Исследование турбулентных пульсаций в канале акустического анемометра Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

вок для цветной металлургии. Схема цепей аппаратов стенда (рис. 1) предусматривает возможность измельчения руды по различным технологическим схемам.

Щековая дробилка ЛШ80х150 и грохот вибрационный 150ГР 250x1100, обеспечивают додрабли-вание поступающей руды до необходимой крупности и отсев из нее материала — 2 мм. Для учета и контроля количества загружаемой руды вслед за питателями установлены весоизме-рители ВЁ-1059М, с которых руда ленточным конвейером В-400 подается в измельчительное отделение. Регулирование циркуляционной нагрузки на каждом из этих потоков руды осуществлялось питателями и весоиз-мерителями. Разгрузка продуктов измельчения из рабочих камер производится самотеком в контейнеры. Генераторный блок стенда состоит из 4-х генераторов импульсных напряжений Аркадьева-Маркса.

Стенд ЭДУН-1 позволял прово-

дить испытания различных рабочих камер, различных схем переработки материала и обеспечивал подачу исходного сырья и вывод готового продукта в количестве 1-1.5 т/час. На стенде ЭДУН-1 были испытаны созданные совместно НИИ ВН и Меха-нобр 4 типа машин производительностью 1 т/час.

Измельчительно-отсадочная машина (272 УС)

В настоящее время не существует такого гравитационного обогатительного устройства, которое осуществляло бы одновременно измельчение материала. Очевидно, что можно получить существенные технологические преимущества, если осуществлять обогащение в процессе измельчения по мере вскрытия свободных зерен полезных минералов. Характерные особенности электроимпульсного способа разрушения, связанные с повышенной избирательностью процесса, отсутствием движущихся или вращающихся элементов в камере, позволяют

Рис. 1. Схема цепей аппаратов стенда для испытаний установок непрерывного действия: 1 — питатели, 2 - щековая дробилка, 3 — грохот, 4 - весоизмеритель, 5 - конвейер, 6 - рабочая камера, 7 - перекачивающий насос, 8 - баки-сборники, 9 - тельфер, 10 - насос зумфа, 11- тележка, 12 - лебедка, 13 — шибер

Рис. 2 Измельчительно-отсадочная ма шина 272 УС

объединить в одном аппарате процесс классификации и гравитационного обогащения, в котором возможно быстро и непрерывно выводить из зоны измельчения раскрывающиеся свободные зерна полезных минералов. Кроме того, если организовать процесс измельчения и обогащения таким образом, что продукт, проходя через активную зону рабочей камеры с непрерывным выводом зерен полезных минералов, в конце будет иметь хвостовое содержание полезного минерала и его можно отправлять в отвал, то будет соблюден принцип «не дробить ничего лишнего», что существенно улучшит энергетические показатели разрушения. Изложенные выше принципы реализуются в измельчительно-отсадочной машине 272 УС (рис. 2).

В машине 4-х ступенчатый электрод-классификатор выполнен из шпальтовых сит. Под каждым электродом в нижней части машины имеются конуса, которые связаны с корпусом через эластичные диафрагмы. Конусам задаются вертикальные перемещения за счет специального эксцентрического механизма. Этот механизм обеспечивает вертикальные пульсации пульпы в каждой ступени машины с ходом конусов от 0 до 25 мм. Вывод готового продукта осуще-

ствляется из-под каждой ступени машины через регулируемые гидравлические клапаны в баки-приемники. В хвостовой части машины предусмотрен специальный шибер и выпускной клапан для разгрузки надрешетного продукта и регулирования уровня пульпы в машине. В качестве «постели» в машине используется исходный продукт. Машина испытана на оловосодержащей руде Солнечного месторождения с оценкой энергетических показателей. Всего было переработано в процессе испытания измель-чительно-отсадочной машины 57.5 т руды. Максимальная производительность установки составила 1250 кг/час при расходе энергии 20 кВтч/т. Технологические опробования и исследования продуктов измельчения показали, что характер раскрытия рудных минералов на установке ЭДУН-1 с измельчительно-отсадочной машиной такой же, как и распределение продуктов по классам крупности, полученное на лабораторных аппаратах, а степень раскрытия существенно выше, чем на механических аппаратах. Конструктивной доработки потребовала конструкция заземленных электродов, набранных из шпальтовых сит, из-за недостаточной надежности. Из-за разрушения шпальтовых сит электрической эрозией максимальный срок их непрерывной работы составил 4.5 часа. Срок службы заземленных электродов был значительно увеличен за счет различных конструктивных решений, в которых реализуются различные медленно вращающие вставки, перемещения высоковольтных и заземленных электродов с целью увеличения площади воздействия канала разряда на электроды и др.

Измельчительная машина с барабанным грохотом (275УС «бутара»)

Эффективность классификации продукта в рабочей камере определяет степень переизмельчения материала и энергетические показатели электроимпульсных измельчительных машин. Кроме того, обновление материала в активной зоне разрушения также улучшает технологические и энергетические устройства. Проблема надежности заземленного электрода, выявленная при испытаниях измель-чительно-отсадочной машины, также требует специальных технических решений. С этой целью разработана и испытана измельчительная машина, характерной особенностью которой является выполнение заземленного электрода в виде перфорированного барабана, которому придано медлен-

ное вращение. В этой машине («бутара») осуществляется совмещение процесса измельчения материала с эффективным грохочением (рис. 3).

«Бутара» представляет собой восьмигранный барабан, который опирается горловиной на роликовые опоры и цапфой на подшипники. Роликовые опоры и подшипник расположены на раме, которая посредством винтового устройства может быть повернута вокруг опоры на определенный угол относительно рамы, что позволяет устанавливать барабан под необходимым углом к горизонту. Ванна, в которую погружен барабан, также установлена на раме. В нижней части ванны установлен разгрузочный шнек, транспортирующий готовый продукт. В задней

части барабана расположен улитковый подъемник, разгружающий из барабана недоизмельченный материал в воронку и шнеком, подающий его в загрузочную воронку, в которую подается также исходный для измельчения продукт. В процессе измельчения, благодаря вращению барабана, происходит отсев готового продукта и поступление под электрод новой порции исходного материала. Вращение повышает эффективность разделения материала по крупности. Машина позволяет работать как в замкнутом, так и открытом цикле. При разомкнутом цикле недоизмельченный продукт направляется не в загрузочный короб, а в специальные бункера. Испытание «бутары» проводилось на оловосодержащих рудах Солнечного месторождения. Гранулометрическая характеристика готового продукта указывает на лучшую эффективность классификации материала по сравнению с другими типами испытываемых устройств, а также минимальное переизмельчение материала за счет скорости вывода готового продукта из активной зоны разрушения. Всего на «бутаре» переработали 17.0 т материала со средней производительностью 960 кг/час при энергоемкости 30 кВтч/т. Большим преимуществом «бутары» является отсутствие выхода из строя заземленного электрода. Это связано с тем, что электрические разряды и, естественно, эрозия электродов происходит на большой поверхности по всему диаметру барабана. Конструктивные принципы, заложенные в испытуемой машине, могут решить вопрос о надежности работы классифицирующих электродов в установках повышенной производительности.

Основным недостатком конструкции является необходимость ввода высокого напряжения внутрь заземленного вращающегося барабана. Прак-

тически оказалось, что при вращении барабана, который собран из плоских шпальтовых блоков, не удается выдержать постоянство величины рабочего промежутка и соответственно уровня рабочего напряжения, что снижает надежность работы элементов изоляции электродов. Придание барабану цилиндрической формы частично решает эту проблему, однако система и блок крепления высоковольтных электродов и в этой конструкции являются недостаточно надежными. Следует отметить, что испытываемая конструкция не позволяет рассматривать возможность создания таких устройств с производительностью более 1 т/час. Устранить указанные недостатки и сохранить преимущества конструкции можно, используя вместо барабана полуцилиндр, который имеет колебательные движения относительно оси, на которой закреплены высоковольтные электроды. В такой конструкции все проблемы с высоковольтными электродами решаются достаточно просто.

Измельчительно-классифицирующая стадиальная камера (280УС)

Исследование стадиальности электроимпульсного разрушения показало, что подбирая размер сит промежуточных стадий и режим разрушения в каждой стадии, можно уменьшить расход энергии и получать готовый продукт с меньшим выходом тонких классов. Разработана и испытана измельчительно-классифицирующая стадиальная камера 280УС (рис.4), отличием которой является наличие трех рабочих отсеков и возможность установки от 3 до 6 электродов.

Вариант машины, предназначенный для измельчения кварцевого стекла с целью получения сверхчистого порошка кварцевого стекла с определенным гранулометрическим составом (80 % — 2+0,5 мм) имеет отличительную особенность в том, что все ее

/ Л 3 .*

Рис. 4. Измельчительно-классифици-руюшая стадиальная камера 280УС

металлические части выполнены из дюралюминия. Это обусловлено тем, что в готовом продукте совершенно не допускается наличия примесей элементов 1 группы периодической системы, т.к они приводят к нежелательной кристаллизации, снижению термостойкости и прочностных свойств стеклокерамики.

Низковольтные электроды /6, 7 и 8/ представляют собой пирамидооб-разные пластины, сваренные из дюралюминия и имеющие фрезерованные прорези на первом электроде шириной 10 мм, на втором — 5 мм и на третьем -2 мм. Система обеспечивает последовательное уменьшение по стадиям крупности дробимой породы, при этом продукт требуемой крупности своевременно выводится из процесса через контрольные классифицирующие сита (15, 16). В днище нижней

части камеры расположен пульсатор /17/, диафрагма которого пульсируя с частотой в пределах от 200 до 500 кач/мин и амплитудой от 0 до 10 мм, обеспечивает необходимый гидравлический режим работы машины.

Испытание камеры проведено на оловосодержащих рудах Солнечного месторождения (всего было переработано 12 т руды). При измельчении на «стадиальном» аппарате готовый продукт оказался более тонким, чем после «отсадочной» машины. Это связано с тем, что электроды-классификаторы имели круглые отверстия в отличие от щелевых шпальтовых сит, используемых в «отсадочной» машине и «бутаре». Более тонкий помол материала привел к увеличению удельного расхода энергии. При использовании 3-х генераторов импульсов и 6-ти формирующих элементов производительность установки составляла 900 кг/час при удельных затратах энергии 26.3 кВтч/т, т.е. производительность на один электрод составляет 150 кг/час. В основном испытываемая «стадиальная» камера показала свою работоспособность. Малые габариты «стадиальной» камеры указывают на возможность использования подобных схем на установках повышенной производительности.

Дробильно-измельчительная машина с вибрационным приводом (244 УС)

Одним из недостатков «стадиальных» рабочих камер является недостаточная эффективность классификации материала на неподвижном заземленном электроде-классификаторе. Эксплуатация шнеков и спиральных классификаторов в электроимпульсных установках непрерывного действия показала их недостаточную надежность в связи с тем, что в указанные транспортные механизмы поступает материал широкого диапазона крупности и неоднократно отмечались

Рис. 5. Дробильно-измельчительная машина с вибраци онным приводом

случаи остановки шнеков из-за расклинивания вращающегося винта.

В камера с применением вибраций 244УС (рис. 5) за счет сложного колебания заземленного электрода-классификатора достигается непрерывное движение материала на электроде и, соответственно, более эффективная классификация готового продукта как под высоковольтным электродом, так и в промежутках между ними. Готовый продукт выводится и обезвоживается ковшовым элеватором.

В камере заземленный электрод-классификатор (3), имеющий форму усеченного тора, опирается на конус-сборник (4), на котором закреплены два эксцентриковых вибратора (5). За

счет бигармонических колебаний вибраторов и, соответственно, корпуса и заземленного электрода материал приобретает поступательное круговое движение по желобу, попадая в рабочие зоны под высоковольтными электродами (в камере их 3). Классификация происходит как под высоковольтными электродами, так и в промежутках между ними. Готовый продукт выводится ковшовым элеватором. Установка использовалась для измельчения шлаков зо-лотоплатинового производства с целью приготовления шихты и извлечения корольков благородных металлов из вторичных шлаков. Испытания проводились на шлаках завода «Красцветмет». При приготовлении шихты для плавки передельный шлак дробился от крупности 100-150 мм до -30 мм, а для гравитационного выделения корольков металла измельчался до -1 мм. Производительность по классу -30 мм составила 1170 кг/час, а по классу -1 мм разрушения — 420 кг/час. Это ниже, чем при работе на подобных аппаратах при измельчении горных пород, и связано с тем, что находящаяся в значительных количествах в передельных шлаках соды при переходе в раствор существенно уменьшает его электрическое сопротивление, повышая потери энергии за счет электропроводности рабочей жидкости и ухудшая параметры высоковольтных импульсов.

Заключение

Выполненными работами показана возможность создание электроимпульсных дезинтеграционных камер производительностью до 1 т/час по классу - 2 мм, что с учетом высокой технологической эффективности вскрытия рудных минералов дает возможность вписать электроимпульсную дезинтеграцию в рудоподготовитель-ные процессы по многим видам минерального сырья, обогащаемых гравитацией и флотацией. Однако, в производственных масштабах это может стать возможным лишь при условии, что электротехническое обеспечение электроимпульсного процесса (система генерирования высоковольтных импульсов) будет настолько компактным, чтобы за счет параллельной работы дезинтеграционных камер можно было создавать электротехнологические

1. Воробьев А.А., Воробьев Г.А., Зава-довская Е.К. и др. Импульсный пробой и разрушение диэлектриков и горнык пород. — Томск: Изд-во Томского ун-та, 1971, 225 с.

2. Усов А.Ф., Семкин Б.В., Зиновьев

H.Т. Переходные процессы в установках электроимпульсной технологии. — Л.: Наука, 1987, 179 с.

3. Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. — Апатиты: КНЦ РАН, 1995, 276 с.

4. Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман В.А. Электроимпульсная дезинтеграция материалов. — Апатиты: КНЦ РАН, 2002, 324 с.

5. Andres U. 1995. Electrical disintegration of rock, Mineral Proc. Extractive Metallurgy Rev., 14: 87- 110.

6. Inoue, H.et al. 2000. Drilling of hard rocks by pulsed power. / Inoue, H. Lisitsyn,

I.V. Akiyama, H. Nishizawa, I. In Electrical Insulation Magazine, IEEE Volume: 16, Issue: 3, pp. 19-25, 2000.

7. Biela J., Marxgut C., Bortis D. and Ko-lar J. W.. Electric Discharge Drilling of Con-rete., Proceeding of the IEEE International

блоки производительностью в десятки тонн в час. Существовавшая и использовавшаяся в исследованиях электроимпульсной технологии в 60-90 гг. прошлого столетия электротехническая элементная база не соответствовала этим требованиям. Существенный прогресс в развитии высоковольтной электроники и электротехники на рубеже столетий создал реальные технические предпосылки для практической реализапии обладающего высокой энергетической эффективностью и уникальными технологическими особенностями электроимпульсного способа разрушения материалов в технологиях добычи и переработки минерального сырья, горнотехнического и инженерного строительства, переработки и утилизапии технических материалов и техногенных твердых отходов [10 — 15].

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Power Modulator Conference, May 27-31, Las Vegas, NV, 2008.

8. Usov, A.F., Tsukerman, V.A. Electric pulse disintegration: russian experience and prospects. Proceedings of the 2008 Global Symposium on Recicling, Waste Treatment and Clean Technology (REWAS-2008), 12-15 October 2008, Cancun, Mexico, — pp. 221226.

9. Усов А.Ф., Цукерман B.A., Курец

B.И.. Опыт разработки средств электроимпульсной дезинтеграции материалов. // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2011, №12, с. 310-318.

10. Усов А.Ф., Бородулин В.В. Электротехническое обеспечение электроимпульсного способа разрушения материалов: проблема и пути решения // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2008. № 4. С. 164-170.

11. Усов А.Ф., Бородулин В.В. Вопросы разработки электротехнического оборудования для электроимпульсных дезинтегра-ционных установок // Ученые записки Петрозаводского гос. ун-та. Сер. «Естественные и технические науки». 2010. № 6 (111).

C. 90-9811.

12. Канаев Г.Г., Кухта В.Р., ЛопатинВ.В. и др. Высоковольтный импульсный генератор для электроразрядных технологий / Г.Г. Канаев, В.Р. Кухта, В.В. Лопатин, А. В. Наши-левский, Г.Е. Ремнев, К. Uemura, Э.Г. Фурман // Приборы и техника эксперимента, № 1, Январь-Февраль 2010, С. 105-109.

13. Kovalchuk B.M. et all. 2010. Highvoltage pulsed generator for dynamic fragmentation of rocks. / B.M. Kovalchuk, A.V. Khar-lov, V.A. Vizir, V.V. Kumpyak, V.B. Zorin, and V.N. Kiselev. Rev. Sci. Instrum. 81, 103506 (2010); doi:10.1063/1.3497307.

14. Усов А.Ф., Потокин A.C. О стратегии разработки и освоения электротехнического оборудования для технологий

электроимпульсного разрушения материалов. // Материалы Всероссийской (с международным участием) конференции по физике низкотемпературной плазмы «ФНТП-2011», г. Петрозаводск, 21-27 июня 2011 г. — Петрозаводск: изд. ПетрГУ, 2011, т.2, с 62-69

15. Usov A.F., Potokin A.S. Conceptual solutions to create compact, electrical equipment for technology electropulse fracture of materials. In Proceedings of the 15th Conference on Environment and Mineral Processing, 8. — 10.06.2011, VSB — Technical University of Ostrava, Czech Republic, p.2, pp. 393-398. ИШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Усов Анатолий Федорович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Центр физико-технических проблем энергетики Севера Кольский научный центр Российская академия наук, начальник научно-организационного отдела Кольского научного центра РАН, e-mail: [email protected],

Цукерман Вячеслав Александрович — кандидат технических наук, заведующий отделом промышленной и инновационной политики Института экономических проблем Кольского научного центра РАН, старший научный сотрудник, e-mail: [email protected], Курец Валерий Исаакович — доктор технических наук, профессор Томского политехнического университета, e-mail: [email protected].

РИНАТ АХМЕТОВ ЗАКРЫВАЕТ ШАХТЫ В США -

«Метинвест» закрывает две подземные шахты и один разрез «Sapphire Coal Company», который входит в американскую угледобывающую компанию «United Coal Company» (UCC). Об этом говорится в уточненном по итогам первых пяти месяцев текущего года бизнес-плане группы «Метинвест» на 2012 г., имеющийся в распоряжении «УкрРудПрома».

UCC испытывает трудности со сбытом своей продукции. Например, объем реализации энергетического угля в 2012 г. оказался в три раза меньше первоначально запланированного (вместо 1,3 млн т — 400 тыс. т). Спрос на энергетический уголь американского подразделения «Метинвеста» катастрофически упал из-за снижения цен на природный газ, а также из-за острой конкуренции с более дешевым углем Иллинойского бассейна. В «Sapphire Coal Company» до текущего года работало около 200 человек, которые добывали более 1 млн т угля в год. В настоящее время «Sapphire Coal Company» ликвидируется.

Для справки: В 2009 году «Метинвест» закрыл сделку по приобретению американской угледобывающей компании UCC. «Метинвест» является общепризнанным монополистом на рынке металлургической и железорудной продукции в Украине. Контрольный пакет «Ме-тинвеста» (71,25%) принадлежит Ринату Ахметову.

© Н.И. Бабичев, Ю.В. Либер, 2012

УДК 622.227:622.232.5

Н.И. Бабичев, Ю.В. Либер

СКВАЖИННАЯ ГИДРОДОБЫЧА НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ СТЕКОЛЬНЫХ ПЕСКОВ И ЖЕЛЕЗНЫХ РУД

Описаны работы по скважинной гидродобыче на месторождении стекольных песков «Горошек» и подъем большой технологической пробы на Бочкарском месторождении железных руд.

Ключевые слова: скважина, железная руда, насосный агрегат, керн.

В течение 2006—2007 гг.

НПЦ «Геотехнология» провела работы по скважинной гидродобыче - опытно-методические работы на месторождении стекольных песков «Горошек», расположенном в Тверской области, и подъем большой технологической пробы на Бочкарском месторождении железных руд в Томской области.

Месторождение «Горошек» представлено кварцевыми песками с тонкими прослоями углисто-глинистых алевритов. Пески серо-белого цвета по зерновому составу мелкие и очень мелкие, хорошо окатанные. Мощность песков изменяется от 12,6 до 16 м. В кровле общей мощностью 49—55 м залегают породы, представленные глинами с прослоями песка, угля и известняками. Известняки образуют от 2-х до 3-х пачек общей мощностью от 3-х до 10 м.

По горно-геологическим условиям для разработки месторождения может быть принят метод скважинной гидродобычи. Для обоснования этого метода и определения основных параметров были проведены опытно-методические работы.

Принципиальные технологические решения при проведении опытно-методических работ были основаны на ранее выполненных работах и исследованиях НПЦ «Геотехнология» по

СГД на Тарской россыпи и других месторождениях.

Для проведения работ был построен опытный участок, на котором были пробурены технологические скважины, оборудована карта намыва, подготовлен насосный агрегат отрыт котлован для технической воды.

С целью получения более достоверной информации по геологическому строению и качеству песков на опытном участке были пробурены три развед очные скважины диам. 151 мм с отбором керна.

Для добычи песков применялся добычной снаряд СГС-4 с гидроэлеваторным подъемом пульпы.

Подача напорной воды непосредственно в снаряд осуществлялся по гибкому рукаву высокого давления диам. 100 мм. Отвод пульпы от снаряда производился рукавами низкого давления диам. 150мм. Расстояние транспортирования пульпы до карты намыва составляло около 50 м.

Технологическая скважина бурилась ниже кровли продуктивного песка на 2—3 м и обсаживалась трубами диам. 273 мм. После цементации за-трубного пространства производилось вскрытие пласта песков с перебуром в подстилающие породы на 0,5 м.

Для предотвращения аварийной ситуации при возможной просадке поверхности буровая установка раз-

мешалась на опорной платформе длиной 25 м.

При отработке скважин были приняты:

• нижняя подсечка пласта секторами с использованием псевдоплывунных свойств песков.

• отработка первой скважины двумя секторами с углом раскрытия каждого сектора в пределах 45°;

• отработка второй скважины тремя секторами с углом раскрытия каждого сектора в пределах 45°.

• размыв и извлечение песка в каждом направлении до появления в пульпе пород кровли.

Такая технология позволила достичь следуюших результатов:

• при отработке первой скважины извлечено 450 м3 или 700 т песка за 13 часов непрерывной работы

• при отработке второй скважины извлечено 1100 м3 или 1700 т песка за 32 часа непрерывной работы.

В первом случае средняя производительность добычи составила 34,6 м3/час, во втором 34,3 м3/час а при отработке одного из секторов второй добычной камеры- центрального — 40 м3/час. Соотношение Т : Ж при этом составляло в среднем 1 : 5.

Направление струи гидромонитора менялось после 6-7 часов работы в каждом секторе при снижении Т : Ж до 1 : 10 ■ 1 : 15 или появлении в пульпе пород кровли.

Пески складировались в карту намыва и после обезвоживания опробовались для определения качества песков. Объем намытого песка на карте рассчитывался по делениям вешек, установленных по всей плошади карты намыва. Карта намыва песка представлена на рис. 1.

Всего было проанализировано 12 проб из керна и 24 с карт намыва.

Результаты сравнительных анализов песков керна и с карт намыва представлены в табл. 1 и 2.

Рис. 1. Карта намыва стекольных песков месторождения «Горошек»

Анализы кварцевых песков на соответствие требованиям ГОСТ 22551-77 «Песок кварцевый, молотые песчаник, кварцит и жильный кварц для стекольной промышленности» проводились в лаборатории ООО «НИИ Стекла», г. Гусь-Хрустальный, Владимирская область.

По заключению ООО «НИИ Стекла», исходные пески по химическому и гранулометрическому составам соответствуют требованиям ГОСТа, и могут быть отнесены к марке «Т», т.е. стеклу низшей марки. Пески этой марки применяются при производстве зеленой и коричневой бутылки.

Как видно из таблиц, в результате скважинной гидродобычи песков за счет дезинтеграции и частичного удаления глинистой фракции увеличилось содержание кремнезема, уменьшилось содержание окиси железа, глинозема. Добытые пески по своему качеству были отнесены уже к марке ПБ-150 (ГОСТ 22551-77), т.е. качество песка повысилось. Область применения такого песка — производство оконного и технического стекла, стекловолокна для строительных целей, стеклотары, изоляторов, пеностекла.

Таблица 1

Гранулометрический состав

Проба Номер сита

1,6 1,0 0,8 0,63 0,40 0,315 0,20 0,10 0,05 <0,05

Остаток на сите, масс %

Керн 0,28 0,95 1,03 1,85 5,84 5,28 29,4 42,75 8,81 3,66

Карта 0 0 0,095 0,375 1,3 1,25 10,11 71,8 13,66 1,33

намыва

ГОСТ Не более 5 Не более 15

22551-

77,

ПБ-150

Таблица 2

Химический состав

Проба 8102 А120З Ре20з Т1О2 СаО МдО №20 К20 п.п.п.

Керн 95,82 1,6 0,42 0,16 0,45 0,17 0,03 0,20 1,11

Карта намыва 98,4 0,6 0,157 0,146 0,040 0,042 0,069 0,075 0,44

ГОСТ 2255177, ПБ-150 98,0 1,5 0,15 Не нормируется

Таблица 3

Показатели Добычные скважины

1 2

Мощность песков, м 11,0 12,0

Чистое время добычи, час 13 32

Объем добычи, м3 450 1100

Производительность снаряда м3/час, сред- 34,6 34,3/40,0

няя/максимальная

Соотношение Т : Ж 1 : 6 1 : 5

Таким образом, в ходе опытно-методических работ по скважинной гидродобыче, из двух скважин добыто около 1550 м3 кварцевых песков с глубины 60 м. При средней мощности залежи песка 11 м и рабочем давлении 3,6-3,8 МПа, средняя производительность добычи составила 35 м3 /час, достигая при отработке отдельных секторов 40,0 м3 /час

За время наблюдений при общем объеме добычных камер 1500—1600 м3 выхода сдвижения на поверхность не произошло.

Отсутствие просадок поверхности в течение производства добычных работ и расчеты показывают, что с одной скважины возможно добывать до 2500 м3.

Результаты работ сведены в табл. 3.

Добычной гидроэлеваторный снаряд СГС-4 показал устойчивую и надежную работу при незначительном износе проточных частей.

По результатам опытных работ было составлено «ТЭО разработки кварцевых песков месторождения «Горошек» способом скважинной гидродобычи» и разработан проект опытно-промышлен-

Рис. 2. Геологический разрез по рудам Бочкарского месторождения

ного участка на производительность до 50, 0 тыс. т. песка в год.

Расчеты в ТЭО показали, что разработка месторождения методом скважинной гидродобычи песков рентабельна.

Второе месторождение, где проводились работы с применением скважинной гидродобычи - Полынян-ский участок Бочкарского железорудного месторождения. Пласт полезного ископаемого представлен рудами от крепко сцементированных до сла-босцементированных коричневого, черного и темно-зеленого цвета, мошностью до 40м. Глубина залегания руд до 240 м. Разрез по рудному пласту представлен на рис. 2.

Для отбора технологической пробы был разработан проект наземного

комплекса. В качестве технических средств применялись насосная установка цементировочного агрегата ЦА-320 и компрессор СД-9/101. Для обеспечения технической водой была пробурена водозаборная скважина глубиной 60 м.

Отбор технологической пробы производился добычным снарядом СЭС с эрлифтным подъёмом. Внешний диаметр снаряда 114 мм. Диаметр пульповода снаряда 73 мм. Об-шая длина снаряда (глубина разработки) составила 206 м.

Технологическая скважина глубиной 240 м обсаживалась трубами ди-ам. 168 мм на глубину 200м. Воздух поступал по воздуховоду диам. 33 мм под давлением до 10 атм и расходом 9м3/мин.

Рис. 3. Карта намыва с железной рудой Бочкарского месторождения

Добытая руда подавалась на карту намыва по пульповоду диам.168 мм

1. Арене В.Ж. Физико-техническая геотехнология. М. , изд. — во МГГУ, 2001.

2. Арене В.Ж., Бабичев Н.И., Башкатов А.Д., Гридин О.М., Хрулев A.C., Хчеян Г.Х. Скважинная гидродобыча полезных ископаемых. М., изд-во Горная книга, 2007.

Результаты работ по подъему большой технологической пробы:

• объем валовой пробы более 100 т;

• радиус отработки добычной камеры;

• по рыхлой оолитовой железной руде до 7 м;

• по слабосцементированной гид-рогетитлептохлоритовой руде 1,5— 2 м;

• производительность добычного снаряда составила 2,5 т /ч.

Добытая руда передана для дальнейших исследований в научные институты Москвы, Новокузнецка и Екатеринбурга.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Бабичев Н.И., Либер Ю.В., Кройтор Р.В., Левченко Е.Н. Скважинная технология добычи титано-цирконовых песков Тарского месторождения. Горный информационно-аналитический бюллетень. — № 2. — 1999. SZS

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Бабичев Н.И. — доктор технических наук, профессор, действительный член Международной Академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности, член-корр. РАЕН, директор по науке. НПЦ «Геотехнология»,

Либер Ю.В. — начальник проектного отдела НПЦ «Геотехнология».

А

УВАЖАЕМЫЕ КОЛЛЕГИ!

Приглашаем Вас принять участие в работе Международной научно-практической конференции «Аэрология и безопасность горных предприятий», которая состоится 23-24 октября 2012 года в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный». Вопросы об участии в конференции можно задать по телефону (812) 328-8605 или по е-шаП: коуа1еуа_ап@шаП.

© А.Е. Кучурин, С.Б. Бекетов, 2012

УДК 622.245+622.279.7

А.Е. Кучурин, С.Б. Бекетов

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ СКВАЖИННОГО ШТАНГОВОГО НАСОСА ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ ИЗ СКВАЖИН СОДЕРЖАЩИХ ЗНАЧИТЕЛЬНОЕ КОЛИЧЕСТВО ПЕСКА В ПРОДУКЦИИ

Приведено описание конструкции скважинного штангового насоса для добычи нефти из скважин, Насос разработан для условий работ в скважинах, содержащих значительное количество песка в продукции. Ключевые слова: нефть, скважина, штанговый насос, песок.

ООО «РН-Краснодарнефтегаз» ведет разработку нефтяных месторождений на юге России. Основная часть месторождений находится на поздней стадии разработки. К таким относится и Анастасиевско-Троицкое месторождение (и его спутники), эксплуатация которого начата в 1954 год.

Продуктивные пласты рассматриваемого месторождения представлены слабосцементированными песчаниками. В 1976 году на Анаста-сиевско-Троицком месторождении впервые были применены способы защиты скважинного оборудования от песка [1, 2]. Как показывает опыт — песок, асфальто-смолистые парафи-нистые отложения (АСПО), свободный газ в насосе, являются основными причинами, по которым происходит отказ скважин оборудованных скважинными штанговыми насосами (СШН) на юге России [3].

В настоящее время крепление призабойной зоны пласта (ПЗП) является основным способом защиты скважинного оборудования от песка на месторождениях Общества. Данный способ крепления основан на создании в ПЗП фильтра путем намыва проппанта. В зависимости от

размера проппанта, создаваемый фильтр будет иметь различную тонкость фильтрации. В идеальном случае, выбор фильтра, для защиты скважинного оборудования, осуществляется на основе лабораторных исследований керна и образцов фильтров, на предмет фильтрации флюидов через фильтр и стойкости фильт-роэлемента к засорению песком того месторождения, к условиям которого он подбираются. Такие эксперименты трудоемки и требуют значительных финансовых затрат. Для снижения затрат используют методики и матрицы по выбору фильтров [4, 5], которые обеспечивает получение приемлемого результата. Выбор фильтра зависит от гранулометрического состава коллектора, коэффициентов однородности и отсортированности.

С целью оптимизации процесса выбора фильтров были проведены гранулометрические исследования керна Анастасиевско-Троицкого месторождения IV горизонта и построена карта медианных диаметров, представленная на рис. 1.

Распределение размера зерен керна, в среднем по IV горизонту Ана-стасиевско-Троицкого месторождения представлено на рис. 2.

Рис. 1. Распределение медианного диаметра зерен по данным гранулометрического анализа керна скважин IV горизонта Анастасиевско-Троицкого месторождения

%

■то

90

ею

70 60 50 40 30 20 10

1

г

1 1 1 1

1

1 1 ■

1 1 1

1 1 1 1 г 1 1 Ив

1

... -------т . ■ 1 7 1-1 1 1 1 1 1 111-1-1 1 1 1 III -1—гТ\ 1мм— Н§§и

0 0.1

10 100 Размер, мкм

1,000

10,000

Рис. 2. Распределение зерен керна по размеру в среднем по IV горизонту Ана-стасиевско-Троицкого месторождения

Также проведен гранулометрический анализ механических примесей отобранных с забоев некоторых скважин месторождений Дыш, Хом-ское, Северо-нефтяное и Троицкое. Результаты распределения мехприме-сей по размеру, на этих месторождениях, сопоставимы с результатами по

IV горизонту Анастасиевско-Троиц-кого месторождения.

Эффективный фильтр выбирается из условия — оптимальный размер частиц проппанта, из которого намывают фильтр, должен быть в 5—7 раз больше, чем медианный размер частиц породы коллектора.

Для условий юга России, оптимальный типоразмер проппанта 16/30 (589-1190 мм). Такой фильтр, позволяет задерживать крупные механические примеси, выносимые из пласта, но в тоже время пропускает мелкие частицы для предотвращения заиливания, которые в дальнейшем, попадая в зазор плунжер-цилиндр при работе СШН, производят абразивный износ, а при остановках скважины, могут осаждаться на верхнем торце плунжера с образованием песчаной пробки высотой до нескольких метров и при последующем запуске скважины в работу могут привести к заклиниванию плунжера в цилиндре [6].

Авторами разработана конструкция СШН, которая решает эти проблемы. Насос работает следующим образом: после спуска насоса в скважину его узлы занимают положение, показанное на рис. 3.

После включения привода насоса колонна штанг 16 с соединительной муфтой 5 снабженной наружным кольцевым выступом 6, упорным кольцом 9, гайкой 10, плунжером 3 и клеткой клапана 11 с нагнетательным клапаном 12 поднимаются вверх. Нагнетательный клапан 12 закрыт. Всасывающий клапан 2 цилиндра 1 открывается и жидкость, содержащая механические примеси, заполняет объем всасывающей полости 14. Под действием веса жидкости над нагнетательным клапаном 12 стенки плунжера 3 распираются в стороны, а верхняя коническая поверхность 7 кольцевого выступа 6 оказывает давление на упорное кольцо 9, которое дополнительно прижимает стенки плунжера 3 к стенкам цилиндра 1, что способствует еще большему уменьшению зазора между плунжером 3 и цилиндром 1, и препятствует попаданию механических примесей в зазор между цилиндром 1 и плунже-

Рис. 3. Скважинный штанговый насос

ром 3. При ходе колонны штанг 16 с соединительной муфтой 5 с кольцевым выступом 6, упорным кольцом 9, гайкой 10, плунжером 3 и клеткой клапана 11 с нагнетательным клапаном 12 вниз, всасывающий клапан 2 закрывается, а нагнетательный клапан

12 открывается и жидкость из всасывающей полости 14 вытесняется в полость 13 плунжера 3 и далее в нагнетательную полость 15 цилиндра 1.

Под действием веса колонны штанг 16 нижняя коническая поверхность 8 кольцевого выступа 6 оказывает давление на гайку 10 и прижимает ее к стенке цилиндра 1 , способствуя уменьшению зазора между плунжером 3 и цилиндром 1, что препятствует попаданию механических примесей в зазор между цилиндром 1 и плунжером 3 и исключает заклинивание плунжера 3 в цилиндре 1.

Верхний конец плунжера 3 сделан заостренным, для уменьшения вероятностей оседания механических частиц на торце при остановке скважин-ного насоса и исключения их попаданий в зазор между плунжером 3 и ци-

1. Эволюция методов крепления приза-бойной зоны скважин IV горизонта Анаста-сиевско-Троицкого месторождения / П.С. Жихор, Г.Т. Вартумян, А.Т. Кошелев и др. / Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. М. 2010. № 6. 4749 с.

2. Аржанов Ф.Г., Маслов И.И., Репин В.И., Свиридов B.C. Применение противо-песочных фильтров в скважинах IV горизонта Анастасиевско-Троицкого месторождения. М. Нефтепромысловое дело. 1981. № 10. 35-39 с.

3. Кучурин А.Е., Бекетов С.Б. Пути повышения надежности скважинных штанговых насосов на нефтяных месторождениях со слабосцементированными

линдром 1 при запусках скважинного штангового насоса.

Соединительная муфта 5 не имеет жесткого соединения со стенкой плунжера 3, что позволяет прижимать стенки плунжера 3 к стенкам цилиндра 1 под действием веса жидкости над нагнетательным клапаном 12, при ходе скважинного штангового насоса вверх и под действием веса колонны штанг 16, при ходе скважинного штангового насоса вниз.

Как, показывают расчеты, проведенные авторами, данная конструкция СШН, позволяет сократить зазор плунжер-цилиндр и поддерживать это значение зазора на протяжении всего цикла работы насоса. Это предотвращает попадание песка в зазор плунжен-цилиндр и увеличить межремонтный период работы СШН.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

коллекторами. - Горный информационно-аналитический бюллетень. М. 2011. № 10. 380-383 с.

4. Tiffin, D.L., King, G.E., Larese, R.E., Britt, L.K. New Criteria for Gravel and Screen Selection for Sand Control. SPE 39437. 1998.

5. Saucier. R.J. Considerations in gravel pack design. SPE 4030, 1974.

6. Власов B.B. Повышение работоспособности штанговых скважинных насосных установок путем компоновки колонны штанг усовершенствованными нагнетателями жидкости. - Автореферет диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Уфа. 2004. 9 с. ПТШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Бекетов Сергей Борисович - доктор технических наук, профессор, почетный работник науки и техники РФ, Северо-Кавказский Государственный технический университет, Кубанский государственный технологический университет, Кучурин Алексей Евгеньевич - зав. сектором ООО «НК «Роснефть»-НТЦ».

© Т.Н. Александрова, A.B. Рассказова, К В. Прохоров, 2012

УДК B03D1/02, C10L5/16

Т.Н. Александрова, A.B. Рассказова, К.В. Прохоров

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ БРИКЕТИРОВАНИЯ БУРОУГОЛЬНОЙ МЕЛОЧИ НА ОСНОВЕ СВЯЗУЮЩЕЙ КОМПОЗИЦИИ ИЗ ОТХОДОВ

Рассмотрен один из способов повышения энергоэффективности природопользования, включающий вовлечение буроугольной мелочи и промышленных отходов в переработку. Теоретически обоснован и экспериментально опробован способ получения буроугольных брикетов, в состав которых входят битум и лигнин. Определены оптимальный состав и энергетические характеристики полученных брикетов.

Ключевые слова: качество бурых углей, буроугольная мелочь, битум, лигнин, топливный брикет, теплота сгорания.

В структуре установленной мощности энергетики ДФО 30 % занимает гидрогенерация, остальное приходится на тепловые электростанции (ТЭС) [1]. В свою очередь доля угля в топливном балансе ТЭС составляет 72 % [2]. В настоящее время значительную долю в толивно — энергетическом балансе занимают бурые низкометаморфизированные угли, характеризующиеся высокой хрупкостью и выходом мелких фракций. Разработка инновационных подходов к снижению зольности, повышению теплоты сгорания угля и вовлечению угольной мелочи в цикл уг-лепереработки является актуальной задачей. В настоящее время нет единого научно обоснованного подхода к выбору эффективного связующего и технологического регламента производства угольных брикетов на базе исследуемого месторождения, поэтому актуальна разработка технологии производства брикетированного бу-роугольного топлива. Объект исследования — буроугольное сырьё одного из месторождений Юга Дальневосточного региона. Цель исследования — обоснование ресурсосберегающих

инновационных технологических решений по получению угольных брикетов на основе связующей композиции из отходов. Поставленные исследователями задачи — селективный отбор проб в пределах действующего угольного разреза и их технологическая диагностика, разработка технологии получения угольных брикетов с подбором технологического режима и компонентного состава, технологическая диагностика полученных термобрикетов. Отбор проб проводился по пластам, результаты технологической диагностики приведены в таблице 1.

Наблюдается неоднородность качественных показателей угля по пластам.

Одно из перспективных направлений усреднения и повышения качественных, в том числе энергетических, показателей буроугольного сырья — снижение зольности путем обогащения слабоструктурных бурых углей. Авторами разработан способ флотационного обогащения угольной мелочи аполярного собирателя — продукта нефтепереработки. Способ флотационного обогащения особенно актуален для низкометаморфизированных слабо-

1 23 4 5 67 89 10 ^

номер пробы

Рис. 1. Результаты ситового анализа низкоструктурированного буроугольного сырья

Таблица 1

Технологические характеристики бурых углей Ушумунского месторождения

№ пробы Wa, % Va, % Аа, % Бобщ % N,%

I пласт (точка 1) 29,61 27,62 16,99 0,41 0,35

I пласт(точка 1) 26,02 26,63 19,92 0,66 0,25

I пласт (точка 1) 35,78 25,59 8,37 0,41 0,42

I пласт(точка 2) 25,74 26,14 25,75 0,25 0,56

I пласт(точка 3) 21,25 22,10 35,26 0,23 0,15

II пласт 22,25 35,93 11,06 0,39 0,65

III пласт 17,78 31,01 24,60 0,34 0,31

Ша, V3, Аа — влажность, выход летучих веществ, зольность на аналитическое состояние топлива, %; Бобщ, N — содержание общей серы и азота, % (масс).

структурных углей, характеризующихся высоким содержанием мелочи и повышенным выходом мелких фракций при измельчении.

Целесообразность брикетирования исследуемых бурых углей обусловлена склонностью к окислению кислородом воздуха и самовозгоранию, потерей мелких классов при слоевом сжигании рядового бурого угля в результате просыпи между колосниками топки. Так, КПД использования тепла термобрикетов составляет 75 % по сравнению с 46,7 для рядового угля, содержащего мелочь [4].

Связующие вещества для брикетирования углей определяют экономические показатели производства буро-угольных брикетов. Исследуемые бурые угли являются высокобитуминозными [5], что является благоприятным фактором в процессе брикетирования.

Дробленый материал исходных проб угля был подвергнут мокрому рассеву по классам с последующим высушивание. На рис. 1 приведены результаты ситового анализа буро-угольного сырья исследуемого месторождения.

Ситовый анализ (мокрый рассев исходной пробы)

Результаты ситового анализа показывают, что выход классов угля крупностью +3 мм после первичного дробления лежит в диапазоне от 34 до 72 % и в среднем составляет 57 %. Учитывая результаты ситового анализа, исследующего, как указано выше, гранулометрический состав буро-угольного сырья после измельчения, додрабливать до крупности — Змм необходимо в среднем 57 % сырья.

Выбранная крупность сырья для исследований (-3 мм) обусловлена

тем, что при брикетировании боле тонкоизмельченного угля увеличивается расход собирателя вследствие увеличения удельной поверхности угольной массы. При крупности угля -3 мм пространство между зернами угля оптимально заполняется связующим. Указанный размер частиц угля также обеспечивает приемлемую кинетику сгорания буроугольных топливных брикетов [6].

Изыскание новых, более экономичных и высококачественных связующих материалов — одна из важнейших проблем. Предлагается при изготовлении буроугольных топливных брикетов применять в качестве связующего вещества битум нефтяной марки БНД 90/130, представляющий собой окисленные остатки вакуумной ректификации Хабаровского нефтеперерабатывающего завода.

Предлагаемый связующий материал полностью удовлетворяет требованиям и обладает следующими характеристиками: хорошая связующая способность, прочность брикетов при небольшом расходе, хорошие спекающие свойства, устойчивость по отношению к влаге, быстрое затвердевание, высокая теплота сгорания, недефицитность, относительная экологическая безопасность (класс опасности рассчитан по результатам рентгенофлуорес-центного анализа с применением запатентованного программного обеспечения «Dang Waste», Кбитум= 144,75, III класс — умеренно опасный).

Нефтяные битумы представляют собой дисперсные системы, в которых дисперсионной средой являются масла и смолы, а дисперсной фазой — асфаль-тены. Нефтяной битум является окисленным продуктом, что снижает опасность самовозгорания брикетов вследствие окисления кислородом воздуха.

Гидролизные процессы переработки древесного и растительного сырья

основаны на гидролизе полисахаридов концентрированными минеральными кислотами. Сернокислотный лигнин получают обработкой древесины концентрированной 64—78 %-ной серной кислотой. Получаемый гидролизный лигнин — полифункциональное высокомолекулярное ароматическое соединение непостоянного строения, состоящее из фрагментов фенилол-пропана с различным числом меток-сильных заместителей в ядре: \=/ I I I СНзО

Содержание в гидролизном лигнине собственно лигнина колеблется в пределах 40-88 %, трудногидролизуемых полисахаридов — от 13 до 45 %, смолистых веществ и веществ лигногуми-нового комплекса — от 5 до 19 %, а зольных элементов — от 0,5 до 10 %. Гидролизный лигнин характеризуется большим объемом пор, приближающимся к пористости древесного угля, высокой реакционной способностью по сравнению с традиционными углеродистыми восстановителями и, вдвое большим, в сравнении с древесиной, содержанием твердого углерода, достигающим 30 %.

Исследуемый гидролизный лигнин (отходы одного из гидролизных заводов Хабаровского края) обладает пористой структурой (рис.2), впитывает масляную фракцию нефтяных масел битума. Известно, что уголь не смачивается маслянистыми веществами, следовательно, введение механоактивированного наполнителя, повышающего энергию межфазного взаимодействия, способствует улучшению адгезионного взаимодействия между углем и связующим, делая брикеты более прочными.

В табл. 2 — IV, V, А — влажность, выход летучих веществ и зольность (г, а, daf — рабочее, аналитическое и сухое беззольное состояние соответственно), Эобш> N — содержание серы и азота, С/ — высшая теплота сгорания лигнина.

Рис. 2. Микрофотография пористой структуры лигнина

Методика и результаты определения содержания выщелачиваемой серной кислоты следующая: навеску лигнина помещается в колбу с дистиллированной водой. Откалиброванным рН — метром определяется кислотность экстракта в процессе выщелачивания кислоты из лигнина и по достижении равновесия (24 часа). Согласно формуле (1) вычисляют концентрацию ионов водорода: С(Н+)=10-рН (1)

Согласно уравнению диссоциации серной кислоты расчитывают количество выщелачиваемой серной кислоты: И2Б04= 2Н+ + Э042-

В табл. 3 приведены данные расчета количества выщелачиваемой серной кислоты.

Содержание выщелачиваемой серной кислоты составляет 0,17 % от массы лигнина. Следовательно, лиг-нинохранилища являются потенциальным источником поступления серной кислоты в окружающую среду и необходимо проводить мероприятия по вовлечению отходов гидролизного производства в переработку. Также лигнинохранища в определенных условиях склонны к самовозгоранию.

Применение предварительной ме-ханохимической активации в мельни-

цах — активаторах планетарного типа позволяет значительно увеличить степень дисперсности наполнителей. Механоактивация способствует накоплению энергии на границе раздела, которая тратится на взаимодействие, что приводит к увеличению адсорбционных свойств и химической активации наполнителей, в некоторых случаях происходит разрыв химических связей и образование свободных радикалов [7].

При механоактивации происходит увеличение удельной поверхности гидролизного лигнина с 6321 до 8467 см2/см3. Распределение частиц по крупности (определено на лазерном анализаторе Апа1узв1:!в 22) до и после механоактивации приведено на рис. 3 и 4 соответственно.

Процесс приготовления брикетов включает следующие операции:

Отсев (класс -25 мм) и додрабли-вание мелочи (до класса -3 мм), флотационное обогащение (аполярный собиратель — продукт нефтепереработки), подсушивание концентрата до оптимальной влажности (20 %). Крупная фракция (+25 мм) используется для энергетического обеспечения переработки угля в брикеты (сушка угольного сырья, разогрев шихты) или в энергетических целях на ТЭС.

Сушка и механоактивация лигнина, смешение с расплавленным битумом в лопастном смесителе.

Дозирование и добавление угля, разогрев шихты (90 °С) и её брикетирование (50 МПа).

Предложенный способ представляет значительные возможности реализации принципов безотходности путем комплексного использования добываемого буроугольного сырья и вовлечения отходов в производство.

Внедрение безотходных технологий направлено на снижение объема вовлекаемых ресурсов Р на последо-

Таблица 2

Результаты технического анализа лигнина (%)

Wr, % Щ", % V, % А", % Аг, % А*, % 'обш? % N % Оа% МДж/кг

58,7 61,8 29,5 28,8 0,65 0,7 1,7 1Д 0,57 16,6

Таблица 3

Расчет количества выщелачиваемой из лигнина серной кислоты/

мин 0 1 2 5 10 30 165 24 ч

РН 6,07 4,2 3,94 3,85 3,84 3,83 3,82 3,74

■/г 8 618 1125 1384 1416 1449 1483 1783

вательных стадиях получения продукции П за счет уменьшения отходов.

Показатель вовлекаемых ресурсов рассчитывается по формуле:

— = к 1 П (1 + б)'

где б — доля отходов, использованных в качестве восстановленного ресурса, к — выход продукции из вводимого ресурса [8].

Для угля выход продукции из вводимого ресурса с учетом снижения влажности на 30 % и зольности на 17 % составляет (0,3+0,17)*0,9 = 0,423 при 90 %-ном содержании угля в брикете; для битума 0,05 (все вводимые 5 % переходят в продукцию) и для лигнина 0,382*0,05=0,0191 (с учетом потери в массе 61,8 % при сушке, 5 %-ного содержания). В сумме к = 0,6831. Доля отходов (лигнин и битум) составляет 10 %. Таким образом, показатель вовлекаемых ресурсов составит:

77 = к (Г+б) = 0-6831(17Г1)= = 0,621 = 62,1%.

Данные расчета свидетельствуют о комплексном подходе к природопользованию, представленном в разработанной технологии.

Исследовались энергетические характеристики полученных брикетов

(определялась теплота сгорания твердого топлива в калориметрической бомбе).

Проведена серия опытов по определению теплоты сгорания топливных брикетов различного трех-компонентного компонентного состава, полученные результаты обрабатывались с применением методов математического моделирования. Получена следующая квадратичная зависимость между компонентным составом топливного брикета и высшей теплотой сгорания смеси, включающая как аддитивные, так и мультипликативные члены:

0а8= 71,28 + 0,46-У - 5,03-Б -

- 1,178-Л - 0,0097-У2 + 0,178-Б2 +

+ 0,01167-Л2 + 0,0013-У-Б-Л, (4)

где У, Б, Л — процентное массовое содержание угля, битума и лигнина в топливном брикете соответственно.

Из уравнения следует, что при повышении доли низкокалорийного лигнина в брикете его теплота сгорания снижается. Расхождение между расчетными и экспериментальными данными не превышает 8 %. Согласно экспериментальным данным, состав, обеспечивающий оптимальную теплоту сгорания на рабочее состояние = 21,36 МДж/кг) и физико — механические свойства брикета (такие как

устойчивость к истиранию, влагостойкость) — 90 % угля, 5 % битума, 5 % лигнина.

На основе технологических характеристик угольных проб разработана технология получения угольных брикетом с подбором технологического режима и оптимального компонентного состава брикетов, обеспечивающего необходимую прочность и низкое влагопоглощение брикетов. Получена аналитическая зависимость, определяющая влияние компонентного состава брикета на его теплотворную способность. Удовлетворительная сходимость опытных данных и прогноза свиде-

1. Липатов Ю. электронный источник: http://www.rusoil.ru/opinions/o08-09.html.

2. Салардинов И.В. Топливно — энергетический комплекс Дальнего Востока в

системе ТЭК России. М., 2006.

3. Юлович Я.Э. Региональная геохимия осадочных толщ. Л.:Наука, 1981. — 286 с.

4. Mi J., LiX. — J. Design and simulation analysis of industrial coal briquetting machine //Journal of Central South University (Science Technology), 2006. T. 37. — № 5. — С 986—990.

5. Угольная база России. Том V. Книга 1. Угольные бассейны и месторождения Дальнего Востока (Хабаровский край, Амур-

тельствует об адекватности математической модели. Разработан способ обогащения и брикетирования буроугольного сырья, предусматривающий использование отходов производства и комплексную переработку природных ресурсов. Конечная продукция характеризуется высокими качественными, экологическими и экономическими показателями. Таким образом, в ходе исследования обоснованы технологические решения по получению высококачественного кускового твердого топлива из некондиционного буроугольного сырья и отходов производств Хабаровского края.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ская область, Приморский край, Еврейская АО). — М.: ЗАО «Геоинформмарк», 1997. — 371с. ISBN 5-900357-15-5.

6. N. Emre Altun, Cahit Hicyilmaz, A. Suat Bagci Influence of coal briquette size on the combustion kinetics // Fuel Processing Technology, Volume 85, Issue 11, 15 August 2004, p. 1345-1357.

7. Александрова Т.Н., Литвинцев B.C., Литвинова H.M., Ятлукова Н.Г. Механоакти-вация в процессах рудоподготовки // Горный журнал. — 2006. — № 6.— С. 95-97.

8. Колосов А. В. Эколого — экономические принципы развития горного производства. — М.: Недра, 1987. — 261 с. ГТТГТ^

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Александрова Татьяна Николаевна — доктор технических наук, заведующая лабораторией, Рассказова Анна Вадимовна — аспирант, инженер лаборатории, е-mail: [email protected], Прохоров Константин Валерьевич — аспирант, инженер лаборатории, е-mail: [email protected],

Институт горного дела ДВО РАН, e-mail: [email protected]

- © М.Д. Молев, М.А. Меркулова,

A.M. Молев, 2012

УДК 332.14:338.4

М.Д. Молев, М.А. Меркулова, А.М. Молев

ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ РЕГИОНАЛЬНОЙ СОЦИАЛЬНО-ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Изложены теоретические вопросы устойчивого развития региона как единой со-циально-эколого-экономической системы. Подробно рассмотрены факторы, влияющие на устойчивость региональной системы, и их взаимосвязь. Ключевые слова: эколого-экономическая система, население, планета Земля, «экономическая безопасность».

Концепция устойчивого экономического развития страны получила «путевку в жизнь» на Конференции Организации Объединенных Наций по развитию и окружающей природной среде в 1992 г. (г. Рио-де-Жанейро, Бразилия). Основной тезис представленного секретариатом ООН доклада заключался в том, «... единственная возможность решения глобальных проблем настоящего времени — это устойчивое развитие» [1]. Под устойчивым развитием учеными-экономистами понимается развитие, которое отвечает требованиям современного общества и не ставит под угрозу способность будущих поколений удовлетворять свои потребности.

С понятием «устойчивое развитие» неразрывно связана категория «экономическая безопасность». Очевидно, что, чем выше уровень развития со-циально-эколого-экономической системы страны или отдельного региона, тем менее зависимым безопасным государство (регион) является от внешних факторов. Следовательно, для нашей страны и ее субъектов актуальна задача — повышение эффективности общественного производства. В то же время забота современного

общества о будущих поколениях является одной из главных идей концепции устойчивого развития.

Мир представляет собой совокупность обособленных и различной степени сложности систем. Например, в страновом аспекте это население, природа, производство и их комбинации в соответствии с естественными социальными законами, выраженными в инфраструктурном компоненте: развитии, национальных и наднациональных структурах. Но мир — также система, подверженная глобализации, где многие процессы приобретают планетарные масштабы, в которых вовлечены миллионы субъектов в различных точках Земли. Взаимоотношение между частным и общим определяет развитие на нашей планете. Чтобы это развитие происходило гладко и равномерно, человечество должно освободиться от приоритета сиюминутных потребностей. Отсюда особый интерес ученых к разработке теории альтернативной схемы развития, сочетающей в себе эффективность и устойчивость.

Теория устойчивости социально-эколого-экономической системы — не простая взаимосвязь социальных, экономических и экологических про-

цессов, сведенных в систему уравнений. Суть состоит в том, что в ней сопоставляются фактические и нормативные значения социальных и экономических показателей жизнедеятельности общества за определенный период времени с учетом экологического фактора. В систему факторных уравнений входят показатели, имеющие совершенно разную природу и неунифицированные измерители.

В теории устойчивости наряду с бинарным соотношением широко используется принцип альтернативы, в частности оцениваются соотношения между фактическими значениями показателей и нормативными значениями социально — экономических факторов, которые оцениваются в ходе широкого общественного и административного диалога и являются, с точки зрения сторон, оптимальными, рациональными или просто экономически выгодными. При таком подходе в систему показателей, как правило, входит и экологический показатель. Экологический фактор в настоящее время является одним из важных движущих сил развития общества, задающих определенный темп устойчивого и эффективного развития изменения его характеристик. Строго говоря, фактические и «заранее оцененные» уровни экологических показателей отражаются в критериях устойчивости, определяя те или иные их значения. Объем текущего фактического потребления конкретного природного ресурса, а также некоторый предельный (с точки зрения интересов будущих поколений) уровень его использования в хозяйственной деятельности обусловят различные значения фактического и «заранее оцененного» объема выпуска благ и ряда других показателей, отражающих уровень социально-экономического развития. Именно от текущего фактического и «заранее оцененного»

уровня потребления природных ресурсов или иных экологических факторов зависит темп развития общества, а значит, и его устойчивость.

Развитие социально-эколого-эконо-мической системы проявляется через совокупность изменений, протекающих в ее элементах в течение определенного периода времени, обусловленных различного рода социальными, экономическими, политическими, экологическими и другими факторами эндогенного и экзогенного характера. Экономическое развитие может быть выражено через изменение таких показателей, как ВВП, величина бюджета, активы банковской системы и др.; социальное развитие — через уровень безработицы, здоровье; экология — через загрязнение окружающей среды, уровень использования природных факторов [2].

С позиции устойчивого развития любую организационную систему можно представить в виде системы, включающей в себя множество элементов или подсистем (страна, регионы, отрасли, фирмы, индивиды, природные ресурсы и т.д.), которые в процессе взаимодействия между собой образуют единое социально-эколого-экономическое целое. Конкретно взятая страна представляет собой открытую социально-экономическую систему с границей, в пределах которой взаимодействуют ее подсистемы, обладающие особыми свойствами и системными принципами.

Для наглядности в первом приближении любая социально-экономическая система может быть представлена в виде абстрактного многомерного объекта с определенным набором подсистем (население, производство, природа и инфраструктура компонента, подчиненная естественным законам и правовым нормам), в пределах которого взаимодействуют составляющие

его элементы и протекают внутренние процессы. Взаимное влияние этих подсистем играет определяющую роль, поскольку именно взаимодействия населения, окружающей среды, с одной стороны, и государства — с другой, определяет последствия, которые экономисты оценивают посредством соответствующих показателей и критериев. Поэтому одним из главных элементов социально-эколого-экономичес-кой системы, который превращает территорию в регион и обуславливает ее жизнедеятельность, а также создает материальную и духовную основу, является население. Жизнедеятельность общества во многом зависит от мотивации поведения и интересов составляющих его субъектов.

К числу других важных элементов социально-эколого-экономической системы относятся хозяйствующие субъекты — фирмы, корпорации, банки, производственные кооперативы и др. В принципе они могут рассматриваться как уменьшенные модели социально-экономической системы, поскольку в них проявляются те же признаки и закономерности, что и в стране с поправками на масштаб и иерархическую зависимость. Они интенсивно взаимодействуют между собой и окружающей средой и создают материальную среду, или структуру экономики.

Материальной структурой соци-ально-эколого-экономической системы является не просто продукт общества, а весь комплекс идеальных и материальных компонентов, обеспечивающих развитие в целом. Более того, важнейшие характеристики и закономерности функционирования материальной структуры экономики (технология, объемы производства, качество продукции) являются производными деятельности человека. Весь спектр взаимодействий элементов

системы, многообразие процессов и результатов должны быть отражены через ограниченное число показателей — критериев устойчивости и эффективности. Эти критерии и факторы, их формирующие, графически можно представить как фигуру, которая очерчивает в пространстве многомерный социально-эколого-эконо-мический объект, являющийся абстрактным воплощением пространственной модели системы. Каждая грань (пространство) такого объекта имеет свой конкретный критерий устойчивости и эффективности.

Главный методологический тезис теории устойчивости социально- экономической системы: изменение значений критериев устойчивости в зависимости от действий внутренних и внешних факторов приводит к деформации объекта в силу изменения «размеров» пространства, что обуславливает перемещение центра тяжести, т.е. объект может «завалиться» от потери устойчивости. Социально-эколого-экономическую систему можно представить в виде трехгранной призмы с меняющимся центром тяжести в зависимости от принимаемых решений при использовании материальных факторов производства.

Очевидно, что все социальные, экономические и экологические характеристики отражаются на поведении субъектов, на их отношении к условиям своей жизни. Чем хуже условия, тем менее устойчива социально-экономическая система в силу возможного социального протеста со стороны населения. Следовательно, критерий, оценивающий отношение населения к указанным условиям, к политике государства, служит оцениванием абстрактной многомерной фигуры. В качестве материальных границ в социально-эколого-экономи-ческой системе выступают население,

природа, экономика, а в качестве уравновешивающего фактора — инфраструктурные компоненты: естественные законы, форма собственности и механизмы их реализации.

Протекающие в социально-эколого-экономической системе процессы определяются посредством четырех критериев жизнедеятельности общества: рабочей силы (население

1. Пахомова Н.В. Экономика природопользования и экологический менеджмент / Н.В. Пахомова, К. К. Рихтер. — СПб.: Питер, 1999.

— социальный фактор); основного капитала, созданного человеческим трудом (производство — экономика); основного капитала, созданного природой (экология — природа); нормативно — правовой и кредитно — финансовой компоненты (инфраструктуры).

Таковы основные аспекты устойчивого развития региона.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Молев М.Д. Эффективная сфера услуг в системе базовых факторов устойчивого развития региона: монография / М.Д. Молев, Е.В. Дуванская, Е.С. Алехина. — Шахты: ГОУ ВПО ЮРГУЭС, 2009. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Молев М.Д. — доктор технических наук, профессор, декан факультета Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса,

Меркулова М.А. — кандидат экономических наук, ст.преподаватель Южно-Российского государственного технического университета (НПИ), Молев А.М. — экономист-менеджер, аспирант МГГУ.

А

ДОБЫЧА И ПРОИЗВОДСТВО ЗОЛОТА В МИРЕ -

В 2011 г. ВЫРОСЛО НА 4,3%

Как отмечается в исследовании PEK.research, «Россия на мировом рынке драгоценных металлов и металлов платиновой группы», в 2011 г. добыча и производство золота в мире превысило 2,8 тыс. т (прирост на 4,3% относительно предыдущего года).

Мировой рейтинг производителей и добытчиков золота по итогам 2011 г. (как и в предыдущие 3 года) возглавил Китай с долей немногим менее 13% от общего объема. При этом крупнейшей компанией по добыче и производству золота в 2011 г. стала канадская горнодобывающая компания Barrick Gold Corporation с показателем немногим менее 240 т.

Россия по разведанным запасам золота занимает третье место (с долей немногим менее 10%) в мире после Австралии и ЮАР. По итогам 2011 года, по добыче и производству золота Россия занимает 4-е место (незначительно опережая ЮАР) после Китая, Австралии и США. Доля России в 2011 г. составила 7,1%.

© Г.И. Пушкарева, К.А. Коваленко, 2012

УДК 541.183

Г.И. Пушкарева, К.А. Коваленко

ОЧИСТКА ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ВОД ОТ МЫШЬЯКА

Приведены результаты исследований сорбционного удаления мышьяка на природном минерале — брусите. Установлено, что термическое модифицирование и воздействие ультразвукового поля позволяет значительно повысить технологические показатели сорбента, а предварительное окисление арсенитов на псиломела-не позволяет более полно удалить токсикант.

Ключевые слова: мышьяк, арсенит, арсенат, сорбция, брусит, псиломелан.

Горно-обогатительные и металлургические предприятия являются серьезными источниками загрязнения окружающей среды, в особенности, ее гидросферы. Одним из наиболее опасных загрязнителей является мышьяк (As), который присутствует преимущественно в виде арсе-натов (V) и арсенитов (III), причем вторая форма более токсична. При добыче, обогащении и металлургической переработке сульфидных руд цветных металлов мышьяк концентрируется в отходах производства и сточных водах. В результате возникает опасность попадания токсиканта в грунтовые и поверхностные воды. В открытых водоемах, расположенных в районах залегания мышьяковых руд его содержание может достигать нескольких единиц миллиграмм на литр, а в подземных водах — десятков и даже сотен миллиграмм [1]. Исследователи отмечают, что присутствие высоких концентраций мышьяка в подземных водах, используемых для питьевых целей является одной из главных санитарных проблем во многих странах мира. Предельно-допустимая концентрация для питьевых и природных вод составляет 0,05 мг/л, которая в последнее время пересматривается в сторону уменьшения — до 0,01 мг/л [2].

Учитывая токсичность и распространенность мышьяка в воде, проблема его удаления является приоритетным направлением во всем мире. Существующие технологии очистки мышьяк-содержащих вод основаны на процессах окисления, осаждения, коагуляции и мембранных технологиях и, как правило, не всегда позволяют извлекать мышьяк до требуемых концентраций. Ввиду ограниченности спроса на Дб возникает необходимость выделения его в малотоксичные, слаборастворимые формы, пригодные для захоронения [3, 4]. Анализ литературных источников показал, что подготовка воды в соответствии с ужесточенными нормами может быть осуществлена только путем применения новых технологий на основе методов глубокой очистки. Наиболее перспективными являются сорбционные процессы с применением природных материалов, последние недороги, доступны и позволяют снизить содержание Дб до санитарных норм.

Известно, что гидроксид магния как сорбент обладает высоким уровнем сродства к мышьяку [5]. В лабораторных условиях была изучена возможность удаления Дб природным минералом класса гидроокислов — бруситом (Мд(ОН)2). Исследования по сорбционному извлечению мышьяка

Сравнительные показатели по сорбционной емкости природного и модифицированного брусита по отношению к мышьяку

Брусит С Исх (As) = 100 МКГ/Л С Исх (As) = 50 —100 мг/л

А, мкг/г А, мг/г

As(III) As(V) As(III) As(V)

Природный Модифицированный 30—33 73—92 83—90 230—286 4 46—60 2 13—21

были проведены в статических условиях на модельных растворах, приготовленных из оксида мышьяка (III) и арсената натрия, методом переменных концентраций. Поскольку As в водных средах присутствует в широком диапазоне концентраций, то использовались растворы с содержанием мышьяка 10 — 100 мкг/л и 1 — 50 мг/л. Найдено, что равновесная концентрация устанавливалась для растворов с микро- и макроконцентрацией мышьяка за 15 — 20 и 30 — 60 минут, соответственно. Рабочий диапазон значений рН — 5 — 9.

В [6] установлено, что термическая обработка брусита приводит к образованию модифицированных форм минерала, в значительной мере отличающихся по сорбционной емкости от природных образцов. Нагрев природного брусита до t = 400 — 600 °С приводит к образованию новой кристаллической структуры — периклаза (MgO). Он обладает в значительной степени «дефектной» кристаллической структурой и развитой удельной поверхностью 71.8 м2/г; у природного минерала этот показатель составляет — 8.3 м2/г при крупности 10 — 50 мкм. Таким образом, происходит удаление большей части поверхностной и кристаллизационной воды из структуры Mg(OH)2 и как следствие, освобождение высокоэнергетических адсорбционных центров.

Установлено, что термическая обработка природного сорбента приводит к существенному увеличению его сорбционной емкости по отношению к As (таблица).

Обнаружено, что для извлечения мышьяка из растворов с макроконцентрациями (1 — 100 мг/л) наиболее эффективно использовать термически модифицированный брусит, т.к. его сорбционная емкость (20 — 60 мг/г) в 10—15 раз превышает этот показатель природного минерала (2 — 4 мг/г), что позволяет заметно увеличить извлечения трех- и пятивалентного мышьяка из водных растворов. В зависимости от расхода брусита (2 — 4 г/л) степень извлечения может достигать 90 — 98 %. Необходимо отметить, что сорбционная емкость модифицированного брусита в три раза выше по отношению к As (III), чем к As (V). Эта особенность выделяет его среди других сорбентов, т. к. в основном это свойство носит обратный характер и требуется предварительное окисление As (III). В области микроконцентраций (10 — 100 мкг/л) сорбцион-ная емкость природного и термически обработанного брусита по отношению к As (V) значительно выше, чем к As (III). Остаточные концентрации соответствуют уровню следовых, т.е. происходит практически полное извлечение мышьяка (V). Следовательно, из растворов с низким содержанием мышьяка наиболее эффективно минерал природный и модифицированный сорбирует соединения мышьяка (V) и возникает необходимость предварительного окисления арсенитов.

Поэтому дальнейшие исследования были направлены на поиск эффективного метода окисления As (III) до As (V) в водных средах. Известно, что в качестве окислителя мышьяка предпри-

нимались попытки использовать: кислород, озон, но скорость этих реакций слишком медленная; применение хлора приводит к образованию опасных хлорорганических соединений; окисление на искусственных катализаторах, достаточно дорого и требует периодической регенерации. Значительный интерес представляют безреа-гентные методы, например электрохимическое окисление мышьяка. Но внедрение этого метода сдерживают опасность выделения арсина в ходе обработки сточных вод и большие расходы электроэнергии [2 — 4].

Нами изучена возможность использования марганцевого минерала — псиломелана (химическая формула — пМп2О3 ■ МпО2 ■ тН2О), в качестве катализатора процесса окисления ар-сенитов. Обнаружено, что предварительная обработка раствора, содержащей около 100 мкг/л мышьяка в форме арсенита, фильтрацией через псиломелановую загрузку, с последующей сорбцией на брусите — позволяет получить фильтрат с содержанием дб, удовлетворяющим санитарным нормам (остаточная концентрация < 5—6 мкг/л). Установлено, что заметное влияние оказывает время контакта с псиломеланом (рис. 1). Увеличение времени контакта с псиломеланом до 40 минут приводит к практически полному извлечению мышьяка.

С целью повышения технологических показателей брусита — сорбци-онной емкости и кинетики процесса было изучено влияние ультразвукового (УЗ) поля.

Многочисленные исследования доказывают, что временная зависимость сорбции определяется, в основном, механизмом диффузии, значения коэффициентов молекулярной диффузии для большинства ионов в водных растворах составляют порядка 10-9 м2/с.

^ 100

и 80

60

40

20

Рис. 1. Извлечение мышьяка (III) на: 1

— брусит; 2 — псиломелан (20 мин.) + бру-сит; 3 — псиломелан (40 мин.) + брусит

Скорость массопереноса может быть увеличена наложением УЗ поля; величина коэффициента диффузии при этом становится значительно выше (10-2 — 10-5 м2/с) [7].

Исследования влияния УЗ на кинетику сорбции мышьяка проводили следующим образом. В растворы, содержащие соединения мышьяка (III) и (V) добавляли навески сорбентов, обрабатывали в УЗ поле с помощью низкочастотного диспергатора УЗДН — 1 на частоте 35 кГц, акустическая мощность экспоненциального излучателя до 100 Вт/см2. Время обработки составляло: 0,5; 1,0; 1,5 минут. Обнаружено, что положительное влияние УЗ поля особенно сильно проявляется в процессе сорбции из растворов с микроконцентрациями мышьяка. Скорость сорбции увеличивается в 20— 30 раз, сорбционная емкость природного минерала по отношению к As (III) и (V) увеличивается ~ в 2 раза, модифицированного сорбента: As (III) — на 10 %; As(V) — на 100 % (рис. 2).

Кинетика сорбции из растворов с макроконцентрациями под действием УЗ поля увеличивается в 8 — 10 раз (рис. 3), увеличения сорбционной емкости на природном брусите не происходит, на модифицированном сорбенте обработка в УЗ поле не позволяет получить максимальное значение

0

3

Рис. 2. Кинетические кривые сорбции арсенитов (а); арсенатов (б) на природном ) и модифицированном брусите в диапазоне микроконцентраций: 1, 2 —

магнитная мешалка; 3, 4 — ультразвуковой диспергатор

Рис. 3. Кинетические кривые сорбции арсенитов (а); арсенатов (б) на природном ) и модифицированном ^) брусите в диапазоне макроконцентраций: 1, 2 —

магнитная мешалка; 3, 4 — ультразвуковой диспергатор

Рис. 4. ИК-спектры природного брусита (а) и модифицированного брусита (б): 1,

1' — природный и модифицированный брусит, соответственно; 2, 2' — бруситы, обработанные в воде; 3, 3' — бруситы, с сорбированным арсенитом; 4, 4' — бруситы, с сорбированным арсенатом

показателя сорбционная емкость за указанное время.

Одним из важнейших показателей в оценке эффективности сорбцион-ной технологии обеззараживания и дезактивации водных сред от особо опасных веществ является стабильность образующихся продуктов при

длительном хранении. В процессе выполнения исследований образующегося осадка методом ИК-спектро-скопии установлено, что сорбция мышьяка на брусите происходит с образованием арсенатов и арсенитов магния (рис. 4, 5). Необходимо отметить, что арсенаты магния относятся к

2UlX> 1600 1200 800

Bujuioiiot: число (ом I )

Рис. 5. ИК-спектры: арсенат магния — 1; брусит, с сорбированным арсенатом — 2; модифицированный брусит, с сорбированным арсенатом — 3

классу труднорастворимых соединений (произведение растворимости Мдз(Дз04)2 — 2.1- 1О-20), т.е. пригодны для захоронения [3]. Для опенки устойчивости соединений, образующихся в результате сорбпии мышьяка на брусите, проводятся долгосрочные испытания образпов отработанных фильтрующих загрузок брусита с мышьяком на определение степени выщелачивания мышьяка.

1. Гамаюрова B.C. Мышьяк в экологии и биологии. — М.: Наука, 1993. — 208 с.

2. Amir Haider Malik, Zahid Mehmood Khan, Qaisar Mahmood, Sadia Nasreen, Zulfiqar Ahmed Bhatti. Perspectives of low cost arsenic remediation of drinking water in Pakistan and other countries // Journal of Hazardous Materials. — 2009. — Vol. 168. — pp. 1-12.

3. Набойченко C.C. Мышьяк в цветной металлургии. — Екатеринбург: Урал. отд-ние Рос. акад. Наук, 2004. — 238 с.

4. Dinesh Mohan, Charles U. Pittman Jr. Arsenic removal from water/wastewater using adsorbents — A critical review //

Периодический отбор проб, в течение одиннадцати месяцев, показал, что содержание мышьяка не превышало уровня следовых концентраций.

В результате проведения теоретических и экспериментальных работ было установлено, что:

• использование природного сорбента и катализатора позволяет эффективно удалять мышьяк (III, V) из природных и техногенных вод в широком диапазоне концентраций;

• термическая обработка природного брусита и ультразвуковое воздействие на систему «раствор _ сорбент» приводит к существенному повышению технологических показателей сорбционного процесса;

• осадки, полученные в результате сорбции мышьяка на брусите относятся к классу труднорастворимых соединений и пригодных для захоронения.

Это открывает перспективу создания основ сорбционной технологии извлечения токсиканта на природном минеральном сырье.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Journal of Hazardous Materials. 2007. — 142 — pp. 1-53.

5. US Patent 6821434. System for removal of arsenic from water. Sandia Corp., Moore Robert C., Anderson D. Richard. — Issued on November 23, 2004.

6. Пyшкapeвa Г.И. Влиянте тeмпepaтyp-ной oбpaбoтки бpycитa ra ero торбционнык cвoйcтвa // Физико — тexничecкиe пpoблe-мы paзpaбoтки пoлeзныx иcкoпaeмыx (ФТРПИ). — Новоотбирж., 2000. — № 6. — С. 90 — 93.

7. Новицкий Б. Г. Пpимeнeниe a^crme-ских колебаний в химико-технологических процессах. — М.: Химия, 1979. tTTT?

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Пушкарева Галина Ивановна — старший научный сотрудник, e-mail: [email protected], Коваленко Ксения Андреевна — младший научный сотрудник, e-mail: [email protected], Учреждение Российской академии наук Институт горного дела СО РАН.

© Ю.К. Чяснавичюс, 2012

УЛК 504.75.05 Ю.К. Чяснавичюс

АНАЛИЗ ПОРАЖАЮЩИХ ФАКТОРОВ, ВОЗНИКАЮЩИХ В РЕЗУЛЬТАТЕ АВАРИИ НА ХРАНИЛИЩАХ ЖИДКИХ ОТХОДОВ, ОКАЗЫВАЮЩИХ НЕГАТИВНОЕ ВЛИЯНИЕ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Проанализированы поражающие факторы и составляющие вреда при авариях на гидротехнических сооружениях горной промышленности.

Ключевые слова: горное производство, негативное влияние на окружающую среду, авария, поражающий фактор, нарушение условий жизнедеятельности.

Гидротехнические сооружения (ГТС) — плотины, здания гидроэлектростанций, водосбросные, водоспускные и водовыпускные сооружения, ... сооружения (дамбы), ограждающие хранилища жидких отходов промышленных и сельскохозяйственных . , а также другие сооружения, предназначенные для использования водных ресурсов и предотвращения негативного воздействия вод и жидких отходов [1]. Такие объекты представляют потенциальную опасность для человека и окружающей среды, поскольку при возникновении на них аварии создается угроза затопления, которое может охватить значительные территории и причинить большой ущерб [2, 3].

Основная особенность ГТС как опасного объекта заключается в том, что они эксплуатируются, находясь в стоячей или движущейся воде, которая оказывает на дамбу или плотину механическое, физико-химическое и биологическое воздействия.

Если исходить из предпосылки, что в проекте сооружения учитываются все возможные внешние воздействия, а также статистические данные причин разрушения плотин и дамб, составляется декларация безопасности гидротехнического сооружения и принимаются иные меры по повыше-

нию надежности, то можно сделать логический вывод о полной уверенности безотказной работы ГТС. Однако, за счет человеческого фактора и допущений может создаться аварийная обстановка и произойти чрезвычайная ситуация. По статистике, из 15 тысяч больших плотин, в год разрушались 1—2 (вероятность 10-4).

Основными причинами разрушения ГТС являются как техногенные факторы (нарушение режима работы, ошибки проектирования или конструктивные дефекты, аварии на близлежащих объектах), так и природные (сели, оползни, паводки, землетрясения, падение метеорита и т.п.). Наиболее распространенным (до 80 % произошедших аварий) случаем прорыва напорного фронта является образование прорана в грунтовой плотине (рис. 1).

Последствия такого процесса чаще всего значительны и анализ произошедших аварий говорит об отсутствии тенденции к снижению ущерба (табл. 1).

Волна прорыва, образующаяся на нижнем бьефе, характеризует распространение с большой скоростью жидкости, создающей угрозу возникновения чрезвычайной ситуации. Ос новными параметрами ее поражающего действия являются скорость, высота и глубина.

Образование Начало разлива Разливание по подстилающей

прорана поверхности

Рис. 1. Начальная фаза аварии ГТС

Таблица 1

Наиболее крупные аварии хвостохранилиш за последние 5 лет

Дата, место Руда Тип аварии Выброс Ушерб

21.07.2011 Марга- Ламба хвосто- ? Повреждены дома и дороги,

Мяньян, Про- нец хранилища по- нарушены условия жизне-

вреждена ополз- деятельности по критерию

винция Сычуань, нями, вызванны- повреждения зданий и

Китай ми сильными дождями транспортной инфраструктуры у 272 людей, по критерию питьевой воды — у 200 000 людей (хвосты смыло в реку Фуджиань)

4.10.2010 Алюми- Прорыв дамбы 700 000 Несколько городов затопле-

Колонтар, Венг- ний хвостохранили- 2 красно- ны, 10 человек погибли, око-

рия ща го шлама ло 120 получили ранения, зона затопления — 8 км2

25.06.2010 ? Прорыв дамбы 21 420 м2 хво- Загрязнение рек Ескалера

Уанкавелика, хвостохранили- и Опамайо на 110 км вниз

Перу ща стов по течению

29.09.2009 золото Прорыв дамбы ? 11 домов смыло потоком,

Карамкен, Ма- хвостохранили- 2 человека погибли

гаданская об- ща после силь-

ласть, Россия ных дождей

14.05.2009 марганец Прорыв дамбы ? Многометровая масса

Хуаюань, Сянси хвостохранили- хвостов завалила рынок,

Туцзя-Мяоский ща объемом несколько домов и трех-

автономный ок- 50 000 м2 этажное здание. Более254

руг, провинция человек погибли и 35 по-

Хунань, Китай страдали.

Таблица 2

Влияние поражаюших факторов на компоненты окружаюшей среды

Объект влияния Волна прорыва Затопление территории

Высота Глубина Скорость Длительность Состав

Качество С/Х земель - + + + +

С/Х продукция - + + - +

Лес как сырье + - + - -

Лес как среда + + + + +

Поверхностные воды* - - - - +

Подземные воды* - - - + +

Почва, недра - - + - +

Растительность — + + + +

Животный мир + + + + +

Атмосферный воздух** - - - + +

- незначительное влияние; + значительное влияние; тут — как источник питьевой воды и сре-

да обитания организмов; ** основное воздействие на атмосферный воздух можно учитывать

как испарение с поверхности воды, далее — с подстилающей поверхности.

Основные параметры зоны затопления: площадь, глубина и длительность, однако в случае аварии хво-стохранилища не последнее место занимает химический состав хвостов.

Для предприятий по добыче разных видов ресурсов характерен определенный состав отходов, складируемых в гидроотвале (красный шлам, золошлаки, хвосты цианирования и т.п.).

При возникновении затопления, в его пределах подвергаются первичному воздействию загрязняющих веществ все компоненты биосферы: почва, поверхностные и подземные воды, растительность и животный мир.

Как видно из таблицы, значительное губительное воздействие оказывает скорость распространения жидкости и ее химический состав. В этой связи для обеспечения экологической безопасности необходимо уделить отдельное внимание точности моделирования параметров волны прорыва и анализу таких показателей, как соотношение твердой и жидкой фазы поступающих в гидроотвал отходов, скорость их консолидации, фоновое загрязнение окружающей среды в районе гидротехнического сооружения. Причем, если вредное воздействие химической составляющей жидкости при-родопользователь может без труда определить путем применения одной из многочисленных утвержденных Минприроды России методик, то скорость потока в расчете ущерба фигурирует гораздо реже.

Для определения максимальной скорости потока на определенном участке движения потока можно воспользоваться множеством уравнений, например, сравнительно достоверным и простым в применении уравнением Мэннинга:

Таблица 3

Экспериментально полученные значения коэффициента Мэннинга для разных типов поверхностей каналов

Описание канала n

Стекло, медь, пластик или дру- 0,010

гая гладкая поверхность

Гладкая, некрашеная сталь, от- 0,012

шлифованная древесина

Крашенная сталь, чугун с по- 0,013

крытием

Гладкий асфальт, глиняная 0,013

сточная труба, эмалированная

плитка

Простой чугун, жестяная труба 0,014

Кирпич с цементом, бетонный 0,015

желоб

Гладкая земля 0,018

Рыхлая земля 0,022

Гофрированная металлическая 0,024

канализация

Природный канал с камнями и 0,030

травой

Природный канал с мелким кус- 0,050

тарником

Природный канал с высокой 0,060

травой

Природный канал с высоким 0,100

кустарником

. 1-0 R2/3S1/2

n

(1)

где К — гидравлический радиус сечения, 5 — коэффициент наклона канала (например, при падении высоты на 3 м за 100 м, 5 = 0.03), п — безразмерный коэффициент Мэннинга (табл. 3)

Для определения гидравлического радиуса сечения воспользуемся формулой (см. рис. 2):

R = A/WP

(2)

где A — плошадь поперечного сечения, WP — «wetted perimeter» — «Смоченный периметр» — длина линии раздела сред в поперечном сечении.

Рис. 2. Параметры русла

Таким образом, для решения задачи определения максимальной скорости потока, воздействующей на интересующий объект, необходимо лишь знать тип подстилающей поверхности, характеристики русла в данном сечении, относительную вы-

соту русла по отношению к уровню нижнего бьефа и глубину потока, которую можно получить применяя модели описания образования прорана, иными словами — необходимый объем исходной информации сводится к минимуму.

1. Федеральный закон от 21.07.1997 г. № 117-ФЗ «О безопасности гидротехнических сооружений».

2. Chmykhalova S. Ecological safety of bosom's development 15th International Congress of Chemical and Process Engineering, CHISA 2002. 25-29 August, 2002, Praha, Czech Republic, Summaries, 5, System and Technology, p. 353.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Чмыхалова C.B. Показатели функционирования производственных объектов горной промышленности для устойчивого развития. Вторая международная конференция «Образование и устойчивое развитие «Тезисы докладов». Москва, Россия, Российский химико-технологический университет им. Л.И. Менделеева, 16-18 ноября 2004 г., С. 64—65. ЕЕ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Чяснавичюс Юлюс — научный сотрудник, Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций МЧС России (федеральный центр науки и высоких технологий).

- © С.А. Эпштейн, И.М. Мейдель,

В.Г. Нестерова, В.И. Минаев, Я.И. Мелик-Гайказов, 2012

УЛК 622.793.5

С.А. Эпштейн, И.М. Мендель, В.Г. Нестерова, В.И. Минаев, Я.И. Мелик-Гайказов

ОЧИСТКА ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОЛ РЕАГЕНТАМИ НА ОСНОВЕ ТОРФА *

Приведены данные о состоянии уровня исследований в области очистки промышленных сточных вод реагентами, основным действующим веществом которых являются гуминовые кислоты. Показаны результаты опытных опробований торфяных реагентов, подтверждающие возможность их практического использования. Ключевые слова: гуминовые кислоты, торф, сточные воды, тяжелые металлы.

Одним из опасных источников загрязнений окружающей природной среды, оказывающим существенное влияние на экономическую составляющую производства, являются сточные воды промышленных предприятий. Основными компонентами загрязнения вод горнообогатительных предприятий являются ионы металлов, органические вещества разной природы, анионы неорганических и органических кислот.

Обычно очистку сточных вод от тяжелых металлов совмещают с их нейтрализацией. Существует способ нейтрализации и очистки кислых сточных вод от ионов тяжелых металлов путем добавления щелочных реагентов (раствора гидроксида кальция, едкого натра, карбоната кальция, карбоната натрия и других) и образования труднорастворимых гидроокисей в узком интервале рН — для меди 8 — 10, для цинка 9,0 — 9,2 [1]. Если сточные воды получают щелочными, их, при необходимости, после отделения осадка нейтрализуют технической серной кислотой.

При одновременном наличии в стоках ионов меди, цинка, хрома, никеля оптимальным диапазоном рН, при обработке известными щелочными реагентами, является рН 8,75 — 9,25, так как в этом диапазоне достигается более полный перевод указанных ионов в форму гидроокисей. Однако при этом не достигается высокого качества очистки стоков. Так, при очистке кислых сточных вод гальванических производств едким натром до рН 9,2; 9,0; 8,75 при исходной концентрации, например, ионов цинка соответственно 12,5; 34,7; 41,8 мг/л остаточная концентрация этих ионов в стоках составляет соответственно 2,8; 2,9; 3,7 мг/л [2]. Эффект очистки этих стоков соответственно составляет 77,6; 91,6; 91,1 %.

Недостатком данного способа является несоответствие очищенных стоков нормативным требованиям приема их в системы канализации населенных пунктов или выпуска в водоемы.

Необходимо использование известных щелочных реагентов в больших

* Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2013 годы», ГК №16.515.11.5086

количествах (например, для извлечения из одного литра кислых стоков ионов цинка едким натром расходуется щелочного реагента в массовом соотношении цинк — едкий натр = 1 — 6,0). Другой недостаток — необходимость строгого соблюдения значений интервала реакции среды обрабатываемого стока, чтобы не создавать условий для растворения амфотерных гидроксидов (например, гидроксидов цинка, гидроксидов меди).

Использование очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов для доочистки гидрофосфата натрия, сульфида натрия, сульфида натрия совместно с флокулирующими агентами приводит к значительному дополнительному загрязнению и засолению очищаемых стоков, к повышению их токсичности [3].

В качестве реагентов используют минеральные коагулянты (сернокислый алюминий, хлорное железо и т.д.), органические флокулянты (по-лиакриламид и производные на его основе), а также различные комбинации коагулянтов и флокулянтов.

К недостаткам этого способа относятся сравнительно высокая стоимость и токсичность применяемых реагентов, образование большого количества осадков, трудно поддающихся обезвоживанию, зависимость эффективности процесса очистки вод от состава и концентрации загрязняющих примесей, температуры и т.д.

Помимо этого существуют альтернативные способы очистки сточных вод, включающие введение в воду бактерицидных и иных реагентов, отстаивание и удаление осадка [4].

Одним из перспективных направлений решения задач очистки сточных вод промышленных предприятий является получение и последующее использование в экологических целях гуминовых кислот торфов, бурых и окисленных каменных углей.

Гуминовые вещества (гуминовые кислоты и их соли), извлекаемые из торфа (бурого угля) щелочными растворами, способны к ионному обмену, благодаря наличию в их структуре активных функциональных групп [5]. На этом свойстве основано использование гуминовых веществ для очистки стоков от ионов металлов.

Также гуминовые кислоты (ГК) являются более эффективными по использованию в качестве реагентов для извлечения из стоков тяжелых металлов (металлов — ртути, ванадия) по сравнению с известными щелочными реагентами [6]. В качестве гуминовых веществ используются 1 мас.% водные растворы аммонийных солей гуминовых кислот, выделенных из торфа, растворимые в воде с рН 9,3 [7].

Известен также способ очистки сточных вод, включающий введение в воду реагента в виде гуминового концентрата, отстаивание воды и удаление осадка [8].

Недостатки способа заключаются в сложности получения и высокой стоимости гуминового концентрата, вследствие чего данный способ не нашел практического применения.

В [7] показано, что при добавлении к 1 литру сточной воды рН 3,85, содержащей 54,7 мг/л ванадия, гуминовых веществ, при массовом соотношении ванадий — гуминовое вещество = (1 — 50; 1 — 72,4) была получена сточная вода с рН соответственно 8,6; 9,1 и с остаточным содержанием ванадия 0,5; 2,0 мг/л. В качестве гуминовых веществ использовались 1 мас.% водные растворы аммонийных солей гуминовых кислот с рН 9,3, выделенных из торфа.

Растворимые в воде аммонийные соли гуминовых кислот получают путем трехкратной обработки предварительно измельченного торфа десятикратным количеством 25 %-ного раствора гидроксида аммония в течение 2 часов

(при кипячении). После 24-часового отстаивания системы верхнюю осветленную часть жидкости декантируют, затем центрифугируют для отделения остатков торфа в течение 10-15 мин при скорости центрифугирования 3000 об/мин. Из очищенных таким образом аммонийных солей гуминовых кислот готовят 1 %-ный водный раствор этих кислот из расчета: 1 г аммонийных солей гуминовых кислот в 100 г водного раствора [5].

Недостатком данного способа является сложность в технологии получения щелочных растворов аммонийных солей гуминовых кислот в производственных условиях. Кроме этого эти растворы содержат примеси фульвокис-лот, сахаров, пектиновых веществ, ги-матомелановых кислот, негидролизуе-мый остаток торфа и другое.

Интересным и эффективным является способ очистки сточных вод от вольфрама. При обработке их химическим реагентом 0,5 — 4 %-ным водным раствором гумата калия или аммония при массовом соотношении вольфрам — гуматы = 1-( 1,2-4), степень извлечения вольфрама из стоков составила 73,4 — 97,4 %, реакция среды очищаемых стоков рН 1-2 [9].

Несмотря на преимущества этого способа очистки стоков от металла, на его простоту, сравнительно небольшую стоимость при сохранении высокой степени извлечения металла, экологическую безопасность, не требующего применения токсичных веществ, он также имеет ряд недостатков. Хотя снижено количественное (массовое) соотношение использования реагента для очистки стоков по сравнению с использованием гуминовых веществ в 41,7 — 12,5 раз, но оно (соотношение 1 — (1,2-4)) еще велико, что приводит к загрязнению очищаемых стоков фульвокислотами и высоко- и низкомолекулярными органическими соединениями. Так как

технология получения гуматов аммония или калия несовершенна, то вместе с гуматами в очищаемых стоках могут присутствовать в значительных количествах мелкие фракции негид-ролизуемого остатка торфа (угля). Эффект очистки стоков от металла (вольфрама) высок, но он не достигает норм предельно допустимого содержания (для вольфрама 0,0008 мг/л). Для выпадения в осадок гума-тов вольфрама в очищаемые стоки добавляют несколько капель концентрированной соляной кислоты, в результате чего рН очищенных стоков равна 1-2. Таким образом, очищенные от вольфрама стоки имеют сильно кислую среду, т.е. имеют большую коррозийную активность к материалам труб и требуют подщелачивания. В данном способе очистки не предусмотрено извлечение фульвокислот (они поступают в очищаемые стоки вместе с реагентом — гуматами), которые обуславливают окрашивание очищаемых стоков в желто-коричневый цвет и могут быть частично осаждены Са(ОН)2 только лишь в щелочной среде при рН > 8 [10].

Существует способ получения торфяных (буроугольных) гуматов калия или аммония. Такие гуматы в виде 0,5 — 4 %-го водного раствора гумата калия или аммония при массовом соотношении вольфрам: гуматы = 1:(1,2-4) эффективно используют в известном способе очистки сточных вод от вольфрама [9]. Такие водные растворы гумата калия или аммония получают следующим образом. Предварительно измельченный (до размера частиц менее 1 мм) и де-битуминизированный торф естественной влажности подвергают гид-ролизации 4 %-ным НС1 на кипящей водяной бане для извлечения из него легкогидролизуемых веществ. Затем он трехкратно по 1 ч обрабатывается 0,1 н. КОН или 0,35 %-ным

NH4OH на водяной бане при 80oC из расчета: 150 мл данного раствора на 1 г гидролизованного торфа. После каждой обработки торфа отстоявшийся в течение 1 ч раствор гуматов калия или аммония, декантируют от остатков торфа путем фильтрования или центрифугирования. Из очищенных таким образом гуматов калия или аммония готовят 0,5 — 4 % водный раствор из расчета: 0,5 -4 г гуматов калия или аммония в 100 г водного раствора [11].

Недостатками такого способа является также сложность в технологии и составе установок получения в производственных условиях. Торф является влагоемким природным материалом с высокой степенью набу-хаемости. Поэтому процесс отделения в водно-торфяной системе жидкой фазы от твердой значительно осложнен. Применение центрифугирования при этом приводит к усложнению и удорожанию процесса. В оса-дительных центрифугах задерживается только 70 — 90 % остатков торфа из полученных гуматов. Поэтому в водных растворах гуматов имеются в значительном количестве мелкие фракции торфа и негидроли-зуемые остатки торфа.

Многие известные на данный момент способы имеют ряд общих недостатков. Повышение количества гуминовых веществ усложняет технологию очистки и снижает ее эффективность. Кроме того, использование в больших количествах гуминовых веществ и аммонийных солей гуминовых кислот (в соотношении 1-50 и более) вызывает вторичное загрязнение сточной воды гуматами, фульвокисло-тами, гиматомелановыми кислотами, примесями сахаров, пектиновых веществ и других.

Способ получения реагента, описанный в патенте [12], включает последовательную обработку торфа кислотой и щелочью, торф предва-306

рительно гранулируют с последующим выдерживанием его в растворе соляной кислоты и дальнейшей обработкой сначала первичной порцией щелочи до полного его насыщения. После этого через насыщенный щелочью торф пропускают свежую порцию щелочи с рН, равной рН первичной порции щелочи. Процедуру продолжают до достижения равновесного состояния по рН на входе и на выходе. Целесообразно торф гранулировать до размеров фракций 5 — 12 мм. При этом торф выдерживают в растворе соляной кислоты с концентрацией 0,1 н. при перемешивании до рН 4,75-5,5 в обрабатываемом растворе. Кроме того, в качестве щелочи используют раствор гидроксида натрия, которым торф обрабатывают до полного его насыщения — до рН 5,1 — 6,5 в обрабатываемом растворе.

Использование гранулированного торфа в качестве исходного материала по сравнению с естественным торфом дает преимущества. Отпадает необходимость в дебитуминизации торфа, его выдерживания вместе с обрабатываемым раствором в кипящей водяной бане. Также дает возможность проведения процесса отмы-тия торфа кислотой в естественных условиях при комнатной температуре. После обработки гранулированного торфа раствором кислоты, его гранулы легко отделяются от обрабатываемого раствора путем сливания последнего. Грануляция торфа (при сохранении в торфе естественной пористой структуры) дает возможность использовать его в качестве фильтровальной загрузки, а в фильтрационной колонке увеличить его насыпную плотность и снизить набухаемость торфа. Гранулированный торф имеет высокую пористость слоя, что способствует улучшению его гидравлических и фильтрационных характеристик, т.е. способствует увеличению

скорости проницания потока фильтрующего раствора едкого натра при значительно меньшем выносе в фильтрат мелких частиц торфа.

При обработке гранулированного торфа соляной кислотой происходит удаление из него природно-сорбиро-ваннык ионов и легкогидролизуемык соединений. Целесообразность использования соляной кислоты для отмытки торфа состоит в том, что по качеству химического реагента она имеет преимущества перед серной и азотными кислотами. По сравнению с другими кислотами соляная кислота имеет самую высокую константу диссоциации, это говорит о ее высокой степени диссоциации, и причем, в одну ступень. В процессе обработки торфа раствором соляной кислоты происходит диссоциация этой кислоты и ионный обмен между ионом водорода и природно-сорбированными катионами, содержащимися в торфе. О полноте происходящих процессов можно судить по изменению реакции среды в обрабатываемом растворе кислоты — считается, что процесс ионного обмена прошел в полной степени, если pH в растворе достигает значения, равного 4,75 — 5,5. При этом, наиболее приемлемо для десорбции катионов из торфа использовать 0,1 н. раствора HCl, т. к. обработка гранулированного торфа раствором соляной кислоты с данной концентрацией приводит к увеличению обменной емкости на величину, примерно равную содержанию в торфе обменного кальция (12,5 мг-экв/100 г).

При обработке гранулированного торфа в H-форме щелочными растворами одновалентный катионов (Na+, К+, NH4+) происходит поглощение этих катионов торфом. Целесообразность использования раствора гидроксида натрия при обработке торфа по сравнению с раствором гидроксида калия или аммония имеет

ряд преимуществ. Как известно, едкий натр хорошо растворим в воде. При этом в водном растворе происходит диссоциация гидроксида натрия со степенью, намного превышающей степень диссоциации гидроксида аммония. По сравнению с раствором гидроксида аммония, раствор гидроксида натрия не имеет такого удушливого запаха, приводящего к дополнительному загрязнению очищаемых стоков. Способ обеспечивает повышение степени очистки сточных вод, а также сокращение расхода щелочного реагента при нейтрализации.

В патенте [13] авторы предлагают следующий способ получения гумино-минерального реагента, включающий дробление и измельчение гумитов и каустобиолитов угольного ряда и смешивание со щелочью. Дробление и измельчение гумитов и каустобиолитов угольного ряда ведут при их влажности, близкой к природной при которой гу-миновые кислоты находятся в природ-но-гидратированном состоянии, смешивают горячую воду с гумитами и кау-стобиолитами и гидратируют при интенсивном физико-механическом воздействии до образования гомогенной смеси. После этого добавляют щелочь и гидролизуют эту смесь до получения целевого продукта от вязко-текучей до пластичной консистенции и достижения им значения рН от 6,5 до 8. Данный реагент может использоваться для санации загрязненных почв, детокси-кации отходов добычи и переработки полезных ископаемых и рекультивации отвалов горных пород и хвостохрани-лищ, очистки сточных вод и утилизации осадков. Реагент обладает повышенной сорбционной, ионообменной, комплексообразующей, хелатообра-зующей, флокулирующей, коагулирующей и биологической способностью. Способ получения позволяет

Таблица 2

Влияние типа щелочи в реагенте на степень очистки воды

Таблица 1

Влияние времени на степень очистки воды от марганца и стронция

Время очистки, сутки 1 сутки 2 суток 4 суток 1 сутки 2 суток 4 суток

Тип щелочи Ca(OH)2 Ca(OH)2 Ca(OH)2 Ca(OH)2 Ca(OH)2 Ca(OH)2

Режим статика статика статика статика статика статика

Содержание су- 2 2 2 3 3 3

хого торфа в

реагенте, г

рН 7,1 7 6,8 6,8 6,9 7,1

Бг, степень очи- 28 36 51 30 38 55

стки, %

Мп, степень 45 60 69 40 50 74

очистки,%

Тип щелочи Ca(OH)2 KOH Ca(OH)2 KOH

Содержание сухого торфа в 2 2 3 3

реагенте, г

Время очистки, сутки 4 4 4 4

Режим статика статика статика статика

рН 6,8 6,6 7,1 6,6

Бг, ст. очистки, % 51 53 55 64

Мп, ст. очистки, % 69 51 74 59

снизить энергетические и временные затраты на получения реагента.

Высокая эффективность гумино-минерального реагента как сорбци-онного, ионообменного, комплексо-образующего, хелатообразующего, флоккулирующего, коагулирующего и биологически активного материала связана с тем, что в нем молекулы гу-миновых кислот находятся в природ-но-гидратированном состоянии, когда часть их кислотных групп диссоциирована, и в гидролизованном состоянии, когда они становятся водорастворимыми соединениями. При этом гидратированные и гидролизованные гумино-минеральные и минеральные комплексы, обладающие высокой удельной поверхностной энергией и поверхностно-активными свойствами, синергетически усиливают эффекты действия вышеназванных гуминовых

кислот, что в совокупности создает высокий физико-химический и химический потенциал активности гумино-минерального реагента, определяющий, в свою очередь, хозяйственно полезные свойства. В его характеристике это отражено в виде совокупности природно-гидратированных гу-миновых кислот, гидратированных и гидролизованных гумино-минераль-ных и минеральных компонентов при значениях рН в безопасных для биологических объектов пределах при установленном соотношении твердой и жидкой фаз. Гидратированные гу-миновые кислоты гуминового концентрата представлены низкомолекулярными фрагментами гуминовых кислот исходных гумитов и каусто-биолитов угольного ряда, так как в процессе экстрагирования щелочным реагентом, гуминовые кислоты пере-

ходят в водорастворимые соли и затем путем электролиза происходит выделение гуминовых кислот из раствора их солей.

В молекулярно-массовом распределении таких гуминовых кислот принимают участие молекулы с молекулярной массой 27000 дальтон (67 % от общего содержания молекул).

Природно-гидратированные гуми-новые кислоты гумино-минерального реагента представлены природными высокомолекулярными соединениями с молекулярной массой от 150000 дальтон до нескольких миллионов дальтон. Часть их функциональных групп находится в диссоциированном состоянии и степень диссоциации, в отличие от гуминовых кислот гуминового концентрата, может значительно увеличиваться и реакционная способность этих кислот возрастает со временем, что важно при их практическом использовании.

В отличие от гидратированных кислот гуминового концентрата при-родно-гидратированные кислоты обладают меньшей подвижностью и меньшей растворимостью (что имеет положительное значение для достижения цели изобретения при санации загрязненных почв и детоксикации отходов, так как резко снижается вымывание гуминовых кислот атмосферными осадками, грунтовыми водами и т.д.)

Следует отметить, что все вышеперечисленные методы приготовления торфяного реагента влекут за собой образование дополнительного количества отходов в виде кислых и щелочных стоков, что в объемах промышленных предприятий приводит к негативному экологическому эффекту и дополнительным денежным вложениям. В связи с этим, разрабатываемая в МГГУ технология очистки вод торфяным реагентом, позволяет обеспечить очистку от

тяжелых металлов на 75-80 % без образования дополнительных отходов и полной утилизацией осадков. Сложность очистки промышленных сточных вод ОАО «Ковдорский ГОК», например, заключается в том, что наличие в их составе большого количества органических веществ, применяемых в процессах обогащения, определяют щелочной характер вод, несмотря на высокое содержание анионов. Применение торфяных реагентов для таких вод связано с использованием кислых растворов для активации гуминовых кислот в составе торфа на стадии приготовления реагента.

В рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20072013 годы» по теме «Создание основ природоохранной гидромеханизированной технологии добычи торфа из обводненных месторождений для производства торфяной продукции энергетического и технологического назначения» выполнены экспериментальные исследования по удалению из водных растворов ионов марганца и стронция гуминовыми кислотами в составе торфов. Исследовали влияние времени и режима процесса очистки на изменение концентраций марганца и стронция в воде.

Для определения влияния времени очистки и режима перемешивания использовали реагенты, полученные из торфа месторождения «Лейпи» (Мурманская область), приготовленные с предварительной механохими-ческой активацией торфа. Количество щелочи в реагенте составляло 10 %, от содержания сухого торфа в реагенте. Очистку проводили в 2-х режимах. Режим 1 (статика) — реагент помещали в сосуд с 1 литром воды и проводили очистку в статическом режиме. Режим 2 — реагент

□ турбо

# 90

а" 80 и

§ 70

о 60 л

§3 50 в

& 40 30 20 10 0

1 2 3

Рис. 1. Влияние условий перемешивания на степень очистки воды от марганца: 1- количество торфа в реагенте 2 г, рН 7; 2 — количество торфа в реагенте 2 г, рН 6,2; 3 — количество торфа в реагенте 3 г, рН 7

70

60

50

40

30

20

10

□ турбо

Рис. 2. Влияние условий перемешивания на степень очистки воды от стронция: 1- количество торфа в реагенте 2 г, рН 7; 2 — количество торфа в реагенте 2 г, рН 6,2; 3 — количество торфа в реагенте 3 г, рН 7

помещали в сосуд с 1 литром воды и проводили очистку в режиме постоянного перемешивания (на магнитной мешалке). Время очистки составляло 1, 2 и 4 суток.

Увеличение времени очистки в условиях статического режима приводит к увеличению степени очистки воды от марганца и стронция. Приведенные на рис. 1, 2 результаты испытания очистки в статических и динамических условиях показали, что постоянное пере-

мешивание приводит к существенному увеличению степени очистки воды от марганца, повышение этого показателя для стронция происходит менее значительно.

В работе также исследовали применение в реагенте сильной щелочи -КОН. В табл. приведены результаты сопоставления показателей очистки, полученные в случае применения Са(ОН)2 с предварительной стадией механоак-тивации торфа и КОН без активации.

Применение КОН для приготовления реагента позволяет повысить степень очистки воды от стронция, при этом эффективность очистки от марганца снижается. Негативным фактором при использовании КОН является сильное окрашивание воды за счет выделения в нее фульвокис-лот.

Проведение опытных опробований реагентов при очистке слабощелочных промышленных сточных вод ОАО «Ковдорский ГОК» показали возможность снижения концентрации в них марганца и стронция на 51 % и 61 % соответственно. Установлено, что эффективность очистки зависит от типа применяемой щелочи, режима предварительной активации торфа и способа кислотной нейтрализации щелочного экстракта.

Таким образом, при использовании гуминовых кислот в составе торфов для очистки от ионов металлов

0

необходимо учитывать особенности состава очищаемых вод: показатели кислотности рН, наличие примесей органических и неорганических пав, взаимное влияние анионов и катионов и т.д. При применении торфов для получения реагентов необходимо проводить дополнительные исследо-

1. Яковлев C.B., Карелин Я.А., Ласков Ю.М., Воронов Ю.В. Под ред. C.B. Яковлева. Очистка производственных сточных вод. Учеб. пособие для вузов /. — 2-е изд., пе-рераб. и доп. — М.: Стройиздат, 1985.

2. А.с. СССР 778181 А МКИ C 02 F 1/62, опублик. 15.09.83 Бюл. N 34.

3. А.с. СССР 981248, МКИ C 02 F 1/58, опублик. 15.12.82 Бюл. N 46, Заявка Великобритании N 2116537, кл. C 02 F 1/62, 1983, Заявка ФРГ N 2536969 кл. C 07 В 29/00, 1977, А. с. СССР 778181 А МКИ C 02 F 1/62, опублик. 15.09.83 Бюл. N 34

4. Молчанов И.П., Родзиллер И.Д., Жук Е.Г. «Очистка и обеззараживание сточных вод малых населенных мест», Ë.: Стройиздат, 1993.

5. Лиштван И.И., Круглицкий H.H., Те-рентьев В.Ю. Физико-химическая механика

вания способов активации в их составе гуминовых кислот и одновременно дезактивации фульвокислот. Это можно регулировать путем предварительной механохимической активации торфа, условиями его щелочной экстракции и кислотной нейтрализации растворов гуматов.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

гуминовых веществ. — Минск: Наука и техника, 1976.

6. Патент Японии N 52-29996, авт. св. СССР 1736948.

7. A.c. СССР 1736948 А1, МКИ С 02 F 1/62, опублик. 30.05.92, Б.И. N 20.

8. Патент РФ №2125039.

9. A.c. СССР 1758023 A1 МКИ C 02 F 1/62 опублик. 30.08.92 Б.И. N 32.

10. Лиштван И.И., Базин Е.Т., Гамаюнов Н. И., Терентьев A. A. Физика и химия торфа. Учеб. Пособие для вузов / — М.: Недра, 1989.

11. Лиштван И.И., Король Н.Т. Основные свойства торфа и методы их определения. — Минск: Наука и техника, 1975.

12. Патент РФ № 2170708.

13. Патент РФ № 2233293. SHE

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Эпштейн Светлана Абрамовна — доктор технических наук, профессор, e-mail: [email protected],

Мейдель Изабелла Михайловна — аспирант, e-mail: [email protected], Нестерова Валерия Георгиевна — кандидат технических наук, старший преподаватель, e-mail: [email protected],

Минаев Владимир Иванович — кандидат технических наук, старший преподаватель, e-mail: [email protected],

Мелик-Гайказов Ярослав Игоревич — студент, e-mail: [email protected], Московский государственный горный университет.

А

© С.А. Батугин, С.М. Ткач, И.Д. Баракаева, 2012

УЛК 338:622.33(001)

С.А. Батугин, С.М. Ткач, И.Д. Баракаева

РАЗВИТИЕ МЕТОДОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И УЧЕТА РАЗУБОЖИВАНИЯ РУД

Разработан современный подход к оценке разубоживания с учетом кластерного строения месторождений. Доказано, что подобный подход к определению разубоживания будет способствовать повышению степени обоснованности эксплуатационного опробования, уточнению эксплуатационных кондиций и росту геопотенциала месторождения в целом.

Ключевые слова: разубоживание, кластерное строение месторождений, рудонос-ность, повышение эффективности разработки месторождений, геолого-экономическая оценка, эксплуатационные кондиции, геопотенциал, крупнообъемные месторождения.

Л ля рудных и россыпных месторождений, особенно в Северных районах, в частности Якутии, характерным является кластерное строение, при котором в контуры отработки попадает до пятидесяти и более процентов пустых пород и некондиционных запасов. Учитываемая при разведке и разработке месторождений геологическая рудоносность дает приблизительные и заниженные результаты об этой доле составляющих разубоживания. Возникает необходимость пересмотра сложившейся системы оценки эксплуатационного разубоживания и адаптации ее к реальностям современного геологоразведочного и горного производства.

Основным ориентиром предлагаемой концепции выступает комплексный показатель (общее разубоживание Я ), включающий в себя три составляющие:

горно-технологическое (Ягт), конструктивное (Як) и геолого-экономическое

разубоживание (Я гэ):

Я = Я + Я + Я . (1)

о гг к гэ 4 '

Определение и учет предлагаемого показателя позволит обеспечить эффективное использование георесурса на основе снижения объемов добычи и переработки пустых пород и некондиционных руд, что существенно для практики горнорудной промышленности.

Первые две составляющие комплексного показателя в практике разработки месторождений достаточно известны, систематические научные исследования в этих областях в России начались в конце первой половины XX века. В современной практике разработки месторождений полезных ископаемых горнотехнологическое разубоживание определяется, как правило, сопоставлением содержания полезного компонента в погашенных балансовых запасах и в добытой рудной массе, а конструктивное разубоживание, главным образом, морфологическим строением залежей полезных ископаемых, применяемой системой разработки и параметрами отбойки руды. Необходимость учета конструктивного разубоживания наряду с горно-технологическим подтверждается следующим обстоятельством: выемка рудных залежей, в зависимости от сложности строения, содержит в контурах до 30—35 % и более породных и некон-

диционных включений [1-2]. При этом валовая выемка подобных залежей сопровождается высоким конструктивным разубоживанием. Как правило, оно может составлять до 30 %.

Сущность геолого-экономического разубоживания сводится к тому, что для месторождений практически всех типов при характерном им кластерном строении, кондиционные участки составляют всего 20-40 % объема рудного тела, заключая в себе 70-90 % запасов полезного компонента. Остальную долю в рудной массе представляют собой объемы пустых пород и некондиционных руд. Более того, правила подсчета запасов рекомендуют включать в запасы породные и некондиционные прослои, мощностью менее некоторой обоснованной величины. Поэтому при оконтуривании залежей требуется самостоятельная оценка неучтенных кондициями объемов пустых пород и некондиционных порций руд в балансовых запасах.

Массу (или объем) кондиционных кусков и порций руды 0К можно представить в виде:

о = Ос -

Породы с некондиционным содержанием, QНС

(2)

а коэффициент геолого-экономического разубоживания руд запишем в виде: С - С

С

(3)

где Ск — среднее содержание компонента в массе руды, состоящей из всей совокупности кондиционных кусков и порций в отрабатываемом блоке, определяемой по (2); Qo — масса руды в отрабатываемом блоке и Со — среднее

содержание компонента.

Одним из первых методов оценки геолого-экономического разубоживания можно считать расчет показателя кондиционной рудоносности, который представляет собой долю кондиционных кусков и порций в заданном контуре, планируемой к отработке части месторождения. Измеряется, преимущественно, в масштабных уровнях выемочной единицы, участка или подсчетного блока. При этом коэффициенты геолого-экономического разубоживания и кондиционной рудоносности связаны соотношением:

Яо.

Я я '

С - С С

* „=^с-^=1 - С^=1 - к Р

(4)

где Кр — коэффициент кондиционной рудоносности; д о — запасы полезного

компонента в общих природных запасах рудной массы; д к - запасы полезного

компонента в кондиционных кусках и порциях.

Проведение должной эксплуатационной разведки с использованием данной формулы позволит оценить потенциальную возможность снижения объемов добычи и переработки пустой породы и некондиционной руды. Однако коэффициент рудоносности, определяемый современными методами по редкой разведочной сети, не вскрывает многие особенности всей иерархии неодно-родностей поля содержаний полезного компонента.

Геологическая информация об особенностях рудоносности, кластерной организации месторождения, конструктивного и геолого-экономического разу-боживания нарастает постепенно, начиная с этапов анализа геолого-тектонических факторов локализации и прогноза месторождения до его эксплуатационной разведки и разработки. Но максимальный прирост информации имеет место уже на этапах эксплуатационного опробования и собственно разработки. В результате природной иерархии уровней неоднородности геологических полей и кластеризации месторождений многое обнаруживается только на этапе выемки полезного ископаемого.

В рамках данного исследования, с учетом комплексного показателя разубо-живания, прибыль от отработки участка месторождения можно представить следующей преобразованной формулой:

П _ О • С • J(1 - Р)(1 - Р)(1 - Я„ )(1 - Як)(1 - Ягэ)(1 - ш)(1 - и)(1 - 3), (5)

где П — прибыль от отработки в единицу времени некоторого блока руды V; О — запасы руды в блоке, вынимаемые в единицу времени (производительность); С — среднее содержание полезного компонента в запасах О; J — коэффициент извлечения металла при переработке руды; Р — коэффициент потерь; Ри — потери вследствие неучета и (или) недоизвлечения попутных полезных компонентов в запасах; Ягг — горно-технологическое разубожива-ние; Я к — конструктивное разубоживание; Я гэ — геолого-экономическое ра-зубоживание; Ш — вероятность аварийных простоев (интегральный показатель, учитывающий аварийные ситуации по внутренним и внешним причинам); Ц — цена единицы конечного продукта; 3 — совокупные затраты на единицу конечного продукта.

С достаточным приближением для рассматриваемой задачи модель относительного изменения прибыли в зависимости от изменения факторов, входящих в (5), можно представить в следующем виде:

АП _ Ар АС Ас/ - АР. (р)-АР^ , (р чА^ г (я )-АЯ^ , (я )-

п о с / р ри 1{Ри> яп 1{Яяк 1{Як)

/(ЯГз(^ТГ^ (¿Ь^з (А), (6)

где/(Р)_ 1-р, /(Ри)_ 1-р-, /(Ягг)_ , /(Як)_ ^,

/ (Я„)_ ^, / V)_ ^,(Г)_ Т^Г, (Г)_ Т^Г,1 _ Т[

Коэффициенты / (Р), / (Ри), / (Ягг), / (Як), / (Яга), / (Ш), /ц (Ь), /3 (Ь) служат мерой умножающего воздействия относительных изменений факторов: Рт Р1]Г Я^г Икг ¿у Ц на относительное изменение прибыли.

Из (6) следует, что относительное уменьшение коэффициентов разубожива-

АН АН АЯ . о , ,

ния на--и-,--^,--—, (при неизменных затратах 3 и других факторах)

Н Н Я

гг к гэ

ведет к относительному росту прибыли на величину, равную

АП ARr

АЯ R.,

АR R

П R 1 - R

R 1 - R R 1 - R

Переменные множители f (r гт ), f (r ê

(7) и f (R ra )

при равных относительных

конструктивного, геолого-экономи-особенно резко при разубоживании

изменениях горно-технологического ческого разубоживания, возрастают, R > 0,75 (рис. 1).

Однако эти значения являются сравнительно редким явлением особенно для конструктивной и горно-технологической составляющих разубоживания. Для геолого-экономического разубоживания ситуация практически обратная. Анализ данных испытаний рентгенорадиометрической сепарации (РРС) на более 40 месторождениях (в т.ч. Якутии) показал, что доля выхода хвостов в 75 % случаях превышает 75 %о, составляя, в редких случаях, более 90 %. Общий интервал значений выхода хвостов по всем этим объектам находится в пределах 18-92 %.

Данное обстоятельство свидетельствует о значительных недостаточно вскрытых возможностях повышения эффективности использования запасов многих рудных и россыпных месторождений за счет выбора рациональных вариантов мероприятий в борьбе с разубоживанием руд путем анализа дерева возможных решений на всех стадиях разработки и реализации проекта освоения месторождений.

При одинаковом характере влияния трех типов разубоживания RrT, Rк, Rr3

на относительное изменение прибыли (формула (7) и рис. 1), степень их влияния существенно различна практически на всех месторождениях.

На рис. 2 показано влияние относительного изменения общего разубожива-ния на относительное изменение прибыли.

График показывает, что приRo < 0,5 , относительное изменение прибыли

/, R составляет (1 +10 ) —.

R

o

При 0,5<R0< 0,8 диапазон относительного изменения прибыли становится бо-

АR

лее значительным и изменяется в пределах (10 + 40 ) —-. При R0 > 0,8 изменение ра-

R

o

зубоживания всего на 10 % ведет к абсолютному изменению прибыли уже на 40— 100 %.

Современные тенденции развития геотехнологий предполагают потенциально эффективные мероприятия в борьбе с общим разубоживанием, где будет превалировать неравенство:

АН„

R

АR

R

(8)

Рис. 1. Возможные пределы изменения коэффициентов f (R rl ), f (R K ), f (R r3 )

т.е. относительное уменьшение общего разубоживания в решающей степени будет достигаться за счет уменьшения геолого-экономического разубоживания.

Рис. 2. Влияние относительного изменения общего разубоживания на относительное изменение прибыли

№ /О 80

60 40 20 О

/а.д„) =

1-я..

1-/.

I /

№г0,8 *

— ■ Я=0,2---

— -Р=0,6 ■ -13=0,9

---;— шйл2И

0,5

I-1

0,5

б

Тогда и относительный рост прибыли по (7) будет обеспечен (потенциально) в решающей степени за счет уменьшения геолого-экономического разубо-живания.

Как правило, мероприятия по снижению разубоживания руд, не только требуют определенных вложений, но и ведут к росту удельных затрат. Согласно (7) относительный рост затрат ведет к относительному уменьшению прибыли ДП дяп

П ДЯ

Я

(Я О )- Д^з (Ь ) =

Я 1 - я

я о ДЗ ь - З ' 1 - ь

(9)

Важно, чтобы относительный рост прибыли от уменьшения общего разубоживания существенно превышал относительное падение прибыли от роста затрат.

Для желаемой компенсации повышения затрат снижением разубожива-ния необходимо, чтобы относительное уменьшение разубоживания было в I 1 — Я

к = ^ (10)

о

раз больше, чем относительный рост затрат. Данное обстоятельство приводит к тому, что:

1) при любых Ь = Ц кратно легче

погасить (предупредить) рост затрат при большом (более 0,5) разубожива-нии, чем при малом (рис. 3, а);

2) при любом разубоживании кратно легче погасить (предупредить) рост

я

затрат при малых Ь = —, чем при

Ц

Рис. 3: а — характер зависимости множи- ^ , 0

- т о \ > ЛТ больших (рис. 3, б).

телеи г(Ц К0) от Ц; б — характер зависимо- __ и ' '

сти множителей «Ко, Ц от Ко По результатам расчетов по данной

методике показаны пределы изменения

I=3

геопотенциала месторождения Д(1 — Я.) при модальных значениях всех видов

I=1 '

разубоживания ; (кривая 2) и степень падения возможной прибыли на единицу погашаемых запасов руды (рис. 4).

а

На рис. 4 проиллюстрирована степень занижения геопотенциала рудного (россыпного) месторождения от общего разубожи-вания. При известном общем разубоживании (например, при Яо _ 0,25 )

прибыль и геопотенциал занижаются до 70 % (кривая 2), а при учете только горно-технологического разубоживания аналогичного значения (прямая 1) занижение составит до 25 %.

Среднее значение общего разубоживания может составлять от 0,5 и выше. Это указывает на то, что при современных геотехнологиях и инструктивных документах по оценке и учету потерь и разубо-живания потенциал многих рудных месторождений недоиспользуется.

Мировые тенденции развития комбинированных технологий добычи и переработки руд создают потенциальные условия эффективного кратного сокращения добычи и переработки породных и рудных порций, ценность которых меньше, чем предстоящие (на разных этапах добычи и переработки) затраты, создавая при этом экономические предпосылки наиболее полного использования георесурса месторождений.

В то же время, рациональное использование этих благоприятных предпосылок в перспективе требует заблаговременного рассмотрения и последующего решения ряда проблемных стратегических задач.

По мнению многих ученых одной из важнейших перспективных задач рассматривается перспектива эффективного освоения многих российских крупнообъемных золоторудных месторождений. К крупнообъемным месторождениям принято относить те, которые имеют низкие или относительно низкие содержания золота (1,5-4,5 г/т, редко до 8-9 г/т), но большие запасы (100-1000т и более).

Оценку потенциальных резервов эффективного освоения крупных месторождений можно проиллюстрировать в виде таблицы (табл. 1).

Как известно, затраты на используемые горнодобывающей промышленностью ресурсы кратно возрастают в условиях рыночных отношений и глобализации, современного технологического уклада в мировом минерально-сырьевом комплексе в России и особенно в ее регионах Севера, Сибири и Дальнего Востока. В этих условиях требуется оценить возможность и изыскать резервы изменения сложившейся ситуации.

Для выявления составляющих возможных резервов снижения затрат при переходе к освоению крупнообъемных месторождений в работе использованы геолого-промышленные модели золоторудных месторождений, отличающиеся способами разработки и технологией переработки руд, опубликованные С. А. Емельяновым (ГКЗ МПР России) и Р. С. Поляковым (ИГЕМ РАН) [3].

Рис. 4. Степень занижения геопотенциала рудного (россыпного) месторождения от общего разубожи-вания

Таблица 1

Оценка потенциальных резервов эффективного освоения крупнообъемных месторождений

Главные резервы Основа резерва Оценка резерва

1. На основе метода оценки кондиционной рудоносности и геолого-экономического разубо-живания 2. Повышение среднего содержания основного и попутных компонентов 3. Расширение ассортимента, качества и ценности конечных продуктов _ ^ _1 -к • Т. Комплексное освоение ресурса недр и комплексная переработка минерального сырья Теоретические основы представительного опробования месторождений Комбинированные технологии добычи, предконцентрации и обогащения руд. Кучное выщелачивание, подземное выщелачивание, рудосорти-ровочные комплексы, в т.ч. малые передвижные Повышает среднее содержание в перерабатываемой руде Ск в 2—4 раза Повышает ценность 1 т руды в 1,25—2 раза Повышает потенциал месторождений Повышает ценность конечной продукции в 1,5—2,5 раза, сокращает общие затраты в 1,2—3 раза

Среднее содержание, г/т

■ 26 ,7_¡У ПГР

I» _ПГР

10 100 100(1 10000 10000(1

Производительность пи руде, тыс. т/год

Рис. 5. Зависимости удельных издержек от производительности по руде: 1 - при

подземных работах; 2 - при открытых работах; 3 - при кучном выщелачивании

в отрабатываемых рудах при подземном, ном выщелачивании уменьшается более

Три выборки содержат 92 золоторудных месторождения, в том числе 33 российских, по которым разработаны ТЭО в период 1995-2003 гг.

Преобразуя и дополняя построенные в этой работе многочисленные корреляционные зависимости параметров оценки месторождений, выделим отмеченные авторами зависимости, важные для аргументации рассматриваемой проблемы (рис. 5):

• с ростом производительности рудника по руде снижаются удельные издержки: при кучном выщелачивании (КВ) — в 2 раза, открытых горных работах (ОГР) — в 5 раз, подземных горных работах (ПГР) — в 6 раз;

• с ростом производительности рудника по руде снижается среднее содержание в добываемой руде. В частности, при росте годовой производительности по руде от 80 тыс. до 10000 тыс. т/год среднее содержание открытом способах разработки и куч-

чем, соответственно, в 10, 7 и 6 раз

(рис. 5). Это актуализирует проблему освоения комплексных крупнообъемных месторождений.

Вовлечение в разработку руды с низким содержанием положительно меняет морфологию отрабатываемой залежи, увеличивая ее кондиционную сплошность, что имеет существенное значение для развития стратегии эффективного освоения МСБ криолитозоны. При этом кондиционная сплошность отрабатываемой залежи приводит к кратному сокращению конструктивного и геолого-экономического ра-зубоживания, повышению качества добытого минерального сырья, упрощению ведения горных работ, улучшению технико-экономических показателей, в том числе и за счет извлечения ряда попутных ценных компонентов.

Выделим следующие рекомендации по оценке и профилактике общего ра-зубоживания руд:

На дальнейшую перспективу На ближайшую перспективу

Коренное совершенствование системы опережающего и сопровождающего эксплуатационного представительного опробования; Реализация концепции эксплуатационных кондиций; Реализация концепции внутрирудничной предконцентрации рудной массы; Геолого-экономическая переоценка георесурсов практически всех, и особенно комплексных месторождений; Развитие и сопровождение проекта должным объемом НИОКР, в т.ч. и по оценке геолого-экономического разубоживания запасов; Развитие комбинированных технологий добычи и переработки минерального сырья Тщательное выявление при эксплуатационном опробовании доли и структуры некондиционных руд и пород в предполагаемом контуре отработки; Доработка действующего с 1997г. положения об эксплуатационных кондициях в пространстве месторождений, позволяющего устанавливать кондиции по участкам рудных тел, порциям и кускам рудной массы; Усовершенствование технологических приемов раздельной, селективной выемки кондиционных и некондиционных руд и пород в контуре отработки запасов; Проведение на всех значимых месторождениях исследований на пригодность руд к радиометрической покусковой и порционной сортировке.

Реализация всей совокупности изложенных положений позволит снизить не только общее разубоживание, но и потери попутных компонентов в недрах, а также отходы горного производства и непроизводительные затраты на транспортировку, дробление и измельчение некондиционных кусков и порций минерального сырья и техногенную нагрузку на окружающую природную среду.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шеховцов B.C. Создание технологии разработки сложноструктурных залежей под мощными рыклыши отложениями с защитным слоем руд: дис. ... д-ра техн. наук / B.C. Шеховцов / ИГЛ СО РАН. — Новосибирск, 1997. — 308 с.

2. Фрейдин A.M. Современные способы разработки руднык залежей с обрушением на больших глубинах / А.М. Фрейдин, А.А. Неверов, С.А. Неверов, П.А. Филиппов и др.; отв. ред. А.П. Тапсиев; Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т горн. дела. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. — 151с.

3. Емельянов C.A. Регрессионный метод стоимостной оценки золоторудных месторождений / С.А. Емельянов, P.C. Поляков // Руды и металлы. — 2004. — №3. — С.34-44. и'.'-'з

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Ватутин С.А. — доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник,

Ткач С.М. — доктор технических наук, директор,

Варакаева ИМ. — старший инженер,

Институт горного дела Севера СО РАН, [email protected]

© А.И. Косолапов, Д.С. Снетков, 2012

УДК 622.273: 622.012.3

А.И. Косолапов, Д.С. Снетков

О ВЗАИМОСВЯЗИ РЕЖИМА ГОРНЫХ РАБОТ С УПРАВЛЕНИЕМ КАЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ УГОЛБНЫ1Х РАЗРЕЗОВ

На основании проведённого анализа изменения качественных показателей буро-угольных месторождений Красноярского края, установлено, что повышение эффективности разработки буроугольных месторождений возможно за счет режима горных работ обеспечивающего добычу угля, качество которого учитывает изменение спроса в течение года и регулируется параметрами технологии, устанавливаемой в увязке с пространственной изменчивостью (зольности угля) особенностей строения месторождения Ключевые слова:

Огромную роль в развитии экономики страны играет обеспеченность ее природными ресурсами, в том числе минерально-сырьевыми, рациональное их использование и совершенствование системы управления природопользованием, является одной из важнейших задач. Растущие масштабы промышленного производства требуют разумного потребления ресурсов, полноты изучения месторождений, рационального использования полезных ископаемых на стадиях переработки и добычи сырья, а также охраны окружающей среды. Удовлетворение потребностей потребителя на основе качественной и конкурентно способной продукции горнодобывающей промышленности возможно за счёт обоснования режима горных работ угольных разрезов в условиях управления качеством продукции.

Управление качеством продукции подразумевает установление, обеспечение и поддержание необходимого уровня качества продукции при ее разработке, производстве и эксплуатации или потреблении, осуществляемое путем систематического контроля

качества и целенаправленного воздействия на условия и факторы, влияющие на качество продукции [1]. Качество продукции определяется совокупностью свойств определяющих степень пригодности и экономической эффективности использования [2].

В последнее время произошли существенные изменения основных тенденций развития угольной промышленности России, а также целого ряда качественных характеристик отрасли. Существенно снизилась трудоемкость добычи угля. Выделилось приоритетное развитие открытого способа добычи.

Красноярский край занимает второе место в России по объемам добычи угля, обладает большими разведанными запасами, имеет хорошие перспективы по увеличению производства топливного продукта и его угольная отрасль базируется в основном на Канско-Ачинском бассейне (КАБ), который имеет благоприятные горно-геологические условия залегания мощных (28—70 м) угольных пластов, пригодных для открытой разработки.

Угли бассейна в основном плотные бурые, гумусовые, малосернистые, с

низкой зольностью, малобитуминозные и делятся на три технологические группы (1БВ, 2БВ и 3БВ). Около 96 % углей имеют марку 2БВ и только 4 % — 3БВ. Как правило, они имеют высокую влажность (30—40 %) и низкую теплоту сгорания (3000— 3 900 ккал/кг) достигающую 5 000 ккал/кг [3].

Вопрос качества поставляемого потребителю топлива приобретает одно из первостепенных значений, так как определяет спрос на угольную продукцию и ее цену. Особенно остро этот вопрос стоит перед угледобывающими предприятиями, ведущими добычу открытым способом. Основные причины отставания открытого способа добычи в части качества поставляемого угольного топлива — это недостаточность управления качеством продукции, обогащения или его отсутствие, а также невнимание к вопросам изучения характера изменения качественных показателей на место-

рождении, особенно при отработке сложноструктурных залежей. В последние годы вопросы качества начали приобретать заметное значение, получило развитие направление на повышение качества угля за счет снижения его зольности.

На современном этапе угледобывающие предприятия обладают широким спектром возможностей в технологии добычи и переработки и, тем не менее, проблема обеспечения потребителей углём заданного в сертификате качества, всегда актуальна.

При анализе условий разработки и качественных показателей угля месторождений Красноярского края и в результате математико-статистической обработки качественных показателей (свыше 5000 данных опробования) установлены обобщающие зависимости, характерные для буроугольных месторождений Красноярского края (рис. 1, 2).

11,И)

им

/ 1.« £

к

Ё П<И

Т.М

1.44

4«

*

\

V

* \

«

* щ N * * * * »

* *

о»

1.«

10.»

ИМ

20.« Я.СЛ

Юйг

э4.<М

Рис. 1. Зависимость средней зольности угля от средней мощности пласта

11.1»

10.Ю

асе

а.ос

МО

ЛИ

ало

* -

*

*

• * Я

* * * 4 * •

1 * *

10.00 15.00 30,00 25,00 30 00 35.М «,00 ¿5,00 50 00 55.00 40.00

Сридат птубрнд кн, м

Рис. 2. Зависимость средней зольности угольного пласта от средней глубины залегания

При изучении характера изменения качественных показателей бурых углей было установлено, что для всех месторождений в верхней части пласта качество хуже, затем оно возрастает, достигая максимума на глубине от кровли, составляющей 60—80 % мощности пласта, с последующим снижением к его почве.

Также установлено что, в пределах месторождения мощности угольного пласта соответствует своя величина коэффициента вариации зольности (рис. 3).

Из диаграммы (рис. 3) очевидна целесообразность деления угольного пласта на уступы, с целью формирования выемочных слоев, добыча в пределах которых обеспечивает отгрузку угля с минимальным варьированием показателей качества.

Вышеизложенное свидетельствует о необходимости, на основе выявленных закономерностей, осуществлять оценку

пространственной изменчивости (картирование) соответствующих геологических показателей, полученных при геостатистическом моделировании месторождения. Это позволит управлять качеством угля за счет гибкого изменения параметров технологии и порядки разработки месторождения.

Управление качеством углей начинается с геолого-технологического картирования качественных показателей по месторождению. Карты качества представляют собой графическое отображение поверхности качественных показателей, участка с разделением на зоны, однородные по уровням значения какого-либо показателя. Алгоритм построения карты качества определяется показателем исследуемого свойства полезного ископаемого. В нашем случае, в качестве определяющего показателя может быть использована зольность угля.

Рис. 3. Изменение коэффициента вариации зольности угля в зависимости от средней мощности пласта

Для повышения эффективности разработки буроугольного месторождения режим горнык работ должен обеспечивать добыну угля, качество которого учитывает изменение спроса в течение года и регулируется параметрами технологии, устанавливаемой в увязке с пространственной изменчивостью (зольности угля) особенностей строения месторождения. Обоснование режима горных работ, способствует сохранению и улучшению природного качества полезного ископаемого.

Выдача потребителю постоянного качества углей обеспечивается раздельной выемкой и отгрузкой угля из однородных зон (признак однородности — допустимый коэффициент ва-

риации управляемого показателя качества). Конфигурация рабочей зоны разреза (форма фронта работ в плане) должна обеспечивать своевременный доступ к участкам, с требуемыми показателями качества в зависимости от сезонного спроса (рис. 4) и формировать постоянную взаимосвязь объектов системы «карьер-потребитель».

Обобщение исследований по управлению качеством углей позволило выделить типовые технологические системы, содержащие необходимый набор технических и технологических объектов для формирования заданных потребительских свойств продукции. Каждой системе присваивается статус технологической системы управления

И.ЮЧ 11.DÖ*

| В.МтЧ I g 6.ИИ В i.Mffi Z.004 >

V г ? 4 * vw V

Рис. 4. Спрос на уголь в течение года

качеством. Цепь такого исследования состоит в том, чтобы, во-первых, предметно обозначить и формализовать способы управления качеством и определение наиболее подходящей технологической системы.

Инструментарий управления качеством углей построен на реализацию нескольких целей: стабилизацию качества, максимизацию выхода углей более высокого класса качества, стабилизацию соотношения объемов добычи угля разного типа, а также объемов вскрыши. Используемые для поиска варианта решения типы и особенности математических моделей функционирования технологических систем мно-

гогранны. В отличие от традиционной практики проектирования, в которой продолжают существовать ограничения по анализу множества альтернатив управления качеством угля, предлагаемый инструментарий позволяет осуществлять многовариантную оценку использования запасов, начиная от стабилизации одного до управления по нескольким единичным показателям и заканчивая оптимизацией ассортимента продукции.

Исходя из анализа особенностей пространственной изменчивости свойств углей можно утверждать, что положительное решение задачи управления качеством бурого угля возможно в строгой увязке с режимом горных работ и их планированием в зависимости от географии потребителей и планируемых затрат на добычу. Это обеспечить рост извлекаемой ценности угля за счет дифференцированных цен на него и как следствие позволит увеличить эффективность разработки месторождений.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сысоев A.A., Литвин О.И. «Управление качеством продукции карьеров»: Учебное пособие для студентов. — ГУ КузГТУ. — Кемерово, 2008. — 256 с.

2. Ржевский В. В. "Открытые горные работы". 4.1. Производственные процессы:

Учебник для ВУЗов. — М. Недра, 1985. — 15—17 с.

3. Гаврилин К. В. Канско-Ачинский угольный бассейн [Текст]: моногр. / К. В. Гаврилин, А. Ю. Озерский; под. ред. В. Ф. Череповского.

— М.: Недра, 1996. — 272 с. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Косолапое А.И. — доктор технических наук, профессор, е-шаИ: [email protected] Снетков Д.С. — Сибирский федеральный университет. Институт горного дела, геологии и геотехнологий, е-шаП: [email protected]

© Е.А. Сапкина, 2012

УДК 519.87 Е.А. Сапкина

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МАКРОДИНАМИКИ РЕГИОНАЛЬНОГО РЫНКА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ С УЧЕТОМ ФАКТОРА ПРОДОВОЛЬСТВЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Рассмотрен макроуровень динамики рынка сельскохозяйственной продукции. Основное внимание уделено идентификации взаимоотношений между субъектами рынка при нечетких условиях.

Ключевые слова: рынок, макродинамика, агрегирование, продовольственная безопасность.

Рынок сельскохозяйственной продукции является сложной социальной самоорганизующейся системой. Для успешного управления такой системой необходим комплексный подход с применением методов математического моделирования. В работах [1], [2] предложено использовать многоуровневую модель, описывающую макро-, мезо- и микродинамику развития рынка на основе конфликтов между его субъектами.

В данной работе основное внимание уделяется макродинамике конфликта в нечетких условиях.

Так же, как и в работе [1] будем рассматривать следующие укрупнённые состояния конфликтами:

1. Противодействие (Б—);

2. Эксплуатация (Б+-, Б-+);

3. Нейтралитет (Боо);

4. Содействие (Б++);

5. Банкротство (Б0).

Вопрос о том, к какому виду относятся взаимодействия между субъектами рынка, будем решать по тому, как эти субъекты меняют эффективность функционирования друг друга. Основная сложность в данной задаче состоит в том, что в условиях становления рыночной экономики в понятие эффективность входят не только количественные (финансовые) показате-

ли, но и качественные. Это связано с тем, что в целом АПК Смоленской области является нерентабельным и рынок сельскохозяйственной продукции не может самостоятельно функционировать, без внешней помощи. Данная помощь оказывается со стороны федерального и областного центров, которые являются для рыночной системы региона надсистема-ми. Поэтому при функционировании сельскохозяйственного предприятия должны учитывать не только свои интересы, но и интересы своих «спонсоров». В данной работе в качестве одного из факторов, определяющих эффективность предприятия, предложено рассматривать производственную безопасность, т.е. насколько предприятие сможет собственными силами обеспечить население качественными продуктами питания по доступным ценам.

Для моделирования влияния продовольственной безопасности воспользуемся методами нечёткой логики. Заметим, что модели, построенные на основе нечёткого вывода, оказываются достаточно «гибкими» в том плане, что их легко адаптировать под изменяющиеся внешние условия и задачи. Например, можно внести вместо продовольственной безопасности

иной фактор, отражающий эффективность функционирования предприятия на рынке, или изменить характеристики самой продовольственной безопасности в зависимости от целей, стоящих перед регионом и страной в целом.

Формально нечёткое множество А определяется, как множество кортежей вида <х, цд(х)>, где х является элементом некоторого универсального множества Е, цд(х) — функция принадлежности, которая ставит каждому элементу х е Е некоторое число из интервала [0;1], т.е. цА(х): Е^[0;1].

Для определения типа взаимоотношений между субъектами рынка предполагается использовать экспертные оценки, сведя при этом к минимуму субъективный фактор. При этом будет использоваться следующий общий алгоритм нечёткого вывода.

Формируется специалистами в определенной области база знаний в виде совокупности нечётких предикатных правил вида:

П1: если х есть Ах, то у есть В1,

П2: если х есть А2, то у есть В2,

Пт: если х есть Ат, то у есть Вт. Факт: х есть А. Следствие: у есть В.

Знание эксперта А^В отражает нечёткое причинное отношение предпосылки и заключения, поэтому его можно считать нечётким отношением: Я: А^В

Здесь символ «^» обозначает нечёткую импликацию.

Сам нечёткий вывод обычно осуществляется в четыре этапа [3].

Введение нечёткости (фаззифика-ция). Функции принадлежности, определённые на входных переменных, применяются для их фактических

значении с целью проверки истинности предпосылки каждого правила.

Логический вывод. Вынисленное значение истинности предпосылок для каждого правила применяется для заключения. Это приводит к одному нечёткому подмножеству, которое будет назначено каждои переменнои вывода для каждого правила. В качестве правил логического вывода используются операции минимума (min) или умножения (prod).

Агрегирование. Все нечёткие подмножества, назначенные к каждои пе-ременноИ вывода, во всех правилах объединяются в одно нечёткое подмножество для каждои переменнои вывода. При этом используются операции максимума (max) или суммы (sum). При композиции максимума комбинирован-ныи вывод нечёткого подмножества конструируется, как поточечныи максимум по всем нечётким подмножествам (нечёткая логика «или»). При композиции суммы комбинированныи вывод конструируется, как поточечная сумма по всем нечётким множествам, назначенным переменной вывода.

Приведение к четкости (деффаз-зификация). ДанныИ этап используется в случае, когда необходимо преобразовать нечёткий набор выводов в четкое число.

Применим методы нечёткого вывода для составления макродинамиче-скоИ модели взаимодействия между субъектами рынка. Обозначим одного из субъектов рынка игроком А, другого — игроком В. Показатели эффективности деятельности игроков зависят от ряда факторов, среди которых есть как количественные, так и качественные. В нашем случае показателями эффективности будут:

Продовольственная безопасность (П), включающая в себя так же несколько показателеИ (уровень самообеспеченности, количество с.х. про-

дуктов первой важности (девять видов), качество продукции, доступность для населения (Пх, П2, П3, П4));

Финансовая прибыль (Ф).

Лля того, чтобы отнести взаимовлияние игроков А и В к одному из основных видов: содействие (Б++), эксплуатация (Б+-), противодействие (Б—), нейтралитет (Боо), воспользуемся следующим набором правил:

Если развитие игрока А приводит к улучшению параметра Пв и развитие игрока В приводит к улучшению параметра Пд, то отношения между игроками А и В принадлежат множеству Б++.

Если развитие игрока А приводит к улучшению параметра Пв и развитие игрока В приводит к ухудшению параметра Пд, то отношения между игроками А и В принадлежат множеству Б-+ (игрок А — эксплуатируемый, игрок В — эксплуататор).

Если развитие игрока А приводит к ухудшению параметра Пв и развитие игрока В приводит к улучшению параметра Пд, то отношения между игроками А и В принадлежат множеству Б+- (игрок А — эксплуататор, игрок В — эксплуатируемый).

Если развитие игрока А приводит к ухудшению параметра Пв и развитие игрока В приводит к ухудшению параметра Пд, то между игроками А и В отношения протидействия (Б++).

Если развитие игрока А не сказывается на параметре Пв и развитие игрока В не сказывается на параметре Пд, то отношения между игроками А и В принадлежат множеству Б00.

Функция принадлежности рх, р2, р3, р4, р5 для входных данных каждого из правил определяется на основе экспертных оценок.

Лля проведения второго этапа нечёткого вывода рассмотрим функции принадлежности на области, изображенной на рисунке 1

Рис. 1

В данном случае точка Рх (-1; — 1) соответствует предельной форме ан-тогонистической конкуренции, точка Р2 (-1;1) соответствует случаю крайней степени эксплуатации игрока А игроком В, точка Р3 (1;1) соответствует случаю содействия при полном совпадении интересов игроков, точка О (0;0) соответствует случаю нейтралитета, точка Р4 (1; -1) соответствует случаю предельной эксплуатации игроком А игрока В.

Положим следующие граничные значения для функций принадлежности:

Рх: РБ++(Рх) = 0, Цз+-(Р2) = 0, РБ-+ = 0, РБ00 = 0, РБ— = 1.

Р2: Цз++(Р2) = 0, Цз+-(Р2) = 0, РБ-+ = 1, РБ00 = 0, Рб- = 1.

Р3: РБ++(Рз) = 1, РБ+- = 0, РБ-+ = 0, РБ00 = 0, РБ— = 0.

Р4: РБ++(Р4) = 0, РБ+- = 1, РБ-+ = 0, РБ00 = 0, РБ— = 0.

Р5: РБ++(Р5) = 0, РБ+- = 0, РБ-+ = 0, РБ00 = 0, РБ— = 0.

Ре: РБ++(Рб) = 0, РБ+- = 0, РБ-+ = 0, РБ00 = 0, РБ— = 0.

Р7: РБ++(Р7) = 0, РБ+- = 0, РБ-+ = 0, РБ00 = 0, РБ— = 0.

Ре: РБ++(Рв) = 0, РБ+- = 0, РБ-+ = 0, РБ00 = 0, РБ— = 0.

О: РБ++(О) = 0, РБ+- = 0, РБ-+ = 0, РБ00 = 1, РБ— = 0.

Форму функции принадлежности можно выбрать произвольно. В данном случае, наиболее удобно пользоваться функцией принадлежности в форме Шш!.

Для определения значения функции принадлежности можно воспользоваться 9-ти бальной шкалой Саати (из психологии известно, что человеку (эксперту в данном случае) свойственно удерживать в памяти одновременно 7±2 понятия). Например, для отношений содействия возможна следующая градация:

1 — полное совпадение интересов игроков А и В (ЦЭ++ = 1).

2 — совпадение интересов игроков А и В по основным всем вопросам (цэ++ = 0,75).

3 — совпадение интересов игроков по отдельным основным вопросам (Ц8++ = 0,5).

4 — совпадение интересов игроков по некоторым вопросам при определённых условиях (цэ++ = 0,25).

5 — отсутствие общих интересов (Ц8++ = 0).

Значения 6, 7, 8, 9 используются для промежуточных оценок.

Изложенную процедуру следует применить для всех показателей, оп-

1. Аржаков М.В., Аржакова Н.В., Новосельцев В.И. Управление конфликтами. — Воронеж.: Изд-во «Квартал», 2005. — 180 с.

2. Арканова Н.В., Новосельцев В.И., Редкозубов С.А. Управление динамикой

ределяющих эффективность работы предприятий.

Получив значения шх, ш2, ..., для каждого критерия можно рассчитать общее четкое значение выходной переменной по формуле:

щ1 рх + щ 2 р 2 + ... + щ к р к ш —-.

Р! + р 2 + ... + Р к

Здесь р2, р2, ■■■, Рк весовые коэффициенты, значения которых во многом определяются условиями задачи. Например, фактор самообеспечения для страны в целом является одним из важнейших. Для продовольственной безопасности области самообеспечение не является столь важной задачей, как для страны в целом. Однако встречаются исключения. Например, в связи с тем, что Смоленская область является приграничной, то нехватка основных продуктов питания будет устраняться не только за счет ввоза сельскохозяйственной продукции из соседних областей РФ, но и из граничащих с областью государств: Белоруссии, Польши, Литвы и др. Это отрицательно скажется не только на продовольственной безопасности области, но и на продовольственной безопасности государства.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

рынка системный подход. — Воронеж. ВГУ. 2004.

3. Юденков А.В., Дли М.И., Круглое В.В. Математическое программирование в экономике: учебное пособие — М.: Финансы и статистика, 2010 — 240 с. ГТТШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Сапкина Е.А. — ассистент кафедры, e-mail: [email protected], Смоленская государственная сельскохозяйственная академия.

© B.C. Шеховцов, B.O. Шеховцова, 2012

УДК 622.013.364.2

B.C. Шеховцов, В.О. Шеховцова

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРОЕКТНЫХ ПОТЕРЬ И РАЗУБОЖИВАНИЯ РУДЫ1 ПРИ ОТРАБОТКЕ СДЕПЫ1Х ЗАЛЕЖЕЙ

Приведена рекомендуемая методика расчета проектных потерь и разубоживания руды при отработке слепых залежей.

Ключевые слова: методика расчета, проектные потери и разубоживание руды, слепые залежи.

Значительная часть рудных месторождений России представлена мощными и средней мощности слепыми рудными залежами. Наклонные и крутые слепые рудные залежи распространены на Урале, Алтае, Дальнем Востоке, месторождениях Горной Шории и Хакасии.

В связи с особенностями отработки слепых рудных залежей (с предохранительной рудной или породной подушкой, изолированные или сближенные залежи и др.) расчет проектных потерь и разубоживания отличается от выемки руды системами с массовым обрушением.

При выемке слепых рудных залежей проектные потери слагаются из:

• неотбитой руды в маломощных и удаленных от границ блоков рудных линз;

• неотбитой руды на сложных (извилистых) контактах с вмещающей породой;

• отбитой руды, оставляемой в предохранительной подушке и выработках выпуска с целью безопасного производства горных работ от ударных нагрузок самообрушающихся пород кровли выработанного пространства и воздушных ударов.

Разубоживание руды слагается из:

• внутрирудных прослоев и присе-чек вмещающих пород из-за сложных (извилистых) контактов на границе

«руда — вмещающая порода» (конструктивное разубоживание);

• отслаивания пустых пород с боков и кровли выработанного пространства при выемке изолированных залежей камерной системой разработки.

В настоящее время расчеты проектных потерь и разубоживания руды осуществляются следующим образом. Балансовые запасы маломощных рудных линз, удаленных от границ блоков, определяются непосредственным подсчетом по графическим материалам проекта, а их отработка обосновывается экономическими расчетами. В том случае если их совместная или раздельная отработка не эффективна, то запасы списываются в потери.

Потери отбитой руды, зависящие от толщины предохранительной подушки над днищем блока ( Ип, м), определяются по формуле [1]

Ьп = х Нвп, (1)

где К — коэффициент пропорциональности толщины предохранительной подушки высоте падения обру-шающихся пород; Нвп — высота выработанного пространства, м

Количество сырой руды, оставляемой в предохранительной рудной подушке, определяется по формуле

Оп = ^ Ьп урр, (2)

где Qп — сырая руда в подушке, т; присекаемая часть породы, м; уr,у^

S бл — плошадь блока( подсечки), м

плотность сырой руды в раз-,3

Y рр

рыхленном состоянии, т/м3;

Балансовая руда, оставляемая в предохранительной подушке (потери), определяются по формуле П п _ Q п (1 - R п), (3)

где Пп — потери балансовой руды в предохранительной подушке, т; Rn — разубоживание от внутрирудных прослоев пустых пород, присечек и частичных самообрушений с бортов и кровли блока, дол. ед.

Потери неотбитой руды на контактах с вмешаюшей породой и разубо-живание от внутрирудных прослоев и присечек пустых пород определяют графическим методом (планимитри-рованием плошадей и вычислением объемов), что не позволяет учитывать параметры буровзрывных работ.

Разубоживание руды от частичного отслаивания с боков и кровли выработанного пространства принимается в проектах на основе практического опыта 1-2 % от конструктивного ра-зубоживания, что не является достаточно обоснованным.

На основе проведенных исследований разработана методика расчета потерь и разубоживания руды при отработке слепых залежей.

Потери и разубоживание руды на контакте с вмешаюшимим породами с учетом параметров буровзрывных работ рекомендуется определять по выражениям [2]:

п _ 8п + 0,5lgW-3dc (4)

к 0,01m '

'р

_ (8R + 0,5lgW + 3dc)yп

R^ _ 0,01(mpY p + 8RY п) '

(5)

где ön,*R

p R'n соответственно теряе-

мая часть полезного ископаемого и

плотность соответственно руды и породы в массиве, т/м3; IV — линия наименьшего сопротивления, м; ёс — диаметр заряда ВВ (скважины), м; т р —

мощность рудной залежи, м

Для сохранения технологического контура выемки блока оконтуриваю-щие скважины рекомендуется располагать от контакта «руда — порода» на расстоянии 0,1 ^— при отбойке параллельными скважинами и пере-буривать на (0,2 — 0,4) IV — при веерной отбойке [3]. Таким образом, при отбойке параллельными одиночными и пучками параленьно-сближенных скважин теряемую часть полезного ископаемого рекомендуется принимать в проектах на отработку блоков равной ё п = 0,1V а присе-

каемую часть породы 5 = 0. При от-

К

бойке веерами скважин присекаемую часть породы рекомендуется принимать равной 5 = (0,2 — 0,4) V, а теК

ряемую часть руды — ё п = 0.

Рациональный технологический контур отбойки устанавливается на основе технико-экономического сравнения вариантов [4].

При определении разубоживания от внутрирудных породных прослоев необходимо учитывать кондиции для подсчета запасов. На железорудных месторождениях Горной Шории максимальная мощность породных прослоев, включаемых в подсчет запасов составляет пять метров, на Абаканском месторождении в Хакасии на действующих горизонтах два метра, а при отработке глубоких горизонтов шесть метров [5]. Разубоживание от внутрирудных прослоев пустых пород (Rп , %) рекомендуется определять по выражжению

и =

т п у

п' п

(6)

п 0,01(т р у р + т п у п'

где — мощность породного прослоя, м.

При отработке изолированных слепых рудных залежей с предохранительной рудной подушкой учет отслаивания пустых пород с бортов и кровли выработанного пространства при отбойке руды рекомендуется осуществлять на основе аналитических расчетов параметров сводов естественного равновесия и пролетов обнажений в трещиноватых горных породах (самозаклинивающиеся элементарные естественные блоки) [4].

Толщину отслаивания пород с бортов выработанного пространства (^вор ' м) рекомендуется определять

по формуле

л, = а (7)

бор

-1

6СВ =

0,45

[Ос

0,01 К у Л у

' у „„ ' г

ют одинаковые размеры и равнопрочны) высота свода Л=а / 2.

Коэффициент запаса устойчивости Ку рекомендуется принимать на основе оценки устойчивости обнажений выработанного пространства слепых рудных залежей согласно работы [4]

к = 0,66 [°сж ]

ку = о

(9)

0,0Ж5 Н у п л

где а — полупролет выработанного пространства, м; [Осж ] — предел

прочно-сти горных пород одноосному сжатию в направлении действия силы тяжести пород, МПа; Кз — коэффициент запаса ( для устойчивых сводов Кз = 2,5 и более, для неустойчивых — Кз < 2 и для сводов в предельном состоянии Кз = 1); Н — глубина разработки, м; у _ усредненная плотность пород в массиве, т/м3.

Толщину отслаивания пород в своде выработанного пространства (^ )

св

рекомендуется определять по формуле

(8)

где а — величина действующего в массиве напряжения, МПа.

С учетом среднего значения для рудников Горной Шории и Хакасии величина напряжения определяется по выражению

а = 4,2 уп.п Н. (10)

Объем отслаивания породы с бортов и кровли выработанного пространства, (УОТС , м3) определяем по формуле

Уотс = &бор + 5СВ )Ь , (11)

где Ббор, ЭСВ _ площади отслаивания породы соответственно с бортов и крр овли выработанного пространства, м ; Ь — длина выработанного пространства, м.

На рисунке показана схема к определению объема отслаивания породы с бортов и свода выработанного пространства.

Согласно схеме расчета (см. рисунок) площадь отслаивания бортов выработанного пространства равна двум прямоугольникам шириной и высотой Н, а площадь отслаивания кровли равна круговому кольцу [6]. После несложных математических преобразований выражения (10) расчетная формула объема отслаиваний породы будет иметь вид

св П .П

где ИСВ _ высота свода, м.

Для однородного сложения пород (элементарные блоки в вертикальном и горизонтальном направлениях име-

=\2ёбоР н+П

(1,385 + ёс

-(1,38 + В)

I

(12)

Схема к определению отслаивания породы при отработке слепой залежи

Разубоживание руды за счет отслаивания породы ( Котс, %) рекомендуется определять по выражению

Я = ^ОТс1 п / КР х100%, (13) отс Б+VoтClп/КР Х100%

где КР — коэффициент разрыхления руды в блоке при отбойке.

При замене рудной подушки на породную потери и разубоживание рекомендуется рассчитывать по из-

вестной методике с выпуском руды под налегающими обрушенными породами [4].

Выводы

1. Существующая методика расчета потерь и разубоживания при подземной разработке не в полной мере отражает особенности отработки слепых рудных залежей.

2. Проектные потери и разубожи-вание при выемке слепых залежей рекомендуется рассчитывать по разработанной методике, учитывающей: потери неотбитой руды на контакте с вмещающими породами; потери отбитой руды в предохранительной подушке (при отработке с рудной подушкой); конструктивное разубожи-вание от присечек и внутрирудных прослоев породы; отслаивание породы с бортов и кровли выработанного пространства.

3. При замене рудной подушки на породную или создания сразу породной подушки расчет потерь и разубо-живания осуществлять по аналогии с выпуском руды под налегающими обрушенными породами.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Именитое В.Р. Локализация пустот при подземной добыче руды [Текст] / В. Р. Именитов, В.Ф. Абрамов, В.В. Попов. — М.: Недра, 1983. — 192с.

2. Шеховцов В. С. Совершенствование нормирования потерь и разубоживания руды при отработке слепых залежей [Текст] / В.С. Шеховцов // Изв. Вузов. Горный журнал. — 1997. — №7-8. -С.17-18.

3. Именитов В.Р. Процессы подземных горных работ при разработке рудных месторождений [Текст]: Учеб. пособие / В.Р. Именитов. — М.: Недра. — 504с.

4. Шеховцов В.С. Методические указания по нормированию потерь и разубоживания на глубоких горизонтах железорудных месторождений Горной Шории и Хакасии [Текст]. — В.С. Шеховцов. — Новокузнецк: СибГИУ, 1999. -56с.

5. Шеховцов В.С. Подземная разработка сложноструктурных рудных залежей под мощными рыхлыми отложениями [Текст]: Моногр. / В.С. Шеховцов. — Новокузнецк: СибГИУ, 1999. -241с.

6. Справочник по горнорудному делу делу / Под ред. В.А. Гребенюка, Я.С. Пыжьянова, И.Е. Ерофеева. — М.: Недра, 1983. — 816 с. ГТТГП»

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Шеховцов В.С. — доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, Шеховцова В.О. — аспирант, е-mail: [email protected], Сибирский государственный индустриальный университет.

© Энхтайван Долгоон, 2012

УДК 339.727.22/.24 Энхтайван Долгоон

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНВЕСТИЦИЙ В РАЗВИТЫХ И РАЗВИВАЮЩИХСЯ СТРАНАХ

Выполнен сравнительный анализ динамики накопления капитала и показателей эффективности его использования в развитых и развивающихся странах. Показано, что развивающиеся страны проигрывают развитым по основным индикаторам экономического роста, характеризующим эффективность инвестирования национальной экономики.

Ключевые слова: инвестиционные ресурсы, развивающиеся страны, экономический рост.

В развитии экономики любой страны инвестиции играют решающую роль. От их объема, состояния инвестиционного процесса зависит решение социально-экономических задач, связанных с обеспечением экономического роста, роста жизненного уровня населения, конкурентоспособности страны, макроэкономической стабильности. Это задачи, которые наиболее остро стоят перед развивающимися странами и которые в значительной мере решены в развитых странах путем наращивания объема инвестиций и повышения их эффективности.

Основным источником инвестиционных ресурсов страны выступают сбережения компаний, домашних хозяйств и государства, которые идут, прежде всего, на накопление капитала, инвестируемого в национальную экономику.

Объем накопления капитала (инвестиций) прямо зависит от нормы накопления (в процентах ВВП) и абсолютного размера ВВП страны, являясь произведением этих двух величин. Очевидно, что страны с высоким уровнем ВВП обладают преимуществом перед остальными, имея возможность инвестировать сразу в несколько дополняющих друг друга производств.

Вместе с тем, высокий объем накопления капитала является необходимым и достаточным условием устойчивого экономического роста лишь при эффективном использовании инвестиций. Оценками эффективности являются капиталоотдача инвестиций и предельная капиталоемкость экономического роста.

Уровень и динамика нормы накопления капитала и капиталоотдачи различны у развитых и развивающихся стран (табл. 1). При более высокой, чем в развитых странах, норме накопления капитала в развивающихся странах (от 1,1 раза в 1990 г. до 1,4 раза в 2010—2020 гг.) капиталоотда-ча инвестиций в них ниже в ~1,4 раза. Также различны уровень и динамика предельной капиталоемкости — индикатора, характеризующего отношение нормы накопления к приросту ВВП. В развитых странах его величина колеблется в пределах 8—11.

В наиболее крупных и интенсивно развивающихся странах (Китай, Индия, Индонезия) предельная капиталоемкость экономического роста равна 4—5 ед. (табл. 2).

Отмеченное различие в уровне и динамике макроэкономических характеристик экономик развивающихся и развитых стран обусловлено, главным

Таблица 1

Динамика показателей экономического роста стран мира

Таблица 2

Динамика предельной капиталоемкости ряда стран мира, единицы

1990 2000 2010 2020**

Производительность (тыс. долл. на душу населения)

Весь мир 7,1 8,3 11,3 15,9

Развитые страны 26,6 31,9 38,7 49,3

Развивающиеся страны 3,5 4,4 7,0 11,0

Накопление капитала, (% от ВВП)

Весь мир 23,7 22,2 22,1 22,0

Развитые страны 23,0 22,0 19,5 19,5

Развивающиеся страны 26,0 23,0 27,5 26,0

Капиталоотдача* (ВВП на единицу инвестиций долл.)

Весь мир 4,22 4,50 4,52 4,54

Развитые страны 4,35 4,55 5,13 5,13

Развивающиеся страны 3,85 4,36 3,64 3,85

Источник: Стратегический глобальный прогноз 2030. Под ред. А. Дынкиеа М. МАГИСТР, 2011 107-114 , *по среднегодовым курсам национальных валют к доллару США 2009 г., ** прогноз ИМЭМО РАН.

1980 1990 1995 2000 2005 2010

США 4,7 7,0 8,7 10,2 12,8 11,2

Австралия 10,3 8,7 8,4 7,3 7,9 8,4

Китай 5,0 3,9 - 4,0 4,5 4,8

Индия - 4,0 - 5,5 3,8 4,4

Составлено автором по данным Э.Василевского [МЭиМО, 2006, № 9], А.Салицкого [МЭиМО, 2011, №11], Ьйр:/ш1дие1-киа.

образом, различной структурой факторов роста ВВП (табл. 3): в развитых странах рост ВВП контролируется совокупной факторной производитель-ностью(СФП), в развивающихся — инвестициями в физический капитал.

Суммарный вклад труда и СФП в рост ВВП в развитых странах почти в два раза выше, чем в развивающихся. Высокий уровень СФП в развитых странах свидетельствует о том, что там инвестиции в большей степени сосредоточены в секторах интенсивного развития экономики с определяющей ролью человеческого капитала.. В развивающихся странах пока решающее

значение имеют инвестиции в физический капитал ( вклад капитала в темп роста ВВП в 1990-2007 гг. в близок к уровню 1953-1990 гг.)

Таким образом, развивающиеся страны проигрывают развитым по основным индикаторам экономического роста, характеризующим эффективность использования труда и капитала (финансового и человеческого). Учитывая, что уже накопленное богатство развитых стран является их решающим конкурентным преимуществом перед развивающимися странами, эффективное использования ресурсов, прежде всего, человеческого ка-

Таблица 4

Параметры роста развивающихся стран с различной экспортной ориентацией

Таблица 3

Структура факторов экономического роста основных стран мира

Голы Темп роста ВВП, % Вклал факторов в рост ВВП, % Трул + СФП

Трул Капитал СФП*

Развитые страны 1953-1990 5,2 27,6 23,8 43,5 71,1

1990-2007 2,2 33,7 10,6 55,5 89,2

Развивающиеся страны 1953-1990 6,1 27,2 51,4 20,1 47,3

1990-2007 5,2 24,3 43,2 32,3 56,6

'совокупная факторная производительность = TFP (the total factor productivity) — доля вклада интенсивных факторов производства в прирост ВВП.

Пери- Группа ВВП на лу- Темп роста Доля в Накопление, Сбереже-

ол шу населе- ВВП на лушу мировом капитала, % ниекапи-

ния, лолл. населения % ВВП, % ВВП тала, % ВВП

1960— ЭПИ 2996 5,7 11,6 23,7 17,5

1973 ЭПР 9755 5,3 1,7 24,2 38,1

1974— ЭПИ 5893 5,1 19,5 30,5 27,6

1989 Э ПР 9233 0,7 2,9 29,4 35,8

1990— ЭПИ 10564 4,1 22,8 28,9 33,1

2004 Э ПР 8090 1,3 3,0 23,5 30,7

1960— ЭПИ 6687 4,9 19,1 27,9 26,5

2004 ЭПР 7726 1,8 2,6 25,6 32,7

Источник: МЭиМО, 2008, №2. World Development Indicators, 2006. Wash.2006.

питала, как необходимое условие включения бедных стран в мировые производственных цепочки обеспечит приоритетное развитие собственных, часто уникальных конкурентных преимуществ развивающихся стран.

. Необходимость эффективного использования капитала иллюстрирует сопоставление параметров роста экономики развивающихся стран, ориентированных на экспорт промышленной продукции (группа ЭПИ),

и развивающихся стран, сконцентрировавшихся на экспорте природных ресурсов (группа ЭПР) — табл.4.

В странах ЭПИ сбережения на 9095 % идут на накопление капитала (инвестиции в развитие), соответственно, темпы роста ВВП на душу населения на уровне ~5 %. В странах ЭПР от 30 до 60 % сбережений не идут на накопление капитала — темпы роста ВВП на душу населения в 1974—2004 гг. не превышает 1,8 %.

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Энхтайван Долгоон — Российский университет дружбы народов.

© H.A. Максимов, Д.П. Синча, 2012

УДК 519.92

H.A. Максимов, Д.П. Синча

УСТОЙЧИВЫЙ МЕТОД ПОИСКА ИЗОБРАЖЕНИЙ В ВИЗУАЛЬНЫХ БАЗАХ ДАННЫХ

Значительный интерес к беспилотным летательным аппаратам в последнее время усилил необходимость создания эффективной системы распознавания изображений [1]. В отличие от других систем распознавания образов (систем биометрической идентификации, систем распознавания лиц, систем распознавания документов и т.д.), непосредственным объектом, подлежащим классификации (распознаванию) в данном случае, является само изображение, которое, естественно, может быть искажено различными факторами. В основе любой системы распознавания изображений лежат, главным образом, два алгоритма: алгоритм формирования дескриптора (индекса) изображения (т.е. организованной совокупности признаков изображения) и алгоритм оценки степени сходства двух изображений по их дескрипторам. Достаточно перспективный вариант этих алгоритмов представлен в данной статье. Ключевые слова: кадрирование, декадрирование, дескриптор изображения, коэффициент корреляции.

Сушествуюшие методы распознавания поиска изображений в визуальных базах данных узко специализированы и используют, как правило, различные эвристические методы, соответствуюшие специфике практического применения. [2, 3]. В большинстве случаев для индексирования изображений используют цветовые характеристики изображений, в частности цветовые гистограммы, форму объектов и некоторые другие признаки [3, 4]. Однако такого рода признаки становятся малоэффективными, если искомое и эталонное изображение достаточно сильно отличаются из-за помех, изменения масштаба, кадрирования или изменения яркости. В этой связи встает задача создания эффективных алгоритмов индексирования цветных (полутоновых) изображений и алгоритмов сравнения эталонных и предъявляемых изображений.

Постановка задачи

Поставим задачу следуюшим образом. Имеется коллекция (произвольного объема) растровых неповторяюших-ся изображений произвольной тематики. Иными словами, имеется база данных изображений-эталонов. Каждое изображение может иметь произвольное пространственное разрешение (желательно не ниже 100x100 пикселей) и произвольную глубину цве-та/битность (желательно не ниже 8 бит/пиксель). Каждое изображение коллекции может быть как цветным, так и не цветным. Изображения не содержат никакой сопутствуюшей информации (никаких ключевых слов, фраз на естественном языке или каких-либо иных метаданных). На изображения не нанесены водяные знаки. Каждое изображение базы формирует отдельный класс и является единственным представителем данного класса. Необходимо создать систему, на вход которой подается удовлетворяю-

шее вышеприведенным ограничениям изображение, которое может, как принадлежать, так и не принадлежать коллекции. Подаюшееся на вход системы изображение из коллекции может быть искажено одним или несколькими сле-дуюшими факторами:

• групповые помехи произвольной формы и размера,

• поворот,

• изменение масштаба,

• нелинейное изменение яркости,

• изменение разрешения,

• сдвиг,

• кадрирование/ декадрирование,

• зеркальное отображение.

Примеры некоторых из перечисленных искажений показаны на рис. 1.

Система должна правильно классифицировать входное изображение, т.е., либо отнести его к одному из классов (естественно, верному) (результат работы — представитель этого класса), либо резюмировать, что входное изображение не принадлежит ни к одному классу.

Иными словами, ставится задача создания системы распознавания изображений, которая принципиально сводится к созданию двух упомянутых выше алгоритмов.

Алгоритм формирования дескриптора изображения

Вследствие наличия искажаюших факторов необходимо разрабатывать такие признаки изображения, каждый из которых будет малочувствителен хотя бы к одному из рассматриваемых факторов. По этой же причине разрабатываемые признаки изображения должны, по крайней мере, слабо коррелировать, а лучше, если они будут иметь слабую статистическую взаимосвязь. Силу корреляционной взаимосвязи можно оценить посредством выборочной оценки коэффициента корреляции Пирсона [5]. Силу статистической взаимосвязи можно оценить

посредством величины средней взаимной информации [6]. Соответственно, дескриптор изображения в нашем случае — это просто вектор признаков.

Разработанный дескриптор изображения состоит из трех групп признаков. Первая группа признаков получается следуюшим образом. Исходное изображение преобразуется в полутоновое, если изначально таковым не являлось. Далее, используя метод выделения локальных двоичных микроструктур (метод ЬВР), полученное полутоновое изображение приводится к ЬВР-изображению, т.е. к такому изображению, в котором яркость каждого пикселя суть ЬВР-код (рис. 2).

Подробное описание метода ЬВР может быть найдено в [7]. Суть метода заключается в следуюшем (рис. 3). Вокруг каждого пикселя изображения (дс) описывается окружность радиуса К (в нашем случае К=1). Далее определяются яркости (I) Р точек (у нас Р=8), равномерно распределенных по окружности. Если точка совпадает с пикселем изображения (точки д0, д2, д4 и д6), то яркость этой точки есть яркость пикселя. В противном случае (точки д1, дз, д5 и д7) яркость точки получают посредством интерполяции по 4 соседям. Выбрав одну из Р точек в качестве начальной (до) и задав направление обхода (оба действия выполняются всегда единообразно), вычисляется величина, называемая ЬВР-кодом:

р-1

ЬБР(х, у) = X 5(I(др) -1(дс)) • 2р

р=0

, . Г1 при х > 0

5 (х) = 1 А А

[0 при х < 0

Предположим, что в качестве дескриптора исходного изображения выступает нормированная гистограмма соот-ветствуюшего ему ЬВР- изображения,

Рис. 1. Примеры изображений-эталонов (левый столбец) и их искаженных версий (правый столбец). Соответствующие искажающие факторы (сверху-вниз): нелинейное изменение яркости, групповые помехи, кадрирование, сдвиг, изменение масштаба, декадрирование

Рис. 2. Исходное 24-битное изображение (слева) и соответствующее ему 8-битное ЬБР-изображение (справа)

т.е. вектор размерности 256x1, каждый элемент которого есть частота появления соответствуюшего ЬБР-кода на ЬБР-изображении. Однако

такой дескриптор не будет эффективным при решении поставленной задачипо крайней мере, из-за двух причин.

Первая причина состоит в слишком большой размерности пространства признаков. Пусть некоторому пикселю д,- изображения поставлен в соответствие ЬВР-код ЬБР(д) = 31. Повернув изображение на 900 против часовой стрелки, получим ЬБР(д) = 124, а на 900 по часовой стрелке — ЬБР(д) = 199. Получить устойчивость (но не инвариантность) к повороту изображения можно, если сгруппировать ЬВР-коды и вычислять не частоты появления отдельных ЬВР-кодов, а суммы частот появления ЬВР-кодов каждой группы. Для приведенного примера группа будет следуюшей: {31, 62, 124, 143, 199, 227, 241, 248}. Таким образом, 256 признаков исходного изображения «сжимаются» до 36. Однако и такой дескриптор изображения недостаточно эффективен вследствие второй причины, которая сводится к учету редко появляюшихся ЬВИ-кодов. Продемонстрируем это на следуюшем примере. Сформируем объемную (V = 40000 изображений) коллекцию растровых неповторяюшихся изображений, применив к каждому из них метод ЬВР, и, построив в итоге совокупную нормированную гистограмму ЬВР-кодов (рис. 4), мы увидим, что большинство ЬВР-кодов появляются достаточно редко. Необходимо объединить все «редкие» коды в одну группу, что ведет к «сжатию» 36 признаков исходного изображения до 16.

Итак, пока мы характеризуем исходное изображение (рис. 4) 16 признаками — это предварительная первая группа искомых признаков. Также формируются предварительные вторая и третья группы искомых признаков (о них — далее). Окончательные группы искомых признаков получаются следуюшим образом. Пусть исходное изображение характеризуется N = N1 + N2 + N3 признаками. Вычислив для каждого изображения вышеупомя-

нутой коллекции (V = 40000) эти N признаков, получим матрицу объект-признак [8] размером 40000хМ Выбрав любые два столбца этой матрицы, и, воспользовавшись выборочным коэффициентом корреляции, можно оценить силу корреляционной взаимосвязи между соответствуюшими признаками. Если вместо выборочного коэффициента корреляции использовать среднюю взаимную информацию, то можно оценить силу статистической взаимосвязи между данными признаками. Построим две матрицы признак-признак размерами NxN. Каждый элемент первой матрицы — величина средней взаимной информации для соответствуюших признаков. Каждый элемент второй матрицы — величина выборочного коэффициента корреляции для соответствуюших признаков (т.н. корреляционная матрица). Совместный анализ обеих матриц определяет размерность и состав дескриптора исходного изображения N = N'1 + N'2 + N'3, N < N1).

Предварительные вторая и третья группы искомых признаков получаются посредством дальнейшей обработки ЬВР-изображения (смотри рисунок 2). При этом используется концепция линейно-симметрического изображения [9], введенная Джозефом Бигу-ном. На рисунке 5 приведены примеры линейно-симметрических (л-с) изображений. Упрошенно (точное определение смотри в [9]) можно определить л-с изображение, как «полосатое», т.е. каждое такое изображение выглядит, как группа параллельных друг другу «прямых» полос в обшем случае различных ширин и яркостей. Яркость в пределах полосы неизменна. Количество полос произвольно. Единичный вектор перпендикулярный всем полосам л-с изображения задает направление линейной симметрии этого изображения.

Рис. 3. Иллюстрация процесса получения ЬБР-кода для пикселя дс. Узлы сетки соответствуют пикселям изображения

Рис. 4. Совокупная нормированная гистограмма ЬБР-кодов

Невырожденное л-с изображение имеет два и только два (противоположных друг другу) направления линейной симметрии. Л-с изображения обладают следующим замечательным свойством. Если и только если изображение является линейно-симметрическим, его Фурье-спектр (а также амплитудный и энергетический спектры) сконцентрирован в прямую, проходящую через начало координат (т.н. центральную прямую) и задающую направления линейной симметрии этого изображения.

Можно получить два интересных признака изображения, аппроксимировав его л-с изображением. Процесс аппроксимации произвольного изо-

бражения л-с изображением эквивалентен процессу аппроксимации Фурье-спектра (или амплитудного спектра, или энергетического спектра) этого изображения центральной прямой. Задача аппроксимации — поиск такой ориентации центральной прямой, при которой ошибка аппроксимации будет минимальной (мы определяем ошибку посредством метода ортогональной регрессии [10]). Ориентация оптимальной (даюшей наименьшую ошибку) центральной прямой (угол а) и обеспечиваемый ею показатель качества аппроксимации (С) есть искомые (интересные) признаки изображения.

Рис. 5. (Верхняя строка) Два линейно-симметрических изображения (искусственные) (слева и в центре) и одно почти линейно-симметрическое изображение (реальное) (справа); Зеленые вектора задают направления линейной симметрии изображений. (Нижняя строка) Амплитудные спектры приведенных изображений

Каждый пиксель ЬБР-изображения рассматривается вместе со своей окрестностью, как отдельное (маленькое) изображение, для которого вычисляются признаки а и С. Нормированные гистограммы признаков а и С анализируются подобно тому, как было рассмотрено ранее, и «сжимаются» в предварительные вторую и третью группы искомых признаков.

Алгоритм оценки степени сходства двух изображений по их дескрипторам

Степень сходства р изображений 1т 2 и 1т 2, характеризуемых векторами признаков Д2 и 02 размерностью И', вычисляется следующим образом.

N

X 5.

p(ImpIm 2) =

j=i

N'

s j =

A,.- ad,

A..

-, если A j - adj > 0

0, иначе

AD = \Dl - D2

Здесь Д — вектор допусков, определяемых экспериментально.

Низкая сложность (O(nJ) рассмотренный алгоритмов, их естественная распараллеливаемость и обеспечиваемая ими высокая точность распознавания определяют эффективность построенной на их основании системы распознавания изображений «VARdi»[1], основные характеристики которой приведены ниже.

Конфигурации тестовых компьютеров:

Таблица 1

Время формирования дескриптора изображения в системе «VARdi»

Размер полноцветного (24-bit) изображения Время формирования дескриптора изображения (сек)

PC 1 PC 2

768x512 (1.125 Mb) 1.34 0.69

2048x1536 (9 Mb) 10.75 5.5

4096x2304 (27 Mb) 32.26 16.5

Таблица 2

Точность распознавания системы «VARdi» при различных искажающих факторах

Искажающий фактор Дополнительная информация Точность распознавания

Отсутствует — 1

Групповые помехи Искажение вплоть до 25 % площади изображения Не менее 0,93

Групповые помехи Искажение вплоть до 40 % площади изображения Не менее 0,75

Изменение масштаба Вплоть до 2.0 раз Не менее 0,9

Кадрирование Отсечение вплоть до 50 % площади изображения Не менее 0,95

Кадрирование Отсечение вплоть до 70 % площади изображения Не менее 0,88

Декадрирование Увеличение площади изображения не более чем на 50 % Не менее 0,97

Нелинейное Функции изменения яркости 0,99

изменение яркости изображения — гладкие и неубывающие

Сдвиг Искажение вплоть до 25 % площади изображения Не менее 0,98

Сдвиг Искажение вплоть до 50 % площади изображения Не менее 0,77

Изменение разрешения Вплоть до 3.2 раз Не менее 0,9

Зеркальное отображение Относительно горизонтальной, вертикальной или обеих осей 1

Поворот Угол поворота изображения произволен Не менее 0,84

PC 1: AMD Athlon 64 3000+(1.7 GHz) + 1GB RAM + Windows XP 32-bit PC 2: Intel Q6600 (2.4GHz) (использовалось одно ядро) + 4GB RAM + Windows XP 64-bit

Выводы и область применения Работоспособность программы «VARdi»провeрялась на различных

классах объектов — аэрофотоснимкам, снятым в разных ракурсах, с разных высот, при различном осве-шении, а также на портретах людей, снимках медицинского характера изображениях произвольного характера. Были получены хорошие результаты, во многих случаях даже превос-

ходяшие данные, приведенные в табл. 1—3.

Универсальность алгоритма, построенного на строгих математических принципах, позволяет применять, по мнению авторов, данный подход в следуюших областях:

• отслеживание перемешения объектов на видеоизображениях;

• поиск изображений любого характера в Интернете или любых других больших коллекциях изображений;

• автоматическое формирование панорамных снимков из отдельных изображений;

• автоматическая «сшивка» аэрофото- и космических снимков, снятых в разное время, с разных высот и разных ракурсов в единую фотокарту.

В настояшее время исследуется возможность использования системы распознавания изображений «УДИЛ» в качестве подсистемы системы позиционирования беспилотного летательного аппарата.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ проектам 09-08-00689-а, 10-08-00397-а.

1. Синча Д. П. Принципы построения универсальной системы распознавания искаженны« изображений // Труды XXVIII Межрегиональной научно-технической конференции, г. Серпухов, 2009 г., Серпухов-ский ВИ РВ, Сборник №3, С. 149-151.

2. Байгарова Н.С., Бухштаб Ю.А., Воробьев A.A. Горный Организация управления базами визуальных данных Препринт Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, 2000, N 6

3. Jain, R. and Gupta, A., Computer Vision and Visual Information Retrieval, 1996 http://vision.ucsd.edu/papers/rosenfeld.

4. Байгарова Н.С., Бухштаб Ю.А. Горный Методы индексирования и поиска визуальных данных. Препринт Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, 2000, N 7.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

5. Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика // М:Физматлит, 2006, с. 607.

6. Потапов А. С. Распознавание образов и машинное восприятие // СПб: Политехника, 2007, с. 45.

7. Ojala T., Pietikainen M., Maenpaa T. Multiresolution gray scale and rotation invariant texture analysis with local binary patterns // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 24(7):971-987, 2002.

8. Большаков А.А., Каримов Р.Н. Методы обработки многомерных данных и временных рядов // М: Горячая линия — Телеком, 2007, с.20.

9. Bigun J. Vision with Direction: A Systematic Introduction to Image Processing and Computer Vision // Springer, 2006.

10. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ // МДиалектика, 2007 ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Максимов Н.А. — кандидат технических наук, доцент, е-mail: [email protected], Синча Д.П. — аспирант, e-mail: [email protected], Московский авиационный институт.

© И.В. Степанян, 2012

УДК 519.724.2, 51-7, 004.85 И.В. Степанян

К ВОПРОСУ О НЕЙРОСЕМАНТИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ И СИНТЕЗЕ В ПОМЕХОУСТОЙЧИВОМ КАНАЛЕ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Предложен способ нейросемантического сжатия и распаковывания информации, представленной в двоичном виде для передачи по дорогостоящему каналу связи. Идеи помехоустойчивости канала передачи данны1х заимствованы из генетического кода. Ключевые слова: нейросемантический анализ и синтез, помехоустойчивость, канал передачи данных.

Искусственные нейронные сети (ИНС) — математические модели биологической нервной системы и их программные / аппаратные реализации, построенные по принципу функционирования сетей нервных клеток живого организма. Понятие ИНС возникло при изучении процессов, протекающих в мозге при мышлении, при попытке смоделировать эти процессы. Первой моделью мозга был перцептрон Розенблата [1,2]. Впоследствии эти модели стали использовать в практических целях, например в задачах прогнозирования, распознавания, анализа. ИНС представляют собой систему соединенных и взаимодействующих между собой простых процессоров (искусственных нейронов). Такие процессоры выполняют элементарные действия. Каждый нейрон в нейронной сети работает только с сигналами, которые он получает, и сигналами, которые он посылает другим нейронам. При этом, при объединении этих процессоров-нейронов в сеть, такие локально простые нейроны вместе способны выполнять довольно сложные задачи.

Нейросемантический подход был предложен В. И. Бодякиным (ИПУ РАН) и описан им в [3]. При моделировании предметных областей специализированными нейросемантиче-

скими сетями (НСС) В.И. Бодякиным было обнаружено явление автоструктуризации. Оно выражалось в том, что структура нейросети приобретала однозначное соответствие (свойство гомоморфности) причинно-следственной структуре физических процессов произвольной предметной области. НСС — это иерархически завершенная структура индексов и терминальный словарь. Суть нейросемантиче-ского подхода состоит в том, что описание любого процесса может быть представлено в текстовой форме, а текстовая форма может быть представлена в иерархической структуре словарей. Способность НСС к выявлению взаимосвязей между различными параметрами дает возможность выразить данные большой размерности более компактно, если данные семантически связаны друг с другом. Обратный процесс — восстановление исходного набора данных по сжатой информации является ассоциативной памятью. Таким образом, ассоциативная память позволяет восстанавливать исходный сигнал из обработанных с помощью НСС данных. Нейро-семантическое сжатие сигнала, представленного в некотором алфавите и несущего информацию о некоторой предметной области, представляет собой перевод этого сигнала в иерар-

хическую структуру словарей или нейросемантическую сеть. При этом качество сжатия зависит от смысла сообщения. Так например, шум имеет наименьшую степень сжатия, а сигнал, несущий структурированную информацию значительно сжимается при помощи НСС. Это свойство ней-росемантического подхода позволяет использовать его для анализа сигналов на предмет их информационного наполнения, например чтобы отличить шифр от простого шума, что полезно в частности при изучении неизвестных языков, анализа генетического кода и т.п. Процедура, обратная нейросемантическому анализу — нейросемантический синтез заключается в восстановлении сигнала по имеющейся структуре словарей.

Основная идея нейросемантиче-ского канала передачи данных это наличие НСС на приемнике и источнике сигнала. При этом отсутствие (нужного) словаря на приемнике не позволит расшифровать полученный сигнал, что обеспечивает дополнительную защиту информации. Идея помехоустойчивости нейросемантиче-ского канала передачи данных продиктована генетическим кодом. В частности в работах [4,5] С. В. Петухов исследовал набор симметрологиче-ских признаков у четырех азотистых оснований нуклеотидов А, С, G, U. Данное исследование показало, что этот набор четырех биохимических структур является носителем трех пар оппозиционных признаков, с учетом которых четырехбуквенный генетический алфавит содержит три бинарных субалфавита [Петухов, 1999-2001]. Например из четырех букв генетического кода две буквы С и U являются пиримидинами, а две другие буквы А и G — пуринами. С.В. Петухов на объективной основе ввел бинарную систему обозначений, в которой пи-римидины С и U характеризуются

символом 1, а пурины А и в — символом 0 (первый бинарный субалфавит). По наличию или отсутствию свойства аминомутируемости — эквивалентными оказываются другие пары букв, что позволяет ввести другую бинарную систему обозначений (второй бинарный субалфавит). Как следует из природного аналога, при передаче генетическй информации одна и та же информация закодирована разными способами. Аналогичным образом передачу информации на большие расстояния можно осуществлять посредством разных нейросе-мантических сетей, что обеспечит помехоустойчивость канала связи.

Поскольку информация сводима к двоичному представлению, автором была разработана программная реализация информационной системы сжатия и распаковки двоичной информации. В тоже время, создание аппаратных нейросемантических сетей позволит значительно ускорить нейросе-тевую обработку данных, избежав при этом проблем, связанных с «горлом бутылки Фон-Неймана» (что означает, что операции присваивания будут происходить параллельно [6]). Эффективное аппаратное распараллеливание — это несомненное преимущество нейронных технологий и в том числе нейросе-мантических структур.

Нейросемантический подход представляет практический интерес для специалистов работающих в области искусственного интеллекта, передачи данных а также генной инженерии в частности для нейросематического анализа генетического кода. Нейро-семантическая помехоустойчивая передача данных применима в телеметрии, космической связи и других областях, где какнал связи дорог и имеет значение помехоустойчивость канала передачи данных.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Минский М., Пейперт С. Персеп-троны Perceptrons. — М.: Мир, 1971. — 261 с.

2. Розенблатт Ф. Принципы нейро-динамики: Перцептроны и теория механизмов мозга Principles of Neuro-dynamic: Perceptrons and the Theory of Brain Mechanisms. — М.: Мир, 1965. — 480 с.

3. Бодякин В.И. Куда идешь, человек? (Основы эволюциологии. Информационный подход). — М. СИНТЕГ, 1998, 332 с.

4. Петухов С.В. Матричная генетика, алгебры генетического кода, помехоустойчивость. М., РХД, 2008, 316 стр.

5. Petoukhov S.V., He M. Symmetrical Analysis Techniques for Genetic Systems and Bioinformatics: Advanced Patterns and Applications. Hershey, USA: IGI Global, 2009.

6. Вольфенгаген В.Э., Яцук В.Я. Апплика-тивные вычислительные системы и концептуальный метод проектирования систем знаний / под. ред. проф. Л. А. Майбороды — Министерство Обороны СССР, 1987. — 256 с. ШЕ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Степанян И.В. — кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники и информационных систем, Московский государственный горный университет, e-mail: [email protected]

ДОБЫЧА ВОРОНЕЖСКОГО НИКЕДЯ - ПОД ВОПРОСОМ _

«Разработка никелевых месторождений под Воронежем невозможна, если население региона выскажется против добычи никеля», - сообщил журналистам губернатор области Алексей Гордеев во время визита в Россошанский район.

Информация о разработке никелевых месторождений в Новохоперском районе Воронежской области привела к массовым акциям протеста в регионе, последняя из которых прошла во вторник в областном центре. Противники разработки считают, что добыча никеля погубит чернозем, самую чистую реку в Европе - Хопер и превратит регион и близлежащие районы соседних областей в зону отчуждения. Инициативная группа противников добычи никеля предлагала провести референдум, однако воронежская облдума 26 апреля признала его невозможным, поскольку он противоречит Конституции РФ. Активисты решили оспорить право на референдум в облсуде, который также им отказал.

В свою очередь, 26 июня губернатор Алексей Гордеев заявил, что не допустит освоения никелевых месторождений в Воронежской области без поддержки населением этого проекта и без достижения общественного согласия. Во время своего визита в Россошанский район губернатор прокомментировал свое заявление.

«Очевидно, что есть вопрос некой технологии получения мнения населения. Мы не имеем права проводить референдум, но опрос в каком-то ином виде мы, конечно, сделаем. И если люди не поддержат разработку, если она будет вредить их здоровью и нарушать природный баланс - на такие шаги мы не пойдем», - сказал Гордеев.

Для справки: В Воронежской области в 1970-1980 гг. было открыто пять сульфидных платиноидно-медно-никелевых месторождений, в числе них - Еланское и Елкинское. Ресурсы Елкинского участка по категории Р2 составляют 54,6 тыс. т меди, 393,8 тыс. т никеля и 14,4 тыс. т кобальта. Прогнозные ресурсы по категории Р1 Еланского составляют 5,6 тыс. т меди, 54,1 тыс. т никеля, 1,7 тыс. т кобальта, по категории Р2 - 40,3 тыс. т меди, 351,6 тыс. т никеля и 10,3 тыс. т кобальта.

Победителем открытого конкурса на право разработки Еланского и Елкинского месторождений было признано ООО «Медногорский медно-серный комбинат» (структура УГМК). Стартовый платеж по Елкинскому месторождению был определен в 73,4 млн руб., по Еланскому - 96,3 млн руб. Сбор за участие в обоих конкурсах - по 90 тыс. руб. Лицензия по каждому месторождению выдавалась на 25 лет.

© Э.А. Лхметшин, И.А. Билалова, 2012

УДК 549.514.53

Э.А. Ахметшин, H.A. Билалова

ОКРАШИВАНИЕ БЛАГОРОДНЫХ ОПАЛОВ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЭФИОПИИ

Проведены исследования по улучшению цветовых характеристик природных опалов методом окрашивания синтетическими красителями. Ключевые слова: опалы, облагораживание, окрашивание.

Окраска благородных опалов в природе чрезвынайно разнообразна. В различнык литературнык источниках выщеляют около 100 коммерческих цветовых разновидностей. Как правило, окраска обеспечивается наличием в межглобулярном пространстве (интерстициях) мекодис-перснык включений окрашивающих минералов или минеральнык фаз [6]. Следует различать цвета опалесценции и основной цвет опала (в зарубежны х источника применяется термин « body color» — «цвет тела» опалов).

В 80х годах прошлого века быгли обнаружены месторождения благород-нык опалов на территории Эфиопии в поствулканических породах. Они обладают стабильностью при соответствующей обработке, разнообразной цветовой гаммой, богатой опалесцен-цией, гигроскопичностью (часто эфиопские опалы являются гидрофанами) [7]. В основной массе это светлые опалы от прозрачных до просвечивающих. Степень прозрачности может изменяться в зависимости от содержания воды , влажности среды. Значительная часть этих благородны х опалов — малопривлекательное слабоокрашенное сырье. Это делает эфиопские опалы интересным объектом по улучшению цветовык характеристик.

Целью данной работы была разработка метода улучшения цветовых характеристик природных благородных

опалов: усиления цвета, выравнивания общего цветового тона, придания природному опалу новой окраски, имитации цветов ценных ювелирных разновидностей окрашиванием растворами органических водостойких красителей.

Благородный опал — ювелирный камень с высокой стоимостью, поэтому в качестве модельного материала был выбран кахолонг, имеющий пористую проницаемую структуру и сродство к опалу, так как обладает близким химическим составом (кахолонг представляет собой смесь опалово-халцедонового состава преимущественно белого цвета). Были изготовлены образцы кахолонга в виде пластинок одинаковой толщины (5—10 мм), с одинаковой шероховатостью поверхности.

Последующие эксперименты заверялись на благородных эфиопских опалах. Опал — аморфный дисперсный кремнезем, содержание воды в котором варьируется от 1 до 28 %. Пространственная структура благородных опалов представляет собой плотнейшую кубическую, реже гексагональную упаковку глобул кремнезема, с размером глобул от 250 до 450 нм. Интерстиции (промежутки между глобулами) образуют систему микро-пор, иногда соединенных в каналы, которые в большинстве случаев за-

Время сушки, ч

Рис.1. Изменение массы образцов опала в процессе естественной сушки

Рис. 2. Зависимости изменения массы образцов, предварительно пропитанных в воде и ацетоне от времени естественной сушки

полнены гидратированным аморфным кремнеземом и водой, часть пор остается свободной (заполняется воздухом или водяным паром). В случае благородного опала со структурой плотно-упакованных однородных сфер максимальный размер пор равен 0,225 диаметра сфер [4]. Часто поры изолируются друг от друга, что снижает проницаемость структуры. Вода препятствует проникновению раствора красителя в поровую структуру, т.к краситель водонерастворим. Важной

частью окрашивания является проведение подготовки, состоящей из сушки обрабатываемых опалов. Сушка необходима для того, чтобы освободить межглобулярное пространство для дальнейшего более глубокого проникновения в поровую структуру окрашивающего раствора.

Также предлагается предварительная пропитка растворителями, такими, как низшие спирты и ацетон, с дальнейшей сушкой. Они обладают превосходной растворимостью в воде, поэтому они могут замещать частично воду в структуре опала, что обусловлено возникновением межмолекулярных водородных связей между молекулами растворителя и воды.

На рис. 1 представлена зависимость изменения массы образца благородного эфиопского опала от времени при естественной сушке (Т = 25 °С нормальное давление). Как видно из графика, масса образца уменьшилась почти на 3 %, что, вероятно, связано с потерей адсорбированной

влаги.

На рис. 2 представлены зависимости изменения массы образцов, предварительно пропитанных в воде и ацетоне от времени естественной сушки. Для этого эксперимента были подобраны образцы, одинаковые по структуре. Из рис. 2 видно, что масса образцов, выдержанных в ацетоне, достигла равновесного значения в первые 20 мин сушки. Образец, пропитанный водой, проходил сушку более длительное время.

Рис. 3. Зависимость глубины проникновения окрашивающего раствора от времени нахождения в растворе

Исходя из свойств окрашиваемого материала (опала) и области его применения к красителю выдвинуты следующие основные требования:

1. Равномерность окрашивания пор.

2. Сохранение опалеспенции.

3. Светоустойчивость.

4. Устойчивость полученной окраски к материалам и средам, применяемым при последующей обработке и длительной эксплуатации.

Анализ известных красителей показал, что наиболее подходящими для окрашивания опалов являются растворы синтетических спирторастворимых органических красителей, т.к. они имеют широкую цветовую гамму, устойчивы к воздействию света и влаги, не токсичны, не требуют особых условий проведения окрашивания, легко проникают в пористую структуру, хорошо адсорбируются на поверхности. Спирторастворимые красители применяются в виде растворов в спиртах и других полярных растворителей, близких по своей растворяющей способности к спиртам. В качестве растворителя использовалась группа кетонов.

Рис. 4. Изменение массы образца опала в зависимости от времени окрашивания

Рис. 5. Результаты окрашивания светлых опалов в различные цвета: 1 - соответствует природному празо-палу (зеленому опалу); 2 - соответствует огненному опалу; 3 - соответствует шоколадному опалу

150 в:97

14:225 с: 150 в:62

л:245 с: 190 в:90

Л

*

4

рыз <3:1 i в35

Я:9 С:3 В:4 I

Рис. 6. Результаты окрашивания светлых Эфиопских опалов в темный цвет. Полученный цвет основного тела образцов соответствует цвету натурального черного благородного опала

Благодаря развитой внутренней поверхности, связанной с особым характером структуры, опалы обладают высокой адсорбционной способностью, что способствует повышению концентрации раствора красителя на поверхности глобул кремнезема и в интерстициях.

Способность опалов к окрашиванию зависит, прежде всего, от характера пористой структуры: пористости, проницаемости, размера и сообщае-мости пор и т.д., что связано с усло-

виями генезиса. Наиболее высокой способностью к окрашиванию обладают опалы с регулярной проницаемой пористой структурой.

Для проведения окрашивания были выбраны следующие красители: спир-торастворимый синий, зеленый, фиолетовый, красный, нигрозин спирторас-творимый. Концентрация спирторастворимых красителей в растворах составляла 1-3 %. Приготовление составов растворов красителей заключается в их растворении до полного отсутствия нерастворимых остатков. В отвешенное количество выбранного красителя доливается растворитель. Для получения различных оттенков можно применять смеси красителей. Окрашивание образцов проводилась методом окунания. При этом красящего раствора должно быть в избытке, для того, чтобы краситель свободно проникал в пористую структуру. Для более глубокого проникновения красителя, раствор подогревался до 50 градусов.

Эксперименты проводились в температурном диапазоне от 25 до 50 градусов Цельсия. Время окрашивания - от 2 часов до 2 суток. После крашения образцы подвергались сушке: при температуре 18-25 градусов Цельсия в течение 2-6 часов при естественной сушке (атмосферное давление); в течение 20-40 мин при сушке в вакууме; при температуре 40 градусов Цельсия в ходе контактной сушки.

с: 15 в:87

Для оценки цвета образцов до и после окрашивания проводилось фотографирование при одинаковых условиях освещения. Далее цвет описывался при помощи графического редактора в цветовой модели RGB.

Эксперименты показали, что на результат окрашивания влияют следующие факторы: время пропитки, температура, концентрация растворов, способность опалов к окрашиванию и др [3]. Глубина проникновения в структуру опала окрашивающего раствора и насыщенность полученного цвета могут быть различны. Глубина окрашивания образцов кахолонга представлена на рис. 3. Средняя скорость проникновения красителя в структуру этого материала составляет примерно 0.25 мм в час. Однако эти данные могут изменяться для материала с другими характеристиками структуры.

Образцы опала, обладающие высокой способностью к окрашиванию, приобретают насыщенную окраску выбранного цвета в течение 20 минут. Некоторые образцы опала не окрашиваются, что вероятно связано с невысокой проницаемостью структуры.

На рис. 4 представлена зависимость изменения массы образца благородного опала от времени окрашивания. Предположительно, в процессе крашения масса увеличивается за счет проникновения в структуру опала раствора красителя.

При длительном воздействии (до нескольких суток) ультрафиолетового излучения (в диапазоне 365 нм) и физраствора, имитирующего потовые выделения человека (концентрация NaCl 10 %) полученная окраска относительно устойчива. Незначительно окраска ослабела под воздействием УФ (12 ч), что, скорее всего, связано с дегидратацией (потерей опалами влаги).

Окрашивая опалы, можно получить разнообразные цветовые решения, при этом приобретенные цвета выглядят естественно и соответствуют наи-

более ценным цветным разновидностям природных опалов (рис. 5). При окрашивании в темные цвета пелесо-образно использовать светлые благородные опалы с неяркой опалесцен-цией. После окрашивания опалы приобретают насыщенный темный цвет, на фоне которого наиболее выигрышнее смотрится опалесценция (рис. 5).

Кроме возможности управления цветовыми характеристиками опалов, окрашивание позволяет скрыть пороки камня: трещины и включения. При этом рекомендуется выбрать насыщенные темные тона.

После проведения окрашивания рекомендуется применить метод им-прегнирования (для опалов с трещинами) или стабилизации (для нетре-щинноватых опалов) [2]. Полимерные реагенты, используемые для этих методов, после полимеризации упрочняют структуру опала, снижая риск появления и роста трещин, а также разрушения опалов во время обработки и эксплуатации. После подобной обработки опалы становятся более устойчивыми к агрессивным средам.

Выводы

• Разработанный способ облагораживания опала позволяет получить широкую гамму вариации цветов, тона и насыщенности, характерных для наиболее ценных природных цветных разновидностей ювелирных опалов, при этом полученные цвета выглядят естественно.

• Предварительная сушка опалов повышает качество и скорость окрашивания.

• Окрашивание в темные, насыщенные цвета способствует сокрытию пороков и улучшению тем самым оценочных характеристик.

• Предложенный метод обладает такими неоспоримыми преимуществами, как простота выбранного способа окрашивания, скорость и устойчивость полученной окраски.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ахметшин Э.А., Билалова И.А., Жариков Е.В., Мельников Е.Л. Разработка метода импрегнирования природных опалов с целью улучшения качественных характеристик. Художественное материаловедение. Природный камень. Дизайн. Технологии: Сборник статей XIII Всероссийской научно-практической конференции и смотра-конкурса работ студентов и аспирантов (с международным участием) по специальности «Технология художественной обработки материалов». — М.: МГГУ, 2010.

2. Ахметшин Э.А., Билалова И.А. Рекомендации по облагораживанию природного благородного опала в соответствии с технологическими свойствами. — М.: ГИАБ, № 8, 2012.

3. Билалова И.А., Ахметшин Э.А., Е.П. Мельников Е.П. Окрашивание опалов месторождений Эфиопии. Доклады X Между-

народной конференции «Новые идеи в науках о Земле», РГГРУ, т.1, М.: 2011.

4. Денискина Н.Д., Калинин Д.В., Казанцева Л.К. Благородные опалы: их синтез и генезис в природе. Новосибирск: Наука, 1980. 64 с.

5. Степанов Б. И. Введение в химию и технологию органических красителей, 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Химия, 1984. — 592 с.

6. Тишкина В.Б., Лапташ Н.М. Природа окраски природного и обыкновенного опала месторождения Радужное (Приморье, Россия). Доклады VIII Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле», РГГРУ, т.4, М.: 2007.

7. Rondeau B., Fritch E., Mazzero F. and others. Play-of-color opal from Wegel Tena, Wollo Province, Ethiopia. Gems&Gemmology, Vol. 46, No.2, pp.90-105. SШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Билалова Индира Анвяровна — аспирант, ассистент,

Московский государственный горный университет, e-mail: [email protected],

Ахметшин Эдуард Анварович — ассистент,

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева.

А

АРБИТРАЖНЫЙ СУД ПРИНЯД ОБЕСПЕЧИТЕЛЬНЫЕ МЕРЫ -

ПО ИСКУ ОАО «АКРОН» К ОАО «АПАТИТ»

Арбитражный суд города Москвы в качестве обеспечительной меры определил запретить ОАО «Апатит» сокращать объем и/или приостанавливать поставки апатитового концентрата в адрес ОАО «Акрон» до рассмотрения спора по существу. 6 июня 2012 г. ОАО «Акрон» подало иск к ОАО «Апатит» в Арбитражный суд о признании договора поставки апатитового концентрата заключенным с условием о цене апатитового концентрата в 2012 г. в размере 3 671,36 руб/т.

В своем определении от 15 июня 2012 г. Арбитражный суд указал, что обеспечительные меры позволят предотвратить возникновение значительного ущерба у ОАО «Акрон» и третьих лиц на время рассмотрения спора, не нарушая при этом баланс интересов сторон. Напомним, что ОАО «Акрон» остановило производство и поставки сложных удобрений своим покупателям, что уже приводит к существенному материальному ущербу, репутационным потерям, возникновению социальных рисков и снижению налоговых платежей в бюджет Новгородской области.

© Е.Ю. Бирюлина, 2012

УДК 330.15 Е.Ю. Бирюлина

ПРИМЕНЕНИЕ ИНДИКАТОРОВ В СИСТЕМЕ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА БИОРАЗНООБРАЗИЯ

Описаны возможности эффективного использования индикаторов при проведении мониторинговых работ в области биологических ресурсов. Ключевые слова: биоразнообразие, мониторинг, индикаторы.

Биологическое разнообразие является характерной чертой жизни на Земле, определяя возможность функционирования, как отдельных экосистем, так и биосферы в целом. Сохранение биоразнообразия — это не только вопрос целостности видов и экосистем, но и сохранности тех условий окружающей природной среды, которые обеспечивают нормальную жизнедеятельность человека. Не случайно биоразнообразие называют фактором фундаментальной важности для выживания человеческого общества.

Экологический мониторинг — информационная система наблюдений, оценки и прогноза изменений в состоянии окружающей среды, созданная с целью выделения антропогенной составляющей этих изменений на фоне природных процессов. Экологический мониторинг играет существенно важную роль в управлении окружающей средой. Это необходимый элемент, нужный для определения различных природоохранных мероприятий, которые, в свою очередь, проводятся с целью охраны окружающей среды. Без проведения экологического мониторинга не будет возможным представляться информация о ресурсах, о динамике их изменений, будет не-

возможна оценка нанесенного ущерба.

Эколого-экономический мониторинг — это информационная система наблюдений, оценки и прогноза изменений в состоянии окружающей среды с использованием экологических и социально-экономических параметров, созданный с целью выделения антропогенной составляющей этих изменений на фоне природных процессов.

Важным инструментом осуществления мониторинга признается использование индикаторов — качественных и количественных характеристик биоты, позволяющих оценивать ее состояние, степень нагрузок на нее со стороны хозяйственной деятельности, проводить сравнительный анализ, выявлять тенденции изменений и принимать правильные политические решения. Необходимость разработки индикаторов для мониторинга компонентов биоразнообразия неоднократно отмечалась в документах разных программ, выполняемых в ходе реализации Конвенции по биологическому разнообразию.

Основные требования к индикаторам для мониторинга биоразнообразия на национальном уровне, зафиксированные в Руководстве и Европейских документах:

• простота для понимания,

• политическая значимость,

• возможность проведения количественных оценок,

• возможность подобрать значимые критерии или пороговые значения,

• научная обоснованность и статистическая достоверность,

• возможность выявлять пространственные различия и изменения во времени,

• финансовая оправданность и техническая осуществимость,

• возможность проводить сравнительные оценки между государствами,

• возможность агрегировать значения индикаторов на национальном и межнациональном уровне,

• учет специфических особенностей различных стран,

• удобство для различных категорий пользователей и, прежде всего, лиц, принимающих решения.

По индикаторам биоразнообразия можно провести систематизацию (см. рис. 1).

Индикаторы биоразнообразия могут представлять собой как количественную, так и качественную характеристику исследуемого объекта. Например общая площадь охраняемой природной территории (количественный индикатор) и виды, представляющие культурный интерес (качественный).

Различают единичные и составные индикаторы. Индикаторы могут содержать простую или агрегированную информацию. Единичные представляют собой отдельные параметры, связанные с эталонной величиной (например, сравнение числа аистов с жизнеспособной популяцией). Эталоном может быть цель (удаленность от цели), исходное состояние (удаленность от исходного состояния), пороговое значение (близость к исчезновению) или эталонный год. Составные индикаторы объединяют

разные единичные индикаторы, превращая их в другую общую единицу. Один способ заключается в превращении единичных индикаторов в безразмерные индексы путем деления их на эталонную величину (например, средний размер популяции из 10 видов в качестве % от ненарушенного состояния). Другой подход предусматривает взвешенную трансформацию в общую единицу (например, эмиссии метана и С02 переводятся в эквиваленты парникового газа). Затем эти единичные индикаторы могут быть обобщены.

Индикаторы могут описывать состояние в различных областях, как и в отраслевом значении, так и в специальном.

При разработке и структуризации индикаторов применяется целый ряд подходов. Одной из обычно применяемых причинно-следственных структур для описания взаимодействия между обществом и окружающей средой, является модель СНСВР (стимулы, нагрузка, состояние, воздействие, реагирование). СНСВР применяется, например, Европейским агентством по охране окружающей среды. Она представляет собой усовершенствованную модель НСР (нагрузка, состояние, реагирование). Хотя модель СНСВР необходима для осмысления различных звеньев цепи причин, следствий и возможных ответных действий, она может усложнять дело и нередко вносит путаницу, особенно, когда ее применяют в отношении биотических компонентов. В зависимости от формулировки вопроса один и тот же фактор может относиться к различным категориям индикаторов. Бывает трудно установить различие между индикаторами стимулов и нагрузки, а также между индикаторами состояния и воздействия. Например, биоразнообразие может быть как аспектом «состояния»

Рис. 1. Систематизация индикаторов биоразнообразия

экосистемы, так и аспектом «воздействия», на устранение которого направлена политика.

Индикаторы соответственно подразделяются на три группы:

• нагрузки, включающей прямую или косвенную антропогенную нагрузку, которая оказывает воздействие на биологическое разнообразие. Косвенная нагрузка связана с демографией, экономикой, технологией, культурой и управлением. Прямая нагрузка вызывается, кроме всего прочего, землепользованием, изменением климата, выбросом питательных веществ и загрязнителей, фрагментапи-ей, хищническим использованием природы человеком;

• состояния, являющегося абиотическим состоянием почвы, воздуха и воды, а также состоянием биологического разнообразия на уровне экосистем/мест обитания, видов/ сообществ и на генетическом уровне. Состояние включает экосистемные това-

ры и услуги, прямые выгоды, обеспечиваемые биоразнообразием, и сопи-альные последствия утраты биоразнообразия;

• реагирования, представляющего собой меры, принимаемые для изменения состояния, нагрузки или вида использования. Они включают меры по защите и сохранению биоразнообразия. Кроме того, в их число входят меры, направленные на стимулирование справедливого распределения денежных и неденежных выгод от использования генетических ресурсов. Реагирование также включает меры, принятые для понимания причинных связей и разработки данных, знаний, технологий, моделей, систем мониторинга, людских ресурсов, учреждений, законодательных норм и бюджетов, необходимых для достижения пе-лей Конвенпии.

Также можно выделить деление индикаторов по различным критериям. Экологические критерии подра-

зумевают под собой подбор индикаторов по их экологической значимости, например, возможные потери определенного вида, доля ареала, роль биологического вида в биоценозе и т.д. Биологические индикаторы представляют собой характеристику объекта с биологической точки зрения, например, численность, темп прироста, площадь ареала, состояние местообитаний и т.д. Социально-экономические индикаторы описывают участие исследуемых биологических объектов в жизнедеятельности общества, в частности человека,

1. География и мониторинг биоразнообразия / Колл. авторов. — М.: Издательство Научного и учебно-методического центра, 2002.

характеризуя, например, ресурсное или научное значение вида или популяции.

Также при отборе индикаторов важно иметь ввиду их масштабность. Принято выделять глобальные, региональные, национальные и локальные индикаторы

Систематизация индикаторов биологических ресурсов позволит провести наиболее подробно и точно эколого-экономический мониторинг и в дальнейшем составить рациональную схему природопользования в исследуемом регионе.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Экономика природных ресурсов, 2-е изд.. / А. Эндрес, И. Квернер — СПб: Питер, 2003. ЕПЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Бирюлина Е.Ю. —Московский государственный горный университет, [email protected]

А

НА ОБОГАТИТЕЛЬНОЙ ФАБРИКЕ «ЛИСТВЯНСКАЯ-1» -

ВВЕДЕН В ЭКСПЛУАТАЦИЮ НОВЫЙ ВАГОНОТОЛКАТЕЛЬ

В июне 2012 г. на обогатительной фабрике «Листвянская-1» компании «Сибирский Антрацит» в Новосибирской области после успешно проведенных испытаний, введен в эксплуатацию вагонотолкатель ВТМ-40.

Вагонотолкатель ВТМ-40 предназначен для передвижения до двадцати груженых полувагонов на ст. Погрузочная ОФ-1. Это уже третий вагонотолкатель на данном объекте. В настоящее время, вся погрузка производится с применением вагонотолкателей.

Особенность данного вагонотолкателя - плавное изменение скоростных характеристик от 0,3 до 2,8 км/ч. и двойная система торможения (вагонотолкатель оборудован реостатным и электропневматическим тормозом). При возникновении аварийных ситуаций (снятие электропитания и т.д.), автоматически срабатывает электропневматический тормоз.

Все электрооборудование вагонотолкателя размещено в обогреваемом машинном отделении и защищено от воздействия внешней окружающей среды. Управление вагонотолкате-лем осуществляется по радиоканалу с пульта оператора погрузки.

Для подачи силового питания к вагонотолкателю, нашими партнерами произведены работы по поставке и установке КТП, подводу питающего кабеля к троллейной линии и монтажу контактной сети в количестве четырех троллей с применением контактного провода МФ-100 на втором пути станции. В КТП установлен прибор учета электроэнергии и через некоторое время можно будет увидеть экономический эффект применения данной продукции.

© И.Н. Войтюк, 2012

УДК 622.647.2:681.518.3 И.Н. Войтюк

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ЛЕНТОЧНЫМ КОНВЕЙЕРНЫМ ТРАНСПОРТОМ

Эффективность использования непрерывных средств транспорта, к которым относятся ленточные конвейеры, в первую очередь зависит от надежности функционирования их отдельных узлов и механизмов. Для обеспечения работы конвейера в заданном технологическом режиме и выполнения функций автоконтроля и внутренней диагностики в системе управления работой ленточного конвейера должна быть предусмотрена возможность использования внутри системы данных о производительности конвейера, качестве транспортируемого материала и о состоянии конвейера.

Ключевые слова: ленточный конвейер, функция автоконтроля, открытая управляющая сеть, бесконтактные измерения.

При создании системы управления работой ленточных конвейеров (как и при создании любых систем управления) встают задачи:

• Измерения физических величин, характеризующих работу конвейера.

• Сравнение значений измеренных величин с заданными для них граничными значениями (допусковый контроль).

• Выработки по результатам до-пускового контроля управляющих воздействий на исполнительные механизмы, обеспечивающих поддержание значений этих величин в пределах установленных допусков.

• Выработки сообщений о результатах измерения и допускового контроля для высших потребителей информации.

• Обеспечение автоконтроля и внутренней диагностики. [1]

В данном случае работу ленточных конвейеров удобно охарактеризовать их производительностью и качеством транспортируемого вещества.

Состояние конвейера можно охарактеризовать следующими параметрами:

• Степень износа ленты

• Натяжение ленты

• Температура ленты

• Температура подшипников

• Скорость линейного перемещения ленты

• Скорость вращения роликов

• Положение ленты относительно роликов (соосность)

• Наличие посторонних объектов на ленте (биологических или представляющих опасность, в том числе угрозу совершения террористического акта). [2]

Помимо состояния конвейера с точки зрения разработки системы его можно охарактеризовать следующими параметрами:

• Назначение и область применения конвейера

• Производительность конвейера

• Геометрические параметры конвейера — ширина и толщина ленты, расстояние между роликами, продольный профиль конвейера, параметры свободного пространства вокруг ленты (возможность размещения с боков, над и под лентой)

• Материал и устройство ленты

• Условия эксплуатации элементов системы управления (уровень, взрыто- и пожарозашишенность, уровень химической агрессивности окружаюшей среды, степень запышенности окружаюшей среды, климатические и механические воздействия на элементы системы.

• Перечень показателей качества транспортируемого вешества и перечень показателей состояния конвейера, которые необходимо контролировать в каждом конкретном случае (с указанием названия измеряемой физической величины, диапазона и точности измерения)

• Перечень потребителей информации с указанием объема и формы представления информации

• Требования к работе систем автоконтроля и внутренней диагностики

• Требования по обслуживанию, надежности и ремонтопригодности системы. [2]

Для обеспечения работы конвейера в заданном технологическом режиме и выполнения функций автоконтроля и внутренней диагностики в системе управления работой ленточного конвейера должна быть предусмотрена возможность использования внутри системы данных о производительности конвейера, качества транспортируемого материала и о состоянии конвейера. [3] Поэтому должна быть обеспечена возможность обмена данными непосредственно между элементами системы, средствами измерения, сигнализации, контроля, исполнительными механизмами.

Сушествует необходимость принятия и исполнения решений об изменении технологического режима работы конвейера, в том числе и экстраординарных, связанных с аварийными ситуациями или возможностью их возникновения. Необходимо также предоставлять данные для управления

системой, в которую конвейер входит в качестве составной части. Для этих целей имеюшуюся информацию необходимо представлять в совокупности с различными потребителями в различных удобных им формах.

Чтобы удовлетворить их требованиям система должна представлять собой многоуровневую (например, трехуровневую по классификации 1Б0/0Б1 распределенную систему открытого типа, построенную по модульному принципу). Система должна быть реализована в виде управляюшей сети (например, типа РИОНВиБ РА с использованием мультиплексированной шины ИБ 485 с физической средой передачи на основе витой пары в экране (БТР)). Пример такой управляю-шей интеллектуальной системы представлен на рис. 1, где ИМ — исполнительный механизм, УУ — устройство управления, П — повторитель.

Промышленная сеть РгоАЬиз РА ориентирована на автоматизацию технологических процессов. В РгоАЬиз РА физический уровень взаимодействия (в соответствии с эталонной моделью 1Б0-0Б1) реализован по стандарту 1ЕС 1158—2 (зашишенная система для отраслей, связанный с взрывоопасными работами). Топология сети - обшая шина, которая может разделяться на сегменты, соединенные повторителями. Физические линии связи обынно строят по стандарту Е1А ИБ485, ограничиваю-шему число узлов шины (максимум 32 узла в одном сегменте). Обшее число узлов в системе не должно превышать 127. Электрические характеристики соответствуют стандарту Е№0170.

Свойства открытых распределенных многоуровневых систем, построенных по модульному принципу, позволяют оптимизировать архитектуру и топологию системы под конкретный объект автоматизации. При этом можно использовать различные виды фи-

Датчик 1 Датчик 2 ИМ1 УУ

* * в

п )

Датчик 1 Датчик 2 ИМ1 УУ

■ * а

: П ■

Датчик ИМ

Рис. 1. Функциональная схема открытой интеллектуальной системы управления

зической среды для передачи информации (витая пара, оптоволокно, инфракрасное излучение, радиоканал, питающая сеть, система трубопроводов) в различных частях системы и осуществлять свободный переход с одного вида физической среды на другой. При создании таких систем можно последовательно во времени увеличивать номенклатуру измеряемых, контролируемых, регулируемых параметров объекта автоматизации и заменять элементы системы на более современные уже в процессе эксплуатации системы, не выводя ее из работы.

Исходный вариант системы определяет некоторый минимальный набор первичных измерительных преобразователей и исполнительных механизмов, технические средства, обеспечивающие необходимый уровень их интеллекта, технические средства, обеспечивающие объединение интеллектуальных измерительных преобразователей и исполнительных механизмов в открытую распределенную многоуровневую систему, и базовое программное обеспечение. По мере создания дру-

гих первичных измерительных преобразователей и исполнительных механизмов они могут включаться в работающую систему с незначительными доработками системы и программного обеспечения.

Такой подход к проблеме создания системы управления конвейером дает возможность осуществлять единую техническую политику при разработке всех элементов системы. Это позволит максимально унифицировать систему в части выбора физических принципов работы первичных измерительных преобразователей, элементной базы, программного обеспечения, метрологического обеспечения, обеспечения эксплуатационной надежности, обеспечения изготовления поставки эксплуатации и обслуживания системы.

Современный уровень развития физических основ измерительной техники и возможностей технической реализации выбранных принципов работы первичных измерительных преобразователей позволяет выдвинуть требование бесконтактности измерений.

Соответствие между физической природой используемого поля и видом измеряемой физической величины

Физическая прирола поля

Измеряемая физическая величина

Прямые измерения

Косвенные измерения

Техническая реализация

метола измерения

Электромагнитная Инфракрасное излучение

Лазерное излучение

Мягкое гамма-излучение и рентгеновское излучение

Жесткое гамма-излучение

Радиоизлучение в СВЧ диапазоне

Корпускулярное излучение, нейтронное

Механическое излучение, ультразвуковые колебания

Температура подшипников Температура ленты

Геометрические параметры

Коэффициенты ослабления излучений различной энергии транспортируемым веществом и лентой Коэффициенты ослабления излучений различной энергии транспортируемым веществом и лентой. Параметры изменения коэффициентов во времени Затухание излучения в транспортируемом веществе и материале ленты. Резонансные свойства измерительного первичного преобразователя Эффекты взаимодействия нейтронов с транспортируемым веществом

Скорость распространения и затухания ультразвуковых колебаний

Состояние ленты

Состав и свойства транспортируемого вещества. Массовый расход транспортируемого вещества. Состояние ленты

Состав и свойства транспортируемого вещества. Массовый расход транспортируемого вещества. Состояние ленты

Состав и свойства транспортируемого вещества.

Геометрические параметры

Пирометр

Тепловизор, пирометр Лазерные телевизионные системы Радиоизотопные и рентгеновские приборы

Генераторы и приемники СВЧ излучения

Генераторы нейтронного излу-

Пьезокристаллы

чения

Выполнение этого требования значительно улучшить эксплуатационные характеристики системы. Чтобы удовлетворить требованию бесконтактности измерений взаимодействие объекта измерений со средствами измерений должно осушествлять-ся на уровне полей различной физической природы.

Было бы интересно определить соответствие между методами измерения, основанными на применении полей различной физической природы и физическими величинами, под-лежашими измерениям, представленное в табл. 1.

ООО «Комлекс-ресурс», г. Санкт-Петербург, имеет большой опыгт в

разработке, изготовлении, испытаниях и эксплуатации массовых расходомеров, предназначенных для контроля потоков нефтегазоводяных смесей в стальных трубопроводах. Этот опыт был получен на предприятиях нефтяной промышленности. Тем не менее, он может быть с успехом использован при создании системы управления конвейером. В первую очередь массового расходомера

1. Галкин В.И., Дмитриев В.Г., Дьяченко В.П., Запенин И.В., Шешко. Е.Е. Современная теория ленточных конвейеров горных предприятий. — М.: Из. — во МГГУ, 2005. 521 стр.

2. Васильев К.А., Николаев А.К., Сазонов К.Г. Транспортные машины и оборудо-

транспортируемого вещества. Нам представляется целесообразным начать создание системы с разработки на базе имеющегося у ООО «Комплекс-ресурс» опыта и с дальнейшим наращиванием возможностей системы. Разработку следует вести на основе идеологии создания открытых распределенных многоуровневых систем, построенных по модульному принципу.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

вание шахт и рудников. - СПб.: Наука, 2008. 482 стр.

3. Рабинович Г.А., Ситковский А.Я. Автоматизация ленточных конвейеров. М. — Л., «Энергия», 1966. 215 стр. ГДТГТ^

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Войтюк И.Н. — аспирант, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный«, е-шаП: [email protected]

А

ЗАРАБОТАЛ НОВЫЙ ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНЫЙ -

КОМБИНАТ

Торжественно открылся новый горно-обогатительный комбинат «Олений Ручей». Строительство комбината началось в 2010 г., после того, как в 2006-м по итогам конкурса Федерального агентства по недропользованию лицензии на право пользования недрами месторождений апатит-нефелиновых руд Олений Ручей и Партомчорр в Мурманской области получила дочерняя компания ОАО «Акрон» - ЗАО «Северо-Западная Фосфорная Компания» (СЗФК).

Более 60 подрядных организаций из разных регионов страны приняли участие в строительстве нового ГОКа. Общий объем инвестиций в реализацию проекта составит около одного млрд долл. Кроме того, СЗФК заключила Соглашение о партнерстве, взаимодействии и сотрудничестве с администрацией Кировска. В его рамках на реконструкцию бывшей школы, дома культуры и жилья в поселке Коашва компанией выделен 31 млн руб.

В настоящий момент завершено строительство первой очереди обогатительной фабрики. Ее мощность составляет 1 млн т апатитового концентрата в год. В 2017 г. планируется запуск подземного рудника и увеличение мощности ГОК до 2 млн т апатитового концентрата. Также предусмотрено производство нефелинового, сфенового, эгиринового, титаномагне-титового концентратов.

© Т.О. Дудченко, 2012

УДК 69.035 Т.О. Дудченко

ДЕФОРМИРОВАНИЕ ПОДЗЕМНЫХ КОММУНИКАЦИЙ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ СТРОЯЩИХСЯ КОТЛОВАНОВ

Рассмотрена подработка трубопроводов строящимся котлованом, и определяются деформационные параметры грунтового слоя, вмещающего коммуникации, которые оказывают непосредственное влияние на эксплуатацию трубопровода.

Ключевые слова: котлован, трубопровод, деформированное состояние, грунтовый массив.

Сооружение котлованов на территории городской застройки неизбежно приводит к смешениям окружающего грунтового массива к деформированию подземных водонесущих трубопроводов (водопровод, канализация, водосток) нередко с аварийными последствиями. Оценить уровень деформированного состояния трубопроводов на стадии проектирования из решения задачи по расчету ограждений котлованов в плоской постановке, как это показано на расчетной схеме (рис. 1), не представляется возможным. Необходимо рассматривать объемную задачу, схематически показанную на рис. 2, которая дает полное представление о деформированном состоянии трубопровода (изгиб с растяжением), повторяющим качественную картину деформирования ограждения котлована.

В результате многочисленного моделирования такой задачи с различными вариантами изменяющихся параметрами (Ь, Н, И, Егр, Е1, X) было получено следующее расчетное выражение для максимального горизонтального смещения ограждения котлована на уровне земной поверхности

(2)

где Ь — длина стенки котлована, м; Егр — модуль деформации грунтового массива, залегающего ниже дна котлована, определяемый по формуле

п

XЕ„ , -АЛ,.

Е = —-•

Н - Л •

где Егр , — модуль деформации /-ого слоя грунта ниже дна котлована, МПа; А И,- — мощность /-ого слоя грунта ниже дна котлована, м; И — глубина дна котлована, м; Н — глубина заложения ограждающей конструкции котлована, м; Е1 — изгибная жесткость конструкции ограждения котлована на 1 п.м., МПа*м4; Е — модуль деформации материала конструкции ограждения котлована, МПа; I — момент инерции 1 п.м. поперечного сечения конструкции ограждения котлована относительно центральной оси х, м4; Х=сг/су — коэффициент бокового давлении, равный отношению горизонтальной составляющей начальных напряжений в грунтовом массиве к вертикальной составляющей, рассчитываемой как усредненный по всем слоям в пределах глубины заложения ограждающей конструкции котлована по формуле

Пм = 1920-Е^

-0,43

(1)

X X ; - АЛ;

(3)

Рис. 2. Объемная расчетная схема

А — коэффициент бокового давления в пределах 1-ого слоя грунта.

Если длина стенки котлована Ь будет больше Ьт, максимальные горизонтальные смешения ограждения Пт не увеличивается, т.е. в распределении горизонтальных смешений по длине стенки наблюдается «плоское

дно», как это показано на рис. 3, а. Если длина стенки котлована Ь < Ьт, горизонтальные смешения распределяются по длине стенки без образования «плоского дна» (рис. 3, б) с максимальным значением

П „ =П м ■ > (4)

и достигают максимального значения пт при Ь = Ьт.

В результате компьютерного моделирования многочисленных геомеханических ситуаций установлена функциональная зависимость Ьт от коэффициента К=Е1/А, которая представлена в виде табл. 1.

Участки длины стенки, где горизонтальные смешения распределяются нелинейно, уменьшаясь от середины к угловым точкам, будем называть краевыми участками. При Ь < Ьт краевые участки составляют половину длины стенки (рис 3, б), при Ь > Ьт их длина ограничивается размером Ьт/2 (рис. 3, а). Распределение горизонтальных смешений на левом краевом участке представляет зеркальное отображение распределения на правом краевом участке. Если начало координат поместить в точке максимальных горизонтальных смешений ограждений, направив положительную ось х в сторону угловой точки правого краевого участка, как это показано на рисунке 3, распределение горизонтальных смешений можно представить в виде следуюшей функ-

Рис. 3. Распределение горизонтальных смешений стенки ограждений котлована

Таблица 1

К=НЛ, МПа*м4 0.400 400.1200 1200...3500 3500.10000

^т 15 20 30 40

Таблица 2

К=£7Д, МПа*м4 0.400 400.1200 1200.3500 3500.10000

в 0,28 0,2 0,13 0,1

Таблица 3

К=£7Д, МПа*м4 0.400 400.1200 1200.3500 3500.10000

А=Щ) 0,28 0,2 0,13 0,1

Таблица 4

К=£7Д, МПа*м4 0.400 400.1200 1200.3500 3500.10000

а, град 50 55 60 65

циональной зависимости, называемой функцией распределения,

п(2) = пт - (-0,8 - 22 - 0,2 - 2 + 1) (5)

где г=2х/Ь — безразмерная координата; £/2 — размер краевого участка, равной Ьт/2 при Ь < Ьт.

Таким образом, при Ь < Ьт распределение смещений на правом

краевом участке описывается функцией распределения (5), а на участке стенки от ее середины до начала координат (рис. 3, а) смещения остаются постоянными и равными цт.

Можно предположить, что максимальные горизонтальные смещения ограждения котлована линейно уменьшаются с глубиной у от земной

поверхности до дна котлована. На стадии сооружения котлована до первого распорного пояса или до междуэтажного перекрытия подземной части здания (первая заходка) линейная зависимость смешений подтверждается компьютерным моделированием, в результате которого построено расчетное выражение

П т (У) = П т ■ (1 -Р- У) (6)

где у — глубина от поверхности, м; Пт — максимальное смешение ограждения на уровне поверхности, м; в — коэффициент [1/м], установленный компьютерным моделированием в виде функциональной зависимости от коэффициента К=Е1/А, представленной в виде табл. 2.

На стадии сооружения котлована ниже первой заходки можно также предположить с некоторым завышением горизонтальных смешений ограждения их линейную зависимость от глубины.

Распределение горизонтальных смешений ограждаюших конструкций котлована формируют в окружаюшем массиве мульду сдвижений, в пределах которой возникают смешения и деформации грунтового массива и расположенных в нем водонесуших трубопроводов. На вертикальном разрезе грунтового массива, нормальной к стенке котлована вертикальную границу мульды сдвижений по результатам компьютерного моделирования можно обозначить расстояние А в зависимости от глубины заложения ограждаюшей конструкции котлована Н. Эта зависимость определяется коэффициентом К=Е1/А в виде табл. 3.

Нижняя горизонтальная граница мульды сдвижений находится на горизонте Н, т.е. на вертикальном разрезе мульда сдвижений представляет прямолинейную область массива со сто-

ронами АхН, примыкаюшую к ограждению котлована.

На поверхности земли и горизонтальных разрезах в глубине массива мульда сдвижений представляет трапецеидальную область с меньшим основанием, примыкаюшим к ограждению котлована боковыми сторонами, ориентированными под граничным углом а к направлению стенки котлована, и большим основанием на расстоянии А от стенки котлована. По результатам компьютерного моделирования установлена следуюшая функциональная зависимость граничного угла а от коэффициента К=Е1/Х, представленная в виде таблицы 4.

В пределах границ мульды сдвижений максимальные горизонтальные смешения в грунтовом массиве на поверхности земли определяются результатами компьютерного моделирования в виде следуюшей зависимости

П т (Г) = П т ■ ((А/г)02 - 1), (7)

где пт — максимальные горизонтальные смешения ограждения на поверхности, м; А — удаление границы мульды сдвижений от ограждения, м; г — удаление рассматриваемой точки поверхности от ограждения, м.

Соответственно максимальные горизонтальные смешения слоя в грунтовом массиве, расположенного на глубину у от поверхности и удаленного от ограждения котлована на расстояние г, будут определяться выражением

Пт(г, у) = Пт (у)-((А/г)02 - 1), (8)

где пт(у) — максимальные горизонтальные смешения ограждения на глубине у от поверхности (м), определяемые по формуле (2.7).

Распределение горизонтальных смешений грунтового слоя с координатами уг в пределах мульды сдвижений вдоль стенки, т.е. по направле-

нию оси х, определяется аналогично распределению горизонтальных смешений ограждения на глубину у, но с учетом того, что горизонтальный размер этого слоя будет равен

Ь (г) = Ь + 2 ■ г ■ (¿да.. (9)

Смешения грунтового слоя, вме-шаюшего трубопровод, должны быть меньше смешений грунта. Для учета влияния жесткости трубопровода было выполнено объемное компьютерное моделирование с различной изгибной жесткостью трубопроводов в интервале от 0 до 120 мПа*м4. Установлено, что учет жесткости трубопровода уменьшает смешения грунтового слоя не более чем на 10 %, что можно не учитывать в запас прочности трубопровода.

Влияние подработки трубопроводов водонесуших коммуникаций следует оценить по возникаюшей кривизне и деформациям растяжения трубопроводов, попадаюших краевые области мульды сдвижения в виде функции распределения (5).

В остальных областях мульды сдвижений влияние подработки не приводит к изгибу и растяжению трубопроводов. Поэтому целесообразно привести следуюшие преобразования функции распределения смешений (5):

• распределение наклонов

П'(z) =

2 П L

(-1,6 • z - 0,2),

• кривизна

4 п

П''(z) = -1,6 •

L

(10)

(11)

• деформация растяжения Цг) = 0,5 [n'(z)]2 = 2 П

L

• (2,56 • z2 + 0,64 • z + 0,04). (12)

Распределение кривизны (11) и деформаций растяжения (12) можно использовать для оценки прочности напорных трубопроводов и раскрытия стыков секционных самотечных трубопроводов, ш

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Дудченко Т.О. — аспирант, Московский государственный горный университет, e-mail: [email protected]

д

«РОСГЕОЛОГИЮ» ВОЗГЛАВИТ ВЫХОДЕЦ ИЗ «ИТЕРЫ» И «РУССНЕФТИ»

По информации «Известий», госкорпорацию «Росгеология» может возглавить Андрей Ше-гимаго, который ранее занимал руководящие должности в компаниях «Итера» и «Русснефть». Его кандидатуру рассматривают в администрации президента. Всего рассматривалось пять кандидатур.

© A.A. Жердев, 2012

УДК 616.24-073.173 A.A. Жердев

ИССЛЕДОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ В КАНАЛЕ АКУСТИЧЕСКОГО АНЕМОМЕТРА

Исследуется измерение скорости потока акустическим анемометром, как случайный процесс. Рассматриваются такие случайные составляющие показаний анемометра, как ошибка измерения и турбулентные пулысации воздушного потока и исследуется их спектралыный состав. Приводится эксперименталыно полученная переходная характеристика акустического анемометра и ее теоретическое выражение при аппроксимации передаточной функции инерционным звеном. Вычисляется спектралыная плотносты сигнала на входе анемометра. Приводится расчет Рей-нолыдсовых напряжений для канала акустического анемометра. Ключевые слова: макустический анемометр, фазо-временной метод, турбулент-носты, измерение малых расходов, точносты вычисления, спектралыный анализ, переходная характеристика анемометра.

На кафедре ЭИС в МГГУ был разработан акустический анемометр. В основе его принципа действия лежит фазово-акустический метод [1]. Датчик анемометра представляет собой цилиндрический волновод-воздуховод, в стенки которого вмонтированы кольцевые пьезопре-образователи. Электрический сигнал поступает на излучающий преобразователь, а с приемного преобразователя снимается сигнал, являющийся результатом аэроакустического взаимодействия в волноводе. Измеряется разность времени прихода одной и той же фазы сигналов распространяющихся по и против потока. Преобразователи являются попеременно то излучателем, то приемником. Анемометр работает в диапазоне скоростей от 0,1 до 20,0 м/с. Абсолютная погрешность его измерения вычисляется по формуле

= 0,02 + 0,02^.

Для совершенствования акустического анемометра, а также для анализа источников возможной погрешности измерения скорости воздушного потока был проведен ряд исследований

переходных характеристик анемометра, а также обработка результатов последовательных измерений скорости потока спектральным методом.

Измерения проводились с частотой {= 300 Гц. Показания акустического анемометра с учетом турбулентного характера воздушного потока, а так же погрешности измерения представляют собой случайный процесс. На аэрометрической установке кафедры ЭИС (МГГУ) была снята серия реализаций этого процесса при различных значениях средней скорости потока.

Для каждой реализации, содержащей N измерений, вычислялась автокорреляционная функция по формуле [2]:

1 ^-п _ _

к=§ (- * )(+пп),

п = 0,1 ...М, М< N,

где Со-

измеренные значения ско-

рости потока для моментов времени

- 1 N

^ = у/300 (сек), ] = 1...М; V = -1 § V

™ М

— среднее значение скорости потока. Значения Кп соответствуют значени-

ям корреляционной функции в моменты времени tn. На рис. 1 показаны относительные корреляционные функции (Kn / K0) для трех значений средней скорости потока.

Затем вычислялась спектральная плотность мощности данного процесса, как Фурье-образ корреляционной функции [2]. Спектральная характеристика может быть получена в диапазоне частот от 0 до 150 Гц. Формула для вычисления спектральной плотности:

1 M . ■■ k

S = — У Kе м ' , fk = — f,

k M j-1 ' k M

k = 0,1 ...M/2.

Вычисленная спектральная плотность представляет собою спектральную плотность на выходе акустического анемометра (см. рис. 2). Если известна передаточная функция акустического анемометра, то можно вычислить спектральную плотность на входе акустического анемометра, т.е. непосредственно спектральную плотность скорости измеряемого потока [3].

Передаточная функция анемометра была получена исходя из переходной характеристики. Переходная характеристика определялась экспериментально. Для этого вход анемометра закрывался заслонкой, и анемометр помещался в поток. Заслонка быстро убиралась. Предполагалось, что в этом случае на вход анемометра подается ступенчатое возмущение. Сигнал на выходе анемометра и переходная характеристика для инерционного звена показаны на рис. 3. Передаточная функция инерционного звена представляет собой [3]

Н(Р) =—; Х = 0.1 ;

1 + тp

переходная характеристика описывается формулой:

f(t) = 1 - e-t7T.

Параметр т был подобран таким образом, чтобы теоретическая переходная характеристика была наиболее близка к экспериментальной.

Спектральные плотности на входе и выходе связаны между собой соотношением [2].

(ш) = | H(/ш)|2 SBX (ш).

На рис. 4. показаны спектральные характеристики на входе, соответствующие выходным характеристикам, изображенным на рис. 2. Отметим, что во входных характеристиках присутствуют высокочастотные составляющие, которые гасятся анемометром, как инерционным звеном. Кроме того спектральные плотности имеют ряд особенностей, характеризующий исследуемый поток. Так все характеристики, снятые на аэрометрической установке кафедры ЭИС (МГГУ) имеют пик на частоте около 80 Гц. Характеристики, снятые в МПЗ-1 имеют пики на частотах кратных 5 Гц, максимальный пик приходится на частоту 30Гц, что может быть объяснено конструктивными особенностями установки, создающей поток. Спектральные плотности показаний анемометра при отсутствии потока имеют пики на частотах 50 и 100 Гц. Что, видимо, связано с наводками сети. То, что эти пики отсутствуют при наличии потока говорит о том, что вклад турбулентности в случайный процесс измерения скорости потока значительно превышает вклад погрешности анемометра и является основным.

Спектральный метод исследований, описанный здесь, позволяет исследовать работу акустического анемометра.

Рис. 1. Относительная корреляционная функция для потоков со средней скоро стью: - 0 м/с, ---- 5,6 м/с,--7,0 м/с

Рис. 2. Спектральная плотность мощности на выходе акустического анемометра при средней скорости потока:- 0 м/с,...... 5,6 м/с, — — 7,0 м/с

15

-0.1 0 0.1

?(сек)

Рис. 3. Переходная характеристика акустического анемометра. Сплошная линия соответствует экспериментальным данным, пунктирная линия — теоретическая характеристика, соответствующая инерционному звену т = 0,1 сек

Кроме того, поскольку акустический анемометр обладает достаточным быстродействием, возможно исследование спектрального состава контролируемого потока в ниж-

нем диапазоне частот. Результаты исследований могут быть использованы для повышения качества и достоверности получаемой информации.

20

40

60

80

100

120

140 160 / Гц

Рис. 4. Спектральная плотность мощности на входе акустического анемометра при средней скорости потока равной:-0 м/с,---------5,6 м/с,----7,0 м/с

0

Рис. 5. Расчетные значения числа Рейнольдса для диапазона скоростей от 0 до 30 м/с

Число или критерий Рейнольдса (Ие) — безразмерная величина, характеризующая отношение нелинейного и диссипативного членов в уравнении Навье-Стокса [4]. Число Рейнольдса также считается критерием подобия течения вязкой жидкости.

Число Рейнольдса определяется следующим соотношением:

р vL = \Ь = ОЬ

= _ = уЛ ,

Не = ^ = Ш = .

П

V

(1)

где р — плотность среды; V — характерная скорость; Ь — характерный

размер; n — динамическая вязкость среды; Q — объёмная скорость потока; A — площадь сечения трубы.

Для каждого вида течения существует критическое число Рейнольдса, Reer, которое, как принято считать, определяет переход от ламинарного течения к турбулентному. При Re < Reer течение происходит в ламинарном режиме, при Re > Reer возможно возникновение турбулентности. Критическое значение числа Рейнольдса зависит от конкретного вида течения (течение в круглой трубе, обтекание шара и т. п.). Например, для течения воды в круглой трубе ReCR ~ 2300 .

Число Рейнольдса как критерий перехода от ламинарного к турбулентному режиму течения и обратно относительно хорошо действует для напорных потоков.

р = 1.293(кг / м3)—плотность воздуха D = 28 • 10-3 — диаметр трубы ц = 17.2 10-6 — коэффициент динамической вязкости воздуха

Число Рейнольдса найдем из формулы:

„ р- V• D

Re = --, причем скорость V

Ц

возьмем в диапазоне от 0 до 30 м/с с шагом в 0.2 м/с.

Полученный результат изображен на рис. 5.

Критическое значение числа Рей-нольдса для течения в круглой трубе возьмем равным 5-103 (изображен на графике красной прерывистой линией).

1. Шкундин С.З. Лашин В. Б. Метрология, 1990.

2. Вентцель Е.С. Теория вероятностей, Москва, 1958.

3. Теория автоматического управления. 4.1. Коллектив авторов. Под ред. проф. A.B. Нетушила. «Высшая школа», 1967.

Из проведенных вычислений видно, что на большей части диапазона измерений (начиная со скорости 2,6 м/с) течение в трубе является турбулентным. Следовательно, характер течения оказывает влияние как на среднюю скорость течения потока, так и на различие скоростей между слоями течения, особенно в пристеночном (пограничном) слое. Для выяснения влияния турбулентных пульсаций в воздуховоде акустического анемометра на скоростях свыше 2,6 м/с необходимо проведение дополнительных исследований с помощью специального оборудования (сверхточные игольчатые анемометры или анемометрические иглы).

Можно констатировать, что отсутствие пиков на частотах, кратных частоте напряжения питания, при наличии потока говорит о том, что вклад турбулентности в случайный процесс измерения скорости потока значительно превышает вклад погрешности анемометра и является основным. Рассчитанные Рейнольдсовы напряжения подтверждают преобладание характера турбулентного течения на большем диапазоне измерения скоростей акустического анемометра. Для выявления влияния скоростей акустического анемометра на среднюю скорость движения потока необходимо продолжение исследований с использованием специализированного оборудования (высокочувствительных анемометрических игл).

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя», Издательство «Наука», Москва 1974 г.

5. Шкундин С.З., Буянов С.И., Румянцева В.А. Спектральный анализ пульсаций скоростей потока, измеренных акустическим анемометром, «Измерительная техника» 2004, №4, с.46—48. ЯШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Жердев A.A. — аспирант, Московский государственный горный университет, e-mail: [email protected].