Проблема снижения энергозатрат в горнопроходческих работах при строительстве метрополитена

приведен анализ процесса электроосмотического водопонижения в грунтах, окружающих путевую структуру при строительстве метрополитена. Установлено, что в связи с тем, что при строительстве метро с применением горнопроходческих машин (проходческого щита) нарушается структура грунтов и обнажаются водоупорные и водонасыщенные пласты, электроосмотическое водопонижение в них имеет свои особенности. Целесообразно оптимизировать процесс по критерию удельных энергозатрат на массоперенос. В данной работе на основе теорий электрокинетических явлений и тепломассопереноса развита идея об использовании релаксационных явлений ионной атмосферы дисперсной частицы, дисперсионной среды и тепловлажностных полей в объеме влажного дисперсного материала полей для снижения энергозатрат на отрыв рыхлосвязанной дисперсионной среды. Исходя из анализа совокупности всех физических явлений, идущих при электроуплотнении грунта, можно предложить для устранения перехода энергии заменить электропитание постоянным электрическим током на обработку грунта другими видами электрической энергии, то есть изменить параметры электрической энергии и снизить релаксационные потери. Предложены отличающиеся от известных энергетический баланс процесса и энергетическая диаграмма, зависимость удельных энергозатрат не только от величины действующих факторов, но и от длительности их наложения, методика исследования процесса электроосмотического разделения влажного дисперсного материала, основанная на критерии оценки эффективности по удельным энергозатратам на единицу массы выделенной дисперсной среды или твердой фракции — дисперсной фазы, методики расчета электрокинетических устройств с использованием коэффициента удельных энергозатрат, что особенно важно учитывать в горнопроходческих работах.

Порсев Е. Г., Латышев Р. Н. Проблема снижения энергозатрат в горнопроходческих работах при строительстве метрополитена // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 12-2. — С. 217—228. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_122_0_217.

Латышев Роман Николаевич¹ — ассистент, младший научный сотрудник научно-исследовательской части, e-mail: latyshev@corp.nstu.ru, ORCID ID: 0000-0002-3920-8728;
Порсев Евгений Георгиевич¹ — докт. техн. наук, ст. науч. сотр., профессор, e-mail: porsev@corp.nstu.ru, ORCID ID: 0000-0003-4807-5135;
¹ Новосибирский государственный технический университет.

Порсев Е. Г., e-mail: porsev@corp.nstu.ru. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

1. Абрамов Б. И., Иванов А. Г., Шиленков В. А., Кузьмин И. К., Шевырев Ю. В. Электропривод современных шахтных подъемных машин // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 5–2. — С. 145–162. DOI: 10.25018/0236_14 93_2022_52_0_145.

2. Рыжаков В. В., Холуденева А. О., Рыжаков М. В. Иследования корреляционных связей процессов электроосмоса и сопутствующих // Межотраслевой научно-технический журнал “Оборонный комплекс — научно-техническому прогрессу России”. — 2015. — № 3. — С. 41–43.

3. Серов А. Д., Аксенова И. В. Применение явления электроосмоса для предохранения от увлажнения конструкций исторических зданий при реконструкции и реставрации // Промышленное и гражданское строительство. — 2014. — № 6. — С. 54–57.

4. Письменская Н. Д., Никоненко В. В., Мельник Н. А., Пурселли Ж., Ларше К. Влияние характеристик границы ионообменная мембрана/раствор на массоперенос при интенсивных токовых режимах // ЭЛЕКТРОХИМИЯ. — 2012. — Т. 48 — № 6. — С. 677–697.

5. Сологаев В. И. О применении электроосмоса при защите от подтопления земель // Вестник Омского ГАУ. — 2017. — Т. 27 — № 3. — С. 122–129.

6. Kholudenevo A. O. The study of the characteristics of electroosmotic porous waste dehydration subject to the influence of the physical model of osmosis and voltage dynamics // Journal of Advanced Research in Dynamical and Control Systems. 2018, vol. 10 (10), pp. 2142–2146.

7. Ryzhakov V. V., Holudeneva A. O. Drying processes of wet materials: Environmental problem and choice of the theoretical, circuitry and experimental directions of their solutions // International Journal of Applied Engineering Research. 2017, vol. 12 (14), pp. 4638–4643.

8. Pai M. Y., Siddhartha S. Effect of Building Orientation and Window Glazing on the Energy Consumption of HVAC System of an Office Building for Different Climate Zones // International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT). 2015, vol. 4 (9), pp. 838–843. DOI:10.17577/IJERTV4IS090754.

9. Mukherjee S., Dasgupta S., Chakraborty S., Dhar J. Patterned surface charges coupled with thermal gradients may create giant augmentations of solute dispersion in electroosmosis of viscoelastic fluids // Proceedings of the royal society a: mathematical, physical and engineering sciences. 2019, vol. 2221 (475), p. 42.

10. Chan F. S., Tan C. K., Ratnayake P., Junaidi M. U. M., Liang Y. Y. Reduced-order modelling of concentration polarization with varying permeation: Analysis of electro-osmosis in membranes // Desalination. 2020, vol. 495, p. 13. DOI:10.1016/j.desal.2020.114677.

11. Godinez-Brizuela O. E., Niasar V. J. Simultaneous pressure and electro-osmosis driven flow in charged porous media: pore-scale effects on mixing and dispersion // Journal of Colloid and Interface Science. 2019, vol. 561, pp. 162–172. DOI:10.1016/j.jcis.2019.11.084.

12. Ratnayake P., Bao J. Actuation of spatially-varying boundary conditions for reduction of concentration polarisation in reverse osmosis channels // Computers & Chemical Engineering. 2017, vol. 98, pp. 31–49. DOI:10.1016/j.compchemeng.2016.11.045.

13. Hideyuki S., Koshi U. Experimental demonstration of closing and opening motions of an elastic valve using induced charge electroosmosis in a flow // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2021, vol. 628, p. 7. DOI.org/10.1016/j. colsurfa.2021.127334.

14. Ling J., Han B., Xie Y., Dong Q., Sun Y., Huang B. Laboratory and field study of electroosmosis dewatering for pavement subgrade soil // J. Cold Reg. Eng. 2017, vol. 31 DOI.org/10.1061/(ASCE)CR.1943−5495.0000136.

15. Zhao X.-D., Liu Y., Gong W.-H. Analytical solution for one-dimensional electroosmotic consolidation of double–layered system // Computers and Geotechnics. 2020, vol. 122, p. 10. DOI:10.1016/j.compgeo.2020.103496.

16. Wang L., Wang Y., Liu S., Fu Z., Shen C., Yuan W. Analytical solution for onedimensional vertical electro-osmotic drainage under unsaturated conditions // Computers and Geotechnics. 2019, vol. 105, pp. 27–36. DOI:10.1016/j.compgeo.2018.09.011.

17. Zhang Y., Lian G., Dong C., Cai M., Song Z., Shi Y., Wei Z. Optimizing and understanding the pressurized vertical electro-osmotic dewatering of activated sludge // Process Safety and Environmental Protection. 2020, vol. 140, pp. 392–402. DOI:10.1016/j. psep.2020.05.016

18. Zhuang Y. Large scale soft ground consolidation using electrokinetic geosynthetics // Geotextiles and Geomembranes. 2021, vol. 49(3), pp. 757–770. DOI:10.1016/j. geotexmem.2020.12.006.

19. Cao B., Zhang Y., Shi Y., Ren R., Wu H., Zhang W., Wang D., Zhang T., Xiong J. Extracellular organic matter (EOM) distribution characteristic in algae electro-dewatering process // Journal of Environmental Management. 2020, vol. 265, p. 9. DOI:10.1016/j. jenvman.2020.110541.

20. Степаненко В. П. К вопросу повышения ресурсосбережения на автономных электростанциях в Республике Саха (Якутия) // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2018. — № 6. — С. 62–68. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-60−62−68.