ISSN 0536-1028 (Print) ISSN 2686-9853 (Online) IZVESTIYA VYSSHIKH UCHEBNYKH ZAVEDENII GORNYI ZHURNAL èçâåñòèÿ âûñøèõ ó÷åáíûõ çàâåäåíèé
ÃîðíüIé æóðíàë Журнал распространяется по подписке Агентством «Роспечать», подписной индекс 70367. Журнал включен в Российский индекс научного цитирования (РИНЦ), индексируется агрегатором научных ресурсов EBSCO Publishing, а также Международной базой изданий по наукам о Земле Georef.
Сведения о журнале публикуются в Международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory». Включен в реферативный журнал и базы данных ВИНИТИ РАН. Электронные выпуски журнала размещены на порталах Научной электронной библиотеки eLIBRARY.ru (http://elibrary.ru), компании «ИВИС» (http://ivis.ru) и поисковой системы Google Shcolar (scholar.google.com). Журнал доступен в электронно-библиотечной системе издательства «Лань» (http://e.lanbook.com) и электронно-библиотечной системе IPRbooks (http://www.iprbookshop.ru).
Журнал включен в «пеРечеНь РеЦеНЗИРуеМых НАучНых ИЗдАНИй, В коТоРых доЛЖНы быТь опубЛИкоВАНы оСНоВНые НАучНые РеЗуЛьТАТы дИССеРТАЦИй НА СоИСкАНИе учеНой СТепеНИ кАНдИдАТА НАук, НА СоИСкАНИе учеНой СТепеНИ докТоРА НАук» (в соответствии с распоряжением Минобрнауки России от 28 декабря 2018 г. № 90-р)
В журнале публикуются статьи по следующим группам специальностей научных работников:
05.05.04 – дорожные строительные и подъемно-транспортные машины (технические науки), 05.05.06 – Горные машины (технические науки), 08.00.05 – Экономика и управление народным хозяйством (по отраслям и сферам деятельности) (экономические науки), 25.00.13 – обогащение полезных ископаемых (технические науки), 25.00.15 – Технология бурения и освоения скважин (технические науки), 25.00.16 – Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр (технические науки), 25.00.17 – Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений (технические науки), 25.00.18 – Технология освоения морских месторождений полезных ископаемых (технические науки), 25.00.20 – Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика (технические науки), 25.00.21 – Теоретические основы проектирования горнотехнических систем (технические науки), 25.00.22 – Геотехнология (подземная, открытая и строительная) (технические науки), 25.00.35 – Геоинформатика (технические науки), 25.00.36 – Геоэкология (по отраслям) (технические науки)
Тел: (343) 257-65-59 E-mail: [email protected] ISSN 0536-1028 (Print) ISSN 2686-9853 (Online) ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИX УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ ГОРНЬIЙ ЖУРНАЛ
Научно-технический журнал. Издается с 1958 года Выходит 8 раз в год № 5, 2020
Учредитель и издатель УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Главный редактор Е. Ф. ЦЫПИН, Уральский государственный горный университет, г. Екатеринбург
Заместитель главного редактора Ю. И. ЛЕЛЬ, Уральский государственный горный университет, г. Екатеринбург
Редакционная коллегия Валиев Н. Г. Уральский государственный горный университет, г. Екатеринбург Гордеев В. А. Кубанский государственный технологический университет, г. Краснодар Душин А. В. Уральский государственный горный университет, г. Екатеринбург Зелинская Е. В. Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск Игнатьева М. Н. Уральский государственный горный университет, г. Екатеринбург Калмыков В. Н. Магнитогорский государственный технический университет, г. Магнитогорск Картозия Б. А. Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва Кашников Ю. А. Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь Козин В. З. Уральский государственный горный университет, г. Екатеринбург Косарев Н. П. Уральский государственный горный университет, г. Екатеринбург Косолапов А. И. Сибирский федеральный университет, г. Красноярск Лапин Э. С. Уральский государственный горный университет, г. Екатеринбург Литвиненко В. С. Санкт-Петербургский горный университет, г. Санкт-Петербург Мочалова Л. А. Уральский государственный горный университет, г. Екатеринбург Панкратенко А. Н. Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва Петров В. Л. Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва Пучков Л. А. Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва Рыльникова М. В. Институт проблем комплексного освоения недр РАН, г. Москва Сёмин А. Н. Уральский государственный горный университет, г. Екатеринбург Стровский В. Е. Уральский государственный горный университет, г. Екатеринбург Шевченко Л. А. Кузбасский государственный технический университет, г. Кемерово Яковлев В. Л. Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург
Иностранные члены редакционной коллегии Битимбаев М. Ж. Корпорация Казахмыс, г. Караганда, Республика Казахстан Дондов Д. Монгольский государственный университет науки и технологий, г. Улан-Батор, Монголия Дребенштедт К. Фрайбергская горная академия, г. Фрайберг, Германия Пивняк Г. Г. Национальный технический университет «Днепровская политехника», г. Днепр, Украина Топалов С. Й. Университет горного дела и геологии Св. Иоанна Рыльского, г. София, Болгария Трыбальский К. Научно-технический университет им. С. Сташица, г. Краков, Польша
© «Известия высших учебных заведений. Горный журнал», 2020 ISSN 0536-1028 (Print) ISSN 2686-9853 (Online) izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii gornyi zhurnal Scientific and technical journal. First published in 1958 8 issues a year No. 5, 2020
Founder and publisher URAL STATE MINING UNIVERSITY
Editor-in-chief Е. F. TSYPIN, Ural State Mining University, Ekaterinburg
Deputy editor-in-chief Iu. I. LEL, Ural State Mining University, Ekaterinburg
Editorial board Valiev N. G. Ural State Mining University, Ekaterinburg Gordeev V. A. Kuban State Technological University, Krasnodar Dushin A. V. Ural State Mining University, Ekaterinburg Zelinskaya E. V. National Research Irkutsk State Technical University, Irkutsk Ignatieva M. N. Ural State Mining University, Ekaterinburg Kalmykov V. N. Magnitogorsk State Technical University named after G. I. Nosov, Magnitogorsk Kartoziia B. A. National University of Science and Technology “MISIS”, Moscow Kashnikov Iu. A. Perm National Research Polytechnic University, Perm Kozin V. Z. Ural State Mining University, Ekaterinburg Kosarev N. P. Ural State Mining University, Ekaterinburg Kosolapov A. I. Siberian Federal University, Krasnoiarsk Lapin E. S. Ural State Mining University, Ekaterinburg Litvinenko V. S. St. Petersburg Mining University, St. Petersburg Mochalova L. A. Ural State Mining University, Ekaterinburg Pankratenko A. N. National University of Science and Technology “MISIS”, Moscow Petrov V. L. National University of Science and Technology “MISIS”, Moscow Puchkov L. A. National University of Science and Technology “MISIS”, Moscow Rylnikova M. V. Institute of Comprehensive Exploitation of Mineral Resources, RAS, Moscow Semin A. N. Ural State Mining University, Ekaterinburg Strovskii V. E. Ural State Mining University, Ekaterinburg Shevchenko L. A. Kuzbass State Technical University, Kemerovo Iakovlev V. L. Institute of Mining of the Ural Branch of RAS, Ekaterinburg
International members Bitimbaev M. Zh. Kazakhmys Corporation LLC, Karaganda, Republic of Kazakhstan Dondov D. Mongolian University of Science and Technology, Ulaanbaatar, Mongolia Drebenshtedt K. TU Bergakademie Freiberg, Freiberg, Germany Pivniak G. G. National TU Dnipro Polytechnic, Dnepropetrovsk, Ukraine Topalov S. I. University of Mining and Geology “St. Ivan Rilski”, Sofia, Bulgaria Trybalski K. Scientific and Technical University named after S. Staszic, Krakow, Poland СОДЕРЖАНИЕ
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ: ПОДЗЕМНАЯ, ОТКРЫТАЯ, СТРОИТЕЛЬНАЯ Ламамра А., Негурица Д. Л. Очистка участков разработки длинными забоями от диатомитовой пыли в шахте Сиг в Западном Алжире (In English)...... 5 Курячий А. Е., Калягин С. М. Применение современных технологических средств в области бурения наклонно-направленных скважин с протяженными горизонтальными стволами (In English)...... 13
ГЕОМЕХАНИКА. РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД Липин Я. И., Сентябов С. В., Криницын Р. В. Исследование вариаций поля упругих напряжений массива пород при отработке Песчанского месторождения...... 19 Коптяков Д. А., Харисов Т. Ф. Исследование зависимостей физико-механических свойств серпентинитов Джетыгаринского месторождения...... 29 Филатов В. В., Болотнова Л. А. О тектоническом плане Верхнекамского месторождения калийных солей по результатам физического моделирования и по геолого-геофизическим данным...... 38
ГОРНОПРОМЫШЛЕННАЯ И НЕФТЕГАЗОВАЯ ГЕОЛОГИЯ, ГЕОФИЗИКА Караблин М. М., Простов С. М. Прогноз устойчивости техногенного грунтового массива, прилегающего к ликвидированному гидроотвалу...... 47
ОБОГАЩЕНИЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ Бармин И. С., Морозов В. В., Поливанская В. В. Анализ и совершенствование технологии обогащения лежалых хвостов Ковдорского ГОКа...... 56
ЭКОНОМИКА И УПРАВЛЕНИЕ ГОРНЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ Логинов В. Г., Игнатьева М. Н., Юрак В. В., Дроздова И. В. Вахтовый метод привлечения работников к освоению нефтегазовых ресурсов арктических территорий...... 66
ГЕОЭКОЛОГИЯ, РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ Амосов П. В., Бакланов А. А., Макаров Д. В., Маслобоев В. А. Результаты оценки загрязнения атмосферы в зависимости от скорости ветрового потока и площади пыления методом численного моделирования (In English)...... 80 Ерохин Ю. В., Захаров А. В., Леонова Л. В. Шлаки производства хромистого чугуна Алапаевского завода (состав и геоэкология)...... 90
ГОРНАЯ МЕХАНИКА. ГОРНЫЕ МАШИНЫ И ТРАНСПОРТ Кочнева Л. В., Таугер В. М., Волков Е. Б. Исследование влияния физико-механических свойств материала рабочих лопаток на шум рудничного осевого вентилятора...... 100 Гутаревич В. О., Игнаткина Е. Л. Исследование режима торможения подвижного состава шахтной подвесной монорельсовой дороги с учетом зазоров в сцепках...... 108
ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ Кузьмин Р. С., Кузьмин И. С., Меньшиков В. А., Кузьмин С. В., Куликовский В. С. Метод оценки и прогнозирования перенапряжений при дуговых однофазных замыканиях на землю в сетях 6–10 кВ как средство повышения уровня электробезопасности на горных предприятиях...... 116 CONTENTS GEOTECHNOLOGY: UNDERGROUND, OPEN, CONSTRUCTIONAL Lamamra A., Neguritsa D. L. Elimination of diatomite dust in the longwall extraction section in the Sig mine western Algeria (In English)...... 5 Kuriachii A. E., Kaliagin S. M. Applying modern technologies when drilling directional wells with long horizontal boreholes (In English)...... 13
GEOMECHANICS. DESTRUCTION OF ROCKS Lipin Ia. I., Sentiabov S. V., Krinitsyn R. V. Investigating the variation of the fields of elastic stresses in the rock mass when developing the Peschanskoye deposit...... 19 Koptiakov D. A., Kharisov T. F. Investigation of dependences of physical and mechanical properties of serpentinites of the Dzhetygarinsky deposit...... 29 Filatov V. V., Bolotnova L. A. Upper Kama potassium salt deposit tectonic scheme based on physical modeling results and geological and geophysical data...... 38
MINING AND OIL-AND-GAS GEOLOGY, GEOPHYSICS Karablin M. M., Prostov S. M. Slope stability analysis of man-made soil body surrounding the abandoned hydraulic dump...... 47
MINERAL PROCESSING Barmin I. S., Morozov V. V., Polivanskaia V. V. Improving the technology of mature tailings processing at the Kovdorsky GOK...... 56
ECONOMICS AND MINING PRODUCTION CONTROL Loginov V. G., Ignatieva M. N., Iurak V. V., Drozdova I. V. Drive-in drive-out method of employing people for Arctic oil and gas resources exploration...... 66
GEOECOLOGY, RATIONAL NATURE MANAGEMENT Amosov P. V., Baklanov A. A., Makarov D. V., Masloboev V. A. Estimating air pollution levels by numerical simulation depending on wind flow speed and dust source area (In English)...... 80 Erokhin Iu. V., Zakharov A. V., Leonova L. V. Slags of chromium cast iron production from Alapaevsky plant (composition and geoecology) ...... 90
MINING MECHANICAL ENGINEERING. MINING MACHINERY AND TRANSPORT Kochneva L. V., Tauger V. M., Volkov E. B. Study of physical and mechanical properties of working blades material effect of the noise from the mine axial fan...... 100 Gutarevich V. O., Ignatkina E. L. Study of the braking regime of rolling stock mining suspended monorail taking into account clearances in the coupling...... 108
ELECTRIFICATION AND AUTOMATION OF MINING ENTERPRISES Kuzmin R. S., Kuzmin I. S., Menshikov V. A., Kuzmin S. V., Kulikovskii V. S. Method of assessment and prediction of overvoltage caused by single-phase arc ground short circuits in the 6–10 kV mains, as a way of increasing the electrical safety level in mining facilities...... 116 геотехнология: подземная, открытая, строительная
DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-5-12
Elimination of diatomite dust in the longwall extraction section of the Sig mine in western Algeria
Abdessattar Lamamra1*, Dmitriy L. Neguritsa2 1 Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University), Moscow, Russia 2 Sergo Ordzhonikidze Russian State Geological Prospecting University, Moscow, Russia *e-mail: [email protected]
Abstract Research relevance. Dust generated by mining machines due to continuous loading and transport equipment movement especially in mines with no optimal ventilation conditions is a major problem for decision-makers. Dust directly affects mine capacity and exposes workers' lives to a risk of chronic disease due to the inhalation of large quantities of this dust and toxic gases during a seven-hour or eight-hour shift. Dust control methods in longwall mines vary from one mine to another, depending on ore composition. Research aim. In this article we will examine the current flow process of eliminating dust in the longwall working section and propose another process to ensure optimal working conditions in the diatomite mine. Methodology. Analysis of the technical equipment which is currently used in mining and geological operations and evaluation of its application at the facility under study represents a relevant approach to production efficiency improvement. The present research considers the possibility of using the flooded- bed scrubber system which was mainly used in underground coal mines to monitor dust in the longwall section. It has been evaluated how efficient the scrubber absorbs the dust generated as a results of the mineralized layer extraction, the concentration of the coal dust in the working section making up from 0.7 to 8.8 mg/m3, while the dust produced during the extraction of the mineralized layer in the underground diatomite deposit is 0.38–1.21 mg/m3 in the working section. Research results. The research resulted in the positive attitude towards the possibility of applying the flooded-bed scrubber, which is used in coal mines, at the longwall extraction sections of the Sig mine. It will significantly reduce the concentration of dust in the longwall section. Conclusion. In order to set the appropriate working environment inside the mine, an effective method of removing dust must be developed, it is especially important to remove dust during work, which will contribute greatly to boosting productivity and reducing diseases among workers.
Key words: longwall; flooded-bed scrubber; shearer; diatomite; dust.
Acknowledgment. We are very grateful to the company ENOF, which provides us with all the necessary information on this research and all necessary analyses.
Introduction. Previous studies in the health field have confirmed that inhalation of dust in mining exploitation resulting from the extraction of minerals was the main culprit in most cases of disease called “pneumoconiosis”. Many decision makers have tried to solve the problem of dust, especially in the longwall section in front of shearer where the main dust source. Most mining industries in the world have used regulatory measures of dust especially in underground coal mines for example the AS285 standard for respirable dust particles [1], 6 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 and AS3640 for inhalable dust particles [2]. In the last years many dust removal techniques have been developed in the United States and UK mainly and other countries in the world, but their adoption was that in underground mines there is thicknesses not exceeding 3 m. Operators in underground mines using the longwall extraction method did not have much success in reducing the levels of dust in the working sections.
Intake dust
Face advancing direction Stage loader Goaf fulls Shield Shearer AFC
Fig. 1. Main sources of dust on the longwall section Рис. 1. Основные источники образования пыли на участках длинных забоев
In this article we will propose the fl ooded-bed scrubber dust collection system that has been used in coal mines and used in the diatomite mine of Sig in western Algeria to help eliminate dust in the working section where the concentration of dust is very high. By isolating the sand-laden dust generated from the diatomite extraction face and produce breathable air, and put practices and a new methodology for dust monitoring.
Table 1. Dust contributions from major longwall dust sources Таблица 1. Основные источники привноса пыли при разработке длинными забоями
Source Average percent Contribution median, mg/m3 Contribution range, mg/m3 Intake 9 0.33 0.07–1.1 Stage loader-crusher 15 0.78 0.29–1.3 Shield 23 1.8 0.67–2.3 Shearer 53 3.5 0.70–8.8
Sources of dust generation. The dust generated in front of the shearer during ore mining in face causes a complicated problem to workers especially in the longwall section. And dust generation may also occur during ore transportation with the AFC, where the ore direction is opposite of the air as shown in the fi g. 1. Moving any equipment inside the underground mine can also cause signifi cant amounts of dust. The collapse of the roof behind the supports and falling rocks can also become a source of dust. Longwall underground mining method is one of the most productive methods in the world. In 2015 in the United States 54 coal mines used this method to produce 182 million tonnes of coal, or 59% of total production in the United States [3]. However, this signifi cant production was negatively refl ected in dust generation, which required fi nding eff ective solutions to deal with these large quantities aff ecting the workers inside the mine. ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 7
According to extensive studies conducted on underground mines that use longwall technology, only the main sources of dust due to: – insuffi cient amount of air pumped into the mine; – insuffi cient water quantity and pressure; – water spray systems in the work section is poorly designed; – there is no dust control system in the AFC loading; – due to the movement of supports; – the longwall extraction shearer.
Fig. 2. Photograph of shearer clearer on the shearer Рис. 2. Фотография системы распыления на комбайне
Surveys of 13 mines using the longwall mining method indicate that the shearer is one of the main contributors to the production of respirable dust at the working section [4, 5]. As shown in table 1, the shearer represents more than 50% of the dust generated [4].
a b
Two off front Four off water Two off water water spray sprays through spray onto rear
Two off water sprays through the bottom plate of canopy
Fig. 3. Typical water spray layout pattern on longwall support in Australia: a – spray system over canopy; b – spray system under canopy Рис. 3. Типичная схема расположения распыления воды на участках длинных забоев в Австралии: а – система распыления над навесом; b – система распыления под навесом
Longwall dust control systems. Water spray layout on shearers. Underground mine workers realize that the continuous movement of the supports and the shearer is the main source of sand-laden dust to which they are constantly exposed. The dust cloud inside the mine spreads very terribly, if it is not controlled quickly and conveniently by placing a high-effi ciency 8 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 dust collector, so the working conditions will be very diffi cult because the speed of the shears is very high during work [6]. These large amounts of dust are mainly treated by applying a spraying system along the shearer body and concentrated on the shearer's drums where the proportion of dust is relatively greater than that of other areas of the shearer as shown in fi g. 2. Water is pumped under high pressure into a device called NPSDR to produce a high-speed water spray. This helps to produce a negative pressure fi eld in the suction area of the device. So, it can absorb the dust laden with sand to clean it [7]. It is a very good idea but it must be perfected [8].
Tailgate drum
Headgate drum
Ranging arm
Tailgate drive
Control module Headgate drive
Ranging arm Tailgate drum Scrubber outlet Fan Scrubber Headgate drum Scrubber inlet
Ranging arm
Tailgate drive Control module
Headgate drive Ranging arm
Fig. 4. 3D-drawing of the longwall shearer without and with an integrated flooded-bed scrubber Рис. 4. Трехмерная модель врубовой машины для длинных забоев без встроенного скруббера с системой водной очистки и с ним
Dust control by the shields. Due to the permanent movement of the longwall shields and as the shields descend and advance towards the face of the mineralized layer, it is normal when the roof falls from the top of the shields towards the ventilation surface. Most of this dust is suspended in the air and disperses quickly in the walkway. As a result, we can say that the movement of the shields is an important source of dust for the operators of the shearer, when these shields move behind the shearer, from the headgate to the tailgate. To control the dust caused by the movements of the shields, many methods have been developed in recent years. Canopy-mounted spray systems. This system includes a set of sprayers on the shields which sprays the roof for a short time before and after the movement of the shields to ensure that the material is wet in order to reduce the dust concentration at the longwall section, as shown in fi g. 3. Studies in the United States and Australia have shown that this system is not eff ective for the control of dust [9]. ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 9
Shield sprays under the canopy. This type of sprayer automatically works with the drum movement to form a water curtain to eliminate the dust cloud from the headgate to the tailgate as shown in fi g. 3. Flooded-bed scrubber for removing diatomite dust at a longwall mining section. A fl ooded-bed scrubber is a very eff ective dust control device, equipped with a high- speed main fan which is an integral part of the shearer as shown in the fi g. 4 [10] to capture and remove the dust generated from the shearer at the longwall section during the ore extraction operation. This system has worked very well with the longwall underground mining method in the United States since its invention in 1983 [11]. The fl ooded-bed scrubber dust control system consists of six main elements: an inlet, water sump, a series of water sprays, a demister, a fl ooded-bed screen, and a vane axial exhaust fan as shown in the fi g. 5, 6 [5, 12]. The inlet is well positioned in the dust area near the drum of shearer in the longwall section for quick dust recovery using ventilation. Sprayers produce large amounts of water, making fl ooded-bed screen always saturated with water. The fan draws the dust-laden air from the longwall section to the ductwork through the fl ooded-bed screen.
Dusty air Filter panel
Mist eliminator
Clean air Scrubber Fan Fig. 5. 3D flooded-bed scrubber system Рис. 5. 3D-изображение скруббера с системой водной очистки
When air enters the fl ooded-bed screen, the dust interacts with the water droplets inside the device, creating a mixture of water droplets and dust. This mixture of dust and water in the fl ooded-bed screen moves in the direction of the wind towards the demister. The latter is composed of several PVC layers, which separate the dust-laden water before the air reaches the fan. After completion of the separation process this mixture will be pumped into the sump under the demister. The clean air, almost dry passes through the fan to the back side of the longwall section and the workers where it runs out. Full-cone water spray distributes the water inside at approximately 24.6 l/min usually under low pressure (< 345 kPa), these quantities guaranteeing in turn a complete water supply to fl ooded-bed screen. The fan motor power typically varies from 9.7 kW to 29.8 kW, with an air fl ow rate of 1.7 3m /s to 4.7 m3/s [14]. In order to increase the ventilation area, the fl ooded-bed screen must be placed at 45° from the working platform. This screen is mainly composed of layers (about 10–30 layers) of woven steel. The increase in the number of layers leads on the one hand an increased fi ltration, but on the other hand a signifi cant reduction of the pressure in the fl ooded-bed. 10 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
The eff ectiveness of the fl ooded-bed scrubber system is based on two main factors: fi lter dust quality (cleaning effi ciency) of screen, which also depends on the amount of dust absorbed in the longwall section (capture effi ciency) [15]. The use of surfactants in the spraying operation at the interior of this device can greatly increase the effi ciency of the screen cleaning, it helps to increase the wettability by reducing the surface tension of the water droplets [16]. A 2002 study was conducted on the eff ectiveness of surfactants added to water when spraying at a concentration of 0.013% by weight showed an increase in the percentage of dust reduction to 31% [17]. In conclusion, it can be said that the eff ectiveness of dust collection depends mainly on: the position of the scrubber inlet, and the air quantities and the capacity of the fans, and the design of the ducts.
Layered-screen bed Demister Inlet Discharge
Dust-laden air Clean air Full cone water spray
Fan Black-water sump
Fig. 6. Fan-powered flooded-bed scrubbers Рис. 6. Вентиляторные скрубберы с системой водной очистки
Results and discussion. Given the geological nature of the diatomite deposit, dust produced during the exploitation of the deposit is very rich in SiO2 silica up to 0.65 (0.38–1.21) mg/m3 in the working section. On the other hand, a study was carried out in 2002 in the United States shows that the average levels of exposure to respirable 3 SiO2 silica in similar industrial environments is 0.05 (0.02–0.08) mg/m [13]. While the coal dust generated by the shearer during its extraction is 0.7–8.8 mg/m3 as shown in table 1. From these results it can be said that the system fl ooded-bed scrubber used in coal mines will be adequate and very eff ective in the diatomite mine. Conclusion. The fl ooded bed scrubber system is one of the most effi cient systems in the world and has attracted the interest of many researchers in this fi eld for years. He has been very successful in longwall coal mines with large amounts of dust and gas. And from the results that we have indicated we can say that this system will be adequate with our case in the diatomite mine of sig west of Algeria (underground). This system will greatly reduce the exposure to dust in the working section, and as an integral part of the shearer this will suit the thickness of the mineralized layer of diatomite.
REFERENCES 1. AS2985-2004. Workplace atmospheres – method for sampling and gravimetric determination of respirable dust. Available from: www.saiglobal.com/pdftemp/previews/osh/as/as2000/2900/2985.pdf (Accessed 20.01.2020) 2. AS3640. Workplace atmospheres – method for sampling and gravimetric determination of inhalable dust. Available from: codehub.building.govt.nz/home/resources/as-3640-2009/ (Accessed 20.01.2020) 3. Fiscor S., 2016. Coal age. Mining Media Publ. P. 18–22. 4. Colinet J. F., Spencer E. R., Jankowski R. A. 1997. Status of dust control technology on U. S. Longwalls. In: Proceedings of 6th International Mine Ventilation Congress. P. 345–351. 5. Rider J. P. and J. F. Colinet, 2010. Chapter 3 – Controlling Respirable Dust on Longwall Mining Operations. In: Best Practices for Dust Control in Coal Mining. IC 9517, National Institute for Occupational Safety and Health. P. 17–39. 6. Ren X. F. Research on ventilation dust technology of long-pressure and short axis for fully mechanized excavation face. Shaanxi Coal. 2013; 4: 005. 7. Xie Y. S., Fan G. X., Dai J. W., Song X. B. New respirable dust suppression systems for coal mines. J. China Univ. Min. Technol. 2007; 17(3): 321–5. 8. Tien J. C. Dust control practices in Chinese coal mines, with remarks on black lung. Min. Eng. 2011; 63(10): 24–9. ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 11
9. Ren T. X., Plush B., Aziz N. Dust controls and monitoring practices on Australian longwalls. Proc. Eng. 2011; 26: 1417–29. 10. Sampurna Arya, et al., 2018. Development of a flooded-bed scrubber for removing coal dust at a longwall mining section. Available from: doi.org/10.1016/j.ssci.2018.08.003. 11. Campbell J. A. L., Moynihan D. J., Roper W. D., Willis C., 1983. Dust control system and method of operation. US 4380353 A. 12. Sampurna Arya, et al., 2018. Design and experimental evaluation of a flooded-bed dust scrubber integrated into a longwall shearer. Powder Technology. Available from: doi.org/10.1016/j. powtec.2018.07.072. 13. Dirk Dahmann et al., 2008. Assessment of exposure in epidemiological studies: the example of silica dust. No. 18. P. 452–461. Available from: www.nature.com/jes 14. Wedding W. C., Novak T., Arya S., Kumar A., 2015. CFD modeling of a flooded-bed scrubber concept for a longwall shearer operating in a U.S. coal seam. In: Proceedings of 15th US Mine Ventilation Symposium. P. 385–390. 15. Colinet J. F., Jankowski R. A., 2000. Silica collection concerns when using flooded-bed scrubbers. Min. Eng. No. 4. P. 49–54. 16. Listak J. M., 2010. Chapter 4 – Controlling Respirable Dust on Continuous Mining Operations. In: Best Practices for Dust Control in Coal Mining. P. 41–64. 17. Hirschi J. C., Chugh Y. P., Saha A., Mohany M., 2002. Evaluating the use of surfactants to enhance dust control efficiency of wet scrubbers for illinois coal seams. In:Proceedings of 9th U. S. Mine Ventilation Symposium. P. 601–606. Received 17 February 2020
Information about authors: Abdessattar Lamamra – PhD student, Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University). Е-mail: [email protected] Dmitriy L. Neguritsa – PhD (Engineering), Associate Professor, Head of the Laboratory of Heat Engineering and Heat Supply of Prospecting, Sergo Ordzhonikidze Russian State Geological Prospecting University. Е-mail: [email protected]
УДК 622.807:622.357.8+66.074.51 DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-5-12 Очистка участков разработки длинными забоями от диатомитовой пыли в шахте Сиг в Западном Алжире Ламамра А.1, Негурица Д. Л.2 1 Российский университет дружбы народов, Москва, Россия. 2 Российский государственный геологоразведочный университет, Москва, Россия. Реферат Актуальность. Для работников горнодобывающей промышленности серьезной проблемой является пыль, которая создается горными машинами из-за постоянного движения транспортного оборудования и погрузки, особенно в шахтах, где отсутствуют оптимальные условия вентиляции. Наличие пыли напрямую влияет на производительность шахты и создает для рабочих повышенные риски получения хронических заболеваний, связанных с вдыханием в течение семи-восьмичасового рабочего дня большого количества пыли, а также токсичных газов. Методы подавления пыли в шахтах с системой разработки длинными забоями отличаются друг от друга в зависимости от состава извлекаемой руды. Цель работы. Рассмотреть действующие технологические процессы для устранения пыли в рабочей секции длинных забоев и предложить другой процесс для обеспечения оптимальных рабочих условий в диатомитовой шахте. Методология. Анализ используемых в горно-геологическом производстве технических средств и оценка их применения на исследуемом объекте представляет собой актуальный подход к увеличению эффективности производства. В статье рассмотрена возможность применения скруббера с системой водной очистки, который используется главным образом в подземных угольных шахтах для поглощения пыли на участках длинных забоев. Проведена оценка эффективности поглощения скруббером пыли, образующейся при разработке угольных пластов, где концентрация угольной пыли в рабочей секции составляет от 0,7 до 8,8 мг/м3, и осуществлено сравнение с возможностью использования скруббера при добыче минерализованного слоя в подземном месторождении диатомита, где плотность пыли составляет 0,38–1,21 мг/м3. Результаты исследования. В результате исследования была получена положительная оценка возможности использования для участков разработки длинными забоями на диатомитовой шахте Сиг модели скруббера с интегрированной системой мокрой очистки, которая используется в угольных шахтах. Это позволит значительно снизить концентрацию пыли на участках разработки длинными забоями. 12 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
Выводы. Для того чтобы установить подходящие условия для работы внутри шахты, необходимо разработать эффективный метод удаления пыли, особенно во время работы, который будет в значительной степени способствовать увеличению производительности и снижению заболеваемости среди работников. Ключевые слова: длинный забой; скруббер с системой мокрой очистки; врубовая машина; диатомит; пыль. Выражаем благодарность компании ENOF, которая предоставляет всю необходимую информацию для данного исследования и выполняет все необходимые анализы. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. AS2985-2004. Workplace atmospheres – method for sampling and gravimetric determination of respirable dust. URL: www.saiglobal.com/pdftemp/previews/osh/as/as2000/2900/2985.pdf (дата обращения 20.01.2020) 2. AS3640 Workplace atmospheres – method for sampling and gravimetric determination of inhalable dust. URL: codehub.building.govt.nz/home/resources/as-3640-2009/ (дата обращения 20.01.2020) 3. Fiscor S., 2016. Coal age. Miniing Media Publ. P. 18–22. 4. Colinet J. F., Spencer E. R., Jankowski R. A. 1997. Status of dust control technology on U. S. Longwalls. In: Proceedings of 6th International Mine Ventilation Congress. P. 345–351. 5. Rider J. P. and J. F. Colinet, 2010. Chapter 3 – Controlling Respirable Dust on Longwall Mining Operations. In: Best Practices for Dust Control in Coal Mining. IC 9517, National Institute for Occupational Safety and Health. P. 17–39. 6. Ren X. F. Research on ventilation dust technology of long-pressure and short axis for fully mechanized excavation face // Shaanxi Coal. 2013. No. 4. P. 005. 7. Xie Y. S., Fan G. X., Dai J. W., Song X. B. New respirable dust suppression systems for coal mines // J. China Univ. Min. Technol. 2007. No. 17(3). P. 321–5. 8. Tien J. C. Dust control practices in Chinese coal mines, with remarks on black lung // Min. Eng. 2011. No. 63(10). P. 24–9. 9. Ren T. X., Plush B., Aziz N. Dust controls and monitoring practices on Australian longwalls // Proc. Eng. 2011. No. 26. P. 1417–29. 10. Sampurna Arya, et al., 2018. Development of a flooded-bed scrubber for removing coal dust at a longwall mining section. URL: doi.org/10.1016/j.ssci.2018.08.003. 11. Campbell J. A. L., Moynihan D. J., Roper W. D., Willis C., 1983. Dust control system and method of operation. US 4380353 A. 12. Sampurna Arya, et al., 2018. Design and experimental evaluation of a flooded-bed dust scrubber integrated into a longwall shearer // Powder Technology, URL: doi.org/10.1016/j.powtec.2018.07.072. 13. Dirk Dahmann et al., 2008. Assessment of exposure in epidemiological studies: the example of silica dust. No. 18. P. 452–461. URL: www.nature.com/jes 14. Wedding W. C., Novak T., Arya S., Kumar A., 2015. CFD modeling of a flooded-bed scrubber concept for a longwall shearer operating in a U.S. coal seam. In: Proceedings of 15th US Mine Ventilation Symposium. P. 385–390. 15. Colinet J. F., Jankowski R. A., 2000. Silica collection concerns when using flooded-bed scrubbers // Min. Eng. No. 4. P. 49–54. 16. Listak J. M., 2010. Chapter 4 – Controlling Respirable Dust on Continuous Mining Operations. In: Best Practices for Dust Control in Coal Mining. P. 41–64. 17. Hirschi J. C., Chugh Y. P., Saha A., Mohany M., 2002. Evaluating the use of surfactants to enhance dust control efficiency of wet scrubbers for illinois coal seams. In: Proceedings of 9th U. S. Mine Ventilation Symposium. P. 601–606.
Поступила в редакцию 17 февраля 2020 года
Сведения об авторах: Ламамра Абдессаттар – аспирант Российского университета дружбы народов. Е-mail: [email protected] Негурица Дмитрий Леонидович – кандидат технических наук, доцент, заведующий лабораторией теплотехники и теплоснабжения геологоразведочных работ Российского государственного геологоразведочного университета имени Серго Орджоникидзе. Е-mail: [email protected]
Для цитирования: Ламамра А., Негурица Д. Л. Очистка участков разработки длинными забоями от диатомитовой пыли в шахте Сиг в Западном Алжире // Известия вузов. Горный журнал. 2020. № 5. С. 5–12 (In Eng.). DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-5-12 For citation: Lamamra A., Neguritsa D. L. Elimination of diatomite dust in the longwall extraction section in the Sig mine western Algeria. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = News of the Higher Institutions. Mining Journal. 2020; 5: 5–12. DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-5-12 ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 13
DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-13-18
Applying modern technologies when drilling directional wells with long horizontal boreholes
Aleksandr E. Kuriachii1*, Sergei M. Kaliagin1 1 Astrakhan State Technical University, Astrakhan, Russia *e-mail: [email protected]
Abstract Introduction. Directional drilling of wells is currently carried out by a rotary steerable system and conventional equipment including a mud motor with an adjustable skew angle. Either of the two methods has particular advantages. Research aim is to analyze the technologies provided by various service companies in the field of directional and horizontal wells drilling in order to provide means of improving the utilization capacity of the conventional bottom hole assembly in long horizontal boreholes. Methodology. When drilling directional wells with a small departure from the vertical and wells with horizontal boreholes up to 500 m long, a preference is given to a mud motor as far as a change in deviation parameters is concerned. This is due to the fact that the mud motor has a significant economic advantage. However, when drilling directional well with complex planned profile or a well with a horizontal borehole of more than 500 m, the mud motor may cause a variety of problems, while a rotary steerable system will allow to avoid some of them. Results. The rotary steerable system is not always economically feasible suggesting a need for an alternative technology with a more advantageous offer on the market of services. A system of pulsed controlled drilling will allow the adjustment of the trajectory of the wellbore when drilling in a rotary mode with conventional equipment for directional drilling, reduce rig time, and improve the borehole quality. Summary. The given technology will make it possible to improve the efficiency of conventional equipment which includes the mud motor for directional wells drilling with complex planned profile and long horizontal boreholes of more than 500 m, as soon as the technology provides the possibility of adjusting the trajectory in a rotary mode. The system of pulsed controlled drilling is developed as an alternative to the rotary steerable system making it possible to significantly reduce construction expenses for wells with complex geological conditions of drilling.
Key words: system of pulsed controlled drilling; rotary steerable systems; buckling effect; sliding; traditional bottom hole assembly; trajectory correction.
Introduction. Directional drilling of wells is currently carried out by a rotary steerable system (RSS) and conventional equipment including a mud motor with an adjustable skew angle (MM). Either of the two methods has particular advantages. The main advantage of RSS over MM is the availability of directional drilling in rotor mode. It makes it possible to reduce friction of a drilling string on the walls of the well by means of its continuous rotation. Rotary steerable system in the bottom hole assembly (BHA) totally eliminates directional drilling in sliding mode. The main advantage of MM over RSS is its economic feasibility. Daily rental fee for MM is tenfold cheaper than RSS daily rental fee. As a result, well construction expenses are reduced [1]. Research aim is to analyze technologies provided by various service companies in the field of directional and horizontal wells drilling in order to provide meansof improving the utilization capacity of the conventional BHA in long horizontal boreholes. Methodology. When applying MM in the bottom hole assembly, the process of directional drilling is carried out by means of sliding when the bottom hole assembly is 14 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 motionless in the borehole. In this case, as compared to rotation, it is much more difficult to overcome the force of friction in horizontal boreholes with large departure from the vertical. A problem arises of bringing the required and smooth load to drill bits, there are occasional shutdowns and failures of the assembly; there is also an increasing possibility of differential pressure sticking in the layers which are inclined to drilling mud absorption. A system of pulsed controlled drilling is a solution to these problems. The technology will make it possible to increase the effectiveness of conventional equipment when drilling directional wells with long horizontal boreholes and reduce expenses [2]. When drilling directional wells with small departure from the vertical and wells with horizontal boreholes up to 500 m long, a preference is given to MM as far as a change in deviation parameters is concerned. This is due to the fact that MM has a significant economic advantage. However, when drilling directional well with complex planned profile or a well with a horizontal borehole of more than 500 m, MM may cause a variety of problems. Firstly, it is the problem of bringing the required and smooth load to a drill bit due to the significant friction factor in the sliding mode and, as a consequence, a developed buckling effect. Drilling efficiency reduces significantly, orientation time increases, and additional conditioning of a borehole and unplanned round trip operations become a necessity. So, for trouble-free well drilling with complex planned profiles and long horizontal boreholes of more than 500 m, a rotary steerable system is used to be able to adjust the trajectory when drilling in rotor mode [3]. When drilling in rotor mode, rock breaking is uneven as soon as the drilled layers are not always uniform with frequent shelly formations. As a result, the drill bit and the whole BHA may deviate in various directions with an impressive dogleg severity. Pendulum BHA is an exception. This is due to the fact that the drill bit moves in the direction of least resistance where it is easier to mine out the rock. The system of pulsed controlled drilling makes it possible to mine out more rock in rotor mode in the required area, which allows to adjust the trajectory of the borehole in rotor mode when using MM with an adjustable skew angle [4]. The main goals of applying the system of pulsed controlled drilling are the following: control over the trajectory during rotor drilling, use of conventional equipment for directional drilling, reduction of rig time, and improved quality of the borehole. Results. The system of pulsed controlled drilling was developed in 2010 by Weatherford company which carried out successful tests in the shafts of Oklahoma, Utah, Texas, and Pennsylvania, having drilled more than 45 thousand meters with this system. The system of pulsed controlled drilling was used in vertical wells to sustain perpendicularity, at stabilization sections in order to maintain the preset parameters of the trajectory, and in deviation intervals where the dogleg severity of 1°/10 m was obtained [5]. In Oklahoma, 2469 m deep vertical well was drilled. The system of pulsed controlled drilling was used in the second run with the space interval of 1125–2469 m. This space interval was mainly formed with sandstone, and it was drilled in one round trip operation with average speed of 45 m/h. In the same cuts BHA with rotary steerable system shows lower speed of drilling due to the difference in the number of drilling bit turns. Having included the rotary steerable system into BHA, the customer could reduce time spent to adjust the whipstock in the required direction, and it made it possible to reduce well construction expenses by 200 thousand US dollars. BHA consisted of the following elements (fig. 1): 1. Drill bit PDC 215.9 mm (152 mm gage surface length); 2. Motor WF 675-QLE7850 (172 mm), 1.5° skew angle; ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 15
3. Adjustable centralizer AGS; 4. Pulsator; 5. HEL telemetry system (inclinometer, gamma radiation sensor); 6. Drilling jar. The main advantages and characteristic features of applying the system of pulsed controlled drilling are the following: automatic regulation of vertical; spiral and axial load reduction ensuring high-quality drilling of a directional hole; drilling build sections and stabilization intervals in one run with the use of one BHA; drilling by a rotor method at complicated sites maintaining the planned parameters of the trajectory; increasing the speed of drilling and improving borehole quality by reducing sliding operations; reducing slide/rotor ratio to 4/96 %; rig time reduction; well expenses reduction [6].
1 2 3 4 5 6
Fig. 1. Typical design of BHA Рис. 1. Типовая схема КНБК
A mud motor with an adjustable skew angle is the basis of the system of pulsed controlled drilling; it works along two various drilling centerlines (rotational and orienting). Controlled adjustment of drill bit rotation speed through the motor contributes to change in the trajectory of a borehole (fi g. 2) [7].
Fig. 2. Principle of operation of a downhole motor with an adjustable skew angle Рис. 2. Принцип работы винтового забойного двигателя с регулируемым углом перекоса
The speed of drill bit rotation when drilling with the use of MM depends on the speed of the drilling mud which passes through it. The pulsator set lower than the telemetry system controls the speed of the passing fl ow by means of partial overlap of the tube side. With the closed pulsator, drill bit rotation speed and drilling speed decreases [8]. With the open pulsator, drill bit rotation speed and drilling speed increases (fi g. 3). Every particular component infl uences the technological effi ciency, namely, drill bit, hydraulic bottomhole motor, stabilizator, and MWD instrument. The use of conventional hydraulic bottomhole motors and MWD instruments is possible with the reliability confi rmed by tests, under total three-dimensional control 16 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 over the directional drilling. If necessary, it is possible to stop drilling and give the right orientation to the assembly to obtain a higher dogleg severity using the method of traditional directional drilling [9]. There are two methods of reprogramming the pulsator: by issuing a command to change the speed of rotor rotation and with the help of Down Link Commander system with the difference of pressure change.
Fig. 3. The principle of operation of the pulsator in the open/closed state Рис. 3. Принцип действия пульсатора в открытом/закрытом состоянии
In case there is deviation from the trajectory in the process of rotary drilling, a command is issued to the pulsator due to the difference in rotor turns or difference in pressure for work in a desired direction; after that the pulsator starts opening in a desired sector increasing the speed of the drilling mud which passes through it, thereby increasing MM shaft speed; finally, the pulsator closes reducing rotation rate at the counter side [10]. Summary. The given technology [11–15] will make it possible to improve the efficiency of conventional equipment which includes MM for directional wells drilling with complex planned profile and long horizontal boreholes of more than 500 m, as soon as the technology provides the possibility of adjusting the trajectory in a rotary mode. The system of pulsed controlled drilling is developed as an alternative to the rotary steerable system making it possible to significantly reduce construction expenses for wells with complex geological conditions of drilling.
REFERENCES 1. Dzhalmukhanova R. I., Kuriachii A. E. The use of modern technological tools to reduce the friction coefficient of the drill string during the construction of directional and horizontal wellbores inLLC LUKOIL-Nizhnevolzhskneft. In: New technologies for the development of hydrocarbon deposits and provision ecosystem safety of the Caspian shelf: Proceedings of the VII International Scientific and Practical Conference. Astrakhan: ASTU Publishing; 2016. P. 40–44. (In Russ.) 2. Egorova E. V., Iazykov I. V. Optimization offshore development of multilateral wells. Geologiia, geografiia i globalnaia energiia = Geology, geography and global energy. 2014; 3 (54): 210–213. (In Russ.) 3. Shaikhutdinova A. F., Khuzina L. B. Field tests the bottom hole assembly with PDC bits. In: Proceedings of the scientific session of scientists of the Almetyevsk State Oil Institute. 2015; 1 (1): 79–83. (In Russ.) 4. Technological complex for directional drilling with the use of MSS and AGS. Available from: www.weatherford.com/ru/products-services/drilling-formation-evaluation/ drilling-services. [Accessed 11th March 2020]. 5. Khuzina L. B., Liubimova S. V., Slivchenko A. F. Reducing friction during drilling. Business Journal Neftegaz.RU. 2016; 3: 38–41. (In Russ.) 6. Khuzina L. B., Liubimova S. V. Particularly lowering of stuck drill string. Uchenye zapiski Almetievskogo gosudarstvennogo neftianogo instituta = Proceedings of the Almetyevsk State Oil Institute. 2013; 11 (1): 58–63. (In Russ.) 7. Liu Xiushan, Su Yi’nao. A design method of borehole deviation control scheme. Acta Petrolei Sinica. 2015; 36(7): 890–896. 8. Liu Xiushan. Geometry of wellbore trajectory. Beijing: Petroleum Industry Press; 2006. 9. Popov A. N., Spivak A. I. The technology of drilling oil and gas wells. Moscow: Nedra Publishing; 2001. (In Russ.) ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 17
10. Shi Hongxiang, Li Hui, Zheng Duoming, et al. Seismicguided drilling technique based on seismic while drilling (SWD): a case study of fracture-cave reservoirs of Halahatang block, Tarim Oilfield, NW China. Petroleum Exploration and Development. 2016; 43(4): 662–668. 11. Shevchenko I. A. Development of the technology of controlled rotary drilling in the construction of wells with a sub-horizontal profile. In: Technical Sciences in Russia and Abroad: Materials of the III Intern. scientific conf. (Moscow, July 2014). Moscow: Buki-Vedi Publishing; 2014. (In Russ.) 12. Kane S. А. Modern technical means of controlling the trajectory of directional wells: study guide. Ukhta: USTU Publishing; 2014. (In Russ.) 13. Shirin-Zade S. A., Mirzadzhanzade A. H., Oganov A. S., Gulatarov G., Mirzadzhanzade A. H. Drilling of horizontal wells with an electric down hole motor. In: 14th World petroleum congress. 1994. P. 181–190. 14. Khuzina L. B., Liubimova S. V., Shaikhutdinova A. F. Technique for reducing friction forces when drilling horizontal sections of wells. Oilfield business = Oilfield Engineering. 2016; 9: 38–42. (In Russ.) 15. Oganov S. A., Baisarov E. E., Labazanov S. Kh. Achievement of high technical and economic indicators of horizontal wells construction. Problemy ekonomiki i upravleniia neftegazovym kompleksom = Problems of Economy and Management of Oil and Gas Complex. 2012; 5: 126–132.
Received 7 April 2020
Information about authors: Aleksandr E. Kuriachii – PhD student, Oil and Gas Institute, Astrakhan State Technical University. Е-mail: [email protected] Sergei M. Kaliagin – PhD (Geology and Mineralogy), Associate Professor, associate professor of the Department of Oil and Gas Geology, Astrakhan State Technical University. Е-mail: [email protected]
УДК 622.243.23-52-114-13:621.374 DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-13-18 Применение современных технологических средств в области бурения наклонно-направленных скважин с протяженными горизонтальными стволами Курячий А. Е.1, Калягин С. М.1 1 Астраханский государственный технический университет, Астрахань, Россия. Реферат Введение. В настоящее время наклонно-направленное бурение скважин осуществляется в результате применения роторно-управляемой системы и традиционного оборудования, включающего винтовой забойный двигатель с регулируемым углом перекоса. Каждый из способов имеет определенные преимущества. Цель работы. Проанализировать технологические средства различных сервисных организаций, предоставляющих услуги в сфере бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин, для обеспечения возможности увеличения потенциала использования традиционной компоновки низа бурильной колонны в протяженных горизонтальных стволах. Методология. В условиях бурения наклонно-направленных скважин с небольшим отходом от вертикали, а также скважин с горизонтальными стволами протяженностью до 500 м предпочтение для изменения параметров искривления отдается винтовому забойному двигателю. Это связано с тем, что применение винтового забойного двигателя является более доступным с экономической точки зрения. Однако при бурении наклонно-направленной скважины со сложным проектным профилем или скважины с горизонтальным стволом более 500 м, использование винтового забойного двигателя приведет к ряду осложнений, в то время как использование роторно-управляемой системы позволит избежать некоторых из них. Результаты. Применение роторно-управляемой системы для бурения наклонно-направленных скважин с протяженными горизонтальными стволами не всегда экономически целесообразно, и поэтому существует необходимость в альтернативном технологическом подходе с более выгодным предложением на рынке предоставляемых услуг. Система импульсного управляемого бурения обеспечит управление траекторией в роторном режиме с использованием традиционного оборудования для наклонно-направленного бурения, сократит время бурения и повысит качество пробуренного ствола. Выводы. Таким образом, применение данной технологии позволит повысить эффективность использования традиционного оборудования, включающего винтовой забойный двигатель для бурения наклонно-направленных скважин со сложными проектными профилями и протяженными горизонтальными стволами более 500 м за счет возможности управлять траекторией в роторном режиме. Система импульсного управляемого бурения разрабатывается как альтернатива роторно-управляемой системе, ее использование позволит значительно сократить расходы на строительство скважин со сложными геологическими условиями бурения. 18 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
Ключевые слова: система импульсного управляемого бурения; роторно-управляемая система; эффект баклинга; слайдирование; традиционная компоновка низа бурильной колонны; корректировка траектории. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Джалмуханова Р. И., Курячий А. Е. Применение современных технологических средств для снижения коэффициента трения бурильной колонны при строительстве наклонно-направленных и горизонтальных стволов скважин в ООО «Лукойл-Нижневолжскнефть» // Новейшие технологии освоения месторождений углеводородного сырья и обеспечение безопасности экосистем Каспийского шельфа: матер. VII Междунар. науч.-практ. конф. Астрахань: АГТУ, 2016. С. 40–44. 2. Егорова Е. В., Языков И. В. Оптимизация разработки шельфовых месторождений многоствольными скважинами // Геология, география и глобальная энергия. 2014. № 3(54). С. 210–213. 3. Шайхутдинова А. Ф., Хузина Л. Б. Результаты промысловых испытаний компоновки низа бурильной колонны с долотом PDC // Матер. науч. сессии ученых Альметьевского госуд. нефтяного института. 2015. Т. 1. № 1. С. 79–83. 4. Технологический комплекс для наклонно-направленного бурения с применением MSS и AGS. URL: www.weatherford.com/ru/products-services/drilling-formation-evaluation/ drilling-services (дата обращения: 11.03.2020). 5. Хузина Л. Б., Любимова С. В., Сливченко А. Ф. Снижение трения при бурении // Деловой журнал Neftegaz.RU. 2016. № 3. С. 38–41. 6. Хузина Л. Б., Любимова С. В. Особенности снижения прихватоопасности бурильной колонны // Ученые записки Альметьевского государственного нефтяного института. 2013. Т. 11. № 1. С. 58–63. 7. Liu Xiushan, Su Yi’nao. A design method of borehole deviation control scheme // Acta Petrolei Sinica. 2015. No. 36(7). P. 890–896. 8. Liu Xiushan. Geometry of wellbore trajectory. Beijing: Petroleum Industry Press, 2006. 9. Попов А. Н., Спивак А. И. Технология бурения нефтяных и газовых скважин. М.: Недра, 2001. С. 171–173. 10. Shi Hongxiang, Li Hui, Zheng Duoming, et al. Seismicguided drilling technique based on seismic while drilling (SWD): a case study of fracture-cave reservoirs of Halahatang block, Tarim Oilfield, NW China // Petroleum Exploration and Development. 2016. No. 43(4). P. 662–668. 11. Шевченко И. А. Развитие технологии управляемого роторного бурения при строительстве скважин с субгоризонтальным профилем // Технические науки в России и за рубежом: матер. III Междунар. науч. конф. (Москва, июль 2014 г.). М.: Буки-Веди, 2014. С. 331–336. 12. Кейн С. А. Современные технические средства управления траекторией наклонно направленных скважин. Ухта: УГТУ, 2014. С. 78–82. 13. Shirin-Zade S. A., Mirzadzhanzade A. H., Oganov A. S., Gulatarov G., Mirzadzhanzade A. H. Drilling of horizontal wells with an electric down hole motor // 14th World petroleum congress. 1994. P. 181–190. 14. Хузина Л. Б., Любимова С. В., Шайхутдинова А. Ф. Техника для снижения сил трения при бурении горизонтальных участков скважин // Нефтепромысловое дело. 2016. № 9. С. 38–42. 15. Оганов С. А., Байсаров Э. Э., Лабазанов С. Х. Достижение высоких технико-экономических показателей строительства горизонтальных скважин // Проблемы экономики и управления нефтегазовым комплексом. 2012. № 5. С. 126–132.
Поступила в редакцию 7 апреля 2020 года
Сведения об авторах: Курячий Александр Евгеньевич – аспирант Института нефти и газа Астраханского государственного технического университета. Е-mail: [email protected] Калягин Сергей Михайлович – кандидат геолого-минералогических наук, доцент, доцент кафедры геологии нефти и газа Астраханского государственного технического университета. Е-mail: [email protected]
Для цитирования: Курячий А. Е., Калягин С. М. Применение современных технологических средств в области бурения наклонно-направленных скважин с протяженными горизонтальными стволами // Известия вузов. Горный журнал. 2020. № 5. С. 13–18 (In Eng.). DOI: 10.21440/0536-1028- 2020-5-13-18 For citation: Kuriachii A. E., Kaliagin S. M. Applying modern technologies when drilling directional wells with long horizontal boreholes. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = News of the Higher Institutions. Mining Journal. 2020; 5: 13–18. DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-13-18 геомеханика. разрушение горных пород
УДК 622.831 DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-19-28
Исследование вариаций поля упругих напряжений массива пород при отработке Песчанского месторождения
Липин Я. И.1, Сентябов С. В.1*, Криницын Р. В.1 1 Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург, Россия *e-mail: [email protected]
Реферат Целью исследований является изучение вариаций параметров напряженного состояния массива для обеспечения безопасности и эффективности отработки залежей Песчанского месторождения магнетитов (Северный Урал) на полную глубину, которая осуществляется шахтой «Северопесчанская» с 1958 г. в комплексе крепких скальных пород на глубине от 200 до 700 м. Разрабатываются слепые, мощные, крутопадающие рудные тела системой этажного блокового обрушения с отбойкой руды на зажатую среду. С глубины 400 м месторождение отнесено к опасным по горным ударам. Первый горный удар отмечен в 1981 г. на глубине 450 м. Методика исследований включает натурные экспериментальные измерения напряженного состояния массива пород и руд на доступных глубинах и горизонтах месторождения, установление закономерностей роста напряжений с глубиной, а также длительный – с 1990 г. – геодеформационный мониторинг уровня напряжений нетронутого массива пород во времени. Анализ результатов исследований позволил установить закономерности изменения напряженно- деформированного состояния при ведении горных работ. Определены градиенты роста гравитационных и тектонических напряжений с глубиной. Особой строкой выделены переменные (астрофизические) напряжения, экстремальные значения которых увязаны хронологически с различными информационными факторами. Выводы. Выявленные значения параметров вариаций природного напряженного состояния массива пород в сочетании с установленными напряжениями вокруг выработок и выработанных пространств (техногенное влияние) дают возможность учесть основные пространственно- временные факторы влияния упомянутых нагрузок при выборе ударобезопасных и эффективных параметров горных работ для подземной геотехнологии как на верхних горизонтах при применении управляемого обрушения расположенных над слепыми залежами налегающих толщ, так и при профилактике удароопасности на нижних горизонтах отрабатываемого месторождения.
Ключевые слова: напряженное состояние массива скальных пород; вариации астрофизических (космофизических); гравитационных напряжений; концентрация напряжений около выработок и выработанных пространств; техногенные напряжения; удароопасность.
Исследования выполнены по государственному заданию № 075-00581-19-00, тема № 0405-2019-0007.
Введение. Песчанское месторождение железных руд начало отрабатываться в 1958 г. шахтой «Северопесчанская». Геомеханические исследования на первых вскрытых горизонтах в форме шахтных определений напряженного состояния проводятся с 1968 г. и осуществляются с целью обеспечения безопасности и эф- фективности подземных горных работ. Месторождение представляет собой группу слепых залежей крутого (70°–80°) падения, расположенных практически на одном меридиональном направлении. 20 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
Самой крупной из них является Северопесчанская, залегающая с глубины 250 м, мощностью до 120 м и длиной по простиранию до 800 м. Другие залежи – Верх- няя, Южная, Западная, Новопесчанская – меньших размеров и залегают в анало- гичных геологических условиях. Рудные залежи представлены магнетитами с прочностью в пуске [σ]сж = 60–80 МПа, модулем упругости Е = (0,5–1,0) · 105 МПа, коэффициентом Пуассона μ = 0,23–0,25; вмещающие породы в висячем боку – диориты, в лежачем – известняки, скарны, 5 порфириты и их туфы с Е = (0,34–1,12) · 10 МПа и [σ]сж = 60–110 МПа. Для руд и пород характерна линейная связь между деформациями и напряжениями в пре- делах от 5–10 до 90–95 % от разрушающей нагрузки, и массив пород рассматри- вается как упругая среда. Наличие слепых и крутопадающих залежей выявило при применении назван- ной геотехнологии две основные геомеханические проблемы: управление нале- гающими толщами пород при отработке верхних горизонтов; предупреждение удароопасности при выемке глубоких нижних горизонтов. Указанные вопросы решались при использовании конкретных геомеханиче- ских параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) месторожде- ния путем натурных замеров напряжений по мере вскрытия горизонтов и зале- жей месторождения. Последнее обстоятельство привело к тому, что в ИГД УрО РАН был широко использован для определения напряжения пород на многих руд- никах оперативный метод щелевой разгрузки с использованием алмазных дисков и автономного бензореза. А результаты длительного геодеформационного мони- торинга дали возможность строить прогнозы действия нагрузок в горных кон- струкциях на стадии проектирования. Таким образом, регулярные шахтные из- мерения НДС в сочетании с мониторингом позволяют выявлять вариации нагрузок в недрах и способствуют повышению безопасности и эффективности при подземной геотехнологии. Краткие элементы подземных методов контроля НДС приведены далее. Процесс хрупкого разрушения, вызываемого высоким напряженным состоя- нием массива пород, близким к пределу их прочности, приводит к горным уда- рам. Интенсивность удароопасности возрастает с глубиной отработки при увели- чении нагрузок и скорости изменения напряженного состояния. На шахте «Северопесчанская» геомеханические наблюдения начаты в 1968 г. Исследова- ния позволили получить значения первоначальных природных напряжений, определить тектоническую составляющую, направления действия главных на- пряжений и установить закономерности их изменения с глубиной и во времени. С учетом ранее проведенных исследований, разработанных нормативных доку- ментов с участием ИГД УрО РАН при рассмотрении работ выяснено, что все гор- ные работы будут проведены по породам и рудам, склонным к хрупкому разруше- нию (за исключением зон смятия и разрушения). Актуальность работы обуславливается тем, что шахтные стволы, квершлаги и штреки, вскрывающие добычные горизонты и соединяющиеся с дневной поверхностью, являются глав- ными капитальными выработками, выход которых из строя может поставить под угрозу существование предприятия с точки зрения технико-экономического обо- снования рудника в целом [1–3]. Ранее было установлено, что природные напря- жения в массиве горных пород имеют важное значение при выборе мест заложе- ния капитальных горных выработок и очередности развития очистных работ [4, 5], в параметрах прочности пород и руд учтены их испытания за последние годы. Анализ геомеханических, горно-геологических условий ведения горных работ на шахте. Проведен ситуационный анализ участков ведения горных работ на шахте «Северопесчанская», по программе развития горных работ рассматри- ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 21
вались в основном участки гор. –320 м, гор. –400 м и гор. –480 м с точки зрения геомеханических и горно-геологических условий работ. Геомеханические усло- вия включали прочностные и упругие свойства пород и руд, склонность их к ди- намическому разрушению, а также оценку уровня естественных первоначальных напряжений массива пород в текущий период (Приказ Ростехнадзора от 02.12.2013 № 576 «Об утверждении Федеральных норм и правил в области про- мышленной безопасности «Положение по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам» (Зарегистрировано в Минюсте России 04.04.2014 № 31822)).
R/2 A R
R/2 O R B
R
Рис. 1. Схема измерения деформаций при разгрузке щелью Fig. 1. The scheme for measuring strain during unloading with a slot
Горно-геологические условия включали оценку концентрации естественных напряжений около выработок и выработанных пространств с учетом геологии рудных залежей (мощности, падения, длины по простиранию и т. д.) и применяе- мой системы разработки. Анализ ситуационного характера показывает: 1. Уровень естественных первоначальных напряжений массива пород остается высоким с дальнейшим увеличением сжатия (замер на четырех станциях гор. –400 м). 2. Проблемными участками для наблюдений, шахтных замеров, геомеханиче- ских расчетов и численного моделирования с выдачей рекомендаций по профи- лактике удароопасности и обеспечению устойчивости намечены: – горнокапитальные выработки гор. –400 м и гор. –480 м, особенно северный полевой штрек, находящийся в проходке; 22 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
– горно-подготовительные и нарезные выработки гор. –400 м СПУ, особенно выработки днищ блоков. Оценка распределения природных напряжений массива пород. Измере- ние напряжений горных пород производилось по методике ИГД УрО РАН. Основные положения методики приведены в [6–8]. Оценка действующего напряжения в элементе массива производилась путем выбуривания щели и замера деформаций распорных реперов, установленных на
бортах этой щели (рис. 1). Шпуры под распорные реперы бурились электропер- ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 3 форатором глубиной не более 50 мм, диаметром 10 мм. Оформление разгрузоч-
ISSN 0536 -1028 ной щели осуществлялось«Известия пропиливанием вузов. Горный журнал», автономным № 5, 20 20инструментом естественных3 с алмаз первоначальных- напряжений массива пород в текущий период ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 3 ным диском диаметром 350«Изв мм.естия вузов. Горный журнал», № 5, (Приказ2020 3 Ростехнадзора от 02.12.2013 № 576 «Об утверждении Федеральных естественныхISSN 0536 первоначальных-1028 напряжений массива пород в текущий период естественных первоначальных напряжений массива пород в текущий периоднорм и правил в области промышленной безопасности «Положение по (Приказестественных Ростехнадзора первоначальных от 02.12.20 13 напряжений № 576 «Об массива утверждении пород вФедеральных текущийбезопасному период ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по норм(Приказ и правил Ростехнадзора в области от промышленной 02.12.2013 № 576 безопасности «Об утверждении «Положение Федеральных по норм(Приказ и правил Ростехнадзора в области от 02.12.20 промышленной13 № 576 безопасности «Об утверждении «Положение Федеральныхгорным по ударам» (Зарегистрировано в Минюсте России 04.04.2014 № 31822)). безопасномунорм иведению правил горных в области работ на промышленной месторождениях, безопасности склонных и опасных «Положение по Горно по -геологические условия включали оценку концентрации естественных горнымбезопасному ударам» (Зарегистрировано ведению горных работ в Минюсте на месторождениях, России 04.04.2014 склонных № 31822)) и опасных. по горнымбезопасному ударам» ведению (Зарегистрировано горных работ в наМинюсте месторождениях, России 04.04.2014 склонных № и 31822)) опасныхнапряжений. по около выработок и выработанных пространств с учетом геологии Горногорным-геологические ударам» (Зарегистрировано условия включали в Минюсте оценку концентрации России 04.04.2014 естественных № 31822))рудных . залежей (мощности, падения, длины по простиранию и т. д.) и напряженийГорно около-геологические выработок условия и выработанных включали пространств оценку концентрации с учетом естественныхгеологии напряженийГорно-гео околологические выработок условия и выработанных включали оценку пространств концентрации с учетом естественных геологииприменяемой системы разработки. рудныхнапряжений залежей (мощности,около выработок падения, и выработанных длины по простиранию пространств с и учетом т. д.) геологии и Анализ ситуационного характера показывает: применяемойрудных залежейсистемы разработки. (мощности, падения, длины по простиранию и т. д.) и применяемойрудных залежей системы (мощности, разработки. падения, длины по простиранию и т. д.)1. Уровень и естественных первоначальных напряжений массива пород Анализприменяемой ситуационного системы хар разработки.актера показывает: остается высоким с дальнейшим увеличением сжатия (замер на четырех 1. УровеньАнализ естественных ситуационного первоначальных характера показывает: напряжений массива пород 1.Анализ Уровень ситуационного естественных хар первоначальныхактера показывает: напряжений массива пород станциях гор. –400 м). остается1. Уровень высоким естественных с дальнейшим первоначальных увеличением напряжений сжатия (замер массива на пород четырех 2. Проблемными участками для наблюдений, шахтных замеров, станцияхостается гор. –400 высоким м). с дальнейшим увеличением сжатия (замер на четырех станцияхостается гор. высоким–400 м). с дальнейшим увеличением сжатия (замер на геомеханических четырех расчетов и численного моделирования с выдачей 2. станциях Проблемными гор. –400 участкамим). для наблюдений, шахтных замеров,рекомендаций по профилактике удароопасности и обеспечению устойчивости геомеханических2. Проблемными расчетов участкамии численного для наблюдений, моделирования шахтных с выдачей замеров, геомеханических2. Проблемными расчетов участками и численного для наблюдений, моделирования шахтных с выдачей замеров,намечены: рекомендацийгеомеханических по профилактике расчетов удароопасности и численного и обеспечению моделирования устойчивости с выдачей – горно -капитальные выработки гор. –400 м и гор. –480 м, особенно северный намечены:рекомендаций по профилактике удароопасности и обеспечению устойчивости намечены:рекомендаций по профилактике удароопасности и обеспечению устойчивостиполевой штрек, находящийся в проходке; – горнонамечены:-капитальные выработки гор. –400 м и гор. –480 м, особенно северный – горно-подготовительные и нарезные выработки гор. –400 м СПУ, особенно полевой– штрек, горно- капитальныенаходящийся выработки в проходке; гор. –400 м и гор. –480 м, особенно северный полевой– горно штрек,-капитальные находящийся выработки в проходке; гор. –400 м и гор. –480 м, особенно северныйвыработки днищ блоков. – горнополевой-подготовительные штрек, находящийся и нарезные в проходке; выработки гор. –400 м СПУ, особенно Оценка распределения природных напряжений массива пород. выработки– горно днищ-подготовительные блоков. и нарезные выработки гор. –400 м СПУ, особенно выработки– горно днищ-подготовительные блоков. и нарезные выработки гор. –400 м СПУ, особенноИзмерение напряжений горных пород производилось по методике ИГД УрО Оценка распределения природных напряжений массива пород. выработкиОценка днищ распределения блоков. природных напряжений массива РАН. пород. Основные положения методики приведены в [6–8]. ИзмерениеОценка напряжений распределения горных пород природных производилось напряжений по методике массива ИГД УрО пород. Оценка действующего напряжения в элементе массива производилась путем РАН.Измерение Основные положения напряжений методики горных приведены пород производилось в [6–8]. по методике ИГД УрО РАН.Измерение Основные напряжений положения горных методики пород приведены производилось в [6–8]. по методике ИГДвыбуривания УрО щели и замера деформаций распорных реперов, установленных на ОценкаРАН. действующегоОсновные положения напряжения методики в элементе приведены массива в [6 –производилась8]. путембортах этой щели (рис. 1). Шпуры под распорные реперы бурились выбуриванияОценка щели действующего и замера деформаций напряжения распорных в элементе реперов, массива установленных производилась на путем выбуриванияОценка действующего щели и замера напряжения деформаций в распорныхэлементе массива реперов, производилась установленныхэлектроперфоратором путем на глубиной не более 50 мм, диаметром 10 мм. Оформление бортахвыбуривания этой щели щели (рис. и замера 1). Шпурыдеформаций под распорных распорные реперов, реперы установленных бурилисьразгрузочной на щели осуществлялось пропиливанием автономным инструментом электроперфораторомбортах этой щели глубиной (рис. не 1). более Шпуры 50 мм, под диаметром распорные 10 мм. реперы Оформление бурились электроперфораторомбортах этой щели глубиной (рис. 1). не Шпурыболее 50 мм, под диаметром распорные 10 реперымм. Оформление бурилисьс алмазным диском диаметром 350 мм. разгрузочной щели осуществлялосьРис. 2. План-схема пропиливанием расположения замерных автономным станций инструментом щелевой разгрузки гор. –400 м разгрузочнойэлектроперфоратором щели осуществлялось глубиной не пропиливаниемболее 50 мм, диаметром автономным 10 мм. инструментом ОформлениеКак правило, на штреках измеряются горизонтальные напряжения, с алмазнымразгрузочной диском диаметромщели осуществлялосьFig. 350 2. Plan мм.-layout пропиливаниемof measuring stations автономным for slotted discharge инструментом horizon –400 m с алмазным диском диаметром 350 мм. к Какс алмазным правило, диском на штрекахдиаметром измеряются 350 мм. горизонтальные напряжения,действующие по простиранию рудного тела σ() (вертикальные разгрузочные Как правило, на штреках измеряются горизонтальные напряжения, Как правило,Как правило, на штреках на штреках измеряются измеряютсяк горизонтальные горизонтальные напряжения, напряжения, действую- к действующие по простиранию рудного тела σ() (вертикальныек разгрузочныещели) и вертикальные напряжения σZ( ) (горизонтальные разгрузочные щели), действующие по простиранию рудного тела σ()к (вертикальные разгрузочные действующиещие по по простиранию простиранию к рудного рудного телатела σ() (вертикальные(вертикальные разгрузочные разгрузочные щели) и вер- щели) и вертикальные напряжения σZ( ) (горизонтальныек разгрузочные щели),где к – номер точки замера. В ортах измеряются напряжения, действующие щели) и вертикальныетикальные напряжениянапряжения σ к (горизонтальные(горизонтальные разгрузочные разгрузочные щели), щели), где «к» – номер щели) и вертикальные напряжения σZ( ) (горизонтальные разгрузочные щели), к где к – номер точки замера. В ортах измеряютсяZ( ) напряжения, действующиевкрест простирания рудного тела σ () (вертикальные разгрузочные щели) и где к – номерточки точки замера. замера. В ортах В ортах измеряются измеряются напряжения, напряжения, действующие действующие вкрест простира- где к – номер точки замера. Вк ортах измеряются напряжения, действующие к вкрест простиранияния рудногорудного тела σ () (вертикальные(вертикальныек разгрузочные разгрузочные щели) щели) и вертикальные вертикальные и σZ( ) (горизонтальные разгрузочные щели). Для измерения вкрест простирания рудного тела σ ()к (вертикальные разгрузочные щели) и вкрест простиранияк (горизонтальные рудного разгрузочные тела σ () (вертикальные щели). Для разгрузочные измерения напряжений щели) и выбраны вертикальные σZ( ) к(горизонтальные разгрузочные щели). Для измерениянап ряжений выбраны участки в двух взаимно перпендикулярных выработках, вертикальные σ к (горизонтальные разгрузочные щели). Для измерения вертикальныеучастки σZ( ) в (горизонтальные двух взаимно перпендикулярных разгрузочные щели).выработках, Для участки измеренияучастки расположения расположения замерных станций обозначены красным цветом (рис. 2). напряжений выбраны Z( участки ) в двух взаимно перпендикулярных выработках, напряжений выбранызамерных участки станций в обозначены двух взаимно красным перпендикулярных цветом (рис. 2). выработках, Расчеты напряжений на стенках выработок производились по методикам участкинап расположенияряжений выбраны замерных участки станций в двух обозначены взаимно красным перпендикулярных цветом (рис. выработках, 2). участки расположенияРасчеты замерных напряжений станций на стенках обозначены выработок красным производились цветом (рис.Федеральных по2). методикам норм Фе- и правил (Приказ Ростехнадзора от 02.12.2013 № 576 «Об Расчетыучастки напряжений расположения на замерных стенках выработокстанций обозначены производились красным по цветом методикам (рис. 2). Расчеты напряженийдеральных норм на стенках и правил выработок (Приказ Ростехнадзора производились от по 02.12.2013 методикамутверждении № 576 «Об Федеральныхут- норм и правил в области промышленной ФедеральныхРасчеты норм напряжений и правил (Приказ на стенках Ростехнадзо выработокра от производились 02.12.2013 № по576 методикам«Об Федеральных норм и правил (Приказ Ростехнадзора от 02.12.2013 № 576безопасности «Об «Положение по безопасному ведению горных работ на утвержденииФедеральных Федеральных норм и правил норм (Приказ и правил Ростехнадзо в областира от 02.12.2013 промышленной № 576 «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленнойместорождениях, склонных и опасных по горным ударам» (Зарегистрировано в безопасностиутверждении «Положение Федеральных по безопасному норм и правил ведению в горных области работ промышленной на безопасности «Положение по безопасному ведению горных работМинюсте на России 04.04.2014 № 31822)) приведены в табл. 1, где ΔU – месторождениях,безопасности склонных «Положение и опасных по по безопасному горным ударам» ведению (Зарегистрировано горных работ в на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам» (Зарегистрированодеформация в пород после образования разгрузочной щели, cм; L – ширина щели, Минюстеместорождениях, России 04.04.2014 склонных № и 3182опасных2)) приведеныпо горным ударам» в табл. (Зарегистрировано 1, где ΔU – в Минюсте России 04.04.2014 № 31822)) приведены в табл. 1, где c Δм;U l –– расстояние между измеряемыми реперами, cм; hщели – расстояние от деформацияМинюсте пород России после образования 04.04.2014 №разгрузочной 31822)) приведены щели, cм; L в –табл. ширина 1, щели, где ΔU – деформация пород после образования разгрузочной щели, cм; L – ширинапочвы щели, выработки до центра щели, см; K к , K к – коэффициенты cм; l деформация– расстояние пород между после измеряемыми образования реперами, разгрузочной cм; щели,hщели – c м;расстояние L – ширина от щели, () () cм; l – расстояние между измеряемыми реперами, cм; hщели – расстояние от cм; l – расстояние между измеряемыми реперами,к к cм; hщели – расстояние от почвы выработки до центра щели, см; K () ,к K() –к коэффициентыконцентрации напряжений σ и σ в направлениях соответственно почвы выработки до центра щели, см; K ()к , K()к – коэффициенты почвы выработки до центра щели, см; K () , K() – коэффициенты концентрации напряжений σ и σ в направлениях соответственноперпендикул ярно и параллельно щели [6]; K Z(Z) , Ki(Z) – коэффициенты концентрации напряжений σ и σ в направлениях соответственно концентрации напряжений σ и σ в направлениях соответственно перпендикулярно и параллельно щели [6]; K Z(Z) , Ki(Z) – коэффициенты перпендикулярно и параллельно щели [6]; K Z(Z) , Ki(Z) – коэффициенты перпендикулярно и параллельно щели [6]; K Z(Z) , Ki(Z) – коэффициенты
ISSNISSN 0536 0536-1028-1028 «Изв«Известияестия вузов. вузов. Горный Горный журнал», журнал», № 5 №, 20 520, 20 20 3 3 ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 3 ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 20естественных20 естественных3 первоначальных первоначальных напряжений напряжений массива массива пород пород в текущий в текущий период период естественных первоначальных напряжений массива пород в текущий период (Приказ (Приказ Ростехнадзора Ростехнадзора от от 02.12.20 02.12.2013 13 № №576 576 «Об «Об утверждении утверждении Федеральных Федеральных (Приказ Ростехнадзораестественных от первоначальных 02.12.2013 № 576 напряжений «Об утверждении массива пород Федеральных в текущий норм периоднорм и правили правил в областив области промышленной промышленной безопасности безопасности «Положение «Положение по по норм и правил(Приказ в области Ростехнадзора промышленной от 02.12.20 безопасности13 № 576 «Об «Положение утверждении по Федеральных безопасномубезопасному ведению ведению горных горных работ работ на месторождениях,на месторождениях, склонных склонных и опасных и опасных по по безопасному нормведению и горных правил работ в области на месторождениях, промышленной склонных безопасности и опасных «Положение по горным горным по ударам» ударам» (Зарегистрировано (Зарегистрировано в Минюсте в Минюсте России России 04.04.2014 04.04.2014 № 31822))№ 31822)). . горным ударам»безопасному (Зарегистрировано ведению горных в Минюсте работ Россиина месторождениях, 04.04.2014 № 31822)) склонных. и опасныхГорно поГорно -гео-геологическиелогические условия условия включали включали оценку оценку концентрации концентрации естественных естественных Горно-геогорнымлогические ударам» условия (Зарегистрировано включали оценку в Минюсте концентрации России естественных 04.04.2014 № 31822))напряженийнапряжений. около около выработок выработок и выработанных и выработанных пространств пространств с учетом с учетом геологии геологии напряжений околоГорно выработок-геологические и выработанных условия включали пространств оценку с учетом концентрации геологии естественных рудныхрудных залежей залежей (мощности, (мощности, падения, падения, длины длины по по простиранию простиранию и т.и т. д.) д.) и и рудных залежейнапряжений (мощности, около падения, выработок длины и выработанных по простиранию пространств и т. с д.) учетом и геологииприменяемойприменяемой системы системы разработки. разработки. применяемойрудных системы залежей разработки. (мощности, падения, длины по простиранию и т. д.)Анализ иАнализ ситуационного ситуационного хар характераактера показывает: показывает: Анализ ситуационногоприменяемой харсистемыактера разработки. показывает: 1. Уровень1. Уровень естественных естественных первоначальных первоначальных напряжений напряжений массива массива пород пород 1. Уровень естественныхАнализ ситуационного первоначальных характера напряжений показывает: массива пород остаетсяостается высоким высоким с дальнейшим с дальнейшим увеличением увеличением сжатия сжатия (замер (замер на на четырех четырех остается высоким1. Уровень с дальнейшим естественных увеличением первоначальных сжатия напряжений (замер на массива четырех пород станцияхстанциях гор. гор. –400 –400 м). м). станциях гор. –400остается м). высоким с дальнейшим увеличением сжатия (замер на четырех2. 2. Проблемными Проблемными участками участками для для наблюдений, наблюдений, шахтных шахтных замеров, замеров, 2. Проблемнымистанциях гор. участками –400 м). для наблюдений, шахтных замеров, геомеханическихгеомеханических расчетов расчетов и и численного численного моделирования моделирования с с выдачей выдачей геомеханических2. расчетов Проблемными и численного участками моделирования для наблюдений, с выдачей шахтных замеров, рекомендацийрекомендаций по по профилактике профилактике удароопасности удароопасности и обеспечению и обеспечению устойчивости устойчивости рекомендацийгеомеханических по профилактике расчетов удароопасности и численного и обеспечению моделирования устойчивости с выдачейнамечены:намечены: намечены: рекомендаций по профилактикеISSN 0536 удароопасности-1028 и обеспечению устойчивости«Известия –вузов. горно– горноГорный-капитальные-капитальные журнал», № выработки 5, 20выработки20 3 гор. гор. –400 –400 м и м гор. и гор. –480 –480 м, особенном, особенно северный северный – горно-капитальныенамечены: выработки гор. –400 м и гор. –480 м, особенно северный естественных первоначальных напряжений массиваполевойполевой штрек, пород штрек, находящийся в текущийнаходящийся период в проходке; в проходке; полевой штрек, –находящийся горно-капитальные в проходке; выработки гор. –400 м и гор. –480 м, особенно северный– горно– горно-подготовительные-подготовительные и нарезные и нарезные выработки выработки гор. гор. –400 –400 м СПУ, м СПУ, особенно особенно – горно-подготовительныеполевой штрек, находящийся и нарезные(Приказ выработкив проходке; Ростехнадзора гор. –400 м СПУ, от 02.12.20 особенно13 № 576 «Об утверждении Федеральных норм и правил в области промышленнойвыработки безопасностивыработки днищ днищ блоков. «Положение блоков. по выработки днищ– блоков.горно-подготовительные и нарезные выработки гор. –400 м СПУ, особенноОценкаОценка распределения распределения природных природных напряжений напряжений массива массива пород. пород. Оценка выработки распределения днищ блоков. природных безопасному напряжений ведению горных массива работ пород. на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам» (Зарегистрировано в МинюстеИзмерение РоссииИзмерение 04.04.2014 напряжений напряжений № 31822)) горных горных. пород пород производилось производилось по по методике методике ИГД ИГД УрО УрО Измерение напряженийОценка горных распределения пород производилось природных по напряжений методике ИГД массива УрО РАН. пород.РАН. Основные Основные положения положения методики методики приведены приведены в [6 в– [68].– 8]. РАН. ОсновныеИзмерение положения напряжений методики горныхприведеныГорно пород в-гео [6 – производилосьлогические8]. условия по методике включали ИГД оценку УрО концентрации естественных напряжений около выработок и выработанных Оценка пространствОценка действующего действующего с учетом геологиинапряжения напряжения в элементе в элементе массива массива производилась производилась путем путем Оценка действующегоРАН. Основные напряжения положения в методикиэлементе приведенымассива производилась в [6–8]. путем выбуриваниявыбуривания щели щели и замера и замера деформаций деформаций распорных распорных реперов, реперов, установленных установленных на на выбуривания щелиОценка и замера действующего деформаций напряжениярудных распорных залежей в элементереперов, (мощности, установленныхмассива производилась падения, на длины путем по простиранию и т. д.) и применяемой системы разработки. бортахбортах этой этой щели щели (рис. (рис. 1). 1). Шпуры Шпуры под под распорные распорные реперы реперы бурились бурились бортах этойвыбуривания щели (рис. щели 1). и Шпурызамера деформаций под распорные распорных реперы реперов, бурились установленных электроперфораторомэлектроперфоратором на глубиной глубиной не болеене более 50 50мм, мм, диаметром диаметром 10 10мм. мм. Оформление Оформление электроперфораторомбортах этой глубиной щели не (рис.более 50 1).Анализ мм, Шпуры диаметром ситуационного под 10 распорные мм. хар Оформлениеактера реперы показывает: бурились 1. Уровень естественных первоначальных напряженийразгрузочнойразгрузочной массива щели щели осуществлялось пород осуществлялось пропиливанием пропиливанием автономным автономным инструментом инструментом разгрузочнойэлектроперфоратором щели осуществлялось глубиной пропиливанием не более автономным 50 мм, диаметром инструментом 10 мм. Оформление с алмазнымс алмазным диском диском диаметром диаметром 350 350 мм. мм. с алмазным дискомразгрузочной диаметром щели 350 осуществлялось мм. остается пропиливанием высоким с дальнейшимавтономным инструментом увеличением сжатия (замер на четырех станциях гор. –400 м). КакКак правило, правило, на на штреках штреках измеряются измеряются горизонтальные горизонтальные напряжения, напряжения, Как правило,с алмазным на диском штреках диаметром измеряются 350 мм. горизонтальные напряжения, к к действующие по простиранию рудного тела σ σ (вертикальные разгрузочные Как правило, на штреках2. измеряютсяПроблемнымик горизонтальные участками для напряжения, наблюдений,действующие шахтных по простиранию замеров, рудного тела() () (вертикальные разгрузочные действующие по простиранию рудногогеомеханических тела σ() (вертикальные расчетов разгрузочные и численного моделирования с выдачей действующие по простиранию рудного тела σк (вертикальные разгрузочныещели)щели) и вертикальные и вертикальные напряжения напряжения σк σк (горизонтальные (горизонтальные разгрузочные разгрузочные щели), щели), щели) и вертикальные напряжения σк рекомендаций (горизонтальные по профилактике разгрузочные() щели),удароопасности и обеспечению устойчивости Z( ) Z( ) Z( )намечены:к щели) и вертикальные напряжения σZ( ) (горизонтальные разгрузочные где щели),где к – к номер– номер точки точки замера. замера. В ортах В ортах измеряются измеряются напряжения, напряжения, действующие действующие где к – номер точки замера. В ортах измеряются– горно-капитальные напряжения, выработки действующие гор. – 400 м и гор. –480 м, особенно северный к к вкрествкрест простирания простирания рудного рудного тела тела σ σ (вертикальные (вертикальные разгрузочные разгрузочные щели) щели) и и где к – номер точки замера.к полевой В ортах штрек, измеряются находящийся напряжения, в проходке; действующие () () вкрест простирания рудного тела σ (вертикальные разгрузочные щели) и () – горнок-подготовительные и нарезные выработки гор. –400 км СПУ,к особенно вкрест простирания рудного тела σ (вертикальные разгрузочные щели)вертикальныевертикальные и σ σ (горизонтальные (горизонтальные разгрузочные разгрузочные щели). щели). Для Для измерения измерения вертикальные σк (горизонтальные выработки разгрузочные() днищ щели). блоков. Для измерения Z( )Z( ) Z( ) к вертикальные σZ( ) (горизонтальныеОценка разгрузочные распределения щели). природных Для измерения нап напряженийнапряженийряжений выбраны выбраны массива участки участки пород. в двух в двух взаимно взаимно перпендикулярных перпендикулярных выработках, выработках, напряжений выбраны участки в двух взаимноИзмерение перпендикулярных напряжений горных выработках, пород производилосьучасткиучастки расположения порасположения методике замерных ИГД замерных УрО станций станций обозначены обозначены красным красным цветом цветом (рис. (рис. 2). 2). напряжений выбраны участки в двух взаимно перпендикулярных выработках, участки расположения замерных станцийРАН. обозначены Основные красным положения цветом методики (рис. 2). приведены Расчеты в [6Расчеты–8]. напряжений напряжений на на стенках стенках выработок выработок производились производились по по методикам методикам участки расположения замерных станций обозначены красным цветом (рис. 2). Расчеты напряжений на стенках выработокОценка производились действующего понапряжения методикам в элементеФедеральныхФедеральных массива производилась норм норм и правил и правил путем (Приказ (Приказ Ростехнадзо Ростехнадзора раот от02.12.2013 02.12.2013 № 576№ 576 «Об «Об Расчеты напряжений на стенкахISSN выработок 0536-1028 производились по методикам «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 23 Федеральных норм и правил (Приказ Ростехнадзовыбуриванияра щелиот 02.12.2013 и замера деформаций№ 576 «Об распорныхутвержденииутверждении реперов, Федеральных установленных Федеральных норм на норм и и правил правил в в области области промышленной промышленной Федеральных норм и правилбортах (Приказ этой Ростехнадзо щели (рис.ра от 1).02.12.2013 Шпуры № под576 «Об распорные реперы бурились утверждении Федеральных норм и правил в области промышленной безопасностибезопасности «Положение «Положение по по безопасному безопасному ведению ведению горных горных работ работ на на утверждении Федеральныхэлектроперфоратором нормверждении и правил Федеральных глубиной в области ненорм более промышленной и правил 50 мм, в диаметромобласти промышленной 10 мм. Оформление безопасности безопасности «Положение по безопасному ведению горных работ на месторождениях,месторождениях, склонных склонных и опасных и опасных по погорным горным ударам» ударам» (Зарегистрировано (Зарегистрировано в в безопасности «Положениеразгрузочной по безопасному«Положение щели осуществлялось по ведению безопасному горных ведениюпропиливанием работ горных на работавтономным на месторождениях, инструментом склон- месторождениях, склонных и опасных по горным ударам» (Зарегистрировано в МинюстеМинюсте России России 04.04.2014 04.04.2014 № № 3182 31822)) 2))приведены приведены в табл. в табл. 1, 1, где где Δ UΔ U– – месторождениях, склонных си алмазным опасныхных подиском и горным опасных диаметром ударам» по горным 350(Зарегистрировано мм. ударам» (Зарегистрировано в в Минюсте России Минюсте России 04.04.2014 № 31822)) приведены в табл. 1, где ΔU – деформация пород после образования разгрузочной щели, cм; L – ширина щели, Как 04.04.2014 правило, № на 31822) штреках), результаты измеряются приведены деформация горизонтальные в табл. 1, гдепород Δ U после– напряжения, деформация образования пород разгрузочной щели, cм; L – ширина щели, деформация Минюстепород после России образования 04.04.2014 разгрузочной № 3182 щели,2)) приведены cм; L – ширина в табл. щели, 1, где ΔUк – cм;c м;l – l расстояние– расстояние между между измеряемыми измеряемыми реперами, реперами, cм; c м;hщели hщели – расстояние– расстояние от от действующие по простиранию рудного тела σ() (вертикальные разгрузочные cм; l – расстояниедеформация между пород измеряемыми после образования реперами,после разгрузочной cобразованиям; h щели – щели, расстояниеразгрузочной cм; L – от ширинащели, cм; щели, L – ширина щели, cм; l – расстояние меж- к к к к почвыпочвы выработки выработки до до центра центра щели, щели, см ;см K; K , K, K – –коэффициенты коэффициенты cм; l – расстояние между измеряемымидук измеряемыми реперами,к 4 реперами, “cIzvestiyaм; hщели vysshikh cм;– красстояние h uchebnykh – расстояние zavedenii. от Gornyiот почвы zhurnal выработки”. No. 5. 20 20до центра ISSN 0536()-1028() ()() почвы выработки до центра щели, щели)см; K и вертикальные, K 4 – “ напряженияIzvestiyaкоэффициенты vysshikh σ Z(uchebnykhщели ) (горизонтальные zavedenii. Gornyi разгрузочные zhurnal”. No. 5 . щели),2020 ISSN 0536-1028 () ()4 к “Izvestiyaк vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal”. No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 4 “Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal”. No.щели, 5. 20 20 см; ISSN 0536 -1028 – коэффициенты концентрации концентрации напряжений напряжений σ σ ки и σ в направлениях соответственно почвы выработки до центра щели, см; K () , K ()4 – “коэффициентыIzvestiya vysshikhконцентрации uchebnykh zavedenii. напряжений Gornyi zhurnal к”. No. и5 . 20σ20 в направленияхISSN 0536-1028 соответственно концентрации напряжений σ и σгде кв – направленияхномер точкиконцентрации замера. соответственно В ортах напряжений измеряются на напряжения, контуре выработки действующие [6]; σ кZ – вертикальные в направленияхкконцентрацииконцентрации соответственно напряжений напряжений перпендикулярно на на контуре контуре и выработки выработки параллельно [6]; [6]; щели σZσ – – [6]; вертикальныевертикальные 4 “Izvestiyaк vysshikh uchebnykh zavedenii.к Gornyi zhurnal”. No.Z 5. 2020 к ISSN 0536-1028 концентрации концентрации напряжений на напряжений контуре выработкивкрест σ простирания и [6];σ σвZ – направлениях рудного вертикальные тела σ соответственно (вертикальныеперпендикулперпендикул разгрузочныекярноярно и параллельнои параллельно щели) и щели щели [6]; [6]; K Z(Z)K Z(Z), K, i(Z)Ki(Z) – коэффициенты– коэффициенты перпендикулярно и параллельно щели [6]; K , K напряжениянапряжения –– коэффициентыкоэффициенты наконцентрации на контуре контуре() концентрации выработки; выработки; напряжений напряжений σ σк –на –горизонтальные горизонтальные контуре на контуре выработки выработ- на напряженияпряжения [6]; σ вкрест Z вкрест – вертикальные к Z(Z) i(Z)i напряжения на контуре выработки; – горизонтальные напряженияк вкрест к σ к к напряжения на перпендикул контуре выработки;ярно и параллельноσ – горизонтальные щели [6]; на пряженияK , Kконцентрации вкрест – коэффициенты напряжений нак контуре выработки [6]; σZ – вертикальные вертикальныеки [6]; σZ( –простирания )вертикальныепростирания (горизонтальныеZ(Z) i(Z) напряжения на напряжения на контуре контуре разгрузочные на выработки;на выработки; контуре контуре щели). выработки;выработки;σ σк – Для–горизонтальные горизонтальные σ измерения –– горизонтальгоризонтальные напряжения напряжения- на пряжения по по вкрест к простирания на контуре выработки; σ – горизонтальныек напряжения по простирания на контуре выработки; σ – горизонтальные напряжения по м к ные напряжения вкрестнапряжения простирания на на контуре контуре выработки;выработки;м σ – – горизонтальные горизонтальные напряжения вкрест напряжений выбраныпростиранию участки впростирания двух на контуре взаимно на выработки, перпендикулярных контуре МПа.выработки; σм Z выработках, – вертикальныеσ – горизонтальные напряжения напряжения в по м простираниюпростиранию на на контуре контуре выработки, выработки, МПа. МПа. σ Z – –вертикальные квертикальные напряжения напряжения в в напряжения по простиранию на контурем выработки, МПа; σZ – вертикальныем на- простиранию на контуре выработки, МПа.участки σZ – вертикальныерасположения замерных напряженияпростирания станций в обозначены м на контуре красным выработки; цветом σ (рис. – 2).горизонтальные напряжения по массивемассиве пород, пород,простиранию МПа; МПа; σм – на–горизонтальные горизонтальные контуре выработки, напряжения напряжения МПа. вкрестσ вкрестZ – вертикальные простирания простирания в напряжения в в м пряжения в массивемассиве пород, пород, МПа; МПа; σ – –горизонтальные горизонтальные напряжения напряжения вкрестм вкрест про простирания- в Расчеты напряжений на стенках выработокσ производилисьм м по методикам массиве пород, МПа; σ – горизонтальные напряжения вкрест простиранияпростиранию в на контурем выработки, МПа. σZ – вертикальные напряжения в Федеральныхстирания норм в массивемассивеи правил горныхгорных (Приказмассиве пород,пород, Ростехнадзо пород, МПа; МПа; σмра – от σгоризонтальны горизонтальные 02.12.2013– горизонтальные №е напряжения576 напряжения «Об напряжения по по простиранию вкрест простирания в м массиве горных пород, МПа; σ – мгоризонтальные напряжения по простиранию массиве горных пород, МПа; σ – горизонтальным е напряжения по простиранию массиве горных пород, МПа; σ – горизонтальные простираниюнапряжения по в массивепростираниюмассиве горных пород, пород, МПа; МПа. σ В применяемом– горизонтальные варианте напряжения щелевой вкрест простирания в утверждении Федеральныхв в массиве массиве горных нормгорныхмассиве пород, и пород,горных правил МПа. МПа.пород, в В В области применяемомМПа; применяемом σ – промышленной горизонтальны варианте варианте щелевой щелевойе напряжения разгрузки разгрузки по простиранию в массиве горных пород, МПа. В применяемомм варианте щелевой разгрузки в массиве горных пород, МПа. В применяемомбезопасности разгрузки варианте «Положение щелевоймодульмодульмодуль упругости упругости разгрузкиупругости массиве пов массиве безопасному горных горных горных горных пород пород, пород ведению нана пород, МПа;на исследуемомисследуемом исследуемом МПа.σ горных – горизонтальны В участкеучастке применяемом участке работ по по по наданным е данным даннымнапряжения варианте статических статических щелевойпо простиранию разгрузки модуль упругости горных пород на исследуемом участкестатических по данным модульиспытаний статических упругости (замерная горных станция пород 1) наЕ =исследуемом 60 ГПа и (замерная участке станцияпо данным 2) статических месторождениях, испытанийсклонныхиспытаний ив (замерная опасных массиве(замернаямодуль по упругости станция горных станциягорным пород,1) горныхударам»1) Е Е= =60 МПа. 60пород ГПа(Зарегистрировано ГПа Ви на и(замерная применяемом (замернаяисследуемом станция станция в вариантеучастке 2) 2) Е Епо = щелевой = 60данным 60 ГПа, ГПа, разгрузкистатических испытаний (замерная станция 1) Е = 60 ГПа и (замерная станцияиспытаний 2) Е = 60 (замерная ГПа, станция 1) Е = 60 ГПа и (замерная станция 2) Е = 60 ГПа, МинюстеЕ = России60 ГПа, коэффи коэффициент 04.04.2014коэффициентциентмодуль №испытанийПуассона Пуассона Пуассона 3182 упругости2)) μ μ(замерная μ= приведены= =0,2 0,2 горных0,2 и и и μμ μ =станция= = пород0,30,3 в0,3 соответственно,соответственно, табл. соответственно, на1) исследуемомЕ 1,= 60 где ГПа Δ среднийUсредний исредний участке(замерная– радиусра радиуспо- станцияданным щели щели статическихR2) R Е = 60 ГПа, коэффициент Пуассона μ = 0,2 и μ = 0,3 соответственно,деформациядиус породщели средний Rпослекоэффи == 17,5радиус17,5 образования см;см;циент щели среднеесреднее Пуассона R разгрузочной расстояниерасстояние μ = 0,2 между междуи щели, μ = 0,3 центрамицентрами cм; соответственно, L – ширина отверстийотверстий щели, средний длядля установкиуста радиус- реперовщели R = =17,5 17,5 см; см; среднееиспытаний среднеекоэффи расстояние расстояниециент (замерная Пуассона между между станция μцентрами центрами= 0,21) Е и =μ отверстий 60 =отверстий 0,3 ГПа соответственно, и (замернаядля для установки установки станция средний реперов реперов 2) радиусЕ = 60 щелиГПа, R = 17,5 см; среднее расстояние между центрамиcм; отверстийl – новкирасстояние для реперов установки между l измеряемыми реперов= 7 см; коэффициенты реперами, cм; h концентрациищели – расстояние напряжений от l =l =7 7см; см; коэффициенты коэффициенты= 17,5 см; среднееконцентрации концентрации расстояние напряжений напряжений между центрамиk k ср = =– отверстий 0,03;–0,03; k k () дляср = =– установки0,07.–0,07. реперов l = 7 см; коэффициентыкоэффициент Пуассона концентрациик μ = 0,2к напряжений и μ = 0,3 соответственно, k ср = –0,03; средний()ср = – радиус0,07. щели R l = 7 см; коэффициенты концентрации напряжений k = –0,03; k = –0,07. ср k ()ср почвы выработки ср до Методика() центраср = 17,5 l = щели, измерений7 см; см; среднее коэффициентысм; деформационныхK расстояние() , концентрацииK() между – коэффициенты линий.центрами напряжений Для отверстий подземного k для = установки полигона–0,03; k реперов = –0,07. МетодикаМетодика измерений измерений деформационных деформационных линий. линий. Для Для подземного подземного ср полигона полигона () ср Методика измерений деформационных линий. Для подземноговыбраны полигона l различно= 7 см; коэффициенты ориентированные концентрации выработки напряжений (приблизительно k = под –0,03; прямым k = –0,07. концентрации напряженийвыбранывыбраны различно различноσ Методика и ориентированные ориентированныеσ в измерений направлениях выработки деформационныхвыработки соответственно (приблизительно (приблизительно линий. ср Для под под подземного прямым прямым() ср полигона выбраны различно ориентированные выработки (приблизительноТаблица 1.углом Результатыуглом под друг друг прямым замера к к другу)напряженного другу) в в околоствольном околоствольномсостояния на стенках дворе дворе выработок на на гор.массива гор. 40 400 0 м м шахты шахты перпендикулярно иуглом «Северопесчанская», параллельно другвыбраныМетодика к щели другу) различно в [6]; измерений которых в K околоствольном ориентированные заложены, деформационныхK – реперные коэффициенты дворе выработки налинии линий. гор. (приблизительно на Для 40 базах 0 подземного м до шахты 50 м. под полигона прямым углом друг к другу) в околоствольном дворе на гор.«Северопесчанская», 400 м шахтыугломметодом друг в которыхщелевой к другу)Z(Z) разгрузки заложены вi(Z) околоствольном реперные линии дворе на базах на до гор. 50 40м. 0 м шахты «Северопесчанская», в которых заложены реперные линии на«Северопесчанская»,Расстояния базах довыбраны 50 между м. различно реперами в которых ориентированные измеряются заложены рулеткой реперные выработки по линии методике (приблизительно на базахгибких до нитей 50 под м., прямым Table 1. TheРасстоянияРасстояния results ofуглом measuring между «Северопесчанская», между друг реперами the реперами stress к другу)state измеряются измеряются on the в в которых walls околоствольном рулеткойof рулеткой the заложены workings по по of методике реперныеметодикеthe дворе array на гибких гибких линии гор. нитей нанитей 40 0 базах , м, шахты до 50 м. Расстояния между реперами измеряются рулеткой по методикереперыреперы гибких забетонированы забетонированы нитейby, the method непосредственно непосредственно of gap discharge на на контуре контуре выработок выработок [9 [9–11].–11]. Для Для реперыизмерения забетонированы«Северопесчанская», Расстояния смещений междупо непосредственно реперным в реперами которых линиям измеряются заложены на контуре первого реперные рулеткой выработок типа линии маркшейдерскаяпо методике [9 – на11]. базах Для гибких до 50 нитей м. , реперы забетонированы непосредственно на контуре выработокизмерения [9–11]. смещений Для по реперным линиям первогок типак маркшейдерскаяк Номер ΔUизмерения, L, реперы смещенийhщели, забетонированы к по репернымк непосредственнолиниям первогоσ , σ на , типа контуреσ маркшейдерская, выработок [9–11]. Для измерения смещений по реперным линиям первого типа рулетка маркшейдерская lРасстояния оборудована, см K между специальным K реперами K измерителем измеряютсяK Z рулеткой с нониусом, по методике позволяющим гибких нитей, щели рулеткасм см оборудованаизмерениясм специальным () смещений() по измерителемZ(Z) репернымi(Z) слиниям нониусом, первого позволяющим типа маркшейдерская рулеткавыполнять оборудованареперы измерения забетонированы с специальнымпогрешностью непосредственно измерителем 0,01 мм. МПа с на нониусом,МПа контуре МПа выработок позволяющим [9– 11]. Для рулетка оборудована специальным измерителем с нониусом,выполнять позволяющим измерениярулетка с оборудована погрешностью специальным 0,01 мм. измерителем с нониусом, позволяющим 1 верт. 0,049выполнять Исследование 34 12,5измерения измерения 130 характера – смещений 0,03с погрешностью –0,33 переменных по 2,8 реперным 0,01–0,96 мм. напряжений линиям– – первого [6]–47,6 заключалось типа маркшейдерская в выполнять измерения с погрешностью 0,01 мм. Исследованиевыполнять характера измерения переменных с погрешностью напряжений 0,01 мм. [6] заключалось в Исследование характера переменных напряжений [6] следующем: заключалосьИсследованиерулетка в оборудована характера переменных специальным напряжений измерителем [6] с нониусом, заключалось позволяющим в 2 верт. 0,044следующем:следующем: 35 10,5 Исследование 115 –0,03 – 0,33 характера 2,78 –0,92 переменных – – напряжений–42,8 [6] заключалось в 1. Выбираласьвыполнять база измерения измерения с погрешностью длиной L0, относительно 0,01 мм. которой оценивали следующем: 3 гор. 0,0321. Выбиралась 33 11,6 118 база – 0,03 измерения –0,33 длино 2,37 й –L0,940, относительно –31,1 – которой– оценивали 1. Выбираласьследующем:Исследование база измерения характера длино переменныхй L0, относительно напряжений которой [6] оценивали заключалось в 1. Выбиралась база измерения длиной L0, относительно которойизменение оценивали длины реперной линии при последующих замерах. 4 верт. 0,035изменениеизменение 33 14,0следующем:длины длины 1. 140 реперной Выбиралась реперной– 0,03 линии линии–0,33 база при при измерения 2,8 последующих последующих–0,96 длино– замерах. йзамерах. –L34,00, относительно – которой оценивали изменение длины реперной линии при последующих замерах. 2.2. На На каждом каждомизменение пункте пункте длины измерения измерения реперной по по каждому линии каждому при направлению направлениюпоследующих реперных реперныхзамерах. линий линий 5 верт. 0,033изучалось 2. 34 На 12,3каждом геолого1. Выбиралась 140 пункте -тектоническое–0,03 измерения база–0,33 измерения строение2,8 по каждому–0,96 длино участков – направлениюй L0,– 32,1 относительно и оценивались– реперных которой упругие линий оценивали 2. На каждом пункте измерения по каждому направлениюизучалось реперных геолого линий2. На-тектоническое каждом пункте строение измерения участков по каждому и оценивались направлению упругие реперных линий изучалось геолого-тектоническое строение участков и оценивалисьизучалосьпараметры упругиеизменение геологомассива - тектоническое[6]:длины реперной строение линии при участков последующих и оценивались замерах. упругие параметрыпараметры массива массиваизучалось2. На каждом[6]: [6]: геолого пункте-тектоническое измерения по строение каждому участков направлению и оценивались реперных линий упругие параметры массива [6]: Методика измерений деформационных линий. Для подземного полигона изучалосьпараметры геолого массива-тектоническое [6]: n строение участков и оценивались упругие n выбраны различно ориентированные выработкиEEм0 (приблизительно 0, 9n , под прямым n параметры массива [6]: EEм00, 9 , EEм00, 9 , n EEм00, 9 , углом друг к другу) в околоствольном дворе на гор. –400 м шахты «Северопесчан- EEм00, 9 , где Ем, Е0 – модули упругости массива и образца,n МПа; n – число рангов ская», в которыхгде Е мзаложены, Е0 – модули реперные упругости линии на массива базах до и 50 образца, м. Расстояния МПа; nмежду – число рангов где Ем, Е0 – модули упругости массива EE и м0 образца, 0, 9 , МПа; n – число рангов где Ем, Е0 – модули упругости массива и образца,реперами МПа; измеряютсягеоблоковn геоблоков– число на рулеткой ранговна базе базе реперных реперных по методике линий. линий. гибких нитей, реперы забетонирова- геоблоков3. На геодинамическом нагде базе Е мреперных, Е0 – модули полигонелиний. упругости производили массива 3–4 ицикла образца, наблюдений МПа; n в– год число рангов геоблоков на базе реперных линий. ны непосредственно3. На геодинамическом на контурегеоблоков выработок на базеполигоне реперных [9–11]. производили Для линий. измерения 3–4 цикласмещений наблюдений по в год 3. На геодинамическом полигоне производили 3–4 цикла наблюденийспособом3. На геодинамическомгде приведенного в Егодм, Е0 – модули к горизонту полигоне упругости расстоянияпроизводили массива между 3 – и4 образца,опорнымицикла наблюдений МПа; точками n – [12]. вчисло год рангов реперным линиямспособомспособом первого приведенного приведенного типа3. На маркшейдерская геодинамическом к кгоризонту горизонту расстояния расстояниярулетка полигоне оборудована между между производили опорными опорными специаль 3 –точками 4точками -цикла [12].наблюдений [12]. в год 4. По геоблоков полученным на базе изменениям реперных длинылиний. линий ΔLj = (Lj – L0) определяли способом приведенного к горизонту расстояния между опорными4. точками По полученным [12]. изменениям длины линий ΔLj = (Lj – L0) определяли 4. По полученнымспособом приведенного изменениям к длины горизонту линий расстояния ΔLj = ( Lмеждуj – L 0опорными) определяли точками [12]. ным измерителемотносительную с нониусом,3. На деформацию геодинамическомпозволяющим массива выполнять полигоне горных измерения пород производили εj. с погрешно 3–4 цикла- наблюдений в год 4. По полученным изменениям длины линий ΔLj = (Lj относительную– L0) определяли деформацию массива горных пород εj. относительнуюспособом4. деформацию По приведенного полученным массива к горизонту изменениям горных породрасстояния длины εj. линий между Δ опорнымиLj = (Lj –точками L0) определяли [12]. относительную деформацию массива горных породстью εj. 0,01 мм. 5. По комбинации измерений на трех наблюдательных линиях, азимуты 5. По комбинацииотносительную измерений деформацию на трех массива наблюдательных горных пород линиях, εj. азимуты Исследованиекоторых5. характера По отличаются комбинации4. По переменных полученным более измерений чемнапряжений изменениям на на 25° трех– 30°,[6] назаключалось длины определялиблюдательных линий в измене Δследу L линиях,j =ние- (L j величины– азимуты L0) определяли 5. По комбинации измерений на трех наблюдательных которых линиях, отличаются азимуты5. По более комбинации чем на измерений25°–30°, определяли на трех на изменеблюдательныхние величины линиях, азимуты которых отличаются более чем на 25°–30°, определялиющем: изменекоторыхдействующихние величины относительную отличаются горизонтальных более деформацию чем напряжений на 25° массива–30°, и азимутов определялигорных породих действия: измене εj. ние величины действующихдействующихкоторых 5.горизонтальных горизонтальных По комбинации отличаются напряжений напряжений измерений более чем и и азимутов наазимутов на трех 25°– их30°, наих действия:блюдательных действия: определяли измене линиях,ние азимуты величины действующих горизонтальных напряжений и азимутов1. их Выбиралась действия: база измерения длиной L , относительно которой оценивали которыхдействующих отличаются горизонтальных более0 22 чем напряжений на 25°–30°, и определяли азимутов их измене действия:ние величины 22 изменение длины реперной линииEEI εпри I последующих II ε II sin22 α I III замерах. EE I ε I II ε II E III ε III sin α I II 22действующихEEIε I горизонтальных II ε II sin α I III напряжений EE I ε I II ε II и азимутов E III ε III sin их α Iдействия: II tg 2α;II EEIε I II ε II sin α I III EE I ε22 I II ε II E III ε III sin α I II EEIε I II ε II sin α I III EE I ε I II ε II E III ε III sin α I II tgtg 2α; 2IIα; II EEIε I IIIEE εIε III I sin II 2α ε III II sin α EE I I ε III I EE IIε I ε II I sin II2α ε III II E III ε III sin α I II tg 2α;II EEIε I III ε III sin 2αI II EE I ε I II ε II sin 2αI II EEε ε sin 2α EE ε ε sin 2α tg 2EEα;IεII I III ε III sin 2αI II22 EE I ε I II ε II sin 2αI II I I III III I II I I II II I II EEIε I II ε II sin α I III EE I ε I II ε II E III ε III sin α I II А(1μ)EEIε I EEI ε III I ε III sin II ε II 2α (1 I II μ) EE I ε I II ε II sin 2αI II tg 2α;II А(1А(1 μ)μ) EEI EE ε I ε II ε II ε (1 (1 μ) μ) σ,1,2 I I2 II II А(1 μ) EEI ε I II ε II (1 μ) σ,1,2σ,EEIε I III ε III2 sin 2αI II EE I ε I II ε II sin 2αI II σ, 1,2 ВА(1(1 μ)2μ) EEI ε I II ε II (1 μ) 1,2 2 В(1В(1 μ)μ) В(1 μ) σ,1,2 2 А(1 μ) EEI ε I II ε II (1 μ) σ,В(1 μ) 1,2 В(1 μ)2
4 “Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal”. No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 4 “Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal”. No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 концентрации напряжений на контуре выработки [6]; σк – вертикальные Zк концентрации напряжений на контурек выработки [6]; σZ – вертикальные напряжения на контуре выработки; σ – горизонтальные напряжения вкрест напряжения на контуре выработки; σк – горизонтальные напряжения вкрест простирания на контуре выработки; σ к – горизонтальные напряжения по простирания на контуре выработки; σ к – горизонтальные напряжения по простиранию на контуре выработки, МПа. σм – вертикальные напряжения в Zм простиранию на контурем выработки, МПа. σZ – вертикальные напряжения в массиве пород, МПа; σ – горизонтальные напряжения вкрест простирания в массиве пород, МПа; σм – горизонтальные напряжения вкрест простирания в массиве горных пород, МПа; σ м – горизонтальные напряжения по простиранию массиве горных пород, МПа; σ м – горизонтальные напряжения по простиранию в массиве горных пород, МПа. В применяемом варианте щелевой разгрузки модульв массиве упругости горных горных пород, пород МПа. на В исследуемом применяемом участке варианте по данным щелевой статических разгрузки испытаниймодуль упругости (замерная горных станция пород 1) наЕ =исследуемом 60 ГПа и (замерная участке постанция данным 2) статическихЕ = 60 ГПа, коэффииспытанийциент (замерная Пуассона станция μ = 0,2 1) и μЕ == 0,360 ГПасоответственно, и (замерная среднийстанция радиус2) Е = 60щели ГПа, R =коэффи 17,5 см;циент среднее Пуассона расстояние μ = 0,2 между и μ = 0,3центрами соответственно, отверстий средний для установки радиус реперов щели R = 17,5 см; среднее расстояние между центрами отверстий для установки реперов l = 7 см; коэффициенты концентрации напряжений k ср = –0,03; k ()ср = –0,07. l = 7 см; коэффициенты концентрации напряжений k = –0,03; k = –0,07. Методика измерений деформационных линий. Для ср подземного()ср полигона выбраныМетодика различно измерений ориентированные деформационных выработки линий. (приблизительно Для подземного под полигона прямым угломвыбраны друг различно к другу) ориентированные в околоствольном выработки дворе (приблизительно на гор. 40 0 под м прямым шахты «Северопесчанская»,углом друг к другу) в которых в околоствольном заложены реперные дворе линиина гор. на 40базах0 м до шахты 50 м. Расстояния«Северопесчанская», между реперами в которых измеряются заложены рулеткой реперные по линии методике на базахгибких до нитей 50 м., реперыРасстояния забетонированы между реперами непосредственно измеряются рулеткой на контуре по методике выработок гибких [9–11]. нитей Для, измеренияреперы забетонированы смещений по непосредственно реперным линиям на контуре первого выработок типа маркшейдерская [9–11]. Для рулеткаизмерения оборудована смещений специальным по реперным измерителемлиниям первого с нониусом, типа маркшейдерская позволяющим выполнятьрулетка оборудована измерения с специальнымпогрешностью измерителем0,01 мм. с нониусом, позволяющим выполнятьИсследование измерения характера с погрешностью переменных 0,01 мм. напряжений [6] заключалось в следующем:Исследование характера переменных напряжений [6] заключалось в следующем:24 1. Выбиралась "Izvestiya vysshikh база uchebnykh измерения zavedenii. длино Gornyiй L0 ,zhurnal". относительно No. 5. 2020 которойISSN оценивали 0536-1028 изменение1. Выбиралась длины реперной база измерения линии при длино последующихй L0, относительно замерах. которой оценивали изменение2.2. НаНа каждом длины пункте пунктереперной измерения измерения линии попри по каждому последующих каждому направлению направлению замерах. реперных реперных линий линий изу- изучалосьчалось2. На геолого-тектоническое каждом геолого пункте-тектоническое измерения строение строение по каждому участков участков направлению и оценивались и оценивались реперных упругие упругие линий пара- изучалось геолого-тектоническое строение участков и оценивались упругие параметрыметры массива массива [6]: [6]: параметры массива [6]:
n EEм0 0, 9 , EE 0, 9n , м0 где Ем, Е0 – модули упругости массива и образца, МПа; n – число рангов где Ем, Е0 – модули упругости массива и образца, МПа; n – число рангов геобло- геоблоковгдеков наЕм ,базе Е 0на реперных– баземодули реперных линий. упругости линий. массива и образца, МПа; n – число рангов геоблоков на базе реперных линий. 3.3. НаНа геодинамическомгеодинамическом полигонеполигоне производили 33–4–4 цикла наблюдений в год способом3. На геодинамическом приведенного к горизонту полигоне расстояния производили между 3–4 опорнымицикла наблюдений точками [12].в год способом приведенного к горизонту расстояния между опорными точками [12]. способом4. По полученнымприведенного изменениямк горизонту расстояния длины линий между ΔLj опорными= (Lj – L точками0) определяли [12]. 4. По полученным изменениям длины линий ΔL = (L – L ) определяли относи- относительную4. По полученным деформацию изменениям массива длиныгорных линий породj εΔj.L jj = 0(Lj – L0) определяли относительнуютельную5. По деформацию комбинации деформацию массива измерений массива горных на горных пород трех наεпородj.блюдательных εj. линиях, азимуты которых5.5. По По комбинации отличаются комбинации измерений более измерений чем на на натрех 25° трех –наблюдательных30°, на определялиблюдательных линиях, измене линиях, ниеазимуты величины азимуты кото- действующихкоторыхрых отличаются отличаются горизонтальных более болеечем на чем 25°–30°, напряжений на 25° определяли–30°, и азимутов определяли изменение их действия: измене величиныние величины действу- действующихющих горизонтальных горизонтальных напряжений напряжений и азимутов и азимутов их действия: их действия: EEε ε sin22 α EE ε ε E ε sin α tg 2α; I I II II22 I III I I II II III III I II II EEIε I II ε II sin α I III EE I ε I II ε II E III ε III sin α I II tg 2α; EEIε I III ε III sin 2αI II EE I ε I II ε II sin 2αI II II EEε ε sin 2α EE ε ε sin 2α I IА(1 III IIIμ) EEI ε II ε I I (1 II μ) II I II I I II II σ,1,2 А(1 μ) EE ε 2 ε (1 μ) σ,В(1I Iμ) II II 1,2 В(1 μ)2 ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 5 ISSN 0536-1028 «Изв естия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 5
где АEε cos2(α α )E ε cos2α ; B cos2(α α ) cos2α ; гдегде АEIIε cos2(αI I α I III )E III ε III cos2α I I ; B cos2(αI II α I III ) cos2αI II ; αα –– углуглы,ы, отсчитываемые отсчитываемые от первой от первой реперной реперной линии линии ко второй ко и второй третьей и ααI II I III – углы, отсчитываемые от первой реперной линии ко второй и против хода часовой стрелки, град; αI–I – азимут действия Δσ1, отсчитываемый от третьей против хода часовой стрелки, град; αI–I – азимут действия Δσ1, направления ЕI εI по часовой стрелке, град; EI, EII, EIII – модули деформации мас- отсчитываемый от направления ЕI εI по часовой стрелке, град; EI, EII, EIII – модулисива по деформацииреперным линиям массива с учетом по репе тектоникирным линиям массива; с учетом μ – коэффициент тектоники массива;Пуассо- модулина массива; деформации ε , ε , ε массива – относительная по реперным деформация линиям смассива учетом натектоники длине реперных массива; μ – коэффициентI II ПуассонаIII массива; εI, εII, εIII – относительная деформация μлиний. – коэффициент Пуассона массива; εI, εII, εIII – относительная деформация массива на длине реперных линий. 6. После статистической обработки получали средние значения Δσ1, Δσ2 и ази- 6. После статистической обработки получали средние значения Δσ1, Δσ2 и мут действия максимального сжимающего напряжения α . азимут действия максимального сжимающего напряжения1 α1. 7.7. За весь весь период период наблюдений наблюдений находили находили средний средний азимут азимут действия действия Δσ1 илиΔσ1 Δσили2, Δσкоторый2, кото принимаетсярый принимается за ось за абсцисс ось абсцисс X, и выбирали X, и выбирали Δσх, Δσ Δσу,х Δσ, Δσхуу так,, Δσ хучтобы так, чтобы сред- средние значения Δτху были минимальными. средниение значения значения Δτху Δτбылиху были минимальными. минимальными. АналогичныеАналогичные наблюдения наблюдения кроме кроме г. Краснотурьинска г. Краснотурьинс Свердловскойка Свердловской обл. (глу обл.- (глубинабина –520 – 520м) проводились м) проводились на подземных на подземных геодинамических геодинамических полигонах полигонах в г. Кушва в г. Кушва Свердловской обл. (–590 м), г. Нижний Тагил Свердловской обл. (–460 КушваСвердловской Свердловской обл. (–590 обл. м), ( –г.590 Нижний м), г. ТагилНижний Свердловской Тагил Свердловской обл. (–460 м),обл. г. Бере (–460- м), г. Березовский Свердловской обл. (–512 м), г. Гай Оренбургской обл. (–830 м).зовский Свердловской обл. (–512 м), г. Гай Оренбургской обл. (–830 м). ВВ ходе ходе анализа анализа результатов результатов натурных натурных исследований исследований было установлено было установлено явление явлениепериодического периодического изменения изменения НДС массива НДС горных массива пород горных вследствие пород расширения вследствие и расширениясжатия земной и сжатиякоры с временным земной коры интервалом с временным в среднем интервалом 11 лет в(рис. среднем 3) [13]. 11 лет (рис.Экспериментальным 3) [13]. путем определены гравитационная, тектоническая и пе- ременнаяЭкспериментальным «астрофизическая» путем составляющие определены грави напряженноготационная, состояния тектоническая массива и переменная «астрофизическая» составляющие напряженного состояния массива крепкихкрепких горных горных пород. пород. Пределы Пределы их значений их значений распределены распределены следующим следующим образом: крепких– гравитационную горных пород. составляющую Пределы определяют, их значений учитывая распределены значения следующим γН; образом: –– гравитационнуютектоническая составляющая составляющую находится определяют, в пределах учитывая от 0–40значения МПа γ Ни ;зависит от –условий тектоническая конкретного составляющая месторождения; находится в пределах от 0–40 МПа и зависит от условий– переменная конкретного «астрофизическая» месторождения; составляющая, определяемая для всей зем- ной– коры,переменная зафиксирована «астрофизическая» в пределах от составляющая,0 до 20 МПа, при определяемая этом прогнозируется для всей ее земнойувеличение коры, до 2022 зафиксирована г. на 3–4 МПа в в год. пределах от 0 до 20 МПа, при этом прогнозируется ее увеличение до 2022 г. на 3–4 МПа в год. Именно переменные «астрофизические» напряжения, суммируясь с гравитационными и тектоническими составляющими массива горных пород, в периоды экстремумов инициируют техноприродные катастрофы (Указания по безопасному ведению горных работ на участках Песчанского месторождения, опасного по горным ударам (ОАО «БРУ»), утв. 09.11.2015 г. 60 с.). Таким образом, геодеформационный мониторинг массива горных пород на гор. –400 м шахты «Северопесчанская» позволил за период с 2003 по 2019 г. получить значения параметров изменения природных напряжений в недрах, которые согласуются с результатами замеров на других рудниках Урала и рекомендуются к использованию при аналитических расчетах и моделировании процессов геотехнологии для оценки устойчивости выработок и степени их удароопасности. По результатам измерения напряжений на различных рудниках Урала и Сибири суммарные тектонические и пульсирующие напряжения достигают нескольких десятков МПа. При анализе мировых данных переменная составляющая достигает примерно 10 МПа, что также говорит о значительной величине тектонической составляющей. Для отдельных конструкций при расчете напряженного состояния был задан режим учета собственного веса. Такой подход широко апробирован на практике и представлен в работах [14–18]. Результаты исследований. Геодеформационный мониторинг показал, что только за период с 18.10.2018 по 30.01.2019 г. (за 3,5 мес.) горизонтальные нагрузки сжатия увеличились на 0,9 МПа, в то время как с 13.03.2019 по 18.10.2019 г. они возросли на такую же величину 0,9 МПа. При оценке напряженного состояния использованы параметры, полученные при замерах в ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 25 Именно переменные «астрофизические» напряжения, суммируясь с гравита- ционными и тектоническими составляющими массива горных пород, в периоды экстремумов инициируют техноприродные катастрофы (Указания по безопасно- му ведению горных работ на участках Песчанского месторождения, опасного по горным ударам (ОАО «БРУ»), утв. 09.11.2015 г. 60 с.).
0,00
–-0,50,5
–1,0 деформации -1,0
–-1,51,5 КраснотурьинскКраснотуринск Тагил –-2,02,0 Берёзовский Относительные дефрмации Относительные Гай –-2,52,5
Рис. 3. Результаты измерения относительной деформации массива горных пород на рудниках Урала Fig. 3. The results of measuring the relative deformation of the rock mass in the mines of the Urals
Таким образом, геодеформационный мониторинг массива горных пород на гор. –400 м шахты «Северопесчанская» позволил за период с 2003 по 2019 г. по- лучить значения параметров изменения природных напряжений в недрах, кото- рые согласуются с результатами замеров на других рудниках Урала и рекоменду- ются к использованию при аналитических расчетах и моделировании процессов геотехнологии для оценки устойчивости выработок и степени их удароопасно- сти. По результатам измерения напряжений на различных рудниках Урала и Си- бири суммарные тектонические и пульсирующие напряжения достигают не- скольких десятков МПа. При анализе мировых данных переменная составляющая достигает примерно 10 МПа, что также говорит о значительной величине текто- нической составляющей. Для отдельных конструкций при расчете напряженного состояния был задан режим учета собственного веса. Такой подход широко апро- бирован на практике и представлен в работах [14–18]. Результаты исследований. Геодеформационный мониторинг показал, что только за период с 18.10.2018 по 30.01.2019 г. (за 3,5 мес.) горизонтальные на- грузки сжатия увеличились на 0,9 МПа, в то время как с 13.03.2019 по 18.10.2019 г. они возросли на такую же величину 0,9 МПа. При оценке напряженного состоя- ния использованы параметры, полученные при замерах в натурных условиях и при геодеформационном мониторинге на шахте «Северопесчанская» (гор. –400 м), σz = –26,2 МПа – вертикальные, σх = –52,5 МПа, σy = –44,0 МПа – горизонтальные напряжения. Приведенные напряжения, концентрируясь в кровле горнокапитальных выра- боток, достигнут σθ = 52,5(2,1–2,6) = 110,3–136,5 МПа, что при прочности туфо- порфиритов [σ]сж = 158,2 МПа в основных закрепленных выработках руддвора гор. –400 м составит 0,70–0,86 категории «опасно» (Указания по безопасному ве- дению горных работ на участках Песчанского месторождения, опасного по гор- ным ударам (ОАО «БРУ»), утв. 09.11.2015 г. 60 с.).
66 ““IzvestiyaIzvestiya vysshikhvysshikh uchebnykhuchebnykh zavedenii.zavedenii. GornyiGornyi zzhurnalhurnal”.”. No.No. 55.. 20202020 ISSNISSN 05360536--10281028 натурныхнатурных условиях условиях и и при при геодеформационном геодеформационном мониторинге мониторинге на на шахте шахте «Северопесчанская»«Северопесчанская» (гор. (гор. ––400400 м), м), σ σzz == ––26,226,2 МПа МПа –– вертикальные,вертикальные, σ σхх == ––52,552,5 МПа,МПа, σσyy == ––44,044,0 МПаМПа –– горизонтальныегоризонтальные напряжения.напряжения. ПриведенныеПриведенные напряжения, напряжения, концентрируясь концентрируясь в в кровле кровле горно горно--капитальныхкапитальных выработок,выработок, достигнутдостигнут σσθθ == 52,5(2,152,5(2,1––2,6)2,6) == 110,3110,3––136,5136,5 МПа,МПа, чточто припри прочностипрочности туфопорфиритовтуфопорфиритов [σ] [σ]сжсж == 158,2 158,2 МПа МПа в в основных основных закрепленных закрепленных выработках выработках руддруддворавора гор. гор. ––400400 м м составит составит 0,70 0,70––0,860,86 категории категории «опасно» «опасно» ( (УказанияУказания по по безопасномубезопасному ведениюведению горныхгорных работработ нана участкахучастках ПесчанскогоПесчанского месторождения,месторождения, опасногоопасного попо горнымгорным ударамударам26 (ОАО(ОАО "Izvestiya «БРУ»),«БРУ»), vysshikh утв.утв. uchebnykh 09.11.201509.11.2015 zavedenii. г.г. 6060 Gornyi с.с.).). zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 В полевых откаточных штреках горизонта, пройденных по известнякам, В полевых откаточныхВ полевых штреках откаточных горизонта, штреках пройденных горизонта, по известнякам, пройденных по известнякам, на- нагрузкинагрузки составят составят σ σ00/[σ]/[σ]сжсж == (110,3(110,3––136,5)/98,0136,5)/98,0 == (1,12(1,12––1,39),1,39), что что в в грузки составят σ0/[σ]сж = (110,3–136,5)/98,0 = (1,12–1,39), что в незакрепленных незакрепленныхнезакрепленных выработках выработкахвыработках будет будет будет представлять представлять представлять опасность. опасность. опасность. В В В зоне зоне зоне ведения веденияведения добычных работ наи- добычныхдобычных работ работ наибольшие наибольшиебольшие напряжения напряжения напряжения возникают возникают в в в днище днище днище выработанного выработанного выработанного пространства гор. –400 м пространствапространства гор. гор. ––400400Северопесчанского м м Север Северопесчанскогоопесчанского участка, участка, участка, главным главным главным образом образом образом в штреках, в в дучках, восстающих, штреках,штреках, дучках, дучках, восстающих, восстающих,а также а а в также также призабойной в в призабойной призабойной части. части. части. В массиве В В массиве массиве днищ днищ днищ напряжения достигнут мм дндн напряжениянапряжения достигнутдостигнут σσдндн 110 110 МПа,МПа, аа вв выработкахвыработках σσθθ 275 275 МПа.МПа. Заключение.Заключение. ЗамерамиЗамерамиЗаключение. показаний показаний Замерами реперных реперных показаний линий линий геодеформационного геодеформационного реперных линий геодеформационного мо- мониторингамониторинга на на гор. гор. ниторинга––400400 мм зафиксированна зафиксирован гор. –400 м зафиксирован дальнейший дальнейший дальнейший рост рост п природныхриродных рост природных напряжений напряженийнапряжений сжатия сжатия по по сжатия всем всем направлениям, направлениям,по всем направлениям, составивший составивший составивший 1,8 1,8 МПа МПа 1,8 за за период периодМПа за с с период с марта 2018 г. мартамарта 20182018 г.г. ИсходяИсходя изизИсходя гипотезы,гипотезы, из гипотезы, выдвинутойвыдвинутой выдвинутой ИГДИГД УрОУрО ИГД РАН,РАН, УрО степеньстепень РАН, степеньсжатиясжатия сжатия верхней части верхнейверхней части части земной земной земной коры коры коры в в ближайшие ближайшие в ближайшие 2 2––33 2–3 года года года не не не имеет имеетимеет тенденции тенденции тенденции к к куменьшению. Потенци- уменьшению.уменьшению. ПотенциальнаяПотенциальнаяальная удароопа удароопаудароопасностьсностьсность остаетсяостаетсяостается высокой. высокой.высокой. ВыполненВыполнен инструментальныйинструментальныйВыполнен замерзамер инструментальный абсолютныхабсолютных параметровпараметров замер абсолютных напряженийнапряжений параметров нана напряжений на гор.гор. ––400400 мм в в штреке штреке лежачего лежачегогор. –400 бокам бока в штреке и и в в орте орте лежачего № № 4 4 Северопесчанского Северопесчанского бока и в орте № 4 Северопесчанского участка участка участка ме- методом щелевой разгрузки (5 щелей). Результаты замера показали, что методом щелевой разгрузкитодом щелевой (5 щелей). разгрузки Результаты (5 щелей). замера Результаты показали, замера чтопоказали, что напряжения напряжениянапряжения сжатия сжатия на на контуреконтуре выработок выработок имеют имеют высокие высокие значения, значения, составляющиесоставляющие додо 7070 %% отсжатияот прочностипрочности на контуре породпород выработок припри одноосномодноосном имеют сжатии. сжатии.высокие значения, составляющие до 70 % от прочности пород при одноосном сжатии. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКСПИСОК 1.1. МясковМясков А.А. В.В. МетодологическиеМетодологические основыосновы экологоэколого--экономическогоэкономическогоБИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ обоснованияобоснования СПИСОК сохранениясохранения естественныхестественных экосистемэкосистем вв горнопромышленгорнопромышлен1. Мясков А.ныхных В. регионахрегионахМетодологические //// ГИАБ.ГИАБ. 2011.2011. основы №№ 1.1. эколого-экономического С.С. 399399––401.401. обоснования сохранения 2.2. ММясковясков А.А. В.В. СовременныеСовременныеестественных экологоэколого экосистем--экономическиеэкономические в горнопромышленных проблемыпроблемы недропользованиянедропользования регионах // ГИАБ. //// ГИАБГИАБ 2011... № 1. С. 399–401. 2014.2014. №№ 2.2. С.С. 157157––160.160. 2. Мясков А. В. Современные эколого-экономические проблемы недропользования // ГИАБ. 3.3. TimoninTimonin V.V. V.,V., KondratenkoKondratenko2014. № 2.A.A. С. S.S. 157–160. ProcessProcess andand measuringmeasuring equipmentequipment transporttransport inin uncaseduncased boreholesboreholes //// J.J. Min.Min. Sci.Sci. 2015.2015. Vol.Vol.3. 51.51. Timonin No.No. 55.. V.PP.. V.,10561056 Kondratenko––1061.1061. A. S. Process and measuring equipment transport in uncased boreholes // 4.4. СидоровСидоров Д.Д. В.,В., Потапчук ПотапчукJ. Min. Sci. М.М. 2015.И.,И., Vol. Сидляр Сидляр 51. No. А.А. 5.В.В. P. 1056–1061. Прогнозирование Прогнозирование удароопасности удароопасности тектоническитектонически нарушенного нарушенного рудного4. рудного Сидоров массива массива Д. В., Потапчук на на глубоких глубоких М. И., Сидляр горизонтах горизонтах А. В. Прогнозирование Николаевского Николаевского удароопасности тектонически полиметаллическогополиметаллического месторожденияместорождениянарушенного //// ЗапискиЗаписки рудного ГорногГорног массиваоо института.института. на глубоких 2018.2018. Т.Т. 234.234. горизонтах С.С. 604604––611 611 Николаевского.. полиметаллического 5.5. ЕременкоЕременко В.В. А.,А., Гахова Гаховаместорождения Л.Л. Н.,Н., Семенякин Семенякин // Записки Е. Е.Горного Н.Н. Формирование Формированиеинститута. 2018. зон зонТ. 234. концентрации концентрации С. 604–611. напряженийнапряжений ии динамическихдинамических явленийявлений5. Еременко припри отработкеотработке В. А., Гахова рудныхрудных Л. Н., телтел Семенякин ТаштагольскогоТаштагольского Е. Н. Формирование месторожденияместорождения зон концентрации напряжений нана большихбольших глубинахглубинах //// ФТПРПИ.ФТПРПИ.и динамических 2012.2012. №№ 2.2. С.С.явлений 8080––887.7. при отработке рудных тел Таштагольского месторождения на больших 6.6. ЗубковЗубков А.А. В.В. ГеомеханикаГеомеханикаглубинах ии геотехнология.геотехнология. // ФТПРПИ. 2012. Екатеринбург:Екатеринбург: № 2. С. 80–87. ИГДИГД УрОУрО РАН,РАН, 2001.2001. 333333 с.с. 7.7. ЗубковЗубков А. А. В., В., Селин Селин К. К. В.,6. В., Зубков Сентябов Сентябов А. В. С. С. Геомеханика В. В. Закономерности Закономерности и геотехнология. формирования формирования Екатеринбург: напряженного напряженного ИГД УрО РАН, 2001. 333 с. состояниясостояния массивамассива горныхгорных породпород7. вв Зубков верхнейверхней А. частичасти В., Селин земнойземной К. корыкоры В., Сентябов //// Литосфера.Литосфера. С. В. 2015.2015. Закономерности №№ 66.. C.C. 116116 формирования–– напряженного 129.129. состояния массива горных пород в верхней части земной коры // Литосфера. 2015. № 6. C. 116–129. 8.8. КурленяКурленя М.М. В.,В., КулаковКулаков Г.8.Г. И.,КурленяИ., ХрамцовХрамцов М. В., В.В. Ф.КулаковФ. ВлияниеВлияние Г. И., разгрузочнойразгрузочной Храмцов В. щелищели Ф. Влияние нана напряженноенапряженное разгрузочной щели на напряженное состояниесостояние днища днища рудных рудных состояние блоков блоков //днища // Физико Физико рудных--техническиетехнические блоков // Физико-технические проблемы проблемы разработки разработки проблемы полезных полезных разработки полезных ископаемых. ископаемых.ископаемых. 1990.1990. №№ 3.3. С.С. 33––1990.6.6. № 3. С. 3–6. 9.9. ЗубковЗубков А. А. В., В., ФеклистовФеклистов9. Зубков Ю. Ю. Г., Г.,А. В., Липин Липин Феклистов Я. Я. И.,И., Ю. ХудяковГ., Худяков Липин Я. С. С. И., В., В., Худяков Криницын Криницын С. В., Р.Криницын Р. В. В. Р. В. Деформационные ДеформационныеДеформационные методы методы методы определения определения определения напряженного напряженного напряженного состояния состояния состояния пород пород на на наобъектах объектах объектах недропользования // Проблемы недропользованиянедропользования // // Проблемы Проблемынедропользования. недропользования. недропользования. 2016. №2016.2016. 4. C. № №41–50. 4 4.. C CDOI:10.18454/2313-1586.2016.04.041.. 4141––50.50. DOIDOI:10.18454/2313:10.18454/2313-- 1586.2016.04.0411586.2016.04.041 10. Avdeev A., Sosnovskaja E., Krinitsyn R. The geomechanical state of the mine “Mnogovershinnoe” 10.10. AvdeevAvdeev A.,A., SosnovskajaSosnovskajalower levelsE.,E., KrinitsynKrinitsyn monitoring R.R. // ProblemsTheThe geomechanicalgeomechanical of Complex Developmentstatestate ofof thethe of Georesources:minemine VII Int. Sci. Соnf. “Mnogovershinnoe” lower levels monitoring // Problems of Complex Development of Georesources: VII “Mnogovershinnoe” lower levels(Khabarovsk, monitoring Russia, // Problems Septemder of Complex 25–27, Development2018). Doi.org/10.1051/e3sconf/20185602025 of Georesources: VII Int.Int. Sci.Sci. СоСоnfnf.. (Khabarovsk,(Khabarovsk, Russia,Russia, SeptemderSeptemder 2525––27,27, 2018)2018).. Doi.org/10.1051/e3sconf/20185602025Doi.org/10.1051/e3sconf/20185602025 11. Зубков А. В., Бирючев 11. И. ЗубковВ., Криницын А. В., Бирючев Р. В. Исследования И. В., Криницын изменения Р. В. напряженно Исследования- изменения напряженно- 11. Зубков А. В., Бирючедеформированногов И. В., Криницын состояния Р. В. массиваИсследования горных измененияпород // Горный напряженно журнал.- 2012. № 1. С. 44–47. деформированногодеформированного состояниясостояния массивамассива горныхгорных породпород //// ГорныйГорный журнал.журнал. 2012.2012. №№ 1.1. С.С. 4444––47.47. 12. Способ измерения приведенного к горизонту расстояния между опорными точками: пат. 12.12. СпособСпособ измерения измерения приведенного приведенного к к горизонту горизонту расстояния расстояния между между опорными опорными точками: точками: пат. пат. 2856127/252856127/25 –– 2828 СССР;СССР; заязаявл.вл.2856127/25 14.12.79;14.12.79; опубл.опубл. – 28 СССР; 07.12.82.07.12.82. заявл. Бюл.Бюл. 14.12.79; №№ 45.45. опубл. 07.12.82. Бюл. № 45. 13. Зубков А. В., Сентябов С. В., Селин К. В. Методика определения природных напряжений в массиве по деформации карьера с использованием спутниковых навигационных систем // Литосфера. 2019. № 5. C. 767–779. DOI: 10.24930/1681-9004-2019-19-5-767-779 14. Yang Z.-S., Peng F.-L., Qiao Y.-K., Hu Y.-Y. A new cryogenic sealing process for the launch and reception of a tunnel shield // Tunnelling and Underground Space Technology. 2019. No. 85. P. 406–417. 15. Hu X., Fang T., Chen J., Ren H., Guo W. A large-scale physical model test on frozen status in freeze-sealing pipe roof method for tunnel construction // Tunnelling and Underground Space Technology. 2018. No. 72. P. 55–63. 16. Rib S. V. The influence of rock interlayer location on the stress-strain state of the rock massif near the underground mine // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2018. Vol. 206. P. 1–4. 17. Gell E. M., Walley S. M., Braithwaite C. H. Review of the validity of the use of artificial specimens for characterizing the mechanical properties of rocks // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2019. No. 3. P. 1–13. ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 27
18. Hong K., Han E., Kang K. Determination of geological strength index of jointed rock mass based on image processing // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2017. No. 9. P. 702–708.
Поступила в редакцию 6 марта 2020 года
Сведения об авторах: Липин Яков Иванович – кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории геодинамики и горного давления Института горного дела УрО РАН. Е-mail: [email protected] Сентябов Сергей Васильевич – кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института горного дела УрО РАН. Е-mail: [email protected] Криницын Роман Владимирович – заведующий лабораторией геодинамики и горного давления Института горного дела УрО РАН. Е-mail: [email protected]
DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-19-28 Investigating the variation of the fields of elastic stresses in the rock mass when developing the Peschanskoye deposit Iakov I. Lipin1, Sergei V. Sentiabov1, Roman V. Krinitsyn1 1 Institute of Mining UB RAS, Ekaterinburg, Russia. Abstract Research aim is to study parameter variations in the stress state of the rock mass to ensure safe and efficient mining of the Peschanskoye magnetite deposit (Northern Ural) to the full depth, which has been carried out by Severopeschanskaya mine since 1958 in a complex of hard rock at a depth of 200 to 700 m. Blind, thick, and steep ore bodies are developed by a block-caving method with ore breaking to a clamped medium. From a depth of 400 m, the field is classified as rock burst hazardous. The first rock burst was recorded in 1981 at a depth of 450 m. Research methodology includes full-scale experimental measurements of the rock and ore mass stress state at accessible depths and horizons of the deposit, establishing patterns of stress growth with depth, as well as long-term (since 1990) geo-deformational monitoring of an untouched rock mass stress level in time. Research results analysis has allowed to establish the patterns in stress-strain state changes during mining. Gradients of gravitational and tectonic stresses growth with depth are determined. Alternating (astrophysical) stresses are highlighted in a special line, the extreme values of which are linked chronologically with various information factors. Conclusions. The determined values of rock mass natural stress state variation parameters in combination with the established stresses around the workings and goafs (technogenic impact) make it possible to take into account the main tempo-spatial factors of the impact made by the mentioned loads when selecting rockburst-safe and effective mining parameters for underground geotechnology both at the top horizons when applying controlled collapse of overlying blind deposits and in the prevention of rockburst hazard in the lower horizons of the developed field. Key words: stress state of the rock mass, variations of astrophysical (cosmophysical) gravitational stresses; stress concentration near workings and goafs; technogenic stresses; rock burst hazard. Acknowledgements. The research was carried out according to state assignment no. 075-00581-19-00 on the theme no. 0405-2019-0007. REFERENCES 1. Miaskov A. V. Methodological foundations for eco-economic rationale for natural ecosystems conservation in mining regions. Gornyi informatsionno-analiticheskii biulleten (nauchno-tekhnicheskii zhurnal) = Mining Informational and Analytical Bulletin (scientific and technical journal). 2011; 1: 399–401. (In Russ.) 2. Miaskov A. V. Modern ecological and economic issues of subsoil use. Gornyi informatsionno- analiticheskii biulleten (nauchno-tekhnicheskii zhurnal) = Mining Informational and Analytical Bulletin (scientific and technical journal). 2014; 2: 157–160. (In Russ.) 3. Timonin V. V., Kondratenko A. S. Process and measuring equipment transport in uncased boreholes. J. Min. Sci. 2015; 51(5): 1056–1061. (In Russ.) 4. Sidorov D. V., Potapchuk M. I., Sidliar A. V. Forecasting rock burst hazard of a tectonically disturbed ore mass in the deep horizons of the Nikolaev polymetallic deposit. Zapiski Gornogo instituta = Journal of Mining Institute. 2018; 234: 604–611. (In Russ.) 5. Eremenko V. A., Gakhova L. N., Semeniakin E. N. The formation of stress concentration zones and dynamic phenomena during the mining of ore bodies of the Tashtagol deposit at great depths. Fiziko- tekhnicheskie problemy razrabotki poleznykh iskopaemykh = Journal of Mining Science. 2012; 2: 80–87. (In Russ.) 28 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
6. Zubkov A. V. Geomechanics and Geotechnology. Ekaterinburg: IM UB RAS Publishing; 2001. (In Russ.) 7. Zubkov A. V., Selin K. V., Sentiabov S. V. The regularities of rock mass stressed state formation in the upper part of the Earth crust. Litosfera = Lithosphere. 2015; 6: 116–129. (In Russ.) 8. Kurlenia M. V., Kulakov G. I., Khramtsov V. F. The effect of the discharge gap on the stress state of the bottom of ore blocks. Fiziko-tekhnicheskie problemy razrabotki poleznykh iskopaemykh = Journal of Mining Science. 1990; 3: 3–6. (In Russ.) 9. Zubkov A. V., Feklistov Iu. G., Lipin Ia. I., Khudiakov S. V., Krinitsyn R. V. The deformational methods of determining the rocks’ stressed state at objects of mineral exploitation. Problemy nedropolzovaniia = The Problems of Subsoil Use. 2016; 4: 41–50. DOI: 10.18454 / 2313-1586.2016.04.041 10. Avdeev A. Monitoring the geomechanical state of the lower horizons of the Mnogovershinny mine. In: Problems of Complex Georesource development: 7th International Scientific Conf. (Khabarovsk, Russia, September 25–27, 2018). 2018. Doi.org/10.1051/e3sconf/20185602025_ (In Russ.) 11. Zubkov A. V., Biriuchev I. V., Krinitsyn R. V. The investigations of stressed-deformed rock mass state modifications in the time domain.Gornyi zhurnal = Mining Journal. 2012; 1: 44–47. (In Russ.) 12. Zubkov A. V., Feklistov Iu. G. The method of measuring the distance brought to the horizon between the reference points. Patent USSR no. 2856127/25–28, 1982. (In Russ.) 13. Zubkov A. V., Sentiabov S. V., Selin K. V. Methodology for determining natural stresses in an array by deformation of a quarry using satellite navigation systems. Litosfera = Lithosphere. 2019; 5: 767–779. (In Russ.) 14. Yang Z.-S., Peng F.-L., Qiao Y.-K., Hu Y.-Y. A new cryogenic sealing process for the launch and reception of a tunnel shield. Tunnelling and Underground Space Technology. 2019; 85: 406–417. 15. Hu X., Fang T., Chen J., Ren H., Guo W. A large-scale physical model test on frozen status in freeze-sealing pipe roof method for tunnel construction. Tunnelling and Underground Space Technology. 2018; 72: 55–63. 16. Rib S. V. The influence of rock interlayer location on the stress-strain state of the rock massif near the underground mine. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2018; 206: 1–4 (012011). Available from: http://library.sibsiu.ru. 17. Gell E. M., Walley S. M., Braithwaite C. H. Review of the Validity of the Use of Artificial Specimens for Characterizing the Mechanical Properties of Rocks. Rock Mechanics and rock Engineering. 2019; 3: 1–13. 18. Hong K., Han E., Kang K. Determination of geological strength index of jointed rock mass based on image processing. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2017; 9: 702–708.
Received 6 March 2020
Information about authors: Iakov I. Lipin – PhD (Engineering), senior researcher, Laboratory of Geodynamics and Rock Pressure, Institute of Mining UB RAS. Е-mail: [email protected] Sergei V. Sentiabov – PhD (Engineering), senior researcher, Institute of Mining UB RAS. Е-mail: [email protected] Roman V. Krinitsyn – Head of the Laboratory of Geodynamics and Rock Pressure, Institute of Mining UB RAS. Е-mail: [email protected]
Для цитирования: Липин Я. И., Сентябов С. В., Криницын Р. В. Исследование вариаций поля упругих напряжений массива пород при отработке Песчанского месторождения // Известия вузов. Горный журнал. 2020. № 5. С. 19–28. DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-19-28 For citation: Lipin Ia. I., Sentiabov S. V., Krinitsyn R. V. Investigating the variation of the fields of elastic stresses in the rock mass when developing the Peschanskoye deposit. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = News of the Higher Institutions. Mining Journal. 2020; 5: 19–28 (In Russ.). ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 29
УДК 622.02 DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-29-37
Исследование зависимостей физико-механических свойств серпентинитов Джетыгаринского месторождения
Коптяков Д. А.1*, Харисов Т. Ф.1, 2 1 Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург, Россия 2 Уральский государственный горный университет, г. Екатеринбург, Россия *e-mail: [email protected]
Реферат Введение. Изученность свойств и параметров горных пород, характеризующих их устойчи- вость, является неотъемлемой частью обеспечения безопасного недропользования в процессе техногенного воздействия на массив. В целях понимания пространственной изменчивости свойств и параметров серпентинитовых пород проведены исследования, включающие лабора- торные испытания с последующим определением и анализом закономерностей изменения их фи- зико-механических свойств. Методы исследований. В данном исследовании проведены определения и анализ физико-механи- ческих свойств горных пород, слагающих прибортовой массив Житикаринского (Джетыгарин- ского) карьера. Методами исследований являлись лабораторные испытания на прочность при одноосном сжатии, растяжении (бразильский метод), непосредственные измерения удельного веса, а также статистический анализ полученных данных. Результаты исследований. По результатам испытаний и статистической обработки данных получены значения физико-механических свойств для десяти наименований горных пород, ото- бранных на участке прибортового массива Житикаринского карьера. На графиках представлен анализ закономерностей их изменения. С увеличением степени серпентинизации значения проч- ностных характеристик снижаются значительно. Установлены корреляционные связи физико- механических свойств серпентинитовых пород Житикаринского месторождения.
Ключевые слова: серпентинизация; прочность при одноосном сжатии; модуль деформации; прочность при растяжении; серпентинит.
Введение. Серпентиниты являются одними из основных пород, слагающих скальные массивы, и широко распространены в США, Великобритании, Шотлан- дии, Казахстане и т. д. В России серпентиниты наиболее развиты на Кавказе, Ура- ле, в Восточном Саяне, Туве и других регионах. Пространственная изменчивость прочностных характеристик серпентинитовых пород обусловлена особенностью протекания процесса серпентинизации и неоднородностью минерального соста- ва. Согласно классификации А. С. Варлакова, из минералов группы серпентинита встречаются лизардит, антигорит, хризотил, повлен-хризотил (серпофит). Лизар- дит – самый распространенный вторичный минерал в хромитоносных ультраба- зитах Урала, а хризотил – самый нехарактерный серпентинит для хромитонос- ных массивов [1–5]. Исходя из неоднородности массива серпентинитовых пород в решении акту- альной в горном деле задачи обеспечения безопасности недропользования в про- цессе техногенного воздействия на массив возрастает роль изученности пространственной изменчивости свойств и параметров горных пород, характери- зующих их устойчивость [6–11]. С этой целью проведены исследования, включа- ющие лабораторные испытания образцов горных пород с последующим опреде- лением и анализом закономерностей изменения их физико-механических свойств. 30 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
Объект исследований. В работе в качестве одного из характерных примеров процесса серпентинизации горных пород рассмотрено Житикаринское (Джеты- гаринское) месторождение Республики Казахстан, которое расположено в масси- ве ультрамафитов Притобольско-Аккаргинского комплекса, относится к Баже- новскому геолого-промышленному типу и является вторым по величине из разведанных запасов хризотил-асбеста.
Перидотиты (п) Серпентинизированные перидотиты (пт) Полосчатый комплекс (пк) Серпентиниты апподунитовые лизардитовые (спдл) Серпентиниты апподунитовые лизардит- хризотиловые (спдлх) Серпентиниты аппоперидотитовые лизардитовые (сппл) Серпентиниты аппоперидотитовые лизардит- хризотиловые (спплх) Серпентиниты аппоперидотитовые лизардитовые с ядрами перидотитов (спплсяп) Серпентиниты аппоперидотитовые лизардит- хризотиловые с ядрами перидотитов (спплхсяп) Дайка Место отбора штуфов
Рис. 1. Места отбора проб на Житикаринском карьере Fig. 1. Sites of sample collection at the Zhitikarinsky open pit
Данное месторождение разделено на несколько промышленных залежей хри- зотил-асбеста. Залежь, содержащая в себе 82 % запасов асбеста всего месторож- дения, получила название «Основная». Она характеризуется пластообразной формой, мощностью 300–400 м, меридиональной протяженностью 3500 м и па- дением на восток под углами от 35°–50° до 72°–80°. Висячий бок залежи состав- ляют серпентиниты, серпентинизированные перидотиты. В лежачем боку залега- ют перидотиты. Контуры висячего бока асбестоносных серпентинитов нечеткие. Лежачий бок примыкает к перидотитовому ядру. Рудное тело представлено сер- пентинитами с несколькими типами асбестоносности. Распространение серпен- тинизации увеличивается от ультрамафитового ядра к периферии массива. Зона полностью серпентинизированных пород занимает до 70 % объема залежи. Она слагает восточную и частично осевую ее части. В структурном отношении за- лежь обусловлена двумя разломами, кроме того, имеются зоны дробления, кото- рые можно выделить по признаку трещиноватости. В ходе выполнения оценки устойчивости бортов Житикаринского карьера при их постановке в предельное положение по результатам анализа условий место- рождения определена совокупность горных пород, подлежащих испытаниям и детальным исследованиям их физико-механических свойств: перидотит, серпен- тинит аппоперидотитовый, серпентинизированый перидотит, серпентинит аппо- дунитовый хризотил лизардитовый, серпентинит аппоперидотит лизардитовый, серпентинит апподунитовый лизардитовый, серпентинит лизардитовый асбесто- носный, серпентинит лизардитовый, серпентинит лизардитовый оталькованный, серпентинит аппоперидотитовый хризотил лизардитовый [12]. Методы исследований. Отбор штуфового материала, который использо- вался для подготовки образцов, выполнен на бермах восточного и западного ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 31
бортов карьера в соответствии с ГОСТ 21153.0-75 «Породы горные. Отбор проб и общие требования к методам физических испытаний» (рис. 1). Количе- ство штуфового материала определялось возможностью получения достаточ- ного количества образцов правильной геометрической формы. Для подготов- ки цилиндрических образцов диаметром 42±2 м и отношением высоты к диаметру, равным 1–2, использовались лабораторные колонковые сверла и камнерезные машины. С целью получения наиболее точных результатов обе- спечено качество подготовки торцевых и перпендикулярных боковых поверх- ностей в рамках требуемых допусков в соответствии с ГОСТ 21153.2-84 «Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии» и ГОСТ 21153.3-85 «Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном растяжении». На основании визуального обследо- вания подготовленных образцов отобраны наиболее изотропные, однородные и наименее выветрелые в количестве не менее десяти штук для каждой пробы исследуемых горных пород. Испытания проводились при естественной влажности и в водонасыщенном состоянии в соответствии с ГОСТ 5180-2015 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик», ГОСТ 21153.2-84 «Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии», ГОСТ 28985-91 «Породы горные. Метод определения деформационных характеристик при одно- осном сжатии», ГОСТ 21153.3-85 «Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном растяжении» [13]. Определялся ряд базовых прочностных характеристик. Удельный вес γ и плот- ность ρ получены на образцах правильной формы, очищенных от рыхлых частиц, пыли и высушенных до постоянной массы в сушильном шкафу при заданной температуре до установления постоянной массы. С использованием комплекса оборудования Wille geotechnik выполнено испы- тание образцов, и расчет предела прочности при одноосном сжатии σсжi для каж- дого i-го образца выборки имеет вид: 3 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 ISSNISSN 0536--1028 3 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 P σсжi K В 10, сжi В S
гдегде РР –– разрушающая разрушающая образец образец сила, сила, кН; кН; S – площадьS – площадь поперечного поперечного сечения сечения образ- 2 22 образца,ца, см ; KсмВ –;; безразмерныйKВ – безразмерный коэффициент, коэффициент, устанавливаемый устанавливаемый в зависимости в зависимости от от- отношения отношения высоты высоты к диаметру к диаметру образца. образца. ВоВо время время испытаний испытаний на на прочность прочность при приодноосном одноосном сжатии сжатии при помощи при помощи датчи- датчиковков вертикальных вертикальных и радиальных и радиальных деформаций деформаций осуществлялся осуществлялся мониторинг мониторинг дефор- деформированиямирования образцов. образцов. Результаты Результаты оценки оценки деформаций деформаций использовались использовались для опре для- определенияделения модуля модуля деформаций деформаций Е : Едд:: д
σσ E кнкн,, дд εε11кк 1н 1н
гдегде σ σкк ки иσ н σ– ннзначения – значения сжимающего сжимающего напряжения напряжения в диапазонах в диапазонах частичной частично пригрузй- пригрузкики и разгрузки и разгрузки образца соответственно; образца соответственно; ε1к и ε1н – ε относительные1к1к и ε1н1н – относительные продольные продольныедеформации деформации в конце и в начале в конце диапазона и в начале при диапа нагружении.зона при нагружении. СС использованием использованием бразильского бразильского метода метода были были испытаны испытаны цилиндрические цилиндрические об- образцыразцы серпентинитовых серпентинитовых пород пород с с отношением отношением длины длины образца образца к к его его диаметру диаметру 1±0,1.1±0,1. ОпределенаОпределена максимальнаямаксимальная разрушающая сила и площадь разрываразрыва образца.образца. Вычисление предела прочности при растяжении по результатам испытаний произведено по формуле:
P σр 10 , р S
где P – разрушающая сила, кН; S – площадь разрыва образца, см22.. Статистическая обработка результатов, а именно расчет среднего арифметического значения для числа n образцов выборки и стандартного отклонения, выполнялась по формулам:
1 nn σ σ; σсрср σ;ii n ii11 nn 1 2 (σ σ ).2 (σii σсрср ). n 1 ii11
Результаты исследований.. Полученные результаты испытаний образцов исследуемых горных пород и данные их статистической обработки представлены в табл. 1, прослеживается незначительное снижение удельного веса в зависимости от степени и минерального типа серпентинизации. Значения прочности при одноосном сжатии σсжсж перидотита, серпентинизированного перидотита варьируются от 37,90 до 157,40 МПа. Значения прочности серпентинитов при одноосном сжатии колеблются в диапазоне от 5,90 до 166,20 МПа. Большой диапазон может быть обусловлен необнаруженными внутренними нарушениями и/или различной степенью серпентинизации и/или петрографическим разнообразием и/или структурной сложностью серпентинитов. Значения прочности при растяжении у перидотитов и серпентинизированных перидотитов варьируются в диапазоне от 4,36 до 6,93 МПа. У серпентинитов значения прочности при растяжении находятся в диапазоне от 1,45 до 5,44 МПа. Как и в случае со значениями прочности при одноосном сжатии, прочность при растяжении снижается в зависимости от степени и минерального типа серпентинизации.
3 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 ISSN 0536-1028 P K 10, сжi В S
где Р – разрушающая образец сила, кН; S – площадь поперечного сечения 2 образца, см ; KВ – безразмерный коэффициент, устанавливаемый в зависимости от отношения высоты к диаметру образца. Во время испытаний на прочность при одноосном сжатии при помощи датчиков вертикальных и радиальных деформаций осуществлялся мониторинг деформирования образцов. Результаты оценки деформаций использовались для определения модуля деформаций Ед:
σσкн Eд , εε1к 1н
где σк и σн – значения сжимающего напряжения в диапазонах частичной пригрузки и разгрузки образца соответственно; ε1к и ε1н – относительные продольные деформации в конце и в начале диапазона при нагружении. С использованием бразильского метода были испытаны цилиндрические образцы32 "Izvestiya серпентинитовых vysshikh uchebnykh пород zavedenii. с отношением Gornyi zhurnal". длины No. 5. образца 2020 к егоISSN диаметру 0536-1028 1±0,1. Определена максимальная разрушающая сила и площадь разрыва образца. ВычислениеВычисление предела предела прочности прочности при при растяжении растяжении по результатам по результатам испытаний испытаний про- произведенизведено поо формуле:по формуле:
P σ 10 , р S
гдегде P – разрушающая сила, кН; S – площадь разрыва образца, см2. Статистическая обработка результатов, а именно расчетISSN средне 0536-1028го арифметического3 «Известия вузов. значенияГорный журнал», для № числа 5, 20 20n образцов выборки и стандартного отклонениТаблицая, выполнялась 1. Результаты по испытаний формулам: серпентинитовых пород Житикаринского месторожденияP сжi K В 10, Table 1. The results of testing serpentinitenS rocks of Zhitikarinsky deposit 1 3 Наименование горной породы γ, кН/мσср σсж σ;, iМПа* Ед, МПа* σр, МПа где Р – разрушающая образец сила, n кН; S – площадь поперечного сечения 2 i 1 Перидотит В 27,7±0,10 112,00±29,5 34815,70±12220,6 6,25±0,53 образца, см ; K – безразмерный коэффициент,n устанавливаемый в зависимости от отношения высоты к диаметру образца.1 95,46±28,18 2 38328,44±6990,67 (σi σср ). СерпентинитВо время аппопер испытанийидотитовый на прочность25,6±0,15n 1 i 1 при38,58±7,84 одноосном 15062,20±4122,60 сжатии при 4,84±0,56 помощи датчиков вертикальных и радиальных деформаций32,64±5,98 осуществлялся13179,50±2344,42 мониторинг деформированияСерпентинизирован образцов.ный Результаты27,6±0,19 оценки 114,85±24,59 деформаций 34547,20±6241,88 использовались 5,44±0,61 для Результаты исследований. Полученные результаты испытаний образцов определенияперидотит модуля деформаций Ед: 102,43±26,59 33021,00±7725,56 исследуемыхСерпентинит апподунитовый горных пород25,6±0,16 и данные 26,50±3,78 их статистической11933,70±2140,56 обработки1,45±0,23 представленыхризотил-лизардитовый в табл. 1, прослеживается 21,80±8,02 незначительное 7149,00±1207,74 снижение удельного веса в зависимости от степени и минеральногоσσкн типа серпентинизации. Значения Серпентинит аппоперидотит 25,9±0,13Eд 48,66±18,07, 16985,56±4453,68 3,69±0,52 прочностилизардитовый при одноосном сжатии σεε1сжк 38,93±19,84перидотита, 1н 15083,78±7015,34 серпентинизированного перидотитаСерпентинит апподунитовый варьируются от 25,4±0,3 37,90 до 19,08±5,15 157,40 МПа.6390,33±693,53 Значения прочности1,95±0,34 гдесерпентинитовлизардитовый σк и σн – при значения одноосном сжимающего сжатии колеблются напряжения13,69±1,88 в диапазоне в5011,10±231,66 диапазонах от 5,90 частично до 166,20й пригрузкиМПа.Серпентинит Большой и лизардитовый разгрузки диапазон образца может25,2±0,3 соответственно; быть23,18±4,54 обусловлен ε1к 8890,80±1991,27и ε 1н необнаруженными– относительные 2,32±0,34 продольныевнутреннимиасбестоносный деформации нарушениями в конце и/или и в различной начале21,63± диапа степенью15,09зона при8581,40±3041,60 серпентинизации нагружении. и/или петрографическимСерпентинитС использованием лизардитовый разнообразием бразильского 25,5±0,08 метода 48,21±15,73 и/или были структурной испытаны12419,11±3369,55 цилиндрические сложностью 3,40±0,8 образцысерпентинитов. серпентинитовых Значения пород прочности с отношением при48,53±12,36 растяжении длины 12400,60±2326,89 образца у перидотитов к его диаметру и 1±0,1.серпентинизированныхСерпентинит Определена лизардитовый максимальная перидот25,1±0,15итов разрушающая варьируются 32,41±3,86 сила в и диапазоне 11741,00±2200,24площадь разрыва от 4,36 2,18±0,33 образца. до 6,93 ВычислениеМПа.оталькованный У серпентинитов предела про чности значения при прочности растяжении20,35±5,71 при по 12247,80±4225,85 растяжении результатам находятся испытаний в произведендиапазонеСерпентинит ото аппоперидотитовыйпо 1,45 формуле: до 5,44 МПа. 26,8±0,21 Как и в120,41±27,43 случае со значениями43377,00±15601,79 прочности 3,97±0,89 при одноосномхризотил -лизардитовый сжатии, прочность при растяжении79,80±16,55 снижается 28689,10±8597,51 в зависимости от –––––––––––степени и минерального типа серпентинизации.P *Верхние значения – для образцов при естественнойσр влажности, 10 , нижние – для образцов в водонасыщенном состоянии. S
где P – разрушающая сила, кН; S – площадь разрыва образца, см2. СтатистическаяСтатистическая обработка обработка результатов, результатов, а именно а расчет именно среднего расчет арифметиче среднего- арифметическогоского значения для значениячисла n образцов для числа выборки n образцов и стандартного выборки отклонения, и стандартно выполго- отклоненинялась по я,формулам: выполнялась по формулам:
1 n σср σ;i n i1 n 1 2 (σi σср ). n 1 i1
РРезультатыезультаты исследований. исследований .Полученные Полученные результаты результаты испытаний испытаний образцов образцов ис- исследуемых горных пород и данные их статистической обработки представленыследуемых горных в табл. пород 1, и прослеживается данные их статистической незначительное обработки снижение представлены удельного в весатабл. в 1, зависимости прослеживается от степени незначительное и минерального снижение типа удельного серпентин весаизации. в зависимости Значения прочностиот степени и при минерального одноосном типа сжатии серпентинизации. σсж перидотита, Значения серпентинизированного прочности при од- перидотитаноосном сжатии варьируются σсж перидотита, от 37,90 серпентинизированного до 157,40 МПа. перидотита Значения варьируют прочности- серпентинитов при одноосном сжатии колеблются в диапазоне от 5,90 до 166,20 МПа. Большой диапазон может быть обусловлен необнаруженными внутренними нарушениями и/или различной степенью серпентинизации и/или петрографическим разнообразием и/или структурной сложностью серпентинитов. Значения прочности при растяжении у перидотитов и серпентинизированных перидотитов варьируются в диапазоне от 4,36 до 6,93 МПа. У серпентинитов значения прочности при растяжении находятся в диапазоне от 1,45 до 5,44 МПа. Как и в случае со значениями прочности при одноосном сжатии, прочность при растяжении снижается в зависимости от степени и минерального типа серпентинизации. ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 33
ся от 37,90 до 157,40 МПа. Значения прочности серпентинитов при одноосном сжатии колеблются в диапазоне от 5,90 до 166,20 МПа. Большой диапазон может быть обусловлен необнаруженными внутренними нарушениями и/или различной степенью серпентинизации и/или петрографическим разнообразием и/или струк- турной сложностью серпентинитов. Значения прочности при растяжении у пери- дотитов и серпентинизированных перидотитов варьируются в диапазоне от 4,36 до 6,93 МПа. У серпентинитов значения прочности при растяжении находятся в диапазоне от 1,45 до 5,44 МПа. Как и в случае со значениями прочности при од- ноосном сжатии, прочность при растяжении снижается в зависимости от степени и минерального типа серпентинизации.
а б
140 y = 39,339x – 966,01 7 y = 1,3602x – 31,87 R² = 0,8747 R² = 0,6777 , МПа
, МПа 120 6 р сж 100 5 80 4
60 σ растяжении 3
40 2 20 1 Прочность при сжатии σ сжатии при Прочность 0 0 24 25 26 27 28 при Прочность 24 25 26 27 28 Удельный вес γ, кН/м3 Удельный вес γ, кН/м3
в г
140 140 y = 19,948x – 12,406 y = 0,0031x – 2,2904 120 R² = 0,6139 120 R² = 0,9641 , МПа , МПа сж 100 сж 100 80 80 60 60 40 40 20 20
Прочность при сжатии σ сжатии при Прочность 0 σ сжатии при Прочность 0 0 2 4 6 8 0 1010000 000 20 20000 000 30 30000 000 40 40000 000 50 50000 000
Прочность при растяжении σр, МПа Модуль деформации Ед, МПа
Рис. 2. Зависимости между удельным весом и механическими свойствами Fig. 2. Dependence between the specific weight and mechanical properties
Для выражения связей между свойствами горных пород и попытки получения надежных эмпирических зависимостей применялся регрессионный анализ ре- зультатов. K. Diamantis и соавторы в 2009 г. получили зависимости прочности при одноосном сжатии от физико-механических свойств и степени серпентиниза- ции [14, 15]. А. А. Теймен, А. Ф. Алексеев также предлагают корреляционные зависимости физико-механических свойств пород [16, 17]. В данном исследова- нии регрессионный анализ использовался для выявления корреляционных связей физико-механических свойств серпентинитов при их естественной влажности. Известно, что прочностные характеристики увеличиваются с ростом значений удельного веса породы и уменьшаются с ростом серпентинизации. Для исследо- 34 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
вания данных зависимостей установлена корреляционная связь между прочно- стью при одноосном сжатии и удельным весом исследуемых пород, которая пред- ставлена на рис. 2, а. Соотношение предела прочности при растяжении и удельного веса пород отображено на рис. 2, б и которое описывается линейной зависимостью, но с более низким коэффициентом детерминации R2. На рис. 2, в представлено соотношение двух прочностных характеристик, предел прочности при одноосном сжатии и растяжении исследуемых пород. Кроме того, установле- 4на зависимость“Izvestiya vysshikh между uchebnykh пределом zavedenii. прочности Gornyi zhurnal при”. одноосномNo. 5. 2020 сжатииISSN и модулем0536-1028 деформации,Для выражения которая связей изображена между свойствами на рис. 2, г .горных пород и попытки получения надежных эмпирических зависимостей применялся регрессионный анализ
результатов.140 K. Diamantis и соавторы в 2009 г. получили зависимости прочности при одноосном сжатии от физико-механических свойств и степени
, МПа 120
серпентинизациисж [14, 15]. А. А. Теймен, А. Ф. Алексеев также предлагают корреляционные100 зависимости физико-механических свойств пород [16, 17]. В данном80 исследовании регрессионный анализ использовался для выявления корреляционных60 связей физико-механических свойств серпентинитов при их естественной влажности. Известно,40 что прочностные характеристики увеличиваются с ростом значений20 удельного веса породы и уменьшаются с ростом серпентинизации. Для исследования0 данных зависимостей установлена корреляционная связь между прочностьюσ сжатии при Прочность 1 при 2 одноосном 3 сжатии 4 и 5 удельным 6 весом 7 исследуемых 8 9 пород,10 которая представлена на рис. 2,Количество а. Соотношение определений предела прочности при растяжении и удельногоПолученные веса значения пород отображенРасчетныео на значения рис. 2, б и которое описывается линейной зависимостью, но с более низким коэффициентом 2 детерминацииРис. 3. Соотношение R . На значений рис. прочности 2, в представлено при одноосном соотношение сжатии расчетных двух и определенных прочностных характеристик, пределпо прочностирезультатам лабораторных при одноосном испытаний сжатии и растяжении исследуемыхFig. 3. Correlation пород. between Кроме the unconfined того, установлена compressive strength зависимость design values между and the values пределом прочности при одноосном determinedсжатии иby модулем laboratory testдеформации, resuts которая изображена на рис. 2, г. НаНа основеоснове полученныхполученных значенийзначений физикофизико-механических-механических свойств исследуемых пород,пород, с сиспользованием использованием многофакторной многофакторн линейнойой линейн регрессииой регресси полученаи получена следую- следующаящая математическая математическая модель модель зависимости: зависимости:
σсж 298,385 11,957γ 0,002Eд .
ПроверкаПроверка путемпутем соотнсоотнесенияесения расчетныхрасчетных значений прочности при одноосном сжатиисжатии и и значений, значений, полученных полученных в результате в результате лабораторных лабораторных испытаний, испытаний, представ- представленлена на рис.а 3. на рис. 3. ВВыводы.ыводы. НаНа основании основании выполненных выполненных исследований можно сделать вывод, чточто породы, породы, слагающие слагающие прибортовой прибортовой массив массивЖитикаринского Житикаринского карьера, относятся карьера, относятсяк породам средней к породам и слабой средней прочности. и слабой Высокой прочности. прочностью Высок отличаютсяой прочностью пери- отличаютсядотиты, серпентинизированные перидотиты, серпентинизированные перидотиты, серпентиниты перидотиты, аппоперидотитовые серпентиниты аппоперидотитовые хризотил лизардитовые. Наименее прочными из исследованныххризотил лизардитовые. горных Наименее пород являются прочными серпентин из исследованныхиты c хризотиловым, горных пород лизардитовым,являются серпентиниты хризотил- лизардитовым c хризотиловым, и лизардит лизардитовым,-хризотиловым хризотил-лизардито минеральным- типомвым и лизардит-хризотиловым серпентинизации. С увеличением минеральным степени типом серпентинизациисерпентинизации. значенияС увели- прочностныхчением степени характеристик серпентинизации снижаются значения значительно.прочностных Исследуемыехарактеристик горныеснижа- породыются значительно. в водонасыщенном Исследуемые состоянии горные показывают породы в предел водонасыщенном прочности состояниив среднем напоказывают 17–18 % ниже, предел чем прочности при естественной в среднем влажностина 17–18 % [18]. ниже, Наблюдается чем при естественной снижение прочностныхвлажности [18]. характеристик Наблюдается снижение при увеличении прочностных степени характеристик серпентинизации при увели- исследуемыхчении степени пород. серпентинизации Большой диапазон исследуемых значений пород. прочности Большой диапазон при одноосном значе- сжатииний прочности серпентинитов при одноосном обуславливается сжатии серпентинитов не только обуславливается структурной сложност не толькоью серпентинитов.структурной сложностью Важную серпентинитов. роль играет минеральный Важную роль типиграет серпентинизации минеральный тип и вещественныйсерпентинизации состав и вещественный пород. состав Серпентинит пород. Серпентинит апподунитовый апподунитовый хризотил лизардитовый имеет наименьшую прочность при растяжении среди исследуемых серпентинитов. Серпентинит апподунитовый лизардитовый показывает наименьшую прочность при одноосном сжатии. Установлены корреляционные зависимости физико-механических свойств серпентинитовых пород Житикаринского месторождения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Брянчанинова Н. И., Макеев А. Б. Серпентиниты Полярного Урала, какие они есть // Вестник Института геологии Коми научного центра Уральского отделения РАН. 2004. № 2(110). С. 15–19. ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 35
хризотил лизардитовый имеет наименьшую прочность при растяжении среди ис- следуемых серпентинитов. Серпентинит апподунитовый лизардитовый показы- вает наименьшую прочность при одноосном сжатии. Установлены корреляцион- ные зависимости физико-механических свойств серпентинитовых пород Житикаринского месторождения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Брянчанинова Н. И., Макеев А. Б. Серпентиниты Полярного Урала, какие они есть // Вестник Института геологии Коми научного центра Уральского отделения РАН. 2004. № 2(110). С. 15–19. 2. Попов Ю. В., Жабин А. В., Пустовит О. Е. Минеральный состав серпентинитов тектонического меланжа Даховского кристаллического выступа (Большой Кавказ) // Геология и геофизика юга России. 2019. Т. 9. № 4. С. 38–48. 3. Мелекесцева И. Ю., Зайков В. В., Третьяков Г. А., Филиппова К. А., Котляров В. А. Геологическое строение и минералогия Мечниковского месторождения золота, Южный Урал // Литосфера. 2019. Т. 19. № 1. С. 111–138. 4. Nespereira J., Navarro R., Monterrubio S., Yenes M., Pereira D. Serpentinite from Moeche (Galicia, North Western Spain). A stone used for centuries in the construction of the architectural heritage of the region // Sustainability (Switzerland). 2019. Vol. 11(9). No. 2700. P. 1–26. 5. Manuella F. C., Carbone S., Ferlito C., Hovland M. Magma-serpentinite interaction as the origin of diatremes: a case study from the Hyblean Plateau (southeastern Sicily) // International Journal of Earth Sciences 2016. No. 105(5). P. 1371–1385. 6. Джафаров Н. Н., Джафаров Ф. Н. Полезные ископаемые Джетыгаринского рудного района (Костанайское Зауралье). Алматы: Алеем, 2002. 244 с. 7. Панжин А. А., Харисов Т. Ф., Харисова О. Д. Комплексное геомеханическое обоснование углов заоткоски бортов карьера // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2019. № 3. С. 295–306. 8. Жаворонкин В. И., Ненахов В. М., Короб В. Н. Физические свойства и петрологические особенности серпентинитов Даховского массива (Западный Кавказ) // Физико-химические и петрофизические исследования в науках о земле: сб. матер. конф. 2019. С. 104–107. 9. UlamiŞ K. Shear strength of extremely altered serpentinites based on degree of saturation (Ankara, Turkey) // Journal of Mountain Science. 2019. No. 16(4). Р. 944–954. 10. Punturo R., Cirrincione R., Pappalardo G., Fazio E., Bloise A. Preliminary laboratory characterization of serpentinite rocks from Calabria (southern Italy) employed as stone material // Journal of Mediterranean Earth Sciences. 2018. No. 10. Р. 79–87. 11. Viti C., Collettini C., Tesei T., Tarling M. S., Smith S. A. F. Deformation processes, textural evolution and weakening in retrograde serpentinites // Minerals. 2018. No. 8(6). Р. 241. 12. Калачев В. А., Панфилов П. Е., Зайцев Д. В. Об особенностях роста трещин в вязко-упругой среде с развитой иерархической структурой // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2017. № 3(41). С. 59–64. 13. Харисов Т. Ф., Панжин А. А., Харисова О. Д. О проблемах экспресс-метода определения прочности горных пород // Известия вузов. Горный журнал. 2019. № 7. С. 86–91. 14. Diamantis K., Gartzos E., Migiros G. Study on uniaxial compressive strength, point load strength index, dynamic and physical properties of serpentinites from Central Greece: Test results and empirical relations // Engineering Geology. 2009. No. 3–4. С. 199–207. 15. Diamantis K., Migiros G. Estimating the rock mass properties of ultramafic rocks in central Greece using the triaxial tests of intact rock and the geological strength index // Geotechnical and Geological Engineering. 2019. No. 37(3). Р. 1839–1858. 16. Теймен А. Прогнозирование основных механических параметров туфов по результатам испытаний // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2018. № 5. С. 18–32. 17. Алексеев А. Ф., Грязнов О. Н. Физико-механические свойства метасоматитов серпентинитовой формации Баженовского месторождения хризотил-асбеста // Инженерная геология. 2013. № 4. С. 54–59. 18. Калачев В. А., Панфилов Г. П., Кочанов А. Н., Костандов Ю. А., Зайцев Д. В., Панфилов П. Е. Особенности деформационного поведения малогабаритных образцов горных пород // Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций. XII Междунар. конф.: сб. матер. 2018. С. 281–282.
Поступила в редакцию 26 марта 2020 года
Сведения об авторах: Коптяков Дмитрий Александрович – аспирант, младший научный сотрудник лаборатории геоинформационных и цифровых технологий в недропользовании Института горного дела УрО РАН. Е-mail: [email protected] Харисов Тимур Фаритович – кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории геомеханики подземных сооружений Института горного дела УрО РАН, доцент 36 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
кафедры шахтного строительства Уральского государственного горного университета. E-mail: [email protected] DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-29-37 Investigation of dependences of physical and mechanical properties of serpentinites of the Dzhetygarinsky deposit Dmitrii A. Koptiakov1, Timur F. Kharisov1, 2 1 Institute of Mining UB RAS, Ekaterinburg, Russia. 2 Ural State Mining University, Ekaterinburg, Russia. Abstract Introduction. The study of the rock stability properties and parameters is an integral part of ensuring safe subsurface use in the process of human impact on the rock mass. In order to understand the spatial variability of serpentinite rocks properties and parameters, research has been carried out, including laboratory tests with subsequent determination and analysis of laws governing the changes in their physical and mechanical properties. Research methodology. In this study, physical and mechanical properties of rocks of the Zhitikarinsky (Dzhetygarisnky) quarry were determined and analysed. The research methods included laboratory uniaxial compression-tensile tests, direct measurements of dry unit weigh, and the statistical analysis of the data obtained. Research result. According to the results of tests and statistical data processing, the values of physical and mechanical properties were obtained for ten rock types collected at the marginal area of the Zhitikarinsky quarry. The graphs show an analysis of laws governing the changes. With an increase in the degree of serpentinization, the values of strength characteristics decrease significantly. Correlations of physical and mechanical properties of serpentinite rocks of the Zhitikarinsky deposit are established. Key words: serpentinization; unconfined compressive strength; modulus of deformation; serpentinite. REFERENCES 1. Brianchaninova N. I., Makeev A. B. Serpentinites of the Polar Urals. Vestnik Instituta geologii Komi nauchnogo tsentra Uralskogo otdeleniia RAN = Vestnik of Institute of Geology of Komi Science Center of RAS. 2004; 2 (110): 15–19. (In Russ.) 2. Popov Iu. V., Zhabin A. V., Pustovit O. E. Mineral composition of serpentinites of the tectonic melange of the Dakhovsky crystalline protrusion (Greater Caucasus). Geologiia i geofizika iuga Rossii = Geology and Geophysics of the South of Russia. 2019; 9 (4): 38–48. (In Russ.) 3. Melekestseva I. Iu., Zaikov V. V., Tretiakov G. A., Filippova K. A., Kotliarov V. A. Geological structure and mineralogy of the Mechnikovskoe gold deposit, thе Southern Urals. Litosfera = Lithosphere. 2019; 19 (1): 111–138. (In Russ.) 4. Nespereira J., Navarro R., Monterrubio S., Yenes M., Pereira D. Serpentinite from Moeche (Galicia, North Western Spain). A stone used for centuries in the construction of the architectural heritage of the region. Sustainability (Switzerland). 2019; 11(9); 2700: 1–26 5. Manuella F. C., Carbone S., Ferlito C., Hovland M. Magma-serpentinite interaction as the origin of diatremes: a case study from the Hyblean Plateau (southeastern Sicily). International Journal of Earth Sciences. 2016; 105(5): 1371–1385. 6. Dzhafarov N. N., Dzhafarov F. N. Minerals of the Dzhetygarisnky ore district (Kostanay Transural). Almaty: Aleem Publishing; 2002. (In Russ.) 7. Panzhin A. A., Kharisov T. F., Kharisova O. D. Complex geomechanical substantiation of the open pit highwall slope angles. Izvestiia Tulskogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle = Izvestiia Tulskogo gosudarstvennogo universiteta. Estestvennye nauki = Proceedings of the Tula State University. Natural Science. 2019; 3: 295–306. (In Russ.) 8. Zhavoronkin V. I., Nenakhov V. M., Korob V. N. Physical properties and petrological features of serpentinites of the Dakhovsky massif (Western Caucasus). In: The 20th internat. conf. “Physical-chemical and petrophysical researches in the Earth’s science”: proc. of the conf. 2019. p. 104–107. (In Russ.) 9. Ulamiş K. Shear strength of extremely altered serpentinites based on degree of saturation (Ankara, Turkey). Journal of Mountain Science. 2019; 16(4): 944–954. 10. Punturo R., Cirrincione R., Pappalardo G., Fazio E., Bloise A. Preliminary laboratory characterization of serpentinite rocks from Calabria (southern Italy) employed as stone material. Journal of Mediterranean Earth Sciences. 2018; 10: 79–87. 11. Viti C., Collettini C., Tesei T., Tarling M. S., Smith S. A. F. Deformation processes, textural evolution and weakening in retrograde serpentinites. Minerals. 2018; 8(6): 241. 12. Kalachev V. A., Panfilov P. E., Zaitsev D. V. On some characteristic features of crack propagation in the viscoelastic medium with developed hierarchy. Vektor nauki Toliattinskogo gosudarstvennogo universiteta = Science Vector of Togliatti State University. 2017; 3(41): 59–64. (In Russ.) 13. Kharisov T. F., Panzhin A. A., Kharisova O. D. On the problems of express-method of determining the strength of rocks. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = News of the Higher Institutions. Mining Journal. 2019; 7: 86–91. 14. Diamantis K., Gartzos E., Migiros G. Study on uniaxial compressive strength, point load strength ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 37 index, dynamic and physical properties of serpentinites from Central Greece: Test results and empirical relations. Engineering Geology. 2009; 3–4: 199–207. 15. Diamantis K., Migiros G. Estimating the rock mass properties of ultramafic rocks in central Greece using the triaxial tests of intact rock and the geological strength index. Geotechnical and Geological Engineering. 2019; 37(3): 1839–1858 16. Teimen A. Forecasting the main mechanical parameters of tufa by the research results. Fiziko- tekhnicheskie problemy razrabotki poleznykh iskopaemykh = Journal of Mining Science. 2018; 5: 18–32. (In Russ.) 17. Alekseev A. F., Griaznov O. N. Physical-mechanical characteristics of the serpentinite formation metasomatites of the bazhenovskoye chrysotile-asbestos deposit. Inzhenernaia geologiia = Engineering Geology. 2013; 4: 54–59. (In Russ.) 18. Kalachev V. A., Panfilov G. P., Kochanov A. N., Kostandov Iu. A., Zaitsev D. V., Panfilov P. E. Deformational behavior of small-sized rock samples. In: Mechanics, life and diagnostics of materials and equipment. Proceedings of the 12th internat. conf. 2018. p. 281–282.
Received 26 March 2020
Information about authors: Dmitrii A. Koptiakov – PhD student, junior researcher of the Laboratory of Geoinformation and Digital Technologies in Subsurface Use, Institute of Mining of Ural Branch of RAS. Е-mail: [email protected] Timur F. Kharisov – PhD (Engineering), senior researcher of the Laboratory of Geomechanics of Underground Structures, Institute of Mining of Ural Branch of RAS, associate professor of the Department of Mine Construction, Ural State Mining University. E-mail: [email protected]
Для цитирования: Коптяков Д. А., Харисов Т. Ф. Исследование зависимостей физико-механических свойств серпентинитов Джетыгаринского месторождения // Известия вузов. Горный журнал. 2020. № 5. С. 29–37. DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-29-37 For citation: Koptiakov D. A., Kharisov T. F. Investigation of dependences of physical and mechanical properties of serpentinites of the Dzhetygarinsky deposit. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = News of the Higher Institutions. Mining Journal. 2020; 5: 29–37 (In Russ.). DOI: 10.21440/0536- 1028-2020-5-29-37 38 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
УДК 551.24+550.83 DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-38-46
О тектоническом плане Верхнекамского месторождения калийных солей по результатам физического моделирования и по геолого-геофизическим данным
Филатов В. В.1, Болотнова Л. А.2* 1 Владимирский государственный университет, г. Владимир, Россия 2 Уральский государственный горный университет, г. Екатеринбург, Россия *e-mail: [email protected]
Реферат Введение. Территория Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС), которое интенсивно разрабатывается с 1932 г., характеризуется аномально высоким уровнем техногенной нагрузки на геологическую среду. Благодаря воздействию этой нагрузки происходит нарушение естественного равновесного состояния геологической среды, восстановление которого сопровождается опасными динамическими событиями – от горных ударов до техногенных землетрясений различной интенсивности. Динамический режим ВКМКС определяется многими факторами, среди которых наибольшую роль играют тектонические. Тектоническое строение в виде тектонических признаков или критериев (при прочих равных условиях) принимают во внимание прежде всего при динамическом районировании территории ВКМКС и прогнозировании мест возможного проявления динамических событий. Поскольку структурно-тектоническим элементам строения геологической среды присуще подобие и иерархичность, изучение тектоники месторождения целесообразно осуществлять на разных масштабных уровнях соответствующими геологическими и геофизическими методами с использованием результатов физического моделирования. Методика исследований. Подобие и иерархия тектонических структур, когда трещина рассматривается как копия разлома, определили двухэтапную методику изучения тектонического строения территории ВКМКС. На первом этапе по данным физического моделирования выполнена реконструкция областей динамического влияния глубинных разломов, ограничивающих Соликамскую впадину с ВКМКС. На втором этапе проведен анализ азимутов простирания разрывных нарушений ВКМКС, установленных геолого-геофизическими методами. Результаты исследований. По данным физического моделирования установлены размеры областей динамического влияния всех разломов, ограничивающих Соликамскую впадину, с учетом их кинематического типа и определены простирания и кинематика разрывных нарушений в зоне каждого разлома. Выполнен статистический анализ и построены розы-диаграммы азимутов простирания разломов в фундаменте и разрывных нарушений в толще ВКМКС, установленных по результатам интерпретации локальных аномалий магнитного поля, по геоморфологическим данным, по космо- и аэроснимкам. Выводы. Тектонический план ВКМКС является не случайным, он определяется в основном кинематикой глубинных разломов, ограничивающих ВКМКС, и тектоникой фундамента.
Ключевые слова: Верхнекамское месторождение калийных солей; тектоника; физическое моделирование; геолого-геофизические методы.
Предмет и цель работы. В структурно-тектоническом отношении ВКМКС расположено в пределах Предуральского краевого прогиба (ПКП), занимая зна- чительную часть Соликамской впадины [1], и заключено в тектоническую «раму» из шести глубинных разломов: двух субмеридиональных – Красноуфимского и Западно-Уральского, Предтиманского, имеющего северо-западное простирание и трех субширотных – Боровицкого, Дуринского и «Южного» (название условное). ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 39
Красноуфимский и Западно-Уральский разломы являются соответственно за- падной и восточной границами ПКП. Оба разлома пересекают Средний и Юж- ный Урал и уверенно картируются в волновых полях на нескольких широтных профилях глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ), в частности на бли- жайшем к ВКМКС Красноуфимском. Глубина проникновения разломов в земную кору – 50 км. По большим изменениям мощности и глубин залегания осадочного чехла время формирования разломов относится к верхнему протерозою с активи- зацией в верхнепалеозойское и более позднее время. Падение плоскостей разло- мов – крутое восточное. По Красноуфимскому разлому происходило относитель- ное погружение восточного блока как в верхнепротерозойский, так и в палеозойский этапы развития [2]. Для Западно-Уральского разлома характерна инверсия вертикальных движений: в верхнем протерозое восточный блок погру- жался, а в палеозое он поднимался и испытывал горизонтальный сдвиг. Красноу- фимский разлом отнесен к сбросу, Западно-Уральский – к взбросо-надвигу. Дуринский и Боровицкий разломы в кинематическом отношении представля- ют собой горизонтальные сдвиги (Дуринский разлом является левосторонним сдвигом, Боровицкий – правосторонним) с ярко выраженными наложенными структурами – прогибами по кровле солей. Наиболее детально изучена природа, кинематика и внутреннее строение Дуринского разлома и Дуринского прогиба [3]. «Южный» разлом, имеющий сбросовую природу, ограничивает ВКМКС с юга. Его положение закартировано в гравитационном и магнитных полях; длина разлома по простиранию составляет около 100 км, и его с меньшей надежностью можно отнести к категории глубинных. По этим характеристикам разлом «Юж- ный» и не показан на структурно-тектонической схеме в [1]. Предтиманский разлом проявляется в фундаменте Восточно-Европейской платформы в виде границы, разделяющей Беломорский и Карельский кристалли- ческие массивы, и совпадает с юго-западной границей Чердынской шовной зоны между гранито-гнейсовым и сланцевым блоками фундамента [1]. Кинематика всех разломов соответствует геохронологической шкале эволю- ции кинематики разломов Урала для фанерозоя [4]. Существенным моментом в характеристике описанных разломов является то, что они активны в новейшее время. Об этом свидетельствует: – наличие аномалий современных движений земной коры Урала (горизонталь- ный градиент скорости вертикального движения, сдвиг, дилатация) по всем лини- ям повторного нивелирования в местах их пересечения с зонами глубинных раз- ломов (Блюмин М. А., Улитин Р. В. Схема вертикальных деформаций земной коры Урала. Масштаб 1:2500000. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1983); – фрагменты глубинных разломов отражаются на картах суммарных новей- ших движений; так, в районе г. Красноуфимска в зоне одноименного разлома установлена неотектоническая аномалия; аналогичная аномалия закартирована в северной части Западно-Уральского разлома [5]; – подавляющее большинство эпицентров динамических событий (24 из 25) находятся в пределах разломных зон [6–8]. Система глубинных разломов представляет региональный тектонический план того фрагмента ПКП, частью которого является Соликамская впадина с ВКМКС. Длительное существование этих разломов, их активизация в разные этапы тектогенеза и в новейшее время оказывают существенное влияние на тек- тонику Соликамской впадины и ВКМКС, т. е. на тектонический план месторож- дения. Поскольку механизмы образования и, соответственно, кинематика глубин- ных разломов различные: сбросы, горизонтальные сдвиги, взбросо-сдвиг, то каждый разлом характеризуется своим структурным парагенезисом, формируе- 40 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 мым в области его динамического влияния в толще месторождения. Например, структурный парагенезис в области динамического влияния горизонтального сдвига (Дуринского и Боровицкого) состоит из кулисообразной системы разры- вов отрыва, сопряженных сколов, обратных косых и продольных сколов опреде- ленных ориентировок [3, 9]. Поэтому реконструкция тектонического плана ВКМКС невозможна без учета механизмов формирования глубинных разломов.
а
1
б 2
3
Березники
4
0 10 20 км
Рис. 1. Тектонический план план южной южной части части Верхнекамского Верхнекамского месторождения калийных калийных солей солейпо результатам по результатам физическо- физического моделирования:го моделирования: а – схема– схема разрывных разрывных нарушений нарушений начального этапа начального деформирования этапа осадочнойдеформирования толщи месторождения; осадочной толщи б – месторождения;схема разрывных бнарушений – схема последующихразрывных нарушений этапов деформирования последующих этаповосадочной деформирования толщи место- рождения; 1 – осевые линии глубинных разломов: I – Красноуфим- ского,осадочной II – Западно-Уральского, толщи месторождения; III –1 Дуринского,– осевые линии IV – глубинных«Южного»; 2разломов: – границы I областей– Красноуфимского, динамического II влияния– Западно глубинных-Уральского, разломов; III – 3Дуринского, – границы распространенияIV – «Южного»; солей; 42 – вероятное– границы положение областей раз- рывныхдинамического нарушений влияния в областях глубинных динамического разломов; влияния 3 – глубинныхграницы распространения солей; 4 –разломов вероятное положение разрывных Fig.нарушений 1. Tectonic в областяхscheme of динамическогоthe southern part влияния of the Upper глубинных Kama potassiumразломов salt deposit according to the results of physical simulation: а – scheme of faults of the initial stage of the deposit’s sedimentary stratum deformation; б – scheme of faults of further stages of the deposit’s sedimentary stratum deformation; 1 – axial lines of deep faults: I – Krasnoufi msky, II – West Uralian, III – Durinsky, IV – “Iuzhnyi”; 2 – boundaries of dynamic impact from deep faults; 3 – salt limit; 4 – probable position of faults within the dynamic impact from deep faults В [1] подробно описан тектонический план ВКМКС, состоящий из 173 раз- рывов, установленных с различной надежностью комплексом геолого-геофизи- ческих методов. Но все разрывы охарактеризованы только геометрически – ази- мутами простирания их осевых линий и длиной. Механизмы образования ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 41 разрывов не рассмотрены, а следовательно, не изучены ни кинематический тип разрывов, ни структурный парагенезис. Методика исследований. Реконструкция тектонического плана ВКМКС была выполнена в два этапа. На первом этапе были использованы результаты физиче- ского моделирования разломов различного генезиса [10]. Применение результа- тов изучения процессов разломообразования на физических моделях для реше- ния той же задачи применительно к реальным разломным структурам обусловлено тем, что на всех масштабных уровнях тектонические образования
а в
Березники Березники 1
2
б г
3
Березники Березники 4
5
0 10 км
Рис. 2. Схемы: а – разрывов и зон Рис.трещиноватости: 2. Схемы: 1 – разрывы, установленные по а геолого– разрывов-геофизическим и зон трещиноватости: данным; 1 – разрывы,2 – зоны установленные интенсивной по геолого-геофизическим трещиноватости дан- в ным;осадочной 2 – зоны толще,интенсивной установленные трещиноватости по в осадочной результатам толще, дешифрирования установленные по косморезультатам- и дешифрированияаэроснимков космо- (Шитин и аэроснимков С. Т. и (Шитин др., 1979);С. Т. и др.,б 1979);– разломы б – разломы фундамента: фундамента: 3 – до-– верхнепротерозойские;доверхнепротерозойские; 4 – верхнепротерозойские; 4 – верхнепротерозойские; 5 – палеозойские 5 – и палеозойскиеболее поздние; ви – положе- более ниепоздние линеаментов,; в установленных– положение по результатам линеаментов, дешифрирования установленных космо- и аэроснимков по результатам (Голиздра дешифрированияГ. Я., 1985); космо г – положение- и аэроснимков прямолинейных (Голиздра участков Г. речныхЯ., 1985); долин г (рек)– положение Fig. 2. Schemes: а –прямолинейных faults and zones of участков rock fracture: речных 1 – faults долин determined (рек) from geological and geophysical data; 2 – zones of intensive rock fracture in the sedimentary stratum determined from the results of satellite and aerial images interpretation (Shitin S. T. et al, 1979); б – basement break: 3 – Pre-upper Proterozoic; 4 – Upper Proterozoic; 5 – Paleozoic and later; в – positions of lineaments determined from the results of satellite and aerial images interpretation (Golizdra G. Ia., 1985); г – positions of straight-line segments of stream valleys (rivers)
обладают подобием и иерархичностью [11]. По результатам физического модели- рования были определены поперечные размеры областей динамического влияния каждого глубинного разлома и тот структурный парагенезис, который характерен для них. На втором этапе были определены азимуты простирания разрывных на- рушений, закартированных на территории ВКМКС геофизическим, геологиче- ским и геоморфологическим методами. Результаты работы. Для определения поперечных размеров областей дина- мического влияния (ОДВР) каждого глубинного разлома были использованы кор- 42 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
реляционные зависимости между шириной ОДВР и толщиной модели или (через соответствующее условие подобия) мощностью земной коры в реальной геологи- ческой обстановке [10]. Такие зависимости, получившие подтверждение при по- левых геологических исследованиях [12], построены для различных кинематиче- ских типов разломов: сдвиг, сброс, надвиг и др. В Пермском Приуралье мощность земной коры оценена в 50 км. Поэтому ширина ОДВР, согласно корреляционным зависимостям [8], изменяется от 40 до 50 км, т. е. по 20–25 км по обе стороны от осевых линий разломных зон. Таким образом, в ОДВР находится вся территория ВКМКС (рис. 1). Реконструкция кинематических типов и ориентировок систем разрывов в пре- делах ОДВР каждого глубинного разлома была осуществлена также на основе результатов физического моделирования. В областях динамического влияния сбросов, каковыми являются Красноуфим- ский [2], Предтиманский и «Южный» разломы, на начальных этапах разломо- образования развивались трещины скалывания двух диагональных систем, ориен- тированных под углами 55° и 70° с осевыми линиями разломов. По мере развития деформационных процессов начинает зарождаться третья система разрывов, представляющих собою трещины отрыва, которые ориентированы вдоль осевых линий разломов. Плоскости падения этой системы трещин вертикальные. В об- ласти динамического влияния Западно-Уральского разлома, хотя его кинематика является взбросо-надвиговой, структурный парагенезис такой же, что и у Красно- уфимского, Предтиманского и «Южного» разломов. В области динамического влияния Дуринского и Боровицкого горизонтальных сдвигов на начальном этапе структурообразования формировалась эшелонированная кулисообразная систе- ма антиклинальных и синклинальных складок, характерная для слоистых толщ, на более поздних – система сопряженных сколов различной ориентировки и тре- щин отрыва, ориентированных под углом 45° к осевой линии зоны сдвига при упругом деформировании [3, 9] (рис. 1). Для оценки результатов реконструкции тектонического плана ВКМКС по дан- ным физического моделирования было выполнено их сопоставление с данными об ориентировках разрывных нарушений, установленных геолого-геофизически- ми методами. В качестве таковых были использованы: результаты интерпретации локальных аномалий магнитного поля, материалы дешифрирования космо- и аэроснимков, данные о спрямленных участках русел современных рек и о разломах в фундаменте. По этим данным были построены розы-диаграммы азимутов простирания осей магнитных аномалий, разломов в фундаменте, линеаментов, отражающихся в космо- и аэроснимках и прямолинейных фрагментах речных долин (рис. 2, рис. 3). Розы-диаграммы на рис. 3, а, б дают представление об азимутах простирания тектонических элементов глубоких горизонтов месторождения; розы-диаграммы на рис. 3, в, г, д характеризуют преимущественно закономерности простирания приповерхностных структурно-тектонических элементов месторождения: ли- нейные магнитные аномалии обусловлены развитием магнитной минерализации в зонах трещиноватости и в разрывах в надсолевом комплексе; линеаменты, вы- деленные по космо- и аэроснимкам, картируют участки неотектонических дви- жений; речные долины формируются по фрагментам современных разломов. Анализ и обсуждение результатов. Из результатов физического моделирова- ния следует, что на начальных этапах структурообразования в ОДВР формирует- ся система диагональных сколов. Исключение составляет северная часть ВКМКС, где на разрывы диагональной системы накладываются разрывы меридионально- го и субширотного направления. В более поздние этапы структурообразования ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 43
развиваются системы разрывов типа отрыва меридионального простирания, ко- торые осложняются разрывами широтной ориентировки на юге ВКМКС и юго- юго-западной на севере. Развитие последней системы разрывов способствует об- разованию грабенообразных структур по кровле солей, осложняющих строение Дуринского прогиба. Таким образом, данные физического моделирования свидетельствуют, что наиболее вероятными на территории ВКМКС являются четыре главных системы разрывов, обусловленных действием глубинных разломов: меридиональная и широтная, представленные разрывами типа отрыва; диагональные северо- восточного и северо-западного направлений, разрывы которых имеют сдвиговую природу.
б а 0° 0°
90° 270° 90° 270°
180° 180°
в д г 0° 0° 0°
270° 90° 270° 270° 90° 90°
180° 180° 180°
Рис.Рис. 3. 3. Розы-диаграммы Розы-диаграммы азимутов азимутов простирания: простирания: аа – – разломов разломов фундамента; фундамента; б –б разломов– разломов и зон и зон трещиноватости трещиноватости (Шитин (Шитин С. Т. С.и др.,Т. 1979); и др., в – осей 1979); линейных в – осей магнитных линейных аномалий; магнитных г – прямолинейных аномалий; участ- г – прямолинейныхков речных долин (рек); участков д – космо- речных и аэролинеаментов долин (рек); (Голиздра д – Г.космо Я., 1985)- и аэролинеаментов Fig.(Голиздра 3. Rose Г. plotsЯ., 1985) of strike azimuths: а – basement break; б – faults and zones of rock fracture (Shitin S. T. et al., 1979); в – axes of linear magnetic anomalies; г – straight-line segments of stream valleys (rivers); д – satellite and aerial images lineaments (Golizdra G. Ia., 1985)
Аналогичный вывод о наличии на ВКМКС четырех систем разрывных нару- шений был сделан и в [1], но с одной существенной разницей: в [1] не дана кине- матическая характеристика разломов, т. е. не определен механизм их образова- ния, иными словами, генезис. Вид роз-диаграмм азимутов простирания разломов фундамента и зон трещи- новатости (рис. 3, а, б) и роз-диаграмм азимутов простирания структурно-текто- нических образований в толще ВКМКС (рис. 3, в, г, д) при их большой схожести несколько отличается. Это отличие обусловлено тем, что формирование разломов фундамента и трещинных зон происходило под действием региональных процес- сов, как и формирование глубинных разломов. Структурно-тектонические эле- менты в толще ВКМКС образовались под действием локальных процессов в ОДВР. Общность же всех роз-диаграмм заключается в том, что на них хорошо видны ортогональные направления: особенно отчетливо – субмеридиональное, 44 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
менее четко – субширотное. Из двух диагональных направлений лучше выражено северо-восточное, главным образом в простирании осей линейных магнитных аномалий и спрямленных русел рек, (правда, со значительным разбросом сред- них значений азимутов от 45° до 25° для русел рек); северо-западное направление проявлено слабо. Из сопоставления результатов изучения тектонического плана ВКМКС раз- личными методами следует, что они непротиворечивы. На ВКМКС под действи- ем различных причин сформировалось четыре системы структурно-тектониче- ских образований: субмеридиональная, субширотная и две диагональные системы. Но если метод физического моделирования дает одинаковую вероят- ность образования каждой системы, то данные геолого-геофизических методов позволяют выделить среди них наиболее вероятные. С другой стороны, метод физического моделирования позволяет определить кинематический тип разры- вов, что не всегда возможно сделать с помощью геолого-геофизических методов. Выводы и область применения результатов. Применение двух различных подходов для изучения тектонического плана ВКМКС представляется полезным и перспективным для прогнозирования тектонической обстановки в пределах за- крытых, слабоизученных в геологическом отношении территорий. Сходство роз-диаграмм азимутов простирания различных структурно-текто- нических элементов свидетельствует о генетической связи глубинных и поверх- ностных тектонических процессов и сформированных ими структур на террито- рии ВКМКС. Эти связи ранее были установлены для платформенной части всего Пермского Приуралья. Не принимая их во внимание, нельзя выполнять деталь- ное изучение тектонического плана ВКМКС. Подобие роз-диаграмм азимутов простирания осей локальных магнитных аномалий, русел рек и линеаментов указывает на связь между ними. Поскольку возраст разрывов, проявляющихся в положении русел рек и линеаментов, счита- ется новейшим, то и время образования зон тектонической трещиноватости, кар- тируемой линейными магнитными аномалиями, тоже можно считать новейшим, в крайнем случае позднемезо-кайнозойским. Переход от результатов статистического анализа азимутов простирания струк- турно-тектонических элементов к конкретному определению их планового по- ложения возможен только на основе использования результатов детальных пло- щадных высокоточных геолого-геофизических исследований.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Кудряшов А. И. Верхнекамское месторождение солей. М.: Эпсилон Плюс, 2013. 368 с. 2. Кассин Г. Г., Филатов В. В. Красноуфимский разлом: строение и история развития по геофизическим данным // Известия УГГГА. Сер.: Геология и геофизика. 2003. Вып. 18. С. 170–176. 3. Филатов В. В., Болотнова Л. А. Природа и динамика Дуринского прогиба // Известия вузов. Горный журнал. 2016. № 4. С. 111–119. 4. Плюснин К. П. Эволюция кинематики и определение возраста разрывных структур Урала // Разломы земной коры Урала и методы их изучения. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1983. С. 12–23. 5. Сигов А. П. Металлогения мезозоя и кайнозоя. М.: Наука, 1968. 296 с. 6. Filatov V. V., Bolotnova L. A. Generalizing the experience of forecasting dynamic events at the Upper Kama potassium salt deposit according to geological and geophysical data // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal. 2019. No. 4. P. 61–70. DOI: 10.21440/0536-1028-2019-4-61-70 7. Shulakov D. Y., Buturin P. G., Verkholantsev A. V. Seismological monitoring the Upper Kama potash deposit: objectives problem solutions // Gornyi Zhurnal. 2018. No. 6. P. 25–29. 8. Sanfirov I. A., Stepanov Y. I., Gerasimova I. Y., Nikiforova A. I. Shallow geophysical exploration of the Upper Kama potash salt deposit // Journal of Mining Science. 2013. Vol. 49. No. 6. P. 902–907. 9. Стоянов С. С. Механизм формирования разрывных зон. М.: Недра, 1977. 144 с. 10. Шерман С. И., Борняков С. А., Буддо В. Ю. Области динамического влияния разломов. Новосибирск: Наука, 1983. 112 с. ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 45
11. Филатов В. В., Болотнова Л. А. О подобии и иерархии тектонических структур // Известия вузов. Горный журнал. 2019. № 1. С. 52–59. 12. Лобацкая Р. М. Структурная зональность разломов. М.: Недра, 1987. 128 с.
Поступила в редакцию 27 марта 2020 года
Сведения об авторах: Филатов Владимир Викторович – доктор геолого-минералогических наук, профессор, профессор кафедры автомобильных дорог Владимирского государственного университета. E-mail: [email protected] Болотнова Любовь Анатольевна – кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры геофизики Уральского государственного горного университета. E-mail: [email protected]
DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-38-46 Upper Kama potassium salt deposit tectonic scheme based on physical modeling results and geological and geophysical data Vladimir V. Filatov1, Liubov A. Bolotnova2 1 Vladimir State University, Vladimir, Russia. 2 Ural State Mining University, Ekaterinburg, Russia. Abstract Introduction. The territory of the Upper Kama potassium salt deposit (UKPSD) which has been actively developed since 1932, is characterized by abnormal technogenic overload on the geological environment. This load destroys the natural balance of the geological environment, the restoration of which is accompanied by hazardous dynamic events, from rockbursts to induced earthquakes of various magnitudes. Dynamic conditions of UKPSD is determined by many factors, among which a significant role is played by tectonic factors. Tectonic structure in the form of tectonic features or criteria (or other equal conditions) are taken into account first of all when fulfilling dynamic zoning of UKPSD territory and predicting the areas of possible manifestation of dynamic events. As soon as structural and tectonic elements of geological environment are characterized by similarity and hierarchy, it is advisable to study the tectonics of the deposit at various scales by corresponding geological and geophysical methods applying physical simulation data. Research methodology. Tectonic structures similarity and hierarchy (with a crack analysed as a copy of a fault), determined the two-stage technique of studying the tectonic structure of UKPSD territory. At the first stage, according to physical simulation data, areas influenced by the deep faults enclosing the Solikamsk depression and UKPSD were reconstructed. At the second stage, analyses was carried out of UKPSD fault strike azimuths determined by geological and geophysical methods. Research results. According to the results of the physical simulation, the dimensions of the area of dynamic impact of all faults enclosing the Solikamsk depression taking into account their kinematic type, and strikes and kinematics of faults within the zone of each fault were determined. Statistical analysis was carried out together with rose diagrams of strike azimuths of faults in the foundation and faults in UKPSD depth determined according to the results of magnetic field local anomalies interpretation, geomorphological data, satellite and aerial images. Summary. Tectonic scheme of UKPSD is not random. It is determined basically by the kinematics of deep faults enclosing UKPSD, and the tectonics of the foundation. Key words: Upper Kama potassium salt deposit; tectonics; physical simulation; geological and geophysical methods. REFERENCES 1. Kudriashov A. I. Upper Kama potassium salt deposit. Moscow: Epsilon Plius Publishing; 2013. (In Russ.) 2. Kassin G. G., Filatov V. V. Krasnoufimsk fault: structure and history according to geophysical data. Izvestiia UGGGA. Ser.: Geologiia i geofizika = News of the Ural State Mining University. Ser.; Geology and Geophysics. 2003; 18: 170–176. (In Russ.) 3. Filatov V. V., Bolotnova L. A. Nature and dynamics of Вurinsky foredeep. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = News of the Higher Institutions. Mining Journal. 2016; 4: 111–119. (In Russ.) 4. Pliusnin K. P. Evolution of kinematics and determination of Ural faulted structures age. In: Faults of the earth’s crust in the Urals and methods of their investigation. Sverdlovsk: USC AS USSR Publishing; 1983. p. 12–23. (In Russ.) 5. Sigov A. P. Mecozoic and Cenozoic metallogeny. Moscow: Nauka Publishing; 1968. (In Russ.) 6. Filatov V. V., Bolotnova L. A. Generalizing the experience of forecasting dynamic events at the Upper Kama potassium salt deposit according to geological and geophysical data. Izvestiya vysshikh 46 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = News of the Higher Institutions. Mining Journal. 2019; 4: 61–70. DOI: 10.21440/0536-1028-2019-4-61-70 (In Russ.) 7. Shulakov D. Y., Buturin P. G., Verkholantsev A. V. Seismological monitoring the Upper Kama potash deposit: objectives problem solutions. Gornyi zhurnal = Mining Journal. 2018; 6: 25–29. (In Russ.) 8. Sanfirov I. A., Stepanov Y. I., Gerasimova I. Y., Nikiforova A. I. Shallow geophysical exploration of the Upper Kama potash salt deposit. Journal of Mining Science. 2013; 49 (6): 902–907. 9. Stoianov S. S. Mechanism of faulted zones development. Moscow: Nedra Publishing; 1977. (In Russ.) 10. Sherman S. I., Borniakov S. A., Buddo V. Iu. Areas of faults dynamic impact. Novosibirsk: Nauka Publishing; 1983. (In Russ.) 11. Filatov V. V., Bolotnova L. A. About similarity and hierarchy of tectonic structures. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = News of the Higher Institutions. Mining Journal. 2019; 1: 52–59. (In Russ.) 12. Lobatskaia R. M. Structural zoning of faults. Moscow: Nedra Publishing; 1987. (In Russ.)
Received 27 March 2020
Information about authors: Vladimir V. Filatov – DSc (Geology and Mineralogy), Professor, professor of the Department of Highways, Vladimir State University. E-mail: [email protected] Liubov A. Bolotnova – PhD (Geology and Mineralogy), associate professor of Geophysics Department, Ural State Mining University. E-mail: [email protected]
Для цитирования: Филатов В. В., Болотнова Л. А. О тектоническом плане Верхнекамского месторождения калийных солей по результатам физического моделирования и по геолого- геофизическим данным // Известия вузов. Горный журнал. 2020. № 5. С. 38–46. DOI: 10.21440/0536- 1028-2020-5-38-46 For citation: Filatov V. V., Bolotnova L. A. Upper Kama potassium salt deposit tectonic scheme based on physical modeling results and geological and geophysical data. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = News of the Higher Institutions. Mining Journal. 2020; 5: 38–46 (In Russ.). DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-38-46 горнопромышленная и нефтегазовая геология, геофизика
УДК 622.271.333:550.837.312 DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-47-55
Прогноз устойчивости техногенного грунтового массива, прилегающего к ликвидированному гидроотвалу
Караблин М. М.1*, Простов С. М.2 1 Кузбасский головной институт по проектированию угледобывающих и углеперерабатывающих предприятий «Кузбассгипрошахт», г. Кемерово, Россия 2 Кузбасский государственный технический университет, г. Кемерово, Россия *e-mail: [email protected]
Реферат Введение. Участки бортов карьеров, непосредственно прилегающие к гидроотвалам, характеризуются повышенной опасностью оползнеобразования, особенно при складировании сухих пород вскрыши поверх намывных. Этому способствует сочетание следующих факторов: увеличение суммарной высоты борта; формирование в борту влагонасыщенной ослабленной зоны, имеющей сложную конфигурацию в плане и по глубине; наличие в пределах этой зоны избыточного порового давления, возрастающего за счет пригруза намывных пород сухим отвалом. Для снижения рисков, связанных с нарушением устойчивости откосов техногенных массивов, выполняют прогноз устойчивости на основе результатов геологического изучения, гидрогеологических наблюдений и геофизических зондирований. Цель работы. Прогноз устойчивости техногенного массива Краснобродского угольного разреза, прилегающего к гидроотвалу «Бахтыхтинский», на основе объемной геолого-геофизической модели. Методология. Авторами статьи предложен и реализован алгоритм прогноза устойчивости откосных сооружений на основе объемных геолого-геофизических моделей, формируемых путем комплексирования геологической, гидрогеологичекой и геофизической информации. Результаты. В результате анализа баз данных геологического изучения, гидрогеологических наблюдений и электрических зондирований построена объемная геолого-геофизическая модель техногенного массива, прилегающего к гидроотвалу «Бахтыхтинский». Выполнен прогноз устойчивости фактического положения техногенного массива. Выводы. Для формирования объемной геолого-геофизической модели кроме геометрии борта обязательно следует устанавливать в плане и по глубине границы зон влагонасыщенных пород методом электрических зондирований, а также проводить мониторинг порового давления в пределах этой зоны. Для установления сечения борта с наиболее низким значением коэффициента устойчивости необходимо проводить циклические расчеты, включающие постепенное уменьшение шагов перемещения и поворота расчетного сечения.
Ключевые слова: намывной массив гидроотвала; электрическое зондирование; поровое давление; объемная геолого-геофизическая модель; коэффициент устойчивости.
Введение. В настоящее время развитие угольной промышленности Кузбасса связано с ростом объемов полезного ископаемого, добываемого открытым спосо- бом. При этом все актуальней становится проблема складирования больших объ- емов вскрышных пород. С целью рационального использования земельных ре- сурсов нередко отвалы скальных и полускальных пород формируют на ликвидированных гидроотвалах [1, 2]. Эксплуатация таких техногенных масси- 48 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
вов осложнена наличием в основании водонасыщенных глинистых грунтов, об- ладающих низкой несущей способностью. В случаях, когда консолидация на- мывных пород не завершена, при отвалообразовании в техногенном массиве развиваются геомеханические процессы. Для снижения рисков, связанных с на- рушением устойчивости откосов техногенных массивов, выполняют прогноз устойчивости на основе результатов геологического изучения, гидрогеологиче- ских наблюдений и геофизических зондирований [3–11]. Авторами статьи пред- ложен и реализован алгоритм прогноза устойчивости откосных сооружений на основе объемных геолого-геофизических моделей, формируемых путем комплек- сирования геологической, гидрогеологической и геофизической информации.
Таблица 1. Физико-механические свойства пород техногенного массива Table 1. Physico-mechanical properties of man-made soils
Слой Описание Δh, м ρ, т/м3 W, % φ, град C, МПа Инженерно-геологические изыскания 1979 года I Породы «сухой» вскрыши 0,0–10,5 1,80 – 30 0,01 Суглинок мягкопластич- II, III ный с прослоями супеси 10,5–26,3 1,90 27,8 18–20 0,01–0,025 Инженерно-геологические изыскания 1989 года I Породы «сухой» вскрыши 0,0–18,0 1,80 – 30 – Намывной суглинок туго- II, III пластичный с прослоями супеси 18,0–26,0 1,95–1,96 25,0–26,5 20–25 0,01–0,04 Инженерно-геологические изыскания 2006 года I Породы «сухой» вскрыши 0,0–18,0 1,80 – 30 0,01 Намывная супесь с просло- II ями суглинка 18,0–26,0 1,95–2,13 7,5–10,6 17–24 0,02–0,05 III Намывной суглинок с про- слоями супеси 26,0–30,5 2,06–2,16 12,6–21,2 6–10 0,03–0,05 Суглинок основания аллю- IV виальный 30,0–38,0 2,05–2,12 18,7–24,0 6–8 0,07–0,12 ––––––––––– Δh – интервал глубины; ρ – плотность; W – влажность; φ – угол внутреннего трения; C – сцепление.
Целью работы является прогноз устойчивости техногенного массива Красно- бродского угольного разреза, прилегающего к гидроотвалу «Бахтыхтинский», на основе объемной геолого-геофизической модели. Методика проведения исследований. С целью прогноза устойчивости тех- ногенного массива, объединяющего краевую часть гидроотвала с породами сухой вскрыши и прилегающий к ней борт разреза, были проведены комплексные ис- следования, включающие инженерно-геологические изыскания, гидрогеологиче- ский и электрофизический мониторинг. Для изучения геологического строения и характеристик техногенного массива пробурено 3 геологических скважины. Для детализации изменений свойств исследуемого массива по глубине и в плане про- веден электрофизический мониторинг, включающий зондирование (ВЭЗ) в двух точках O1 и O2, максимально приближенных к устьям геологических скважин № 1 и № 2, а также электропрофилирование (ЭП) по двум профилям O1x1 и O2x2. Разносы AB установки при ЭП были выбраны на основании результатов ВЭЗ и соответствовали расположению верхней границы влагонасыщенной зоны. По- скольку исследуемая среда может рассматриваться как двухслойная, для прогноза
2 “Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal”. No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 формируют на ликвидированных гидроотвалах [1, 2]. Эксплуатация таких техногенных массивов осложнена наличием в основании водонасыщенных глинистых грунтов, обладающих низкой несущей способностью. В случаях, когда консолидация намывных пород не завершена, при отвалообразовании в техногенном массиве развиваются геомеханические процессы. Для снижения рисков, связанных с нарушением устойчивости откосов техногенных массивов, выполняют прогноз устойчивости на основе результатов геологического изучения, гидрогеологических наблюдений и геофизических зондирований [3– 11]. Авторами статьи предложен и реализован алгоритм прогноза устойчивости откосных сооружений на основе объемных геолого-геофизических моделей, формируемых путем комплексирования геологической, гидрогеологической и геофизической информации. Целью работы является прогноз устойчивости техногенного массива Краснобродского угольного разреза, прилегающего к гидроотвалу «Бахтыхтинский», на основе объемной геолого-геофизической модели. Методика проведения исследований. С целью прогноза устойчивости техногенного массива, объединяющего краевую часть гидроотвала с породами сухой вскрыши и прилегающий к ней борт разреза, были проведены комплексные исследования, включающие инженерно-геологические изыскания, гидрогеологический и электрофизический мониторинг. Для изучения геологического строения и характеристик техногенного массива пробурено 3 геологических скважины. Для детализации изменений свойств исследуемого массива по глубине и в плане проведен электрофизический мониторинг, включающий зондирование (ВЭЗ) в двух точках O1 и O2, максимально приближенных к устьям геологических скважин № 1 и № 2, а также электропрофилирование (ЭП) по двум профилям O1x1 и O2x2. Разносы AB установки при ЭП были выбраны на основании результатов ВЭЗ и ISSNсоот 0536-1028ветствовали расположению «Известия верхней вузов. границы Горный журнал», влагонасыщенной № 5, 2020 49 зоны. Поскольку исследуемая среда может рассматриваться как двухслойная, для прогноза изменения мощности h1 первого слоя (насыпные породы) по данным изменения мощности h1 первого слоя (насыпные породы) по данным ЭП исполь- ЭП использовалась линейная зависимость зовалась линейная зависимость 2 “Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal”. No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 ρ(кk x ) hx() h , (1) (1) формируют на ликвидированных11 гидроотвалахρ [1, 2]. Эксплуатация таких техногенных массивов осложнена наличиемкk0 в основании водонасыщенных глинистых грунтов, обладающих низкой несущей способностью. В случаях, гдекогда гдеx – xкоордината консолидация – координата оси намывныхосипрофиля; профиля; h пород1, ρhк01, –ρ k незначения0 – завершена,значения h1 и h ρ 1 кприи, соответствующиеρk , отвалообразосоответствующиевании x = 0x в= 0 координатетехногенномкоординате устья массивеустья контрольной контрольной развиваются скважины. скважины. геомеханические процессы. Для снижения рисков,Гидрогеологические связанных с нарушением процессы устойчивости в техногенном откосов массиве техногенных изучены на массивов, основании выполняютаанализа результатов прогноз устойчивости наблюдений за на поровым основеб давлением результатов по пьезометрическим геологического 50 70 90 110 130 ρк, Ом · м 30 40 50 60 70 ρк, Ом · м изучения,датчикам0 0 гидрогеологических струнного типа ПДС, наблюд установленнымений и геофизических в скважинах зондирований № 1–3. Прогноз [3– 11].устойчивости Авторами статьи гидроотвала предложен выполнен и реализован для фактическогоалгоритм прогноза положения устойчивости методом откосныхалгебра ического сооружений сложения на основе моментов объемных удерживающих геолого-геофизических и сдвигающих моделей, сил. формируемыхСогласно данному путем комплексированияметоду, величина критерия геологической, безопасности гидрогеологической – коэффициента и устойчивости n – вычисляется1 по формуле: гео7,5физической 50 информации. 50 Целью работы является прогноз устойчивости техногенного 1 массива Краснобродского угольногоkk разреза, прилегающего к гидроотвалу (2) «Бахтыхтинский», наn основе( P iобъемной cosα i D i )tgφгеолого i Cl-геофизической i P iisinα ,модели. Методика проведенияii11 исследований. С целью прогноза устойчивости техногенного15,0 100 массива, объединяющего краевую100 часть гидроотвала с породами сухойгде P вскрышиi – вес блока и прилегающий пород, отнесенный к ней к борт 1 м ширины разреза, призмы были проведены возможного комплексныеобрушения, исследования,Н/м; С – сцепление включающие пород, МПа; инженерно φ – угол-геологические внутреннего тренияизыскания, пород, гидрогеологическийград; α – угол наклона и элек поверхноститрофизический скольжения мониторинг. в середине Для блока, изучения град; li – длина поверхности скольжения в пределах блока, м; Di – равнодействующая, геологического22,5 150 строения и характеристик 150 техногенного массива пробурено 3 геологическихвключающая скважины.совокупное2 Длявлияние детализации гидростатических изменений и гидродинамических свойств исследуемого сил в пределах каждого блока, Н/м; массива по глубине и в плане проведен электрофизический мониторинг,2 включающий зондирование (ВЭЗ) в двух точках O1 и O2, максимально приближенных30,0 200 к устьям геологических 200 скважин № 1 и № 2, а также электропрофилирование (ЭП) по двум профилям O1x1 и O2x2. Разносы AB установки при ЭП были выбраны на основании результатов ВЭЗ и соответствовали расположению 3 верхней границы влагонасыщенной зоны. Поскольку исследуемая среда может рассматриваться как двухслойная, для 37,5 250 250 прогноза изменения мощности h1 первого слоя (насыпные породы)3 по данным ЭП использовалась линейная зависимость h, м АВ, м АВ, м
Рис. 1. Результаты ВЭЗ № 1 – а,, №№ 22 – б и их качественной интерпретации: ρ(k x ) 1 – насыпной1 –грунт насыпной (породы грунт сухой (породы вскрыши);hx() сухой 2вскрыши); h– намывные 2 , – грунтынамывные(1) гидроотвала; грунты гидроотвала; 3 – аллювиальный су- 11глинок основания отвала 3 – аллювиальный суглинокρk0 основания отвала Fig. 1. FigThe. results1. The ofresults vertical of vertical electrical electrical sounding sounding no. 1 – a №, no. 1 –2 –a ,б № and 2 –their б and qualitative their qualitative interpretation: 1 – man-made soil; 2 – fi ll ground soilinterpretation: of the hydraulic-mine dump;3 – alluvial clayish soil где x – координата1 – manmadeоси профиля; soil; 2 – fill h 1ground, ρk0 –soil значения of the hydraulic h1 -иmine ρk, dump; соответствующие x = 0 координате устья контрольной 3скважины. – alluvial clayish soil ГидрогеологическиеГидрогеологические процессы процессы в в техногенном тех ногенном массиве массиве изучены изучены на на основании основании анализаанализа результатов результатов наблюдений наблюдений за за поровым поровым давлением давлением по по пьезометрическим пьезометрическим датчикамдатчикам струнного струнного типа типа ПДС, ПДС, установленным установленным в в скважинах скважинах № № 1–3. 1–3. Прогноз Прогноз устойчивостиустойчивости гидроотвала гидроотвала выполнен выполнен для дляфактического фактического положения положения методом методом алге- браическогоалгебраического сложения сложения моментов моментов удерживающих удерживающих и сдвигающих и сдвигающих сил. Согласно сил. данномуСогласно методу, данному величина методу критерия, величина безопасности критерия – безопасности коэффициента – устойчивостикоэффициента nустойчивости – вычисляется n по– вычисляется формуле: по формуле:
kk n( Pi cosα i D i )tgφ i Cl i P iisinα , (2) (2) ii11
гдегде P iP –i вес– вес блока блока пород, пород, отнесенный отнесенный к 1 м ширины к 1 м шириныпризмы возможного призмы возможного обруше- ния,обрушения, Н/м; С – Н/м; сцепление С – сцепление пород, МПа;пород, φ МПа;– угол φ внутреннего– угол внутреннего трения тренияпород, пород,град; град; α – угол наклона поверхности скольжения в середине блока, град; li – длина поверхности скольжения в пределах блока, м; Di – равнодействующая, включающая совокупное влияние гидростатических и гидродинамических сил в пределах каждого блока, Н/м; 50 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
α – угол наклона поверхности скольжения в середине блока, град; li – длина по- верхности скольжения в пределах блока, м; Di – равнодействующая, включающая совокупное влияние гидростатических и гидродинамических сил в пределах каж- ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 3 дого блока, Н/м;
ρ(в gHi y ii ) b Di , (3) (3) cos αi
где bbii –– ширинаширина блока, блока, м; м; H Hi –i средний– средний напор напор в блоке, в блоке, м; yм;i – yсредняяi – средняя ордината ордината по- поверхности,верхности, отсчитываемая отсчитываемая от отпринятой принятой (условной) (условной) горизонтальной горизонтальной плоскости, плоскости, м; 3 м;ρ –ρ вплотность – плотность воды, воды, кг/м кг/м3. . в Влияние гидростатических и гидродинамических сил учитывается для обводненнойа части призмы возможного обрушения, ограниченной наиболее напряженной поверхностьюρк, Ом ·скольжения м и депрессионной кривой. Результаты. Алгоритм прогноза0 устойчивости включает формирование объемной геолого-геофизической модели в виде баз данных о геометрии борта, расположении и физико-механических70 свойствах основных геологических слоев, циклический расчет коэффициентов20 устойчивостиh1 для множества вертикальных сечений, выявление60 сечения с минимальным значением n [12]. Гидроотвал «Бахтыхтинский» является сооружением овражно-балочного типа с односторонним обвалованием, высотой40 в тальвеге лога до 38 м и площадью 98 га. Намыв гидроотвала осуществлялся50 ρ вк период с 1958 по 1962 г. со стороны дамб обвалования. С 1973 г. гидроотвал служит основанием отвала сухой –50 50 100 x1, м вскрыши, формирование которогоO1 h1, м ведется с применением технологической схемыб автомобильно-бульдозерного отвалообразования. В 2005 г. при интенсивном развитии отвала в районе профильных линий 18–22 произошло деформирование техногенного массива в сторону горных выработок. После завершения оползневыхρк , процессовОм · м максимальные отметки отвала превышали значение +380 м. Инженерно-геологические изыскания выполнены межотраслевым научным центром6 0ВНИМИ в 3 этапаρ к– с 1979 по 2006 г. Физико- механические свойства пород техногенного0 массива представлены в табл. 1. Анализ полученных данных5 0 показывает, что на момент актуальных изысканий намывные породы уплотнены, имеют высокие показатели плотности A 3 (1,95–2,16 т/м ) и низкие значения влажности10 (7,5–21,2 %), консистенция пород мягкопластичная и тугопластичная.40 Отмечается тенденцияB увеличения 20 h1 сцепления намывных пород 3 за0 период наблюдений. Результаты ВЭЗ представлены на рис. 1. –100 –50 O 50 100 x2, м Результаты комплексного анализа2 h , м и качественной интерпретации геолого- геофизической информации следующие:1 Рис.– глубина2. Рис.Результаты 2. Результаты зондирований ЭП по ЭПпрофилям по профилям составила О1х1 – Оа 1их 1hО – 2 ≈ха2 и–0,15 Об2, хпрогнозируемое2AB – б , (гдепрогнозируемое AB –изменение разнос изменение глубины питающих h1 глубинызалегания h1 залегания верхней верхней границы границы влагонасыщенного влагонасыщенного слоя: слоя: электродов установки); AB – границы влагонасыщенной зоны –геоэлектрическая структураAB – границы массива влагонасыщенной в районе зоныосновной части соответствует Fig.Fig. 2. 2. The The results results of of electric electric profi profiling ling in sections О О1х1х1 1– – а а – and а and О2 Ох22 х–2 б–, theб, the predicted predicted change change in двухслойномуin разрезу;the the depth depth h h11 слой of of the the влагонасыщенныхupper upper boundary boundary of of the the moisture moisture-saturated намывных-saturated грунтов layer: layer: расположен на интервале AB = 90–240ABAB м–– boundariesboundaries (h = 13 ofof– thethe36 waterloggedwaterlogged м), что zone zone характеризуется снижением
уровня эффективного УЭС ρк с 75–80 до 60–65 Ом · м (ВЭЗ № 1), до 40–50 Ом ·
м (ВЭЗВлияние № 2); гидростатических слой намывных влагонасыщенных и гидродинамических грунтов сил учитываетсянеоднороден, для возможно обвод- чередованиененной части прослоев призмы возможного с различной обрушения, степенью влажности; ограниченной наиболее напряжен- ной– поверхностьюниже намывного скольжения слоя (AB и >депрессионной 220 м, h > 33 кривой. м) расположен подстилающий слойРезультаты. плотных коренных Алгоритм породпрогноза (песчаник), устойчивости что характеризуетсявключает формирование повышением объ- уровня эффективного УЭС ρк до 140–150 Ом · м. емной геолого-геофизической модели в виде баз данных о геометрии борта, рас- Результаты интерпретации электропрофилирования представлены на рис. 2. положенииАнализ полученных и физико-механических данных показал свойствах следующее: основных геологических слоев, циклический– по O1x1 величинарасчет коэффициентов h1 изменяется устойчивости в диапазоне для от множества 24 до 37 м вертикальных при среднем значениисечений, выявлениеh1 = 31 сечения м, закономерных с минимальным изменений значением h1 в n [12]. пределах Гидроотвал профиля «Бах- не установлено;тыхтинский» является сооружением овражно-балочного типа с односторонним – по O2x2 величина h1 изменяется в диапазоне от 12 до 24 м, причем при приближении к границам исследуемого участка h1 имеет минимальные значения, т. е. намывной слой вдавлен в средней части массива насыпными породами, а ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 51 обвалованием, высотой в тальвеге лога до 38 м и площадью 98 га. Намыв гидро- отвала осуществлялся в период с 1958 по 1962 г. со стороны дамб обвалования. С 1973 г. гидроотвал служит основанием отвала сухой вскрыши, формирование которого ведется с применением технологической схемы автомобильно-бульдо- зерного отвалообразования. В 2005 г. при интенсивном развитии отвала в районе профильных линий 18–22 произошло деформирование техногенного массива в сторону горных выработок. После завершения оползневых процессов макси- мальные отметки отвала превышали значение +380 м. Инженерно-геологические изыскания выполнены межотраслевым научным центром ВНИМИ в 3 этапа – с 1979 по 2006 г. Физико-механические свойства пород техногенного массива пред- ставлены в табл. 1.
Р, МПа
0,58 324
0,54 701 043 556 212 180 0,50 0 2 4 6 8 10 t, мес
Рис. 3. График изменения порового давлениядавления PP сс течениемтечением временивремени tt Fig. 3. Plot of pore pressure PP overover timetime tt
Анализ полученных данных показывает, что на момент актуальных изысканий намывные породы уплотнены, имеют высокие показатели плотности (1,95–2,16 т/м3) и низкие значения влажности (7,5–21,2 %), консистенция пород мягкопластичная и тугопластичная. Отмечается тенденция увеличения сцепле- ния намывных пород за период наблюдений. Результаты ВЭЗ представлены на рис. 1. Результаты комплексного анализа и качественной интерпретации геолого- геофизической информации следующие: – глубина зондирований составила h ≈ 0,15AB (где AB – разнос питающих электродов установки); – геоэлектрическая структура массива в районе основной части соответствует двухслойному разрезу; слой влагонасыщенных намывных грунтов расположен на интервале AB = 90–240 м (h = 13–36 м), что характеризуется снижением уровня эффективного УЭС ρк с 75–80 до 60–65 Ом · м (ВЭЗ № 1), до 40–50 Ом · м (ВЭЗ № 2); слой намывных влагонасыщенных грунтов неоднороден, возможно чередование прослоев с различной степенью влажности; – ниже намывного слоя (AB > 220 м, h > 33 м) расположен подстилающий слой плотных коренных пород (песчаник), что характеризуется повышением уровня эффективного УЭС ρк до 140–150 Ом · м. Результаты интерпретации электропрофилирования представлены на рис. 2. Анализ полученных данных показал следующее: – по O1x1 величина h1 изменяется в диапазоне от 24 до 37 м при среднем значе- нии h1 = 31 м, закономерных изменений h1 в пределах профиля не установлено; – по O2x2 величина h1 изменяется в диапазоне от 12 до 24 м, причем при при- ближении к границам исследуемого участка h1 имеет минимальные значения, 52 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
т. е. намывной слой вдавлен в средней части массива насыпными породами, а его верхняя граница изогнута в соответствии с рельефом подстилающих коренных пород естественного лога.
а Z, м
2
Х1 3 1 Х2 О1 № 1 4
О2 № 2 Х, м № 3
22 Y, м 21 20 0 19 100 200 м 18 б +400 +400
+350 8 +350 7
в +400 +400 Скв. № 2 Скв. № 1
+350 8 +350 Скв. № 3 7 5 6 180 556 701 212 324 43 г +400 +400
8 +350 +350 7
Рис.Рис. 4. 4. Объемная Объемная геолого-геофизическаягеолого-геофизическая модельмодель техногенного массива – аа ии профильныепрофильные линии 18 – б,, 2020 – вв,, 2222 – гг:: 1 – геологическая1 – геологическая скважина; скважина; 2 – профиль 2 – профиль ВЭЗ иВЭЗ ЭП; и 3 ЭП; – границы 3 – границы влагонасыщенной влагонасыщенной зоны; зоны; 4 – профиль- 4 – ные линии;профильные 5 – номер линии; датчика 5 – поровогономер датчика давления; порового 6 – депрессионная давления; 6 – депрессионнаякривая; 7 – геологический кривая; 7 – слой; геологический8 – наиболее слой; 8 – напряженная наиболее напряженная поверхность поверхность скольжения скольжения Fig. 4. Three-dimensionalThree-dimensional geological-geophysicalgeological-geophysical model – a andand sectionssections 1818 – бб,, 2020 – вв,, 2222 – гг:: 1 1– –earth earth bore; bore; 2 2 – – geophysical geophysical line; line; 33 –– waterlogged zone boundary; 4 –– sections;sections; 55 – – pore pore pressure pressure sensor sensor number; 66 –– piezometric line;line; 77 –– geologicgeologic horizon;horizon; 88 –– failurefailure surfacesurface
Результаты гидрогеомеханического мониторинга получены на основе данных наблюдательной сети, состоящей из 6 датчиков порового давления, установлен- ных в 3 скважинах: 180 (скв. № 1); 556, 212, 43 (скв. № 2); 701, 324 (скв. № 3). ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 53
Проведенные измерения свидетельствуют о наличии избыточного порового дав- ления в намывных породах района скважины № 2 и его отсутствии в верхней части скважины № 1 и всей толще скважины № 3. В глинистых грунтах есте- ственного основания избыточное поровое давление отмечалось по всем точкам измерений, при этом максимальные его значения зарегистрированы по датчику, установленному в скважине № 3, а минимальные – по датчику скважины № 2. Для построения депрессионной кривой в теле гидроотвала выполнен пересчет значений порового давления в метры водяного столба. График изменения порово- го давления P c течением времени t представлен на рис. 3. На основании построенной объемной геолого-геофизической модели выпол- нен прогноз устойчивости техногенного массива по профильным линиям 18–22. Результаты представлены на рис. 4 и в табл. 2.
Таблица 2. Результаты прогноза устойчивости техногенного массива Table 2. The results of slope stability analysis of the man-made spoil dump
Профиль zв, м zн, м h, м α, град h1, м P, МПа n 18 373,5 339,2 34,3 28 0 1,32 19 357,2 335,1 22,1 21 7–11 0,508 1,19 20 382,1 305,2 76,9 19 8–12 0,513–0,529 1,10 21 378,0 338,0 40,0 27 2–9 0,536–0,566 1,26 22 370,5 342,0 28,5 30 0 1,46 –––––––––––
zв, zн – отметки верхней и нижней бровок; h – высота отвала; α – результирующий угол откоса отвала; h1 – диапазон мощностей влагонасыщенной зоны; P – диапазоны значений порового давления по скважинам № 1, 2, 3; n – коэффициент устойчивости.
По результатам прогноза устойчивости техногенного массива установлено следующее: – величина коэффициента устойчивости n изменяется в диапазоне от 1,10 до 1,46 при нормативном значении 1,20; – наиболее опасным сечением является профиль 20, приуроченный к цен- тральной части влагонасыщенной зоны. Выводы. Участки бортов карьеров, непосредственно прилегающие к гидро- отвалам, характеризуются повышенной опасностью оползнеобразования, осо- бенно при складировании сухих пород вскрыши поверх намывных. Этому спо- собствует сочетание следующих факторов: увеличение суммарной высоты борта; формирование в борту влагонасыщенной ослабленной зоны, имеющей сложную конфигурацию в плане и по глубине; наличие в пределах этой зоны избыточного порового давления, возрастающего за счет пригруза намывных пород сухим отвалом. Для формирования объемной геолого-геофизической модели кроме геометрии борта обязательно следует устанавливать в плане и по глубине границы зон вла- гонасыщенных пород методом электрических зондирований, а также проводить мониторинг порового давления в пределах этой зоны. Для установления сечения борта с наиболее низким значением коэффициента устойчивости необходимо проводить циклические расчеты, включающие посте- пенное уменьшение шагов перемещения и поворота расчетного сечения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Кутепов Ю. И., Васильева А. Д. Инженерно-геологические условия внешнего отвалообразования на разрезах Кузбасса // ГИАБ. 2017. № 10. С. 122–131. 54 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
2. Гальперин А. М., Кутепов Ю. И., Круподеров В. С. Инженерно-геологическое обеспечение формирования и последующего использования отвальных массивов на горных предприятиях // ГИАБ. 2015. № S1. С. 20–35. 3. Ческидов В. В. Гидрогеомеханический мониторинг состояния откосных сооружений // Горная промышленность. 2017. № 4(134). С. 78–80. 4. Гальперин А. М., Ческидов В. В., Бородина Ю. В., Демидова А. В. Изучение нестационарных гидрогеомеханических процессов в глинистых породах // ГИАБ. 2016. № 5. С. 195–205. 5. Буй К. З. Перспективы развития комплексного зондирования на горных предприятиях // ГИАБ. 2016. № 11. С. 365–372. 6. Intrieri E., Gigli G., Mugnai F., Fanti R. Design and implementation of a landslide early warning system // Engineering Geology. 2012. No. 147. P. 124–136. 7. Ческидов В. В. Разработка комплексной системы инженерно-геологического и гидрогеологического контроля безопасности эксплуатации горнотехнических сооружений // ГИАБ. 2016. № 9. С. 358–368. 8. Epov M. I., Yurkevich N. V., Bortnikova S. B., Karin Yu. G., Saeva O. P. Analysis of mine waste by geocheimical and geophysical methods (a case study of the mine tailing dump of the Salair ore-processing plant) // Russian Geology and Geophysics. 2017. No. 58. P. 1543–1552. 9. Храмцов Б. А., Бакарас М. В., Кравченко А. С., Корнейчук М. А. Управление устойчивостью отвалов рыхлой вскрыши железорудных карьеров КМА // ГИАБ. 2018. № 2. С. 66–72. 10. Tabassum B., Bajaj, Priya, Azeem, Ishrat. Electric and electronic waste dump sides causing cadmium contamination in drinking water // International Journal of Plant Research. 2016. No. 29. P. 196. 11. Mesbah, Hany, Ismail, Ahmed, Taha, Ayman, Massoud, Usama, Soliman, Mamdouh. Electrical and electromagnetic surveys to locate possible causes of water seepage to ground surface at a quarry open pit near Helwan city, Egypt // Arabian Journal of Geosciences. 2017. URL: https://link.springer.com/ article/10.1007/s12517-017-2997-x 12. Караблин М. М., Простов С. М. Прогноз устойчивости прибортового массива оползня «Центральный» угольного разреза «Ангренский» на основе объемной геолого-геофизической модели // Известия вузов. Горный журнал. 2020. № 3. С. 39–49.
Поступила в редакцию 7 апреля 2020 года
Сведения об авторах: Караблин Михаил Михайлович – ведущий инженер технического отдела Кузбасского головного института по проектированию угледобывающих и углеперерабатывающих предприятий «Кузбассгипрошахт». Е-mail: [email protected] Простов Сергей Михайлович – доктор технических наук, профессор кафедры теоретической и геотехнической механики Кузбасского государственного технического университета имени Т. Ф. Горбачева. E-mail: [email protected]
DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-47-55 Slope stability analysis of man-made soil body surrounding the abandoned hydraulic dump Mikhail M. Karablin1, Sergei M. Prostov2 1 Kuzbass Head Institute on Designing of Coal Mining and Coal Processing Enterprises “Kuzbassghiproshakht”, Kemerovo, Russia. 2 T. F. Gorbachev Kuzbass State Technical University, Kemerovo, Russia. Abstract Introduction. Pit slope sections directly adjoining hydraulic dumps are characterized by the higher risk of landslide, especially in case of storing dry overburden rock over the hydraulically filled overburden. It is contributed to by the combination of the following factors: increase of the total height of the slope, development within the slope of a waterlogged zone of weakness with complex footprint map and depth configuration; excessive pore pressure within this zone which grows by means of adding dry dump to hydraulically filled rock. To reduce risks connected with man-made soil body slope stability violation, slope stability analysis is carried out based on the results of geological survey, hydrogeological observations and geophysical sounding. Research aims to analyze the stability of the Krasnobrodsky coal pit man-made mass adjoining the Bakhtykhtinsky hydraulic dump based on the 3D geological-geophysical model. Methodology. The authors of the article offered and realized the algorithm of analyzing the stability of slopes based on 3D geological and geophysical models formed by integrating geological, hydrogeological and geophysical data. Results. Based on geological survey data analysis, hydrogeological survey and electric sounding, 3D geological-geophysical model of a man-made soil body adjoining Bakhtykhtinsky hydraulic dump has been built. Slope stability analysis of an actual state of the man-made soil body has been carried out. ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 55
Summary. In order to develop a 3D geological-geophysical model, in addition to slope geometry, it is necessary to set the boundaries of waterlogged rock in a footprint map and in depth, and monitor pore pressure within this zone. To determine slope section with minimum safety factor it is necessary to carry out cyclic calculation with gradual reduction of approach and design section rotation increment. Key words: hydraulically filled rock of a hydraulic dump; electric sounding; pore pressure; 3D geological- geophysical model; safety factor. REFERENCES 1. Kutepov Iu. I., Vasilieva A. D. Geotechnical conditions of external dumping at open pit mines in Kuzbass. Gornyi informatsionno-analiticheskii biulleten (nauchno-tekhnicheskii zhurnal) = Mining Informational and Analytical Bulletin (scientific and technical journal). 2017; 10: 122–131. (In Russ.) 2. Galperin A. M., Kutepov Iu. I., Krupoderov V. S. Engineering-geological provision of formation and the following use of dump massives at mining enterprises. Gornyi informatsionno-analiticheskii biulleten (nauchno-tekhnicheskii zhurnal) = Mining Informational and Analytical Bulletin (scientific and technical journal). 2015; S1: 20–35. (In Russ.) 3. Cheskidov V. V. Hydrogeomechanical monitoring of the state of slope structures. Gornaia promyshlennost = Mining Industry Journal. 2017; 4(134): 78–80. (In Russ.) 4. Galperin A. M., Cheskidov V. V., Borodina Iu. V., Demidova A. V. Study nonstationary hydrogeomechanical processes in clay rocks. Gornyi informatsionno-analiticheskii biulleten (nauchno- tekhnicheskii zhurnal) = Mining Informational and Analytical Bulletin (scientific and technical journal). 2016; 5: 195–205. (In Russ.) 5. Bui K. Z. The prospects of complex sounding in mining enterprises. Gornyi informatsionno- analiticheskii biulleten (nauchno-tekhnicheskii zhurnal) = Mining Informational and Analytical Bulletin (scientific and technical journal). 2016; 11: 365–372 (In Russ.). 6. Intrieri E., Gigli G., Mugnai F., Fanti R. Design and implementation of a landslide early warning system. Engineering Geology. 2012; 147: 124–136. 7. Cheskidov V. V. Development of an integrated system of engineering-geological and hydrogeological monitoring of safety of operation of mining and technical facilities. Gornyi informatsionno-analiticheskii biulleten (nauchno-tekhnicheskii zhurnal) = Mining Informational and Analytical Bulletin (scientific and technical journal). 2016; 9: 358–368. (In Russ.) 8. Epov M. I., Yurkevich N. V., Bortnikova S. B., Karin Yu. G., Saeva O. P. Analysis of mine waste by geocheimical and geophysical methods (a case study of the mine tailing dump of the Salair ore-processing plant). Russian Geology and Geophysics. 2017; 58: 1543–1552. 9. Khramtsov B. A., Bakaras M. V., Kravchenko A. S., Korneichuk M. A. Loose dump stability control at open pit iron ore mines of the Kursk magnetic anomaly. Gornyi informatsionno-analiticheskii biulleten (nauchno-tekhnicheskii zhurnal) = Mining Informational and Analytical Bulletin (scientific and technical journal). 2018; 2: 66–72. (In Russ.) 10. Tabassum B., Bajaj, Priya, Azeem, Ishrat. Electric and electronic waste dump sides causing cadmium contamination in drinking water. International Journal of Plant Research. 2016; 29: 196. 11. Mesbah, Hany, Ismail, Ahmed, Taha, Ayman, Massoud, Usama, Soliman, Mamdouh. Electrical and electromagnetic surveys to locate possible causes of water seepage to ground surface at a quarry open pit near Helwan city, Egypt. Arabian Journal of Geosciences. 2017. Available from: https://link.springer.com/ article/10.1007/s12517-017-2997-x. 12. Karablin M. M., Prostov S. M. Slope stability analysis of the Centralny landslide of the Angren open pit mine with using three-dimensional geological-geophysical model of a rock mass. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = News of the Higher Institutions. Mining Journal. 2020; 3 39–49. (In Russ.)
Received 7 April 2020
Information about authors: Mikhail M. Karablin – Lead engineer of the Technical Division, Kuzbass Head Institute on Designing of Coal Mining and Coal Processing Enterprises “Kuzbassghiproshakht”. Е-mail: [email protected] Sergei M. Prostov – DSc (Engineering), professor of the Department of Theoretical and Geotechnical Mechanics, T. F. Gorbachev Kuzbass State Technical University. E-mail: [email protected]
Для цитирования: Караблин М. М., Простов С. М. Прогноз устойчивости техногенного грунтового массива, прилегающего к ликвидированному гидроотвалу // Известия вузов. Горный журнал. 2020. № 5. С. 47–55. DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-47-55 For citation: Karablin M. M., Prostov S. M. Slope stability analysis of man-made soil body surrounding the abandoned hydraulic dump. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = News of the Higher Institutions. Mining Journal. 2020; 5: 47–55 (In Russ.). DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-47-55 обогащение полезных ископаемых
УДК 622.765.4 DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-56-65
Анализ и совершенствование технологии обогащения лежалых хвостов Ковдорского ГОКа
Бармин И. С.1, Морозов В. В.2*, Поливанская В. В.2 1 Минерально-химическая компания «Еврохим», г. Москва, Россия 2 Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва, Россия *e-mail: [email protected]
Реферат Введение. Причинами потерь фосфатных минералов при флотации лежалых хвостов Ковдорского ГОКа является наличие трудноизвлекаемых минеральных фракций и отсутствие условий для эффективной флотации тонких классов фосфатных минералов. Цель работы – повышение эффективности переработки сырья техногенного месторождения Ковдорского ГОКа путем оптимизации реагентного режима и схемы обогащения тонких классов лежалых хвостов с применением флокулянтов, селективных депрессоров и собирателей. Методология. В разрабатываемом режиме подготовки шламов к флотации предполагается их сгущение с использованием флокулянта Праестол-2540, дефлокуляция сгущенного продукта смесью реагентов-диспергаторов (сульфит-спиртовой барды, кальцинированной соды и Неонола АФ 9-8), его дополнительное сгущение с последующим объединением с песковой частью хвостов, их кондиционирование с собирателем и подача на объединенную флотацию с применением комбинированного собирателя по схеме с промпродуктовым циклом. Результаты. Разработанная схема и реагентный режим обогащения хвостов из труднообогатимой части техногенного месторождения позволили достичь извлечения 45 %
Р2О5 от исходного питания и массовой доли Р2О5 в апатитовом концентрате на 0,5 и 1,5 % выше, чем при использовании проектной схемы и технологии. Выводы. Разработанная технология обогащения лежалых хвостов Ковдорского ГОКа обеспечивает повышение показателей переработки за счет создания условий для эффективной флотации тонких классов фосфатных минералов.
Ключевые слова: складированные хвосты; апатит; шламы; сгущение; дефлокуляция; флотация; диспергаторы; флокулянты; собиратели.
Введение. Техногенные месторождения складированных отвальных хвостов являются важным ресурсом для различных отраслей горно-перерабатывающей промышленности [1, 2]. Фосфорное сырье в России добывается преимуществен- но на месторождениях Мурманской области. Техногенное месторождение Ков- дорского ГОКа является важным и перспективным источником фосфатного сы- рья (Государственный доклад «О состоянии и использовании минерально-сырьевых ресурсов Российской Федерации в 2016 и 2017 годах» // Минприроды России. М.: ВИМС, 2018. С. 245–252). Однако технико-экономиче- ские показатели при освоении фосфатсодержащих техногенных месторождений, как правило, невысоки, что в значительной мере обусловлено прошедшими про- цессами гипергенного изменения свойств фосфатных минералов [3]. Поэтому без глубокого изучения свойств сырья разработка режимов переработки техногенных месторождений малоэффективна [4, 5]. Для решения задачи повышения эффек- тивности переработки техногенного месторождения Ковдорского ГОКа необхо- ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 57 димо провести оптимизацию реагентного режима и схемы обогащения, используя данные об особенностях минерального и гранулометрического состава сырья [6, 7]. Анализ причин потерь апатита при обогащении лежалых хвостов. Анализ минерального состава лежалых хвостов показал, что главными минералами проб лежалых отходов являются апатит, форстерит, карбонаты, флогопит и магнетит. Апатит лежалых хвостов является по составу фтороксигидроксилапатитом (содержание пятиокиси фосфора Р2О5 = 41,50 %). Зерна апатита часто покрыты светло-бурыми пленками, покрывающими до половины поверхности зерна. В пе- сках наряду с апатитом содержится штаффелит. Форстерит мало изменен, и в ред- ких случаях зерна форстерита покрыты пленками, аналогичными тем, что покры- вают зерна апатита. Карбонаты представлены в основном кальцитом и доломитом, имеющим вид бесцветных прозрачных ромбоэдрических обломков, часто непро- зрачных. В пробах встречается зеленый флогопит, реже встречается бурый тетра- феррифлогопит, и еще реже темно-бурый железный флогопит.
Таблица 1. Гранулометрический состав и характеристики классов крупности вторичных шламов Table 1. Granulometric composition and characteristics of the grain-size catefories of secondary sludge
Класс крупности, Выход класса, Содержание Потери Р2О5 от Распределение мкм % Р2О5, % исходного питания, % Р2О5, % +0,074 1,15 11,4 0,19 1,08 –0,074+0,04 6,91 12,6 1,24 6,62 –0,04+0,02 22,55 12,3 3,94 22,91 –0,020+0,010 24,48 11,9 4,14 24,48 –0,010+0,005 16,89 12,1 2,91 16,88 –0,005 28,02 11,6 4,62 28,02 Итого 100,00 12,1 17,03 100,00
В процессе выветривания хвостов происходило окисление неустойчивых же- лезосодержащих минералов (в первую очередь пирротина, отчасти магнетита) с образованием оксидов и гидроксидов железа, которые и образовали бурые плен- ки на апатите, форстерите и других минералах. В лежалых хвостах Ковдорского ГОКа содержится большое количество тон- ких классов минералов. В исходной пробе крупностью –1,5 мм содержание клас- са –0,020 мм составляет 21 %. Содержащиеся в исходных песках тонкие классы обеднены фосфатными минералами (около 9 % P2O5) и практически не извлека- ются флотацией (извлечение P2O5 15–25 %). В технологической схеме переработки лежалых хвостов предусмотрено уда- ление первичных шламов при подготовке исходного питания. Потери P2O5 с пер- вичными шламами составляют от 8 до 9 %. Существенно большие потери апатита связаны c образовавшимися в процессе рудоподготовки вторичными шламами, образуемыми после измельчения лежа- лых хвостов и теряемыми со сливом в операции сгущения. Из данных табл. 1 видно, что задача повышения эффективности флотации тонких классов крайне важна при обогащении лежалых хвостов, поскольку потери Р2О5 превышают 17 % и являются существенным резервом повышения извлечения. Большая часть потерь фосфатных минералов (более 69 %) связана с классами мельче 0,020 мм. Анализ фракционного состава хвостов флотации, представленного в табл. 2, показывает, что наиболее селективно разделение фосфатных и породных минера-
2 “Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal”. No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 оптимизацию реагентного режима и схемы обогащения, используя данные об особенностях минерального и гранулометрического состава сырья [6, 7]. Анализ причин потерь апатита при обогащении лежалых хвостов. Анализ минерального состава лежалых хвостов показал, что главными минералами проб лежалых отходов являются апатит, форстерит, карбонаты, флогопит и магнетит. Апатит лежалых хвостов является по составу фтороксигидроксилапатитом (содержание пятиокиси фосфора Р2О5 = 41,50 %). Зерна апатита часто покрыты светло-бурыми пленками, покрывающими до половины поверхности зерна. В песках наряду с апатитом содержится штаффелит. Форстерит мало изменен и в редких случаях зерна форстерита покрыты пленками, аналогичными тем, что покрывают зерна апатита. Карбонаты представлены в основном кальцитом и доломитом, имеющим вид бесцветных прозрачных ромбоэдрических обломков, часто непрозрачных. В пробах встречается зеленый флогопит, реже встречается бурый тетраферрифлогопит, и еще реже темно-бурый железный флогопит. В процессе выветривания хвостов происходило окисление неустойчивых железосодержащих минералов (в первую очередь пирротина, отчасти магнетита) 58 с образованием "Izvestiya vysshikh оксидов uchebnykh и zavedenii. гидроксидов Gornyi zhurnal". железа, No. которые 5. 2020 и образовалиISSN 0536-1028 бурые ловпленки идет в наклассах апатите, –0,1+0,04 форстерите мм, о и чемдругих свидетельствует минералах. сниженное содержание В лежалых хвостах Ковдорского ГОКа содержится большое количество Р2Отонких5. Наименьшая классов селективностьминералов. В флотацииисходной наблюдаетсяпробе крупностью для тонких –1,5 классов,мм содержание где массоваякласса доля –0,020 Р2О мм5 в хвостах составляет в 2,1–3,5 21 %. раза Содержащиеся выше, чем средняя в исходных в питании песках флота тонкие- цииклассы (табл. 2).обеднены фосфатными минералами (около 9 % P2O5) и практически не извлекаются флотацией (извлечение P2O5 15–25 %). ВТаблица технологической 2. Гранулометрический схеме состав переработки и характеристики лежалых классов хвостов крупности предусмотрено хвостов флотации доизмельченных лежалых хвостов удаление первичных шламов при подготовке исходного питания. Потери P2O5 с Table 2. Granulometric composition and characteristics of the grain-size of flotation первичными шламами составляют от 8 до 9 %. tailings of crushed mature tailings Существенно большие потери апатита связаны c образовавшимися в процессе рудоподготовкиКлассы крупности, вторичными Содержание шламами, Распределение образуемыми после измельчения Выход, % Потери Р2О5, % лежалых хвостовмм и теряемыми соР сливом2О5, % в операцииР2О5, % сгущения. Из данных+0,1 в табл. 144,6 видно, что0,77 задача повышения17,92 эффективности6,42 флотации тонких– 0,1+0,074 классов крайне14,3 важна при0,73 обогащении11,16 лежалых хвостов,4,00 поскольку потери–0,074+0,040 Р2О5 превышают 8,1 17 % и являются0,67 существенным4,88 резервом1,75 повышения извлечения. Большая часть потерь фосфатных минералов (более 69 %) связана с классами–0,040+0,020 мельче 0,020 мм.7,4 0,60 4,32 1,55 Анализ–0,020+0,010 фракционного 8,5 состава 0,99хвостов флотации,7,76 представленного2,78 в табл. 2, показывает,–0,010+0,005 что наиболее8,5 селективно1,28 разделение10,71 фосфатных3,83 и породных минералов–0,005 идет в классах8,6 –0,1 +0,044,38 мм, о 43,25 чем свидетельствует15,47 сниженное содержаниеИтого Р 2О5. Наименьшая100,0 селективность1,26 100,0флотации0 наблюдается35,80 для тонких классов, где массовая доля Р2О5 в хвостах в 2,1–3,5 раза выше, чем средняя в питании флотации (табл. 2). По данным опробования были рассчитаны величины извлечения Р2О5 в кон- центратПо в операции данным опробованияфлотации по отдельным были рассчитаны классам крупности. величины Результаты извлечения рас Р2-О5 в четов,концентрат представленные в операции на рис. фло 1,тации показали, по отдельным что извлечение классам фосфатных крупности. минералов Результаты расчетов, представленные на рис. 1, показали, что извлечение фосфатных (–0,02минералов мм) из тонких(–0,02 мм)классов из тонких измельченных классов лежалыхизмельченных хвостов лежалых на 25–40 хвостов % мень на- 25– ше,40 чем %классов меньше, крупности чем классов0,04–0,074 крупности мм. Особенно 0,04 низкое–0,074 извлечение мм. Особенно характер низ- кое но дляизвлечение шламовых характерно классов (–0,01для шламовых мм). классов (–0,01 мм). ДальнейшийДальнейший анализ анализ причин причин повышенных повышенных потерь потерь фосфатных фосфатных минералов минералов в в шламовыхшламовых классах классах проводился проводился с применением с применением анализа кинетических анализа закономер кинетических- ностейзакономерностей процесса флотации процесса [8]. Критерием флотации [8].флотационной Критерием активности флотационной фосфатных активности минераловфосфатных служила минералов величина служила константы величина скорости константы флотации скорости (Кфл), рассчитывае флотации (К- фл), рассчитываемая по извлечениям отдельной фракции или класса крупности (ɛфр) мая по извлечениям отдельной фракции или класса крупности (εфр) в момент вре- менив моментτ по уравнению: времени τ по уравнению:
Кфл 1/τ l g 1 εфр .o (1) (1)
Зависимости извлечения в пенный продукт фосфатных минералов имеют вид кривой с насыщением, что характерно для флотационных кривых, описываемых уравнением кинетики первого порядка. Перестроение экспериментальных данных в логарифмических координатах (рис. 1) позволяет рассчитать значения константы скорости флотации фосфатных минералов из отдельных классов крупности. Анализ кинетики извлечения фосфатных минералов из лежалых хвостов (рис. 2) позволяет определить особенности процесса флотации. При линейной
аппроксимации зависимости lg(1 – εфр) от продолжительности флотации значе- ния коэффициента детерминации от 0,67 до 0,76 говорят о изменении формаль- ной константы скорости флотации в течение эксперимента. Такие результаты ха- рактерны при флотации полиминеральной композиции, когда в начальный момент флотируются хорошо извлекаемые фракции, а в конечный момент экспе- римента скорость флотации определяется извлечением труднофлотируемой фракции [9]. Анализ полученных результатов показывает, что максимальная скорость (константа скорости) флотации наблюдается для класса +0,074 мм (0,087–0,12). ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 59 Мелкие классы фосфатных минералов имеют сниженную скорость флотации, а шламы (класс –10 мкм) имеют скорость флотации в 2,75 раза ниже (0,29–0,37), чем класс –0,074+0,02 мм (рис. 2). Таким образом, можно констатировать, что в условиях применяемой схемы флотации лежалых хвостов причинами потерь фосфатных минералов с тонкими классами являются как наличие трудноизвлекаемых минеральных фракций, так и отсутствие условий для эффективной флотации мелких классов фосфатных минералов.
100
90
80
70
60 1 2 50 3 40 4 30 Извлечение, содержание, % содержание, Извлечение, 20
10
0 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 Крупность класса, мм Рис. 1. Показатели флотации лежалых хвостов по действующей Рис. 1. Показатели флотации лежалыхсхеме: хвостов по действующей схеме: 1 – извлечение Р2О5, %, в класс крупности концентрата (от исходной 1 – извлечение Р2О5, %, в класс крупности концентрата (от исходной руды); 2 – извлечение Р2О5, %, в класс крупности хвостов (от исходной руды); руды); 2 – извлечение Р2О5, %, в класс крупности хвостов (от исходной 3 – содержание Р2О5, %, в классе крупности концентрата; 4 – извлечение руды); 3 – содержание Р2О5, %, в классе крупности концентрата; 4 – Р2О5, %, в класс крупности концентрата (от питания флотации) Fig.извлечение 1. Indicators Р2О of5, %mature, в класс tailings крупности flotation концентрата according (от toпитания the scheme: флотации) 1 – extraction of Р2О5,%, into the concentrate grain-size category (from the base ore); 2 – extraction of Р2О5,%, into the tailings grain-size category (from the base ore); 3 – Р2О5 content,%, into the concentrate grain-size category; 4 – extraction of Р2О5,%, into the concentrate grain-size category (from flotation feed) Разработка технологии обесшламливания и флотации лежалых хвостов Ковдорского ГОКа. Повышение эффективности переработки сырья техногенного месторождения Ковдорского ГОКа достигалось путем оптимизации реагентного режима и схемы обогащения тонких классов лежалых хвостов с применением со- временных реагентов – флокулянтов, селективных депрессоров и собирателей. При определении оптимальных условий обогащения ошламованных лежалых хвостов Ковдорского ГОКа первоначальной задачей был выбор реагента – флоку- лянта для операции сгущения шламовых классов. Были испытаны два режима сгущения с использованием флокулянтов различной силы – Праестол-2530 и Праестол-2540. При проведении исследований на сгущение направлялся слив операции клас- сификации цикла доизмельчения с плотностью 15 % твердого, массовой долей Р2О5 – 11 % и массовой долей класса –10 мкм – 28 %. В проведенных сериях опытов варьировался расход флокулянта. Результаты проведенных исследований показали, что наиболее эффективное сгущение достигается при использовании флокулянта Праестол-2540. При рас- 60 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
ходе 12 г/т достигается выделение сгущенного продукта с плотностью более 56 %. Однако при использовании этого флокулянта происходит неселективное сгуще- ние с захватом в осадок тонких классов породных минералов, что не способству- ет последующему процессу флотации. Сфлокулированный осадок флотируется неудовлетворительно: извлечение Р2О5 не превышает 55 % при содержании Р2О5 в концентрате на уровне 25–27 %. Для повышения показателей флотации необходимо разрушить неселективные флокулы фосфатных и породообразующих минералов [10, 11]. Для решения по- ставленной задачи была применена операция предварительного кондициониро- вания шламового продукта с реагентами-диспергаторами, используемыми в тех- нологическом процессе. Для достижения дефлокулирующего эффекта было исследовано влияние на устойчивость дисперсной фазы подачи Неонола АФ 9-8 в операцию диспергирования сгущенных шламов вместе с ССБ и КС.
0 –-0,10,1 –-0,20,2 –-0,30,3 1
–-0,40,4 )
ε 2
– –-0,50,5
lg(1 –-0,60,6 3 –-0,70,7 4 –-0,80,8 –-0,90,9 –-11 0 2 4 6 8 10 12 Время флотации, мин
Рис. 2.Рис. Кинетические 2. Кинетические зависимости зависимости флотации флотации фосфатных фосфатных минералов минераловлежалых лежалых хвостов хвостов из класса: из класса: 11 –– +0,074+0,074 мм;мм; 22 –– ––0,074+0,020,074+0,02 мм;мм; 33 –– 0,02+0,010,02+0,01 мм;мм; 44 –– 0,010,01 мммм Fig. 2. Kinetic dependences of mature tailings phosphate minerals flotation from the class: 1 – +0.074 mm; 2 – –0.074 + 0.02 mm; 3 – 0.02 + 0.01 mm; 4 – 0.01 mm
Разработанный режим подготовки шламов к флотации предполагал их сгу- щение с использованием флокулянта Праестол-2540, обработку сгущенного шламового продукта смесью реагентов-диспергаторов (ССБ, КС и Неонол), его дополнительное сгущение с последующим объединением полученного осадка с песковой частью хвостов, их кондиционирование с собирателем и подачу на флотацию. Результаты экспериментов показали, что максимальная степень диспергирова- ния (дефлокуляции) сгущенных шламов достигается при концентрации флоку- лянта Неонол АФ 9-8 от 70 до 85 мг/л, а минимальная массовая доля Р2О5 в сливе – при концентрации Неонола АФ 9-8 от 60 до 80 мг/л. При использовании флокулянта Неонол АФ 9-10 максимальная степень диспергирования шламовых фракций достигается при больших концентрациях (80–90 мг/л), чем при исполь- зовании Неонола АФ 9-8, что и определило использование последнего как более экономного реагента. Использование предлагаемой смеси реагентов-диспергаторов (кальциниро- ванная сода, ССБ, Неонол АФ-9-8) позволяет повысить извлечение P2O5 в кон- ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 61
центрат и улучшить качество апатитового концентрата при обогащении как тон- козернистых, так и сильноошламованных хвостов. Применение выбранного режима позволяет достичь извлечения Р2О5 70–73 % при содержании Р2О5 36–39 %. Проведенные лабораторные технологические исследования позволили реко- мендовать предварительное кондиционирование сгущенного продукта перед операцией флотации смеси ССБ, КС и Неонола АФ 9-8 для сильноошламованных хвостов. Для снижения расходов Неонола АФ 9-8 и ССБ было предложено при- менить технологию сухого складирования с использованием поциклового водо- оборота и возвратом оборотной воды, содержащей флотационные реагенты, в операцию классификации и флотации [12, 13].
55
50
45 1 40 2
35 3
30 4
Извлечение, массовая доля, % доля, массовая Извлечение, 25
20 400 500 600 700 800 900 1000 Расход реагента, г/т Рис. 3. 3. Влияние Влияние расхода расхода собирателя собирателя МD МD 20542 20542 на наизвлечение извлечение (1, 3(1) ,и 3 на) и массовую на массовую долю долю (2, 4 ()2 Р, 24О) 5Р во2О 5флотационном во флотационном концентрате концен- тратепри флотации при флотации тонкозернистых тонкозернистых (1, 2) и(1 сильноошламованн, 2) и сильноошламованых (3-, ных4 ()3 хвостов, 4) хвостов Fig. 3. Influence of MD 20542 collector flow rate on the recovery (1, 3) and mass fraction (2, 4) of Р2О5 in the flotation concentrate during flotation of fine-grained (1, 2) and heavily slimed (3, 4) tailings
Испытания режима обогащения лежалых хвостов проводились на укрупнен- ной флотационной установке ОАО «Ковдорский ГОК». Для сильноошламован- ных песков была использована схема с последовательными операциями класси- фикации и сгущения-обесшламливания с использованием добавок флокулянтов в процесс сгущения. Согласно выбранной схеме слив измельчения поступал на операцию классификации в гидроциклон, где отделялась песковая фракция. Слив гидроциклона направлялся в радиальный сгуститель, где с использованием фло- кулянта получали сгущенный продукт высокой плотности. Из сгущенного про- дукта после добавок реагентов-диспергаторов отделялся обедненный Р2О5 слив, в котором концентрировались шламы породных минералов. Плотный продукт направлялся на объединенную флотацию. Данная схема характеризуется сниже- нием потерь Р2О5 на 1,5 % и одновременным повышением качества флотацион- ного концентрата на 0,33 %. Для решения задачи повышения эффективности флотации существенно из- мененного апатита лежалых хвостов была проведена апробация нового амфотер- ного собирателя MD 20542 фирмы Akzo Nobel. В лабораторных опытах были определены рациональные расходы собирателя MD 20542, показавшие, что уве- личение расхода MD 20542 до уровня 600–700 г/т позволяет увеличить извлече- ние Р2О5 и качество получаемого апатитового концентрата. При дальнейшем уве- 62 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
личении расхода MD 20542 (до 1000 г/т) извлечение Р2О5 в концентрат увеличивается незначительно, однако при этом снижается качество концен- трата (рис. 3). В дальнейших замкнутых опытах по флотации применяли собирательную смесь, состоящую из ЖКТМ и MD 20542. Результаты опытов показали, что при- менение комбинированного собирателя позволило увеличить и выход, и качество концентрата. Так, при использовании собирательной смеси, состоящей из 20 %
Хвосты
Основная флотация
Первая перечистка Контрольная флотация
Хвосты Вторая перечистка основного цикла
Апатитовый концентрат основного цикла Сгущение
Слив Основная промпродуктовая флотация Хвосты промпродуктового Первая перечистка цикла
Вторая перечистка Хвосты
Апатитовый концентрат промпродуктового цикла
Апатитовый концентрат Рис. 4. СхемаРис. 4. обогащения Схема обогащения ошламованных ошламованных лежалых лежалых хвостов хвостов с промпродук- с промпродуктовойтовой флотацией флотацией Fig. 4. Processing fl owsheet of slimed mature tailings with middlings fl otation
ЖКТМ и 80 % MD 20542, был получен концентрат с содержанием Р2О5 37,1 % при извлечении (от исходных хвостов) 46,3 %. При увеличении доли MD 20542 в собирательной смеси до 90 % повышается качество апатитового концентрата (до 37,4 % Р2О5), однако одновременно происходит существенное снижение из- влечения Р2О5 (до 38,3 %). Полученные результаты позволили рекомендовать смесь собирателей из 15–20 % ЖКТМ и 80–85 % MD 20542 (при суммарном расходе 800–850 г/т) в операции флотации апатита из ошламованных лежалых хвостов. Для повышения извлечения Р2О5 и качества получаемого апатитового концентрата были проведены дополнительные исследования по оптимизации ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 63 схемы флотации путем выделения в отдельный цикл флотации пром- продуктов. Испытанная схема включала основной цикл флотации, состоящий из основ- ной, контрольной и двух перечистных операций, и промпродуктовый цикл, со- стоящий из основной и двух перечистных операций. Исходное питание промпро- дуктового цикла – пенный продукт контрольной флотации и камерные продукты 1 и 2 перечисток – предварительно направлялись на сгущение (рис. 4).
Таблица 3. Параметры и показатели обогащения ошламованных лежалых хвостов с использованием комбинированного собирателя и схемы с промпродуктовым циклом флотации Table 3. Parameters and indicators of slimed mature tailings processing using an integrated collector and a scheme with a middlings cycle Характеристики сырья – лежалых хвостов: Выход класса –0,071 мм в исходных хвостах, % ...... 76,2–88,7 Массовая доля Р2О5 в исходных хвостах, %...... 9,0–9,8 Расход реагентов, г/т питания флотации: Собиратель ЖКТМ ...... 100 Собиратель MD 20542 ...... 730 Неонол ...... 150 Кальцинированная сода ...... 1000 Жидкое стекло ...... 80 Показатели флотации: Содержание Р2О5 в концентрате, % ...... 37,1 Извлечение Р2О5 от потока исходных лежалых хвостов, % ...... 45,0
Результаты укрупненных испытаний процесса флотации с промпродуктовым циклом, приведенные в табл. 3, показали, что разработанная схема и технология обогащения тонких лежалых хвостов хвостохранилища, содержащих до 90 % клас- сов менее 0,071 мм, с использованием в качестве собирателя апатита смеси амфо- терного реагента MD 20542 и ЖКТМ и выделением в отдельный цикл флотации промпродуктов позволяет получить кондиционный апатитовый концентрат. Разработанная схема и реагентный режим обогащения хвостов подпрудковой зоны (из наиболее труднообогатимой части техногенного месторождения) позво- лили достичь приемлемых результатов: извлечение Р2О5 составило 45 % (от исход- ного питания), а массовая доля Р2О5 в апатитовом концентрате составила 37,1 %, что на 0,5 и 1,5 % выше, чем при использовании исходной схемы и технологии. Разработанный реагентный режим и схема флотации были включены в регла- мент переработки лежалых хвостов Ковдорского ГОКа и реализованы на дей- ствующей обогатительной фабрике, где обеспечили повышение извлечения Р2О5 на 1,5 %. Выводы. Для повышения показателей флотации за счет снижения неселек- тивной флокуляции разработаны схема и режим подготовки шламового продукта, предполагающие его сгущение с использованием флокулянта Праестол-2540 и дефлокуляцию сгущенного продукта добавками сульфит-спиртовой барды, каль- цинированной соды и реагента Неонол АФ 9-8. Использование загрузки реаген- тов-диспергаторов в добавляемый во флотацию песков шламовый продукт по- зволяет за счет разрушения неселективных флокул повысить эффективность апатитовой флотации и повысить содержание и извлечение Р2О5 в концентрат при переработке ошламованных лежалых хвостов на 1,35 и 1,7 % соответствен- но. По результатам исследований обосновано применение при флотации апатита смеси собирателей, состоящей из 20 % жирнокислотной фракции талового масла и 80 % MD 20542. Для повышения извлечения Р2О5 в концентрат обоснована 64 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 организация отдельного цикла флотации промпродуктов. Проведенными полу- промышленными испытаниями показано, что разработанная схема и реагентный режим подготовки и флотации наиболее труднообогатимой части техногенного месторождения позволяют повысить содержание Р2О5 в апатитовом концентрате на 0,5 % и извлечения Р2О5 на 1,5 %.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Чантурия В. А. Научное обоснование и разработка инновационных процессов комплексной переработки минерального сырья // Горный журнал. 2017. № 11. С. 7–13. 2. Трубецкой К. Н. Основные направления и пути решения проблем ресурсосбережения при комплексном освоении недр // Маркшейдерия и недропользование. 2010. № 3. С. 22–29. 3. Архипов А. В., Решетняк С. П. Техногенные месторождения. Разработка и формирование / под науч. ред. акад. Н. Н. Мельникова. Апатиты: КНЦ РАН, 2017. 175 с. 4. Белобородов В. И., Захарова И. Б., Андронов Г. П. Перспективы развития фосфорсодержащей минерально-сырьевой базы ОАО «Ковдорский ГОК» // Горный журнал. 2010. № 9. С. 73–77. 5. Брыляков Ю. Е., Гершенкоп А. Ш., Лыгач В. Н. Современное состояние и основные направления развития технологии глубокой и комплексной переработки фосфорсодержащих руд // Горный журнал. 2007. № 2. С. 30–38. 6. He H., Wang W., Li R., Yu L. Study on flotation of scrubbed tailings from phosphate ore // Ind. Miner. Process. 2015. No. 11. Р. 4–10. 7. Yaoyang Ruan, Dongsheng He, Ruan Chi. Review on beneficiation techniques and reagents used for phosphate ores. Minerals. 2019. No. 9. Р. 1–18. 8. Козин В. З. Экспериментальное моделирование и оптимизация процессов обогащения полезных ископаемых. М.: Недра, 1984. 113 с. 9. Рубинштейн Ю. Б., Филиппов Ю. А. Кинетика флотации. М.: Недра, 1980. 375 с. 10. Barmin I. S., Tugolukov A. V., Morozov V. V., Polivanskaya V. V. Analysis of the causes of apatite losses in the flotation of ores and technogenic products // Proceedings of IMPC 2018, Moscow, Russia. 2018. P. 2486–2496. 11. Kawatra S. Komar, Carlson J. T. Beneficiation of phosphate ore // Society of Mining, Metallurgy and Exploration, Englewood, Colorado, USA. 2014. 154 p. 12. Пестряк И. В. Обоснование и разработка эффективных методов кондиционирования оборотных вод обогатительных предприятий // ГИАБ. 2018. № 7. С. 153–159. 13. Иванова В. А., Митрофанова Г. В. Особенности флотации апатита из складированных отходов обогащения апатит-нефелиновой руды // ГИАБ. 2012. № 5. С. 135–141.
Поступила в редакцию 26 апреля 2020 года
Сведения об авторах: Бармин Игорь Семенович – кандидат технических наук, главный обогатитель ОАО «Минерально- химическая компания «Еврохим». Е-mail: [email protected] Морозов Валерий Валентинович – доктор технических наук, профессор, профессор кафедры общей и неорганической химии Национального исследовательского технологического университета «МИСиС». Е-mail: [email protected] Поливанская Валерия Владимировна – доцент кафедры общей и неорганической химии Национального исследовательского технологического университета «МИСиС». Е-mail: [email protected]
DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-56-65 Improving the technology of mature tailings processing at the Kovdorsky GOK Igor S. Barmin1, Valerii V. Morozov2, Valeriia V. Polivanskaia2 1 MCC EuroChem, Moscow, Russia. 2 National University of Science and Technology MISIS, Moscow, Russia. Abstract Introduction. Phosphate minerals are lost during flotation of mature tailings of the Kovdorsky GOK due to difficult mineral fractions and poor conditions for effective flotation of thin classes of phosphate minerals. Research aims to increase the efficiency of raw material processing at the technogenic deposit of the Kovdorsky GOK by optimizing the reagent regime and the scheme of dressing thin classes of mature tailings with the use of modern reagents-flocculants, selective depressors and collectors. Methodology. The developed regime of sludge preparation for flotation involves their thickening using the Praestol-2540 flocculant, condensed sludge product processing with a mixture of dispersant reagents (SSB, sodium carbonate and Neonol AF 9-8), its additional thickening, followed by combining the resulting ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 65 sediment with the sand part of the tailings, their conditioning with the collector and feeding to the combined flotation with the use of the integrated collector according to the scheme with the middlings cycle. Results. The scheme and reactant regime of enrichment tailings of complex parts of technological fields has allowed to achieve recovery of P2O5 45% (from power source) and the mass fraction of P2O5 in Apatite of 37.1%, or 0.5 and 1.5% higher than when using the design scheme and technology. Summary. The developed technology of mature tailings processing at the Kovdorsky GOK ensures increased indicators of processing by means of creating the conditions for efficient flotation of fine classes of phosphate minerals. Key words: stored tailings; apatite; sludge; thickening; defloculation; flotation; dispersants; flocculants; collectors. REFERENCES 1. Chanturiia V. A. Scientific substantiation and development of innovative approaches to integrated mineral processing. Gornyi zhurnal = Mining Journal. 2017; 11: 7–13. (In Russ.) 2. Trubetskoi K. N. Main directions and ways of solving the problems of resource saving during integrated development of mineral resources. Marksheideriia i nedropolzovanie = Mine Surveying and Subsurface Use. 2010; 3: 22–29. (In Russ.) 3. Arkhipov A. V., Reshetniak S. P., Melnikov N. N. (ed.) Technogenic deposits. Development and generation. Apatity: KSC RAS Publishing; 2017. (In Russ.) 4. Beloborodov V. I., Zakharova I. B., Andronov G. P. Prospects of development the phosphorus-containing mineral raw material base at ojsc "Kovdorsky mining and concentrating complex". Gornyi zhurnal = Mining Journal. 2010; 9: 73–77. (In Russ.) 5. Bryliakov Iu. E., Gershenkop A. Sh., Lygach V. N. Current state and main directions of developing the technology of deep and integrated processing of phosphorus-containing ore. Gornyi zhurnal = Mining Journal. 2007; 2: 30–38. (In Russ.) 6. He H., Wang W., Li R., Yu L. Study on flotation of scrubbed tailings from phosphate ore. Ind. Miner. Process. 2015; 11: 4–10. 7. Yaoyang Ruan, Dongsheng He, Ruan Chi. Review on beneficiation techniques and reagents used for phosphate ores. Minerals. 2019; 9: 1–18. 8. Kozin V. Z. Experimental simulation and optimization of mineral processing. Moscow: Nedra Publishing; 1984. (In Russ.) 9. Rubinshtein Iu. B., Filippov Iu. A. Flotation kinetics. Moscow: Nedra Publishing; 1980. (In Russ.) 10. Barmin I. S., Tugolukov A. V., Morozov V. V., Polivanskaya V. V. Analysis of the causes of apatite losses in the flotation of ores and technogenic products. Proceedings of IMPC 2018, Moscow, Russia. 2018. P. 2486–2496. 11. Kawatra S. Komar, Carlson J. T. Beneficiation of phosphate ore. Society of Mining, Metallurgy and Exploration, Englewood, Colorado, USA. 2014. 154 p. 12. Pestriak I. V. Development and justification of efficient methods for recycling water conditioning at processing plants. Gornyi informatsionno-analiticheskii biulleten (nauchno-tekhnicheskii zhurnal) = Mining Informational and Analytical Bulletin (scientific and technical journal). 2018; 7: 153–159. (In Russ.) 13. Ivanova V. A., Mitrofanova G. V. Characteristic features of apatite flotation from stored washery refuse of apatite-nepheline ore. Gornyi informatsionno-analiticheskii biulleten (nauchno-tekhnicheskii zhurnal) = Mining Informational and Analytical Bulletin (scientific and technical journal). 2012; 5: 135–141.
Received 26 April 2020
Information about authors: Igor S. Barmin – PhD (Engineering), Chief ore enrichment specialist, MCC EuroChem. Е-mail: [email protected] Valerii V. Morozov – DSc (Engineering), Professor, professor of the Department of General and Inorganic Chemistry, National University of Science and Technology MISIS. Е-mail: [email protected] Valeriia V. Polivanskaia – Associate professor of the Department of General and Inorganic Chemistry, National University of Science and Technology MISIS. Е-mail: [email protected]
Для цитирования: Бармин И. С., Морозов В. В., Поливанская В. В. Анализ и совершенствование технологии обогащения лежалых хвостов Ковдорского ГОКа // Известия вузов. Горный журнал. 2020. № 5. С. 56–65. DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-56-65 For citation: Barmin I. S., Morozov V. V., Polivanskaia V. V. Improving the technology of mature tailings processing at the Kovdorsky GOK. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = News of the Higher Institutions. Mining Journal. 2020; 5: 56–65 (In Russ.). DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-56-65 экономика и управление горным производством
УДК 341.433 DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-66-79
Вахтовый метод привлечения работников к освоению нефтегазовых ресурсов арктических территорий
Логинов В. Г.1*, Игнатьева М. Н.1, 2, Юрак В. В.1, Дроздова И. В.2 1 Институт экономики УрО РАН, г. Екатеринбург, Россия 2 Уральский государственный горный университет, г. Екатеринбург, Россия *e-mail: [email protected]
Реферат Актуальность. Основные запасы полезных ископаемых России, в том числе нефти и газа, в настоящее время сосредоточены на северных и арктических территориях. Их освоение требует обеспечения всеми необходимыми ресурсами: трудовыми, материальными, финансовыми. Привлечение специалистов к разработке нефтегазовых месторождений связано в первую очередь с вахтовым методом. Достоверность проектирования в части использования работников требует учета тенденций развития вахты и преодоления имеющихся противоречий. Цель исследования – анализ использования вахтового метода при разработке нефтегазовых месторождений в условиях Севера и Арктики на примере Ямало-Ненецкого автономного округа, выявление формирующихся тенденций и имеющих место противоречий, требующих своего разрешения. Методология исследования заключается в обобщении и анализе информации, касающейся использования вахтового метода, применения методов сопоставления, группировок, усреднения, аналогий. Результаты. В процессе исследования подтверждена целесообразность использования вахты как метода привлечения работников для освоения нефтегазовых ресурсов. Выявлены эволюционные изменения в использовании вахтового метода (абсолютное и относительное число работников, изменения в структуре вахтовиков, доля внутрирайонной вахты, изменения структуры привлекаемой иностранной рабочей силы). Сформулированы предпосылки использования вахты, обусловленные в первую очередь нехваткой квалифицированных работников среди местного населения и наследием советского времени, когда профессиональной подготовке квалифицированных кадров на Севере не уделялось должного внимания. Для современной ситуации с вахтовым методом привлечения работников характерно распределение вахтовиков по территории ЯНАО в зависимости от размещения разрабатываемых и потенциальных нефтегазовых месторождений, а также исторически сложившегося контура городских и сельских поселений: нефтегазодобывающий юг, освоенные газодобывающие центральные районы, транспортно-логистический узел с горнодобывающим Полярным Уралом, новые арктические (периферийные) нефтегазодобывающие районы, развивающийся восток и депрессивный юго-запад. Установлены противоречивые аспекты вахтового метода. Целесообразность вахты с экономической точки зрения возражений не вызывает. Негативно оценивается социальная сторона (социальный аспект – организация труда, текучесть, социально-психологическая обстановка; медицинский аспект – постоянная акклиматизация и реакклиматизация). Отрицательное влияние на рост безработицы не подтверждено. Необоснованное ограничение вахтового метода не должно иметь место, тем более, что современная ситуация будет объективно требовать увеличения масштабов вахты. Выводы. Вахтовый метод привлечения работников к освоению нефтегазовых ресурсов является общепризнанным и используется как в отечественной практике, так и зарубежной. Следует отметить лишь расширение масштабов вахты. В этих условиях в целях повышения достоверности проектирования инвестирования, связанного с трудовым обеспечением проектов, следует учитывать выявленные тенденции в развитии вахты и предусматривать ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 67
меры, предупреждающие или смягчающие выявленные противоречия, присущие вахтовому методу.
Ключевые слова: нефтегазовые месторождения; трудовые ресурсы; вахтовый метод; тенденции; современная ситуация; противоречия; проектирование.
Статья подготовлена на основе исследований, финансируемых в соответствии с планом научно-исследовательских работ Института экономики Уральского отделения Российской академии наук на 2020–2022 гг.
Введение. В северных и арктических регионах в настоящее время сосредото- чены основные запасы полезных ископаемых России, которые составляют около 80 % всей массы разведанных запасов. Север и Арктика рассматриваются в каче- стве основных источников поступления валюты, так как поставляют на экспорт нефть и нефтепродукты, газ, уголь, никель, апатиты и значительную часть алмазов [1]. Все обозначенное свидетельствует о их ключевой роли в экономике России. Ведущее место среди регионов Арктической зоны принадлежит Ямало-Не- нецкому автономному округу (ЯНАО), на долю которого приходится около 60 % объема валового регионального продукта (ВРП) Арктической зоны Российской Федерации (АЗРФ) и около половины объема промышленной продукции. В це- лом для АЗРФ, как и для рассматриваемого региона, характерна ситуация, когда основная доля промышленного производства приходится на добычу полезных ископаемых. В нефтегазодобывающих регионах ХМАО-Югра, ЯНАО и Ненец- кий АО на одного жителя приходится до 368 т условного топлива (т. у. т.), при том что уже при величине 40 т. у. т. регион является самодостаточным [2]. Поддержа- ние самодостаточности требует сохранения или увеличения объема добычи, что в свою очередь предопределяет обеспечение всеми видами ресурсов: трудовыми, материальными, финансовыми. При этом не последнюю роль играет обеспечен- ность трудовыми ресурсами. Сложившийся рынок труда в автономных округах отличается несоответстви- ем спроса и предложения [3]. По объективным причинам целенаправленная про- фессиональная подготовка кадров на Севере не осуществлялась. В результате работодатели в целях повышения производительности вынуждены привлекать рабочую силу со стороны, используя вахтовый метод работы. Этот процесс обес- печивает получение относительно недорогой рабочей силы с высоким образова- тельным и квалификационным уровнем [4]. Решение проблемы обеспечения тру- довыми ресурсами процесса освоения недр требует учета тенденций в развитии вахтового метода, что позволит наиболее достоверно прогнозировать ситуацию на рынке труда и оценивать размер инвестиций на требуемые трудовые ресурсы без дополнительных затрат на обучение и повышение квалификации. Важность использования вахтового метода заключается в регулярном времен- ном и пространственном разделении места работы и места жительства и в том воздействии, которое эта система оказывает на организацию работы, жизнь рабо- чих и их семей, а также жизнь поселков и соответствующих регионов [5]. Эта система заменила традиционный подход к решению вопроса трудовых ресурсов в удаленных областях, заключающийся в постройке постоянных поселков, что дало возможность разрабатывать ресурсы, которые раньше не оправдывали бы вложения в освоение месторождений полезных ископаемых. Такое решение по- зволяет быстро развернуть и свернуть производство, что особенно подходит для мелких или недолговечных разработок. Наличие внутрирегиональной вахты не всегда позволяет обеспечить потреб- ность предприятий в трудовых ресурсах, поэтому набор их из числа вахтовиков 68 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
центральных и южных районов остается важным условием для удовлетворения промышленного спроса на рабочую силу. Вахтовые работники находятся в по- стоянном циклическом движении: дорога на вахту, рабочий период, обратная до- рога, отдых между вахтами (период нахождения дома). Затем цикл повторяется снова и снова. При этом рабочий процесс, подчиненный жестким режимам ком- паний, осуществляется в закрытых поселках, в отдалении от привычной социаль- ной среды. Развитие вахтового метода на северных территориях. Вахтовый метод ра- боты, применяющийся в горнодобывающих и нефтегазовых территориях за рубе- жом (Австралия, Канада, Финляндия и др.) [5–8], получил широкое распростра- нение и в России начиная с конца 1960-х гг. и связан с особенностью освоения природных ресурсов (в первую очередь нефтегазовых, а позднее и лесных) север- ных территорий страны. Первоначально он именовался вахтенный метод по ана- логии с действующим термином на флоте. Основным регионом его применения были национальные (позднее, с 1977 г. – автономные) округа Тюменской области. Его активным сторонником было Министерство нефтяной и газовой промышлен- ности, оппонентами – местная партийная власть, которая выступала против, тре- буя финансовые ресурсы на строительство северных городов и поселков [9, 10]. При таком подходе одновременно росли городские поселения и число вахтового персонала. Некоторые вахтовые поселки превращались в постоянные населен- ные пункты, например п. Пангоды в ЯНАО. Становлению и развитию вахтового метода в нефтегазовых районах Севера и Арктики посвящены многочисленные публикации отечественных и зарубежных ученых [11–15]. Витриной вахтового освоения ресурсов стал поселок Ямбург, расположенный на восточном берегу Обской губы. Для проживания вахтового персонала здесь был специально построен жилой комплекс по финской техноло- гии. Он состоял из десятка отдельных блоков-микрорайонов, в каждом из кото- рых насчитывалось более тысячи человек, проживающих в полностью благоу- строенных, с комфортными бытовыми условиями, помещениях. Комнаты, в которых проживало по 2–3 человека, были объединены в отдельные секции с ду- шем и туалетом. Полностью финский комплекс был рассчитан для одновремен- ного проживания 9 тыс. человек (октябрь 1988 г.) Для проведения спортивного досуга имелся спортзал, а в каждом отдельном модуле еще комнаты для занятия спортом. Общая численность занятых на Ямбургском газовом месторождении со- ставляла 18 тыс. человек при следующем вахтовом режиме: один месяц – рабо- чий период, один месяц – междувахтовый отдых. Однако это было исключением из правил, другие вахтовые поселки были скромнее, впрочем, как и в настоящее время. Даже в знаменитом поселке Сабетта условия проживания работающих не- посредственно на предприятии и строителей или водителей значительно различа- ются, как и заработная плата. Так, среднемесячная заработная плата вахтового персонала за 2019 г. составила на добыче полезных ископаемых 202,5 тыс. р., в сравнении с ней у строителей и работников транспорта она была ниже соответ- ственно в 2,6 раза (76,6 тыс. р.) и в 2,4 раза (84,6 тыс. р.). Информация на федеральных телеканалах и в социальных сетях об условиях работы и проживания вахтовиков в ямальском поселке Сабетта существенно раз- нится. Одни рассказывают о современных жилых вагончиках с комнатами на дво- их и достойными зарплатами. Это относится к лицам, которые работают в компа- нии «НОВАТЭК», в основном они довольны зарплатой, условиями труда, проживания и досуга. У других – недобросовестных – подрядчиков отношение к работникам иное: проживание в комнатках на 8 человек, плохая организация труда, задержка и невыплата и без того небольших зарплат, а также невозможность ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 69
свободного выезда из поселка. При этом пожаловаться некому, так как террито- рия мегастройки – закрытый объект (URL: http://www.yamalpro.ru/2016/08/08/ yamal-spg-gordost-kobyilkina-i-pozor-rossii-na-zarplatyi-vahtovikam- uchastvuyushhim-v-arkticheskoy-mega-stroyke-ne-hvataet-deneg-a-kusok-hleba- posle-napryazhennogo-rabochego-dnya-dostaetsya-s-t/ (дата обращения: 20.11.2017.)). Этому способствует и разобщенность вахтовиков по месту жительства, что не позволяет им совместно организовывать протестные выступления против нечестных собственников.
Таблица 1. Численность работающих вахтовым методом по Ямало-Ненецкому автономному округу, чел. Table 1. The number of drive-in drive-out employees in the Yamalo-Nenets autonomous district, persons
Отрасль экономики 2010 г. 2012 г. 2014 г. 2016 г. 2017 г. 2018 г. 2019 г. Всего 75 487 90 129 89 125 89 683 86 019 100 338 96 578 В том числе из-за пределов 58 707 72 107 71 891 72 447 63 548 76 365 72 851 ЯНАО, чел. в процентах 77,8 80,0 80,7 80,8 73,9 76,4 75,4 В том числе занятых 27 564 27 152 28 578 26 828 24 703 28 800 31 112 добычей ПИ Удельный вес, % 36,5 30,1 32,1 29,9 28,3 28,6 32,2 Из-за пределов ЯНАО 18 516 17 696 19 569 18 911 15 794 20 080 22 064 Удельный вес, % 31,5 24,5 27,2 26,1 24,9 26,3 30,3 ––––––––––– Рассчитано по данным Тюменьстата и Ямалстата.
Продолжительность вахты у сотрудников «Ямал СПГ» – ОАО «НОВАТЭК» на северном проекте по производству сжиженного природного газа на Ямале со- ставляет 45 дней, такова же продолжительность междувахтового отдыха. На вспомогательных производствах, в подрядных и субподрядных организациях работодатели с целью экономии транспортных затрат при перемещении персона- ла пытаются организовать более продолжительное пребывание сотрудников. Так, 85 % строительно-монтажных организаций по обустройству месторождений рабо- тают в режиме два и один месяц. При желании сотрудников работодатели предо- ставляют возможность продления вахты на больший срок, что впрочем не проти- воречит Трудовому кодексу (Продолжительность вахты не должна превышать одного месяца. В исключительных случаях на отдельных объектах продолжи- тельность вахты может быть увеличена работодателем до трех месяцев с учетом мнения выборного органа первичной профсоюзной организации. Трудовой ко- декс РФ, статья 299). В большинстве случаев работодатели гарантируют бес- платное проживание персонала на время вахтового периода работы. Условия про- живания на период вахтовых будней разные: существуют временные объекты (временные общежития под жилье, вагончики и контейнерные дома, палатки для выполнения полевых работ), капитальные административно-бытовые комплексы (АБК), а также вахтовые жилые комплексы (ВЖК). Компенсация (оплата) пита- ния сотрудников устанавливается на вахте каждым прямым работодателем [16]. Начавшееся в 1970-е гг. освоение нефтегазовых ресурсов Ямало-Ненецкого автономного округа обусловило миграционный приток населения, сопровождаю- щийся большим его оборотом в силу различных причин (суровые природно-кли- матические условия [17], отсутствие объектов социальной инфраструктуры, осо- бенно жилья и др.). Вместе с ростом стационарного населения широкое применение нашел межрегиональный вахтовый метод, который стал составной 70 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
частью трудового баланса автономного округа. Местом выхода основного кон- тингента квалифицированной рабочей силы, привлекаемой как по оргнабору, так и вахтовым методом, были районы нефтегазовой специализации Урало-Поволж- ского региона и Азербайджана. В строительной отрасли – трудоизбыточные реги- оны запада и юга СССР. К концу советского периода численность вахтового пер- сонала превысила 60 тыс. человек. Наибольшую потребность промышленные предприятия испытывали и испытывают в настоящее время в бурильщиках, во- дителях специальной техники, машинистах, сварщиках; в строительстве – в ка- менщиках, плиточниках, штукатурах высоких разрядов. Помимо квалифициро- ванных кадров из других регионов привлекается и иностранная рабочая сила (ИРС) как рабочих профессий, так и инженерно-технических специальностей.
Таблица 2. Динамика численности вахтового персонала Ямало-Ненецкого автономного округа, чел. Table 2. The dynamics of the number of drive-in drive-out employees in the Yamalo-Nenets autonomous district, persons
Удельный вес вахтовиков, занятых на Всего Муниципальные межрегиональной вахте, % образования 1989 г. 2005 г. 2015 г.* 2019 г. 1989 г. 2005 г. 2015 г. 2019 г. Города 45 986 16 016 14 842 17 225 90,1 67,3 90,2 83,1 Новый Уренгой 16 781 8280 9533 11 271 84,8 67,3 91,3 86,7 Ноябрьск 21 986 3651 561 6749 – 54,3 87,3 94,5 Муниципальные 17 176 49 229 67 757 79 353 79,2 78,5 77,8 81,2 р-ны Надымский – 20 681 15 416 15 242 – 78,8 78,6 79,1 Пуровский 13 676 17 028 23 519 19 770 77,5 78,9 71,5 72,7 Тазовский – 8169 12 430 13 281 – 76,3 82,6 81,6 Ямальский МР 3500 1191 12 370 25 124 85,7 80,2 81,9 86,5 Всего 63 162 65 245 82 599 96 578 87,1 75,7 80,0 81,6 ––––––––––– * Третий квартал.
В 1990-е гг. сложившийся рынок труда был проблемным, так как отличался несоответствием спроса и предложения рабочей силы. Данный факт является объективной реальностью для северных территорий России, наследием советско- го времени, когда профессиональной подготовке квалифицированных кадров на Севере не уделялось должного внимания. Именно по этой причине, несмотря на пятидесятилетнюю историю разработки нефтегазовых ресурсов, не была осу- ществлена целенаправленная подготовка квалифицированных рабочих кадров. Экономия на объектах социальной сферы, особенно жилья, способствовала форми- рованию хозяйственной политики, основанной на привлечении рабочей силы со стороны межрегиональным вахтовым методом. Вместе с тем увеличение постоян- ного населения в ЯНАО ставило на повестку дня обеспечение работой местные трудовые ресурсы. Но объективная экономическая ситуация, сложившаяся в ры- ночный период, препятствовала данному процессу. Несмотря на то что между администрациями муниципальных образований и нефтегазодобывающими компа- ниями заключаются соглашения, где оговаривается вопрос об использовании мест- ной рабочей силы, ее качество, высокая конкуренция на рабочие места и проведе- ние работ вахтовым методом не позволяют в полной мере использовать этот резерв. В изменившихся экономических условиях часть местных трудовых ресур- сов в качестве рабочей силы оказалась не востребована, а в окраинных, наи- ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 71
более экстремальных по природно-климатическим факторам районах ЯНАО, с одной стороны, квалифицированные кадры отсутствовали, а с другой – ус- ловия комфортности среды препятствовали созданию здесь постоянного на- селения за счет прибытия его из других регионов. В связи с этим ежегодно в среднем привлекается 70–90 тыс. человек для работы вахтовым методом (табл. 1).
Таблица 3. Структура и численность работающих вахтовым методом на территории ЯНАО, чел. Table 3. Composition and number of drive-in drive-out employees in the Yamalo-Nenets autonomous district, persons
Межрегио- Внутри- Внутри- Иностранная Показатель Всего нальная региональная районная рабочая сила вахта вахта вахта* 2016 г. 93 649 72 447 17 236 12 853/74,6 3966 Удельный вес, % 100,0 77,4 18,4 13,7 4,2 2017 г. 86 019 63 548 18 030 10 385/57,6 4441 Удельный вес, % 100,0 73,9 21,0 12,1 5,1 2018 г. 100 338 76 365 17 640 9830/55,7 6333 Удельный вес, % 100,0 76,1 17,6 9,8 6,3 2019 г. 96 578 72 851 17 789 8720/49,0 5938 Удельный вес, % 100,0 75,4 18,4 9,0 6,2 Среднегодовой показатель 94 146 71 303 17 674 10 447/59,1 5169 Удельный вес, % – 75,7 18,8 11,1 5,5 ––––––––––– * Выделена в составе внутрирегиональной вахты, доля занятых на которой в последние годы постепенно снижается от 75 % в 2016 г. до 49 % в 2019 г. В знаменателе – доля внутрирайонной вахты по отношению к внутрирегиональной.
При этом росло абсолютное и относительное число работников, привлекае- мых межрегиональным вахтовым методом в промышленную деятельность (добыча полезных ископаемых). В последние годы изменения в структуре вахтови- ков были связаны с увеличением численности и доли привлекаемой иностранной рабочей силы, которая вместе с прибывшими по межрегиональной вахте состав- ляет более 80 % вахтового контингента. В период с 1989 по 2019 г. произошли значительные изменения во внутрирегиональной структуре работающих по вах- товому методу. Сдвиг промышленного освоения на север ЯНАО вызвал увеличе- ние вахтового персонала в муниципальных районах, обусловленное освоением нефтегазовых ресурсов, на Ямальском и Гыданском полуострове (Ямальский и Тазовский МР), поэтому по мере продвижения на Север доля межрегиональной вахты в общей численности рабочей силы растет (табл. 2). Использование привлеченной рабочей силы прежде всего позволяет быстро реагировать на изменение ситуации в экономике, варьируя ее величину. Об этом свидетельствует ретроспективный анализ использования вахтового метода труда в округе по отдельным муниципальным образованиям. Второй момент – сокращение доли внутрирайонной вахты, обусловленное, по-видимому, снижением объемов строительства и увеличением численности в базовых отраслях, требующих использования более квалифицированной рабо- чей силы (табл. 3). Третий момент – изменение внутренней структуры привлекаемой иностран- ной рабочей силы (ИРС), где наблюдается увеличение как численности, так и 72 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 удельной доли вахтовиков из стран СНГ. В основном оно связано с появлением нового игрока на вахтовом рынке – Республики Узбекистан (табл. 4). На изменение численности вахтовиков из стран Дальнего зарубежья повлияло снижение количества рабочих из Сербии, которые использовались исключитель- но в строительстве, так как снизились его объемы в основном месте их хозяй- ственной деятельности на полуострове Ямал. Так, если в 1-м квартале 2019 г. их численность в Ямальском районе составляла 818 человек, то в 4-м квартале про- изошло ее снижение до 408 человек, т. е. в два раза. Всего ИРС (Дальнее зарубе- жье, данные за 4-й квартал 2019 г.) поступала из 24 стран, представляющих все континенты, кроме Австралии (Количество стран значительно варьирует по го- дам. К примеру, в 3-м квартале 2018 г. их насчитывалось в 2 раза больше
Таблица 4. Сравнительные данные по структуре занятых ИРС по видам экономической деятельности, чел. Table 4. Comparative data of the composition of the employed foreign workers by the types of economic activity, persons
Сфера Всего Добыча ПИ Строительство Страна обслуживания 2017 г. 2019 г. 2017 г. 2019 г. 2017 г. 2019 г. 2017 г. 2019 г. Всего 4441 5943 1161 1791 2675 1918 35 1856 Дальнее 2426 1479 134 343 2266 873 10 169 зарубежье Удельный вес, % 54,6 24,9 11,5 19,2 84,9 45,5 28,6 9,1 Всего по СНГ 2015 4464 1027 1448 409 1045 25 1687 Удельный вес, % 45,4 75,1 89,5 80,8 15,1 54,5 71,4 90,9
(48 стран), а общая численность ИРС составила 7892 человека). Следует отме- тить, что как количество стран Дальнего зарубежья, так и ИРС значительно ва- рьирует даже в течение одного года. Численность вахтовиков из стран СНГ (9 стран), среди которых выделяются Беларусь, Казахстан и в последние годы – Узбекистан, также отличается значительной дифференциацией. Среди остальных наименьшим числом отличаются Азербайджан (6 чел.), Молдова (5) и Туркмения (1). Срединное положение занимают Киргизия (131 чел.), Таджикистан (48) и Армения (30). Современная ситуация с вахтовым методом привлечения работников. В настоящее время вахтовики занимают значительную часть рабочей силы в ЯНАО (табл. 5). Их распределение по территории автономного округа определяет народнохо- зяйственный каркас, внутрирегиональные различия которого связаны с истори- чески сложившимся контуром городских и сельских поселений, особенностями размещения разрабатываемых и потенциальных нефтегазовых месторождений, а также созданной регулярной сетью путей сообщения, соединяющих и объеди- няющих локальные центры промышленности и логистики. В структурном отно- шении это южная нефтегазодобывающая часть округа (городские округа (ГО) Муравленко, Ноябрьск и Губкинский, более 166 тыс. человек, доля вахтовиков в среднесписочной численности работающих (ЧС) – 3,1 %); промышленные газо- добывающие районы центра (ГО Новый Уренгой, Надымский и Пуровский муни- ципальные районы (МР), около 257 тыс. человек, доля вахтовиков в ЧС – 29,8 %); депрессивный периферийный юго-запад (Шурышкарский МР, 9,5 тыс. человек) и развивающийся восточный район (Красноселькупский МР, менее 6 тыс. человек, доля вахтовиков в ЧС – 37,0 %); транспортный и логистический узел (ГО Лабыт- ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 73 нанги и Салехард) вместе с горным Полярным Уралом (Приуральский МР) (бо- лее 90 тыс. человек, доля вахтовиков в ЧС – 33,9 %) и новые арктические нефте- газодобывающие районы (Ямальский и Тазовский МР, более 30 тыс. человек, доля вахтовиков в ЧС – 33,9 %) без учета ИРС, 2016 г. Численность вахтового персонала и его удельный вес в среднегодовой числен- ности занятых в пределах каждого из выделенных районов корреспондируется прежде всего с объемом и долей строительных работ и добычей полезных иско- паемых. Поставщиками трудовых мигрантов, работающих по межрегиональной вахте, являются многие субъекты РФ. К ним относятся, с одной стороны, сосед- ние и рядом расположенные регионы Урала и Сибири, с другой – регионы с род- ственной промышленной специализацией (табл. 6).
Таблица 5. Среднегодовая численность работающих и вахтовиков по Ямало-Ненецкому автономному округу, чел. Table 5. Average annual number of workers and drive-in drive-out employees in the Yamalo- Nenets autonomous district, persons
Вид экономической 2010 г. 2012 г. 2014 г. 2015 г. 2016 г. 2017 г. 2018 г. деятельности Всего 314 500 328 300 329 100 331 100 337 100 328 800 328 000 Вахтовики 75 487 90 129 89 125 85 227 93 649 86 019 100 338 Удельный вес 24,0 27,5 27,1 25,7 27,8 26,2 31,4 вахтовиков, % Добыча ПИ 55 500 57 400 61 400 63 200 65 800 73 000 70 500 Вахтовики 27 564 27 152 28 578 28 516 26 828 24 703 28 800 Удельный вес 49,7 47,3 46,5 45,1 40,7 33,8 40,9 вахтовиков, % ––––––––––– Статистический ежегодник: стат. сб. Ямало-Ненецкий автономный округ, в 2-х частях. Ч. I(I) (1990–2016) / Управление Федеральной службы государственной статистики по Тюменской области, Ханты- Мансийскому автономному округу–Югре и Ямало-Ненецкому автономному округу. Тюмень, 2018. 155 с.; Статистический ежегодник: стат. сб. Ямало-Ненецкий автономный округ, в 2-х частях. Ч. II (2017, 2018) / Управление Федеральной службы государственной статистики по Тюменской области, Ханты- Мансийскому автономному округу–Югре и Ямало-Ненецкому автономному округу. Тюмень, 2019. 50 с.
На долю последних приходится около 40 %, что корреспондируется с долей вахтовиков, занятых в добыче полезных ископаемых. Здесь с советских времен сохранились тесные связи с Республикой Башкортостан, на долю которой при- ходится около одной пятой вахтовиков. Второй отраслью является строительство, где численность работающих из других регионов быстро росла. Вахтовый метод: противоречия использования. Вахтовый метод был и остает- ся в настоящее время одним из важных направлений привлечения квалифициро- ванной рабочей силы в малоосвоенные и малозаселенные районы. Его широкое применение обусловлено не только экстремальными природно-климатическими условиями этих территорий с отсутствием необходимых трудовых ресурсов в этих районах, но и особенностью производственного процесса в нефтегазовой отрасли – дисперсным расположением многочисленных месторождений полез- ных ископаемых на обширной территории. Мобильный характер вахтового мето- да позволяет обеспечить быстрое перемещение рабочей силы, особенно в строи- тельстве, когда после завершения ввода в строй промышленного, транспортного или гражданского объекта на одной территории можно перебросить вахтовый контингент в другие районы, как близлежащие, так и географически удаленные от прежнего места деятельности. Условия применения метода на Севере до сих 74 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
5,9 2,8 2,8 0,9 2,0 3,6 1,7 1,3 1,7 1,5 0,7 4,3 1,2 2,9 1,2 2,0 18,4 40,5 39,2
90 635
Среднегодовая 787 635 1356 1,5 2914 3,2 5314 2579 2533 1840 3229 1501 1204 1507 1386 3911 1074 2584 1071 1789 16 710 36 712 35 491
– – – – – – – – – – – 5,6 3,0 3,1 1,7 2,9 19,7 38,8
й кв. й 41,0
4-
94 592 701 1410 1,5 3293 3,5 5319 2868 2913 1017 1803 3183 1576 1254 1531 1406 3802 1193 2768 1228 1950 18 662 36 715 38 809
– – – – – – – – – – – – 5,8 2,7 2,7 1,6 2,8 18,3 38,5
, 2019, persons/percent ,- out manpower 2019, й кв. й
3- 86 483 736 567 5034 2318 2304 1766 3150 1402 1235 1511 1355 3966 1074 2456 1039 1755 in drive - in 15 841 35 014 33 315
– – – – – – – – – – – – 6,1 2,8 2,9 1,7 3,0 18,6 39,8
й кв. й
2- 88 058 722 606 1334 1,5 1091 1,3 2805 3,2 2869 3,3 5442 2468 2574 1847 3258 1463 1239 1526 1484 3731 1024 2644 1033 1752 16 349 34 757 35 079
– – – – – – – – – – – – 5,8 2,9 2,5 1,7 2,6 17,1
й кв. й
37,2
1- 93 407 675 667 983 5462 2664 2339 1944 3324 1562 1086 1461 1297 4144 1003 2469 1698 15 989 40 360 34 764
География рабочей силы, работающей по межрегиональной чел./проценты вахте, рабочей2019 г., География силы, работающей
6 . The geographical spread of the interregionaldrive of the spread The geographical
2690 2,9 1589 1,7
стан*
о
Table 6 . Таблица Таблица
область Субъект РФ Югра*
- лика Башкорт лика Нефтегазовыерегионы. Всего Тюменская без АО* обл. ХМАО Респуб Республика Татарстан* Республика Дагестан Республика Удмуртия* Алтайский край край Краснодарский Пермский край* крайСтавропольский Белгородская область Волгоградская Воронежская область Омская область Оренбургская область* Ростовская область Самарская область* Саратовская область Свердловская область Другие Нефтегазовые регионы ––––––––––– *
ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 75 пор остаются источником научных дискуссий. Необходимость его использования в настоящее время обусловлена как сложившимися в дорыночный период эконо- мическими связями, так и отсутствием квалифицированной рабочей силы, даже при условии фактического избытка трудовых ресурсов. Если с экономической точки зрения целесообразность применения вахтового метода особо не оспаривается, то социальная сторона и последствия для здоровья работающего в вахтовом режиме персонала оцениваются крайне негативно: – в социальном аспекте – специфика организации труда, высокий уровень экс- плуатации (рабочая смена длится до 12 ч), сложные и часто опасные для здоровья условия труда, особенности социально-психологической обстановки в коллекти- ве, высокая текучесть кадров, оторванность от семьи и т. п.; – в медицинском аспекте – постоянная акклиматизация и реакклиматизация между вахтами, особенно в переходные сезоны от тепла к холоду и наоборот, при этом контрастность природно-климатических условий зависит от расстояния между местом жительства вахтовиков и местом приложения труда, а также от времени года; вредные для здоровья, особенно связанные с рисками, производ- ственно-технологические циклы. Некоторые авторы отмечают геополитический аспект – идею перехода на ос- воение и разработку богатых природными ресурсами регионов Севера исключи- тельно вахтовым методом, по их мнению, это «прямой путь к депопуляции, «ого- лению» Российского Севера, и уже в обозримом будущем Россия рискует обнаружить, что эти территории … фактически контролируются иностранным капиталом, который привлекает преимущественно гастарбайтеров» [18, с. 18]. Считается также, что вахтовый метод способствует росту безработицы. Однако подобное утверждение не находит подтверждения. Сам по себе вахтовый метод не обусловливает уровень безработицы, и его «ликвидация» не изменит конъюн- ктуру рынка труда, а только ухудшит возможность производства. Необоснован- ное ограничение вахтового персонала может сделать легальный процесс неле- гальным, что и происходит в сферах, где методы контроля и регулирования миграционных потоков не отработаны и противоречивы. Так, в настоящее время на предприятиях нефтяной и строительной отрасли развита так называемая «ди- кая вахта», основанная на инициативе работников по договоренности с иногород- ним работодателем, без нормативного закрепления особых условий жизнедея- тельности персонала и с произвольными режимами и условиями оплаты труда. В отношении оптимизации привлечения работающих вахтовым методом мно- гое будет зависеть от политики основных хозяйствующих субъектов нефтегазо- добывающей отрасли и строительства, испытывающих потребность в квалифи- цированных кадрах, особенно в пиковые периоды строительства или при освоении новых нефтегазовых месторождений. Крупные нефтегазодобывающие компании округа, освободившиеся от непрофильных предприятий, будут чаще использовать вахтовый метод, экономя на инфраструктурном обустройстве, а в периферийных заполярных районах ему, по существу, нет альтернативы. На территориях южнее Полярного круга в перспективе численность привлечен- ной рабочей силы может сокращаться при условии увеличения подготовки соб- ственных квалифицированных кадров в автономном округе и наличия свободной рабочей силы в местах с отработанными нефтегазовыми ресурсами. В связи с этим увеличится доля занятых за счет внутрирегиональных вахт. Однако в по- следние годы (2016–2019) удельный вес местных вахтовиков остается довольно стабильным, колеблясь от 17,6 до 21,0 % от общей численности вахтового персо- нала. Реформирование северной занятости и оптимизация пропорций между формами постоянной, среднесрочной и краткосрочной занятости связано с вы- 76 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
работкой для каждой из них своих стимулов, своих типов трудовых соглашений и особых стратегий развития социальной инфраструктуры с учетом особенно- стей природно-климатических условий территории. Сейчас подобные пропор- ции нарушены: резкое преобладание экономических (ведомственно-корпора- тивных) критериев над медико-социальными привело в советские годы к доминированию постоянной занятости, а в постсоветское время – к чрезмер- ному использованию краткосрочной дальней вахты. Выводы. Освоение недр, в том числе нефтегазовых месторождений север- ных регионов, требует наличия необходимых ресурсов: трудовых, материаль- ных, финансовых. Анализ опыта работы нефтегазодобывающих предприятий показывает, что решение вопроса трудовых ресурсов обычно связано с вахто- вым методом. Вахтовый метод получил широкое распространение в нашей стране с конца 1960-х гг., и в первое время его реализация осуществлялась па- раллельно с традиционным. Постепенно он оказался приоритетным в арктиче- ских районах с экстремальными природно-климатическими условиями. Анализ использования вахтового метода на примере арктического региона (ЯНАО) по- казал, что, во-первых, произошло значительное изменение вахтового персона- ла, во-вторых, сокращение доли внутрирайонной вахты, в-третьих, изменилась структура привлечения иностранной рабочей силы, где наблюдается увеличе- ние удельного веса вахтовиков из стран СНГ. Распределение вахтовиков по тер- ритории автономного округа определено особенностью размещения разрабаты- ваемых и потенциальных нефтегазовых месторождений, количество которых корреспондируется с объемом добычи полезных ископаемых. Вахтовый метод с экономической точки зрения целесообразен, в то же время с социальной и медицинской стороны оценивается негативно. В целях недопу- щения «дикой» вахты данный метод не должен ограничиваться, тем более в со- временных условиях, когда можно ожидать еще большего привлечения работа- ющих вахтовым методом. Выявленные тенденции в развитии вахтового метода могут быть учтены при проведении работ на нефтегазовых месторождениях, что позволит избежать или снизить риски, связанные с социальными аспектами проектирования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Лузин Г. П., Селин В. С., Корчак А. Д. Уровень жизни на Севере. Апатиты: КНЦ РАН, 1998. 104 с. 2. Орлов В. П. Минерально-сырьевые ресурсы в региональной экономике // Экономика и управление. 2005. № 6. С. 34–38. 3. Loginov V. G., Ignatyeva M. N., Balashenko V. V. Ethnic social and ecosystem approach to the evaluation of the lifehoods of small indigenous peaples of the north // Economy of Region. 2018. No. 14(3). P. 896–913. 4. Развитие системности в освоении потенциала северных малоизученных территорий / под ред. А. И. Татаркина. Екатеринбург: ИЭ УрО РАН, 2015. 317 с. 5. Storey K., Shrimpton M. (1988). Fly-in mining and northern development policy: the impacts of long-distance commuting in the Canadian mining sector // Impact Assessment Bulletin. Vol. 6. No. 2. P. 127–136. 6. Storey K. Fly-out: Implications for community sustainability // Sustainability. 2010. No. 12. Р. 1161–1181. 7. Агранат Г. А. Использование ресурсов и освоение территории зарубежного Севера. М.: Наука, 1984. 200 с. 8. Пахомов В. П., Кужелева О. Б. Недропользование на Аляске. Екатеринбург: УрО РАН, 1994. 159 с. 9. Силин А. Н. О нетрадиционных формах организации труда на Крайнем Севере // Социологические исследования. 1987. № 4. С. 76–78. 10. Силин А. Н. Социологические аспекты вахтового труда на территориях севера Западной Сибири // Экономические и социальные перемены: факты, тенденции, прогноз. 2015. № 4(40). С. 109–123. 11. Хайтун А. Д. Экспедиционно-вахтовое строительство в Западной Сибири. Л.: Стройиздат, 1982. 176 с. ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 77
12. Борисов Д. В. Вахтовый метод как особая форма организации трудового процесса (на примере предприятий нефтегазовой промышленности): автореф. дис. … канд. экон. наук. М.: Моск. гуманитарн. ун-т, 2004. 26 с. 13. Belonozko M. L., Silin A. N. Russian North: change of social situation // Viddle – East journal of Scientific Research. 2013. No. 16(2). P. 150–155. 14. Saxinger G., Öfner E., Shakirova E. Ich bin bereit – die nächste generation mobiler fachkräfte in der russischen erdgas – und erdölindustrie // Austrian Studies in Social Anthropology. 2014. No. 2. Р. 1–24. 15. Silin A. N. Long distance commuting in oil and gas production industry in the Northwestern Siberia: sociological analysis of change // Mediterranean Journal of Social Sciences. 2015. Vol. 6. No. 3. S. 5. P. 199–206. 16. Работа вахтовым методом: вакансии. URL: https://vacancies.club/vaxtovyj-metod-vaxta/ (дата обращения: 20.11.2017). 17. Loginov V. G., Ignatyeva M. N., Balashenko V. V. Consistent approach to assess the comfort of living in the northern and arctic areas // Economy of Region. 2018. No. 14(4). P. 1399–1410. 18. Сенчагов В. К., Дадалко В. А., Брагин А. М. Объединение субъектов Федерации и национальные интересы России // ЭКО. 2004. № 7. С. 14–26.
Поступила в редакцию 2 июня 2020 года
Сведения об авторах: Логинов Владимир Григорьевич – доктор экономических наук, доцент, заведующий сектором регионального природопользования и геоэкологии Института экономики УрО РАН. Е-mail: [email protected] Игнатьева Маргарита Николаевна – доктор экономических наук, профессор, профессор кафедры экономики и менеджмента Уральского государственного горного университета, ведущий научный сотрудник сектора регионального природопользования и геоэкологии Института экономики УрО РАН. E-mail: [email protected] Юрак Вера Васильевна – кандидат экономических наук, старший научный сотрудник сектора экономико-правовых проблем недропользования Института экономики УрО РАН. Е-mail: [email protected] Дроздова Ирина Владимировна – кандидат экономических наук, доцент, доцент кафедры экономики и менеджмента Уральского государственного горного университета. E-mail: [email protected]
DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-66-79 Drive-in drive-out method of employing people for Arctic oil and gas resources exploration Vladimir G. Loginov1, Margarita N. Ignatieva1, 2, Vera V. Iurak1, Irina V. Drozdova2 1 Institute of Economy, Ural Branch of RAS, Ekaterinburg, Russia. 2 Ural State Mining University, Ekaterinburg, Russia.
Abstract Research relevance. Main Russian reserves, including oil and gas, are currently focused at northern and Arctic territories. Their exploration requires all necessary assets: labor, non-human, and financial. People employment for oil and gas deposits exploitation is connected with a drive-in drive-out method first of all. Personnel employment plan reliability should take into account the drive-in drive-out method development trends and existing contradiction overcoming. Research aim is to analyze the use of the drive-in drive-out method as applied to oil and gas fields development in the conditions of the North and Arctic by the example of the Yamalo-Nenets Autonomous District, determine the developing trends and existing contradictions requiring overcoming. Research methodology includes generalization and analysis of the data on drive-in drive-out method application, as well as the methods of matching, grouping, averaging, and analog. Results. In course of research the practicability of drive-in drive-out as a method of employing people for oil and gas resources exploitation. Time-dependent changes in the drive-in drive-out method application have been revealed (total and relevant number of workers, change in the composition of drive-in drive-out employees, the share of regional drive-in drive-out, and change in the composition of foreign labor). The prerequisites for the drive-in drive-out method have been formulated; they have first been conditioned on the lack of qualified workers among local population and the legacy of the Soviet period when the professional training of skilled personnel was not given due attention. The current situation with the drive- in drive-out method of employing people is characterized by the distribution of drive-in drive-out workers across the territory of the Yamalo-Nenets autonomous district, depending on the location of the developed and potential oil and gas fields, as well as the historically formed contour of urban and rural settlements: the oil and gas producing south, the developed gas producing central regions, the transport and logistics hub with the mining Polar Urals, new arctic (peripheral) oil and gas producing regions, developing east 78 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 and depressive southwest. The contradictory aspects of the drive-in drive-out method have been established. The practicability of drive-in drive-out from an economic point of view raises no objections. The social aspect is assessed negatively (the social aspect includes work organization, turnover, the socio- psychological situation; the medical aspect includes constant acclimatization and re-acclimatization). The negative impact on the growth of unemployment has not been confirmed. There must be no unreasonable limitation of the drive-in drive-out method, especially as the current situation will objectively require an increase in drive-in drive-out scale. Summary. Drive-in drive-out method of employing people for oil and gas resources exploitation is generally accepted and applied both in home and abroad. Drive-in drive-out scale should be noted. Under these conditions, in order to increase the reliability of investments plan related to the labor support of projects, it is necessary to take into account the identified trends in drive-in drive-out development and provide for measures to prevent or mitigate the identified contradictions of the drive-in drive-out method. Key words: oil and gas fields; labor resources; drive-in drive-out method; trends; current situation; contradictions; planning. Acknowledgements. The article has been prepared based on the research supported in accordance with the plan of scientific research of the Institute of Economy of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences for 2020–2022. REFERENCES 1. Luzin G. P., Selin V. S., Korchak A. D. Northern standard of living. Apatity: KSC RAS Publishing; 1998. (In Russ.) 2. Orlov V. P. Mineral resources in regional economy. Ekonomika i upravlenie = Economics and Management. 2005; 6: 34–38. (In Russ.) 3. Loginov V. G., Ignatyeva M. N., Balashenko V. V. Ethnic social and ecosystem approach to the evaluation of the lifehoods of small indigenous peaples of the north. Economy of Region. 2018; 14(3): 896–913. 4. Tatarkin A. I. (ed.) Development of consistency in the development of the potential of the northern little-studied territories. Ekaterinburg: IE UB RAS Publishing; 2015. (In Russ.) 5. Storey K., Shrimpton M. (1988). Fly-in mining and northern development policy: the impacts of long-distance commuting in the Canadian mining sector. Impact Assessment Bulletin. 6(2): 127–136. 6. Storey K. Fly-out: Implications for community sustainability. Sustainability. 2010; 12: 1161–1181. 7. Agranat G. A. Using the resources of the North and exploiting the territories of the North. Moscow: Nauka Publishing; 1984. (In Russ.) 8. Pakhomov V. P., Kuzheleva O. B. Subsoil use in Alaska. Ekaterinburg: UB RAS Publishing; 1994. (In Russ.) 9. Silin A. N. On non-traditional forms of labor organization in the Far North. Sotsiologicheskie issledovaniia = Social Research. 1987; 4: 76–78. (In Russ.) 10. Silin A. N. Sociological aspects of rotational employment in the northern territories of Western Siberia. In: Economic and social changes: facts, trends, and forecast. 2015; 4(40): 109–123. (In Russ.) 11. Khaitun A. D. Field and drive-in drive-out construction in the western Siberia. Leningrad: Stroiizdat Publishing; 1982. (In Russ.) 12. Borisov D. V. Drive-in drive-out method as a special form of labor organization (by the example of oil and gas industry enterprises): PhD in Economics abstract of diss. Moscow: Moscow University for the Humanities Publishing; 2004. (In Russ.) 13. Belonozko M. L., Silin A. N. Russian North: change of social situation. Viddle – East journal of Scientific Research. 2013; 16(2): 150–155. 14. Saxinger G., Öfner E., Shakirova E. Ich bin bereit – die nächste generation mobiler fachkräfte in der russischen erdgas – und erdölindustrie. Austrian Studies in Social Anthropology. 2014; 2: 1–24. 15. Silin A. N. Long distance commuting in oil and gas production industry in the Northwestern Siberia: sociological analysis of change. Mediterranean Journal of Social Sciences. 2015; 6(3): 199–206. 16. Vacancies.club. Drive-in drive-out vacancies. Available from: https://vacancies.club/vaxtovyj- metod-vaxta/ [Accessed 20th November, 2017]. 17. Loginov V. G., Ignatyeva M. N., Balashenko V. V. Consistent approach to assess the comfort of living in the northern and arctic areas. Economy of Region. 2018; 14(4): 1399–1410. 18. Senchagov V. K., Dadalko V. A., Bragin A. M. Combining Federal subjects and Russian national interests. EKO = ECO. 2004; 7: 14–26. (In Russ.)
Received 2 June 2020
Information about authors: Vladimir G. Loginov – DSc (Economics), Associate professor, Head of Regional Nature Management and Geoecology Department of the Institute of Economics, UB RAS. Е-mail: [email protected] Margarita N. Ignatieva – DSc (Economics), Professor, professor of the Department of Economics and Management, Ural State Mining University, leading researcher of Regional Nature Management and Geoecology Department of UB RAS. E-mail: [email protected] ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 79
Vera V. Iurak – PhD (Economics), senior researcher, Department of Institutional Problems of the Subsoil Use, Institute of Economics UB RAS. Е-mail: [email protected] Irina V. Drozdova – PhD (Economics), Associate Professor, associate professor of the Department of Economics and Management, Ural State Mining University. E-mail: [email protected]
Для цитирования: Логинов В. Г., Игнатьева М. Н., Юрак В. В., Дроздова И. В. Вахтовый метод привлечения работников к освоению нефтегазовых ресурсов арктических территорий // Известия вузов. Горный журнал. 2020. № 5. С. 66–79. DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-66-79 For citation: Loginov V. G., Ignatieva M. N., Iurak V. V., Drozdova I. V. Drive-in drive-out method of employing people for Arctic oil and gas resources exploration. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = News of the Higher Institutions. Mining Journal. 2020; 5: 66–79 (In Russ.). DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-66-79 геоэкология, рациональное природопользование
DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-80-89
Estimating air pollution levels by numerical simulation depending on wind flow speed and dust source area
Pavel V. Amosov1*, Alexander A. Baklanov2, Dmitriy V. Makarov1, Vladimir A. Masloboev 1 1 Institute of North Industrial Ecology Problems, KSC RAS, Russia 2 World Meteorological Organization, Switzerland *e-mail: [email protected]
Abstract Research aim is to estimate atmospheric pollution levels in the town of Apatity, by numerical simulation, depending on the discrete arrangement of dust sources at the tailing dump closest to the town and the speed of wind flow. Methodology. For computer 3D modeling, the COMSOL software was used. To calculate the aerodynamic properties the approach of incompressible fluid and standard (k–ε)-model of turbulence were used. The spread of dust pollution has been modeled by numerically solving the convective-diffusion equation of impurity transfer taking into account the deposition rate. Numerical experiments were performed for wind flow speeds between 5 and 23 m/s and a discrete representation of the dust source area between 2 and 10 ha. Results. The spatial distributions of the model's aerodynamic properties and the interval (and total) distributions of dust pollution were obtained. The Starye Apatity area is most exposed to atmospheric pollution. Atmospheric pollution levels were analyzed and generalized to functional dependencies, depending on the values of the model's variable parameters. It is shown that the calculated dependencies between the maximum dust concentration and the dust source area can be described by linear functions, which allows predicting the critical dust source area, at which the level of air pollution reaches the threshold limit value. It is demonstrated that the dependence of the maximum dust concentration on wind flow speed at fixed dust source area values can be approximated by a power-law function. Summary. A generalized analytical formula has been derived that allows predicting maximum dust concentrations in the town of Apatity depending on the discrete locations of dust sources at the tailing dump and the speed of wind flow.
Key words: tailing dump; wind speed; dust source area; discreteness; air pollution; numerical simulation.
Acknowledgements. The research has been supported by RFBR grant 19-05-50065 Microcosm “Comprehensive assessment of the impact of microparticles in emissions from the mining and metallurgical enterprises of the Murmansk region on ecosystems and the health status of population in the Arctic”.
Introduction. Simulation of dust behavior is a relatively new direction in scientific research but rather relevant and much in demand worldwide. Currently, within the UN, particularly as part of WMO program called “Sand and Dust Storm Warning Advisory and Assessment System” (SDS-WAS) [1, 2], the indicated direction is being actively developed to predict dust storms. The object of this research is the tailing dump ANOF-2 (the town of Apatity, Murmansk region) with causes certain troubles to the citizens in the summer with ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 81 strong winds from the northwest. In earlier research, based on the experience analysis and the application of formalized description of the dusting processes [3–12], the researchers of FRC KSC RAS answered some essential questions [13, 14]. In particular, the impact has been shown which is made by the height of the tailing storage dust source surface on the level of surface air dust pollution down the wind fl ow under wind speed variation [13]; the eff ect has been demonstrated which is exerted by the location of the tailing dump dust sources with similar surface area under the wind of gale force on the town’s air pollution [14]. The present research is based on the numerical simulation being a follow-up study of the authors’ investigation on air pollution assessment with the account of discretely located dust source areas of the tailing dump. Both wind fl ow speed variation and dust source area variation are taken into account. Problem formulation. By the example of the tailing dump nearest to the town of Apatity, the research aims to assess the level of air pollution in the town depending on the incoming wind fl ow speed and the dust source area under discrete arrangement of dust source areas (fi g. 1).
Wind direction
Tailings storage facility
Fig. 1. Location diagram of the dust source areas 1–5 on the tailing dump site Рис. 1. Схематичное расположение на территории хвостохранилища участков 1–5 пылящей поверхности
Computer model developed by the authors and presented in works [13, 14] is used as a base model. Input fi le required to create the geometry of the simulated area in COMSOL [15] is prepared with Google Earth maps of the ANOF-2 tailing dump of the town of Apatity (15 000 х 7000 m), 500–700 m grid. The surface of lake Imandra is a benchmark elevation (126 m, model’s foundation). Beyond the dust source itself and Apatity town, the foothills of the Khibiny and some uplands are taken into account in the simulation model. The model of the tailings storage dust source surface represents an ellipse with the clipped water surface in the shape of a rectangular. The town boundary along the wind fl ow is 12 000–15 000 m, and 3000–6000 m in the transverse direction. The model’s geometry corresponds to the design height of the tailing dump (200 m). Recall that in numerical simulation the choice has to be made between the desired accuracy of calculation and the capabilities of the computer hardware. Despite good computational performance of the available ASUSK95VJ computer, even with the grid coarser than standard, the required RAM for calculation reaches almost 6 GB. Further increase in the model’s resolution lengthened computational time, which was impractical due to the uncertainties as to a series of parameters of the model. Variation parameters accepted in the calculation are the following: – wind fl ow speed – 5, 11, 17 and 23 m/s at the height of +10 m from the model’s foundation; 82 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
05 04 03 03 05 04 03 03 05 04 03 03 05 04 03 03 05 04 03 03 ------
E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E ∑ .2036 .4794 .2725 .9148 .1952 .4596 .2623 .8805 .1803 .4247 .2429 .8156 .2052 .4830 .2736 .9186 .1589 .3744 .2148 .7215
06 05 04 03 06 05 04 03 06 05 04 03 06 05 04 03 06 05 04 03 ------E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E VII .3278 .7718 .4388 .1473 .3142 .7400 .4222 .1418 .2903 .6838 .3911 .1313 .3304 .7776 .4406 .1479 .2558 .6028 .3459 .1162
06 05 04 03 06 05 04 03 06 05 04 03 06 05 04 03 06 05 04 03 ------E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E VI
.3849 .9061 .5151 .1729 .3688 .8687 .4957 .1664 .3408 .8028 .4591 .1541 .3878 .9129 .5172 .1736 .3003 .7076 .4060 .1364
s) · 06 04 04 03 06 05 04 03 06 05 04 03 06 04 04 03 06 05 04 03
------2 E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E V kg /(m , .4256 .1002 .5696 .1912 .4079 .9606 .5481 .1840 .3769 .8877 .5077 .1705 .4288 .1009 .5719 .1920 .3321 .7825 .4490 .1508
06 05 04 03 06 05 04 03 06 05 04 03 06 05 04 03 06 05 04 03 ------
E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E IV
1 2 3 4 5
.3950 .9300 .5287 .1775 .3786 .8916 .5088 .1708 .3498 .8240 .4712 .1582 .3981 .9370 .5309 .1782 .3083 .7263 .4168 .1400 Vertical fluxmass Area Area Area Area Area
06 05 04 03 06 05 04 03 06 05 04 03 06 05 04 03 06 05 04 03 ------
E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E III .2892 .6807 .3870 .1299 .2771 .6526 .3724 .1250 .2561 .6031 .3449 .1158 .2914 .6859 .3886 .1304 .2256 .5316 .3050 .1024
06 05 04 04 06 05 04 04 06 05 04 04 06 05 04 04 06 05 04 04 ------
E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E II суммарные величины вертикального массыпотока суммарные величины .1690 .3979 .2262 .7593 .1620 .3815 .2177 .7308 .1497 .3525 .2016 .6769 .1703 .4009 .2271 .7624 .1319 .3107 .1783 .5988
07 05 05 04 07 05 05 04 07 06 05 04 07 05 05 04 07 06 05 04 ------E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E I I .4480 .1055 .5995 .2013 .4293 .1011 .5770 .1937 .3967 .9344 .5344 .1794 .4514 .1063 .6020 .2021 .3496 .8236 .4726 .1587 Расчетные для каждого участка пыления значения динамической участка пыления Расчетные для каждого поинтервальные скорости, и 1.
Table 1. Predicted values of the dynamic velocity, interval and total values of the vertical mass flux mass vertical the total values of and interval velocity, dynamic the values of Predicted Table 1.
+00 +01 +01 +01 +00 +01 +01 +01 +00 +01 +01 +01 +00 +01 +01 +01 +00 +01 +01 +01 E E E E m/s E E E E E E E E E E E E E E E E , * U Таблица .5148 .1134 .1751 .2370 .5093 .1122 .1734 .2347 .4994 .1100 .1701 .2303 .5157 .1136 .1753 .2372 .4838 .1066 .1650 .2233
, 10 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 m/s U 11.0 17.0 23.0 11.0 17.0 23.0 11.0 17.0 23.0 11.0 17.0 23.0 11.0 17.0 23.0
2 “Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal”. No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 and the application of formalized description of the dusting processes [3–12], the researchers of FRC KSC RAS answered some essential questions [13, 14]. In particular, the impact has been shown which is made by the height of the tailing storage dust source surface on the level of surface air dust pollution down the wind flow under wind speed variation [13]; the effect has been demonstrated which is exerted by the location of the tailing dump dust sources with similar surface area under the wind of gale force on the town’s air pollution [14]. ISSNThe 0536-1028 present research is based on the «Известия numerical вузов. simulation Горный журнал»,being a follow№ 5, 2020-up study83 of the authors’ investigation on air pollution assessment with the account of discretely located– dust dust source source area ar eas– 2 ofha the(area tailing 1), 4 dumpha (areas. Both 1–2), wind 6 ha flow (areas speed 1–3), variation 8 ha (areas and 1–4)dust sourceand 10 area ha (areas variation 1–5) are (fig. taken 1). into account. Problem formulation. By the example of the tailing dump nearest to the town of Apatity,Research the research methodology. aims to assessResearch the methodologylevel of air pollution is similar in theto thetown previously depending used on theone incoming [13, 14, 16].wind flow speed and the dust source area under discrete arrangement of dustFor source the areasindicated (fig. values1). of wind speed, stationary aerodynamic parameters of the modelComputer are calculated model developed (velocity fields,by the authorscoefficient and presented of turbulent in worksviscosity). [13, 14A ] modelis used of air asdynamics a base model.of flow Input over filethe heterogeneousrequired to create surface the geometrywithin the limitsof the ofsimulated approximation area in of COMSOLincompressible [15] is flow prepared complemented with Google Earth by maps a standard of the ANOF (k–ε)-model-2 tailing dump of turbulence.of theCalculation town of Apatity is made (15 before 000 the× 7000 steady-state m), 500 mode.–700 m grid. The surface of lake Imandra is a benchmark elevation (126 m, model’s foundation). Beyond the dust source itself and Apatity4,5E-074.5Е town,-07 the foothills of the Khibiny and some uplands are taken into account in the simulation Smodel. = 10 ha The model of the tailings storage dust source surface represents an4,0E-074.0Е ellipse-07 with the clipped water surface in the shape of a rectangular. The town boundary3,5E-073.5Е- 07along the wind flow is 12 000–15 000 m, and 3000–6000 m in the transverse3 direction. The Smodel’s = 8 ha geometry corresponds to the design height of the /m
tailing dumpkg 3,0E-073.0Е (200-07 m). Recall that, in numerical simulation the choice has to be made between the desired accuracy of 2,5E-072.5Еcalculation-07 andS = 6the ha capabilities of the computer hardware. Despite good computational2,0E-072.0Е -performance07 of the available ASUSK95VJ computer, even with the grid coarser than standard,S = the4 ha required RAM for calculation reaches almost 6 GB. Further increase1,5E-071.5Е-07 in the model’s resolution lengthened computational time, which was impractical concentration Dust due to the uncertainties as to a series of parameters of the model. 1.0Е1,0E-07-07 Variation parameters acceptedS = 2 ha in the calculation are the following: – wind flow5.0Е5,0E-08- 08speed – 5, 11, 17 and 23 m/s at the height of +10 m from the model’s foundation; – dust source 0,0E+00 0area – 2 ha (area 1), 4 ha (areas 1–2), 6 ha (areas 1–3), 8 ha (areas 1– 4) and 10 ha (areas3000 1–5) (fig. 3500 1). 4000 4500 5000 5500 6000 Research methodology. Research methodologyDistance along the yis axis, similar m to the previously used one [13, 14, 16]. Fig. 2. Spatial distribution of the total dust concentration in the transverse direction to the For the indicatedwind flow values at different of wind dust sourcespeed, surface stationary area values aerodynamic (wind speed parameters17 m/s) of the model are calculatedРис. 2. Пространственное (velocity fields распределение, coefficient суммарнойof turbulent концентрации viscosity). пылиA model в of air dynamics поперечномof flow over к направлениюthe heterogeneous ветрового surface потока within измерении the приlimits вариации of approximation площади of incompressible flowпылящей complemented поверхности (скоростьby a standard ветрового (kпотока–ε)-model 17 м/с) of turbulence. Calculation is made before the steady-state mode. TheThe values values of of the the longitudinal longitudinal component component ofof windwind speedspeed atat thethe heightheight ofof +10+10 mm U10 overover each each dust dust sourcesource areaarea andand thethe valuevalue ofof thethe coefficientcoefficient of ofturbulent turbulent viscosity viscosity and and turbulentturbulent diffusion diffusion for for the the simulated simulated a rea.area. ForFor each each dust dust sourcesource areaarea thethe valuesvalues ofof dynamic velocity U* areare calculated,calculated, andand the valuesvalues of of thethe verticalvertical flux ofof massmass areare calculated forfor eacheach interval interval (7 (7 with its its weight)weight) of ofdust dust particle particle size size [16] [16] with with the the use use of of D.D. L.L. WestphalWestphal etet al.al. approachapproach [8, 16]. As an illustrationillustration of of estimates, estimates, table table 1 1 presentspresents thethe predictedpredicted values,values, intervalinterval andand totaltotal valuesvalues ofof the the vertical vertical mass mass flux flux for for each each dust dust source source area. area. Static interval fields of dust distribution are calculated in the simulated area under the Staticindicate intervald variations fields ofof modeldust distribution parameters. are Tocalculated determine in the spatial simulated distribution area under of pollution,the indicated the diffusion variations-convective of model transport parameters. equation To determineis used. spatial distribution of pollution, the diffusion-convective transport equation is used. Granulometric composition of final tailings from the surface of the established beach of the tailing dump ANOF-2 is represented in accordance with the data from the dissertation by A. V. Strizhenok [17]. Data processing made it possible to obtain quantitative indicators for the “weight” of each simulated interval of dust particles size. In table 2, for dust with the size interval up to 70 µm in diameter with 10 µm pitch, the values of interval “weight” and deposition rates for different-sized dust are presented calculated with Stokes approximation used in diffusion-convective transport. Due to the analysis grid variation caused by discrete dusting areas set (fig. 1), damping parameters in approximation of convective terms have been selected to ensure 84 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 the stability of calculation in a wide range of velocities set at the inflow boundary of the model. In particular, calculation stability at the whole wind flow speed range at the height of 10 m U10 from the foundation of the model (5–23 m/s) was ensured by: problem-solving software (Direct UMFPACK) and the coefficients of damping (Crosswind diffusion) for the equation of conservation of momentum and Turbulence isotropic for (k–ε)-model equations at level 0.7. Output analysis of numerical experiments. Before analyzing the spatial distribution of dust concentration it is instructive to compare the values of dynamic velocity for the dust source areas (table 1). It is apparent that the dynamic velocity is maximum for area 4 and minimum for area 5. In a row of areas 1–2–3 the value of dynamic velocity reduces gradually. The values of vertical mass fluxes are in the same ratio. A possible reason for various values of the indicated calculated parameters for the spaced dust source areas may be the inhomogeneity of the velocity field for this region connected with the presence of an upland in the model northward of the tailing dump; the upland is the Khibiny foothill.
1,2E-061.2Е-06 y = 1.080E-07x + 2.550E-08
3 R² = 9.986E-01
/m 1.0Е1,0E-06-06 kg , 8.0Е8,0E-07-07
6.0Е6,0E-07-07 23 m/s y = 4.243E-08x + 1.536E-08 R² = 9.958E-01 4.0Е4,0E-07-07 TLV
2.0Е2,0E-07-07 17 m/s y = 1.158E-08x + 2.280E-09 Maximum dust dust concentration Maximum R² = 9.985E-01 11 m/s 0,0E+00 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Dust source area, ha
Fig. 3.Fig. Dependency 3. Dependency of of the the maximum dust dust concentration concentration on the on dust the source dust area source at area atdifferent different wind wind flow flow speeds speeds Рис. Рис. 3. 3. Зависимость Зависимость максимальной максимальной концентрации концентрации пыли пыли от площади от площади пыления при пыления привариации вариации скорости скорости ветрового ветрового потока потока
Some results of numerical experiments on predicting the spatial distribution of dust concentration are presented at fig. 2–4. For example, at fig. 2 for 17 m/s wind the curves of spatial dust distribution in the dimension transverse to the wind flow direction are shown. Taking into account that for the inorganic dust containing silica in the interval of 20–70%, as maximum one-time concentration [18] the value of 0.3 mg/m3 or 3 · 10–7 kg/m3 is established, the following conclusions can be made: it is the area of the Starye Apatity that is subject to maximum pollution; with dust source area more than 6 ha the threshold limit value (TLV) excess is predicted. The indicated excess with the dust source area more than 8 ha threatens not only the Starye Apatity but a half of the town. Fig. 3 presents the ratios of maximum dust concentration and dust source area under wind flow speed variation from 11 m/s to 23 m/s. It is apparent that calculated dependences with high certainty factor are described by the linear functions; it makes it possible to predict the critical dust source area, at which the level of air pollution reaches the TLV. In particular, with 23 m/s wind it is necessary to reduce the dust ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 85 source area down to about 2.5 ha, with 17 m/s wind – down to 6.8 ha, and with 11 m/s wind – 25 ha can be “allowed”. Fig. 4 presents the dependency of the maximum dust concentration on the dust source surface area for the wind flow speed of 5 m/s. Individual presentation of the indicated wind speed results is connected only with the visualization of results due to small values of pollution concentration. It is apparent that in this case the linear dependence works as well, which makes it possible to reach the critical dust source area of about 260 ha.
4.0Е4,0E-07-07 3 TLV /m
kg 3.0Е3,0E-07-07 ,
2.0Е2,0E-07-07
1.0Е1,0E-07-07
Maximum dust dust concentration Maximum y = 1.1485E-09x + 2.9100E-10 R² = 9.9830E-01
0,0E+00 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Dust source area, ha
Fig. 4. Dependency of the maximum dust concentration on the dust source area at a wind flow speed of 5 m/s Рис. 4. Зависимость максимальной концентрации пыли от площади пыления при скорости ветрового потока 5 м/с
The analysis of the summarized expression of the obtained estimates in the form of maximum dust concentration dependence under both simulation parameters variation (dust source area and wind flow speed) has shown that: – there is the linear dependence between the required function and the dust source area; – dependence on the wind flow speed is closer to the power-law function. The analysis of dependences between maximum dust concentration and wind flow speed under fixed values of the dust source area testifies that with the certainty factor close to 1 the function under consideration is described by the power-law function B Cm = AV , where V is wind speed, m/s. The values of coefficientsА and В under various values of dust source area are presented in table 3. Further analysis of coefficientsА and В has shown that for the former coefficient the linear dependence А = 10–12(9.510S + 1.932) is valid, where S is the dust source area, ha; for the latter coefficient mean В = 2.975 may be used (maximum deviation of coefficient В from its mean value does not exceed 0.15%). The generalized function of two variables which makes it possible to roughly predict the level of maximum dust –12 2,975 concentration in the atmosphere becomes Сm =10 (9.510S + 1.932)V . The given expression correctness has been checked within the range to values indicated in “Problem formulation”. Moreover, it appears that it could be extrapolated to large dust source areas as well. As far the wind flow speed is concerned, it can be said that its range is sufficient. 86 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
So, the information presented in this article can be considered as the statement of the methodological approach to Apatity’s air pollution level estimate under the conditions ANOF-2 tailings storage dusting. The approach allows for the significance of two parameters (dust source area and wind speed) which have the main impact on the air pollution level down the wind flow.
Table 2. Interval weight and deposition rate as a function of dust particle size Таблица 2. Значения «веса» интервала и скорости оседания в зависимости от диаметра частиц пыли
Mean diameter (interval Interval “weight” Deposition rate, m/s range), µm 5 (0–10) 0.022 0.00195 15 (10–20) 0.083 0.0175 25 (20–30) 0.142 0.0487 35 (30–40) 0.194 0.0955 45 (40–50) 0.209 0.1580 55 (50–60) 0.189 0.2360 65 (60–70) 0.161 0.3290
Summary. Based on the developed computer models (3D), the process of Apatity’s air pollution has been studied under the conditions of ANOF-2 tailings storage dusting (maximum planned height). Apart from wind flow speed variation from 5 to 23 m/s, the investigation took into account the dust source area variation from 2 to 10 ha in the area of the tailings storage closest to the town of Apatity. At dust source area variation, the approach of discrete arrangement of dust sources has been applied.
Table 3. Values of the coefficient A and B in the approximation functions of the maximum dust concentration depending on wind flow speed at a given dust source area Таблица 3. Значения коэффициентов А и В в функциях аппроксимации максимальной концентрации пыли от скорости ветрового потока при фиксированной площади пыления
Dust source area, ha Coefficient А Coefficient В 2 2.086 · 10–11 2.973 4 3.985 · 10–11 2.978 6 5.853 · 10–11 2.978 8 7.967 · 10–11 2.976 10 9.605 · 10–11 2.971
To carry out the prediction estimate of the vertical mass flux, the dependence of D. L. Westphal et al. was used; it is based on the functional dependence of dynamic velocity at a particular dust source area to the fourth power. Dynamic velocity is calculated through the average velocity of the wind flow at the height of +10 m over the particular dust source area. The analysis of the predicted values of dust concentration levels (dust particle size up to 70 µm) in the simulation parameters range under consideration is evidence of the following: – the Starye Apatity area is most exposed to air pollution; ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 87
– the calculated dependences of maximum concentration of dust with high certainty factor are described by the linear functions; it makes it possible to predict the critical dust source area at which the air pollution level reaches the TLV. With 23 m/s wind flow speed it is necessary to reduce the dust source area down to about 2.5 ha, with 17 m/s wind to 6.8 ha, and with 11 m/s 25 ha may be allowed; – the dependence between the maximum concentration of dust and wind flow speed under fixed values of dust source area is approximated by a power-law function. Generalized analytical expression which makes it possible to predict maximum dust concentration has been obtained, being a function of two parameters (dust source area and wind speed) which significantly determine the level of air pollution with dust.
REFERENCES 1. WMO SDS-WAS, 2015: Nickovic S., Cuevas E., Baldasano J., Terradellas E., Nakazawa T., Baklanov A. Sand and Dust Storm Warning Advisory and Assessment System (SDS-WAS): Science and Implementation Plan 2015–2020. World Meteorological Organization, WMO WWRP 2015-5, Geneva, Switzerland, 2015. 37 p. 2. Shepherd G., Terradellas E., Baklanov A., et al. Global Assessment of Sand and Dust Storms. UNEP, WMO, UNCCD, United Nations Environment Programme, Nairobi, 2016. 139 p. 3. Marticorena B., Bergametti G. Modeling the Atmospheric Dust Cycle. Design of a Soil-Derived Dust Emission Scheme. Journal of Geophysical Research-Atmospheres. 1995; 100(D8): 16415–16430. 4. Shao Y., Raupach M. R. Effect of Saltation Bombardment on the Entrainment of Dust by Wind. Journal of Geophysical Research-Atmospheres. 1993; 98(D7): 12719–12726. 5. Shannon S. R. Modelling the atmospheric mineral dust cycle using a dynamic global vegetation model. 2009. Available from: https://www.paleo.bristol.ac.uk/~ggsrs/website/thesis/thesis.pdf [Accessed 24th March 2020]. 6. Ginoux P., Chin M., Tegen I., Prospero J. M., Holben B., Dubovil O., Lin S. J. Sources and distributions of dust aerosols simulated with the GOCART model. J. Geophys. Res. 2001; 20: 20255–20273. 7. Ginoux P., Prospero J. M., Torres O., Chin M. Long-term simulation of global dust distribution with the GOCART model: correlation with North Atlantic Oscillation. Journal of Environmental Modelling & Software. 2004; 19: 113–128. 8. Westphal D. L., Toon O. B., Carlson T. N. A Case Study of Mobilization and Transport of Saharan Dust. Journal of the Atmospheric Sciences. 1988; 45: 2145–2175. 9. Gillette D. A., Passi R. Modeling Dust Emission Caused by Wind Erosion. Journal of Geophysical Research-Atmospheres. 1988; 93(D11): 14233–14242. 10. Zender C. S., Bian H. S., Newman D. Mineral Dust Entrainment and Deposition (DEAD) model: Description and 1990s dust climatology. Journal of Geophysical Research-Atmospheres. 2003; 108 (D14). doi:10.1029/2002JD002775. 11. Semenov О. Е. Introduction to experimental meteorology and climatology of sandstorms. Almaty; 2011. (In Russ.) 12. Johnson K. C. A comparison of the NAVY Aerosol Analysis and Prediction System to in situ aerosol measurements in the continental U.S.: transport vs. Local production of soil dust aerosol. 2006. Available from: http://chem.atmos.colostate.edu/Thesis/Johnson_thesis_final.pdf [Accessed 26th January 2019]. 13. Amosov P., Baklanov A., Rigina O. Numerical modeling of dusting at tailing dumps. LAP LAMBERT Academic Publishing; 2014. (In Russ.) 14. Amosov P. V., Baklanov A. A. The effect of the dust source geometry on air pollution estimates. Gornyi informatsionno-analiticheskii biulleten (nauchno-tekhnicheskii zhurnal) = Mining Informational and Analytical Bulletin (scientific and technical journal). 2017; S23: 502–509. (In Russ.) 15. COMSOL. Available from: https://www.comsol.ru [Accessed 12th January 2014]. 16. Amosov P. V., Baklanov A. A., Masloboev V. A. Justification of the methodological approach to estimation the dust intensity at tailing dump. Vestnik Kolskogo nauchnogo tsentra RAN = Herald of the Kola Science Center of RAS. 2018; 1: 5–14. (In Russ.) 17. Strizhenok A. V. Environmental safety management of alluvial anthropogenic materials at Apatit OJSC in the process of their formation: PhD in Engineering diss. St. Petersburg; 2015. (In Russ.) 18. GN 2.16.1338-03. Maximum permissible concentrations (MPC) of pollutants in the atmospheric air in populated areas. Available from: http://ohranatruda.ru/ot_biblio/normativ/data_normativ/42/42030/ [Accessed 12th November 2016]. (In Russ.)
Received 27 April 2020
Information about authors: Pavel V. Amosov – PhD (Engineering), leading researcher, Institute of North Industrial Ecology Problems, KSC RAS. E-mail: [email protected] 88 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
Alexander A. Baklanov – DSc (Physics and Mathematics), professor, science officer, Science and Innovation Department of World Meteorological Organization. E-mail: [email protected] Dmitriy V. Makarov – DSc (Engineering), Director, Institute of North Industrial Ecology Problems, KSC RAS. E-mail: [email protected] Vladimir A. Masloboev – DSc (Engineering), Chief science officer, Institute of North Industrial Ecology Problems, KSC RAS. E-mail: [email protected]
УДК 622.4:519.67 DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-80-89 Результаты оценки загрязнения атмосферы в зависимости от скорости ветрового потока и площади пыления методом численного моделирования Амосов П. В.1, Бакланов А. А.2, Макаров Д. В.1, Маслобоев В. А.1 1 Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН, Апатиты, Россия. 2 Всемирная метеорологическая организация, Женева, Швейцария. Реферат Цель работы. Оценка методом численного моделирования уровней загрязнения атмосферы г. Апатиты в зависимости от дискретного расположения участков пыления района хвостохранилища, ближайшего к городу, и скорости ветрового потока. Методика. Компьютерное моделирование в трехмерной геометрии выполнено с помощью программы COMSOL. Для вычисления аэродинамических характеристик применялось приближение несжимаемой жидкости с привлечением стандартной модели турбулентности. Процесс распространения пылевых загрязнений промоделирован посредством численного решения конвективно-диффузионного уравнения переноса примеси с учетом скорости оседания. Численные эксперименты выполнены при вариации скорости ветрового потока от 5 до 23 м/с и дискретном представлении площади пыления от 2 до 10 га. Результаты и их анализ. Получены пространственные распределения аэродинамических характеристик модели и поинтервальные (и суммарные) распределения пылевых загрязнений. Наибольшему загрязнению подвержена атмосфера района Старых Апатитов. Проанализированы и обобщены до функциональных зависимостей уровни загрязнения атмосферы в зависимости от значений варьируемых параметров модели. Расчетные зависимости максимальной концентрации пыли от площади пыления описываются линейными функциями, что позволяет сделать прогноз критической площади пыления, при которой уровень загрязнения атмосферы достигает ПДК. Зависимость максимальной концентрации пыли от скорости ветрового потока при фиксированных значениях площади пыления может быть аппроксимирована степенной функцией. Выводы и область применения. Обобщенная функциональная зависимость позволяет прогнозировать максимальные концентрации пыли в г. Апатиты в зависимости от площади пыления дискретных участков хвостохранилища и скорости ветрового потока. Ключевые слова: хвостохранилище; скорость ветра; площадь пыления; дискретность; загрязнение атмосферы; численное моделирование. Работа поддержана грантом РФФИ 19-05-50065 Микромир «Комплексная оценка воздействия микрочастиц в выбросах горных и металлургических предприятий Мурманской области на экосистемы и состояние здоровья населения Арктики». БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. WMO SDS-WAS, 2015: Nickovic S., Cuevas E., Baldasano J., Terradellas E., Nakazawa T., Baklanov A. Sand and Dust Storm Warning Advisory and Assessment System (SDS-WAS): Science and Implementation Plan 2015–2020. World Meteorological Organization, WMO WWRP 2015-5, Geneva, Switzerland, 2015. 37 p. 2. Shepherd G., Terradellas E., Baklanov A., et al. Global Assessment of Sand and Dust Storms. UNEP, WMO, UNCCD, United Nations Environment Programme, Nairobi, 2016. 139 p. 3. Marticorena B., Bergametti G. Modeling the Atmospheric Dust Cycle.1. Design of a Soil-Derived Dust Emission Scheme // Journal of Geophysical Research-Atmospheres. 1995. Vol. 100. No. D8. Р. 16415–16430. 4. Shao Y., Raupach M. R. Effect of Saltation Bombardment on the Entrainment of Dust by Wind // Journal of Geophysical Research-Atmospheres. 1993. Vol. 98. No. D7. Р. 12719–12726. 5. Shannon S. R. Modelling the atmospheric mineral dust cycle using a dynamic global vegetation model. 2009. URL: https://www.paleo.bristol.ac.uk/~ggsrs/website/thesis/thesis.pdf (дата обращения 24.03.2020). 6. Ginoux P., Chin M., Tegen I., Prospero J. M., Holben B., Dubovil O., Lin S. J. Sources and distributions of dust aerosols simulated with the GOCART model // J. Geophys. Res. 2001. Vol. 20. Р. 20255–20273. 7. Ginoux P., Prospero J. M., Torres O., Chin M. Long-term simulation of global dust distribution with the GOCART model: correlation with North Atlantic Oscillation // Journal of Environmental Modelling & Software. 2004. No. 19. Р. 113–128. ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 89
8. Westphal D. L., Toon O. B., Carlson T. N. A Case Study of Mobilization and Transport of Saharan Dust // Journal of the Atmospheric Sciences. 1988. No. 45. Р. 2145–2175. 9. Gillette D. A., Passi R. Modeling Dust Emission Caused by Wind Erosion // Journal of Geophysical Research-Atmospheres. 1988. Vol. 93. No. D11. Р. 14233–14242. 10. Zender C. S., Bian H.S., Newman D. Mineral Dust Entrainment and Deposition (DEAD) model: Description and 1990s dust climatology // Journal of Geophysical Research-Atmospheres. 2003. Vol. 108. No. D14. DOI: 10.1029/2002JD002775. 11. Семенов О. Е. Введение в экспериментальную метеорологию и климатологию песчаных бурь. Алматы: КазНИИЭК, 2011. 580 с. 12. Johnson K. C. A comparison of the NAVY Aerosol Analysis and Prediction System to in situ aerosol measurements in the continental U.S.: transport vs. Local production of soil dust aerosol. 2006. URL: http://chem.atmos.colostate.edu/Thesis/Johnson_thesis_final.pdf (дата обращения 26.01.2019). 13. Амосов П., Бакланов А., Ригина О. Численное моделирование процессов пыления хвостохранилищ. LAP LAMBERT Academic Publishing, 2014. 109 с. 14. Амосов П. В., Бакланов А. А. Влияние геометрических параметров источника пыления на оценку загрязнения атмосферы // ГИАБ. 2017. № S23. С. 502–509. 15. COMSOL. URL:https://www.comsol.ru/ (дата обращения 12.01.2014). 16. Амосов П. В., Бакланов А. А., Маслобоев В. А. Обоснование методического подхода к оценке интенсивности пыления на хвостохранилище // Вестник Кольского научного центра РАН. 2018. № 1. С. 5–14. 17. Стриженок А. В. Управление экологической безопасностью намывных техногенных массивов ОАО «Апатит» в процессе их формирования: дис. … канд. техн. наук. С.-Петербург, 2015. 184 с. 18. ГН 2.16.1338-03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест. URL: http://ohranatruda.ru/ot_biblio/normativ/data_ normativ/42/42030/ (дата обращения: 12.11.2016).
Поступила в редакцию 27 апреля 2020 года
Сведения об авторах: Амосов Павел Васильевич – кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Института проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН. E-mail: [email protected] Бакланов Александр Анатольевич – доктор физико-математических наук, профессор, научный сотрудник отдела науки и инноваций Всемирной метеорологической организации. E-mail: [email protected] Макаров Дмитрий Викторович – доктор технических наук, директор Института проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН. E-mail: [email protected] Маслобоев Владимир Алексеевич – доктор технических наук, научный руководитель Института проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН. E-mail: [email protected]
Для цитирования: Амосов П. В., Бакланов А. А., Макаров Д. В., Маслобоев В. А. Результаты оценки загрязнения атмосферы в зависимости от скорости ветрового потока и площади пыления методом численного моделирования // Известия вузов. Горный журнал. 2020. № 5. С. 80–89 (In Eng.). DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-80-89 For citation: Amosov P. V., Baklanov A. A., Makarov D. V., Masloboev V. A. Estimating air pollution levels by numerical simulation depending on wind flow speed and dust source area. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = News of the Higher Institutions. Mining Journal. 2020; 5: 80–89. DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-80-89 90 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
УДК 549:54.055 DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-90-99
Шлаки производства хромистого чугуна Алапаевского завода (состав и геоэкология)
Ерохин Ю. В.1*, Захаров А. В.1, Леонова Л. В.1 1 Институт геологии и геохимии УрО РАН, г. Екатеринбург, Россия *e-mail: [email protected]
Реферат Актуальность работы. Уральский регион уже более 300 лет является металлургическим центром России, и здесь накопилось огромное количество отвальных шлаков. Изучение их минерального состава является актуальной задачей, так как многие шлаки представляют собой потенциальную руду, которую можно дополнительно переработать. Цель работы – изучение минерального состава шлаков Алапаевского металлургического завода, полученных при производстве хромистого чугуна. Используемые методы: химический состав минералов установлен с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM-6390LV фирмы Jeol с ЭДС приставкой INCA Energy 450 X-Max 80 фирмы Oxford Instruments (ИГГ УрО РАН, г. Екатеринбург). Для анализа использовались полированные петрографические шлифы, вырезанные из кусочков шлака. Научная новизна: изучение вещественного состава шлаков проводилось с точки зрения классической минералогии и с использованием современной обязательной номенклатуры Международной минералогической ассоциации. Результаты. Впервые изучена минералогия шлаков производства хромистого чугуна Алапаевского завода. Установлено, что они сложены периклаз-ларнитовым агрегатом со значительным содержанием геленита, Ti-аналога шуламитита и магнезиохромита, а также постоянным присутствием вюстита, шпинели, сульфидов и чугуна. Эти шлаки являются отходами производства низколегированного жаростойкого хромистого чугуна и несут геоэкологическую угрозу окружающей среде. Практическая значимость: данные шлаки можно пускать в переработку, так как они содержат легко выделяемые магнитные хромистый чугун и вюстит. Почти половина породы состоит из периклаза, который является огнеупорным сырьем, а шпинель можно использовать как абразивный материал.
Ключевые слова: ларнит; периклаз; минералогия; шлаки; Алапаевский металлургический завод.
Введение. Алапаевский металлургический завод является одним из старей- ших предприятий Среднего Урала. В 1702 г. в районе деревни Алапаихи, на одно- именной речке, по указу царя Петра I началось строительство казенного железо- делательного завода, который уже в 1704 г. выдал первую продукцию. Заводской пруд на р. Алапаихе был небольшим, и завод полноценно работал только весной, поэтому в 1825 г. его перенесли на 1 км южнее на более полноводную реку Нейва. Алапаевский завод активно развивался весь XIX век, превратившись в металлур- гического гиганта, и работал вплоть до революционных волнений 1905 г., после которых предприятие понесло крупные убытки. Вплоть до 1917 г. завод находил- ся на грани разорения и после Октябрьской революции был национализирован. В годы Гражданской войны он работал с перебоями и на постоянную произво- дительность вышел с 1925 года. Во время Великой Отечественной войны Алапа- евский завод был модернизирован за счет эвакуированных с запада страны заво- дов. В послевоенный период предприятие активно работало и в основном занималось выплавкой чугуна и ферромарганца. С развалом СССР завод стал ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 91
приходить в упадок, со временем предприятие уменьшило производство чугуна и все больше занималось ферросплавами (в основном ферромарганцем). В 1999 г. завод был преобразован в «Алапаевскую ферросплавную компанию», но с каж- дым годом выплавка ферромарганца уменьшалась, так как основные поставщики марганцевой руды находились на Украине. С 2004 г. завод возобновил производ- ство чугуна как основной продукции, но сразу вошел в бесконечную череду бан- кротств. К сожалению, в 2018 г. Алапаевский завод окончательно прекратил рабо- ту [1, 2]. За более чем 300-летнюю историю завода никаких детальных исследований по составу шлаков не проводилось. Отбор образцов шлака и методы исследования. Шлаки Алапаевского заво- да являются основным техногенным мусором в окрестностях города: практичес- ки вся западная, восточная, а также центральная части города заняты отвальными массами предприятия. Кроме того, шлаками завода отсыпаны дороги в районе самого г. Алапаевска, а также окружающих деревень и садовых территорий. Отбор проб осуществлен из отвала с западной окраины города (привязка с GPS-навигатора – N 57°85´99.3´´, Е 061°66´70.6´´), где складировали шла- ки современного производства. Пло- щадь отвала составляет около 2 км2, высота достигает 30 м. На данный мо- мент отвал охраняется и разбирается с применением техники. Были собраны и изучены образцы шлака темно-корич- невого цвета, тонкозернистые, с содер- жанием пор до 20 % и шариками белого металла. Рис.Рис. 1.1. Периклаз I генерации ((PerI),PerI), периклазпериклаз Химический состав породообразую- IIII генерации генерации (PerII)(PerII) ии ларнит ларнит ( (Lrn)Lrn) в вшлаке. шлаке. щих и рудных минералов определен с BSE-BSE-изображение,изображение, СЭМ JSM-JSM-6390LV6390LV Fig.Fig . 1. Periclase Periclase I Igeneration generation (PerI), (PerI), periclase periclase II помощью сканирующего электронного IIgeneration generation (PerII) (PerII) and andlarnite larnite (Lrn) (Lrn) in slag in. BSE- slag. микроскопа JSM-6390LV фирмы Jeol с BSE-image,image, СЭМ СЭМ JSM JSM-6390LV-6390LV энергодисперсионной приставкой INCA Energy 450 X-Max 80 фирмы Oxford Instruments (ИГГ УрО РАН, г. Екатеринбург, аналитик Л. В. Леонова). Для анализа использовались полированные петрогра- фические шлифы, вырезанные из кусочков шлаков. Полученные результаты и их обсуждение. В результате исследований выявле- но, что отобранные шлаки сложены периклаз-ларнитовым агрегатом со значитель- ным содержанием геленита, магнезиохромита и Ti-аналога шуламитита, а также постоянным присутствием вюстита, шпинели, сульфидов и шариков чугуна. Ларнит (Ca2[SiO4]) является одним из главных породообразующих минералов шлака, и его объемная доля составляет около 40 % породы (рис. 1, 2). Он слагает сплошной агрегат изометричных индивидов с размером отдельных кристаллов до 100 мкм. Минерал имеет устойчивый химический состав и уверенно опреде- ляется как ларнит (табл. 1, ан. 1–5). В природных условиях ларнит достаточно широко распространен и является главным минералом высокотемпературного метаморфизма известняков. К примеру, он установлен в контактово-измененных мраморах вокруг даек андезитов в Новой Зеландии [3], а также в пирометамор- фической формации Хатрурим (Израиль) [4]. В техногенных условиях ларнит – вполне обычный минерал, используется при производстве цемента, известен как белит или двухкальциевый силикат (C2S). Он устойчив в широких пределах тем- ператур от 150 °С до 2100 °С, выше – минерал плавится [5]. Ларнит встречается 92 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
в разных шлаках [6] вплоть до ультраогнеупорных [7]. Геленит (Ca2Al(AlSi)O7) является второстепенным минералом в шлаке, его объемная доля – до 5 % породы (рис. 2). Он слагает пучки призматических инди- видов, размером до 100 мкм по удлинению, по периферии зерен ларнита и в ассо- циации с вюститом и шпинелью. Минерал имеет устойчивый состав (табл. 1, ан. 6–10) и содержит Al2O3 (массовая доля 44–48 %), SiO2 (6–8 %) и CaO (39–41,5 %). Из природных минералов с таким химическим составом ближе всего подходит геленит, минерал из группы мелилита. Он отличается по химическому составу от эталонного геленита (Al2O3 – 37,2 %, SiO2 – 21,9 %, CaO – 40,9 %), но при этом хорошо сопоставляется со своими аналогами из металлургических шлаков же- лезного и сталелитейного производства [8]. Интересно, что в периклазовом шла- ке Верхне-Синячихинского завода тоже отмечается низкокремнеземистый геле- нит [9]. В природе он встречается в известковистых скарнах [10], в парабазальтах [11], а также в метеоритах – углистых хондритах [12]. Периклаз (MgO) является главным минералом шлака, его объемная доля достигает 40 %. Визуально минерал имеет коричневый цвет, обладает силь- ным блеском и имеет хорошо проявлен- ную спайность. Слагает две генерации, первая представлена крупными, до 100–150 мкм, изометричными кристал- лами с обильной вкрапленностью хромшпинелида (рис. 1, 3), а вторая ге- нерация, как более поздняя, образует мелкие индивиды, размером до 10–30 мкм, Рис.Рис. 2. Геленит ((Gh),Gh), вюститвюстит ((Wus),Wus), шпинель шпинель без включений. Химический состав (Spl),(Spl), TiTi-шуламитит-шуламитит ((CaTi)CaTi) вв агрегатеагрегате ларниталарнита обеих генераций относится к желези- ((Lrn).Lrn). BSE-BSE-изображение,изображение, СЭМСЭМ JSM-JSM-6390LV6390LV сто-марганцовистому периклазу (табл. 2, Fig.Fig .2. 2. GehleniteGehlenite (Gh), wustite wustite (Wus), (Wus), spinelle spinelle (Spl),(Spl), Ti-shulamitite Ti-shulamitite (CaTi)(CaTi) in in larnite larnite (Lrn) (Lrn) ан. 1–8), при этом вторая генерация aggregateaggregate.. BSE-BSE-image,image, SEMSEM JSM-JSM-6390LV6390LV более железистая и марганцовистая. Это наглядно демонстрируют кристал-
лохимические формулы: (Mg0,77Fe0,15Mn0,07Cr0,01)1,00O (для ан. 4) и (Mg0,53Fe0,32Mn0,13Cr0,01Ca0,01)1,00O (для ан. 8). Периклаз является типичным мине- ралом многих металлургических магнезиальных шлаков. Так, железистый пери- клаз описывался в шлаках, получающихся при переработке чугуна в сталь [6], и был установлен в горелых отвалах Челябинского угольного бассейна [13]. В природных условиях периклаз встречается при высокотемпературном контак- товом метаморфизме вокруг гранитных тел на острове Скай в Шотландии [14]. Упоминался в карбонатитах Уганды в Африке [15] и обнаружен в виде включений в углистом хондрите «Acfer 094» [16]. Вюстит (FeO) является второстепенным минералом в шлаке, его объемная доля составляет до 5 % породы (рис. 2, 4). Размер индивидов достигает 50 мкм и они имеют изометричный или пластинчатый облик. Находится в срастании с ге- ленитом, а также в виде включений и оторочек вокруг шариков чугуна. По соста- ву минерал в срастании с геленитом определяется как магнезиально-марганцови- стый вюстит (табл. 2, ан. 9–11). Вариации примесей наглядно видны по
кристаллохимическим формулам: (Fe0,46Mn0,27Mg0,25Ca0,02)1,00O (для ан. 9) и (Fe0,36Mg0,34Mn0,26Ca0,03Si0,01)1,00O (для ан. 11). При этом в оторочке шариков чугу- на вюстит практически не содержит примесей (табл. 2, ан. 12). Вюстит является ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 93
редким природным минералом, хотя и предполагается как главный компонент нижней мантии Земли. Он широко встречается в шлаках древних и современных железоделательных производств [17], авторами он обнаружен в шлаках Мариин- ского передельного и Карабашского медеплавильного заводов [18, 19].
Таблица 1. Химический состав ларнита и геленита, массовая доля, % Table 1. Chemical composition of larnite and gehlenite, mass fraction, %
№ P2O5 SiO2 TiO2 Al2O3 Cr2O3 FeO MnO MgO CaO Сумма Ларнит 1 – 34,36 – 0,50 – – – – 65,14 100 2 – 35,07 – – – – – – 64,93 100 3 – 34,18 0,29 – – – – – 65,53 100 4 1,90 32,67 – 0,67 – – – – 64,77 100 5 – 33,99 0,39 0,42 0,37 – – – 64,82 100 Геленит 6 – 7,83 0,40 44,45 – 2,79 1,38 1,68 41,47 100 7 – 7,78 0,36 46,81 – 2,49 1,16 2,04 39,36 100 8 – 7,41 1,11 45,60 – 2,44 1,11 1,74 40,59 100 9 – 6,82 0,46 47,28 – 2,39 1,20 1,93 39,91 100 10 – 6,14 0,27 47,74 – 2,75 1,26 1,85 39,98 100
Хромшпинелид, как акцессорный минерал, слагает обильную вкрапленность в индивидах периклаза I генерации (рис. 1), где образует идиоморфные кристал- лы размером до 2–3 мкм и отмечается в виде крупных ксеноморфных зерен (рис. 3) размером до 200 мкм. Интерес- но, что крупные зерна хромшпинелида корродированы каплевидным агрега- том периклаза, и вероятно, они исполь- зовались как руда. Минерал отличается гетерогенностью химического состава, но по результатам пересчета относится к магнезиохромиту (см. табл. 3, ан. 1–8). Так, идиоморфные кристаллы имеют следующую кристаллохимическую
формулу – (Mg0,54Fe0,28Mn0,17Ca0,01)1,00 (Cr1,55Al0,44Fe0,01)2,00O4 (для ан. 4), а ксе- номорфные зерна – (Mg0,98Fe0,02)1,00 Рис.Рис. 3.3. Магнезиохромит ( (Crsp)Crsp) с соторочкой оторочкой (Cr Al Fe ) O (для ан. 5). В це- периклазапериклаза II генерацииII генерации (PerII) (PerII в) в ларнит-пери ларнит- - 1,55 0,34 0,11 2.00 4 клазовомпериклазовом агрегате. агрегате. BSE-изображение, BSE-изображение СЭМ, лом, магнезиохромит является типич- СЭМJSM-6390LV JSM-6390LV ным минералом ультраосновных пород Fig.Fig .3. 3. Magnesiochromite Magnesiochromite (Crsp) (Crsp) with with oil oil fringe fringe of и часто слагает рудные тела в них. При periclaseof periclase II генерации II генерации (PerII) (PerII) in larnite-periclase in larnite- periclaseaggregate. aggregate BSE-image,. BSE- SEMimage JSM-6390LV, SEM JSM- этом в шлаках уральских заводов обыч- 6390LV но отмечается хромит, который был найден в фаялитовых шлаках Мариинского передельного завода [18] и в авгитовых шлаках Режевского никелевого завода [20]. Шпинель (MgAl2O4) является второстепенным минералом в шлаке с объем- ной долей до 5 %. Она образует изометричные зерна до 50 мкм в ассоциации с геленитом, вюститом и другими минералами, а также слагает оторочку вокруг реликтовых обломков магнезиохромита. В режиме обратно-рассеянных электро- нов (BSE) шпинель выглядит самым темным из окружающих минералов (рис. 2). 94 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
Химический состав шпинели в шлаке неоднороден, в оторочках вокруг хромшпи- нелида она предельно хромистая (табл. 3, ан. 9–10), а в целом в породе содержит небольшое количество примесей (табл. 3, ан. 11–12). В природе шпинель встре- чается достаточно часто, в основном в связи с магнезиальными скарнами, как акцессорный минерал в магнезитовых и доломитовых мраморах [21], а также в углистых хондритах [22]. В техногенных условиях шпинель установлена в горе- лых отвалах Челябинского угольного бассейна [13].
Таблица 2. Химический состав периклаза и вюстита, массовая доля, % Table 2. Chemical composition of periclase ans wustite, mass fraction, %
№ SiO2 V2O3 Cr2O3 FeO MnO MgO CaO Сумма Периклаз I генерации 1 – – 1,95 23,87 11,97 61,88 0,33 100 2 – – 6,00 20,62 10,01 63,02 0,36 100 3 – – 2,49 21,92 10,41 64,80 0,38 100 4 – – 2,04 22,01 10,41 65,11 0,43 100 Периклаз II генерации 5 – 0,18 1,40 27,27 14,51 55,61 1,03 100 6 – – 1,49 29,08 15,05 53,75 0,63 100 7 – 0,21 0,90 34,09 19,31 44,59 0,90 100 8 – 0,29 0,80 42,79 16,61 38,88 0,63 100 Вюстит 9 0,33 – – 51,72 29,96 16,00 1,99 100 10 0,35 – – 44,62 31,89 21,32 1,82 100 11 0,64 – 0,26 42,72 30,42 22,89 3,08 100 12 0,30 – 0,15 93,40 2,39 3,35 0,40 100
Кротит (CaAl2O4) является акцессорным минералом в шлаке. Он образует единичные вытянутые зерна до 30–40 мкм в ассоциации с геленитом, вюститом, шпинелью и другими минералами. Имеет следующий химический состав: Al2O3 – 60,36 %, SiO2 – 5,49 %, CaO – 30,23 %, FeO – 2,51 %, MnO – 1,41 % (массовая доля), что вполне соответствует кротиту. В природе он обнаружен в углистых хондритах в CAIs-обособлениях в ассоциации с геленитом, шпинелью, перовскитом и другими минералами [23]. В техногенных условиях он давно из- вестен как моноалюминат кальция, который входит в состав жаропрочных глино- земистых бетонов, а также некоторых шлаков [24]. Ti-аналог шуламитита (Ca4Ti2Al2O11), как акцессорный минерал, обнаружен в ассоциации с геленитом и вюститом (рис. 2). Он слагает единичные слабо вы- тянутые и изометричные зерна размером до 50 мкм. Химический состав минера- ла следующий: TiO2 – 34,07 %, SiO2 – 4,42 %, V2O3 – 3,71 %, Cr2O3 – 0,23 %, Al2O3 – 10,20 %, Fe2O3 – 3,08 %, CaO – 43,69 %, MnO – 0,62 % (массовая доля). Такое соотношение компонентов позволяет отнести его к группе перовскита, к недавно открытой серии минералов шуламитита – шарыгинита [25, 26]. Кристаллохимический пересчет в расчете на формулы этих минералов –
(Ca2,96Mn0,03)2,99(Ti1,62V0,19Fe0,15Cr0,01)1,97(Al0,76Si0,28)1,04O8. Преобладание титана позволяет выделять в этой группе новый минеральный вид – Ti-аналог шулами- тита. Но в этом виде формула становится нестехиометричной и, вероятнее всего, она должна выглядеть следующим образом – Ca4Ti2Al2O11. В целом, минералы ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 95
этой серии встречаются как в природных системах, так и в техногенных образо- ваниях, например в горелых отвалах Челябинского и Донецкого угольных бассей- нов [27]. Металл (хромистый чугун) слагает в шлаках мелкие шарики или частично округлые выделения размером до 1–2 мм. Его содержание в породе не более 1–2 % (объемная доля). Шарики металла содержат большое количество округлых различных сульфидов, а по краям развивается тонкая оторочка вюстита (рис. 4). Чугун постоянно содержит около 0,3–0,4 % (массовая доля) хрома, редко до 0,6 %, а также 3,0–3,6 % углерода. Местами отмечаются примеси Si (до 1,6 %), Cu (до 0,9 %) и Ni (до 0,5 %). Сульфиды. В матрице металла присутствует большое количество мелких и округлых включений размером не более 10–15 мкм. В основном они сложены троилитом (FeS) с разным содержанием марганца, от практически чистого трои- лита (S – 36,73 %, Fe – 60,30 %, Mn – 2,77 %) до переходного к алабандину (S – 36,12 %, Fe – 36,63 %, Mn – 27,31 %). Иногда в троилите наблюдаются очень мелкие включения галенита, размером до 1 мкм. Кроме того, во включениях встречается сульфид из системы Cu-Fe-S (массовая доля) – S – 29,4 %, Fe – 25,7 %, Cu – 42,1 %, Mn – 1,3 %. Природного соединения с таким соста- вом пока не обнаружено, а вот «рас- плавные твердые растворы» системы Cu1–xFe2+yS2–z в диапазоне температур от 1012 °С до 325 °С в эксперименталь- ных исследованиях описаны [28]. Установленная минеральная ассоциа- ция изученных шлаков позволяет гово- рить о том, что мы имеем дело с отхода- ми производства низколегированного Рис. Рис.4. Шарик 4. Шарик чугуна чугуна (Me) (Me с каймой) с каймой замеще - жаростойкого хромистого чугуна. ниязамещения вюстита вюстита (Wus). ( Wus BSE-изображение,). BSE-изображение, СЭМ Об этом говорит химический состав из- СЭМJSM-6390LV JSM-6390LV Fig.Fig . 4. 4. CatCat iron bead bead (Me) (Me) with with wustite wustite (Wus) (Wus) ученного металла. Низколегированный substitutionsubstitution rim. rim BSE-image,. BSE-image SEM, SEM JSM-6390LV JSM- хромистый чугун имеет повышенную 6390LV коррозионную стойкость в различных средах в условиях трения, он жаростойкий в воздушной среде до 500 °С. Его используют в холодильных плитах доменных печей, колосниках агломерационных машин, в деталях коксохимического обору- дования, газотурбинных двигателей и компрессоров, горелок, стеклоформ, вы- хлопных коллекторов дизелей и т. д. Изученные шлаки можно пускать в дополнительную переработку, так как они содержат легко извлекаемые магнитные хромистый чугун и вюстит. Кроме того, почти половина породы состоит из периклаза, который можно использовать как огнеупорное сырье, так как его температура плавления достигает 1600–1650 °С. Попутно выделенную шпинель можно использовать как абразивный материал. К сожалению, на данный момент шлаки Алапаевского завода используются как строительный материал для дорог, и в этом заключается геоэкологическая проблема города Алапаевска. Дело в том, что изученные шлаки в качестве глав- ного минерала содержат ларнит, который в окружающей водонасыщенной среде довольно быстро разрушается, и со временем шлаки начнут рассыпаться. Это приведет к тому, что вскроются практически все минералы, законсервированные в породе. Следующим этапом будет интенсивное окисление чугуна и вюстита, а также сульфидных включений в матрице чугуна. В окружающую среду начнут 96 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
попадать такие элементы, как хром, ванадий, никель, медь, сера и другие. И не- смотря на низкие содержания этих элементов в минералах, в пересчете на сотни тысяч тонн складированных шлаков это уже будут десятки тонн токсических эле- ментов, которые постепенно попадут в водоемы и далее в пищу населения.
Таблица 3. Химический состав шпинелидов из шлака Алапаевского завода, массовая доля, % Table 3. Chemical composition of spinnelides from the Alapayevsk plant, mass fraction, %
№ TiO2 V2O3 Cr2O3 Al2O3 Fe2O3 FeO MnO MgO CaO Сумма Включения магнезиохромита в периклазе I генерации 1 – 0,45 60,22 10,22 1,78 9,15 6,32 11,60 0,44 100,18 2 – 0,43 57,15 11,57 4,32 7,28 6,18 13,09 0,43 100,45 3 – 0,49 58,87 11,90 1,26 9,05 6,27 11,88 0,41 100,13 4 – 0,47 60,02 11,43 0,21 10,12 6,14 11,19 0,44 100,02 Реликтовый магнезиохромит 5 – – 63,98 9,42 4,72 0,88 – 21,31 0,17 100,47 6 0,23 – 63,18 9,52 4,92 0,10 0,76 21,41 0,19 100,31 7 0,21 – 63,56 9,16 4,60 0,38 1,80 20,47 0,29 100,47 8 – – 63,90 9,36 5,00 0,56 – 21,50 0,19 100,51 Шпинель (хромовая и обычная) 9 0,47 1,05 34,67 34,72 1,90 2,99 4,20 19,82 0,39 100,21 10 0,48 1,16 32,08 37,01 1,81 2,98 4,14 20,02 0,51 100,18 11 0,68 1,47 2,24 63,41 1,21 4,26 4,49 21,61 0,74 100,11 12 0,50 1,35 1,71 64,47 1,51 3,38 4,19 22,56 0,48 100,15
Выводы. Таким образом, впервые изучена минералогия шлаков производства низколегированного хромистого чугуна Алапаевского металлургического завода. Установлено, что они сложены периклаз-ларнитовым агрегатом со значительным содержанием геленита, магнезиохромита и Ti-аналога шуламитита, а также по- стоянным присутствием вюстита, шпинели, сульфидов и шариков чугуна. Дан- ные шлаки являются отходами производства низколегированного жаростойкого хромистого чугуна и их можно пускать во вторичную переработку. При этом сами шлаки несут геоэкологическую угрозу для окружающей среды.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Займогов А. И. Синячихинские железоделательные заводы. Екатеринбург: Грачев и Партнеры, 2011. 118 с. 2. Металлургические заводы Урала XVII–XX вв. Энциклопедия / под ред. В. В. Алексеева. Екатеринбург: Академкнига, 2001. 536 с. 3. Mason B. Larnite, scawtite, and hydrogrossular from Tokatoka, New Zealand // Amer. Mineral., 1957. Vol. 42. P. 379–392. 4. Sokol E. V., Kokh S. N., Vapnik Y., Thiery V., Korzhova S. A. Natural analogs of belite sulfoaluminate cement clinkers from Negev Desert, Israel // Amer. Mineral. 2014. Vol. 99. No. 7. P. 1471–1487. 5. Волженский А. В., Буров Ю. С., Колокольников В. С. Минеральные вяжущие вещества. М.: Стройиздат, 1979. 476 с. 6. Бабенко А. А., Кривых Л. Ю., Мухранов Н. В., Левчук В. В., Ремиго С. А., Савельев М. В. Фазовый состав конвертерных магнезиальных шлаков и технологические приемы повышения износоустойчивости формируемого на футеровке гарнисажа // Известия вузов. Черная металлургия. 2012. № 2. С. 2–6. 7. Martinez-Frias J., Benito R., Wilson G., Delgado A., Boyd T., Marti K. Analysis and chemical composition of larnite-rich ultrarefractory materials // Jour. Mater. Proces. Techn. 2004. Vol. 147. P. 204–210. 8. Пономарев В. С., Ерохин Ю. В., Михеева А. В. Геленитовый шлак с восточного борта Меднорудянского месторождения // Минералогия техногенеза – 2018. Миасс: ИМин УрО РАН, 2018. С. 81–94. 9. Ерохин Ю. В., Захаров А. В. Периклазовый шлак из Верхне-Синячихинского металлургического завода // Минералогия техногенеза – 2015. Миасс: ИМин УрО РАН, 2015. С. 69–79. ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 97
10. Marincea S., Dumitras D.-G., Ghinet C., Fransolet A.-M., Hatert F., Rondeaux M. Gehlenite from three occurrences of high-temperature skarns, Romania: new mineralogical data // Canad. Mineral. 2011. Vol. 49. No. 4. P. 1001–1014. 11. Seryothin Yu. V., Sokol E. V., Kokh S. N. Natural pseudowollastonite: crystal structure, associated minerals and geological context // Lithos. 2012. Vol. 134. P. 75–90. 12. Иванова М. А. Ca,Al-включения в углистых хондритах – самые древние образования Солнечной системы // Геохимия. 2016. № 5. С. 409–426. 13. Чесноков Б. В., Щербакова Е. П. Минералогия горелых отвалов Челябинского угольного бассейна (опыт минералогии техногенеза). М.: Наука, 1991. 152 с. 14. Holness M. B. Metamorphism and fluid infiltration of the calc-silicate aureole of the Beinn and Dubhaich granite, Skye // Journal of Petrology. 1992. Vol. 33. No. 6. P. 1261–1293. 15. Barker D. S., Nixon P. H. High-Ca, low-alkali carbonatite volcanism at Fort Portal, Uganda // Contrib. Mineral. Petrol. 1989. Vol. 103. P. 166–177. 16. Greshake A., Bischoff A., Putnis A. Pure CaO, MgO (Periclase),2 TiO (Rutile) and Al2O3 (Corundum) in Ca,Al-rich inclusions from carbonaceous chondrites // Lun. Planet. Sci. 1996. Vol. 27. P. 463. 17. Artemyev D. A., Ankushev M. N., Blinov I. A., Kotlyarov V. A. Mineralogy and origin of slags from the 6th kurgan of the Taksay 1 Burial complex, Western Kazakhstan // Canad. Mineral. 2018. Vol. 56. No. 6. P. 883–904. 18. Козлов П. С., Ерохин Ю. В., Козлова И. В. Фаялитовые шлаки Мариинского передельного завода // Минералогия техногенеза – 2011. Миасс: ИМин УрО РАН, 2011. С. 39–50. 19. Ерохин Ю. В., Захаров А. В., Леонова Л. В. Вещественный состав шлаков Карабашского медеплавильного завода // Вестник Магнитогорского госуд. техн. университета. 2019. Т. 17. № 3. С. 12–18. 20. Ерохин Ю. В. Минералогия шлаков Режевского никелевого завода // Минералогия техногенеза – 2012. Миасс: ИМин УрО РАН, 2012. С. 50–64. 21. Chauviré B., Rondeau B., Fritsch E., Ressigeac P., Devidal J.-L. Blue spinel from the Luc Yen district of Vietnam // Gems & Gemology. 2015. Vol. 51. No. 1. P. 2–17. 22. Bjärnborg K., Schmitz B. Large spinel grains in a CM chondrite (Acfer 331): Implications for reconstructions of ancient meteorite fluxes // Meteor. Planet. Sci. 2013. Vol. 48. No. 2. P. 180–194. 23. Ma Ch., Kampf A. R., Connolly H. C., Beckett J. R., Rossman G. R., Sweeney S. A., Schrader D. L. Krotite, CaAl2O4, a new refractory mineral from the NWA1934 meteorite // Amer. Mineral. 2011. Vol. 96. No. 5–6. P. 709–715. 24. Вохменцев С. А., Ларионов А. В., Гуляева Р. И., Чумарев В. М. Фазовый состав и термические свойства шлаков внепечной выплавки лигатур АВТУ, АХМК и АЦМО // Цветные металлы. 2017. № 11. С. 60–64. 25. Sharygin V. V., Lazic B., Armbruster T. M., Murashko M. N., Wirth R., Galuskina I. O., Galuskin E. V. Vapnik Y., Britvin S. N., Logvinova A. M. Shulamitite Ca3TiFe3+AlO8 – a new perovskite-related mineral from Hatrurim basin, Israel // Europ. Jour. Mineral. 2013. Vol. 25. P. 97–111. 26. Juroszek R., Kruger H., Galuskina I., Kruger B., Jezak L., Ternes B., Wojdyla J., Krzykawski T., Pautov L., Galuskin E. Sharyginite, Ca3TiFe2O8, a new mineral from the Bellerberg Volcano, Germany // Minerals, 2018. Vol. 8. Article 308. 27. Шарыгин В. В. Минералы серии Ca3TiFeAlO8–Ca3TiFeFeO8 в природных и техногенных пирометаморфических системах // Минералогия техногенеза – 2012. Миасс: ИМин УрО РАН, 2012. С. 29–49. 28. Kosyakov V. I., Sinyakova E. F. Melt crystallization of CuFe2S3 in the Cu-Fe-S system // Jour. Therm. Analis. Calorim. 2014. Vol. 115. P. 511–516. Поступила в редакцию 27 апреля 2020 года
Сведения об авторах: Ерохин Юрий Викторович – кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник Института геологии и геохимии УрО РАН. Е-mail: [email protected] Захаров Анатолий Владимирович – научный сотрудник Института геологии и геохимии УрО РАН. Е-mail: [email protected] Леонова Любовь Владимировна – кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник Института геологии и геохимии УрО РАН. Е-mail: [email protected]
DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-90-99 Slags of chromium cast iron production from Alapaevsky plant (composition and geoecology) Iurii V. Erokhin1, Anatolii V. Zakharov1, Liubov V. Leonova1 1 Institute of Geology and Geochemistry UB RAS, Ekaterinburg, Russia. Abstract Relevance. The Ural region has been the metallurgical center of Russia for more than 300 years, and a huge amount of waste slag has accumulated here. The study of the material composition of the slag is an urgent task. Many slags are potential ores that can be further processed. 98 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
Research aims to study of the mineral composition of slag from the Alapaevsky metallurgical plant, obtained in the production of chromium cast iron. Research methodology. The chemical composition of minerals was established using a JSM-6390LV Scanning Electron Microscope from Jeol with the INCA Energy 450 X-Max 80 energy-dispersive attachment from Oxford Instruments (IGG UB RAS, Ekaterinburg). For the analysis polished petrographic thin sections cut from pieces of slag were used. Originality. Slags material composition was studied from the point of view of classical mineralogy and with the use of modern mandatory nomenclature of the International Mineralogical Association. Findings. The mineralogy of the Alapaevsky plant chromium cast iron production slags has been studied for the first time. It has been established that they are composed of a periclase-larnite aggregate with a significant content of gehlenite, magnesiochromite and the Ti-analogue of schulamitite, as well as the constant presence of wustite, spinel, sulfides and cast iron. These slags are the waste products of low-alloy heat-resistant chromium cast iron and pose a geo-ecological threat to the environment. Practical relevance. These slags can be recycled, as they contain easily distinguishable magnetic chromium cast iron and wustite. Almost half of the rock consists of periclase, which is a refractory raw material, and spinel can be used as an abrasive material. Key words: larnite; periclase; mineralogy; slags; Alapaevsky metallurgical plant. REFERENCES 1. Zaimogov A. I. Sinyachikha ironworks. Ekaterinburg: Grachev i Partnery Publishing; 2011. (In Russ.) 2. Alekseev V. V. (ed.) Metallurgical plants of 17th–20th century Urals. Encyclopedia. Ekaterinburg: Akademkniga Publishing; 2001. (In Russ.) 3. Mason B. Larnite, scawtite, and hydrogrossular from Tokatoka, New Zealand. Amer. Mineral. 1957; 42: 379–392. 4. Sokol E. V., Kokh S. N., Vapnik Y., Thiery V., Korzhova S. A. Natural analogs of belite sulfoaluminate cement clinkers from Negev Desert, Israel. Amer. Mineral. 2014; 99 (7): 1471–1487. 5. Volzhenskii A. V., Burov Iu. S., Kolokolnikov V. S. Mineral viscose materials. Moscow: Stroiizdat Publishing; 1979. (In Russ.) 6. Babenko A. A., Krivykh L. Iu., Mukhranov N. V., Levchuk V. V., Remigo S. A., Saveliev M. V. Phase composition of converter magnesian slags and the techniques of improving the endurance of slag lining. Izvestiia vuzov. Chernaia metallurgiia = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2012; 2: 2–6. (In Russ.) 7. Martinez-Frias J., Benito R., Wilson G., Delgado A., Boyd T., Marti K. Analysis and chemical composition of larnite-rich ultrarefractory materials. Jour. Mater. Proces. Techn. 2004; 147: 204–210. 8. Ponomarev V. S., Erokhin Iu. V., Mikheeva A. V. Gelenite slag from the eastern side of the Mednorudyanskoye deposit. In: Mineralogy of Technogenesis – 2018. Miass: IMin UB RAS Publishing; 2018. (In Russ.) 9. Erokhin Iu. V., Zakharov A. V. Periclase slag from the Upper Sinyachikha metallurgical plant. In: Mineralogy of Technogenesis – 2015. Miass: IMin UB RAS Publishing; 2015. (In Russ.) 10. Marincea S., Dumitras D.-G., Ghinet C., Fransolet A.-M., Hatert F., Rondeaux M. Gehlenite from three occurrences of high-temperature skarns, Romania: new mineralogical data. Canad. Mineral. 2011; 49 (4): 1001–1014. 11. Seryothin Yu. V., Sokol E. V., Kokh S. N. Natural pseudowollastonite: crystal structure, associated minerals and geological context. Lithos. 2012; 134: 75–90. 12. Ivanova M. A. Ca,Al inclusions in chrondrite carbonaceous are the most ancient formations of the Solar system. Geokhimiia = Geochemistry. 2016; 5: 409–426. (In Russ.) 13. Chesnokov B. V., Shcherbakova E. P. Mineralogy of burnt rock of Chelyabinsk coal basin (experience of technogenesis mineralogy). Moscow: Nauka Publishing; 1991. (In Russ.) 14. Holness M. B. Metamorphism and fluid infiltration of the calc-silicate aureole of the Beinn and Dubhaich granite, Skye. Journal of Petrology. 1992; 33 (6): 1261–1293. 15. Barker D. S., Nixon P. H. High-Ca, low-alkali carbonatite volcanism at Fort Portal, Uganda. Contrib. Mineral. Petrol. 1989; 103: 166–177. 16. Greshake A., Bischoff A., Putnis A. Pure CaO, MgO (Periclase),2 TiO (Rutile) and Al2O3 (Corundum) in Ca,Al-rich inclusions from carbonaceous chondrites. Lun. Planet. Sci. 1996; 27: 463. 17. Artemyev D. A., Ankushev M. N., Blinov I. A., Kotlyarov V. A. Mineralogy and origin of slags from the 6th kurgan of the Taksay 1 Burial complex, Western Kazakhstan. Canad. Mineral. 2018; 56 (6): 883–904. 18. Kozlov P. S., Erokhin Iu. V., Kozlova I. V. Fayalites slags of mariinsky reefficient factory. In: Mineralogy of Technogenesis – 2011. Miass: IMin UB RAS Publishing; 2011. (In Russ.) 19. Erokhin Iu. V., Zakharov A. V., Leonova L. V. Material composition of Karabash copper smelter slags. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. G. I. Nosova = Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University. 2019; 17 (3): 12–18. (In Russ.) 20. Erokhin Iu. V. Mineralogy of slags from the Rezh nickel plant. In: Mineralogy of Technogenesis – 2012. Miass: IMin UB RAS Publishing; 2012. (In Russ.) 21. Chauviré B., Rondeau B., Fritsch E., Ressigeac P., Devidal J.-L. Blue spinel from the Luc Yen district of Vietnam. Gems & Gemology. 2015; 51 (1): 2–17. 22. Bjärnborg K., Schmitz B. Large spinel grains in a CM chondrite (Acfer 331): Implications for reconstructions of ancient meteorite fluxes.Meteor. Planet. Sci. 2013; 48 (2): 180–194. ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 99
23. Ma Ch., Kampf A. R., Connolly H. C., Beckett J. R., Rossman G. R., Sweeney S. A., Schrader D.
L. Krotite, CaAl2O4, a new refractory mineral from the NWA1934 meteorite. Amer. Mineral. 2011; 96 (5–6): 709–715. 24. Vokhmentsev S. A., Larionov A. V., Guliaeva R. I., Chumarev V. M. Phase composition and thermal properties of slags from Al-V-Ti-C, Al-Cr-Mo-Si and Al-Zr-Mo-Sn master alloys. Tsvetnye metally = Non- ferrous Metals. 2017; 11: 60–64. (In Russ.) 25. Sharygin V. V., Lazic B., Armbruster T. M., Murashko M. N., Wirth R., Galuskina I. O., Galuskin E. V. Vapnik Y., Britvin S. N., Logvinova A. M. Shulamitite Ca3TiFe3+AlO8 – a new perovskite-related mineral from Hatrurim basin, Israel. Europ. Jour. Mineral. 2013; 25: 97–111. 26. Juroszek R., Kruger H., Galuskina I., Kruger B., Jezak L., Ternes B., Wojdyla J., Krzykawski T., Pautov L., Galuskin E. Sharyginite, Ca3TiFe2O8, a new mineral from the Bellerberg Volcano, Germany. Minerals. 2018; 8 (308).
27. Sharygin V. V. Minerals of Ca3TiFeAlO8–Ca3TiFeFeO8 family in natural and technogenic pyro- metamorphic systems. In: Mineralogy of Technogenesis – 2012. Miass: IMin UB RAS Publishing; 2012. (In Russ.) 28. Kosyakov V. I., Sinyakova E. F. Melt crystallization of CuFe2S3 in the Cu-Fe-S system. Jour. Therm. Analis. Calorim. 2014; 115: 511–516.
Received 27 April 2020
Information about authors: Iurii V. Erokhin – PhD (Geology and Mineralogy), senior researcher, Institute of Geology and Geochemistry UB RAS. Е-mail: [email protected] Anatolii V. Zakharov – researcher, Institute of Geology and Geochemistry UB RAS. Е-mail: [email protected] Liubov V. Leonova – PhD (Geology and Mineralogy), senior researcher, Institute of Geology and Geochemistry UB RAS. Е-mail: [email protected]
Для цитирования: Ерохин Ю. В., Захаров А. В., Леонова Л. В. Шлаки производства хромистого чугуна Алапаевского завода (состав и геоэкология) // Известия вузов. Горный журнал. 2020. № 5. С. 90–99. DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-90-99 For citation: Erokhin Iu. V., Zakharov A. V., Leonova L. V. Slags of chromium cast iron production from Alapaevsky plant (composition and geoecology). Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = News of the Higher Institutions. Mining Journal. 2020; 5: 90–99 (In Russ.). DOI: 10.21440/0536- 1028-2020-5-90-99 горная механика. горные машины и транспорт
УДК 62-26 DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-100-107
Исследование влияния физико-механических свойств материала рабочих лопаток на шум рудничного осевого вентилятора
Кочнева Л. В.1, Таугер В. М.1, Волков Е. Б.1* 1 Уральский государственный горный университет, г. Екатеринбург, Россия *e-mail: [email protected]
Реферат Введение. Высокий уровень звукового давления, создаваемый промышленным осевым вентилятором, отрицательно сказывается на работоспособности людей, приводит к снижению внимательности, провоцирует производственные ошибки. Стремление использовать малогабаритные и высокопроизводительные турбомашины приводит к необходимости поиска путей создания вентиляционных агрегатов с пониженным уровнем шума. Методика проведения исследования. Одним из перспективных способов влияния на шумовые характеристики осевых машин является предотвращение резонансных колебаний рабочих лопаток за счет изготовления из материала с расчетными физико-механическими характеристиками. К настоящему моменту построена математическая модель лопатки как упругого элемента, позволяющая определить частоту ее собственных колебаний. Сопоставление данной частоты с частотой внешних воздействий позволит сделать вывод о вероятности вхождения лопатки в резонанс с внешними воздействиями. Результаты. С целью проверки теоретических положений поставлен эксперимент, в ходе которого измерялось звуковое давление, создаваемое геометрически идентичными рабочими колесами: алюминиевым, входящим в комплект поставки вентилятора, и композитным. Выводы. Установлено, что оснащение вентилятора колесом с лопатками из композита позволяет существенно снизить уровень звука, что подтверждает перспективность создания малошумных осевых вентиляторов путем выполнения рабочих лопаток из материала с расчетными физико-механическими характеристиками.
Ключевые слова: осевой вентилятор; шум; звуковое давление; частота колебаний; рабочая лопатка; композит.
Введение. Серьезным недостатком осевых вентиляторов по сравнению с ра- диальными является более интенсивное шумообразование. Высокий уровень зву- кового давления отрицательно сказывается на работоспособности людей, приво- дит к снижению внимательности, провоцирует производственные ошибки. Стремление использовать малогабаритные и высокопроизводительные турбома- шины приводит к необходимости поиска путей создания вентиляционных агрега- тов с пониженным уровнем шума [1–6]. Методика проведения исследований. В работах [7–11] рассматривается один из перспективных способов влияния на шумовые характеристики осевых машин – предотвращение резонансных колебаний рабочих лопаток за счет изго- товления из материала с расчетными физико-механическими характеристиками. К настоящему моменту построена математическая модель лопатки как упругого элемента, позволяющая определить частоту ее собственных колебаний. Сопо- ставление данной частоты с частотой внешних воздействий позволит сделать вы- вод о вероятности вхождения лопатки в резонанс с внешними воздействиями. ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 101 Исследования вошли в стадию экспериментального подтверждения теорети- ческих выкладок. Далее приведены зависимости, входящие в математическую модель и позволившие рассчитать частоту собственных колебаний лопаток из различных материалов. Соотношения получены на основе [12]. На рис. 1 показан вид корневого сечения рабочей лопатки осевого вентилятора с основными размерами: хордой b, прогибом профиля h, максимальной толщи- ной профиля δ и радиусом изгиба профиля ρ. Центр тяжести сечения лежит в точке С, и оси координат Сх, Су – главные центральные.
y
b
ISSN 0536-1028 22 2 2 ““Izvestiya“IzvestiyaIzvestiyaIzvestiya“Izvestiya vysshikh vysshikhvysshikh vysshikh vysshikh uchebnykh uchebnykhuchebnykh uchebnykh uchebnykh zavedenii. zavedenii.zavedenii. zavedenii. zavedenii. Gornyi Gornyi Gornyi Gornyi z zhurnalz hurnalz hurnalzhurnal”.”.”. No. ”.No. No. No. 5 5. 5..20 .205 20.20 2020 20 ISSNISSNISSNISSN 0536 0536 0536 0536-1028--10281028-1028 С x Исследования вошли в стадиюh экспериментального подтверждения ИссИссИссИсследованияледованияледованияледования вошли вошли вошли вошли δ в в в в стадию стадию стадию стадию экспериментального экспериментального экспериментального экспериментального подтверждения подтверждения подтверждения подтверждения теоретическихтеоретическихтеоретическихтеоретических выкладок. выкладок. выкладок. выкладок. Далее Далее Далее Далее приведены приведены приведены приведены зависимости, зависимости, зависимости, зависимости, входящие входящие входящие входящие в в в в математическуюматематическуюматематическуюматематическую модель модель модель модель и и и и позволившие позволившие позволившие позволившие рассчитать рассчитать рассчитать рассчитать частоту частоту частоту частоту собственных собственных собственных собственных колебанийколебанийколебанийколебаний лопаток лопаток лопаток лопаток из из из изразличных различных различных различных материалов. материалов. материалов. материалов. Соотношения Соотношения Соотношения Соотношения получены получены получены получены на на на на основеоснове основе основе [12].[12]. [12].[12].[12]. ρ НаНаНаНа рис. рис. рис. рис. 1 1 1 1 показан показан показан показан вид вид вид вид корневого корневого корневого корневого сечения сечения сечения сечения рабочей рабочей рабочей рабочей лопатки лопатки лопатки лопатки осевого осевого осевого осевого вентиляторавентиляторавентиляторавентилятора с с с с основными основными основными основными размерами: размерами: размерами: размерами: хордой хордой хордой хордой b b,b ,, ,b прогибом, прогибом прогибом прогибом прогибом профиля профиля профиля профиля профиля h h,h ,, ,h , максимальноймаксимальноймаксимальноймаксимальной толщиной толщиной толщиной толщинойРис. 1. Корневое профиля профиля профиля профиля сечение δ δ δ иδ и ирабочей ирадиусом радиусом радиусом радиусом лопатки изгиба изгиба изгиба изгиба профиля профиля профиля профиля ρ. ρ. ρ. ρ. Центр Центр Центр Центр тяжеститяжеститяжеститяжести сечения сечения сечения сечения лежит лежит лежит лежитFig. 1. в вRoot в вточке точке точке section точке С Сof С, , ,С the , и, и и иworking и оси оси оси оси оси координаblade координа координа координа координа тт т тСхСх Сх,Сх ,, , Су,Су Су Су –– – –главныеглавные главныеглавные центральные.центральные.центральные.центральные. Прогиб профиля равен ПрогибПрогибПрогибПрогибПрогиб профиля профиля профиля профиля профиля равен равен равен равен равен
2222 2 222 2bbbb hhhhρρρρρρρρ2 . . . . (1) (1)(1) (1) (1) (1) 4444
МоментМоментМоментМоментМомент инерции инерции инерции инерции инерции сечения сечения сечения сечения сечения относительно относительно относительно относительно относительно Сх Сх Сх Сх Сх
JJ0, 040, 04 bqδ32 bq323232δ (132 (1 ), ),(2) (2) JJxJxxxx0,0,0, 04 04 04 bq bqδ bqδδ (1 (1 (1 ), ),), (2) (2) (2) (2)
гдегдегдегде qгде q =q q = h= q =/δh h= /δ h/δ/δ– /δh – относительная/δ– –относительная относительная –относительная относительная изогнутость изогнутость изогнутость изогнутость изогнутость профиля; профиля; профиля; профиля; профиля; площадьплощадьплощадьплощадьплощадь сечения сечения сечения сечения сечения
AbAbAbAb0,0,0, 7 70, 7δ, 7δ,δ, δ, (3) (3)(3) (3) (3) (3)
следовательно,следовательно,следовательно,следовательно,следовательно, минимальный минимальный минимальный минимальный минимальный радиус радиус радиус радиус радиус инерции инерции инерции инерции инерции
JJJxJ 2 2 iqJx xx x 0, 24δ1 2 22 . (4) iqminiqminiqminiqmin 0,0,0, 240, 24 24δ1 24δ1δ1δ1 . . . . (4) (4) (4) (4) (4) min AAAA
ЧастотаЧастота собственных собственных колебаний колебаний лопатки, лопатки, Гц Гц (без (без учета учета кручения кручения и и ЧастотаЧастотаЧастотаЧастота собственных собственных собственных собственных колебаний колебаний колебаний колебаний лопатки, лопатки, лопатки, лопатки, Гц (без Гц Гц Гц учета (без (без (без кручения учета учета учета кручения икручения кручения центро- и и и центробежныхцентробежныхцентробежныхцентробежных сил) сил) сил) сил) бежныхцентробежных сил) сил)
λ λ EJEJ λλλ EJEJEJxxxx x fff0ff0 2 , ,, , , (5)(5)(5)(5)(5) 0 00 2πρ2lA2πρ22lA2 (5) 22πρ2πρlAπρlAlAмммм м
где λ – коэффициент формы лопатки, зависящий от соотношений площадей и гдегдегдегде λгде λ – λ λ – коэффициентλ– – коэффициент –коэффициенткоэффициент коэффициент формы формы формы формы формы лопатки, лопатки, лопатки, лопатки, лопатки, зависящий зависящий зависящий зависящий зависящий от от от соотношенийот от соотношений соотношений соотношений соотношений площадей площадей площадей площадей площадей и и и и и моментовмоментовмоментовмоментов инерции инерции инерции инерции корневого корневого корневого корневого и и и концевого и концевого концевого концевого сечений; сечений; сечений; сечений; l ll l = =l = (= (RR( R( –R – – R –R0R 0)0R)0 ) ) –0 –) – длина –длинадлина длина пера пера пера пера моментов инерции корневого и концевого сечений; l = (R – R0) – длина пера лопатки;лопатки;лопатки;лопатки; R R ,R ,,R ,R 0,R 00R– 0 – 0–радиусы, радиусы, –радиусы, радиусы, на на на накоторых которых которых которых расположены расположены расположены расположены концевое концевое концевое концевое и и икорневое корневоеи корневое корневое сечения сечения сечения сечения соответственно;соответственно;соответственно;соответственно; Е Е ,Е ,,Е , ρ, ρ ρм ρм м ρ – м– – модуль –модуль модульмодуль упругости упругости упругости упругости и и и плотностьи плотность плотность плотность материала материала материала материала лопатки лопатки лопатки лопатки соответственно.соответственно.соответственно.соответственно. ССС учетом Сучетом учетом учетом (4) (4) (4) (4)
λδλδ E E 2 λδλδλδ EEE 2 22 2 fqfqfq0fqfq00,0380,0380,0380,0382 (1 (1 (1 (1 ). ). ). ). (6)(6)(6)(6)(6) 0 00 l2 22l2 ρ ρ lll ρρмρммм м
ВлияниеВлияниеВлияниеВлияние закрутки закрутки закрутки закрутки лопатки лопатки лопатки лопатки на на на на частоту частоту частоту частоту собственных собственных собственных собственных колебаний колебаний колебаний колебаний выражается выражается выражается выражается формулойформулойформулойформулой
2 “Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal”. No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 Исследования вошли в стадию экспериментального подтверждения теоретических выкладок. Далее приведены зависимости, входящие в математическую модель и позволившие рассчитать частоту собственных колебаний лопаток из различных материалов. Соотношения получены на основе [12]. На рис. 1 показан вид корневого сечения рабочей лопатки осевого вентилятора с основными размерами: хордой b, прогибом профиля h, максимальной толщиной профиля δ и радиусом изгиба профиля ρ. Центр тяжести сечения лежит в точке С, и оси координат Сх, Су – главные центральные. Прогиб профиля равен
b2 h ρρ2 . (1) 4
Момент инерции сечения относительно Сх
32 Jx 0, 04 bqδ (1 ), (2)
где q = h/δ – относительная изогнутость профиля; площадь сечения
Ab 0, 7 δ, (3)
следовательно, минимальный радиус инерции
J iqx 0, 24δ1 2 . (4) min A
Частота собственных колебаний лопатки, Гц (без учета кручения и центробежных сил)
λ EJ x f0 2 , (5) 2πρlAм
102где λ "Izvestiya– коэффициент vysshikh uchebnykh формы zavedenii. лопатки, Gornyi зависящий zhurnal". No. от 5. соотношений 2020 ISSN площадей 0536-1028 и моментов инерции корневого и концевого сечений; l = (R – R0) – длина пера лопатки;лопатки; R ,R R, 0R –0 –радиусы, радиусы, на на которых которых расположены расположены концевое концевое и корневоеи корневое сечения сечения соответственно;соответственно; Е ,Е , ρ м ρ м – – модуль модуль упругости упругости и и плотность плотность материала материала лопатки лопатки соответственно.соответственно. С Сучетом учетом (4) (4)
λδ E 2 fq0 0,0382 (1 ). (6) (6) l ρм
Влияние Влияние закрутки закрутки лопатки лопатки на на частоту частоту собственных собственных колебаний колебаний выражается выражается ISSNISSN 0536 0536-1028-1028 «Изв«Известияестия вузов. вузов. Горный Горный журнал», журнал», № № 5 5, ,20 202020 33 формулойформулойISSN 0536-1028 «Изв«Известияестия вузов. вузов. Горный Горный журнал», журнал», № № 5, 520, 202020 33 3 ISSNISSNISSN 0536 0536 0536-1028-1028-1028 «Изв«Известияестия вузов. вузов. Горный Горный журнал», журнал», № № 5 5, ,20 202020 3 2222 0,03160,031622q22qγγ 0,031622q22γ ffffкркр 0 0 1,1, 0,03160,03160,0316qq2222γγq γ (7)(7) ffffкрff 0 1, 1, 1, (7)(7)(7) ffкркркр 0 0 1, 0 (1(1 0,885 0,885222222q22q )(1 )(1 0,0364 0,0364 γ)γ) (7) (7) (1(1(1(1 0,885 0,885 0,885 0,885qqq )(1 )(1q )(1 )(1 0,0364 0,0364 0,0364 0,0364γ)γ)γ)γ)
22 2 2 bd2bdαα гдегде bd bdγ2bdγbdααα α – – параметр параметр закрученности, закрученности, отражающий отражающий зависимость зависимость угла угла α, α, рад, рад, гдегдегде где γ γγ γ δδ ––dr –dr параметрппараметр араметр–параметр параметр закрученности,закрученности, закрученности, закрученности, отражающий отражающий отражающий отражающий зависимость зависимость зависимость зависимость угла угла угла угла α, α,α, α, рад, рад,рад,α, рад, рад, δδ δdrdrdr поворотаповоротаδ dr какого какого--либолибо сечения сечения относительно относительно корневого корневого в в зависимости зависимости от от радиуса радиуса поворотаповоротаповоротаповорота какого-либо какого какого какого-либо-либо-либо сечения сечения сечения сечения относительно относительно относительно относительно корневого корневого корневого корневого в в зависимостив зависимости зависимостив зависимости от от от радиуса отрадиуса радиуса радиуса поворотаr, на которомкакого-либо данное сечения сечение относительно расположено. корневого в зависимости от радиуса r, наr ,котором на котором данное данное сечение сечение расположено. расположено. rr, ,на наr, котором накоторомДействующие Действующиекотором данноеданное данное данное сечение сечение на на сечение л лопаткуопатку расположено.расположено. расположено. расположено. центробежные центробежные силы силы также также влияют влияют на на частоту частоту ДействующиеДействующиеколебаний.ДействующиеДействующие Их на на надействие на лопатку на л лопатку лопатку опатку лопатку можноцентробежные центробежные центробежные центробежные центробежные оценить силытаким силы силы силы также силыобразом: также также также влияют также влияют влияют влияют влияютна частоту на на на на частоту частоту частоту коле частоту- колебаний.колебаний. Их действиеИх действие можно можно оценить оценить таким таким образом: образом: колебаний.баний.колебаний.колебаний. Их действие Их Их Ихдействие действие действие можно можно можно оценитьможно оценить оценить оценить таким таким таким образом: таким образом: образом: образом:
22 2 22 22ωω2 ff2 2 fB2 fB ωωω ,, (8)(8) fffцбцб fB2 fB fB 0 0ω , , (8),(8) (8) fцбцбцбцб fB 0 0 0 0 2,2π π(8) (8) 22π2ππ2π
22 гдегде BB0,833(0,833( Dl Dlсрср ) )2 2 cos2 cos2 ( (ππ 2) 2) α α00 0,5 0,5 – – поправочныйпоправочный коэффициент;коэффициент; DDсрср –– гдегде где BB B0,833(0,833(0,833( Dl Dl Dl ) ) ) cos cos cos ( (ππ ( 2)π 2) 2) α α α 0,5 0,5 0,5 – ––поправочный поправочный поправочный коэффициент; коэффициент; коэффициент; Dср срD ср– – гдегде B0,833( Dlсрсрср ср ) cos (π 2) α00 0 0 0,5 – – поправочныйпоправочный коэффициент;коэффициент; DDср –– Dср –среднийсредний средний диаметр диаметр проточнойпроточной проточной части части части колеса; колеса; колеса; α 0 α α–00 угол–– уголугол установки установки установки корневого корневого корневого среднийсреднийсреднийсредний диаметр диаметр диаметр диаметр проточной проточной проточной проточной части части части части колеса; колеса; колеса; колеса; α α0 α0 0 α– –0 – угол –уголугол угол установки установки установки установки корневого корневого корневого корневого–1 ––11 сечениясечениясечения относительно относительно относительно фронта фронта фронта решетки, решетки, решетки, рад; рад; ωрад; – угловаяω ω – – угловая угловая скорость скорость скорость колеса, колеса, колеса, с .–1 с с . . сечения относительно фронта решетки, рад; ω – угловая скорость колеса, –с–11 .– 1 сечениясеченияИзсечения выраженийИз относительно относительно выражотносительно ений(7) и фронта фронта (7)(8) фронта следует, и (8)решетки, решетки, следует,решетки, что частотарад; рад; чторад; ω ω – частота–колебанийω угловая угловая – угловая колебаний скорость скорость лопатки скорость колеса, колеса,с лопатки учетомколеса, с с . сука .с учетом.- Из Из выраж выраженийений (7) (7)и (8) и (8)следует, следует, что что частота частота колебаний колебаний лопатки лопатки с учетом с учетом занныхИзИзуказанныхуказанных Из выраж выражвыше выражений енийфакторов выше вышеений (7) (7) факторов (7)факторов и иравна (8) (8) и (8) следует, следует, равна равна следует, что что что частота частота частота колебаний колебаний колебаний лопатки лопатки лопатки с с учетом учетом с учетом указанныхуказанныхуказанных выше выше выше факторов факторов факторов равна равна равна указанных выше факторов равна
22 2222 2ω2ω2 0,03610,036122qq γ γ 22 2 222222 ff2 2 fB2 fBωωω 1.1.0,03610,03610,0361qq γq γ γ (9)(9) f2 fB00ω 1.0,0361q2222 γ (9) (9) (9) (9) fff fB fB00 fB0 22ππ1.1.1. (1 (1 0,885 0,88522q22q )(1 )(1 0,0364γ 0,0364γ ) ) (9) 0 2222 22π2ππ2π (1 (1 (1 (1 0,885 0,885 0,885 0,885qqq )(1 )(1q )(1 )(1 0,0364γ 0,0364γ 0,0364γ 0,0364γ ) ) ) )
В формулуВВ формулу формулу (9) подставляются (9) (9) подставляются подставляются параметры параметры параметры корневого корневого корневого сечения, сечения, сечения,а изменение а а изменение изменение раз- ВВ В формулу формулу формулу (9) (9) (9) подставляются подставляются подставляются параметры параметры параметры корневого корневого корневого сечения, сечения, сечения, а а изменение а изменение изменение меровВразмеров размеров формулу и формы и и (9)сеченияформы формы подставляются сечения сеченияот корня от от к корня концукорня параметры к перак концу концу учитывается корневого пера пера учитывается учитывается сечения,коэффициентами. коэффициентами.коэффициентами. а изменение размеровразмеровразмеровразмеровЭксперимент и и иформы формы иформы формы сечения сечения сечения сечения поставлен от от от корняоткорня корня корня нак к к концуконцу концук моделиконцу пера пера пера пера учитывается учитывается вучитывается учитывается виде вентилят коэффициентами. коэффициентами. коэффициентами. коэффициентами.ора местного ЭкспериментЭкспериментЭксперимент поставлен поставлен поставлен на модели на на моделив виде модели вентилятора в ввиде виде вентилятместного вентилятора проветрива ора местного местного- ЭкспериментЭкспериментпроветриванияпроветриванияЭксперимент поставлен поставленСВМ СВМ поставлен--5,5, имеющего имеющего на на на модели модели диаметр моделидиаметр в в DD в виде= виде= 0,5 0,5 виде м, м, вентилят вентилятвтулочное втулочное вентилятораора отношениеора отношение местного местного местного 0,6 0,6 и и нияпроветриванияпроветриванияпроветривания СВМ-5, имеющего СВМ СВМ СВМ-5,-5, -диаметримеющего5, имеющего имеющего D диаметр= диаметр 0,5диаметр м, втулочноеD D = D= 0,5 =0,5––1 10,5 м, м, м,втулочноеотношение втулочное втулочное отношение отношение0,6 отношение и угловую 0,6 0,6 0,6 и и и проветриванияугловуюугловую скорость скорость СВМ-5, вращения вращенияимеющего колеса колеса диаметр ω ω = =D 300 300 =– 1 0,5с с .м, . втулочное отношение 0,6 и скоростьугловую вращения скорость колесавращения ω = колеса300 с–1 ω. = 300 –с–11 .– 1 угловуюугловуюугловуюРабочаяРабочая скорость скорость скорость лопатка лопатка вращения вращения вращения вентилятора вентилятора колеса колеса колеса ω ω СВМ = СВМ =ω 300 300 = -300 -5с 5с выполнена выполнена. .с . в в соответствии соответствии со со схемой схемой К К-- РабочаяРабочая76РабочаяРабочая-10 [13]. лопатка лопаткалопатка лопатка лопатка Геометрические вентилятора вентилятора вентилятора вентилятора СВМСВМ СВМ-5параметрыСВМ СВМ--55- 5 выполнена-выполнена выполнена5выполнена выполнена ее приведены в в в соответствиисоответствии всоответствии соответствии соответствии в табл. со со со 1. со схемойсо схемой схемой Наибольший схемойсхемой КК К- - -К- 76-1076 - [13].10 [13]. Геометрические Геометрические параметры параметры ее приведены ее приведены в табл. в табл. 1. Наибольший 1. Наибольший 76К-76-1076--107610интересинтерес - 10 [13]. [13]. [13]. [13]. Геометрические Геометрические Геометрические представляют представляют Геометрические параметры параметры среднее параметры среднее параметры и и ее ее ее концевые концевыеприведеныее приведены приведены сечения. сечения. в в табл. табл. в табл. 1. 1. При При Наибольший Наибольший 1. Наибольший Наибольший определении определении интересинтересинтересинтереспараметров представляют представляют представляют представляют представляют использованы среднее среднее среднее среднее среднее икак концевые соотношения и и и и концевые концевые концевые сечения. концевые из При сечения. сечения. справочного сечения. сечения. определении При При При Припособия определении определениипараметров определении определении [13], так и параметровпараметров использованы использованы как каксоотношения соотношения из справочногоиз справочного пособия пособия [13], [13], так таки и параметровиспользованыпараметровпараметровприведенныеприведенные использованыиспользованы как использованы ранее соотношенияранее расчетные расчетные каккак как соотношения соотношенияиз соотношениясправочногоформулы. формулы. изРазмеры изРазмеры пособия справочногоизсправочного справочного округлены округлены [13], пособиятакпособия пособия идо до приведенные целых целых [13],[13], [13], чисел. такчисел.так так ии и приведенныеранееприведенныеприведенныеприведенные расчетныеПараметр ранее ранее ранее ранееформулы. закрученности расчетные расчетные расчетные расчетные Размеры формулы. формулы. формулы. к формулы.онцевого округлены Размеры Размеры Размеры сечения,Размеры до округлены целыхокруглены округлены определенный округлены чисел. до до до целых доцелых целых целыхс использованием чисел. чисел. чисел. чисел. ПараметрПараметр закрученности закрученности концевого концевого сечения, сечения, определенный определенный с использованием с использованием ПараметрПараметрдопущениядопущенияПараметр закрученности закрученности о закрученностио линейном линейном характерекконцевого характереконцевогоонцевого концевого зависимости сечения,сечения, зависимостисечения, сечения, определенныйопределенный определенный определенныйα( α(rr),), γ γ = = 1,95. 1,95. сс с использованием использованием использованием с использованием допущениядопущения о олинейном линейном характере характере зависимости зависимости α( α(r),r ),γ =γ =1,95. 1,95. допущениядопущенияВВ эксперименте эксперименте о о линейном линейном характере характере использовались использовались зависимости зависимости два два рабочих рабочихα( α(rr),), γ γ = = колеса:1,95. колеса:1,95. входящее входящее в в комплект комплект ВВпоставки В эксперименте Вэксперименте эксперименте эксперименте СВМ - использовались 5использовались использовались изиспользовались алюминиевого два два два два рабочих рабочих рабочих сплава рабочих колеса: колеса: и колеса: колеса: его геометрическаявходящее входящее входящее входящее в в в комплект комплект в комплект комплект копия из поставкиВ поставкиэксперименте СВМ СВМ-5 использовались из-5 изалюминиевого алюминиевого два рабочих сплава сплава колеса: и его и его входящее геометрическая геометрическая в комплект копия копияпо - из из поставкипоставкипоставкикомпозита.композита. СВМ СВМ СВМ - -55 - изКомпозит5 изКомпозит из алюминиевого алюминиевого алюминиевого представляет представляет сплава сплава сплава и и собой его собойи его его геометрическая геометрическая геометрическая материал, материал, копия копия родственный родственный копия из из из композита.ставкикомпозита.композита.композита. СВМ-5 Композитиз Композит Композит алюминиевого Композит представляет представляет представляет представляет сплава и его геометрическая собой собой собой собой материал, материал, материал, материал, копия из родственный родственный родственныйкомпозита. родственный Композитстеклопластикустеклопластику представляет маркисобой марки материал, 222 222 ( (ГОСТродственныйГОСТ 25500 25500 стеклопластику--82.82. Пластики Пластики марки слоистые слоистые222 стеклопластикустеклопластикустеклопластикустеклопластикуэлектротехнические марки марки марки марки листовые. 222 222 222 222 ((ГОСТ ГОСТ( ОбщиеГОСТ(ГОСТ 25500технические 25500 25500 25500--82.82.-82.- 82. Пластики Пластикиусловия. Пластики Пластики Введ. слоистые слоистые слоистые 1982 слоистые-07 - 01. электротехническиеэлектротехнические листовые. листовые. Общие Общие технические технические условия. условия. Введ. Введ. 1982 1982-07--01.07- 01. электротехническиеэлектротехническиеэлектротехнические3434 с. с.)) на на основе основе листовые. листовые. эпоксидной эпоксидной листовые. Общие Общие смолы Общиесмолы технические технические с с технические армирующими армирующими условия. условия. условия. слоями слоями Введ. Введ. Введ. из 1982 из1982 сте1982 сте--0707клоткани.клоткани.---01.0701.- 01. 3434 34 с. с. ) )с. на) на на основе основе основе эпоксидной эпоксидной эпоксидной смолы смолы смолы с с армирующими с армирующими армирующими слоями слоями слоями из из из сте сте стеклоткани.клоткани.клоткани. 34 с.Модули)Модули на основе упругости упругости эпоксидной и и плотность плотность смолы материалов: сматериалов: армирующими алюминийалюминий слоями –– Е изЕ11 = сте= 100 100клоткани. ГПа; ГПа; ρ ρм1м1 == МодулиМодулиМодули упругости упругости упругости33 и и плотность и плотность плотность материалов: материалов: материалов: алюминийалюминий алюминий –– Е–1Е1 13Е =31= 100= 100 100 ГПа; ГПа; ГПа; ρм1 ρм1 м1 ρ м1== = Модули27002700 упругостикг/м 3кг/м3 3 ; ;композит композит и плотность – – Е Е22 = = 6 6– материалов:–1010 ГПа; ГПа; ρ ρм2м2 = алюминий= 1700 1700––19001900 – кг/м 3кг/мЕ3 3 =. . 100 ГПа; ρ = 2700 кг/м3 ; композит – Е2 = 6–10 ГПа; ρм2 = 1700–1900 кг/м3 . 270027002700 кг/м кг/мОпределим кг/м; ;композит композит; композит расчетную – – Е Е 2–2 = Е= 62 6 –=–10 106 частоту– ГПа; 10ГПа; ГПа; ρ ρм2 собственныхм2 ρ= =м2 1700 1700 = 1700––19001900– 1900 колебаний кг/м кг/м кг/м. . . лопаток по формуле ОпределимОпределим расчетную расчетную частоту частоту собственных собственных колебаний колебаний лопаток лопаток по формуле по формуле ОпределимОпределим(9)(9)Определим для для каждого каждого расчетную расчетную расчетную материала. материала. частоту частоту частоту В собственныхВ собственных рас рас собственныхчетечете будем будем колебаний колебаний колебаний принимать принимать лопаток лопаток лопаток для для по по стеклопластика стеклопластика по формуле формуле формуле (9)(9)(9) для для для каждого каждого каждого материала. материала. материала. В В В рас рас расчетечетечете будем будем будем принимать принимать принимать для для для стеклопластика стеклопластика стеклопластика (9) длясредниесредние каждого значения значения материала. модуля модуля В упругости упругости расчете будем и и плотности, плотности, принимать т. т. е. е. для ЕЕ22 == стеклопластика 8 8 ГПа; ГПа; ρ ρм2м2 == 1800 1800 средниесредниесредние 33 значения значения значения модуля модуля модуля упругости упругости упругости и и плотности, и плотности, плотности, т. т. е.т. е. Ее.Е2 2Е ==2 8= 8 ГПа; 8 ГПа; ГПа; ρ ρм2 м2 ρ м2== 1800=1800 1800 средниекг/мкг/м3 значения. . модуля упругости и плотности, т. е. Е2 = 8 ГПа; ρм2 = 1800 кг/м33 . 3 кг/мкг/мкг/м. . ОтношениеОтношение. площади площади концевого концевого сечения сечения к к площади площади корневого корневого равно равно 0,8, 0,8, ОтношениеОтношениеотношениеОтношениеОтношение площади момента площади площади площади инерции концевого концевого концевого концевого концевого сечения сечения сечения сечения сечения к к к площади площадик площади площади к моменту корневого корневого корневого корневого инерции равно равно равно корн равно 0,8, 0,8,евого 0,8, 0,8, – отношениеотношение момента момента инерции инерции концевого концевого сечения сечения к моменту к моменту инерции инерции корн корневогоевого – – отношениеотношениеотношение0,49.0,49. Для Для момента момента таких такихмомента соотношений инерции соотношенийинерции инерции концевого концевого концевого параметров параметров сечения сечения сечения коэффициент коэффициент к к моменту моменту к моменту инерции λ инерцииλ ≈ ≈ инерции3,69 3,69 [12]. корн [12].корн корн евогоевогоевого – – – 0,49.0,49.0,49.0,49. Для Для Для Для таких таких таких таких соотношений соотношений соотношений соотношений параметров параметров параметров параметров коэффициент коэффициент коэффициент коэффициент λ λ λ≈ ≈ λ≈3,69 3,69 ≈3,69 3,69 [12]. [12]. [12]. [12]. ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 103 (ГОСТ 25500-82. Пластики слоистые электротехнические листовые. Общие технические условия. Введ. 1982-07-01. 34 с.) на основе эпоксидной смолы с ар- мирующими слоями из стеклоткани. Модули упругости и плотность материалов: 3 алюминий – Е1 = 100 ГПа; ρм1 = 2700 кг/м ; композит – Е2 = 6–10 ГПа; 3 ρм2 = 1700–1900 кг/м . Определим расчетную частоту собственных колебаний лопаток по фор- муле (9) для каждого материала. В расчете будем принимать для стеклоплас-
тика средние значения модуля упругости и плотности, т. е. Е2 = 8 ГПа; 3 ρм2 = 1800 кг/м . Отношение площади концевого сечения к площади корневого равно 0,8, от- ношение момента инерции концевого сечения к моменту инерции корневого – 0,49. Для таких соотношений параметров коэффициент λ ≈ 3,69 [12].
Таблица 1. Геометрические характеристики рабочей лопатки вентилятора СВМ-5 Table 1. Geometrical characteristics of SVM-5 fan working blade
2 4 Радиус, мм b, мм ρ, мм δ, мм Δθг h, мм А, мм Jx, мм 243 106 496 23 –5° 50' 3 1,71 · 103 5,25 · 104 206 107 358 25 0 4 1,87 · 103 6,79 · 104 150 110 175 28 17° 15' 9 2,16 · 103 10,66 · 104 –––––––––––
Δθг – угол поворота сечения относительно среднего сечения лопатки.
Угол установки среднего сечения лопаток колеса 30°, следовательно, α0 = 47°15' = 0,825 рад, и поправочный коэффициент В = 2,83. Результаты расчетов сведены в табл. 2. Таким образом, согласно расчету, выполнение лопаток из композита приводит к снижению частоты собственных колебаний лопатки в 2,88 раза.
Таблица 2. Расчет частоты собственных колебаний рабочей лопатки СВМ-5 Table 2. Calculation of the frequency of natural vibrations of SVM-5 working blade
Материал q γ B f0, Гц f, Гц Алюминий 2510 2500 0,32 1,95 2,83 Композит 869 868
Результаты. Замеры уровня шума выполнены для аэродинамических схем НА + К + СА и К + СА, где: НА – направляющий аппарат, К – колесо, СА – спрям- ляющий аппарат. Каждая аэродинамическая схема испытана с алюминиевым и композитным колесами. Измерения производились цифровым интегрирующим шумомером «Октава-101АМ» со стороны входа потока в вентилятор на расстоя- нии 1 м от колеса. Сопротивление вентиляционной сети было незначительным, поэтому турбу- лентный шум не возникал. А поскольку КПД вентилятора существенно ниже оп- тимального, следовало ожидать заметного проявления вихревого шума и шума пограничного слоя. Наличие НА и СА обычно является причиной возникновения шума взаимо- действия [14, 15], и ожидаемым также было обнаружение данной составляющей в спектре шума вентилятора.
4 “Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal”. No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
Угол установки среднего сечения лопаток колеса 30°, следовательно, α0 = 47°15' = 0,825 рад, и поправочный коэффициент В = 2,83. Результаты расчетов сведены в табл. 2. Таким образом, согласно расчету, выполнение лопаток из композита приводит к снижению частоты собственных колебаний лопатки в 2,88 раза. Результаты. Замеры уровня шума выполнены для аэродинамических схем НА + К + СА и К + СА, где: НА – направляющий аппарат, К – колесо, СА – спрямляющий аппарат. Каждая аэродинамическая схема испытана с алюминиевым и композитным колесами. Измерения производились цифровым интегрирующим шумомером «Октава-101АМ» со стороны входа потока в вентилятор на расстоянии 1 м от колеса. Сопротивление вентиляционной сети было незначительным, поэтому турбулентный шум не возникал. А поскольку КПД вентилятора существенно ниже оптимального, следовало ожидать заметного проявления вихревого шума и шума пограничного слоя. Наличие НА и СА обычно является причиной возникновения шума 104взаимодействия "Izvestiya vysshikh [14, uchebnykh 15], и zavedenii. ожидаемым Gornyi zhurnal". также No. было 5. 2020 обнаружениеISSN 0536-1028 данной составляющей в спектре шума вентилятора. ЧастотаЧастота шумашума взаимодействия,взаимодействия, ГцГц
п fkzвК , (10) (10) 60
где4 k =“ Izvestiya1, 2, 3… vysshikh – номер uchebnykh гармоники; zavedenii. n Gornyi– частота zhurnal вращения”. No. 5. 20 20рабочего колеса,ISSN 0536 2950-1028 гдеоб/мин;4 k =“Izvestiya 1,zК 2,– число 3vysshikh … –рабочих номерuchebnykh лопаток. гармоники; zavedenii. Gornyi n – zhurnal частота”. No. вращения 5. 2020 рабочегоISSN колеса, 0536-1028 Угол установки среднего сечения лопаток колеса 30°, следовательно, α0 = 2950Значение об/мин; zК f–в числоесть рабочих количество лопаток. пересечений рабочими лопатками Угол установки среднего сечения лопаток колеса 30°, следовательно, α0 = 47°15Значение' = 0,825 f есть рад, количество и поправочный пересечений коэффициент рабочими В = 2,83.лопатками аэродинамиче- аэродинамического47°15Результаты' = 0,825в рад, расчетов и следа поправочный сведены за лопаткой в коэффициенттабл. НА 2. за одну В = секунду.2,83. Следует отметить, скогочто РезультатыТаким с следа такой за образом, же лопаткой расчетов частотой согласно НАсведены лопатка за одну в расчету, табл. САсекунду. пересекает2. выполнение Следует аэродинамические отметить, лопаток что из с такой следыкомпозита же за частотойрабочимиприводитТаким лопатка лопатками. к образом, снижению СА пересекает согласно частоты аэродинамические собственных расчету, выполнение колебаний следы залопатки лопаток рабочими в 2,88 из лопатками. композитараза. приводитРабочаяРезультаты к лопатка снижению. Замеры за одинчастоты уровня оборот собственных шума проходит выполнены колебаний мимо z дляНА лопаткилопаток аэродинамических внаправляющего 2,88 раза. схем аппарата,L , идБ пересечение лопаткой аэродинамических следов за лопатками НА НАРезультаты 110 + К + СА .и Замеры К + СА, уровня где: НА шума – направляющий выполнены для аппарат, аэродинамических К – колесо, САсхем – вызываетНАспрямляющий + К +возмущающее СА и Каппарат. + СА, воздействие где: Каждая НА – с направляющийчастотой аэродинамическая аппарат, схема К – колесо, испытана СА – с спрямляющийалюминиевым и аппарат. композитным Каждая колесами. аэродинамическая Измерения производились схема испытана цифровым с алюминиевым100 и композитным колесами.n Измерения производились цифровым интегрирующим шумомером f «Октава kz-101АМ». (11) со стороны входа потока в интегрирующимвентилятор на расстоянии шумомером 1 м от «ОктаваНА колеса.60-101АМ» НА со стороны входа потока в вентилятор на расстоянии 1 м 1от колеса. Сопротивление90 вентиляционной 3 сети было незначительным, поэтому турбулентныйЕщеСопротивление одно возмущающее шум вен не тиляционной возникал. воздействие А поскольку сети обусловлено было КПД незначительным, вентилятора прохождением существенно рабочей поэтому лопаткитурбулентныйниже оптимального, мимо лопаток шум неследовало СА: возникал. ожидать А поскольку заметного КПД проявления вентилятора вихревого существенно шума и нижешума 80 оптимального, пограничного следовалослоя. ожидать заметного проявления вихревого шума и шума пограничного2 слоя. Наличие НА и СА обычно являетсяn причиной возникновения шума взаимодействияНаличие НА [14, и СА 15], обычно и f ожидаемымСА kzявляетсяСА . также(12) причиной было возникновения обнаружение данной шума взаимодействиясоставляющей70 в спектре [14, 15], шума и ожидаемымвентилятора.60 также было обнаружение данной составляющей Частота шума в спектре взаимодействия, шума вентилятора. Гц ВентиляторЧастота шума СВМ взаимодействия,-5 имеет zК = Гц10, zНА = 11, zСА = 9 (точнее, 8 лопаток и 60 4 патрубок для подвода питания к двигателю).п Подстановка величин в формулы (10) – (12) дает следующие значенияfkzвК частотп ,первых (10) пяти гармоник, Гц: fв = 492; 983; 1475; 1967; 2458; fkz 60 , (10) 50 вК60 fНА = 541; 1082;31,5 1623;63 2163; 125 2704; 250 500 1000 2000 4000 8000 f, Гц fСАгде = k443; = 1, 885; 2, 3… 1328; – номер 1770; гармоники;2213. n – частота вращения рабочего колеса, 2950 гдеоб/мин;Сопоставление k = 1, z К2, – 3… числоРис. – номер2 полученныхрабочих. Частотные гармоники; лопаток. характеристики частот n – частота с шума частотами вентилятора вращения собственных СВМрабочего-5: колеса, колебаний 2950 лопатокоб/мин;Значение1 – показывает,z НАК – + число К + СА,fв рабочихалюминий; есть что пятые лопаток.2 количество – НА гарм + К + оники СА, композит; пересечений могут 3 – вызвать К + СА, алюминий; рабочимирезонансные 4 – К + СА, лопатками явления композит нааэродинамического алюминиевыхЗначение fв лопатках, есть следа а заколичество вторая лопаткой гармоника НА пересечений за f СА одну – на секунду. композитных рабочими Следует лопатках. лопатками отметить, аэродинамическогочто с такой же частотойFig. следа 2. Frequency за лопатка лопаткой characteristics СА НА пересекает заof SVM одну-5 секунду.аэродинамическиеfan noise: Следует отметить, следы за На рис.1 – HA 2 + иK в+ CA,табл. aluminum; 3 представлены 2 – HA + K + CA, частотные composite; 3 – спектрыK + CA, aluminum; шума 4 вентилятора– K + CA, с алюминиевымчторабочими с такой лопатками. жеи композитным частотой лопатка колесами САcomposite пересекаети аэродинамическими аэродинамические схемами следыНА + К за +рабочими САРабочая и К + лопатками.СА. лопатка за один оборот проходит мимо zНА лопаток направляющего аппарата,Рабочая илопатка пересечение за один лопаткой оборот проходит аэродинамических мимо zНА следовлопаток за направляющего лопатками НА Рабочая лопатка за один оборот проходит мимо zНА лопаток направляющего аппарата,аппарата,вызывает и ивозмущающее пересечение пересечение лопаткой воздействие лопаткой аэродинамических аэродинамических с частотой следов следов за за лопатками лопатками НА НА вызывает возмущающее воздействие с частотой вызывает возмущающее воздействие с частотой n fНА kzn НА. (11) fНА kz60 НА. (11) (11) 60 Еще одно возмущающее воздействие обусловлено прохождением рабочей лопаткиЕщеЕще одно одномимо возмущающее возмущающеелопаток СА: воздействие воздействие обусловлено обусловлено прохождением прохождением рабочей рабочей ло- паткилопатки мимо мимо лопаток лопаток СА: СА: n fСА kzn СА. (12) (12) fСА kz60 СА. (12) 60 Вентилятор СВМ-5 имеет zК = 10, zНА = 11, zСА = 9 (точнее, 8 лопаток и Вентилятор СВМ-5 имеет zК = 10, zНА = 11, zСА = 9 (точнее, 8 лопаток и патру- Вентилятор СВМ-5 имеет zК = 10, zНА = 11, zСА = 9 (точнее, 8 лопаток и бокпатрубок для подвода для подвода питания питания к двигателю). к двигателю). Подстановка Подстановка величин величин в формулыв формулы патрубок(10) – (12) для дае подводат следующие питания значения к двигателю). частот первых Подстановка пяти гармоник, величин Гц: в формулы (10)–(12) дает следующие значения частот первых пяти гармоник, Гц: (10)fв = 492;– (12) 983; дае 1475;т следующие 1967; 2458; значения частот первых пяти гармоник, Гц: f = 492; 983; 1475; 1967; 2458; ffвНА =в 492;= 541; 983; 1082; 1475; 1623; 1967; 2163; 2458; 2704; ffНАСА == 541;443; 1082;885; 1328; 1623; 1770; 2163; 2213. 2704; fСА =Сопоставление 443; 885; 1328; полученных1770; 2213. частот с частотами собственных колебаний лопатокСопоставление показывает, полученных что пятые гарм частотоники с частотами могут вызвать собственных резонансные колебаний явления лопатокна алюминиевых показывает, лопатках, что пятые а вторая гарм гармоникаоники могут fСА вызвать– на композитных резонансные лопатках. явления на алюминиевыхНа рис. 2 и в лопатках,табл. 3 представлены а вторая гармоника частотные fСА – спектрына композитных шума вентилятора лопатках. с алюминиевымНа рис. 2 и ив композитнымтабл. 3 представлены колесами частотные и аэродинамическими спектры шума схемами вентилятора НА + сК алюминиевым+ СА и К + СА. и композитным колесами и аэродинамическими схемами НА + К + СА и К + СА. ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 105
fНА = 541; 1082; 1623; 2163; 2704; fСА = 443; 885; 1328; 1770; 2213. Сопоставление полученных частот с частотами собственных колебаний лопа- ток показывает, что пятые гармоники могут вызвать резонансные явления на алюминиевых лопатках, а вторая гармоника fСА – на композитных лопатках. На рис. 2 и в табл. 3 представлены частотные спектры шума вентилятора с алюминиевым и композитным колесами и аэродинамическими схемами НА + К + СА и К + СА.
Таблица 3. Уровень звука, дБ Table 3. Sound level, dB
Частота, Гц Эквивалентный Схема 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 уровень, дБА НА+К+СА, 71,2 70,6 73,8 83,2 102,6 92,7 92,1 86,1 75,3 102,6 алюминий НА+К+СА, 69,8 73,6 73,9 80,8 101,3 92,4 89,2 82,4 71,4 99,7 композит К+СА, 65,3 70,6 73,2 78,3 86,4 87,0 90,1 86,8 76,3 94,4 алюминий К+СА, 59,0 58,9 67,0 70,8 80,9 78,7 78,5 75,4 67,2 84,4 композит
В спектре шума схемы НА + К + СА ярко выражен пик на частоте 500 Гц (102,9 дБ для алюминиевых и 101,3 дБ для композитных лопаток). В целом харак- теристики подобны, заметно однако, что на высоких частотах уровень шума вен- тилятора с композитным колесом на 3–8 дБ ниже. Переход к схеме К + СА привел с существенному изменению шумовых харак- теристик. Пик на частоте 500 Гц сменился значительно меньшим увеличением силы звука. Кроме того, заметно повышение уровня звука, создаваемого алюми- ниевым колесом, на частоте 2000 Гц. Шум вентилятора с композитным колесом ниже по всей ширине диапазона частот, что выразилось в снижении эквивалент- ного уровня на 10 дБА. Выводы. Пик на частоте 500 Гц в схеме НА + К + СА обусловлен аэродинами- ческими следами за лопатками НА. Резонансные явления на данной частоте не обнаруживаются. Шум влияния НА превалирует над другими видами, и материал лопаток существенного значения не имеет. Причиной слабо выраженных пиков в спектре шума и алюминиевого, и компо- зитного колес на частоте 500 Гц в схеме К + СА, по-видимому, является пересече- ние лопатками СА аэродинамических следов за рабочими лопатками. Повышение уровня звука, создаваемого схемой К + СА с алюминиевыми ло- патками в интервале частот 2000–4000 Гц, предположительно вызвано резонанс- ными явлениями вследствие совпадения пятой гармоники частоты fв (влияние СА) с частотой собственных колебаний алюминиевой лопатки. Существенную роль в шумовом фоне играет вихревой шум, поэтому спек- тральные характеристики имеют в целом сглаженный характер. Оснащение вентилятора СВМ-5 (аэродинамическая схема К + СА) колесом с лопатками из композита позволило снизить эквивалентный уровень звука на 10 дБА, что подтверждает перспективность создания малошумных осевых венти- ляторов путем выполнения рабочих лопаток из материала с расчетными физико- механическими характеристиками. 106 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Таугер В. М., Мухачева Л. В., Волков Е. Б. Влияние шума осевых вентиляторов местного проветривания на условия труда горнорабочих // Математическое моделирование механических явлений: матер. Всерос. конф. Екатеринбург: УГГУ, 2017. С. 42–46. 2. Юдин Е. Я., Терехин А. С. Борьба с шумом шахтных вентиляционных установок. М.: Недра, 1973. 200 с. 3. Борьба с шумом на производстве: справочник / под ред. Е. Я. Юдина. М.: Машиностроение, 1985. 400 с. 4. Torshizi S. A. M., Benisi A. H., Durali M. Multilevel optimization of the splitter blade profile in the impeller of a centrifugal compressor // Scientia Iranica. 2017. No. 24. P. 707–714. 5. Wang P. Multi-objective design of a transonic turbocharger compressor with reduced noise and increased efficiency. Ph.D Thesis. London: UCL University, 2017. 213 р. 6. Сливина Л. П., Куклин Д. А., Матвеев П. В., Шешегов П. М., Зинкин В. Н. Инфразвук и низкочастотный шум как вредные производственные факторы // Безопасность труда в промышленности. 2020. № 2. С. 24–30. 7. Таугер В. М., Мухачева Л. В., Волков Е. Б. Предотвращение резонансных колебаний рабочих лопаток осевых вентиляторов // Известия вузов. Горный журнал. 2018. № 4. С. 119–123. 8. Мухачева Л. В., Таугер В. М. Метод проектирования малошумных осевых вентиляторов // Математическое моделирование механических явлений: матер. Всерос. конф. Екатеринбург: УГГУ, 2019. С. 62–64. 9. Torshizi S. A. M., Benisi A. H., Durali M. Numerical optimization and manufacturing of the impeller of a centrifugal compressor by variation of splitter blades. ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, Seoul, 13–17 June 2016. Р. 1–7. 10. Bousman W. G. Rotocraft airloads measurements: extraordinary costs, extraordinary benefits. The 31st Alexander Nikolsky Honorary Lecture // Journal of the American Helicopter Society. 2014. Vol. 59. No. 3. P. 32–38. 11. Mao Y. F. Numerical study of correlation between the surge of centrifugal compressor and the piping system. PhD Thesis. Xian: Xian Jiaotong University, 2016. 174 p. 12. Биргер И. А., Шорр Б. Ф., Иосилевич Г. Б. Расчет на прочность деталей машин: справочник / под ред. И. А. Биргера. М.: Машиностроение, 1993. 640 с. 13. Брусиловский И. В. Аэродинамические схемы и характеристики осевых вентиляторов ЦАГИ. М.: Недра, 1978. 198 с. 14. Шишкина А. С., Шишкин Г. Д. Оптимизация проточной части центробежного вентилятора с лопаточным направляющим аппаратом из условия минимизации гидродинамических источников шума // Гидравлика. 2019. № 9. С. 57–68. 15. Караджи В. Г., Московко В. Г. Выбор вентилятора по шуму // Сантехника. Отопление. Кондиционирование. 2006. № 6. С. 106–109.
Поступила в редакцию 18 мая 2020 года
Сведения об авторах: Кочнева Людмила Викторовна – старший преподаватель кафедры безопасности горного производства Уральского государственного горного университета. Е-mail: [email protected] Таугер Виталий Михайлович – кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой технической механики Уральского государственного горного университета. Е-mail: [email protected] Волков Евгений Борисович – кандидат технических наук, доцент кафедры технической механики Уральского государственного горного университета. Е-mail: [email protected]
DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-100-107 Study of physical and mechanical properties of working blades material effect of the noise from the mine axial fan Liudmila V. Kochneva1, Vitalii M. Tauger1, Evgenii B. Volkov1 1 Ural State Mining University, Ekaterinburg, Russia. Abstract Introduction. The high level of sound pressure created by an industrial axial fan negatively affects the performance of people, leads to a decrease in attentiveness, and provokes production errors. The desire to use small-sized and high-performance turbomachines leads to the need to find ways to create ventilation units with a reduced noise level. Research methodology. One promising way to influence the noise characteristics of axial machines is to prevent resonant vibrations of the working blades due to the manufacture of a material with calculated physical and mechanical characteristics. To date, a mathematical model of the blade as an elastic element has been constructed, which allows us to determine the frequency of its own vibrations. Comparison of this ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 107 frequency with the frequency of external influences will allow us to conclude about the probability of entering the blade into resonance with external influences. Results. In order to test the theoretical positions, an experiment was performed in which the sound pressure created by geometrically identical impellers was measured: aluminum, which is included in the fan delivery, and composite. Conclusions. It was found that equipping the fan with a wheel with composite blades can significantly reduce the sound level, which confirms the prospects for creating low-noise axial fans by making working blades of a material with calculated physical and mechanical characteristics. Key words: axial fan; noise; sound pressure; frequency of oscillation; a rotor blade; composite. REFERENCES 1. Tauger V. M., Mukhacheva L. V., Volkov E. B. The effect made by the local ventilation axial fans noise on miners’ labor condition. In: Mathematical simulation of mechanical events: proc. of the All- Russian conf. Ekaterinburg: UrSMU Publishing; 2017. p. 42–46. 2. Iudin E. Ia., Terekhin A. S. Protection from mine fans noise. Moscow: Nedra Publishing; 1973. (In Russ.) 3. Iudin E. Ia. (ed.) Protection from industrial noise. Moscow: Mashinostroenie Publishing; 1985. (In Russ.) 4. Torshizi S. A. M., Benisi A. H., Durali M. Multilevel optimization of the splitter blade profile in the impeller of a centrifugal compressor. Scientia Iranica. 2017; 24: 707–714. 5. Wang P. Multi-objective design of a transonic turbocharger compressor with reduced noise and increased efficiency. Ph.D Thesis. London: UCL University, 2017. 213 р. 6. Slivina L. P., Kuklin D. A., Matveev P. V., Sheshegov P. M., Zinkin V. N. Infrasound and low- frequency noise as harmful production factors. Bezopasnost truda v promyshlennosti = Occupational Safety in Industry. 2020; 2: 24–30. (In Russ.) 7. Tauger V. M., Mukhacheva L. V., Volkov E. B. Prevention of resonance oscillations of rotating blades of axial fans. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = News of the Higher Institutions. Mining Journal. 2018; 4: 119–123. (In Russ.) 8. Mukhacheva L. V., Tauger V. M. Method of designing low-noise axial fans. In: Mathematical simulation of mechanical events: proc. of the All-Russian conf. Ekaterinburg: UrSMU Publishing; 2019. p. 62–64. (In Russ.) 9. Torshizi S. A. M., Benisi A. H., Durali M. Numerical optimization and manufacturing of the impeller of a centrifugal compressor by variation of splitter blades. ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, Seoul, 13–17 June 2016. Р. 1–7. 10. Bousman W. G. Rotocraft airloads measurements: extraordinary costs, extraordinary benefits. The 31st Alexander Nikolsky Honorary Lecture. Journal of the American Helicopter Society. 2014; 59 (3): 32–38. 11. Mao Y. F. Numerical study of correlation between the surge of centrifugal compressor and the piping system. PhD Thesis. Xian: Xian Jiaotong University; 2016. 174 p. 12. Birger I. A., Shorr B. F., Iosilevich G. B., I. A. Birger (ed.) Machine parts stress analysis: reference book. Moscow: Mashinostroenie Publishing; 1993. (In Russ.) 13. Brusilovskii I. V. Aerodynamic schemes and characteristics of TsAGI axial fans. Moscow: Nedra Publishing; 1978. (In Russ.) 14. Shishkina A. S., Shishkin G. D. Optimizing the проточной части of the centrifugal fan with blade guide vanes in terms of minimizing hydrodynamic noise sources. Gidravlika = Hydraulics. 2019; 9: 57–68. (In Russ.) 15. Karadzhi V. G., Moskovko V. G. Selecting a fan by noise. Santekhnika. Otoplenie. Konditsionirovanie = Plumbing. Heating. Air-Conditioning. 2006; 6: 106–109. (In Russ.)
Received 18 May 2020
Information about authors: Liudmila V. Kochneva – senior lecturer, Department of Mining Industrial Safety, Ural State Mining University. Е-mail: [email protected] Vitalii M. Tauger – PhD (Engineering), Associate Professor, Head of Engineering Mechanics Department, Ural State Mining University. Е-mail: [email protected] Evgenii B. Volkov – PhD (Engineering), associate professor of Engineering Mechanics Department, Ural State Mining University. Е-mail: [email protected]
Для цитирования: Кочнева Л. В., Таугер В. М., Волков Е. Б. Исследование влияния физико- механических свойств материала рабочих лопаток на шум рудничного осевого вентилятора // Известия вузов. Горный журнал. 2020. № 5. С. 100–107. DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-100-107 For citation: Kochneva L. V., Tauger V. M., Volkov E. B. Study of physical and mechanical properties of working blades material effect of the noise from the mine axial fan.Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = News of the Higher Institutions. Mining Journal. 2020; 5: 100–107 (In Russ.). DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-100-107 108 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
УДК 622.625.6:622.28.042.4 DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-108-115
Исследование режима торможения подвижного состава шахтной подвесной монорельсовой дороги с учетом зазоров в сцепках
Гутаревич В. О.1*, Игнаткина Е. Л.1 1 Донецкий национальный технический университет, г. Донецк *e-mail: [email protected]
Реферат Введение. В настоящее время шахтные подвесные монорельсовые дороги находят все большее применение в угольных шахтах для перевозки вспомогательных грузов и людей. По сравнению с на- земным транспортом монорельсовый имеет существенные отличия, что не позволяет в полной мере использовать ранее полученные результаты исследований режимов торможения. Цель работы – установление закономерностей протекания процессов, возникающих во время режима торможения подвижного состава шахтной подвесной монорельсовой дороги с учетом зазоров в сцепках. Методология. Для обоснования параметров и разработки конструкций тормозных и сцепных устройств шахтной подвесной монорельсовой дороги разработана математическая модель дви- жения подвижного состава по монорельсу с учетом зазоров в сцепках. Результаты. Выявлены зависимости, описывающие процесс режима торможения подвижного состава на монорельсе и выполнен анализ параметров движения для разных значений коэффициен- тов жесткости, демпфирования и зазоров в сцепках. Установлено, что зазоры в сцепках подвиж- ного состава оказывают влияние на значение амплитуд продольных колебаний ходовых тележек и подвесных единиц. Выводы. Разработана математическая модель движения подвижного состава с учетом зазоров в сцепках, позволяющая моделировать режим торможения шахтной подвесной монорельсовой дороги.
Ключевые слова: математическая модель; подвесная монорельсовая дорога; режим тормо- жения; подвижной состав; сцепное устройство; коэффициент жесткости; коэффициент демп- фирования.
Введение. Исследование динамики шахтных подвесных монорельсовых до- рог как одного из перспективных видов вспомогательного транспорта горных предприятий является актуальной задачей. Математическое моделирование движения их подвижного состава позволяет обоснованно устанавливать пара- метры устройств, обеспечивающих эффективное торможение подвижного со- става, следовательно и безопасную эксплуатацию монорельсового транспорта в подземных условиях. Исследованию режима торможения и процессов, протекающих во время остановки подвижного состава железных дорог, посвящен ряд работ. В статье [1] изложена методика исследования «жесткой» математической модели, опи- сывающей взаимодействие колеса локомотива и рельса с учетом гипотезы Ф. Картера. В работе [2] представлен анализ вибраций рельсового пути при раз- личных расстояниях воздействия на него динамической нагрузки. Устойчивость динамических систем с трением исследована в работе [3]. Проблемы продоль- ной динамики грузовых поездов и моделирование режима регулировочного торможения поезда рассмотрены в статьях [4–6]. ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 109
Вопросам изучения динамики шахтных подвесных монорельсовых дорог посвящены работы [7, 8]. Исследования [9] направлены на оценку безопасности и надежности подвесной монорельсовой транспортной системы. В работе [10] приведена математическая модель торможения подвижного со- става с учетом его упруго-демпфирующих связей и колебаний перевозимого груза. При моделировании было установлено, что жесткостные и массовые па- раметры элементов подвижного состава существенно влияют на усилия в сцеп- ках, возникающие при торможении, что оказывает влияние на колебания эле- ментов подвесной монорельсовой дороги. Однако в этой модели не были учтены зазоры, существующие в сцепках между подвижными единицами, что не меша- ло достигнуть поставленных задач.
а
б
Рис. 1. Схема шахтной подвесной монорельсовой дороги: а – подвижной состав; б – сцепное устройство; 1 – монорельсовый путь; 2 – ходовая тележка; 3 – тяговая тележка; 4 – тормозная тележка; 5 – перевозимый груз Fig. 1. Scheme of mining suspended monorail: а – rolling stock; б – coupling; 1 – monorail road; 2 – driving units; 3 – tracks ; 4 – braking trolleys; 5 – cargo
Как показали исследования [11, 12], имеющиеся зазоры в сцепках между от- дельными единицами подвижного состава в значительной степени влияют на характер и значение продольных динамических нагрузок, действующих во вре- мя переходных режимов. Однако указанные исследования относятся к рельсо- вому транспорту и не учитывают особенности работы шахтных подвесных мо- норельсовых дорог. Из анализа опубликованных научных работ следует, что режим торможения работы шахтных подвесных монорельсовых дорог, в отличие от установивше- гося, является малоизученным и для обоснованного выбора параметров тор- мозных устройств необходимо провести исследования математической модели торможения подвижного состава с учетом зазоров в сцепках, соединяющих его подвесные единицы. Цель статьи заключается в установлении закономерностей процессов, воз- никающих во время режима торможения подвижного состава шахтной подвес- ной монорельсовой дороги с учетом зазоров в сцепках. Методология проведения исследований. На рис. 1, а представлена расчет- ная схема подвесной монорельсовой дороги как системы жестких тел, связан- ных между собой упруго-демпфирующими связями. Согласно этой схеме во
время торможения возможны отклонения подвески груза на углы ψ4, ψ6 и ψ8, которые возникают под действием сил инерции подвижного состава. Упрощен- ная схема сцепки, учитывающая зазор δ, показана на рис. 1, б.
2 “Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal”. No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 элементов подвесной монорельсовой дороги. Однако в этой модели не были учтены зазоры, существующие в сцепках между подвижными единицами, что не мешало достигнуть поставленных задач. Как показали исследования [11, 12], имеющиеся зазоры в сцепках между отдельными единицами подвижного состава в значительной степени влияют на характер и значение продольных динамических нагрузок, действующих во время переходных режимов. Однако указанные исследования относятся к рельсовому транспорту и не учитывают особенности работы шахтных подвесных монорельсовых дорог. Из анализа опубликованных научных работ следует, что режим торможения работы шахтных подвесных монорельсовых дорог, в отличие от установившегося, является малоизученным и для обоснованного выбора параметров тормозных устройств необходимо провести исследования математической модели торможения подвижного состава с учетом зазоров в сцепках, соединяющих его подвесные единицы. Цель статьи заключается в установлении закономерностей процессов, возникающих во время режима торможения подвижного состава шахтной подвесной монорельсовой дороги с учетом зазоров в сцепках. Методология проведения исследований. На рис. 1, а представлена расчетная схема подвесной монорельсовой дороги как системы жестких тел, связанных между собой упруго-демпфирующими связями. Согласно этой схеме во время торможения возможны отклонения подвески груза на углы ψ4, ψ6 и ψ8, которые110 "Izvestiya возникают vysshikh uchebnykh под действием zavedenii. Gornyi сил zhurnal". инерции No. 5. 2020 подвижногоISSN 0536-1028 состава. Упрощенная схема сцепки, учитывающая зазор δ, показана на рис. 1, б. СистемаСистема дифференциальных дифференциальных уравнений уравнений движения движения во во время торможения подвижногоподвижного состава состава с с учетом учетом его упруго-демпфирующихупруго-демпфирующих связей, колебаний перевозимогоперевозимого груза груза и и зазор зазоровов в всцепках сцепках будет будет иметь иметь вид: вид:
mxTtcxx1 1q 1 12 1 2 δ bxx12 1 2 0; mxcxx2 2 12 1 2 δ bxx12 1 2 cxx 23 2 3 δ bxx23 2 3 Ftq 0; mxcx3 3 23 2 x 3 δδ bx23 2 x 3 cx 35 3 x 5 bx35 3 x 5 mg / h x x δ 0; 4c 34
x43 ghx/ c x4 δ 0; mxcxx5 5 35 3 5 δδ bxx35 3 5 cxx 57 5 7 bxx57 5 7 mg6 / hc x 56 x δ 0; x6 ghx/ c 56 x δ 0; mxcxx δδ bxx cxx bxx 7 7 57 5 7 57 5 7 79 7 9 79 7 9
mg8 / hc x 78 x δ 0; x8 ghx/ c 78 x δ 0; mxcxx9 9 79 7 9 δ bxxcxx79 7 9 910 9 10 δ bxx910 9 10 Ftq 0; mxcxx10 10 910 9 10 δ bxx910 9 10 Ttq 10 0,
гдегде mm11,, mm1010 –– приведенныеприведенные массымассы тормозныхтормозных тележек; m3, m5, m7 – массы ходовых тележектележек сс приведеннойприведенной массоймассой частьючастью сцепки;сцепки; mm44,, mm66,, m88 – приведенные массы подвесныхподвесных элементов элементов подвижного подвижного состава состава с с учетом учетом приведенной массы груза; m2, m9 – приведенные массы тяговых тележек (устройств); х1, х2, …, х10 – m2, m9 – приведенные массы тяговых тележек (устройств); х1, х2, …, х10 – коорди- координаты перемещения центров тяжести указанных масс; hc – расстояние наты перемещения центров тяжести указанных масс; hc – расстояниеISSN между 0536 цен-1028- между3 «Изв центрамиестия вузов. тяжести Горный тележекжурнал», №и перевозимых5, 2020 грузов; cc12, cc23, cc35, cc57, cc79 и трами тяжести тележек и перевозимых грузов; cc12, cc23, cc35, cc57, cc79 и cc910 – ко- cc910 – коэффициенты жесткости сцепок для стыкуемых между собой тележек; эффициенты жесткости сцепок для стыкуемых между собой тележек; b , b , bc12, bc23, bc35, bc57, bc79 и bc910 – коэффициенты демпфирования c12 сцепокc23 соответственно;bc35, bc57, bc79 и Fbcq910(t), –T q коэффициенты1(t) и Tq10(t) – тормозные демпфирования силы, создаваемые сцепок соответственно; тяговыми и тормознымиFq(t), Tq1(t) и Tтележкамиq10(t) – тормозные соответственно; силы, создаваемые g – ускорение тяговыми силы и тяжести. тормозными тележ- камиПри соответственно; составлении математическойg – ускорение силы модели тяжести. не учитываются возмущения от подвесногоПри составлении монорельсового математической пути, модели а также не учитываются силы сопротивления возмущения от движению подвесно- подвижногого монорельсового состава. пути, Кроме а также того, силы считается, сопротивления что сила движению торможения подвижного изменяется состава. по сКромеледующей того, считается,зависимости: что сила торможения изменяется по следующей зависимости:
t Ttqi() T qi , tq22
гдегде qq – –коэффициент, коэффициент, учитывающий учитывающий время время нарастания нарастания силы торможения, силы торможения, разви- развиваемойваемой тормозной тормозной тележкой, тележкой, зависящий зависящий от от постоянной постоянной времени времени тормозной системы.системы. ОтличиеОтличие указаннойуказанной математическойматематической модели торможения шахтной подвесной монорельсовоймонорельсовой дорогидороги отот известных заключается в том, что учитывает наличие зазоровзазоров вв сцепкахсцепках подвижногоподвижного состава.состава. ВВ процессе процессе эксплуатации эксплуатации шахтной шахтной подвесной подвесной монорельсовой монорель дорогисовой значения дороги значенияуказанных указанных зазоров могут зазоров изменяться могут изменятьсяи составлять и от составлять 0,1 до 5 мм. от В 0,1 общем до 5 случае мм. В общем случае этот параметр определяется конструкцией сцепок и зависит от степени изношенности элементов их соединений. Результаты. Решение системы дифференциальных уравнений получено с помощью метода Рунге–Кутты. Исходные данные для моделирования приведены в табл. 1. При моделировании процесса торможения начальная скорость движения подвижного состава принималась равной 3,5 м/с, зазор в сцепках – 5 мм, коэффициент, учитывающий время нарастания силы торможения – 0,01. На рис. 2 представлены фазовые диаграммы колебаний, характеризующие изменение скорости движения единиц подвижного состава Vi в зависимости от изменения их координат xi, что позволяет определить величину тормозного пути, а также характер снижения скорости движения. На этом рисунке кривая 1 соответствует фазовой траектории массы т1, кривая 2 – т2. Остальные кривые обозначены в соответствии с индексом масс т3, т4, т5, т6, т7, т8, т9 и т10. Из фазовых диаграмм видна неравномерность движения единиц подвижного состава, которая особенно проявляется в последние моменты его остановки. Общий тормозной путь шахтной подвесной монорельсовой дороги составляет не более 1,9 м. При этом фазовые траектории масс т4, т6 и т8 практически совпадают, поэтому для дальнейшего анализа к вниманию принималась только масса т4. Графики изменения координат в зависимости от времени торможения подвижного состава приведены на рис. 3. На этом рисунке кривая 1 соответствует массе т1, кривая 2 – т2, а остальные – аналогично для соответствующих масс. Указанные кривые получены для параметров существующих современных шахтных подвесных монорельсовых дорог, значения которых сведены в табл. 1. Из рис. 3 видно, что во время торможения отдельные единицы подвижного состава за равные промежутки времени t имеют различные смещения xi. При этом возникают колебательные процессы, которые протекают и после остановки тормозной тележки. Прежде всего это объясняется действием инерционных сил движущихся масс, влиянием упругости и зазоров в сцепках, а также боковым раскачиванием подвешенного к ходовым тележкам груза, представленного массами т4, т6 и т8. При моделировании процесса торможения установлено, что с увеличением зазоров в сцепках подвижного состава амплитуды колебаний ходовых тележек и подвесных единиц повышаются. Расчеты показывают, что при δ = 5 мм значение ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 111 этот параметр определяется конструкцией сцепок и зависит от степени изношен- ности элементов их соединений. Результаты. Решение системы дифференциальных уравнений получено с по- мощью метода Рунге–Кутты. Исходные данные для моделирования приведены в табл. 1.
Таблица 1. Исходные данные для моделирования режима торможения шахтной подвесной монорельсовой дороги Table 1. Initial data for modeling the braking mode of a mine suspended monorail
Параметр Обозначение Значение
Масса, т m1, m10 0,2
m2, m9 4,0
m3, m5, m7 2,0
m4, m6, m8 8,0
Тормозная сила, кН Fq(t), Tq1(t), Tq10(t) 60,0
Коэффициент жесткости сцепки, кН/м cc12, cc23, cc35, cc57, cc79, cc910 1000,0
Коэффициент демпфирования сцепки, кН · с/м bc12, bc23, bc35, bc57, bc79, bc910 5,0 Расстояние между центрами масс тележек и перевозимых грузов, м hc 1,0
При моделировании процесса торможения начальная скорость движения под- вижного состава принималась равной 3,5 м/с, зазор в сцепках – 5 мм, коэффици- ент, учитывающий время нарастания силы торможения – 0,01.
Vi, м/c Vi, м/c
1 10 3 4 3,5 3,5
5 7 2,0 2,0 6, 8
9
0,5 2 0,5
–1,0 –1,0 0 0,6 1,2 1,8 xi, м 0 0,6 1,2 1,8 xi, м
Рис. 2. Фазовые диаграммы колебаний масс подвижного состава: а – для масс т1, т2, т3, т4, т5; б – для масс т6, т7, т8, т9, т10 Fig. 2. Phase diagrams of rolling stock mass fluctuations: а – for masses т1; т2; т3; т4; т5; б – for masses т6; т7; т8; т9; т10
На рис. 2 представлены фазовые диаграммы колебаний, характеризующие из- менение скорости движения единиц подвижного состава Vi в зависимости от из- менения их координат xi, что позволяет определить величину тормозного пути, а также характер снижения скорости движения. На этом рисунке кривая 1 соот- ветствует фазовой траектории массы т1, кривая 2 – т2. Остальные кривые обо- значены в соответствии с индексом масс т3, т4, т5, т6, т7, т8, т9 и т10. Из фазовых диаграмм видна неравномерность движения единиц подвижного состава, которая особенно проявляется в последние моменты его остановки. 112 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 Общий тормозной путь шахтной подвесной монорельсовой дороги составляет не более 1,9 м. При этом фазовые траектории масс т4, т6 и т8 практически совпада- ют, поэтому для дальнейшего анализа к вниманию принималась только масса т4. Графики изменения координат в зависимости от времени торможения подвиж- ного состава приведены на рис. 3. На этом рисунке кривая 1 соответствует массе т1, кривая 2 – т2, а остальные – аналогично для соответствующих масс. Указан- ные кривые получены для параметров существующих современных шахтных подвесных монорельсовых дорог, значения которых сведены в табл. 1.
xi, м
3 1,8 4
2 1,2
1 0,6
0 0,6 1,2 1,8 t, с
Рис. 3. Графики изменения координат в зависимости от времени торможения подвижного состава: 1 соответствует массам т1 и т10; 2 – т2, т9; 3 – т3, т5, т7; 4 – т4 Fig. 3. Graphs of changes in coordinates depending on the braking time of the rolling stock: curve 1 corresponds to the masses т1 and т10; 2 – т2, т9; 3 – т3, т5, т7; 4 – т4
Из рис. 3 видно, что во время торможения отдельные единицы подвижного состава за равные промежутки времени t имеют различные смещения xi. При этом возникают колебательные процессы, которые протекают и после остановки тормозной тележки. Прежде всего это объясняется действием инерционных сил движущихся масс, влиянием упругости и зазоров в сцепках, а также боковым рас- качиванием подвешенного к ходовым тележкам груза, представленного массами т4, т6 и т8. При моделировании процесса торможения установлено, что с увеличением за- зоров в сцепках подвижного состава амплитуды колебаний ходовых тележек и подвесных единиц повышаются. Расчеты показывают, что при δ = 5 мм значение наибольшей амплитуды раскачивания перевозимого груза ψ4 составляет 0,72 рад, а при δ = 50 мм – 0,80 рад. В этом случае разница между указанными значениями амплитуд составляет практически 10 %. В качестве примера на рис. 4 показаны графики изменения скорости подвиж- ного состава во время его торможения, которые построены с помощью представ- ленной выше математической модели. При этом использовались значения входя- щих в нее параметров, указанные в табл. 1. Результаты, приведенные на рис. 4, соответствуют режиму торможения задней по ходу движения тележки. Из этого рисунка видно, что после остановки под- вижного состава продолжаются периодические затухающие колебания ходовых тележек и перевозимого груза. Как показывают расчеты, для полной остановки подвижных единиц требуется не менее 6 с. Для сокращения указанного времени ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 113 следует увеличивать коэффициент жесткости сцепок, коэффициент их демпфи- рования, а также необходимо уменьшать расстояние между центрами тяжести тележек и перевозимых грузов.
Vi, м 1 1,8
2 1,2
0,6 4 3
0 0,6 1,2 1,8 t, с
Рис. 4. Графики изменения скорости подвижного состава во время торможения: 1 соответствует массам т1 и т10; 2 – т2, т9; 3 – т3, т5 и т7; 4 – т4 Fig. 4. Graphs of changes in the speed of the rolling stock during braking, where curve: 1 corresponds to the masses т1 and т10; 2 – т2, т9; 3 – т3, т5 and т7; 4 – т4
Выводы. Разработана математическая модель торможения шахтной подвес- ной монорельсовой дороги с учетом зазоров в сцепках подвижного состава. Модель может быть использована для обоснования параметров тормозных систем и режимов торможения монорельсового транспорта.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Нехаев В. А., Николаев В. А. Некоторые математические аспекты исследования «жесткой» динамической модели, описывающей взаимодействие колеса и рельса // Известия Транссиба. 2015. № 4(24). С. 45–56. 2. Радковский С. А., Трунаев А. М., Пойманов В. Д. Моделирование колебаний железнодорожного рельса при воздействии на него подвижной вертикальной динамической нагрузки // Сборник научных трудов ДОНИЖТ. 2016. № 43. С. 4–9. 3. Guran A., Pfeiff er F., Popp K. Dynamics with friction: modeling, analysis and experiment. Part II. Series on stability. Vibration and control of systems // World Scientifi c Connecting Great Minds. URL: https://doi.org/10.1142/4720 (дата обращения: 18.03.2020). 4. Varazhun I., Shimanovsky A., Zavarotny A. Determination of longitudinal forces in the cars automatic couplers at train electrodynamic braking // Procedia Engineering. 2016. Vol. 134. P. 415–421. 5. Пудовиков О. Е., Муров С. А. Моделирование режима регулировочного торможения длинносоставного поезда // Мир транспорта. 2015. Т. 13. № 2(57). C. 28–33. 6. Сенько В. И., Галай Е. Э. Оптимизация регулировочной характеристики автоматического регулятора режимов торможения вагона // Механика машин, механизмов и материалов. 2015. № 4(33). С. 14–19. 7. Gutarevich V. Dynamic processes during monorail locomotive rocking and their impact on draw gear characteristics // Transport Problems. 2011. Vol. 6. Iss. 2. Р. 43–51. 8. Gutarevych V. Research of regularities of suspended mine monorail motion // Mechanical Testing and Diagnosis. 2014. Vol. 1(IV). Р. 12–17. 9. Bao Y., Li Y., Ding J. Case study of dynamic response analysis and safety assessment for a suspended monorail system // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2016. Т. 13. No. 11. Р. 1121. 10. Игнаткина Е. Л. Исследование процесса торможения шахтных подвесных монорельсовых дорог для обеспечения безопасности эксплуатации // Проблемы недропользования: сб. науч. тр. Междунар. форума-конкурса молодых ученых, 18–20 апреля 2018 г. Ч. II. СПб: СПбГУ, 2018. С. 58–61. 11. Шимановский А. О., Сахаров П. А. Влияние зазоров в автосцепных устройствах на продольные силы в межвагонных соединениях однородного поезда // Механика машин, механизмов и материалов. 2019. № 2(47). С. 42–50. 12. Поляков Н. С., Новиков Е. Е. Динамика шахтного рельсового транспорта. Киев: Наукова думка, 1973. 200 с. Поступила в редакцию 14 апреля 2020 года 114 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
Сведения об авторах: Гутаревич Виктор Олегович – доктор технических наук, доцент, профессор кафедры транспортных систем и логистики Донецкого национального технического университета. E-mail: [email protected] Игнаткина Евгения Леонидовна – аспирант кафедры транспортных систем и логистики Донецкого национального технического университета. E-mail: [email protected]
DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-108-115 Study of the braking regime of rolling stock mining suspended monorail taking into account clearances in the coupling Viktor O. Gutarevich1, Evgenia L. Ignatkina1 1 Donetsk National Technical University, Donetsk. Abstract Introduction. Currently, mine suspended monorails are becoming more common in coal mines for auxiliary cargo and people transportation. Compared to ground transport, monorail has significant differences, which does not allow to fully use the previously obtained results of braking modes studies. Research aims to establish regularities in the processes that occur during the mine suspended monorail road rolling stock braking mode, taking into account clearances in the couplings. Methodology. To substantiate the parameters and designs of brake and coupling devices of a mine suspended monorail, a mathematical model of rolling stock movement along the monorail has been developed. Results. Dependencies are established that describe the process of rolling stock braking on a monorail. Motion parameters for different values of stiffness, damping and clearances in the couplers are analyzed. It is established that the gaps in rolling stock coupling influence the value of undercarriage and suspension units longitudinal vibrations amplitudes. Conclusions. A mathematical model of rolling stock movement is developed with allowance for clearances in the coupling making it possible to simulate mine suspended monorail braking mode. Key words: mathematical model; suspended monorail; braking mode; rolling stock; coupling unit; stiffness coefficient, damping coefficient. REFERENCES 1. Nekhaev V. A., Nikolaev V. A. Some mathematical aspects of research «rigid» dynamic model, describing the interaction between wheel and rail. Izvestiia Transsiba = Journal of Transsib Railway Studies. 2015; 4 (24): 45–56. (In Russ.) 2. Radkovskii S. A., Trunaev A. M., Poimanov V. D. Modeling of railway rail vibrations when exposed to a movable vertical dynamic load. Sbornik nauchnykh trudov DONIZhT = Collection of scientific works of DRTI. 2016; 43: 4–9. (In Russ.) 3. Guran A., Pfeiffer F. & Popp K. Dynamics with Friction: Modeling, Analysis and Experiment. Part II. Series on Stability. Vibration and Control of Systems, Series B: Vol. 7. 2001. World Scientific Connecting Great Minds. Available from: https://doi.org/10.1142/4720 [Accessed 18th March 2020]. 4. Varazhun I., Shimanovsky A. & Zavarotny A. Determination of Longitudinal Forces in the Cars Automatic Couplers at Train Electrodynamic Braking. Procedia Engineering. 2016; 134: 415–421. 5. Pudovikov O. E., Murov S. A. Simulation of regulating braking mode of long train. Mir transporta = World of Transport and Transportation. 2015; 13; 2(57): 28–33. (In Russ.) 6. Senko V. I., Galai E. E. Optimization of the control characteristics of automatic regulator of cargo regimes of waggon braking. Mekhanika mashin, mekhanizmov i materialov = Mechanics of Machines, Mechanisms and Materials. 2015; 4(33): 14–19. (In Russ.) 7. Gutarevich V. Dynamic Processes During Monorail Locomotive Rocking and their Impact on Draw Gear Characteristics. Transport Problems. 2011; 6; 2: 43–50. 8. Gutarevych V. Research of Regularities of Suspended Mine Monorail Motion. Mechanical Testing and Diagnosis. 2014; 1(IV): 12–17. 9. Bao Y., Li Y., Ding J. A Case Study of Dynamic Response Analysis and Safety Assessment for a Suspended Monorail System. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2016; 13(11): 1121. 10. Ignatkina E. L. Investigation of the braking process of mine suspended monorails to ensure operational safety. In: The Problems of Subsoil Use: Proc. of International Forum-Competition for Young Scientists, April 18–20, 2018. Pt. 2. St. Petersburg: St. Petersburg Mining University, 2018. p. 58–61. (In Russ.) 11. Shimanovskii A. O., Sakharov P. A. Effect of clearances in automatic couplers on longitudinal forces in inter-car joints of a homogeneous train. Mekhanika mashin, mekhanizmov i materialov = Mechanics of Machines, Mechanisms and Materials. 2019; 2(47): 42–50. (In Russ.) 12. Polyakov N. S., Novikov E. E. Dynamics of mine rail transport. Kiev: Naukova Dumka Publishing; 1973. (In Russ.) Received 14 April 2020 ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 115
Information about authors: Viktor O. Gutarevich – DSc (Engineering), Associate Professor, professor of the Department of Transports Systems and Logistics, Donetsk National Technical University. E-mail: [email protected] Evgenia L. Ignatkina – PhD student of the Department of Transports Systems and Logistics, Donetsk National Technical University. E-mail: [email protected]
Для цитирования: Гутаревич В. О., Игнаткина Е. Л. Исследование режима торможения подвижного состава шахтной подвесной монорельсовой дороги с учетом зазоров в сцепках // Известия вузов. Горный журнал. 2020. № 5. С. 108–115. DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-108-115 For citation: Gutarevich V. O., Ignatkina E. L. Study of the braking regime of rolling stock mining suspended monorail taking into account clearances in the coupling. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = News of the Higher Institutions. Mining Journal. 2020; 5: 108–115 (In Russ.). DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-108-115 электрификация и автоматизация горных предприятий
УДК 621.316.542.622.012.622.8 DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-116-132
Метод оценки и прогнозирования перенапряжений при дуговых однофазных замыканиях на землю в сетях 6–10 кВ как средство повышения уровня электробезопасности на горных предприятиях
Кузьмин Р. С.1*, Кузьмин И. С.1, Меньшиков В. А.1, Кузьмин С. В.1, Куликовский В. С.1 1 Сибирский федеральный университет, г. Красноярск, Россия *e-mail: [email protected]
Реферат Введение. Основной причиной многоместных повреждений изоляции являются перенапряжения в режиме однофазных замыканий на землю (ОЗЗ). Следовательно, оценка и прогнозирование пе- ренапряжений при ОЗЗ в сетях 6–10 кВ является актуальной задачей, решение которой позво- лит выбрать эффективные методы и средства по ограничению перенапряжений и улучшить условия электробезопасности. Цель работы. Совершенствование методов оценки и прогнозирования перенапряжений придуго- вых ОЗЗ в сетях 6–10 кВ горных предприятий. Методология. В статье показано, что существующие гипотезы не в полной мере отражают факторы, влияющие на возникновение максимальных перенапряжений в режиме дугового ОЗЗ в сетях 6–10 кВ, так как не учитывают величину емкостного тока ОЗЗ, условия горения дуги, время существования ОЗЗ и мощность двигателей и трансформаторов. Результаты. Получены зависимости, отражающие взаимосвязь кратности перенапряжения от указанных факторов, которые можно использовать для оценки и прогнозирования перена- пряжений в сети 6–10 кВ с различными режимами нейтралей и на их основе обосновывать ра- циональный режим нейтрали с позиции эффективного ограничения перенапряжений в режиме дугового ОЗЗ. Выводы. Подтверждено, что с позиций электробезопасности сети 6–10 кВ с резистивным или комбинированным режимами нейтралей на горных и горноперерабатывающих предприятиях создают условия для более безопасной эксплуатации технологических комплексов и электрообо- рудования, так как позволяют снизить максимальные кратности перенапряжений в два раза и тем самым уменьшить количество повторных пробоев изоляции в режиме ОЗЗ.
Ключевые слова: горные предприятия; сети 6–10 кВ; однофазное замыкание на землю; пере- напряжение; режим нейтрали; электробезопасность.
Однофазные замыкания на землю (ОЗЗ) в системах электроснабжения 6–10 кВ горных предприятий являются основным видом аварий, так как на долю ОЗЗ при- ходится от 65 до 76 % аварийных отключений в сетях 6–10 кВ [1, 2]. Установлена взаимосвязь между количеством ОЗЗ в сетях 6–10 кВ и электро- травматизмом на угольных разрезах. С ростом количества ОЗЗ увеличивается об- щий электротравматизм [3]. Основными причинами ОЗЗ являются естественное старение изоляции [3, 4], перенапряжения в режиме ОЗЗ [5, 6] и коммутационные перенапряжения [7–11]. Рассмотрим влияние перенапряжений в режиме ОЗЗ на возможность повтор- ных пробоев изоляции и на рост количества ОЗЗ.
ISSN 0536-1028 2 2 “Izvestiya“Izvestiya vysshikh vysshikh uchebnykh uchebnykh zavedenii. zavedenii. Gornyi Gornyi zhurnal zhurnal”. No.”. No.5. 20 520. 20 20 ISSN 0536-1028 2 “Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal”. No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 “Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal”. No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 2ISSN Рассмотрим 0536-1028Рассмотрим влияние влияние перенапряжений перенапряжений «Известия ввузов. врежиме Горный режиме журнал», ОЗЗ ОЗЗ на № на 5, возможность 2020 возможность117 повторныхповторныхРассмотрим пробоев пробоев влияние изоляции изоляции перенапряжений и на и ростна рост количества количества в режиме ОЗЗ. ОЗЗ. ОЗЗ на возможность повторныхРассмотрим пробоев влияние изоляции перенапряжений и на рост количества в режиме ОЗЗ. ОЗЗ на возможность повторныхКакКак правило, пробоев правило, ОЗЗизоляции ОЗЗ сопровождаются сопровождаются и на рост количества горением горением ОЗЗ. дуги, дуги, что что приводит приводит к к возникновениюКак правило, правило, перенапряженийОЗЗ ОЗЗ сопровождаются сопровождаются в системе горением горением электроснабжения. дуги, что дуги, приводит что Каждое приводитк возникно треть е- к вениюКаквозникновению перенапряжений правило, ОЗЗ перенапряжений в сопровождаютсясистеме электроснабжения. в системе горением электроснабжения. Каждое дуги, третье что приводит КаждоеОЗЗ в сетях треть к е ОЗЗвозникновениюОЗЗ в сетях в сетях 6 кВ 6 перенапряжений кВ карьеров карьеров и угольных и угольных в системе разрезов разрезов электроснабжения. приводит приводит к дополнительному к дополнительному Каждое третье возникновению6ОЗЗ кВ вкарьеров сетях 6 и кВ перенапряженийугольных карьеров разрезов и угольных в приводит системе разрезов электроснабжения.к дополнительному приводит к дополнительному Каждоепробою изоля третье- ОЗЗпробоюпробою в сетях изоляции 6 изоляции кВ карьеров кабельно кабельно и угольных-воздушных-воздушных разрезов линий, линий, приводит трансформаторов трансформаторов к дополнительному или или электродвигателей,циипробоюэлектродвигателей, кабельно-воздушных изоляции т. е. т. кабельнок е. образованию к линий,образованию-воздушных трансформаторов многоместных многоместных линий, повреждений или трансформаторовповреждений электродвигателей, [12]. [12]. или пробоют.электродвигателей, е. к образованию изоляции многоместныхт. е. кабельно к образованию-воздушных повреждений многоместных линий, [12]. повреждений трансформаторов [12]. или электродвигателей,ОбразованиеОбразование многоместных т. многоместных е. к образованию повреждений повреждений многоместных изоляции изоляции повреждений эле электроприемниковктроприемников [12]. и и кабельнокабельноОбразование-воздушных-воздушных многоместных многоместных линий линий способствует способствует повреждений повреждений увеличению увеличению изоляции изоляции количества электроприемников количества электроприемников ОЗЗ О ЗЗи зон, и изон, где ка - игде кабельноОбразование-воздушных многоместных линий способствует повреждений увеличению изоляции количества электроприемников ОЗЗ и зон, где и кабельномогутбельно-воздушныхмогут возникнуть - возникнутьвоздушных опасныелиний линий опасные способствует напряженияспособствует напряжения увеличению прикосновения увеличению прикосновения количества количества и шага. и шага. ОЗЗ Следовательно, О иЗЗ Следовательно, зон, и зон, где могде- перенапряжениягутмогутперенапряжения возникнуть возникнуть опасные в опасные режимев режименапряжения напряжения ОЗЗ ОЗЗ негативно прикосновения негативно прикосновения влияют влияют и шага. на и на шага.Следовательно, электробезопасность электробезопасность Следовательно, пере- могутперенапряжения возникнуть в опасные режиме напряжения ОЗЗ негативно прикосновения влияют наи шага. электробезопасность Следовательно, перенапряженияэксплуатациинапряженияэксплуатации в режиме электрообо вэлектрообо режиме ОЗЗ негативнорудования рудования ОЗЗ негативно влияют и системи на систем электробезопасность влияют электроснабжения электроснабжения на электробезопасность эксплуатации на на горных горных предприятиях.эксплуатациипредприятиях. электрообо рудования и систем электроснабжения на горных эксплуатацииэлектрооборудованияпредприятиях. электрообо и системрудования электроснабжения и систем на электроснабжения горных предприятиях. на горных предприятиях.ДляДляДля обоснования обоснования обоснования и ивыбора выбора и выбора эффективных эффективных эффективных методов методов методов и средств и средств и ограничения средств ограничения ограничения пере- перенапряженийДля обоснования при идуговых выбора ОЗЗ эффективных необходимо методов достоверно и средств оценить ограничения величину напряженийДляперенапряжений обоснования при дуговых при и выбора дуговыхОЗЗ необходимо эффективных ОЗЗ необходимо достоверно методов достоверно оценить и средств величину оценить ограничения возмож величину- возможныхперенапряженийвозможных перенапряжений перенапряжений при дуговых и сопоставить и ОЗЗ сопоставить необходимо ее сее возможностью с достоверновозможностью оценитьпр обояпробоя изоляции. величину изоляции. перенапряженийныхвозможных перенапряжений перенапряжений при и дуговых сопоставить и сопоставить ОЗЗ ее необходимо с возможностью ее с возможностью достоверно пробоя оценить изоляции.пробоя величинуизоляции. Основ- возможныхОсновнымОсновным перенапряжений показателем показателем величины и величины сопоставить перенапряжений перенапряжений ее с возможностью является является пр обоя их их кратность.изоляции. кратность. КратностьнымОсновнымКратность показателем перенапряжений показателем перенапряжений величины величины перенапряжений в режимев режиме перенапряжений ОЗЗ ОЗЗ является– это– это отношениеих является отношениекратность. их максимально Кратность максимальнократность. ОсновнымперенапряженийКратность показателем перенапряжений в режиме величины ОЗЗ в – это режиме отношение перенапряжений ОЗЗ максимально– это отношениеявляется возможной их максимально кратность. величи- Кратностьвозможнойвозможной перенапряжений величины величины перенапряжения перенапряжения в режиме ОЗЗ к амплитудномук – амплитудному это отношение значению значению максимально фазного фазного напряжения,нывозможнойнапряжения, перенапряжения т. величины е. т. е. к амплитудному перенапряжения значению к амплитудному фазного напряжения, значению т. е. фазного возможнойнапряжения, величины т. е. перенапряжения к амплитудному значению фазного напряжения, т. е. U maxUmax KперK U , , K перUU max , пер maxфmUфm Kпер Uфm , Uфm где Umax – максимально возможное значение перенапряжения, В; Uфm – где где U U –max максимально – максимально возможное возможное значение значениеперенапряжения, перенапряжения, В; U – амплитуд В; Uф-m – амплитудноегде Umaxmax – значениемаксимально фазного возможное напряжения, значение В. перенапряжения,фm В; Uфm – гдеамплитудное Umax – максимально значение фазного возможное напряжения, значение В. перенапряжения, В; Uфm – ноеамплитудноеДанный значение показатель фазногозначение напряжения, нефазного совсем напряжения, удобен В. для В. практического использования, так амплитудноеДанныйДанный показатель значение показатель фазногоне несовсем совсем напряжения, удобен удобен для В.для практического практического использования, использования, так так каккак Данный на на показатель всех всех линиях, не линиях, совсем электрооборудовании, удобен электрооборудовании, для практического трансформаторах трансформаторахиспользования, так и и какДанный на всех на показательлиниях, всех электрооборудовании, линиях, не совсем электрооборудовании,удобен для трансформаторах практического трансформаторах и исполь электродвигателяхзования, так и какэлектродвигателяхэлектродвигателях на всех линиях, указывается указывается электрооборудовании, номинальное номинальное напряжение. напряжение. трансформаторах Наиболее Наиболее и рациональнымуказываетсяэлектродвигателяхрациональным номинальное и практическим и практическим указывается напряжение. является является номинальное Наиболее показатель показатель рациональным напряжение. кратности, кратности, и практическимотражающий отражающий Наиболее электродвигателяхявляетсярациональным показатель и практическим кратности, указывается отражающий является номинальное показатель отношение напряжение. кратности, максимально отражающий Наиболее возмож- рациональнымотношениеотношение максимально максимально и практическим возможной возможной является величины величины показатель перенапряж перенапряж кратности,енияения к номинальному к отражающий номинальному значению,нойотношениезначению, величины т. максимально е. т. перенапряжения е. возможной к номинальному величины перенапряж значению, т.ения е. к номинальному отношениезначению, т.максимально е. возможной величины перенапряжения к номинальному значению, т. е. U maxUmax KпнK U , ,(1) (1) K пнUUmax , (1) (1) K пн maxн U, н (1) пн Uн Uн где Uн – номинальное напряжение сети, В. где где U U– нноминальное – номинальное напряжение напряжение сети, сети, В. В. гдеПринимая UннПринимая – номинальное во внимание,во внимание, напряжение что что сети, В. где ПринимаяUн – номинальное во внимание, напряжение что сети, В. Принимая во внимание, что U U фmUфm фmUфm UUнфUU3;3; U ф U Uфm; ; U н U 3,U3,фm нф фU н U UUнф 3; Uф ф2m ;2 Uн 3,ф2m 2 UUнф 3; Uф 2 ; Uн 3,2
2 2 выражение в ыражение (1) (1)может может быть быть представлено представлено в виде: в виде: выражение (1) может быть представлено в виде: ввыражениеыражение (1)(1) можетможет бытьбыть представленопредставлено вв виде:виде: 22U 22п maxUп max KпнK22U KKпф KK 0,82 0,82пф . . Kпн 2233UUп max KK пф 0,82 . пф Kпн 33пф maxmUф m KKпф 0,82пф . пн 33Uфm пф пф 33Uфm Согласно Согласно исследованиям исследованиям И. И.Я. ЭпштейнаЯ. Эпштейна и А. и А.Ф. Ф.Гончарова, Гончарова, применительно применительно Согласно исследованиям И. Я. Эпштейна и А. Ф. Гончарова, применительно к условиямСогласнок условиям горнойисследованиям горной отрасли отрасли И. допустимые Я. допустимые Эпштейна значения значенияи А. Ф. кратностей Гончарова, кратностей перенапряжений применительно перенапряжений дляк условиямдляСогласно изоляции изоляции горнойисследованиям трансформаторов, трансформаторов, отрасли И. допустимые Я. электродвигателей Эпштейна электродвигателей значения и А. Ф. иГончарова, кратностей каб и кабельныхельных применительно перенапряженийлиний, линий, включая включая к кусловиямдля условиям изоляции горной горной трансформаторов, отрасли отрасли допустимые допустимые электродвигателей значения значения кратностей кратностейи кабельных перенапряжений перенапряжений линий, включая для дляразделкиразделки изоляции и муфты, и трансформаторов, муфты, соответственно соответственно электродвигателей равны равны 4,3; 4,3; 2,4; 2,4;и 4,3каб 4,3ельных при при условии, линий, условии, чтовключая что срок срок эксплуатацииизоляцииразделкиэксплуатации трансформаторов, и муфты, не не превышает превышает соответственно электродвигателей 5 лет. 5 лет. Если равны Если срок 4,3; срок и эксплуатации 2,4;кабельных эксплуатации 4,3 при линий, условии, трансформаторов, трансформаторов, включая что раз срок- разделкиэксплуатации и муфты, не превышает соответственно 5 лет. равны Если срок 4,3; 2,4;эксплуатации 4,3 при условии, трансформаторов, что срок эксплуатацииделки и муфты, не соответственно превышает 5 лет.равны Если 4,3; срок2,4; 4,3 эксплуатации при условии, трансформаторов, что срок эксплу- атации не превышает 5 лет. Если срок эксплуатации трансформаторов, электро- 118 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
двигателейISSN 0536-1028 и кабельных линий более«Изв 5естия лет, вузов. тогда Горный допустимая журнал», № кратность5, 2020 3 перенапряженийISSN 0536-1028 соответственно будет равна«Известия 2,8; вузов.1,8; 2,8, Горный а для журнал», разделок № 5 кабеля, 2020 и33 электродвигателейISSN 0536-1028 и кабельных линий «Извболееестия 5 лет, вузов. тогда Горный допустимая журнал», № кратность5, 2020 кабельных муфт данный показатель составит 2,5 [13, 14]. Очевидно, что если перенапряжэлектродвигателейэлектродвигателейений соответственно ии кабельныхкабельных линийлинийбудет равнаболееболее 2,8;55 лет,лет, 1,8; тогдатогда 2,8, адопустимаядопустимая для разделок кратностькратность кабеля иперенапряжкратности кабельных перенапряженийений муфт соответственно данный показательв режиме будет ОЗЗ составит равна в реальных 2,8; 2,5 1,8; [13, условиях 2,8, 14]. а дляОчевидно, эксплуатации разделок что кабеля если си- кратностиистем кабельных электроснабжения перенапряжений муфт данный горных показатель в режиме предприятий составит ОЗЗ в будут реальных 2,5 превышать[13, 14]. условиях Очевидно, допустимые эксплуатации что еслизна- системкратностичения, потребуется электроснабжения перенапряжений разработка горных в технических режиме предприя ОЗЗ мероприятий втий реальных будут превышать условияхи средств по эксплуатации допустимые их ограни- значения,системчению. электроснабжения Поэтому потребуется первостепенной разработка горных задачей техническихпредприя являетсятий мероприятий будут оценка превышать и прогнозированиеи средств допустимые по их ограничению.значения,перенапряженийзначения, потребуется потребуется Поэтомув режиме разработка разработка ОЗЗ. первостепенной технических технических задачей мероприятий мероприятий является и и средств средств оценка по по их их и прогнозированиеограничению.В период до 1990 Поэтомуперенапряжений г. существовало первостепенной в режиме три основные ОЗЗ. задачей гипотезы является возникновения оценка пе и- прогнозированиеренапряженийВ период до при 1990перенапряжений дуговых г. существовало ОЗЗ в в сетяхрежиме три с изолированнымОЗЗ. основные гипотезы режимом возникновения нейтрали: перенапряженийПетерсена,В период Петерса–Слепяна до при 1990 дуговых г. существовало иОЗЗ Белякова–Джуварлы. в сетях три с изолированным основные гипотезыгипотезы режимом возникновения возникновения нейтрали: перенапряжений при дуговых ОЗЗ в сетях с изолированным режимом нейтрали: Петерсена,перенапряженийПо гипотезе Петерса Петерсена, при–Слепяна дуговых дуга и ОЗЗБелякова гаснет в сетях при–Джуварлы. спереходе изолированным тока высокочастотных режимом нейтрали: коле- Петерсена,По гипотезе Петерса Петерсена,–Слепяна дугаи Белякова гаснет– Джуварлы. при переходе тока высокочастотных банийПо через гипотезе ноль Петерсена,и вновь зажигается дуга гаснет через при полпериода переходе промышленной тока высокочастотных частоты колебанийв моментПо гипотезе максимума через Петерсена, ноль напряжения и вновь дуга на зажигается гаснет поврежденной при че переходерез фазе, полпериода т. токае. перенапряжения высокочастотных промышленной воз- частотыколебаний в через момент ноль максимума и вновь зажигается напряжения че рез на поврежденнойполпериода промышленной фазе, т. е. перенапряжениячастотырастают от в зажигания момент возрастают максимума к зажиганию от зажигания напряжения электрической к зажиганию на дуги. поврежденной Подобный электрической режим, фазе, осно дуги. т. е.- Подобныйперенапряженияванный на «идеализированном» режим, возрастают основанный от поведении зажигания на «идеализированном» дуги, к зажиганию в реальных электрической поведенииусловиях маловеро дуги, дуги. в- реальныхПодобныйятен, но позволяетусловиях режим, малове получить основанныйроятен, предельные на но «идеализированном»позволяет значения получить перенапряжений, предельные поведении величина значения дуги, в перенапряжений,реальныхкоторых не условиях будет величинапревышать малове роятен,которых значение но не позволяет[15]:будет превышать получить значение предельные [15]: значения перенапряжений, величина которых не будет превышать значение [15]: 1, 5 1kd 1 UU 1, 5 1kd 1 , п max фm 1, 52 1kd 1 UUп max фm ,, п max фm 112kd 1 113 kd 1 3 гдегде UUффmm – – амплитуда амплитуда фазного напряжения, В; k – коэффициент, учитывающий учитывающий где Uфm – амплитуда фазного напряжения, В; k – коэффициент, учитывающий взаимосвязьгдевзаимосвязь Uфm – амплитуда межфазной межфазной фазного емкости емкости напряжения, Смф иС мффазной и В; фаемкости kзной – коэффициент, емкостиСф сети; d С– ф учитывающийкоэффициент, сети; d – коэффициент,взаимосвязьучитывающий межфазной демпфирующие учитывающий емкости свойства демпфирующие Смфмф сети, и фаопределяемый знойзной свойства емкости емкости сети, частотой С определяемыйфф сети; колебания d – частотойкоэффициент,и активным колебания сопротивлением учитывающий и активным сети. демпфирующие сопротивлением сети. свойства сети, определяемый частотойПрименительноПрименительно колебания к ки воздушно воздушно-кабельнымактивным-кабельным сопротивлением сетям сетям сети.6 6–10–10 кВ кВ карьеров карьеров и иразрезов разрезов d Применительно к воздушно-кабельным сетям 6–10 кВ карьеров и разрезов d =d = 0,1Применительно 0,1 и и k k = 0,1, 0,1, следовательно следовательно к воздушно- Uкабельным Uп max= =5,02 5,02 UсетямU,ф mкратность , 6 кратность–10 кВ перенапряженийкарьеров перенапряжений и разрезов в та в-d = 0,1 и k = 0,1, следовательно пU maxп max= 5,02фUm фm, кратность перенапряжений в таком=ком 0,1 случае случае и k =составит составит 0,1, следовательно K K пн= =4,12. 4,12. Uп max= 5,02Uфm, кратность перенапряжений в такомСогласно случае гипотезесоставит пн ПетерсаKпн = 4,12.–Слепяна, дуга гаснет при переходе через ноль такомСогласно случае гипотезесоставит K Петерса–Слепяна,пн = 4,12. дуга гаснет при переходе через ноль токаСогласно промышленной гипотезе частоты Петерса и– Слепяна, зажигается дуга вновь гаснет при при максимальном переходе через значении ноль напряжениятока промышленной промышленной промышленной частоты частоты и частоты и зажигается зажигается на поврежденнойвновь вновь при при максимальном максимальном фазе. Перенапряжения значении значении на- принапряженияпряжения этом возрастают промышленной промышленной значительно частоты частоты медленнее на поврежденнойна поврежденной по сравнению фазе. фазе. Перенапряженияс ростом Перенапряжения напряжений при согласноприэтом этом возрастают возрастают гипотезе значительно Петерсена, значительно медленнее а медленнее максимальная по сравнению по сравнению величина с ростом с перенапряжений ростом напряжений напряжений со не- будетсогласногласно превышать гипотезе гипотезе Петерсена, значения Петерсена, [15]: а максимальная а максимальная величина величина перенапряжений перенапряжений не будет не будетпревышать превышать значения значения [15]: [15]:
Uп max 1, 5 Uфmm 2, 2 Uф 1 kd 1 . Uп max 1, 5 Uфmm 2, 2 Uф 1 kd 1 . Uп max 1, 5 Uфmm 2, 2 Uф 1 kd 1 .
Согласно Согласно данной гипотезе, гипотезе, при при принятых принятых ранее ранее значениях значениях k иk d ивеличина d величина пе- перенапряженийСогласно данной при гипотезе,ОЗЗ в сетях при 6– принятых10 кВ карьеров ранее и значенияхразрезов может k и d достигатьвеличина ренапряжений при ОЗЗ в сетях 6–10 кВ карьеров и разрезов может достигать значенияперенапряжений Uп max = 3,12при UОЗЗфm, ав кратностьсетях 6–10 перенапряжений кВ карьеров и разрезовсоставит можетKпн = 2,56. достигать значения U = 3,12U , а кратность перенапряжений составит K = 2,56. значениязначенияСогласно Uпп max исследованиям = 3,12Uффm,, аа кратностькратность Н. Н. Белякова перенапряженийперенапряжений и И. М. составитсоставит Джуварлы, Kпнпн = в 2,56. реальных кабельныхСогласно сетях исследованиям исследованиям процесс горения Н. Н. Н. Н. Белякова дуги Белякова и возникновенияи И. и И.М. М.Джуварлы, Джуварлы, перенапряжений в реальных в реальных ка не- отвечаеткабельныхбельных сетях ни сетях гипотезе процесс процесс горения Петерсена, горения дуги дуги нии возникновения гипотезе и возникновения Петерса перенапряжений – перенапряженийСлепяна. Согласно не отве не- гипотезеотвечаетчает ни гипотезе Белякова ни гипотезе Петерсена,–Джуварлы, Петерсена, ни дуга гипотезе может ни гипотезе Петерса–Слепяна. гаснуть Петерса как при– Слеп первом,Согласнояна. так Согласно гипотезе и при последующемгипотезеБелякова–Джуварлы,гипотезе Белякова Белякова переходе–Джуварлы, дуга через может ноль дуга гаснуть высокочастотного может как гаснуть при первом, как тока, при атак также первом, и при при последую так переходе и при- черезпоследующемщем переходе ноль черезпереходе тока ноль промышленной через высокочастотного ноль высокочастотного частоты. тока, а также Максимальноетока, при а переходетакже при через значениепереходе ноль перенапряженийчерезтока промышленной ноль токаопределяется частоты. промышленной Максимальноевыражением частоты. [15]: значение Максимальное перенапряжений значениеопреде- перенапряжений определяется выражением [15]: перенапряженийляется выражением определяется [15]: выражением [15]:
Uп max 1, 5 UUфmm 2 ф 1 kd 1 . Uп max 1, 5 UUфmm 2 ф 1 kd 1 . Uп max 1, 5 UUфmm 2 ф 1 kd 1 .
ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 119
Для4 условий“Izvestiya системvysshikh uchebnykhэлектроснабжения zavedenii. Gornyi карьеров zhurnal и”. разрезовNo. 5. 2020 максимальнаяISSN 0536 ве--1028 “Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal”. No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 личина4 Для перенапряжений условий систем в режиме электроснабжения ОЗЗ, согласно карьеров последней и гипотезе, разрезов максимальнаяне превы- ситДля величиназначения условий U перенапряженийп max систем = 3,28 электроснабженияUфm, а кратность в режиме перенапряжений ОЗЗ, карьеров согласно и разрезов составит последней максимальная 2,69. гипотезе, не величинаСогласнопревысит перенапряжений гипотезамзначения U Петерса–Слепянап max в= 3,28 режимеUфm, а ОЗЗ, кратность и Белякова–Джуварлы, согласно перенапряжений последней перенапряже гипотезе, составит 2,69.не- нияпревысит в режимеСогласно значения дугового U гипотезамп max ОЗЗ = 3,28не должныUфm Петерса, а кратность приводить–Слепяна перенапряжений к пробою и изоляции Белякова составит кабельных–Джуварлы, 2,69. линийСогласноперенапряжения и трансформаторов, гипотезам в режиме так как Петерса дугового максимальная–Слепяна ОЗЗ кратность не должны и перенапряжений Белякова приводить–Джуварлы, к рав пробою- наперенапряжения 2,56изоляции и 2,69 кабельныхсоответственно в режиме линий дуговогои ине трансформаторов, превышает ОЗЗ недопустимое должны так как значение приводить максимальная 2,8. к пробою кратность изоляцииПоперенапряжений гипотезе кабельных Петерсена, равналиний при 2,56и трансформаторов, дуговыхи 2,69 соответственно ОЗЗ возможен так как пробойи м неаксимальная превышает изоляции кратность допустимоекабель- ныхперенапряженийзначение линий и 2,8.трансформаторов равна 2,56 и 2,69со сроком соответственно эксплуатации и не более превышает 5 лет, так допустимое как мак- значение 2,8. симальнаяПо кратность гипотезе Петерсена,перенапряжений при может дуговых достичь ОЗЗ 4,12, возможен что превышает пробой допу изоляции- Покабельных гипотезе линий Петерсена, и трансформаторов при дуговых со срокомОЗЗ возможен эксплуатации пробой более изоляции 5 лет, так стимуюкабельныхкак величину,макс линийимальная и равную трансформаторов кратность 2,8. В то перенапряжений соже сроком время изоляция эксплуатации может кабельных достичь более 5 линий лет, 4,12, так и что трансформаторовкак превышает максимальная допустимую со сроком кратность эксплуатации величину, перенапряжений равнуюдо 5 лет 2,8.должна может В выдерживать то достичь же время 4,12, перена изоляция что- пряженияпревышаеткабельных в режиме допустимую линий ОЗЗ. и трансформаторов величину, равную со сроком 2,8. Вэксплуатации то же время до 5 изоляция лет должна кабельныхАнализвыдерживать статистикилиний перенапряжения и трансформаторов отказов за периодв режиме со ссроком 2006ОЗЗ. по эксплуатации 2015 г. указывает до 5 лет на то,должна что практическивыдерживатьАнализ 27 перенапряжения статистики % пробоев отказовизоляции в режиме за кабельных период ОЗЗ. с 2006линий по и 2015трансформаторов г. указывает происна то,- что ходитАнализпрактически из-за статистикиперенапряжений 27 % отказов пробоев в режиме за изоляциипериод ОЗЗ. с При2006 кабельных этом по 2015 около линий г. 10 указывает и 17 и % трансформаторов приходится на то, что напрактически пробоипроисходит изоляции 27 из %-за кабельных пробоев перенапряжений изоляции линий и в трансформаторов кабельных режиме ОЗЗ. линий При со и этом сроком трансформаторов около эксплуата 10 и 17- % циипроисходитприходится до и более из - 5зана лет перенапряженийпробои соответственно изоляции вкабельных[1]. режиме ОЗЗ.линий При и трансформато этом около 10ров и со 17 сроком % приходитсяЭтоэксплуатации обстоятельство на пробои до и болееизоляцииуказывает 5 лет кабельных насоответственно то, что влиний режиме [1]. и трансформато дугового ОЗЗров могут со срокомвозни- катьэксплуатации перенапряженияЭто обстоятельство до и более с кратностью, 5 лет указывает соответственно превышающей на то, [1]. что вдопустимую режиме дугового величину, ОЗЗ рав могут- Это обстоятельство указывает на то, что в режиме дугового ОЗЗ могут нуювозникать 4,3, которая перенапряжения соответствует кабельнымс кратностью, линиям превышающей и трансформаторам допустимую со сроком величину, возникатьравную перенапряжения 4,3, которая соответствует с кратностью, кабельным превышающей линиям допустимую и трансформаторам величину, со эксплуатацииравнуюсроком 4,3, эксплуатации которая до 5 лет. соответствует до 5 лет. кабельным линиям и трансформаторам со срокомВ работахВ эксплуатации работах М. М.П. ДергилеваП. до Дергилева 5 лет. и В. и В.К. К.Обабкова Обабкова показано, показано, что что перенапряжения перенапряжения в в режимеВрежиме работах дугового дугового М. П. ОЗЗДергилева ОЗЗс кратностью с и кратностью В. К. отОбабкова 3,77 отдо 5,08показано, 3,77 могут до 5,08что возникать перенапряжения могут в возникатьэлектри -в в ческихрежимеэлектрических сетях дугового 6–10 кВсетях ОЗЗ при 6 с–токах 10 кратностью кВ замыкания при токах от на замыкания 3,77землю до в диапазонена 5,08 землю могут в7–24 диапаз возникать А наоне резо 7 –-24 в А нансныхэлектрическихна резонансных частотах сетях от частотах 62– до10 кВ22 кГцпри от 2токахв доточках 22 замыкания кГцподключения в точках на землю подключенияиндуктивной в диапазоне нагрузки, индуктивной 7–24 А вна роли резонансныхнагрузки, которой в роли частотах могут которой выступать от могут 2 до 22выступать трансформаторы кГц в точках трансформаторы подключения и электродвигатели и электродвигатели индуктивной [16]. Результатынагрузки,[16]. Результаты в данных роли которой исследований данных могут исследований полученывыступать на полученытрансформаторы физической на физическоймодели и электродвигатели сети имодели частично сети и объясняют[16].частично Результаты возможность объясняют данных пробоя исследований возмо изоляциижность получены пробоякабельных на изоляции физическойлиний и кабельныхтрансформаторов модели сети линий и и сочастично срокомтрансформаторов эксплуатации объясняют со возмосрокомдо 5 лет.жность эксплуатации пробоя до изоляции 5 лет. кабельных линий и трансформаторовДанныеДанные исследования исследования со сроком позволили эксплуатации позволили установить установ до 5 лет. ить тенденцию тенденцию влияния влияния мощности мощности Данные исследования позволили установить тенденцию влияния мощности нагрузки,нагрузки, величины величины емкостного емкостного тока ОЗЗ тока на величину ОЗЗ на величинуперенапряжений перенапряжений и указать и нагрузки,указать величиныместа возникновения емкостного ма токаксимально ОЗЗ навозможных величину перенапряжений, перенапряжений но ине в местауказатьполной возникновения места мере возникновения учитывают максимально время максимально существованиявозможных возможных перенапряжений, ОЗЗ перенапряжений,и условия но среды, не в полной нов которойне в мереполнойпроисходит учитывают мере учитывают горение время существования дуги. время существования ОЗЗ и условия ОЗЗ и среды,условия в которойсреды, впроисхо которой- дитпроисходит горениеАвторами горениедуги. статьи дуги. в период с 2000 по 2015 г. были выполнены обширные Авторамиизмерения статьи статьи токов в ив период перенапряженийпериод с с2000 2000 по по 2015 в 2015режиме г. были г. были ОЗЗ выполнены в выполненысетях 6обширные–10 обширные кВ горных из- и меренияизмерениягорноперерабатывающих токов токов и перенапряжений и перенапряжений предприятий. в режиме в режиме ОЗЗ в ОЗЗ сетях в сетях6–10 кВ 6– горных10 кВ горныхи горно - и перерабатывающихгорноперерабатывающихИзмерение токов предприятий. ОЗЗпредприятий. выполнялось прямым методом: непосредственным Измерениезамыканием токов токов одной ОЗЗ ОЗЗ из выполнялось фаз выполнялось сети на землюпрямым прямым через методом: методом: выключатель непосредственным непосредственным резервной ячейкиза- мыканиемзамыканиемРУ 6–10 одной кВ одной [4]. из изфаз фаз сети сети на землюна землю через через выключатель выключатель резервной резервной ячейки ячейки РУ 6–10РУ 6 –кВ10Применительно [4].кВ [4]. к сетям с изолированным режимом нейтрали измеренный ток ПрименительноОЗЗ принимается к сетямравным сс изолированным изолированнымемкостному току режимомрежи ОЗЗ,мом т. е. нейтралинейтрали измеренныйизмеренный ток ток ОЗЗ принимается равным емкостному току ОЗЗ, т. е. ОЗЗ принимается равным емкостному току ОЗЗ, т. е. IIОЗЗ С. IIОЗЗ С. В сетях с резистивным режимом нейтрали одновременно фиксировался Вполный сетях сетях с ток срезистивным резистивнымОЗЗ (IОЗЗ) ирежимом активный режимом нейтрали ток, нейтрали протекающий одновременно одновременно через фиксировался резистор фиксировался IR .пол В -этом ныйполныйслучае ток ОЗЗток емкостная ОЗЗ(IОЗЗ )( IиОЗЗ активный) и реактивная активный ток, протекающий ток, составляющая протекающий через тока резисторчерез ОЗЗ резистор IR рассч. В этом итываласьIR. случаеВ этом по емкостнаяслучаеформуле: емкостная реактивная реактивная составляющая составляющая тока ОЗЗ рассчитывалась тока ОЗЗ рассч по формуле:итывалась по формуле:
22 IIР С I ОЗЗ I R . (2) (2) 22 IIР С I ОЗЗ I R . (2)
120 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
50 2,23 2,16 2,08 2,08 0,756 0,869 0,585 0,781 0,729 0,853 0,582 0,703 0,777 0,882 0,616 0,652 0,777 0,881 0,617 0,651
45 2,2 2,25 0,57 2,18 2,18 0,799 0,894 0,575 0,707 0,724 0,851 0,555 0,677 0,735 0,857 0,685 0,744 0,863 0,571 0,678
40 2,86 2,63 2,43 2,42 1,118 1,057 0,608 1,131 0,906 0,952 0,595 1,131 0,858 0,926 0,538 0,719 0,857 0,926 0,539 0,714
35 3,1 3,82 0,65 2,67 2,65 2,098 1,449 0,589 1,432 1,516 1,231 1,212 0,979 0,989 0,535 0,822 0,999 0,999 0,542 0,814
30 1,6 3,0 4,32 1,39 3,52 2,98 2,699 1,643 0,579 1,717 1,265 0,594 1,271 1,127 0,575 1,048 1,285 1,133 0,579 1,026
25 0,6 0,6 4,35 1,41 3,63 3,18 3,17 2,613 1,616 0,561 1,659 1,987 1,262 1,642 1,281 1,043 1,661 1,289 0,605 1,055 10 kV networks with isolated neutral withmode isolated networks – 10 kV
20 4,3 0,58 3,61 3,25 3,22 2,588 1,609 0,586 1,693 1,846 1,359 1,272 1,682 1,297 0,636 1,196 1,692 1,301 0,639 1,184 Величинаемкостного тока ОЗЗ, А
15 4,0 3,1 3,55 3,12 2,323 1,524 0,609 1,477 1,754 1,324 0,567 1,214 1,466 1,211 0,594 1,109 1,483 1,218 0,591 1,042
10 3,0 3,75 0,59 3,42 2,98 1,886 1,373 0,582 1,398 1,758 1,326 1,186 1,349 1,161 0,565 1,102 1,333 1,154 0,554 0,896 нейтрали
3,25 3,16 2,83 2,73 1,766 1,329 0,611 1,121 1,637 1,279 0,598 1,041 1,228 1,108 0,606 1,083 1,214 1,102 0,601 0,907
1 5 2,6 1,06 2,68 2,58 2,56 1,124 0,582 0,864 0,931 0,965 0,565 0,896 0,908 0,953 0,572 0,927 0,897 0,947 0,568 0,908
1,823 2,176 2,359 2,502 2,745 2,883 1,707 2,835 2,141 2,459 2,246 1,739 2,336 1,553 2,341 1,485 2,349 1,665 2,131 1,83 1,893 2,063 1,599 2,039 1,533 2,038 1,467 2,134 1,667 1,962 1,833 1,849 2,085 1,721 2,059 1,505 2,034 1,431 2,129 1,957 1,843 1,719 1,512 1,427
ср ср ср ср max max max max S S S S V V V V Δ Δ Δ Δ D D D D Х Х Х Х K K K K параметры Статистические
сигнал сигнал сигнал
– – – –
Table 1. The results of processing statistical data on overvoltages in the 6 arc SPGSC mode in the statisticalon overvoltages of processing results data Table The 1. емени0,1 более с. емени0,1 более с. Условия горения электрической дуги и время существования ОЗЗ отключение без выдержки отключение без времени. Время ОЗЗ существования с менее 0,2 выдержки отключение без времени. Время ОЗЗ существования с менее 0,2 или отключение выдержкой с вр Изоляция. Действия защиты Время ОЗЗ существования с более 0,2 Открытыйвоздух. Действия защиты Изоляция. Действия защиты Открытыйвоздух. Действия защиты Время существования ОЗЗ Время ОЗЗ существования с более 0,2 или отключение выдержкой с вр
№ п.п 1 2 3 4 Таблица 1. Результаты обработки статистических данных по перенапряжениям в ОЗЗ в 6–10режимомрежиме дугового сетях обработки 1. по статистических перенапряжениям Таблица данных с кВ Результаты изолированным
ISSNISSNISSN 0536-10280536 0536-1028-1028 «Известия«Изв«Известияестия вузов. вузов. вузов. Горный Горный Горный журнал», журнал», журнал», № 5, № №2020 5 5, ,20 202020 12155
ИзмерениеИзмерение тока тока ОЗЗ ОЗЗ в в сетях сетях с с компенсированным компенсированным режимом режимом нейтрали нейтрали производилосьпроизводилосьИзмерение тока со со включеннымОЗЗвключенным в сетях с и компенсированными отключенным отключенным дугогасящим дугогасящим режимом нейтрали реа реакторомктором произво (ДГР), (ДГР),- ISSN 0536-1028дилось со включенным и отключенным«Известия вузов. дугогасящим Горный журнал», реактором № 5, 2020 (ДГР), 5 фиксиро- фиксировалсяфиксировался ток, ток, протекающий протекающий через через ДГР, ДГР, когда когда реактор реактор был был подключен подключен к к Измерениесети.валсясети. тока Это Этоток, ОЗЗ позволило позволило протекающий в сетях определить определить с через компенсированным ДГР, характер характер когда реактивного реактивного реактор режимом был тока тока нейтрали подключен ОЗЗ ОЗЗ и и рассчитать рассчитать к сети. производилосьстепеньЭтостепень со позволило включенным расстройки расстройки определить и отключенным ДГР. ДГР. характер Величи Величи реактивного дугогасящимнана и и характер характер тока реа ОЗЗ ктором реактивногои реактивного рассчитать (ДГР), степень тока тока расОЗЗОЗЗ- фиксировалсяопределялисьстройкиопределялись ток, протекающийДГР. Величина по по формуле: формуле: черези характер ДГР, реактивного когда реактор тока былОЗЗ определялись подключен к по формуле: сети. Это позволило определить характер реактивного тока ОЗЗ и рассчитать степень расстройки ДГР. Величина и характер реактивного тока ОЗЗ IIIIIIРР CL CL , , (3) (3) (3) определялись по формуле:
гдегде I СIС – – измеренное измеренное значение значение тока тока ОЗЗ, ОЗЗ, при при отключенном отключенном ДГР, ДГР, А;А; А; II LI L –– – величинавеличина величина С L зафиксированногозафиксированного тока, тока,IIIР протекающего протекающего CL, (3) через через реактор реактор в в режиме режиме ОЗЗ, ОЗЗ, А. А. СтепенСтепеньСтепеньь расстройки расстройки ДГР ДГР оценивалась оценивалась по по выражению: выражению: где IС – измеренное значение тока ОЗЗ, при отключенном ДГР, А; IL – величина зафиксированного тока, протекающего через реакторIIII в режиме ОЗЗ, А. Степень расстройки ДГР оценивалась поγ выражению:γСLСL 100 100 %. %. I ILL II ОтрицательноеОтрицательное или γ или или положительное СL положительное положительное 100 %. значение значение значение степени степени степени расстройки расстройки расстройки реактора реактора реактора со- I соответственноответственносоответственно указывает указывает указывает наL нато, на то,что то, чтоДГР что ДГР ДГРработает работает работает в режиме в в режиме режиме перекомпенсации перекомпенсации перекомпенсации или илинедокомпенсацииили недокомпенсации недокомпенсации емкостного емкостного емкостного тока тока ОЗЗ.тока ОЗЗ. ОЗЗ. В сетях с комбинированным режимом нейтрали сети одновременно ОтрицательноеВ сетях сетях или с положительное комбинированным с комбинированным значение режимом режимом степени нейтрали расстройки нейтрали сети одновременно реактора сети одновременно фиксиро- соответственнофиксировалсяфиксировался указывает полныйна полный то, что ток ток ДГР ОЗЗ ОЗЗ работает (I (ОЗЗIОЗЗ),), токи, токи, в режиме протекающие протекающие перекомпенсации через через резистор резистор (I (RIR) ) и и вался полный ток ОЗЗ (I ), токи, протекающие через резистор (I ) и ДГР (I ). или недокомпенсацииДГРДГР ( I(LIL).). ИзмеренияемкостногоИзмерения производились токапроизводилисьОЗЗ ОЗЗ. при при включенномвключенном и и отключенном отключенномR ДГР. ДГР. Это ЭтоL В сетях позволилоИзмеренияпозволило с комбинированным определитьпроизводились определить емкостную емкостную режимом при включенном составляющую составляющую нейтрали и отключенном сети и и характер одновременнохарактер ДГР. реактивного реактивного Это позволило тока тока фиксировалсяОЗЗ.определитьОЗЗ. полный ток емкостную ОЗЗ (IОЗЗ составляющую), токи, протекающие и характер через реактивного резистор тока (IR) иОЗЗ. ДГР (IL). ИзмеренияЕмкостнаяЕмкостная производились составляющая составляющая составляющая при определялась включенном определялась определялась пои отключенном формуле по по формуле формуле (2) по ДГР. (2)результатам (2) поЭто по результатам результатам измере- позволило определитьизмеренийнийизмерений при отключенном емкостную при при отключенном отключенном ДГР, составляющую а величина ДГР, ДГР, и и характер а характер а величина величина реактивной реактивного и и характер характер составляющей тока реактивной реактивной тока ОЗЗ. составляющейОЗЗсоставляющей оценивались то тока ка по ОЗЗ ОЗЗ выражению оценивались оценивались (3), по по в выражению выражению котором емкостная (3), (3), в в котором котором составляющая емкостная емкостная Емкостнаясоставляющаятокасоставляющая составляющая ОЗЗ была тока рассчитанатока определялась ОЗЗ ОЗЗ была была по формулерассчитана рассчитана по формуле (2). по по формуле формуле (2) по (2). (2). результатам измерений приДля отключенном измерения перенапряжений ДГР, а величина создавалось и характер искусственное реактивной дуговое ОЗЗ. Для измерения перенапряжений создавалось искусственное дуговое дуговое ОЗЗ. ОЗЗ. составляющейИзмеренияИзмерения тока ОЗЗ производились производились оценивались по как как выражению на на секциях секциях (3), шин шин в котором РУ РУ 6 6––1010 емкостная кВ, кВ, так так и и на на вводах вводах составляющаясамогИзмерениясамог токаоо удаленногоОЗЗ удаленного производились была рассчитана электродвигателя электродвигателя как по на формуле секциях или или шин(2).трансформатора трансформатора РУ 6–10 кВ, оттак от секции секциии на вводах шин шин РУ. самогоРУ. Для измеренияудаленногоДляДля создания перенапряженийсоздания электродвигателя дугового дугового создавалось ОЗЗ ОЗЗ или использовались использовались трансформатора искусственное раздвижные раздвижные от секции дуговое шинмедные медные ОЗЗ. РУ. электроды, электроды, Измерения производилисьустановленныеустановленныеДля создания как надугового на на опорном опорном секциях ОЗЗ использовались шин изоляторе изоляторе РУ 6 – 10 диаметром диаметром кВ,раздвижные так и 3 на 3 медные мм, вводах мм, допускающие допускающие электроды, самого удаленногорегулировкуустановленныерегулировку электродвигателя воздушного воздушного на опорном или зазораизоляторе зазора трансформатора между между диаметром электродами электродами от секции 3 мм, допускающие шин от от РУ. 1 1 до до 2525 регулиров мм. мм. Это Это- Для созданияпозволилокупозволило воздушного дугового имитировать имитировать ОЗЗзазора использовались между горение горение электродами дуги дуги раздвижные на на открытом открытомот 1 до 25медные воздухе. воздухе.мм. Это электроды, позволило имитиро- установленныевать ГорениеГорение горение на опорном дуги дуги в на в изоляции изолятореизоляцииоткрытом кабелей кабелейвоздухе. диаметром создавалось создавалось 3 мм, с с помощью помощью допускающие медного медного хомута, хомута, регулировку который воздушного охватывал зазора внешний между электродами диаметр полуметрового от 1 до 25 образца мм. Это кабеля, силовые которыйГорение охватывал дуги в изоляции внешний кабелей диаметр создавалось полуметрового с помощью образца медного кабеля, хомута, силовые ко- позволило имитироватьжилыжилы которого которого горение были былидуги на заземлены. заземлены.открытом воздухе. Предварительно Предварительно в в изоляцииизоляции кабеля кабеля Горение дугивысверливалосьторыйвысверливалось в изоляцииохватывал отверстие отверстие кабелей внешний создавалосьдиаметром диаметром диаметр 1 полуметрового1 с–– 2 помощью2 мм мм до до силовых силовых медного образца жил жил хомута, кабеля. кабеля. кабеля, силовые который охватывалжилыОбработкаОбработка которого внешний статистических были статистических диаметр заземлены. полуметрового данных данныхПредварительно по по образца перенапряжениям перенапряжениям в изоляции кабеля, силовыекабеля производилась производилась высверлива на на- жилы которогоосновелосьоснове отверстие были средних средних заземлены. диаметром значений, значений, 1–2 Предварительно дисперсий,мм дисперсий, до силовых среднеквадратичных среднеквадратичных жил в изоляции кабеля. кабеля отклонений отклонений и и высверливалоськоэффициентакоэффициентаОбработка отверстие статистических диаметромвариации, вариации, что 1что–2 позволило ммданныхпозволило до силовых по пр перенапряжениямпроверитьоверить жил кабеля. выборки выборки производилась статических статических данных данныхна ос- Обработканановена статистическиходнородность однородность средних значений, и и данныхтем тем самым дисперсий,самым по оценить перенапряжениямоценить среднеквадратичных влияние влияние режима режима производилась нейтрали отклоненийнейтрали насети, сети, и коэффиусловий условий- основе среднихгоренияциентагорения значений, вариации, дуги, дуги, длительность длительность дисперсий,что позволило существования существования среднеквадратичных проверить ОЗЗ, выборкиОЗЗ, величины величины статических отклонений емкостног емкостног данных и оо тока тока на ОЗЗ, ОЗЗ,од- степень расстройки ДГР и соотношения добавочного активного тока к коэффициентастепеньнородность вариации, расстройки и чтотем позволилосамым ДГР оценить пр и оверить соотношения влияние выборки режима добавочного статических нейтрали сети, данных активного условий горения тока к на однородностьреактреакт ивномуиивному тем самым току току в оценитьв режиме режиме влияниеОЗЗ ОЗЗ на на величину величинурежима нейтраликратности кратности сети, перенапряжений. перенапряжений. условий дуги, длительность существования ОЗЗ, величины емкостного тока ОЗЗ, степень горения дуги, длительностьДляДля сетей сетей ссуществования с изолированным изолированным ОЗЗ, режимом режимомвеличины нейтралиемкостног нейтрали о в в тока табл. табл. ОЗЗ, 1 1 приведены приведены расстройки ДГР и соотношения добавочного активного тока к реактивному току степень расстройкирезультатырезультаты ДГР обработки обработки и соотношения статистических статистических добавочного данных данных по активногопо перенапряжениям перенапряжениям тока к в в режиме режиме в режиме ОЗЗ на величину кратности перенапряжений. реактивномудугового дуговоготоку в режиме ОЗЗ ОЗЗ при при ОЗЗ емкостных емкостных на величину токах токах кратности ОЗЗ ОЗЗ 1, 1, 5, перенапряжений.5, 10, 10, 15, 15, 20, 20, 25, 25, 30, 30, 35, 35, 40, 40, 45 45 и и 50 50 А. А. Для сетей Для с изолированным сетей с изолированным режимом режимом нейтрали нейтрали в табл. в табл. 1 приведены1 приведены результа- В таблице приняты следующие обозначения: ср – среднее значение; D – результаты В обработкиты таблицеобработки статистических приняты статистических следующие данных данных обозначения: по по перенапряжениям перенапряжениям ХХср – среднее в режимев режиме значение; дугового D – дугового ОЗЗдисперсия;ОЗЗдисперсия; при при емкостных емкостных S S – – среднеквадратичное среднеквадратичное токах токах ОЗЗ ОЗЗ 1, 1,5, 5,10, 10,отклонение; 15,отклонение; 15, 20, 20, 25, 25, 30, V30,V – 35,– коэффициент35, коэффициент 40, 40, 45 45 и и50 50 А.вариации; А.вариации; В таблице Δ Δ – – ширинаширина доверительного доверительного интервала; интервала; KKmaxmax –– максимальнаямаксимальная величина величина кратности кратности В таблице приняты следующие обозначения: Х ср – среднее значение; DD –– дисперсия; перенапряжения.перенапряжения. Оценка Оценка перенапряжений перенапряжений производилась производилась по по трем трем фазам фазам сети. сети. дисперсия; SS – – среднеквадратичноесреднеквадратичное отклонение;отклонение; VV –– коэффициенткоэффициент вариации; Δ –– ширина до- ширина доверительного интервала; Kmax – максимальная величина кратности перенапряжения. Оценка перенапряжений производилась по трем фазам сети. 122 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
верительного интервала; Kmax – максимальная величина кратности перенапряже- ния. Оценка перенапряжений производилась по трем фазам сети. Проверка выборок на однородность проводилась по трем критериям: сравне- 2 нию средних значений tx, дисперсий ts и по критерию Пирсона Р{χ } [17]. Вероятность Пирсона Р{χ2} указывает на то, с какой достоверностью выборки можно объединять.
KОЗЗ 5,0
4,5
4,0 1
3,5 2 3 3,0
2,5
2,0
1,5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45I 50С,А
Рис. 1. Изменение кратности перенапряжений в режиме ОЗЗ на зажимах электродвигателей и трансформаторов 6(10)/0,4 кВ в зависимости от величины емкостного тока замыкания на землю, времени существования ОЗЗ и условий горения дуги: 1 – условия горения дуги – изоляция кабеля, обмотки двигателя (трансформатора), действия защиты – сигнал или отключение с выдержкой времени более 0,1 с; 2 – условия горения дуги – открытый воздух, действия защиты – сигнал или отключение с выдержкой времени более 0,1 с; 3 – условия горения дуги – изоляция кабеля, открытый воздух, действия защиты – отключение без выдержки времени Fig. 1. Change in the frequency of overvoltage in the SPGSC mode at the terminals of electric motors and transformers 6(10)/0.4 kV, depending on the value of the capacitive current of the ground short circuit, the time of SPGSC existence and arc burning conditions: “Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal”. No. 5. 2020 ISSN 0536-1028 6 1 – arc burning conditions – insulation of the cable, motor winding (transformer), Проверкаprotection выборок actions – signal на or shutdown однородность with a time delay проводилась of more than 0.1 поs; 2 – тремarc критериям: burning conditions – open air, protection actions – signal or shutdown with a time 2 сравнению средних значений tx, дисперсий ts и по критерию Пирсона Р{χ } [17]. delay of more than 0.1 s; 3 – arc2 burning conditions – cable insulation, open air, Вероятность Пирсонаprotection Р {actionsχ } – указывает shutdown without на delay то, с какой достоверностью выборки можно объединять. Выборки объединяются в том случае, если одновременно выполняются три Выборкиусловия: объединяются в том случае, если одновременно выполняются три условия:
2 tx 3; ts 3; Р{}χ 0,05. (4) (4)
ЕслиЕсли одно одно из условий из условий (4) не (4)выполняется, не выполняется, выборки выборкиобъединять объединять нельзя. Объе нельзя.- динениеОбъединение выборок указывает выборок указываетна то, что данный на то, фактор что данный не оказывает фактор существенно не оказывает- го влияниясущественного на кратность влияния перенапряжений. на кратность Если перенапряжений. выборки не объединяются, Если выборки тогда не фактор,объединяются, по которому тогда происходило фактор, пообъединение которому происходиловыборок, влияет объединение на величину выборок, пе- ренапряженийвлияет на величину в режиме перенапряжений дугового ОЗЗ. в режиме дугового ОЗЗ. ПроверкаПроверка выборок выборок на экстремальностьна экстремальность позволила позволила выявить, выявить, принадлежит принадлежит или или не принадлежит максимальное значение исследуемой величины к генеральной не совокупностипринадлежит максимальное исходных данных, значение т. исследуемой е. является величины ли максимальное к генеральной значение совокупностиперенапряжений исходных для данных, определенных т. е. является условий ли максимальное закономерной значение величиной перена - или пряженийявляется для неточностью, определенных допущенной условий закономерной при измерении величиной данной величины. или является не- точностью,В результате допущенной статистической при измерении обработк даннойи величины. данных и проверки выборок на Воднородность результате статистической и экстремальность обработки установлено, данных чтои проверки производственные выборок на условия одно- и родностьтехнологические и экстремальность процессы установлено, не оказывают что существенногопроизводственные влияния условия на и величину тех- перенапряжений в режиме ОЗЗ, так как tx и ts соответственно не превышали 1,86 и 0,45, а критерий Пирсона Р{χ2} превышал 0,24. Установлено, что среда горения электрической дуги и время существования ОЗЗ не оказывают влияния на величину перенапряжений, если линия с ОЗЗ отключается от сети в течение времени, не превышающего 0,2 с, т. е. защита от ОЗЗ действует на отключение без выдержки времени. В этом случае происходит объединение выборок статистических данных, приведенных в табл. 1 (п. п. 3 и 4), так как параметры tx и ts не превышали значений 2,69 и 0,076 соответственно, а критерий Пирсона Р{χ2} был более 0,1. Следует также отметить, что среда, в которой возникает дуговое ОЗЗ, и время его существования не влияют на величину перенапряжений, если емкостный ток 2 ОЗЗ менее 5 А или превышает 45 А, так как tx < 1,73; ts < 0,132, а Р{χ } > 0,12. В диапазоне емкостных токов от 5 до 45 А при времени существования ОЗЗ более 0,2 с среда, в которой горит электрическая дуга при ОЗЗ, существенно влияет на величину перенапряжений. Кроме этого, значительное влияние на величину перенапряжений оказывает величина емкостного тока ОЗЗ. Наибольшие перенапряжения с кратностью 4,30–4,35 наблюдаются при емкостных токах ОЗЗ в диапазоне от 20 до 30 А при условии, что произошел пробой изоляции кабеля, электродвигателя или трансформатора, а защита от ОЗЗ действует на сигнал. Если защита будет действовать на отключение и время существования ОЗЗ будет менее 0,2 с, при прочих равных условиях кратность перенапряжений не превысит 3,25. Минимальная кратность перенапряжений, не превышающая 2,25, возникает при емкостных токах ОЗЗ более 45 А. Это связано с тем, что при весьма большом токе дуга горит устойчиво, падения напряжения на дуге сравнительно мало, и вследствие большой остаточной проводимости при проходе тока через ноль не успевает восстанавливаться сколько-нибудь значительная электрическая прочность изоляции. При достаточно малом токе, величина которого не превышает 1 А, дуга горит неустойчиво, и после одного или нескольких повторных зажиганий и погасаний, несколько раздувшись за счет тепловых потоков воздуха, дуга гаснет окончательно, изоляция восстанавливает свою электрическую прочность, и сеть ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 123
нологические процессы не оказывают существенного влияния на величину пере- напряжений в режиме ОЗЗ, так как tx и ts соответственно не превышали 1,86 и 0,45, а критерий Пирсона Р{χ2} превышал 0,24. Установлено, что среда горения электрической дуги и время существования ОЗЗ не оказывают влияния на величину перенапряжений, если линия с ОЗЗ от- ключается от сети в течение времени, не превышающего 0,2 с, т. е. защита от ОЗЗ действует на отключение без выдержки времени. В этом случае происходит объ- единение выборок статистических данных, приведенных в табл. 1 (п. п. 3 и 4), так
как параметры tx и ts не превышали значений 2,69 и 0,076 соответственно, а кри- терий Пирсона Р{χ2} был более 0,1.
KОЗЗ, % 2 2,6 3,2 3,8 4,4 5 Рдв, м · Вт 100
90
80 1
70 2
60
50
40 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 Sтр, мВ · А Рис. 2. Снижение кратности перенапряжений на зажимах двигателей – 1 и на вводахРис. трансформаторов 2. Снижение кратности – 2 от перенапряжениймаксимальных значений, на зажимах приведенных двигателей на– 1 рис. и на 1, вводах трансформаторовв зависимости от –мощности 2 от максимальных трансформатора значений, или приведенныхдвигателя на рис. Fig. 2. Reducing1, в зависимости SPGSC overvoltage от мощности frequency трансформатора at the terminals или двигателя of the motors – 1 and Fig. at the 2. inputsReducing of theSPGSC transformers overvoltage – 2 frequency from the at maximum the terminals values of the shown motors in fig.– 1 1, and at the inputsdepending of the transformers on the power – 2of from the transformerthe maximum or valuesmotor shown in fig. 1, depending on the power of the transformer or motor Следует также отметить, что среда, в которой возникает дуговое ОЗЗ, и время его существования не влияют на величину перенапряжений, если емкостный ток 2 ОЗЗ менее 5 А или превышает 45 А, так как tx < 1,73; ts < 0,132, а Р{χ } > 0,12. В диапазоне емкостных токов от 5 до 45 А при времени существования ОЗЗ более 0,2 с среда, в которой горит электрическая дуга при ОЗЗ, существенно вли- яет на величину перенапряжений. Кроме этого, значительное влияние на величи- ну перенапряжений оказывает величина емкостного тока ОЗЗ. Наибольшие перенапряжения с кратностью 4,30–4,35 наблюдаются при ем- костных токах ОЗЗ в диапазоне от 20 до 30 А при условии, что произошел пробой изоляции кабеля, электродвигателя или трансформатора, а защита от ОЗЗ дей- ствует на сигнал. Если защита будет действовать на отключение и время суще- ствования ОЗЗ будет менее 0,2 с, при прочих равных условиях кратность перена- пряжений не превысит 3,25. Минимальная кратность перенапряжений, не превышающая 2,25, возникает при емкостных токах ОЗЗ более 45 А. Это связано с тем, что при весьма большом токе дуга горит устойчиво, падения напряжения на дуге сравнительно мало, и вследствие большой остаточной проводимости при проходе тока через ноль не успевает восстанавливаться сколько-нибудь значительная электрическая проч- ность изоляции. 124 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
Таблица 2. Результаты обработки статистических данных по перенапряжениям в режиме дугового ОЗЗ в сетях 6–10 кВ с компенсированным режимом нейтрали Table 2. Results of processing statistical data on overvoltages in the arc SPGSC mode in 6–10 kV networks with compensated neutral mode
Условия горения Степень Емкост- Индуктив- электрической дуги расстрой- ный ток ный ток Х ср D S V Δ Kmax и время ки ДГР γ, ОЗЗ I , А ДГР I , А существования ОЗЗ С L % Изоляция. 30 31 –3 1,48 1,233 1,11 0,75 0,783 2,25 Действия 32 –6 1,602 1,335 1,155 0,73 0,848 2,42 защиты – отключение без 33 –9 1,643 1,416 1,19 0,724 0,899 2,53 выдержки 35 –14 1,839 1,735 1,317 0,716 1,102 2,85 времени. 38 –21 2,083 1,871 1,368 0,657 1,188 3,25 Время существования 40 –25 2,185 2,006 1,416 0,648 1,274 3,43 ОЗЗ менее 0,2 с 29 +3 1,589 1,482 1,217 0,766 0,941 2,51 27 +11 2,208 2,096 1,448 0,656 1,331 3,52 26 +15 2,317 2,15 1,466 0,633 1,365 3,65 25 +20 2,432 2,32 1,523 0,626 1,473 3,85 24 +25 2,481 2,31 1,52 0,613 1,457 3,95 Изоляция. 40 41 –2,4 1,457 1,184 1,088 0,747 0,752 2,2 Действия 42 –5 1,575 1,285 1,134 0,743 0,816 2,33 защиты – сигнал или отключение 44 –9 1,632 1,395 1,181 0,724 0,886 2,51 с выдержкой 47 –15 1,879 1,743 1,320 0,703 1,107 2,92 времени более 0,1 с. 50 –20 2,005 1,786 1,336 0,667 1,134 3,12 Время 53 –25 2,173 2,011 1,418 0,653 1,277 3,41 существования 39 +2,5 1,590 1,455 1,206 0,759 0,924 2,5 ОЗЗ более 0,2 с 38 +5 1,849 1,746 1,321 0,715 1,109 2,94 36 +11 2,196 2,101 1,449 0,660 1,334 3,51 35 +14 2,303 2,153 1,467 0,637 1,367 3,62 33 +21 2,448 2,291 1,514 0,618 1,455 3,87 32 +25 2,478 2,350 1,553 0,619 1,492 3,94 Открытый 50 51,5 –3 1,476 1,269 1,126 0,763 0,806 2,24 воздух. 53 –6 1,608 1,392 1,179 0,744 0,884 2,43 Действия защиты – сигнал 55 –9 1,635 1,428 1,195 0,731 0,907 2,52 или отключение 59 –15 1,888 1,687 1,299 0,688 1,082 3,93 с выдержкой времени более 62,5 –20 1,998 1,847 1,359 0,680 1,173 3,11 0,1 с. 67 –25 2,180 1,997 1,413 0,648 1,268 3,42 Время 48,5 +3 1,594 1,523 1,234 0,774 0,967 2,52 существования ОЗЗ более 0,2 с 47,5 +5 1,842 1,754 1,321 0,717 1,108 2,93 45 +11 2,167 2,131 1,46 0,674 1,353 3,51 43,5 +15 2,311 2,137 1,462 0,633 1,357 3,64 41,5 +20 2,435 2,277 1,509 0,620 1,446 3,86 40 +25 2,466 2,329 1,526 0,619 1,479 3,93
ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 125
При достаточно малом токе, величина которого не превышает 1 А, дуга горит неустойчиво, и после одного или нескольких повторных зажиганий и погасаний, несколько раздувшись за счет тепловых потоков воздуха, дуга гаснет окончатель- но, изоляция восстанавливает свою электрическую прочность, и сеть восстанав- ливает свой нормальный режим работы. При этом кратность перенапряжений в сетях 6 кВ горных предприятий не превышает 2,7. На рис. 1 представлены зависимости изменения кратности перенапряжений при возникновении дугового ОЗЗ в сетях 6–10 кВ с изолированным режимом нейтрали.
KОЗЗ 5
4
3
2
1
0 –-2525 – -2020 – -1515 – -1010 – -55 0 5 10 15 20 25 γ, %
Рис. 3. Зависимость кратности перенапряжений в режиме ОЗЗ от степени ISSN 0536расстройки-1028 дугогасящего реактора в сетях«Изв 6естия–10 кВ вузов. с компенсированным Горный журнал», режимом № 5, 2020 7 нейтрали восстанавливаетFig. 3. The свой dependence нормальный of SPGSC overvoltage режим frequency работы. on the При degree этом of arcing кратность перенапряженийreactor в сетях detuning 6 кВ in 6горных–10 kV networks предприятий with compensated не превышает neutral mode 2,7. На рис. 1 представлены зависимости изменения кратности перенапряжений при возникновении дугового ОЗЗ в сетях 6–10 кВ с изолированным режимом нейтрали.Результаты исследования также подтвердили, что перенапряжения большой кратностиРезультаты возникают исследования в местах также сосредоточения подтвердили, больших что перенапряжения индуктивностей: большой зажи - кратностимы электродвигателей возникают вмощностью местах сосредоточениядо 2,0 мВт, ввода больших трансформаторов индуктивностей: 6(10)/0,4 зажимымощностью электр доодвигателей 2,5 мВ · А. С мощностьюдальнейшим доувеличением 2,0 мВт, мощности ввода трансформаторов двигателей или 6(10)/0,4трансформаторов мощностью кратность до 2,5 перенапряжений мВ · А. С дальнейшим снижается увеличением согласно зависимостям, мощности двигателейпредставленным или на трансформаторов рис. 2. Например, для кратность трансформаторов перенапряжений мощностью снижается 6,3 мВ · А согласно зависимостям, представленным на рис. 2. Например, для тркратностьансформаторов перенапряжений мощностью снижается6,3 мВ · А на кратность 35 %, а перенапряжений для двигателей мощностьюснижается на5 35мВт %, – а на для 30 двигателей %. мощностью 5 мВт – на 30 %. КратностьКратность перенапряжений перенапряжений в в приключательных приключательных пунктах пунктах и и на на секциях секциях шин шин 6(10)6(10) подстанций подстанций 35/6 35/6 или или 110/6110/6 кВ может бытьбыть меньшеменьше на на 14–17 14–17 % % и и28–30 28–30 % %по посравнению сравнению с сданными, данными, приведенными приведенными на на рис. рис. 1. 1. Следовательно,Следовательно, зависимости, зависимости, представленные представленные на рис. на 1, рис. могут 1, быть могут использо быть - использованываны для оценки для максимальных оценки максимальных перенапряжений перенапряжений в режиме дугового в режиме ОЗЗ дугового в сетях ОЗЗ6–10 в сетяхкВ с изолированным 6–10 кВ с изолированным режимом нейтрали. режимом нейтрали. Перенапряжения в приключательных пунктах и на секциях шин подстанций можноПеренапряжения рассчитать по формуле:в приключательных пунктах и на секциях шин подстанций можно рассчитать по формуле:
Kmax nKОЗЗ ,
гдегде K KОЗЗОЗЗ – –максимальная максимальная кратность кратность перенапряжений, перенапряжений, принятая принятая по по зависимостям, зависимостям, представленнымпредставленным на на рис. рис. 1; 1; n n= = 0,86 0,86 – – для для прикл приключательныхючательных пунктов; пунктов; n n = = 0,72 0,72 – – длядля секций секций шин шин подстанций. подстанций. В табл. 2 приведены результаты обработки статистических данных по перенапряжениям в режиме дугового ОЗЗ в сетях 6–10 кВ с компенсированным режимом нейтрали. Проверка выборок на однородность показала, что выборки объединяются только при близких по величине и знаку степенях, вне зависимости от условий горения дуги и времени существования ОЗЗ, расстройки ДГР, так как параметры 2 tx, ts и Р{χ } соответственно находятся в диапазонах 0,023–1,74; 0,002–0,142; 0,12–0,89. В противном случае выборки не объединяются, так как tx > 3,2; 0,159 2 < ts < 1,05; а Р{χ } < 0,04. Это указывает на то, что в сетях 6–10 кВ с компенсированным режимом нейтрали кратность перенапряжений в режиме ОЗЗ зависит в основном от степени расстройки дугогасящего реактора и практически не зависит от времени существования ОЗЗ и условий горения дуги. На рис. 3 приведена зависимость перенапряжений в режиме ОЗЗ от степени расстройки ДГР в сетях 6–10 кВ с компенсированным режимом нейтрали. Минимальная кратность перенапряжений в сети с компенсированным режимом нейтрали будет находиться в диапазоне 2,2–2,5 при условиях, что расстройка дугогасящего реактора не будет превышать 3 %, а защита от ОЗЗ будет обладать 100 % селективностью. При ложной работе защиты от ОЗЗ, которая приводит к отключению неповрежденных линий, сеть с компенсированным режимом нейтрали переходит в режим перекомпенсации, перенапряжения возрастают, а их кратность становится соизмеримой с кратностью перенапряжений в сетях с изолированным режимом нейтрали. В табл. 3 и 4 приведены выборочные результаты обработки статистических данных по перенапряжениям в сетях 6–10 кВ с резистивным и комбинированным режимами нейтралей, отражающие влияние времени существования ОЗЗ, условий горения дуги и соотношения активной и реактивной составляющих тока ОЗЗ. Объединение выборок происходит при близких значениях отношения активной составляющей Iа к реактивной 126 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
В табл. 2 приведены результаты обработки статистических данных по перена- пряжениям в режиме дугового ОЗЗ в сетях 6–10 кВ с компенсированным режи- мом нейтрали. Проверка выборок на однородность показала, что выборки объединяются только при близких по величине и знаку степенях, вне зависимости от условий горения дуги и времени существования ОЗЗ, расстройки ДГР, так как пара- 2 метры tx, ts и Р{χ } соответственно находятся в диапазонах 0,023–1,74; 0,002–0,142; 0,12–0,89. В противном случае выборки не объединяются, так как 2 tx > 3,2; 0,159 < ts < 1,05; а Р{χ } < 0,04. Это указывает на то, что в сетях 6–10 кВ с компенсированным режимом нейтрали кратность перенапряжений в режиме ОЗЗ зависит в основном от степени расстройки дугогасящего реактора и практи- чески не зависит от времени существования ОЗЗ и условий горения дуги.
Таблица 3. Выборочные результаты статистических данных по перенапряжениям в режиме дугового ОЗЗ в сетях 6–10 кВ с резистивным режимом нейтрали Table 3. Selected results of statistical data on overvoltages in the arc SPGSC mode in 6–10 kV networks with resistive neutral mode
Условия горения Емкостный электрической дуги Статистические Добавочный активный ток ОЗЗ Iа, А U , кВ ток ОЗЗ I , и время н С параметры А существования ОЗЗ 1 5 10 15 20
Изоляция. 6 20 Х ср 2,681 1,996 1,507 1,473 1,424 Действия D 2,25 1,5 1,381 1,076 1,069 защиты – отключение без S 1,5 1,225 1,15 1,037 1,034 выдержки V 0,56 0,614 0,78 0,704 0,726 времени. Δ 1,429 0,954 0,877 0,683 0,679 Время существования Kmax 4,1 2,94 2,38 2,15 2,1 ОЗЗ менее 0,2 с IОЗЗ, А 20 20,6 22,3 25 28,4
Iа /Iр 0,05 0,25 0,5 0,75 1
Открытый 10 10 Х ср 2,651 1,545 1,396 1,354 – воздух. D 1,762 1,373 1,085 1,074 – Действия защиты – сигнал. S 1,327 1,172 1,042 1,036 – Время V 0,501 0,759 0,746 0,765 – существования Δ 1,119 0,872 0,689 0,682 – ОЗЗ более 0,2 с Kmax 3,76 2,41 2,08 2,03 –
IОЗЗ, А 10 11,2 14,2 18 –
Iа /Iр 0,1 0,5 1 1,5 –
На рис. 3 приведена зависимость перенапряжений в режиме ОЗЗ от степени расстройки ДГР в сетях 6–10 кВ с компенсированным режимом нейтрали. Минимальная кратность перенапряжений в сети с компенсированным режи- мом нейтрали будет находиться в диапазоне 2,2–2,5 при условиях, что расстройка дугогасящего реактора не будет превышать 3 %, а защита от ОЗЗ будет обладать 100 % селективностью. При ложной работе защиты от ОЗЗ, которая приводит к отключению неповрежденных линий, сеть с компенсированным режимом ней- трали переходит в режим перекомпенсации, перенапряжения возрастают, а их кратность становится соизмеримой с кратностью перенапряжений в сетях с изолированным режимом нейтрали. В табл. 3 и 4 приведены выборочные результаты обработки статистических данных по перенапряжениям в сетях 6–10 кВ с резистивным и комбинированным ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 127
режимами нейтралей, отражающие влияние времени существования ОЗЗ, усло- вий горения дуги и соотношения активной и реактивной составляющих тока ОЗЗ. Объединение выборок происходит при близких значениях отношения активной составляющей Iа к реактивной составляющей Iр тока ОЗЗ для конкретного режи- ма нейтрали сети и при условии, что Iа/Iр ≥ 0,8 независимо от режима нейтрали сети (резистивный или комбинированный). В противном случае выборки не объ- единяются.
Таблица 4. Выборочные результаты статистических данных по перенапряжениям в режиме дугового ОЗЗ в сетях 6–10 кВ с комбинированным режимом нейтрали Table 4. Selected results of statistical data on overvoltages in the arc SPGSC mode in 6–10 kV networks with a combined neutral mode
U , I , Условия горения электрической дуги и н С I , А I , А γ, % I , А I /I время существования ОЗЗ кВ А L р а а р
Открытый воздух. 10 30 32 –2 –6,25 5 2,5 Действия защиты – сигнал. 35 –5 –14,3 5 1 Время существования ОЗЗ более 0,2 с 40 –10 –25 5 0,5 Изоляция. 6 50 55 –5 –8,3 5 1 Действия защиты – отключение без выдержки времени. 60 –10 –16,6 5 0,5 Время существования ОЗЗ менее 0,2 с 65 –15 –23 5 0,33
Условия горения электрической дуги и Х ср D S V Δ Kmax время существования ОЗЗ Открытый воздух. 1,362 1,17 1,082 0,794 0,743 2,0 Действия защиты – сигнал. 1,446 1,022 1,011 0,699 0,649 2,09 Время существования ОЗЗ более 0,2 с 1,662 1,041 1,02 0,614 0,661 2,32 Изоляция. 1,437 1,003 1,002 0,697 0,637 2,07 Действия защиты – отключение без 4,654 1,026 1,013 0,613 0,652 2,3 выдержки времени. Время существования ОЗЗ менее 0,2 с 1,833 1,054 1,026 0,560 0,669 2,5
Это указывает на то, что в сетях с резистивным или комбинированным режимом нейтрали кратность перенапряжений зависит от соотношения активной составляю- щей и реактивной и не зависит от времени существования ОЗЗ, условий горения дуги. На рис. 4 приведены зависимости кратности перенапряжений в режиме ОЗЗ для сетей 6–10 кВ с резистивным и комбинированным режимом нейтрали. В сетях с резистивным режимом нейтрали на величину перенапряжений не влияет ложная работа защит от ОЗЗ [18]. В случае ложной работы защиты от ОЗЗ в сети с рези- стивным режимом нейтрали произойдет отключение неповрежденной линии, ем- кость сети снизится, что приведет к уменьшению реактивной составляющей тока ОЗЗ и к росту отношения активной составляющей к реактивной, а следовательно, к дальнейшему снижению перенапряжений. При условии, что отношение активной к реактивной составляющей тока ОЗЗ более 0,8, максимальная кратность перена- пряжений не превысит 2,1. Это позволит обеспечить безопасную эксплуатацию трансформаторов, кабельных линий, включая кабельные муфты и разделки кабелей в режиме ОЗЗ, так как максимальная кратность перенапряжений не превышает до- пустимые значения, а для двигателей требуются дополнительные технические ре- шения для защиты изоляции обмоток в режиме ОЗЗ. 128 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
Сопоставляя результаты исследований, представленных на рис. 1–3, можно утверждать, что в сетях с резистивным и комбинированным режимами нейтралей существуют условия для минимизации перенапряжений в режиме ОЗЗ, а следо- вательно, для снижения вероятности пробоя изоляции электроустановок и пора- жения электрическим током персонала, занятого эксплуатацией технологическо- го оборудования и электрических сетей в горной отрасли.
KОЗЗ 5
4 1 2 3
2
1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,01 1,2 1,4 Ia /Ip
Рис. 4. Зависимость кратности перенапряжений в режиме ОЗЗ для сетей 6–10 кВ с резистивным и комбинированным режимами нейтрали от соотношения активной и реактивной составляющих тока ОЗЗ: 1 – резистивный режим нейтрали; 2 – комбинированный режим нейтрали Fig. 4. The dependence of SPGSC overvoltage frequency for 6–10 kV networks with resistive and combined neutral modes on the ratio of the active and reactive components of the SPGSC current: 1 – resistive neutral mode; 2 – combined neutral mode
Выводы. На основании изложенного можно сделать следующие основные выводы. Гипотезы Петерсена, Петерса–Слепяна, Белякова–Джуварлы не в полной мере отражают факторы, влияющие на возникновение максимальных перенапряжений в режиме дугового ОЗЗ в сетях 6–10 кВ, так как не учитывают величину емкост- ного тока ОЗЗ, условия горения дуги, время существования ОЗЗ и индуктивность двигателей и трансформаторов. Зависимости, представленные на рис. 1–3, можно использовать для оценки и прогнозирования перенапряжений в сети 6–10 кВ с различными режимами нейтралей. В сетях 6–10 кВ с изолированным режимом нейтрали условия горения дуги не влияют на величину перенапряжений, если время существования ОЗЗ менее 0,2 с, т. е. когда защиты от ОЗЗ действуют на отключение без выдержки времени. В этом случае основным фактором, влияющим на величину перенапряжений, яв- ляется значение емкостного тока ОЗЗ, а максимальные перенапряжения с кратно- стью 3,00–3,25 наблюдаются, если емкостный ток ОЗЗ находится в диапазоне от 10 до 30 А. При времени существования ОЗЗ более 0,2 с на величину перенапря- жений начинает оказывать влияние и среда, в которой горит дуга. Максимальные перенапряжения с кратностью 3,25–4,35 возникают при горении дуги в изоляции, если емкостный ток ОЗЗ находится в диапазоне от 5 до 35 А, а если дуга горит на открытом воздухе, то кратность перенапряжений будет находиться в диапазоне 3,16–3,63. В сетях 6–10 кВ с компенсированным режимом нейтрали основными фактора- ми, влияющими на величину перенапряжений, являются величина расстройки ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 129
ДГР и в каком режиме (перекомпенсации или недокомпенсации) находится ДГР. С увеличением расстройки ДГР кратность перенапряжений увеличивается и мо- жет достигать значений от 3,11 до 3,95, если расстройка ДГР находится в диапа- зоне от 20 до 25 %, что соизмеримо с перенапряжениями в сетях с изолирован- ным режимом нейтрали. При прочих равных условиях в режиме перекомпенсации кратность перенапряжений меньше, чем в режиме недокомпенсации. В сетях 6–10 кВ с резистивным или комбинированным режимами нейтрали основным фактором, влияющим на величину перенапряжений, является отноше- ние Iа /Iр. Минимизация перенапряжений достигается при условии, что Iа /Iр ≥ 0,8. В этом случае кратность перенапряжений не превышает 2,1, что практически в 2 раза меньше максимальных кратностей перенапряжений в сетях с изолирован- ным или компенсированным режимами нейтралей и позволяет обеспечить более безопасную эксплуатацию электрооборудования технологических комплексов и установок на горных предприятиях.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Медведева М. Л., Кузьмин С. В., Кузьмин И. С., Шманев В. Д. Анализ и прогноз аварийности распределительных сетей и электроприемников 6–10 кВ горной отрасли // Надежность и безопасность энергетики. 2017. Т. 2. № 2. С. 120–125. 2. Кузьмин С. В., Зыков И. С., Майнагашев Р. А., Ящук К. П. Анализ аварийности в системах электроснабжения горно-металлургических предприятий Сибири // Горное электрооборудование и электромеханика. 2009. № 3. С. 23–25. 3. Кузьмин С. В., Кузьмин Р. С., Меньшиков В. А., Умецкая Е. В., Кузьмин И. С. Однофазные замыкания на землю в сетях 6–10 кВ и электротравматизм на угольных разрезах // Известия вузов. Горный журнал. 2020. № 1. С. 113–124. 4. Гладилин Л. В., Щуцкий В. И., Бацежев Ю. Г., Чеботаев Н. И. Электробезопасность в горнодобывающей промышленности. М.: Недра. 1977. 327 с. 5. Широковец А., Козлачков М., Сазонов В., Хадыев И., Дмитриев И., Панкратов Г., Тимощенко С. Комбинированное заземление нейтрали. Фактор повышения эксплуатационной надежности сетей 6–35 кВ // Новости электротехники. 2016. № 6(102). С. 13–26. 6. Рыжкова Е. Н., Фомин М. А., Жармагамбетова М. С. О критериях выбора режима резистивного заземления нейтрали в сетях 6–35 кВ // Промышленная энергетика. 2013. № 11. С. 23–30. 7. Назаров В. Резистивное заземление нейтрали в сетях 6–35 кВ. Ретроспектива и будущее // Новости электротехники. 2014. № 2(86). С. 16–24. 8. Гаврилова Е. В., Кузьмин С. В., Меньшиков В. А., Коровина М. В. Влияние типа и мощности электродвигателей и типа выключателей на величину коммутационных перенапряжений, возникающих в сетях 6–10 кВ горнодобывающих предприятий // Горное оборудование и электромеханика. 2011. № 3. С. 6–9. 9. Tanguy A., Ryadi M., Hurlet P. Specifications and testing of very large power transformers concerning qualification of short-circuit capability of new designs and new materials // CIGRE SC A2 Colloquium with the participation of SC A3 & SC B3, report FP0644. Shanghai, 2015. 10. Morán L., Espinoza J., Ortíz M., Rodríguez J., Dixon J. Practical problems associated with the operation of ASDs based on active front end converters in power distribution systems // Conference Record of the 2004 IEEE Industry Applications Conference : 39th IAS Annual Meeting, Seattle, 2004. Vol. 4. P. 2568–2572. 11. Feng D., Lu M., Lan J., Sun L. Research on switching operation transient electromagnetic environment of substations in a coal mine // IET Generation, Transmission & Distribution. 2016. Vol. 10. Iss. 13. P. 3322–3329. 12. Медведева М. Л., Кузьмин С. В., Кузьмин И. С., Шманев В. Д. Причины возникновения коротких и однофазных замыканий на землю в сетях горных предприятий // Известия вузов. Горный журнал. 2017. № 5. С. 65–74. 13. Гончаров А. Ф., Эпштейн И. Я., Кузьмин С. В., Попон Ю. Н. Влияние RC-защиты от коммутационных перенапряжений на условие электробезопасности // Известия вузов. Горный журнал. 1989. № 8. С. 32–36. 14. Эпштейн И. Я., Гончаров А. Ф., Попов Ю. Н. Импульсная прочность изоляции экскаваторных электродвигателей // Горный журнал. 1991. № 9. С. 36–39. 15. Базуткин В. В., Ларионов В. П., Пинталь Ю. С. Техника высоких напряжений. Изоляция и перенапряжения в электрических системах. М.: Энергия, 1986. 465 с. 16. Дергилев М. П., Обобков В. К. Перенапряжения в сетях 6–10 кВ. Перенапряжения с двигательной нагрузкой при различных способах заземления нейтрали // Ограничение перенапряжений и режимы заземления нейтралей сетей 6–35 кВ: тр. II Всерос. науч.-техн. конф. Новосибирск, 2002. С. 106–112. 17. Методика сбора и обработки статистической информации о надежности шахтного электрооборудования. М.: ИГД им. Скочинского, 1975. 75 с. 130 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
18. Кучумов Л., Кузнецов А., Червочков Д. Переходное сопротивление в месте ОЗЗ. Влияние на режимные параметры и рабочие сигналы защит от ОЗЗ // Новости электротехники. 2017. № 4(106). С. 22–34.
Поступила в редакцию 18 июля 2019 года
Сведения об авторах: Кузьмин Сергей Васильевич – кандидат технических наук, доцент кафедры электрификации горно-металлургического производства Института горного дела, геологии и геотехнологий Сибирского федерального университета. Е-mail: [email protected] Кузьмин Роман Сергеевич – кандидат технических наук, доцент кафедры электрификации горно- металлургического производства Института горного дела, геологии и геотехнологий Сибирского федерального университета. Е-mail: [email protected] Меньшиков Виталий Алексеевич – кандидат технических наук, доцент кафедры электрификации горно-металлургического производства Института горного дела, геологии и геотехнологий Сибирского федерального университета. Е-mail: [email protected] Кузьмин Илья Сергеевич – старший преподаватель кафедры электрификации горно- металлургического производства Института горного дела, геологии и геотехнологий Сибирского федерального университета. Е-mail: [email protected] Куликовский Валерий Сергеевич – кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры электрификации горно-металлургического производства Института горного дела, геологии и геотехнологий Сибирского федерального университета. Е-mail: [email protected]
DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-116-132 Method of assessment and prediction of overvoltage caused by single-phase arc ground short circuits in the 6–10 kV mains, as a way of increasing the electrical safety level in mining facilities Roman S. Kuzmin1, Ilia S. Kuzmin1, Vitalii A. Menshikov1, Sergei V. Kuzmin1, Valerii S. Kulikovskii1 1 Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia.
Abstract Introduction. Overvoltage caused by single-phase ground short circuits are the main reason of multiple breakdowns of insulation. Assessment and forecast of overvoltage in SPGSC in the 6–10 kV mains is therefore a relevant task, and the solution to this problem will make it possible to select effective methods and means of limiting overvoltage and improve the conditions of electrical safety. Research aim is to improve the methods of assessing and forecasting overvoltage of arch SPGSC in the 6–10 kV mains of mining facilities. Methodology. This article provides analysis of current hypothesis and methods for the assessment of overvoltages in the single-phase ground short circuit (SPGSC) mode. Currently the hypothesis of Peterson, Peters–Slepyan, Belyakov–Djuvarl does not fully reflect the factors that affect the maximum overvoltage emergence of the single-phase arc ground short circuits in the 6–10 kV mains, because they don’t take into account the capacitive current value of SPGSC, arc combustion conditions, lifetime of SPGSC, inductance of engines and transformers. Results. There have been obtained dependences that show the dependences of frequency with which overvoltage happens from the factors that were mentioned above. The shown dependences can be used for calculation and assessment of overvoltage in the 6–10 kV mains with different neutral modes to justify the need for activities that will protect electrical systems, transformers, electrical engines from overvoltage in the SPGSC mode and considering its lifecycle. Summary. It was established that from the electrical safety positions of 6–10 kV mains with resistive or combined modes of neutrals on mining and extractive facilities create conditions for the safer exploitation of technological complexes, facilities and electrical equipment, because it can reduce maximum overvoltage ratios by half and thus reduce the number of repeated breakdown of insulation in the SPGSC mode.
Key words: mining facilities; 6–10 kV mains; single-phase ground short circuit; overvoltage; neutral mode; electrical safety.
REFERENCES 1. Medvedeva M. L., Kuzmin S. V., Kuzmin I. S., Shmanev V. D. Analysis and forecast of accident rate of 6–10 kV distribution grids and power consumers in the mining sector. Nadezhnost i bezopasnost energetiki = Safety and Reliability of Power Industry. 2017; 2 (2): 120–125. (In Russ.) ISSN 0536-1028 «Известия вузов. Горный журнал», № 5, 2020 131
2. Kuzmin S. V., Zykov I. S., Mainagashev R. A., Iashchuk K. P. The analysis of the accident rate in the system of supplying the mining and metallurgical enterprises of Siberia with the 6–10 kV electric power. Gornoe elektrooborudovanie i elektromekhanika = Mining Equipment and Electromechanics. 2009; 3: 23–25. (In Russ.) 3. Kuzmin S. V., Kuzmin R. S., Menshikov V. A., Umetskaia E. V., Kuzmin I. S. Single-phase ground short circuits in the 6–10 kV mains and electrical traumas in the coal mines. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = News of the Higher Institutions. Mining Journal. 2020; 1: 113–124. (In Russ.) 4. Gladilin L. V., Shchutskii V. I., Batsezhev Iu. G., Chebotaev N. I. Electrical safety in mining. Moscow: Nedra Publishing; 1977. (In Russ.) 5. Shirokovets A., Kozlachkov M., Sazonov V., Khadyev I., Dmitriev I., Pankratov G., Timoshchenko S. Integrated neutral grounding. A factor of boosting 6–35 kV network security. Novosti elektrotekhniki = News of Electrical Engineering. 2016; 6(102): 13–26. (In Russ.) 6. Ryzhkova E. N., Fomin M. A., Zharmagambetova M. S. On the criteria of selecting the mode of resistive grounding of neutral in 6–35 kV networks. Promyshlennaia energetika = Industrial Power Engineering. 2013; 11: 23–30. (In Russ.) 7. Nazarov V. Resistive grounding of neutral in 6–35 kV networks. Retrospective view and future. Novosti elektrotekhniki = News of Electrical Engineering. 2014; 2(86): 16–24. (In Russ.) 8. Gavrilova E. V., Kuzmin S. V., Menshikov V. A., Korovina M. V. The effect of the type and power of electromotors and the types of circuit breakers on the value of switching surge in 6–10 kV networks of mining facilities. Gornoe elektrooborudovanie i elektromekhanika = Mining Equipment and Electromechanics. 2011; 3: 6–9. (In Russ.) 9. Tanguy A., Ryadi M., Hurlet P. Specifications and testing of very large power transformers concerning qualification of short-circuit capability of new designs and new materials. CIGRE SC A2 Colloquium with the participation of SC A3 & SC B3, report FP0644. Shanghai, 2015. 10. Morán L., Espinoza J., Ortíz M., Rodríguez J., Dixon J. Practical problems associated with the operation of ASDs based on active front end converters in power distribution systems. Conference Record of the 2004 IEEE Industry Applications Conference: 39th IAS Annual Meeting, Seattle, 2004. Vol. 4. P. 2568–2572. 11. Feng D., Lu M., Lan J., Sun L. Research on switching operation transient electromagnetic environment of substations in a coal mine. IET Generation, Transmission & Distribution. 2016; 10(13): 3322–3329. 12. Medvedeva M. L., Kuzmin S. V., Kuzmin I. S., Shmanev V. D. Reasons for short circuits and single-phase ground faults in the networks of mining enterprises. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = News of the Higher Institutions. Mining Journal. 2017; 5: 65–74. (In Russ.) 13. Goncharov A. F., Epshtein I. Ia., Kuzmin S. V., Popon Iu. N. The effect of RC-protection from switching surge on the condition of electrical safety. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = News of the Higher Institutions. Mining Journal. 1989; 8: 32–36. (In Russ.) 14. Epshtein I. Ia., Goncharov A. F., Popov Iu. N. Impulse insulation strength of excavators’ electromotors. Gornyi zhurnal = Mining Journal. 1991; 9: 36–39. (In Russ.) 15. Bazutkin V. V., Larionov V. P., Pintal Iu. S. High-voltage engineering. Insulation and overvoltage in electrical systems. Moscow: Energia Publishing; 1986. (In Russ.) 16. Dergilev M. P., Obobkov V. K. Overvoltage in 6–10 kV mains. Overvoltage with motive load under various means of neutral grounding. In: Limitation of overvoltage and 6–35 kV networks neutral grounding modes: proc. 2nd All-Russian sci-pract. conf. Novosibirsk: 2002. P. 106–112. (In Russ.) 17. Method of collecting and processing statistical information on the reliability of shaft electric equipment. Moscow: A. A. Skochinsky Institute of Mining; 1975. (In Russ.) 18. Kuchumov L., Kuznetsov A., Chervochkov D. Transient resistance at the site of SPGSC. Effect on the mode parameters and working signals of protection from SPGSC. Novosti elektrotekhniki = News of Electrical Engineering. 2017; 4(106): 22–34. (In Russ.)
Received 18 July 2019
Information about authors: Sergei V. Kuzmin – PhD (Engineering), associate professor of the Department of Electrification of Mining and Smelting Engineering, Institute of Mining, Geology and Geotechnology of the Siberian Federal University. Е-mail: [email protected] Roman S. Kuzmin – PhD (Engineering), associate professor of the Department of Electrification of Mining and Smelting Engineering, Institute of Mining, Geology and Geotechnology of the Siberian Federal University. Е-mail: [email protected] Vitalii A. Menshikov – PhD (Engineering), associate professor of the Department of Electrification of Mining and Smelting Engineering, Institute of Mining, Geology and Geotechnology of the Siberian Federal University. Е-mail: [email protected] Ilia S. Kuzmin – senior lecturer, Department of Electrification of Mining and Smelting Engineering, Institute of Mining, Geology and Geotechnology of the Siberian Federal University. Е-mail: [email protected] 132 "Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal". No. 5. 2020 ISSN 0536-1028
Valerii S. Kulikovskii – PhD (Engineering), Associate Professor, associate professor of the Department of Electrification of Mining and Smelting Engineering, Institute of Mining, Geology and Geotechnology of the Siberian Federal University. Е-mail: [email protected]
Для цитирования: Кузьмин Р. С., Кузьмин И. С., Меньшиков В. А., Кузьмин С. В., Куликовский В. С. Метод оценки и прогнозирования перенапряжений при дуговых однофазных замыканиях на землю в сетях 6–10 кВ как средство повышения уровня электробезопасности на горных предприятиях // Известия вузов. Горный журнал. 2020. № 5. С. 116–132. DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-116-132 For citation: Kuzmin R. S., Kuzmin I. S., Menshikov V. A., Kuzmin S. V., Kulikovskii V. S. Method of assessment and prediction of overvoltage caused by single-phase arc ground short circuits in the 6–10 kV mains, as a way of increasing the electrical safety level in mining facilities. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = News of the Higher Institutions. Mining Journal. 2020; 5: 116–132 (In Russ.). DOI: 10.21440/0536-1028-2020-5-116-132 Редакция Главный редактор Е. Ф. Цыпин Зам. главного редактора Ю. И. Лель, М. Г. Бабенко Ответственный секретарь Л. А. Решеткина Редакторы Л. Г. Соколова, Л. Ю. Парамонова
Перевод И. В. Шайхутдиновой
Компьютерная верстка Ю. Б. Швецовой
Подп. в печать 30.07.2020. Дата выхода в свет 06.08.2020 Формат 70 х 108 1/16. Печать офсетная 8,25 усл. печ. л., 8,5 уч.-изд. л. Тираж 500 экз. Заказ 6950 Цена свободная Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-76015 от 19.06.2019 выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций Издатель ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет» 620144, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, 30 Редакция «Известия вузов. Горный журнал» г. Екатеринбург, пер. Университетский, 7, к. 4101 тел. (факс) (343) 257-65-59 Е-mail: [email protected] httр://www.mining-science.ru Типография ООО «Издательство УМЦ УПИ» 620078, г. Екатеринбург, ул. Гагарина, 35а, оф. 2 Индекс 70367
ISSN 0536-1028. Известия высших учебных заведений. Горный журнал, № 5, 2020.