CC BY
24
УДК 622.271:627.824(073)
Герасимов Виктор Михайлович Victor Gerasimov
ДИАГНОСТИКА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В ГОРНОМ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИИ С ПОМОЩЬЮ ВОЛОКНИСТЫХ СРЕД
DIAGNOSTICS PROCESS OF CONTROL IN MINING ENVIRONMENTAL MANAGEMENT BY MEANS OF FIBROUS SURROUNDINGS
Внедрение новых материалов в технологические процессы разработки месторождений полезныгх ископаемых открыггым способом способствует повышению эффективности извлечения ценных компонентов, снижению затрат, ускоренному возвращению нарушенный земелы после рекулытивации в природную среду.
К таким материалам относятся волокнистые полимерные материалы, основанные на средах из синтетических волокон: полиэфирных, полиамидных, полипропиленовых, изготовленные по иглопробивной технологии. Волокнистые материалы обладают высокими характеристиками прочности на растяжение, сжатие, высокой пористостыю, высоким коэффициентом филытрации, биологической и химической стойкостыю, стойкостыю к низким температурам, хорошо контактирует с горными породами, повышая сопротивление к сдвиговым деформациям.
Филытровалыные перегородки и филытровалы-ные рулоны из волокнистых полимерных материалов успешно исполызуются при осветлении загрязненных технологических вод горных предприятий, концентрирующихся в отстойниках. Загрязненные воды, проходя через волокнистые материалы, осветляются от взвешенных частиц до 80...90 %, что способствует повышению количества извлечения ценных компонентов, например россыпного золота, из промышных песков. Регулируя тип филытрования (напорный, безнапорный, капиллярный), можно добитыся высокой степени очистки загрязненных вод от тяжелыгх металлов, токсичныгх веществ, нефтепродуктов, что позволяет обеспечиваты их отвод в природные водотоки, сохраняя экосистемы.
Высокие филытрационные способности волокнистых материалов позволяют исполызоваты их в
The introduction of new materials in the manufacturing process of minerals deposits development in the open way contributes in increasing the efficiency of valuable components extraction, cost reduction, accelerated return disturbed lands after reclamation in natural environment.
These materials include fibrous polymeric materials based on environments from synthetic fibers: polyester, polyamide, polypropylene, manufactured by needle punched technology. Fibrous materials have high strength in tension, compression, have high porosity, high permeability, biological, and chemical resistance, resistance to low temperatures, well in contact with rocks, increasing the resistance to shear deformation.
Filter partition and filter rolls of fibrous polymeric materials are successfully used in the clarification of contaminated process water mining enterprises, concentrated in the sumps. Contaminated water passing through fibrous materials lightened from suspended particles up to 80...90 %, thereby increasing the amount of extraction of valuable components, such as placer gold, sand from the wash. By adjusting the type of filtration: pressure, gravity, capillary can achieve a high degree of polluted water purification from heavy metals, toxic substances, petroleum products, to ensure their discharge into natural watercourses, preserving ecosystems.
High permeability of fibrous materials would make them to be used as a reservoir and tubular drains in buildings made of rocks: dams, dams, sludge pond. This increases the stability of engineering structures through reinforcement and reduced operating costs for their repair.
Over 30 years fibrous polymeric materials are stacked in sand-pits such as roads, railways, reducing and aligning sediment, reducing economic costs.
Науки о Земле
качестве пластовых и трубчатых дренажей в сооружениях из горных пород: плотинах, дамбах, гидроотвалах. При этом повышается устойчивость искусственных сооружений за счет армирования и снижаются эксплуатационные затраты на их ремонт.
Более 30 лет волокнистые полимерные материалы укладываются в карьерные автомобильные и железные дороги, снижая и выравнивая осадку, снижая экономические затраты.
Ускоренное восстановление нарушенных горными работами земель с использованием биологической рекультивации на основе волокнистых полимерных материалов позволяет за один летний сезон обеспечить их возврат в природные экосистемы
The accelerated restoration of disturbed mining land using biological remediation on the basis of the fibrous polymeric material allows for one summer season to ensure their return to the natural ecosystem
Ключевые слова: технологические процессы, горные предприятия, разработка месторождений, открытый способ, управление, волокнистые среды
Key words: industrial processes, mining enterprises, mining, open cut methods, management, fibrous medium
Ресурсосберегающие технологии, используемые в горном природопользовании, основаны на повышении эффективности физико-технологических процессов, снижении капиталовложений и эксплуатационных расходов. Такие технологии несут, как правило, инновационные прорывные способы и решения на базе достижений науки и техники, в том числе и с использованием новых материалов. Совершенствование физических процессов — фильтрования, дренирования грунтовых вод и технологических растворов, армирования крупнообломочных и зернистых горных пород, изолирования водонасыщенных грунтов — остается актуальной задачей науки.
Не менее актуальным является повышение эффективности производственных процессов за счет снижения затрат на обязательные природоохранные мероприятия.
К нетрадиционным техническим решениям следует отнести внедрение материалов на основе полимерных волокнистых сред в технологических процессах горного производства и дорожно-транспортного строительства. Такие материалы обладают технологичностью, долговечностью, экономичностью, что позволяет применять их для управления фильтрационными свойствами и состоянием горных пород, повышения
прочности и устойчивости оснований карьерных автомобильных и железных дорог.
Наиболее распространены в технологических схемах и устройствах иглопробивные волокнистые материалы, формируемые из синтетических волокнистых полимеров путем скрепления и уплотнения волокон на иглопробивных машинах. Ряд иглопробивных волокнистых материалов подвергается дополнительно термоскреплению с помощью расплавленных связующих. Характеристики волокнистых полимерных материалов, изготавливаемых в России и в развитых странах, представлены в таблице [2, 3, 4].
Многообразие процессов в горном природопользовании выдвигает задачу обоснованного подбора волокнистого материала с определенными параметрами для осуществления эффективной работы в технологических процессах и длительной эксплуатации. Важная роль при этом отводится физико-механическим характеристикам материалов.
Коэффициент фильтрации в поперечном и продольном направлениях в таких материалах составляет 5Т0-4...5Т0-3 м/с. Волокнистые полимерные материалы обладают высокими значениями предела прочности на растяжение, сохраняя упругие
свойства до 14 % деформации. При сжатии волокнистых полимерных материалов сохраняются упругие свойства до 75 % деформации, а плотность увеличивается в 4 раза [5].
Как иглопробивные, так и материалы с термоупрочнением обладают высокой биологической, химической стойкостью и светостойкостью. Испытания водонасы-щенных образцов после 300 циклов промораживания до -50 0С и оттаивания показали почти 100 % предела прочности волокнистых материалов. Долговечность таких материалов составляет 30... 50 лет при непрерывной эксплуатации.
Применение волокнистых полимерных материалов в технологиях горного производства и строительстве карьерных дорог связано с их контактными взаимодействиями с частями горных пород.
Крупность частиц горных пород и строительных материалов карьерных дорог имеет широкий диапазон от песчано-глинистых зерен до валунов. Встречаются крупнообломочные куски угловатой формы, а также окатанные частицы различной крупности.
В зависимости от крупности горных пород виды их взаимодействий с волокнистыми полимерными материалами имеют определенные различия, обусловленные площадью контактов [6].
По характеру взаимодействий горных пород с волокнистыми средами можно выделить два типа: макроконтакты и микроконтакты. Макроконтакты происходят на поверхностях материалов с размерами, которые необходимо учитывать в расчетах. Микроконтакты проходят на малых поверхностях, размерами которых можно пренебречь (точечные контакты).
При макроконтактах горные породы деформируют волокнистый материал путем сжатия и растяжения одноосного или двухосного вида, не проникая в глубину. Микроконтакты происходят на площади взаимодействия с размерами менее 1 мм. Такие острые грани в кусках горных пород разной крупности отсутствуют, следовательно отсутствуют и микроконтакты горных пород с волокнистыми средами.
Теоретические и экспериментальные исследования контактного взаимодействия горных пород и волокнистых полимерных материалов показали, что напряжение 50 МПа можно считать предельным с опасностью дальнейшего разрушения синтетических волокон, контактная сила в этом случае не должна превышать 2,4 кН [7].
Процессы фильтрования при добыче и переработке минеральных ресурсов имеют важное значение. К ним относятся: очистка промышленных стоков, образующихся в процессе разработки месторождений, а также осаждение продуктов обогащения полезных ископаемых в технологии обезвоживания пульпы. В качестве фильтровальных материалов волокнистые полимерные материалы широко используются, обладая высокопористой структурой из многих слоев перепутанных волокон диаметром 10...30 мкм, образующих пространственную систему капилляров. Струя загрязненной жидкости при проходе сквозь волокнистый слой разбивается на мелкие, которые движутся по многократно меняющим направление траекториям, что ведет к отложению твердых частиц как за счет механического заклинивания в капиллярах, так и за счет адсорбции.
Коэффициент фильтрации в поперечном и продольном направлениях волокнистых полимерных материалов почти одинаков, поэтому в фильтровальных устройствах их можно размещать поперек тока жидкости и вдоль тока жидкости. В первом случае создается фильтровальная перегородка, во втором — фильтровальный рулон. Классификация фильтровальных устройств [8] включает разнообразные варианты конструкций (см. рисунок). Мембранные фильтры имеют возможность изменять степень сжатия волокнистого материала фильтровальной перегородки снижая размеры пор, тем самым повышая степень очистки загрязненных вод. Кассетные фильтры с комбинированной системой фильтровальных перегородок повышают очистку оборотных и сточных вод горных предприятий от взвешенных частиц до 80...90 % [12].
Характеристики волокнистых полимерных материалов
Название материалов Страна-изготовитель Волокно Тип материала Ширина, м Толщина, мм Поверхностная плотность, кг/м2 Коэффициент фильтрации, м/сут Прочность при растяжении, Н/см Относительное удлинение,%
Дорнит Ф1 Ф2 РФ РФ Полиэфир. Полиэфир. Иглопроб. Иглопроб. 2,5 ?,5 4 4 0,4...0,6 0,4...0,5 70...120 ВО 150 90...100 50 70 60...80 ЯО 100
Свтекс РФ Полиамид. Иглопроб. 2,5 4 0,6 120 90...120 70...100
Нетканый ТУ-й-0В-Г.1П5-В4 РФ Полиамид. Иглопроб. 2,5 3 0,5 130 180...200 100...120
Бидим Франция Полиэфир. Иглопроб. 4 3...4 0,34...0,55 80...100 80...90 70...100
Типар США Полипропилен Иглопроб. с термоупр. 5 2...3 0,2 >50 100..120 60
Армодор РФ Полипропилен Иглопроб. с термоупр. 4 1 0,16 30-40 50...60 110...130
Терфил Венгрия Полиэфир. Иглопроб. с термоупр. 4 3...5 0,35...0,5 >50 150...200 -
Гейдельберский Германия Полиэфир. Иглопроб. с термоупр. 4 1...3 0,07...0,28 >50 30...120 40...60
Террам Англия Полипропилен. Иглопроб. с термоупр. 3 1...2 0,07...0,14 >50 30...50 70
Нетканый с семенами трав ТУ-412-17-88 РФ Полиамид Иглопрб. 2,5 0,5...1 0,08-0,09 >100 - -
Стратум Италия Полипропилен Иглопроб. 3 3...6 0,3...0,8 >50 60...200 50...100
И-100-И-1000 РФ г. Челябинск Полиэфир Иглопроб. 2,5 3...20 0,1...0,8 >100 50...200 40...120
Т-70-Т-500 РФ г. Новосибирск Полиэстер Иглопробив. с термоупр. 2,5 1...4 0,07...0,5 >50 30...150 50...100
Волокнистые полимерные материалы
Фильтровальная перегородка
1
1 1
Форма контура Тип опирания
Фильтровальный рулон
Форма контура
Тип фильтрования
I
0
1
5 С
В5
а|
н г> о й и о,
I
г &
е
§
а О
Схема классификации фильтровальных устройств с волокнистыми полимерными материалами для разделения суспензий
Эксплуатационная устойчивость плотин, дамб, гидроотвалов, отвалов хвостов является одной из важных характеристик искусственных сооружений из горных пород. Дренажи различного типа предотвращают фильтрационные деформации сооружений. Волокнистые полимерные материалы плотностью 100.200 кг/м3, укладываемые в тело сооружений в виде пластовых и трубчатых дренажей, с успехом обеспечивают отвод фильтрационных потоков. При длительной эксплуатации появляется опасность кольматации однослойных пластовых дренажей, поэтому надежны многоярусные системы из полимерных волокнистых материалов.
Одновременно с дренированием прослойки из волокнистых полимерных материалов выполняют роль армирования, снижая неравномерности осадки горных пород на 50.60 % и предотвращая сдвиговые деформации за счет повышенного поля сцепления горных пород различной крупности с волокнистой средой [9].
Опыт использования волокнистых полимерных материалов в основаниях карьерных автомобильных и железных дорог
насчитывает более 30 лет. Карьерные автомобильные дороги испытывают высокое давление от самосвалов грузоподъемностью 230.250 т. Уложенные в карьерные автодороги объединения «Якуталмаз» слои из геотекстильных материалов снизили разрушение щебня и гравия, повысили вырав-ненность поверхности, обеспечили дренаж грунтовых вод в кюветы, что дало экономический эффект 15 34 тыс. руб. на 1 км [13]. Прослойки геотекстиля, уложенные в основание карьерной железной дороги Верхнекамского фосфоритового рудника, обеспечили равномерную осадку железнодорожного полотна и отвод грунтовых вод с экономическим эффектом 28 тыс. руб. на 1 км пути [11]. Замена бетонных плит на волокнистые полимерные материалы на откосах оснований автомобильных и железных дорог позволила сэкономить 16,6 тыс. руб. на 1000 м2 поверхности откоса [1].
Для ускорения восстановления нарушенных земель после отработки месторождений полезных ископаемых открытым способом и горнотехнической рекультивации рекомендуется проводить биологическую рекультивацию с использованием
Науки о Земле
волокнистых полимерных материалов объемной плотностью 45...70 кг/м3 с заложенными семенами трав. Слой полимерного материала укрывается почвенным слоем высотой 0,1 м и на его поверхность наносится химический мелиорант, например, 2...6 % раствор ортофосфорной кислоты. Семена многолетних трав можно укладывать дополнительно выше или ниже волокнистого слоя. Стебли и корни многолетних трав прорастают сквозь волокнистый материал, образуя пространственную армиро-
Литература-
1. Бершев E.H., Жуковская И.И. Разработка структуры геотекстильного материала для укрепления откосов // Разработка теоретических основ, совершенствование технологии и оборудования для получения нетканых материалов: межвуз. сб. науч. тр. М.: МТИ, 1991. С. 20-28.
2. Герасимов В.М. Волокнистые полимерные материалы в геотехнологии: монография. Чита: ЧитГУ, 2010. 207 с.
3. Герасимов В.М., Нижегородцев Е.И. Исследование фильтровальных свойств волокнистых материалов при изменении давления // Системы, методы, технологии. Братск: Изд-во Братского гос. ун-та, 2013. № 4 (20). С. 153-156.
4. Герасимов В.М. Исследование деформирования волокнистых материалов при растяжении и сжатии / / Вестник ЧитГТУ: Вып. 7. Чита: ЧитГТУ, 1997. С.116-123.
5. Герасимов В.М. Геомеханические макроконтакты горных пород с волокнистыми средами // Вестник Читинского научно-технического общества строителей. Чита: ЧитГТУ, 1999. Вып. 3. С. 172-175.
6. Герасимов В.М. Контактное взаимодействие горных пород и волокнистых полимеров // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2002. № 9. С. 75-77.
7. Герасимов В.М., Рашкин А.В. Волокнистые и пленочные материалы в технологиях горного производства. Чита: ЧитГТУ, 1998. 91 с.
8. Герасимов В.М. Армирующая способность волокнистых полимерных сред в массиве горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2004. № 11. С. 76-79.
9. Герасимов В.М. Восстановление нарушенных земель в горном природопользовании // Вестник МАНЭБ. СПб-Чита: ЧитГУ, 2009. Т. 14, № 3. С. 70-71.
ванную структуру грунта, противостоящую ветровой и водной эрозии и являющуюся прочной для механических воздействий при движении животных и техники. В течение одного летнего сезона происходит восстановление травяных угодий [10].
Теоретические и экспериментальные исследования по эффективному применению волокнистых полимерных сред в технологических процессах горного производства продолжаются, что способствует техническому прогрессу в горном деле.
-References
1. Bershev E.N., Zhukovskaya I.I. Razrabotka teoreticheskih osnov, sovershenstvovanie tehnologii i oborudovaniya dlya polucheniya netkanyh materialov (Development of theoretical bases, improvement of technology and equipment for producing non-weave materials): Intercollege. scientific collect. Articles, Moscow: MTI, 1991. Pp. 20-28.
2. Gerasimov V.M. Voloknistye polimernye materialy vgeotehnologii [Fibrous polymeric materials in Geotechnology]: monograph. Chita: ChitSU, 2010. 207 p.
3. Gerasimov V.M., Nizhegorodtsev I.E. Sistemy, metody, tehnologii (Systems, methods, technologies). Bratsk: Publishing house of the Bratsk State University, 2013, no. 4 (20), pp. 153-156.
4. Gerasimov V.M. Vestn. Chit. Gos. Tekh. Univ. (Bulletin of Chita State Technical University). 1997, issue 7, pp. 116-123.
5. Gerasimov V.M. Vestnik Chitinskogo nauch-no-tehnicheskogo obshhestvastroitelej (Bulletin of the Chita scientific-technical society of builders), 1999, issue 3, pp. 172-175.
6. Gerasimov V.M. Gorny informatsionno-ana-liticheskiy byulleten (Mining information and analytical bulletin), 2002, no. 9, pp. 75-77.
7. Gerasimov V.M., Rashkin A.V. Voloknistye i plenochnye materialy v tehnologiyah gornogo proiz-vodstva [Fibrous and plastic materials in the technology of mining]. Chita: ChitSTU, 1998. 91 p.
8. Gerasimov V.M. Gorny informatsionno-ana-liticheskiy byulleten (Mining information and analytical bulletin). Moscow: Moscow State Mining University, 2004, no. 11, pp. 76-79.
9. Gerasimov V.M. Vestnik MANEB (Bulletin of MANEB). St.-Peterburg-Chita: ChitSU, 2009. Vol. 14, no. 3, pp. 70-71.
10. Герасимов В.М., Свалова К.В. Экологическая оценка эффективности волокнистых полимерных материалов для промышленных стоков. Международный конгресс Евро-ЭКО Ганновер, 2013. С. 48-50.
11. Певзнер М.Е., Беленький П.Г., Ильина Н.Г. Метод укрепления карьерных дорог с помощью синтетического полотна // Горный журнал. 1984. № 10. С. 39-42.
12. Свалова К.В., Герасимов В.М. Методика формирования фильтра оптимальной конструкции для повышения качества оборотных вод при разработке месторождений полезных ископаемых // Вестник ЗабГУ. 2014. № 5. С. 20-25.
13. Штейн В.Д., Караськин В.Т. Опыт применения геотекстильных материалов в строительстве горнотранспортных коммуникаций // ЦНИИцвет-мет экономики и информ.: обзор. инф. М.: Вып. 3. 1988. 56 с.
Коротко об авторе _
Герасимов В.М., д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Сопротивление материалов и механика», Забайкальский государственный университет, г. Чита, Россия kafsmim@zabgu.ru
Научные интересы: геотехнология, геоэкология, механика волокнистых сред
10. Gerasimov V.M., Svalova K.V. Ekologich-eskaya otsenka effektivnosti voloknistyh polimernyh materialov dlya promyshlennyh stokov (Environmental assessment of the effectiveness of fibrous polymeric materials for industrial effluent treatment): International Congress. Euro-eco Hannover, 2013 « kologis-che, Technologusche und Rechtliche Aspekte der Leb-ensversorgung»-Dietsland, Gannver. 2013, v. 48-50.
11. Pevzner M.E., Belenky P.G., Ilina N.G. Gorny zhurnal (Mining journal), 1984, no. 10, pp. 39-42.
12. Svalova K.V., Gerasimov V.M. Vestn. Zab. Gos. Univ. (Transbaikal State University Journal), 2014, no. 5, pp. 20-25.
13. Shtein V.D., Karaskin V.T. TsNIItsvetmet ekonomiki i inform (CRI-non-ferrous metal of the economy and inform.): review. INF. Moscow. Issue 3. 1988.56 p.
_ Briefly about the author
V. Gerasimov, doctor of technical sciences, professor, head of Strength of Materials and Mechanics department, Transbaikal State University, Chita, Russia
Scientific interests: geotechnology, geoecology, mechanics of fibred environments
