Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,778

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ВОДЫ В ДРАЖНОМ РАЗРЕЗЕ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Кисляков В.Е. 1 Нафиков Р.З. 1 Вокин В.Н. 1 Веретёнова Т.А. 1 Бахтигузин А.А. 1
1 ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет»
Рассмотрена проблема снижения производительности драг при работе в условиях отрицательных температур, которая особенно актуальна для россыпных месторождений, расположенных в условиях Крайнего Севера, где грунты промерзают на значительную глубину. В зимний период глубина промерзания грунтов может составлять несколько метров. Изучено влияние разрабатываемых мерзлых грунтов на температуру воды в дражном разрезе, а также были рассмотрены существующие методики расчета конвективного теплообмена. На основе проведенного обзора был сделан вывод, что по известным методикам проводить расчет теплообмена между грунтом и водой в дражном разрезе весьма затруднительно. Для решения этой проблемы была создана установка и проведен эксперимент. Экспериментальная установка представляет собой дражный разрез, выполненный в масштабе с соблюдением геометрического подобия. Погрешности в измерениях исключены путем изолирования установки от внешней среды теплоизолирующим материалом, в качестве которого был выбран пенопласт. В емкость устанавливают термодатчик для определения средней температуры воды, равномерное распределение которой достигается путем непрерывного перемешивания магнитной мешалкой. В результате эксперимента получена математическая модель, позволяющая определить температуру воды в дражном разрезе с учетом обнажаемых мерзлых грунтов. Рассмотрена динамика температуры воды в условных дражных разрезах по средним данным района и выявлен коэффициент снижения температуры. Таким образом, появляется возможность эффективного обоснования продолжительности добычного сезона работы драги в течение года. Одним из решений проблемы предложено заблаговременное предохранение подготовленных к выемке песков от промерзания.
мерзлый грунт
россыпное месторождение
драга
производительность
добычной сезон
зимний период
1. Ершов В.А. Целенаправленное преобразование россыпных месторождений при дражной разработке // Горная промышленность. 2010. № 5. С. 70–72.
Ershov V.A. Purposeful transformation of alluvial deposits in dredge design // Mining industry Journal. 2010. №. 5. P. 70–72 (in Russian).
2. Кисляков В.Е., Нафиков Р.З., Катышев П.В. Повышение производительности драг в условиях отрицательной температуры // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2017. № 4. С. 4–9.
Kislyakov V.E., Nafikov R.Z., Katyshev P.V. Productivity increase of drag in the conditions of subfreezing temperature // Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo texnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova. 2017. № 4. P. 4–9 (in Russian).
3. Гуляев В.А. Теплотехника: учебник. СПб.: «РАПП», 2009. 352 с.
Gulyaev V.А. Heat engineering: textbook. SPb.: «RAPP», 2009. 352 p. (in Russian).
4. Брюханов О.Н., Шевченко С.Н. Тепломассообмен: учебник. М.: НИЦ ИНФРА-М, 2013. 464 с.
Bryukhanov O.N., Shevchenko S.N. Heat and mass transfer: a textbook. M.: NICz INFRA-M, 2013. 464 p. (in Russian).
5. Винников С.Д., Викторова Н.В. Физика вод суши: учебник. СПб.: РГГМУ, 2009. 430 с.
Vinnikov S.D., Viktorova N.V. Physics of land waters: textbook. SPb.: RGGMU, 2009. 430 p. (in Russian).
6. Протасьев М.С. Ресурсы поверхностных вод СССР. Том 17. Лено-Индигирский район. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. 651 с.
Protas’ev M.S. Surface water resources of the USSR. Volume 17. The Leno-Indigirska district. L.: Hydrometeoizdat, 1972. 651 p. (in Russian).
7. Климат почвы и его регулирование [Электронный ресурс]. URL: http://elib.rshu.ru/files_books/pdf/img-217150939.pdf (дата обращения: 24.09.2018).
Soil climate and its regulation [Electronic resource]. URL: http://elib.rshu.ru/files_books/pdf/img-217150939.pdf (date of access: 24.09.2018) (in Russian).
8. Геотермальные теплонасосные системы теплоснабжения и эффективность их применения в климатических условиях России [Электронный ресурс]. URL: https://www.abok.ru/for_spec/articles.phpnid=3685 (дата обращения: 15.10.2018).
Geothermal heat pump heating systems and the efficiency of their use in the climatic conditions of Russia [Electronic resource]. URL: https://www.abok.ru/for_spec/articles.phpnid=3685 (date of access: 15.10.2018) (in Russian).

На сегодняшний день в горнодобывающей отрасли особое внимание уделяется разработке россыпных месторождений дражным способом [1, 2]. Данный способ имеет ряд достоинств, таких как возможность ведения добычных работ в сложных гидрогеологических условиях, высокая эффективность и др. Однако в суровых климатических условиях Севера России дражный способ разработки месторождений имеет существенный недостаток – ограниченность добычного сезона. Поздней осенью, когда температура воды приближается к температуре замерзания, происходит ее намерзание на черпаки и черпаковую раму, при этом резко снижается производительность драги.

Цель исследования: исследование влияния разрабатываемых мерзлых грунтов на температуру воды в дражном разрезе. Для исследования данного вопроса рассмотрены существующие методики расчета конвективного теплообмена [3–5]. На основе проведенного обзора был сделан вывод, что по известным методикам проводить расчет теплообмена между грунтом и водой в дражном разрезе весьма затруднительно. Основная трудность связана с постоянно меняющимися переменными в уравнениях из-за непрерывной работы драги, изменения температуры окружающего воздуха, интенсивности солнечного излучения и других факторов.

В качестве примера рассмотрим динамику температуры воды в дражных разрезах Ленского района (Якутия) на примере водоемов этого района [6]. Годовое изменение температуры в водоемах представлено на рис. 1.

kisl1.wmf

Рис. 1. Изменение температуры воды озер в течение года: 1 – оз. Тырка (54 ° с.ш.); 2 – оз. Большое Леприндо (56 ° с.ш.); 3 – оз. Ничатка (58 ° с.ш.)

Материалы и методы исследования

Для изучения влияния обнажаемых драгой грунтов на температуру воды в дражном разрезе был проведен эксперимент. Для этого с соблюдением геометрического подобия выполнена установка в масштабе 1:1000. В качестве моделируемого объекта принят условный дражный разрез драги с вместимостью черпаков 150 л. Основной частью установки является емкость с водой объемом 0,002 м3. В емкость устанавливают термодатчик для определения средней температуры воды. Ее равномерное распределение по всему объему достигается путем непрерывного перемешивания, которого возможно достичь с помощью магнитной мешалки ММ-5 (рис. 2). Скорость вращения мешалки регулируется в пределах от 400 до 1200 об/мин.

Для исключения погрешностей в измерениях установка изолирована от внешней среды посредством материала с низкой теплопроводностью. В качестве такого материала был выбран пенопласт. Фотографии экспериментальной установки представлены на рис. 3.

Для более наглядного представления установки ее схема показана графически на рис. 4.

Эксперименты проводились следующим образом. В емкость с водой помещался мерзлый грунт кубической формы и измерялась температура воды в течение времени. Шаг фиксации был принят равным 1 минуте. Эксперимент заканчивался, когда температура воды переставала изменяться или изменялась незначительно. Затем заменяли образовавшуюся пульпу водой необходимой температуры и повторяли эксперимент с новым образцом грунта.

kisl2.tif

Рис. 2. Мешалка магнитная ММ-5

kisl3a.tif kisl3b.tif

Рис. 3. Фотографии экспериментальной установки

kisl4.tif

Рис. 4. Схема экспериментальной установки: 1 – емкость с водой; 2 – мешалка магнитная ММ-5; 3 – теплоизолирующий материал; 4 – термодатчик; 5 – образец мерзлого грунта

Результаты исследования и их обсуждение

Эксперименты проводились в три этапа. Первый этап был выполнен при начальной температуре воды 10 °С. Длина стороны образца грунта кубической формы принята 1, 2, 3 и 4 см. Для каждого вида образца проводилось 4 серии измерений (принимая его начальную температуру –20, –15, –10, –5 °С). Полученные результаты представлены графиками (рис. 5).

kisl5a.wmf kisl5b.wmf

а) б)

kisl5c.wmf kisl5d.wmf

в) г)

Рис. 5. Изменение температуры воды в установке в зависимости от времени измерения при наличии образцов грунта кубической формы с длиной стороны (см): а – 4, б – 3, в – 2, г – 1

Второй и третий этап эксперимента были проведены аналогично, за исключением начальной температуры воды – 7 и 4 °С.

Следующим шагом было экспериментально доказано отсутствие значительных погрешностей, возникающих вследствие влияния окружающего воздуха на воду в установке из-за разности температур. Для этого проведены дополнительные измерения без образцов грунта. Начальная температура воды была принята 10 °С, при этом температура окружающего воздуха составила 23 °С. Время фиксации динамики температуры воды в установке выбрано как наибольшее значение во всех проведенных экспериментах, а именно 20 мин. Результаты измерений представлены на рис. 6.

kisl6.wmf

Рис. 6. Изменение температуры воды в установке

Исходя из полученных результатов, определено, что за данный период погрешность в измерениях составила 4,2 %, поэтому для дальнейших расчетов ей можно пренебречь.

Далее в программной среде Microsoft Excel была получена формула определения температуры воды с учетом параметров мерзлого грунта, а также итоги регрессионной статистики (табл. 1). Полученная формула представлена ниже:

Тв.г = 0,3 + Тв.н – 12,1∙Pг + 0,014∙Тг – 0,174∙tг, °С,

где Тв.н – температура воды на начальный момент расчетов, °С; Pг – отношение объема обнажаемых грунтов к объему воды, м3/м3; Тг – средняя температура обнажаемого грунта, °С; tг – расчетное время, ч.

Таблица 1

Итоги регрессионной статистики

Показатели

Значение

Множественный R

0,998

R-квадрат

0,997

Нормированный R-квадрат

0,997

Стандартная ошибка

0,137

Наблюдения

644

Таблица 2

Значения коэффициента изменения температуры воды в дражном разрезе с учетом обнажаемого грунта

Месяц

Драга

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

50

0,51

0,62

0,83

0,91

0,96

0,98

0,98

0,98

0,98

0,95

0,86

0,72

80

0,54

0,69

0,85

0,91

0,96

0,98

0,99

0,98

0,98

0,95

0,89

0,76

150

0,66

0,83

0,88

0,96

0,98

0,99

0,99

0,99

0,99

0,98

0,92

0,83

250

0,71

0,9

0,94

0,97

0,99

0,99

1

1

0,99

0,99

0,95

0,85

380

0,72

0,92

0,96

0,98

0,99

0,99

1

1

1

0,99

0,97

0,89

Заключение

С помощью полученной математической модели, пользуясь значениями, представленными на рис. 1 и значениями температуры грунта [7, 8], определена температура воды в условных дражных разрезах, расположенных в рассматриваемом районе. Введем понятие коэффициента изменения температуры воды в дражном разрезе в зависимости от параметров обнажаемого грунта, равный отношению температуры воды в разрезе при обнажении грунтов к исходной температуре воды. Результаты представлены в табл. 2.

Следует отметить, что обнажаемый мерзлый грунт значительно снижает температуру воды в дражном разрезе, поэтому необходимо заранее предохранять подготовленные к выемке пески от промерзания. На сегодняшний день известен целый ряд таких способов, например укладка теплоизолирующих покрытий, затопление подготовленных запасов и другие.

Таким образом, полученная математическая модель дает возможность обосновать продолжительность добычного сезона работы драги в течение года. Также полученные результаты позволят скорректировать ежемесячную производительность драги, исходя из климатических условий региона.


Библиографическая ссылка

Кисляков В.Е., Нафиков Р.З., Вокин В.Н., Веретёнова Т.А., Бахтигузин А.А. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ВОДЫ В ДРАЖНОМ РАЗРЕЗЕ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ // Успехи современного естествознания. – 2018. – № 12-2. – С. 353-357;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37020 (дата обращения: 29.02.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074