Том 335, № 10 (2024)

Актуальность. В последние годы экспорт российского угля непрерывно растет, причем на работу с углем перешли дальневосточные порты, изначально не приспособленные для отгрузки пылящих грузов. Перевалка угля открытым способом приводит к увеличению содержания твердых частиц в воздухе и различным экологическим проблемам.

Цель: изучение и анализ содержания микроразмерных частиц в атмосферном воздухе и в смыве с хвои в поселке Посьет (Приморский край), где работает крупный угольный терминал.

Методы. Химический состав атмосферных взвесей был изучен непосредственно на поверхности хвои методом рентгенофлуоресцентного анализа и в смыве с проб хвои с помощью рамановской спектроскопии и энергодисперсионного анализа. Концентрации PM_2.5 и PM₁₀ измеряли с помощью автоматических метеостанций.

Результаты и выводы. Исследование показало, что в химическом составе преобладают частицы минералов (кальцит, силикаты и др.), но также отмечается наличие углесодержащих частиц (до 8,3 %) и частиц металлов. Усредненные данные по концентрации частиц PM_2.5 и PM₁₀ находятся в пределах российских и зарубежных санитарных норм и правил, но подбираются к их верхним границам. Концентрации обеих измеренных фракций взвешенных частиц были наиболее высоки в зимние месяцы (а также в марте, который на Дальнем Востоке традиционно является холодным), затем наблюдалось их постепенное снижение. В исследовании получены новые данные о годовом ходе концентраций взвешенных в воздухе частиц PM_2.5 и PM₁₀, а также об основном составе частиц взвеси с поверхности древесной растительности (хвои) как индикаторе состояния загрязнения атмосферы в данном населенном пункте.

Актуальность. Известно, что осадочные отложения в современных озерах с высокой скоростью седиментации содержат детальные палеоклиматические, палеобиологические, палеоэкологические и магнитные записи. Изучение этих данных позволяет создавать палеореконструкции и прогнозировать поведение климата в будущем.

Цель: выявление экологических и климатических событий и тенденций в позднечетвертичное время на основе магнитных свойств горных пород. Некоторые климатозависимые параметры не используются должным образом, в данной работе показано, что магнитные параметры являются чувствительным индикатором изменения климата.

Объект: озерные отложения из керна озера Кандрыкуль, Республика Башкортостан.

Методы. Проведен комплекс петромагнитных исследований, включающий: измерение магнитной восприимчивости образцов трех керновых колонок; получение кривых нормального остаточного намагничивания при непрерывном росте внешнего магнитного поля до 1,5 Тл для одной колонки; дифференциальный термомагнитный анализ по индуцированной намагниченности и сканирующую электронную микроскопию по выборочным образцам. По кривым нормального намагничивания было проведено разделение магнитной составляющей на диа-/парамагнитную, ферромагнитную и суперпарамагнитную компоненты.

Результаты. Сейсмоакустические исследования показали, что дно озера ровное, без резких перепадов. Максимальная глубина озера составляет около 16 м, мощность осадочных отложений достигает 7,5 м. Магнитная восприимчивость измерялась по трем кернам, результаты показали хорошие вариации этого параметра по всем кернам. Это позволяет коррелировать керны между собой. Термомагнитный анализ позволил определить состав магнитных минералов. По данным коэрцитивной спектрометрии построена диаграмам Дэя–Данлопа, которая показывает наличие в осадках однодоменных, псевдооднодоменных и многодоменных зерен. Определена роль диа-/пара-, ферро- и суперпарамагнитных компонентов в общей магнитной восприимчивости. Вариации магнитной восприимчивости, пара- и ферромагнитной составляющих рассмотрены в контексте голоценовых климатических изменений.

Выводы. Изменения магнитных свойств могут быть использованы для описания изменений климата (экологических и седиментационных условий). На основе вариаций магнитной восприимчивости и ее составляющих выделено шесть зон с различными условиями осадконакопления. Кроме того, по изменениям параметров гистерезиса выделены зоны с однодоменными частицами, которые, вероятнее всего, связаны с наличием в осадке остатков магнитотактических бактерий. Совместный анализ парамагнитной, ферромагнитной восприимчивости и параметров гистерезиса позволил получить информацию о влиянии влажности на биопродуктивность озера.

Актуальность. В Кузбассе впервые в России реализуется проект по добыче метана из угольных пластов. Пластовой воде, добываемой совместно с метаном из угольных пластов, отводится важная роль, т. к. она долгое время контактировала с угленосными породами, поэтому содержит богатую геохимическую информацию. За период с 2002 по 2022 гг. накопились новые изотопные данные как по водам угольных отложений региона, так и по вышезалегающим водам, включая поверхностные.

Цель. На основе накопленного материала по изотопному составу (δD, δ¹⁸О, δ¹³С, ³⁴S, ³H, ¹⁴С) природных вод угленосных площадей создать эволюционную схему формирования вод в рамках развиваемой гипотезы по взаимодействию вода–порода–уголь–метан.

Объекты. Речные, подземные воды зоны активного водообмена, верхней и нижней части зоны замедленного водообмена (добываемые совместно с метаном из угольных пластов).

Методы. Исследования изотопного состава вод проводились в нескольких лабораториях: Центр коллективного пользования многоэлементных и изотопных исследований СО РАН, Томский филиал Федерального Государственного унитарного предприятия «СНИИГГИМС», в радиоуглеродной лаборатории на базе Центра коллективного пользования «Геохронология кайнозоя» и в Тихоокеанском океанологическом институте ДВО РАН.

Результаты и выводы. Приведены данные по δD, δ¹⁸О, δ¹³С и δ³⁴S для поверхностных и подземных вод Кузбасса на площадях добычи угольного метана. Показано, что все рассматриваемые воды по изотопному составу (δD и δ¹⁸О) являются инфильтрационными. Для вод нижней части замедленного водообмена, добываемых совместно с метаном из угольных пластов, характерен положительный кислородный сдвиг и очень легкий водород. Составлена схема эволюции изотопного состава водорастворенного углерода в регионе согласно полученным данным. Отмечается, что атмосферный источник СО₂ характерен только для речных вод, а в подземных водах присутствует только биогенная углекислота. Широкий диапазон значений δ¹³С_DIC последних объясняется разной степенью участия легкой почвенной углекислоты и тяжелой биохимической, образуемых в угольном пласте, в процессе метаноообразования. Самые тяжелые значения характерны для вод, добываемых совместно с метаном из угольных пластов, что связано с длительным взаимодействием с углем и метаном. Определено время такого взаимодействия радиоуглеродным методом: 17–30 тыс. лет. В районах добычи метана из угольных пластов отмечается утяжеление значений δ¹³С_DIC для всех природных вод, что требует дальнейшего изучения.

Актуальность исследования обусловлена необходимостью прогноза деформаций земной поверхности вблизи нагнетательных скважин, закачивающих жидкие радиоактивные отходы, а также их устойчивости при изменении давления в скважине в процессе закачки.

Цель: с помощью метода конечных элементов произвести численный анализ напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов нагнетательной скважины, а также окружающего массива горных пород, определить величины деформаций земной поверхности и оценить устойчивости скважины и прочности цементного камня при максимальном давлении нагнетания жидких радиоактивных отходов.

Объекты: околоскважинная зона одной из нагнетательных скважин, расположенных на пунктах или полигонах глубинного захоронения жидких радиоактивных отходов.

Методы: численный конечно-элементный метод расчета напряженно-деформированного состояния околоскважинной зоны с учетом распределения упругих свойств пород по моделируемому разрезу и основных конструктивных элементов скважины.

Результаты. Разработана численная конечно-элементная схема одной из нагнетательных скважин с учетом ее основных конструктивных элементов, позволяющая задавать распределение давления внутри эксплуатационного горизонта в процессе закачки отходов. В модели задавалось распределение упругих свойств пород по разрезу с учетом их литологических особенностей. Проведен анализ гидродинамических показателей работы скважины и определено максимальное давление на устье скважины при закачке жидких радиоактивных отходов, равное 1,71 МПа. Выполнено численное моделирование напряженно-деформированного состояния околоскважинной зоны в два этапа: для условий неработающей скважины и с учетом распределения давления при максимальном давлении нагнетания отходов. Получено распределение вертикальных перемещений на уровне земной поверхности, а также на кровле эксплуатационного горизонта при максимальном давлении закачки жидких радиоактивных отходов. Показано, что при таком давлении наибольшие поднятия составят: на земной поверхности – 4,5 см, на кровле эксплуатационного горизонта – 11 см. Оценка устойчивости конструктивных элементов скважины на максимальной глубине нагнетания отходов 280 м, соответствующей максимальному давлению, показала, что напряжения в скважине и цементном камне гораздо ниже значений, которые могут привести к их нарушению. Для цементного камня коэффициент запаса прочности при максимальном давлении 1,71 МПа составил 7,8.

Актуальность. Для оценки потенциала электроэнергии, которая может быть получена от солнечных электростанций, установленных в разных регионах, необходима простая и актуальная методика. Сложность оценки потенциала солнечной энергии заключается в наличии некоторых факторов, влияющих на выработку электроэнергии и зависящих от случайных событий. К таким факторам относятся в первую очередь ясность неба, направление фотоэлектрических панелей строго на Солнце, запыленность, температуру окружающей среды. В литературных источниках используются разные подходы к оценке потенциала солнечной энергии. В данной работе представлена методика оценки выработки электроэнергии солнечной станицей, имеющей непрерывную систему слежения за Солнцем с учетом запыленности и температуры фотоэлектрических панелей. Методика опробована на действующей физической модели.

Цель: изучение существующих методик, наиболее подходящих для средней полосы России, для оценки потенциала солнечной энергии.

Объекты: солнечные электростанции.

Методы: эмпирические и аналитические методы. Используя данные, получаемые с действующей солнечной станции, давалась оценка адекватности предложенной методики.

Результаты. Выбранные методы учитывают почасовой индекс ясности неба, что позволило с достаточной для инженерных методик точностью определить суточную выработку электроэнергии солнечной станцией с различными углами наклона солнечных панелей. Это позволит повысить точность оценки потенциала электроэнергии, полученной солнечными станциями, как со стационарными фотоэлектрическими панелями, так и с системами слежения за Солнцем. На основании проведенных вычислительных экспериментов и проведенного анализа данных, полученных с действующей солнечной станции, авторы пришли к выводу, что представленная в данной работе методика позволяет с достаточно высокой точностью определить потенциал электроэнергии, которая может быть получена на территории России солнечными станциями.

Актуальность. Известно, что набухание стенки скважины вследствие присутствия воды негативно сказывается на буровой деятельности, вызывая существенный рост материальных средств. Использование различных ингибиторов позволяет предотвратить последствия этого эффекта и не допустить сужения ствола скважины. В этом смысле рассматриваемые в статье проблемы разработки полимерных, амино-, ионных жидких и сланцевых ингибиторов поверхностно-активных веществ весьма актуальны и представляют практический интерес для инженеров-нефтяников в части перспектив фундаментальных и прикладных исследований указанных вопросов.

Цель работы связана с изучением: возможностей существующих подходов и методов, определяющих характеристики основных ингибиторов набухания глин; закономерностей изменения свойств традиционных и нетрадиционных глинистых материалов, а также механизмов набухания глин с выделением наиболее характерной группы этих ингибиторов.

Объект: процессы минимизации эффекта сужения стенки в результате воздействия ингибиторов.

Методы: систематический, критический и всесторонний анализ современных данных ингибирования набухания глин в области буровых растворов.

Результаты. Проведен детальный анализ процесса набухания глин. Обсуждаются характеристики ингибиторов, необходимые для предотвращения набухания, в структуре которых содержится азот, ионные жидкости. Отмечается, что качественный ингибитор набухания глин должен: включать в свою основу водорастворимую объемную молекулу с отчетливой гидрофобной и гидрофильной структурой; иметь характеристики, позволяющие заменять гидратированные катионы промежуточного слоя некоторыми гидрофобными катионами, такими как ионы аммония вместо ионов натрия; отличаться способностью хорошо диспергировать множественные катионы. Установлено, что функциональные группы, которые поддерживают связывание ингибитора с силоксановыми группами глины, способны значительно расширять процесс набухания глин.

Актуальность. Интенсификация открытых горных работ в угольных бассейнах Российской Федерации сопровождается ростом негативного воздействия на окружающую среду. Непосредственно в Кузбассе окружающая среда подвергается воздействию угольной промышленности, особенно при ведении открытых работ с применением углубочных систем разработки с внешним отвалообразованием, что сопровождается изъятием большого количества ненарушенных земель. Известный в горном деле блоковый способ отработки карьерных полей малочисленно реализован на действующих и проектируемых карьерных полях. Генеральной линией его применения является отсутствие единого подхода к проектированию параметров блоков, в том числе к эколого-экономической оценке воздействия данного технологического решения на окружающую среду.

Цель. Снижение воздействия на окружающую среду горнодобывающими предприятиями при обоснованных параметрах блоков для разработки карьерных полей перспективных наклонных и крутопадающих угольных залежей.

Методы. Системное обобщение фактического положения горных работ на разрезах при блоковом способе отработки карьерных полей, метод вариантов и технико-экономического моделирования с использованием электронных таблиц.

Результаты и выводы. Предложены эколого-экономические критерии оценки применения блокового способа отработки карьерных полей, которые позволяют исследовать закономерности изменения экологических показателей. На примере разреза «Краснобродский» рассчитаны затраты по экологическим платежам за пользование земельными ресурсами, выбросы и пыление по двум вариантам, отличным от проектной документации. По результатам расчета доказана эффективность применения блокового порядка отработки перспективных угольных залежей, позволяющая снижать затраты за воздействие на окружающую среду на 22,5 и 63 %, соответственно, при изменении длин первоначального блока по дну с 2,2 до 1,4 км. Из чего следует, что совокупные эколого-экономические показатели позволяют в полной мере оценить целесообразность применения методики расчета параметров блоков, что в целом отражается в снижении затрат за негативное воздействие на окружающую среду.

Актуальность работы заключается в выявлении особенностей распределения радиоактивных элементов в подземных водах Северного Казахстана.

Цель: обобщение имеющихся данных по геохимии подземных вод и распределению в них урана и радона на примере северных районов Республики Казахстан.

Методы. Обобщение многолетних гидрогеохимических исследований и составление электронного банка данных по территории Северного Казахстана. Лабораторное изучение химического состава подземных вод проводилось в Проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии Инженерной школы природных ресурсов Томского политехнического университета. Измерение содержаний ²²²Rn в водах проводилось на комплексе «Альфарад плюс» в лаборатории гидрогеологии осадочных бассейнов Сибири Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН.

Результаты. Изучены подземные воды разновозрастных водоносных горизонтов, распространенных на территории Северного Казахстана (Северо-Казахстанская урановорудная провинция). Установлены две геохимические совокупности подземных вод. Первая характеризуется доминированием в составе вод HCO₃^– и Mg²⁺, а вторая – Cl^– и Na⁺. Изменение состава и рост величины общей минерализации с 0,1 до 49 г/дм³ в направлении с севера на юг указывают на развитие процессов континентального засоления. В природных водах первой группы содержания урана изменяются от 0,065 до 16000 мкг/дм³ и активность радона от 4 до 3885 Бк/дм³. Для хлоридных натриевых вод второй совокупности концентрации могут достигать 32500 мкг/дм³, а активность радона составляет 6–59 Бк/дм³, поскольку эманирующий коллектор (гранитоиды) расположен севернее – на расстоянии 80–100 км. Закономерно источниками урана выступают гранитоидные массивы изучаемого региона. Их дренирование речной сетью приводит к его выносу и концентрированию на геохимических барьерах в подземных водах неоген-четвертичного водоносного горизонта. Такое распространение радиоактивных элементов связано с высокой миграционной способностью урана в растворе в форме уранил-иона в окислительных геохимических обстановках.

Актуальность исследования заключается в необходимости увеличения эффективности солнечных модулей до 15–20 % за счёт охлаждения их поверхности, которая в весенне-летнее время года способна нагреваться до температуры 70 ℃. Сбор тепла с фотоэлектрических модулей является дополнительной возможностью аккумулировать тепло и использовать его для собственных нужд, в особенности для изолированных энергосистем. В статье рассматриваются способы закрытого охлаждения с помощью трубок из меди, металлопластика и нержавеющей стали. Все измерения производились в летнее время года на реальной, действующей солнечной электростанции, расположенной в респ. Крым, с. Карьерное.

Цель. Путем эксперимента определить и выявить наиболее эффективную систему охлаждения фотоэлектрических модулей.

Методы. Методы эмпирического исследования. В эксперименте для измерений температуры и влажности окружающего воздуха, температуры хладагента на входе и выходе использовались датчики, подключенные к системе Arduino UNO, данные регистрировались в таблице Excel. Для крепления системы охлаждения используется клей-герметик Soudal FIX ALL. Результаты и выводы. Получены вольтамперные характеристики, температуры хладагента на входе и на выходе, температуры поверхности фотоэлектрического модуля; наибольшую эффективность охлаждения солнечного модуля показала система охлаждения, выполненная из труб нержавеющей стали, которая позволила снизить в некоторых точках температуру модуля с 66 до 38 ℃, что увеличило эффективность фотоэлектрического модуля на 3,5 % относительно номинальной мощности. Нагретая жидкость от фотоэлектрического модуля остыла до первоначальных значений температуры благодаря установленному радиатору охлаждения для возможности повторного использования жидкости в контуре охлаждения солнечного модуля.

Актуальность. Погружной электродвигатель является наиболее уязвимым узлом электроцентробежного насосного агрегата, используемого при добыче урана методом скважинного подземного выщелачивания. Точность расчета потребности в новых электродвигателях напрямую влияет на рентабельность производства.

Цель. Разработка вероятностной модели надежности погружного электродвигателя, обеспечивающей расчет вероятности его отказа на предстоящий период времени, и позволяющей с достаточной точностью оценить количество двигателей, необходимых для замены отказавших.

Методы. Статистические методы, анализ выживаемости, проверка статистических гипотез.

Результаты и выводы. Проведено исследование трех вероятностных моделей надежности для электродвигателей погружных насосов, используемых при добыче урана методом скважинного подземного выщелачивания. Для каждой модели определены оценки максимального правдоподобия ее параметров и проведена проверка ее адекватности на основе непараметрических критериев согласия. Несмотря на то, что результаты проверки не позволили исключить ни одну из рассматриваемых моделей, в качестве вероятностной модели надежности была выбрана модель, основанная на смеси двух распределений Вейбулла, которая продемонстрировала более высокую согласованность с реальными данными по сравнению с другими моделями. При этом анализ компонентов смеси распределений показал наличие группы электродвигателей, имеющих нехарактерно низкое значение наработки до отказа по сравнению со средним значением, рассчитанным для всей совокупности исследуемого оборудования, и позволил оценить долю таких двигателей, составившую 8 % от общего количества. Возможными причинами, объясняющими подобную неоднородность данных, по мнению авторов, являются скрытые производственные дефекты или более тяжелые условия эксплуатации, в которых функционирует некоторая часть погружных электродвигателей.