CC BY
160
УДК 553.973:622.648 В.А. Дементьев
СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ДОБЫЧИ САПРОПЕЛЕЙ ЕСТЕСТВЕННОЙ ВЛАЖНОСТИ
Приведены сведения о разработке обводненных сапропелевых месторождений в настоящее время с применением средств гидромеханизации. Выявлены свойства сапропеля влияющие на его выемку и гидротранспортирование. Предложены новые технические и технологические решения добычи сапропеля.
Ключевые слова: сапропель, нагорный гидротранспорт, концентрация, влажность, породозаборное устройство.
~МУ результате разработки обводи ненных залежей сапропеля известными способами с применением обычных земснарядов наблюдается ряд следующих негативных явлений:
- разбавление сапропеля большим объемом свободной воды перед всасыванием;
- образование облака взвеси в зоне забоя вследствие работы фрезы, ротора, шнека, гидрорыхлителя, грейфера или ковша экскаватора;
- всасывание и гибель рыбы,
- ухудшение прилегающего к озеру ландшафта из-за отторжения больших территорий под образование карт намыва;
- обмеление озера из-за перекачки больших объемов воды в карты намыва;
- большие затраты по осветлению возвратной воды;
- намыв сильно разбавленного водой сапропеля в чеки отстойники с последующим его длительным осаждением и промораживанием;
- потеря 15-20% водорастворимой органики, азота в результате обезвоживания и промораживания;
- загрязнение сапропеля в чеках-отстойниках семенами сорных растений, пометом птиц, грызунов, зверей;
- потеря исходного качества сапропеля.
Исследования образцов сапропелей, взятых из озер Пильвелю, Веверу, Пури-шу, Ивушка, Лудзу (Латвия), Самро (Россия) показали, что реологические свойства сапропеля, влияющие на его выемку и транспортировку в напорном трубопроводе, меняются по толщине залежи в зависимости от влажности, содержания органического вещества и золы в образцах. Высокое содержание органики в образцах обеспечивает более высокую влажность сапропеля, низкое сопротивлений сдвигу и большую подвижность (текучесть) сапропеля в залежи. И наоборот, высокая зольность взятых образцов соответствует более низкой влажности, большей плотности, большему сопротивлению сдвигу и меньшей подвижности (текучести) сапропеля. В этой связи, при разработке сапропеля, необходимо установить границу залегания сапропеля в вязко-текучем и тугопластичном состоянии, т.к. различие реологических характеристик требует различных способов и средств его разработки. Определение реологических характеристик предоставленных образцов произведено на цилиндрическом ротационном вискозиметре Rheotest 2.1 коаксиальными цилиндрическими измерительными устройствами.
£ К
5 С
й 3
ш1 Э
и ■!!
О
и
нн
ь
н
я
н
и
Е4
к
я
К онценгр ащ ы сух ого в ещ ест в а
Рис. 1. Зависимость статического предельного напряжения сдвига от концентрации сухого вещества
Концентрация сухого вещества
Рис. 2. Зависимость динамического предельного напряжения сдвига от концентрации сухого вещества
3 4 2 1
Породозаборное устройство (ПЗУ):
1 - ковш. 2 - распорка. 3 - всасывающий патрубок. 4 - погружная камера
В зависимости от влажности исследуемого сапропеля использованы цилиндрические устройства К, S1 и S2, различающиеся по геометрическим размерам. С 3-х кратной повторностью снимали зависимость между напряжением сдвигу и скоростью сдвига во всем диапазоне от 0,1 до 437,4 с-1
Скорость сдвига указана в прилагаемой к инструкции по эксплуатации таблице ступеней скоростей вращения.
Результаты исследований образцов сапропеля приведены в таблице.
Разработка сапропелей методом вертикальной погружной трубы не эффективна, т.к. требует частых перестановок трубы, а часовая производительность такого способа составляет в среднем всего несколько метров кубических в час. Разработка сапропелей одноковшовыми (штанговыми) земснарядами тоже мало эффективна в виду тяжеловесности оборудования,
цикличности процесса выемки, большого взмучивания в зоне выемки.
Осуществить втягивание сапропеля естественной
влажности с помощью фрезерного или шнекового земснаряда невозможно ввиду высокой вязкости и срыва вакуума, т.к. грунтовые центробежные насосы рассчитаны на всасывание жидкой подвижной гидросмеси. Всасывание подразумевает всасывание воды с одновременным извлечением породы в потоке воды, а втягивание подразумевает извлечение вязко-текучей или вязко-пластичной породы без разбавления водой.
Осуществить втягивание структурированного сапропеля вертикальной или наклонной погружной трубой осложнено в связи с тем, что трудно заполнить образующийся вакуум в зоне втягивания перед входом в ПЗУ, т.к. сапропель имеет высокую вязкость и сопротивление породы сдвигу.
По этой причине, разряжение, создаваемое на входе в сосун (ковш), ломает структуру сапропеля и втягивает его в небольшом локальном объеме вокруг входа в ковш. После чего, под действием силы тяжести, происходит подвижка прилегающих слоев, особенно возле стенок погружной трубы, поскольку при работе насоса вибрации передаются на близь лежащие слои породы, ослабляя их структурные связи. В результате самой подвижной зоной забоя оказывается область, расположенная сверху вокруг погружной трубы. Сапропель начинает поступать в зону втягивания сверху вдоль стенок погружного агрегата. В кровле залежи начинает образовываться воронка, через которую к ПЗУ быстро проникает вода ввиду более высокой
LZ
№ образца Озеро Объем воды к исходному, 0 0 Влажность, о/о Влагосо- держанне, кг/кг Концентрацій сух. вещ., % Золь- ность, °/о Предельное напряжение сдвигу, Па Вязкость, Па с
стати- ческое динами- ческое гшасти- ческая динами- ческая
1 Пішверю 100 96.41 26.86 3,59 17,60 17.4 63.2 3,42 0,07
120 '■О о о 3233 3,00 7,9 28.1 1,34 0,06
145 97,50 39,00 2,50 4.1 14.0 0,76 0,04
182 98,00 49,00 2,00 1,7 3.8 0,21 0,02
245 98,50 65,67 130 1,3 2,2 0,17 0,01
369 99,00 99,00 1,00 1,0 1,7 0,15 0,01
2 BeBqjy 100 96,78 30,06 322 1630 6,1 17,5 1,12 0,06
108 97,00 3233 3,00 3,6 13,5 0,81 0,05
130 97,50 39,00 2^0 2,5 7,7 0,46 0,03
163 98.00 49.00 2.00 1,7 2,2 0.20 0.02
218 98,50 65,67 1,50 1.1 1,8 0,15 0,01
329 99,00 99.00 1,00 0,6 1,6 0,12 0,01
3 Пуришу 100 95,35 20,51 4,65 1430 6,7 23,5 0,98 0,08
117 96,00 24,00 4,00 3,3 11,5 0,53 0,03
134 96,50 27,57 3,50 2,5 7,9 0,40 0,02
158 97,00 3233 3,00 1,9 5,0 0,33 0,01
190 V© і 'Л О 39,00 23 0 1,4 3,6 0,26 0,01
239 98,00 49,00 2,00 1,0 2,6 0,23 0,01
320 98,50 65,67 130 0,8 2,0 0,18 0,01
483 99,00 99,00 1,00 0,6 1,7 0,15 0,004
Ц»-----------------------
1#-----------------------
ш------------------------
подвижности, чем у сапропеля. Таким образом, процесс втягивания сапропеля естественной влажности остается неустойчивым и кратковременным.
Вывод: Объем устойчивой подачи сапропеля естественной влажности возможно увеличить за счет распространения (расширения) зоны втягивания породы в горизонтальной плоскости.
Это возможно осуществить двумя способами: за счет увеличения ширины ПЗУ и за счет его перемещения в горизонтальной плоскости.
Оба показателя имеют взаимосвязанные ограничения и требуют оптимизации. Чрезмерное увеличение ширины ПЗУ усложняет внедрение ПЗУ в породу, увеличивает лобовое сопротивление ПЗУ при его горизонтальном перемеще-
нии, а увеличение скорости горизонтального перемещения приводит к резкому возрастанию нагрузок на ходовые и энергетические устройства земснаряда.
При этом перемещение ПЗУ в горизонтальной плоскости может осуществляться двумя способами: постоянным равномерным продвижением ПЗУ (ПРП) в толще сапропеля, или периодическим продвижением с промежуточными остановками (ПППО).
Первый способ ПРП необходимо использовать при повышенной вязкости и сопротивлении сдвигу, второй- при текучей консистенции сапропеля.
Указанные способы выемки сапропеля эффективно вести с помощью ПЗУ, выполненного в виде плоского ковша проникающего типа,
К0р01ПК0 об ивШОре еских наук, соискатель, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
