CC BY
72
УДК 622.34.012 И.В. Зеньков
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭКСКАВАТОРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СНЯТИЯ ПЛОДОРОДНОГО СЛОЯ ПОЧВЫ НА ИЗМЕНЕНИЕ ЕГО КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
В результате исследований получены математические модели - функциональные уравнения, описывающие зависимости изменения содержания гумуса и питательных элементов (азот, фосфор, калий и др.) в плодородном слое почвы в рекультивированных землях. Применение экскаваторных технологий в рекультивации земель на стадии снятия плодородного слоя почвы приводит к снижению содержания гумуса и питательных элементов в сдаваемых землях в 1,1-4 раза в зависимости от мощности ПСП и толщины прирезаемых нижележащих почвенных слоев. Использование результатов исследований в условиях разработки угольных месторождений открытым способом позволит производить корректировку технологий рекультивации земель с учетом особенностей морфологического строения плодородного слоя почвы и его качественных показателей.
В настоящее время в регионах Центральной и Восточной Сибири ведется интенсивная добыча угля открытым способом. Годовые объемы добычи угля имеют тенденцию к постоянному увеличению. Основным крайне негативным следствием применения открытых геотехнологий в открытой угледобыче является изъятие из хозяйственного оборота земельного фонда. Промышленные площадки крупных угольных разрезов, функционирующих в центральных районах Красноярского края (разрезы «Бородинский», «Назаровский», «Березовский», «Переясловский», «Канский» и др.), размещены на землях, интенсивно используемых в агропромышленном комплексе. Эти земли характеризуются высоким показателем комплексного плодородия (природное содержание гумуса 4-10%, достаточно высокое содержание нитратного азота, подвижного фосфора, обменного калия и других питательных элементов) и являются основой современного земледелия Сибири [1-4, 10]. Проблема возврата земель усугубляется тем, что в сданных после рекультивации землях, в нанесенном почвенном слое содержание гумуса и питательных элементов в несколько раз ниже природных показателей.
Согласно [5], собственники угольных разрезов обязаны проводить работы по рекультивации земель в объеме, позволяющем в дальнейшем эти земли использовать в народном хозяйстве. Но сегодняшняя практика рекультивации земель показывает, что наибольший удельный вес в структуре сданных земель имеют земли с категорией «для лесохозяйственного использования». Анализ тенденции сдачи земель говорит о том, что повсеместно в угледобывающих регионах Сибири (Кузбасс, Красноярский край, Иркутская область и др.) происходит замещение земель, имеющих большую ценность для общества в глобальном понимании, на земли с более низкими агротехническими и почвенно-химическими характеристиками.
Работы по горнотехнической рекультивации, согласно [5], производятся на всех без исключения вышеперечисленных угольных разрезах. Механизация работ по горнотехнической рекультивации предусматривает использование различной горной техники: мощные бульдозеры ДЭТ-250, Т-330 и их зарубежные аналоги фирм «Comatsu», «аегрШаг», «Р'аЬ и др.; гидравлические экскаваторы типа обратная лопата с ковшом емкостью 1,0-1,5 м3; шагающие экскаваторы ЭШ-10/60, 10/70; самоходные скреперы. Вся перечисленная горнодобывающая техника используется на первом этапе горнотехнической рекультивации - снятии плодородного слоя почвы (ПСП), гидравлические экскаваторы - на снятии и погрузке ПСП в транспортные средства, а самоходные скреперы - на снятии ПСП и его доставке до мест нанесения.
Вместе с тем, анализ проектов на разработку буроугольных месторождений, включающих описание работ по рекультивации нарушенных земель, показывает, что в них не учитываются особенности морфологического строения плодородного слоя почвы, находящегося в контурах горных работ, а также изменение в этих же контурах его качественных характеристик [6]. Анализ применения технологий рекультивационных работ в реаль-
ных условиях также указывает на то, что особенности морфологического строения ПСП и изменение его качественных показателей в контурах горных работ также не учитываются при составлении паспортов работы горного оборудования.
В этой связи малоизученными являются экскаваторные технологии снятия ПСП с позиции их влияния на объект воздействия - разрушаемый плодородный слой почвы.
На угольном разрезе «Канский» (расположен в 20 км от г. Канска, годовая производительность по добыче угля 5,0 млн т) на снятии ПСП задействованы гидравлические экскаваторы типа обратная лопата. В результате применения экскаваторных технологий к снимаемому ПСП неизбежно примешиваются нижележащие потенциально плодородные почвенные слои, не содержащие гумуса и питательных элементов, что приводит в итоге к уменьшению их содержания в снятом ПСП. Вполне естественным возник комплекс вопросов, на который необходимо дать научно обоснованный ответ: в какой степени применяемые экскаваторные технологии на стадии снятия ПСП оказывают влияние на изменение содержания гумуса и питательных веществ в снятом ПСП; какие геометрические параметры имеют плодородные слои почвы, подвергающиеся воздействию этих технологий в наибольшей степени? В этой связи, с целью выявления влияния технологии снятия ПСП экскаваторной техникой на его качественные показатели, и в первую очередь - содержание гумуса, проведены теоретические исследования, базирующиеся на известных методах математического моделирования [7].
В основу исследований положена разработанная математическая модель, описывающая технологический процесс снятия ПСП. Создание модели производилось с учетом известных принципов геометризации недр, широко используемых в горном деле [8, 9]. Основным показателем (фактором), используемым при подсчете объемов горных работ по снятию ПСП, является траектория перемещения ковша экскаватора при наборе ПСП в процессе его экскавации.
Гидравлический экскаватор типа обратная лопата, согласно организации работ в применяющейся технологии рекультивации, устанавливается на кровле ПСП, и по мере продвижения вдоль фронта горных работ производит его снятие. Возможные разновидности траектории перемещения ковша экскаватора по забою явились предпосылкой для исследования влияния технологий снятия ПСП с применением экскаваторов на изменение качественных показателей ПСП до и после его снятия.
На основе особенностей технических возможностей работы экскаватора данного типа (кинематика движения стрелы и рукояти) установлены две разновидности траектории движения ковша: траектория, характеризуемая непрерывным перемещением рабочего органа, и траектория, имеющая «пилообразную» форму. Последняя имеет несколько разновидностей, из которых в исследованиях принимались четыре основные, принципиально отличающиеся количеством заглублений ковша при его перемещении по забою в процессе снятия ПСП.
В этой связи в моделировании исследованы пять основных схем перемещения рабочего органа экскаватора - ковша - по экскаваторному забою.
Схема 1 имеет место при одновременном и непрерывном повороте в шарнирных соединениях стрелы и рукояти экскаватора (подъем стрелы и опускание рукояти). Конструктивные особенности работы экскаваторов данного типа не позволяют оператору экскаватора перемещать ковш по траектории, точно копирующей почву ПСП. Плодородный слой почвы в вертикальном пространственном измерении ограничен сверху земной поверхностью, а снизу - плоскостью, представляющей собой контакт ПСП с нижележащими подстилающими почвенными слоями, не содержащими гумуса. Верхнюю плоскость ПСП условно назовем «кровлей ПСП», а нижнюю ограничивающую ПСП плоскость - «почвой ПСП». В результате воздействия ковша экскаватора происходит подрезка нижележащих почвенных слоев, не содержащих гумуса.
Схемы с индексом II имеют место в случаях с неравномерным, цикличным опусканием стрелы и перемещением рукояти экскаватора в вертикальной плоскости. В зависимости от комбинации и чередования перемещения стрелы и рукояти оператором экскаватора имеют место четыре варианта траектории перемещения ковша экскаватора при наборе ПСП (схемы 11А, 11Б, 11В, 11Г).
В моделировании нами принимались следующие изменяемые параметры взаимодействия рабочего органа экскаватора - ковша - с ПСП: величина заглубления ковша ниже почвы ПСП изменялась от 0,1 до
0,3 м; длина горизонтальной проекции траектории движения ковша принята исходя из рабочих параметров экскаватора - максимальный радиус черпания на уровне установки экскаватора принимался равным 6 м; варьирование мощности ПСП устанавливалось в диапазоне 0,1-0,5 м, что соответствует морфологическим особенностям строения ПСП, находящегося в контурах горных работ. Всего нами было составлено 75 возможных комбинаций схем работы гидравлического экскаватора типа обратная лопата в увязке с природны-
ми геометрическими показателями ПСП. В этих комбинациях достаточно полно учитываются возможные сочетания конструктивных особенностей работы экскаватора и природных значений ПСП.
В процессе отработки тонких слоев ПСП мощностью 0,1-0,2 м наполнение ковша происходит при его движении по всей траектории безостановочно. В процессе отработки слоев ПСП свыше 0,2 м, в зависимости от толщины прирезаемых нижележащих почвенных слоев, по мере заполнения ковша, оператор экскаватора выводит ковш из забоя для разгрузки ПСП. Далее, ковш в точке вывода его из забоя вновь заглубляется и происходит последующее его наполнение за счет продвижения по забою. Данные особенности отработки слоев ПСП различной мощности экскаватором учитывались при составлении математической модели.
В моделировании нами принята следующая система ограничений технологических параметров и природных геометрических показателей ПСП: минимальное и максимальное заглубление ковша экскаватора ниже почвы ПСП принято 0, 1-0,3 м соответственно; минимальная и максимальная мощности ПСП принята 0,1-0,5 м.
СХЕМА 1
СХЕМА II А
СХЕМА II Б
СХЕМА II В
1
Рис. 1. Схемы, иллюстрирующие траектории движении ковша гидравлического экскаватора типа обратная лопата при снятии ПСП:
1 - траектория движения ковша экскаватора по забою при снятии ПСП; 2 - линия, показывающая глубину распространения гумусосодержащего горизонта (мощность ПСП, м)
В моделировании порядок расчетов принимался следующим.
1. По характерным точкам, находящимся в местах изменения траектории движения ковша, определяется основа математической модели - функциональное уравнение. Последнее математически описывает исследуемый процесс - наполнение ковша при снятии ПСП. Такие уравнения выборочно представлены в таблице 1 для условий, характеризующих усредненные показатели: мощность ПСП принималась равной
0,3 м, заглубление ковша при снятии ПСП ниже его почвы принималось равным 0,2 м.
Таблица 1
Уравнения, описывающие траекторию движения ковша гидравлического экскаватора типа обратная лопата при снятии ПСП
Схема экскавации Функциональное уравнение
Схема I у = -0,0178571 х2 + 0,1071429х + 0,29511
Схема II А у = -0,0110714х2 + 0,0667857х + 0,34357
Схема II Б у = -0,0081817х2 + 0,0492326х + 0,36093
Схема II В у = -0,0067732х2 + 0,0407493х + 0,36857
Схема II Г у = -0,0071225х2 + 0,0457653х + 036154
2. С использованием стандартных программ (Advanced Grapher) рассчитываются площади поперечного сечения, образуемые траекторией перемещения ковша, земной поверхностью и двумя короткими отрезками, ограничивающими траекторию: на начальной стадии - заглубление и на конечной стадии - вывод ковша из забоя после его наполнения.
Площадь сечения Si, используемого при подсчете объема снимаемого ПСП для схемы 1, рассчитаем по формуле
6
S1 = J - 0,0178571х2 + 0,1071429х + 0,29511dx, м2,
0
Площадь сечения So, используемого при подсчете объема ПСП, находящегося в целике, рассчитаем по формуле
Sо — тпсп ' 1ТР1 , м2,
где шпсп - мощность ПСП, м; /tpi - длина траектории движения ковша экскаватора при снятии ПСП (горизонтальная проекция), м.
3. Объем прирезаемых нижележащих пород рассчитывается как произведение разницы общей площади вертикального сечения забоя экскаватора и площади ПСП в этом же сечении на ширину ковша экскаватора.
Объем снимаемого ПСП Vi для схемы 1 рассчитаем по формуле
V — S1 • ВК, м2,
где Вк - ширина ковша, м.
Объем ПСП, содержащегося в снимаемом объеме, перемешанном с нижележащими почвенными слоями, рассчитаем по формуле
Vncn — SО • ВК , м3.
4. В общем (снятом) объеме ПСП (он больше на величину объема прирезаемых пород) рассчитывается процентное содержание гумуса, исходя из показателей гумуса, содержащегося в ПСП в природном состоянии.
Содержание гумуса Ci в снятом ПСП рассчитаем по формуле
с — Vncn • с • 100, % ,
1 V О где Со - природное содержание гумуса в ПСП, %.
Природное содержание гумуса в ПСП в зависимости от мощности принималось в расчетах 4, 5, 6, 7, 8% соответственно для мощности ПСП, равной 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 м. Показатели содержания гумуса в снятом ПСП, с использованием экскаваторных технологий, представлены в таблице 2
Таблица 2
Содержание гумуса в снятом ПСП, %
Схема Мощность ПСП, м
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
1 2 3 4 5 6
Схема I m=0,1 2,67 3,91 5,02 6,20 7,31
m=0,2 1,92 3,30 4,51 5,51 6,61
m=0,3 1,53 2,82 3,93 5,02 6,12
Окончание табл. 2
1 2 3 4 5 6
Схема II А
т=0,1 2,52 3,78 4,91 6,13 7,25
т=0,2 1,78 3,19 4,42 5,43 6,54
т=0,3 1,38 2,69 3,83 4,92 6,03
Схема II Б
т=0,1 2,39 3,66 4,82 6,06 7,20
т=0,2 1,62 3,18 4,34 5,35 6,51
т=0,3 1,23 2,57 3,75 4,85 6,0
Схема II В
т=0,1 2,24 3,54 4,73 6,00 7,16
т=0,2 1,47 3,16 4,25 5,28 6,47
т=0,3 1,08 2,45 3,66 4,78 5,96
Схема II Г
т=0,1 2,10 3,41 4,65 5,93 7,12
т=0,2 1,32 3,15 4,17 5,20 6,42
т=0,3 0,94 2,34 3,56 4,70 5,9
По результатам таблицы 2 получены зависимости изменения содержания гумуса в снимаемом ПСП в виде уравнений по исследуемым схемам снятия ПСП гидравлическим экскаватором типа обратная лопата. Всего было составлено 75 функциональных уравнений, отражающих изменение качественных характеристик ПСП. В таблице 3 выборочно представлены полученные зависимости для условий, характеризующих усредненные показатели: мощность ПСП принималась равной 0,3 м, заглубление ковша при снятии ПСП ниже его почвы принималось равным 0,1; 0,2; 0,3 м .
Таблица 3
Зависимости изменения содержания гумуса (у) в плодородном слое почвы, снимаемом с применением экскаваторных технологий
Схема экскавации Функциональное уравнение
Схема I у = -3,5х2 - 4,05х + 5,46
Схема II А у = -5,0х2 - 3,40х + 5,30
Схема II Б у = -5,5х2 - 3,15х + 5,19
Схема II В у = -5,5х2 - 3,15х + 5,10
Схема II Г у = -6,5х2 - 2,85х + 5,00
Использование уравнений, описывающих изменение содержания гумуса, представленных в таблице 3, корректно в расчетах по определению изменения содержания питательных элементов (К, N, Р) , находящихся в ПСП.
Выводы
1. В ходе математического моделирования получены уравнения, описывающие процесс экскавации ПСП на основе главного параметра - траектории движения ковша по забою. Траектория движения ковша экскаватора при снятии ПСП с достаточной точностью описывается параболическим уравнениями второго порядка.
2. Установлено, что в результате снятия ПСП по технологии с применением экскаваторной техники содержание гумуса и ОПВ в ПСП мощностью 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 м изменяется соответственно в 1,5-4,2; 1,28-2,14; 1,2-1,7; 1,13-1,5; 1,1-1,36 раза в зависимости от заглубления ковша экскаватора ниже почвы ПСП и конфигурации траектории перемещения ковша по забою.
3. Практическое применение результатов моделирования позволит прогнозировать изменение качественных показателей (гумус, питательные элементы азот, калий, фосфор) снимаемого ПСП при проведении горнотехнической рекультивации; сократить издержки на проведение работ по агрохимическому анализу сдаваемых земель в хозяйственный оборот.
Литература
1. Очерк почвы совхоза «Искра», п/я Р-6241 и рекомендации по их использованию / Ин-т «Востсибгипро-зем». - Красноярск, 1976. - 173 с.
2. Технический отчет по почвенным изысканиям совхоза «Искра» Рыбинского района Красноярского края / Ин-т «Востсибгипрозем». - Красноярск, 1991. - 109 с.
3. Почвенный и агрохимический очерк культурного многолетнего пастбища / Сиб. науч.-исслед. ин-т гидротехники и мелиорации. - Красноярск, 1975. - 39 с.
4. Пояснительная записка к материалам комплексного агрохимического обследования сельскохозяйственных угодий ПХ «Искра» ФГУП ПО ЭХЗ Рыбинского района Красноярского края / Федеральное гос. учреждение «Станция агрохимической службы «Солянская». - Н. Солянка, 2005. - 21 с.
5. Федеральный закон «О недрах» от 21 февраля 1992 г.
6. Корректировка проекта (ТЭО) отработки Бородинского буроугольного месторождения / СПбГИПРО-ШАХТ. - СПб., 2003.
7. Гринин, А.С. Математическое моделирование в экологии: учеб. пособие для вузов / А.С. Гоинин. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. - 269 с.
8. Букринский, А.А. Геометрия недр / А.А. Букринский. - М.: Недра, 1985. - 526 с.
9. Трофимов, А.А. Основы маркшейдерского дела и геометризации недр / А.А. Трофимов. - М.: Недра, 1985. - 263 с.
10. Методические указания по проведению комплексного мониторинга плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения / под ред. Л.М. Державин, Д.С. Булгаков. - М.: Изд-во ФГНУ «Росинформагро-тех», 2003. - 240 с.
-----------♦'------------
УДК 631.811.1+631.811.2 А.А. Шпедт
ОБЕСПЕЧЕННОСТЬ ЧЕРНОЗЕМОВ ПОДВИЖНЫМ АЗОТОМ И ФОСФОРОМ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОДЕРЖАНИЯ ГУМУСОВЫХ ВЕЩЕСТВ
В статье показаны зависимости содержания подвижного азота и фосфора от количества общего гумуса и подвижных гумусовых веществ, экстрагируемых децинор-мальным раствором щелочи в пахотных черноземах Красноярского края. Зависимости между содержанием подвижных гумусовых веществ и формами азота и фосфора теснее, чем связи между общим содержанием гумуса и подвижными азотом и фосфором.
Введение. Азот является основным лимитирующим элементом для растений практически во всех зонах, где возделываются сельскохозяйственные культуры [10, 14, 20]. В Сибири высокое и очень высокое содержание нитратного азота характерно лишь для 1/4-1/5 частей посевных площадей [5]. По мнению Г.П. Гамзикова, около половины выращиваемых культур ежегодно испытывают азотное голодание, для устранения которого необходимо вносить азотные удобрения. В пахотных почвах Красноярского края в первом минимуме находится азот, во втором фосфор и в третьем калий. Установлено [18], что наиболее эффективны азотные удобрения, а наиболее целесообразное соотношение NРК - 4,5:3,5:2,0.
Содержание фосфора в почве предопределено материнской породой, гумусом почвы и ее сельскохозяйственным использованием. По мнению А.Е. Кочергина [11], основная причина потребности зерновых культур в усиленном фосфорном питании - неблагоприятное соотношение между доступными растениям соединениями азота и фосфора в почве. По данным Государственного центра агрохимической службы «Красноярский», на 2/3 площади пашни Красноярского края необходимо внесение фосфорных удобрений.
Учитывая роль подвижного азота и фосфора в земледелии, важно было проследить тесноту связи между их содержанием в почве и содержанием общего гумуса и подвижных гумусовых веществ. Для выполнения этой задачи в 2003-2004 гг. был проведен отбор почвенных образцов в АО «Локшинское» и АО «Искра» Ужурского района Красноярского края.
