерная компания "АЛРОСА" (публичное акционерное общество) (АК "АЛРОСА" (ПАО) – № 2014139741/03; заявл. 30.09.2014; опубл. 20.12.2015, Бюл. № 35. – 9 с. 4. Pat. 201410078599.0 China, IPC B66C 21/00, B66C 13/00. Cable crane video mon- itoring system for concrete construction / 邱向东, 尹习双, 刘金飞, 钟桂良; assignee 中国水 电顾问集团成都勘测设计研究院有限公司. - CN103803411 A; filed 05.03.2014; publ. 21.05.2014 – 6 p. 5. Сайт компании HookCam, раздел FEATURES & DESIGN [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.hookcam.com/features/ 6. Свиридов Д.Ю. Обеспечение безопасной работы башенных кранов / Д.Ю. Сви- ридов, А.В. Вершинский, А.Н. Шубин // Механизация строительства. – 2012. – № 7. – С. 19 - 24. 7. Беспальков А.А. Разработка глубоких карьеров по бестранспортной схеме с применением кабельных кранов / А.А. Беспальков, А.Г. Журавлев // Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых: матер. 13 междунар. науч. школы молодых ученых и специалистов, 21 - 25 ноября 2016 г. – М.: ИПКОН РАН, 2016. – С. 159 - 162. 8. Ганченко М.В. Определение границ и оптимизация технологических парамет- ров открытых горных работ / М.В. Ганченко, А.Н. Акишев, В.А. Бахтин // Горный жур- нал. – 2005. - № 7. – С. 77 - 80.
  • 95.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 95С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е 9. Сайт компании ООО «Кемкран», раздел «Продукция – Стационарные кабель- ные краны» [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.kemkran.ru/Produk- ciya/shop.product_details/24/kemkran.tpl/100 10. РТМ 24.090.34-85. Краны кабельные. Нормы расчета и проектирования.– Вза- мен РТМ 24.090.34-77; введ. 1985-17-01. – М.: Министерство тяжелого и транспортного машиностроения, 1985. – 120 с. 11. Куйбида Г.Г. Кабельные краны / Г.Г. Куйбида. – М.: Машиностроение, 1989. – 288 с. 12. Pat. 5,392,935 USA, IPCB66C 21/00.Controlsystemfor cable crane / KeizoKazama, KiichiroTanaka, EijiTakahashi, MichioNakao; assignee Obayashi Corporation. - US 08/105,979; filed 13.08.1993; publ. 28.02.1995 - 40 p. 13. Wu, H., Yin, Y., Wang, S. et al.GPSSolut (2016). doi:10.1007/s10291-016-0573-6. 14. Пат. 2208571 Российская Федерация, МПК7 B66C21/00, B64B1/50. Кабельный кран / З.Ш. Зиганшин, М.Н. Ковалев, В.Н. Жиляев, А.Б. Жорницкий; заявитель и патен- тообладатель Государственный ракетный центр "КБ им. акад. В.П. Макеева", Открытое акционерное общество "Комбинат "Магнезит" – № 98122567/28; заявл. 15.12.1998; опубл. 20.07.2003, Бюл. № 20. – 3
  • 96.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 96С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 622.271.332:622.236 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.096 Жабко Андрей Викторович кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры маркшейдерского дела, Уральский государственный горный университет, 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 e-mail: zhabkoav@mail.ru ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ТРАКТОВКА УСЛОВИЯ РАЗРУШЕНИЯ ОТКОСОВ Zhabko Andrew V. candidate of technical sciences, associate professor, mine surveying department, The Ural State Mining University, 620144, Yekaterinburg, 30 Kuibishev st. e-mail: zhabkoav@mail.ru STABILITY OF SLOPES IN THE FIELD TECTONIC TENSION Аннотация: В работе, на основе выполненных ранее автором исследований по вопросам устойчивости отко- сов, получен вариационный принцип разрушения. Ключевые слова: откос, поверхность скольже- ния, условие равновесия, вариационный принцип, работа, потенциал, разрушение Abstract: In terms of the researches on questions of slopes sta- bility executed earlier by the author, the variation principle of destruction is obtained in the article. Key words: slope, surface of sliding, balance condi- tion, variation principle, work, potential, destruc- tion В работах [1 – 6] представлена общая теория устойчивости или разрушения отко- сов сооружений. Данная теория является законченной работой, позволяющей произво- дить оценку устойчивости откосов сооружений практически для любых горно-геологи- ческих условий разработки: однородного откоса, неоднородного откоса, анизотропного откоса, подработанного откоса, обводненного откоса, откоса в поле тектонических напряжений и сейсмических нагрузок. Отличительной особенностью данной теории яв- ляется ее строгость. Полученные в ней условия равновесия откосов и дифференциальные уравнения поверхностей скольжения являются фундаментальными для континуальной среды. Как показано в работах [1, 3], условие равновесия призмы смещения в общем виде определяется уравнением1 :           2 1 0 1 01 0y y y f C y T fE y dx E E f T T                   , (1) где  – объемный вес горных пород; ,y y – функции линий откоса и поверхности сколь- жения, соответственно; tgy   – производная функции поверхности скольжения; 0 0 1 1, , ,T E T E – внешние касательные и нормальные реакции на вертикальных гранях призмы смещения, соответственно, слева и справа; tgf   – коэффициент внутреннего трения (тангенс угла внутреннего трения); C – сцепление массива горных пород; ,E T – соответственно, производные функций нормальной и касательной составляю- щих межблоковой реакции2 . В однородных массивах при углах наклона поверхности скольжения, превышаю- щих угол внутреннего трения  i   , условие равновесия призмы смещения опреде- ляется уравнением: 1 Здесь и далее пределы интегрирования функционалов опущены за ненадобностью. 2 В приведенных зависимостях могут быть использованы абсолютно любые единицы измерений согласных между собой, например система СИ (сила – Н; напряжение, сцепление – Па; объемный вес – Н/куб. м; длина – м, и т.д.) или внесистемные единицы измерения, часто используемые в геомеханике.
  • 97.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 97С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е          2 1 0 1 02 1 0 1 y y y f C y dx E E f T T y                    . (2) А для участков с углами наклона поверхности скольжения  i   условие рав- новесия имеет следующий вид:          2 1 0 1 0 1 0 1 y y y f C y dx E E f T T fy                    . (3) Уравнения (2) и (3) получены из уравнения (1). Причем условие (2) подразумевает присутствие и касательной, и нормальной составляющих межблоковой реакции, а урав- нение (3) – только нормальной составляющей [1, 3]. Положим в уравнении (1) 0E T   , получим следующее условие равновесия:         2 1 0 1 01 0y y y f C y dx E E f T T              . (4) Уравнения (2), (3), (4) позволяют оценить устойчивость призмы смещения (от- коса) по произвольной поверхности скольжения. Для определения положения и формы (геометрии) наиболее опасной поверхности скольжения в плоском однородном откосе с горизонтальной бермой решалась следую- щая задача вариационного исчисления [1, 3]:                2 2 1 1 1 2 2 2 2 1 2 2 берма 1 1 1 1 1 max, kx y y f y kx y y f y dx dx fy y C H y y f y dx                                               (5) где tgk   – тангенс угла наклона плоского откоса; H – высота откоса; 0 С n     – постоянная, зависящая от формы откоса, физико-механических свойств гор- ных пород, определяющая предельную высоту откоса; n – постоянная, обеспечивающая выполнение условия предельного равновесия в пределах каждого отсека. Для плоских однородных откосов, с учетом (5), наиболее опасная поверхность скольжения (откос включает верхнюю берму и собственно откос) определяется диффе- ренциальными уравнениями [1, 3]:             2 1 1 1 12 2 2 1 1 22 2 2 22 3 2 2 2 2 2 3 3 1 2 1 π α , tg tg , 4 22 откос 11 , tg ,откос 1 2 3 2 1 , берма γtg kf y k f y kf kx y y fy f y k f kf ykf kx y y f y k f y kfy k f С y H y                                            (6) На рис. 1 приведены наиболее опасные поверхности скольжения и плоские от- косы в предельном равновесии. С методикой построения поверхностей скольжения и определения предельных параметров откосов (высоты и угла) можно ознакомиться в работах [1, 3]. откос, берма. откос,
  • 98.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 98С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 1 – Поверхности скольжения в плоских однородных откосах Условие равновесия откоса (призмы смещения) в условиях обводненности, сей- смичности и тектонических напряжений примет следующий вид (интегралы заменены на суммы, а производные функции поверхности скольжения выражены через углы ее наклона) [1, 6]:                        2 с к т в в 2 с к т в в 2 с к т в в tg tg / cos cos tg 1 tg tg tg 1 tg 1 tg tg tg tg / cos cos tg 1 tg tg tg 1 tg 1 tg tg tg / cos cos tg 1 tg tg tg 1 t h k k C h h k k C h h k k C h                                                                                2 берма g 0,      (7)
  • 99.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 99С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е где h – высота отсека (вертикальное расстояние от поверхности скольжения до поверх- ности откоса в точке); с /k a g – коэффициент сейсмичности, равный отношению уско- рения сейсмической волны к ускорению свободного падения; кk – коэффициент концен- трации нормального напряжения в точке поверхности скольжения в горизонтальном направлении; т 1h   – тектоническое (горизонтальное) напряжение нетронутого (естественного) массива;  – коэффициент, изменяющийся в реальных условиях от 0 до 10 − 12; 1h – глубина точки поверхности скольжения, отсчитываемая от ненарушенной (естественной) поверхности земли; в в, h – объемный вес воды и высота ее столба над поверхностью скольжения;  – ширина вертикального отсека (блока). Каждый из функционалов (5) можно представить в следующем виде:          2 , , , , 1 , , , , max A x y y y y x y y y dx A x y y dS x y y dl                     (8) где  , ,A x y y − некоторая функция координат и производной поверхности скольже- ния;  , ,x y y − некоторая функция;  − постоянная; dS − дифференциал площади; dl − дифференциал дуги поверхности скольжения (разрушения). Заметим, что выражение (8) можно представить как вариационное уравнение:         , , , , 0, или max , , , , A x y y dS A x y y dS x y y dl x y y dl                   , (9) где  − вариация функционалов или их функции. Условия равновесия (1) – (4), (7) и вариационная задача (5) получены исходя из принципа возможных перемещений [1, 3], который, как известно, является энергетиче- ским. В этой связи функция  , ,A x y y представляет собой удельную работу внутрен- них (приложенных внутри призмы смещения или объемных) сил и внешних сил, завися- щих от объемных (трение), на возможном перемещении всей механической системы (призмы смещения). По сути, функция  , ,A x y y является удельной потенциальной энергией деформации твердого тела на возможном перемещении. А функция  , ,x y y является половиной удельной поверхностной энергии разрушения на возможном пере- мещении системы. Рассмотрим случай, когда A и  постоянны, то есть работа внутренних и объем- ных сил на возможном перемещении (удельная потенциальная энергия деформации) и удельная поверхностная энергия разрушения не зависят от координат точки. В этом слу- чае решением вариационного уравнения (9), при отсутствии дополнительных условий, для объемной задачи является шар, а в плоском случае – круг. Данный результат следует из так называемой изопериметрической задачи (задача Дидоны) и закона ее взаимности, например [1]. То есть при фиксированном числителе в уравнении (9) знаменатель мини- мизирован, и, наоборот, при постоянном знаменателе числитель максимален. Приведем несколько примеров. Как известно, капля воды в невесомости принимает сферическую форму, мини- мизируя посредством площади энергию поверхностного натяжения. Другим примером является одиночный мыльный пузырь, также принимающий в полете форму шара. Со- гласно теореме Пуассона средняя кривизна поверхности раздела двух физических сред, ,
  • 100.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 100С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е находящихся в равновесии, пропорциональна разности давлений в этих средах (для пу- зыря разность давлений отлична от нуля, тогда средняя кривизна постоянна и отлична от нуля). Мыльные пленки впервые подробно исследовал Плато, который вывел следую- щие правила: – три поверхности могут сходиться под углом только 120º; – разграничивающие кривые обязаны встречаться только по четыре и только под углом примерно 109 градусов 28 минут – это углы, под которыми в правильном тетра- эдре расходятся отрезки, соединяющие его центр с вершинами. Кошка, сворачивающаяся в клубок, отдает в окружающее пространство меньше теплоты, но самое удивительное, что кошка не может мыслить, она это делает в угоду инстинкту. Замерзший человек также подгибает ноги и горбится, сам не понимая, для чего он это делает, это получается как бы произвольно, как будто им кто-то управляет, в том числе во сне. По этой же причине, например, Солнце, Земля и Луна имеют шарооб- разную форму. Шары как экстремальные геометрические фигуры не могут абсолютно компактно заполнить предоставленное им трехмерное пространство, наилучшая упаковка шаров со- ставляет / 18 74%  (задача Кеплера, 1611 г.), а для плоского аналога –  / 12 90%  . В этой связи дополнительным условием к принципу (9) может яв- ляться требование полного заполнения фигурами всего предоставленного им простран- ства. В случае постоянных A и  приходим к задаче Кельвина (Томсона), 1887 г. То есть необходимо найти форму фигур с наименьшими поверхностями, непрерывно за- полняющими бесконечное пространство, при одинаковых и заданных объемах. Послед- ним решением-приближением является форма Уэйра – Фелана, для плоского случая ре- шением, по-видимому, является система шестигранников, напоминающих пчелиные соты. С другой стороны, при одинаковом числе сторон и равных периметрах площадь правильного многоугольника больше, чем неправильного. Из двух правильных много- угольников с равными периметрами площадь больше у того многоугольника, у которого больше сторон. Необходимо также отметить, что на форму оптимальных объемов сильно влияет граница области, в которой они находятся, то есть геометрия границы тела. Таким образом, реальная форма тел деструкции в конечном итоге будет зависеть от особенно- стей распределения энергии по объему тела, его формы, структурных особенностей на микро-, мезо- и макроуровне. Приведем примеры из горного дела. Примером из геомеханики открытых горных работ является так называемая “круглоцилиндрическая” поверхность скольжения, пред- ложенная Петерсоном в 1916 г. и подтверждаемая Шведской геотехнической комиссией. И действительно, при равномерности распределения энергий, поверхность скольжения представляла бы собой дугу окружности. Однако, как показано в работах [1, 3], функция поверхности скольжения лишь кусочно гладкая, то есть производная имеет разрыв. Это говорит о сложном распределении энергии вдоль поверхности скольжения. С другой сто- роны, каждый из трех участков поверхности скольжения в однородных откосах в отдель- ности достаточно тесно описывается дугой окружности. Кроме того, обращает на себя внимание тот факт, что на первых двух участках (нижних) поверхность скольжения во- гнутая, а на третьем (верхнем) – выпуклая, но все равно по форме достаточно близка к дуге некоторой окружности (см. рис. 1). Зададимся вопросом, чем принципиально отли- чаются первый, второй и третий участки поверхности скольжения. Ответ очевиден: на третьем участке внутренние (межблоковые) реакции ,E T не совершают работы на воз- можном перемещении. Таким образом, данный участок можно ассоциировать с идеаль- ной пластичностью. По-видимому, для пластичной среды необходимо использовать не работу деформаций, а дополнительную работу. Математически это означает, что перед числителем в (9) нужно поставить знак минус. То есть оставшаяся часть горного массива
  • 101.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 101С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е экономит площади (объемы) с низкой потенциальной энергией (пластичные) и отбрасы- вает, не скупясь, объемы с повышенной потенциальной энергией (перенапряженные), во всех случаях минимизируя площадь вновь образованных поверхностей разрушения. Другими словами, экономится суммарная потенциальная энергия при разрушении. Е.М. Морозов [7] еще в 1961 году для условия равномерного двухосного растяжения вы- двигал условие минимизации длины периметра при охвате наибольшей возможной по условиям разрушения площади в качестве принципа деструкции. Однако, как показано выше, для условий сдвигового разрушения и сложного распределения энергии по объему данное условие может оказаться несостоятельным. Примером из геомеханики подземных горных работ является зональная дезинте- грация горных пород вокруг горных выработок в сильнонапряженных горных массивах [8]. Суть явления заключается в образовании вокруг горизонтальных выработок несколь- ких (в зависимости от уровня напряжений) кольцевых или квазипараллельных выработке зон упругих и пластических (разрушения) состояний горных пород, поочередно сменя- ющих друг друга. С вариационных позиций данный факт достаточно просто объясним. Кольцо разрушенных горных пород обладает минимальной длиной при заданной мощ- ности (определяется напряженным состоянием), посредством чего минимизируется дис- сипация (рассеяние) энергии при разрушении, при этом оконтуривается максимальная площадь пород с высокой потенциальной энергией деформации (сильнонапряженные участки). Используя теорию работ [1, 3], можно показать, что радиусы зон дезинтеграции формируются согласно некоторой постоянной: 2sin 4 2 m         . (10) Примечательно, что если положить в (10) 0  (идеально пластичные породы), то 2m  , что соответствует масштабному фактору [8]. Максимальное же значение (10) соответствует идеально хрупким породам и приближенно составляет 1,85m  , что соответствует постоянной модифицированного закона Тициуса – Боде (1,89) [9]. Таким образом, исходя из выражения (9) и его подробного анализа следует, что тело при деструкции, дезинтеграции (диссипации энергии), стремится отделить от себя части тела с повышенной потенциальной энергией и, наоборот, сохранить части тела с пониженной потенциальной энергией, при этом минимизируя площадь (длину для плос- кой задачи) поверхности отделения (деструкции). Во всех случаях выполняется условие предельного равновесия. Заметим, что при деструкции потенциальная энергия деформа- ции тела отсекается некоторыми порциями (отделяемые тела имеют определенные раз- меры) – квантами энергии. Обобщая уравнение (9), запишем вариационный принцип деструкции в общем виде:       , , extr 2 , , 2 , , V S S A x y z dV x y z dS x y z dS              , (11) где A − потенциал работы деформации или дополнительная работа; ; S  − удельная поверхностная энергия разрушения при срезе и площадь вновь образованных поверхно- стей; ; S  − удельная поверхностная энергия разрушения при разрыве и площадь вновь образованных поверхностей; V − отделяемый при деструкции объем. Принцип (11) подразумевает стационарность процесса деструкции. Однако в принципе его можно модифицировать с учетом фактора времени. Коэффициент “2” в
  • 102.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 102С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е знаменателе (11) формален и показывает, что при разрушении тела (образование тре- щины) образуются две поверхности, однако на наличие экстремума выражения он не влияет. Что касается вопроса физических предпосылок выполнения условий (9) и (11), то нужно признать, что это проблема будущих исследований, собственно, это касается и других вариационных принципов механики, да и не только механики. Однако можно предположить существование некоторого более общего вариационного принципа разру- шения и созидания (самоорганизации) в природе. Литература 1. Жабко А.В. Аналитическая геомеханика: научная монография / А.В. Жабко. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2016. – 224 с. 2. Жабко А.В. Теория расчета устойчивости откосов и оснований. Анализ, харак- теристика и классификация существующих методов расчета устойчивости откосов / А.В. Жабко // Известия Уральского государственного горного университета. – 2015. – № 4 (40). – С. 45 - 57. 3. Жабко А.В. Теория расчета устойчивости откосов и оснований. Общая теория расчета устойчивости однородных откосов / А.В. Жабко // Известия Уральского государ- ственного горного университета. – 2016. – №1 (41). – С. 72-83. 4. Жабко А.В. Теория расчета устойчивости откосов и оснований. Расчет анизо- тропных, неоднородных и подработанных откосов / А.В. Жабко // Известия Уральского государственного горного университета. – 2016. – № 2(42). – С. 42 - 46. 5. Жабко А.В. Теория расчета устойчивости откосов и оснований. Устойчивость отвалов / А.В. Жабко // Известия Уральского государственного горного университета. – 2016. – № 3 (43). – С. 4 - 6. 6. Жабко А.В. Теория расчета устойчивости откосов и оснований. Устойчивость откосов в поле тектонических, сейсмических и гидростатических напряжений / А.В Жабко // Известия Уральского государственного горного университета. – 2016. – № 4 (44). – С. 47 - 50. 7. Левин В.А. Избранные нелинейные задачи механики разрушения / В.А. Левин, Е.М. Морозов, Ю.Г. Матвиенко. – М.: Физматлит, 2004. – 408 с. 8. Опарин В.Н. Научные открытия межтысячелетия в геомеханике и перспективы их применения / В.Н. Опарин // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли: труды конференции с участием иностранных ученых, 2 – 5 октября 2007 г., Новосибирск. – Новосибирск: ИГД СО РАН, 2007. – С. 7 - 30. 9. Кашубин С.Н. Физика Земли: учеб. пособие для бакалавров / С.Н. Кашубин, В.Б. Виноградов, А.В. Кузин; под ред. В.В. Филатова. - 2-е изд., испр. и переработ. - Ека- теринбург: УГГУ, 2005. – 188 с.
  • 103.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 103С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 622.235.213.42 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.103 Кутуев Вячеслав Александрович младший научный сотрудник, Институт горного дела УрО РАН, 620075 г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: kutuev88@gmail.com Жариков Сергей Николаевич кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт горного дела УрО РАН e-mail: 333vista@mail.ru О ПОКАЗАТЕЛЕ РАСШИРЕНИЯ ПРОДУКТОВ ВЗРЫВА Kutuev Vyacheslav Al. junior researcher, The Institute of Mining UB RAS, 620075, Yekaterinburg, 58, Mamin-Sibiryak st. e-mail: kutuev88@gmail.com Zharikov Sergey N. candidate of technical sciences, senior researcher, The Institute of Mining UB RAS e-mail: 333vista@mail.ru ON THE INDEX OF EXPLOSION PRODUCTS EXPANSION Аннотация: В рамках научно-исследовательской экспедиции на полигоне горно-обогатительного комбината ОАО «Ураласбест» были проведены опытно- промышленные испытания на предмет выявле- ния показателя расширения продуктов взрыва для промышленного эмульсионного взрывчатого вещества (ПЭВВ) порэмит 1А. По результатам эксперимента отношение радиуса кольцевого заряда (R) к радиусу зоны взрывных газов (r) со- ставило k = 2,33, что примерно на 22 % меньше показателя расширения продуктов взрыва для штатных ВВ (k = 3); на основании этого выдви- нуто предположение, что детонационное дав- ление ПЭВВ порэмит 1А может быть выше расчетного (если принимать при расчетах k = 3) примерно на 20 %. Более точное определе- ние этого показателя для ПЭВВ путем проведе- ния серии опытно-промышленных испытаний не только ПЭВВ порэмит 1А, но и других ПЭВВ (при условии чистоты эксперимента), позволит уточнять детонационное давление и опреде- лять рациональные параметры буровзрывных работ (БВР) в выемочных блоках. Ключевые слова: показатель расширения про- дуктов взрыва, кольцевой заряд, показатель изо- энтропы, промышленные эмульсионные взрыв- чатые вещества, порэмит 1А Abstract: In the framework of the research expedition in the site of the "Uralasbest" mining and processing plant pilot and commercial tests were conducted to iden- tify the index of explosion products expansion for industrial emulsion explosive poremit 1A. Accord- ing to the results of the experiment the ratio of the radius of the ring charge (R) to the radius of explo- sive gases (r) zone was k = 2,33, which is approxi- mately 22% less than the expansion of the explosion products to a regular BB (k = 3).In terms of this the supposition was assumed that the detonation pres- sure of poremit 1A may be higher than calculated (if taken in the calculations k = 3) by about 20%. A more precise definition of this indicator, through a series of pilot and commercial tests not only poremit 1A, but others, maintaining the purity of the experi- ment will allow to clarify the detonation pressure and determine rational parameters of drilling and blasting operations in excavation blocks. Key words: the index of explosion products expan- sion, ring charge, isoentropic exponent, the indus- trial emulsion explosives, poremit 1A Теплоемкость есть количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы данного вещества на один градус. В термодинамике теплоемкость у взрывных га- зов делится на две составляющие: при постоянном объеме Cv и при постоянном давлении Cp [1 - 2]. Отношение теплоемкостей взрывных газов есть показатель изоэнтропы (k). Это важнейший показатель свойств ВВ, характеризующий процессы расширения про- дуктов взрыва. Ранее установленные научные теории и выводы о показателе расширения продуктов взрыва упоминаются в трудах Г.И. Покровского, Л.Д. Ландау, К.П. Станюко-  Исследования выполнены в рамках Госзадания 007-01398-17-00, а также при дополнительном привле- чении хоздоговорных средств и финансирования по конкурсному проекту № 15-11-57
  • 104.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 104С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е вича, Й.Д. Ван дер Ваальса, М.А. Кука , Д.Л. Чепмена , Э. Жуге , К. Юхансона , П. Пар- сона , А.Н. Дремина, К.К. Шведова, С.Д. Викторова, О.Е. Власова, Я.Б. Зельдовича, Е.И. Забабахина, С.А. Горинова и ряда других ученых. Существует зависимость [1], которая выражает пропорциональность между дав- лением детонации (P), плотностью ВВ (ρ0) и квадратом скорости его детонации (D): 1 2 0    k P D . (1) Значение k можно установить при помощи теории подобия и достаточно неслож- ных экспериментальных взрывов Г - образного и кольцевого зарядов ВВ [2]. С достаточ- ной степенью точности можно считать, что для штатных ВВ k = 3. Поэтому расчеты дав- ления при использовании ВВ заводского изготовления значительно упрощаются. Слож- нее дело обстоит с промышленными эмульсионными взрывчатыми веществами (ПЭВВ). Указанный показатель у ПЭВВ изменяется [3], поэтому воздействие зарядов на горную породу при технологических взрывах с применением ПЭВВ менее предсказуемо. Согласно работе [4], можно измерить детонационное давление (P) при помощи современного регистратора данных «DATA TRAP II» с применением калиброванных PVDF манометров, карбоновых резисторов или турмалиновых датчиков. Однако для ор- ганизации этих измерений требуются серьезные финансовые вложения, поэтому для ис- следований был применен менее затратный способ – взрыв кольцевого заряда с даль- нейшим анализом его последствий. В рамках научно-исследовательской экспедиции на полигоне горно-обогатитель- ного комбината ОАО «Ураласбест» в составе творческого коллектива сотрудников лабо- ратории разрушения горных пород ИГД УрО РАН: С.Н. Жарикова, П.В. Меньшикова, А.С. Флягина , Н.С. Матухно и В.А. Кутуева - были проведены опытно-промышлен- ные испытания на предмет выявления показателя расширения продуктов взрыва для ПЭВВ порэмит 1А. Согласно методу [5], взрывали кольцевой заряд, представляющий собой полиэтиленовый рукав длиной l = 1900 мм и диаметром Ø 100 мм, заполненный ПЭВВ порэмит 1А с известной плотностью ρ = 1,25 г/см3 . За отсутствием бронирован- ной плиты кольцевой заряд был уложен на прямоугольный кусок транспортерной ленты габаритными размерами 700×1000×20 мм. В заряд устанавливался промежуточный де- тонатор – шашка БШД-800У с введенным в нее детонирующим шнуром (ДШ). Иниции- рование производилось при помощи электродетонатора ЭД-1-8Т. В процессе взрыва за- ряда, согласно методу, должно было образоваться два следа, как показано на рис. 1: один непосредственно под испытуемым зарядом, а другой – меньшего радиуса, так называе- мая зона усиленного действия взрывных газов, направленных к центру кольца. В нашем случае в процессе взрыва кольцевого заряда произошел разрыв транс- портерной ленты, но на песке остались два характерных следа: большой радиус – 350 мм, малый радиус – 150 мм. Отношение радиуса кольцевого заряда (R = 350 мм) к радиусу зоны сосредоточения взрывных газов (r = 150 мм) составило k = 2,33, а это на 22 % меньше показателя расширения продуктов взрыва для штатных ВВ (k = 3). На основании результатов эксперимента выдвинуто предположение, что детонационное давление ПЭВВ порэмит 1А может быть выше расчетного (если принимать при расчетах k = 3) примерно на 20 %. Данное предположение требует дальнейших подтверждений, так как утверждение, сделанное на основании одного эксперимента, может быть достаточно спорным. Для этого необходимо провести серию опытно-промышленных испытаний, желательно не только ПЭВВ порэмит 1А, но и других ПЭВВ, выдерживая чистоту экс- перимента. При этом для каждого конкретного ПЭВВ по шесть испытаний, на наш взгляд, будет достаточно для обобщения и принятия установленного факта к сведению при проектировании технологических взрывов.
  • 105.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 105С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 1 – Схема к определению показателя расширения продуктов взрыва (k): 1 – кольцевой заряд; 2 – детонатор; 3 – зона усиленного действия взрывных газов; R – радиус кольцевого заряда; r – радиус зоны действия взрывных газов Вывод Эффективность дробящего действия технологического взрыва определяется ве- личиной давления (P), создаваемого в колонке заряда, которое зависит от плотности (ρ0) и скорости детонации (D) ПЭВВ, а также показателя расширения продуктов взрыва (k), с одной стороны, и свойствами горных пород – с другой. Наиболее точное определение показателя расширения продуктов взрыва для ПЭВВ позволит уточнять детонационное давление расчетным путем и, соответственно, иметь более точное представление о свой- ствах разрушающей нагрузки в конкретных условиях. Это откроет возможность опреде- лять рациональные параметры буровзрывных работ в выемочных блоках с учетом воз- можных перепадов давлений, что может существенно повысить эффективность исполь- зования ПЭВВ при производстве технологических взрывов. Литература 1. Физика взрыва / Под ред. Л.П. Орленко. - Изд. 3-е, перераб. - В 2 т. Т. 1. - М.: Физматлит, 2002. - С. 95 - 98. 2. Покровский Г.И. Взрыв / Г.И. Покровский . - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1980. - С. 42 - 43. 3. Синицын В.А. Повышение эффективности взрывной подготовки горной массы на карьерах с применением взрывчатых веществ на основе обратных эмульсий: автореф. … канд. техн. наук / В.А. Синицын; ИГД УрО РАН. - Екатеринбург, 2007. - 26 с. 4. Кутуев В.А. О методах исследования детонационных характеристик ВВ / В.А. Кутуев, П.В. Меньшиков, С.Н. Жариков // Теория и практика взрывного дела: сб. ст. / ИПКОН РАН. - М.: ЗАО МВК по взрывному делу при Академии горных наук, 2015. - С. 155 - 165. (Взрывное дело. № 113/70). 5. Покровский Г.И. Успехи газодинамики / Г.И. Покровский. - М.: Знание, 1974. - С. 16 - 20.
  • 106.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 106С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 622.235.213 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.106 Кутуев Вячеслав Александрович младший научный сотрудник, Институт горного дела УрО РАН, 620075 г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: kutuev88@gmail.com О ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ СКОРОСТЬЮ ДЕТОНАЦИИ И ВРЕМЕНЕМ ГАЗИФИКАЦИИ НА ПРИМЕРЕ ПРОМЫШЛЕННОГО ЭМУЛЬСИОННОГО ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА ПОРЭМИТ 1А Kutuev Vyacheslav Al. junior researcher, The Institute of Mining UB RAS, 620075, Yekaterinburg, 58 Mamin-Sibiryak st. e-mail: kutuev88@gmail.com ON THE RELATIONSHIP BETWEEN DETONATION VELOCITY AND THE TIME OF GASIFICATION, POREMIT 1A INDUSTRIAL EMULSION EXPLOSIVE AS AN EXAMPLE Аннотация: В статье изложены результаты опытно-про- мышленных испытаний, проведенных в рамках научно-исследовательской экспедиции на горно- обогатительном комбинате ОАО «Уралас- бест». Для исследования детонационных харак- теристик использовалась «Методика измерений скорости детонации взрывчатых веществ рео- статным методом, ускорения сейсмических ко- лебаний и давления на фронте ударной воздуш- ной волны с использованием измерителя скоро- сти детонации «DATATRAP II™ DATA/VOD RE- CORDER». Выполнено исследование детонаци- онных характеристик промышленного эмульси- онного взрывчатого вещества (ПЭВВ) порэ- мит 1А в полигонных условиях с применением 8- канального высокоскоростного регистратора данных «DATATRAP II™». Замеры скорости де- тонации производили при парном взрывании гильзовых зарядов Ø 100 мм толщиной стенки 7 мм и длиной 1000 мм. В результате опытно- промышленных испытаний получена зависи- мость скорости детонации от времени газифи- кации эмульсионного взрывчатого вещества (ЭВВ), и предложены пути решения проблем, связанных с получением при производстве взрыв- ных работ необходимых детонационных харак- теристик. Ключевые слова: промышленные эмульсионные взрывчатые вещества, детонационная волна, скорость детонации, гильзовый заряд, пор- эмит 1А Abstract: The article presents the results of experimental-in- dustrial tests carried out in the framework of the re- search expedition in the integrated-concentrating plant "Uralasbest". To study the detonation charac- teristics "Methods of measurement the explosives’ detonation velocity by rheostatic method, acceler- ation of seismic vibrations and pressure on the front shock air wave using the "DATATRAP II™ DATA/VOD RECORDER" meter of detonation ve- locity were used The study on detonation character- istics of industrial emulsion explosives poremit 1A, in field conditions, using 8-channel high speed data logger "DATATRAP II™".100 mm Measurements of detonation velocity were performed in a paired core blasting⌀ 100 mm charges, with wall thickness of 7 mm and 1000 mm length. In the experimental-indus- trial tests of the dependence of detonation velocity from the time of emulsion explosives gasification and solutions of the problems associated with ob- taining essential detonation characteristics in blast- ing operations are proposed. Key words: industrial emulsion explosives, detona- tion wave, detonation velocity, core charge poremit 1A Детонационная волна распространяется во взрывчатых веществах (ВВ) при взрыве со скоростью несколько тысяч метров в секунду, в результате чего возникает чрезвычайно высокое давление в среде, которое принято называть детонационным или давлением детонации. При этом указанная величина существенно зависит от изменения скорости перемещения горения по ВВ. В этой связи в современных условиях очень важно знать и контролировать такую характеристику, как скорость детонации, потому что она напрямую связана с качеством дробления конкретных горных пород.  Исследования выполнены в рамках Госзадания 007-01398-17-00, тема № 0405-2015-0010, а также при дополнительном привлечении хоздоговорных средств и финансирования по конкурсному проекту № 15-11-57
  • 107.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 107С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е В статье изложены результаты опытно-промышленных испытаний, проведенные в рамках научно-исследовательской экспедиции на горно-обогатительном комбинате ОАО «Ураласбест». Использовалось промышленное эмульсионное взрывчатое вещество (ПЭВВ) порэмит 1А с заявленными характеристиками, представленными в табл.1. Таблица 1 Основные характеристики ПЭВВ порэмит 1А [1] Для исследования детонационных характеристик использовалась методика, раз- работанная лабораторией разрушения горных пород ИГД УрО РАН, –«Методика изме- рений скорости детонации взрывчатых веществ реостатным методом, ускорения сейсми- ческих колебаний и давления на фронте ударной воздушной волны с использованием измерителя скорости детонации «DATATRAP II». В основе этой методики лежит рео- статный метод [2 – 5], точнее, его современный вариант, согласно [6], метод непрерыв- ного измерения скорости детонации «НИСД». Принцип работы «DataTrap II» заключается в следующем. В заряд ВВ по всей его длине помещают измерительный кабель, который присоединяют к кабелю РК. При взрыве, по мере прохождения детонационной волны, длина измерительного кабеля уменьшается, и, соответственно, изменяется сопротивление кабеля. Регистрирующий прибор непрерывно измеряет изменения величины сопротивления электрической цепи и записывает во встроенную память. Регистрирующий прибор фиксирует событие (взрыв одного заряда) в виде цифрового файла (таблицы «время – величина сопротивления») с возможностью расшифровки на персональном компьютере в виде диаграммы «длина за- ряда – время» с автоматическим вычислением скорости детонации (D). Схема последовательности соединения и измерения D, а также сам прибор показаны на рис. 1 и рис. 2, соответственно. Рис. 1 – Схема измерения скорости детонации ВВ в одиночной скважине прибором «Data Trap II» Тип ВВ Марка ВВ Характеристики Теплота взрыва, ккал/кг Концентрация энергии, ккал/дм3 Плотность заряжания, г/см3 Скорость детонации, м/с Газовая вредность, л/кг Критический диаметр, мм Порэмит 1А 720 900 1,15 – 1,25 4900 - 5100 40 30
  • 108.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 108С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 2 – Высокоскоростной регистратор данных «DataTrap II™ Data / VOD Recorder» Порядок проведения полигонных испытаний Для проведения испытаний подготовлены 6 картонных гильз диаметром Ø100 мм, толщиной стенки 7 мм и длиной L = 1000 мм, запаянные в нижней части при помощи монтажной строительной пены с одновременным креплением устойчивого основания для вертикального расположения в условиях полигона. Также просверлено 2 отверстия в верхней и нижней частях гильзы (строго друг под другом), через которые протянут кабель-датчик (VOD PROCABLE «Зеленый») с заданным сопротивлением 10,8 Ом/м. Верхний конец кабеля зачищен и замкнут сердечник на оплетку, после чего заизолирован и закреплен скотчем на гильзе. Нижний конец кабель-датчика также зачищен и подго- товлен к последующему соединению с коаксиальным кабелем РК-75, подключаемым к измерительному прибору «Data Trap II™». На полигоне горнодобывающего предприятия ОАО «Ураласбест» в подготовлен- ные картонные гильзы заряжали промышленное эмульсионное взрывчатое вещество порэмит 1А с известной плотностью ρ = 1,25 г/см3 , сверху устанавливался промежуточ- ный детонатор шашка БШД-800У с введенным волноводом ИСКРА-С, инициирование производилось при помощи электродетонатора ЭД-1-8Т (рис. 3). В процессе взрыва за- ряда, с момента детонации, регистратором данных «DataTrap II™» фиксировалось изме- нение сопротивления датчика по колонке заряда, как описано в ранее представленной методике. После проведения опытно-промышленных испытаний была произведена обра- ботка данных прибора «DataTrap II™» и получены следующие результаты (табл. 2). В качестве примера на рис. 4 представлен график первого замера. Табличные данные в графическом виде представлены на рис. 5.
  • 109.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 109С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 3 – Картонные гильзовые заряды Рис. 4 – Результат измерения скорости детонации прибором «DataTrapII™» = 4536 м/с Таблица 2 Результаты замеров скорости детонации в условиях полигона Взрывчатое вещество Скорость детонации, м/с Первый опытный взрыв Второй опытный взрыв Третий опытный взрыв 1 гильза 2 гильза 3 гильза 4 гильза 5 гильза 6 гильза Порэмит 1А 4536 4546 4660 4709 4852 5177
  • 110.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 110С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 5 – Динамика скорости детонации ПЭВВ порэмит 1А Всего было 6 гильз, которые взорваны парно, в результате трех взрывов. Замеры парных гильзовых зарядов каждого из трех опытных взрывов велись одновременно по двум каналам регистратора «Data Trap II™». Гильзы заранее промаркированы метками. Их взрывали в том порядке, в котором заряжали, с интервалами времени 5 – 7 мин между заряжанием конкретного гильзового заряда с одной зарядной машины. Первый взрыв был проведен через час после зарядки первой гильзы. Время между опытными взрывами составило 40 – 50 мин. С учетом временных интервалов, была построена зависимость скорости детонации от времени газификации ЭВВ (рис. 6). Рис. 6 – Зависимость скорости детонации от времени газификации для ПЭВВ порэмит 1А
  • 111.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 111С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Согласно [7], в среднем процесс газификации ПЭВВ наиболее полно протекает при температуре эмульсии 80 – 60° С в течение 30 – 40 мин после введения газогенери- рующей добавки. Длительное нахождение смесительно-зарядной машины на блоке и за- ряжание обводненных скважин при низких температурах приводит к быстрому остыва- нию эмульсии в скважине, в результате чего нарушается процесс газификации. Необхо- димо ускорить процесс газификации и обеспечить его стабильность посредством введе- ния ряда добавок и разработки новых составов ЭВВ. Выводы Из графика, представленного на рис. 6, видно, что детонационные характеристики ЭВВ порэмит 1А значительно меньше заявленных производителем при времени газифи- кации менее двух часов. Результат замера скорости детонации в первых двух гильзах спустя 30 – 35 мин после зарядки составил 4536 – 4546 м/с, когда заявленный мини- мум – 4900 м/с. Таким образом, разница между ними составляет 350 м/с. При этом пол- ная газификация ЭВВ проходит только через 2 ч с момента заряжания, что подтвер- ждают значения измеренной скорости детонации 4852 – 5177 м/с. Для производства мас- совых взрывов этот показатель имеет определяющее значение, так как от него напрямую зависит качество дробления горных пород. Исследование, проведенное в условиях полигона ОАО «Ураласбест», показало, что требуется более двух часов для получения заявленных детонационных характери- стик ЭВВ порэмит 1А. В этой связи является актуальной разработка способов ускорения процесса газификации ЭВВ, особенно в условиях пониженных температур. Также при производстве взрывных работ следует учитывать газификационные свойства ЭВВ для получения при взрыве требуемых детонационных характеристик. Литература 1. Колганов Е.В. Эмульсионные промышленные взрывчатые вещества. Кн. 1. Со- ставы и свойства / Е.В. Колганов, В.А. Соснин. – Дзержинск, Изд-во ГосНИИ «Кри- сталл», 2009. – 592 с. 2. Кутуев В.А. О методах исследования детонационных характеристик ВВ / В.А. Кутуев, П.В. Меньшиков, С.Н. Жариков // Теория и практика взрывного дела: сб. ст. / ИПКОН РАН. - М.: ЗАО МВК по взрывному делу при Академии горных наук, 2015. - С. 155 – 165. (Взрывное дело. - 113/70). 3. Андреев К.К. Теория взрывчатых веществ / К.К. Андреев, А.Ф. Беляев. - М.: Оборонгиз, 1960. - С. 210 - 212. 4. Корнилков М.В. Разрушение горных пород взрывом: конспект лекций / М.В. Корнилков; УГГУ. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2008. - С. 56 - 62. 5. Физика взрыва / Под ред. Л.П. Орленко. - Изд. 3-е, перераб. - В 2 т. Т. 1. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 832 с. 6. Определение фактической скорости детонации и работоспособности новых эмульсионных ВВ с целью выбора рациональной плотности заряжания при взрывопод- готовке железных руд / И.Ю. Маслов и др. // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2003. - № 5. 7. Натаров О.В. Совершенствование технологии взрывных работ с применением эмульсионных взрывчатых веществ на карьерах Хибинских месторождений: дис. ... канд. техн. наук : 25.00.20 / О.В. Натаров. - Апатиты, 2006. - 113 с.
  • 112.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 112С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 67.08:628.339 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.112 Меньшикова Наталья Александровна студентка, Уральский государственный горный университет, 620144, Екатеринбург, пер. Университетский, 9 e-mail: glzchs@mail.ru Давлетшина Ильмира Рустамовна студентка, Уральский государственный горный университет e-mail: glzchs@mail.ru ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ВОПРОСЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ОЧИСТКИ СЕРНОКИСЛЫХ РУДНИЧНЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД Menshikova Natalya Al. student, Ural State Mining University, 620144, Yekaterinburg, 9 lane University e-mail: glzchs@mail.ru Davletshina Ilmira R. student, Ural State Mining University e-mail: glzchs@mail.ru FUTURE ISSUES OF IMPROVEMENT THE TECHNOLOGICAL SCHEME OF ACID MINE AND INDUSTRIAL WASTEWATER PURIFICATION Аннотация: Постоянно растущие требования к охране окружаю- щей среды подчеркивают необходимость повышения качества процессов очистки сточных вод и направ- ляют промышленных производителей на поиск эф- фектных способов обработки рудничных и производ- ственных вод. Активная разработка месторождений ведет к образованию шламо- и шлакохранилищ, от- стойников и строительству очистных сооружений. Проблема рекультивации отвалов является актуаль- ной на сегодняшний день. В зависимости от геогра- фических и геологических условий залегания руд, спо- соба добычи и формирования отвалов требуется вы- бирать метод рекультивации того или иного отвала. Один из методов рекультивации базируется на извле- чении полезных элементов из терриконов с помощью различных химических реакций и дополнительной очистке шахтных и подотвальных вод. Наибольшее количество высококонцентрированных сернокислых сточных вод различного состава образуется в горном производстве предприятий цветной металлургии, что связано с масштабностью горных работ и объе- мов откачиваемых вод из горных выработок для предотвращения их затопления, со сложностью и многообразием вещественного состава руд, особен- ностями процесса выщелачивания компонентов руд при разработке месторождений, влиянием сезонных и погодных явлений. Кроме высококонцентрирован- ных сернокислых вод на горнодобывающих и перера- батывающих предприятиях могут формироваться и низкоконцентрированные сточные воды. Определяю- щими факторами формирования сточных вод с низ- кой концентрацией вредных веществ являются усло- вия окисления; химическая устойчивость; время кон- такта выщелачивающихся растворов с рудами; раз- бавление растворов водами; условия накопления, хра- нения, обработки и очистки сточных вод. В целом для очистки всех типов рудничных и промышленных сер- нокислых вод должны использоваться технологиче- ские операции, обладающие малой чувствительно- стью к колебаниям исходного состава и объема вод, содержанию в них взвешенных веществ. Ключевые слова: рекультивация, отвалы, подотваль- ные воды, рудничные и промышленные сточные воды, способы очистки, открытый, подземный и комбини- рованный способы добычи. Abstract: The ever-increasing demands for environmental protec- tion emphasize the need to improve the quality of wastewater treatment processes and guide manufacturers to search efficient methods of mine and industrial waters treatment. Deposits active development leads to the for- mation of slag and slime stocks, septic tanks and water treatment facilities construction. The problem of dumps recultivation is actual today. Depending on the geograph- ical and geological conditions of ores occurrence, method of mining and dumps formation the method of dump recultivation is to be choosen. One method of remediation is based on the extraction of useful elements from waste heaps with the help of various chemical reactions and ad- ditional cleaning mine and under-dump waters. The greatest number of highly concentrated sulfuric acid waste waters of different composition is formed in the min- ing process of non-ferrous metallurgy, that is associated with large scales of mining operations and volumes of pumped water from the mine workings to prevent flooding as well as with complexity and diversity of the material composition of ores, the process of leaching components of ores during mining, the influence of seasonal and weather events. In addition, highly concentrated sulfuric water for mining and processing plants and low-concen- trated wastewater can be formed. The determining factors in waste water formation with low concentration of pollu- tants are: the conditions of oxidation; chemical re- sistance; contact time solutions of ores; dilution of solu- tions with water; conditions of collection, storage, pro- cessing, and wastewater treatment. As a whole for clean- ing all types of mining and industrial sulphate waters the technological operations should be used with low sensi- tivity to fluctuations in the source composition and volume of waters, as well as the content of suspended solids in them. Key words: reclamation; waste dumps; under-dump wa- ters; mining and industrial waste water; cleaning meth- ods; open pit, underground and combined methods of min- ing, nonferrous metallurgy
  • 113.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 113С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Сернокислотные воды занимают доминирующее положение среди рудничных и промышленных сточных вод. Они образуются при добыче и переработке сульфидных и смешанных руд цветных металлов, добыче угля и других нерудных серосодержащих по- лезных ископаемых. Месторождение медных, медно-цинковых и полиметаллических руд разрабаты- вают в настоящее время открытым, подземным и комбинированным (открытым с под- земной доработкой глубоких горизонтов) способами. Вопрос о выборе способа разработки месторождений в отечественной практике решается в зависимости от глубины залегания рудных тел и не связан с оценкой долго- временных эколого-экономических аспектов, присущих открытому или подземному спо- собам [1]. Это связано с тем, что до настоящего времени охрана окружающей среды явля- ется больше декларативным, а не одним из основных направлений в деятельности про- мышленных предприятий, отражая существующие экономические отношения в России, когда нанесение ущерба не компенсируется соответствующими платежами. Считается, что открытый способ разработки рудных тел с глубиной залегания до 300 – 400 м экономически выгоднее подземного способа. Следует отметить, что совре- менные способы массовой выемки горных пород при открытых разработках практически не позволяют полностью отделить пустые породы от минерализованных, содержащих цветные металлы и другие токсичные примеси. Поэтому как на отработанных, так и на действующих рудниках не существует отвалов так называемых пустых пород. Отсюда при проведении вскрышных работ требуется складирование этих пород и забалансовых руд на заранее подготовленные гидроизолирующие основания [2]. Подземный способ разработки месторождений с обогатительным комплексом, расположенным в горных выработках, с использованием хвостов обогащения для твер- деющей закладки выработанного пространства, позволяет избежать отвалообразования и провалов на дневной поверхности. Следует отметить, что при подземном способе воз- можна очистка воздуха от пыли на вентиляционных стволах при проветривании горных выработок, а использование гидрозакладки уменьшает объем водоотлива и размер де- прессионной воронки при понижении уровня грунтовых вод [3]. Условия образования сернокислых рудничных и промышленных сточных вод Сточные воды, содержащие значительное количество сульфат-ионов и имеющие кислую реакцию среды, можно подразделить в зависимости от условий образования на две большие группы: • рудничные (карьерные, подотвальные и шахтные) сточные воды; • промышленные сточные воды. Рассмотрим условия образования объемов и состав сернокислых вод на примере действующих рудников с открытым и комбинированным способами разработки место- рождений медных, медно-цинковых и медно-баритовых руд, имеющих старогодние от- валы. Условия образования и состав сточных вод на рудниках с открытым способом добычи полезных ископаемых Наиболее типичными рудниками являются Бурибаевское рудоуправление и Уча- линский горно-обогатительный комбинат (Башкортостан), Гайский горно-обогатитель- ный комбинат (Оренбургская область) и Маднеульский горно-обогатительный комбинат (Грузия). Примерами типового состава высококонцентрированных шахтных вод явля- ются воды Левихинского рудника (Свердловская область), а низкоконцентрированных – Башкирского медно-серного комбината, Березовского рудника (Свердловская область). По данным министерства природных ресурсов и экологии Свердловской области, кислотность в Левихинском руднике превышена в два раза. Содержание меди, цинка и
  • 114.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 114С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е железа превышает ПДК в 18, 1000 и 3000 раз, соответственно [4]. Экологическое состо- яние водоема вызывает тревогу еще и потому, что здесь постоянно случаются обвалы (глубина самого большого обвала 90 м). Вода в самом руднике настолько отравлена, что непригодна для существования в нем каких-либо организмов. Территория вокруг водо- ема представляет собой участок красноватых вязких грунтов, на которых ничего не про- израстает. Близлежащие площади – это выжженные участки с высохшими на корню де- ревьями. На сегодняшний день отравленные воды мелкими ручьями из затопленного руд- ника растекаются по округе. Их количество невелико, поэтому сейчас они не создают серьезной угрозы попадания в реку, следовательно, и для ее флоры, фауны и прибрежных районов (табл. 1) [5]. Таблица 1 Данные по качеству вод в реке Тагил, спускаемых после очистки Наименование вещества Мг/дм3 Превышение / раз Железо 1,4 14 Цинк 0,388 39 Марганец 0,198 20 Сульфаты 57,9 - Условия образования и состав сернокислых сточных вод рудников с подземным способом добычи На подземных рудниках, добывающих медные и медно-цинковые руды, в резуль- тате проведения горных работ подрезаются водоносные горизонты, а ввиду откачки под- земных вод из горных выработок и их проветривания происходит окисление обнажае- мых серосодержащих минералов и закисление подземных вод с выщелачиванием меди, цинка, железа и других компонентов руд [6]. В связи с тем что на многих шахтах Урала горные работы длительное время ве- лись без закладки вырабатываемого пространства, наблюдались провалы на дневной по- верхности в результате обрушений пород в выработанное пространство. В итоге увели- чивался водоприток поверхностных вод в горные выработки, а объем откачиваемых шахтных вод в большой степени становился зависимым от сезонных и погодных явлений (например, годовой объем шахтных вод Левихинского рудника достигает 3 млн. м3 с большими сезонными колебаниями паводкового характера). Даже после отработки не- которых шахт происходит изливание кислых вод на дневную поверхность [7]. Химический состав сточных вод подземных рудников приведен в табл. 2. Таблица 2 Типовые составы высококонцентрированных шахтных вод подземного способа разработки месторождений на Левихинском руднике Наименование рудничных вод рН Содержание, мг/дм3 Cu Zn Fe As Ca Mg Al Cl- SO4 2- Шахтные воды 2,5 - 2,7 135- 170 270- 320 800- 1100 0,1 250- 265 340 375 29- 32 5950- 6050 Подотвальные воды 3,0 13,5 36 28,5 0,01 120 10,5 51 41,7 1170
  • 115.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 115С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Перспективные вопросы совершенствования технологической схемы очистки сернокислых рудничных и промышленных сточных вод Среди перспективных вопросов совершенствования универсальной схемы очистки названных вод наиболее актуальными являются следующие:  селективное извлечение из исходных кислых вод меди, цинка, лантанидов и других редких элементов;  использование образующихся шламов в качестве флюса в металлургии и про- изводстве строительных материалов;  расширение номенклатуры и эффективности применения используемых реа- гентов и природных сорбентов;  синтезирование новых реагентов для очистки сточных вод от сульфатов;  применение перекиси водорода и озона в технологиях окисления и осаждения поливалентных металлов и мышьяка, органических примесей;  щелочная пассивация отвалов забалансовых руд и вскрышных пород для предотвращения образования высококонцентрированных подотвальных вод;  использование сточных вод после очистки для сельхозорошения и удобрения [8]. Из известных способов извлечения меди из сернокислых вод, образующих на руд- никах, где добываются медные и медно-цинковые руды, промышленную апробацию, прошли способы осаждения меди цементацией на железном скрапе в желобах и барабан- ных цементаторах, на губчатом железе, а также на металлизированном клинкере цинко- вых заводов [9]. Из-за низкого извлечения меди при цементации в желобах и больших затрат ручного труда при ворошении скрапа большинство таких установок ликвидиро- вано. Губчатое железо является не только эффективным реагентом, но и дефицитным материалом, поэтому его использование бесперспективно. Наилучшие технико-эконо- мические показатели по цементации меди на железном скрапе получены в барабанных цементаторах. Недостатком способа является то, что эти цементаторы изготавливаются из дорогой нержавеющей стали, подвергаемой при вращении цементатора быстрому ис- тиранию скрапом. Кроме этого, в последние годы и железный скрап стал дефицитным материалом. Поэтому целесообразно проведение испытаний в тихоходных шаровых мельницах, футерованных износоустойчивым и кислостойким каменным литьем [10]. Способы извлечения цинка из кислых вод в виде сульфида цинка с использова- нием сернистого натрия или гидросульфида натрия позволяют получать цинковый кон- центрат приемлемого качества только после предварительного осаждения меди цемен- тацией. Однако эти способы экологически вредны, так как приводят к появлению в руд- ничных водах сульфид-ионов, к сверхнормативному загрязнению натрием и к ухудше- нию показателей очистки рудничных вод от сульфатов при нейтрализации этих вод из- вестковым молоком [11]. Новым способом извлечения цинка из рудничных вод может явиться способ его осаждения сульфидом кальция, получение которого отработано в промышленных усло- виях. Применение этого реагента при контролируемой дозировке в шаровую мельницу исключит негативные последствия. Это возможно потому, что сульфид кальция, не- смотря на его малую растворимость в воде, в сернокислых растворах гидролизуется с выделением сульфид-ионов. Осаждение сульфида цинка после цементации меди проис- ходит с более высокой скоростью ввиду повышения содержания железа в рудничных водах при цементации. Важнейшим вопросом совершенствования универсальной схемы очистки серно- кислых вод является обезвоживание и использование шламов, образующихся при нейтра- лизации этих вод, а в будущем и шламов после очистки нейтрализованных вод от суль- фатов [12].
  • 116.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 116С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Высокая влажность шламов от нейтрализации и осветления рудничных вод свя- зана с дисперсностью составляющих их компонентов. Шламы представляют собой из- вестково-гипсо-гидратную смесь гидроксидов меди, цинка, железа и других металлов, а также гипса – продукта взаимодействия свободной и высвобождающейся при гидролизе сульфатов серной кислоты с известковым молоком. Использование шламов от очистки сернокислотных вод позволяет не только ути- лизировать ценные компоненты, содержащиеся в них, но и решить проблему складиро- вания текущих шламов в прудах-шламоотстойниках без увеличения их объема. Полная переработка накопившихся шламов в прудах-шламоотстойниках, занимающих огром- ные площади, обеспечит экологическую безопасность этих объектов, связанную с по- следствиями прорыва дамб и попадания токсичных шламов в естественные водоемы [13]. Проблема использования шламов от очистки сернокислых рудничных и промыш- ленных сточных вод в качестве флюса в цветной металлургии и производстве строитель- ных материалов всецело связана с обезвоживанием и подсушкой шламов, складирован- ных в прудах-шламонакопителях или поступающих непосредственно с очистных соору- жений. Решение этой проблемы является чрезвычайно сложной задачей. Расширение номенклатуры и эффективности применения используемых реаген- тов и природных сорбентов связано в основном с тонкой доочисткой очищаемых вод и достижением их хорошего осветления перед сбросом в естественные водоемы. Использование природных сорбентов – опок – может получить широкое распро- странение для тонкой доочистки вод при повышении их сорбционной емкости по тяже- лым цветным металлам. Возможна зарядка опок анионами СО3 2- , S2- и другими, образу- ющими с указанными металлами малорастворимые соединения. Это может быть достиг- нуто пропусканием растворов Na2CO3, Na2S и NaHS через опоковые фильтры [14]. Как и при очистке сточных вод от сульфатов с использованием алюминийсодер- жащих реагентов, предотвращение вторичного загрязнения очищаемых вод анионами возможно при использовании оксосульфата железа (ОСЖ) или оксокарбоната железа (ОКЖ) [15]. Щелочная пассивация отвалов забалансовых руд и вскрышных пород предлага- ется для предотвращения образования высококонцентрированных подотвальных вод. Общеизвестно, что закисление забалансовых руд в отвалах, особенно медно-цинковых, приводит к потере их технологических свойств при флотационном обогащении ввиду активации минералов меди и цинка кислыми медьсодержащими растворами. Учитывая то, что паводковые и дождевые воды проходят через толщу отвала, складированного из крупнокускового материала, по путям наименьшего сопротивления водному потоку от вершины до подошвы отвала, известкование отвала преследует цель создания защитных пленок на поверхности омываемых кусков в водотоках, т. е. извест- ковать надо не всю толщу отвала. Щелочная пассивация отвала будет сопряжена с мень- шим расходом известкового молока, чем на нейтрализацию подотвальных вод. Поисковые исследования необходимы для совершенствования методик прогно- зирования состава серноксилых рудничных вод, а также расширения области примене- ния перколяционного выщелачивания. С помощью перколяторов отрабатывается и ме- тод щелочной пассивации отвалов [16]. Загружаемые в перколяторы пробы забалансовых руд и вскрышных пород выще- лачивали до выхода на наиболее концентрированный состав вод, после чего проводили щелочную пассивацию проб до выхода из перколятора щелочных вод с рН 9-10,5. До- бавление вспомогательных веществ инициирует как процесс выщелачивания, так и про- цесс пассивации проб, кроме того, при их использовании пассивация проб проходит бо- лее надежно, и повторное закисление проб при проведении орошения кислыми водами происходит медленнее [17].
  • 117.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 117С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Щелочная пассивация отвалов может отказаться особенно эффективной для но- вых месторождений как превентивное мероприятие против образования сернокислых подотвальных вод [18]. В отдельных случаях возможно использование сернокислых рудничных и про- мышленных сточных вод после очистки для сельхозорошения при условии выполнения требований СанПиН 2.1.7.573-96 «Гигиенические требования к использованию сточных вод и осадков для орошения и удобрения» [19]. Подводя итог, нужно сказать о том, что совершенствование методов очистки сточных вод требует большого внимания. С наращиванием производственных мощно- стей при добыче руд возрастает количество шламо-, шлакоотстойников, образование огромных терриконов и объемы сточных вод, задействованных в производстве. В зависимости от способа добычи и процентного содержания тех или иных ком- понентов в породах меняется способ очистки сточных вод, то есть используются различ- ные технологии, направленные на осаждение определенного элемента в шахтных и подотвальных водах. Литература 1. Халезов Б.Д. Кучное выщелачивание отвалов горных пород медных рудников как способ обезвреживания экологически опасных объектов / Б.Д. Халезов, В.А. Нежи- вых, А.Ю. Тверяков // Изв. вузов. Горный журнал. – 1997. - № 11-12. - С. 198 - 206. 2. Меньшикова Н.А. Методы очистки сточных вод и их эффективность при до- быче руд цветных металлов // Актуальные проблемы обеспечения гражданской безопас- ности: III Всероссийский семинар, г. Екатеринбург, 27 сентября 2016 г. / ООО «Со- юзПромЭкспо»; Факультет гражданской защиты Уральского Государственного Горного Университета, Кафедра защиты в чрезвычайных ситуациях Уральского Федерального Университета. – Екатеринбург, 2016. – С. 58 - 59. 3. Алкацев М.И. Процессы цементации в цветной металлургии / М.И. Алкацев. - М., Металлургия, 1981. 4. Меньшикова Н.А. Экологическое состояние отработки рудных отложений Свердловской области на примере Лёвихинского рудника // Актуальные проблемы обес- печения гражданской безопасности: Материалы III Всероссийского семинара, г. Екате- ринбург, 27 сентября 2016 г. / ООО «СоюзПромЭкспо», Факультет гражданской защиты Уральского Государственного Горного Университета, Кафедра защиты в чрезвычайных ситуациях Уральского Федерального Университета. - Екатеринбург, 2016. – С. 57 - 58. 5. Меньшикова Н.А. Методы очистки сточных вод и их эффективность при до- быче руд цветных металлов / Актуальные проблемы обеспечения гражданской безопас- ности: Материалы III Всероссийского семинара, г. Екатеринбург, 27 сентября 2016 г. / ООО «СоюзПромЭкспо», Факультет гражданской защиты Уральского Государственного Горного Университета, Кафедра защиты в чрезвычайных ситуациях Уральского Феде- рального Университета. - Екатеринбург, 2016. – С. 58 - 59. 6. Мониторинг безопасности, оценка риска и прогнозирование чрезвычайных си- туаций на территории Свердловской области // Информационный бюллетень. Вып. № 5 / Государственное казенное учреждение Свердловской области «Территориальный центр мониторинга и реагирования на чрезвычайные ситуации в Свердловской области». - Екатеринбург, 2016 – С. 23. 7. Рыбникова Л.С. Проблемы инженерной защиты гидросферы при отработке и ликвидации рудников Среднего Урала (на примере Левихинского рудника) / Л.С. Рыб- никова, А.Л. Фельдман, П.А. Рыбников // Водное хозяйство России. – 2011. – №. 2. – С. 58 - 71. 8. Зубков А.А. Концепция решения минерально-сырьевых проблем и охраны окружающей среды / А.А. Зубков, А.Е. Воробьёв, З.М. Шуленина // Маркшейдерия и недропользование. – 2009. – №. 4. – С. 42.
  • 118.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 118С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е 9. Оптимизация технологии цементационного извлечения меди из сернокислых рудничных вод / Л.С. Диньмухаметова и др. // Фундаментальные исследования. – 2015. – №. 6 - 1. 10. Очистка сточных вод от сульфатов-ионов с помощью извести и оксосульфат алюминия / Е.О. Сальников и др. // Химия и технология воды АН УССР – 1992. - Т.14, №2. - С. 152 - 157. 11. Рыбникова Л.С. Геоэкологические и экономические аспекты защиты гидро- сферы в районах ликвидируемых рудников Урала / Л.С. Рыбникова, А.Л. Фельдман, П.А. Рыбников // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2009. – Т. 5. – №. 12. 12. Сотников В.И. Влияние рудных месторождений и их отработки на окружаю- щую среду / В.И. Сотников // Соросовский образовательный журнал. – 1997. – №. 5. – С. 62 - 65. 13. Медяник Н.Л. Квантово-химический метод выбора реагента-собирателя и его использование в процессе флотационного извлечения катионов цинка и меди (II) из тех- ногенных вод горных предприятий / Н.Л. Медяник, В.А. Чантурия, И.В. Шадрунова // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2012. – №. 1. – С. 155 - 165. 14. Рыбаков Ю.С. Управление качеством вод на техногенной провинции медно- цинковых рудников / Ю.С. Рыбаков // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 1. 15. Рыбаков Ю.С. Технико-экономическая оценка химической рекультивации техногенных образований цветной металлургии / Ю.С. Рыбаков, М.В. Фёдоров, А.Ю Рыбаков // Известия Уральского государственного экономического университета. – 2007. – № 1 (18). 16. Рыбникова Л.С. Геофильтрационная модель массива горных пород в области влияния отрабатываемых и ликвидируемых рудников горноскладчатого Урала / Л.С. Рыбникова, П.А. Рыбников // Литосфера. – 2013. – № 3. – С. 130 - 136. 17. Рыбаков Ю.С. Применение геотехнологических методов для защиты водных объектов от загрязнения стоком с техногенных образований / Ю.С. Рыбаков // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 1999. – №. 2. 18. Совершенствование технологии нейтрализации шахтных вод Левихинского рудника / В.З. Козин и др. // Известия вузов. Горный журнал. – 1997. – №. 11 - 12. – С. 211 - 214. 19. Санитарные правила и нормы СанПиН 2.1.7.573-96 «Гигиенические требова- ния к использованию сточных вод и их осадков для орошения и удобрения» (утв. поста- новлением Госкомсанэпиднадзора РФ от 31 октября 1996 г.). № 46. [Электронный ре- сурс] - Режим доступа: http://www.ecocentre.ru/normativy/normativy_49.pdf
  • 119.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 119С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 622.833.5 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.119 Сентябов Сергей Васильевич кандидат технических наук, младший научный сотрудник лаборатории геодинамики и горного давления, Институт горного дела УрО РАН, 620075, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: sentyabov1989@mail.ru МОНИТОРИНГ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ БЕТОННОЙ КРЕПИ СТВОЛОВ НА ГАЙСКОМ МЕСТОРОЖДЕНИИ Sentyabov Sergey V. candidate of technical sciences, junior researcher, The Institute of Mining UB RAS, 620075, Yekaterinburg, 58 Mamin-Sibiryak st. е-mail: sentyabov1989@mail.ru MONITORING STRESSED-DEFORMED STATE OF THE SHAFTS CONCRETE LINING THE IN GAISKY DEPOSIT Аннотация: Представлены результаты проведенных иссле- дований, в значительной мере повышающие сте- пень геомеханической изученности массива гор- ных пород Гайского месторождения. Основной целью исследований являлось определение пара- метров первоначальных напряжений, действу- ющих в бетонной крепи стволов на различных глубинах. В натурных условиях определялись па- раметры напряжений, действующих в крепи стволов на глубоких горизонтах рудника, произ- водился мониторинг напряженно-деформиро- ванного состояния крепи стволов на различных горизонтах по всей глубине ствола в период 2013 – 2017 гг. Ключевые слова: наблюдательная станция, де- формации, мониторинг напряженно-деформи- рованного состояния крепи стволов, перемен- ные во времени напряжения, бетонная крепь, массив горных пород Abstract: The results of researches, largely increasing the de- gree of knowledge of the geo-mechanical rock mass in Gaisky deposit are presented. The main purpose of the research was to determine the initial parame- ters of stresses acting in the shafts’ concrete lining at different depths. In natural conditions the param- eters of the stress acting in the shafts lining in the deep horizons of the mine were determined; moni- toring the stressed-deformed state of the shafts lin- ing at different levels throughout the depth of the shaft in the period 2013 - 2017 years was carried out.. Key words: observation station, deformations, mon- itoring the shafts’ lining stressed-deformed state, the voltage variable in time, concrete lining, rock mass Геомеханические натурные исследования в действующем стволе шахты «Клетевая» на Гайском подземном руднике, проводимые с 2013 г., направлены на установление закономерностей влияния переменных во времени напряжений на напряженно-деформированное состояние бетонной крепи и породного массива в закрепном пространстве. Для этой цели каждые три месяца проводились замеры изменения напряжений в бетонной крепи для последующего их прогноза до 2020 г. Для замеров напряжений использовался метод щелевой разгрузки [1] (табл. 1), который хорошо себя зарекомендовал для определения напряженного состояния в монолитной бетонной крепи стволов в условиях шахт Гайского ГОКа. Для этого был применен модифицированный вариант производства измерений. Для образования разгрузочной щели был использован бензорез, алмазная пила которого позволяла пропилить щель шириной 330 мм на глубину 120 мм. Расстояние между реперами было принято 70 мм. Это потребовало корректировки расчетной формулы [2]. Путем решения плоской задачи теории упругости пересчет полученных величин относительных деформаций в напряжения производится по формуле: ,σ )1(2034,1 )()( БАВ    КKlL EU где UАВ – величина смещения реперов на базе АВ, см;
  • 120.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 120С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е ЕБ – модуль упругости бетона, МПа; l – расстояние между реперами, м; L – радиус щели, м; К – интегральные коэффициенты концентрации напряжений, действующие на участках между основными реперами и разгрузочной щелью;  – коэффициент Пуассона деформируемого материала крепи. При замерах в бетонной крепи ствола повсеместно принимали 3,0 . Результаты расчета напряжений, действующих в бетонной крепи, представлены в табл. 1. Таблица 1 Результаты расчета напряжений в бетонной крепи ствола методом щелевой разгрузки 1-я станция (гор. -830 м) 2-я станция (гор. -910 м) 3-я станция (гор. -990 м) 4-я станция (гор. -1075 м) 5-я станция (гор. -1390 м) 6-я станция (гор. -1390 м) -2,9 МПа -2,9 МПа -0,72 МПа -1,4 МПа -0,72 МПа -1,4 МПа Для замера переменных напряжений во времени, формирующихся в бетонной крепи, были оборудованы наблюдательные станции на базе 1600 мм в горизонтальном и вертикальном направлениях. Станции установлены в ходовом отделении ствола шахты «Клетевая» на отметках -830 м, -910 м, -990 м, -1070 м и -1390 м. На этих базах произво- дились измерения изменения напряженно-деформированного состояния во времени с пе- риодичностью раз в четыре месяца. Изменения напряжений также фиксировались и по реперам, установленным при проведении щелевой разгрузки на базах 70 мм. Характер изменения напряжений при измерении деформаций в бетонной крепи ствола шахты «Клетевая» на базе 70 мм и на базе 1600 мм в мм представлен на рис. 1–5. Рис. 1 – График изменения напряжений в бетонной крепи ствола шахты «Клетевая» на горизонте -830 м
  • 121.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 121С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 2 – График изменения напряжений в бетонной крепи ствола шахты «Клетевая» на горизонте -910 м Рис. 3 – График изменения напряжений в бетонной крепи ствола шахты «Клетевая» на горизонте -990 м
  • 122.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 122С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 4 – График изменения напряжений в бетонной крепи ствола шахты «Клетевая» на горизонте -1075 м Рис. 5 – График изменения напряжений в бетонной крепи ствола шахты «Клетевая» на горизонте -1390 м
  • 123.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 123С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е В результате длительного геодеформационного мониторинга изменения напря- женно-деформированного состояния в крепи ствола «Клетевой» было зафиксировано из- менение напряженно-деформированного состояния на величину до -12 МПа на нижних горизонтах в горизонтальном (X) направлении и на величину до -12 МПа в вертикальном (Z) направлении. Результаты измерений переменных во времени напряжений, представленные на графиках (рис. 1 – 5), согласуются с результатами измерений в массиве, проводимых лабораторией геодинамики и горного давления с 1998 г. [3]. При поддержке РФФИ в 1998 г. ИГД УрО РАН начал изучение периода, амплитуды и азимутов пульсации тектонических напряжений в земной коре Северного, Среднего и Южного Урала, в рамках наноцикла 15-го класса [4]. Были оборудованы геодезические пункты (ГП) под землей и на поверхности. Подземные ГП расположены на действующих рудниках вне зоны влияния горных работ, в районе следующих городов: Краснотурьинск на глубине -600 м; Нижний Тагил (-480 м); Березовский (-512 м; -712 м), Гай (-830 м), а также на поверхности в окрестностях г. Екатеринбург. Для подземных ГП выбраны различно ориентированные выработки, в которых заложены реперные линии на базах 40 – 50 м. Расстояния между реперами измеряются рулеткой по методике гибких нитей [5], что обеспечивает точность измерения изменения базы до 0,2 мм. На поверхности измерения производили на базах от 1,5 км с помощью спутниковой навигационной системы GPS. Обработка результатов заключалась в следующем: – была выбрана база Lо, измеренная, к примеру, в декабре 1998г., относительно которой оценивали изменение длины в последующие замеры; – по полученным изменениям длины линий ∆(Li - Lo) определялась относительная деформация массива горных пород εi; – подбирались комбинации из трех линий и находились ∆σ1; ∆ σ2, (МПа); αI-1, (град); – после статистической обработки получали средние значения ∆σ1; ∆σ2; α1 и ази- мут действия ∆σ1; – за весь период наблюдений был найден средний азимут действия ∆σ1 или ∆σ2, который принимается за ось абсцисс Х и ∆σх; ∆σу; ∆τху, которые более наглядно характеризуют изменение напряжений во времени. Анализ изменения во времени (пульсации) значений ∆σ1; ∆σ2 на месторождениях Урала показал, что они примерно равны, поэтому было принято решение в дальнейшем величину, характеризующую изменение горизонтальных напряжений, принимать как среднее значение (∆σср) ∆σ1 и ∆σ2. Так как предполагается, что это изменение вызвано астрофизическими явлениями, то вышеописанное среднее значение (∆σср) обозначается σАФ: σАФ = ∆σср = (∆σ1+∆σ2)/2. Наиболее близки к таким явлениям галактические космические лучи (протон- электронная плазма), периодичность интенсификации которых имеет 11-летний цикл и совпадает по фазе с σАФ, но в противофазе с интенсивностью пятнообразования (W) и солнечной постоянной (S)o [6]. Считается, что преобладание протонного излучения приводит к сжатию, а преобладание электронного – к расширению материала [7]. На рис. 6 представлены графики изменения составляющих НДС массива АФ (астрофизические напряжения) и АФ (деформация, вызванная действием АФ) на рудниках в городах Урала и Алтая на фоне изменения излучения Солнца So в 11-летних циклах. Данные изменения НДС на рудниках Алтая были взяты из литературы [8]. Из графика на рисунке видно, что изменения тренда НДС массива точно повторяют изменения So. Деформация Земли получена по прогнозу В.Е. Хаина [9, 10].
  • 124.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 124С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 6 – Изменение НДС массива АФ и АФ на рудниках в городах Урала и Алтая на фоне изменения излучающей способности Солнца So и интенсивности космического излучения В 2013 г. на Гайском подземном руднике были зафиксированы АФ = -9 МПа. В соответствии с прогнозируемым трендом изменения переменных во времени напряже- ний к 2020 г. их величины могут достигнуть -30 МПа, при этом напряжения в бетонной крепи вертикальных стволов значительно увеличатся при модуле упругости массива по- род Ем = 0,72*105 до горизонта -1075м, Ем = 0,57*105 – до горизонта -1390 м, а модуль упругости бетона ЕБ=0,2*105 . Прогнозные результаты напряжений в бетонной крепи ствола представлены в табл. 2. Величины расчетных напряжений близки к нормативной прочности бетона. Вследствие этого, одной из основных задач является поиск конструктивных и техноло- гических решений, направленных на повышение устойчивости крепи. Эта задача реша- ется за счет применения упрочняющих видов крепления: анкерования приконтурного массива штанговыми или тросовыми анкерами, смолоинъекцией, цементацией и про- чими способами повышения сцепления между структурными породными блоками. Для вновь строящихся шахт проведенные исследования показывают, что приме- нение бетонной крепи для поддержания стволов в условиях экстремальных значений пе- ременных во времени напряжений не обеспечит необходимого запаса прочности, т. е. действующие напряжения в крепи могут превысить нормативную прочность бетона. Учитывая, что стволы будут работать в сложных условиях, можно рекомендовать тюбинговую крепь с тампонажем закрепного пространства цементно-песчаной смесью и последующим упрочнением массива путем цементации, что обеспечит устойчивое со- стояние ствола. В табл. 2 приведены данные напряжений, которые могут возникнуть в крепи при экстремальных значениях переменных во времени напряжений. В таких усло- виях бетонная крепь не обеспечит устойчивость ствола, поэтому необходимо применять крепь из чугунных тюбингов. Упрочнение массива путем цементации позволит создать вокруг ствола упроч- ненную породобетонную оболочку и повысить несущую способность крепи.
  • 125.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 125С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Таблица 2 Расчетные напряжения в крепи при экстремальных значениях переменных во времени напряжений Вид крепи Гор. -830 м Гор. -910 м Гор. -990 м Гор. -1075 м Гор. -1390 м Гор. -1390 м σӨ(к) бетон, МПа -20,38 -20,38 -18,8 -23,5 -22,97 -23,5 σӨ(к) чугун, МПа -68,38 -68,38 -66,8 -59,19 -58,66 -59,19 Сравнивая расчетные величины напряжений в крепи с расчетными сопротивле- ниями чугуна, можно отметить, что тюбинговая крепь с тампонажем закрепного про- странства 30 см обеспечит устойчивое состояние ствола при прогнозируемых условиях работы. Выводы В результате проведенных исследований в значительной мере повышена степень геомеханической изученности массива горных пород Гайского месторождения. Основные практические выводы и рекомендации, полученные при выполнении работы, сводятся к следующему: 1. Расчет напряженного состояния бетонной крепи шахтных стволов должен про- изводиться с учетом суммы гравитационных, статических тектонических и переменных во времени напряжений в окружающем массиве горных пород. 2. Напряжения в бетонной крепи стволов формируются как в момент строитель- ства с учетом способа проходки, так и за счет дополнительного воздействия переменных напряжений в исследуемый момент времени, которые с 1998 по 2017 год изменились от 0 до 15 МПа. 3. Зафиксировано изменение напряженно-деформированного состояния в крепи ствола шахты «Клетевая» на величину до -12 МПа на нижних горизонтах в горизонталь- ном (X) направлении и на величину до -12 МПа в вертикальном (Z) направлении. Литература 1. Зубков А.В. Геомеханика и геотехнология / А.В. Зубков. – Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2001. – 333 с. 2. Сентябов С.В. Анализ современного состояния строительства вертикальных стволов / С.В. Сентябов // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2014. – № 7. – С. 415 – 419. 3. Зубков А.В. Горнотехнические условия отработки колчеданных месторожде- ний / А.В. Зубков // Уральский горнопромышленный форум: V: Колчеданные месторож- дения – геология, поиски, добыча и переработка руд: матер. Всерос. науч. конф. Чтения памяти С.Н. Иванова / УрО РАН, Институт геологии и геохимии УрО РАН и др. - Ека- теринбург, 2013. – С. 60 - 62. 4. Зубков А.В. Закономерности формирования напряженного состояния массива горных пород в верхней части земной коры / А.В. Зубков, К.В. Селин, С.В. Сентябов // Литосфера. - 2015. - № 6. - C. 116 - 129. 5. Зубков А.В. Напряженное состояние Земной коры Урала / А.В. Зубков // Литосфера. - 2002. - № 3. - C. 13 - 18.
  • 126.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 126С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е 6. Абдусаматов Х.И. Глубокий минимум мощности солнечного излучения приведет к малому ледниковому периоду / Х.И. Абдусаматов. – СПб.: Нестор, 2013. – 246 с. 7. Тарасов Б.Г. Пульсация земли и циклы геодинамической активности в потоках космической плазмы / Б.Г. Тарасов. - СПб: МАНЭБ, 2009. – 319 с. 8. Синкевич Н.И. Исследование напряженно-деформированного состояния в призабойном массиве вертикальных стволов Абаканского месторождения / Н.И. Синкевич // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2006. - № 5. - C. 32 - 35. 9. Хаин В.Е. Геотектоника с основами геодинамики: 2-е изд./ В.Е. Хаин, М.Г. Ломидзе. – М.: МГУ, 1995. – 463 с. 10. Штенгелов Е.С. Современное раздвижение земной коры и гипотезы тектоники плит / Е.С. Штенгелов // Бюллетень МОИП. Отд. геол. - 1982. - № 3. - C. 13 - 17.
  • 127.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 127С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 622.235.213 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.127 Собенин Артём Вячеславович инженер-исследователь, Институт горного дела УрО РАН, 620075 г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: arsob@yandex.ru Шеломенцев Иван Глебович инженер-исследователь, Институт горного дела УрО РАН е-mail: gopi0@list.ru Шаихова Дарья Рамильевна магистрант, Уральский Федеральный Университет, 620026, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 48 e-mail: darya.boo@mail.ru ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ RAPHANUS SATIVUS НА ТЕХНОГЕННОМ СУБСТРАТЕ SobeninArtyomV. engineer-researcher, The Institute of Mining UB RAS, 620075, Yekaterinburg, 58 Mamin-Sibiryak st. е-mail: ar-sob@yandex.ru Shelomentsev Ivan G. engineer-researcher, The Institute of Mining UB RAS е-mail: go-pi0@list.ru Shaikhova Daria R. magisrant, The Ural Federal University 620026, Yekaterinburg, 48 Kuibishev st. е-mail: darya.boo@mail.ru RAPHANUS SATIVUS DEVELOPMENT FEATURES IN TECH-NOGENOUS SUBSTRATE Аннотация: В данной статье были рассмотрены морфометрические показатели Raphanus Sativus, выращеных на различных субстратах. Определено содержание тяжелых металлов в субстратах и растениях, сделаны выводы об использовании данного вида в рекультивации отвалов, а также даны рекомендации по условиям ее проведения. Ключевые слова: Raphanus sativus, почвенное дыхание, техногенное загрязнение, морфометрия, тяжелые металлы Abstract: Morphological parameters of radish grown in vari- ous substrates were considered in the article. Con- tent of heavy metals in substrates and plants was de- fined and conclusions on application this kind of dump recultivation were made. Recommendations are also given on the conditions of this procedure carrying out. Key words: Raphanus Sativus, soil respiration, ,tech- nogenous pollution, morphometry, heavy metals Введение Быстрый рост городов и развитие промышленности приводят к существенным, а зачастую и к необратимым изменениям ландшафта. Золоотвалы тепловых электростан- ций как одна из форм антропогенного нарушения занимают большие территории и явля- ются постоянным источником загрязнения воздуха и почвы. Восстановление раститель- ности на этих территориях происходит крайне медленно. Техногенные почвогрунты су- щественно отличаются от зональных почв и представляют собой стерильный неоэкотоп, осваиваемый организмами «с нуля» [1, 2]. Решающие факторы для биологического осво- ения субстрата – физико-химические свойства породы, топографический профиль с ва- риантами рекультивации и климатические условия. Для восстановления нарушенных площадей и предотвращения вредного влияния их на природную среду проводится рекультивация земель. Конечной целью биологиче- ской рекультивации является создание на поверхности отвалов продуктивных биогеоце- нозов преимущественно сельскохозяйственного и лесохозяйственного назначения или озеленение с целью санитарно-гигиенического оздоровления и создания зон отдыха.
  • 128.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 128С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Объектом данного исследования являлся вид Raphanus sativus (Редька посевная), выяс- нение особенностей развития данного растения на техногенном субстрате и перспективы его использования в технологиях рекультивации. Материалы и методы Исследования проводились с 29 июля по 19 сентября 2016 года на Научно-экспе- риментальной базе ИГД УрО РАН, д. Фомино, Сысертский р-н. Семена опытных растений 29 июля были высеяны на экспериментальные грядки с тремя разными субстратами, обозначенными “Почва”, “Почва:Зола(1:1)”, “Зола” в трех повторностях. Субстратом для выращивания исследуемых растений была взята зола от- валов Верхнетагильской ГРЭС, расположенной в Свердловской области (восточный склон Среднего Урала, таежная зона, подзона южной тайги; 57°20'N и 59°56'Е). В каждую грядку было высеяно по 50 семян. Растения поливали 1 раз в неделю. Эксперимент закончился 19 сентября, когда все растения были собраны, и по 20 образцов с каждой грядки были взяты на анализ морфометрических показателей и содержания тя- желых металлов. Также было определено содержание подвижных форм тяжелых метал- лов в кислотной вытяжке почвы (5-процентный раствор HNO3) и общее содержание тя- желых металлов в субстрате. Содержание тяжелых металлов определяли атомно-абсорб- ционным методом при помощи Spectr AA-240 FS (Varian Optical Spectr. Instrum, Australia). Минерализацию проб производили в концентрированной HNO3 при помощи лабораторной микроволновой системы MARS 5 (CEM, USA). Для оценки и прогноза потенциала самовосстановления техноземов и техногенно- нарушенных почв с помощью газоанализатора ECOPROBE 5 (RS DYNAMICS, Switzerland) были измерены показатели содержания углекислого газа, метана и кисло- рода в субстрате. Эти данные являются показателем биологической активности и воз- можностей самовосстановления нарушенных экосистем [7]. Кислотность субстрата определялась согласно ГОСТу 26423-85 при помощи pH-метра HI 99121N (Hanna, Germany) (табл. 1). Таблица 1 Показатели содержания углекислого газа, метана и кислорода в исследуемом субстрате № площадки СО2, ppm О2, % CH4, ppm Почва - 1 1043 17,87 173,4 Почва - 2 1258 17,84 171,8 Почва - 3 1093 17,83 190,0 Почва : Зола(1:1) - 1 1270 17,87 170,1 Почва : Зола(1:1) - 2 1126 17,89 158,0 Почва : Зола(1:1) - 3 1107 17,86 147,3 Зола - 1 648 17,89 101,4 Зола - 2 639 17,91 95,3 Зола - 3 682 17,91 108,6
  • 129.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 129С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Результаты и обсуждения Зола каменных и бурых углей, складируемая в золоотвалы, является специфиче- ским субстратом, обладающим рядом особенностей. По механическому составу зола представлена фракциями песка и пыли с большой примесью измельченного шлака. Для золы характерна низкая влагоемкость, слабая теплопроводность, щелочная реакция среды, следовые количества или полное отсутствие азота, недостаточное содержание ка- лия и в некоторых случаях недостаточное содержание фосфора в доступной для растений форме [3]. В ходе анализа содержания тяжелых металлов в золе, почве и в смеси почвы и золы было установлено, что содержание тяжелых металлов во всех субстратах не пре- вышает ориентировочно допустимых концентраций (ОДК) [4]. Однако необходимо от- метить, что содержание Cu, Zn, Ni, Cr в золе значительно меньше, чем в почвенном суб- страте (табл. 2). Высокую подвижность металлов в почвенном и почвенно-зольном суб- страте можно объяснить низкими значениями pH, в то время как в золе наблюдается ще- лочная реакция среды. Таблица 2 Содержание тяжелых металлов в используемых субстратах со стандартными ошибками среднего Показатели Субстрат Почва Почва : зола (1:1) Зола рН 5,490ab ± 0,017 6,233ab ± 0,197 8,533ab ± 0,116 Водорас- творимые формы, мкг/г Cu 12,177a ± 0,610 12,050b ± 1,701 7,610ab ± 0,666 Zn 40,550a ± 9,553 25,183b ± 5,016 9,917ab ± 1,351 Ni 33,317ab ± 0,248 21,600ab ± 2,262 0,723ab ± 0,025 Cr 8,513ab ± 0,387 5,050ab ± 0,893 0,000ab ± 0,000 Валовое, мкг/г Cu 40,800a ± 7,749 33,933b ± 4,499 21,600ab ± 1,442 Zn 81,957ab ± 4,475 51,633a ± 15,535 23,773b ± 9,620 Ni 58,200a ± 7,708 39,133b ± 11,993 4,400ab ± 3,651 Cr 46,233a ± 7,737 36,100b ± 3,736 0,000ab ± 0,000 Примечание: a,b – значения, имеющие статистически значимые различия при p≤0,05 Содержание тяжелых металлов в растениях Raphanus sativus ни на одном опытном участке не превышало предельно допустимых концентраций (ПДК) [5], что говорит о том, что данный вид не накапливает Cu и Zn в больших количествах и, следовательно, его можно использовать для рекультивации отвалов (рис. 1, 2).
  • 130.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 130С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 * * * Надземная часть "ПОЧВА" Подземная часть "ПОЧВА+ЗОЛА" "ЗОЛА" 7 6 5 4 3 2 1 0 * * * ab a b Надземная часть "ПОЧВА" Подземная часть "ПОЧВА+ЗОЛА" "ЗОЛА" Рис. 1 – Содержание меди в Raphanus sativus, выращенных на различных субстратах со стандартной ошибкой среднего Примечание. * – значения, имеющие статистически значимые различия при p≤0,05 Рис. 2 – Содержание цинка в Raphanus sativus, выращенных на различных субстратах со стандартной ошибкой среднего Примечание. *, a,b – значения, имеющие статистически значимые различия при p≤0,05 В результате анализа морфометрических показателей было установлено, что у растений, произрастающих на золе, практически все они снижены в 2 – 3 раза по отно- шению к двум другим группам данного вида (табл. 3). Cu,мкг/г Zn,мкг/г
  • 131.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 131С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Таблица 3 Морфометрические показатели Raphanus Sativus, выращенных на различных субстратах со стандартными ошибками среднего Показатели Субстрат Почва Почва : зола (1:1) Зола Масса подземной части, г Сырая 25,184a ± 24,800 21,507b ± 12,833 7,257ab ± 5,905 5 , 9 0 5 Сухая 1,250a ± 0,978 1,461b ± 0,768 0,451ab ± 0,298 0 , 2 9 8 Масса надземной части, г Сырая 27,081a ± 15,776 21,845b ± 8,786 7,805ab ± 3,361 3 , 3 6 1 Сухая 2,018a ± 1,288 1,659b ± 0,645 0,572ab ± 0,276 0 , 2 7 6 Общая сухая масса, г 3,269a ± 1,960 3,062b ± 1,195 1,023ab ± 0,503 0 , 5 0 3 Длина подземной части, см 14,6a ± 3,8 18,0ab ± 3,2 13,3b ± 2,7 2 , 7Длина надземной части, см 33,1a ± 6,6 30,7b ± 6,3 20,5ab ± 4,0 4 , 0Примечание: a,b – значения, имеющие статистически значимые различия при p≤0,05 Однако жизнеспособность этого вида и на данном субстрате является высокой [6]. В то же время значимой разницы между морфометрическими показателями растений в почве и смеси почва/зола нет, что говорит о возможности внесения почвенного субстрата для лучшей рекультивации нарушенных земель. Выводы Raphanus sativus характеризуется высокими морфометрическими показателями на всех представленных субстратах, а концентрация исследованных тяжелых металлов не превышает ПДК, что позволяет использовать данный вид при разработке мероприятий по рекультивации нарушенных земель. В качестве потенциального субстрата лучше ис- пользовать смесь «почва + зола». Полученные результаты определили ход дальнейших исследований, заключающихся в поиске оптимальных соотношений субстратов с целью уменьшения экономических затрат на внесение потенциально плодородных слоев земли. Литература 1. Экология и рекультивация техногенных ландшафтов / И.М. Гаджиев и др.; под ред. В.М. Курачева. – Новосибирск: Наука, Сиб. отд-е, 1992. – 215 с. 2. Горлов В.Д. Биолого-экологические критерии рекультивации земель и их эф- фективность / В.Д. Горлов, И.Н. Лозановская // Почвоведение. - 1984. - № 10. 3. Микоризообразование травянистых видов в условиях техногенных эдафотопов / Н.В. Лукина и др. // Вестник Башкирск. ун-та. - 2014. - № 3. - С. 871 - 874. 4. Государственный доклад "О состоянии и об охране окружающей среды Сверд- ловской области в 2015 году", Екатеринбург, 2016. [Электронный ресурс] – Режим до- ступа: http://docs.cntd.ru/document/429067556 5. Приложение. СанПиН 2.3.2.2401-08 "Дополнения и изменения N 10 к сани- тарно-эпидемиологическим правилам и нормативам СанПиН 2.3.2.1078-01 "Гигиениче- ские требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов", 2008 [Элек- тронный ресурс] – Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/902112577 6. Елисеева О.В. Влияние меди и цинка на рост редьки посевной (Raphanus sativus L.) и их аккумуляция в растениях / О.В. Елисеева, А.Ф. Елисеев // Евразийский Союз Ученых. - 2015. - Т. №11-1 (20). - С. 24 - 26.
  • 132.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 132С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е 7. Антонинова Н.Ю. Об особенностях комплексного экологического анализа рай- онов, испытывающих локальную техногенную нагрузку предприятий горнометаллурги- ческого комплекса / Н.Ю. Антонинова, Л.А. Шубина // Экология и промышленность Рос- сии. – 2017. - № 1. – С. 52 - 56.
  • 133.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 133С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е УДК 622.68:621.86.032 DOI: 10.18454/2313-1586.2017.02.133 Чендырев Михаил Андреевич лаборант, Институт горного дела УрО РАН, 620075, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: Chendyrev@igduran.ru Журавлев Артем Геннадиевич кандидат технических наук, заведующий лабораторией, Институт горного дела УрО РАН e-mail: juravlev@igduran.ru ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ АВТОМОБИЛЬНОЙ КАРЬЕРНОЙ НАКЛОННОЙ ПОДЪЕМНОЙ УСТАНОВКИ Chendyrev Mikhail A. assistant, The Institute of mining UB RAS, 620075, Yekaterinburg, 58 Mamin-Sibiryak st.. e-mail: Chendyrev@igduran.ru Zhuravlev Artem G. candidate of technical sciences, chief of the laboratory, The Institute of mining UB RAS e-mail: juravlev@igduran.ru THE FEATURES OF QUARRY SLOPING TRUCK HOISTING INSTALLATION CONSTRUCTION Аннотация: В данной статье представлены результаты ис- следований карьерных наклонных подъемных установок. Выявлены зависимости конструк- тивных параметров установки от основных входных параметров – длины и угла подъема, грузоподъемности самосвала. Освещены неко- торые аспекты строительства подъемной установки, разобраны варианты конфигурации нижнего загрузочного пункта, уравновешивания платформ для размещения автосамосвалов. Ключевые слова: карьерная автомобильная наклонная подъемная установка, специальные виды транспорта, доработка карьеров, канат- ный подъем, карьерный транспорт, многока- натный подъем, подъемные машины Abstract: This article presents the results of quarry sloping hoisting installations researches. The dependences of installation structural parameters on the main in- put parameters - the length and angle of ascent, dump trucks lifting capacity are revealed. Certain aspects of the hoisting installation construction are dealt with; options for the lower boot station loca- tion, as well as balancing platforms to accommodate trucks are investigated. Key words: open pit sloping truck hoisting installa- tion, special modes of transport, open pit’s comple- tion, rope hoist, open pit transport, multiroping hoist, hoist engines Мировой опыт применения скиповых наклонных установок на карьерах берет начало примерно с 1904 г. Технология преимущественно применялась на карьерах с ру- дами металлов. При существовавшей в то время невысокой грузоподъемности колесного транспорта (начиная с гужевых повозок и заканчивая первыми автосамосвалами до мо- мента создания специализированных карьерных автосамосвалов) вплоть до середины XX века прямой подъем по борту карьера обеспечивал хорошие технико-экономические показатели для карьеров со сжатыми в плане размерами. В связи со значительным совер- шенствованием карьерных автосамосвалов наклонные карьерные подъемники уже усту- пают по производительности автотранспорту и их применение ограничено. На сегодняшний день многие карьеры достигли большой глубины (300 –500 м), и актуален вопрос поиска способов отработки их глубинной части без разноса бортов при одновременном сокращении затрат на подъем горной массы. В связи с этим имеет смысл проанализировать возможность и целесообразность применения наклонных подъемни- ков для глубоких карьеров, позволяющих сократить коэффициент вскрыши, уменьшить выбросы вредных веществ с отработавшими газами автосамосвалов, сократить их парк. Исторически одно из первых применений наклонного подъема – Гданцевка, Кри- вой Рог, конец XIX века. Разработка месторождения осуществлялась комбинированным  Исследования выполнены в рамках Государственного задания 07-01398-17-00, тема № 0405-2015-0010
  • 134.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 134С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е способом, при этом трасса наклонного подъема частично проходила по выработке в борту карьера и имела специальные мосты для прохода над ней (рис. 1). Рис. 1 – Саксаганский рудник (г. Кривой Рог, ориентировочно 1899 г.) [1] В России единственным проектом применения наклонного скипового подъем- ника, расположенного в открытом исполнении на борту карьера, был Сибайский карьер (рис. 2). Подъемник имел грузоподъемность 40 т, располагался на нерабочем борту ка- рьера и имел максимальную вертикальную высоту подъема 372 м. Место установки подъемника выбрано с учетом возможного размещения поверхностных сооружений подъемника, наиболее устойчивых пород в борту карьера, достижения бортом границы карьера и минимального расстояния до отвалов. До ввода в эксплуатацию скипового подъемника, поднимающего руду и породу, на карьере применялся автомобильно-же- лезнодорожный транспорт [2, 3]. Подъемник использовался на карьере с 1972 г. на про- тяжении 25 лет [4], а в целом доработка Сибайского карьера открытым способом завер- шилась в 2008 г. Применение скиповых подъемников ограничивает ряд недостатков, среди кото- рых – необходимость перегрузок и доизмельчения породы и, следовательно, размещения внутри карьера дополнительного оборудования, что усложняет технологическую це- почку, снижает надежность системы, требует дополнительного пространства для разме- щения крупного оборудования. Для устранения этих недостатков рядом специалистов предлагается автомобиль- ная наклонная карьерная подъемная установка (АНКП) [5, 6, 7], в которой вместо скипа используется платформа для поднятия груженого самосвала. Такая схема позволит – исключить перегрузку горной массы (на поверхность поднимается загруженный самосвал, и может продолжить движение до места назначения); – экономить дизельное топливо и ресурс самосвалов; – снизить загазованность в карьере; – сократить парк самосвалов в сравнении с вариантом доставки горной массы ав- тосамосвалами на поверхность без подъемника.
  • 135.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 135С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Рис. 2 – Трасса и разгрузочный пункт наклонного карьерного скипового подъемника на Сибайском карьере (фотоматериалы из архива ИГД УрО РАН) Конструкция автомобильного наклонного подъемника рассматривалась отече- ственными специалистами лишь для нескольких карьеров, в частности в работе [5] рас- смотрен вариант автомобильного наклонного подъемника для карьера «Юбилейный». С целью определения технико-технологических параметров такого вида транс- порта были выполнены расчеты, включающие – расчет основных конструктивных параметров (типы и количество канатов, подъемных машин, мощность и параметры приводов, приблизительные массогабарит- ные показатели); – расчет технологических параметров (скорости подъемника, производитель- ность, расход электроэнергии и др.). График годовой производительности подъемной установки при использовании самосвала грузоподъемностью 136 т представлен на рис. 3. Видно, что с ростом высоты подъема производительность снижается (примерно 4 – 5 % на каждые 50 м подъема), а вот влияние угла наклона подъемника не столь существенно. Расчеты также показали, что повышение грузоподъемности подъемника увеличивает его производительность прямо пропорционально: с 4,6 млн.т/год для 45-тонного автосамосвала до 18 млн.т/год для 220-тонного при высоте установки 300 м. При расчетах оценивалась также металлоемкость АНКП (рис. 4) основных узлов (клети, подъемные машины, подъемные канаты и противовес, отклоняющие шкивы, рельсовые пути, вспомогательные конструкции подъемного механизма). Так, с увеличе- нием высоты подъемника с 100 до 500 м его масса возрастает на 26 – 30 %, повышение же грузоподъемности на каждые 50 т влечет увеличение массы на 180 – 220 т. Видимые переломы на графике металлоемкости связаны со ступенчатым изменением компоновки (увеличением количества тяговых электродвигателей, количества и типоразмера канатов и др.). При существенном увеличении подъемной силы свыше 4 500 кН (соответствует подъему автосамосвала грузоподъемностью 240 т) начинает проявляться ряд конструк- тивных ограничений для дальнейшего ее наращивания:
  • 136.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 136С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е – увеличение количества тяговых канатов ведет к возрастанию их массы и массы их уравновешивающих частей, а также размеров барабанов подъемной машины, что еще увеличивает массогабаритные показатели; – возникают сложности с электроприводом (количество тяговых электродвигате- лей больше 4); – увеличение массогабаритных параметров нижнего загрузочного пункта. Теоретически при сохранении принятых в расчетах компоновочных решений всей установки и подъемных машин масса металлоконструкций подъемника для автосамо- свала грузоподъемностью 450 т (БелАЗ-75710) составит 3 900 – 4 450 т в зависимости от глубины. Однако возможность реализации на практике такой конструкции требует от- дельной проработки. Рис. 3 – График зависимости годовой производительности АНКП при использовании самосвала грузоподъемностью 136 т Рис. 4 – График зависимости металлоемкости АНКП от его параметров (угол наклона трассы принят равным 45 градусам) 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 100 160 220 280 340 400 460 520 580 Угол наклона пути Годоваяпроизводительность,млн.т/год Высота подъема, м 100 175 250 325 400 475 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 Глубина установки, м Металлоемкостьустановки,т Грузоподъемность австосамосвала, т
  • 137.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 137С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Ниже приведены некоторые конструктивные требования к карьерным наклонным подъемникам, сформулированные с учетом опыта, изложенного в научно-технической литературе. Т р а с с а н а к л о н н о г о п о д ъ е м а Подъемная установка состоит из здания подъемных машин, укрепленной выра- ботки в борту карьера, подъемных сосудов/платформ, нижнего загрузочного пункта (НЗП) и верхнего разгрузочного пункта (ВРП) (рис. 5). Рис. 5 – Общий вид автомобильной карьерной наклонной подъемной установки (высота трассы условно уменьшена) Платформы или скипы соединены подъемными канатами через систему подъем- ных машин и отклоняющих шкивов и движутся поочередно челночно вверх-вниз (один поднимается – второй опускается). Выбор расположения трассы подъемника осуществляется исходя из нескольких условий. В связи с тем, что трасса подъемника стационарна, ее следует размещать на нерабочем борту карьера. Трасса должна иметь относительно прямолинейную траекто- рию [8] для минимального изменения угла наклона грузовой платформы к горизонту в процессе движения вверх и вниз, а также изменения распределения нагрузки на опорные механизмы. Трасса подъемника прокладывается непосредственно по борту карьера, и может наращиваться с глубиной для увеличения высоты подъема. При выборе трассы всегда учитывается следующая закономерность: с увеличением угла наклона трассы давление от сосуда на трассу уменьшается, но увеличивается нагрузка на тяговые канаты. В случае
  • 138.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 138С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е мягких либо сыпучих пород поверхность трассы может бетонироваться. В качестве направляющих для движения сосудов прокладываются железнодорожные пути соответ- ствующей нагрузочной способности [9]. Важный вопрос – провисание подъемных кана- тов. В зависимости от их параметров применяются соответствующие поддерживающие устройства, а при необходимости также устраивается соответствующей глубины канал для исключения соприкосновения канатов с поверхностью траншеи. Также в траншее располагается водоотливная канавка и лестницы для пешего подъема. П о д ъ е м н ы е с о с уд ы В качестве подъемного сосуда может применяться скип [10, 11] либо платформа для размещения автосамосвала [5, 12]. Серийно выпускаемые скипы для шахтного подъема имеют вытянутую форму, так как при этом используется меньшее поперечное сечение ствола. Поэтому их приме- нение не обеспечит должной производительности для карьера в связи с ограниченной грузоподъемностью (до 75 т). Кроме того, ввиду ограниченного объема приемного бун- кера скиповой установки существуют определенные ограничения и по соотношению грузоподъемности (вместимости) кузова автосамосвала и скипа для обеспечения рит- мичной работы каждого из звеньев, работающих в единой транспортной системе. Тем не менее конструкция шахтных скипов имеет и определенные преимущества для примене- ния в карьерном подъемнике: за счет вытянутой формы подъемных сосудов траншея для трассы подъема будет иметь минимальную ширину, хотя увеличится высота переподъ- ема. Одним из ограничений для применения скиповых подъемников в карьерах явля- ется необходимость дробления перед загрузкой в стандартные скипы. Решить эту про- блему можно, изменив геометрию скипов, которые будут способны принимать крупно- кусковую горную массу, как и кузов автосамосвала. За счет исключения дробилки будет достигнуто сокращение размеров нижнего загрузочного пункта. В случае АНКП в качестве подъемного устройства используется платформа для размещения самосвала. При этом высота загрузочного и разгрузочного пунктов будет минимальной, но нагрузки на подвижные и опорные механизмы увеличиваются почти вдвое. З а г р уз о ч н ы й и р а з г р уз о ч н ы й п ун к т ы п о д ъ е м н и к а Конструкция верхнего разгрузочного пункта может иметь следующие варианты в зависимости от организации въезда – выезда автосамосвалов: - при размещении автосамосвала на платформе подъемника перпендикулярно к борту карьера необходимо организовать безопасный проезд через здание подъемных ма- шин; - при размещении автосамосвала на платформе параллельно борту карьера необ- ходимо создать безопасные условия для движения задним ходом при въезде/выезде с платформы либо для проезда самосвала над траншеей; - при размещении автосамосвала на платформе параллельно бровке уступа и на разных горизонтах разгрузки необходимо организовать безопасный проезд автосамосва- лов над тяговыми канатами платформы, располагающейся на нижележащей ветви. Наиболее компактной будет компоновка здания подъемных машин в случае его расположения непосредственно у бровки верхнего уступа, но при этом из-за изменения угла обхвата отклоняющих шкивов необходим больший их диаметр, что несколько уве- личит металлоемкость конструкции. В случае же отнесения подъемных машин дальше от края карьера будет увеличена общая площадь поверхности, занимаемая сооружени- ями. Рельсовый путь должен возвышаться над площадкой выгрузки самосвала с плат- формы с целью обеспечения высоты переподъема на случай нештатных ситуаций при работе приводов подъема (снижение эффективности торможения, отказ автоматики и т.п.).
  • 139.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 139С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Наиболее сложен вопрос конструирования нижнего загрузочного пункта. Это свя- зано с необходимостью учитывать несколько взаимопротиворечивых обстоятельств: – схема движения автосамосвалов должна быть простой с минимумом маневров, обеспечивать быстрый обмен самосвалов; – ширина площадки НЗП должна быть минимальной как по ширине, так и по вы- соте (при разноуровневой схеме); – конструкция и схема движения на верхнем разгрузочном пункте должны быть максимально простыми. Варианты схем НЗП представлены в табл. 1. При использовании скипового подъема основные вопросы, возникающие при по- строении, схожи с АНКП. Отличия состоят в необходимости погрузки/выгрузки горной массы из первичного транспортного звена в скип и затем из скипа в третье транспортное звено [13, 14]. К а н а т о в е д ущ е е о б о р уд о в а н и е т я г о в о й в е т в и Канатоведущее оборудование тяговых канатов состоит из приводных и отклоня- ющих шкивов. Приводные шкивы имеют 4 – 8 канатов в зависимости от нагрузок. Шкивы при- водятся в движение через редуктор от двух двигателей [15], что позволяет использовать двигатели меньшей мощности. В научно-технической литературе рассматриваются и специфические варианты: привод платформы от ведущих колес автосамосвалов [16] либо использование системы полиспаст для сокращения нагрузок [10]. У р а в н о в е ш и в а н и е п л а т ф о р м При использовании подъемных машин со шкивами трения необходимо не допу- стить проскальзывания канатов и обеспечить относительную равномерность нагрузки на поднимаемую и опускаемую ветви по мере изменения их длин и относительно равномер- ную загрузку приводов подъемных машин. Наибольшая разница натяжения канатов имеет место в начале цикла подъема, ко- гда в нижней части находится груженый самосвал/скип и вся длина тягового каната. При трогании и разгоне всей системы возникают пиковые нагрузки на приводы. Для решения данной проблемы возможно применение уравновешивающих хво- стовых канатов по следующим схемам: 1. Полное уравновешивание канатов. При этом разница в натяжении канатов бу- дет оставаться постоянной на всем протяжении подъема – спуска и будет равной разнице масс, перемещаемых грузовыми платформами/скипами. 2. Применение утяжеленных хвостовых канатов. При этом облегчается начало ра- боты подъемной установки, так как уравновешивается часть груза, но к концу подъема нагрузка на канаты возрастает. 3. Неполное уравновешивание канатов. Помогает сократить разницу в натяжении ветвей, при этом, в сравнении с первыми способами, общее натяжение тяговых канатов меньше. Наиболее приемлемая схема. Известны и специфические схемы, например, использование платформ со специ- альным баком, наполняемым водой для уравновешивания горной массы в самосвале на груженой платформе [17]. Из-за отсутствия на хвостовых канатах нагрузки они имеют значительное прови- сание, что может привести к аварийной ситуации. Для их натяжения можно применить натяжное устройство, состоящее из двух отклоняющих шкивов, установленных таким образом, чтобы их оси вращения были перпендикулярны плоскости трассы. Но в этом случае за счет усилия натяжения нагрузка на тяговых канатах возрастает почти в дву- кратном размере. Решить проблему можно, уменьшив вес натяжителя, и при этом исклю- чить контакт контактов с поверхностью трассы (траншеи) за счет установки поддержи- вающих роликов, расположенных вдоль трассы подъема в центральной ее части.
  • 140.
    Таблица 1 Схема движенияна нижнем загрузочном пункте (НЗП) наклонного автомобильного подъемника 1 – трасса наклонного автомобильного подъемника, 2 – подъемные платформы АНКП для автосамосвалов, 3 – пути движения автосамосвалов Схема Описание Преимущества Недостатки Самосвал располагается на плат- форме параллельно бровке уступа. Выезд осуществляется на отдельном горизонте для каждой ветви. Отсутствие использования зад- него хода при постановке и съезде автосамосвала с плат- формы подъемной установки. Громоздкость схемы. Необходимость расширения дорог для без- опасной разминовки самосвалов. Большая ширина траншеи. Самосвал располагается на плат- форме параллельно бровке уступа. Выезд осуществляется на одном горизонте для обеих вет- вей. Компактность. Расположение НЗП на одном горизонте. Необходимость маневрирования задним ходом при съезде с платформы или заезде на нее. Большая ширина траншеи. Самосвал располагается на плат- форме перпендикулярно бровке уступа. Выезд осуществляется на одном горизонте. Прямой проезд самосвала через платформу (въезд на НЗП пе- редним ходом и выезд на ВРП передним ходом и наоборот). Простота въезда и выезда само- свалов. Меньшая ширина траншеи. Необходимость проезда автосамосвала че- рез (под) здание подъемных машин на верхнем разгрузочном пункте при выезде самосвала с платформы. Уширение площадки (бермы) на уровне НЗП подъемника за счет двухполосной до- роги. Самосвал располагается на плат- форме перпендикулярно бровке уступа. Выезд осуществляется на одном горизонте, на однополосную дорогу. Прямой проезд самосвала через платформу. Компактность схемы. Меньшая ширина траншеи. Необходимость проезда автосамосвала че- рез (под) здание подъемных машин на верхнем разгрузочном пункте при выезде самосвала с платформы. 1 2 3
  • 141.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 141С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Выводы 1. Применение в качестве карьерного транспорта наклонных подъемников имеет целый ряд потенциальных преимуществ: – сокращение парка автосамосвалов за счет уменьшенного времени подъема; – уменьшение расхода дизельного топлива и выбросов отработавших газов; – возможность увеличения глубины карьера в случае отказа от размещения авто- мобильных дорог на бортах карьера в зоне вскрытия наклонным подъемником. 2. Недостатки такого вида транспорта: – ограничение годовой производительности подъемника; – необходимость длительного строительства и заблаговременного формирования траншеи; – большая массивность установки включая бетонные и строительные конструк- ции; – значительные капитальные затраты; – сложность формирования вместительного перегрузочного пункта, а потому зна- чительная «привязанность» сборочного автомобильного транспорта и подъемника к вза- имной ритмичности работы. 3. Имеет смысл рассмотреть технико-экономическую целесообразность примене- ния наклонных подъемников для карьеров с ограниченными в плане размерами и значи- тельной глубиной, где их преимущество будет и в сокращении разноса бортов за счет заужения или исключения автодорог на бортах карьера. Литература 1. Бейгбедер Д. Альбом. Кривой Рог - Гданцевка. 1899. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://sudilovski.livejournal.com/67427.html / 2. Васильев М.В. Устройство, опыт эксплуатации и перспективы карьерного скипового подъема / М.В. Васильев // Тр. ИГД МЧМ СССР. – 1975. – Вып. 46. – С. 14 - 25. 3. Васильев М.В. Транспорт глубоких карьеров / М.В. Васильев. – М.: Недра, 1983. – 296 с. 4. Хохряков В.С. Новожилов Михаил Галактанович (1911-1997). К столетию со дня рождения / В.С. Хохряков // Известия Уральского государственного горного универ- ситета. – 2012. - № 27 - 28. 5. Эффективность автомобильно-клетьевых подъёмников АНК-120 на глубоких карьерах / А.Г. Сисин, В.И. Белобров, М.А. Файнблит, А.Н. Акишев // Горный журнал. – 1995. - № 6. 6. Trucklift technical information. [Буклет] system. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.siemagtecberg.com/cms/upload/downloads/en//TI_27_Truck- lift_e.pdf / 7. [Видеофайл] GHD - "Innovation - TULIP Truck lift" [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=kZFAuKhNtPo / 8. Жуков Л.И. Карьерные наклонные скиповые подъёмники с выпуклым про- филем пути / Л.И. Жуков // Материалы к Всесоюзной науч.-техн. конф. по карьерному транспорту II / М-во черной металлургии СССР; Ин-т горного дела. - Свердловск, 1966. – С. 144 – 145. 9. Волков Г.М. Рельсовые пути карьерных наклонных скиповых подъёмников / Г.М. Волков // Материалы к Всесоюзной науч.-техн. конф. по карьерному транспорту II / М-во черной металлургии СССР; Ин-т горного дела. – Свердловск, 1966. – С. 149 - 151. 10. Многоканатные скиповые наклонные карьерные подъёмные установки гру- зоподъёмностью 30…180 т / Г.И. Попов, А.Н. Хавро, В.И. Белобров, В.А. Дзержинский,
  • 142.
    ПРОБЛЕМЫ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ №2,2017 г. 142С е т е в о е п е р и о д и ч е с к о е н а у ч н о е и з д а н и е Е.К. Кузьменчук // Проблемы карьерного транспорта. – Екатеринбург: УрО РАН, 2005. – С. 154 – 158. 11. Носырев Б.А. Основные технологические параметры карьерных наклонных скиповых установок / Б.А. Носырев // Материалы к Всесоюзной науч.-техн. конф. по ка- рьерному транспорту II / М-во черной металлургии СССР; Ин-т горного дела. – Сверд- ловск, 1966. – С. 145 - 149. 12. Использование наклонных подъёмников для транспортирования крупнокус- ковой горной массы на глубоких карьерах Заполярья / Ю.В. Демидов, Н.К. Трубецкой, С.С. Наумов, О.С. Головатая // Изв. вузов. Горный журнал. – 1998. - № 7. 13. Долинин К.А. Опыт проектирования и строительства на Сибайском карьере первого в СССР наклонного скипового подъёмника / К.А. Долинин // Материалы к III Всесоюзной науч.-техн. конф. по карьерному транспорту. – Свердловск, 1973. – С. 337 - 341. 14. Кубарев С.М. Перегрузочные пункты карьерных наклонных скиповых подъ- ёмников / С.М. Кубарев // Материалы к Всесоюзной науч.-техн. конф. по карьерному транспорту II. – Свердловск, 1966. – С. 149 - 151. 15. Тетяев Е.Ф. Реконструкция электроприводов подъёмных шахтных установок / Е.Ф. Тетяев, С.М. Третьяков, В.В. Романов // Проблемы карьерного транспорта. - Ека- теринбург: УрО РАН, 2011. - С 197 – 201. 16. Кулешов А.А. Автомобильный карьерный подъёмник с автономным приво- дом / А.А. Кулешов, Ю.Д. Тарасов // Изв. вузов. Горный журнал. – 2001. – № 1. 17. Механико-гидравлический фрикционный подъёмник для карьеров / В.И. Бе- лобров и др. // Изв. вузов. Горный журнал. – 1988. - № 4. 18. Тарасов П.И. Рациональные параметры углубочной зоны при доработке ким- берлитовых месторождений / П.И. Тарасов, А.Г. Журавлёв // Проблемы карьерного транспорта. – Екатеринбург: УрО РАН, 2011. – С. 218 – 226.