CC BY
1
information and analytical bulletin (scientific and technical journal) (GIAB). M.: Mining Book, 2018. No. 7. pp.61-68.
5. Kachurin N.M., Senkus Val.V., Ermakov A.Yu. A systematic approach to ensuring ventilation and safety of coal mines according to the aerogasodynamic factor // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal) (GIAB). M.: Gornaya kniga, 2018. No. 7. pp.212-218
6. Kachurin N.M., Ermakov E.A., Ermakov A.Yu. Forecast of meta-new danger of geotechnology of underground coal and methane extraction during excavation of shallow coal seams // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal) (GIAB). M.: Gornaya kniga, 2018. No. 6. S.207-213.
7. Kachurin N.M., Senkus V.V., Ermakov A.Yu. A systematic approach to the technology of methane hazard assessment of mine treatment sites // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal) (GIAB). M.: Gornaya kniga, 2018. No. 4. pp.106-118.
8 Kachurin N.M., Senkus Val.V., Ermakov A.Yu. Physical model and mathematical description of methane transport in a mountain range of sorbing rocks // Gorny information and analytical bulletin (scientific and technical journal) (GIAB). M.: Gornaya kniga, 2018. No. 5. p.81-88.
9. Kachurin N.M., Ermakov E.A., Ermakov A.Yu. Forecast of meta-new danger of geotechnology of underground coal and methane extraction during excavation of shallow coal seams // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal) (GIAB). M.: Gornaya kniga, 2018. No. 6. p.207-213.
10. Shcherban A.N., Tsyrulnikov A.S. Gas permeability of coal seams. Kyiv. Academy of Sciences of the Ukrainian SSR. 1958. 156 p.
УДК 504.062
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АЭРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА ПЫЛЕМИНЕРАЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ ПРИ ПОГРУЗКЕ
И ВЫГРУЗКЕ ЩЕБНЯ
Г.В. Стась, Н.Н. Бородкина, М.П. Ганин, В.И. Сарычев
На основе обобщения известных научных и технических результатов был обоснован выбор направления экспериментальных исследований, а именно, необходимо исследовать влияние микроклимата карьера на образование пылеминеральных образований. Проведенный анализ показал, что основными характеристиками, которые определяют накопление и вынос пыле минеральных образований при погрузке и выгрузке, являются скорость воздуха и температурный режим, а также влажность атмосферы. Представлено описание аэрогазодинамической установки по моделированию обтекания пылевых минеральных образований в процессе загрузки и выгрузки. В пылевой камере под действием воздушного потока и загрузке карбонатного щебня пыль образует аэрозоль, т.е. двухфазную среду: воздух + твердые частицы пыли. Моделирование процессов при обтекании ПМО воздушными потоками в аэродинамической установке проводили при влажности проб от 0 до 20 %.
Ключевые слова: пылеминеральные образования, газовая пыль, моделирование аэрогазодинамические процессы, диффузия пылевоздушных потоков.
Значительная часть современных технологических процессов предприятий горнодобывающей промышленности сопровождается выделением в атмосферу пыли, различной по свойствам и дисперсному составу. Существующие методики расчета распространения вредных веществ в атмосфере дают оценку загрязнения воздушной среды, исходя из известной мощности источников выброса без учета специфики производств и свойств пылей, что обусловливает достаточно существенные расхождения между расчетным и фактическим значениями величин концентраций пыли на границе санитарно-защитной зоны предприятий. Проведенный анализ технологических процессов предприятий по добычи полезных ископаемых открытым способом показал, что пыль выделяется при взрыве горной массы, погрузке в автотранспорт, постадийное дробление и измельчение, транспортирование на склад сырья и т.д. На основе аналитического обобщения известных научных и технических результатов был обоснован выбор направления исследований, а именно необходимо исследовать влияние микроклимата карьера на образование пыле минеральных образований при загрузке и выгрузке [1,2].
Основные элементы микроклимата карьера
Микроклимат - это климат приземного слоя воздуха. Основными характеристиками, которые определяют накопление и вынос вредностей, являются скорость воздуха и температурный режим, а также влажность атмосферы. Скорость воздуха в карьерах определяется скоростью воздуха на поверхности земли и температурным режимом карьеров. При скорости ветра на поверхности более 2 м/с, скорость движения воздуха в карьере определяется энергией ветрового потока. При меньшей скорости на поверхности скоростное поле в карьере определяется термическим фактором. Скорость ветра у поверхности земли в среднем возрастает к полудню, затем уменьшается, достигая минимальных значений в ночное время [3]. Скорость воздуха в карьере обычно меньше, чем на поверхности. При относительно высокой скорости ветра на поверхности в карьере могут образовываться местные достаточно мощные потоки с большими горизонтальными скоростями. Термические силы вызываются прогревом или охлаждением воздуха у бортов карьера и могут существенно изменять в нем скорость движения воздуха.
При небольших скоростях ветра термические силы могут формировать вертикальные потоки. Например, интенсивное прогревание солнцем бортов карьеров вызывает мощные восходящие потоки, скорость ко -торых может достигать 5 - 6 м/с. Температура воздуха в карьерах опреде-
ляется температурой воздуха на поверхности, естественным сжатием воздуха, тепловыделяющими и теплопоглощающими процессами в карьерах и состоянием его атмосферы. Температура изменяется в течение года и суток и ход ее в карьере связан с ходом температуры на поверхности. Наибольшая амплитуда хода - летом, а наименьшая - зимой, что связано с солнечной радиацией. Температура воздуха в карьере выше, чем на поверхности вследствие естественного сжатия, облучения солнцем (инсоляции) карьерной выемки, наличия дополнительных источников тепла (прогрев северных бортов) и др. Влажность воздуха в карьерах может способствовать образованию тумана, мглы, снижению видимости, что затрудняет ведение горных работ, снижает прогрев бортов солнцем и конвектив -ный воздухообмен в карьере. Увеличению естественной влажности могут способствовать различные процессы и мероприятия, проводимые в карьере: гидромеханизация, водоотлив, орошение дорог и подготовленных к взрыванию блоков и т.д. Относительная влажность имеет суточный и годовой ход, понижаясь в дневные часы и летом, что связано с увеличением температуры и уменьшением абсолютной влажности из-за вертикального воздушного обмена.
Источники загрязнения атмосферы карьеров.
Загрязнение атмосферы карьеров пылью и вредными газами (вредностями) происходит от ряда различных источников в карьере. Интенсивность источников выделения загрязнений зависит от свойств, состояния горных пород и климатических и погодных условий, техники и технологии разработки, способов и эффективности подавления пыли и вредных газов.
По стандартным методикам были исследованы физико-химические свойства рассматриваемых пылей, проведено экспериментальное исследование аэродинамических характеристик, рассматриваемых пылей [4 - 10].
В теории атмосферной диффузии рассеивание в основном определяется турбулентным обменом и скоростью ветра. Движение частицы пыли в атмосферном воздухе исследовалось с учетом силы тяжести, силы сопротивления о воздух, ветрового сноса в горизонтальном направлении, вертикальной неоднородности ветра и наличия периодических горизонтальных и вертикальных флуктуации поля скоростей атмосферы.
Описание аэрогазодинамической установки по моделированию обтекания карбонатного щебня и формирование пылевых минеральных образований в процессе загрузки и выгрузки
Экспериментальная установка (рис. 1) представляет собой аэродинамическую трубу 2 прямоугольного сечения. Создание воздушного потока в аэродинамической трубе осуществляется с помощью вентилятора.
Для получения диапазона скоростей потока в аэродинамической установке используются металлические диафрагмы 4 с различным диаметром отверстий, которые укрепляются на выходном патрубке вентилятора с плотным прилеганием к его фланцу (рис. 2). Набор металлических диафрагм с различным диаметром отверстий обеспечивает скорость потока воздуха в аэродинамической трубе в диапазоне 0,5 - 10 м/с. Ассимет-ричное расположение отверстий на металлической диафрагме обеспечивает моделирование конвективно-турбулентного потока воздуха в аэродинамической трубе и создает поле скоростей в приземном слое. На выходе аэродинамической трубы установлен крыльчатый анемометр 6, который используется для контроля и определения скорости движения потока с (пылью) техногенных минеральных образований (ПМО).
Рис. 1. Аэрогазодинамическая установка по моделированию обтекания карбонатного щебня и формирование пылевых минеральных образований в процессе загрузки и выгрузки
Воздушный поток в экспериментальной установке создает диапазон скоростей ветра в приземном слое от малых скоростей 0,5 до 10 м/с.
В пылевой камере под действием воздушного потока и загрузке карбонатного щебня пыль образует аэрозоль т.е. двухфазную среду: воздух + твердые частицы пыли. В аэродинамической установке - камере выполнено дополнительно боковое смотровое окно, благодаря этому окну можно визуально наблюдать степень запыленности воздуха в камере.
Рис. 2. Описание аэрогазодинамической установки по моделированию обтекания пылевых минеральных образований в процессе загрузки
и выгрузки
Кроме аэродинамической установки, для проведения экспериментов использовались аналитические весы для взвешивания проб, термометр для измерения температуры воздуха в помещении, барометр для измерения атмосферного давления, психрометр для измерения относительной влажности воздуха и секундомер.
При проведении серии экспериментов ПМО предварительно высушивались в сушильном шкафу до постоянной массы при температуре 110 0 С, чтобы исключить процессы испарения и конденсации с вовлечением в этот процесс воздуха.
Изучение закономерностей взаимодействия воздушных потоков с ПМО является одним из инструментов анализа эффективности экспериментальных исследований для снижения или исключения негативного влияния ПМО на прилегающие территории.
Моделирование процессов при обтекании ПМО воздушными потоками в аэродинамической установке проводили в течении 1 минуты вовремя загрузке через загрузочное отверстие в емкость, помещенное на дне экспериментальной установки.
Порядок проведения эксперимента
1. Берем пробу щебня из карьера мелкой фракции не менее 10 кг. Насыпаем на металлический противень и помещаем в сушильный шкаф (рис. 3).
2. Высушиваем пробу щебня при температуре 110 °С до постоянной массы.
3. Сухую пробу щебня мелкой фракции просеиваем через сито
5 мм.
4. Просеянную пробу, прошедшего через сито с отверстиями 5 мм, отбираем навеску не менее 3 кг, зафиксировав вес навески.
5. Включаем экспериментальную установку, задаем скорость воздушного потока с помощью диафрагмы. И включив секундомер, осуществляем в течение 1 минуты загрузку через загрузочное отверстие в емкость , помещенную на дне экспериментальной установки. В процессе загрузке проба щебня обдувается потоком воздуха в аэродинамической трубе и формируется двухфазная среда: воздух + твердые частицы пыли. Твердые частицы пыли уносятся в воздушную среду и не попадают в емкость, помещенную на дне экспериментальной установки.
6. По истечении времени загрузки выключаем установку, вынимаем емкость с пробой из установки, взвешиваем на весах.
7. Вычисляем потерю твердых частиц пыли из щебня в процентах от начального веса.
8. Экспериментальные исследования по обдуванию воздухом проб щебня проводили при: влажности 0 %, высушенной пробе до постоянной массы; влажности 5, 10 и 20 %.
Рис. 3. Просеянная, используемая в экспериментах проба карбонатного щебня, прошедшего через сито с отверстиями 5 мм (карьер п. Новогуровский)
Необходимую влажность исследуемой пробы достигали путем добавления в предварительно высушенную пробу необходимого количества воды, исходя из массы выбранной пробы.
Для каждого проводимого исследования брали новую пробу карбонатной высевки.
По полученным экспериментальным данным построены зависимости потери массы пробы щебня от скорости потока воздуха при обдуве и ее влажности (рис. 4).
Рис. 4. Зависимость потери массы пробы ПМО от скорости потока воздуха при обдуве и ее влажности
Выводы
Экспериментальные исследования показали, что характер потери массы ПМО в зависимости от влажности (от 0 до 20 %) почти одинаков при небольших скоростях потока воздуха до 3 м/с. При увеличении скорости воздушного потока до 10 м/с потеря массы пробы ПМО увеличивается до 15 %.
Экспериментальные исследования показали, что зависимость потери массы пробы ПМО от скорости потока воздуха в диапазоне от 3 до 10 м/с, при обдуве и ее влажности имеет линейный характер и при более высоких скоростях воздушного потока зависит от гранулометрического состава и плотности ПМО.
При визуальном наблюдении в камере характер изменения концентрации различных примесей в пыли в основном сохраняется. В пылевой камере под действием воздушного потока и в процессе загрузки карбонатного ПМО пыль образует аэрозоль, т.е. двухфазную среду: воздух + твердые частицы пыли. Визуальные различия проявляются при увеличении влажности ПМО, под действием воздушного потока двухфазная среда коагулируется, а легкие частицы двухфазной среды уносятся воздушным потоком.
Визуальный анализ оседания в камере ПМО показал, что время оседания частицы изменяется не пропорционально увеличению влажности, а носит хаотичный характер. Для мелкодисперсной фракции основной причиной, по-видимому, является вертикальная неоднородность скорости ветра и, как следствие, параметров турбулентности.
Для тяжелых частиц ПМО сила тяжести превалирует над силой Стокса, и частицы пыли оседают ускоренно.
Наличие турбулентной составляющей скорости движения атмосферы может для конкретной частицы малого диаметра существенно изменять значение времени оседания.
Таким образом, процесс оседания мелких взвешенных частиц под действием силы тяжести в турбулентном потоке складывается из двух процессов - непрерывного оседания части частиц книзу внутри несущих их пульсационных полей и беспорядочного по направлению, частоте и амплитуде движения частиц со спусками и подъемами вместе с несущими их пульсационными полями.
Таким образом, на основании экспериментальных исследований возможны уточнения существующих закономерностей влияния технологических и других факторов (например, роза ветров ) при добыче известняков на атмосферу и их взаимосвязи с экологической эффективностью освоения месторождений известняка для совершенствования методических положений по обеспечению экологической безопасности горнодобывающих регионов при добыче карбонатных пород, что имеет важное значение для горной промышленности страны.
Благодарность: «Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-17-00148, https://rscf.ru/project/23-17-00148/».
Список литературы
1. Качурин Н.М., Комиссаров М.С., Королева О.С. Рассеивание пылегазовых загрязнений от горных предприятий в приземном слое атмосферы // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2011. Вып. 1. С. 68-79.
2. Качурин Н.М., Белая Л.А., Корчагина Т.В. Геоэкологический мониторинг и оценка воздействия на окружающую среду горнопромышленного региона // Изв. вузов. Горный журнал. 2010. N 6. С. 32-37.
3. Приказ Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации от 0б.0б.2017 г. № 2V3 «Об утверждении методов расчетов рассеивания выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе».
4. Приказ Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации от 2S.11.2019 г. № S11 «Об утверждении требований к мероприятиям по уменьшению выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух в периоды неблагоприятных метеорологических условий» / Министерство юстиции Российской Федерации. Электронный фонд [Электронный ресурс]. Режим доступа :http://docs.cntd.ru/.
5. Технологический регламент, Комплект документов на технологический процесс производства портландцемента ТР (П) 962966SS.1.1-2020. Филиал ООО «ХайдельбергЦемент Рус» в п. Новогуровский, Тульская область, Алексинский район.
6. Golik V.I., Razorenov Y.I., Polukhin O.N. Metal extraction from ore benefication codas by means of lixiviation in a disintegrator // International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Т. 10. № 17. С. 38105-38109.
V. Голик В.И., Лукьянов В.Г., Хашева З.М. Обоснование возможности и целесообразности использования хвостов обогащения руд для изготовления твердеющих смесей // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 201S. Т. 326. № 5. С. 6-14.
S. Golik V., Komashchenko V., Morkun V., Irina G. Improving the effectiveness of explosive breaking on the bade of new methods of borehole charges initiation in quarries //Metallurgical and Mining Industry. 2015. Т. 7. № 7. С. 383-387.
9. Аэрогазодинамика и перенос пыли техногенных минеральных образований / Н.М. Качурин, Д.О. Прохоров, Д.А. Амбарцумов, И.А. Еро-гин // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2023. № 1. С. S31-S43.
10. Структура управления промышленной и экологической безопасностью месторождений полезных ископаемых и предприятий / Н.М. Качурин, Г.В. Стась, Н.Н. Бородкина, М.С. Овсянников // Известия Туль -ского государственного университета. Науки о Земле. 2023. № 4. С. 232240.
Стась Галина Викторовна, д-р техн. наук, профессор, galina [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Бородкина Наталья Николлаевна, инженер, [email protected], Рос -сия, Тула, Тульский государственный университет,
Ганин Михаил Павлович, инженер, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сарычев Владимир Иванович, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
EXPERIMENTAL STUDIES OF AEROGASODYNAMIC PROCESSES OF TRANSFER OF DUST-MINERAL FORMATIONS DURING LOADING AND UNLOADING
OF CRUSHED STONE
G.V. Stas, N.N.Borodkina, M.P. Ganin,V. I. Sarychev
Based on the generalization of known scientific and technical results, the choice of the direction of experimental research was justified, namely, it is necessary to investigate the influence of the microclimate of the quarry on the formation of dust mineral formations. The analysis showed that the main characteristics that determine the accumulation and removal of dust from mineral formations during loading and unloading are air velocity and temperature conditions, as well as atmospheric humidity. The article describes an aerogasodynamic installation for modeling the flow ofdusty mineralformations during loading and unloading. In the dust chamber, under the action of air flow and loading of carbonate crushed stone, dust forms an aerosol, i.e. a two-phase medium: air + solid dust particles. Modeling of the processes during the flow of PMOS by air flows in an aerodynamic installation was carried out at sample humidity from 0 % to 20 %.
Key words: dust-mineral formations, gas dust, modeling of aerogasodynamic processes, diffusion of dust-air flows.
Stas Galina Viktorovna, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Borodkina Natalia Nikolaevna, engineer, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Ganin Mikhail Pavlovich, engineer, [email protected], Tula, Russia, Tula State University,
Sarychev Vladimir Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. Kachurin N.M., Komissarov M.S., Koroleva O.S. Dispersion of dust and gas pollution from mining enterprises in the surface layer of the atmosphere // Izvestiya Tula State University. Earth Sciences. 2011. Issue 1. pp. 68-79.
2. Kachurin N.M., Belaya L.A., Korchagina T.V. Geoecological monitoring and environmental impact assessment of the mining and industrial region // Izv. vuzov. Mining magazine. 2010. N 6. pp. 32-37.
3. Order of the Ministry of Natural Resources and Ecology of the Russian Federation dated 06.06.2017 No. 273 "On approval of calculation methods for the dispersion of emissions of harmful (polluting) substances in the atmospheric air".
4. Order of the Ministry of Natural Resources and Ecology of the Russian Federation No. 811 dated 11/28/2019 "On approval of requirements for measures to reduce emissions of pollutants into the atmospheric air during periods of adverse meteorological conditions" // Ministry of Justice of the Russian Federation // Electronic Fund [Electronic resource]. Access mode :http://docs.cntd.ru /.
5. Technological regulations, a set of documents for the technological process of production of Portland cement TR (p) 96296658.1.1-2020. A branch of HeidelbergCement Rus LLC in the village of No-Vogurovsky, Tula region, Aleksinsky district.
6. Golik V.I., Razorenov Y.I., Polukhin O.N. Metal extraction from ore benefication codas by means of lixiviation in a disintegrator // International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Vol. 10. No. 17. pp. 38105-38109.
7. Golik V.I., Lukyanov V.G., Khasheva Z.M. Substantiation of the possibility and
expediency of using ore dressing tailings for the manufacture of hardening mixtures // Proceedings of the Tomsk Poly-Technical University. Georesource engineering. 2015. Vol. 326. No. 5. pp. 6-14.
8. Golik V., Komashchenko V., Morkun V., Irina G. Improving the effectiveness of explosive breaking on the bade of new methods of borehole charges initiation in quarries // Metallurgical and Mining Indus-try. 2015. Vol. 7. No. 7. pp. 383-387.
9. Aerogasodynamics and dust transport of technogenic mineral formations / N.M. Kachurin, D.O. Prokhorov, D.A. Ambartsumov, I.A. Erogin // Izvestiya Tula State University. Earth Sciences. 2023. No. 1. pp. 531-543.
10. The structure of management of industrial and environmental safety of mineral deposits and enterprises / N.M. Kachurin, G.V. Stas, N.N. Borodkina, M.S. Ovsyannikov / Proceedings of Tula State University. Earth Sciences. 2023. No. 4. pp. 232-240.
УДК 550.343+ 622.83
ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ПОДРАБОТАННОЙ ТОЛЩИ ПОРОД НА ОСНОВЕ ВРЕМЕННЫХ ПРОГНОЗНЫХ ПАРАМЕТРОВ
СЕЙСМИЧНОСТИ
И.Э. Семенова, О.Г. Журавлева, С.А. Жукова
Представлены результаты исследований возможности применения временных параметров микросейсмического потока для выявления периодов формирования обрушений подработанной толщи пород на примере Хибинских апатитовых рудников. Показано, что изменения среднего временного интервала между последовательными сейсмическими событиями и коэффициента вариации этого интервала отражают процессы разрушения массива горных пород. Результаты исследования представляют практический интерес. Модель поведения временных прогнозных параметров может применяться для оценки состояния массива в подработанной толще на Хибинских апатитовых рудниках.
Ключевые слова: сейсмичность, средний временной интервал между сейсмособытиями, коэффициент вариации, Хибинский массив.
Введение
Добыча апатит-нефелиновой руды в Хибинском массиве подземным и открытым способом ведется с 1929 г. В процессе ведения горных работ происходит изменение рельефа Хибинского массива. Глубина отработки месторождений уже превысила 750 м. Эти процессы сопровождаются трансформацией напряженно-деформированного состояния массива пород в окрестности продвигающихся фронтов горных работ и в подработанной толще пород. Разработка месторождений подземным способом ведется с помощью подэтажной системы с принудительным обрушением вышележащей толщи пород. Регулярное обрушение подработанной толщи приводит к снижению концентрации сжимающих напряжений
