Комплексные проблемы техносферной безопасности. материалы V Международной научно-практической конференции. Колодяжный С.А

ми-либо фундаментальными свойствами и всецело зависит от технологии. Легко понять, что если в готовый бетон внедрить тонкий стальной лист и рассечь им среду, то произойдет просто поворот части фибр, прилегающих к листу без изменения полной концентрации фибр в единице объема. На вопрос о то, какими станут распределения в этом случае нельзя дать ответ, исходя только из общих геометрических соображений. Необходимо исследование конкретного механизма, формирующего распределение в пристеночной области.

Именно этим обусловлено применение фибробетонных конструкций. Фибра в них (в отличие от обычной арматуры) распределяется во всех трех измерениях и в случае появления трещины блокирует ее со всех сторон, препятствуя ее дальнейшему росту и развитию.

При выполнении исследований использовались материалы работ [8, 10, 11, 12].

Рис. 3. Зависимость коэффициента ослабления при наличии стеснения как функции предельного угла

Проведенные исследования необходимы для повышения прочностных свойств строительных конструкций, изготовленных из фибробетона, которые могут способствовать повышению уровня безопасности при эксплуатации таких конструкций и необходимы при решении задач обеспечения комплексной безопасности, например, как рассмотрено в работах [13, 14, 15]. Дальнейшие исследования потребуют применения информационных технологий при численной реализации инженерных расчетов, по аналогии с работами [16, 17, 18], а так же с целым рядом сопутствующих задач [19, 20].

Применение информационных технологий и численная обработка результатов позволят при дальнейших исследованиях увеличить диапазон оцениваемых параметров и выявить новые закономерности распределения дисперсных составляющих в бетонах, влияющих на их реальные прочностные свойства.

В качестве отдельной самостоятельной задачи может быть так же рассмотрена задача влияния геометрии строительных конструкций, изготовленных из сталефибробитона, приготовленного в соответствии с технологическими предложениями из данной статьи, на прочностные свойства этой конструкции.

Для таких конструкций будет иметь значение пространственное расположение слоев фибр с концентрированными (упрочненными) участками. Поэтому в качестве подготовительной задачи для исследования прочностных свойств конструкций потребуется рассмотреть задачу о изменении механических свойств при воздействии нагрузок на отдельные элементы конструкции, повернутые в пространстве.

Важным и перспективным можно назвать направление исследований, связанные с применением для армирования бетонов фибр новых конфигураций, размеров, сделанных из современных новых материалов, а так же исследование и предложение новых технологических подходов к изготовлению фибробетона.

Перечисленные задачи можно определить как направления для дальнейших исследований. В силу того, что исследования по механическим свойствам фибробетона в основном

370

эмпирические, можно отметить, что необходимо совершенствовать теоретические исследования на основе математического моделирования геометрических вероятностей и напряжен- но-деформированных свойств фибробетонов.

ВЫВОДЫ

1.Рассмотрено влияние эффектов стеснения на геометрические характеристики распределения фибр.

2.Получены коэффициенты ориентационного ослабления деформации фибры при изотропном распределении фибр и с учетом эффекта стеснения.

3.Развита модель случайных деформаций тонкой фибры в процессе перемешивания.

4.Технологические предложения даны с целью упрочения изделий и конструкций из фибробетона, осуществляемого за счет увеличения концентрации фибры в поверхностном слое напрессовыванием.

Литература

1.Рабинович, Ф.Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов / Ф.Н. Рабинович. - М.: Изд-во ассоциации строительных вузов, 2004. - 560с.

2.Сталефибробетонные конструкции: СП 52-104-2006: утв. и введ. в действие ФГУП «НИЦ «Строительство» 2006-10-03. - М.: ФГУП ЦПП, 2007. - 60 с.

3.Кендалл, М. Геометрические вероятности / М.Кендалл, П.Моран. - М.: Наука,

1972. - 192с.

4.Сантало, Л. Интегральная геометрия и геометрические вероятности / Л. Сантало.

М.: Наука, 1983. - 360с.

5.Kamien, R.D. The geometry of soft materials: a premier / R.D. Kamien // Reviws of Modern Physics. - 2002. - V.74. - Pp. 953-971.

6.Нечаев, С.К. Проблемы вероятностной топологии: Статистика узлов и некоммутативных случайных блужданий / С.К. Нечаев // Успехи физических наук. - 1998. - Т. 168. - No. 4. - Pp. 369-405.

7.Эфрос, А.Л. Физика и геометрия беспорядка / А.Л. Эфрос. - М.: Наука, 1982. -

172с.

8.Tkachenko, A.N. Theoretical estimation of fiber distribution in fiber reinforced concretes / A.N. Tkachenko, S.D. Nikolenko, D.V. Fedulov // Scientific Herald of the Voronezh State

University of Architecture and Civil Engineering. Construction and Architecture. - 2011. -

№3 (11). - С. 36-41.

9.Матус, Е.П. Влияние размеров изделий на распределение волокон в дисперсноармированных материалах / Е.П. Матус // Изв. Вузов. Строительство. - 2004. - No. 4. - Pp. 37-42.

10.Nikolenko, S.D. Behaviour of concrete with a disperse reinforcement under dynamic loads / S.D. Nikolenko, E.A. Sushko, S.A. Sazonova, A.A. Odnolko, V.Ya. Manokhin // Инженер-

но-строительный журнал. - 2017. - № 7 (75). - С. 3-14.

11.Кузнецова, Л.А. Исследование влияния на прочность при изгибе элементов конструкций армированных металлическими фибрами / Л.А. Кузнецова, С.Д. Николенко, С.А. Сазонова, А.А. Осипов, Н.В. Заложных // Моделирование систем и процессов. - 2018. - Т.

11. - № 4. - С. 51-57.

12.Молодая, А.С. Моделирование высокотемпературного нагрева сталефибробетона / А.С. Молодая, С.Д. Николенко, С.А. Сазонова // Моделирование, оптимизация и информа-

ционные технологии. - 2018. - Т.6. - № 2 (21). - С. 323-335.

13.Асминин, В.Ф. Noise reduction in circular woodworking machines in the production of wood components / В.Ф. Асминин, Д.С. Осмоловский // Scientific Herald of the Voronezh State

University of Architecture and Civil Engineering. Construction and Architecture. - 2012. - № 4 (16). - С. 69-79.

371

14.Asminin, V.F. The method of sound designing of a single voice fire alarm / V.F. Asminin, A.I. Antonov, S.N. Kuznetsov // Scientific Herald of the Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering. Construction and Architecture. - 2014. - № 2 (22). - С. 67-75.

15.Osmolovsky, D.S. Reducing noise from round woodworking machines by applying vibration damping friction pads between the saw blade and the clapmping flange / D.S. Osmolovsky, V.F. Asminin, E.V. Druzhinina // Akustika. - 2019. - Т. 32. - № 1. - С. 138-140.

16.Осмоловский, Д.С. Диссипативные свойства вибродемпфирующих прокладок с сухим трением с использованием шлифовальных листов с абразивными минеральными частицами различной дисперсности / Д.С. Осмоловский, В.Ф. Асминин // В сборнике: Леса России в XXI веке материалы III Международной научно-практической интернет-конференции.

-2010. - С. 217-222.

17.Асминин, В.Ф. Функциональные и конструктивные особенности облегченных звукоизолирующих панелей / В.Ф. Асминин, Е.В. Дружинина, С.А. Сазонова, Д.С. Осмоловский // Вестник Воронежского института высоких технологий. - 2019. - № 2 (29). - С. 4-7.

18.Николенко, С.Д. Физическое и численное моделирование динамических воздействий на конструкции / С.Д. Николенко, С.А. Сазонова, В.Я. Манохин // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. - 2018. - Т. 6. - № 2 (21). - С. 301-311.

19.Акамсина, Н.В. Метод и алгоритм оптимальной декомпозиции сложных систем / Н.В. Акамсина, О.А. Коновалов, А.В. Лемешкин // Экономика и менеджмент систем управ-

ления. - 2016. - Т. 19. - № 1. - С. 73-80.

20.Лемешкин, А.В. Особенности управления запасами на предприятиях торговли / А.В. Лемешкин, Ю.А. Сафонова, Л.А. Коробова // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2017. - Т. 79. - № 2 (72). - С. 94-100.

1ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет (ВГТУ)», 2ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени

Г.Ф. Морозова»,

S.D. Nikolenko1, S.A. Sazonova1, V.F. Asminin2, A.V. Zvyaginceva1, D.S. Osmolovskij2,

N.V. Zalozhnyh1

INFLUENCE OF DISPERSED REINFORCEMENT ON CONCRETE PROPERTIES

To determine the effect of dispersed reinforcement on the properties of concrete requires the construction of adequate mathematical models. The article discusses the mathematical basis for taking into account the effect of dispersed reinforcement on the hardening of concrete, taking into account the geometric dimensions of the structure. The coefficients of orientational attenuation of the deformation of the fiber with an isotropic distribution of fibers and taking into account the effect of constraint are obtained. An improved model of random deformations of a thin fiber during mixing is given. Technological proposals have been developed to increase the strength of products and structures made of fibrous concrete due to an increase in the concentration of fiber in the surface layer by pressing.

Key words: mathematical modeling, fiber, concrete, disperse reinforcement, deformation, geometric probability.

1Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education

«Voronezh State Technical University»,

2Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh State Forestry University named after G.F. Morozova»

372

УДК 622.822.22:693.26

О.П. Пашковский

ИНТЕНСИВНОСТЬ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ИЗ ГОРЯЩИХ ПОРОДНЫХ ОТВАЛОВ ШАХТ ДОНБАССА

Приведены результаты экспериментальных исследований выделения в атмосферу вредных веществ из породных отвалов угольных шахт. Установлены зависимости объемов газовыделения от температуры очага самонагревания.

Ключевые слова: угольная шахта, породный отвал, продукты горения, выделение вредных веществ, исследования, зависимость, газовыделение, очаг пожара.

Добыча угля в Донецком бассейне ведется подземным способом и технологически обусловлена выдачей на поверхность породной массы от проведения и ремонта горных выработок. Породную массу складируют в отвалы различной формы (конусные, хребтовые, плоские). Большинство породных отвалов – конусные (терриконы).

Технологически полностью отделить породную массу от угля не возможно. Массовая доля угля в породе достигает 20…30 %. Под влиянием различных окислительных процессов происходит самонагревание, а затем и самовозгорание горной массы в отвалах с выделением вредных газов в атмосферу, что негативно влияет на состояние здоровья людей и экологию окружающей среды.

Исследования выделения вредных веществ в атмосферу и температурный режим породных отвалов проводятся как на горящих, так и не горящих терриконах действующих и уже закрытых угольных шахт на территории Донецкого бассейна. Отвал считается горящим, если температура породной массы на глубине до 1,5 м выше 80 ºС.

Для проведения лабораторных исследований вредных веществ, выделяемых в атмосферу горящими породными отвалами угольных предприятий (шахтами и обогатительными фабриками), выполнены работы по отбору проб отвалов.

Места отбора проб определяли в соответствии с разработанной методикой с помощью пирометра (тепловизора) точечным способом из мест, на которых располагались очаги горения (самонагревания). Обеспечивалась однородность проб по органолептическим признакам (цвету, запаху, внешнему виду) и количественной определённости по массе.

Анализ проводили на лабораторной установке термического разложения породной массы. Пробу вещества в печи при заданной температуре выдерживают 30 мин, затем определяют концентрацию в ней вредных газов.

В проводимом исследовании такими газами были: СО – угарный газ, СО2 – углекислый газ, SO2 – оксид серы, H2S – сероводород, NOx – окисды азота.

Газовую смесь отбирали при температурах 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500 ºС. Количественный анализ выбранных газов проводится с помощью газоопределителей химических ГХ-М в соответствии с Руководством по эксплуатации.

Устанавливали математическую зависимость концентрации выделяющегося вредного газа от температуры породной массы C= f(T) для конкретного породного отвала.

Исследования производили с пробами, полученными с различных горящих породных отвалов, с последующим определением средних значений концентраций вредных выбросов газов для рассматриваемого региона.

Для определения интенсивности выделения вредных газов из горящих породных отвалов были проведены полигонные исследования (температурная съемка) на породных отвалах шахт Донбасса.

При подготовке к выполнению измерений выявляли участки с повышенной, а на них – места с максимальной температурой.

_________________________________

© Пашковский О.П., 2019

373

Участки горения на породном отвале выявлялись визуально и бесконтактным методом с помощью тепловизионной камеры. В самих участках с помощью термопики бурили скважину глубиной 0,2 м, в которой с помощью газоопределителей химических ГХ-М определяли концентрацию вышеуказанных вредных газов.

Во избежание пропуска очагов тепловыделения, для определения их конфигурации и площади проводили тепловую съёмку поверхности породного отвала в инфракрасном изображении с помощью тепловизионной камеры Talisman Elite Litе.

В контрольной скважине, расположенной на линии изотермы, температура которой превышает температуру окружающих пород более чем на 5 ºС или выше 45 ºС, определяли температура на глубине 0,5 м.

При температуре менее 80 ºС измеряли температуру в скважине на глубине до 1,5 м, если температура на глубине до 1,5 м ниже 80 ºС, методом интерполяции определяли точку, соответствующую 80 ºС и проводили контрольное измерение [1].

На участке в точке с максимальной температурой производили измерение температуры поверхности в специально пробуренной скважине (под температурой поверхности понимается измерение в скважине на глубине 0,1 м).

Затем во взаимно перпендикулярных линиях, расположенных на участке, бурили скважины для измерения температуры поверхности и по схеме, приведенной на рис.1, строили изотермы, разбивающие участок с повышенной температурой на зоны горения. Направление бурения скважин – от центра участка к его границе. Шаг замерных скважин определяли индивидуально, в зависимости от геометрических размеров участка с повышенной температурой.

Рис. 1. Схема участка с повышенной температурой, разделенной на зоны горения

Вскважинах измеряли температуру поверхности очага горения. Методом интерполяции определяли контуры температурных зон, ограниченные изотермами: от внешней границы участка и до линии изотермы 200 ºС (I – зона с низкой интенсивностью выделения вредных газов); от линии изотермы 200 ºС и до линии изотермы 400 ºС (II – зона с высокой интенсивностью выделения вредных газов); от линии изотермы 400 ºС и выше (III – зона ин-

тенсивного выделения СО и СО2).

По линиям изотерм выполняли временное оконтуривание зон знаками. В зависимости от геометрических размеров очагов горения в зонах I и II дополнительно устанавливали изотермы с температурой 100 и 300 ºС соответственно.

Вкаждой зоне очага горения с помощью тепловизионной камеры выявляли точки с

374

максимальной температурой, характерной для каждого участка. В этих точках, а также на глубине 0,5; 1,0; 1,5 м измеряли температуру поверхности.

Температуру поверхности измеряли с помощью ртутного термометра или тепловизионной камеры. Измерения на глубине 0,5; 1,0; 1,5 м выполняли с помощью термопары, помещенной в термопику, и милливольтметра, с последующим переводом значений милливольт в градусы Цельсия.

В каждой скважине определяли максимальную температуру и глубину, которой температура соответствует, площадь зон горения. Оборудование для замеров температуры в очаге горения на глубине до 1,5 м представлено на рис. 2.

Рис. 2. Оборудование для измерения температуры в очаге горения на глубине до 1,5 м: 1 – скважина для измерения; 2 – термопика; 3 – термопара; 4 – милливольтметр

Отобранные пробы газовой смеси CO, CO2, SO2, H2S, NOx в диапазоне температур от 242 до 486 ºС сравнивали с результатами установленных зависимостей удельной массовой концентрации этих вредных газов от температуры отвальной массы, полученными в лабораторных условиях [2].

Температурный контроль в скважине на глубине 0,2 м выполняют при помощи ртутного термометра ТТЖ-М, позволяющего осуществлять замеры от 0 до 500 ºС.

При заданной температуре массовая концентрация исследуемого вредного вещества СМ, мг/м3, рассчитывали по формуле [3]

где Cо – объемная доля вредного вещества, %; Ма – молярная масса вредного вещества, мг/моль; Р – давление в лаборатории, кПа; ТЛ – температура в лаборатории, ºС;Ро – давление при стандартных условиях, равное 101,3 кПа; То – температура при стандартных условиях, равная 20 ºС;Vм – молярный объем газа, равный 0,0224 м3/моль.

Удельную массовую концентрацию исследуемого вредного вещества Су, мг/(м3·кг), с учетом массы анализируемой пробы вещества рассчитывали по формуле:

где m – масса анализируемой пробы породы отвала, кг.

Определяли: общую площадь очага горения Sобщ; площадь, ограниченную изотермой 400 ºС, которая соответствовала площади III зоны горения – SIII; площадь, ограниченная

изотермой 200 º – S200 .

Площадь II зоны SII получают вычитанием из площади, ограниченной изотермой

200 ºС, площади III зоны (S200 – SIII); а площадь первой зоны SI – вычитанием из общей площади очага горения площади, ограниченной изотермой 200 ºС (Sобщ – S200).

375

Измеренные величины являлись исходными данными для определения максимально возможной удельной концентрации вредных газов по каждой температурной зоне очага горения.

При термодеструкции отдельных участков породной массы в атмосферу выделялись вредные вещества (CO, CO2, SO2, H2S, NOx), интенсивность образования которых зависит от температуры породной массы в очагах горения.

На рис. 3 – 7 приведены эмпирические зависимости удельной массовой концентрации рассматриваемых вредных веществ ( ) и лабораторные данные об их выделении из горящих породных отвалов ( ).

Рис. 3 и 4. Зависимость удельной массовой концентрации СО и СО2 от температуры породной массы

Анализ зависимостей (рис. 3 и 4) показывает, что концентрация СО и СО2, выделяющихся из породной массы постоянно растут. Интенсивность их выделения из породной массой резко увеличивается при температуре свыше 230 ºС.

Рис. 5 и 6. Зависимость удельной массовой концентрации SO2 и H2S от температуры породной массы

Рост концентрации SO2 наблюдается до температуры 400 ºС, затем темпы постепенно снижаются (рис.5).

Рост концентрации H2S начинается от температуры 170 ºС и продолжается до 400 ºС, затем темпы роста замедляются (рис. 6).

Рост концентрации NOx происходит при термодеструкции породной массы от 230º до 450ºС, затем кривая становится пологой (рис. 7).

Сравнительный анализ полученных зависимостей удельных массовых концентраций вредных веществ от температуры породной массы в процессе теоретических и экспериментальных исследований показал высокий уровень сходимости результатов и возможность их использования в практической деятельности.

376

УДК 544.6 621.355 621.435

Б.М. Даринский1, Ю.Н. Шалимов2, А.В. Звягинцева2, А.В. Руссу2

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМ БЕЗОПАСНОГО ХРАНЕНИЯ ВОДОРОДА

В работе рассмотрены основные проблемы, возникающие при создании систем безопасного хранения водорода в виде алюмогидридов. Рассмотрен механизм формирования металлических структур (электродов) для электрохимического получения алюмогидридов. Предложена операционно-технологическая схема производства водородных картриджей для хранения водорода. В работе показано, что процесс формирования алюмогидридов наиболее вероятен по дефектам структуры металлов. Закачка водорода в накопитель осуществляется путем электрохимического разряда протона водорода на катоде с образованием атомарного водорода, который в дальнейшем образует с атомом металла гидридные соединения.

Ключевые слова: водородный накопитель, алюмогидрид, электродная система, протон водорода, двойной электрический слой, деструкция кристаллической решетки металла, дефект структуры металла

Водород как уникальное энергетическое топливо, безусловно, имеет преимущества перед углеводородами. Фактическое отсутствие свободного водорода в природе не должно стать причиной сдерживания темпов развития водородной энергетики. Поскольку основные факторы развития отрасли: доступность ресурса, наличие технологий получения, экологическая и техносферная безопасность для водорода беспрецедентны. Вместе с тем следует выделить три основные проблемы: получение водорода, хранение водорода, транспорт водорода. Этим проблемам посвящены работы российских и зарубежных исследователей [1-5]. Наиболее актуальные задачи возникают при решении проблемы хранения водорода. На рис. 1 представлены три возможных варианта хранения водорода.

Баллонное (газовая фаза)

Криостат (жидкая фаза)

Гидрид (твердая фаза)

Рис. 1. Возможные варианты хранения водорода

_________________________________

© Даринский Б.М., Шалимов Ю.Н., Звягинцева А.В., Руссу А.В., 2019

378