misnikov_o_s_tehnologiya_i_kompleksnaya_mehanizaciya_otkryty (1)

101

этих целей подходит только органический сапропель, так как эксперименты по термолизу горючих сланцев, модифицированных другими типами отложений (например, кремнеземистый сапропель) показали их низкую эффективность.

5.3. Методы и технические средства добычи сапропелей

Инженерно-геологические свойства сапропеля позволяют их относить к группе органопылеватых пород слабой степени уплотняемости и литификации. Примерный дисперсный состав сапропелей следующий:

фракция глинистых частиц размером 5 мкм составляет 15…30 %;

пылеватых частиц от 5 до 50 мкм содержит 55…80 %;

на тонкопесчаные фракции от 50 до 250 мкм приходится 6…13 %.

Коэффициент агрегированности у частиц менее 5 мкм изменяется от 1,2…2,6 (у органоминеральных и известковистых сапропелей) до 13,7 (у глинистых сапропелей). Это характерно для пород с конденсационными и пластифицированно-коагуляционными структурными связями. В составе тонкодисперсных фракций преобладают органоминеральные включения. В небольшом количестве содержатся глинистые минералы переходных форм от гидрослюд к монтмориллонитам, а также аморфный кремнезем и карбонаты.

Плотность сапропелей в естественном залегании весьма мала. Плотность скелета возрастает с уменьшением органического вещества и не превышает 50…250 кг/м 3 . Естественная влажность зависит от содержания органического вещества и степени уплотнения. Она изменяется от 100…300 до 1800…3000 % и более. В сапропелях, находящихся под торфяной залежью, естественная влажность ниже полной влагоемкости материала. Это связано с удалением части влаги под давлением верхнего слоя торфа. Как правило, сапропели обладают высокой пластичностью и очень слабой водопроницаемостью (менее 0,01…0,001 м/сут), имеют высокую степень водонасыщения и резко выраженную способность к усадке при уменьшении влажности. Величина усадки при высыхании до гигроскопической влажности (3,5…9 %) достигает 65…97 % начального объема.

Эксперименты по сушке формованных методом экструзии гранул в «мягких условиях» показали, что усадка всех сапропелей, кроме высокоминерализованного (А с = 90 %), продолжается во всем диапазоне влагосодержаний (рис. 24-26). Причем изменение их объема подчиняется линейной зависимости между объемом сушимого материала (V) и влагосодержанием (W), установленной С.С. Корчуновым для кускового торфа:

V V c (1 + К ус W ),

(5.1)

где К ус – коэффициент объемной усадки, характеризующий изменение объема при уменьшении влагосодержания на единицу; V с – объем торфа в условном абсолютно сухом состоянии.

102

Рис. 24. Зависимость объема V 10 6 , м 3 от влагосодержания W, кг/кг при сушке гранул органического сапропеля (А с = 17 %) различного начального диаметра: 20 (1), 30 (2), 40 (3), 60 (4) мм

Рис. 25. Зависимость объема V 10 6, м 3 от влагосодержания W, кг/кг при сушке кусков кремнеземистого сапропеля (А с = 74 %) различного начального диаметра:

20 (1), 30 (2), 40 (3), 60 (4) мм

103

Рис. 26. Зависимость объема V 10 6, м 3 от влагосодержания W, кг/кг при сушке гранул минерализованного сапропеля (А с = 90 %) различного начального диаметра: 30 (1), 40 (2), 60 (3) мм

В приведенных экспериментах (О.С. Мисников) по сушке образцов сапропеля цилиндрической формы с различными начальными диаметрами (d н 20, 30, 40, 60 мм и длиной 1,5 d н) было установлено (рис. 27), что средний коэффициент объемной усадки материала К ус зависит (в рассматриваемом интервале d н) только от характеристик сырья, условий сушки и не зависит от геометрических размеров образцов (значение коэффициента усадки для минерализованного сапропеля рассчитывалось для первого периода структурообразования) по С.С. Корчунову и А.Е. Афанасьеву.

Рис. 27. Зависимость К ус от начального диаметра кусков d н органического (1), карбонатного (2), кремнеземистого (3) и минерализованного (4) сапропелей

104

Прочность сапропелей при естественной влажности незначительна, но сильно возрастает при уменьшении влажности в процессе обезвоживания и сушки. Сопротивление сдвигу возрастает по мере уменьшения содержания органического вещества и влажности. Сцепление увеличивается от 200 до 800 кПа, а угол внутреннего трения – от 15…21 до 29 .

Сапропели являются сильносжимаемыми грунтами, уплотняющимися при сжатии. Плотность скелета увеличивается в процессе компрессионных испытаний в 2,9…6,8 раза. Модуль осадки при нагрузке 0,2 МПа изменяется в зависимости от содержания органического вещества и начальной влажности от 740 до 882 %, а коэффициент компрессии варьирует в пределах 0,5…1,9 см 2 /кг.

Одним из основных экологических факторов, формирующих экосистему озера, является его морфологическая характеристика. Она включает в себя размер, форму и строение котловины. При разработке озерной залежи сапропеля происходит изменение морфометрии и морфологии озера. Особенно это заметно для небольших озер. В процессе производства работ происходит увеличение глубины воды в озере, в случае уничтожения сплавины – увеличение площади и формирование прибрежного мелководья, перепланировка и обустройство побережья, по мере выработки залежи многократно возрастает объем водной массы. Степень и интенсивность трансформации характеристик зависят от способа, объема и скорости добычи. На примере ряда озер удалось проследить основные закономерности изменения морфометрии и формирования рельефа поверхности залежи на участках добычи сапропеля озерных месторождений.

Общей закономерностью водоемов является их мелководность и простое строение котловин до начала производства работ. При гидромеханизированном способе добычи участок разработки месторождения имеет форму сегмента с радиусом, определяемым длиной пульповода. Добыча производится при веерном фронтальном и ступенчатом перемещении понтона в глубь озера. Глубина погружения заборного устройства – до 6…8 м. Рельеф поверхности залежи на участке производства работ представляет собой чередование изогнутых, сливающихся по краям желобов с глубинами 1,5…3 м или асимметричную ложбину с пологим склоном, обращенным к берегу, и крутым – к открытой части озера. Максимальные глубины желоба в районе работы земснарядов – до 8 м. При селективной добыче сапропеля рельеф поверхности залежи представляет собой бессистемное чередование углублений и воронок, образующее сильнорасчлененный микрорельеф в пределах одной обширной депрессии.

В озерах, разрабатываемых способом грейферной экскавации, рельеф поверхности залежи подводной выработки имеет вид небольшого понижения с хаотически расположенными переуглубленными участками или по- лого-вогнутое понижение с незначительной расчлененностью, носящей эпизодический характер. Увеличение глубины и объема водной массы при-

105

водит к стабилизации газового и температурного режимов. На участках с глубинами 5…8 м возникает четко выраженная стратификация. Изменение окислительно-восстановительных условий вызывает сдвиг геохимического равновесия макро- и микроэлементного состава на границе воды с поверхностью залежи. Изъятие большего объема водонасыщенного осадка увеличивает расходную часть водного баланса водоемов, а увеличение объема водной массы приводит к замедлению скорости водообмена и снижению проточности озер. Трансформация основных звеньев экосистемы находит отклики в развитии биотического сообщества – изменяется видовой состав и уровень развития гидробионтов.

Свойства сапропеля, формы и размеры всасывающих наконечников, скорость перемещения земснаряда в забое определяют процесс забора породы и определяют режим работы землесоса. Простейшим способом добычных работ сапропелевой залежи является разработка отдельными воронками. В этом случае земснаряд устанавливается неподвижно и постепенным опусканием всасывающего наконечника разрабатывается воронка, глубина которой определяется мощностью разрабатываемого слоя сапропеля или предельной глубиной по условиям всасывания. По мере углубления воронки наконечник опускается и у его граней происходит вовлечение частиц сапропеля в устье наконечника, в результате чего ослабляются силы сцепления частиц на поверхности воронки. Поступление сапропеля с поверхности воронки к всасывающей части происходит неравномерно, процесс забора является неустойчивым, а консистенция пульпы и производительность колеблются в широких пределах. Исследованиями установлено, что при разработке несвязных пород воронками наиболее рациональной является круглая форма всасывающего наконечника.

При траншейном способе папильонирования земснарядов применяется атакующее всасывание со щелевидными наконечниками, причем площадь устья всасывания соответствует скорости всасывания 1,5…2 м/с. Степень уширения наконечников находится в пределах 2,5…4. В щели всасывания происходит саморегулирование скорости движения воды соответственно фи- зико-механическим свойствам породы и скорости ее разработки. Чем меньше размывающая скорость, тем больше щель всасывания. При использовании этого метода всасывания образуется траншея, борта которой со временем делаются пологими. Считается, что сапропель естественной влажности в выемках неустойчив и откосы его имеют заложение менее 3 . Наибольшее распространение при добыче сапропелей получили всасывающие наконечники круглой и эллиптической формы. При этом скорость потока принимается в пределах 1,4…2 м/с. При разработке сапропелей и илистых пород нашли применение гидравлические методы рыхления, в основе которых лежит принцип использования энергии затопленной напорной струи. Простейший гидравлический разрыхлитель – это всасывающий наконечник с насадкой гидромониторного типа. У гидравлического рыхлителя с кольцевым водяным коллектором на нем располагаются насадки под углом 30…40º к плоскости кольца. За

106

счет такого расположения насадок происходит перемещение сапропеля к всасывающему наконечнику.

При добыче сапропелей также применяются эжекторно-гидравли- ческие рыхлители, используемые для интенсификации забора грунта и увеличения глубины разработки до 25…30 м. Их устанавливают на всасывающей трубе в виде насадок, это создает в ней дополнительный напор на 3…6 м, что повышает производительность грунтового насоса и земснаряда, исключая кавитацию и срыв вакуума.

При разработке месторождений большой мощности (от 10 до 70 м) используют эрлифтные устройства. Широкого внедрения в производство эрлифтных устройств при добыче сапропелей не произошло, так как применение этих установок не позволяет вести сплошную выемку и приводит к большой потере полезного ископаемого. Наиболее перспективным при разработке сапропелевых месторождений большой мощности является использование земснарядов, оборудованных погружными насосами, которые позволяют резко повысить консистенцию и увеличить глубину разработки, существенно снизить износ проточной части грунтового насоса за счет практически полного исключения кавитационных явлений и повышения консистенции.

Применение погружных грунтовых насосов не нарушает окружающую среду. Значительное увеличение глубины разработки позволяет более полно отрабатывать сапропелевое месторождение. Эффективный грунтозабор способствует меньшему замутнению водоема по сравнению с обычными способами разработки сапропелей. Применение погружных машин является значительным шагом вперед при разработке сапропелевых месторождений. На некоторых из них была достигнута глубина разработки до 20 м.

Перечисленные выше технологические схемы выемки имеют один общий недостаток: они не в состоянии обеспечить разработку сапропеля естественной влажности. Поэтому его предварительно размывают, создавая пульпосмесь сапропеля с естественной влажностью 95…98 % и воды, затем подают эту смесь на обезвоживание, что приводит к нерациональному перекачиванию огромных объемов воды и требует отчуждения значительных площадей. Устранить этот недостаток позволит разработка и подача на обезвоживание неразжиженного сапропеля, что обеспечивает резкое снижение общих объемов работ. Для этого возможно применение некоторых видов насосов, которые широко применяются в технике очистки сточных вод, химической и нефтеперерабатывающей промышленности, пищевом, бумажном, строительном и керамическом производстве, а также в судостроении и в горном деле.

Разумное сочетание или раздельное применение этих насосов применительно к различным технологическим схемам может обеспечить достаточный экономический эффект при выполнении основных экологических требований.

Известные зарубежные и отечественные технологии добычи сапропелей включают в себя ряд производственных процессов, схематично отраженных на рис. 28.

Рис. 28. Схема известных производственных процессов добычи сапропелей (по С.М. Штину)

5.4. Добыча сапропеля гидромеханизированным способом

Гидромеханизированный способ добычи сапропеля принято считать наиболее эффективным при подводной разработке месторождения. При этом нет необходимости в спуске воды из озера и можно вести добычу при любой глубине залегания сапропеля. Сапропелевая масса разрыхляется, разжижается озерной водой, засасывается землесосным снарядом и по пульпопроводам перекачивается на берег (рис. 29).

Рис. 29. Схема намыва сапропеля в отстойники: 1 – земснаряд; 2 – плавучий пульпопровод; 3 – магистральный пульпопровод на двухсоечных опорах; 4 – магистральный пульпопровод; 5 – отстойник; 6 – дамбы; 7 – переставные патрубки; 8 – водосбросные колодцы; 9 – трубчатые водосбросы; 10 – водоотводящие каналы

Объединение в одну технологическую цепочку добычи, транспорта, обогащения и складирования сапропеля, возможность полной выработки достаточно глубоких месторождений делают этот способ в большинстве случаев незаменимым. К тому же он полностью механизирован, может быть автоматизирован, минимально трудоемок и экономически выгоден.

Способы намыва сапропеля в отстойники:

1)сосредоточенный из торца пульпопровода;

2)рассредоточенный из выпусков;

109

3)осевой;

4)кольцевой;

5)способ поочередного двухстороннего наслоения, разработанный специально для намыва сапропелей.

Сосредоточенный способ намыва характеризуется подачей мощного потока пульпы через торец пульпопровода в одну из точек отстойника. Этот способ позволяет уменьшить уклоны намытого слоя, что способствует более равномерному промыванию и сушке сапропеля, однако он не обеспечивает однородного химического состава сапропеля по длине отстойника.

Более распространенным является способ рассредоточенного намыва из выпусков трубопровода. Прокладка разводящего пульпопровода по этому способу осуществляется по эстакаде, и укладка ведется в одном направлении. Осветленная вода при этих способах сбрасывается через один или два водосборных колодца (обоснование осуществляется по расчетам).

Осевой способ отличается от рассредоточенного тем, что разводящий пульпопровод монтируют на эстакадах по одной из осей симметрий отстойника.

При наливе кольцевым способом разводящие трубопроводы укладывают на ограничительно разделительных дамбах по периметру отстойника. Намыв производится одновременно на всех направлениях из выпусков, которые по мере роста намыва к середине отстойника наращиваются.

Все вышеуказанные способы имеют следующие недостатки: заметное фракционирование и неравномерное распределение по длине отстойника основных химических элементов; затруднительное обслуживание разводящих пульпопроводов в связи с невозможностью прохода по намытому сапропелю.

Для устранения указанных недостатков разработан новый способ –

двусторонний поочередный намыв. Сущность этого способа (рис. 30) за-

ключается в том, что намыв производят двусторонним поочередным наслоением сапропеля пульпопроводами, уложенными на продольноразделительных дамбах, оборудованных выпусками с переставными патрубками или лотками для переключения намыва.

Рис. 30. Схема двухстороннего поочередного намыва сапропеля: 1 – намывной пульпопровод; 2 – продольная дамба; 3 – переставные патрубки; 4 – слой сапропеля

Земснаряды. При выборе землесосного снаряда (рис. 31), оптимально отвечающего конкретным условиям, учитывается ряд факторов. К ним

110

относятся: тип сапропеля и его физико-механические свойства; глубина залегания и ширина распространения; дальность и высота подачи пульпы; количество и свойства посторонних включений; абразивность сапропеля; способ доставки агрегата к месту работы; варианты энергообеспечения; возможность совершать рабочие перемещения во время разработки траншей и другие местные условия.

Разработка подводных отложений сапропеля открытых водоемов со сложной стратиграфией залежи предъявляет к земснарядам требования:

1)корпус земснаряда и его рефулерная часть должны быть достаточно устойчивыми и обеспечивать надежную работу в период волнения в открытом водоеме;

2)земснаряд должен иметь комплект грунтозаборных устройств для разработки залежи на всю ее глубину, которые должны обеспечивать разработку верхних слоев, покрытых растительностью, и нижних уплотненных и связанных слоев;

3)установленный на земснаряде насос должен развивать напор, достаточный для транспорта сапропелевой пульпы на большое расстояние;

4)снаряд должен иметь надежные средства рабочих перемещений в условиях открытого водоема при многометровом слое донных отложений сапропеля.

Рис. 31. Схема землесосного снаряда

Таким образом, выбор земснаряда обосновывается производительностью, максимальной глубиной разработки грунта, максимальным напором