misnikov_o_s_tehnologiya_i_kompleksnaya_mehanizaciya_otkryty (1)

Федеральное агентство по образованию

Тверской государственный технический университет

О.С. Мисников, В.А. Беляков, О.В. Шамбер

Технология и комплексная механизация открытых горных работ

Добыча кускового торфа и сапропеля

Учебное пособие

Издание первое

Тверь 2008

2

УДК 622.331:622.271 (075.8)

ББК 33.35я7

Мисников О.С. Технология и комплексная механизация открытых горных работ. Добыча кускового торфа и сапропеля : учебное пособие /

О.С. Мисников, В.А. Беляков, О.В. Шамбер. 1-е изд. Тверь: ТГТУ, 2008. 160 с.

Рассматриваются технологические процессы добычи кускового торфа фрезформовочным и экскаваторным способом, которые используются в настоящее время в Российской Федерации, Финляндии и Ирландии. Приводится методика расчета производительности фрезформовочных машин, агрегатов по сушке и уборке кускового торфа циклического и непрерывного действия. В связи с практически полным отсутствием отечественного торфяного машиностроения основное внимание уделяется технологическому процессу с использованием зарубежного оборудования концернов

VAPO OY, SUOKONE OY и фирмы HERBST.

Перспективные технологии производства кускового торфа, которые разрабатывались научно-исследовательскими организациями в течение последних тридцати лет, выделены авторами в отдельную главу.

Значительная часть учебного пособия посвящена анализу технологий разработки сапропелевых месторождений. Здесь приводятся данные об образовании и свойствах сапропелей, рассматриваются основные классификации и направления использования сапропелей, добыча сапропеля гидромеханизированным способом, с применением зимнего намыва и экскаваторным способом.

Обширный информационный материал, приведенный в приложениях, позволяет студентам самостоятельно проводить расчет технологических показателей при добыче кускового торфа и сапропеля в различных экономических районах Российской Федерации.

Может быть рекомендовано студентам, обучающимся по направлению 130400 «Горное дело», а также специалистам, работающим в области торфяного и сапропелевого производства.

Рецензенты: директор по развитию ОАО «Селигер-Холдинг» доктор технических наук С.Н. Гамаюнов; заведующий кафедрой «Торфяные машины и оборудование» доктор технических наук профессор В.Ф. Синицын.

ISBN 978-5-7995-0426-7	© Тверской государственный
	технический университет, 2008

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

В топливно-энергетическом балансе Российской Федерации примерно с середины 70-х годов XX века доля использования природного газа и жидкого топлива начала превышать потребление твердых горючих ископаемых – углей, сланцев и торфа. В настоящее время на долю торфа, используемого в качестве топлива, приходится всего около 0,05 %. Однако при всех преимуществах природного газа достаточно проблематично продолжать ориентировать все энергопотребляющие отрасли РФ на этот вид топлива. В первую очередь это связано с постоянно увеличивающимися объемами экспорта и ростом мировых цен на газ.

По прогнозам отечественных и зарубежных экспертов, роль различных видов биотоплива и прежде всего торфа будет возрастать. Уже сейчас в отдельных районах нашей страны торф, используемый на более высоком технологическом уровне, является рентабельным местным топливом, способным конкурировать с лучшими марками привозного угля, мазутом, а в некоторых случаях и с природным газом.

Более того, такие высококачественные ресурсы, как природный газ и нефть, целесообразно использовать в первую очередь для глубокой химической переработки, коммунально-бытового потребления, а также для генерации электрической энергии. В этих случаях будет достигаться наибольший технико-экономический эффект.

Сжигание местных видов топлив вместо более качественных дальнепривозных углей также рентабельно в связи с меньшими расходами на транспортировку и перегрузку, если плечо доставки не превышает 80…100 км для фрезерного и 100…150 км для кускового торфа.

Всвязи с этим в учебном пособии рассматриваются технологии получения кускового торфа фрезформовочным и экскаваторным способом, в том числе с учетом зарубежного опыта производства этих видов топлива. Значительное внимание уделяется методикам расчета основных технологических показателей при добыче кускового торфа и перспективным технологиях его производства.

Вотличие от знаменитых российских черноземов в почвах Центрального экономического района РФ содержится сравнительно небольшое количество гумуса. Без применения органических удобрений решить эту проблему практически невозможно. В начале 90-х гг. XX века потребность сельскохозяйственных земель в органических удобрениях была удовлетворена только наполовину. В настоящее время положение еще более усугубилось. На сельскохозяйственных предприятиях Российской Федерации органические удобрения вносятся в количестве примерно 420…450 миллионов тонн в год (3,6…4,0 тонны на гектар пашни), что составляет 30…35 % от научно обоснованной нормы. Во

4

многих регионах нашей страны происходит резкое снижение содержания гумуса в почве, являющегося основным показателем ее плодородия.

По мнению многих ученых, органическим удобрениям из торфа и сапропеля должна отводиться важнейшая роль в регуляции энергетики почвенного покрова и баланса гумуса, в улучшении физических и химических свойств почвы, повышении эффективности действия минеральных удобрений, а также в регулировании состояния почвенного биоценоза. Правильное и своевременное использование биогенных материалов для приготовления удобрений и регулярное внесение органических компостов позволяет значительно повысить урожайность многих сельскохозяйственных культур. Одним из наиболее перспективных путей использования торфа и сапропеля является приготовление на их основе различных видов продукции как для сельского хозяйства в целом, так и для более мелких потребителей: парниковых хозяйств, дачных кооперативов и т.п.

В связи с тем что изучение гидромеханизированного способа разработки месторождений полезных ископаемых включено в государственный образовательный стандарт по направлению 130400 «Горное дело», в книге большое внимание уделяется этому способу при добыче сапропелевых ресурсов из открытых водоемов (озер). Предварительно рассматриваются вопросы образования, классификации и основных направлений использования сапропелей.

Материал, представленный в издании, базируется на работах ученых и специалистов отечественных научных школ, занимавшихся проблемами добычи и переработки кускового торфа, ведущих исследователей, работавших в области сапропелевого производства, а также результатах научно-исследовательских работ авторов учебного пособия. В разделах 1, 2, 3 и 4 в основном использовались результаты работ

Л.С. Амаряна, А.Е. Афанасьева (раздел 1.6), В.Д. Копенкина, В.Я. Антонова, С.Г. Солопова, В.К. Фомина, О.В. Шамбера, В.И. Суворова,

Н.В. Гревцева и других ученых. В раздел 5 включены исследования

М.З. Лопотко, А.И. Фомина, И.Ф. Ларгина, А.С. Тарантова, И.И. Лиштвана, В.И. Косова, А.В. Смирнова, В.И. Хохлова, С.М. Штина и других известных сапропелеведов.

5

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИЗВОДСТВЕ КУСКОВОГО ТОРФА 1.1. Основные характеристики кускового торфа

Кусковой торф является твердым энергетическим и коммунальнобытовым топливом, а также сырьем для газификации и химической переработки. Его получают методом выдавливания пластичной торфяной массы через формующие насадки с последующей сушкой до уборочной влажности в полевых условиях.

Кусковой торф, являясь твердым топливом, удобен для сжигания в топках колосникового типа. Сгорая, он выделяет в среднем 11,3 МДж/кг тепловой энергии. Это несколько больше, чем выделяют дрова, и немного меньше, чем торфяной брикет. По тепловой эффективности он вполне сопоставим с низкосортными углями, но не имеет их недостатков – большого содержания золы и сернистых соединений. В ряде европейских стран кусковой торф наравне с торфяным брикетом используется как каминное топливо, так как не содержит вредных примесей.

Как правило, кусковой торф представляет собой смесь из крупных кусков (80…90 %) и мелочи (обломков) размером менее 25 мм в поперечнике (10…20 %). Содержание мелочи ограничено стандартом (ГОСТ 917271) и не может превышать 10 % для кускового торфа, сформованного на залежи верхового типа, и 20 % – на низинной залежи. При большем содержании мелочи сортность топлива снижается, а при превышении 30 % топливо бракуется.

Для производства кускового торфа пригодны торфяные месторождения верхового, переходного и низинного типов со степенью разложения более 15 % и зольностью менее 23 %. Технологические расчеты с кусковым торфом ведутся при условной влажности 33 %. Убирается кусковой торф при влажности 45…50 %, а в процессе хранения его влажность может снижаться.

Водопоглотительная способность кускового торфа зависит от свойств исходного сырья. В табл. 1 приведены значения влажности торфяных кусков (начальная влажность 30 %) после нахождения их в воде в течение 48 часов (В 48 , %).

Таблица 1. Зависимость величины В 48 от степени разложения торфа

Степень разложения, %	Влажность кусков, %
20	64
30	57
40	52
50	48

Важной характеристикой кускового торфа является прочность отдельных кусков, обусловливающая содержание в нем мелочи и регламен-

6

тирующая проведение технологических операций. Прочность зависит от влажности, свойств торфяного сырья, параметров формования, режима сушки и прочих факторов.

Среднестатистические значения прочности торфяных кусков на изгиб, сформованных из верхового и низинного торфа от влажности и степени разложения, приведены в табл. 2 и 3.

Таблица 2. Зависимость прочности торфяных кусков на изгиб от влажности (степень разложения 30…35 %)

Прочность			Тип						Влажность кусков, %
			торфа	10				20			30			40			50			60				70
изг , МПа		Верховой		4,5				6,0			5,0			3,5			1,8			0,6				0,35
		Низинный		1,1				1,35			1,75			1,35			1,1			0,65				0,4
	Таблица 3. Зависимость прочности торфяных кусков на изгиб
			от степени разложения при влажности 35 %
	Прочность		Тип						Степень разложения, %
			торфа			10			20			30			40				50			60
	изг , МПа		Верховой			3,0			7,5			4,0			3,8				3,5			3,0
			Низинный			2,5			2,1			1,9			1,6				1,4			1,0

Эффективность добычи, перевозок и использования кускового торфа во многом зависит от его насыпной плотности, которая изменяется в зависимости от плотности куска и содержания мелочи. Насыпную плотность ориентировочно можно вычислить по формуле

нас = К пл кус ,

(1.1)

где К пл – коэффициент плотности кладки; кус – плотность отдельных кусков, кг/м 3 .

Коэффициент плотности кладки зависит от типа торфа и влажности кусков. Для верхового торфа он принимает следующие значения (табл. 4).

Таблица 4. Зависимость коэффициента плотности кладки от влажности

Влажность, %	Коэффициент К пл
20	0,47
30	0,5
40	0,52
50	0,57

Для низинного торфа, независимо от влажности, К пл = 0,57. Это связано с меньшей прочностью кусков и, следовательно, большим содержанием мелочи. Плотность кусков изменяется от 600 до 1000 кг/м 3 .

7

Кусковой торф в настоящее время добывается двумя основными способами: фрезформовочным и экскаваторным. Ведутся эксперименты по добыче торфа резным механизированным способом.

По сравнению с фрезерным способом добычи торфа производство кускового торфа меньше зависит от климатических условий, что позволяет получать качественную продукцию и хорошие сборы при неблагоприятных погодных условиях. Это связано с тем, что работы по добыче (экскавация, переработка, формование и стилка), не прекращаются при осадках менее 10 кг/м 2 . Операции, связанные с сушкой и уборкой, не прекращаются при осадках менее 5 кг/м 2 . В результате этого число рабочих дней в сезоне – 80…100, то есть примерно в два раза больше, чем при добыче фрезерного торфа. Меньшая зависимость от климатических условий позволяет значительно расширить географию добычи кускового торфа (эксперименты проводились в Нарьян-Маре, на Сахалине, Камчатке).

Кусковой торф можно высушить в полевых условиях до влажности 35 %, причем сушка продолжается и после уборки (за счет большой пористости штабелей). Кусковой торф не подвержен саморазогреванию, в то время как саморазогревание штабелей фрезерного торфа является серьезной проблемой для его производителей. Таким образом, он не изменяет своего химического состава при хранении, и поэтому является особенно ценным сырьем для химической промышленности.

Насыпная плотность кускового торфа примерно в полтора раза выше, чем у фрезерного. Это свойство позволяет значительно снижать транспортные расходы при доставке его потребителю.

Вследствие более низкой влажности и высокой плотности тепловая ценность у кускового торфа значительно выше.

Производство фрезерного торфа вследствие невысоких цикловых сборов и больших потерь (низкий коэффициент циклового сбора) требует значительных эксплуатационных площадей. Цикловые сборы при добыче кускового торфа гораздо выше, что позволяет добывать его на небольших площадях и соответственно на малых торфяных месторождениях.

Отсутствие пыли, больших вибраций в кабинах технологических машин, невысокие скорости их передвижения делают условия по производству кускового торфа более комфортными.

К отрицательным моментам при добыче кускового торфа можно отнести:

необходимость испарения большего количества воды, так как начальная влажность торфомассы составляет 80…88 %;

большие затраты энергии при механической переработке торфомассы;

сложность и сравнительно небольшая производительность применяемого технологического оборудования;

8

наличие карьеров после добычи кускового торфа экскаваторным способом.

Технологический процесс производства кускового торфа требует выполнения следующих операций:

экскавация торфа из залежи при помощи различных типов фрез или ковшей;

переработка извлеченного торфа путем перемешивания и диспергирования твердой фазы с целью получения пластичной торфомассы, состоящей из частиц оптимального фракционного состава и воды;

формование кусков из этой массы методом выдавливания под давлением через формующие насадки (экструзия);

стилка кусков в определенном порядке на поле сушки;

сушка, предусматривающая выполнение двух или трех механизированных операций;

уборка высушенного торфа, совмещенная с очисткой его от мелочи и крошек размером менее 0,025 м;

укладка готовой продукции в полевые штабеля, где он накапливается и хранится до реализации.

1.2. Экскавация торфа из залежи

Экскавацией называется процесс выемки торфа из залежи, осуществляемый внедрением исполнительного органа машины, наполнением его и передачей массы в транспортирующее или диспергирующее устройство.

При экскавации торфа дисковыми фрезами выполняются щелевое фрезерование залежи и подача торфяной массы в приемное устройство перерабатывающего механизма фрезформовочной машины. Дисковая фреза, показанная на рис. 1, представляет собой стальной диск с установленными на его наружной окружности держателями с режущими ножами. Ножи закрепляются на держателях болтами и легко заменяются в случае поломки или износа. Конструкция ножей может быть различной. Чаще применяются ножи с прямоугольной режущей кромкой и тарельчатого типа. Ножи с прямоугольной режущей кромкой имеют двустороннюю заточку и при износе режущей кромки могут переворачиваться. У ножа тарельчатого типа режущая кромка круглая. Она изнашивается на дуге 120°, и такой нож можно поворачивать три раза. Сверху фреза закрывается направляющим кожухом. Нижний конец кожуха скользит по поверхности залежи и играет роль отбойного устройства.

Дисковые фрезы на фрезформовочных машинах устанавливаются вертикально или с небольшим наклоном. Наклон фрез обеспечивает лучшее закрытие щелей после прохода фрезформовочной машины. Закрытие

9

щелей осуществляется задавливанием их гусеницами трактора и катками машин при последующих проходах.

Рис. 1. Схема дисковой фрезы: 1 –	диск; 2 – отбойная плита; 3 – кожух;
4 – шнек; 5 – держатели ножей; 6 – ножи

Площадь поперечного сечения щели, образующейся после прохода фрезформовочной машины, определяется из выражения

	f щ h ш b щ К щ или	fщ/	h ш b щ К щ	,	(1.2)
			cos α

где h щ , b щ – глубина и ширина щели, м; К щ – коэффициент уширения щели из-за биения фрезы (К щ 1,1); f щ – сечение щели, образуемое фрезой, имеющей наклон на угол , м 2 ; ( = 15 , машина МТК-12А).

При вычислениях, не требующих большой точности, наклоном фрезы можно пренебречь.

Производительность дисковой фрезы определяется ее параметрами и режимом работы. Техническая производительность фрезы определяется по формуле

Qфр		3600Vф n Кн	,	(1.3)
		Кр
где Q фр – производительность фрезы, м 3/ч; V ф –				максимальный объем

торфа, экскавируемый фрезой за 1 оборот, м 3 ; n – частота вращения фрезы, 1/с; К н , К р – коэффициенты фактического наполнения торфом объема фрезы и разрыхления торфа (К н = 0,2…0,3; К р = 1,2).

V ф = F н l ср ,

(1.4)

10

где F н – площадь рабочей поверхности ножа: F н = d 2 /4 (для круглых ножей, d – диаметр ножа, м) или F н = b h (для прямоугольных ножей), м 2 ; b – ширина ножа, м; l ср = 2 R ср – длина окружности фрезы, проходящей по средним точкам поверхности ножей, (м), R ср – средний радиус фрезы, м.

Rср 0,5( Д h),

(1.5)

где Д – диаметр фрезы, м; h – высота ножа, м.

Максимально возможная скорость машины исходя из производительности фрезы, м/ч

	υмакс					Qфр			.			(1.6)
						fщ		Кυ
макс уменьшается в зависимости от пнистости фрезеруемой залежи
введением в расчет коэффициента К пн :
	Пнистость слоя		0					0,5			1,0	1,5
	(П с , %)
	К пн		1					0,95			0,9	0,8
	Пс			Пз				1,5 % ,				(1.7)
				К ос

если П с > 1,5 % , то залежь корчуется и в расчет принимают остаточную пнистость П ост = П с (1 – К кач ), К кач – коэффициент качества корчевания

(К кач = 0,6…0,7).

Кроме дисковых фрез для экскавации торфа из залежи используются винтовые фрезы. Они применяются в качестве экскавирующего органа при глубокой щелевой экскавации торфяной залежи. Винтовые фрезы обеспечивают хорошее перемешивание торфа, и поэтому их целесообразно применять при фрезеровании верховых торфяных залежей, имеющих верхний слой слаборазложившегося торфа.

Винтовая фреза выполняется в виде цилиндра с установленными на нем по спирали съемными ленточными ножами (рис. 2). Фреза монтируется в сварном корпусе. Верхний конец ее входит в редуктор, от которого получает вращение. Нижний конец у нее съемный, в нем размещается нижняя подшипниковая опора. Фрезы могут иметь постоянный диаметр и быть с утолщением в нижней части. Они могут быть одновальными и двухвальными. Если фреза одновальная, то ее ножи кроме резания выполняют операцию транспортирования торфомассы снизу вверх в приемное устройство перерабатывающего аппарата. Это возможно, так как ножи представляют собой шнек, работающий в замкнутом пространстве. Если фреза двухвальная, то функцию транспорта торфа выполняет вторая (задняя) фреза, которая конструктивно изготавливается как транспортирующий шнек.