Сведения об авторах
Козлов Николай Евгеньевич - д.г.-м.н., профессор, зав. лабораторией ГИ КНЦ РАН, директор АФ МГТУ; e-mail: kozlovne@afmgtu.apatity.ru
Мартынов Евгений Васильевич - к.г.-м.н., старший научный сотрудник ГИ КНЦ РАН; e-mail: mart@afmgtu. apatity.ru
Сорохтин Николай Олегович - д.г.-м.н., главный научный сотрудник Института Океанологии РАН, ведущий научный сотрудник ГИ КНЦ РАН; профессор кафедры геологии и полезных ископаемых АФ МГТУ; e-mail: nsorokhtin@mail.ru
УДК 622'17:627.514(470.21) ИДЕНТИФИКАЦИЯ ФИЛЬТРАЦИОННО-ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ТЕЛЕ ОГРАЖДАЮЩЕЙ ДАМБЫ ХВОСТОХРАНИЛИЩА А.И. Калашник, Д.В. Запорожец, Н.А. Калашник
Горный институт КНЦ РАН
Аннотация
Выполнены режимные георадарные исследования структуры дамбы хвостохранилища в целях идентификации фильтрационно-деформационных процессов в ее теле. За период наблюдений, составивший около двух месяцев, выделено три типа состояния и различной фильтрационной неоднородности грунтов дамбы: незначительного понижения уровня воды; значительного понижения уровня воды и практически без изменения. Выявлена и прослежена в динамике зона подпочвенного суффозионного размыва грунтов.
Ключевые слова:
георадарные исследования, дамба, фильтрационно-деформационные процессы,
суффозионный размыв.
Основные гидротехнические сооружения на горно-обогатительных предприятиях являются их обязательным компонентом и представляют собой систему хвостохранилищ и ограждающих их дамб. По мере накопления отходов в хвостохранилищах происходит заполнение их емкостей, и предприятия вынуждены создавать новые. Вместе с тем, «старые» хвостохранилища представляют собой конгломерат полезного компонента и
являются, по-сути дела, рукотворными или техногенными месторождениями. Так, первое поле хвостохранилища Ковдорского ГОКа, куда складировались хвосты обогащения с 1962 г., начиная с 1995 г. разрабатывается комбинатом с определенным экономическим дивидендом.
Были разработаны специальные технологии и схемы добычи и переработки хвостов, и к
настоящему времени отработка поля №1 подходит к завершающей стадии. Но в последнее время проявились серьезные проблемы, среди которых особое место занимает высокая влажность разрабатываемых хвостов вследствие попадания сюда части стока ручья Можель, а также усилившейся фильтрации воды через тело дамбы [1].
Было принято решение усилить внимание и исследовать фильтрационные процессы через тело дамбы, разделяющей 1-е и 2-е поля хвостохранилища, т.к. к концу 2012 г. фильтрация значительно усилилась и даже локально привела к размывам нижнего склона. Более того, возникла опасность сильных протечек, перетекания содержимого поля №2 в поле №1 и затопления добычных участков. В этих целях выполнены исследования состояния дамбы и фильтрационных процессов в ее теле методами георадиолокационного зондирования и профилирования [2-4].
На рис. 1 представлена схема дамбы, на которой отмечены зоны размыва и протечек, выявленные на основе визуального обследования дамбы. Опасная зона охватывает нижний склон дамбы в интервале от 3ПК до 6ПК и, локально, в районе 8ПК. Следует заметить, что этому предшествовало поднятие уровня грунтовых вод, зафиксированное пьезометрическими измерениями (местоположения пьезометров указаны на схеме рис. 1). Поэтому георадарные определения производились в интервале от 2ПК до 8ПК по продольному профилю длиной 540 м, а в зонах интенсивных протечек - дополнительно поперечными профилями, исходя из доступной ширины полки уступа, от 6 до 15 м.
+294'';
ЗППП
+290
+280: 111
+27 і
Г I 1 I
11: і. 111: і.......шип...................і, і, і, і і.........
+294
р |-Г|ТТ 1-І f т-1 1 т Г'Т'Т I ■(Ч'Т Н'Ч Г1' I П"Р"Р Т Н ч Р' I"' Р'Т > 'ПТН т | г ( тТіТ
О М Г1К2
т—I—I—I—I—I—I—I—I I I III I
ПКЗ ПК4 ПК5 ПК6
1 I' I '4±-ТГ>-^' 1 I 1 I
ГГ~Г~РТ~ГТГТ~Н ч 1 І 1 І і I 1 і’чгпрт-птч'п 1 I ~l 1 I 1 і 1 I 1 I 1 і 1 і 1 I 1 I 1 TrT
EM
5
—► 553 m
ПК7 ПК8
I I I I I—I—I I I I I I I—I I I I
+250
(З^эпз (J +280
nSZJ+274
....................................... <г-т-г-ггттт-гтн-'-ттт-г1-гт-гт-ггп-'-г"1-гтп11
Условные обозначения +294- высотная отметка горизонта • скв 4г- скважина
—- - направление профилирования • п1 - пьезометр
- зона суффозионного размыва пк2 - пикет
Рис. 1. Схема дамбы, разделяющей поля № 1 и 2 хвостохранилища
На рис. 2 приведена радарограмма, полученная по результатам продольного профилирования, на которой в результате ее интерпретации условными обозначениями показаны выявленные дислокации и неоднородности, а также уровень грунтовых вод в теле дамбы. Для сохранения одинакового вертикального и горизонтального масштабов радарограмма представлена в виде узкой ленты, что в целом позволило сохранить общую информативность картины. Из радарограммы следует, что глубина уровня грунтовых вод на период измерений составляла около 5-6 м (на разных участках), в теле дамбы имеется ряд дифрагирующих объектов (резко отличающихся по физикомеханическим характеристикам от слагающих дамбу грунтов) и выделяются несколько зон неоднородностей и суффозионного размыва.
іш; тії ж; v г ш
Рис. 2. Интерпретированная радарограмма продольного профиля дамбы
На графиках, построенных по данным еженедельных георадарных определений (рис. 3), выделены 3 типа состояния и различной фильтрационной неоднородности грунтов:
1-й - зоны, в которых произошло понижение уровня воды на 0.2-0.6 м;
2-й - зоны, в которых произошли понижения уровня воды на 0.6—1.0 м и более (возможно, связанные с зонами размыва);
3-й - зоны, в которых уровень воды понизился незначительно или даже повысился (возможно, вследствие наличия или искусственно созданных водоупоров (подсыпка грунта на гор. +272м). Удельный вес общей протяженности таких зон для участков измерений (ПК2— ПК8) составляет: 1-го — 49%, 2-го — 34%, 3-го — 17%.
Продольный профіль, м
Рис. 3. Изменение уровня вод в теле дамбы со 2 (9) ноября по 24 декабря 2012 г.
Для анализа динамики уровня подземных вод в выделенных зонах 1 и 2 построены графики изменения глубины уровня по наиболее характерным интервалам продольной оси дамбы за двухмесячный период наблюдений (рис. 4 а). Анализ этих графиков позволяет утверждать, что, по всей видимости, эти зоны сформировались фактически в первую половину ноября. В последующем, до начала декабря, уровень воды в зонах 1 и 2 изменялся практически на одну и ту же величину, как в сторону понижения, так и поднятия, затем изменения уровня воды в зоне 2 стали более интенсивными. Об этом также свидетельствует график скорости изменения положения уровня (рис. 4 б).
а б
Рис. 4. Динамика уровня грунтовых вод по наиболее характерным отметкам продольной оси дамбы
Георадарными определениями были определены несколько зон неоднородностей в теле дамбы (см. рис. 1). На рис. 5 приведены радарограммы, на которых идентифицирована и прослежена в динамике развития зона суффозионного размыва. Первоначальными измерениями 2 ноября (рис. 5 а) было определено, что структура данного участка дамбы является относительно однородной и уровень грунтовых вод располагался на глубине 4.5—5.0 м. Спустя неделю, 9 ноября (рис. 5 б), измерениями выявлено изменение картины ниже уровня грунтовых вод, а 16 ноября (рис. 5 в) установлено общее изменение волновой картины, к наиболее существенным отличиям которой следует отнести «прерывистость» или «размытость» уровня грунтовых вод на интервале около 10 м. Последующими определениями (рис. 5 г-з) была прослежена общая динамика формирования суффозионного размыва, протяженностью до 10 м и захватывающего участок дамбы фактически от поверхности до глубины около 8 м.
Таким образом, выполненные режимные георадарные исследования позволили выявить в теле дамбы зоны неоднородности, в том числе связанные с фильтрационно—деформационными процессами, и проследить динамику формирования суффозионного размыва.
За период наблюдений, составивший практически 2 месяца, глубина уровня воды как повышалась (до 0.3 м), так и понижалась (до 1.0 м и более) с общей тенденцией к понижению. По состоянию на 24 декабря (восьмой цикл измерений (рис. 5 з) глубина уровня воды понизилась: на 0.5 м на интервале 0—160 м (от ПК2), на 0.1—0.2 м на интервале 160—260 м, На 0.3 м на интервале 280 м, на 0.4 — на 320 м, на 0.5 —на 340 м, на 0.7 —на 360 м. На интервале 380—400 м понижение составило всего 0.3 м, а на 420—440 м и 480—500 м — скачкообразно, 1.0 м. На остальных интервалах от 460 до 540 м уровень понизился на 0.1—0.3 м. Это свидетельствует о зональной фильтрационной неоднородности слагающих грунтов дамбы.
Рис. 5. Фрагменты продольных профилей на интервале от ПК6-35 до ПК6: а - 2 ноября; б - 9 ноября; в - 16 ноября; г - 27 ноября; д - 4 декабря; е - 11 декабря;
ж - 18 декабря; з - 24 декабря 2012 г.
По результатам исследований выделено 3 типа состояния и различной фильтрационной неоднородности грунтов дамбы: 1-й - зоны, в которых произошло понижение уровня воды на
0.2-0.6 м; 2-й - зоны, в которых произошло понижение уровня воды на 0.6-1.0 м и более (возможно, вследствие локальных протечек); 3-й - зоны, в которых уровень воды понизился незначительно или даже повысился (возможно, вследствие наличия или искусственно созданных водоупоров (подсыпка грунта на гор. +272м). Удельный вес общей протяженности таких зон для участков измерений (ПК2-ПК8) составляет: 1-го - 49%, 2-го - 34%, 3-го - 17%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Опыт проектирования усреднительно-осушительных складов при добыче лежалых хвостов на ОАО «Ковдорский ГОК» / С.П. Решетняк, А.В. Архипов, Э.Б. Красносельский, А.А. Данилкин // Глубокие карьеры: сб. докл. Всеросс. науч.-техн. конф. 18-22 июня 2012г. Апатиты. СПб., 2012. С. 259-263. 2. Подповерхностное георадарное зондирование горно-геологических сред Кольского полуострова / А.И. Калашник, Д.В. Запорожец, А.Ю. Дьяков, А.Ю. Демахин // Вестник МГТУ: Тр. Мурман. гос. тех. университета. 2009. Т.12, № 4. С. 576-583. 3. Мельников Н.Н. Инновационные георадарные технологии изучения подповерхностной структуры и состояния природно-технических систем / Н.Н. Мельников, А.И. Калашник // Вестник Кольского научного центра РАН. 2010. № 3. С.4-8. 4. Старовойтов А.В. Интерпретация георадиолокационных данных. М.: Изд-во МГУ, 2008. 192 с.
Сведения об авторах
Калашник Анатолий Ильич - к.т.н., зав. лабораторией; e-mail: kalashnik@goi.kolasc.net.ru Запорожец Дмитрий Владимирович - ведущий инженер; e-mail: zaporojec@goi.kolasc.net.ru Калашник Надежда Анатольевна - научный сотрудник; e-mail: nadezhda-kalashnik28@rambler.ru
УДК 536.322 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ИЗЛУЧАЮЩЕЙ ПЛАСТИНЫ П.В. Амосов
Г орный институт КНЦ РАН
Аннотация
Методами численного моделирования анализируется известный способ сброса тепловыделений с борта космического аппарата посредством холодильников-излучателей. Представлены примеры численного решения тепловой задачи с определенным набором варьируемых параметров (материал, размеры, коэффициент черноты поверхности). Для минимальной температуры пластины выполнено сравнение результатов численного моделирования и оценок по аналитической зависимости при удовлетворительном согласии. Для железной пластины продемонстрированы влияния длины, толщины, коэффициента черноты на величину минимальной температуры. Ключевые слова:
излучение в вакуум, численное моделирование, теплофизические параметры.
Введение
Методами численного моделирования анализируется известный способ сброса тепловыделений с борта космического аппарата посредством холодильников-излучателей. До сих пор, с повышением бортовой энерговооруженности, внимание к обеспечению энергетического баланса не ослабевает [1-4].
Постановка задачи
В отличие от работы [1], где анализируются методы аналитического расчета распределения температуры для плоской излучающей пластины, в настоящем исследовании продемонстрированы возможности методов численного моделирования для решения следующей тепловой задачи.
Рассматривается элемент конструкции холодильника-излучателя [1], состоящего из трубки с плоскими ребрами, по которой циркулирует теплоноситель (рис. 1). Так же, как и в работе [1],