Nr3ro2021 by Univ Petr

PUBLICAȚIE INTERNAȚIONALĂ DESPRE MINERIT ȘI MEDIU

Vol. 27 nr. 3 / 2021 ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

Editura Universitas Petroșani

REVISTA MINELOR - MINING REVUE PUBLICAȚIE INTERNAȚIONALĂ DESPRE MINERIT ȘI MEDIU

Colectivul editorial Editor șef: Prof. Ilie ONICA Editori adjuncți: Conf. Andrei ANDRAS Conf. Paul Dacian MARIAN Senior editori: Prof. Dumitru FODOR Prof. Nicolae ILIAŞ Prof. Mircea GEORGESCU Prof. Pascu Mihai COLOJA Editor lingvistic: Lect. Lavinia HULEA Editor tehnic: Radu ION

ISSN-L 1220-2053 ISSN 2247-8590 www.upet.ro/revistaminelor www.sciendo.com/journal/MINRV

Comitetul științiﬁc: Prof. Iosif ANDRAȘ, Universitatea din Petroșani, România Dr. ing. Marwan AL HEIB, Școala de Mine din Nancy, INERIS, Franța Conf. Adam BAJCAR, Poltegor-Instytut, Polonia Dr. ing. Iosif Horia BENDEA, Politechnico di Torino, Italia Conf. Boyko BEROV, Academia de Științe din Bulgaria, Bulgaria Prof. Essaid BILAL, Centrul de Științe pentru Procese Industriale și Naturale (SPIN), Franța Prof. Lucian BOLUNDUȚ, Universitatea din Petroșani, România Prof. Ioan BUD, Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca (Centrul de Nord din Baia Mare), România Prof. Nam BUI, Universitatea de Științe și Tehnologie din Hanoi, Vietnam Dr. ing. Constantin Sorin BURIAN, INSEMEX Petrosani, România Prof. Eugen COZMA, Universitatea din Petroșani, România Dr. ing. György DEÁK, Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Protecția Mediului Prof. Nicolae DIMA, Universitatea din Petroșani, România Prof. Carsten DREBENSTEDT, TU Bergakademie Freiberg, Germania Prof. Ioan DUMITRESCU, Universitatea din Petroșani, România Dr. ing. George-Artur GĂMAN, INSEMEX Petrosani, România Prof. Ioan GÂF-DEAC, Universitatea Creștină Dimitrie Cantemir București, România Dr. ing. Edmond GOSKOLLI, Agenția Națională a Resurselor Naturale, Albania Prof. Andreea IONICĂ, Universitatea din Petroșani, România Prof. Sair KAHRAMAN, Universitatea Hacettepe, Turcia Prof. Sanda KRAUSZ, Universitatea din Petroșani, România Prof. Krzysztof KOTWICA, AGH Universitatea de Științe și Tehnologie din Krakow, Polonia Prof. Maria LAZAR, Universitatea din Petroșani, România Prof. Monica LEBA, Universitatea din Petroșani, România Prof. Roland MORARU, Universitatea din Petroșani, România Dr. ing. Vlad Mihai PĂSCULESCU, INSEMEX Petrosani, România Prof. Sorin Mihai RADU, Universitatea din Petroșani, România Prof. Ilie ROTUNJANU, Universitatea din Petroșani, România Prof. Mihaela TODERAȘ, Universitatea din Petroșani, România Conf. Sorin Silviu UDUBAȘA, Universitatea din București, România Prof. Ioel VEREȘ, Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca, România Conf. Zoltan Istvan VIRÁG, Universitatea din Miskolc, Ungaria

© Copyright - Editura UNIVERSITAS Petroşani / Revista Minelor - Mining Revue - apariție trimestrială Contact editorial: Ilie ONICA, e-mail: onicai2004@yahoo.com, tel: 0040 729 066 723 Dacian-Paul MARIAN, e-mail: dacianmarian@upet.ro, tel: 0040 748 130 633 Universitatea din Petroşani, str. Universităţii nr. 20, 332006 Petroşani, România Tel:+40254 / 542.580, fax. +40254 / 543.491 Tipărit la Universitatea din Petroșani - Atelier Tipografie

Vol. 3 / 2021 ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

Editura UNIVERSITAS Petroșani

CUPRINS

Alexandru SIMION, Carsten DREBENSTEDT, Maria LAZĂR Impactul antropic cauzat de activitățile miniere din estul Văii Jiului asupra solului și apei de suprafață

Ilie ONICA, Dacian-Paul MARIAN, Viorel MIHĂILESCU Îmbunătățirea performanțelor tehnico-economice la Salina Praid prin exploatarea mecanizată a sării cu combina

Volodymyr NADUTYI, Oleksandr TYTOV, Dmytrii KOLOSOV, Vitalii SUKHARIEV, Taras USATYI Analiza energetică a interațiunii prin sfărâmare-forfecare a fluxurilor de material, în contra curent, în cadrul unui dezintegrator centrifugal 30 Eugen TRAISTĂ, Camelia BĂDULESCU, Maria LAZĂR, Camelia TRAISTĂ Cercetări privind recuperarea cuprului din zgura metalurgică

Ileana PASCU, Mircea GEORGESCU O posibilă tehnologie de execuție a tunelurilor pe subsecțiunea E2 a autostrăzii A1

Liliana ROMAN Monitorizarea calității aerului în Valea Jiului

Eugen TRAISTĂ, Camelia BĂDULESCU Tehnologii complexe de valorificare a calcarului brucitic

Stefan ZAICHENKO, Ümran ERÇETIN, Roman KULISH, Denis DEREVYANKO, Vadim SHALENKO Determinarea parametrilor de diagnostic ai centralelor electrice bazate pe motoare cu combustie internă

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590 vol. 27, nr. 3 / 2021, pp. 1-16

IMPACTUL ANTROPIC CAUZAT DE ACTIVITĂȚILE MINIERE DIN ESTUL VĂII JIULUI ASUPRA SOLULUI ȘI APEI DE SUPRAFAȚĂ Alexandru SIMION1, Carsten DREBENSTEDT2, Maria LAZĂR3* 1

INSEMEX Petrosani, Romania, alexandru.simion@insemex.ro Bergakademie-Technische Universitat Freiberg, Germania, Carsten.Drebenstedt@mabb.tu-freiberg.de 3 Universitatea din Petrosani, Romania, marialazar@upet.ro

DOI: 10.2478/minrv-2021-0021 Rezumat: Analiza impactului cauzat de activitățile miniere asupra mediului inconjurător presupune analiza detaliată a interacțiunilor dintre activitățile / operațiile tehnologice desfășurate în cadru unei exploatări miniere și componentele de mediu afectate de acestea. Pentru o evaluare cât mai complexă a impactului cauzat de EM din estul văii jiului asupra solului și apei au fost luate în studiul em. Lonea, Petrila și Livezeni cu haldele de steril aparținătoare. Obiectivul principal al cercetării este analiza impactul cauzat de activitățile miniere din partea estică a Văii Jiului prin metoda retelelor de impact după modelul „cause - presiuni, deprecierea calității factorilor de mediu – parametrii – impact”. Astfel, impacturile cauzate de industria minieră au fost identificate pe baza tipologiei top – down, fiind construite rețele de impact pentru exploatarea huilei din subteran și depozitarea materialului steril la suprafață. De asemenea a fost analizat și conținutul de metale al haldelor in scopul analizei gradului de imbogățire a solului cu metale având ca referință concentrația unei probe martor. Analiza influenței regimului pluviometric local are ca scop evidențierea potențialului de levigare al metalelor grele din corpul haldei și posibilitatea de analiză a scenariilor de extindere a fenomenului de poluare către zona saturată. Cercetarea se adresează cercetătorilor, inginerilor de mediu, hidrogeologilor și geologilor care doresc să aprofundeze studiul mecanismelor de transfer a contaminanților din depozitele de steril spre zonele de recepție a cursurilor de apă precum și dispersia în zona nesaturată și zona saturată Cuvinte cheie: EDXRF, evaluarea impactului, mediu, minerit, sol 1. Introducere Influența activităților miniere asupra mediului înconjurător in estul Văii Jiului are un caracter pronunțat deoarece, mineritul este principala activitate economică cu cea mai mare extindere spațială iar magnitudinea și complexitatea impacturilor generate sunt de asemenea ridicate [1]. Mineritul de estul Văii Jiului este bazat pe extracția cărbunei (huilei) din subteran și depozitarea materialului steril la suprafața solului sub formă de halde de steril, astfel sunt ocupate suprafețe foarte mari de teren productiv care își vor schimba destinația pentru un interval de timp ridicat. Pericolele și problemele de mediu asociate haldelor de roci sterile includ: instabilitatea taluzurilor, drenajul acid şi levigarea contaminaților în apele subterane și de suprafață, poluarea cu pulberi ca urmare a eroziunii eoliene și în degradări ireversibile ale terenurilor. Impactul activităților miniere asupra apei și solului precum și efectele cauzate de minerit au fost analizate prin metoda retelelor de impact după modelul „cause - presiuni, deprecierea calității factorilor de mediu – parametrii afectați – impact” care au rolul de a vizualiza și interpola variabilele generate de complexitatea impacturilor multiple cauzate de minerit. Prezenta elementelor majore și minore în haldele de sterile aparținătoare exploatărilor miniere cauzează un transfer al contaminantului în other reservoirs sau pot afecta direct ecosistemele terestre sau acvatice ca urmare a interacțiunii directe biotop – biocenoza [2], [3], [4]. Aceste posibile transferuri ale poluanților au fost cuantificate în funcție de factorul de îmbogățire al solului raporta la concentrațile determinate într-o zonă neafectată de minerit (probă martor) [5]. Capacitatea de oxido-reducere

Autor corespondent: Maria Lazăr, Prof. PhD. Eng., University of Petroșani, Petroșani, Romania, contact (str. Universității, nr. 20, Petroșani, Romania marialazar@upet.ro) *

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 1-16

a haldelor a fost evaluată în funcție de configurația morfologică a haldei prin analiza pH-ului sterilului haldat la diferite adâncimi tinându-se cont și de componentele regimului pluviometric local [1]. 2. Analiza impactului cauzat de industria minieră Analiza impactului generat de exploatările miniere din estul Văii Jiului asupra râului Jiul de Est, presupune o analiză preliminară a presiunilor generate de activitatea de extragere a cărbunelui din subteran cu ajutorul rețelor de impact, ca răspuns la întrebarea „Ce se întâmplă dacă?”, succedată de o caracterizare a corpului de apă în secțiunile de prelevare din amonte și aval de fiecare unitate minieră studiată. Din punct de vedere al impactului generat de activitățile miniere asupra mediului, în estul Văii Jiului principalele surse generatoare de impact sunt: extragerea huilei în subteran (Figura 1) și depozitarea materialului steril în halde (Figura 2). Cauză

Mineritul

Extragerea cărbunelui din subteran

Presiuni

Alterarea

Parametrii

Impact

Epuizarea resurselor

Calității apei subterane

Metale grele

Ecosisteme acvatice

Drenajul acid

Necesarul de apă

Eroziune sol

Calității aerului

Poluare difuză

Evacuarea apelor de mină

Calității solului

Calității apelor de suprafață

Poluare punctiformă

Radioactivitate

Economic

Volum Aer viciat (CH4, CO2)

Resurse de apă

Pulberi în suspensie

Ecosisteme terestre

pH Umiditatea solului Salinitate

Depozitarea materialului steril

Ecosisteme terestre

Figura 1. Rețeaua de impact pentru extragerea cărbunelui din subteran

Exploatarea zăcămintelor de cărbune de estul Văii Jiului generează un impact multiplu, complex și cumulativ asupra factorilor de mediu (apă, aer, sol, biodiversitate). Acesta se manifestă asupra ecosistemelor terestre și acvatice din cauza degradării solului, aerului și apei subterane sau de suprafață. Ca urmare a exploatării cărbunelui în subteran este facilitată apariția fenomenelor de subsidență, care se manifestă prin prăbușirea formațiunilor de roci în golurile subterane rămase nesusținute. De cele mai multe ori, fenomenele de subsidență din Valea Jiului se transmit până la suprafața terenului, afectând astfel micro şi macrorelieful, componentele de mediu şi antropice din zona afectată. Ruperea şi prăbușirea stratelor geologice mai favorizează și percolarea apelor din zona vadoasă (de aerare) în stratele inferioare ale litosferei, rezultând un nivel hidrostatic scăzut, cu umidității reduse ale zonei vadoase. Sistemul radicular al vegetației se dezvoltă cu precădere în zona de aerare, iar o umiditate scăzută pentru o perioadă mai lungă de timp poate cauza decesul plantelor și arborilor. Această scădere a umidității se manifestă prin reducerea fertilității solului, creșterea gradului eroziune, compactarea structurii minerale de la suprafața solului, compactare sau grad mare infiltrare a apei provenite din precipitațiile atmosferice. Mina Petrila este singura activitate economică care nu își mai desfășoară activitatea în prezent, fiind în perioada post-închidere astfel după încetarea exploatărilor în subteran, nivelul hidrostatic începe să crească constant exercitând treptat o migrație a poluanților din sol pe verticală a concentrațiilor (down ÷ top). Apele provenite de la exploatare în subteran a cărbunelui sunt deversate în 2

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 1-16

corpurile de apă fiind obligatorie o epurare avansată a acestora pentru îndeplinirea criteriilor de calitate (CMA) reglementate de NTPA 001/2005 [2], [4]. Din punct de vedere al depozitării materialului steril în halde/depozite de steril, impactul general este complex din cauza ocupării suprafețelor foarte mari de teren și al aportului de micro și macroelemente provenite din subteran (Figura 2).

Haldele de steril

Cauză

Depozitarea materialului steril subteran

Presiuni

Alterarea

Parametrii

Impact

Poluare difuză

Calității apei subterane

Metale grele

Ecosisteme acvatice

Eroziune sol

Calității aerului

Infiltrații Hidromorfologie

Alunecări de teren

Schimbarea destinației terenului

Vizuală

Peisajul

Pulberi în suspensie Taxonomie Abundența speciilor Biostazia Rhexistazia Parastazia

Valoarea terenului

Specii invazive Schimbări în microclimatul local

Sedimente N, P, Ca, Si

Elemente biologice

Creșterea temperaturii

Relații interspecifice

Ecosisteme terestre

Patrimoniul cultural

Economic Ecosisteme terestre

Figura 2. Rețeaua de impact pentru depozitarea materialului steril

Metalele grele prezente în corpul haldei sunt percolate în orizonturile inferioare ca urmare a unei cantități mai mari de apă infiltrate din precipitații. Fenomenul de infiltrare este intensificat de textura grosieră a materialului haldat (sol cu o slabă reținere a apei şi a substanțelor nutritive). Schimbarea destinației terenului pe care sunt amplasate depozitele de steril din estul Văii Jiului a cauzat un impact negativ asupra economiei locale, în special ca urmare a degradării ecosistemelor şi implicit a peisajului. Volumele foarte mari de material haldat, apariția peisajelor selenare și a formelor neregulate de relief, au condus la dispariția ecosistemelor terestre endemice și apariția altor ecosisteme alogene invazive. Pentru caracterizarea impactului generat de haldele de steril asupra calității apelor subterane și de suprafață din estul Văii Jiului au fost analizați mai mulți parametrii care pot măsura nivelul de alterare a calității mediului. Astfel, au fost prelevate probe de sol de pe cele 4 halde de steril din estul Văii Jiului, de la adâncimi de 5 cm, respectiv 30 cm, conform ordinului nr. 184 din 21 septembrie 1997 1997 [2], [4], iar pentru o analiză cuprinzătoare a profilului analizat, a mai fost recoltată suplimentar o probă de la o adâncime de 60 cm. Probele de sol prelevate din haldele de steril aparținătoare unităților miniere din Estul Văii Jiului (punctele de probare sunt marcate pe hărțile din figurile (3, 7, 11, 15) au fost uscate, mărunțite și presate sub formă de pastile, fiind apoi analizate cu un spectrometru portabil cu fluorescență de raze X (EDXRF). Calibrarea instrumentului de măsurare a fost realizată în conformitate standardul „SR EN 15309: 2007 Caracterizarea deșeurilor și a solului – Determinarea compoziției elementare prin fluorescență de raze X” utilizând materialul de referință certificat (NIST SRM 2711a sol Montana II) pentru matricea soluri [5], [6]. Din probele de sol recoltate a fost determinat conținutul de arsenic, cadmiu, cobalt, crom, cupru, nichel, plumb, stibiu, taliu, vanadiu, mangan, bariu, staniu, zinc, titan, calciu, fier din soluri, iar rezultatele obținute au fost comparate cu pragurile de alertă și intervenție în funcție de categoriile de folosință a terenului (tabelul 1) conform „ORDIN nr. 756 din 3 noiembrie 1997 pentru aprobarea Reglementării privind evaluarea poluării mediului” [7]. 3

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 1-16

Tabelul 1. Valorile limită ale metalelor grele în soluri [7]

Indicator analizat Arsen Cadmiu Cobalt Crom Cupru Nichel Plumb Stibiu Taliu Vanadiu Mangan Bariu Staniu Zinc Titan Calciu Fier

Valori normale 5 1 15 30 20 20 20 5 0,1 50 900 200 20 100 -

Prag de alertă Prag de intervenție Tip de folosință Sensibil Mai puțin Sensibil Mai puțin sensibil sensibil 15 3 30 100 100 75 50 12,5 0,5 100 1500 400 35 300 -

25 5 100 300 250 200 250 20 2 200 2000 1000 100 700 -

25 5 50 300 200 150 100 20 2 200 2500 625 50 600 -

50 10 250 600 500 500 1000 40 5 400 4000 2000 300 1500 -

Condiții de referință

Ordin nr. 756/1997 (mg / kg substanță uscată)

Nu sunt normate

Pentru haldele studiate, factorul de îmbogățire (FÎ) a fost calculat pe baza concentrației medii a elementelor din punctele de prelevare (CP), raportată la concentrația medie din proba martor (CM). exprimarea rezultatelor obținute a fost efectuată ecuația 1.

Factorul de îmbogățire =

PS RS

(1)

Elementele care au FÎ până la 10 nu sunt considerate a fi îmbogățite şi prezintă un risc redus din punct de vedere al poluării mediului şi generării impactului asupra componentelor ambientale, elementele cu FÎ între 10 și 100 sunt numite elemente îmbogățite moderat şi prezintă un risc mediu, iar elementele cu FÎ peste 100 sunt considerate a fi elemente îmbogățite şi sunt asociate riscurilor ridicate de poluare şi impact asupra mediului. Reacția solului a fost determinată cu ajutorul sondei electrochimice de pH, prin diluția probelor de sol în apă distilată într-un raport de 1:3 [8]. Reacția solului are un rol foarte important în dezvoltarea vegetației și a microorganismelor, fiind definite 9 intervale de pH pentru alegerea a speciilor de plante în vederea desfășurării activităților de reabilitare a terenurilor degradate [9]. Scopul determinării poluanților în haldele de steril este acela de a aprecia modificările negative aduse solului prin îmbogățirea în elemente minore și majore, precum și evaluarea mobilității metalelor din soluri prin afinitatea lor de combinare cu carbonații/bicarbonați sau cu materia organică din sol [9]. 3. Impactul haldelor de roci sterile 3.1. Impactul haldei de steril Lonea 1 Halda de steril Lonea 1 are o suprafață de 59.800 m2 și este amplasată în partea superioară a bazinului hidrografic al Jiului de Est. Pentru o caracterizare omogenă a materialului depozitat a fost întocmit un sistem de prelevare a probelor de material de haldă alcătuit din 5 puncte de prelevare amplasate pe fiecare treaptă a depozitului de steril Lonea 1 (Figura 3). Rezultatele obținute din probele de sol prelevate din halda de steril Lonea 1 au fost omogenizate pentru fiecare element determinat, în funcție de intervalul de variație al concentrației (valoarea minimă și maximă) și concentrația medie obținută (Figure 4). În depozitul de steril Lonea 1, care aparține exploatării miniere Lonea, conținutul de arsen, cupru și plumb depășește valoarea normală, înregistrându-se doar în anumite orizonturi o poluare potențial semnificativă a solului. Conținuturile de crom și nichel depășesc pragul de alertă pentru categoria de folosință sensibilă, fiind reclamată în zonă o poluare potențial semnificativă. Prin urmare, este necesară declanșarea unei monitorizări suplimentare, urmată de aplicarea tehnicilor de ameliorare a solurilor pentru reducerea concentrațiilor de poluanți și diminuarea impactului potențial asupra mediului. Concentrațiile de stibiu, vanadiu, taliu și cadmiu 4

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 1-16

depășesc pragul de intervenție pentru folosințe sensibile și mai puțin sensibile, fiind necesară reducerea concentrațiilor de poluanți din soluri și întocmirea studiilor de evaluare a riscului. În zona depozitului de steril Lonea 1 a mai fost recoltată și analizată o probă de sol (Probă martor) dintro zonă neafectată de activitatea minieră, fiind considerată referința zonei studiate. Comparația dintre concentrațiile medii ale metalelor grele obținute din halda de steril Lonea 1 și concentrațiile metalelor grele obținute din proba martor a fost cuantificată cu ajutorului factorului de îmbogățire (Figura 5). Din punct de vedere al factorului de îmbogățire a solului din activitatea de extragere a materialului util din subteran, solul pe care a fost depus materialul haldat nu este îmbogățit (FÎ<10) și nu prezintă risc de poluare a apelor subterane și de suprafață [9]. Reacția pH a solului în probele recoltate din depozitul de steril Lonea 1 indică un sol moderat-acid cu tendințe spre puternic și foarte acid care favorizează levigarea metalelor în orizonturile inferioare (Figura 6).

Figura 3. Punctele de prelevare a solului din halda de steril Lonea 1 300

350

250

263

251

250

200 170

200

159

150

151

100 82

103

300

54 17 11 5

29 10 1

34 18

As Cd Co Concentrația minimă

54 28

Cr Cu Ni Concentrația maximă

33 22 13

39 22

Pb Sb Ta Concentrația medie

Figura 4. Concentrațiile metalelor în halda de steril Lonea

104 100

48 29 14

Sn Zn Proba martor

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 1-16

2.5 PS/ RS

2.28

2.0 1.5 1.0

0.97

0.86 0.96

1.15

1.10

0.95 0.90 0.68 0.72

0.61 0.40

0.5

0.73 0.69

0.68 0.77 0.31

0.0 As

Co Cr Cu Ni Pb Sb Îmbogățirea cu metale grele

Mn Ba Sn Zn Ti Ca Concentrația din proba martor

Figura 5. Factorul de îmbogățire al solului depozitat în halda de steril Lonea

6.9 5.8 7.5 unit pH

6.5 5.5

6.1 5.8

4.9

6.2 5.1

4.8

5.8 5.2

5.4

5.1 5.3

5.9

5.7 5.5

4.9

5.8 4.9

5.2

5 cm 30 cm 60 cm

4.5 3.5 Proba 1 Proba 2 Proba 3 Proba 4 Proba 5 Proba 6 60 cm

30 cm

5 cm

Proba martor

Figura 6 pH-ul probelor de sol prelevate din halda de steril Lonea

Concentrația cantitativă a metalelor grele și pH-ul solului, determinate din eșantioanele probelor de sol prelevate din halda de steril Lonea 1, atestă un risc scăzut de contaminare a Jiului de Est și a acviferului local. 3.2 Impactul haldei de steril Petrila Halda de steril aparținătoare exploatării miniere Petrila ocupă o suprafață de 135 ha, fiind amplasată în partea centrală a bazinului hidrografic al Jiului de Est. Caracterizarea omogenă a materialului depozitat în haldă, a fost realizată pe baza unei sistem de prelevare a probelor alcătuit din 6 puncte de prelevare, amplasate pe fiecare ramură a depozitului de steril Petrila (Figura 7).

Figura 7. Punctele de prelevare a solului din halda de steril Petrila 6

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 1-16

Din punct de vedere hidrologic, se remarcă prezența a patru lacuri, a căror suprafață este direct dependentă de sezon, regimul pluviometric zonal și exfiltrațiile locale. În perioadele în care se manifestă fenomene de torențialitate, halda de steril este străbătută de mai multe pâraie fiind afectată capacitatea de retenție a apei în corpul haldei. Rezultatele obținute din probele de sol prelevate din halda de steril aparținătoare exploatării miniere Petrila, au fost omogenizate pentru fiecare metal greu determinat în probe, în funcție de intervalul de variație al concentrației (valoarea minimă și maximă) și concentrația medie obținută (Figura 8). 80

300

260

250

60 206

50 155

162

200 175

162

150

129

111 79

68 48 27

26 13 2

0 As

24 11 2

Concentrația medie

102

Concentrația minimă

32 14

70 48 38

59 41 19

51 31 17

100 67

50 0

Concentrația maximă

V Proba martor

Figura 8. Concentrațiile determinate în probele din halda de steril Lonea

În depozitul de steril aparținător exploatării miniere Petrila, conținutul de cupru și plumb este ușor crescut peste valoarea normală (Tabelul 1), nefiind înregistrată o poluare potențial semnificativă a zonei. În majoritatea cazurilor, conținuturile de arsen, crom și nichel depășesc pragul de alertă pentru categoria de folosință sensibilă, fiind reclamată în zonă o poluare potențial semnificativă. Prin urmare, se impune declanșarea unei monitorizări suplimentare, urmată aplicarea tehnicilor de ameliorare a solurilor pentru reducerea concentrațiilor de poluanți și diminuarea impactului potențial asupra mediului. Concentrațiile de stibiu, vanadiu, taliu și cadmiu depășesc pragul de intervenție pentru folosințe sensibile și mai puțin sensibile, fiind necesară reducerea concentrațiilor de poluanți din soluri și executarea studiilor de evaluare a riscului. În zona adiacentă a depozitului de steril a fost recoltată și analizată o probă de sol (Probă martor) dintr-o zonă cercetată ca fiind neafectată de activitatea minieră, fiind considerată concentrația de referință a zonei studiate. Comparația dintre concentrațiile medii ale metalelor grele obținute din halda de steril Petrila și concentrațiile metalelor grele obținute din proba martor au fost cuantificată cu ajutorului factorului de îmbogățire (Figura 9). Din punct de vedere al factorului de îmbogățire a solului din activitatea de extragere a materialului util din subteran în regiunea exploatării miniere Petrila, solul pe care a fost depus materialul haldat nu este îmbogățit (FÎ<10), neexistând un risc de poluare a Jiului de Est și a apelor din corpul haldei. 6.5 PS/ RS 5.28

5.5

4.07

4.5 3.5 2.5

2.82 2.08

2.42 1.79

1.5

1.71

2.47

2.15

2.01

1.34

1.24

1.82

2.15 1.58 1.57 1.39

0.5 As

Cr Cu Ni Pb Sb Ta Îmbogățirea cu metale grele

V Mn Ba Sn Zn Ti Ca Concentrația din proba martor

Figura 9. Factorul de îmbogățire al solului depozitat în halda de steril Petrila

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 1-16

Reacția solului a probelor de sol recoltate din depozitul de steril Petrila (Figura 10) indică în majoritatea cazurilor un sol moderat acid în orizonturile superioare ale haldei și un sol puternic și foarte acid în orizontul inferior, cu variații moderate față de proba martor care favorizează levigarea metalelor grele în corpurile de apă situate în proximitatea haldei Petrila.

8 7 6

7.6 6.9

unit pH 6.1 5.6

5.8

5.6 4.9

4.4

5.9

5.8

6.1

6.7 6.2

6.2

5.7

5.8 5.1

5.5

5.3

5 cm 30 cm 60 cm

4.6

4 Proba 1

Proba 2

Proba 3

Proba 4

60 cm

Proba 5

30 cm

Proba 6

5 cm

Proba martor

Figura 10. pH-ul probelor de sol prelevate din halda de steril Petrila

Din punct de vedere al reacției solului se observă o acidifiere a solului în orizonturile inferioare ale solului, fiind astfel crescută capacitatea haldei de antrenare în apele subterane a metalelor grele. Datorită acestui fapt se impune aplicarea amendamentelor necesare pentru îmbunătățirea capacității de tamponare a solului din haldă. Concentrația cantitativă a metalelor grele și pH solului, determinată din eșantioanele probelor de sol prelevate din halda de steril Petrila, prezintă un risc scăzut spre moderat de contaminare a Jiului de Est și a acviferului local. 3.3 Impactul haldei de steril Jieț Halda de steril Jieț ocupă o suprafață de 7050 m2, fiind amplasată, într-o zonă urbanizată în vecinătatea râului Jieț. Pentru o caracterizare omogenă a materialului haldat, a fost realizat un sistem de prelevarea solului alcătuit din 4 puncte de prelevare amplasate în sistemul picior haldă – taluz superior, a depozitului de steril Jieț (Figura 11).

Figura 11. Punctele de prelevare a solului din halda de steril Jieț

Rezultatele obținute din probele de sol prelevate din halda de steril Jieț aparținătoare exploatării miniere Lonea, au fost omogenizate, pentru fiecare element identificat în eșantioanele probelor, în funcție de intervalul de variație al concentrației (valoarea minimă și maximă) și concentrația medie obținută (Figura 12). 8

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 1-16

300

250 255

250 200

200

153

150

148 127

100

74 50

42 14 7

135 94 100

99 70 36 28 24

18 8 3

33 18 6

67 51 43

62 37 15

As Cd Co Cr Cu Ni Pb Sb Ta Sn Concentrația maximă Concentrația minimă Concentrația medie

0 Zn Proba martor

Figura 12. Concentrațiile determinate în probele din halda de steril Jieț

În halda de steril Jieț aparținătoare exploatării miniere Lonea, conținutul de arsen, cupru și plumb este ușor crescut peste valoarea normală (Tabelul 1), nefiind înregistrată o poluare potențial semnificativa a zonei. Conținuturile de crom și nichel depășesc pragul de alertă pentru categoria de folosință sensibilă, fiind reclamată în zonă o poluare potențial semnificativă. Şi în cazul acestei halde este necesară monitorizarea unei monitorizări suplimentară, urmată de aplicarea tehnicilor de ameliorare a solurilor pentru reducerea concentrațiilor de poluanți și diminuarea impactului potențial asupra mediului. Concentrațiile de stibiu, vanadiu, taliu și cadmiu depășesc pragul de intervenție pentru folosințe sensibile și mai puțin sensibile, fiind necesară reducerea concentrațiilor de poluanți din soluri și elaborarea studiilor de evaluare a riscului. În zona adiacentă a depozitului de steril Jieț a fost recoltată o probă de sol (Probă martor) dintr-o zonă cercetată ca fiind neafectată de activitatea minieră, fiind considerată concentrația de referință a zonei studiate. Comparația dintre concentrațiile medii ale metalelor grele obținute din halda de steril Jieț și concentrațiile metalelor grele obținute din proba martor au fost cuantificate cu ajutorului factorului de îmbogățire (Figura 13). Din punct de vedere al factorului de îmbogățire a solului din activitatea de extragere a materialului util din subteran în regiunea exploatării miniere Lonea Pilier, solul pe care a fost depus materialul haldat nu este îmbogățit (FÎ<10), neexistând în cele mai multe cazuri riscuri asociate de poluare a râului Jieț cu metale grele provenite din haldă. 9.0 PS/ RS 8.0

7.82

7.0 6.0 5.0 4.0

2.91

3.0 2.0 1.0

0.89 1.00

0.50

1.57

0.48 0.57 0.64 0.90

1.62

1.15

1.05 1.08 0.89

0.33

0.81

0.0 As

Îmbogățirea cu metale grele

Concentrația din proba martor

Figura 13. Factorul de îmbogățire al solului depozitat în halda de steril Jieț

Cadmiul reclamă o prezență semnificativ supraunitară față de referința regiunii, însă din punct de vedere al factorului de îmbogățire nu reprezintă un pericol real pentru sferele ecologice locale însă, caracterul toxic și mobilitatea ridicată a elementului impune o monitorizare suplimentară în apele de suprafață (râul Jieț). pH-ul probelor de sol prelevate din halda de steril Jieț indică un sol moderat acid cu mici variații (Max 1,3 unit pH) față de concentrația probei martor (Figura 14). 9

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 1-16

6.8

unit pH 6.5

6.5

6.1 5.7

6.2

5.8

5.4

5.9 5.3

5.5

5.8

5.5

5.7

5 cm 30…

5.2

60…

5 Proba 1

Proba 2

Proba 3 60 cm 30 cm

Proba 4 5 cm

Proba martor

Figura 14. pH-ul probelor de sol prelevate din halda de steril Jieț

Concentrația cantitativă a metalelor grele și pH solului, determinată din eșantioanele probelor de sol prelevate din halda de steril Jieț, prezintă un risc scăzut spre mediu de contaminare a râului Jieț și a lacurilor locale. 3.4 Impactul haldei de steril Livezeni Halda de steril Livezeni ocupă o suprafață de 30.700 m2, fiind amplasată în partea inferioară a râului Jiul de Est. Sterilul extras din mina Livezeni şi cel rezultat din sortarea cărbunelui este format dintr-un amestec eterogen, atât din punct de vedere petrografic, cât şi granulometric. Acesta provine, în cea mai mare parte, din rocile sterile din orizonturile productive şi cele bazale ale sinclinalului carbonifer Petroşani, fiind constituit din argile, argile grezoase, marne, gresii, șisturi cărbunoase şi fragmente de cărbune. Pentru o caracterizare omogenă a materialului haldat, a fost realizat un sistem de prelevare a solului alcătuit din 3 puncte de prelevare amplasate în sistemul picior haldă – taluz superior, a depozitului de steril Livezeni (Figura 15).

Figura 15. Punctele de prelevare a solului din halda de steril Livezeni

Rezultatele obținute din probele de sol prelevate din halda de steril aparținătoare exploatării miniere Livezeni, au fost omogenizate, pentru fiecare element determinat în probă, în funcție de intervalul de variație al concentrației și concentrația medie (Figura 16).

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 1-16

180 mg / kg dry matter

160

171 142

160

140

120

117

126

120

140

154

119 99 100

100

80 60 40

0 As

Concentrația maximă

56 45

55 39

37 27

36 29 20

26 14 4

25 11 3

71 60

66 49

60 41

20 0

Concentrația minimă

Concentrația medie

Zn Proba martor

Figura 16. Concentrațiile determinate în probele din halda de steril Livezeni

În depozitul de steril Livezeni, conținutul de arsen, cupru și plumb este ușor crescut peste valoarea normală (Tabelul 1), nefiind înregistrată o poluare potențial semnificativa a zonei. Conținuturile de crom și nichel depășesc pragul de alertă pentru categoria de folosință sensibilă, fiind reclamată în zonă o poluare potențial semnificativă. Prin urmare, este necesară declanșarea unei monitorizări suplimentare urmată aplicarea tehnicilor de ameliorare a solurilor pentru reducerea concentrațiilor de poluanți și diminuarea impactului potențial asupra mediului. Concentrațiile de stibiu, vanadiu, taliu și cadmiu depășesc pragul de intervenție pentru folosințe sensibile și mai puțin sensibile, fiind necesară reducerea concentrațiilor de poluanți din soluri și executarea studiilor de evaluare a riscului. În zona depozitului de steril Livezeni a mai fost recoltată și analizată o probă de sol (Probă martor) dintro zonă neafectată de activitatea minieră, fiind considerată referința zonei studiate. Comparația dintre concentrațiile medii ale metalelor grele obținute din halda de steril Livezeni și concentrațiile metalelor grele obținute din proba martor au fost cuantificată cu ajutorului factorului de îmbogățire (Figura 17). Din punct de vedere al factorului de îmbogățire a solului din activitatea de extragere a materialului util din subteran, solul pe care a fost depus materialul haldat nu este îmbogățit (FÎ<10) și nu prezintă risc de poluare a apelor subterane și de suprafață. 5.0 CP/ CM 4.44 4.5 4.0

4.35

3.47

3.5

3.90

3.76 3.23 3.36

3.22

2.74

3.0

2.27

2.5

1.97

2.0

2.17

2.17 1.75

1.93 1.85 1.46

1.5 1.0 0.5

Cr Cu Ni Pb Sb Îmbogățirea cu metale grele

V Mn Ba Sn Zn Ti Concentrația din proba martor

Figura 17. Factorul de îmbogățire al solului depozitat în halda de steril Livezeni

Abundența metalelor grele din punct de vedere al factorului de îmbogățire este mult superioară în comparație cu celelalte halde de steril (Lonea, Petrila, Jieț), ceea ce poate fi o consecință a procesului mai intens de încarbonizare din partea vestică a bazinului Petroșani. Reacția pH a probelor de sol recoltate din depozitul de steril Petrila indică în un sol moderat și slab acid cu variații mici spre moderate (max 2 ÷ 3 unități pH) față de proba martor (figura 18). 11

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 1-16

6.3 5.7

6.5 unit pH 6 5.5 4.2 5 4.5 3.8 4 3.5 Proba 1

6.4

6.2 6.1

5.9

5.7 5.8

5 cm

4.7

30 cm 60 cm

Proba 2

Proba 3 60 cm

30 cm

Proba martor

Figura 18. pH-ul probelor de sol prelevate din halda de steril Livezeni

Din punct de vedere al reacției solului se observă o acidifiere a solului în orizonturile situate la baza taluzului, fiind astfel crescută capacitatea haldei de antrenare în apele subterane a metalor grele. Ca urmare, se impune aplicarea amendamentelor necesare pentru îmbunătățirea capacității de tamponare a solului din haldă. Concentrația cantitativă a metalelor grele și pH solului, determinate din eșantioanele probelor de sol prelevate din halda de steril Livezeni, prezintă un risc scăzut spre mediu de contaminare a Jiului de Est și a acviferului local. 4. Impactul general al haldelor de steril din estul Văii Jiului asupra calității apelor Conținutul de metale grele din soluri provine în principal de la extragerea și prepararea huilei. Pe lângă acestea, o influență semnificativă au şi activitățile antropice cum sunt prelucrarea lemnului, arderea cărbunilor, traficul rutier, arderea cărbunelui și micro-agricultura zonală desfășurată în gospodăriile umane. De asemenea, incendiile necontrolate ale vegetației contribuie la creșterea conținutului de metale din solurile adiacente haldei de steril. Îmbogățirea solului în cadmiu este cauzată în principal de poluarea antropogenă, respectiv industria minieră (extragerea huilei din subteran), de utilizarea fertilizatorilor în microagricultura zonală, precum şi de mișcarea ascendentă a metalelor în soluri ca urmare a precipitării repetate şi asocierii cu materia organică prezentă în orizonturile organice (partea superioară a solului). Utilizarea fertilizatorilor cu conținut ridicat de zinc sau fosfor, pe lângă îmbogățirea solului, mobilizează și alte metale grele: Ni, Cu, Cd, V, Cr etc. În vecinătatea haldelor de steril din estul Văii Jiului sunt depozitate în mod necontrolat deșeuri menajere, care pot avea un impact negativ asupra chimiei apelor de suprafață, deoarece în astfel de depozite sunt generate temperaturi ridicate care tind să volatilizeze cadmiul, furnizând un mecanism pentru intrarea sa în circuitul hidrologic prin antrenarea particulelor pe direcția predominantă a vântului. Sursele antropogene de crom sunt reprezentate de arderea cărbunilor superiori în gospodării și termocentrale, iar sursele de plumb reprezentate de extracția şi prelucrarea minereurilor, dar şi de combustia benzinelor cu aditivi de Pb (tetra-metilul de plumb Pb(CH3)4 şi tetra-etilul de plumb, Pb(CH3CH2)4). Deoarece materialul depozitat în haldele de steril din Estul Văii Jiului nu este considerat a fi îmbogățit în metale grele, nu se impune continuarea cercetărilor cu privire la aprecierea gradului de mobilitate a metalelor grele în sol. În cazul în care este considerată o predispoziție de îmbogățire a corpului de apă (subterană și/sau suprafață) cu metale grele, gradului de mobilitate a acestora poate fi determinat prin proceduri secvențiale de extracție [9]. Procedurile de extracție secvențială oferă o imagine a asocierilor chimice de metale cu faze sedimentare specifice, în care pot fi estimate disponibilitatea biologică, mobilitatea în mediu şi semnificația pentru mediu a metalelor [10]. Mobilitate ridicată F1 – metalul este mobil (solubil și schimbabil); F2 – metalul se leagă de carbonați; F3 – metalul se leagă de oxizii de magneziu; F4 – metalul se leagă de materia organică și sulfați; F5 – metalul se leagă de oxizii de fier amorfi și slab cristalini; F6 – metalul se leagă de oxizii de fier cristalini; F7 – fracția reziduală = F8 – (ƩF1 ÷F6); F8 – conținutul total prin digestia completă cu apă regală; 12

Mobilitate scăzută

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 1-16

Haldele de steril din estul Văii Jiului, sunt caracterizate în general printr-o copertă vegetală redusă, roci necoezive, unghiuri ale taluzurilor foarte mari, ceea ce favorizează infiltrațiile și scurgerea superficială, efectul fiind amplificat de un regim pluviometric ridicat și intercepția redusă datorată lipsei copertei vegetale. Astfel, debite importante de apă se infiltrează în hadele de steril unde, în funcție de conținutul de oxigen din aer, pH, agenții de complexare, potențialul de oxido-reducere a haldei, se formează drenajul acid care favorizează levigarea metalelor și precipitarea sărurilor cu consecințe pentru contaminarea solurilor, apelor de suprafață și subterane (Figura 19).

Figura 19. Influența depozitelor de steril asupra bazinelor hidrografice

O contaminare a apelor subterane se răsfrânge în principal asupra ecosistemelor acvatice prezente în Jiul de Est, care în timp pot bioacumula foarte ușor metale grele din mediu, deoarece timpul de expunere pentru majoritatea speciilor este 100%, datorită incapacității ecosistemelor acvatice de a schimba mediul de viață. Din punct de vedere toxicologic, poluarea cu elemente minore exercită efecte doar la nivel regional sau al bazinului hidrografic. Impactul major exercitat asupra sănătății populației regionale este produs de complexitatea acestor efecte care se manifestă într-un ecosistem acvatic în funcție de necesitățile umane. Mobilitatea elementelor majore și minore în corpul haldelor de steril depinde în primul rând de infiltrarea eficace a apelor din precipitații în corpul haldelor, ape care alimentează acviferul, ridicând implicit nivelul hidrostatic. Astfel, sunt create premisele de creștere a solubilității metalelor în apele subterane. 5. Cercetări privind infiltrația eficace din zona estică a Văii Jiului Pentru determinarea infiltrației eficace în corpul haldelor de steril (Tabelul 2) a fost utilizată metoda SINTACS [1], care presupune într-o fază incipientă corecția valorilor medii lunare ale temperaturii în funcție de cantitatea lunară de precipitații și calculul evapotranspiraţiei reale (ER), în scopul obținerii precipitației eficace. Calculul infiltrației în regiunile haldelor de steril aparținătoare exploatărilor miniere din estul Văii Jiului a fost utilizat pentru cazul unui teren foarte permeabil, fiind utilizată valoarea precipitațiilor medii și coeficientul de infiltrație al solului în funcție de textură [9]. Tabelul 2. Infiltrația eficace a precipitațiilor

Anul

Precipitația medie anuală [mm/an]

2017

771

2018

Tipul de sol haldat

Coeficientul de infiltrație

Predominant nisipos argilos

*IEa [mm/an]

**IEb [mm/an]

441,85

82,29

192,75

391,33

148,67

246,50

0,25

986

* IEa - Infiltrația eficace pentru un sol permeabilitate redusă sau permeabile ** IEb - Infiltrația eficace pentru un sol foarte permeabil 13

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 1-16

În zona estică a Văii Jiului, precipitația eficace în anii secetoși reprezintă mai puțin de 50 % din cantitatea totală de precipitații [9], ceea ce înseamnă că o mare parte din apa provenită din precipitații se evaporă înainte de contactul cu solul. Acumularea apelor în corpul depozitelor de steril din estul Văii Jiului are loc prin infiltrația eficace a precipitațiilor, infiltrația apelor de șiroire și acumularea din izvoare subterane [9]. Gradul de infiltrație a apelor în corpul haldelor variază în funcție de permeabilitatea rocilor, porozitatea și tipul porozității, coeficientul de afânare al solului haldat, intensitatea şi durata precipitațiilor locale. Din punct de vedere al tipului predominant de sol depozitat în haldele de steril (argilos-nisipos) din estul Văii Jiului, rocile argiloase active susceptibile adesea, la umflări și contracții mari, imprimă haldelor efecte pozitive datorate reducerii coeficientului de infiltrație, dar și efecte negative care pot conduce la schimbarea caracteristicilor de consistență şi rezistență ale materialului haldat. Capacitatea de cedare a apei de către rocile argiloase-nisipoase halate saturate este redusă, însă datorită neuniformității materialului haldat în unele regiuni ale haldelor de steril (SSV, SSE și NNV Haldei Petrila și NV Haldei Lonea) au fost observate exfiltrații, indicând în regiunea respectivă o permeabilitate mai ridicată a rocilor și o posibilă cale de transfer a metalelor grele din halde în Jiul de Est. 6. Cercetări privind calitatea apelor subterane din zona estică a Văii Jiului Corpul de apă subterană, freatică şi de adâncime din Depresiunea Petroşani, este de tip fisural, fiind acumulat în conglomerate, gresii, marne şi argile șistoase, de vârstă burdigaliană din alcătuirea bazinului sedimentar Petroşani. Acest bazin prezintă o structură de sinclinal orientat pe direcția V-E, axul fiind situat la N de Jiul de Vest (Jiul Românesc) [10]. La est de localitatea Vulcan, bazinul prezintă structura unui sinclinoriu. Anticlinalul median (anticlinalul Slătioarei) separă spre E două sinclinale de o amploare mai mică: la N, sinclinalul Petrila, iar la S, sinclinalul Sălătruc. Bazinul a fost afectat de numeroase falii longitudinale, dezvoltate pe marginile sale și de o serie de falii transversale, dintre care cele mai importante sunt cele din zona Petrila [10]. Depozitele burdigaliene acvifere sunt parțial neacoperite, parțial acoperite de sol sau de diferite tipuri genetice de depozite cuaternare (fluviale, aluviale, deluviale, coluviale, eluviale etc.) [9]. Gradul de protecție al apelor subterane este puternic nesatisfăcător, deoarece acviferul nu este alimentat suficient, Alimentarea se realizează în principal prin zona de ramă, din apele de la suprafața terenului şi din precipitații [10]. Din punct de vedere cantitativ, debitele izvoarelor subterane oscilează în funcție de anotimp între 0,14 şi 6 l/s iar infiltrația eficace regională este situată între 315 și 472,5 mm/an. Calitatea acviferului din bazinul hidrografic al Jiului de Est a fost evaluată în 4 puncte de prelevare (Figura 20) în conformitate cu anexele II și V ale directivei cadru apă 2000/60/CE [11].

Figura 20. Punctele de prelevare a probelor de apă subterană 14

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 1-16

Punctele de prelevare au fost alese în scopul evaluării modului în care corpul de apă subterană influențează negativ calitatea Jiului de Est în zonele de conectivitate. În punctele de prelevare au fost selectați indicatorii de calitate reprezentativi din punct de vedere al activităților antropice locale (Tabelul 3) [9]. Tabelul 3. Calitatea apei subterane

Punct prelevare

pH [unit pH]

Conductivitate [µS/m2]

Arsen [µg/l]

Crom [µg/l]

Cupru [µg/l]

Plumb [µg/l]

Mercur [µg/l]

Calitatea apei

S1 S2 S3 S4

6,68 6,74 6,89 7,11

132,9 88,9 128,6 130,5

4 4 3 3

2 2 SLD* 1

1 3 1 SLD*

2 1 3 SLD*

SLD* SLD* SLD* SLD*

Bună Bună Bună Bună

SLD* - sub limita de detecție

În corpul de apă subterană, din punct de vedere al conductivității, nu sunt indicate intruziuni saline sau de alt tip provenite din activitatea de extragere a cărbunelui; pH-ul apei se află în jurul echilibrului neutru al apei iar din punct de vedere al poluanților (metale grele) acestea se găsesc în concentrații foarte reduse, lucru datorat fondului natural geologic. Cercetările desfășurate de Kovacs, M et. al în anul 2014 cu privire la impactul concentrațiilor de pulberi sedimentabile generate de activitățile antropice din Valea Jiului asupra populației, caracterizează zona studiată ca fiind influențată de activitățile miniere deoarece rezultatele obținute în decursul cercetărilor depășesc în unele cazuri concentrațiile maxime admise de 17 mg pulberi/ lună. Deversările de ape uzate provenite de la unitățile miniere active din estul Văii Jiului (E.M Lonea și E.M Livezeni) nu depășesc limitele de încărcare cu poluanți ai apelor uzate industriale și orășenești la evacuarea în receptorii naturali reglementați de normativul NTPA 001/2005 [11] 7. Concluzii Impactul semnificativ al mineritului prin depozitarea materialului steril la suprafața terenului are implicații majore asupra factorului de mediu apă și sol, astfel din punct de vedere al analizei calitative și calitative pentru elementele majore și minore ale haldelor de steril aparținătoare EM Petrila şi Livezeni, cercetările desfășurate pentru toate metalele studiate apreciază un factor de îmbogățire ridicat în comparație cu proba martor. În cazul haldei de steril Lonea 1 a fost apreciat un factor de îmbogățire ridicat pentru titan, mangan și vanadiu, iar pentru Halda Jieț a fost apreciat un factor de îmbogățire mare pentru cupru vanadiu, mangan, bariu, zinc, titan și depășire foarte mare a probei martor în cazul cadmiului. Capacitatea de oxido-reducere a haldelor de steril din estul Văii Jiului indică un pH foarte acid către moderat acid in orizonturile inferioare ale haldelor de steril, iar in orizonturile superioare un pH slab acid spre moderat acid cu tendințe de alcalinizare în unele zone ca urmare a migrației/ acumulării ionilor H+ și H3O+ in orizonturile inferioare sub influența regimului pluviometric local. Cercetările desfășurate asupra apelor subterane de mică adâncime indică conductivități reduse, pH neutru, prezență scăzută a metalelor in apă ceea ce indică o calitate bună a apelor. În finalul cercetarilor putem susține că, haldele din partea de est a Văii Jiului au o capacitate mare de transfer a contaminanților în zona nesaturată, ceea ce impune implementarea măsurilor de reabilitare ecologică a zonelor aflate în pragurile de intervenție conform ordinului 756/1997. Bibliografie [1] Lazăr M, Dumitrescu I., 2006 Antropic impact on the environment (în română), Editura Universitas, Petroşani [2] Țutuianu O., 2006 Assessing and reporting environmental performance - environmental indicators (în română), Editura AGIR, București [3] Ionescu C, Moldovan C., 2005 Coal chemistry (în română), Editura Bren, București [4] Kovacs M, Toth L, Gheţie G, Drăghici A, Vasiu T., Laurenţiu G., 2014 Best management practices applied to prevent and reduce concentrations of dust and gases released from power plants, Environmental Engineering and Management Journal, 13, No.16, 1421-1426 15

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 1-16

[5] SR EN 15309, 2007 Characterization of waste and soil - Determination of the elemental composition by X-ray fluorescence" using certified reference material [6] NIST SRM 2711a Soil Montana II for the soil matrix, certified reference material [7] Order no. 756, 1997 Environmental pollution assessment with subsequent amendments and completions, Romania Official Journal [8] Nalboc I, Prodan M, Szollosi-Mota A., 2013 Establishing the Romanian coal quality from Jiu Valley, Proceedings of the 3 rd International Conference Energy, Tehnology and climate changes, Slovenia ISBN 978-961-281-074-0, 2013 [9] Simion A., 2019 Raport de doctorat 01, 02, 03, Universitatea din Petroșani, Romania [10] Dryden I.C., 1951 Action of solvents un coals at lower temperatures mechanism of extraction of coals by specific solvents and the significance of quantitative measurements, Fuel 30 [11] Romanian waters basin administration, 2021 Annual report for Jiu river basin 2016 – 2021 (în română) Acest articol este cu acces deschis, distribuit pe baza licenței Creative Commons BY SA 4.0. Autorii păstrează drepturile de autor și sunt de acord cu termenii licenței CC BY SA 4.0 menționate mai sus.

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590 vol. 27, nr. 3 / 2021, pp. 17-29

ÎMBUNĂTĂȚIREA PERFORMANȚELOR TEHNICO-ECONOMICE LA SALINA PRAID PRIN EXPLOATAREA MECANIZATĂ A SĂRII CU COMBINA Ilie ONICA1, Dacian-Paul MARIAN2*, Viorel MIHĂILESCU 3 1

Universitatea din Petroșani, Petroșani, Romania, onicai2004@yahoo.com Universitatea din Petroșani, Petroșani, Romania, dacianmarian@upet.ro 3 Universitatea din Petroșani, Petroșani, Romania, vrlmih@gmail.com

DOI: 10.2478/minrv-2021-0022 Rezumat: Creșterea adâncimii de exploatare la Salina Praid și implicit a stării de tensiuni și deformații determină mărirea dimensiunilor structurilor de rezistență (pilieri și planșee). Mai mult decât atât, efectul seismic generat de detonarea explozivilor contribuie la degradarea structurilor de rezistență. Pentru reducerea efectului distructiv al tehnologiei de perforare-împușcare se propune implementarea tehnologiei de tăiere mecanizată a sării cu combina de înaintare. În acest articol se evidențiază avantajele tehnico-economice de implementare, la extragerea orizonturile inferioare ale Sectorului Nou, a tehnologiei de exploatare mecanizată cu combina, în raport cu tehnologia clasică, de tăiere prin perforare-împușcare. Cuvinte cheie: sare gemă, camere și pilieri, perforare-împușcare, combină de înaintare, capacitate de producție, cost de producție. 1. Generalități Bazinul Praid este situat pe rama estică a Bazinului Transilvaniei, la baza Munţilor Gurghiu şi care formează o microregiune bine definită, denumită „Zona Ocnelor de Sare” [1]. Masivul de sare Praid face parte dintr-o structură anticlinală diapiră care se dezvoltă pe cca. 25 km lungime, de la Săcădat (la nord de Sovata) până la Corund. În cadrul acestui anticlinal sarea străpunge cuvertura medio-pliocenă în cei doi stâlpi diapiri: Sovata şi Praid (fig.1) [2] .

Figura 1. Secţiune geologică verticală prin masivul de sare Praid [1]

Sarea din stâlpul diapir Praid a bombat lunca şi terasele văilor Târnava Mică şi Corund, pe o suprafaţă de cca. 1,5 km2, creând o formă morfologică de dom cu înălţimea maximă de 100 m [1] . Corpul de sare, în plan orizontal, are o formă cvazicirculară, uşor elipsoidală, cu diametrele de 1,2 şi 1,4 km. Pe baza sondelor structurale se apreciază că are o adâncime de îngropare de 2,7 - 3,0 km, fiind astfel cel mai dezvoltat şi robust corp diapirogen din ţară.

Autor corespondent: Dacian-Paul Marian, Assoc.Prof. PhD. Eng., University of Petroșani, Petroșani, Romania, contact (University st. no. 20, Petroșani, Romania dacianmarian@upet.ro) *

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 17-29

Sarea de la Praid are un aspect macrocristalin sau microcristalin, fiind impurificată cu dispersii mecanice singenetice, constituite din argile, marne, gresii, calcare cristaline etc., sub formă de diseminări, impregnaţii, incluziuni stratiforme sau enclave de diferite dimensiuni [2]. Exploatarea sării geme la Praid a început în anul 1762, în camere tip clopot, iar din anul 1864, exploatarea a continuat cu camere mari trapezo-dreptunghiulare, în mina Paralelă și, apoi, în mina Gheorghe Dozsa. În prezent, sarea gemă se exploatează sub minele vechi (sub care s-a lăsat un pilier de siguranță cu grosimea de 40 m) cu camere mici și pilieri lungi dreptunghiulari (Sectorul Nou) și cu camere mici și pilieri pătrați, în sectorul minier Telegdy [2]. Creşterea adâncimii de exploatare de la Salina Praid la peste 300m determină, în mod evident, o amplificare a stării de tensiuni şi deformaţii, accentuată în jurul excavaţiilor miniere subterane. În acest context, solicitarea structurilor de rezistenţă (pilieri şi planşee) devine excesivă, depăşind limitele de rezistenţă ale masivului de sare gemă. În zonele cu o geometrie favorabilă concentratorilor de tensiuni, de pe perimetrul camerelor, apar efectele distrugerii continuităţii masivului de sare, prin producerea de fisuri şi crăpături, care conduc la reducerea capacităţii portante a acestor structuri şi, uneori, chiar la desprinderi locale de sare de pe contur (copturi). Din analizele de stabilitate cu elemente finite (fig.2) efectuate pentru structurile de susţinere din Sectorul nou, cu exploatarea integrală a camerelor dintre orizonturile +286 m şi +188 m s-au desprins următoarele concluzii mai semnificative [3]: a) La orizontul +188 m, care este prevăzut să intre în exploatare cu combina în viitorul apropiat, se poate aprecia că planşeul şi vatra camerelor va avea o stabilitate foarte bună, însă pot apărea fenomene de desprindere a sării din pereţii camerelor (în special datorită solicitărilor de forfecare) - mai pregnant la limita dintre pilieri şi planşeu; b) Având în vedere stabilitatea la limită a structurilor de susţinere de la oriz.+188 m, utilizarea combinelor în procesul tehnologic de extragere a sării, în comparaţie cu tăierea cu explozivi, conferă structurilor de susţinere condiţii de creştere a stabilităţii; mai mult decât atât, extragerea camerelor în două felii de câte 5 m asigură, cel puţin pe perioada exploatării primei felii, condiţii suplimentare de stabilitate; c) În ceea ce priveşte exploatarea în adâncime, sub oriz.+188 m, a zăcământului de sare de la Praid, se consideră că este necesar un studiu aprofundat pentru reconsiderarea dimensiunilor camerelor şi pilierilor. Apreciem că, exploatarea în continuare, sub oriz.+188 m, conservând dimensiunile actuale ale structurilor de susţinere, va conduce implicit la scăderea cu mai mult de 20 - 30% a coeficientului de siguranţă, cel puţin la nivelul suprafeţei exterioare a pilierilor şi planşeelor, înrăutăţindu-se, astfel, condiţiile de stabilitate a structurilor de susţinere.

Figura 2. Reprezentarea scalară a tensiunilor principale [3]: a) maxime, în kN/ m2; b) minime, în kN/m2

Din concluziile de mai sus rezultă obligativitatea de a creşte dimensiunile pilierilor şi planşeelor dintre subetaje, ţinând seama de reducerea coeficienţilor de siguranţă odată cu creşterea adâncimii de exploatare. Aceste fenomene sunt amplificate de efectele repetate ale undelor seismice generate de detonarea sistematică (la un interval de cca.1-3 zile) a peste 200 kg de exploziv – fenomen seismic indus, echivalent cu un cutremur natural de 4-5 grade pe scara Richter. Ca efect singular, aceste fenomene generate de undele seismice ar putea fi apreciate nesemnificative însă, efectul lor cumulativ, de-a lungul anilor şi chiar zecilor de ani, este unul foarte important, distrugând integritatea structurilor de rezistenţă, pe o adâncime apreciată la mai mult de 0,75-1,00 m. Drept urmare, singura soluţie pentru continuarea exploatării în adâncime a zăcămintelor de sare, utilizând tehnologia de perforare-împuşcare, este creşterea dimensiunii pilierilor şi planşeelor peste cea necesară, exact 18

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 17-29

cu partea degradată din cauza detonării explozivilor. Această măsură are ca efect negativ reducerea gradului de recuperare a zăcământului, care este oricum destul de mic. Chiar şi aşa, pe termen lung, stabilitatea excavaţiilor miniere este afectată în mod iremediabil. Mai concret, dacă de la începuturile exploatării zăcământului s-ar fi utilizat altă tehnologie de tăiere a masivului de sare decât cea cu explozivi, stabilitatea structurilor de rezistenţă a excavaţiilor miniere subterane existente la Salina Praid (şi nu numai) ar fi fost mult mai bună. Mai mult decât atât, evidenţiem faptul că, în afara rezervelor de sare valorificate prin exploatare, excavaţiile subterane au ele însele o viitoare valoare de ”reutilizare” (pentru turism, sanatorii, depozite subterane, refugii în caz de calamnităţi etc.). Unica soluţie eficientă existentă pentru rezolvarea problemelor de stabilitate evidenţiate mai sus, este renunţarea la utilizarea explozivilor pentru extragerea sării geme din masiv, în favoarea tăierii mecanice cu ajutorul combinelor de înaintare sau de abataj atât datorită avantajelor tehnice rezultate din implementarea tehnologiei de tăiere cu combina, cât şi avantajelor tehnico-economice şi economico-financiare, în raport cu tehnologia de tăiere prin perforare-împuşcare. Menţionăm că, pe plan mondial, există o bogată experienţă de utilizare cu succes a tehnologiei de tăiere cu combina la exploatarea unor zăcăminte de sare gemă şi a altor halogenuri sau evaporite, în general (cum ar fi o serie de zăcăminte din Spania, Polonia, SUA ş.a), ceea reprezintă un argument important în favoarea adoptării tehnologiei de extragere a sării cu combina la Salina Praid [4, 5]. 2. Alegerea combinei de înaintare pentru condiţiile tehnice şi geo-miniere ale Salinei Praid Principalele condiţii tehnice şi geo-miniere impuse combinei de înaintare, adecvată pentru condiţiile geominiere existente la Salina Praid, respectiv cele de la nivelul oriz. +188 m, Sectorul Nou, sunt următoarele [6]: 1) Să fie capabilă să excaveze un profil al camerelor de exploatare cu secţiunea maximă de 200 m2, înălţimea maximă de 10 m şi lăţimea maximă de 20 m, în două felii de câte 5 m, împărţite în 3 fâşii cu lăţimea de 6,66 m (respectiv, să poată tăia un profil cu înălţimea de 5 m şi lăţimea de 6,66 m, dintr-o singură poziţie a combinei); 2) Să poată săpa (descendent pe înclinare) un plan înclinat, cu profil dreptunghiular, cu înclinarea maximă de 10-12o, secţiunea de 55 m2, înălţimea de 5 m şi lăţimea de 11 m, din două poziţii ale combinei; 3) Şenilele combinei să nu penetreze în vatra lucrărilor miniere excavate; 4) Să poată realiza o capacitate de producţie medie anuală de sare gemă la nivelul Salinei Praid de minim 100 000 de tone/an; 5) Consumul specific de cuţite să fie cât mai redus; 6) Să fie posibilă alimentarea cu energie electrică, în condiţiile sistemului energetic actual existent la Salina Praid, fără investiţii substanţiale; 7) Să fie o combină utilizată cu succes, pe plan mondial, în condiţiile minelor de sare sau al altor formaţiuni evaporitice; 8) Să deţină o fiabilitate foarte bună, să fie uşor de întreţinut şi exploatat şi să asigure condiţii maxime de sănătate şi securitate în subteran; 9) Să poată realiza restricţiile impuse mai sus în condiţiile caracteristicilor geomecanice specifice zăcământului de sare de la Salina Praid. Luând în considerare condițiile impuse de mai sus, în lucrarea au fost puse în competiţie un număr de 30 de combine de înaintare cu atac punctiform (axiale şi transversale), cu masa în jurul valorii de 100 de tone, ţinând seama de următoarele criterii de selecţie [6,7]: A) Acoperirea dimensiunilor secţiunii transversale a excavaţiilor miniere; B) Corelarea înclinărilor direcţionale şi transversale ale lucrărilor miniere cu posibilităţile tehnice ale combinelor; C) Penetrarea şenilelor în vatra lucrării miniere; D) Performanţele principale ale combinei (a debitului instantaneu la tăiere cu combina şi consumul specific de cuţite) [7,8,9,10,11] ; E) Experimentarea cu succes a combinei în condiţii geo-miniere similare [4, 5]. Cele 30 de combine de înaintare puse în competiţie au fost următoarele: MH 620; MT 720; ATM 105 IC; AM 105-Ex; MR 520; AM 105 ICUTROC; ET 120; ET 170; ET 180; ET 210; ET 250; ET 380; ET 250; ET 380; ET 410; ET 410Q; ET 450; ET 450L; ET 480; Mk-3; Mk-4; AQM-200; T 1.14; T 1.24; T 2.24; T 3.20; T 3.20S; EBZ 318H; EBZ 260H; EBZ 200H. Aplicând succesiv criteriile de selecţie menționate mai sus, au fost eliminate, rând pe rând, 27 de combine, rămânând în final, după al patrulea criteriu, următoarele 3 combine de înaintare: ET 250; MR 520; AQM-200. Iar 19

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 17-29

la sfârşitul analizei, luând în considerare „experimentarea cu succes a combinelor în condiţii geo-miniere similare” cu cele întâlnite la Salina Praid, a fost selectată combina Sandvik MR-520 (Alpine Miner AM 85-P) [6].

Figura 3. Combina de înaintare Sandvik MR-520

Combina de înaintare cu atac punctual Sandvik MR-520 este o maşină de tăiere cu organe transversale, cu masa de 102 tone și cu o putere instalată de 547 kW. Dispunerea în spirală a cuţitelor pe organele de tăiere asigură tăierea cu succes a intercalaţiilor sterile. Înalta performanţă a dispozitivului de încărcare este dată de faptul că maşina este echipată cu nişte stele de încărcare, în locul vechiului sistem cu braţe de încărcare, care adună materialul de pe întreaga lăţime a plugului de încărcare. Accesoriile speciale, cum ar fi transportorul cu lanţ pivotant, şi viteza mare de deplasare, o face utilizabilă în condițiile aplicării metodei de exploatare cu camere şi pilieri. Capacitatea dispozitivului de încărcare de a stoca un volum mare de sare face posibilă tăierea frontului de lucru în timpul operaţiunii de schimbare a utilajelor de transport (camioanelor), aceasta reducând timpii neproductivi. Combina se deplasează pe şenile acţionate de motoare hidraulice. Panta de până la 20o poate fi urcată fără echipament auxiliar. Principiul tăierii prin atac punctiform, cu braţ pivotant în toate direcţiile, face posibilă tăierea oricărui profil dorit dintr-o singură trecere, profilul maxim de tăiere fiind de aprox. 44 m² şi 5,2 m în înălţime. Combina Sandvik MR-520 este recomandată tăierii rocilor cu rezistenţa la compresiune de până la 100 MPa. 3. Exploatarea sării cu combina în Sectorul Nou – Salina Praid Adoptarea tehnologiei de exploatare cu combina se referă la extragerea zăcământului de sare în Sectorul Nou, începând de la orizontul +188 m, la o capacitate de producţie de 100 000 tone/an, sare de drumuri sort 08 mm, simultan cu exploatare prin „perforare-împuşcare”, în Sectorul Teledgy, începând de la orizontul +432 m, la o capacitate de producţie de 10 000 tone/an, sare bulgări (Fig.4) [6, 12]. Implementarea programului de introducere a combinei va începe odată cu punerea în funcţiune a combinei şi a utilajelor conexe (desprăfuitor, transformator, cofrete, cablul electric de alimentare a combinei etc.) în camera de montaj de la oriz.+432 m, Teledgy. Combina, desprăfuitorul şi echipamentele conexe vor fi transportate pe subansambluri de la suprafaţă, prin gura galeriei de coastă, până în camera de montaj. Lungimea lucrării miniere (galerie de coastă şi plane înclinate) de deplasare a combinei şi a echipamentelor conexe (pe subansambluri), dintre gura galeriei de coastă şi locul de montare a combinei situat la cota +432 m este de pest 1,2 km. Pentru începerea exploatării camerelor la oriz. +188 m este necesară realizarea conexiunii acestui orizont cu camera de montaj de la oriz.+432 m, prin oriz.+286 m. În prima etapă, pentru a realiza legătura dintre oriz. +432 m (sector Teledgy) şi +286 m (sector Nou), se va executa integral cu combina un plan înclinat, cu secţiunea de 55 m2 (L=11 m / h=5 m), cu lungimea de aproximativ 1, 2km. Secţiunea utilă a planului înclinat a fost calculată pentru deplasarea pe două căi a autobasculantelor de 35 tone, Renault Kerax DXI 11 430, cu următoarele dimensiuni de gabarit: lungime, 9 m; lăţime, 2,55 m; înălţime, 3,1 m.

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 17-29

Figura 4. Schema generală de deschidere a salinei Praid, cu traseul de introducere a combinei spre orizontul +188 m, de la Sectorul Nou [12]

În a doua etapă, din zona Sectorului Nou, legătura dintre oriz. +286 m şi oriz.+188 m se va realiza prin lărgirea cu combina a planelor înclinate deja săpate, de la o secţiune existentă de 19,3 m2, la secţiunea de 55 m2 (profil excavat de 35,7m2), pe o lungime de peste 1,5 km. Profilul final al planului înclinat va avea lățimea L=11 m, înălțimea h=5 m şi înclinarea de maxim 6-8o, valori impuse de posibilităţile de înscriere a combinei în curbele relativ strânse ale planelor înclinate şi de necesitatea de a avea două căi de transport. După exploatarea rezervei de sare de aprox. 0,2 milioane de tone, de la nivelul oriz.+188 m, rămasă neexploatată la data intrării combinei la nivelul acestui orizont, se va trece la executarea planului înclinat de legătură cu oriz.+168 m, la o secţiune utilă de 55 m2, cu o lungime totală de 165 m și un volum de sare ce trebuie excavat de peste 9 000 m3. Apoi, se va proceda la exploatarea sării cu combina a unei rezerve industriale de sare de peste 0,5 milioane de tone, din subetajul +168 m, până finalizare celor 10 ani, trecuți de la introducerea combinei. În paralel cu execuția lucrărilor de deschidere și exploatarea de la sectorul Nou, se va continua exploatarea zăcământului de sare în Sectorul Teledgy, la o capacitate de producţie de 10 000 tone/an sare bulgări, cu ajutorul tehnologiei de exploatare prin perforare – împuşcare. Metoda de exploatare cu camere mici şi pilieri dreptunghiulari (fig.5) se aplică exclusiv la Salina Praid, în sectorul orizonturilor inferioare (+286 m, +266 m, +246 m, +228 m, +208 m şi +188m) sau Sectorul Nou şi este definită de următorii parametri: -planşeul (pilierul) de acoperiş al zăcământului are o grosime minimă de 30 m; -pilierul de culcuş are o grosime minimă de 25 m; -pilierii marginali pentru „sectorul Nou” Praid vor avea o grosime minimă de 30 m; -planşeele dintre orizonturi au o grosime minimă de 8 m; -pilierii intercamerali sunt prisme drepte cu lăţimea de 20 m, lungimea de 40–100 m şi înălţimea de 8–12 m; -camerele de exploatare au tavanul drept, lăţimea de 20 m, înălţimea de 8 – 12 m şi lungimea de 20 – 300 m.

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 17-29

Figura 5. Planul de situație al orizontului +188m

Având în vedere dimensiunile profilului transversal al camerelor de exploatare de 20 m, lăţime şi 10 m înălţime şi posibilităţile de tăiere ale combinei Sandvik MR 520, o cameră de exploatare se împarte pe verticală în două felii de exploatare (de 100 m2 / felie), cu o înălţime de 5 m fiecare, extrase în 3 fâşii, de 6,66 m, lăţime (33,33 m2/fâşie), începând cu fâşia centrală (fig. 6 şi 7).

Figura 6. Extragerea camerelor în felii şi a feliilor în fâşii - secţiune transversală [6, 12]

Figura 7. Extragerea camerelor în felii - secţiune longitudinală: a) Extragerea feliei I; b) Extragerea feliei II (adaptată după firma Sandvik)

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 17-29

Pentru a realiza aerajul sub depresiunea generală a minei a orizontului în exploatare, se atacă extragerea cu combina a primei fâşii, a feliei superioare, situată la nivelul camerei (cu o lungime de cca. 255 m) ce face legătura cu suitorul de aeraj, de la capătul câmpului de abataj. Pentru aceasta, accesul cu combina la nivelul primei felii, pornind de la nivelul orizontului în exploatare, se realizează printr-un plan înclinat executat cu combina, cu o pantă de 6-8o, cu o lungime de cca. 48–36 m (fig.6). De la planul înclinat de acces la prima felie, se continuă extragerea primei fâşii (în conformitate cu procedeul de tăiere cu combina, sintetizat în fig.8), pe o lungime de cca. 200 m, până la conexiunea cu suitorul de aeraj. Acest mod de a ajunge cu combina la nivelul feliei superioare, prin săparea unui plan scurt de acces la felia superioară, este oarecum complicat şi se recomandă doar în cazul în care planul înclinat de acces la orizontul în exploatare este deja executat cu tehnologia de perforare-împuşcare, cum este cazul oriz.+188 m. Dacă planul de acces se va executa cu combina, se recomandă ca vatra acestuia să facă legătura în mod direct cu felia superioară (de exemplu la cota +173 m, pentru oriz.+168 m sau la cota +153 m, pentru oriz.+148 m), urmând ca pentru exploatarea feliei inferioare să fie excavată cu combina vatra planului înclinat, pentru a ajunge la cota de vatră a acestei felii. În primul caz, datorită imposibilităţii de a exploata cu combina icul de sare situat deasupra planului înclinat de acces la prima felie (vezi fig.7.b), va rămâne abandonată deasupra planului înclinat de acces la prima felie o rezervă industrială de cca. 1 600 tone. Extragerea feliei superioare se continuă prin lărgirea camerei prin extragerea succesivă şi a fâşiilor laterale, II şi III. Apoi, se vor extrage similar şi eşalonat şi celelalte camere, situate la nivelul primei felii, în ordinea aplicată la extragerea orizonturilor superioare, din cadrul Sectorului Nou, prin tehnologia de perforareîmpuşcare. După exploatarea integrală a feliei superioare, se coboară combina la cota feliei inferioară, care se exploatează similar cu felia superioară, prin extragerea sării în aceeaşi ordine a camerelor şi fâşiilor. Exploatarea orizonturilor inferioare din Sectorul Nou (+188 m, +168 m şi +148 m) are loc în 2 felii succesive (felia I şi felia a II-a) cu înălţimea de 5m, pe toată suprafaţa orizontului, într-o ordine bine stabilită a camerelor, aşa cum a fost prezentată la punctul precedent. Fiecare felie cu înălţimea de 5m, din fiecare cameră (cu înălţimea totală de 10 m şi lăţimea de 20 m) se extrage în 3 fâşii cu lăţimea de 6,66 m (în conformitate cu metoda de exploatare prezentată anterior). Din caracteristicile tehnice ale combinei Sandvik MR 520, rezultă că dimensiunile maxime ale profilului transversal ce poate fi extras cu combina, situată într-o singură poziţie, sunt: înălţimea maximă de 5,2 m şi lăţimea maximă de 8,32 m (valori acoperitoare pentru o fâşie cu înălţimea de 5 m şi lăţimea de 6,66 m). Combina extrage frontul de lucru, dintr-o singură poziţie, sub forma unui arc de cerc cu lungimea de 7,1 m, iar unghiul de rotire, stânga-dreapta, în plan orizontal, al coroanei tăietoare este de 35,4o (fig.8).

Figura 8. Reprezentarea principalelor faze de tăiere cu combina (F1-F4) a unei fâşii de extragere [6, 7, 12] 23

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 17-29

4. Eșalonarea capacităților de producție obținute prin exploatarea sării cu combina Realizarea unei producţii industriale de 105 000 t/an, adică 176 t/schimb (cerute prin proiect), din camerele de exploatarea cu combina a rezervelor de sare gemă de la orizonturilor inferioare (+188 m, +168 m şi +148 m), Sectorul Nou - Salina Praid, necesită tăierea, încărcarea, transportul şi depozitarea a 29,33 t/oră, adică realizarea a 1,3 curse pe oră, cu autocamioane cu capacitatea de 22 tone [6, 12]. Ţinând seama de distanţa de transport, se impune stabilirea numărului de mijloace de transport necesare, precum şi organizarea transportului, respectiv stabilirea graficului de mişcare a mijloacelor de transport, în corelare cu dinamica fronturilor de abataj. Având în vedere cele menţionate mai sus, proiectarea organizării transportului se va face pentru condiţiile în care capacitatea de producţie necesară este realizată în situaţia critică, a celei mai lungi distanţe de transport. În acest caz, timpul total aferent încărcării, transportului (plin-gol) descărcării şi întoarcerii mijlocului de transport este [6]:

Tt  t p  t d  t g  tin 

LT L  t d  T  tin 28,2  5  14,1  5  52,1  52 min vp vg

(1)

în care : LT=4,7 km este lungimea totală de transport; vp = 10 km/h –viteza de transport pentru cursa plină; vg = 20 km/h –viteza de transport pentru cursa goală; td = 5 min - timpul de descărcare la depozit; tin = 5 min - timpul de manevră, necesar pentru întoarcerea autobasculantei la cca. 20 m de frontul de abataj. Ținând seama de datele de mai sus, diagrama de mişcare a autobasculantelor, în cazul exploatării camerei 6 608, de la oriz.+188 m, felia 1, este reprezentată în fig.9.

Figura 9. Graficul de mişcare a celor 2 mijloace de transport la exploatarea camerei 6 608, oriz. +168 m [6]

În condiţiile traseului de transport descris mai sus, dacă s-ar utiliza o singură basculantă, s-ar putea realiza doar 7 curse pe schimb, ceea ce ar conduce la o producţie de cca.154 tone/sch., suficientă pentru acoperirea producţiei planificate de 103 000 tone/an, în condiţiile desfăşurării activităţii pe 4 schimburi, timp de cca. 167 de zile lucrătoare/an. În cazul reducerii numărului de zile lucrătoare/an sub cel menţionat, realizarea capacităţii de producţiei planificate este posibilă doar prin utilizărarea a 2 autobasculante de tipul Renault 22,8 t Kerax 430/43, de 22 de tone, care pot asigura condiţii de creştere a producţiei la cca. 308 tone/schimb (cu mult peste capacitatea de producţie planificată). De unde rezultă că, într-un schimb de 6 ore, utilizând o singură autobasculantă, poate fi realizată dintr-o fâşie de exploatare cu combina o producţie de 154 tone / schimb ceea ce, pentru 4 schimburi pe zi, corespunde unei producţii de 616 tone/zi sau 285,2 m3 de sare excavată zilnic, respectiv 8,56 m/zi avansare a frontului de abataj extras cu combina (la un profil transversal al fâşiei exploatate de 33,33 m2). 24

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 17-29

Aşadar, cu o singură autobasculantă se poate realiza producţia anuală de 103 000 de tone, în maxim 167 zile lucrătoare şi 4 sch./zi. Mai mult decât atât, dacă urmărim distribuţia producţiei pe luni şi trimestre, constatăm că cea mai mare producţie, de cca. 13 400 tone (sau cca.160 tone/sch) este acoperită la limită, prin redistribuirea spre celelalte luni a diferenţei de 6 tone/sch., astfel încât să nu fie necesară decât utilizarea unei singure autobasculante. În acest mod se poate face o economie de 21 168 posturi/an sau 6 435 072 lei/an. Rezultă că, doar în acest fel, în cca. 3 ani scurşi de la momentul implementării tehnologiei de exploatare cu combina se poate recupera întreaga investiţie – ştiut fiind faptul că în situaţia actuală se utilizează cel puţin două autobasculante pentru transportul producţiei la suprafaţă. Influenţa foarte mare a organizării transportului, respectiv a numărului de autobasculante (în acest caz, de 22 tone) utilizate simultan, asupra producţiei zilnice realizate cu combina este evidentă în graficul din fig. 10. În acest caz teoretic (ideal), pentru cele mai favorabile condiţii organizatorice și de exploatare, la un grad de utilizare a combinei de 100%, în cazul extragerii oriz.+188 m se poate obţine zilnic (în 4 schimburi) o producţie maximă de cca. 3 960 tone (sau aprox.1 milion de tone/an, în 252 de zile lucrătoare), utilizând 7 autobasculante de 22 tone. Ceea ce înseamnă că: pentru o producţie medie zilnică de 408,73 tone (proiectată la Salina Praid), gradul de utilizare a combinei este de 10,32%; iar pentru condiţii normale de exploatare, pentru un grad de utilizare a combinei de 50-60%, se poate obţine o producţie zilnică de 1 980-2 376 tone sau cca. 500 - 600 mii de tone/an (cu 4 autobasculante).

Figura 10. Influenţa numărului de autobasculante utilizate simultan asupra capacităţii de producţie realizate cu combina la oriz. +188 m

Repartiţia producţiei fizice pe luni şi trimestre, preliminată pentru anul 2020, funcție de cererea pieței, este prezentată în figura 11. Aceasta stă la baza întocmirii programului de exploatare, inclusiv cu combina, a Salinei Praid pe o perioadă de 10 ani, respectiv a producţiei fizice şi valorice obţinute în această perioadă.

Figura 11. Distribuţia producţiei nete de sare gemă pe luni şi trimestre, pe parcursul anului 2020 – preliminat [12]

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 17-29

Pentru planificarea producţiei pe o perioadă de 10 ani, de exploatare a sării cu combina, în Sectorul Nou şi prin perforare-împuşcare, în sectorul Teledgy, s-au calculat următorii parametri: a) Ponderea producţiei din totalul producţiei livrate este următoarea: 77,5%, din Sectorul Nou; 17,5%, din Sectorul Teledgy şi 5%, din lucrările speciale (de copturire); b) Coeficientul de exploatare Ce (sau extracţia / recuperarea, în %), coeficientul pierderilor în pilierii de exploatare Kp (pierderea în pilieri, în %), coeficientul extracţiei în calitate Kc (extracţia în calitate, în %), calculaţi pe sectoare şi la nivelul producţiei totale (cu ajutorul cărora s-au determinat, plecând de la producţia valorificată, în tone, următorii indicatori: producţia industrială, rezerva geologică, pierderile în pilierii de exploatare şi partea de producţie haldată); c) Repartiţia producţiei fizice pe trimestre este următoarea: Tr.I=34,12%; Tr.II=24,71%; Tr.III=5,89%; Tr.IV=35,28% (vezi fig.11). A fost luată în analiză o perioadă de 10 ani, de exploatare cu combina, până la epuizarea rezervelor de la orizontul +168 m. Funcție de cerea pieței, producţiile medii anuale realizate cu combina din Sectorul Nou (oriz.+188 m şi oriz. +168 m) şi din lucrările de deschidere şi pregătire necesare acestor orizonturi, pentru o perioadă de 10 ani, sunt următoarele: producţia industrială: 103 000 tone/an; producţia vândută (netă): 94 500 tone/an; producţia valorică: 25 326 mii lei/an. Aceste valori au fost luate în considerare în calculele şi analizele tehnicoeconomice efectuate [6, 12]. De asemenea, funcţie de coeficienţii de distribuţie a producţiei în cadrul Salinei Praid, pe luni şi trimestre, a fost realizată evoluţia producţiilor industriale, vândute şi valorice, realizate cu combina, de-a lungul unei perioadei de 10 ani. Aceste date servesc la optimizarea eșalonării în timp a resurselor financiare şi de personal, funcţie de cererea sezonieră de sare de drumuri, de-a lungul perioadei luate în considerare [6, 12]. Repartiţia producţiei valorice pe parcursul celui de-al doilea an de exploatare cu combina a Sectorului Nou, est reprezentată în fig. 12 (ceilalţi 9 ani având o repartiţie similară).

Figura 12. Distribuţia producţiei valorice, pe luni şi trimestre, pe parcursul anului 2 de implementare a tehnologiei de exploatare a sării cu combina [12]

5. Costuri de producţie comparative între tehnologia de exploatare a sării cu combina şi tehnologia de exploatare prin perforare – împuşcare Investiția realizată în combină și instalațiile conexe, la Salina Praid, poate fi recuperată din două surse principale și anume : 1) Din beneficiul obținut la recuperarea rezervelor pierdute în pilieri și planșee, care ar trebui să fie supradimensionate din cauza efectelor distructive ale detonării explozivilor, în cazul tehnologiei de perfoare-împușcare; 2) Din reducerea costurilor de producție prin utilizarea tehnologiei de tăiere cu combina, în comparație cu tehnologia de perforare-împușcare. Pierderile de rezerve industriale, calculate doar la nivelul orizontului +168 m, din Sectorul Nou, prin creşterea dimensiunilor pilierilor şi planşeelor cu cca.0,75-1,0 m, sunt sintetizate în tabelele 1 și 2.

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 17-29

Tabelul 1. Pierderile de rezerve / producţie la nivelul orizontului +168 m, din cauza creşterii dimensiunilor planşeelor şi pilierilor cu 0,75 - 1,00 m [12]

Grosime afectată, [m] 0.75 1.00

Dimensiunile camerelor, [m]

Volumul rezervelor pierdute, [m3]

înălţime

lăţime

planşee

pilieri

total

9.25 9.00

19.25 19.00

18,974.25 25,299.00

17,281.31 22,419.00

36,255.56 47,718.00

Rezerve industriale pierdute, [tone]

Pierderi producţie vândută, [tone]

78,312 103,071

65,981 92,764

Tabelul 2. Pierderile valorice în rezervele abandonate suplimentar la nivelul orizontului +168m, din cauza creşterii dimensiunilor planşeelor şi pilierilor cu 0,75 - 1,00 m [12]

Grosime afectată, [m]

Pierderi producţie vândută, [tone]

Pierderi producţie valorică, [lei]

Cheltuieli totale, [lei]

Beneficiu total pierdut, [lei]

0.75 1.00

65,981 92,764

17,682,908 24,860,752

9,443,861 13,277,311

8,239,047 11,583,441

Dacă în evaluarea economică se ia în considerare creşterea dimensiunilor pilierilor şi planşeelor numai de la oriz.+168 m, cu doar 0,75m, pierderile beneficiului estimat din cauza abandonării rezervelor industriale suplimentare este de peste 8, 2 milioane lei, iar în cazul creşterii structurilor de rezistenţă cu 1,0m, pierderile de beneficiu se ridică la peste 11, 5 milioane lei. Având în vedere faptul că rezervele industriale cumulate ale oriz.+168 m şi +148 m sunt de aprox. 1 milion de tone, ceea ce înseamnă aprox. 10 ani de exploatare rezultă că, în ambele cazuri, recuperarea investiţiei se face integral doar prin exploatarea rezervelor suplimentare pierdute în structurile de rezistenţă de la orizonturile susmenţionate [12]. Analiza comparativă are la bază structura costului unitar total, corespunzătoare celor două variante tehnologice comparate și este prezentată sintetic în tabelul 3. Tabelul 3. Analiza comparativă între Varianta I (tăiere cu combina) şi Varianta II (tăiere prin perforare-împuşcare) [6, 12]

Valoare Specificaţii

Cost unitar generat de consumul de energie electrică Cost unitar generat de consumul de combustibili Cost unitar generat de amortizarea utilajelor şi mijloacelor de transport Cost unitar generat de alte materiale consumabile Cost unitar generat de lucrările de întreţinere şi reparaţii ale utilajelor şi mijloacelor de transport Cost unitar generat de cheltuielile cu personalul COST UNITAR TOTAL Producţie anuală Producţia zilnică Productivitatea

Varianta 1

Varianta 2

Diferențe (Var.1 Var.2)

lei/tonă

2.545

2.513

+0.032

lei/tonă

2.650

2.817

-0.165

lei/tonă

22.478

22.365

+0.113

lei/tonă

0.345

4.787

-4.442

lei/tonă

2.306

3.235

-0.929

10.578 40.902 103,000 408.73 29.20

21.277 56.994 103,000 408.73 18.90

-10.699 -16.092 0 0 +10.3

lei/tonă lei/tonă tone tone tone/post

În urma analizei diferenţelor între costurile produse de cele două tehnologii se poate constata că tehnologia de „tăiere cu combina” este superioară celei de „tăiere prin perforare-împuşcare”, după majoritatea articolelor de cheltuieli, fiind defavorabilă în mod nesemnificativ doar la capitolele consum de energie (cu 0,032 lei/tonă) şi amortisment (cu 0,113 lei/tonă). În ceea ce priveşte costul total, tehnologia de tăiere cu combina este net superioară, producând tona de sare gemă cu cca.16,1 lei mai puţin decât prin tehnologia clasică. De asemenea, productivitatea tehnologiei de tăiere cu combina este cu peste 10 tone/post mai mare, decât cea produsă de tehnologia de tăiere prin perforareîmpuşcare. Dacă analizăm doar cheltuielile totale cu implementarea tehnologiei de tăiere cu combina, generate de costul producţiei din abataj, sintetizate în tabelul nr.4, se poate constata că prin aplicarea acestei tehnologii 27

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 17-29

(renunţând la tehnologia de perforare-împuşcare, în condiţiile Sectorului Nou), investiţia se poate recupera integral în maxim 10 ani de exploatare, fără a afecta valoarea beneficiului produs până acum cu tehnologia de perforare-împuşcare. Tabelul 4. Tabel centralizator cu investiția totală produsă de implementarea tehnologiei de tăiere cu combina la Salina Praid [6, 12]

Valoare

Specificație Utilaje şi echipamente electrice conexe Reţele electrice Total

lei

euro

14,597,712 1,930,000 16,527,712

3,041,190 402,083 3,443,373

6. Concluzii În urma creșterea adâncimii de exploatare la Salina Praid, dimensiunile proiectate ale pilierilor și planșeelor cresc în mod corespunzător. De asemenea, efectul distructiv al lucrărilor de perforare-împușcare asupra acestor structuri de rezistență impun o reconsiderare a dimensiunilor acestora. În acest caz, singura soluție este de a renunța la tehnologia de perforare-împușcare, în favoarea tehnologiei de tăiere a sării cu o combină de înaintare de mare capacitate. Astfel că, au fost luate în analiză 30 de combine de înaintare, cum masa de aprox.100 tone, iar în urma aplicării unor criterii de selecție, corelate cu condițiile geo-miniere de la Sectorul Nou-Salina Praid, a fost aleasă combina Sandvik MR-520. Principalele avantaje ale implementării tehnologiei de exploatare a sării cu combina MR-520 la Salina Praid sunt următoarele: - se elimină efectul distructiv generat de detonarea explozivilor asupra structurilor de rezistență ; - capacitatea anuală de producție se poate eșalona în timp, existând posibilitatea de concentrare a producției pe o perioadă restrânsă de timp, funcție de cererea sezonieră a sării de drumuri, fără existența unor constrângeri legate de personal; - recupererea investiției se face integral din diferența de costuri de producție, raportată la tehnogia de exploatare prin perforare-împușcare, fără afectarea beneficiului obținut; - se obține un beneficiu suplimentar din recuperarea sării din rezervele blocate în pilierii și planșeele supradimensionate (dacă s-ar utiliza, în continuare, tehnologia cu perforare-împușcare). Bibliografie [1] Hirian, C., Georgescu, M., 2009 The stability of old salt mines in Romania. The condition of their use in various fields (în română). Editura Universitas, Petroșani [2] Horváth, I., 2002 The geologic description of the Praid salt deposit (în română). [3] Onica,I., Cozma,E., 2014 Stability analysis of the Praid Saline strength structures in the conditions of the roadheaders rocks salt cutting, Mining Revue, Vol. 20, No. 3, pp. 15-22. [4] ***, 2010 Continously cutting edge, Mining Magazine, January/February, pp.12-16. [5] *** , 2009 Operation Focus – Poland, Euro Copper, în International Mining, November, pp.10-16. [6] Onica,I.ș.a., 2011 Salt exploitation using the mining machine in Praid Salt Mine (în română), Contract no.19/12.12.2011. [7] Onica,I., Cozma,E., 2014 Analysis of mechanized mining technologies for the Romanian rock salt deposits, Annals of the University of Petroşani – Mining Engineering , Vol. 15, pp.29-38. [8] Balci,C., Demircin, M.A., Copur,H., Tuncdemir,H., 2004 Estimation of optimum specific energy based on rock properties for assessment of roadheader performance, The Journal of The South African Institute of Mining and Metallurgy, December, pp.633-641.

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 17-29

[9] Copur,H., Ozdemir,L., Rostami,J. Roadheader applications in mining and tunneling industries, Earth Mechanics Institute, Colorado School of Mines, Golden, Colorado, 80401- http://emi.mines.edu/papers/roadheader/roadheader6.pdf. [10] Gehring, K.H.,1989 A Cutting Comparison, Tunnels and Tunnelling, Nov., pp. 27–30. [11] Thuro, K., Plinninger, R.J., 1999 Roadheader excavation performance -geological and geotechnical influences, The 9th ISRM Congress, Theme 3: Rock dynamics and tectonophysics / Rock cutting and drilling, Paris, 25 August, pp. 1241–1244. [12] Mangu,S.. ș.a., 2019 Feasibility study: Salt exploitation using the mining machine in Praid Salt Mine (în română), S.N.S. S.A. - Salina Praid, Contract no. 70/18.11.2019. Acest articol este cu acces deschis, distribuit pe baza licenței Creative Commons BY SA 4.0. Autorii păstrează drepturile de autor și sunt de acord cu termenii licenței CC BY SA 4.0 menționate mai sus.

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590 vol. 27, nr. 3 / 2021, pp. 30-39

ANALIZA ENERGETICĂ A INTERAȚIUNII PRIN SFĂRÂMAREFORFECARE A FLUXURILOR DE MATERIAL, ÎN CONTRA CURENT, ÎN CADRUL UNUI DEZINTEGRATOR CENTRIFUGAL Volodymyr NADUTYI1*, Oleksandr TYTOV2, Dmytrii KOLOSOV3, Vitalii SUKHARIEV4, Taras USATYI5 1

Dnipro University of Technology, Dnipro, Ukraine, nadutyvp@gmail.com 2 Dnipro University of Technology, Dnipro, Ukraine, tytov.o.o@nmu.one 3 Dnipro University of Technology, Dnipro, Ukraine, evolyuta@gmail.com 4 Dnipro University of Technology, Dnipro, Ukraine, agnivik@ukr.net 5 Dnipro University of Technology, Dnipro, Ukraine, usatuits@gmail.com

DOI: 10.2478/minrv-2021-0023 Rezumat: Se descrie distribuția consumului de energie a unui dezintegrator centrifugal, cu doi arbori, pentru distrugerea prin sfărâmare și forfecare a materialelor și minereurilor, în funcție de parametri tehnologici și structurali. Se dezvoltă un aparat analitic pentru determinarea influenței fiecărui factor. Se determină, de asemenea, factorii care afectează valoarea absolută a consumului de energie al dezintegratorului. Rezultatele studiului fac posibilă optimizarea procesului tehnologic, pentru reducerea cantității de fragmente neomogene rezultate în urma sfărâmării, care apar în momentul creșterii energiei pentru dezintegrarea prin sfărâmare, în vederea obținerii de fracțiuni cuboide ale produselor dezintegrate. Este creată o metodologie pentru determinarea parametrilor raționali de funcționare al unui dezintegrator centrifugal cu doi arbori. Cuvinte cheie: dezintegrator centrifugal cu doi arbori, contra-curent, material, minereu, piesă lamelară, impact, modificare, distribuție de energie 1. Enunțul problemei Dezintegratoarele de tip centrifugal sunt din ce în ce mai folosite pentru prelucrarea masei de rocă. Se disting de obicei prin consumul specific redus de metal și de cantitatea mică de granule lamelare în comparație, de exemplu, cu concasoarele conice tradiționale [1]. Un avantaj suplimentar este abilitatea de a lucra cu materiale de granulație fină, pentru a obține un produs finit cu dimensiunea mai mică de un milimetru. Efectul reducerii cantității de granule lamelare în produsul dezintegrat se obține datorită impactului liber al materialului inițial cu alt material sau cu o barieră rigidă. Astfel, fisurile inițiale ale materialului au libertatea de a se răspândi, de regulă, de la un singur punct de contact, către alte puncte ale rocii care prezintă defecte sau planuri de clivaj [2]. Dezintegratoarele centrifugale prezintă două tipuri diferite de structuri. Primul tip îl reprezintă dezintegratoarele cu așa numitul rotor de impact, care include concasoare cu ciocane și rotative [3]. Elementele active au o rotație rapidă și lovesc materialele, care au o mișcare înceată, fragmentele primesc astfel o energie cinetică ridicată și intră în contact cu plăcile defectoare, iar ulterior cu alte elemente active, procesul repetându-se de câteva ori în cadrul unei rotații. Cea mai mare uzură a metalului apare tocmai în momentul lovirii bucăților de rocă, în special dacă elementul este rigid. Astfel, concasoarele rotative se caracterizează printr-o mare uzură a elementelor active, care afectează semnificativ costurile de exploatare și crește timpul alocat reparațiilor. Al doilea tip de dezintegratoare îl reprezintă cele cu rotor de accelerație, de tip Barmac – de exemplu [3]. Materialul inițial accelerează relativ ușor în interiorul rotorului, apoi se ridică și se lovește cu alte fragmente de piatră, pe principiul ”piatră contra piatră”. Cea mai mare uzură apare la lamele de accelerație situate la ieșirea materialului din rotor. Totuși, datorită căptușirii elementelor atât la interior cât și la exterior, uzura este mai mică decât în cazul concasoarelor rotative.

Autor corespondent: Volodymyr Nadutyi, Prof. PhD. Eng., Dnipro University of Technology, Dnipro, Ukraine, contact (Dnipro University of Technology, Dnipro, Ukraine, nadutyvp@gmail.com) 30

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 30-39

Indiferent de tipul de dezintegrator folosit, se pot observa următoarele: cu cât roca este mai tare, cu atât este nevoie de o viteză mai mare a pieselor aparatului și cu atât este mai mare uzura suprafețelor active. La dezintegratoarele centrifuge cu doi arbori, viteza de impact a pieselor se dublează în timp ce restul elementelor rămân neschimbate, datorită contactului invers al fluxului de materiale de la două rotoare diferite situate în camere adiacente [4]. Fluxurile de material se supun atât încărcării prin intermediul impactului la mare viteză dar și sfărâmărilor în urma contactului tangențial dintre cele două fluxuri. Aceasta reduce drastic cantitatea de particule lamelare. Totuși, aceste tipuri de dezintegratoare sunt relativ noi și necesită o cercetare amănunțită a mecanicii procesului de dezintegrare, în scopul unui management eficient. 2. Analiza cercetărilor și literaturii de specialitate recente Astăzi, există din ce în ce mai multe publicații despre utilitatea folosirii rocilor concasate cuboid care au conținut de granule lamelare mai mic de 10-15%, comparativ cu alte grupe de roci concasate, în diverse ramuri industriale care folosesc ca materie primă material solid. Datele de mai jos ne prezintă cererea de piatră concasată cubică, folosită, de exemplu, în construcția de drumuri. Conform standardelor [5], cea mai utilizată opțiune pentru obținerea unor suprafețe de drum de înaltă calitate este utilizarea unui mix de piatră concasată, cu conținut de particule lamelare și aciculare,mai mic de 10%, cu dimensiunea maximă a granulelor de 5 mm și cu o cantitate maximă de 15% a granulelor cu dimensiunea de 10-40 mm. În același timp, cantitatea de granule cuboide trebuie să fie de minim 50% din masa de rocă concasată pentru toate mixurile utilizate. În lucrare [6], se prezintă utilizarea betonului de mare rezistență cu granulație fină pentru producția plăcilor de beton. Folosirea de agregate fine oferă betonului următoarele proprietăți: - reducerea conținutului de apă, îmbunătățirea omogenității și rezistenței la stratificare, îmbunătățirea gradului de utilizare; - îmbunătățirea tixotropiei amestecului de beton, care facilitează și accelerează procesele de transport, așezare, compactare a betonului și îmbunătățește calitatea suprafeței produsului; - accelerarea vitezei de solidificare; - posibilitatea de a elimina tratamentul termic al produselor finite; - îmbunătățirea semnificativă a proprietăților de matrițare ale amestecului de beton. Producția de agregate fine obținute în concasoare conice convenționale este, în general, imposibilă nu numai datorită cantității mare de granule lamelare dar și datorită mărimilor produselor finite. Astfel, se pune accent pe studiile făcute pe dezintegratoare cu câmpuri de forță centrifuge și vibratoare. Se afirmă în lucrarea [7], că producția de roci concasate cuboide în cadrul concasoarelor conice tradiționale este cea mai potrivită. Acestea diferă de dezintegratoarele centrifugale printr-un rotor de accelerație cu consum redus de energie și cu o cantitate mică de granule fine, datorită pierderilor de fracțiuni de rocă sfărâmată cu dimensiuni de 5-20 mm în timpul concasării. Totuși, consumul de elemente metalice al concasoarelor conice inerțiale este ridicat, în timp ce la dezintegratoarele centrifugale acest parametru este mult mai scăzut, ceea ce reprezintă un mare avantaj. Rezultatele utilizării unui concasor cu șase rotoare DKD-300 sunt descrise în lucrarea [8]. S-a stabilit experimental că piesele mari se uzează cel mai mult în momentul concasării, prin impact liber. În plus, utilizarea de roci de dimensiuni mai mari crește cantitatea de fracțiuni fine ș invers. Modelul matematic prezentat în lucrarea [9] descrie mișcarea fluxului de material de-a lungul discului rigid de distribuție, în zona de încărcare a dezintegratorului centrifugal cu impact, înaintea contactului cu lamele de accelerare. Aici se ia în considerare deplasarea materialului fără a pierde contactul cu suprafața de lucru rigidă, sub efectul forței centrifuge și a accelerației Coriolis. Studiile teoretice privind simularea coliziunii particulelor de material în cadrul modulului vibrațional centrifucal cu doi arbori [10] au arătat că în timpul dezintegrării centrifuge prin impact,în contra curent, al fluxurilor de particule de compoziție polidispersă, particulele de dimensiuni mai mici decât dimensiunea medie a materialului sunt sfărâmate cel mai mult. Utilizarea dezintegrării în contracurent, pentru materiale de dimensiuni mici, necesită cu 20% mai puțină energie pentru obținerea aceluiași rezultat al sfărâmării, în comparație cu sfărâmarea clasică. 3. Aspecte ale problemei cărora nu li s-a găsit anterior o soluție În prezent, domeniul dezintegratoarelor centrifugale cu doi arbori, în special al celor prevăzute cu rotor de sfărâmare, este cel mai studiat din punct de vedere teoretic. Totuși, pentru dezintegratoarele cu doi arbori, 31

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 30-39

sunt luate în calcul doar aspectele generale ale sfărâmării individuale a bucăților de material și rezultatele experimentale ale dezintegrării. Dar nu există aproape nici o descriere a interacțiunii fluxurilor inverse de materiale, care duc la distrugerea particulelor, datorită încărcării utilajului. Și tocmai determinarea ponderii energiei consumate, care este utilizată pentru distrugerea prin forfecare a particulelor – mult mai economică energetic -, în special a celor cu formă non izometrică, va raționaliza parametrii sectorului operațional în vederea reducerii cantității de particule lamelare. 4. Partea principală a studiului Figura 1 arată schema unui dezintegrator centrifugal, cu palete și doi arbori,având o rază exterioară R1 iar dezintegrarea materialului se face în două camere cilindrice de măcinare, cu raza interioară R2 . Materialul este colectat, prin forța centrifugă, la periferia camerelor și se deplasează în așa fel încât această deplasare va coincide cu axa de simetrie transversală a dezintegratorului, în momentul în care cele două fluxuri interacționează din sensuri opuse de-a lungul liniei A1-B-A2. Aici, materialul este distrus de către o combinație de forțe: impactul dintre granulele de material și abraziunea particulelor din cadrul fluxurilor de material din contra sens. În același timp, intensitatea maximă a interacțiunii se observă în punctul В, unde traiectoriile marginilor paletelor au contact tangențial cu distanța minimă între ele notată cu ∆.

Figura 1. Schema de calcul a dezintegratorului centrifugal cu fluxuri în contra curent

Se fac următoarele presupuneri necesare în vederea determinării raportului nivelelor de energie pentru sfărâmarea și abraziunea materialului: 1) energia interacțiunii sfărâmării corespunde sumei energiilor cinetice de apropiere a fluxurilor de material în camerele stânga și dreapta în punctele A1șiA2, considerându-se că, după ce contactul s-a produs, această energie este complet disipată; 2) energia deformațiilor prin forfecare dată de abraziunea fluxurilor de particule din sens opus este direct proporțională cu suma lucrului mecanic al forțelor de frecare ale particulelor în secțiuneaA1-B-A2; 3) energia forței de frecare în timpul mișcării particulelor pe traiectorie circulară de-a lungul pereților camerei se transformă în uzura pereților și reprezintă pierderea de energie prin dezintegrare; 4) materialul este distribuit uniform de-a lungul înălțimii camerei de măcinare (în direcția perpendiculară pe planul din figura 1). Cantitățile de material din camerele stânga și dreapta se pot considera egale. De asemenea, mișcarea materialului de-a lungul traiectoriei A1-A2-B-A1 din camera stângă este simetrică în punctul B față de mișcarea de-a lungul traiectoriei A2-A1-B-A2 din camera dreaptă. În consecință, vom face calculele doar pentru camera din stânga pentru a simplifica rezolvarea problemei. 4.1. Calculul echilibrului de forță pentru secțiunea circulară a buclei În practică, diferența dintre raza R1 și raza R2 este mică. În acest sens, se consideră că materialul se rotește tot timpul în cadrul camerei cu o viteză unghiulară constantă  , în cazul absenței cornișelor de pe pereții camerei. 32

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 30-39

Distribuția medie de material de-a lungul marginii exterioare a camerei stânga (la care ne vom referi ulterior drept bucla camerei) este prezentată în figura 2. Cantitatea de material din fiecare sector unghiular mic de-a lungul buclei camerei se consideră egal, ținând cont de media pe o tură a paletelor de măcinare. În practică, paleta rotativă va transporta pe față o cantitate mai mare de material, în timp ce în spatele acesteia, cantitatea va fi mai mică. Dar acest lucru are un efect mic asupra forței totale de presiune a materialului pe pereții camerei de-a lungul arcului A1-A2în câmp centrifug și asupra forței totale de frecare corespunzătoare. Astfel, vom considera rotația fluxului de material fără a lua în calcul influența paletelor.

Figura 2. Distribuția materialului și schema forțelor de frecare și de inerție în bucla secțiunii circulare

Luăm în calcul mișcarea în arc de cerc de la punctulA1spre punctul A2. Când se mișcă o parte mică a materialului, apare forța centrifugă, determinată de formula:  FЦ 1  R22  R02 H 2 Rc , 2 unde: γ - densitatea în vrac a materialului; R0 - este raza medie a cercului interior al încărcării cu material; H - este înălțimea interioară a camerei de măcinare; Rc - este raza medie a sectorului de material, calculată după formula:





R22  R02 . 2 După calculul masei secțiunii mici  M  R22  R02 H , 2 vom transforma relația (1) în FЦ 1  M 2 Rc . Rc 



(1)

(2)



(3) (4)

Vom calcula coeficientul de umplere cu material al camerei cu relația:  R2 2  R0 2 , (5)    sin  2 R2 2 1 S 2 unde S este aria secțiunii transversale a paletelor și arborelui din fig. 1, de unde vom putea determina raza relativă de umplere a camerei:







   sin  2 R0 S  .  1 1  2  R2 2   R 2  

(6)

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 30-39

Masa totală a materialului dintr-o cameră este: M 0   R2 2  R02 H . (7) De asemenea, este necesar să luăm în considerare schema tensiunilor normale care acționează asupra sectorului mic de materiale, descrisă în fig. 3, pentru a putea determina forțele de frecare ale materialului liber pe suprafața camerei.





Figura 3. Diagrama de stres pentru sectorul mic de material din cadrul secțiunii buclei circulare

Ecuația echilibrului de forțe de-a lungul axei x1 arată astfel:   r1R2 H  FЦ 1   1 R2  R0 H , (8) 2 De remarcat faptul că raportul tensiunilor normale  r1 ,  z1 și  1 , corespund direcțiilor radiale, tangențiale și axiale, fiind date de formula  1   z1  r1 ,

(9)

unde ξ este coeficientul de tracțiune laterală. După câteva transformări, vom calcula:

1    1 2

 r1   2 R22

  2 R2 2 f   .

(10) 1    1     2   Forța normală de presiune asupra părții cilindrice de contact a sectorului se calculează cu relația: Fn1   r1 R2 H , (11) Forța de tracțiune laterală pentru un sector mic de materiale se determină astfel:  (12) FБ1  z1 R22  R02  , 4 Forțele elementare de frecare prin alunecare în timpul rotirii fluxului de material în camera sectorului mic se calculează astfel: - față de suprafața cilindrică: F11  f1Fn1  f1 2 R23H ; (13) - față de baza și plafonul camerei: f (14) F12  2 f1FБ1  1  2 R24 1  2 f   ; 2 unde f1 este coeficientul de frecare al materialului pe suprafețele camerei. Cuplul total utilizat pentru a depăși forțele de frecare de pe suprafețele camerei în secțiunea circulară a buclei este: H   F  F 1  2   f   . (15) T1   11 R2  12 Rc 1  f1 21R25   1  2  2   R2 2    













Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 30-39

4.2. Calculul echilibrului de forțe pe secțiunea rectilinie a buclei După cum am menționat mai sus, cantitatea de material din fiecare sector unghiular mic pentru întreaga buclă a camerei se consideră constantă. Aceasta înseamnă că, sectorul de material aferent coardei A2-A1va fi convex spre centrul camerei (fig. 2). Creșterea descrisă a grosimii radiale a stratului de material în secțiunea rectilinie a buclei pare rezonabilă, deoarece materialul are rezistența crescută la mișcare în timpul frecării cu fluxul din sens opus al camerei dreapta. Schema de calcul a secțiunii rectilinii a buclei este prezentată în fig. 4.

Figura 4. Diagrama forțelor de inerție și frecare ale sistemului în cadrul secțiunii rectilinii a buclei

În diagramă, forțele de inerție centrifuge și Coriolis acționează asupra sectorului de material, al cărui centru de masă este deviat dinspre linia O1-Bla un unghi variabil α. Forțele menționate mai sus se determină prin relațiile corespondente: (16) FЦ 2  M2 Rc 2 ; Fс  M 2 , (17) unde: Rc 2 este raza variabilă a centrului de gravitație;  este componenta tangențială a vitezei de mișcare a materialului  , care este asociată componentei normale  n prin relația    n tan   Rc 2 tan  . (18) Înlocuind relația (18) în (17), obținem: (19) Fс  FЦ 2  2 tan .

Masa sectorului mic de material pentru secțiunea rectilinie a buclei se calculează aproximativ, după formula:  (20) M 2  R222  R022 H , 2 unde: R22 este raza variabilă a marginii exterioare a materialului, determinată de formula: cos 2 2 ; (21) R22  R2 cos R02 este raza variabilă a marginii interioare a materialului. Luând în calcul relația (3) împreună cu presupunerile anterioare, obținem:



R02  R0 2  R2 2



cos2  2 2  R2 2 . cos

(22)

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 30-39

Raza variabilă a centrului de masă se obține astfel: 2    2  2 cos  2 2  1  R0 2 R 2 2 2 2   cos  R22  R02   . Rc 2   2 2 Vom calcula razele medii ale încărcăturii de material în cadrul secțiunii rectilinii a buclei: - raza exterioară:  2 1 2 R22,av  R22  d ; 2  2

(23)

(24)

- raza centrului de gravitație:  2 1 2 Rc 2,av  Rc 2  d ; 2 2 2

(25)

- raza interioară:  2 1 2 R02,av  R02  d . 2 2 2

(26)

Forțele de inerție totale pe secțiunea rectilinie a buclei: - forța centrifugă: FЦ 2 

2 2

 FЦ 2 ;

(27)

 2 2

1  2 H ;  2 R2 3 Rc 2,av 2 R2 - forța Coriolis: FЦ 2 

FС 

2 2





2 2 2  FС   R2  R0 H

 2 2

(28) 2 2



Rc 2  2 2

  tand  0 .

(29)

Astfel, forța Coriolis accelerează materialul de-a lungul secțiuniiA2-B, și, simetric, o încetinește de-a lungul secțiuniiB-A1, astfel încât valoarea totală în sectorul unghiular este zero. Luăm în considerare diagrama tensiunilor normale care acționează în secțiunea rectilinie a buclei, prezentată în figura 5.

Figura 5. Diagrama tensiunilor normale pe secțiunea rectilinie a buclei

Calculăm forța totală, normală, a interacțiunii materialului cu fluxul de material din sens opus, din ecuația echilibrului de forțe de-a lungul axei х2 rezultând:

 n 2 2 R2 sin

 1 2 R2  R0 H sin  2 ; H  FЦ 2  2 2 2 2 36

(30)

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

Fn 2  FЦ 2   1 R2  R0 H sin

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 30-39

2

. (31) 2 Tensiunea normală medie pentru linia A2-B-A1 se calculează după cum urmează: Fn 2  n2  . (32)  2 R2 sin 2 H 2 Forța de împingere laterală pentru secțiunea rectilinie a buclei se determină aproximativ, analog cu ecuația (12):  (33) FБ 2   n 2 R22,av2  R02,av2 2 . 4 Forțele totale de frecare prin alunecare în timpul rotației ale fluxului de material din cameră, pentru secțiunea rectilinie a buclei, se calculează astfel: - forța de frecare cu fluxul din sens opus: (34) F21  f 2 Fn 2 ; - forța de frecare cu baza și plafonul camerei: (35) F22  2 f1FБ 2 . unde f 2 este coeficientul de frecare internă a materialului. Cuplul total utilizat pentru depășirea forțelor de frecare cu materialul din sens opus este: T21  F12 R2 cos 2 2  . (36) Cuplul total utilizat pentru depășirea forțelor de frecare din cameră pe secțiunea rectilinie a buclei este: (37) T22  F22Rс 2,min ,





unde Rс 2,min este raza minimă internă, calculată cu relația (23), când   0 :

Rc 2, min 





R2 2 2 cos2  2 2  1  R02 . 2

(38)

4.3. Analiza interacțiunii impactului fluxurilor de sens contrar Fluxul de material din camera stângă, în momentul trecerii dinspre secțiunea circulară a buclei către secțiunea rectilinie, în punctul A2, se ciocnește cu fluxul de material dinspre camera dreaptă de-a lungul dreptei B-A2. Ciocnirea este însoțită de o schimbare bruscă a direcției de mișcare la unghiul  2 2  , și de o scădere a vitezei de mișcare. Considerăm o parte a materialului M care intră în contact cu fluxul de material din sens opus. Energia cinetică a părții materialului înaintea impactului se calculează astfel: M 2 Rc 2 . (39) 2 Viteza centrului de masă a porțiunii de material, imediat după ce a trecut de punctul A2 se va calcula astfel (luând în considerare presupunerea de mai sus privind viteza unghiulară constantă a fluxului în fiecare secțiune mică a buclei): EK ,1 

 с,2  Rc cos

2

, (40) 2 Ulterior, energia cinetică corespunzătoare după impact se va calcula astfel: M 2 Rc 2   (41) E K ,2  cos2 2  E K ,1 cos2 2 . 2 2 2 Presupunem că pierderea de energie cinetică a fluxului de material în timpul trecerii prin punctul A2 s-a disipat la ciocnirea cu fluxul de material din sens opus, pe care îl considerăm complet inelastic. Această presupunere se justifică având în vedere prezența mai multor straturi de material. Astfel, lucrul mecanic al măcinării prin intermediul impactului se determină cu formula: M 2 Rc 2  2  (42) Ауд  EK ,1  EK ,2  1  cos 2  . 2 2   Tot materialul din camera stânga trece o dată prin punctul A2 la fiecare tură a fluxului. Astfel, aceste calcule pot fi extinse automat la întreaga masă de material din cameră. 37

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 30-39

Vom obține puterea consumată la ciocnirea cu fluxul din sens opus, pentru o cameră: M R 2 3  2  N уд  0 c 1  cos 2  . 4 2  

(43)

4.4. Analiza structurii puterii consumate de către partea operațională Pierderea de putere din timpul frecării materialului pe pereții camerei se calculează cu relația: (44) N т р  T1  T22  . Puterea consumată pentru distrugerea particulelor prin forfecare, la interacțiunea cu fluxurile din sens opus: (45) N сдв  T21 . Vom defini cotele utile de energie consumată: - pentru interacțiunea la impact: N уд ; (46)  уд  N уд  N сдв  N т р - pentru interacțiunea prin forfecare: N сдв  сдв  . N уд  N сдв  N т р

(47)

Ultimele două relații se pot reprezenta ca funcție de parametrii inițiali principali: (48)     , kS , k H , 2 , f1, f 2  , unde:  reprezintă parametrul tehnologic; k S , k H și  2 sunt parametrii de proiectare; f1 și f 2 sunt parametrii aferenți frecării interne și externe ai materialului sfărâmat. Valorile cotelor utile de putere consumată nu sunt afectate de parametrii  ,  și R2 . Aceștia afectează doar valoarea absolută a puterii, care este direct proporțională cu densitatea materialului -de ordin unu, cu viteza de rotație a fluxului de material- de ordin trei și cu raza camerei- de ordin cinci. 5. Concluzii și perspective ulterioare de dezvoltare Sunt create modele matematice pentru interacțiunea a două fluxuri de material, în contra curent, cu granulație fină, între ele și cu suprafețele camerelor unui dezintegrator centrifugal cu doi arbori. Dependențele analitice ale consumului de putere la impact și deformare prin forfecare a fluxurilor de particule fine se obțin ca funcții ai coeficientului camerelor umplute cu material, ai parametrilor de proiectare ai camerelor, precum și ai coeficienților de frecare internă și externă a materialului sfărâmat. S-a stabilit că, consumul de energie nu depinde de densitatea materialului, de viteza fluxului de material și de raza camerei, având alți parametri de proiectare nedimensionali. În schimb, valoarea absolută a consumului de energie este direct proporțională cu densitatea materialului (de ordin unu), cu viteza fluxului de material (de ordin trei) și cu raza camerei (de ordin cinci). Aceste rezultate permit realizarea unei analize ulterioare calitative și cantitative a influenței fiecăruia dintre cei șase factori analizați, asupra valorilor puterii consumate, pentru a-i identifica pe cei mai importanți și pentru a crea o metodologie de determinare a parametrilor raționali, pentru un dezintegrator centrifugal cu doi arbori. De asemenea, este posibilă optimizarea procesului tehnologic în vederea reducerii cantității de fragmente lamelare în timpul procesului de sfărâmare și obținerea, prin procesul de dezintegrare, de fragmente de formă regulată.

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 30-39

Bibliografie [1] Bozhyk, D., Sokur, M., Biletskyi, V., Sokur L., 2016 Investigation of the process of crushing solid materials in the centrifugal disintegrators, Easten European Journal of Enterprise Technologies, Vol. 3/7 (81), 2016, pp. 34–41. [2] Bozhyk, D.P., Sokur, M.I., Hneushev, V.О., Biletskyi, V.S., 2018 Teoretychni i practychni aspekty vyrobnytstva vysokoyakisnoho kubovydnoho shchebeniu (în ucraineană), Visnyk Rivnenskoho natsionalnoho universytetu vodnoho hospodarstva, Tekhnichni nauky, Rivne, 3(79), 2018, pp. 87–95. [3] Bozhyk, D.P., Sokur, M.I., Biletskyi, V.S., Yehurnov, O.I., Vorobyov, O.M., Smyrnov, V.O., 2017 Pidhotovka korysnykh kopalyn do zbahachennia: Monohrafiia (in ukrainian), Kremenchuk: PP Shcherbatykh O.V., 2017, 392 p. [4] Nadutyi, V.P., Lohinova, A.O., Sukhariev, V.V., 2017 Udarno-vidtsentrovyi dezintehrator (în ucraineană), Patent Ukrainy na korysnu model 119892, В 02 С 13/14 vid 10.05.2017, opubl. 10.10.2017, Bul. 19. [5] x x x, 2016 DSTU B Б В.2.7-127:2015. Sumishi asfaltobetonni I asfaltobeton shchebenevo-mastykovi. Tekhnichni umovy (în ucraineană), Uved. 01.07.2016, Kyiv: Minregion Ukrainy, 2016, 30 p. [6] Lesovik, V.S., Ageeva, M.S., Ivanov, A.V., 2011 Nou-khau 20110019. Kompozitsionnoe shlako-tsementnoe viazhushchee dlia proizvodstva melkozernistogo betona (în rusă), Ivanov, Federalnoe gosudarstvennoe biudzhetnoe obrazovatelnoe uchrezdenie vysshego professionalnogo obrazovaniya Belgorod. gosud. tekhnol. un-t im. V.G. Shukhova, Data registr. 21.11.2011. [7] Sholuyakov, A.D., 2017 O proizvodstve vysokokachestvennogo kubovidnogo shchebnia (în rusă), Stroitelnyye materialy, 2017, 7, pp. 56–59. [8] Lvov, Ye.S., 2018 Opredelenie osobennostey dezintegratsii kuskovykh materialov v protsesse drobleniya s ispolzovaniyem dinamicheskikh vozdeystviy (în rusă), Gornyy informatsionno-analiticheskiy biulleten, 2018, 11, pp. 154–160, DOI: 10.25018/0236-14932018-11-0-154-160. [9] Bozhyk, D.P., Sokur, M.I., Biletskyi, V.S., Uchitel, S.O., 2017 Teoretychni osnovy kinetyky droblenoho materialu u vidtsentrovo-udarnykh drobarkakh (în ucraineană). Zbahachennia koryshykh kopalyn, naukovo-tekhn. zbirnyk, Dnipro, 68 (109), 2017, pp. 37–45. [10] Nadutyi, V.P., Tytov, O.O., Kolosov, D.L., Sukhariev, V.V., 2020 Influence of particles geometry on the efficiency of operation of quasistatic and inertial disintegrators (în ucraineană), Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Iniversytetu, (6):021–027, DOI: 10.33271/nvngu/2020-6/021.

Acest articol este cu acces deschis, distribuit pe baza licenței Creative Commons BY SA 4.0. Autorii păstrează drepturile de autor și sunt de acord cu termenii licenței CC BY SA 4.0 menționate mai sus.

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590 vol. 27, nr. 3 / 2021, pp. 40-44

CERCETĂRI PRIVIND RECUPERAREA CUPRULUI DIN ZGURA METALURGICĂ Eugen TRAISTĂ1, Camelia BĂDULESCU2*, Maria LAZĂR3, Camelia TRAISTĂ4 1

Universitatea din Petrosani, Romania, eugentraista@upet.ro Universitatea din Petrosani, Romania, cameliabadulescu@upet.ro 3 Universitatea din Petrosani, Romania, marialazar@upet.ro 4 Universitatea din Petrosani, Romania

DOI: 10.2478/minrv-2021-0024 Rezumat: Zgura metalurgică este unul dintre cele mai comune deșeuri industriale. Multe dintre aceste deșeuri nu sunt stabile în timp, prin reacția cu apa și aerul, generând continuu emisii de metale grele. Prelucrarea zgurii metalurgice este necesară din cel puțin două motive: reducerea emisiilor de poluanți și lărgirea bazei de materie primă. Recuperarea acestor zguri este foarte dificila deoarece sunt rezultatul unor procese metalurgice care au avut ca scop fixarea cat mai stabila a metalelor considerate impuritati in matrice chimica. Această lucrare prezintă cercetările inițiale privind comportamentul zgurii metalurgice față de diferite tehnologii de leșiere. Keywords: cupru, deșeuri, metalurgie, zgură, recuperare 1. Introducere Dezvoltarea industriei metalurgice este condiţionată de rezolvarea problemelor majore ce decurg din relaţia industrie-natură, strict direcţionate pe controlul poluării şi protejării resurselor naturale şi energetice. Schimbările esenţiale din acest mileniu trebuie să fie legate de dezvoltarea tehnologiilor metalurgice după cerinţele ecologiei industriale [1]. În industria metalurgică trebuie să se renunţe la noţiunea de deşeuri, mai corect fiind să se vorbească de subproduse. Preocuparea faţă de respectarea cerinţelor legislative privind protecţia mediului şi necesitatea armonizării proceselor tehnologice, cu gestionarea raţională a resurselor materiale şi energetice, trebuie să conducă la valorificarea deşeurilor prin tehnologii care să ofere atât din punct de vedere economic cât şi ecologic, soluţia optimă. Comparativ cu practica şi tendinţele manifestate pe plan mondial, industria metalurgică românească înregistrează rămâneri în urmă, atât în domeniile colectării, transportului şi depozitării tuturor categoriilor de deşeuri, precum şi în ceea ce priveşte soluţiile de valorificare prin reciclare sau/şi utilizare a acestora [2]. Preocupările urmărite în strategiile de dezvoltare a combinatelor metalurgice din întreaga lume se înscriu pe două direcţii: - dezvoltarea tehnologiilor performante în care se reduc substanţial emisiile; - creşterea randamentelor de recuperare şi reciclare a subproduselor până la valori apropiate de 100%. Prin această lucrare se încearcă aducerea în atenția factorilor de decizie a importanței valorificării acestor ” deșeuri industriale” cu implicații economice și de mediu apreciabile. 2. Materiale and metode Zgura din metalurgia plumbului dizolvă 6-15% ZnO. Oxidul feros se formează în prezența silicaților de dioxid de siliciu cu puncte de topire mai mici decât cele două componente, care trec în zgură: 2FeO+SiO2= 2FeO·SiO2 (1) 4FeO+3SiO2= 4FeO·3SiO2 (2) FeO+SiO2 =FeO·SiO2 (3)

Autor corespondent: Camelia Bădulescu, Assoc. Prof. PhD. Eng., University of Petroșani, Petroșani, Romania, contact (University st. no. 20, Petroșani, Romania cameliabadulescu@upet.ro) *

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 40-44

Matele cupro - zincoase sunt obținute prin topirea concentratelor de plumb cu mai mult de 1% Cu. În general, matele lichide din topirea reducătoare a plumbului constau din sulfuri de fier, cupru și zinc, care conțin în stare dizolvată cantități mici de fier metalic, cupru, aur, argint și Fe 3O4. Pe lângă aceste elemente, există incluziuni de zgură și cantități semnificative de plumb, deoarece, FeS dizolvă până la 30% Pb sub formă de PbS și plumb metalic (20-30% PbO) [3]. La un conținut de peste 1% cupru, în aglomerat se produce o mată cupru-plumb, în proporție de 0,5-2%, sub formă de Cu2O, Cu2S și silicat și se colectează aproape în întregime sub formă de Cu2S, pe baza următoarelor reacții: Cu2O+FeS =[Cu2S]+FeO (4) Cu2O+CO = 2Cu+ CO2 (5) 2Cu+FeS =[Cu2S]+Fe (6) Dacă încărcătura nu conține o cantitate suficientă de sulf pentru sulfurarea cuprului, aceasta se dizolvă în plumb și urmează să fie îndepărtată în timpul operațiunii de decuprare a plumbului brut. Majoritatea fierului din aglomerat trece în zgură, iar o anumită cantitate în mata de plumb-cupru. Oxizii de fier superiori se reduc conform reacțiilor: 3Fe2O3+ CO = 2Fe3O4+CO2 (7) Fe3O4+ CO = 3FeO+CO2 (8) Zgura este un produs secundar nemetalic, rezultat în urma proceselor metalurgice de extracție și elaborare a metalelor și aliajelor, caracterizată printr-o anumită compoziție chimico-mineralogică [4]. Este un amestec de diferiți oxizi, rezultat din topirea sterilului de minereu, a cenușii de combustibil, a fluxurilor și a băii de metal și care poate forma compuși chimici, soluții și amestecuri eutectice. În procesele de extracție și elaborare a metalelor și aliajelor, zgura trebuie să îndeplinească următoarele funcții: - favorizarea desfășurării principalului proces fizico-chimic (reducere, oxidare etc.) caracteristic unei operațiuni metalurgice (elaborarea fontei în cuptor, aliaje neferoase etc); - îndepărtarea și captarea elementelor dăunătoare calității metalului sau aliajului produs (ex. sulf, fosfor, arsen etc.); - favorizarea evacuării gazelor din baia de metal în atmosferă; împiedicarea pătrunderii gazelor din atmosfera agregatului (de exemplu hidrogen, azot, oxigen etc.) în baia de metal; - favorizarea îndepărtării incluziunilor nemetalice din baia metalica; - sa regleze transmisia de căldură către baia metalica sau invers, după caz; Pentru a corespunde acestor funcții, zgura trebuie să aibă anumite proprietăți fizico-chimice (vâscozitate, densitate, conductivitate termică și electrică, tensiune superficială etc.) care depind în primul rând de compoziția sa chimică [5]. 3. Rezultate și discuții În această etapă, zgura este pregătită pentru prelucrare, urmată de levigarea sa acidă. Pregătirea zgurii pentru levigare necesită măcinarea acesteia pentru un contact mai intim între faza solidă și cea lichidă. Deoarece zgura testată este extrem de dura, ceea ce presupune un consum mare de energie, s-a propus măcinarea în două etape: o zdrobire inițială, urmată de o levigare acidă care friabilează materialul și o a doua etapă de măcinare în moara cu bile. Leșierea acidă poate fi efectuată cu acid sulfuric, acid clorhidric sau acid azotic. Testele au arătat că utilizarea acidului sulfuric duce la randamente de extracție scăzute, iar utilizarea acidului clorhidric duce la formarea de clorocomplecși care se comportă diferit în variație de concentrația soluțiilor. Din acest motiv, am optat pentru acidul azotic, care formează săruri solubile cu toate metalele uzuale și are o disponibilitate foarte scăzută pentru a forma combinații complexe [6]. În urma leșierii cu acid azotic apar următoarele reacții chimice: 30% Fe(s) + 4HNO3(aq)  Fe(NO3)3(aq) + NO(g) + 2H2O(l)

(9)

3Zn(s) + 8HNO3(aq)  3Zn(NO3)2(aq)+ 2NO(g) + 4H2O(l) Cu(s) + 4HNO3 (aq) → Cu(NO3)2 (aq) + 2NO2 (g) + 2H2O(l) FeO + 4HNO3 → Fe(NO3)3 + NO2 + 2H2O 2HNO3 + ZnO → Zn(NO3)2 + H2O 2HNO3 + CuO → Cu(NO3)2 + H2O As + 5HNO3 → H3AsO4 + 5NO2 + H2O

(10) (11) (12) (13) (14) (15)

40%

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 40-44

Tehnologia de prelucrare a plumbului implică prelucrarea pirometalurgică a concentratelor de plumb care are ca scop reducerea plumbului la metal și separarea acestuia de alte metale însoțitoare. În acest scop, diverșii aditivi ai fluxurilor formează o zgură de plumb și o mată care sunt alcătuite din eutectic termodinamic foarte stabil, permițând astfel separarea foarte eficientă a plumbului. Deșeurile rezultate din procesul de prelucrare a plumbului sunt deci un amestec de soluții solide foarte greu de separat. Testele de separare prin procese fizice au condus la rezultate nesatisfăcătoare deoarece au reușit doar să separe diferitele tipuri de eutectice unele de altele și nu metalele. Stabilitatea foarte mare a acestor deșeuri a fost demonstrată și prin teste pirometalurgice efectuate în vederea reducerii unor metale, în principal plumbul. În acest scop, deșeurile de pământ au fost amestecate cu materiale reducătoare și tratate termic la 1100 ° C. Rezultatul a fost o topitură separată în două faze, care nu conținea metal redus (vezi tabelul 1). Tabelul 1. Rezultatele testelor pirometalurgice

Compus MnO Fe2O3 As2O3 Sb2O3 PbO

Mată tratată la 1100 C partea inferioară a naceleei

Mată tratată la 1100 C partea superioară a naceleei

1,5487 41,0229 0,3292 0,8028 14,0723

1,3961 50,5215 0,2332 0,0000 8,3077

Există o concentrare de metale în partea inferioară a nacelei, dar fără o separare care să permită izolarea acestora. Această tehnologie urmează să fie dezvoltată în continuare, folosind un cuptor cu arc electric din industria titanului. Acest cuptor eficientizează foarte mult procesul de reducere a metalelor sub formă de oxizi, fiind foarte versatil și adaptabil la variații mari ale concentrațiilor de metal. Din punct de vedere chimic, ambele deșeuri – zgură și mată – sunt foarte reactive față de acizi, cu care reacționează parțial, foarte energetic. În urma testelor de leşiere hidrometalurgică nu se observă o anumită selectivitate faţă de un anumit metal, toate fiind dizolvate parţial, într-o proporţie mai mică sau mai mare. Unele semimetale se dizolvă complet, dar sunt constituenți minori ai acestor deșeuri. Leșia rezultată conține un număr semnificativ de metale solubilizate, ceea ce implică separarea lor chimică. Costurile relativ mari ale reactivilor utilizați impun necesitatea de a separa produsele din soluții în forme valoroase din punct de vedere economic. Astfel, fierul, solubil în orice variantă de leșiere acidă, duce la un consum semnificativ de acizi. În aceste condiții, eliminarea acestuia ca deșeu sau ca oxid pentru industria siderurgică este ineficientă. În consecință, tehnologia propusă urmărește obținerea de produse de înaltă calitate cu alte destinații economice, precum pigmenții. Testele de leșiere acidă au arătat solubilizarea parțială a acestor deșeuri. Rezultatele acestor teste sunt prezentate în tabelele 2 – 5. Prin tratarea cu acizi, indiferent de natura acestora, se elibereaza acid silicic care are ca efect gelificarea soluției. Din acest motiv, după atacul acid este necesar să se dilueze imediat amestecul cu apă și să se separe leșia prin sedimentare în îngroșătoare de nămol. Dacă se dorește retratarea reziduului cu acid, este necesară îndepărtarea silicei cu soluție de hidroxid de sodiu, când se obține un silicat de sodiu solubil (apă de sticlă), care poate fi utilizat în industria materialelor de construcții. Tabelul 2. Extracția prin leșierea cu HCI a matei

Tabelul 3. Extracția prin leșierea cu HCI a zgurii

Compus Solubilizare [%] Extracție în metal

Compus Solubilisation [%] Extracție în metal

Al2O3 SiO2 SO3 CaO MnO Fe2O3 NiO CuO ZnO As2O3 Sb2O3 PbO

0,2001 1,6108 3,5095 1,5044 0,9859 18,9646 0,0878 15,3770 2,1061 0,7982 0,5521 7,2490

72,66 57,68 31,38 88,53 95,12 70,51 100,00 42,20 58,09 55,56 100,00 57,47

0,2896 4,5899 2,8803 3,9155 0,8749 42,2442 0,0538 2,5025 9,3813 0,5976 0,5560 11,7388

73,96 79,10 57,04 93,05 89,36 85,95 100,00 37,87 82,81 100,00 100,00 81,86

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 40-44

Tabelul 4. Extracția prin leșierea cu H2SO4 a matei

Tabelul 5. Extracția prin leșierea cu H2SO4 a zgurii

Compus Solubilizare [%] Extracție în metal

Al2O3 SiO2 SO3 CaO MnO Fe2O3 NiO CuO ZnO As2O3 Sb2O3 PbO

0,1984 0,0000 1,8082 1,0257 0,9755 19,4673 0,0878 2,3429 1,7293 0,5214 0,2623 0,0000

72,05 0,00 16,17 60,36 94,12 72,38 100,00 6,43 47,70 36,29 47,51 0,00

0,2793 0,0000 0,0000 0,8601 0,8400 43,6050 0,0284 2,8787 9,5849 0,3529 0,0000 0,0000

71,35 0,00 0,00 20,44 85,80 88,72 52,81 43,56 84,61 59,05 0,00 0,00

Deși acidul sulfuric nu dizolvă plumbul, testele au arătat întotdeauna că și extracția altor metale este deficitară, astfel că, în ciuda tuturor așteptărilor, utilizarea acestui acid nu a dus la o leșiere selectivă a cuprului din plumb. În figura 1 este prezentat fluxul tehnologic propus pentru levigarea zgurii metalurgice în vederea recuperării cuprului.

Figura 1. Fluxul tehnologic propus pentru leșierea zgurii

Leșierea cu NH3 este foarte eficientă și selectivă. Dezavantajul este concentrația scăzută de saturație a soluției de complex cuproamoniacal, ceea ce implică necesitatea circulației unor volume mari de soluție. Cuprul se extrage foarte ușor prin cimentare. Rezultatul nu este final, extragerea poate fi continuată. Se estimează că extracția poate fi eficientă, așa cum se poate observa din tabelul 6.

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 40-44

Tabelul 6. Extracția prin leșiere cu amoniu a zgurii

Component Conținut inițial [%] Reziduu după leșierea cu NH3 Extracția în metal [%] Al2O3 SiO2 SO3 CaO MnO Fe2O3 NiO CuO ZnO As2O3 Sb2O3 PbO

0,915 5,8025 5,0495 4,208 0,979 49,1481 0,0538 6,6084 11,3287 0,5976 0,556 14,3405

0,4814 6,2858 2,9851 4,9029 1,2074 51,8075 0,0589 3,3605 11,4026 0,4329 0,5697 14,9694

0,00 0,00 43,90 0,00 0,00 0,00 0,00 51,74 4,48 31,25 2,76 0,94

4. Concluzii Cercetările experimentale de leșiere a matei și zgurii rezultate în urma procesului metalurgic de obținere a cuprului s-au axat pe solubilizarea acestor două subproduse cu acid clorhidric, acid sulfuric și amoniac. Extracțiile de metal obținute au relevat faptul că, leșierea cu amoniac este cea mai eficientă și selectivă, obținându-se o extracție în metal de 51,74%. În urma studiilor teoretice și experimentale efectuate, s-a ajuns la concluzia că aceste deșeuri de zgură și cenușă pot fi folosite ca materii prime sau ca aditivi în diverse domenii. Proiectul propus poate fi considerat un obiectiv de mediu deoarece va accelera semnificativ închiderea haldelor de zgură și cenușă și ecologizarea acestora, prin valorificarea materialelor rezultate din lucrările efectuate la haldă. Recuperarea zgurii și cenușii rezultate din prelucrarea minereului are un mare avantaj pentru mediu prin reducerea poluării în haldele lor de deșeuri. Bibliografie [1] C. Bădulescu, 2016 Metallurgical industry and pollution (Editura Universitas Petroșani) – (in română) [2] N. Cristea, C. Bădulescu, 2013 Pyrite ashes – raw material in iron metallurgy (13rd International Multidisciplinary Scientific Geoconference, Bulgaria) [3] S. Gâdea et. al., 1978 Metallurgical Engineer's Manual (Editura Tehnică București) – (in română) [4] M. Cioroi, L.N. Cristea, I. Cretescu, 2009 The treatment and minimization of metallurgical slag as waste (5th ICEEM International Conference Engineering and Environmental Management, Tulcea) [5] x x x, 2013 Best Available Techniques (BAT) Reference Document for the Non-Ferrous Metal Industries (JOINT RESEARCH CENTRE, Institute for Prospective Technological Studies, Sustainable Production and Consumption Unit, European IPPC Bureau) [6] L.N. Cristea, M. Cioroi, 2007 Metallurgical slag recycling potential (Advanced Technologies and Materials” International Conference, Faculty of Metallurgy and Material Science of Galaţi)

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590 vol. 27, nr. 3 / 2021, pp. 45-63

O POSIBILĂ TEHNOLOGIE DE EXECUȚIE A TUNELURILOR PE SUBSECȚIUNEA E2 A AUTOSTRĂZII A1 Ileana PASCU 1, Mircea GEORGESCU2* 1 2

Universitatea din Petroșani, Petroșani, Romania Universitatea din Petroșani, Petroșani, Romania

DOI: 10.2478/minrv-2021-0025 Rezumat: Lucrarea își propune să stabilească elementele de proiectare ale tunelurilor ce se vor executa pe subsecțiunea E2 din tronsonul de autostradă Lugoj-Deva, parte integrantă a autostrăzii A1. Din multitudinea de probleme legate de executarea unui tunel, în lucrare sunt cercetate următoarele aspecte: investigațiile geotehnice ale zonelor ce vor fi traversate de tuneluri, analiza stabilității tunelurilor, verificările statice ale susținerii/căptușelii definitive și, în final o posibilă tehnologie de execuție a acestora. Cuvinte cheie: autostradă, tuneluri, investigații geotehnice, stabilitate, tehnologie de execuție 1. Introduction În ultimele două – trei decenii traficul rutier a cunoscut o creștere sporită, ceea ce a impus luarea unor măsuri pentru crearea condițiilor desfășurării normale și în deplină siguranță a acestuia. Printre aceste măsuri, creșterea capacității de circulație a infrastructurii rutiere pentru a satisface noile performanțe de trafic este o condiție sine qua non. S-a dovedit că soluția cea mai eficientă pentru a satisface acest deziderat este crearea de autostrăzi care înseamnă: siguranță, viteză sporită, confort, eco¬nomie de timp, reducerea stresului, creș¬tere economică. În România se constată o insuficientă dezvoltare a autostrăzilor, deoarece este din ce în ce mai mult resimțită această lipsă. Autostrada A1 face parte din Coridorul Pan-European IV, care traversează teritoriul României de la Nădlac la Constanța (figura 1).

Figura 1. Harta Proiectului TEN-T nr. 7. Segmentul românesc Nădlac-Constanța (Autostrada A1) (Sursa: Comisia Europeană, 2005)

Autor corespondent: Mircea Georgescu, Prof. PhD. Eng., University of Petroșani, Petroșani, Romania, contact (University st. no. 20, Petroșani, Romania mirgeorgescu@gmail.com) *

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 45-63

Obiectul acestui articol este subsecțiunea E2 a autostrăzii A1, parte integrantă a tronsonului de autostradă Lugoj-Deva, (figura 2) între km 52+880 și km 55+420, care traversează o zonă colinară, neregulată.

Figura 2. Traseul tronsonului de autostradă Lugoj-Deva, Lot 2 [1]

2. Soluția propusă de proiectant În Raportul tehnic elaborat pentru Subsecțiunea E2 –tuneluri [2] pentru a se evita realizarea de debleuri de mari dimensiuni, cu impact ambiental negativ, s-a propus traversarea zonelor cele mai critice cu 3 tuneluri, primul având lungimea de 290 m, iar următoarele două de 834 m, respectiv 400 m. Soluția inițială, cu trei asemenea tuneluri, a fost modificată (conform condițiilor din Acordul de mediu, din 2013) și s-a decis ca ultimele două să fie unite, eliminându-se porțiunea descoperită, de 440 m existentă între acestea, realizându-se în final un singur tunel, de la km 53 + 620, până la km 55 + 420 (figura 3). Lungimea celor două tuneluri va fi de aproximativ 2,13 km.

Figura 3. Tunelurile de pe Subsecțiunea E2 [3]

Tunelurile vor fi formate din două galerii unidirecționale prevăzute pe fiecare cale de circulație cu secțiunea în săpare de 185 m2, iar structura rutieră (figura 4) are următoarele dimensiuni: • Parte carosabilă cu lățimea de 2·3,75 m = 7,50 m lățime; • Bandă de încadrare cu lățimea de 0,50m • Bandă pentru staționarea de urgență cu lățimea de 2,50 m; • Acostamente de 0,25 m pe partea stângă și 0,50 m pe partea dreapta = 0,75m; • Trotuare cu lățimea de 2·(min. 0,80 ÷ max. 0,98)m = 1,60 m ÷ 1,96 m rezultând o lățime totală a autostrăzii de 12,85 m ÷ 13,21 m, pentru fiecare tunel. 46

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 45-63

Figura 4. Profilul transversal tip pentru tunel [3]

Perimetrul intern al fiecărui tunel este constituit dintr-un arc policentric, care asigură un gabarit minim de 5 m pe platforma asfaltată. Pentru profilul în lung, linia roșie a platformei are declivități uniforme diferite pentru fiecare tunel (1-2-2,9%), pante care urmăresc și linia superioară a calotei tunelului. De asemenea, tunelurile vor fi prevăzute cu galerii de evacuare în caz de urgențe, nișe de serviciu pentru amplasarea echipamentelor de securitate, instalații electrice, de ventilare, de stingerea incendiilor și echipament ITS. 3. Investigații de teren Pentru realizarea documentației tehnice au fost necesare o serie de investigații de teren. 3.1. Investigații cartografice și topografice S-a realizat o rețea topografică planimetrică și altimetrică rezultată prin îndesirea rețelei de sprijin națională în sistemul de coordonate de referință Stereo 70 și s-au executat planuri topografice de bază la scara de 1:1000 și detaliate la scara1:200. 3.2. Investigații geotehnice Pentru Subsecțiunea E2 între km 52+880- km 56+220, au fost executate inițial: 18 foraje cu adâncimi între 6,00 m şi 33,00 m, 3 foraje de penetrări dinamice cu con realizate cu penetrometrul dinamic super greu tip B (DPSH – Tip B) şi 1 penetrare dinamică cu con realizată cu penetrometrul dinamic uşor (PDU). Suplimentar s-au mai executat 10 foraje cu adâncimi între 10-35 m și investigații geofizice – seismice downhole în 3 foraje [4, 5, 6, 7]. 47

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 45-63

Caracteristicile geologice ale acestei zone sunt prezentate în figura 5 și tabelul 1 [8].

Figura 5. Orizonturile întâlnite între km 54+360 și km 55+380 Tabelul 1 Formațiunile geologice din Subsecțiunea E2

Tipul formațiunii Tipul depozitului Orizontul A1 Depozite aluvionare 0.30-8.00m Acoperitoare

A2 A3

Depozite deluviale / eluviale 0.30-16.00m

B1 B2 C1 C2

De bază

7.00 – >33.00 m C3

Terenuri dificile

Caracteristici granulometrice pământuri coezive: argile grase, argile, argile prăfoase. pământuri slab coezive: prafuri nisipoase, nisipuri prăfoase, nisipuri argiloase, prafuri nisipoase argiloase. pământuri necoezive: nisipuri cu pietrișuri, nisipuri cu pietrișuri și bolovănișuri, pietrișuri cu nisip, nisipuri prăfoase cu pietriș mic, pietrișuri cu nisip prăfos. pământuri coezive: argile grase, argile, argile prăfoase. pământuri slab coezive: prafuri nisipoase, nisipuri prăfoase, nisipuri argiloase, prafuri nisipoase argiloase. pământuri coezive: argile grase, argile, argile prăfoase. pământuri slab coezive: prafuri nisipoase, prafuri nisipoase argiloase, nisipuri prăfoase, nisipuri argiloase. pământuri necoezive: nisipuri cu pietrișuri, nisipuri cu pietrișuri și bolovănișuri, pietrișuri cu nisip, nisipuri prăfoase cu pietriș mic, pietrișuri cu nisip prăfos. pământuri coezive cu consistență redusă (Ic<0,5) și pământuri cu umflări și contracții mari – PCUM (pământuri active).

Clasa geotehnică pentru zonele traversate de tuneluri a fost determinată conform normativului NP 074/2007 și se prezintă în tabelul 2. Tabelul 2. Stabilirea categoriei și riscului geotehnic pentru zona tunelurilor [3]

Factori Condiții de teren Apa subterană Clasificarea construcției după categoria de importanta Afectarea construcțiilor adiacente Zona seismică Total

Categoria

Punctaj

Terenuri dificile Cu epuizmente normale sau excepționale deosebită Risc moderat ag = 0.08 g

6 2-4 5 3 1 17- 19

Cu un punctaj total de 17-19 puncte şi luând în considerare complexitatea şi scopul lucrărilor ce urmează a fi executate, lucrarea este încadrată în categoria geotehnică 3 cu risc geotehnic major.

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 45-63

3.3. Teste de laborator În baza investigațiilor geotehnice executate, subsolul zonei afectată de construcția tunelurilor (galeriilor) poate fi considerat, în general, omogen. Există aici un complex superior, de grosime medie 13-14 m, constituit din argile prăfoase și prafuri argiloase, și unul inferior, care se extinde până la adâncimea galeriilor, reprezentat în special de argile prăfoase și marne nisipoase, preconsolidate. Se evidențiază că argilele sunt caracterizate de un ridicat indice de activitate, ca urmare a prezenței mineralelor cu risc de umflare (montmorillonite) în procent variabil până la un maxim 69%, cu media de 46%. In cursul releveelor efectuate nu a fost relevata prezența unor acvifere propriu-zise, apare un modest acvifer puțin deasupra contactului dintre argilele superioare și cele inferioare, caracterizate în complex de o permeabilitate mică. Nu se poate exclude, oricum, că în lungul galeriilor să existe corpuri hidrologice izolate, și o minimă circulație hidraulică la nivelele cu un procent majoritar nisipos. Principalele caracteristici geotehnice ale terenului din zonele tunelurilor sunt date în tabelul 3 care pot fi considerate ca o estimare a valorilor medii majoritare în cadrul fiecărui strat. Se precizează că în stadiul actual se dispune de probe de laborator pe epruvete netulburate doar pentru complexul de suprafață al argilelor prăfoase, iar pentru argilele preconsolidate prezente la mare adâncime nu a putut fi posibilă prelevarea de epruvete netulburate. Pentru acestea calculele de stabilitate se bazează pe date din literatură și experiențe anterioare. În ceea ce privește modulele de deformare s-a ținut cont de rezultatele din încercările edometrice, și de probele seismice în foraje down-hole. Tabelul 3. Caracteristicile geotehnice ale terenului din zonele tunelurilor [9]

Caracteristica geotehnică Greutatea volumetrică, γv Coeziunea, c Unghiul de frecare interioară, φ Modulul de deformație, E

U.M.

Tipul de pământ (teren) Argile prăfoase superioare Argile și marne inferioare

kN/m3 kPa grade MPa

19 15 20 10

20 40 25 30

4. Analiza stabilității tunelurilor Analizele de stabilitate au fost realizate cu programul MEF Plaxis® 2D v.2015, produs și distribuit de Plaxis BV, Delft (Olanda), unul dintre cele mai cunoscute programe pentru rezolvarea problemelor geotehnice complexe [3]. 4.1. Criterii și ipoteze de calcul Metoda de calcul utilizată e cea la stări limită recomandată de o serie de Eurocoduri, dar și de Standardele Naționale Române [9]. Conform acestora, calculele s-au efectuat la starea limită de exploatare (SLE) și la starea limită ultimă (SLU) în condiții statice, cât și la starea limită ultimă (SLU) în condiții de seism. În ceea ce privește verificările SLU în condiții statice, s-au luat în considerare atât stările limită ultime de tip geotehnic cât și static. Au fost analizate condițiile la care corespund următoarele combinații de coeficienți parțiali: - SLU gruparea 1: A1+M1+R1 (1) - SLU gruparea 2: A2+M2+R1 (2) unde: A – coeficienți parțiali pentru acțiuni sau efectele lor; M – coeficienți parțiali pentru parametrii geotehnici (ai pământului); R – coeficienți parțiali pentru rezistențe. Se precizează că, potrivit EC7, solicitările relative la gruparea 1 au fost obținute aplicând factorul parțial 1,35 direct la solicitările obținute în analizele SLE. În ceea ce privește analiza la stare limită ultimă la seism, calcul a fost realizat prin clasica abordare pseudostatică, aplicând la modele o accelerație orizontală de 0,10g. Analizele respective s-au realizat aplicând parametrilor de rezistență ai pământurilor coeficienții parțiali M2, iar coeficienții parțiali pe acțiuni (A) s-au păstrat mereu la valoarea 1,0. 4.2. Metoda de calcul Analiza interacțiunii dintre susținerea tunelului și terenul înconjurător a fost efectuată în condiția de stare plană de deformare, care în acest caz, dată fiind desfășurarea liniară a tunelurilor, condiția satisface pe deplin situația din teren. 49

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 45-63

Cu ajutorul programului MEF (Plaxis® 2D v.2015) [10] s-au realizat modelele de calcul cu elemente finite în deformaţie plană (2D), în ipoteza comportamentului elasto-plastic a terenului în care de sapă tunelurile, luând în considerare caracteristicile tensiuni-deformații. Discretizarea modelelor în 2D, s-a realizat prin elemente finite de suprafaţă triunghiulare cu 15 noduri în funcție de geometria problemei de analizat și de modelul geotehnic al subsolului definit prin investigațiile executate în teren. Susținerile/căptușelile tunelurilor în cele două faze provizorie/precăptușeală și susținere/căptușeală definitivă au fost schematizate ca elemente liniare monodimensionale, tip grindă. În modele, pentru evidențierea interacțiunii între susținere/căptușeală și teren au fost introduse elemente de interfață corespunzător contactului între materiale. Modelele de calcul utilizate au fost blocate inferior la translație verticală și orizontală în lungul celor doua laturi verticale, având dimensiuni adecvate pentru a evita ca respectivele soluții să fie influențate, în mod semnificativ, de efecte de contur [2]. 4.2.1. Secțiuni analizate Au fost analizate două secțiuni transversale, reprezentative ale întregului traseu al galeriilor/tunelurilor și anume: • secțiunea 1, în care grosimea rocilor acoperitoare tunelului este aproximativ egală cu diametrul în săpare al acestuia (16-18 m); • secțiunea 2, în care grosimea rocilor acoperitoare tunelului este egală cu valoarea maximă care se întâlnește de-a lungul traseului acestuia (35 m). În modelele 2D dimensiunile zonelor analizate sunt de 150 m × 63m, pentru secțiunea 1 și de 150 × 80m, pentru secțiunea 2. Statistica elementelor de discretizare ale modelelor este dată în tabelul 4. Tabelul 4. Statistica elementelor de discretizare

Număr total de: Noduri Elemente triunghiulare

Secțiunea 1

Secţiunea 2

29240 3430

30520 3590

Calculele s-au desfășurat, în pași, în 15 faze rezultând schemele de calcul prezentate în tabelul 5 pentru secțiunea în care grosimea rocilor acoperitoare tunelului este egală cu valoarea maximă care se întâlnește de-a lungul traseului acestuia (35 m) (secțiunea 2). Tabelul 5. Fazele și schemele de calcul corespunzătoare secțiunii 2 [2, 3].

Schema de calcul corespunzătoare secțiunii 2

Faza 0 Generarea stării de tensiuni originală din masiv, înainte de execuția galeriei, cu aplicarea greutății proprii a terenului

1 Anularea deplasărilor rezultate din aplicarea greutății proprii. Realizarea consolidării preventive pe frontul galeriei din stânga

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 45-63

2 Simulare excavare galerie stânga, pe toată secțiunea, cu activare susținere/căptușeală provizorie și continuare excavare

3 Excavare pentru radier/boltă întoarsă

4 Execuție radier/boltă întoarsă și pereți; ulterior avansare front

5 Completare susținere definitivă/căptușeală definitivă și completare excavare galerie stânga

6-12 Secvențe analoge fazelor 1-5, mai puțin anularea deplasărilor deja verificate, pentru galeria din dreapta 13 Activare sisteme de forțe care simuleze acțiunea exercitată de procesul de reumflare a terenurilor pe susținerea/căptușeala galeriilor 14 Dezactivare susțineri/căptușeli provizorii din prima Fază, considerând că pe termen lung acestea nu mai sunt eficace; acțiunile exercitate de masiv sunt transferate total susținerii/căptușelii definitive

15 Aplicare forțe seismice, prin introducere de accelerație orizontală de 0,10g

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 45-63

4.2.2. Rezultatele analizelor Calculele realizate au permis obținerea întregii evoluții a stării de tensiuni și deformații a complexului tunel (galerie) -teren. A fost posibilă evaluarea întinderii zonelor plastice din jurul săpăturii și ordinul de mărime al deplasărilor pe perimetrul galeriei. S-au obținut, totodată, stările de soli¬citare în precăptușeala și căptușeala definitivă în diferite faze de execuție. Astfel, s-au putut evalua prin modelare numerică cu elemente finite, pentru cele două secțiuni reprezentative ale traseului tunelurilor, următoarele caracteristici geomecanice care afectează pe termen lung structura de rezistență a acestora: - deplasările/deformațiile totale (analize SLE); - tensiunile de forfecare relative τ/τmax (analize SLE și SLU- gruparea 2); - momentele încovoietoare în susținerea/căptușeala definitivă (analize SLE, SLU- gruparea 2 și SLU cu seism). Pentru exemplificare, în figurile 6-11 [2, 3] sunt prezentate distribuțiile caracteristicilor geomecanice analizate (SLE și SLU) pentru secțiunea 1, fazele 14 și 15, iar în figurile 12-17 [2, 3] distribuțiile acelorași fenomene pentru secțiunea 2, fazele 14 și 15.

Figura 6. Distribuția deplasărilor în secțiunea 1, Faza 14. Analiza SLE

Figura 7. Distribuția tensiunilor de forfecare relative în secțiunea 1, Faza 14. Analiza SLE 52

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 45-63

Figura 8. Distribuția tensiunilor de forfecare relative în secțiunea 1, Faza 14. Analiza SLU-gruparea 2

Figura 9. Diagrama momentelor încovoietoare în susținerea/căptușeala definitivă în secțiunea 1, Faza 14. Analiza SLE

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 45-63

Figura 10. Diagrama momentelor încovoietoare în susținerea/căptușeala definitivă în secțiunea 1, Faza 14. Analiza SLU- gruparea.2

Figura 11. Diagrama momentelor încovoietoare în susținerea/căptușeala definitivă în secțiunea 1, Faza 15. Analiza SLU- seism

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 45-63

Figura 12. Distribuția deplasărilor în secțiunea 2, Faza 14. Analiza SLE

Figura 13. Distribuția tensiunilor de forfecare relative în secțiunea 2, Faza 14. Analiza SLE

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 45-63

Figura 14. Distribuția tensiunilor de forfecare relative în secțiunea 2, Faza 14. Analiza SLU- gruparea 2

Figura 15. Diagrama momentelor încovoietoare în susținerea/căptușeala definitivă secțiunea 2. Faza 14. Analiza SLE.

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 45-63

Figura 16. Diagrama momentelor încovoietoare în susținerea/căptușeala definitivă secțiunea 2, Faza 14. Analiza SLU-gruparea 2

Figura 17. Diagrama momentelor încovoietoare în susținerea/căptușeala definitivă secțiunea 2, Faza 15. Analiza SLU-seism

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 45-63

4.3. Verificări statice ale susținerii/căptușelii definitive Verificările se vor face în cele două secțiuni caracteristice traseului unei galerii/tunel (1 și 2) și în funcție de starea limită de referință (SLU și SLE). La baza alegerii dimensiunii susținerii/căptușelii a stat Normativul cu indicativul NP112-2014. Secțiunea 1 (H=16 m) Susținerea/căptușeala este realizată din două părți:  Radierul/Bolta întoarsă cu grosimea de 150cm;  Calota cu grosimea de 100 cm. Secțiunea 2 (H=35 m) Susținerea/căptușeala este realizată din două părți:  Radierul/Bolta întoarsă cu grosimea de 150cm;  Calota cu grosimea de 100 cm. În tabelele 6 și 7 sunt date sintetic rezultatele calculelor de verificare a stabilității susținerii/căptușelii definitive a tunelurilor ținând cont de valorile caracteristicilor geomecanice stabilite cu ajutorul programului MEF (Plaxis® 2D v.2015), rezultate care au fost parțial prezentate în paragrafele anterioare. Tabelul 6. Verificarea stabilității susținerii/căptușelii definitive a tunelurilor în secțiunea 1

Elementul de calcul

Verificări la încovoiere

Caracteristica geomecanică

SLU Gruparea 1 Gruparea 2

Radier

Calotă

Forța tăietoare max, kN/m, Ned Forța tăietoare la rupere, kN/m, Vrd,s Coeficientul de siguranță min, c.s.min=Ned/Vrd,s Momentul încovoietor max, kN·m/m, Med Momentul încovoietor la rupere, kN·m/m, MRd Coeficientul de siguranță min, c.s.min=MRd/Med Forța tăietoare max, kN/m, Ned Forța tăietoare la rupere, kN/m, Vrd,s Coeficientul de siguranță min, c.s.min=Ned/Vrd,s Momentul încovoietor max, kN·m/m, Med Momentul încovoietor la rupere, kN·m/m, MRd Coeficientul de siguranță min, c.s.min=MRd/Med

SLE

Verificări la forța tăietoare SLU

-1937

-1433,36

3352

4369

1,30

4764,5 (fibra întinsă intrados)

3528,2

6331,82

1,329

-2588

-3050

-1917

468 (gr.2)

537

1315 (fibra întinsă intrados)

-2047 (fibra întinsă intrados)

974,2

2016,7

-2188,5

1,533

1,069

1,15

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 45-63

Tabelul 7 Verificarea stabilității susținerii/căptușelii definitive a tunelurilor în secțiunea 2

Elementul de calcul

Verificări la încovoiere

Caracteristica geomecanică

SLU Gruparea 1 Gruparea 2

Radier

Calotă

SLE

Verificări la forța tăietoare SLU

-3021

-2235

3963

4369

1,10

7620,3 (fibra întinsă intrados)

5643,6

9187

1,206

-4529,7

-3680

-3346

815 (gr.1)

839

1,03

2312,8 (fibra întinsă intrados)

-2441 (fibra întinsă intrados)

1720

2878

-2638

1,244

1,081

Concluzie: Având în vedere valorile coeficienților de siguranță determinați pentru cele două elemente de calcul (radier și calotă) se poate trage concluzia că dimensiunile alese pentru susținerea/căptușeala definitive a tunelurilor sunt satisfăcătoare pentru stabilitatea construcției în ansamblu ei. 5. Tehnologia de realizare a tunelurilor Analizele efectuate pentru a stabili comportamentul masivului de roci/pământuri în timpul săpării galeriei / tunelului și a identifica eventualele intervenții în vederea stabilizării excavației și oprirea deformațiilor în limite acceptabile au arătat că fronturile sunt instabile în absența consolidărilor, ceea ce se impune realizarea unei susțineri/căptușeli imediat în urma frontului de înaintare. Pentru realizarea fiecărui tunel, se prevede împărțirea pe lungime a acestuia în două tronsoane diferite, fiecare caracterizat de mici diferențe legate de tehnologia de execuție [2]. Pentru fiecare dintre acestea, lucrările ce se vor executa, la stadiul cunoașterii actuale a stabilității terenului, sunt următoarele: A. Secțiunea de intrare și următorii 20 m. • Micropiloți din exterior Se execută un singur rând de micropiloți plecând de la frontul de înaintare (figura 18) • Consolidarea frontului cu elemente din VTR (tuburi clasice) Pe front sunt utilizați piloți din fibră de sticlă întrucât elementul de consolidare trebuie să poată fi distrus în timpul fazei de excavare ulterioară a frontului. Injectările vor fi extinse pe întreaga lungime a tuburilor. Acestea pot fi realizate prin procedeul packer cu ventile, care permite trecerea mortarului de ciment de la un foraj (pilot din fibră de sticlă) la altul printr-un tub de plastic. • Excavarea rocilor din secțiunea tunelului Excavarea galeriilor se va face pe întreaga secțiune, după principiile metodei ADECO-RS, în fâșii de 1,0 m. Conform celor rezultate din calculele preliminare fiecare pas de avansare a excavării va fi precedat de executarea susținerii provizorii. In acest scop se prevede utilizarea tuburilor cu valve din VTR ø60ʹʹ/40, cu rezistența nominală la întindere minimă de 600 kN. 59

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 45-63

Figura 18. Micropiloți pentru consolidarea frontului [2, 3].

Pentru evidențierea eventualelor acumulări hidraulice, în terenul traversat, se vor executa foraje de explorare în avans, dotate cu tuburi de drenaj din PVC microfisurat protejate cu geotextil. Diametrul tuburilor va fi de minim 60 mm, iar lungimea de circa 30 m. Aceste drenaje se vor realiza la fiecare 20 m de săpătură. Considerând natura terenurilor/rocilor/pământurilor din zona tunelurilor, săparea acestora va fi realizată cu excavatoare hidraulice care să fie echipate cu cupe cu dinți. În porțiunile cu roci stratificate pot fi folosite și ciocane sau dălți hidraulice, aplicabile cu rapiditate brațului excavatorului, și foarte ușor de înlocuit. Pentru a obține o secțiune de excavare cât mai fidelă profilului de calcul, cupa și/sau dinții excavatoarelor trebuie să fie manevrabile hidraulic pe ambele laturi în raport cu axa longitudinală. • Susținerea provizorie/precăptușeala constituită din torcret cu plasă sudată și centuri metalice (profile dublu T). Susținerea provizorie/precăptușeala este o fază imediat următoare excavației. Ea este necesară pentru susținerea temporară a excavației până la executarea susținerii definitive/ căptușelii definitive pentru a evita probleme de relaxare a materialului calotei. Susținerea provizorie/căptușeala provizorie se va realiza utilizând centuri 2 IPE 240 cuplate cu interaxe 1 m, și spritz-beton C28/35 (R, med  18 N/mm2) fibroranforsat cu grosimea de 30 cm și plasă sudată ø6ʹʹ/10x10. Fiecare centură va fi alcătuită din trei elemente realizate din profile de oțel preasamblate articulat care vor fi transportate în galerie cu cărucioare, aparate de montare a centurilor sau automacara. Inainte de a iniția operațiunile de montare a centurii se impune finalizarea operațiunilor de regularizare și pretorcretare a frontului. Doar după asigurarea unei curățenii perfecte și a integrității suprafeței săpăturii va fi posibilă trecerea la poziționarea centurii cu ajutorul utilajului specializat. După efectuarea acestor operațiuni, se trece la ridicarea, poziționarea, susținerea centurii cu brațul utilajului și fixarea centurilor cu buloane. Fiecare centură care se poziționează se leagă cu lanțuri metalice de cea precedentă, deja montată. În funcție de caracteristicile terenului traversat se poate impune folosirea plaselor sudate poziționate deasupra lanțurilor și fixate de acestea cu sârmă. Pentru consolidarea și punerea în siguranță a zonei unde a fost pozată noua precăptușeală (centură, lanțuri și plase) se trece la operațiunea de torcretare.

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 45-63

• Realizarea radierului pe tronsonul deja excavat al tunelului (figura 19).

Figura 19. Realizarea radierului [2, 3].

• Realizare (în funcție de necesități) ancore radiale • Realizare tuburi drenante radiale și colector • Impermeabilizare cu membrană din PVC protejată deasupra și dedesubt de geotextil de greutate minimă 400 g/m2 cuplat cu membrane PVC de grosime ˃ 2mm (figura 20)

Figura 20. Impermeabilizarea suprafeței interioare a tunelului [2, 3]. 61

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 45-63

• Susținerea definitivă/căptușeala definitivă din beton armat pe întreaga secțiune Susținerea definitivă/căptușeala definitivă, cu grosimea constantă de 100 cm în calotă și de 150 cm în bolta întoarsă/radier, va fi din beton armat pe întreaga secțiune. Se realizaeză cu cofraj mobil/platformă mobilă care înaintează în lungul direcției de avansare a frontului (figura 21). După montarea armăturilor (BST 500 S), poziționarea și fixarea cofrajului mobil, se trece la operațiunea de pompare a betonului C35/45 (Rck > 45 N/mm2) în cofraje. După întărirea betonului (1-2 zile), când acesta atinge rezistența prevăzută pentru faza de decofrare, se trece la pregătirea turnării tronsonului următor.

Figura 21. Susținerea definitivă [2, 3].

B. Secțiunea curentă Sunt valabile aceleași etape prezentate mai sus, cu următoarele modificări: - nu există micropiloții; - susținerea definitivă poate fi armată doar la radier nu și în calotă. In plus, se poate considera o procedură suplimentară, și anume dispunerea radială a unor ancore pe secțiunea transversală a tunelului. Observație: Tehnologia de execuție a tunelurilor prezentată la pct.5 este cea propusă în Proiectul tehnic [10] dar în prezent tronsonul cu tuneluri E2 este din nou licitat, așa că este posibil ca noul proiectant să propună o altă tehnologie de executare a tunelurilor, cum ar fi cea cu forarea terenului pe întreaga secțiune a tunelului. 6. Concluzii Pe baza caracteristicilor generale ale zonei, geologiei, geomorfologiei, condițiilor climatice și a cercetărilor geotehnice efectuate și prezentate în lucrare s-a stabilit că zona traversată de tuneluri se încadrează în categoria geotehnică 3 cu risc geotehnic major. Analizele de stabilitate au fost realizate cu programul MEF Plaxis® 2D v.2015 cu care s-au construit modelele de calcul cu elemente finite în deformaţie plană (2D), în ipoteza comportamentului elasto-plastic a terenului în care de sapă tunelurile, luând în considerare caracteristicile tensiuni-deformații.

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 45-63

Realizarea tunelurilor va fi întotdeauna însoțită de schimbarea stării de efort-deformație a terenului din jurul acestora, care conduce la solicitări active pe susținerea/căptușeala lor, și pe structurile de etanșare, solicitări care depind de mulți factori a căror influență nu poate fi prevăzută cu precizie în faza de proiectare. De aceea este indispensabilă predispunerea unei rețele de instrumentație, în timpul execuției lucrării, prin care să se controleze permanent comportamentul deformativ al terenurilor și evoluția acestuia. Pe baza măsurătorilor se pot evidenția, cu anticipație, eventualele anomalii sau situații de poțential pericol care impun intervenții de completare, adică adoptarea de metodologii de execuție diferite de cele normal folosite. Indiferent, însă, ce tehnologie de execuție a tunelurilor va fi aleasă cercetările geotehnice efectuate [3] și prezentate în lucrare rămân pot fi folosite rămânând de bază. Bibliografie [1] x x x Geological maps 1: 50.000 and 1: 200.000 Deva (în română) [2] x x x, 2015 Technical report – Design and execution of the Lugoj-Deva highway, lot 2, section E2 km 52 + 880 - km 56 + 220, 2015 (în română) [3] Pascu I., 2020 Analysis of geotechnical risks on the site of the A1 motorway, Lugoj-Deva section, lot 2, (km 27 + 620 m-56 + 220 m) and solutions to reduce them (în română), Teză de doctorat, Petroșani [4] x x x Research through open surveys carried out in lands, STAS 1242 / 3-87 [5] x x x, 2006 Geotechnical research and testing. Field tests. Part 2: Dynamic probing penetration test (în română), SR EN ISO 22476 / 2-2006 [6] x x x, 1989 Technical instructions for the research of the foundation ground by the method of cone penetration, static penetration, dynamic penetration, vibropenetration (în română), Norm C-159/1989 [7] x x x, 2006 Geotechnical research and testing. Field testing. Part 3: Standard penetration test (în română), SR EN ISO 22476 / 32006 [8] Pascu I., 2018 Geotechnical characteristics of the lands from Câmpia Becheiului (area of Traian Vuia, Dumbrava, Făget, Margina-jud. Timiș localities) (în română), Revista Construcțiilor no.145 / March [9] x x x, 1997 Geotechnical design. Part 2: Field investigation and testing (în română), SR EN 1997-2 [10] x x x PLAXIS 2D CONNECT-Tutorial Manual, Reference Manual, Scientific Manual, ediția V20

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590 vol. 27, nr. 3 / 2021, pp. 64-79

MONITORIZAREA CALITĂȚII AERULUI ÎN VALEA JIULUI Liliana ROMAN 1* 1

Universitatea din Petroșani, Petroșani, Romania

DOI: 10.2478/minrv-2021-0026 Rezumat: În lucrare se prezintă monitorizarea calității aerului în Valea Jiului, ce se realizează la stația de monitorizare HD-5 Vulcan începând cu luna martie 2010, care permite obținerea de date utile pentru identificarea rapidă a zonelor poluate și pentru luarea de către factorii abilitați a unor decizii strategice și tactice de combaterea poluării și de prevenire a acesteia. După o evidențiere a surselor de poluare din Valea Jiului se prezintă atât evoluția valorilor orare și/sau zilnice înregistrate la stația automată de monitorizare HD- Vulcan a calității aerului pe parcursul anului 2020 a poluanților: SO2, NO2, CO, PM10 gravimetric, Pb, Cd și Ni, dar și evoluția calității aerului la indicatorii de calitate, monitorizați în județul Hunedoara (inclusiv în Valea Jiului la stația HD-5), în perioada 2010-2020. Ținând cont de valorile medii anuale ale poluanților/noxelor înregistrate în anul 2020 la stația HD-5 Vulcan, în lucrare s-au calculat indicii de calitate ai aerului pentru fiecare poluant/noxă în parte și apoi indicele de calitate a aerului pe întreaga Valea Jiului în anul 2020, stabilindu-se că în acest areal calitatea aerului este bună, cu un nivelul de poluare foarte slab și fără efecte asupra omului, ecosistemelor și materialelor. Cuvinte cheie: monitorizare, calitate aer, Valea Jiului 1. Introducere Studierea poluării aerului a devenit, din ce în ce mai importantă datorită unor fenomene ce sunt produse direct, prin concentrarea gazelor poluante în anumite regiuni ale globului, sau indirect prin fenomene precum ploaia acidă, smogul fotochimic, subțierea stratului de ozon. În prezent distribuția spațio-temporală a acestor poluanți este monitorizată prin diverse metode și tehnici. Amploarea și complexitatea, fenomenelor de poluare, necesită astăzi studierea prin metode relativ ieftine și non- invazive, ce pot conduce la realizarea, de determinări de la distanță, determinări care prezintă acuratețe în cuantificarea surselor de poluare pe suprafețe extinse și pe suprafețe relativ restrânse. Un rol deosebit de important în menținerea echilibrelor ecologice îl are activitatea de control a calității mediului sau monitorizarea componentelor de mediu, prin aceea că oferă informații utile, factorilor de decizie, cu privire la gradul de poluare, starea de sănătate a populației, dinamica acestora sub influența activităților antropice, a tendințelor de evoluție a calității mediului. În prezent, în România, sistemul de monitorizare [1] a calității mediului este organizat pe subsisteme de viață. Datele de bază provenite din măsurătorile din teren și laborator efectuate în cadrul fiecărui subsistem sunt stocate într-o bază unitară construită la Institutul de Cercetare – Dezvoltare pentru Ingineria Mediului. Datele sunt ordonate după denumire, sunt aliniate ca mod de prezentare și unități de măsură la standardele naționale și internaționale, iar după prelucrarea lor statistică sunt transmise către băncile de date internaționale. Prezenta lucrare face parte dintr-o cercetare mai amplă privind efectele închiderii minelor din Valea Jiului asupra mediului înconjurător. Aici s-a dorit să se prezinte calitatea uneia dintre componentele de mediu, și anume aerul după anul 2010, când datorită restructurărilor/retehnologizărilor din sectorul energetic (mine, uzine de preparare, termocentrală) și din cele adiacente se constată o îmbunătățire a calității mediului, în general, celei a aerului în particular. În urma completării rețelei județene de monitorizare a calității aerului cu stația HD-5 Vulcan s-a creat oportunitatea analizării continue a calității aerului în Valea Jiului, deși ea nu poate preciza aportul activităților unităților miniere la starea calității aerului din acest areal.

Autor corespondent: Liliana Roman PhD. Stud. Eng., University of Petroșani, Petroșani, Romania, contact (University st. no. 20, Petroșani, Romania lilianaaprilie40@yahoo.com) *

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 64-79

Cum conform negocierilor dintre România și Comisia Europeană, până în anul 2032 trebuie închise toate unitățile miniere din Valea Jiului [2], ar rezulta că un demers ca cel expus mai sus nu ar avea sens. Se dorește să se arate că activitățile energetice (mine și termocentrală) desfășurate în Valea Jiului nu contribuie semnificativ asupra calității mediului înconjurător dacă se investesc bani pentru retehnologizări și măsuri de prevenție cum în unele cazuri s-a și făcut (uzina de preparare Coroiești, termocentrala Paroșeni). Cele prezentate mai sus sunt susținute și de o serie de cercetări/studii efectuate de-a lungul timpului care au arătat că impactul activităților antropice (inclusiv cele energetice) în Valea Jiului asupra mediului înconjurător se încadrează în limite admisibile [3]. 2. Date generale asupra bazinului minier Valea Jiului 2.1. Așezare geografică Bazinul minier Vale Jiului, situat în sud- vestul României, între 45° 17' - 45° 22' latitudine nordică și 20° 13'- 20° 33' longitudine estică și așezat de-a lungul Carpaților Meridionali, este poarta spre Parcul Național Retezat și spre alte destinații carpatice, fiind înconjurat de munții din grupa Parâng și grupa Retezat. El se constituie din punct de vedere morfologic, ca o depresiune îngustă și adâncă, una din puținele ce se găsesc în Carpații Meridionali. Are forma unui sinclinal triunghiular, asimetric, orientat în direcția ENE-VSV, cu vârful în partea de vest și baza la est, cu o lungime de 46 km și o lățime între 2-9 km, cu maximul la confluența Jiului de Est cu Jiul de Vest și acoperind 137,6 km (figura 1).

Figura 1. Localizarea geografică a bazinului minier Valea Jiului [1]

Valea Jiului (figura 2) se desfășoară de-a lungul celor două obârșii ale Jiului, acestea împărțind practic depresiunea în două platouri: a) platoul Petroșani, la est, străbătut de Jiul de Est ce trece prin așezările, Cimpa, Lonea, Petroșani, Livezeni, de care aparțin Jieț și Bănița. b) platoul Vulcan, la vest străbătut de Jiul de Vest care trece prin așezările Câmpu lui Neag, Uricani, Bărbăteni, Lupeni, Paroșeni, Vulcan, Coroești, Iscroni, de care aparțin Crividia, Dealu Babii și Aninoasa. Fundul acestei depresiuni este relativ înalt (556 m la confluența celor două Jiuri, 800 m spre marginile de est și vest) alcătuind astfel o depresiune intramontană înaltă care explică climatul ei relativ rece. Valea Jiului este o microregiune alcătuită din trei municipii : Petroșani, Lupeni, Vulcan și trei orașe: Petrila, Uricani, Aninoasa, cu o populație totală de 120.734 locuitori (recensământ 2011). Legătura spre Transilvania este

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 64-79

asigurată prin intermediul unei linii de cale ferată Petroșani – Simeria și DN 66A, drum ce intenționează a se prelungi făcând legătura cu Băile Herculane, iar cu Oltenia prin calea ferată Petroșani- Tg. Jiu și DN 67A. Accesul în perimetrele miniere este asigurat de DN-uri și căi ferate normale sau înguste. Se consideră că infrastructura de transport la perimetrele miniere asigură, în prezent capacitățile de transport și de circulație spre minele din Valea Jiului.

Figura 2. Așezarea și poziționarea localităților din bazinul minier Valea Jiului [3]

2.2. Hidrografia bazinului Rețeaua hidrografică a bazinului [5] este reprezentată în principal de două râuri: - Jiul de Est, cu un parcurs de aproximativ 28 km, are izvoarele pe versantul sudic al Munților Șureanu, principalii săi afluenți fiind Jieț, Taia, Răscoala, Bănița. - Jiul de Vest, care izvorăște din circul glacial Scorota și are un parcurs de 51 km, principalii săi afluenți fiind pâraiele Buta, Lazărul, Toplița, Valea de Pești, Mierleasa, Braia, Sohodol și Baleia. Acestora li se mai adaugă numeroase pâraie și torente care se scurg de pe versanții munților și se unesc în apropierea localității Iscroni, după care intră în defileul Livezeni- Bumbești. Rețeaua hidrografică a râului Jiu, este foarte dezvoltată în sectorul care traversează zona muntoasă a cursului superior al Jiului. Densitatea rețelei hidrografice este de 1,2 km/km2, fiind considerată foarte densă. Toate apele curgătoare cu obârșia în Munții Vâlcan sunt tributare râului Jiu, direct sau indirect. Jiul are o suprafață de 10.070 km2 și o lungime de 331 km. 2.3. Clima Clima este temperat- continentală, cu slabe influențe ale curenților mediteraneeni. Clima este aspră, dar nu excesiv, iernile nu sunt geroase, verile sunt în general răcoroase. Temperatura medie multianuală a aerului este de 7,5 ℃, temperaturile medii lunare variază de la o maximă, în luna iulie de 17,2℃ la o minimă în luna ianuarie de -3,8℃. Anual numărul zilelor cu temperaturi peste 0℃ este de 193 de zile, iar sub 0℃ este de 172 zile, reprezentând media valorilor înregistrate la stațiile Petroșani și Parâng. Precipitațiile reprezintă sursa principală de alimentare a râurilor, din bazin. În funcție de expunerea versanților cantitățile de precipitații și repartiția anuală a acestora este diferită. Astfel, versanții nordici beneficiază de cantități mai mari, datorită circulației vestice, iar versanții sudici ai munților din bazin înregistrează cantități reduse de precipitații datorită circulației foenice. Viiturile ce produc inundații sunt cauzate de ploi ce depășesc 40-50 mm la intervale scurte de timp (trei-patru pe an). În anotimpul rece, precipitațiile sunt sub formă de zăpadă, care va servi ca un rezervor de apă pentru perioada de la începutul primăverii când topirea acesteia declanșează apele mari de primăvară. Rezerva cea mai mare de zăpadă se acumulează în zona montană a bazinului, în timp ce în zona extracarpatică grosimea și durata acesteia vor scădea treptat spre confluență. Durata stratului de zăpadă depinde de cantitatea scăzută și de menținerea temperaturii aerului și a solului sub 0℃, zăpada menținându-se peste 100 de zile pe an în zona montană.

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 64-79

Vara, în timpul nopților senine și cu o circulație locală redusă, desfășurarea proceselor radiative conduce la răcirea aerului de deasupra versanților și la creșterea densității acestuia contribuind la deplasarea lui spre partea inferioară a văii unde formează ,,lacul de frig'', care stagnează pe fundul depresiunii în tot timpul nopții și dispare după răsăritul soarelui. Un aspect care influențează, fenomenul de inversiune termică, îl reprezintă nebulozitatea. Iarna, straturile de nori invadează formele joase, depresionare, permițând stabilirea unui gradient normal la 800 m altitudine de plafonul noros ce favorizează formarea unui strat cu temperatură inversă. În regimul anual al umezelii relative, a aerului se constată, un maxim principal în luna decembrie (93%) când temperatura aerului este scăzută, iar minimul principal se înregistrează, în martie- aprilie (77%). Regimul eolian este normal, fără excese de intensitate sau durată, fără pericol pentru vegetația forestieră, constatându-se că atunci când acestea se întețesc, în combinație cu zăpada și solul umezit de precipitații, ca urmare a concentrării curenților de aer datorită orografiei terenului, pot produce doborâturi izolate. În cursul, verii se pot produce furtuni însoțite de cele mai multe ori de grindină, fiind de scurtă durată. În depresiunea Petroșani vânturile predominate sunt crivățul care bate de la nord -est spre sud și care provoacă scăderea temperaturii și viscolirea zăpezii, urmate de vânturile calde din sud-est. 2.4. Flora și fauna Flora și fauna Văii Jiului prezintă elemente care fac parte din ea un centru de atracție turistică. În munți predomină pădurile rășinoase, între cele mai frecvente, sunt cele de molid, dar și de pin, zimbrul (pinus cembra), jneapăn, tisa. Pădurile de stejar și fag sunt des întâlnite, adăpostind numeroase păsări fiind locul unde își găsesc sălașul multe animale, precum iepurele de câmp, lupul, vulpea, mistrețul, căprioara, ursul, capra neagră, vulturul bărbos, specie care se întâlnește numai în Munții Retezat. Valea Jiului, dispune încă de o faună bogată a cărei răspândire este favorizată de prezența pădurilor. Totuși intervențiile antropice – prin exploatarea pădurilor sau defrișările în scopul extinderii pajiștilor și a suprafețelor cultivate, construirea drumurilor forestiere, amplasarea exploatărilor miniere, depozitarea sterilului, construcția cabanelor și caselor de vacanță, au determinat, în parte, restrângerea arealului unor specii.

3. Surse de poluare a aerului în Valea Jiului 3.1. Mineritul Sursele principale de poluare a aerului, cauzată de activitățile miniere, sunt: centralele termice ce deservesc unitățile miniere, stațiile de ventilatoare de la suprafața minelor, activitățile de la suprafața minelor și haldele de steril. Acestea răspândesc în atmosferă oxizi de sulf și azot, pulberi în suspensie, funingine și dioxid de carbon, afectând, în special, zonele limitrofe [4]. Măsurătorile efectuate în vecinătatea centralelor termice (care au funcționat pe cărbune sau GPL) au pus în evidență depășiri ale concentrațiilor admise la SO2, (imisii) fapt cauzat de conținutul relativ mare de sulf în cărbunii utilizați de aceste centrale (de ex. Lonea: 5-6%, Vulcan: 1-4%, Lupeni:1-4,5%, o medie de cca 3%) [1, 3, 5]. Stațiile de ventilatoare evacuează aerul viciat din subteran, aer în a cărui compoziție intră unele gaze nocive (CH4, H2S, CO, HCl) și suspensii minerale. Cu toate că nu există stabilite norme, privind concentrația maximă de CH4 eliminată în atmosferă, se impune o mai riguroasă monitorizare a cantităților de metan eliberate în atmosferă, dat fiind faptul că metanul, este un gaz ce contribuie semnificativ la efectul de seră. Activitățile de la suprafață care presupun sortarea, transportul, descărcarea, încărcarea cărbunelui și a sterilului generează, de asemenea, cantități importante de praf în suspensie, praf sedimentabil și uneori gaze. Aceste emisii nedirijate (necontrolate) sunt dispersate în perimetrul minier și în zonele învecinate (locuite) de către curenții de aer. Cantități apreciabile de pulberi în suspensie, sunt generate de activitatea de haldare, la care se adaugă, o cantitate de gaze rezultate din aprinderea materialului haldat. În ultima perioadă de timp fenomenul de autoaprindere a haldelor de steril nu se mai manifestă cu aceeași amploare ca în trecut, unitățile miniere luând o serie de măsuri, pentru limitarea acestor focare. Este deosebit de dificil să se stabilească în ce proporție activitățile miniere contribuie la poluarea atmosferei în Valea Jiului, dar pe baza unor studii anterioare se poate afirma că acestea, contribuie cu circa 6065%. 67

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 64-79

3.2. Termocentrala Paroșeni Funcționarea Termocentralei Paroșeni presupune arderea cărbunilor ceea ce implicit, înseamnă evacuarea în atmosferă, a unor cantități de suspensii și noxe rezultate din combustia cărbunilor. Analizele chimice efectuate, asupra cărbunilor proveniți din Valea Jiului, au pus în evidență un conținut mare de sulf în compoziția acestora, rezultatul direct fiind acela de eliminare în atmosferă a unei cantități mari de SO2 [3]. Principalii poluanți produși de Termocentrala Paroșeni sunt : monoxidul și dioxidul de carbon (CO și CO2), praful (cenușa zburătoare, particule de cărbune nears, zgură), oxizii de sulf (SO2 și SO3), oxizii de azot (NO și NO2), cantități reduse de gudroane, hidrocarburi, funingine, sulfați și acizi organici [6]. 3.3. Transportul rutier Autovehiculele prezintă, o sursă majoră de poluare a aerului, în mediul urban. Actualmente nu există restricții, în ceea ce privește accesul autovehiculelor de mare tonaj pe arterele principale. Acestea, în marea lor majoritate, sunt vechi și nu respectă normele euro în privința noxelor emise. În ceea ce privește autoturismele personale, numărul acestora este în continuă creștere. Problemele cele mai mari sunt ridicate de autoturismele cu o vechime mai mare de 10 ani care, de asemenea, nu sunt conforme cu normele privind emisiile de poluanți atmosferici. Traficul auto, contribuie în bună măsură și la încărcarea atmosferei cu suspensii solide, în special în perioadele cu deficit de precipitații. 3.4. Agricultura și zootehnia Din cauza configurației reliefului depresionar al Văii Jiului, se poate spune că agricultura acestei zone a fost și este, în continuare, una de subzistență axată pe obținerea strictului necesar de cartof, porumb, fructe și legume, fiind o activitate de importanță locală. Ocupația semnificativă a populației din mediul rural, arondat Văii Jiului, o constituie, din cele mai vechi timpuri, creșterea animalelor, respectiv a vitelor și oilor. Se poate aprecia că acest sector de activitate are o influență aproape ne semnificativă asupra poluării aerului. Gospodăriile individuale care utilizează, combustibili fosili (cărbune, gaz metan, lemn și în mai mică măsură motorină), pentru producerea agentului termic, gătit, producerea de apă caldă menajeră, sunt și ele responsabile, de poluarea atmosferică în Valea Jiului. Acest lucru poate fi cu ușurință remarcat , seara și pe timpul nopții, în special dacă este prezentă și ceața. Aerul are un miros specific, datorită poluanților prezenți, în concentrații ridicate, devine greu respirabil, pentru persoanele sensibile, sau care suferă de diferite afecțiuni, iar vizibilitatea scade uneori la câteva zeci de metri. 3.5. Construcțiile Poluarea aerului, cu suspensii solide, se mai datorează și diferitelor lucrări de construcții, renovări și modificări ale clădirilor, însă acestea având un caracter temporar, nu se constituie ca sursă, majoră de poluare. 3.6. Turismul Activitățile turistice pot conduce la reducerea calității aerului. Astfel în sezonul turistic, când circulația se află la cote maxime, se poate produce poluarea aerului, prin gaze de eșapament produse de autoturismele turiștilor și numărul mare de autocare. Structurile de alimentație publică au un consum mai ridicat de energie și deci există, o poluare produsă de centralele termice, care deservesc stațiunile turistice. 3.7. Alte activități Unitățile industriale și comerciale care își desfășoară activitatea în Valea Jiului contribuie la poluarea aerului, chiar dacă cu o pondere mult mai modestă. Sursele de poluare, sunt legate de activitatea de uscare a criblurilor și încălzire a uleiului, respectiv a bitumului, la stația de preparare a mixturilor asfaltice. Manipularea agregatelor și lianților la stația de preparare betoane și mortare constituie, o altă sursă.

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 64-79

4. Metode și aparatură de măsurare/determinare a calității aerului 4.1. Indicatorii și indicii de calitate ai aerului Indicatorii și indicii de calitate ai aerului asigură comunicarea informațiilor de mediu, sesizarea diferențelor față de starea normală sau valorile așteptate, identificarea evoluției unor procese, fundamentarea deciziilor, elaborarea de prognoze și strategii, evaluarea succesului politicilor de mediu și informarea publicului. Ei se concentrează pe câteva caracteristici, considerate relevante și pentru care datele sunt disponibile [7]. Cea mai frecventă și cea mai simpla metodă de utilizare a indicatorilor și indicilor de calitate a aerului presupune compararea valorilor obținute din monitorizări cu valori maxime admise cunoscute sub numele de concentrații maxime admise, valori limită, limite maxime admise ori praguri fixate prin acte legislative pe baza cunoștințelor științifice, în scopul evitării, prevenirii sau reducerii efectelor dăunătoare asupra sănătății omului ori mediului; valorile limită se referă la o perioadă dată (1 oră, 3 ore, 8 ore, 24 ore, 1 an) și reprezintă o valoare maximă, care nu trebuie depășită [8]. Dintre indicatorii specifici pentru evaluarea calității aerului, pentru care se stabilesc aceste valori relevanți, sunt: oxizii de azot, dioxidul de sulf, monoxidul de carbon, particulele în suspensie (PM10, PM2.5), compușii organici volatili (în special benzen), amoniacul, ozonul. În vederea evaluării gradului de poluare a aerului se pot utiliza indici de calitate a aerului. Unul dintre cei mai utilizați la nivel internațional este indicele de calitate a aerului (AQI – Air Quality Index), care are foarte multe variante de calcul la nivelul diferitelor state. Indicele permite evaluarea nivelului de poluare a aerului, a incidenței asupra stării de sănătate a populației și ecosistemelor naturale. O primă variantă de calcul a AQI pornește de la împărțirea noxelor în două categorii, funcție de raportul cu concentrația maximă admisă și în patru categorii funcție de gradul de periculozitate. După raportul cu concentrația maximă admisă, US EPA (2001) delimitează două categorii: - categoria I: noxele ale căror valori nu depășesc CMA, AQI calculându-se după formula: AQI =100·(C/ CMA) (1) unde: C - concentrația înregistrată a noxei, CMA - concentrația maximă admisă pentru noxă. - categoria II: noxele ale căror valori depășesc CMA: AQI= 100n·(C/ CMA) (2) unde: n- coeficient care variază funcție de gradul de periculozitate a noxei: 0,9-1,7. n=1,7- noxe foarte periculoase: ozon, clor, mercur, cadmiu, benzen n=1,3- noxe periculoase: hidrogen sulfurat, oxizi de azot, formaldehidă, stiren n=1 - noxe moderat periculoase: dioxid de sulf, funingine, particule în suspensie n=0,9 - noxe puțin periculoase: monoxid de carbon, hidrocarburi alifatice, amoniac Indicele se calculează pentru fiecare noxă în parte, după care se poate afla valoarea AQI global ca medie aritmetică a tuturor noxelor monitorizate din toate punctele luate în evaluare. Valorile obținute se raportează la Grila de interpretare a valorilor din tabelul 1. Tabelul 1. Grila de interpretare a valorilor indicelui de calitate a aerului (după www.epa.gov 2012)

Indice de calitate a aerului

Calitate a aerului/ nivel de poluare

Bună / foarte slab 0-50 (verde) Satisfăcătoare / slab sau moderat 51-100 (galben) 101-300 (portocaliu) Nesatisfăcătoare /relativ ridicată Slabă / ridicată 301-500 (roșu) Peste 500 (maro)

Foarte slabă / foarte ridicat

Efectele asupra omului Efecte asupra ecosistemelor și materialelor Fără efecte Fără efecte Influență asupra aparatului respirator, cardiovascular Efecte semnificative asupra populației. Efecte puternice pe suprafețe ridicate

Fără efecte Efecte reduse Efecte moderate Efecte puternice Efecte foarte puternice

4.2. Metode de determinare a calității aerului Calitatea aerului, este măsurată/determinată prin două metode [9], care se completează reciproc: • metoda gravimetrică, recunoscută ca fiind cea mai precisă metodă de măsurare, • metoda automată, care completează indicele metodei gravimetrice.

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 64-79

Metoda gravimetrică, presupune utilizarea unor dispozitive de colectare a pulberilor în care este aspirat aerul atmosferic. Din două în două săptămâni, în dispozitiv sunt așezate 14 filtre de unică folosință. Filtrele sunt condiționate și cântărite, în laborator, înainte și după efectuarea măsurătorii, din două în două săptămâni. Pe baza diferenței de masă a filtrelor, este calculată concentrația de pulberi, rămase pe filtre. Metoda automată, de măsurare a calității aerului, reprezintă o metodă echivalentă, cu metoda gravimetrică. Aceasta constă în utilizarea, de aparate de măsură automate, care măsoară în permanență nivelul pulberilor și permit reprezentarea grafică curentă, sub formă de hărți de impurități. În standardele referitoare la concentrațiile poluanților aerului (Rețeaua Națională de monitorizare a Calității Aerului Directive CE), sunt date metodele standard de măsurare staționare, cu eșantionare. Însă în stațiile de monitorizare a aerului se folosesc metode de măsurare în timp real. Metodele de referință pentru analiza principalilor poluanți, utilizate de Agenția de mediu, sunt următoarele: - metoda fluorescenței în ultraviolet prevăzută în ISO/FDIS 10948 (proiect de standard) "Aer înconjurător - determinarea dioxidului de sulf "- pentru analiza dioxidului de sulf; - metoda prin chemiluminescență, prevăzută în ISO 7996/1985 "Aer înconjurător – determinarea concentrației masive de oxizi de azot" – pentru analiza dioxidului de azot și a oxizilor de azot; - metoda fotometrică în UV prevăzută în ISO 13964, VDI 2468, B1,6 - pentru măsurarea ozonului și de calibrare a instrumentelor pentru ozon; - metoda spectrometrică în infraroșu nedispersiv (NDIR) prevăzută în ISO4224- pentru măsurarea monoxidului de carbon - metodei gravimetrice sau spectrometria cu absorbție atomică sau prin spectrometria de masă cu plasmă cuplată inductiv( ICP- MS) prezentată în EN12341 ˝Calitatea aerului- procedura de testare pe teren pentru a demonstra echivalența de referință a metodelor de prelevare a fracțiunii PM10 din pulberile în suspensie"- pentru măsurarea și prelevarea PM10. 4.3. Metode de măsurare și aparatură utilizată Metodele de măsurare a parametrilor de mediu [7], pot fi directe (fără a necesita etape de prelevare și precondiționare) și prin parcurgerea a mai multor etape. În cel din urmă caz se parcurg următoarele etape: 1. Locul de recoltare, trebuie astfel stabilit astfel încât proba să fie reprezentativă. 2. În timpul recoltării se vor nota condițiile meteorologice (temperatura, presiunea, mișcarea aerului, prezența sau absența norilor). 3. Durata de recoltare recomandată este de 30 de minute, pentru măsurarea concentrației momentane și 24 h, pentru concentrația medie zilnică. 4. Volumul de aer recoltat variază funcție de concentrația estimată și sensibilitatea metodei de analiză. 5. Dacă este cazul, după recoltare dispozitivele se vor transporta, în laborator în condiții în care să nu sufere modificări pe durata transportului. 6. Pentru determinarea pulberilor, dispozitivul de recoltare va fi ambalat pe durata transportului, pentru a fi ferit de contaminare (prăfuire). Instrumentele și dispozitivele disponibile pentru prelevarea probelor de aer atmosferic pot fi de două categorii, în funcție de modul de măsurare: A. Stațiile automate de monitorizare a aerului, sunt echipate cu dispozitive de colectare continua a aerului, instrumente de citire direct care oferă date în timp real privind nivelul de poluare. B. Pentru probele care urmează să fie analizate în instrumente de laborator sunt containere speciale (din sticlă, teflon, oțel), pompe și filtre ( pentru colectarea particulelor în suspensie) și sorbenți depuși în tuburi, coloane, filtre, sau cartușe. Instalația utilizată pentru prelevarea de probe pasive este echipată cu un absorbant (fig.3). Durata eșantionării, variază între câteva săptămâni și câteva luni. Pentru prelevarea de aer activ, pe lângă materialul absorbant, pentru îndepărtarea aerului, se utilizează și o pompă de aspirație a aerului (fig. 4). În ambele cazuri, materialele sorbente, sunt transferate în laborator, pentru pregătirea și măsurarea probelor. Colectarea probelor de aer se bazează pe procese fizice sau chimice. Procesele fizice implicate în eșantionare pot diferi, în funcție de tipul de compuși de interes cum ar fi: compușii gazoși și nevolatili sunt colectați pe baza absorbției/ adsorbției, absorbția este urmată de desorbție, cu solvenți sau termici.

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 64-79

Procesele chimice utilizează substraturi tratate cu diferiți reactivi chimici sau se bazează pe derivatizare. Aceasta constă în transformarea chimică a poluanților de interes, în compuși cu proprietăți noi, mai potrivite pentru sistemele de detectare. Etapa de transformare chimică este apoi urmată de procese fizice pentru a aduce probele într-o formă măsurabilă.

Figura 3. Eșantionarea pasivă a aerului: a) sistem planar; b) sistem axial; 1- intrare aer; 2- priză de aer; 3- material de sorbție [9]

Figura 4. Eșantionarea activă a aerului: a) prelevarea de probe:1- intrarea probelor; 2- filtru; 3- material de sorbție; 4- pompă de aspirație; b) pregătirea și măsurarea probelor [7]

Spectrometrul este un instrument folosit pentru măsurarea spectrelor. Spectrometrele optice, în particular analizează, intensitatea luminii, ca o funcție de lungime de undă sau de frecvență. Firma Shimadzu Scientific Instruments, produce o gamă largă de spectrometre. Spectrofluorofotometrul RF- 5301 are o sensibilitate deosebită pe baza sistemului optic ce include o rețea holografică, un fotomultiplicator și o procesare digitală a semnalului. Este un instrument special, dedicat monitorizării aerului. Scanarea unui spectru atinge valoarea de 5500 nm/min. Se pot introduce lungimi de undă presetate deoarece monocromatorul nu reduce această viteză (aceasta baleiază spectrul în 20000 nm/min). Banda de lungimi de undă este 220-750 nm, putând fi extinsă până la 900 nm. Lărgimea unui pic este de 1,5 nm. Raportul semnal/zgomot, este foarte bun datorită reacției negative, din circuitul electronic. De asemenea, trebuie luate în considerare și sistemele portabile. 5. Monitorizarea calității aerului în Valea Jiului 5.1. Stațiile de monitorizare din județul Hunedoara Sistemul de monitorizare a calității aerului este un subsistem al sistemului general de monitorizare a mediului. Monitorizarea calității aerului presupune o serie de acțiuni, de observare și măsurare cantitativă și calitativă a unor indicatori ai stării aerului. Sistemul de monitorizare permite obținerea de date utile pentru identificarea rapidă a zonelor poluate și pentru luarea de decizii strategice și tactice de combatere a poluării și de prevenire a acesteia. 71

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 64-79

Printre obiectivele principale, ale unui sistem de monitorizare, pot fi enumerate: - Supravegherea calității aerului în raport cu norme și standarde prestabilite și declanșarea alarmei, în cazul depășirii accidentale/sistematice, a normelor. - Identificarea surselor de poluare. - Stabilirea poluării de fond și a tendințelor de poluare. - Evaluarea impactului de mediu a diferiților poluanți. - Evaluarea schimbării microclimatului sub influența poluării. - Validarea modelelor analitice și empirice ale dispersiei poluanților în aer. În conformitate cu Directiva UE 2008/50/CE, modificată prin Directiva 2015/1480, parametrii de monitorizare ai aerului sunt: SO2, CO, O3, Pb, As, Cd, Ni, Benzen, NO2, PM10 cu diferite praguri de evaluare și cu valori limită (tabelul 2) [9]. Tabelul 2. Valorile limită pentru protecția sănătății umane ale calității aerului atmosferic (cf. Legii nr.104/2011)

Poluant

Criteriu

Perioada de mediere

Valoarea limită Valoarea limită Prag de alertă Monoxid de Valoare limită carbon, CO Dioxid de sulf, SO2

1h 24h 3h consecutiv Valoare maximă zilnică a mediilor pe 8h Ozon, O3 Valoare țintă Valoare maximă zilnică a mediilor pe 8h Pragul de informare 1h Pragul de alertă 1h Plumb, Pb Valoare limită An calendaristic Arsen.As Valoare țintă An calendaristic Cadmiu, Cd Valoare țintă An calendaristic Nichel,Ni Valoare țintă An calendaristic Benzen Valoare limită An calendaristic Dioxid de Valoarea limită 1h azot, NO2 Valoarea limită An calendaristic Prag de alertă 3h consecutiv Particule în Valoare limită 1 zi suspensie, Valoare limită An calendaristic PM10

Valoare

U.M.

350 125 500

µg/m3

mg/m3

Numărul de depășiri anuale permise (dacă există) 24 3 Nu e cazul Nu e cazul 25 zile/an calendaristic, mediat pe 3 ani

120 µg/m3 180 240 0.5 6 5 20 5 200 40 400 50 40

µg/m3 ng//m3 ng//m3 ng//m3 µg/m3 µg/m3

µg/m3

Nu e cazul Nu e cazul Nu e cazul Nu e cazul Nu e cazul Nu e cazul 18 Nu e cazul Nu e cazul 35 Nu e cazul

În plus, față de indicatorii de calitate ai aerului intervievați în stațiile de monitorizare, pot fi determinați și alți compuși de interes pentru calitatea aerului, în special pentru monitorizarea bazată pe cercetare, cum ar fi: gaze anorganice (NOx, SO2, SO3, CO2, CO, O3); compuși organici volatili (COV) sau substanțe anorganice; compuși organici nevolatili absorbiți pe particule solide (poluanții organici, persistenți -POP); compuși atmosferici solubili în apă, cum ar fi anionii organici (NO3-,NO2-, S2-, Cl-), anionii organici (formiat, acetat) și cationii metalici. Agenția pentru Protecția Mediului, Hunedoara, prin Contractul nr.84/11.01. 2006, încheiat între Ministerul Mediului și Gospodăririi Apelor și DAMAT Italia, în asociere cu ORION SRL Italia și ORION EUROPE România, în baza acordului cadru de împrumut dintre România și Banca de Dezvoltare a Consiliului Europei, privind finanțarea Proiectului pentru prevenirea catastrofelor naturale generate de inundații și poluarea aerului, a primit în dotare 4 stații automate de monitorizare a calității aerului, repartizate astfel: 2 stații de monitorizare pe Deva, 1 stație monitorizare pe Hunedoara și 1 stație monitorizare pe Călan. În urma completării rețelei naționale de monitorizare a calității aerului, prin Contractul nr.436/2007, s-a primit o stație automată pentru Municipiul Vulcan, care a fost pusă în funcțiune, începând cu luna martie 2010 (figura 5) [10].

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 64-79

Figura 5. Amplasarea stațiilor de monitorizare în județul Hunedoara [10]. 5.2. Sinteza datelor provenite de la stația de monitorizare HD-5 Vulcan a calității aerului [10]. În figurile 6-14 se prezintă evoluția valorilor orare și / sau zilnice înregistrate la stația automată de monitorizare HD- Vulcan a calității aerului pe parcursul anului 2020 a poluanților: SO2, NO2, CO, PM10 gravimetric, Pb, Cd și Ni.

Figura 6. Evoluția valorilor orare ale dioxidului de sulf, SO2, în anul 2020

Figura 7. Evoluția valorilor zilnice ale dioxidului de sulf, SO2, în anul 2020 73

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 64-79

Figura 8. Evoluția valorilor orare ale dioxidului de azot, NO2, în anul 2020

În anul 2020 la indicatorul dioxid de azot, nu s-a înregistrat depășirea pragului de alertă de 400 μg/m3, înregistrat timp de 3ore consecutiv și nici depășirea valorii, limită anuale de 40 μg/m3/an, prevăzute în Legea nr.104/2011, privind calitatea aerului înconjurător.

Figura 9. Evoluția valorilor orare ale oxidului de carbon, CO, în anul 2020

Figura 10. Evoluția valorilor zilnice ale oxidului de carbon, CO, în anul2020 74

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 64-79

Figura 11. Evoluția valorilor zilnice ale PM10- gravimetric, în anul 2020

La stația HD-5, din Vulcan s-au înregistrat la indicatorul PM10 (determinat gravimetric), 19 depășiri.

Figura 12. Evoluția valorilor zilnice ale Pb, în anul 2020

Figura 13. Evoluția valorilor zilnice ale Cd, în anul 2020

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 64-79

Figura 14. Evoluția valorilor zilnice ale Ni, în anul 2020

Evoluția calității aerului la indicatorii de calitate, monitorizați în județul Hunedoara (inclusiv în Valea Jiului la stația HD-5), în perioada 2010-2020, este prezentată grafic în figurile 15-18.

Figura 15. Valorile medii anuale de NO2, în perioada 2010-2020

La indicatorul dioxid de azot, se observă creșteri, față de anii precedenți, ale valorilor medii anuale, la stațiile automate de monitorizare la: HD-3, HD-4, HD-5.

Figura 16. Valorile medii anuale de SO2, în perioada 2010-2020 76

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 64-79

La indicatorul dioxid de sulf, se observă o tendință de creștere, a valorilor medii anuale, față de anii precedenți, la stațiile automate de monitorizare: HD-1, HD-3, HD-4.

Figura 17. Valorile medii anuale de PM10 (determinat gravimetric), în perioada 2010-2020 La indicatorul PM10 (pulberi în suspensie), se observă ușoare creșteri față de anii precedenți, ale valorilor medii anuale, la stațiile automate de monitorizare: HD-3, HD-5.

Figura 18. Valorile medii anuale de CO, în perioada 2010-2020 În cazul monoxidului de carbon, tendința valorilor medii anuale, la majoritatea stațiilor automate, de monitorizare din județul Hunedoara, este de scădere în ultimii ani, la stația HD-5 Vulcan, prezentând în anul 2020 o creștere, față de anul precedent. Ținând cont de valorile medii anuale ale poluanților / noxelor înregistrate în anul 2020 la stația HD-5 Vulcan (v. figurile 15-18 și 6-14), în tabelul 3 s-au calculat indicii de calitate ai aerului pentru fiecare poluant / noxă în parte și apoi indicele de calitate a aerului pe întreaga Valea Jiului în anul 2020, conform relației (1), deoarece pentru toate noxele s-a îndeplinit condiția C < CMA.

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 64-79

Tabelul 3. Calitatea aerului în Valea Jiului în anul 2020

Poluantul / noxa

Dioxidul de sulf, SO2 Dioxidul de azot, NO2 Oxidul de carbon, CO Pulberi în suspensie, PM10 Plumb, Pb Cadmiu, Cd Nichel, Ni

U.M. µg/m3 µg/m3 mg/m3 µg/m3 µg/m3 ng/m3 ng/m3

Concentrația înregistrată a noxei, C 11.36 19.71 0.76 22.9 0.019 0.332 3.506

Concentrația maximă Indicele de admisă pentru noxă, calitate a aerului, CMA AQI 125 40 10 40 0,5 5 20

Indicele de calitate a aerului în Valea Jiului în anul 2020

9 49 8 57 4 7 18

Conform Grilei de interpretare a valorilor indicelui de calitate a aerului (tabel 1) calitatea aerului în anul 2020 pentru Valea Jiului a fost AQI =22, încadrându-se în zona verde (0-50) ceea ce înseamnă: - Calitatea aerului: bună; - Nivelul de poluare: foarte slab; - Efectele asupra omului: fără efecte; - Efecte asupra ecosistemelor și materialelor: fără efecte. 6. Concluzii Efectuând și o comparație cu situația din trecut, per ansamblul Văii Jiului, calitatea mediului este una bună, identificându-se aspecte, care în ultimii ani au fost îmbunătățite. La îmbunătățirea calității mediului au contribuit, fără îndoială și restructurările din sectorul minier și sectoarele adiacente, efectul direct al acestora, constând în reducerea, activităților de exploatare și preparare a cărbunilor, construcțiile de mașini și utilaje miniere, considerate ca având un impact major, negativ asupra mediului. Ținând cont de noul statut al României, de țară membră, cu drepturi depline, de tratatele și acordurile, semnate precum și de noile prevederi din domeniul sănătății și recomandările OMS, monitorizarea calității aerului, în mediul urban, devine o activitate obligatorie, cu implicații nu doar la nivel local, ci și național și regional. Faptul că Valea Jiului este o depresiune intramontană, cu frecvență ridicată de apariție a fenomenului de inversiune termică, fenomen ce favorizează reținerea poluanților atmosferici în apropierea solului, coroborat cu realitățile reprezentate de existența unor zone în care producerea agentului termic, gătitul și încălzitul, se realizează pe baza arderii combustibililor solizi, în instalații individuale, care nu sunt prevăzute cu instalații de reținere a poluanților, sunt perioade ale anului (toamna și iarna) în care valorile poluanților depășesc pe cele limită admise (v. diagramele din fig. 6-14), iar indicii de calitate ai unor poluanți/noxe (NO2, PM10) se apropie sau sunt în zona galbenă. Sistemul local de monitorizare a calității factorilor de mediu, proiectat pentru Valea Jiului, este unul care își propune să utilizeze, echipamente moderne de ultimă generație, pentru efectuarea măsurătorilor și încearcă să diminueze, probabilitatea de apariție a erorilor, datorită prelevării, transportului și efectuării analizelor clasice de laborator. Pe lângă cele amintite, utilizarea aparaturii moderne, reduce în mod semnificativ, timpul necesar efectuării, analizelor și timpii de prelucrare, stocare și transmitere a datelor, prin folosirea echipamentelor, automate de măsură și a celor capabile să stocheze, în memoria internă datele, care ulterior pot fi cu ușurință descărcate în calculator.

Bibliografie [1] Faur F., 2009 Development of an environmental monitoring system in the Jiu Valley (in Romanian)– teză de doctorat, Universitatea din Petroșani [2] Baciu M., 2021 European money, conditioned by the closure of mining (în română) – Cronica Văii Jiului, Septembrie 2021 [3] Georgescu M. ș.a., 2003 Environmental rehabilitation studies in the mining area of Jiu Valley, (în română)- contract CNCSIS, Petroșani

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 64-79

[4] Kovacs M., 2009 Assessment of the impact of emissions and emissions as a result of the mining activity in Jiu Valley area on the environmental factors (în română) - teză de doctorat, Universitatea din Petroșani [5] Baron M., 2017 Coal-the mineral resource with a decisive role in the formation of the industrial complex of Jiu Valley, (în română) Banatica 27/2017 [6] Roman L., 2020 The current situation of mining in Jiu Valley, (în română)– Raport de cercetare, Universitatea din Petroșani [7] Căldăraru F., 2010 Methods of measurement and monitoring of average quality parameters (în română), Editura Cavallioti București. [8] x x x Law no. 104/2011 [9] Georgescu M., 2016 Exploitation of pit coal deposits in Romania, (în română)– Petroșani [10] Agency for Environmental Protection, Hunedoara, 2020 Air Quality Report (în română)

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590 vol. 27, nr. 3 / 2021, pp. 80-85

TEHNOLOGII COMPLEXE DE VALORIFICARE A CALCARULUI BRUCITIC Eugen TRAISTĂ 1, Camelia BĂDULESCU2* Universitatea din Petroșani, Petroșani, Romania, eugentraista@upet.ro Universitatea din Petroșani, Petroșani, Romania, cameliabadulescu@upet.ro 1

DOI: 10.2478/minrv-2021-0027 Rezumat: Lucrarea prezintă o sinteză a cercetărilor întreprinse în vederea valorificării complexe a unui depozit de calcar brucitic din România, în contextul protecției mediului, Tehnologiile propuse presupun posibilitatea procesării complexe , produsele finale putând fi utilizate într-o direcție foarte bine definită, cum ar fi: obţinerea de MgO cu 99% puritate dintr-un concentrat de brucit cu conţinut de 38-40% MgO; obținerea unui îngrășământ care conține struvit, calcar și microelemente cu efect benefic asupra ameliorării solurilor acide și asupra creșterii plantelor. Cercetarea a permis stabilirea unui sistem complex de trei tehnologii. O tehnologie de prelucrare a calcarului brucitic, a doua tehnologie presupune obținerea de magneziu prin tratarea concentratului brucitic cu dioxid de carbon și a treia tehnologie propusă este cea de obținere a unui îngrășământ agricol cu rol dublu (gunoi de grajd pentru plante, neutralizant al solurilor acide). Cuvinte cheie: calcar brucitic, prelucrare calcar, concentrat brucitic, struvit 1. Introducere Sărurile ionice au o solubilitate bună în solvenți polari, cum ar fi apa. Procesul de dizolvare are loc deoarece moleculele solventului au o forță suficient de mare pentru a extrage ionii din rețeaua cristalină. În timpul acestui proces, ionii au devenit solvatați: x  y H 2O  MH 2O x  XH 2O y MX(s)  





(1) Deși anionii și cationii se comportă ca ioni solvatați, atracția dintre moleculele de apă și ionii metalici este suficient de slabă. Deoarece moleculele de apă și ionii din soluție se află într-o mișcare continuă și rapidă, numărul de molecule de apă corespunzător unui ion metalic, este variabil. Numărul mediu este cunoscut sub numele de număr de hidratare. În cristalele hidratate, numărul moleculelor de apă este fix. Solubilitatea compuşilor din minereul brucitic este foarte mică. Solubilitatea CaCO3 scade odată cu creșterea temperaturii, în timp ce solubilitatea Ca(HCO3) 2 crește odată cu creșterea temperaturii. [1], [2], [3]. Produsul de solubilitate (Kps) reprezintă modalitatea de stabilire a conditiilor optime de formare și dizolvare a precipitatelor. Aceste condiții sunt: temperatura, pH-ul, concentrația agentului de precipitare, concentrația de sare și compoziția solventului. În cazul carbonatului de calciu, relațiile de echilibru și produsul de solubilitate (Kps) sunt: CaCO3(s)  Ca2+ + CO32– (2) -8 2 2+ 2– Kps= 0,99·10 (M) = [Ca ] [CO3 ] la 15C (3) -8 2 2+ 2– Kps= 0,87·10 (M) = [Ca ] [CO3 ] la 25C (4) În cazul magneziului, relațiile de echilibru și produsul de solubilitate (Kps) sunt: MgCO3(s)  Mg2+ + CO32– (5) -5 2 2+ 2– Kps= 2,6·10 (M) = [Mg ] [CO3 ] la 15C (6)

Autor corespondent: Camelia Bădulescu, Assoc. Prof. PhD. Eng., University of Petroșani, Petroșani, Romania, contact (University st. no. 20, Petroșani, Romania cameliabadulescu@upet.ro) *

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 80-85

Dacă ionul carbonat este adăugat ca și carbonat de sodiu într-o soluție saturată de CaCO3, în jurul echilibrului sistemului intervine o constrângere. Ionul comun al carbonatului afectează sistemul de echilibru de formare a CaCO3 solid. Rezultatul este o scădere a ionilor de calciu în soluție. Dacă se adaugă Na 2CO3, concentrația ionilor de calciu scade la final. Acesta este un exemplu al efectului comun ionic, iar acest efect poate fi calculat prin produsul de solubilitate. Când există un amestec de CaCO3 și MgCO3, proporția dintre solubilități este:

PCaCO 3 PMgCO 3

Ca   0.99 10  Mg  2.6 10 2

2

8

5

 3.8  10 4

(7)

Adăugarea de ioni de Mg2+ va avea ca rezultat o scădere a concentrației ionilor de calciu. Un alt aspect teoretic constă în efectul adăugării de magneziu în epurarea apelor reziduale menajere. Magneziu poate elimina eficient substanțele nutritive (ionii de fosfat și nitrați) ca „struvit”. Struvitul (fosfat de magneziu și amoniu hidratat) cu formula chimică (NH4)Mg(PO4)6(H2O), este un cristal incolor, cu rețea de tip romboedric. Struvitul are o solubilitate scăzută în apă (cca 0,02 g/100 ml apă), este foarte solubil în soluții acide diluate și insolubil în soluții alcaline. Densitatea sa specifică este de 1,7 kg/dm3 și greutatea moleculară este de 245,41g [4]. Reacția de precipitare este: Mg2+ + NH4+ + PO43- = MgNH4PO4 (8) În procesul de precipitare sunt îndepărtate de asemenea, din apele reziduale, o mulțime de elemente chimice precum: Hg, Ag, Pb, Al, Fe, Mn, Zn. În aceleași condiții precipită ionii de arsen ca AsO 43-. Magneziul necesar precipitarii nu trebuie adăugat ca reactiv de precipitare. Dizolvarea magneziului este într-o măsură mică consecința solubilității sale: Ps = [Mg2+][CO3+2] =2,610-5 (9) Produsul de solubilitate permite o solubilitate a magneziului de 0,005 mol/l. O solubilitate mai bună a magneziului este în prezența dioxidului de carbon: Mg(CO3) + CO2 + H2O = Mg(HCO3)2 (10) Struvitul rezultat al acestor reacții, atunci când nu este contaminat cu metale , poate fi folosit ca îngrășământ agricol cu fosfor și amoniu. Compoziția chimică a struvitului pur este: NH3 - 23,29%; PO43-69,34%; Mg2+- 7,37%. 2. Cercetare experimentală 2.1. Caracteristicile probei de mineral Rezultatele chimice ale probei de material sunt prezentate în tabelul 1. Tabelul 1. Rezultatele chimice ale probei de minerale

Component

Conținut

SiO2 TiO2 Al2O3 MnO Fe2O3 MgO CaO Na2O K2O P 2O 5 P.C.

% % % % % % % % % % %

0,42 0,01 0,03 0,02 0,13 23,18 33,12 0,09 0,06 0,18 42,28

Calcarul brucitic prelucrat are o umiditate în jur de 3% și conține: 23,18% MgO, 33,12% CaO, 0,42% SiO2; 0,01% TiO2; 0,03% Al2O3; 0,02% MnO; 0,13% Fe2O3; 0,09%Na2O; 0,06% K2O; 0,18% P2O5, și 42,28% pierderi de calcinare.

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 80-85

2.2. Tehnologii de prelucrare a calcarului brucitic În figura 1 se prezintă schema tehnologică globală care, cuprinde diferite metode de concentrare hidrogravitaționale, dar și concentrarea prin flotație.În figura 1 sunt redate și principalele produse și caracteristicile acestora. Cele mai bune rezultate pentru material grosier sau măcinat au fost obținute cu concentratorul Mozley. Concentratul are 37-39% MgO iar extracțiile în greutate au fost de 12-15%. În figura 2 este prezentată schema tehnologică pentru prelucrarea calcarului brucitic, în vederea obținerii magnezitei cu puritate în jur de 98% și a două produse secundare bogate în carbonat de calciu, ca produse finite [5]. Tehnologia propusă asigură o valorificare totală a materialului brut, fără decantare și fără efecte negative asupra mediului. Operațiile fizice si termo-chimice asigură o eficiență globală de 85% și un consum energetic scăzut datorită unui circuit eficient de calcinare și solubilizare [6]. Soluția tehnică este disponibilă pentru prelucrarea unui calcar brucitic cu 22-25% MgO. Prima parte a tehnologiei permite obținerea unui concentrat cu 35-40% MgO după două etape de măcinare și o concentrare pneumatică. Concentratul este calcinat la 500-600°C când, brucitele sunt descompuse la magneziu, foarte reactiv în ceea ce privește dioxidul de carbon. Concentratul brucitic calcinat, așa-numitul „concentrat activat” este solubilizat cu dioxid de carbon la o presiune de 2-5 atm. Rezultatul solubilizării este bicarbonatul de magneziu. După o filtrare, rezultă o soluție bogată în bicarbonat de magneziu și un produs secundar bogat în calcar. Soluția de bicarbonat de magneziu se fierbe 20-30 de minute pentru precipitarea magneziului. Suspensia este filtrată la 80°C, rezultând un concentrat de magneziu cu o puritate de 98%. Principalele avantaje ale acestei tehnologii sunt: - reducerea consumului de energie; - o eficiență ridicată a recuperării magneziului; - o scădere a raportului de solubilitate prin adăugarea ionilor de magneziu în exces, reducând timpul de reacție CRUSHING STAGE I

CRUSHING STAGE II

MILL WITH DISCS

OMOGENIZATION

2 mm 1.6 mm 1.25 mm 0.8 mm 0.63 mm Granulometric analyze 0.4 mm 0.2 mm FRACTION 0 - 3 mm 0.16 mm 0.075 mm cu 26 % -0,04 mm 0.04 mm 28,56 % MgO

CONCENTRATION ON GEMEN TABLEI

GRINDING TESTS

Coarse fraction MOZLEY CONCENTRATOR

M3, M4, M5 - final products

M1 (coarse fraction)

M2 (INTERMEDIATE PRODUCT)

FLOTATION TESTS

SCAVENGER

CONCENTRATE 39,422 % MgO

TAILINGS 36,082 MgO

Figura 1. Schema testelor de laborator de procesare a calcarului brucitic [10] 82

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 80-85 Brucitic limestone Crushing I Crushing II

Classing 10 mm

Grinding3 mm

Pneumatic Concentration I v = 12% Dry crushing H2O Burning gases

Brucite concentrate

Ensilage

Pneumatic concentration II

v =6%

CALCINATION 500-600 oC

Product I CaCO3

CO2 Filtration

CO2 LEACHING I

CO2

Solution Mg(HCO3)2

LEACHING II

Product II CaCO3

Filtration

WARMTH RECUPERATOR

Residual waters

Burning gases

HEATER WITH STEAM

Mg CONCENTRATE

FILTRATION

98% purity

Figura 2. Tehnologie pentru obținerea magneziului

2.3. Tehnologie pentru obținerea unui îngrășământ agricol complex Există o mulțime de produse utilizate ca îngrășământ pentru sol ca rezultat al prelucrării apelor reziduale menajere. Acest tip de produs este rezultatul precipitării ionilor de fosfat și azotat, cu adaos de săruri de magneziu [7]. Produsul final, cunoscut ca struvit, este un produs granular cu particule între 0,5-1 mm și poate fi folosit ca îngrășământ complex în agricultură pentru remedierea solurilor [8], [9]. Tehnologia prezentată în figura 3 permite o valorificare totală a calcarului brucitic. Din instalație nu rezultă steril, întreaga cantitate devenind o substanță activă cu rol complex- de îngrășământ. Produsul poate fi folosit și ca neutralizant al solurilor acide, după refacerea nutritivă. Etapele cercetării evidențiază o eficiență ridicată de procesare concomitent cu o mai bună epurare a apelor uzate, cu reducerea costurilor. Schema fluxului de prelucrare este simplă, conținând în prima etapă două operații de mărunțire, urmate de calcinarea materialului. În urma calcinărilor rezultă un amestec de magneziu, oxid de calciu, microelemente și alți oxizi metalici, cu rol important în cultura plantelor. Testele de laborator subliniază că, prin tratarea apelor reziduale cu concentrații nutritive de 100-150 mg/l PO43- și 100-110 mg/l NH4, aceasta va fi recuperată în proporție de 90% din ionii nutritivi. Principalele avantaje ale acestei tehnologii sunt: - asigură obtinerea unui produs complex cu rol de îngrășământ, care conține microelemente și oxizi metalici, indispensabili metabolismului plantelor;

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 80-85 Brucitic limestone Crushing I

Crushing II

Classing 10 mm

Grinding 3 mm

Ensilage

CALCINATION 800-850 oC

Residual waters Ensilage

DENUTRITIOUS

Hydrocyclone

Dewatering

Filtration

Coarse product

Denutritious waters

Fine product

Figure 3. Tehnologie pentru obținerea struvitului

- reduce costurile de prelucrare deoarece nu este necesară adaugarea unor substanțe de reglare a pH-ului în procesul de cristalizare a struvitului și nu este necesară adaugarea de microelemente chimice pentru a ajunge în solurile acide; - permite o tratare continuă a fluxurilor de apă care conțin ionii de fosfat și azotat; - asigură creșterea eficienței procesului de prelucrare a calcarului brucitic printr-o etapă secvențială, cu rol benefic în tratarea apelor uzate și fertilizarea agricolă a solurilor acide care, în România, ajunge la 2 milioane de hectare. Recuperarea substanțelor nutritive este una dintre cele mai importante operațiuni din schema tehnologică și se obține într-un dispozitiv special nou, un reactor în pat fluidizat, prezentat în figura 4. Brucite limestone Denutritious waters

D1 D2

Residual waters feeding Struvite evacuation

Figura 4. Reactor în pat fluidizat 84

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 80-85

Această fază tehnologică constă în formarea struvitului prin începerea reacției particulelor foarte fine de magneziu (sub 40 microni) care reprezintă 5-7% din calcarul brucitic, cu ionii fosfat și nitrat. Particulele de struvit mai mici de 0,3 mm sunt antrenate la nivelul superior al reactorului și după o operație de hidrociclonare, rezultă struvitul fin și apa epurată. Struvitul cu granule mai mari de 0,3 mm sunt ejectate din dispozitiv, în partea inferioară. 3. Concluzii Rezultatele cercetării conduc la elaborarea tehnologiei de prelucrare a calcarului brucitic cu un conținut mediu de 22-25%, MgO. Prin două etape de măcinare și concentrare pneumatică, rezultă un concentrat brucitic cu un conținut de 35-40% MgO. După calcinări la 500-600 oC, concentratul brucitic devine un amestec de oxid de calciu cu magneziu care reacţionează uşor cu dioxidul de carbon, la o presiune de 2-5 atm., cu formare de bicarbonat de magneziu. A doua tehnologie propusă are ca scop obținerea unui îngrășământ cu dublu rol: ca neutralizator al solurilor acide și ca îngrășământ pentru cultura plantelor. Îngrășământul conține 20-25% struvit după reacția dintre magneziu și ionii de fosfat și nitrați din apele reziduale menajere. Timpul de reacție este de aproximativ 60 de minute și produsul final constă din 30-35% oxid de calciu, 1,5-2,0% microelemente de ex.: cobalt, cupru, nichel, zinc, bor și oxizi metalici. A doua tehnologie prezentată include dispozitive și instalații care asigură o valorificare complexă a materialului brut constând din calcar brucitic. Este important de știut că este o tehnologie curată, fără steril și fără impact negativ asupra mediului. Întregul material brut devine un amestec activ alcătuit din oxid de calciu și magneziu. O altă noutate a acestei tehnologii constă în reactorul de tip cu pat fluidizat în care are loc curățarea apelor reziduale menajere, cu eficiență ridicată de tratare și un grad ridicat de recuperare a ionilor de fosfat și nitrat. [3]. Bibliografie [1] Kramer D.A., 1985 Magnesium compounds, US Geological Survey Professional, Paper 820/1985 [2] Jaffer Y. et. al., 1995 Potential phosphorus recovery by struvite formation, Cranfield University, Bedfordshire [3] Sârbu R., 2011 Gravitational preparation (în română), Petroșani [4] Ionescu C., 1999 Brucite – Mg(OH)2. Mineralogy and mineralogenesis. Brucite deposits in Romania (în română), Editura Didactică și Pedagogică, București [5] Invention Patent Process for the Production of Granular Calcium Brucite, EP 0 732 304 B1 [6] Krausz S., 2015 Flotation as a process for recovering useful substances from waste (în română), Editura Universitas, Petroșani [7] Donea A., Bădulescu C., 2017 The use of dolomitic limestones for wastewater treatment, Mining Revue, no. 4/2017 [8] Garnot Z., 2005 Urine processing for efficient nutrient recovery and reuse in agriculture, Doctoral Thesis, Goteborg University [9] Montag D., Gethke K., Pinnekamp J., 2009 Different strategies for recovering phosphorus: Technologies and costs, International Conference in Nutrient Recovery from Wastewater Stream, Vancouver Acest articol este cu acces deschis, distribuit pe baza licenței Creative Commons BY SA 4.0. Autorii păstrează drepturile de autor și sunt de acord cu termenii licenței CC BY SA 4.0 menționate mai sus.

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590 vol. 27, nr. 3 / 2021, pp. 86-92

DETERMINAREA PARAMETRILOR DE DIAGNOSTIC AI CENTRALELOR ELECTRICE BAZATE PE MOTOARE CU COMBUSTIE INTERNĂ Stefan ZAICHENKO 1*, Ümran ERÇETIN 2, Roman KULISH3, Denis DEREVYANKO4, Vadim SHALENKO5 1

Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Kiev, Ukraine 2 Dumlupınar University, Kütahya, Turkey 3 Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Kiev, Ukraine 4 Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Kiev, Ukraine 5 Kyiv National University of Construction and Architecture, Kiev, Ukraine

DOI: 10.2478/minrv-2021-0028 Rezumat: Articolul prezintă o metodă de găsire a parametrilor de monitorizare pentru crearea unui sistem de diagnoză pentru sursele de current autonome bazate pe motoare cu aprindere prin scânteie sau motoare diesel. S-a făcut clasificarea structurilor de surse de current autonome bazate pe motoare cu combustie internă. Analiza caracteristicilor de proiectare pentru cele mai utilizate surse de curent de rezervă de pe piață bazate pe motoare cu combustie internă (ICE) arată utilizarea pe scară largă a generatoarelor cu un alternator sincron. Analiza caracteristicilor de proiectare pentru sursele de curent autonome a dus la posibilitatea dezvoltării de modele logice pentru modele diferite. Este analizată influența apariței unei defecțiuni a unui element în cadrul sistemului, iar rezultatele analizei sunt prezentate în tabele. Este propus un criteriu Claude Chenonne informative pentru găsirea numărului optim de parametri de diagnostic în cadrul unui număr infinit de posibile combinații de parametri fizici care caracterizează sistemul. Când se rezolvă o problemă, se propune o ipoteză despre echiprobabilitatea cazurilor de ieșire din starea de operație pentru fiecare din elementele sistemului. Folosirea criteriului Claude Chenonne permite găsirea acelor elemente ale generatorului a căror eficiență maximă reduc gradul de incertitudine al sistemului. După determinarea entropiei reziduale, se selectează părțile sistemului ale căror stare va fi monitorizată de către sistemul de diagnoză. Pentru aceste elemente ale sistemului se calculează parametrii de diagnostic și se indică metode de obținere ai acestora. Cuvinte cheie: sistem de diagnoză, sursă de curent, motor cu combustie internă, generator pe benzină, generator diesel 1. Introducere Aprovizionarea fiabilă cu energie a întreprinderilor miniere este unul dintre aspectele fundamentale ale funcționării stabile a companiilor din domeniu. Oprirea din cauza întreruperilor de curent poate duce la pierderi financiare semnificative, precum și la accidente grave. De aceea, este foarte important ca atunci când se construiește un sistem de alimentare cu energie pentru o companie minieră să fie furnizate echipamente fiabile pentru alimentarea principală și de rezervă a instalației electrice. Aceste cereri limitează semnificativ utilizarea surselor alternative de energie ca sursă de energie autonomă fiabilă [1,2]. Prezența unei surse de alimentare de rezervă fiabile la o întreprindere modernă este cheia pentru o activitate sigură și eficientă. Singura soluție fiabilă și rentabilă pentru sursele de alimentare de rezervă o reprezintă centralele electrice bazate pe motoare cu ardere internă (ICE). Utilizarea acestui tip de echipament pentru generarea de energie electrică de către centralele militare și navale este o dovadă a fiabilității și siguranței ridicate printre opțiunile posibile de alimentare autonomă cu energie electrică [3, 4, 5]. Frecvența utilizării sursei de alimentare de rezervă depinde de fiabilitatea sistemului principal de alimentare și poate varia de la porniri anuale până la utilizarea zilnică. Disponibilitatea echipamentului este redusă

Autor corespondent: Zaichenko Stefan, prof. Ph.D., Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Kiev, Ukraine, (Peremohy Ave, 37, Kyiv, Ukraine, 03056, zstefv@gmail.com) 86

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 86-92

semnificativ, atât în primul caz datorită uzurii fizice intensive, cât și în cel de-al doilea datorită uzurii morale intensive a elementelor polimerice ale sistemului și deteriorării combustibilului și a lubrifianților, ducând la depuneri în canalele de alimentare cu energie ale motorului cu combustie internă. Aceste procese care au loc în surse de alimentare autonome bazate pe motoare cu ardere internă necesită o monitorizare constantă pentru a putea utiliza acest echipament ca sursă de alimentare de rezervă. Soluția la această problemă este dezvoltarea unui sistem de diagnosticare a surselor de energie autonome bazate pe motoare cu combustie internă. La rezolvarea problemei determinării stării tehnice a surselor de energie autonome pe baza motoarelor cu combustie internă, cercetătorii, în funcție de domeniul activității lor, acordă atenție părții mecanice (motor cu combustie internă) sau electromecanică (alternator) a obiectului studiat [6, 7, 8, 9]. Având în vedere doar o parte a obiectului studiat, se disting condițiile posibile și indicatorii de diagnostic, care pot determina starea fiecărui element în parte. Astfel, pentru a determina starea obiectului studiat este necesar să se implementeze un set de teste pentru componentele individuale, care crește semnificativ timpul de diagnoză și costul diagnosticului. Este posibil să se minimizeze costurile procesului de diagnosticare atunci când se ia în considerare obiectul studiat în ansamblu cu definirea structurii sale, condițiile posibile și verificările necesare. Scopul acestui studiu este de a dezvolta un nou sistem de diagnosticare tehnică bazat pe definirea principalelor elemente structurale de diagnoză și pe stările surselor de energie autonome bazate pe motoare cu combustie internă, ținând cont de interacțiunea componentelor electromecanice și mecanice. Pentru a atinge acest obiectiv, lucrarea a rezolvat următoarele probleme: Dezvoltarea schemei structurale a surselor de energie bazate pe motoare cu combustie internă, luând în considerare caracteristicile interacțiunii componentelor electromecanice și mecanice care vor permite stabilirea influențelor reciproce ale diferitelor elemente ale obiectului cercetării asupra stării sale; Determinarea stărilor posibile ale surselor de energie autonome bazate pe motoare cu combustie internă; Stabilirea verificărilor necesare pentru a determina starea surselor de energie autonome bazate pe motoare cu combustie internă. 2. Materialele și rezultatele studiului În dezvoltarea diagramei bloc a unei surse autonome de energie (ADEE) bazată pe un motor diesel, se ia în considerare un design tipic care și-a găsit aplicarea în cadrul companiilor sau gospodăriilor private. Prototipul cel mai utilizat în stațiile de pe piața ucraineană sunt generatoarele pe benzină Honda, cu o capacitate de 2,5 – 5 kW și generatoarele diesel Hyundai și Forte cu o capacitate de 2,5 – 5,5 kW. Generatoarele pe benzină folosesc un motor cu combustie internă în patru timpi cu răcire cu aer între 163 și 408 cm3. O particularitate a acestui tip de motor este lipsa unui sistem de lubrificare sub presiune – lubrificarea se face prin pulverizare. Sistemul de alimentare cu carburant se bazează pe un carburator plutitor seria P19. Majoritatea generatoarelor pe combustibil diesel folosesc un sistem de combustie commonrail. Sistemul de distribuție pe gaz include un sistem de control lateral cu două valve SOHC cu un arbore cu came inferior și faze constante. Majoritatea generatoarelor folosesc drept alternator un generator electric sincron cu regulator automat de tensiune (AVR), care conține înfășurările rotorului și statorului. Viteza rotorului din generator este menținută de un regulator de frecvență centrifugal, conectat la carburator. Există câteva variații în așezarea componentelor individuale, de exemplu, designul motorului permite conversia sistemului de alimentare cu carburant la un sistem mixt: combustibil lichid și gaz. Sistemul de pornire al motorului poate fi de asemenea diferit: pornire manuală, electrică sau combinată. Ca și sistem de aprindere se folosește un circuit electronic cu un magnetou-volant. Pe baza analizei funcționării surselor de energie autonome pe baza motoarelor cu combustie internă, s-a dezvoltat un model logic pentru generatoarele pe benzină și diesel (fig. 1 și respectiv fig. 3). Dintre structurile circuitelor logice se observă influența reciprocă a motorului și alternatorului care confirmă necesitatea luării în considerare a sistemului ca ansamblu. Pentru ca sistemul de diagnosticare să opereze cu eficiență maximă, în fiecare caz este necesar să rezolvăm problema alegerii unui număr minim suficient de parametri de diagnostic [10]. Unul dintre principalele criterii de alegere a parametrilor de diagnostic ai sistemului dintre posibilii parametri fizici care caracterizează starea tehnică este criteriul informației. Parametrul de diagnostic selectat pe baza criteriului informației ne permite să determinăm cel mai probabil starea unui obiect studiat. Pentru a selecta parametrii de diagnosticare, folosiți diagrama bloc a generatorului pe benzină (fig. 1). Sistemul urmărit este alcătuit din elemente. Pentru toate stările posibile, luăm în calcul rateul fiecărui element. Intenționăm să controlăm starea unei surse autonome prin numărul de parametri egal cu numărul de elemente. Trebuie remarcat faptul că, în cazul general, fiecare dintre elemente poate prezenta mai mulți parametri de diagnostic. Ca și rezultat al cercetării rateurilor elementelor din sistem, prezentăm tabelul stărilor (tabelul 1). 87

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 86-92

Probabilitatea rateului fiecărui element pentru examinarea preliminară se calculează astfel: 𝑃(𝑆𝑖 ) = 1/𝑁 = 1/16. În acest caz, entropia sistemului cu număr finit de stări este maximă.

(1)

Figura 1. Schema logică a unui generator pe benzină: I – motor pe benzină; ІІ - alternator; 1– rezervor; 2 - carburator; 3 – sistem de aprindere; 4 – sistem de pornire; 5 – sistem de distribuție a gazului; 6 – sistem de lubrifiere a motorului; 7 – grup bielă-piston de legătură cu arbore cotit; 8 – regulator de frecvență; 9 – miezul de fier al rotorului; 10 – înfășurări ale rotorului; 11 – inele de contact; 12 – ansamblu perie; 13 – înfășurări ale statorului principale și suplimentare; 14 – înfășurare de excitație; 15 – regulator automat de tensiune; 16 - conductoare

Entropia inițială a sistemului se determină prin numărul de stări posibile: 1

𝐻(𝑆𝑖 ) = ∑𝑛𝑖=1 𝑃(𝑁𝑖 ) 𝑙𝑜𝑔2 𝑃 (𝑁𝑖 ) = −16 16 𝑙𝑜𝑔2 16 = 4 біт.

(2)

Se notează cu m1 - numărul de unități de pe fiecare rând al tabelului, m0 - numărul de zero-uri de pe aceeași linie. Incertitudinea reziduală în controlul fiecărui parametru din prima etapă se calculează cu formula 𝐴

𝐻 (𝑍 ) = 𝑘

𝑚1 𝑙𝑜𝑔2 𝑚1 𝑁

𝑚0 𝑙𝑜𝑔2 𝑚0 . 𝑁

(3)

Rezultatele calculului entropiei reziduale se găsesc pe ultima coloană din tabelul 1. Parametru de diagnostic Zk 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Tabelul 1. Tabelul de stare al generatorului pe benzină Ridicare A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13

0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 88

1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0

A14

A15

A16

1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0

A ) Zk

3,662 3 3,662 3,662 3,011 3,662 3,011 3,011 3,011 3,662 3,662 3,662 3,662 3,662 3,662 ∞

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 86-92

Pe baza calculelor, se construiește diagrama entropiei sistemului, care ne permite să stabilim semnificația informativă a parametrului de diagnostic.

Figura 2. Diagrama entropiei generatorului pe benzină

Se vede că elementul sistemului care are cea mai mică entropie reziduală oferă cele mai multe informații despre starea sa și, astfel, trebuie să fie monitorizat prima dată. Pentru primul pas, acest paramentru va fi 𝑍2 . Adică, privind diagrama bloc a unei ADEE bazată pe motor cu combustie internă (fig. 1), acest număr corespunde carburatorului. Următoarele elemente care afectează semnificativ entropia sistemului vor fi 𝑍5 , 𝑍7 , 𝑍8 , 𝑍9 . Aceste numere corespund sistemului de cronometraj, grupului cilindru-piston, regulatorului de viteză și miezului de fier al rotorului. Pentru ca sistemul de diagnoză să funcționeze, este necesar să folosim mărimi fizice (ca și valori ai parametrilor de diagnostic ai sistemului), deci luăm în considerare următoarele. Starea carburatorului poate fi determinată de prezența combustibilului în cilindru și în evacuare, în modul de compresie.Funcționarea sistemului de cronometraj și al grupului cilindru-piston poate fi măsurată de nivelul curentului de pornire, atunci când motorul funcționează în modul de compresie. Funcționarea regulatorului de viteză poate fi evaluată prin analizarea curbei tensiunii generate. Principalul motiv pentru nefuncționarea miezului de fier al rotorului este demagnetizarea acestuia. Parametrul de diagnoză al puterii slabe sau absente a câmpului magnetic este valoarea scăzută a tensiunii pe înfășurările statorului. Vom folosi o metodă similară pentru a determina parametrii pentru generatorul diesel (fig. 3). Sistemul generatorului diesel este format din 𝑁 = 16 elemente. Pentru a evalua stările posibile, vom vedea ce se întâmplă în cazul defecțiunii fiecărui element. Vom controla starea unei surse autonome prin numărul de parametri egal cu numărul de elemente 𝑘 = 16. Stările sistemului în cazul defecțiunii fiecărui element sunt prezentate în tabelul 2. Probabilitatea defecțiunii fiecărui element pentru examinarea preliminară se consideră a fi egală cu: 𝑃(𝑆𝑖 ) = 1/𝑁 = 1/16 (4) În acest caz, entropia sistemului cu număr finit de stări este maximă. Entropia inițială a sistemului se determină prin numărul de stări posibile: 1

𝐻(𝑆𝑖 ) = ∑𝑛𝑖=1 𝑃(𝑁𝑖 ) 𝑙𝑜𝑔2 𝑃 (𝑁𝑖 ) = −16 16 𝑙𝑜𝑔2 16 = 4 біт.

(5)

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 86-92

Figura 3. Schema logică a unui generator diesel: I – motor diesel; ІІ – generator sincron; 1– rezervor; 2 – pompă de înaltă presiune; 3 – duză; 4 – grup bielă-piston cu arbore cotit; 5 – sistem de pornire; 6 – sistem de lubrifiere a motorului; 7 – sistem de distribuție a gazelor; 8 – regulator de frecvență; 9 – miezul de fier al rotorului; 10 – înfășurări ale rotorului; 11 – inele de contact; 12 – ansamblu perie; 13 – înfășurări ale statorului principale și suplimentare; 14 – înfășurare de excitație; 15 – regulator automat de tensiune; 16 - conductoare

Parametru de diagnostic Zk

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Tabelul 2. Tabelul de stare al generatorului diesel Ridicare A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12

1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0

A ) Zk

A13

A14

A15

A16

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0

3,663 3,011 3,011 3,011 3,663 3,663 3,011 3,011 3,011 3,046 3,663 3,663 3,663 3,663 3,663 3,663

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 86-92

Figura 4. Diagrama entropiei unui generator diesel

Se vede că elementul sistemului care are cea mai mică entropie reziduală oferă cele mai multe informații despre starea sa și, astfel, trebuie să fie monitorizat prima dată. Pentru primul pas, acest paramentru va fi 𝑍10 . Adică, privind diagrama bloc a unui generator diesel (fig. 3), acest număr corespunde înfășurărilor rotorului. Următoarele elemente care afectează semnificativ entropia sistemului vor fi 𝑍2 , 𝑍3 , 𝑍4 , 𝑍7 , 𝑍8 , 𝑍9 . Aceste numere corespund pompei de înaltă presiune, injectorului, grupului bielă-piston cu arbore cotit, sistemului de distribuție a gazelor, regulatorului de frecvență și miezului de fier al rotorului. Pentru ca sistemul de diagnoză să funcționeze, este necesar să folosim mărimi fizice (ca și valori ai parametrilor de diagnostic ai sistemului), deci luăm în considerare următoarele. Starea pompei de combustibil poate fi măsurată prin valoarea presiunii principale a combustibilului. Starea injectoarelor poate fi măsurată prin valoarea factorilor de corecție ai alimentării cu carburant a injectoarelor. Funcționarea sistemului de cronometraj și a grupului bielă-piston poate fi măsurată prin nivelul curentului de pornire atunci când motorul funcționează în modul de compresie. Funcționarea regulatorului de viteză poate fi evaluată prin analizarea curbei tensiunii generate. Principalul motiv pentru nefuncționarea miezului de fier al rotorului este demagnetizarea acestuia. Parametrul de diagnoză al puterii slabe sau absente a câmpului magnetic este valoarea scăzută a tensiunii pe înfășurările statorului. Starea înfășurărilor rotorului poate fi evaluată prin intermediul rezistenței fiecărei secțiuni. 3. Concluzii 1. În această lucrare sunt prezentate schemele structurale ale construcțiilor tipice de ADEE pe baza motoarelor cu combustie internă (cu generator pe benzină sau diesel). 2. Se alcătuiește tabelul stărilor posibile ale sistemului în cazul defecțiunii unui element. Presupunând o probabilitate egală pentru defecțiunea fiecărui element, se identifică acele elemente care au cel mai mare impact asupra incertitudinii funcționării sistemului. Atunci când se creează un sistem de diagnosticare tehnică, se determină prima dată starea acestora. Pentru un generator pe benzină, elementele sunt carburatorul, sistemul de distribuție a gazelor, grupul cilindru piston, regulatorul de viteză și miezul de fier al rotorului.

Revista Minelor – Mining Revue ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590

vol. 27, nr. 3 / 2021 pp. 86-92

Pentru generatorul diesel elementele sunt înfășurările rotorului, pompa de înaltă presiune, injectoarele, grupul bielă piston cu arbore cotit, sistemul de cronometrare, regulatorul de frecvență și miezul de fier al rotorului. Totuși, este posibil ca numărul de elemente care pot duce la defecțiunea sistemului să fie mai mare. 3. Se prezintă parametrii de diagnostic și metoda determinării acestora pentru elementele de mai sus ale sistemului. 4. Pentru sistemele cu feedback, utilizarea acestei metode duce la incertitudinea găsirii corecte a elementelor în cazul sistemelor închise, deoarece poate fi semnalată o defecțiune incorectă, datorată altor elemente. Bibliografie [1] Sinchuk I. O., 2013 Unconventional and renewable energy sources, Kremenchuk: - 192 p. - ISBN 978-617-639-043-5 [2] Abrashin V. O., Novichonok S. M., 2010 Possibilities of application of alternative sources of electricity in the armed forces of Ukraine, Weapons systems and military equipment, № 3 (23) - p. 7 - ISSN 1997-9568 [3] Gasparyan T. G., 2017 Combustion engine, Big encyclopedia. Electronic version, https://bigenc.ru/technology_and_technique/text/4341616 [4] Gilmiyarov E. B., Tsvetkov V. V., 2006 Multicriteria approach to the choice of ship power plant (in rusă), Bulletin of the Moscow State Technical University, volume 9, №3, - p. 12 - http://vestnik.mstu.edu.ru/v09_3_n23/articles/17_gilmi.pdf [5] x x x, 2003 Rules of classification and construction of sea vessels, Maritime Register of Shipping, Volume 2 - p. 618 - ISBN 5-89331085-3 - http://old.msun.ru/folders/edu_lit/kaf/sv/data/addition/Registr/Registr.pdf [6] Maughan C. V., 1988 Root-cause diagnostics of generator service failures, Electrical Insulation, Conference Record of the 1988 IEEE International Symposium (IEEE Int Symp Electr Insul). https://www.researchgate.net/publication/224622606_Rootcause_diagnostics_of_generator_service_failures [7] Zaichenko S., Shevchuk S., Opryshko V., Pryadko S., Halem A., Adjebi A., 2020 Determination of autonomous electrical energy source technical condition based on an internal combustion engine, IEEE KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek) (pp. 305-308). IEEE [8] Denysiuk S., 2021 Assessment of consumers power consumption optimization based on demand side management, EUREKA: Physics and Engineering, (2) - 2021. - P. 19-31 [9] Zaichenko S., 2020 Autonomous electric power source energy efficiency improvement by internal combustion engine gases distribution control, 2020 IEEE 7th International Conference on Energy Smart Systems (ESS). - IEEE, 2020. - P. 262-265. [10] Chetvergov V. A., Ovcharenko S. M., Bukhteev V. F., 2014 Technical diagnostics of locomotives, Moscow: FSBEI Training and Methodological Center for Education in Railway Transport, 2014. - 371 p. - ISBN 978-5-89035-752-6 Acest articol este cu acces deschis, distribuit pe baza licenței Creative Commons BY SA 4.0. Autorii păstrează drepturile de autor și sunt de acord cu termenii licenței CC BY SA 4.0 menționate mai sus.

Revista Minelor / Mining Revue (MinRv), ISSN-L 1220-2053 / ISSN 2247-8590, este o revistă care aparține Universității din Petroșani, România, publicată trimestrial, atât în format tipărit, cât și online. Este o revistă internațională cu acces deschis, axată pe dezvoltarea și schimbul de aspecte științifice și tehnice (noutăți) în domeniul larg al științelor miniere. Acceptăm spre publicare contribuțiile (lucrări de cercetare, rapoarte și recenzii) care prezintă studii teoretice, experimentale originale și simulare și modelare pe computer, inclusiv, dar fără a se limita la următoarele subiecte: Ÿ Exploatarea subterană/în carieră (tehnologii miniere, stabilitatea lucrărilor miniere subterane, împușcare, aeraj, …); Ÿ Mecanizare minieră, transport minier, foraj; Ÿ Mecanica rocilor și ingineria geotehnică; Ÿ Geologie și topografie minieră; Ÿ Hidrogeologie (hidrogeologie a exploatării miniere de suprafață și subterane, apă de mină, asecare și recuperare); Ÿ Evaluarea impactului asupra mediului; Ÿ Gestionarea deșeurilor miniere; Ÿ Extracția, utilizarea și prelucrarea materiilor prime; Ÿ Închiderea minelor și recuperarea amplasamentului; Ÿ Sănătate și securitate în muncă; Ÿ Planificarea și proiectarea minelor; Ÿ Controlul și optimizarea proceselor miniere; Ÿ Fiabilitatea, întreținerea și performanța generală a sistemelor miniere; Ÿ Evaluarea și gestionarea riscurilor în minerit și inginerie minerală. Editorii vor lua în considerare și lucrări despre alte subiecte legate de domeniul minier și probleme de mediu. Toate articolele de cercetare publicate în această revistă vor fi supuse unei evaluări riguroase, bazată pe examinarea inițială a editorului și revizuirea de către experți independenți. Revista este destinată cadrelor didactice, oamenilor de știință, cercetătorilor din industrie și aplicați, precum și factorilor de decizie și politici. Toate informațiile necesare publicării în Revista Minelor – Mining Revue se pot găsi pe site-ul nostru. În plus, veți putea vizualiza și arhiva revistei începând cu anul 2011 pe adresa Universității din Petroșani - www.upet.ro/revistaminelor/ Arhivarea Sciendo păstrează arhiva revistei începând cu anul 2021 prin intermediul serviciului Portico - un serviciu digital de arhivare pe termen lung al manualelor, revistelor și colecțiilor. Politica anti-plagiat Colectivul editorial a inclus revista în cadrul unei comunități ce utilizează un sistem de verificare a similarităților pentru a se asigura că articolele sunt originale. Verificarea similarității este un program care scanează în detaliu manuscrisele, în vederea eliminării plagiatelor și obținerii unui standard înalt calitativ în urma procesului de recenzie. Licență Open Access Această revistă oferă acces deschis pentru articole, distribuite pe baza licenței Creative Commons BY SA 4.0. Autorii păstrează drepturile de autor și sunt de acord cu termenii licenței CC BY SA 4.0 menționate mai sus.