Revista Institutului de Mine Petrosani

CUPRINS

Grigore BUIA, Csaba LORINŢ Li, Te, Se, Nb-Ta – Metalele secolului XXI 2

Silvia IONESCU PETRE Tehnologia sistemelor informatice geografice 7

Roland Iosif MORARU, Gabriel Bujor BĂBUŢ Metodologie de apreciere a riscului de explozie şi / sau foc: o abordare unitară şi structurată pentru mediul minier subteran 14

Ciprian NIMARĂ Metode de evaluare a impactului antropic asupra morfostructurii unei regiuni geografice 19

Ilie ONICA, Eugen COZMA, Dacian Paul MARIAN Analiza deformării terenului de la suprafaţă cu ajutorul metodei elementelor finite, în condiţiile exploatării cu abataje frontale a stratului 3 – mina Livezeni 24

Emil TEODORESCU, Iuliana TEODORESCU, Toma PRIDA, Nicolae GIURGIU, Carmen SOCACIU Sistem tehnologic complex de măcinare-micronizare-clasare pneumatică a substanţelor minerale nemetalifere cu duritate mică şi medie pentru fabricarea produselor cosmetice şi a suplimentelor alimentar-nutritive 34

Eugen TRAISTĂ, Emanoel ANDRONACHE Studiu privind refacerea solului vegetal pe haldele de steril din Valea Jiului 37

Vasile ZAMFIR, Horia VÎRGOLICI Condiţii de sinteză prin metoda interpolării 42

UNIVERSITATEA DIN PETROŞANI Str. Universităţii, nr 20, 332006, Petroşani, jud. Hunedoara Informaţii: tel. 0254 / 542.580 int. 296, fax. 0254 / 543.491

Cont: RO91TREZ368504601X000062 C.U.I. 4374849 Trezoreria Petroşani e-mail: [email protected], [email protected]

www.upet.ro

Lucrările trebuie trimise la una dintre adresele de mai sus, atât în lb. română cât şi în lb. engleză, împreună cu un abstract şi 4 cuvinte cheie. Responsabilitatea conţinutului articolului aparţine exclusiv

autorilor. Lucrările nepublicate nu vor fi returnate. © Copyright Revista Minelor 2011 – apare trimestrial

Editura UNIVERSITAS Petroşani

ISSN 2247 -8590 ISSN-L 1220 - 2053

Revista Minelor este acreditată de către Consilul Naţional al Cercetării Ştiinţifice din Învăţământul Superior (CNCSIS) în categoria B+

Revista Minelor este indexată în Baza de Date Internaţională EBSCO Publishing S.U.A.

http://www.ebscohost.com/titleList/a9h-journals.pdf

Editor: Ec. Radu ION Tiparul: Universitatea din Petroşani – Atelier Multiplicare-Minitipografie

Li, Te, Se, Nb-Ta – METALELE SECOLULUI XXI

Grigore BUIA*, Csaba LORINŢ**

Mileniul trei a debutat sub semnul noii ere informaţionale. Revoluţia IT (Information Technology) este dependentă de noi resurse minerale, care au devenit viabile începând cu anul 2000.

Metale precum, Li, Te, Se, Nb-Ta, prin proprietăţile şi utilizările lor în tehnologiile moderne, generează o cerere din ce în ce mai mare pe piaţă, constituind totodată şi o provocare pentru industria minieră. Cuvinte cheie: litiu, telur, seleniu, niobiu, tantal, cerere, resurse, rezerve, ţări producătoare

Motivaţie

Conform unui Raport al Comisiei Europene, publicat la 17 iunie 2010, UE va avea acces din ce în ce mai greu la unele resurse minerale, esenţiale pentru fabricarea produselor de înaltă tehnologie şi a celor de uz curent, cum ar fi telefoanele mobile, panourile cu celule fotovoltaice în strat subţire, bateriile de tip Li-ion, cablurile cu fibră optică sau combustibilii sintetici. Previziunile merg până în anul 2030 şi indică un grup de 14 elemente şi materii prime, considerate critice [9].

Acest lucru este generat de creşterea economică înregistrată în ţările în curs de dezvoltare şi de noile tehnologii emergente. Problema privind asigurarea aprovizionării cu aceste materii prime apare, în principal, din cauza faptului că ele există în doar câteva ţări din lume (Ex.: Republica Democrată Congo pentru cobalt şi tantal; Brazilia pentru niobiu şi tantal etc.). În multe cazuri, pe lângă această concentrare a producţiei, se observă şi un grad de substituire scăzut şi o rată de reciclare redusă. Mai mult decât atât, multe economii emergente au adoptat strategii de dezvoltare industrială bazate pe instrumente comerciale, fiscale şi de investiţii în aşa fel încât să-şi utilizeze resursele exclusiv pe plan local [9].

Cerere şi utilizări

Aşa cum s-a mai arătat, cererea pe piaţă a acestor elemente rezidă mai cu seama din tehnologiile de ultimă generaţie, mai ales din sfera IT şi a comunicaţiilor. Fiecărui element în parte, dintre cele luate în discuţie, îi corespund diferite utilizări, pornind de la proprietăţile lor. Astfel: ____________________________________ *Profesor univ.dr.ing. Universitatea din Petroşani ** Asist.univ.dr.ing. Universitatea din Petroşani

Litiul

Deşi litiul şi compuşii săi îşi găsesc utilitatea în mai multe aplicaţii (de exemplu în industrie – pentru fabricarea sticlei şi ceramicii termorezistente, a aliajelor de mare rezistenţă şi cu greutate redusă folosite în aeronautică; în fizica nucleară – prin fisiunea atomilor de litiu, şi utilizarea deuteritiului de litiu ca şi combustibil pentru armele termonucleare) principala întrebuinţare în contextul mai sus amintit, este cea legată de fabricarea bateriilor şi acumulatorilor. Banalul şi omniprezentul telefon mobil, laptopul, camera foto digitală, mp3 player-ul, până şi ceasul de la mână, toate utilizează baterii sau acumulatori. De câţiva ani buni, bateriile/acumulatorii pe bază de litiu au pus stăpânire pe piaţa mondială cu o cotă majoritară, în creştere, în detrimentul celor pe baza de nichel-cadmiu (Ni-Cd) sau nichel-metal hibrid (Ni-MH). Vizionarii însă, susţin că viitorul acestui metal va fi în industria auto, prin fabricarea maşinilor electrice sau hibride. Nu trebuie neglijată nici industria aeronautică şi navală unde, miniaturizarea circuitelor şi a dispozitivelor de stocare a energiei electrice sunt esenţiale.

Telurul

Până nu demult considerat material rezidual în industria minieră, telurul este şi el larg utilizat în ultima vreme în diverse domenii, între care: industria energetică (dispozitivele termoelectrice), prelucrarea oţelului, colorarea sticlei şi a plasticului, fabricarea unor aliaje metalice (datorită ductilităţii sale). Utilizarea cea mai importantă din punct de vedere al implicaţiilor economice însă, rămâne fabricarea panourilor solare şi a semiconductorilor. Celulele fotovoltaice ce stau la baza panourilor solare, folosesc, ca materiale semiconductoare mai ales Si, dar şi combinaţiile CdTe, GaAs sau CuInSe [10]. Celule cu CdTe utilizează o tehnologie foarte avantajoasă CBD (depunere de staturi subţiri pe suprafeţe mari în mediu cu pH, temperatură şi concentraţie de reagent controlate) care a atins un randament de 16 % în laborator, şi sub 10 % pentru modulele fabricate până acum [10].

Seleniul

Dincolo de caracterul esenţial pe care acest element îl are în buna funcţionare a organismului uman, seleniul cunoaşte numeroase utilizări, de la fabricarea celulelor fotoelectrice, a

2

Revista Minelor nr. 1 / 2011

fotocopiatoarelor şi a aparatelor foto/camerelor de filmat etc., la redresarea curentului electric. Se obţine din: rafinarea plumbului, cuprului, nichelului. Seleniul pur îşi creşte conductivitatea de o mie de ori atunci când este mutat de la întuneric la lumina solară puternică, lucru care îl face utilizat la construirea luxmetrelor. Sărurile de seleniu (selenitul de mercur de exemplu) au utilizare în laboratoarele de analize medicale, pentru dozarea azotului total din sânge/ser.

Niobiul şi tantalul

Aceste două metale, alături de stibiu, beriliu, cobalt, fluorină, galiu, germaniu, grafit, indiu, magneziu, metale platinice, pământuri rare şi wolfram, sunt considerate a fi „critice” pentru industria europeană, conform datelor prezentate în primul raport realizat până acum în UE cu privire la accesul la materiile prime minerale [9].

Din producţia mondială de niobiu şi tantal, 60% se foloseşte la fabricarea telefoanelor mobile, iar restul, la tot ceea ce înseamnă aparatură electronică de ultimă generaţie: televizoare LCD, jocuri video, baterii/acumulatori, laptop-uri, avioane, GPS-uri, fibră optică, arme teleghidate, MP3 playere, sateliţi artificiali, camere foto/video digitale, aparatură medicală.

Inerţia chimică a tantalului îl face o extrem de valoros pentru echipamentele de laborator şi un înlocuitor pentru platină, dar principala sa utilizare este sub formă de pulbere în realizarea condensatorilor din tantal şi în industria echipamentelor electronice. Prin aliere cu alte metale, tantalul este utilizat la crearea unor aliaje de foarte bună calitate folosite la reactoare nucleare, piese de rachete, la producţia motoarelor cu reacţie etc. Datorită faptului că nu produce iritaţii la nivelul organismului uman, fiind un material nonalergic, tantalul este utilizat pe scară largă la confecţionarea de instrumente chirurgicale şi implanturi, dar mai nou şi în bijuterii unde se montează împreună cu aurul [11].

Niobiul se extrage, prin electroliză sau prin alte procedee complexe, din niobit (colombit) şi din tantalit, aceste minereuri fiind, în prealabil, transformate în fluorură dublă de niobiu şi de potasiu. Este un metal de culoare gri-argintie, care posedă proprietatea de a absorbi uşor gazele, ceea ce îl face utilizabil în compoziţiile absorbante (getteri) pentru tuburi electronice. Se utilizează, de asemenea, la prepararea oţelurilor aliate (sub formă de feroniobiu), sau a altor aliaje.

Geochimia Li, Te, Se, Nb-Ta

Litiul Litiul face parte din categoria metalelor

alcaline alături de sodiu, potasiu, rubidiu şi cesiu,

fiind unul din elementele rare în scoarţă şi având un puternic caracter litofil. Conţinutul în litiu al diferitelor clase de roci magmatice arată că acesta tinde să fie concentrat în ultimele produse din timpul cristalizării, în special în rocile granitice, remarcându-se totodată „repulsia” acestuia faţă de structurile feldspatice. Litiul apare însă concentrat în mice, amfiboli şi piroxeni. Litiul împreună cu fluorul, clorul, fosforul şi manganul este adeseori atât de concentrat în granite şi pegmatite nefelin-sienitice încât formează minerale independente precum: criolitionitul, trifilitul, litiofilitul, ambligonitul, petalitul, spodumenul şi produsul său de alterare encriptitul; Micele de litiu – lepidolitul, zinawalditul şi coockeitul; turmalina cu litiu; amfibolul foarte rar – holmquistitul ş.a. Mineralele din pegmatite, ambligolitul (8-10% Li2O) spodumenul (4,6 – 7,5 % Li2O) şi lepidotitul (3-10 % Li2O) sunt surse importante de litiu [7].

Telurul şi Seleniul

Telurul şi Seleniul sunt elemente calcofile (au afinitate crescută pentru sulf). În rocile magmatice seleniul şi telurul însoţesc sulful în sulfurile separate din magmă. După Noddack, conţinutul de Seleniu al sulfurilor magmatice primare este de 200 g/t, iar de telur de 2g/t.

Ca şi sulful, elementele seleniu şi telur sunt pronunţat sulfofile în litosfera superioară. Media raportului S:Se în sulfurile magmatice timpurii este de 2.000:1 – 20.000:1 (Goldschmidt şi Hefter, 1933), iar în sulfurile şi arseniurile pneumatolitice şi hidrotermale de temperatură ridicată raportul este 400:1 – 20.000:1 (Goldschmidt şi Strock, 1935). Pe de altă parte seleniul este şi mai puţin abundent în roci şi minerale hidrotermale formate la temperaturi intermediare şi joase, în aceste raportul S:Se fiind de 70.000:1 – 250.000:1 (Goldschmidt şi Strock, 1935). Valorile raportului S:Se arată că seleniul se concentrează preferenţial în sulfuri şi arseniuri hidrotermale formate la temperaturi ridicate.

Telurul formează şi el, în roci hidrotermale, telururi ale elementelor menţionate şi ale altor elemente. În plus el prezintă tendinţa de a se combina cu aurul, pe care îl însoţeşte în multe filoane minerale. Printre produşii de oxidare a mineralelor telurice se cunosc diferiţi teluriţi şi teluraţi, de exemplu: durdenitul – Fe2(TeO3)-4H2O; feroteluritul – Fe(TeO4); teinitul - Cu[(Te, S)O4] 2H2O (toate fiind minerale rare).

Ca şi sulful, elementele seleniu şi telur se găsesc în natură şi stare nativă. În plus ele formează cristale amestec de seleniu-telur (Se, Te). Oxizii selenolit (SeO2) şi telurit (TeO2) sunt produşi de oxidare a elementelor native sau a seleniurilor şi telururilor. Seleniul acompaniază sulful în emanaţii vulcanice. Raportul S:Se al sublimaţilor de sulf din

3


regiuni vulcanice variază între 600:1 şi 140.000:1 S:Se (Goldschmidt şi Hefter, 1933),deci este similar cu raportul în sulfuri din roci magmatice. Conţinutul de seleniu al sulfului nativ din regiuni vulcanice poate depăşi 5%.

După Scerbina (1937), afinitatea telurului pentru metale în minerale descreşte în următoarea ordine (aurul având afinitatea cea mai mare): Au-Ag-Hg-Bi-Ni-Pb-Cu [7].

Niobiul şi Tantalul

Din punct de vedere geochimic, niobiul şi tantalul formează o pereche de elemente destul de coerentă, fiind destul de greu separabile prin analize chimice; în ciuda acestui fapt, cele două elemente sunt uşor separate în natură. Conţinuturi medii de Nb şi Ta în roci magmatice sunt de 24 g/t Nb şi 2,1 g/t Ta (Rankama, 1944, 1948), astfel raportul mediu de abundenţă Nb:Ta este 11,4.

În rocile magmatice este cunoscut faptul că Nb şi Ta cristalizează în ultimele etape ale diferenţierii magmatice.

Concentrarea este foarte pronunţată în granite în care Ta prezintă concentrări maxime, în vreme ce Nb, deşi apare şi în granite, prezintă conţinuturi maxime în sienite şi nefelin-sienite.

Deşi în rocile ultrabazice şi bazice conţinuturile celor două elemente sunt mici faţă de acelea din granite, în rocile ultrabazice putem găsi

uneori cantităţi remarcabile de columbiu (Niggli, 1932). Trăsătura cea mai dominantă şi tipică geochimiei Nb şi Ta este concentrarea lor pronunţată în pegmatite. Cele mai răspândite minerale din pegmatite cu Nb şi Ta sunt columbitul şi tantalitul [7].

Din punct de vedere genetic, aceste elemente se concentrează în zăcăminte magmatogene sau produse de alterare şi concentrare fizico mecanică ale acestora [2,4,5].

Rezerve şi ţări producătoare

Un raport al Agenţiei Americane pentru Resurse Minerale arată că resursele totale de litiu din lume, până la finele anului 2008, s-ar apropia de 30 milioane tone, din care în jur de 750.000 tone ar fi în Statele Unite, în special în Nevada. Cam 14 milioane tone din rezerva globală ar fi resursele exploatabile. Aproape jumătate din ce se poate exploata, 5,4 milioane de tone, s-ar găsi in Bolivia, sub Salar de Uyuni, un deşert salin de 10.000 km2. Mai sunt, potrivit aceloraşi estimări, rezervele din Chile – 3 milioane tone (de unde americanii importa masiv), 1,1 milioane tone în China şi cam un milion în Brazilia. Restul, rezerve sub 0,5 milioane tone, ar fi in Argentina, Australia, Canada, Zimbabwe şi în Portugalia.

Tab. 1 Producţii mondiale de litiu (conform WMD, 2010) [8]

Ţara/Anul 2004 2005 2006 2007 2008 Chile 17977 17900 20700 24111 22997 Australia 5922 8682 11105 9613 11976 SUA 3200 3200 3200 3230 3230 China 2700 2820 2820 3010 3100 Canada 650 630 700 707 707 Brazilia 497 473 437 430 430 Portugalia 346 311 339 372 375 Spania 30 20 42 45 0 Zimbabwe 1450 937 900 0 0

Total 32772 34973 40243 41518 42815

Şi în cazul acestui metal atât de râvnit, paradoxurile sunt evidente. Deşi Chile are rezerve estimate ca fiind de 250 de ori mai mici comparativ cu SUA, înregistrează o producţie de 7 ori mai mare decât aceasta, cu o pondere de peste 53% din producţia mondială. Următorul stat în ordinea volumului producţiei, este Australia, cu valori ce reprezintă cca. 28% din producţia mondială.

Telurul şi seleniul se regăsesc în cantităţi mici în nămolul anodic rezultat în urma procesului de electroliză a cuprului. Din nefericire producătorii de cupru utilizează doar o parte din nămolul rezultat pentru extragerea de telur şi seleniu.

Tab. 2 Producţii mondiale de telur (conform WMD, 2010) [8]

Ţara/Anul 2004 2005 2006 2007 2008 Peru 29 33 34 35 28 Canada 40 28 11 8 19 Japonia 33 23 24 41 4 Mongolia 2 1 0 0 0

Total 104 65 69 84 87

4


Rezervele exploatabile economic de seleniu se estimează totuşi la doar 82.000 tone, iar la telur la doar 43.000 tone, vizavi de cupru unde se estimează la 550 milioane tone. Multe procese de producţie utilizează galiu, indiu, seleniu şi telur în mod neeconomic. Spre deosebire de cupru, unde

procesul de reciclare este pus la punct, la galiu, indiu, seleniu şi telur procesul de reciclare nu este posibil deoarece aceste elemente se găsesc incluse în structuri multistrat foarte fin distribuite, de unde recuperarea, se pare, nici în viitor nu va fi posibilă.

Tab. 3 Producţii mondiale de seleniu (conform BGS, 2010) [1]

Ţara/Anul 2004 2005 2006 2007 2008 Japonia 599 625 730 806 754 Belgia 200 200 200 200 200 Canada 277 107 117 144 158 Suedia 131 122 135 126 130 Rusia 85 100 110 110 110 Polonia 83 84 87 85 82 Finlanda 65 66 70 52 65 China 65 65 65 65 65 Filipine 48 68 65 65 65 Peru 76 70 75 59 60 Kazakhstan 100 60 70 155 56 Uzbekistan 20 20 20 20 20 Germania 14 12 12 12 12 India 0 8 0 0 0

Total 3767 3612 3762 3906 3785

– producţii estimate În completarea tabelului, se consideră că

ţări precum Australia, Chile, Coreea şi Zimbabwe sunt producătoare de seleniu.

În ceea ce priveşte niobiul şi tantalul, R.D. Congo la graniţa cu Burundi şi Rwanda deţine 80% din rezervele mondiale, însă, în mod paradoxal, înregistrează o producţie anuală în pondere de doar

0,21% din producţia globală. Acest stat, s-a situat la finele anului 2008 pe locul 5 din 11 producători de niobiu şi tantal, cu o producţie în uşoară creştere. Brazilia şi-a dublat producţia acestor metale în ultimii ani, ajungând la finele aceluiaşi an la o pondere ce depăşea 93% din producţia mondială.

Tab. 4 Producţii mondiale de niobiu şi tantal (conform WMD, 2010) [8]

Ţara/Anul 2004 2005 2006 2007 2008 Brazilia 39296 56287 68850 81922 82000 Canada 3450 3704 4157 4368 4432 Australia 350 340 330 435 680 Ruanda 117 148 100 242 298 R.D. Congo 37 61 26 132 186 Mozambic 256 101 34 70 138 Etiopia 52 68 81 89 93 Nigeria 40 35 40 70 60 Burundi 10 17 6 19 33 Bolivia 11 4 3 2 2 Zimbabwe 4 0 0 0 0

Total 43623 60765 73627 87349 87922

Aşa cum s-a mai arătat, există mai multe situaţii în care principalii deţinători ai acestor resurse, nu sunt şi principalii producători. Pentru că datele statistice prezentate anterior, se referă la

principalii producători de Li, Te, Se, Nb şi Ta, în cele ce urmează vor fi evidenţiate grafic, principalele zone de interes economic major (Fig. 1.).

5


Fig. 1 Zone de interes economic major pentru elementele Li, Te, Se, Nb şi Ta

Astfel sunt conturate rezerve de litiu în SUA,

Bolivia, Chile, China, Brazilia, Canada, Australia, Spania, Portugalia, Argentina, Zimbabwe; de telur în SUA, Canada, Japonia, Peru, România; de seleniu în Peru, Chile, Rusia, Canada, SUA, Japonia, Filipine, Polonia, Zimbabwe, România; şi de niobiu şi tantal în Brazilia, R.D. Congo, Australia, Canada, Mozambic, Etiopia, Nigeria.

Bibliografie

1. Brown, T.J., Bide, T., Hannis, S.D., Idoine, N.E., Hetherington, L.E., Shaw, R.A., Walters, A.S., Lusty, P.A.J., Kendall, R. World mineral production 2004/2008, Britsh Geological Survey, Keyworth, Notingham, 2010; 2. Buia, G., Lorinţ, C. Zăcăminte de substanţe minerale utile solide, Editura Focus Petroşani, 2005; 3. Buia, G. Geografie economică mondială, Ediţia a II-a revizuită, Ed. Focus Petroşani, 2003;

4. Lorinţ, C. Geologie economică, lucrări practice de laborator, Editra Universitas Petroşani, 2009; 5. Lorinţ, C., Buia, G. Geologie economică, detreminator pentru lucrări practice de laborator, Ed. Focus Petroşani, 2009; 6. Popescu, C.G., Neacşu, A. Metalogenie aplicată şi prognoză geologică, Ed. Universităţii din Bucureşti, 2009; 7. Rankama, K., Sahama, G.Th. (1970) Geochimie, Ed. Tehnică, Bucureşti; 8. Weber, L., Zsak, G., Reichl, C., Schatz, M. World Mining Data, Volume 25, International Organizing Committee for the World Mining Congresses, Vienna 2010; 9. http://ec.europa.eu/commission_2010-2014/tajani/hot-topics/raw-materials/index_ro.htm 10. http://ro.wikipedia.org 11. http://www.tantalul.ro

6


TEHNOLOGIA SISTEMELOR INFORMATICE GEOGRAFICE

Silvia IONESCU PETRE*

Acest articol îşi propune sã prezinte importanţa utilizãrii tehnologiei sistemelor informatice geografice în zilele noastre. Se descriu activitãţile de culegere şi procesare a datelor spaţiale şi descriptive atât dintr-o perspectivã generalâ cât şi prin prezentarea funcţionalitãţii unui produs informatic realizat în acest scop. Sunt expuse de asemenea caracteristicile tehnologiei şi viitoarele tendinţe ale acesteia. Cuvinte cheie: date spaţiale, sistem informatic geografic, tehnologie, produs informatic

Introducere

Sistemele informatice geografice au apãrut pentru prima oarã în anul 1970. Iniţial puteau fi utilizate doar de companiile sau universitãţile care deţineau echipamente hardware şi software costistoare. Astãzi, orice persoana care deţine un calculator poate utiliza tehnologia sistemelor informatice geografice. De-a lungul timpului programele GIS au devenit tot mai usor de utilizat, în comparaţie cu perioadele trecute când pentru a putea lucra cu un software GIS era nevoie de un antrenament de durata în prealabil. Aşa cum voi descrie şi in continuare, GIS nu reprezintã doar un produs software ci încorporeaza toate aspectele pentru managementul şi utilizarea datelor geografice digitale.

Volumul informaţiilor percepute de orice om al zilelor noastre este în continuã creştere, datoritã posibilitãţilor aproape nelimitate de administrare şi exploatare asigurate de pãstrarea acestor informaţii în formã digitalã, în baze de date relaţionale. Se poate aprecia cã un procent de 85 la sutã al bazelor de date în circulaţie conţin unul sau mai multe componente legate de poziţia geograficã a obiectelor inventariate. În cazul bazelor de date cadastrale se poate afirma cã, toate informaţiile sunt legate într-un mod sau altul de poziţia geograficã a proprietãţii imobiliare definite prin limitele geografice ale unitãţii de bazã cadastrale. Crearea şi exploatarea comunã într-un Sistem Informaţional Geografic a informaţiilor cu referinţã spaţialã şi a reprezentãrii grafice a obiectelor de suprafaţã sau ____________________________________ * Academia de Studii Economice, Facultatea de Ciberneticã Statisticã şi Informaticã Economicã

aflate în subteran aduce beneficii mari utilizatorilor sau administratorilor informaţiilor respective, în primul rând datoritã existentei unei structuri de date şi de exploatare bine definite - cerinţe primare pentru orice Sistem Informaţional. Atunci când toate informaţiile sunt ordonate dupã reguli relaţionale, cu referinţã geograficã - în format digital -, şi sunt administrate de un sistem de programe proiectat pentru acest scop, se deschid noi posibilitãţi de administrare şi utilizare, pentru grupuri tot mai largi de utilizatori.

GIS este un sistem informatic pentru capturarea, stocarea, verificarea, integrarea, manipularea, analiza şi afişarea datelor referitoare la poziţii de pe suprafaţa Pãmântului. De obicei, un sistem de date geografice este folosit pentru manipularea diferitelor tipuri de hãrţi. Acestea ar putea fi reprezentate ca mai multe straturi diferite în cazul în care fiecare strat deţine date despre un anumit tip de facilitate. Fiecare caracteristicã este legatã de o pe imaginea graficã a unei harţi, iar o înregistrare este reţinuta într-o tabelã de atribute. GIS poate dezvãlui astfel modelele ascunse, relatii, şi tendinţele care nu sunt uşor observat în foi de calcul sau pachete statistice, crearea de noi informaţii de multe ori din surse de date existente.

Tehnologia GIS integreaza operaţii comune de baze de date, cum ar fi interogarea şi analize statistice cu vizualizare unicã cu avantajele analizei geografice oferite de hãrţi. Aceste abilitati fac distincţia între GIS şi alte sisteme informatice şi valorifica GIS pentru o gamã largã de întreprinderi publice şi private prin explicarea evenimentelor, prezicerea rezultatelor, şi planificarea strategiilor. Reprezentând o aplicatie ce lucreazã cu componente grafice, asemãnarea cu proiectarea asistatã de calculator (CAD), este fireascã. Percepţia multora este aceea cã GIS este un subdomeniu al CAD-ului, în realitate, printre primele sisteme CAD importante fiind GIS-ul. Utilizarea tehnologiei GIS prezintã o mulţime de de avantaje în detrimentul geospaţialitãţii tradiţionale. Structurarea optimã a datelor, precizia reprezentãrilor, a calculelor, accesul rapid la informatii, date actuale, asistarea luãrii deciziilor în timp scurt, posibilitatea realizãrii de studii şi analize complexe sunt doar o parte din multele avantaje ale folosirii GIS.

Proiectarea unui astfel de sistem informatic aduce in plus faţã de proiectarea unei aplicatii cu

7


baze de date, grija pentru componenta graficã. O componentã geograficã este de cele mai multe ori ascunsã într-o sursã de date: o adresã, cod poştal, oraş, judeţ, sau coordonate de latitudine / longitudine. Cu GIS, se pot explora elementele spaţiale ale datelor pentru a afişa tipurile de sol, a gãsi cea mai bunã locaţie pentru o afacere în expansiune, a crea un model pentru calea poluãrii atmosferice, şi a lua decizii pentru multe tipuri de probleme complicate.

GIS implicã înţelegerea completã a modelelelor, spaţiului, şi proceselor sau a metodologei necesare pentru a aborda o problemã. Este un instrument care acţioneazã ca un mijloc de a atinge anumite obiective rapid şi eficient. Aplicabilitatea acestuia este realizatã atunci când utilizatorul înţelege pe deplin conceptul spaţial de ansamblu în care un anumit GIS este stabilit şi analizeazã aplicaţia în lumina parametrilor stabiliţi.

Înainte de punerea în aplicare a GIS trebuie luate în considerare obiectivele, atât pe termen scurt cât şi pe termen lung. Întrucât eficacitatea şi eficienţa (adicã beneficiul contra cost) din GIS depinde în mare mãsurã de calitatea datelor iniţial capturate, organizarea aplicaţiei trebuie sã fie stabilitã astfel încat sã se menţinã aceste date continuu.

Domenii si modalitati de utilizare a tehnologiei sistemelor geografice informatice

Tehnologia GIS este utilizata de o multitunie de categorii de utilizatori (manageri, cadre universitare, profesionişti în domeniu) în funcţie de nevoile specifice ale acestora. Fiecare grup de utilizatori deţine propriul fond educaţional şi cultural, are asociate diverse societãţi, reviste, conferinţe, tradiţii, prin urmare fiecare se identificã cu modalitãţi particulare de abordare a problemei. În final toate grupurile de utilizatori au în comun aceeaşi tehnologie pentru a aborda problemele specifice.

Principalele domenii de utilizare a tehnologiei GIS pot fi calsificate astfel: • Tehnologii dezvoltate care interacţioneazã cu

GIS, interschimbã funcţii şi furnizeazã date pentru GIS o cartografie o topografie o teledetecţie

• Managementul resurselor şi managementul luãrii deciziilor o inventar şi gestionare a resurselor o planificãrii urbane o înregistrãri de teren pentru impozitare şi

controlul de proprietate facilitãţi de

management planificare de marketing şi comercializare cu amãnuntul

o rutare şi planificare • Activitãţi ştiinţifice şi de cercetare a

laboratoareloe universitare şi guvernamentale Tehnologia GIS poate fi folositã prin douã

perspective în cartografie: automatizarea procesului de realizare a harţilor şi crearea de noi varinate de hãrţi care provin din analiza şi manipularea datelor. Avantajul incontestabil al automatizãrii procesului de realizarea al harţilor este faprul cã obiectele pot fi mutate cu uşurinţã in cadrul harţii fãrã a fi necesarã recrearea acestora iar activitatea de schimbare a scãrii si a proiecţiei se realizeazã cu uşurinţã.

Topografia este un important furnizor de date pentru GIS. Cu toate acestea, ea nu este direct implicatã, cu rol de instrument GIS de luare a deciziilor. Unii ingineri folosesc tehnologia GIS, utilizând în special modelele digitale de elevatie şi funcţionalitatea asociatã, pentru a ajuta în planificarea unor constructii. De exemplu, o pentru a face calcule de cantitãţi de pãmânt care urmeazã sã fie mutat în proiecte de construcţii, cum ar fi construirea autostrãzi sau pentru a vizualiza efectele unor proiecte majore de construcţie, cum ar fi barajele.

Ca şi topografia, teledetecţia, este un domeniu producãtor de date pentru GIS, aceasta primind informaţii despre suprafaţa pamãntului de la platforme aeriene sau spaţiale. Teledetecţia deţine tehnici şi tehnologii bine dezvoltate în ceea ce priveşte captura de date - de înaltã rezoluţie spaţialã şi spectralã, transmitere, procesare, arhivare de date, şi interpretare, clasificare a imaginilor. Prin utilizarea teledetecţiei se furnizeazã tehnologiei GIS roluri importante cum ar fi: sprorea calitãţii şi valorii produsului prin utilizarea unor date suplimentare pentru a îmbunãtãţi precizia de calsificare şi asistarea în luarea deciziilor prin combinarea produsului cu alte straturi mai puţin observate din spaţiu, cum ar fi graniţele politice. Acest domeniu continuã sã fie un domeniu de cercetare activã ţinand cont de faptul cã noi instrumente trebuie sã fie evaluate pentru aplicaţii în diferite domenii, este necesarã o cercetare atentã pentru a realiza potentialul enorm al tehnologiei, iar volumul de date acumulate creşte rapid.

Aplicaţiile pentru inventar şi gestionare de resurse au dominat vânzãrile furnizorilor de la începutul anilor 1980. Multe sisteme au fost utilizate de cãtre guvernele de stat, federale şi industriile de resurse, în special silviculturã, petrol şi gaze. Dintre cele mai apreciate si de succes aplicaţii dezvoltate în acest scop se numãrã: aplicaţii forestiere - inventar cherestea, de

8


gestionare a bazinelor hidrografice, dezvoltarea infrastructurii (drumuri), regenerarea pãdurilor, aplicaţii în agricultura - studii de poluare agricole, stocurile de capacitatea de teren, studii de productivitate, aplicaţii privind utilizarea terenurilor - planificarea utilizãrii terenului, zonare, evaluarea impactului, aplicaţii privind viaţa sãlbaticã - managementul habitatelor.

Programele pentru planificarea urbanã implicã dezvoltarea de fişiere Dime (locaţii din axele stradã, variazã adresa pentru fiecare bloc, zonele de raportare recensãmânt). Un exemplu de planificare urbanã cu ajutorul GIS este evaluarea riscurilor comunitãţii. Acest exemplu prezintã modelarea vulnerabilitãţii comunitãţii la materiale periculoase şi are ca scop diminuarea efectelor potenţiale.

Guvernele, dezolvatorii şi proprietarii de terenuri au necesitã şi utilizeazã informaţii despre terenuri în fiecare zi. Cele mai multe infoemaţii pe care Guvernul le stochazã se referã la anumite locaţii geografice aflate sub jurisdicţia sa: linii de proprietate, servituti, linii de utilitate şi de canalizare, şi mai multe categorii de date spaţiale. Posibilitatea de a stoca, prelua, analiza, raporta şi afişa eficient şi cu acurateţe aceste informaţii publice despre terenuri are o mare importanţã, întrucât cererile de informaţii dintr-o baza de date ce stocheazã informaţii despre terenuri pot ajunge la un numãr de 1000 de cereri pe zi. Descrierea legalã a terenurilor se bazeazã pe mãsurãtori precise, puncte cu locaţia cunoscutã cu exactitate, dar şi descrieri cum ar fi mijlocul rãului (râul îşi poate schimba cursul), marcajele de pe copaci etc. Pentru prevenirea neconcordanţelor, sursa de informaţii despre teren şi precizia sa pot fi la fel de importante ca informaţiile în sine, astfel o baza de date ce conţine informaţii despre terenuri ar putea avea nevoie nu doar de coordonatele terenului. Pentru ca volumul de informaţii creşte se simte nevoia utilizãrii unor produse software din ce în ce mai sofisticate, funcţionalitatea GIS fiind necesarã. Se pune problema utilizãrii în acest caz a unui sistem de gestiune puternic, relaţional şi topologic structurat al bazei de date. Pentru unele proiectele privind gestiunea terenurilor, caracteristicile tehnologiei GIS sunt estenţiale: planificarea urbanã şi regionalã - capacitatea de a fuziona informaţii despre graniţele geografice cu informaţii statistice, rezultând crearea rapidã de hãrţi tematice în sprijinul activitãţilor de planificare, utilizarea de suprapuneri, a sprijini cãutarea spaţialã a zonelelor fezabile pentru respectarea cerinţelor de proiect-, dezvoltare comunitarã - actualizari rapide ale înregistrãrilor zonale, afişarea rapidã în formã harta utilizând limitele parcelei, operaţiunile spaţiale-, lucrãri publice - o utilizarea de capabilitãţi 3D pentru a face calcule de inginerie-, utilitãţi:

modelare hidrologica - utilizarea capacitãţilor de modelare a reţelei pentru prezicerea scurgerilor urbane, efectele schimbãrilor în sistemul de ape fluviale, şcoli: modele de – prognoza polulaţiei ce merge la şcoalã din localitãţile mici bazate pe migraţii demografice, modele de dezvoltare de locuinţe, obţinerea unor populaţii echilibrate în şcoli.

Iniţial interesul pentru automatizare a fost pur şi simplu o recunoaştere a nevoii imediate de cartografiere automatã ca o modalitate de a inregistra şi procesa modificarile efectuate. Cu toate acestea, în timpul procesului de planificare a sistemului, au fost identificate de asemenea multe alte potenţiale informaţii şi alte aplicaţii. Având un control asupra diferitelor straturi de informaţii, facilitãţile de management oferã o varietate de moduri a prezenta indormaţiile existente într-o singurã bazã de date. Un avantaj major al folosirii hãrţilor automate este posibilitatea unei mai bune întreţineri a acestora, productivitatea crescând pânã la 10 ori mai mult faţã de metodele manuale de realizare a hãrţilor. Nu se pune problema deteriorãrii fizice sau a conţinutului hãrţii deoarece acestea sunt create în funcţie de nevoi sau actualizãri. Informatizarea oferã de asemenea un acces mai uşor si mai bine controlat asupra hãrţilor, puntãndu-se produce şi distribui copii atunci cand este necesar.

Factorul locaţie este critic pentru succesul comerţului cu amãnuntul. Cunoaşterea exactã a distribuţiilor spaţiale este esenţialã pentru publicitate, campanii online. Tehnologia GIS este utilã în proiectarea zonelor de vânzãri, analizarea ariilor comerciale ale magazinelor. Deşi înca într-un stadiu incipient, aplicaţii similare apar şi în politicã: de exemplu, planificarea centrelor de vot are un impact major asupra rezultalelor alegerilor.

Tehnologia GIS este foarte utilã pentru rutare şi planificare, unde se includ sistemele de ajutor în navigaţie auto, sisteme de rutare pentru vehicule de urgenta, programarea vehiculelor de livrare. Funcţionalitatea rezultatã din folosirea GIS în acest domeniu este reprezentatã de urmãtoarele aspecte: extragerea si afişarea simplã a datelor pentru sistemele de navigaţie de vehicule, gasirea rutei optime (necesitã un algoritm rapid, inteligent), gãsirea unei locaţii dupã adresa specificatã.

În ultimul timp se acordã un interes tot mai mare utilizãrii tehnologiei GIS pentru sprijinirea cercetãrii ştiinţifice: ştiinţã la nivel mondial-prin susţinerea investigaţiilor globale de mediu-, epidemiologie-pentru a cãuta factori care provoacã modele de boalã-, antropologie, demografie, geografie socialã- pentru întelegerea schimbãrillor din structura de polulaţiei, distribuţii ale grupurilor de populaţie în oraşe-, ecologie peisaj- pentru a

9


înţelege relaţiile dintre distribuţia speciilor şi habitatelor. Spre deosebire de pachete statistice, dezvoltarea GIS fost determinatã de cãtre alte aplicaţii decât de cercetare ştiinţificã. Lipsa de instrumente de analizã spaţialã a însemnat cã rolul de locaţie în explicarea fenomenelor a fost greu de evaluat. Informaţiile de localizare care sunt disponibile în biblioteci harta sunt greu de interferat cu alte informaţii, care nu sunt o parte din mediul de cercetare digital. GIS detine un important potenţial în cercetarea ştiinţificã prin posibilitatea realizãrii unei analize spaţiale aşa cum din pachete statistice se pot crea analize statistice.

Date geospatiale si date descriptive

Datele GIS reprezintã obiecte reale (cum ar fi drumurile, utilizarea terenurilor, copaci, cãi navigabile, etc), cu date digitale. Obiecte reale pot fi abstractizate în douã moduri: obiecte discrete (de exemplu, o casã) şi câmpuri continue (cum ar fi precipitaţii, creşteri ale debitelor). În mod tradiţional, existã douã metode larg utilizate pentru a stoca datele într-un GIS pentru ambele tipuri de abstractizãri cartografice: vector şi imagini raster.

Entiãţile grafice ce compun harta digital sunt de obicei definite vectorial, astfel o entitate de pe hartã este repezentatã pornind de la coordonatele carteziene ale punctelor sale. O alternativã a acestei reprezentãri sunt imaginile raster ce reprezintã imagini bitmap, în care o entitate este definitã prin mai multe puncte colorate. Diferit de reprezentarea vectorialã, prin care se pot defini entitãţi singular, într-o imagine raster se reprezintã mai multe entitãţi, culorile prin care acestea sunt reprezentate ajutand la diferenţierea lor de alte alte entitãţi.

Imaginile raster pot proveni din mai multe surse cum ar fi: scanarea unor hãrţi existente pe suport fizic, fotografierea aerianã a terenului, de la sateliţi specializaţi, desenare explicitã etc.

Captarea datelor şi introducerea acestora în sistem ocupã o bunã parte din timpul utilizatorilor GIS. Existã mai multe modalitãţi de culegere şi procesare a acestor date.

O primã modalitate de producere a datelor vectoriale este valorificarea şi prelucrarea masurãtorilor de teren. Un principal obiectiv al procesului de mãsurare pe teren îl constituie generarea coordonatelor unor puncte prin procesarea unor distanţe şi directii detereminate cu aparatul de mãsurã. GPS (Global Positioning System), este o tehnologie specializatã bazatã pe un set de sateliţi specializaţi, care permit determinarea continuã a poziţiei punctelor de la suprafaţa Pãmântului. Datele existente pe suport fizic pot si scanate sau fotografiate, astfel rezultând imagini raster, care pot fi de asemenea prelucrate apoi pentru a produce în date vectoriale. În perspectiva GIS importantã nu este modatatea de culegere a datelor, ci obţinerea coordonatelor ce definesc entitatea graficã vectorialã şi a informaţiilor adiţionale acesteia.

Pentru obţinerea imaginilor raster existã de asemenea mai multe modalitãţi: scanarea hãrţilor sau a planurilor existente în format fizic, aero-fotografiere, imagini satelitare. Aerofotografierea reprezintã procesul de fotografiere a terenului dintr-o navã aerianã ce survoleazã teritoriul. Aceastã modalitate de obţinere a imaginolor raster aduce ca plus faţã de scanarea documentelor, caracteristicile de unitate şi actualitate a datelor, însã pentru o precizie corectã a acestora, datele culese în acest fel vor necesita anumite ajustãri. Imaginilile obţinute de la sateliţi specializaţi sunt obţinute în urma fotografierii de cãtre aceştia a scoarţei terestre vazutã de pe orbitele lor. Imaginile astfel obtinute sunt supuse apoi unui proces de analizã şi prelucrare pentru a obţine rezultate optime.

Fig. 1 Imagine raster dupã georeferenţiere

10


Georeferenţierea este procesul prin care o imagine raster ce reprezintã un teren este transformatã în în coordonatele sistemului de proiecte curent, asftel încât fiecare entitate cuprinsã în ea sã ajungã în poziţii corespondente cu realitatea. Georeferenţierea are sens atunci când

imaginea raster este combinatã cu informaţii vectoriale din zona respectivã. Se urmãreşte deci, obţinerea simultanã a preciziei datã de reprezentarea vectorialã şi a sugestivitãţii datã de imaginea raster. În Figura 1 este prezentatã o imagine raster dupã georeferenţiere.

Geo-codarea presupune plasarea nepretenţioasã a entitãţilor geospaţiale având ca punct de reper anumite atribute alflanumerice din baza de date asociate. Faptul cã geocodarea oferã informaţii pur geografice, generând mai degrabã decât cerând date spaţiale, extinde uimitor funcţionalitatea GIS.

Cheia aplicaţiei GIS constã în conexiunea dintre entitãţile vectoriale şi atributele descriptive, ceea ce reprezintã şi distincţia de cartografia

digitalã. Abilitãţile de analizã şi asistare a deciziilor sunt bazate îndeosebi pe datele descriptive. Întrucât bazele de date relaţionale dominã piaţa de mai mult de trei decenii, majoritatea aplicaţiilor GIS utilizeazã acest model de stocare al datelor. În Figura 2 se prezintã modalitatea în care se creazã legãtura dintre o entitate graficã şi o înregistrare în baza de date.

Fig. 2 Conexiunea entitate graficã - înregistrare tabelarã Captarea datelor descriptive se poate realiza

prin culegere explicit sincronã, asincronã sau prin importul datelor din baze de date înrudite thematic cu aplicaţia GIS. Culegerea explicitã sincronã presupune introducerea datelor în sistem de cãtre proiectant odata cu crearea entitãţilor grafice. Culegerea explicitã asincronã presupune crearea legãturii între tabelã şi stratul tematic şi apoi introducerea atributelor fie indentificând vizual fiecare entitate, fie lucându-se în grup, caz în care trebuie acordatã atenţie codurilor unice de identificare ale entitãţilor grafice.

Exploatarea unui produs informatics GIS, pune în evidenţã adevarata capacitate a acestuia, presupunând frecvent angrenarea datelor alfa-numerice în analize şi interogãri. Utilizatorul GIS trebuie sã poatã accesa rapid informeţiile descriptive associate fondului graphic, dar şi sã le poatã agrega în studii mai complexe.

Pe lângã datele descriptive, în ultimul timp producãtorii de software GIS stocheazã şi entitãţile vectoriale în baza de date, astfel în multe din cazuri modelul bazei de date s-a transformat din relaţional în relaţional-obiectual sau chiar pur obiectual.

Atunci când se realizeazã şi se utilizeazã proiecte GIS complexe, cu accesare multiplã la nivel de întreprindere, controlul şi sincronozarea evoluţiei acestora este o problemã esenţial de luat în calcul, soluţiile traditionale fiind limitate deoarece sunt nevoite sã lucreze la nivel de fişier. Stocarea datelor grafice în baze de date relaţionale aduce un plus, prin realizarea managementului intern la nivel de componentã de proiect. Aceastã abordare influenţeazã substanţial productivitatea în cazul proiectelor complexe.

Descrierea si utilizarea produsului software MapSys

MapSys concentreazã funcţii puternice dar uşor de utilizat de generare şi valorificare a planului digital, funcţii de geo-referenţiere şi administrare a informaţiilor cu referinţã spaţialã. Exploatarea eficientã a geo-datelor create în MapSys sau importate din alte sisteme este asiguratã de funcţii GIS standard cum sunt cele de georeferenţiere, culegere atribute, suprapunere straturi topologice, crearea interogãrilor utilizator sau generare zonã buffer, dar şi prin funcţii specifice cadastrului de

11


parcelare prin suprapunere sau de cãutare adresã poştalã. Definirea dreptului de acces la funcţiile programului şi la date, precum şi posibilitatea catalogãrii operaţiilor efectuate, permit o mai bunã protejare şi urmãrire a consistenţei datelor. MapSys COM Interface oferã extinderea funcţionalitãţii programului prin posibilitatea creãrii aplicaţiilor proprii, având la dispoziţie funcţiile limbajului de programare şi funcţiile interne MapSys.

Modulul opţional MapSys Internet Map Server permite interogarea de cãtre utilizatorii autorizaţi a informaţiilor din bazele de date a lucrãrilor MapSys, într-o reţea Intranet sau pe Internet. Pentru generarea datelor grafice, utilizatorul are la dispoziţie funcţiile de import din formate uzuale, digitizare/vectorizare şi funcţiile de construcţie graficã. Existã funcţii specializate pentru crearea, cãutarea, selectarea şi modificarea punctelor, liniilor, curbelor, textelor şi simbolurilor. Multiplele funcţii geometrice sunt specializate pentru construcţiile grafice a planurilor topografice şi cadastrale, generarea profilelor transversale şi longitunale. Planurile scanate pot fi orientate, tãiate sau unificate şi afişate în scopul vectorizãrii. Pentru imprimarea planului digital existã funcţii de generare a foilor de plan standard, suprapunerea multiplã a planurilor sau plasarea pe foaia de lucru a ferestrelor grafice deschise. Funcţiile de import/export permit transferul informaţiilor grafice şi alfanumerice în cele mai cunoscute formate grafice sau GIS, cum ar fi DXF, SQD, SHP, MIF, E00, etc.

Unitãţile de lucru MapSys se numesc Lucrãri. Acestea conţin toate informaţiile introduse sau create pânã la un moment dat. Funcţiile grafice creazã informaţii de tip punct, line, arc, curbã, text sau simbol. Funcţiile topologice genereazã obiecte topologice cu referinţã spaţialã de tip punct, linie sau poligon. Aceste obiecte sunt compuse din elemente grafice, identificator obiect şi atribute obiect. În cadrul lucrãrilor, informaţiile grafice şi alfanumerice sunt menţinute în formate proprii, sub formã de fişiere. MapSys este un Sistem Informaţional Geografic care permite crearea, administrarea şi valorificarea informaţiilor cu referinţã spaţialã.

Menţinerea acestora în baze de date relaţionale impune definirea unor categorii foarte generale de obiecte, care satisfac condiţii minime de consistenţã graficã şi de poziţionare. Acestea obiecte se numesc obiecte topologice, şi se pot sintetiza în trei categorii. În Tabelul 1 sunt prezentate cele trei categorii de obiecte topologice. În MapSys, fiecãrui tip de obiect topologic îi corespunde o structurã de bazã de date predefinitã.

Tab. 1 Definirea obiectelor topologice

Nr. tip obiecte topologice definiţie condiţii

1 punct identificator, coordonate

punct -

2 linie (arc) identificator, coordonate

puncte

fãrã întreruperi

3 poligon

identificator, coordonate puncte de frângere

sã fie un contur închis sã fie definit

univoc*

În Tabelul 2 este prezentatã structura obiectelor topologice în baza de date.

Tab. 2 Structura obiectelor topologice în baza de date

Nr. tip obiecte topologice

atribute de bazã tip atribute

1 punct NRCAD, X,Y,Z

Text, Num, Num, Num

2 linie (arc) NRCAD,

Lungime, Cota medie

Text, Num, Num

3 poligon

NRCAD, Suprafaţã, Perimetru, Cota medie

Text, Num, Num, Num

Structura datã mai sus este creatã automat de MapSys odatã cu generarea topologiei pentru o categorie de obiecte grafice şi alfanumerice conţinute într-o combinaţie de straturi grafice. Structura standard se poate extinde de utilizator, prin crearea de câmpuri noi, sau prin crearea de tabele sau baze de date relaţionale. Informaţiile topologice şi atributele aferente sunt menţinute în Sisteme de Gestionare Baze de Date de tipul celor precizate mai sus. Prelucrarea pe mai multe staţii de lucru specifice operaţiilor de actualizare al unui sistem GIS funcţional este asiguratã prin funcţiile de administrare a extraselor de lucrare care se pot distribui la staţiile de lucru urmând ca dupã finalizare, sã se poate integra în lucrarea de bazã.

Funcţiile de interogare a bazei de date permit crearea, salvarea şi rularea interogãrilor SQL complexe, afişarea rezultatelor interogãrilor sau crearea reprezentãrilor tematice. Existã funcţii speciale de cãutare graficã a adreselor poştale, generare zonã buffer, suprapunere şi analizã parcelã (reparcelare), generare de reprezentãri tematice. Accesul la funcţii şi date poate fi restricţionat în aşa fel încât fiecare utilizator înregistrat sã poatã accesa numai acele funcţii şi date care le-au fost acordate de o persoanã autorizatã denumitã administrator, care are împuternicirea sã acceseze şi sã modifice

12


toate funcţiile şi toate datele. Utilizatorii sunt identificaţi de sistem prin nume şi parolã.

Prin utilizarea Mapsys Internet Map Server, valoarea datelor geo-informaţionale este multiplicatã prin faptul cã acestea sunt puse la dispoziţia utilizatorilor potenţiali acolo unde şi atunci când aceştia au nevoie de ele, imediat ce administratorul datelor şi potenţialii clienţi sunt conectaţi la Internet. Pentru utilizatorii de tip Intranet conectaţi printr-o reţea localã, funcţiile de configurare şi utilizare sunt aceleaşi ca în cazul reţelei Internet.

Informaţiile puse la dispoziţie în reţea sunt reprezentate de lucrãri MapSys obişnuite aflate pe server care pot avea un grad de detaliere stabilit în funcţie de utilizator. Lucrãrile MapSys configurate pot fi cele originale - aflate în permanentã schimbare - sau copiile acestora. Astfel existã un control permanent asupra actualitãţii informaţiilor puse la dispoziţie.

Tendinţe viitoare de dezvoltare a tehnologiei sistemelor geografice informatice

Sistemele informatice geografice ofera deja mai multã precizie decât modelele cartografice de bazã. Un prim viitor trend ar fi acela de a se redefini unele metode de captare a datelor şi nivelurile acestora de precizie. La un moment dat tehnologia GIS va fi influenţatã de posibilitatea stocãrii datelor multimedia şi creãrii de reţele. Capacitatea de a afişa text, hãrţi, date, fotografii, video, sunet pentru locaţii de la o multitudine de surse din reţea va da noua definiţie a ceea reprezintã o bazã de date spaţialã.

Rezalizarea de sisteme informatice geografice 4D GIS (XYZ şi timp) este urmatoarea provocare majorã. În prezent, timpul este tratat ca o serie de straturi harta stocate care pot fi animate pentru a vizualiza modificãrile asupra peisajului. Adaugarea modelãrii predictive împreunã cu acţiunile propuse de management (de exemplu, recoltarea lemnului şi creşterea vegetaţiei ulterioare) pot fi introduse pentru a privi în viitor. Structurile de date de mâine vor gãzdui timpul ca o dimensiune integratã complet şi astfel vor schimba paradigma de cartografiere convenţionalã.

Concluzii

Tehnologia GIS a schimbat foarte mult perspectiva despre utlitatea hãrţilor. Aceasta s-a mutat de la cartografierea clasicã la un ingredient activ şi vital în procesul de luare a deciziilor. Profesionalismul de astãzi este provocat în a înţelege noul mediu şi în a formula aplicaţii inovatoare care îndeplinesc complexitatea şi nevoile aflate în continuã schimbare.

Bibliografie

1. Clarke, K. Analytical and Computer Cartography, Prentice Hall, Englewood Cliffs, 290, 1995 2. Chang, K.T. Introduction to geographic information systems, McGraw Hill, New York, 348, 2002 3. DeMers, M. Fundamentals of Geographic Information Systems, John Wiley & Sons, New York, 498, 2000 4. Reuter, A., Zipf, A. Geographic Information Science: Where Next?, Blackwell Publishing Ltd, Malden, 609, 2008 5. Knoblock, C.A., Shahabi, C Geospatial Data, Blackwell Publishing Ltd, Malden, 196, 2008 6. Maantay, J., Ziegler, J. GIS for the Urban Environment, ESRI Press, Redlands, 600, 2006 7. Frigerio, S., Van Westen, C.J. RiskCity and WebRiskCity: Data Collection, Display, and Dissemination in a Multi-Risk Training Package, Cartography and Geographic Information Science, vol. 73, no. 2, pp. 119-135, 2010 8. Jimenez, J.J., Feito, F.R., Segura, R.J. A new hierarchical triangle-based point-in-polygon data structure, Computers & Geosciences, vol. 35, no. 9, pp. 1843-1853, 2009 9. Zhan, F.B. Three Fastest Shortest Path Algorithms on Real Networks: Data Structures and Procedures, Journal of Geographic Information and Decision Analysis, vol. 1, no. 1, pp. 70-82, 1997 10. Di Giacinto, V. On vector autoregressive modeling in space and time, Journal of Geographical Systems, vol. 12, no. 2, pp. 125-154, 2010 11. Murray, A. Advances in location modeling: GIS linkages and contributions, Journal of Geographical Systems, vol. 12, no. 3, pp. 335-354, 2010 12. Dangermond, J. GIS in the Web-A Big Step, 2010, http://www.vector1media.com/vectorone/?p=5211 13. Foote, K.E., Lynch, M. Geographic Information Systems as an Integrating Technology: Context, Concepts, and Definitions, 2009, http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/intro/intro_f.html 14. Keenan, J. Falling Off the Edge of the Map, 2010, http://www.directionsmag.com/articles/falling-off-the-edge-of-the-map/142735 15. Bartling, W.C., Schleyer, T.K.L. An Application of Geospatial Information Systems (GIS) Technology to Anatomic Dental Charting, 2003, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1480180/ 16. Păunescu, C. Curs de Geodezie şi Topografie, Editura Universităţii Bucureşti, 2001.

13


METODOLOGIE DE APRECIERE A RISCULUI DE EXPLOZIE ŞI / SAU FOC: O ABORDARE UNITARĂ ŞI STRUCTURATĂ

PENTRU MEDIUL MINIER SUBTERAN

Roland Iosif MORARU*, Gabriel Bujor BĂBUŢ* Asigurarea stării de securitate şi sănătate a lucrătorilor impune managerilor minelor de huilă din Valea Jiului, tratarea riscurilor potențiale asociate exploziilor şi focurilor subterane, precum şi analiza impactului acestor evenimente nedorite asupra lucrătorilor şi sistemelor de ventilație. Pornind de la necesitatea abordării unitare şi sistematice a riscurilor specifice, autorii dezvoltă cadrul general de apreciere a riscului de explozie în minele grizutoase, în baza cuantificării probabilității de producere şi a gravității consecințelor, cu ajutorul analizei prin Arborele Cauzelor. Se accentuează faptul că şi un foc de magnitudine redusă trebuie considerat drept un pericol major, din punct de vedere al potențialului de inițiere al exploziei, atunci când atmosfera explozivă este prezentă. Metodologia propusă pentru aprecierea riscurilor de explozie/foc în atmosfera subterană se fundamentează pe cunoaşterea şi înțelegerea naturii pericolelor, a caracteristicilor materialelor combustibile şi pe principiile ingineriei proceselor termodinamice. Cuvinte cheie: metan, combustie spontană, explozie, risc, prevenire, protecţie Introducere

Exploatarea huilei în bazinul Valea Jiului se realizează în condiţii geologico – miniere dificile, care generează numeroase pericole pentru securitatea şi sănătatea personalului din subteran. Celor mai importante categorii de pericole miniere le aparţin focurile subterane şi exploziile de metan, care de mult prea multe ori au constituit cauze ale catastrofelor miniere [8, 9].

Materializarea practică a principiilor ştiinţifice de prevenire a focurilor şi exploziilor a contribuit, de-a lungul timpului, la scăderea semnificativă a riscurilor de explozie şi foc în minele de huilă [2]. ____________________________________ *Conferenţiar univ.dr.ing. Universitatea din Petroşani

Totuşi, în pofida numeroaselor realizări ştiinţifice şi tehnologice din acest domeniu, exploziile şi focurile de mină continuă să se producă, rămânând un potenţial pericol pentru sănătatea şi viaţa lucrătorilor, contribuind la generarea unor costuri considerabile asociate acţiunilor de combatere şi salvare, imobilizării rezervelor şi despăgubirilor acordate. Consideraţiile anterioare sunt valabile atât pentru combustiile spontane, cât şi pentru focurile exogene. Desigur, metanul se menţine drept una dintre preocupările majore, ca factor de risc în mineritul carbonifer [7]. În scopul creşterii preciziei şi gradului de încredere în demersul de apreciere a riscului de producere al exploziilor/focurilor de mină, câştigă tot mai mult teren opinia conform căreia prevenirea celor două tipuri de evenimente nedorite trebuie abordată în manieră integrată. Principiile şi cadrul general de apreciere a riscului de explozie în minele grizutoase

Principiile şi cadrul general de apreciere a riscului de explozie şi de foc în lucrările miniere subterane din minele grizutoase sunt comune, datorită complexităţii interacţiunii parametrilor specifici şi chiar a substanţelor implicate [3]. Astfel, o explozie de metan conduce la ridicarea în suspensie a prafului de cărbune depus şi îmbogăţirea pe această cale a amestecului exploziv aflat în faţa frontului de flacără. Una dintre consecinţele directe ale exploziilor de metan poate fi incendiul, care amplifică gravitatea consecinţelor. Pe de altă parte, însăşi sursa de iniţiere a unei explozii poate fi o combustie spontană.

Considerăm, în consecinţă, că abordarea aprecierii riscurilor trebuie realizată în manieră integrată, luând în considerare ansamblul factorilor de influenţă, în baza unei abordări arborescente a cauzalităţii, de tipul celei ilustrate în fig. 1 [4, 10].

O procedură unitară de apreciere şi gestiune a riscului de explozie/foc în lucrările miniere subterane trebuie dezvoltată în baza unor principii fundamentale, reieşite din cunoştinţele şi experienţa dobândită [1, 5, 6]. Din considerente legate de coincizie, prezentăm succint doar aceste principii pe care se fundamentează cadrul general de apreciere, în cele ce urmează:

14


Accident

colectiv datorat

unei EXPLOZII

DE METAN

EXPLOZIE DE

METAN

PREZENŢA PERSONA-

LULUI

Amestec exploziv

Metan-aer

Sursă de

iniţiere

Imposibili-tatea

evacuării în timp util

Ignorarea alarmării

Lipsa alarmării

Creşterea emisiei de

metan

Aeraj inadecvat

Scântei mecanice, electrice

Flăcări, flame

Lucrări de împuşcare

Lipsă sisteme măsurare

Funcţionare defectuasă

CTT

Necunoaştere

Nepercepere

Ignorare deliberată

Căi de refugiu improprii

Necunoaşterea planului de

urgenţă

Funcţionare defectuoasă sistem degazare

Subdimensionare debit

Rezistenţă aerodinamică mare

Deteriorare suport transmisie date

Rechizite fumat

Incendiu

Combustie spontană

Sudură, vulcanizare

Cap detecţie amplasat incorect

Ardere punte Wheatstone

Obturare orificiu admisie în detector

Variaţia presiunii barometrice

Interceptarea unei falii (suflai de metan)

Coborâre în adâncime a exploatării

Uşă de aeraj deschisă

Fig. 1 Arborele redus al cauzelor pentru evenimentul nedorit „Accident colectiv datorat unei explozii de metan“

a. Identificarea materialelor prezente şi a

metodei de selecţie a materialelor Identificarea şi listarea materialelor

prezente, cuantificarea şi localizarea acestora;

Revizuirea testelor utilizate ca bază de selecţie a materialelor şi evidenţierea dezavantajelor asociate;

Luarea în considerare a modului de modificare a rezistenţei la foc, de exemplu

datorită prezenţei prafului de cărbune sau a altor materiale combustibile.

b. Stabilirea probabilităţii de iniţiere/aprindere Revizuirea criteriilor de acceptabilitate

(exemple: temperaturile maxim admise în subteran sau temperaturile maxim admise în condiţii de testare în laborator, la stabilirea energiei minime de aprindere, a temperaturii de mocnire, a temperaturii de aprindere etc)

15


Luarea în considerare a legislaţiei aplicabile la stabilirea temperaturilor maxim admisibile;

Revizuirea periodică a modului de utilizare a materialelor şi echipamentelor. Luarea în considerare a potenţialelor situaţii de defectare sau a unor scenarii care pot conduce la temperaturi superioare celei maxim admise;

c. Considerarea ipotezei de extindere a exploziei/focului

Stabilirea probabilităţii de propagare a exploziei/focului dincolo de zona din proximitatea focarului;

Includerea mărimii evenimentului iniţial şi a masei combustibile implicate;

d. Disponibilitatea sistemelor de detecţie a pericolului

Poate personalul detecta riscul? Funcţionează corect sistemele de

monitorizare a parametrilor mediului? Se utilizează detectoare de fum, detectoare

cu absorbţie de radiaţii infraroşii sau alte dispozitive de măsurare pentru detectarea focarelor de autoîncălzire sau de incendiu?

e. Sisteme de prevenire – protecţie disponibile Există sisteme de detecţie a focurilor

exogene şi de detecţie în stadiu incipient a combustiilor spontane?

Ce metode de alarmare a personalului asigură iniţierea rapidă a procedurii de intervenţie în situaţii de urgenţă?

Ce tipuri de sisteme de stingere există şi care este eficienţa acestora?

Luarea în considerare a naturii posibilelor substanţe combustibile ce pot fi implicate în dezvoltarea scenariului accidentogen şi a mediilor de stingere tipice;

Cum sunt utilizaţi agenţii de stingere (injectare, inundare etc) ?

Există standarde sau instrucţiuni proprii care specifică detaliile referitoare la sistemele de combatere, şi dacă nu, cum au fost instalate şi operate aceste sisteme?

f. Comunicare şi evacuare Există sisteme fiabile de comunicare

pentru coordonarea operaţiilor de salvare? Se efectuează, sau nu, formal aplicaţiile

practice privind planul de prevenire şi lichidare al avariilor?

Cum vor afecta gazele post-explozie sau post-combustie operaţiunile echipelor de salvatori minieri?

Există riscul rezidual al inversării sensului de curgere a aerului după producerea exploziei/focului?

Aplicarea principiilor sintetizate anterior ar trebui să faciliteze identificarea măsurilor de prevenire a evenimentelor nedorite de tipul exploziilor de metan, al exploziilor de metan şi praf de cărbune, precum şi al focurilor de mină. Structura metodologiei integrate de apreciere a riscului de explozie/foc în subteran

Ca succesiune de derulare, metodologia integrată pe care o propunem spre aplicare în condiţiile specifice mediului subteran al minelor din Valea Jiului implică parcurgerea următoarelor etape: ETAPA 1. Identificarea surselor de iniţiere şi a substanţelor combustibile (altele decât gazul metan) care pot fi implicate în propagarea fenomenului dinamic, concomitent cu analiza sarcinii şi echipamentului de muncă specific unităţii funcţionale analizate (abataj, sector, circuit de aeraj etc) ETAPA 2. Stabilirea potenţialului de iniţiere / aprindere a amestecului exploziv / substanţei combustibile

Se va estima probabilitatea de producere a exploziei/focului pentru toate combinaţiile de surse de aprindere/substanţe inflamabile, alocându-se valoarea nivelului global de risc. În acest stadiu se va lua în considerare efectul potenţial al curenţilor de aer asupra difuziei produselor gazoase de combustie, dat fiind faptul că este vorba de gaze toxice care generează riscuri suplimentare pentru personalul care nu a fost afectat de unda de şoc şi frontul de flacără.

Se va acorda atenţie studiului posibilităţilor de migrare a volumelor de gaz exploziv spre zone cu potenţial de aprindere (scântei, flame în proximitatea instalaţiilor de tăiere şi foraj, în zona lucrărilor de împuşcare, zonelor de foc, defectărilor echipamentelor electrice şi mecanice etc). Măsuri de prevenire vor fi stabilite pentru orice zonă particulară în care nivelul de risc este apreciat ca inacceptabil. ETAPA 3. Stabilirea/implementarea măsurilor de prevenire: reducerea probabilităţii de aprindere

Metodele de reducere a riscului de explozie, în zonele identificate anterior ca având potenţial exploziv, vor include mijloace de diminuare a probabilităţii de aprindere a amestecului metan-aer şi de minimizare a volumului de substanţă inflamabilă. Această categorie de măsuri poate include:

securitatea intrinsecă, bazată pe evaluarea modului de concepţie/proiectare a echipamentelor pentru a stabili dacă riscul poate fi redus prin modificări de proiectare;

16


proceduri de operare: reducerea pericolelor asociate prin implementarea eficace a politicilor şi procedurilor companiei miniere; filozofia de securitate trebuie fundamentată pe dualismul ce rezultă din îmbinarea unei energii decizionale a conducerii la vârf cu un nivel corespunzător de cultură a securităţii (în sensul standardului internaţional ISO 31.000:2009 – Managementul riscurilor: Principii şi linii directoare privind implementarea) [11];

reconsiderarea intervalelor de mentenanţă; proiectarea, instalarea şi întreţinerea

adecvată a sitemelor de limitare a extinderii efectelor. În cazul minelor din Valea Jiului, exemplul cel mai relevant îl constituie barajele de praf inert sau(mai rar) apă destinate blocării propagării exploziilor de praf de cărbune, diguri şi alte construcţii de aeraj. ETAPA 4. Identificarea sistemelor de protecţie (reducerea gravităţii consecinţelor), a sistemelor de avertizare-alarmare, instalarea acestora şi asigurarea accesibilităţii

Această etapă se subdivide în trei faze: Faza 1: Considerarea tipului de avarie

(explozie de metan, metan cu praf de cărbune, foc, incendiu etc). Recurgând la informaţiile colectate şi sistematizate în etapa 1 privind natura avariei potenţiale, tipul şi cantităţile de combustibil, se stabilesc: tipul sistemului de supresiune-stingere, modul de aplicare al agentului de stingere, zonele în care, datorită riscului de propagare rapidă, trebuie amplasate echipamente destinate detecţiei în stadiu incipient şi activării sistemului de oprire a propagării.

Faza 2: Sistemul de detecţie precoce. Scopul acestei faze va fi da a obţine certitudinea că s-au luat în considerare toate zonele relevante, nu doar locaţiile de amplasare a capetelor de detecţie ale staţiei telegrizumetrice.

Faza 3: Utilizarea echipamentelor de combatere directă (dacă este cazul) şi asigurarea vizibilităţii, implicând asigurarea semnalizării localizării mijloacelor de stingere, accesibilităţii, instruirii lucrătorilor. Se recomandă introducerea în formularul listei de verificare a unei coloane dedicate evidenţierii necesităţii unor acţiuni viitoare.

ETAPA 5. Căi de refugiu – evacuare Se vor lua în considerare căile de refugiu-

evacuare în cazul unui eveniment, modul de alegere a măştilor de autosalvare, în funcţie de natura şi toxicitatea anticipată a fumului rezultat. Se va stabili numărul de membrii ai personalului care pot fi expuşi şi metoda de notificare privind traseul de evacuare de urgenţă.

ETAPA 6. Stabilirea şi furnizarea către lucrători a informaţiilor referitoare la riscul rezidual

Este o etapă de mare importanţă, în prezent deseori eludată la minele grizutoase din Valea Jiului, în care informaţiile privind riscul remanent în condiţii prestabilite trebuie sistematizate şi transmise lucrătorilor. De exemplu lucrătorul va fi informat că în cazul deteriorării furtunului gofrat al măştii de autosalvare, el poate şi trebuie să inspire direct din cartuşul filtrant. Etapele finale ale metodologiei se referă la aspectele care privesc planurile de urgenţă, acţiuni deosebite şi cerinţe suplimentare, după cum urmează: ETAPA 7. Elaborarea unui tabel centralizator care va sintetiza zonele potenţiale de producere a exploziei/focului, combustibilul principal, toxicitatea produselor de combustie, căile de evacuare de urgenţă (inclusiv în situaţia inversării aerajului), consecinţele posibile ale întreruperii sistemelor de comunicaţie. ETAPA 8. Elaborarea listei sau tabelului cu cerinţele şi instrucţiunile ulterioare de securitate care trebuie îndeplinite sau, respectiv, aplicate pentru ca sistemele implementate sa rămână în stare operaţională şi să-şi menţină eficacitatea (instruire personal, testare echipamente, completare praf inert în baraje etc). ETAPA 9. Ierarhizarea priorităţilor, alocarea resurselor şi materializarea acţiunilor evidenţiate ca prioritare în urma procesului de apreciere a riscurilor, pentru a obţine un nivel ridicat de încredere în eficacitatea măsurilor întreprinse. Pe parcursul realizării aprecierii riscurilor, este de primă importanţă implicarea reală (nu formală) a tuturor categoriilor de personal, în mod special a lucrătorilor care cunosc cel mai bine particularităţile sistemului de muncă. Concluzii

Metodologia integrată propusă în vederea aprecierii riscului va implica, la nivel procedural, dezvoltarea unui set de liste de verificare care vor permite utilizatorilor stabilirea probabilităţii de producere a exploziei , a numărului de lucrători expuşi riscului de explozie, a metodelor de evacuare şi a zonelor care necesită o examinare mai detaliată, prin recurgerea la metode de analiză cantitativă a riscului de explozie. După identificarea priorităţilor privind prevenirea şi protecţia, se impune efectuarea unei analize aprofundate a zonelor cu pericol deosebit, ca parte integrantă a planului de prevenire şi protecţie.

Faza iniţială a metodologiei va avea drept obiectiv primar stabilirea potenţialului de explozie/foc şi implică „inventarierea” surselor

17


potenţiale de iniţiere a amestecului exploziv, atât în regim normal de funcţionare, cât şi în condiţii de defectare. După cum s-a menţionat, cel mai puternic instrument analitic aplicabil în această fază constă în metoda arborelui cauzelor de analiză a riscurilor. După generarea registrului iniţial al pericolelor, se va putea estima probabilitatea de producere a unei explozii, prin luarea în considerare şi agregarea cantitativă sau calitativă a următoarelor aspecte determinante:

probabilitatea de realizare a amestecului exploziv metan-aer;

probabilitatea coexistenţei mai multor surse de aprindere;

studiul accidentelor şi incidentelor anterioare generate de explozii şi aprinderi de metan, pe categorii de operaţii, datorită posibilităţii de repetare a acestora;

analiza şi revizuirea periodică a procedurilor de mentenanţă, a modului de derulare, a modificări ratelor de defectare, a concordanţei pieselor de schimb cu cele recomandate de furnizor, identificarea posibilităţii ca însăşi operaţiile de întreţinere să genereze creşterea nivelului de risc etc;

stabilirea gradului în care riscul de explozie este afectat de standardele de mentenanţă.

Totodată trebuie să se acorde o atenţie sporită proceselor de muncă care pot genera o explozie de metan. Activităţile practice care trebuie avute în vedere includ operaţiile de extragere/tăiere, concasare, sudură, vulcanizare, fumatul, alături de pericolele, uneori mai puţin evidente, cum sunt lucrul la echipamentele electrice, care poate genera scurtcircuite, sau operaţiile efectuate în reţelele de degazare a gazului metan, la care orice neetanşeitate a conductelor poate mări riscul de explozie.

La realizarea aprecierii riscurilor este de maximă importanţă luarea în considerare a opiniilor tuturor categoriilor de personal care pot fi afectate. Acestea pot include directorul minei, căruia îi revine, în fapt, responsabilitatea finală , inginerii minieri şi electromecanici, lucrătorii serviciului intern de prevenire şi protecţie şi reprezentanţii lucrătorilor. În funcţie de gravitatea percepută a consecinţelor, de dificultatea în acţiunile de combatere a efectelor sau de lungimea traseelor de evacuare se recomandă şi consultarea Serviciului de Salvare Minieră, sau a altor servicii de urgenţă care ar putea fi implicate în acţiunile de salvare şi combatere a consecinţelor.

Bibliografie

1. Cioca, L.I., Moraru, R., Băbuţ, G. Occupational Risk Assessment: A Framework for Understanding and Practical Guiding the Process in Romania, Proceedings of the International Conference on RISK MANAGEMENT, ASSESSMENT and MITIGATION (RIMA ’10), pp. 56-61, Bucharest, Romania, 20-22.04.2010, WSEAS Press, 2010; ISSN: 1790-2769, ISBN: 978-960-474-182-3, http://apps.isiknowledge.com 2. Matei, I.,Bǎbuţ, G., Moraru, R.,Hanna, C. The use of the FOCUS program for the assessment of safety conditions with the reopening of areas isolated as a result of spontaneous combustions in the Valea Jiului coal basin, Proceedings of the 3rd Canadian Conference on Computer Applications in the Mineral Industry (CAMI 95), pag. 720-724, Montreal, Canada, 22-25.10.1995, http://apps.isiknowledge.com. 3. Mitchell, D. W. Mine Fires: Prevention Detection and Fighting, Third Edition, 82-83 p (Intertec Publishing: Chicago), 1996. 4. Moraru, R., Băbuţ, G. Analiză de risc, Editura Universitas, Petroşani, 2000 5. Moraru, R., Băbuţ, G., Matei, I. Ghid pentru evaluarea riscurilor profesionale, Editura Focus, Petroşani, 2002 6. Moraru, R., Băbuţ, G. Managementul riscurilor: abordare globală - concepte, principii şi structură, Editura Universitas, Petroşani, 2009 7. Moraru, R., Băbuţ, G.Cioca, L.I. Human Reliability Model and Application for Mine Dispatchers in Valea Jiului Coal Basin, Proceedings of the International Conference on Risk Management, Assessment and Mitigation (RIMA ’10), pp. 45-50, Bucharest, Romania, 20-22.04.2010 WSEAS Press, 2010; ISSN: 1790-2769, ISBN: 978-960-474-182-3 http://apps.isiknowledge.com 8. Moraru, R., Băbuţ, G. Managementul stresului de căldură în mediul cald şi umed specific activităţii de salvare minieră din bazinul carbonifer Valea Jiului/Management of heat stress in a hot, humid,underground environment specific to mine rescue activities in Valea Jiului coal basin Revista Minelor, vol. 16, nr. 2/2010, pag. 18-21 9. Moraru, R., Băbuţ, G. Modul de interpretare a deficienţei în oxigen din componenţa indicilor de apreciere a evoluţiei combustiilor spontane/Oxygen deficiencies interpretation for use in ratios assessing spontaneous combustion activity, Revista Minelor, vol. 16, nr. 3/2010, pag. 15-19 10. Moraru, R., Băbuţ, G. Evaluarea şi managementul participativ al riscurilor: Ghid practic, Editura Focus, Petroşani, 2010, ISBN:978-973-677-206-1. 11. x x x ISO 31000: Managementul riscului – principii şi linii directoare privind implementarea, ASRO, 2010

18


METODE DE EVALUARE A IMPACTULUI ANTROPIC ASUPRA MORFOSTRUCTURII UNEI REGIUNI GEOGRAFICE

Ciprian NIMARĂ*

Evaluarea impactului antropic asupra reliefului reprezintă o provocare, în contextul în care metodele de evaluare sunt foarte rare, datorită accentului pus pe evaluarea impactului antropic asupra celorlalte componente de mediu (apă, aer, sol, comunităţi umane) şi de cele mai multe ori sunt ineficiente atunci când termenul „relief” este asociat celui de „peisaj”. Cuvinte cheie: impact antropic, evaluare, morfostructură, diversitate geomorfologică

Introducere

Prin intermediul activităţilor economice, societatea umană a impus apariţia în teritoriu a unor relaţii între componenta antropică şi cea ambientală, bazate pe exploatarea resurselor naturale cu scopul satisfacerii necesităţilor. Rezultatul acestei relaţii, de cele mai multe ori, este materializat prin apariţia unui peisaj antropic, caracterizat prin forme de relief care din punct de vedere genetic nu prezintă un proces geologic sau geomorfologic, având o evoluţie imprevizibilă.

Procesul antropic de remodelare a reliefului iniţial reprezintă o necesitate vitală a evoluţiei socio-economice a unei comunităţi umane. Transformările induse teritoriului constau în dislocarea unui volum însemnat de materiale, relocarea şi stocarea acestora sub diverse forme tehnogene de relief.

Astfel, morfologiei iniţiale îi sunt induse modificări de formă şi funcţionale, iar rezultatul final constă în generarea unui areal cu o susceptibilitate crescută la hazarde antropice. Pe măsura dezvoltării tehnologice şi a extinderii spaţiale a arealelor antropizate, s-a produs o amplificare a relaţiilor contradictorii cu mediul natural. Modelarea antropică diferă de cea naturală prin: gradul de intensitate, perioada de manifestare, complexitate şi forma produselor rezultate, imprimând teritoriului o evoluţie ireversibilă. Astfel, arealele cu forme de relief pozitive, supuse modelării antropice, au fost transformate de la forma iniţială la o formă cvasiorizontală, iar suprafeţele plane au fost înălţate cu zeci de metri. În urma acestui feed-back se generează o ____________________________________ *Drd. Universitatea din Petroşani

modificare morfostructurală, având ca rezultat final apariţia inversiunilor de relief şi a mediilor critice.

Evaluarea impactului antropic asupra morfostructurii

O componentă a conceptului de „dezvoltare durabilă” o reprezintă şi gestionarea impacturilor activităţilor socio-economice asupra mediului.

Gestionarea impactului presupune cunoaşterea în detaliu a fenomenului, ceea ce presupune parcurgerea unor etape de identificare şi estimare.

Este bine cunoscut faptul că orice activitate umană are o gamă largă de implicaţii care se pot resimţi în cele mai diverse domenii. În general, trebuie să se ţină seama de întreg spectrul de implicaţii, efectele indirecte în unele cazuri depăşind, ca importanţă pe cele directe.

Într-o definiţie succintă, evaluarea impactului antropic asupra morfostructurii urmăreşte investigarea ştiinţifică a efectelor geomorfologice complexe ce rezultă în urma impactului unei activităţi antropice asupra structurii şi morfologiei terenului iniţial.

Prin estimarea efectelor induse de impactul antropic asupra morfologiei terenului se înţelege aprecierea cantitativă şi/sau calitativă a unor procese sau fenomene geomorfologice. De multe ori, având în vedere noutatea problemelor, lipsa unor date anterioare sau similare, natura extrem de diversă a efectelor, a incertitudinii şi multitudinii de interacţiuni cu ceilalţi factori de mediu, estimarea în termeni calitativi se poate dovedi unica soluţie, iar estimarea cantitativă poate necesita utilizarea de modele matematice sau fizice, pentru a oferi o bază de interpretare a rezultatelor obţinute.

Metode de evaluare propuse

Metoda de evaluare a deprecierii calităţii geomorfologice

Deprecierea calităţii geomorfologice (DC) se evaluează prin însumarea a doi parametri şi anume: reprezentativitatea geomorfologică (Rg) şi diversitatea elementelor de interes geomorfologic create în urma activităţilor antropice (D), cu scopul de a evidenţia măsura în care a fost afectat mediul geomorfologic dintr-o regiune (tabel 1).

DC = Rg + D

19


Reprezentativitatea geomorfologică, poate avea următoarele valori de interes: local (1), regional (2), naţional (3), global (4).

Diversitatea elementelor de interes geomorfologic este dată de numărul tipurilor (subtipurilor) de elemente cu semnificaţie geomorfologică (tabel 2).

În ceea ce priveşte tipul resursei geomorfologice afectate, matricea se poate completa cu formele de relief şi tipul de sistem de modelare care a creat-o, în funcţie de specificul regiunii respective. Ex: sistem de modelare glaciar (forme de relief: fiord, morena, fjards etc), sistem marin şi oceanic de modelare (forme de relief: faleză, promontoriu, golf, delta) etc.

În urma cartărilor se identifică numărul tipurilor de elemente antropice semnificative create (forme de acumulare tehnogenă, microdepresiuni,

acumulări de apă) în cadrul formei de relief naturale, notându-se în tabelul 1.

Se face suma tuturor elementelor antropice create şi se trece rezultatul obţinut în rubrica D, obţinându-se în felul acesta diversitatea elementelor de interes geomorfologic.

Parametrul astfel obţinut se va introduce în formula mai sus menţionată, precum şi în tabelul 1, iar conform relaţiei de calcul se va obţine valoarea deprecierii calităţii geomorfologice (DC).

În funcţie de valoarea coeficientului de depreciere a calităţii geomorfologice obţinut, se poate face următoarea clasificare:

0 mediu geomorfologic neafectat; 1 - 3 mediu geomorfologic slab afectat; 4 - 6 mediu geomorfologic moderat afectat; 7 - 10 mediu geomorfologic puternic afectat; ≥ 10 mediu geomorfologic intens modificat.

Tab. 1 Matricea de evaluare a deprecierii calităţii geomorfologice

Denumirea resursei geomorfologice

afectate

Nr. crt.

Sistem de modelare

Denumirea formei

Reprezentativitateageomorfologică

(Rg)

Diversitatea elementelor de

interes geomorfologic

create (D)

Deprecierea calităţii

geomorfologice

(DC)

Tab. 2 Diversitatea elementelor antropice create

Tipuri de elemente antropice create

Nr. crt.

Denumirea resursei

geomorfologice Forme de acumularetehnogenă

Forme de relief negative

(microdepresiuni)

Acumulări de apă

Diversitatea elementelor antropice

create (D)

Total

Metoda de evaluare bazată pe relaţia expoziţie – radiaţie solară

Această metodă ia în calcul potenţialul parametrilor climatici de a influenţa dezvoltarea vegetaţiei pe noile suprafeţe ale microreliefului creat în urma activităţilor antropice.

Plecându-se de la premisa că suprafeţele cu expoziţie sudică beneficiază de o cantitate mai mare de radiaţie solară, iar cele nordice, de o cantitate mai mică, s-a folosit un model de acordare a notelor de bonitate, bazat pe utilizarea unor valori grupate în clase delimitate prin valori – prag obţinute prin metoda de optimizare a lui Jenks (metoda limitelor optime).

20


Astfel, s-au acordat următoarele note de bonitate (tabel 3):

Tab. 3 Notele de bonitate pentru expoziţia suprafeţelor Nota de bonitate Intervalul de valori

cantitativă calitativă Nord 2 umbrit

Nord – Est 3 umbrit Nord – Vest 4 semi-umbrit

Cvasiorizontal 5 semi-umbrit Est 6 semi-umbrit

Vest 7 semi-însorit Sud –Est 8 semi-însorit

Sud – Vest 9 însorit

Expoziţia suprafeţelor (orientarea versanţilor)

Sud 10 însorit

Aşa cum s-a menţionat anterior, notele de bonitate s-au acordat în funcţie de caracteristicile suprafeţelor în ceea ce priveşte cantitatea de radiaţie solară primită (după Filip S., 2008).

Astfel, orientarea versanţilor este caracterizată în felul următor: • 1 – 3 versanţi umbriţi: nord, nord – est, se caracterizează printr-un deficit de radiaţie solară, un plus de umiditate şi frecvenţa vânturilor din direcţie nordică; • 4 – 6 versanţi semi-umbriţi: est, nord – vest, cvasiorizontal se caracterizează printr-un aport semnificativ de radiaţie solară, mai ales în primele ore ale dimineţii şi un deficit de umiditate; sunt influenţaţi de circulaţia generală a maselor de aer din direcţie estică; • 7 – 8 versanţi semi-însoriţi: vest, sud – est, uneori sunt consideraţi a fi asemănători cu versanţii cu expoziţie estică, din punct de vedere climatic, dar prezintă anumite particularităţi, cum ar fi: un plus de precipitaţii şi de căldură în orele de după-amiază;

• 9 – 10 versanţi însoriţi: sud, sud – vest se caracterizează printr-un aport însemnat de radiaţie solară, un deficit de umiditate şi prezintă un topoclimat ferit de vânturile reci.

Metoda de evaluare modificare – reutilizare

Am conceput această metodă ca fiind un produs a trei parametrii şi anume: nivelul strategic al arealului afectat, tipul de activitate antropică şi capacitatea de refacere a mediului geomorfologic afectat (rezilienţa).

MR = Ns · Ta · R Nivelul strategic (Ns) indică importanţa

arealului sau a formei de relief supuse acţiunii antropice în termeni de importanţă economică, accesibilitate, distanţă faţă de punctele de atracţie, amplasament (intravilan sau extravilan) (tab. 4).

Acest parametru poate avea următoarele valori: • 1 - importanţă redusă • 2 - importanţă medie • 3 - importanţă mare

Tab. 4 Nivelul strategic al resursei geomorfologice

Potenţialul formei de relief sau al arealului

Nivel strategic

Ns Potenţial economic redus, teren extravilan, supus proceselor naturale active (înmlăştiniri, deplasări de teren în masă, eroziune concentrată), accesibilitate redusă, soluri slab productive, areal nelocuit.

1

Potenţial economic mediu, teren intravilan sau extravilan, nesupus proceselor geomorfologice active, suprafeţe ocupate cu păduri, păşuni sau fâneţe, accesibil, areal locuit temporar (activităţi sezoniere sau de agrement).

2

Potenţial economic ridicat, teren intravilan, suprafeţe ocupate cu terenuri agricole, căi de comunicaţie, nesupus proceselor geomorfologice active, accesibilitate ridicată, areal locuit în permanenţă (centre de locuit).

3

21


Tipul de activitate antropică (Ta) este reprezentat de modul în care factorul antropic intervine în modificarea mediului geomorfologic (tabelul 5). Acesta se clasifică în: • activităţi antropice constructive şi / sau de acumulare (acumulări tehnogene de tipul haldelor de steril sau depozite de deşeuri, acumulări locale de apă, suprafeţe betonate, construcţii şi incinte, curgeri noroioase); • activităţi antropice distructive şi / sau de remodelare (excavaţii de suprafaţă, goluri subterane, terasare versanţi, produse ale proceselor de tasare, produse ale proceselor de subsidenţă, produse ale eroziunii concentrate, deplasări de teren în masă); Pentru tipul de activitate antropică (constructivă sau distructivă) s-a oferit un punctaj în funcţie de impactul pe care îl are produsul acesteia asupra mediului geomorfologic.

S-a plecat de la premisa că, produsele rezultate, de acumulare tehnogenă, excavaţiile şi acumulările de apă sunt cele care afectează mediul geomorfologic în cea mai mare măsură, atât din punct de vedere al cantităţii de masă materială vehiculată (excavare, relocare), a proceselor şi fenomenelor ce iau naştere datorită acţiunii cumulate a agenţilor externi, cât şi din punct de vedere al suprafeţei ocupate.

Restul produselor pot fi considerate ca fiind produse conexe, unele dintre ele fiind parte ale unui anumit proces (Ex: terasarea versanţilor în vederea exploatării în carieră) sau rezultat al procesului primar (Ex: produsele eroziunii concentrate pe haldele de steril sau cel al deplasărilor de teren în masă; gravitaţionale, în cazul carierelor, dar şi al haldelor: prăbuşiri, rostogoliri, sau alunecări de teren în cazul haldelor de steril).

Capacitatea de refacere (R), reprezintă capacitatea sistemului geomorfologic de a reveni pe cale naturală sau indusă antropic prin reabilitare, la starea în care se afla înaintea începerii activităţii antropice, sau la o stare asemănătoare cu cea iniţială. Plecând de la această idee, se va acorda o valoare pentru fiecare caz în parte: • R = 5, fără posibilitate de refacere, 0 %;

• R = 4, capacitate redusă de refacere, < 25 %; • R = 3, capacitate medie de refacere, 25 – 50 %; • R = 2, capacitate mare de refacere, 50 – 75 %; • R = 1, capacitate foarte mare de refacere, 75 – 100 %;

Tab.5 Tipul de activitate antropică Produse ale activităţii

antropice Calificativ

Ta

h - acumulări tehnogene (halde de steril, depozite de deşeuri)

2,5

a - acumulări locale de apă 2

sb - suprafeţe betonate 0,15

ci - construcţii şi incinte 0,15

cn - curgeri noroioase 0,2

ex - excavaţii de suprafaţă 2

gs - goluri subterane 0,2 tv - terasare versanţi 1,5

pt - produse ale proceselor de tasare 0,15

ps - produse ale proceselor de subsidenţă 0,15

pec - produse ale eroziunii concentrate 0,2

dtm -deplasări de teren în masă 0,8 Total 10

În urma aplicării formulei de calcul pentru

evaluarea impactului asupra morfologiei într-un areal dat, rezultatul final se poate încadra, conform scării valorice, între 0 şi 150, unde:

0 – mediu geomorfologic neafectat, nu există intervenţii antropice, mediu natural;

0 – 25 mediu geomorfologic puţin afectat; 25 – 50 – mediu geomorfologic moderat afectat; 50 – 100 – mediu geomorfologic puternic afectat; 100 – 150 – mediu geomorfologic foarte puternic

afectat, până la modificare totală. Utilizând tabelul 4 şi 5 coroborat cu formula de calcul M = Ns · Ta · R, se obţine valoarea coeficientului de impact asupra morfostructurii, care se va trece ulterior în ultima rubrică a matricei de impact, tabelul 6 (Nimară C., 2010).

Tab. 6 Matricea de evaluare a impactului antropic asupra reliefului

Resursa geomorfologică

Nr. crt.

Sistem de modelare

Denumirea formei de

relief

Produse ale activităţii antropice

Nivel strategic

(Ns)

Tipul de activitate

(total) (Ta)

Capacitatea de refacere

(R)

Valoarea coeficientului

final (MR)

22


Concluzii

Impacturile asupra componentelor de mediu fac parte din “preţul” pe care societatea umană şi mediul înconjurător sunt nevoite să-l plătească pentru beneficiile consumului de resurse naturale în general şi al resurselor de subsol în special. Din acest punct de vedere este nerealist scopul exploatării unor astfel de resurse fără afectarea mediului înconjurător.

Lucrările care fac referire la evaluarea impactului antropic asupra morfostructurii sunt foarte rare, iar suportul teoretic şi metodologic este unul eterogen şi uneori chiar divergent.

Este curios cum, un element aşa de important al mediului înconjurător este neglijat atunci când vine vorba de evaluarea impactului antropic, având în vedere faptul că relieful reprezintă suportul fizic al celorlalte geosfere: biosfera, hidrosfera, pedosfera, landşaftosfera, atmosfera (troposfera) şi antroposfera (activităţile social-economice). Caracterul de suport, rolul de bază fizică a organizării mediului înconjurător, care imprimă o anumită spaţialitate a celorlalte componente de mediu, s-a dovedit determinant în modul de acţiune al acestora.

Doresc să menţionez că, prin utilizarea metodelor de evaluare a impactului asupra morfostructurii, am urmărit punerea în evidenţă a impactului generat de activitatea antropică la nivel de formă de relief, pe care am denumit-o resursă geomorfologică şi nu la nivelul întregii regiuni.

Metoda de evaluare a deprecierii calităţii geomorfologice este o metodă mai simplificată şi se poate utiliza pentru regiunile geografice în care presiunea antropică asupra reliefului nu este aşa de semnificativă din punct de vedere al diversităţii produselor rezultate. Această metodă ia în considerare doar intervenţiile majore şi produsele

rezultate cum sunt: halde de steril, cariere, ravene, subsidenţe pe suprafeţe însemnate şi acumulări de apă (iazuri sau lacuri).

Metoda de evaluare expoziţie-radiaţie solară se poate utiliza în cazurile în care se urmăreşte reintegrarea peisagistică a arealelor afectate de activităţile antropice. Scopul notelor de bonitate acordate este acela de a sprijini deciziile luate în ceea ce priveşte tipul de vegetaţie ales.

Menţionez că această metodă ia în considerare doar variabilitatea parametrilor climatici în funcţie de expoziţia suprafeţei create şi nu tipul de sol.

Metoda de evaluare modificare-reutilizare este o metoda complexă şi se poate utiliza pentru regiunile geografice ce prezintă o presiune antropică şi diversitate geomorfologică crescută. Această metodă se prezintă sub forma unui produs a trei parametrii: nivelul strategic al arealului afectat, tipul de activitate antropică, ce ia în calcul atât produsele antropice primare, care se pot denumi şi produse „suport” (haldele de steril, carierele şi acumulările de apă), dar şi produsele secundare sau „conexe” (deplasări de teren în masă, curgeri noroioase, produse de tasare, subsidenţă, etc.), precum şi capacitatea de refacere.

Bibliografie

1. Filip, S. Depresiunea şi Munceii Băii Mari, Studiu de geomorfologie environmentală, Ed. Presa Universitară Clujană, Cluj-Napoca, 2008; 2. Mac, I. Geomorfosfera şi geomorfosistemele, Ed. Presa Universitară Clujană, Cluj-Napoca, 1997; 3. Nimară, C. Evaluarea impactului antropic asupra morfostructurii Depresiunii Petroşani, raport de cercetare doctorat, Petroşani, 2010.

23


ANALIZA DEFORMĂRII TERENULUI DE LA SUPRAFAŢĂ CU

AJUTORUL METODEI ELEMENTELOR FINITE, ÎN CONDIŢIILE EXPLOATĂRII CU ABATAJE FRONTALE A STRATULUI 3 - MINA

LIVEZENI

Ilie ONICA*, Eugen COZMA*, Dacian Paul MARIAN**

Mina Livezeni se situează în partea estică a bazinului carbonifer Valea Jiului şi are o producţie anuală de aproximativ 0,5 milioane tone de huilă (în prezent exploatându-se numai stratul nr. 3). Pentru acest strat subţire, metoda de exploatare este cea cu front lung şi surparea controlată a rocilor din acoperiş. În această lucrare este prezentată analiza deformării complexe a terenului de la suprafaţă, ca şi consecinţă a efectului suprapunerii celor trei straturi. Se analizează fenomenul de surpare a suprafeţei folosind metoda elementelor finite 2D. Modelarea se face pe baza ipotezelor compartamentului elastic şi elasto-plastic. Rezultatele obţinute se compară cu cele din bazele de date ale măsurărilor in situ. Cuvinte cheie: scufundare, deplasare orizontală, tensiune, elemente finite. Generalităţi

Bazinul carbonifer Petroşani, aflat în gestiunea Companiei Naţionale a Huilei Petroşani, conţine cel mai important zăcământ de huilă din România, cu o rezerva de bilanţ de aproape un miliard de tone. Acest zăcământ a fost cunoscut şi exploatat încă din anul 1788, de pe vremea imperiului austro-ungar [1]. Însă, exploatarea intensivă a acestui zăcământ a început odată cu industrializarea României, după cel de-al doilea război mondial, ajungând ca după anul 1980 capacitatea de producţie să depăşească 9-10 milioane de tone pe an [1].

Datorită restructurării industriei româneşti, după anul 1990, în conformitate cu noile cerinţe ale economiei de piaţă, producţia din acest bazin a ajuns la cca. 3,5 milioane tone pe an, din care 0.5 milioane sunt obţinute din câmpul minier Livezeni. De la început, acest zăcământ a fost delimitat în 16 câmpuri miniere, care în urma mai multor etape

succesive de reorganizare şi de închidere au rămas în activitate doar 7 câmpuri miniere .

Tectonica complicată a zăcămintelor de cărbuni determină delimitarea acestora în blocuri geologice cu extindere redusă (cele mai multe dintre ele variind între 200 şi 300m) şi dificultăţi tehnice în extragerea acestora. Mai mult decât atât, apar emanaţii de metan (peste 10 – 15 m3 de metan pe tonă) şi o tendinţă accentuată spre autoaprindere [1], [12].

În acest perimetru, prin lucrările de cercetare geologică, a fost identificat un număr de 18 strate, dintre care cea mai mare importanţă economică o reprezintă stratul 3 (48%) şi stratul 5 (12%). Complexul sedimentar, în care sunt prezente aceste strate, este format din depozite ce aparţin cretacicului superior, paleogenului, neogenului şi cuaternarului [12].

Obiectul acestui studiu constă în analiza influenţei exploatării subterane a trei panouri (panoul (3-4), panoul 5 şi panoul 6), situate pe stratul 3, blocul VI A. Stratul 3 (Fig.1), aferent acestor panouri a fost exploatat în felii pe înclinare (de aprox. 2,6m grosime) cu fronturi lungi complex mecanizate (susţinere mecanizată SMA-P2H, combină 2K52-MY şi transportor blindat TR-7) şi dirijarea presiunii prin surparea totală a rocilor din acoperiş [2].

Dimensiunile excavaţiilor rezultate prin extragerea cărbunelui în cele trei panouri sunt sintetizate în Tabelul 1.

Tab. 1 Dimensiunile medii ale panourilor exploatate în stratul 3, blocul VI A

Panou Număr de felii

Grosime totală exploatată, (m)

Lungime front de

abataj, (m)

Extindere câmp de

abataj, (m)Panou 3-4 4 10 119 346

Panou 5 5 12,5 87 440

Panou 6 1 2,5 137 362

____________________________________ *Profesor univ.dr.ing. – Universitatea din Petroşani **Drd.ing. – Universitatea din Petroşani

24


Fig. 1 Staţie de urmărire a deplasării şi deformării terenului la Mina Livezeni

Caracterizarea geomecanică

Deoarece geneza zăcământului este sedimentară, cele mai frecvente roci în acest bazin sunt: calcare, marne, argile, gresii argiloase sau marnoase, conglomerate etc., a căror rezistenţă este între 15 – 16 MPa şi chiar peste 50 – 60 MPa. În principal, rocile au o stabilitate relativ redusă [8].

Principalii factori care contribuie la starea de tensiuni şi deformaţii dezvoltată în jurul excavaţiilor generate de exploatarea cu surparea rocilor a stratelor de cărbuni din Valea Jiului sunt următorii: dimensiunile excavaţiei subterane,

înclinarea zăcământului, caracteristicile geomecanice ale rocilor înconjurătoare, adâncimea de situare a zăcământului, caracteristicile susţinerilor din abataj, viteza de avansare a frontului de abataj, distanţa faţă de abatajele învecinate şi faţă de celelalte stratele de cărbune aflate în exploatare etc. [4], [8].

Valorile medii ale principalelor caracteristici mecanice şi elastice ale rocilor utilizate în analiza deformării terenului de la suprafaţă, în condiţiile minei Livezeni, sunt prezentate în Tabelul 2 [3], [11].

Tab. 2 Valorile medii ale caracteristicilor geomecanice ale rocilor din acoperiş, culcuş

şi ale cărbunelui din stratul 3 [3] [11] Roci Caracteristica UM

acoperiş culcuş

Cărbune stratul 3

Greutatea specifică aparentă, aγ kN/m3 26,63 27,01 14,5

Modulul de elasticitate, E kN/m2 5 035 000 5 268 000 1 035 000

Coeficientul lui Poisson, ν adim. 0,19 0,20 0,13

Rezistenţa la compresiune, cσ kN/m2 43 500 46 000 12 500

Rezistenţa la tracţiune, tσ kN/m2 4 600 4 950 1 000

Coeziunea, C kN/m2 6 130 6 630 1 300

Unghiul de frecare interioară, ϕ o 55 56 50

25


În urma observaţiilor realizate asupra suprafeţei terenului aflat sub influenţa exploatării subterane, în vederea proiectării dimensiunilor optime ale pilierilor principali de siguranţă, s-au stabilit unghiurile limită de scufundare pentru diferite câmpuri miniere din Valea Jiului [9].

Valorile unghiurilor limită de influenţă ( γβ , şi δ ), funcţie de adâncimea de exploatare H (m), pentru perimetrul minier Livezeni, în conformitate cu instrucţiunile elaborate de ICPMC Petroşani, sunt exprimate de relaţiile:

8,560309,0 +⋅= Hβ ; 133,560261,0 +⋅= Hγ ;

867,51146,0 +⋅= Hδ De asemenea, în aceleaşi condiţii, unghiurile

de rupere medii recomandate de ICPMC sunt: o

rupere 5545 ÷=β ; orupere 6055 ÷=γ ;

orupere 75=δ [9].

Urmărirea deformării terenului de la suprafaţă

În momentul de faţă, urmărirea deplasării şi deformării terenului de la suprafaţă sub influenţa exploatării subterane la E.M. Livezeni se

realizează prin intermediul unei staţii de urmărire formată din 50 de repere. Dispunerea reperelor a fost realizată de-a lungului drumului care face accesul spre zonele turistice din Munţii Parâng [10].

Observaţiile topografice au fost executate din 3 în 3 luni, începând cu anul 2001. Această staţie de urmărire furnizează date cu privire la deplasarea şi deformarea suprafeţei terenului în urma exploatării stratului 3, bloc VI A, panourile (3-4), 5 şi 6. Plecând de la valorile mărimilor măsurate, cu ajutorul relaţiilor de calcul cunoscute, au fost determinaţi principalii parametri ai albiei de scufundare şi anume: scufundarea sau deplasarea verticală; deplasarea orizontală; deformaţia specifică orizontală şi înclinarea [5], [6].

Albia de scufundare din Figura 2 este o albie compusă, rezultată în urma exploatării celor 3 abataje. Această albie de scufundare are o formă neregulată (oarecum sinusoidală) datorită faptului că cele 3 albii de scufundare individuale (ale fiecărui spaţiu exploatat în parte) se intersectează, dar şi pentru că staţia de urmărire este amplasată la marginea spaţiilor exploatate (Fig. 1), zonă în care abaterile transversale sunt maxime.

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Distanţa Do (m)

Scuf

unda

rea

W (m

m)

Luna 6 - 2001 Luna 9 - 2001 Luna 12 - 2001 Luna 3 - 2002 Luna 9 - 2002Luna 12 - 2002 Luna 3 - 2003 Luna 6 - 2003 Luna 9 - 2003 Luna 12 - 2003Luna 3 - 2004 Luna 6 - 2004 Luna 9 - 2004 Luna 12 - 2004 Luna 6 - 2005Luna 12 - 2005 Luna 6 - 2006 Luna 12 - 2006 Luna 6 - 2007 Luna 12 - 2007Luna 6 - 2008 Luna 12 - 2008 Luna 6 - 2009 Polinomială grad 8 Albie scufundare CESAR-LCPC

y = 89,13568279-4,55910336x+0,05084368x2-0,17912987E-3x3+0,31353123E-6x4-0,2940696E-9x5+0,140039E-12x6-0,26E-16x7+0,00000001x8

R² = 0,792

Fig. 2. Profilele scufundărilor urmărite în timp la E.M. Livezeni

În acest caz, precizia valorilor ce

caracterizează albia de scufundare obţinută este mai puţin exactă datorită faptului că ea nu este doar rezultatul scufundării terenului ci şi a deplasării acestuia, abateri de la realitate corectate în conformitate cu metodologia care urmează.

Chiar dacă abaterile transversale ce acţionează asupra acestui profil sunt aproximativ egale, în toate punctele situate în interiorul spaţiului exploatat, diferenţa de nivel dintre cota fiecărui punct la măsurătoarea de bază şi cota lor la

26


măsurătoarea finală nu este aceeaşi, deoarece cota suprafeţei terenului este diferită (Fig.3).

Fig. 3 Deplasarea şi scufundarea unui punct A

În aceste condiţii, considerăm punctele A şi

B ce aparţin unui profil de urmărire a deplasării şi deformării terenului şi se definesc următorii parametrii: DAB – distanţa dintre punctul A şi B; ΔDX – deplasarea după axa X (deplasarea orizontală); ΔDY – deplasarea după axa Y (abaterea transversală); SA – deplasarea după axa Z (scufundarea reală a punctului A); SA`m – scufundarea măsurată în punctul A`. SA``m – scufundarea măsurată în punctul A`` ;SA```m – scufundarea măsurată în punctul A```;ΔHAA`` - diferenţa de nivel iniţială dintre punctul A şi punctul A``; ΔHAA``` - diferenţa de nivel iniţială dintre punctul A şi punctul A``` (fig. 3).

Întrucât deplasarea este de până la câţiva metri putem considera că scufundarea în punctul A este egală cu scufundarea în punctul în care acesta s-a deplasat (punctele A`, A``, A```), adică, SA = SA` = SA`` = SA```.

Scufundările sau deplasările verticale, menţionate mai sus, se calculează cu relaţia: Wi = H*i - Hi (mm); în care: H*i este cota punctului “i” la măsurătoarea zero; Hi – cota punctului “i” la un moment dat.

Analizând situaţia măsurătorilor efectuate în teren, putem concluziona că, în urma scufundării şi deplasării terenului de la suprafaţă, există 3 cazuri de determinare a corecţiei valorilor măsurate şi anume:

1) Cazul în care punctul A, de cotă HA, s-a deplasat în punctul A`, a cărui cotă iniţială este egală cu cota punctului A. În acest caz, nu există nici o corecţie deoarece panta terenului este zero, drept pentru care scufundarea măsurată este egală cu scufundarea reală (SA = SA`m).

2) Când punctul A, de cotă HA, s-a deplasat în punctul A``, de cotă HA``>HA. În acest caz scufundarea măsurată este mai mică decât

scufundarea reală (SA``m < SA) şi ca atare trebuie aplicată o corecţie egală cu diferenţa de nivel iniţială dintre punctul A şi punctul A`` (ΔHAA``), adică: SA = SA``m + ΔHAA``;

3) Când punctul A, de cotă HA, s-a deplasat în punctul A```, a cărui cotă HA```< HA, scufundarea măsurată este mai mare decât scufundarea reală (SA```m > SA) şi ca atare trebuie aplicată o corecţie egală cu diferenţa de nivel iniţială dintre punctul A şi punctul A``` (ΔHAA```), adică: SA = SA```m - ΔHAA```.

Aceste reajustări ale valorilor măsurate sunt necesare doar în cazul în care deplasarea orizontală şi/sau abaterea transversală sunt semnificative şi când suprafaţa terenului este înclinată.

În urma măsurătorilor efectuate în această staţie de urmărire, scufundarea maximă măsurată este de Wmax = 924mm, iar deplasarea orizontală este cuprinsă între valorile U = + 3712mm şi U= - 3625mm. Media scufundărilor maxime fiind de Wmax = 524mm (valoare la care ne vom raporta în cazul modelării numerice).

Modelarea numerică a fenomenului de subsidenţă

Descrierea modelelor

Pentru realizarea modelelor de calcul cu elemente finite în 2D s-a folosit codul CESAR-LCPC.

Programul CESAR, a cărui dezvoltare a început în anul 1981, este succesorul sistemului ROSALIE dezvoltat de către Laboratorul Central de Drumuri şi Poduri din Paris între anii 1963 şi 1983. CESAR este un cod de calcul general, bazat pe metoda elementelor finite care se adresează următoarelor domenii: mecanicii structurilor, solului şi rocilor; termomecanicii; hidrogeologiei etc. Codul CESAR-LCPC, versiunea 4, care cuprinde procesorul CLEO 2D, completat cu opţiunea C0 (mecanică statică liniară şi neliniară & difuziune) a fost folosit în această lucrare pentru realizarea modelelor următoare.

Pentru a determina deplasarea şi deformarea terenului de la suprafaţă în cazul Minei Livezeni, unde terenul este afectat de exploatarea a 3 abataje, s-au realizat două modele diferite, în ipoteza deformaţiei plane, şi anume:

1) modelul cu „goluri de exploatare” rezultate în urma extragerii cărbunelui;

27


Fig. 4 Discretizarea modelului cu elemente finite „cu spaţii surpate”

2) modelul cu „spaţii surpate” (pe o înălţime de 8 ori grosimea exploatată a stratului de cărbune) rezultate în urma surpării rocilor din acoperiş în golurile de exploatare (Fig. 4).

Calculele celor două modele s-au realizat în două ipoteze şi anume: a) în ipoteza comportamentului elastic al masivului şi b) în ipoteza comportamentului elasto-plastic de tip Mohr-Coulomb.

Menţionăm că pentru a vedea gradul de influenţă a fiecărui spaţiu exploatat asupra albiei de scufundare totale generate de cele trei panouri exploatate, menţinând condiţiile constante, au fost realizate modele în care a fost simulată exploatarea stratului de cărbune cu fiecare panou independent.

În toate cazurile, atât rocile înconjurătoare cât şi stratul gros de cărbune nr.3 sunt presupuse a fi continue, omogene şi izotrope, iar caracteristicile geomecanice utilizate în calcule sunt unele medii (Tab. 2).

Starea naturală de tensiuni a fost apreciată ca fiind una geostatică, caracterizată de tensiunile verticale Hv ⋅= γσ şi orizontale

vh σν

νσ ⋅−

=1

(din cauza lipsei valorilor reale

măsurate din teren). Pentru calarea modelelor în funcţie de

valorile măsurate ale deplasărilor verticale maxime şi aducerea caracteristicile rocilor şi cărbunelui obţinute în laborator (Tab. 2) la valorile acestora din teren, calculele au fost efectuate succesiv cu valorile caracteristicilor reduse cu 0%, 30%, 50% şi 70% (respectiv au fost înmulţite cu un coeficient de reducere K = 1; 0,7; 0,5; 0,3 – coeficient de slăbire structurală). Deoarece modelele numerice au avut o sensibilitate accentuată doar la variaţia modulului de elasticitate am luat în analiză doar reducerea acestui parametru.

Realizarea modelării

Realizarea modelării în 2D, în ipoteza deformaţiei plane, pentru fiecare model definit mai sus, a necesitat parcurgerea următoarelor etape: a) stabilirea limitelor, a zonei de interes şi discretizarea modelului; b) determinarea zonelor (regiunilor), a ipotezelor de calcul şi introducerea caracteristicilor geomecanice; c) impunerea condiţiilor la limită; d) stabilirea condiţiilor iniţiale şi de încărcare ale modelului; e) realizarea calculelor şi stocarea rezultatelor [5].

Stabilirea limitelor, a zonei de interes şi discretizarea modelului

Pentru o precizie cât mai bună a calculelor s-au realizat modele cu lungimea de aproximativ X=1500m şi Y=690m (luând în considerare o distanţă de 500m de la capetele modelului până la marginea spaţiilor exploatate). De asemenea, s-au stabilit dimensiunile zonei de interes din jurul excavaţiei subterane în aşa fel încât să cuprindă suprafaţa modelului unde variaţia tensiunilor şi deformaţiilor este maximă. Discretizarea modelului, respectiv a fiecărei regiuni, s-a realizat prin elemente finite de suprafaţă triunghiulare cu interpolare pătratică. Respectiv, discretizarea modelului s-a realizat cu un număr total de noduri de 23.448 şi cu 11.661 elemente de suprafaţă.

Determinarea regiunilor, a ipotezelor de calcul şi introducerea caracteristicilor geomecanice

Pentru simplificarea modelelor în 2D, s-au luat în considerat 3 regiuni cu caracteristici geomecanice diferite, în cazul modelelor cu „goluri de exploatare”, respectiv 4 regiuni în cazul modelelor cu „spaţii surpate”, corespunzătoare rocilor din acoperiş, a celor din culcuş, a cărbunelui şi a spaţiului surpat.

28


Caracteristicile rocilor, considerate omogene şi izotrope, sunt prezentate ca valorii medii în Tabelul 2, şi luate în calcul în ipoteza comportamentului elastic, respectiv elasto-plastic de tip Mohr-Coulomb, au fost reduse succesiv ţinând seama de coeficientul de slăbire structurală.

Rocile surpate din spaţiul exploatat au fost considerate ca fiind un mediu elastic foarte compresibil, caracterizat de un modul de elasticitate de 15000 kN/m2 şi cu un coeficient al lui Poisson de 0,4 şi o greutate specifică aparentă de 1800kg/m3. Impunerea condiţiilor la limită

S-a considerat latura superioară a modelului liberă, iar părţile inferioară şi laterale blocate (pentru latura inferioară deplasările verticale 0=v şi cele orizontale 0≠u şi pentru părţile laterale

0≠v şi u = 0).

Stabilirea condiţiilor iniţiale şi de încărcare ale modelului

Condiţiile iniţiale de încărcare a modelului au fost considerate geostatice [ ]oσ , corespunzătoare unor adâncimi de H=336,505m şi anume: tensiunile geostatice verticale

87819=⋅⋅= Hgsoy ρσ kN/m2 =87,8MPa;

tensiunile geostatice orizontale =⋅=⋅

−= oyooyox k σσ

ννσ

1 21076kN/m2

=21,076MPa (unde 24,01

=−

=ν

νok ).

Tensiunile induse de prezenţa excavaţiei au fost [ ]eσ , respectiv variaţia de tensiuni reprezentate de

tensiunile orizontale xeσ =-21,076MPa şi verticale

yeσ =-87,8MPa. Astfel încât, în final, încărcarea

modelelor a fost realizată în tensiuni totale sub forma: [ ] [ ] [ ]eoT σσσ −= [5].

Realizarea calculelor şi stocarea rezultatelor

Calculele au fost realizate considerând un număr de 60 de iteraţii pe increment şi o toleranţă a rezultatelor de 1%, utilizând pentru rezolvare „metoda tensiunilor iniţiale”.

Rezultatele calculelor au fost stocate sub formă grafică pe suprafaţa modelului (izovalorică, vectorială) şi în secţiuni predefinite după suprafaţa terenului de la zi. Rezultatele prezentate sunt corespunzătoare parametrilor W şi U (deplasarea verticală W şi deplasarea orizontală U, în mm).

Analiza rezultatelor obţinute din modelarea numerică

În urma calculelor efectuate pe modelele prezentate mai sus se poate constata faptul că, albia de scufundare apărută la suprafaţă are o formă simplă, diferită de cea obţinută din măsurători. Acest lucru se datorează faptului că albia de scufundare obţinută din măsurători este amplasată la marginea spaţiilor exploatate, pe când în modelarea numerică profilul de urmărire poate fi considerat ca fiind situat în centrul spaţiilor exploatate.

Valorile scufundărilor şi deplasărilor maxime obţinute prin modelare numerică, pe modelele prezentate mai sus, în elasticitate şi elasto-plasticitate, sunt prezentate în tabelul 3.

Tab. 3 Scufundările şi deplasările maxime obţinute prin modelare numerică pentru modelele

cu panouri individuale şi cu cele trei panouri

ELASTICITATE - Modele „cu goluri de exploatare”

Panou 6 Panou 5 Panou (3-4) Panou (3-4) +5+6 W U W U W U W U Coef.

Max. Max. Min. Max. Max. Min. Max. Max. Min. Max. Max. Min. mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm

K=1 132 39 -39 66 24 -19 110 41 -28 237 78 -71 K=0,7 189 56 -56 95 34 -27 157 58 -40 339 111 -101 K=0,5 264 78 -79 133 48 -37 219 82 -55 474 156 -142 K=0,3 440 130 -131 222 80 -62 365 136 -92 790 260 -237

ELASTO-PLASTICITATE - Modele „cu goluri de exploatare” Panou 6 Panou 5 Panou (3-4) Panou (3-4) +5+6

W U W U W U W U Coef. Max. Max. Min. Max. Max. Min. Max. Max. Min. Max. Max. Min.

mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm K=1 134 40 -40 68 24 -19 110 41 -28 241 79 -72

K=0,7 192 57 -57 97 35 -27 157 58 -40 344 113 -103 K=0,5 269 80 -80 135 48 -38 220 82 -56 482 158 -144 K=0,3 448 133 -133 225 81 -63 367 136 -93 803 264 -240

29


ELASTICITATE - Modele „cu spaţii surpate” Panou 6 Panou 5 Panou (3-4) Panou (3-4) +5+6



K=0,7 184 53 -56 147 36 -57 207 59 -66 430 92 -169 K=0,5 248 72 -76 203 50 -80 286 82 -91 590 125 -231 K=0,3 380 110 -117 332 81 -129 463 132 -147 942 193 -370

ELASTO-PLASTICITATE - Modele „cu spaţii surpate” Panou 6 Panou 5 Panou (3-4) Panou (3-4) +5+6



K=0,7 177 52 -53 147 36 -57 207 59 -66 431 93 -169 K=0,5 237 69 -72 203 50 -80 286 82 -91 592 125 -232 K=0,3 360 105 -110 332 81 -129 463 132 -147 943 193 -370

Din tabelul de mai sus se poate observa că

există diferenţe foarte mici între modelele calculate în elasticitate şi aceleaşi modele calculate în elasto-plasticitate. Acest lucru poate fi explicat prin faptul că rocile luate în studiu au un comportament la limita dintre elasticitate şi elasto-plasticitate. Rezultatele, considerate ca fiind cele mai apropiate de valorile măsurate ale deplasărilor, sunt cele obţinute pe modelul “cu spaţii surpate” în elasto-plasticitate, pentru un coeficient de slăbire structurală K = 0,5.

În Figura 5 sunt prezentate albiile de scufundare obţinute pentru modelele „cu spaţii surpate” în elasto-plasticitate (la un coeficient K = 0,5) rezultate în urma exploatării celor 3 panouri precum şi albia de scufundare generată de exploatarea fiecărui panou în parte sau combinaţii între ele, iar curbele deplasărilor orizontale sunt prezentate în Figura 6.

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Distanţa Do (m)

Scu

fund

area

W (m

m)

Panou 6Panou 5Panou (3-4)Model Întreg - Panou (3-4)+5+6Suprapunerea efectelor - Panou (3-4)+5+6Suprapunerea efectelor - Panou 5+6Suprapunerea efectelor - Panou (3-4)+6Suprapunerea efectelor - Panou (3-4)+5

Fig. 5. Albiile de scufundare obţinute prin modelare numerică

30


-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Distanţa Do (m)

Dep

lasa

rea

oriz

onta

lă U

(mm

)

Panou 6Panou 5Panou (3-4)Suprapunerea efectelor - Panou (3-4)+5+6Model Întreg - Panou (3-4)+5+6

Fig. 6. Graficele deplasărilor orizontale obţinute prin modelare numerică

Albiile de scufundare obţinute prin modelare

numerică pe modelul „cu goluri de exploatare” şi pe modelul „cu spaţii surpate”, pentru toate cele trei abataje, în elasticitate şi elasto-plasticitate pentru un

coeficient de slăbire structurală K = 0,5 sunt prezentate în Figura 7, iar curbele deplasărilor orizontale sunt prezentate în Figura 8.

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Distanţa Do (m)

Scuf

unda

rea

W (m

m)

Model "cu goluri de exploatare" ElasticitateModel "cu goluri de exploatare" Elasto-plasticitateModel "cu spaţii surpate" ElasticitateModel "cu spaţii surpate" Elasto-plasticitate

Fig. 7. Albiile de scufundare obţinute prin modelare numerică în elasticitate şi elasto-plasticitate

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Distanţa Do (m)

Dep

lasa

rea

oriz

onta

lă U

(mm

)

Model "cu goluri de exploatare" Elasticitate

Model "cu goluri de exploatare" Elasto-plasticitate

Model "cu spaţii surpate" Elasticitate

Model "cu spaţii surpate" Elasto-plasticitate

Fig. 8. Graficele deplasărilor orizontale obţinute prin modelare numerică în elasticitate şi în elasto-plasticitate

31


Din figura 7 se poate constata faptul că între scufundarea maximă obţinută pe modelul „cu goluri de exploatare” şi scufundarea maximă obţinută pe modelul „cu spaţii surpate” există o diferenţă de aproximativ 100mm. De asemenea, se poate observa că între modelele de acelaşi tip calculate în elasticitate sau elasto-plasticitate diferenţa este foarte mică (neglijabilă).

Zonele de la suprafaţă afectate de compresiuni (a), tracţiuni (b) şi forfecări maxime (c), unde pot apare fenomene de deschidere a unor fisuri naturale sau formarea unora noi în urma depăşirii limitelor de rezistenţă ale rocilor sunt prezentate în figura 9. Starea generală de tensiuni, dezvoltate în masiv, reprezentate de tensiunile maxime σ1 (a) şi minime σ2 (b) sub influenţa excavaţiei subterane este reprezentată în figura 10.

Fig. 9. Graficele tensiunilor de compresiune (a), tracţiune (b) şi forfecare maximă (c)

calculate în elasto-plasticitate, la suprafaţa terenului

a)

b)

Fig. 10. Reprezentarea izovalorică a tensiunilor maxime σ1 (a) şi minime σ2 (b) în masivul de roci afectat de excavaţia subterană

32


Concluzii

Staţia de urmărire a deplasării şi deformării suprafeţei terenului în cazul Minei Livezeni este formată din 50 de repere, unde sunt măsurate, din 3 în 3 luni, deplasarea şi deformarea suprafeţei terenului ca urmare a exploatării stratului 3 cu 3 fronturi lungi de abataj complex mecanizate, prin surparea totală a rocilor înconjurătoare, în panourile (3-4), 5 şi 6. Astfel că, au fost determinaţi principalii parametri ai albiei de scufundare (unghiurile de scufundare, scufundarea sau deplasarea verticală, deplasarea orizontală, deformaţia specifică orizontală, înclinarea şi curbura).

Albia de scufundare are o formă foarte complicată, fiind rezultatul exploatării stratului 3 în 3 panouri apropiate, iar staţia de urmărire este amplasată la marginea celor 3 spaţii exploatate (zonă în care abaterea transversală este considerabilă).

Pentru o mai bună înţelegere a fenomenului de subsidenţă s-a apelat la modelarea numerică cu ajutorul metodei elementelor finite în 2D. Astfel că, prin intermediul codului de calcul CESAR-LCPC au fost generate două grupe de modele şi anume: „cu goluri de exploatare” şi „cu spaţii surpate”. Calculele au fost efectuate în ipoteza comportamentului elastic şi ipoteza comportamentului elasto-plastic de tip Mohr-Coulomb.

În urma analizei rezultatelor obţinute din modelarea numerică concluzionăm faptul că modelul cu valorile cele mai apropiate de realitatea din teren este cel „cu spaţii surpate”, calculat în ipoteza comportamentului elasto-plastic de tip Mohr-Coulomb, pentru un coeficient de slăbire structurală K=0,5 (scufundarea maximă obţinută este de Wmax = - 592mm, iar deplasarea orizontală este cuprinsă între U = + 125 şi U=- 232mm).

Bibliografie

1. Almăşan, B. Exploatarea zăcămintelor minerale din România, Volumul I, Editura Tehnică, Bucureşti, 1984, pag. 70-291. 2. Covaci, St. Exploatări miniere subterane, Vol.I, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1983, pag.424. 3. Hirian, C. Mecanica rocilor, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1981, pag. 322 4. Oncioiu, G., Onica, I. Ground Deformation in the Case of Underground Mining of Thick and Dip Coal Seams in Jiu Valley Basin (Romania),Procedeengs of 18th International Conference on Ground Control in Mining, 3-5 August, 1999, Morgantown, WV, USA, 1999, pag.330-336. 5. Onica, I. Introducere în metode numerice utilizate în analiza stabilităţii excavaţiilor miniere, Editura Universitas, Petroşani, 2001, pag. 156. 6. Onica, I. Impactul exploatării zăcămintelor de s.m.u. asupra mediului, Editura Universitas, Petroşani, 2001, pag.173-198. 7. Onica, I., Cozma, E., Goldan, T. Degradarea terenului de la suprafaţă sub influenţa exploatării subterane, Buletinul AGIR, anul XI, nr.3, 2006, pag.14-27. 8. Onica, I., Cozma, E. Stress and Strain State Developed Around the Longwall Faces in the Jiu Valley Coal Basin, Proceedings of the 21 World Mining Congress & Expo –Session 6: Coal Mining – Chances and Challenges, Krakow, 2008, pp.153-163. 9. Ortelecan, M. Studiul deplasării suprafeţei sub influenţa exploatării subterane a zăcămintelor din Valea Jiului, zona estică, Teză de doctorat, Universitatea din Petroşani, 1997, pag.195 10. Ortelecan, M., Pop, N. Metode topografice de urmărire a comportării construcţiilor şi terenurilor înconjurătoare, AcademicPres, Cluj-Napoca, 2005, pag. 256 11. Todorescu, A. Proprietăţile rocilor, Editura Tehnică, Bucureşti, 1984, pag. 676 12. Petrescu, I. ş.a. Geologia zăcămintelor de cărbuni. Zăcăminte din România, Vol.2 Editura Tehnică, Bucureşti, 1987, pag.81-106.

33


SISTEM TEHNOLOGIC COMPLEX DE MĂCINARE-MICRONIZARE-CLASARE PNEUMATICĂ A SUBSTANŢELOR MINERALE

NEMETALIFERE CU DURITATE MICĂ ŞI MEDIE PENTRU FABRICAREA PRODUSELOR COSMETICE ŞI A SUPLIMENTELOR ALIMENTAR-NUTRITIVE

Emil TEODORESCU*, Iuliana TEODORESCU*, Toma PRIDA*, Nicolae GIURGIU*,

Carmen SOCACIU**

Acest proiect a fost propus de către un

consorţiu care cuprinde S. C. MINESA Institutul de Cercetări şi Proiectări Miniere S.A. Cluj – Napoca şi Universitatea de Ştiinţe Agricole şi Medicină Veterinară Cluj-Napoca. Principalul său obiectiv este de a proiecta şi implementa un sistem complex de măcinare / mărunţire şi sortare pneumatică a substanţelor minerale nemetalice folosit în fabricarea produselor cosmetice şi a suplimentelor nutritive.

Tehnologia proiectată şi implementată în proiect este formată din mai multe module: faza de transport, zdrobirea şi măcinarea minereului, uscarea în anumite condiţii de temperatură şi mediu, măcinarea / mărunţirea şi sortarea pneumatică, analiza fizică, chimică şi de control al calităţii, ambalarea, calibrarea şi etichetarea, stocarea temporară a produselor finite înainte de livrarea către beneficiar. Cu modificări tehnologice minime, procesul poate produce rezultate nonmetalice de mici dimensiuni care sunt inerte şi sterile din punct de vedere chimic şi au structură granulometrică strict controlată între 0 – 15 µm şi 0 – 60 µm. În anumite condiţii se pot obţine structuri de până la 140 µm. Cuvinte cheie: măcinare, micronizare, clasare pneumatică Introducere

Lucrarea prezintă stadiul final al cercetărilor care s-au efectuat în cadrul Proiectului „Cercetări privind producerea de substanţe nemetalifere micronizate competitive, solicitate de industria cosmeticelor şi industria alimentară, prin elaborarea şi implementarea unor sisteme performante de procesare”, proiect ce face parte din PLANUL NAŢIONAL PENTRU ____________________________________ * Ing. S.C. MINESA ICPM S.A. Cluj-Napoca ** Profesor univ.dr. USAMV Cluj-Napoca

CERCETARE - DEZVOLTARE ŞI INOVARE II 2007-2013, PROGRAMUL 5 INOVARE, în coordonarea AMCSIT - POLITEHNICA BUCUREŞTI, ce s-a derulat în perioada 2007-2009, cu finalizarea efectelor economice în 2010 şi este o continuare a articolului (1) publicat în nr. 1/2009 din Revista Minelor.

Din anul 2000, la solicitarea unui agent economic ce deţine o poziţie importantă pe piaţa internă de produse cosmetice, S.C. MINESA Institutul de Cercetări şi Proiectări Miniere S.A. Cluj-Napoca, a început să producă, în cadrul Secţiei de microproducţie, 3 – 4 sortimente de argilă micronizată, cu structuri granulometrice bine definite. Agentul economic beneficiar utilizează sortimentele de argilă micronizată pentru fabricarea unei game diverse de produse cosmetice şi a unor suplimente alimentar-nutritive. Din păcate, datorită gradului avansat de uzură a utilajelor din tehnologia existentă, depăşită atât fizic cât şi moral, obţinerea sortimentelor de argilă la condiţiile calitative stricte cerute de beneficiar, s-a putut realiza cu eforturi mari şi cu costuri foarte ridicate. Beneficiarul produselor din argila micronizată a continuat să solicite cantităţi tot mai mari, practic foarte greu de realizat cu dotarea existentă (cantităţile de argilă micronizată solicitate, au crescut exponenţial, ajungând de la 5.000 kg în anul 2000, la 50.000 kg în anul 2007). Datorită costurilor foarte mari necesitate de procesarea acestor sortimente din argilă, beneficiul obţinut este insuficient pentru a realiza, daca nu dotarea cu tehnologie modernă, cel putin modernizarea tehnologiei existente.

Beneficiind de cofinanţarea de la buget a acestui Proiect, Coordonatorul Proiectul, S.C. MINESA Institutul de Cercetări şi Proiectări Miniere S.A. Cluj-Napoca şi-a propus să realizeze o tehnologie de procesare a substanţelor minerale nemetalifere, în scopul obţinerii de produse finite micronizate, pentru utilizări ca materii prime în industria cosmeticelor şi a fabricării suplimentelor alimentar-nutritive.

Tehnologia s-a axat, în special, pe domeniul obţinerii de produse finite micronizate din argile şi tufuri vulcanice, această abordare nefiind

34


limitativă şi s-a finalizat cu realizarea unei tehnologii ce va putea fi utilizată, cu adaptări minime şi pentru micronizarea altor substanţe nemetalifere cu proprietăţi fizico-chimice similare şi cu domenii de utilizare adiacente (talc, calcit, dolomit şi calcar, caolin, diatomit etc.).

Descrierea tehnologiei

Tehnologia de procesare fundamentată, proiectată şi realizată conform Proiectului, este o tehnologie modulară, care cuprinde următoarele module funcţionale: transportul interfazic, sfărâmarea-granularea minereului brut, uscarea în condiţii strict controlate de temperatură şi durată a ciclului de uscare, măcinarea-micronizarea şi clasarea pneumatică, analiza caracteristicilor fizico-chimice şi compararea cu prescripţiile de calitate, ambalarea, calibrarea şi etichetarea, depozitarea temporară a produselor finite în vederea livrării către beneficiari. În funcţie de cerinţele specifice ale consumatorilor, cu modificări tehnologice minime, se pot obţine produse nemetalifere micronizate, inerte din punct de vedere chimic şi sterile, cu structuri granulometrice strict controlate, de la 0 – 15 µm până la 0 – 60 µm şi în anumite condiţii până la 140 µm.

Amplasarea instalaţiei tehnologice, montajul şi punerea în funcţiune

Instalaţia tehnologică a fost amplasată într-o clădire existentă, dezafectată, într-un spaţiu delimitat prin închidere cu panouri pline şi vitrate pentru separarea de spaţiile înconjurătoare. Au fost montate două instalaţii de desprăfuire, echipate cu utilaje performante de captare şi reţinere a pulberilor minerale. Prin aplicarea ultimelor două măsuri, s-au creat condiţii optime de desfăşurare a procesului productiv, de asigurare a condiţiilor de siguranţă şi microclimat în vederea fabricării materiilor prime necesare obţinerii produselor cosmetice şi a suplimentelor alimentar-nutritive şi cu impact pozitiv asupra mediului şi a sănătăţii personalului de deservire.

Fig. 1 Instalaţie de uscare

În figurile 1 şi 2 sunt prezentate imagini fotografice ale instalaţiei de uscare, respectiv ale instalaţiei de micronizare-clasare pneumatică.

Fig. 2 Instalaţie de micronizare şi clasare

După finalizarea montajului instalaţiei de

procesare şi a rodajului în gol şi în sarcină, au fost efectuate lucrări de reglaje tehnologice pentru determinarea parametrilor optimi de lucru. Astfel, s-au determinat parametrii tehnologici şi de capacitate de producţie, pentru fabricarea a trei sortimente de argile (Sort I cu granulaţia 0 – 20 µm, Sort II cu granulaţia 0 – 40 µm şi Sort III cu granulaţia 0 – 60 µm).

Capacitatea de producţie realizată prin implementarea tehnologiei, în funcţie de fineţea cerută pentru produsele finite, este cuprinsă între 50 – 80 kg/oră, fiind dictată de capacitatea modulului de micronizare-clasare. Instalaţia poate funcţiona trei schimburi a 7 ore pe zi, cu pauze de cca. 1 oră pe schimb, pentru revizii, reparaţii şi reglaje tehnologice.

Partenerul 1, Universitatea de Ştiinţe Agricole şi Medicină Veterinară Cluj-Napoca, a realizat caracterizarea amprentei spectroscopice Uv-Vis FT-IR a particulelor, ca atare şi în diferite tipuri de suspensii, evaluarea dimensiunii particulelor şi a gradului de dispersie în medii de cultură celulară (fibroblaste), prin metode microscopice, studiul citotoxicităţii in vitro pe culturi celulare de leucocite şi fibroblaste, pentru produsele minerale micronizate obţinute pe tehnologia proiectată şi realizată conform Proiectului. S-a investigat acţiunea argilelor, în forme micronizate şi nemicronizate, asupra sistemelor celulare şi prin măsurarea markerilor de citotoxicitate. Studiul citotoxicitatii in vitro s-a realizat pe culturi celulare de leucocite (variante experimentale specifice pentru administrare orală). Pentru testarea capacităţii biostimulatoare sau de inhibare a proliferării celulare de către argilele micronizate, s-au utilizat celule de tip fibroblastic - epitelial (RPE - D407). Testele efectuate pe două probe de argile (micronizate în variante diferite,

35


Sort I cu granulaţia 0 - 20 µm şi Sort III cu granulaţia 0 - 60µm), au demonstrat, atât pe celule leucocitare cât şi pe celule de tip fibroblastic, lipsa citotoxicitatii lor. Astfel, s-a concluzionat că aceste argile pot fi utilizate ca ingrediente sau aditivi atât în produse cu administrare orală cât şi prin administrare directă cutanată (produse cosmetice sau dermatologice).

Producţia de loturi industriale

După determinarea condiţiilor optime de procesare şi în concordanţă cu rezultatele obţinute în etapa de laborator a cercetării şi cu rezultatele testelor la potenţiali beneficiari ai produselor tehnologiei, a început fabricarea de loturi de produse finite.

Pentru anul 2009 a existat o Comandă fermă pentru producţia a 50.000 kg de argilă micronizată, Sort III, pentru fabricarea produselor cosmetice şi a suplimentelor alimentar-nutritive. Ca urmare, s-a început producţia acestui sortiment de argilă, utilizând tehnologia complexă de sfărâmare, granulare, uscare, măcinare-micronizare şi clasare pneumatică, proiectată şi realizată conform Proiectului. Până la momentul finalizării ultimei etape de execuţie a Proiectului, s-a fabricat şi expediat la beneficiar, cantitatea de 6.900 kg argilă micronizată Sort III. Producţia de argilă micronizată a continuat, până la finele anului 2009 producându-se o cantitate de cca. 42.000 kg.

Producţia de loturi de argilă micronizată, a confirmat veridicitatea parametrilor de procesare determinaţi ca optimi în perioada de reglaje tehnologice, diferenţele de la aceşti parametri fiind nesemnificative, cu valori sub 1% faţă de valorile optime. Până în prezent, nu au apărut refuzuri sau contestări din partea beneficiarului, legate de calitatea loturilor de argilă micronizată livrate.

Un câştig adiţional, dar deosebit de important pentru beneficiarul cercetării – S.C. MINESA ICPM S.A. Cluj-Napoca – este cel al realizării şi implementării unei linii tehnologice complexe modulare de măcinare-micronizare-clasare pneumatică, în condiţii stricte de siguranţă a produselor nutritive şi cosmetice pentru uz uman, care va servi ca bază de cercetare pentru dezvoltări viitoare.

Ca rezultat al procesului de Inovare specific Proiectului, s-a înregistrat la OSIM Bucureşti, cu

nr. A/00587/28.07.2009, propunerea de invenţie cu titlul „Tehnologie modulară de micronizare a substanţelor minerale nemetalifere de duritate mică şi medie”, solicitant: S.C MINESA Institutul de Cercetări şi Proiectări Miniere S.A. Cluj-Napoca şi titular: S.C MINESA Institutul de Cercetări şi Proiectări Miniere S.A. Cluj-Napoca.

Concluzii

1. Tehnologia de procesare fundamentată, proiectată şi realizată conform Proiectului, este o tehnologie modulară, care cuprinde mai multe module funcţionale, numărul de module şi ordinea de activare a acestora fiind determinat de materia primă minerală prelucrată şi de calitatea produselor finite.

2. În funcţie de cerinţele specifice ale consumatorilor, cu modificări tehnologice minime, se pot obţine produse nemetalifere micronizate, inerte din punct de vedere chimic şi sterile, cu structuri granulometrice strict controlate, de la 0 – 15 µm până la 0 – 60 µm şi chiar până la 140 µm.

3. În urma studilor efectuate, USAMV Cluj-Napoca a concluzionat că argilele obţinute pe această tehnologie, pot fi utilizate ca ingrediente sau aditivi atât în produse cu administrare orală cât şi prin administrare directă cutanată (produse cosmetice sau dermatologice).

Bibliografie

1. Teodorescu, E. ş.a. Obţinerea de substanţe nemetalifere micronizate competitive, solicitate de industria produselor cosmetice şi industria alimentară, prin elaborarea şi implementarea unor sisteme performante de procesare. Revista Minelor nr. 1/2009, pag. 17 – 20. 2. Wiegel, O. Zeolith Kristallography. 1925. 3. Bărbat, A. Tufurile vulcanice zeolitice Editura Dacia Cluj-Napoca, 1989. 4. Timbuş, I. Miracolele tratamentelor cu rocă de argilă naturală Editura Cartimpex, Cluj-Napoca, 2001. 5. Ghizdavu, L. Chimie bioanorganică Ed. Polirom, Cluj-Napoca, 2000. 6. Wroblewski, F., LaDue, J. S. Lactic dehydrogenase activity in blood 1995 Proc. Soc. Exp. Biol. Med. 90:210–213

36


STUDIU PRIVIND REFACEREA SOLULUI VEGETAL PE HALDELE DE STERIL DIN VALEA JIULUI

Eugen TRAISTĂ*, Emanoel ANDRONACHE**

Această lucrare prezintă un studiu descriptiv asupra restaurării solului vegetal din haldele de steril ale Văii Jiului. Introducerea prezintă activarea azotului, urmată de fixarea de azot şi obţinerea amoniacului. De asemenea lucrarea prezintă formarea solurilor antropogene şi face o comparaţie între haldele de steril din Ucraina şi cele din Valea Jiului. Cuvinte cheie: soluri tehnogene, analize enzimatice, halde de steril Introducere

Azotul formează mulţi compuşi, dar molecula de azot, N2, este foarte puţin reactivă.

Viteza foarte mică a tuturor reacţiilor cu azot este influenţată pe de o parte, de tăria legăturilor N ≡ N şi deci de energia de activare ridicată pentru ruperea acestei legături, iar pe de altă parte polarizabilitatea scăzută a N2, care nu permite formarea unor stări de tranziţie cu polaritate ridicată, stări ce apar de obicei în reacţiile de deslocuire ale agenţilor electrofili şi nucleofili.

În acest sens, o cale pentru fixarea azotului, de care trebuie să se ţină seama în viitor, este aceea care are la bază observaţia că bacteriile pot realiza la temperatura camerei conversia N2 atmosferic într-o serie de compuşi. Principalul proces care stă la baza fixării azotului în sol este conversia catalitică a dinitrogenului la NH +

4 în prezenţa unei enzime numită nitrogenază, care se găseşte în nodulii unor rădăcini de legume. Nitrogenaza conţine în situsul activ ioni de Fe şi Mo. Aceste descoperiri au dus la concluzia că se pot obţine catalizatori în care ionii metalici se pot coordina la N2, determinând reducerea acestuia. Astfel s-au preparat mulţi complecşi ai N2. În câteva cazuri, prepararea este foarte simplă, constând în barbotarea N2 prin soluţia apoasă a unui complex:

[Ru(NH3)5(OH)]+2(aq) + N2 (g) →

[Ru(NH3)5(N2)]+2(aq) + H2O (l)

Molecula de N2 poate funcţiona ca legând, fiind legată de metal ca şi molecula izoelectronică de CO. În complexul de Ru(II), legătura N ≡ N este foarte puţin modificată. Totuşi, când N2 este coordonat la un centru metalic cu caracter reducător ____________________________________ * Conf.univ.dr.ing. – Universitatea din Petroşani ** Drd.ing. – Universitatea din Petroşani

puternic, legătura azot-azot se lungeşte considerabil prin retrodonare de electroni în orbitalii π ai N2. Cu toate că nu s-au obţinut catalizatori pentru reducerea N2, există speranţe în acest sens, deoarece este posibil ca N2 legat în câţiva din aceşti complecşi să fie transformat în NH +

4 : cis – [W(N2)2{P(CH3)2(C6H5)}4] ⎯⎯⎯ →⎯ 4SO2H N2 + NH +

4 + compuşi de W (VI).

Fixarea de azot

Natura utilizează o cale de obţinere a NH3 total diferită de cea industrială, dar şi cu mult mai complicată. Agentul reducător folosit de natură este ATP, iar reacţia poate fi reprezentată astfel:

N2 + 16MgATP + 8e- + 8H+ → 2NH3 +16MgADP +16Pi + H2,

unde Pi este fosfatul anorganic. Acest proces este, probabil, mult mai puţin eficient decât procesul Haber, datorită consumului de energie necesară pentru reducerea de hidrogen, ca şi pentru protejarea de oxigenul atmosferic a sistemului biologic cu un înalt potenţial reducător. Caracteristica deosebită, atrăgătoare, a unui astfel de proces, constă în aceea că are loc la temperatura şi presiunea camerei în organismele Rhizobium care trăiesc în rădăcinile unor legume (lucernă, fasole, trifoi, mazăre, etc.), ca şi în câteva bacterii sau în algele albastre-verzi. Enzima numită nitrogenază catalizează reacţia în condiţii anaerobe, putând să distrugă inerţia ridicată a moleculei N≡N.

Detaliile mecanice ale fixării N2 sunt deocamdată neclare, dar se cunoaşte că nitrogenaza foloseşte în acest scop o proteină fier-sulf şi o proteină molibden-sulf.

Structura complecşilor ce conţin azot molecular este bine cunoscută în chimia anorganică, dar aceasta este complet diferită de structura propusă pentru compuşii biologici. În prezenţa unui acid tare, N2 din unii complecşi anorganici suferă un proces de reducere, indusă de protoni, până la ionul amoniu:

( )( )[ ] ( ) .....VIMoNNH2H8NPRMo 24223 +++↔+ ++ Ideea că multiplele situsuri de legare ce

conţin metale ar putea uşura procesul de reducere a N2 a avut ecou în chimia organometalică, unde s-a demonstrat că, clusterii metalici facilitează reducerea indusă de proton a moleculei de CO – moleculă izoelectronică cu N2.

37


REDUCTAZA (o proteină legată de

Fe4S4)

NITROGENAZĂ (cluster Fe8P8 +

cofactor Fe - Mo)

e-

ATPADP

N2 NH4+

Fig. 1 Cuplarea realizată între defosforilarea ATP la ADP şi reducerea azotului molecular (N2) la NH4

+

Soluri tehnogene

Solurile tehnogene sunt soluri care se formează în urma recultivării tehnico-miniere şi biologice a materialelor de descopertare, a haldelor de steril şi a altor reziduuri rezultate din exploatările miniere la zi şi subterane şi din alte activităţi industriale. Totodată, toate aceste reziduuri constituie o sursă periculoasă de poluare a mediului înconjurător. Prin definiţie, evoluţia solurilor tehnogene este procesul transformării tuturor acestor reziduuri în soluri agricole sau silvice sau în soluri folosite în alte scopuri (parcuri, terenuri de sport etc.). Simultan, acest proces este însoţit de reducerea sau eliminarea efectelor poluante ale reziduurilor asupra mediului înconjurător. Importanţa practică a acestui proces este în continuă creştere din cauză că dezvoltarea mineritului şi a altor ramuri industriale conduce la cantităţi crescânde de reziduuri şi, în consecinţă, recultivarea terenurilor degradate devine din ce în ce mai mult o necesitate economică majoră. Se apreciază că pînă în 1980 pe suprafaţa Pămîntului s-au acumulat aproximativ 1600 miliarde m3 halde de steril şi acest volum a crescut anual cu aproximativ 40 miliarde m3. Drept termen de comparaţie amintim că eroziunea cauzată de ape afectează un volum mai mic de sol, nedepăşind 13 miliarde m3 pe an. Potrivit unor estimări, pentru extragerea unui milion de tone de cărbune, se scot din circuitul normal până Ia 40 - 50 hectare de teren agricol. Evoluţia solurilor tehnogene prezintă şi o importanţă teoretică, legată de cunoaşterea mai

profundă a evoluţiei peisajului privit ca un tot unitar. Evoluţia solurilor tehnogene, care reflectă eficienţa recultivării, se studiază prin diferite metode inclusiv o serie de metode fizice, chimice şi biologice. Metodele enzimologice, de asemenea, au fost aplicate şi s-a constatat că nivelul activităţii enzimatice este un bun indicator al gradului de evoluţie a solurilor tehnogene. Metodele chimice ce includ determinarea conţinutului de humus, a capacităţilor de schimb de bază şi de hidrogen, a elementelor nutritive precum N, P, K, B nu duc la rezultate ce pot fi corelate direct cu fertilitatea şi implicit cu producţia vegetală realizată pe acele soluri. Pentru o mai bună evaluare a capacităţii terenurilor de a fi vegetate este necesară şi efectuarea unor analize enzimatice care să reflecte activitatea bacteriilor existente în sol. Dintre activităţiile enzimatice prezintă interes catalaza, ureaza, invertaza, etc. Catalaza se poate măsura prin capacitatea de scindare a apei oxigenate de către sol. S-a constatat că capacitatea de scindare a H2O2, în special componenta ei termolabilă, a furnizat întotdeauna valori mai ridicate în parcelele cu plante bine dezvoltate, decât în parcelele în care creşterea plantelor a fost inhibată. Proprietăţile haldelor de steril recultivate de a face posibilă creşterea speciilor vegetale forestiere pot fi evaluate prin măsurarea activităţii catalitice. Ureaza reprezintă procesul de descompunere a ureei de către enzimele din sol. Ureaza se măsoară prin cantitatea de amoniu formată în 100 g sol în 40 ore.

38


Invertaza reprezintă procesul de hidroliză a zahărului cu formare de fructoză şi glucoză. Invertaza se măsoară prin cantitatea de zahăr invertit de un gram de sol în 40 de ore. Studiile efectuate asupra haldelor de steril recultivate la mina Iurkov, Ucraina au determinat activităţiile invertazică, ureazică şi catalazică în solurile parcelelor cultivate cu lupin şi arin negru comparativ cu parcelele necultivate. Rezultatele din tabelul 1 arată că activităţile enzimatice s-au micşorat în toate parcelele odată cu adâncimea de la care s-au colectat probele. Sub acţiunea recultivării, activităţile enzimatice au crescut în mod evident,

uneori de mai multe ori, în comparaţie cu activităiţile înregistrate în parcelele martor. Efectul lupinului peren a fost mai puternic decât cel al arinului negru. Datorită lupinului conţinutul de humus şi cel de azot total, de asemenea, au crescut, de 2,94-2,87 ori, respectiv de 2,94-3,30 ori. În parcelele de arin, conţinutul de humus şi cel de azot total au crescut de 1,95 ori, respectiv de 1.81 ori.

Rezultatele arată că recultivarea cu arin negru şi în special cu planta de îngrăşământ verde (lupin peren) face posibilă mărirea nivelului de fertilitate a solurilor tehnogene, într-o perioadă relativ scurtă de timp.

Tab. 1

Plantaţia şi vârsta ei Adâncime Invertază Urează Catalază Lupin peren (5 ani) 0 - 2

2 - 10 10 - 20

39,48 17,57 6,45

136,9 97,4 61,5

209,8 135,5 84,7

Arin negru (5 ani) 0 - 2 2 - 10

10 - 20

30,82 16,76 3,68

125,6 74,6 42,7

168,2 106,2 74,3

Martor (necultivat) 0 - 2 2 - 10

10 - 20

6,56 2,65 1,56

70,5 45,2 15,2

124,0 90,1 59,4

Haldele de steril de la Iurkov recultivate cu

diferite specii de arbori şi arbuşti au devenit soluri fertile într-un timp relativ scurt (9-14 ani), având

deja un strat de humus şi un conţinut de N şi potenţial enzimatic ridicat (tabelul. 2).

Tab. 2

Plantaţia şi vârsta ei

Adâncime (cm)

Humus (%)

N (%) N în humus (%)

Invertază Urează

Pin silvestru (14 ani)

0 - 2 2 - 5

5 - 10 10 - 20 20 - 30

4,74 2,33 1,20 0,41 0,36

0,24 0,12 0,07 0,02 0,02

6,0 5,1 5,8 5,0 5,5

29,70 10,00 6,62 4,42 0,60

1,96 0,56 0,45 0,34 0,26

Salcâm (9 ani)

0 - 2 2 - 5

5 - 10 10 - 20 20 - 30

2,08 1,02 0,73 0,16 0,11

0,18 0,09 0,07 0,01 0,01

8,6 9,0 9,6 6,2 9,9

22,30 8,03 4,90 1,12 0,60

1,64 0,62 0,33 0,28 0,15

Cătină (9 ani) 0 - 2 2 - 5

5 - 10 10 - 20 20 - 30

1,65 0,75 0,43 0,26 0,18

0,19 0,06 0,04 0,02 0,02

11,0 8,0 9,5 8,0

11,1

44,50 11,20 2,25 1,71 1,02

3,68 0,72 0,37 0,16 0,11

Arin negru (9 ani) 0 - 2 2 - 5

5 - 10 10 - 20 20 - 30

1,30 1,03 0,84 0,17 0,19

0,13 0,12 0,08 0,03 0,03

10,0 11,6 9,5

17,6 15,8

28,50 13,50 7,50 4,70 0,80

2,86 0,84 0,42 0,32 0,25

Martor (necultivat) 0 - 2 2 - 5

5 - 10 10 - 20 20 - 30

0,72 0,43 0,24 0,23 0,21

0,05 0,02 0,01 0,01 0,01

6,9 4,6 4,1 4,3 5,0

10,80 5,20 2,35 0,10

0

1,08 0,71 0,32 0,20

0

39


Haldele de steril, constând predominant din loess, de la exploatarea minieră de cărbune brun la zi Baidakov - Ucraina au fost studiate de asemenea multilateral. S-a constatat, printre altele, că activităţile invertazică, ureazică şi respiraţia (producerea de CO2) sunt foarte scăzute în loessul formând pereţii carierei şi în haldele de loess neacoperite cu vegetaţie. Activităţile enzimatice şi

respiraţia au crescut foarte mult în paralel cu vârsta vegetaţiei spontane care s-a instalat pe haldele de loess. Cu toate acestea, valorile activităţilor şi respiraţiei au fost mai mici, chiar în haldele acoperite cu vegetaţie spontană de 23 ani, decât valorile măsurate în solul zonal neafectat de exploatarea minieră (tab. 3).

Tab. 3

Material studiat Invertază Urează Respiraţie Material din pereţii carierei Material din halda fără vegetaţie Material din haldă cu vegetaţie spontană de: 1 an 2 ani 4 ani 23 ani Sol zonal (cernoziom)

0.3 0.3

1.2 2.2 4.1 7.0

20.5

1.1 1.4

1.5 2.0 2.3 4.5

15.6

4.4 4.6

5.1 -

28.7 35.3 217.0

De asemenea s-a studiat activitatea

enzimatică şi compoziţia chimică a stratului de suprafaţă (0-50 cm) îndepărtat de pe sol şi depozitat în grămezi, înaintea descopertării totale şi exploatării cărbunelui. Grămezile, a căror înălţime era de 1,5 - 4 m, s-au utilizat după 3-5 ani de depozitare, pentru copertarea haldelor de steril nivelate în vederea recultivării lor. În solul de suprafaţă depozitat, activitatea catalazică s-a menţinut aproape la acelaşi nivel, ca şi în stratul de 0-50 cm al cernoziomului levigat din zona neafectată de explotarea minieră (sol nativ). Dar, activitatea ureazică s-a micşorat şi activitatea proteinazică a crescut într-o oarecare măsură în solul de suprafaţă depozitat. Cantitatea şi compoziţia calitativă a substanţelor humice din

solul depozitat au prezentat valori apropiate de cele înregistrate în solul nativ. Solul depozitat, după plasarea lui pe haldele de steril nivelate şi recultivarea lui cu ierburi perene, a arătat activităţi catalazice şi ureazică apropiate de activităţile medii pe sezon ale stratului de 0 - 50 cm al solului nativ, in timp ce activitatea proteinazică a fost de 3 ori mai mare în solul plasat pe halde decât în solul nativ. Pentru a verifica posibilitatea utilizării acestor parametrii şi în cazul haldelor de steril din Valea Jiului s-au reflectat o serie de determinări pe probe de sol recoltate din haldele de steril şi din zonele învecinate acestora. Rezultatele obţinute de noi sunt date în tabelul următor:

Tab. 4

Nr. cr. Denumirea probei Invertază Urează Catalază

1 E.M. Petrila – probă sol martor 37,213 3,383 6,089 2 E.M. Petrila – probă sol haldă 14,536 1,264 2,300 3 E.M. Aninoasa – haldă Tericom 9,200 0,800 1,472 4 E.M. Aninoasa – haldă Tericom 8,291 0,721 1,326 5 Preparaţia Petrila – sol fertil 25,334 2,203 4,031 6 E.M. Livezeni – haldă PA 3 26,542 2,308 4,223

7 E.M. Aninoasa – haldă Piscu 28,048 2,439 4,463 8 E.M. Aninoasa – haldă Piscu 33,476 2,911 5,327 9 E.M. Aninoasa Sud – probă martor 28,957 2,518 4,607 10 E.M. Aninoasa Nord – probă martor 51,931 4,721 8,545

40


Tab. 5

Parametru 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

pH 5,4 6,1 7,6 5,8 5,4 7,6 7,2 5,8 5,4 6,1 Părţi combustibile 17,3 7,5 8,6 15,4 15,3 6,5 8,5 19,5 14,1 12,5

Nisip grosier 54,39 56,69 66,67 14,48 42,64 42,64 62,64 46,51 59,89 18,23

Nisip fin 32,48 21,58 20,28 39,59 29,25 29,25 21,80 27,47 17,24 35,46 Pulbere I 9,62 7,78 4,21 21,17 14,60 14,60 5,83 15,49 6,93 21,15 Pulbere II 2,36 1,63 0,63 12,38 4,73 4,73 1,75 4,00 1,59 10,69 Argilă 1,15 12,32 8,21 12,38 8,78 8,78 7,98 6,53 14,35 14,47 Umiditate 5,2 2,1 7,85 5,23 4,6 2,4 7,85 5,58 6,3 4,75 Humus 16,5 0 2,5 13,4 14,8 0,5 1,8 17,5 12,3 10,5 Baze de schimb 4,69 0 3,60 20,21 5,19 0 2,75 8,47 16,78 18,60

Hidrogen de schimb 21,63 0 2,55 22,57 15,82 0,15 1,90 46,95 23,56 21,35 Capacitate totală de schimb 26,32 0,00 6,15 42,78 21,01 0,15 4,65 55,42 40,34 39,95

N asimilabil 0,85 0 0,10 0,69 0,51 0,12 0,05 0,91 0,78 0,75 P asimilabil 16,2 0,6 0,15 12,12 14,7 0 0,25 13,6 15,60 16,30 K asimilabil 23,6 5,8 2,15 8,20 12,1 2,35 2,25 7,9 14,35 8,9

Concluzii

Solurile tehnogene sunt solurile care se formează în urma recultivării materialelor de descopertă, a haldelor de steril şi a altor reziduuri rezultate din exploatările miniere la zi şi subteran şi din alte activităţi industriale.

Evoluţia solurilor tehnogene, care reflectă eficienţa recultivării, se studiază prin diferite metode inclusiv o serie de metode fizice, chimice şi biologice.

Dintre activităţile enzimatice prezintă interes: catalaza, invertaza, ureaza, nitrogenaza. Calea pentru fixarea azotului, de care trebuie să se ţină seama în viitor, este aceea care are la bază observaţia că bacteriile pot realiza la temperatura camerei conversia N2 atmosferic într-o serie de compuşi.

Principalul proces care stă la baza fixării N2 în sol este conversia catalitică a dinitrogenului la NH +

4 în prezenţa unei enzime numită nitrogenază. Cu toate că nu s-au obţinut catalizatori pentru

reducerea N2, există premize în acest sens, deoarece este posibil ca N2 legat în anumiţi complecşi să fie transformat în NH +

4

Determinarea conţinutului în elemente nutritive precum N, P, K şi B nu duc la rezultate care pot fi corelate cu fertilitatea şi producţia vegetală realizată pe solurile tehnogene.

Pentru o mai bună evaluare a capacităţii terenurilor de a fi vegetate este necesară şi efectuarea unor analize enzimatice care să reflecte activitatea bacteriilor existente în sol. Bibliografie:

1. Shriver, D. F., Atkins, P. W., Langford, C. H. Chimie anorganică, Oxford University Press, Traducere din limba engleză, Ed. Tehnică, Bucureşti 1998. 2. Collman, J., Hutchinson, J. E., Lopez, M. A., Guilard, R., Reed, R. A., J. Am. Soc., 113, 2794 (1991) 3. Orme, W. H. Johnson, Science, 257, 1639 (1992) 4. Chan, M. K., Kim, J., Ress, D. C. Science, 260, 792 (1993) 5. Brezeanu, M., Spacu, P. Chimia combinaţiilor complexe, Ediţia a doua, Editura Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1974.

41


CONDIŢII DE SINTEZĂ PRIN METODA INTERPOLĂRII

Vasile ZAMFIR*, Horia VÎRGOLICI**

Această lucrare prezintă aspecte de calcul privind proiectarea legăturilor simple ca părţi componente ale maşinilor şi echipamentelor miniere. Cuvinte cheie: sinteza mecanismelor, metoda interpolării, noduri de interpolare

Introducere

Cerinţele practice cele mai obişnuite pentru proiectarea (sinteza) unui mecanism sunt:

- Realizarea unei legi de mişcare cerute la un element al mecanismului, de regulă la unul dintre elementele conduse efectoare;

- Realizarea unei traiectorii date cu unul dintre punctele unui element oarecare al mecanismului.

Rezolvarea exactă a celor două tipuri de probleme este posibilă numai cu mecanisme cu cuple superioare (de exemplu mecanisme cu came), în care sinteza se numeşte exactă.

Cu mecanismele cu cuple inferioare, datorită mişcărilor limitate permise de cuplele inferioare (rotaţii şi translaţii), condiţiile impuse de cele două aspecte ale sintezei pot fi satisfăcute numai aproximativ şi din această cauză sinteza lor se numeşte aproximativă.

Mecanismele cu cuple inferioare pot însă realiza exact legea sau traiectoria cerută pentru un număr limitat de poziţii, şi cu abateri pentru restul de poziţii din intervalul de aproximare.

La sinteza unui mecanism pentru realizarea unei legi de mişcare date la elementul efector se cere ca în funcţie de legea de mişcare a elementului conducător (1), definită de relaţia φ1 = F1(t) (în cazul elementului cu mişcare de rotaţie) sau S1=G1(t) (în cazul elementului cu mişcare de translaţie), Fig. , să se proiecteze un mecanism la care elementul efector condus oarecare n să aibă, pe un anumit interval de funcţionare [ ]n110 ,ϕϕ , respectiv [ ]nSS 110 , o mişcare cerută, definită de funcţiile φn = Fn(t) sau Sn=Gn(t).

Tab. 1 Mişcarea elementului condus Mişcarea elementului

conducător l Translaţie Rotaţie φ1=F1(t) φn=F(φ1) Sn=F(φ1)

Translaţie S1=G(t) φn=G(S1) Sn=G(S1) ____________________________________ * Profesor univ.dr.ing. Universitatea din Petroşani **Lect.univ.dr. Univ. „Spiru Haret” Bucureşti

Eliminând parametrul t din funcţiile φ1(t), S1(t) şi φn(t), sn(t), se obţin relaţiile poziţionale ilustrate în Tab. 1.

Fig. 1 Definirea mişcării elementului conducător

şi condus: a) element conducător cu mişcare de rotaţie;

b) element conducător cu mişcare de translaţie; c) element condus cu mişcare de rotaţie;

d) element condus cu mişcare de translaţie Funcţiile de timp care definesc mişcarea

elementului efector condus (n) faţă de elementul conducător (1) pot fi date grafic sau analitic.

Pentru ilustrare, să luăm cazul corelării rotaţiilor a două manivele, Fig. .

Fig. 2 Proiectarea unui mecanism după poziţii

Elementul conducător AB are coordonata

unghiulară φ faţă de axa arbitrară de referinţă A-α, iar elementul efector condus CD coordonata unghiulară ψ, considerată faţă de axa arbitrară de referinţă D-β. Cele două axe de referinţă A-α şi D-β se raporteză faţă de direcţia elementului fix AD prin unghiul φ0, respectiv ψ0.

Legătura dintre elementul conducător AB şi elementul condus efector CD poate fi realizată fie prin biela BC, fie, în cazul general, printr-un lanţ cinematic format dintr-un număr oarecare de elemente.

Mecanismul va avea în total n elemente, în care sunt incluse şi elementele AB şi CD.

42


Condiţiile de sinteză poziţională impun ca graficul funcţiei de poziţie a mecanismului să treacă prin seria de puncte Q1(φ1,ψ1), Q2(φ2,ψ2), ... , Fig. . În unele cazuri, în punctele Q1, Q2, ..., forma funcţiei se precizează şi prin raportul de transmitere

ϕψ

ddi = şi derivata lui 2

2

ϕψ

ϕ dd

ddi

= .

Fig. 3 Graficul funcţiei de poziţie

Fiecare punct Qj, j=1,2,...,n reprezintă poziţiile asociate ale elementului conducător şi condus efector.

Problema se poate rezolva fie grafic, fie analitic. La rezolvarea analitică, numărul ecuaţiilor ce se pot scrie trebuie să fie egal cu numărul de necunoscute.

Pentru n poziţii ale mecanismului, se pot scrie 2n ecuaţii sclare de contur, obţinute din proiectarea conturului vectorial al mecanismului în cele n poziţii, pe cele două axe ale sistemului de referinţă faţă de care mecanismul este raportat. Astfel, pentru mecanismul patrulater, e necesar să fie determinaţi 5 parametri: lungimile relative a, b, c şi coordonatele α şi β ce poziţionează axele de referinţă ale elementelor conducător AB, respectiv condus efector CD, adică

52 += nn (1)

Rezultă că în cazul mecanismului patrulater nu pot fi date mai mult de 5 poziţii relativ asociate ale manivelelor (balansierelor) AB şi CD.

Aşadar, în sinteza poziţională se cere găsirea acelei scheme de mecanism care, pentru funcţia dată la elementul efector

ψ=F(φ) (2)

continuă pe intervalul [φ0, φm], Fig. , să fie redată cât mai fidel.

Această funcţie va fi redată de mecanismul cu cuple inferioare proiectat doar aproximativ (într-un număr limitat de poziţii).

Funcţia pe care poate s-o realizeze pentru anumiţi parametri aleşi sau calculaţi (denumită funcţie de poziţie), în cazul mecanismului patrulater, are aspectul:

),,,,;( 00 ψϕϕψ cbaf= (3)

Fig. 4 Aproximarea unei funcţii date F(φ) prin

funcţia f(φ)

Erorile de aproximare

Pentru mecanismul patrulater, funcţia dată de relaţia (3) trebuie să se apropie cât mai mult de funcţia dată de relaţia (2). Gradul de apropiere dintre cele două funcţii se poate aprecia prin diferenţa Δψ:

)()( ϕϕψ Ff −=Δ (4)

numită abaterea (eroarea) funcţiei de poziţie f(φ) de la funcţia F(φ), Fig. .

Această abatere se poate considera pe orice direcţie. În majoritatea cazurilor, pentru simplificare, ea se consideră pe direcţiile axelor de coordonate.

Astfel, vectorii *QQ=Δψ , egali în modul cu distanţa între diagrama funcţiei aproximante f(φ) şi cea a funcţiei aproximate F(φ), pe direcţia axei ψ şi orientaţi dinspre diagrama funcţiei date F(φ) spre diagrama funcţiei de poziţie a mecanismului f(φ) (Fig. .a), dau abaterea (eroarea) funcţiei de poziţie f(φ) de la funcţia dată F(φ) în orice punct al intervalului.

Fig. 5 Graficul abaterii funcţiei de poziţie a mecanismului f(φ) de la funcţia dată F(φ)

Ecuaţia (3) arată că abaterea Δψ este dependentă de coordonata φ a elementului conducător, adică:

)(ϕψ Δ=Δ (5)

43


Graficul abatererilor Δψ în funcţie de unghiul de poziţie a elementului conducător e redat în fig. 5

Din fig.5 se deduc următoarele: a) Graficele f(φ) şi F(φ) au două categorii de

puncte de contact: puncte de intersecţie (contact de ordinul 0) şi puncte de contact multiple (ordin mai mare ca zero);

b) Punctului de intersecţie Qi al graficelor f(φ) şi F(φ) îi corespunde punctul de intersecţie gi al graficului abaterii Δ(φ) cu axa abscicelor;

c) Punctului de tangenţă (punct de contact de ordinul 1) Qj al celor două grafice îi corespunde punctul de tangenţă gj al graficului Δ(φ) cu axa absciselor.

Notând cu Δψmax şi Δψmin abaterea maximă, respectiv abaterea minimă atinse de graficul abaterilor în h´ şi h´´ pe intervalul [φ0,φm] şi făcând media acestora, se obţine:

2

minmax ψψψ

Δ+Δ=Δ y (6)

Fig. 6 Rotirea axelor în vederea egalizării abaterilor

Dacă se roteşte axa D-β (vezi Fig.) în jurul articulaţiei D cu unghiul Δψy (în sens direct), se vede că noua coordonată a axei D-β este:

yy ψψψ Δ+= 0 (7)

iar coordonata elementului condus CD faţă de această nouă axă D-βy este:

yy ψψψ Δ−= (8)

Drept consecinţă, graficul funcţiei de poziţie f(φ) fiind dependent de parametrii schemei cinematice a mecanismului, se va deplasa pe direcţia axei ordonatelor pe distanţa (-Δψy) în poziţia f(φ)y (Fig. .b, linie întreruptă). Graficul funcţiei date nedepinzând de parametrii mecanismului, rămâne în aceeaşi poziţie. Ca urmare, graficul abaterilor va înregistra şi el o deplasare cu aceeaşi mărime (-Δψy) pe direcţia ordonatei, luând poziţia Δy(φ), trasată cu linie întreruptă în Fig. .b.

Punctele de maxim şi minim ale graficului abaterilor h´ şi h´´ se vor deplasa în poziţiile hy´ şi hy´´ şi vor arăta noile valori maxime şi minime ale abaterilor:

2)( minmax

maxmaxψψ

ψψψΔ−Δ

+=Δ−Δ=Δ yy (9)

2)( minmax

minminψψ

ψψψΔ−Δ

−=Δ−Δ=Δ yy (10)

de modul egal:

2minmax ψψ Δ−Δ

=L (11)

Mărimea Δψy se numeşte abatere de egalizare, iar graficul Δy(φ) se numeşte graficul abaterilor egalizate.

Valoarea modulului abaterilor egalizate (L) se foloseşte pentru aprecierea exactităţii aproximării funcţiei de poziţie a mecanismului f(φ) faţă de funcţia dată F(φ), în toate problemele de sinteză, în care modulele abaterilor maximă (Δψmax) şi minimă (Δψmin) nu rezultă egale între ele (de regulă acesta e cazul cel mai des întâlnit în practică).

În afară de erorile schemei cinematice a mecanismului, menţionate mai sus, asupra exactităţii aproximării legii de mişcare impuse au influenţă însemnată erorile de prelucrare şi montare, precum şi jocurile din cuplele cinematice, rigiditatea elementelor mecanismului etc. Asupra acestei categorii de abateri nu ne vom referi în prezentul material.

Problema alegerii nodurilor de interpolare

În problemele de sinteză a mecanismelor, se folosesc diferite metode analitice de aproximare a funcţiei ce trebuie redată de macanismul proiectat [1, 2, 3, 5, 6, 10, 11]. Dintre acestea, o largă aplicabilitate o are metoda interpolării.

În cadrul metodei de calcul prin interpolare, se ridică nişte problem referitoare la nodurile de interpolare:

- câte noduri de interpolare trebuie alese? - ce fel de noduri, simple sau multiple? - unde trebuie alese în intervalul de

aproximare impus pentru ca eroarea de aproximare să fie minimă?

Interpolarea cu noduri simple

Fie de redat aproximativ funcţia continuă ψ=F(φ) pe intervalul [φ0,φm], cu un mecanism cu bare articulate. De exemplu, pentru mecanismul patrulater, problema constă în găsirea unor astfel de valori ale parametrilor a, b, c, φ0 şi ψ0 şi a schemei cinematice pentru care funcţia de poziţie

),,,,;( 00 ψϕϕψ cbaf= a acestuia pe intervalul dat [φ0,φm] să devieze cât mai puţin de la funcţia impusă ψ=F(φ).

Practic, pentru cazul determinării a cinci parametri, vom alege pe intervalul de aproximare [φ0,φm] cinci puncte Q1, …, Q5, de abscise φ1, …,

44


φ5, în care cele două funcţii se intersectează. Acestea se numesc noduri simple de interpolare.

În Fig. sunt arătate graficele celor două funcţii şi graficul abaterilor de aproximare Δψ. Deoarece cele două grafice F(φ) şi f(φ) se intersectează, graficul abaterilor apare atât în partea pozitivă, cât şi în partea negativă a axei ψ. Prin urmare abaterile, în cazul interpolării cu noduri simple, au semne diferite între nodurile de interpolare pe intervalul de aproximare.

Fig. 7 Interpolarea cu cinci noduri simple P-P-P-P-P

î

Interpolarea cu noduri multiple

În afară de nodurile simple, metoda interpolării foloseşte şi noduri multiple, în care graficele f(φ) şi F(φ) au puncte comune de un ordin oarecare de multiplicitate stabilit. Când se folosesc nodurile multiple care echivalează cu 2, 3, … noduri simple, numărul punctelor de precizie (nodurilor) pe intervalul de aproximare [φ0,φm] scade de la cinci cu suma multiplicităţilor nodurilor multiple.

De exemplu, în cazul sintezei mecanismului patrulater, pentru toţi cei cinci parametri ai schemei cinematice, pot fi alese două noduri duble şi unul simplu (caz în care numărul nodurilor pe intervalul de aproximare scade de la 5 cu doi – suma multiplicităţilor celor două noduri duble – deoarece un nod dublu are multiplicitatea unu, Fig. ) sau alte combinaţii de noduri multiple şi simple.

Combinaţiile posibile între nodurile multiple şi simple pentru determinarea tuturor celor 5 parametri geometrici ai schemei mecanismului patrulater sunt:

P-P-P-P-P; PP-P-P-P; P-PP-P-P; PP-PP-P; PP-P-PP; PPP-P-P; P-PPP-P; PPP-PP; PPPP-P; PPPPP

Fig. 8 Interpolarea cu două noduri duble şi unul simplu

(PP-PP-P)

Simbolurile folosite [7, 8, 9] au următoarea semnificaţie:

PP – nod dublu sau de multiplicitate unu, în care sunt îndplinite două condiţii k=2: egalitatea valorică a funcţiilor şi admiterea aceleiaşi tangente;

PPP – nod triplu sau de multiplicitate doi, în care sunt îndeplinite trei condiţii k=3: egalitatea valorică, admiterea aceleiaşi tangente şi a aceleiaşi curburi;

PPPP – nod cvadruplu sau de multiplicitate trei, în care sunt îndeplinite patru condiţii k=4: egalitatea valorică a funcţiilor şi admiterea aceleiaşi tangente, curburi, supercurburi 1;

PPPPP - nod cvadruplu sau de multiplicitate trei, în care sunt îndeplinite toate condiţiile de la cazul precedent şi în plus admiterea supercurburii 2, k=5.

Simbolurile de mai sus îşi găsesc următoarea exprimare matematică prin funcţia abatere (4):

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

=Δ==Δ=Δ=Δ

=Δ=Δ=Δ=Δ=Δ

− 0)(...)('')(')(

0)('')(')(;0)(')(

)1( ϕϕψϕϕψ

ϕψϕϕψϕϕψ

k

(12)

Din Fig. rezultă că în nodurile duble Q1 şi Q2 graficele celor două funcţii sunt tangente. Acest lucru e figurat prin două puncte (câte unul pentru o condiţie) infinit apropiate, marcate în fiecare dintre punctele Q1 şi Q2. Nodul simplu Q3, condiţia marcând o intersecţie a celor două grafice, e figurat cu un singur punct.

Corespunzător nodurilor Q1 şi Q2, în graficul abaterilor sunt punctele g1 şi g2. În ele graficul abaterilor e tangent cu axa absciselor; ele sunt

45


figurate în acelaşi mod, prin cele două puncte infinit apropiate.

Din cauză că în interiorul intervalului avem numai noduri duble, abaterile pe întreg intervalul sunt de acelaşi semn.

Ce deosebire este între interpolarea cu noduri duble şi interpolarea cu nosuri simple?

Din punct de vedere al preciziei aproximării, pe care am convenit s-o apreciem prin abaterea mediată, cele două situaţii sunt echivalente.

Din punct de vedere al volumului de calcul (determinarea celor cinci parametri ai mecanismului patrulater), cazul folosirii nodurilor duble este mai avantajos.

Folosirea a două noduri duble reduce, de exemplu, problema sintezei mecanismului patrulater pentru cinci poziţii relativ asociate la trei poziţii relativ asociate.

Acest lucru se poate arăta uşor în cele ce urmează.

Fie de redat funcţia ψ=F(φ) în mod aproximativ cu mecanismul patrulater pe intervalul [φ0,φm], folosind interpolarea cu 2 noduri duble şi unul simplu.

Alegând abscisele nodurilor Q1 şi Q2 astfel încât mϕϕϕ <<< 210 şi abscisa nodului simplu φ3=φm, se calculează ordonatele funcţiei date:

3,2,1),( == iF ii ϕψ (13)

Se calculează diferenţa dintre abscisele şi ordonatele nodurilor Q2 şi Q1, respectiv Q3 şi Q1:

)()(; 12121212 ϕϕψϕϕϕ FF −=−= (14)

)()(; 13131313 ϕϕψϕϕϕ FF −=−= (15)

Presupunând că s-au găsit parametrii a, b, c, φ0 şi ψ0 ai schemei cinematice a mecanismului patrulater pentru care funcţia de poziţie satisface condiţiile arătate în fig.9.

Fie mecanismul astfel găsit în cele trei poziţii AB1C1D, AB2C2D, AB3C3D, corespunzătoare celor trei unghiuri de poziţie, abscisele nodurilor Q1, Q2, Q3: φ1, φ2, φ3, vezi Fig. .

Fig. 9 Rezultatele sintezei poziţionale a mecanismului

patrulater prin metoda interpolării cu două noduri duble şi unul simplu

Deoarece graficele celor două funcţii în nodurile Q1 şi Q2 au contact de ordinul 1, înseamnă că trebuie considerate şi rapoartele de transmitere i1

şi i2 în punctele de abscisă φ1 şi φ2:

)(');(' 2211 ϕϕ FiFi == (16)

Este evident că sinteza mecanismului patrulater, în condiţiile enunţate, se poate realiza calculând cu relaţiile (14) şi (15) unghiurile de poziţie relativă a elementelor conducător şi condus efector, şi cu relaţia (16) rapoartele de transmitere corespunzătoare primei şi celei de-a doua poziţii. Relaţiile (17) se mai numesc funcţii de transmitere de ordinul 1.

Interpolarea cu noduri duble

La alegerea arbitrară a absciselor φ1 şi φ2 pentru nodurile duble Q1 şi Q2, abaterile maxime Δψ1 şi Δψ2, în punctele h1 şi h2, nu se obţin de regulă egale.

Dacă se menţine abscisa φ3 a nodului Q3 neschimbată şi se modifică abscisele φ1 şi φ2 astfel încât abaterile din punctele maxime devin egale:

210 ψψψ Δ=Δ=Δ (17)

acestea sunt cele mai mici abateri limită ce pot apărea pe intervalul dat [φ0,φm], pentru oricare alte abscise ale punctelor nodale Q1 şi Q2.

În Fig. este înfăţişat cazul în care sunt satisfăcute condiţiile (18).

Fig. 10 Egalizarea abaterilor la interpolarea cu două

noduri duble şi unul simplu (PP-PP-P)

Prin egalizare se obţine graficul reprezentat cu linie întreruptă, care pe intervalul amintit are şase abateri limită egale între ele în valoare absolută, dar alternative ca semn.

Cel mai mare modul L al acestor abateri egalizate este mai mic decât cel mai mare modul mediu al abaterilor aproximărilor cu alte abscise φ1 şi φ2 pentru nodurile duble Q1 şi Q2.

Recomandări deosebit de utile pentru alegerea absciselor φ1 şi φ2 pentru care abaterile Δψ0, Δψ1 şi

46


Δψ2 se deosebesc cât mai puţin între ele pe intervalul [φ0,φm] le găsim în teoria polinoamelor lui Cebâşev.

În baza celor stabilite de Cebâşev, abaterea funcţiei de aproximare f(φ) faţă de funcţia dată F(φ) pe intervalul [φ0,φm] se poate exprima printr-un polinom de grad n:

011

1 ...)()()( aaaFf nn

n ++++=−=Δ −− ϕϕϕϕϕϕ (18)

ai cărui coeficienţi an-1, an-2, ..., a1, a0 sunt determinaţi din condiţiile celei mai bune aproximări uniforme. Din Fig. se deduce că graficul abaterilor Δψ are (n+1) puncte pe intervalul [φ0,φm] în care abaterile au valori limită. Aceste puncte, ca şi cele care intersectează axa absciselor, au o dispunere strict logică de-a lungul axei absciselor.

Fig. 11 Alegerea nodurilor de interpolare prin

construcţie Cebâşev

Abscisele acestor puncte se pot determina geometric prin construcţia din Fig. , unde este ilustrat cazul n=5. Pentru acest caz, polinomul lui Cebâşev are gradul 5, adică:

014

45 ...)( aaa ++++=Δ ϕϕϕϕ (19)

Pentru simplificare s-a considerat intervalul [0,φm] şi nu intervalul [φ0,φm].

Intervalul [0,φm] se consideră diametrul unei circumferinţe împărţită în n=5 părţi egale prin punctele 0, 1, 2, 3, 4, 5.

Abscisele punctelor h0, h1, h2 în care abaterile sunt maxime sunt aceleaşi cu ale punctelor 0, 2, 4, iar punctele în care abaterile sunt minime au aceleaşi abscise cu punctele 1, 3, 5. Punctele de pe circumferinţă ce marchează mijloacele arcelor obţinute prin punctele 0, 1, 2,3 ,4, 5 au aceleaşi abscise cu punctele de intersecţie ale graficului cu axa absciselor, adică cu ale punctelor zero de pe graficul abaterilor Δψ.

Se observă din Fig. că în cazul aproximării uniforme, punctele în care abaterile iau valori limită şi punctele zero ale funcţiei abaterilor Δψ alternează între ele, iar spre capetele intervalului se îndesesc.

Geometric, din construcţia arătată în Fig. se deduc formulele:

⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪

⎨

⎧

=

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

m

mm

mm

ϕϕ

ϕϕπϕ

ϕϕπϕ

3

2

1

6545,05

3cos121

0955,05

cos121

(20)

pentru intervalul [0,φm]. Pentru intervalul [φ0,φm], formulele au aspectul:

⎪⎩

⎪⎨

⎧

=−+=−+=

m

m

m

ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ

3

002

001

)(6545,0)(0955,0

(21)

Corespunzător acestora, abscisele punctelor h1 şi h2 sunt date de formulele:

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

mm

mm

ϕϕπϕ

ϕϕπϕ

9045,05

4cos121

3455,05

2cos121

'2

'1

(22)

pentru intervalul [0,φm] şi

⎩⎨⎧

−+=−+=

)(9045,0)(3455,0

00'2

00'1

ϕϕϕϕϕϕϕϕ

m

m (23)

pentru intervalul [φ0,φm].

Concluzii

Problema proiectării unui mecanism plan cu cuple inferioare, care trebuie să satisfacă legea de mişcare a elementului efector condus – definită de funcţia F (φ) exprimată fie grafic, tabelat fie analitic – constă în a determina cei n parametri dimensionali constanţi conţinuţi în funcţia f(φ), care trebuie să fie cât mai apropiată de funcţia dată F(φ).

Dacă numărul parametrilor care determină funcţia de aproximare în cazul mecanismului patrulater ψ=f(φ;a,b,c,φ0,ψ0) este egal cu numărul punctelor alese pentru interpolare (n+1), atunci, în general vorbind, se va putea alege funcţia f(φ) în aşa fel încât relaţia erorii (4) să devină zero în cele n+1 puncte:

niFf iii ,...,2,1,0);()( =−=Δ ϕϕϕ (24)

47


Funcţia f(φ) se poate scrie sub forma unui polinom generalizat de forma:

)(...)()()( 1100 inniii fpfpfpf ϕϕϕϕ +++≡ (25)

în care p0, p1, …, pn sunt funcţii explicite de cei m parametri necunoscuţi ai mecanismului (funcţiile fj(φi) sunt cunoscute, depinzând de parametrul φi independent).

Sistemul (25) devine un sistem de ecuaţii liniare în pj; j=0,1,…,n:

niFfpfpfp iinnii

,...,1,0);()(...)()( 1100

==+++ ϕϕϕϕ

(26)

Cu sistemul de ecuaţii (26), în cazul în care numărul de poziţii n+1 ale mecanismului este egal cu numărul parametrilor dimensionali m, se pot determina parametrii pj (j=0,1,2,…,n), din care se obţin cei m parametri ai mecanismului.

Pentru cazul în care mnr <+= 1 , se aleg arbitrar m-r parametri, adică se pot alege arbitrar m-r coeficienţi pj, restul de r coeficienţi determinându-se din sistemul (26) de r ecuaţii cu r necunoscute. Bibliografie

1. Artobolevski, I.I., Levitski, N.I., Cercudinov, S.A. Sintez ploskia mehanizmov, Fizmatigiz, Moskva, 1959. 2. Beleţki, V. Rasciot mehanizmov maşin avtomatov piscevâh proizvodstv, „Vişa scola”, Kiev, 1974.

3. Cercudinov, S.A. Sintez ploskih şarnirnorîciajnîh mehanizmov, Iz-vo Academii Nauk S.S.S.R., Moskva, 1959. 4. Dancea, I. Programarea calculatoarelor numerice pentru rezolvarea problemelor cu caracter tehnic şi de cercetare ştiinţifică, Ed. Dacia, Cluj-Napoca, 1973. 5. Hartenberg, R.S., Denavit, I. Kinematic Synthesis of Limkage, McGraw-Hill Series in Mechanical Engineering, New York. 6. Lazaride, Gh., Stere, N., Niţă, C. Mecanisme şi organe de maşini, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1970. 7. Sarkisean, Iu.L, Cecean, G.S. Optimalnîi sintez peredatocinovo cetîrzvenika, Maşino-beledenie, nr.3, 1969. 8. Tesar, D. The Generalized Concept of Three Multiply Separated Positions in Coplanara Motion, Journal of Meechanisms, vol.2, 1967, p.461-474. 9. Tesar, D. The Generalized Concept of Four Multiply Separated Positions in Coplanara Motion, Journal of Meechanisms, vol.3, 1968, p.11-23. 10. Zamfir, V., Albăstroiu, P. Mecanisme şi organe de maşini. Partea I. Mecanisme, Litografia Institutului de Mine, Petroşani, 1975. 11. Zamfir, V. Sinteza mecanismelor cu bare articulate plane (Note de curs), fasciculele 1-5, Litografia Institutului de Mine, Petroşani, 1976, 1977.

Instrucţiuni pentru autori Lucrările se redactează folosind programul MS Word (sau echivalent). Pagina are următoarele setări: Format A4, Sus/Jos/Stânga/Dreapta – 2cm, Header/Footer – 1,25 cm. Fontul folosit este Times New Roman. Titlul se scrie centrat, cu majuscule, 14p. După titlu se lasă un rând liber 12p, apoi se notează autorii centrat, italic, 12p, numele cu majuscule. Afilierea autorilor se trece ca şi notă de subsol. Textul propriu zis se scrie cu caractere de 11p, pe două coloane egale de mărime 8,1cm. Titlurile de capitole se trec fără aliniat, bold, iar titlurile de subcapitole fără aliniat bold, italic. După titlurile de capitole şi subcapitole se lasă un rând liber. Aliniatele de la începutul paragrafelor au mărimea 0,7cm. Tabelele pot fi inserate în coloane sau pe întreaga lăţime a paginii, după caz. Titlul tabelului se scrie deasupra, 10p, italic, iar textul tabelului se scrie cu caractere de 11p Figurile pot fi inserate în coloane sau pe întreaga lăţime a paginii, după caz. Descrierea figurii se scrie sub aceasta, 10p, italic. Referinţele bibliografice se scriu cu caractere de 10p. Nu se inserează numere de pagină.

48


Revista Institutului de Mine Petrosani

Documents

Transcript of Revista Institutului de Mine Petrosani