CC BY
119УДК 622.53.001
Зюзин Б.Ф.
Зюзин Борис Федорович, д. т. н., зав. кафедрой торфяных машин и оборудования Тверского государственного технического университета (ТвГТУ), профессор. zbfru@yandex.ru
Шамбер О.В.
Шамбер Олег Владимирович, доцент кафедры торфяных машин и оборудования ТвГТУ
ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ КУСКОВОГО ТОРФА С СУШКОЙ НА СЕТКАХ
Аннотация. Дано описание варианта технологии добычи кускового торфа с сушкой на сетках и приводится расчет основных показателей технологического процесса с учетом и без предварительной подсушки торфомассы и в навале.
Zyuzin B.F.
Zyuzin Boris F., Dr. Sci., Prof., Head of the Chair of Peat Machinery and Equipment, TSTU, Professor
Shamber O.V.
Shamber Oleg V., PhD, Associate Professor of the Chair of Peat Machinery and Equipment, TSTU
MAIN INDICATORS OF MINING TECHNOLOGY OF SOD PEAT WITH DRYING ON GRIDS
Abstract. The description of option of technology of extraction of sod peat with drying on grids and calculation of the main indicators of technological process with and without taking into account of preliminary subdrying of raw peat and in a pile are given.
Ключевые слова: экскавация, навал, сушка, площади, циклы, цикловые и сезонные сборы, уборка.
Key words: peat excavation, pile, drying, areas, cycles, harvesting.
^Описание технологии с предварительной подсушкой торфяной массы в навале
Это один из вариантов технологии производства кускового торфа с сушкой на сетках. Особенность технологического процесса заключается в том, что извлеченный из залежи торф не грузится в бункер стилочной машины, а укладывается в навал вдоль карьера для предварительного обезвоживания. Обезвоживание происходит за счет фильтрации свободной (не связанной) воды в подстилающий грунт под действием гравитационных сил и за счет испарения с поверхности навала. Торф выдерживается в навале в течение 5-7 суток. Его средняя влажность уменьшается примерно до 84 ... 86%.
При этом, чем выше влажность торфа в карьере, тем эффективнее протекает процесс предварительного обезвоживания.
Технология применяется при трудной осу-шаемости торфяной залежи, т. к. позволяет извлекать торф, обладающий повышенной влажностью 87-88% [1].
Навал должен быть одноцикловым, иначе при большом объеме торфа при укладке он будет растекаться. Обезвоженный торф при помощи грейферного погрузчика (или любого другого) перекладывается в бункер стилочной машины.
Стилочная машина перемешивает его в течение нескольких минут (5-7), формует куски и выстилает их на сетки, поднятые над поверхностью торфяной залежи на высоту 0,5 м. Предполагается, что снижение начальной влажности торфа позволит сократить среднюю продолжительность сушки одного расстила кусков до первого критического влагосодержания (7075% для разных торфов) примерно до 7 суток.
Тогда количество слоев (или технологических циклов) на сетках можно увеличить до 15.
Экскаватор делает первый навал за неделю до начала стилки кусков и опережает стилку на цикл в течение всего сезона добычи. Гравитационное обезвоживание торфа в навале наиболее интенсивно в начале выдержки, потом процесс замедляется. Радиационная сушка охватывает только верхний слой навала на небольшую глубину [2].
Поэтому навал может лежать и более продолжительное время, оставаясь пригодным для формования.
Это позволяет использовать экскаватор периодически. Он делает круговой проход вдоль карьера с двух сторон, уложит торф в навал и некоторое время может выполнять другие работы.
Количество готовой продукции на единице площади контейнеров
Размеры кусков в момент формования: диаметр - 10 см, длина - 15 см.
Плотность стилки, соответствующая плотному однослойному расстилу Кс = 0,785.
При стилке внаброс (куски падают из мундштуков на сетку с высоты немного более 1,5 своего диаметра, отламываясь после выхода из мундштуков под действием силы тяжести, имеют длину около 1,5 диаметра) она может быть доведена до Кс = 0,8.
Стилка внаброс предпочтительнее, т. к. позволяет стекать воде и улучшает вентиляцию сохнущего торфа.
Загрузка площади контейнеров:
Рс = Кс ■ dк ■ ук/(1 + О =
= 0,8 ■ 0,1 ■ 965/(1 + 5,67) = 11,6 кг/м2,
где Кс - критерий слоя; dк - диаметр кусков, м; ук - плотность кусков, кг/м3; wэ - влагосодер-жание экскавированного торфа, кг/кг.
Количество готовой продукции на 1 м2 площади сетки при условной влажности (д):
q = Рс ■ (1 + wус) ■ ас = 11,6 ■ (1 + 0,5) = 16,5 кг/м2,
где wус - условное влагосодержание кускового торфа (округленно 0,5) кг/кг; ас - коэффициент сбора, учитывающий потери при уборке. Цикловой сбор - 165 т/га. Сезонный сбор:
дс = д ■ пц = 165 ■ 15 = 2475 т/га.
Количество контейнеров и их общая площадь
Площадь одного контейнера (принимается):
/ = Ьк ■ 1к = 3 ■ 4,5 = 13,5 м2. Общая площадь всех контейнеров: Р = Ргод /дс = 3000/2475 = 1,212 га (12 120 м2).
Количество контейнеров:
^ = Р// = 12 120/13,5 = 897 шт.
Ширина полосы, занимаемая одним рядом контейнеров (равная длине участка карьера, откуда торф выстилают на этот ряд контейнеров):
Вк = 2 ■ Ьк + 2 ■ Ьс1 = 2 ■ 3 + 2 ■ 5 = 16 м,
где Ьк - ширина одного контейнера; Ьст -ширина полосы для прохода стилочной машины.
Общая длина карьера, по принятому условию, равна 500 м, из них рабочая, кратная 16, составит Ьк = 496 м.
Количество рядов контейнеров с двух сторон карьера:
N = 2 ■ (Ьк - Вк) /1к = 2 ■ (496 - 16)/16 = 60
(по 30 рядов с каждой стороны карьера). Площадь одного ряда контейнеров:
/р = ?к/пр =12 120/60 = 202 м2.
Длина одного сдвоенного ряда контейнеров:
1р = ^ /Ьр = 202/6 = 33,67 м,
где Ьр - ширина сдвоенного ряда контейнеров, м. Число контейнеров в сдвоенном ряде:
"к = /р //к = 202/13,5 = 14,96.
Округляем и принимаем уточненное количество контейнеров пк1 = 16 шт. (2 ряда по 8 шт.).
Уточненная длина ряда контейнеров:
Ьк1 = 1к ■ пр = 4,5 ■ 8 = 36 м.
Общее количество контейнеров после уточнения их количества:
Nк1 = пр ■ пк1 = 60 ■ 16 = 960 шт. Общая площадь всех контейнеров: = /к ■ пк1 = 13,5 ■ 960 = 12 960 м2
Запасы, вырабатываемые за сезон
Промышленные запасы торфа, вырабатываемые за сезон (Упр):
V = Р /р
г пр 1 год / Г'
где р - выход готовой продукции из 1 м3 промышленных запасов, кг/м3,
р = уз ■ (100 - шз)/(100 - шус) = 860 ■ (100 - 88)/ /(100 - 33) = 154 кг/м3 = 0,154 т/м3,
где Уз - плотность залежи, кг/м3; и шус -относительная влажность осушенной залежи и условная влажность,%, тогда получим
Vпр = 3000/0,154 = 19 532 м3.
Промышленные запасы торфа, вырабатываемые за сезон, с учетом потерь в карьере из-за пней:
V™! = кп ■ V™ = 1,1 ■ 19 532 = 21 485 м3.
Основные параметры карьера
Глубина, принята равной 3 м (йк). Длина, соответствует длине участка - 496 м
(¿к).
Ширина карьера, вырабатываемая за сезон:
Ьсез = ^/(Ьк ■ = 21 485/(496 ■ 3) = 14,44 м.
Ширина карьера, вырабатываемая за 1 рабочий проход экскаватора с одной стороны:
Ьк = Ьсез /пц ■ 2 = 14,44/15 ■ 2 = 0,481 м.
Ширина карьера, вырабатываемого за 15 лет:
Вк = 15 ■ Ьсез = 15 ■ 14,44 = 216,6 м.
Размеры участка для добычи кускового торфа
Общая ширина участка, необходимая для работы в течение 15 лет:
Вуч = Вк + Ькк + 2 ■ (Ь1 + Ьр1 + Ь2),
где Ькк - ширина карьерного канала, м; Ь1 -ширина разворота стилочной машины, м; Ьр1 - длина ряда контейнеров, м; Ь2 - ширина полосы загрузки стилочной машины, м:
Вуч = 216,6 + 5 + 2 ■ (10 + 36 + 10) = 333,6 м.
Общая площадь технологического участка:
^ = (Ьк + Ь0к + Ьпк) ■ (Вуч + 2ЬнД
где Ьок, Ьнк, Ьпк, Ьнк - ширина отводящего, противопожарного и нагорного каналов:
= (496 + 5 + 2,5) ■ (333,6 + 2 ■ 1,5) = = 169 478 м2 = 17 га.
Примечание: торф необходим только для формования из него кусков. Следовательно, поля сушки могут располагаться за пределами торфяной залежи [3].
Описание новой технологии
без предварительной подсушки торфомассы
Технология добычи кускового торфа с сушкой кусков в многослойном расстиле на сетках была предложена кафедрой «Торфяные машины и оборудование» Тверского политехнического института.
Рассматривалось несколько вариантов.
Один из них - сушка кусков в многослойном расстиле на сетках без предварительной подсушки торфа в навалах после экскавации.
Выемка торфа из залежи выполняется одноковшовым экскаватором. Он вынимает торфяной грунт, очищает его от древесных включений и грузит в бункер стилочной машины.
При хорошем осушении карьера, влажность формуемых кусков может составлять 84-86%.
Сушка кусков ведется на сетках, поднятых над поверхностью торфяной залежи на высоту до 50 см.
Такая высота обеспечивает хорошую вентиляцию подсеточного пространства, благоприятно воздействуя на сушку кусков.
Куски выстилаются на сетки плотным слоем и сушатся до влажности 70-75%, т. е. до момента, когда процесс сушки переходит из периода с постоянной интенсивностью испарения в убывающий.
Эта точка на кривой интенсивности испарения называется первым критическим вла-госодержанием.
К этому времени куски уже приобрели определенную прочность и дали усадку. Слой кусков стал разреженным, проницаемым для осадков и воздуха.
На этот слой выстилается новый из свеже-сформованных кусков.
После того как он высохнет до первого критического влагосодержания, на него выстилают третий и т. д.
В течение сезона таких расстилов (циклов) можно выполнить 10.15, в зависимости от метеорологических условий района расположения предприятия по добыче торфа.
Ниже приводится ориентировочный расчет основных показателей такой технологии, основанный на экспериментальных данных.
Основные операции и их механизация
1. Экскавация торфа из залежи с удалением пней (одноковшовый экскаватор).
2. Погрузка торфа в бункер стилочной машины (одноковшовый экскаватор).
3. Переработка и перемешивание торфа, формование и стилка кусков (стилочная машина АСК-0 или АСК-1).
4. Сушка кусков в отрыве от подстила (сетчатые контейнеры).
5. Погрузка высохшего торфа (экскаватор или погрузчик).
6. Транспорт и разгрузка на складе (трактор с прицепом или автомобиль).
Сырьевая база и программа производства
Для расчета использовалась торфяная залежь низинного типа со степенью разложения торфа 20%.
Годовая программа производства принята равной 3000 т кускового торфа с пересчетом на условную влажность.
Схема технологического участка
Для участка выбрана площадка 500x370 м по осям оконтуривающих ее каналов общей площадью 18,5 гектара.
Глубина торфяного пласта после осушения - 3,5 м.
Залежь осушается на всю глубину.
Участок можно выбирать в пределах действующих полей добычи фрезерного торфа, в зоне прирезок и на отдельных торфяных месторождениях, в том числе небольших по площади.
Чем глубже будет залежь, тем компактнее будет производство по площади.
Необходимо предусмотреть возможность осушения торфяной залежи на всю глубину экскавации с учетом ее осадки [1].
Продолжительность работы участка
При годовом масштабе производства 3000 т и соответствующих размерах участка продолжительность работы участка без дополнительной прирезки площадей составит 15 лет.
Подготовка площади
При подготовке площади к эксплуатации выполняются операции:
отрывка водоотводящих каналов (карьерного, до водоприемника, нагорных) и противопожарных каналов; сведение древесной и кустарниковой растительности;
корчевка верхнего слоя и вывозка пней; засыпка старых картовых каналов (если участок расположен в границах действующего или законсервированного предприятия по добыче фрезерного торфа); разравнивание и уплотнение верхнего слоя залежи;
отрывка временной открытой осушительной сети в виде картовых каналов через 40 м со сбросом воды в карьерный канал; засыпка временных каналов после окончания осушения залежи и после прекращения ее осадки (в условиях вновь подготавливаемого участка);
дренирование площади на глубину 0,6 м со сбросом воды в карьер (открытые каналы будут мешать работе машин).
Основные технологические показатели
1. Продолжительность сезона:
• начало сезона - 1 июня (если погода позволяет, можно начать раньше);
• конец сезона - 20 сентября;
• общая продолжительность сезона - 110 дней, из них рабочих - 100.
2. Продолжительность сушки одного расстила: по экспериментальным данным сезона 1985 года, продолжительность сушки от 85 до 72% сильно варьирует.
Данные о продолжительности сушки верхних слоев приведены в таблице.
Общее количество опытов п = 36. Средняя продолжительность сушки Т = 8,014 дня. Среднее квадратическое отклонение ат = 3,41 дня (табл. 1).
Средняя продолжительность сушки 8 дней не обеспечивает нужного уровня надежности технологического процесса (степень обеспеченности ш = 50%). Для ее повышения нужно увеличить степень обеспеченности до ш = 70%. Количество технологических циклов, или число слоев в многослойном расстиле, соответствующее средней продолжительности сезона 100 дней при продолжительности сушки одного слоя 8 дней, составит:
Таблица 1. Продолжительность сушки кусков на сетке (дней), поднятой над поверхностью залежи на 30 см (куски с начальным диаметром 10 см и длиной 15 см)
Tablel. Duration of drying of pieces on the grid raised over a deposit surface by 30 cm (pieces are of 10 cm in diameter and 15 cm in length)
Сетка Стилка Т 1 средн.
1 2 3 4 5 6
1 5 12,5 9,5 4 11 8,5 8,42
2 5 12 9 3 11,5 10,5 8,5
3 3,5 11,5 10 3,5 11,5 8,5 8,08
4 3,5 12 6 3,5 12 8 7,5
5 4,5 12 7 2,5 12 8 7,7
6 5 12 8 2,5 12 8 7,9
Средняя 4,42 12 8,25 3,2 11,7 8,58 8,014
n50 = 100 : 8 = 12,5 дня.
При степени обеспеченности ш = 70%:
п70 = п50 - С ■ ап,
где t - нормированное отклонение; ап - среднее квадратическое отклонение количества циклов.
ап = 0,41 ■ N50 = 0,41 ■ 12,5 = 5,1. Ф(С) = 1 - 0,02 ■ ш = 1 - 0,02 ■ 70 = -0,4.
По таблице интеграла вероятности Ф имеем: п = 0,53.
Тогда п70 = 12,5 - 0,53 ■ 5,1 = 9,8, округленно 10 циклов.
Тогда продолжительность сушки одного слоя расстила в среднем за сезон составит 10 дней (100/10 = 10).
3. Количество готовой продукции на единице площади контейнеров:
• размеры кусков в момент формования: диаметр 10 см, длина 15 см;
• плотность стилки, соответствующая плотному однослойному расстилу Кс = 0,785. При стилке внаброс (куски падают из мундштуков на сетку с высоты, примерно равной 1,5 своей длины, а куски, отламываясь после выхода из мундштуков под действием силы тяжести, имеют длину около 1,5 диаметра) она может быть доведена до Кс = 0,8. Стилка внаброс предпочтительнее, т. к. позволяет стекать воде и улучшает вентиляцию сохнущего торфа [2];
• загрузка площади контейнеров:
Рс = Кс ■ dк ■ ук/(1 + wэ) = = 0,8 ■ 0,1 ■ 965/(1 + 5,67) = 11,6 кг/м2,
где Кс - критерий слоя; dк - диаметр кусков, м; ук - плотность кусков, кг/м3; wэ - влагосодер-жание экскавированного торфа, кг/кг;
• количество готовой продукции на 1 м2 площади сетки при условной влажности (д):
д = Рс ■ (1 + wус) ас = 11,6 ■ (1 + 0,5) = 16,5 кг/м2,
где wус - условное влагосодержание кускового тора (округлено), кг/кг; ас - коэффициент сбора, учитывающий потери при уборке;
• цикловой сбор - 165 т/га;
• сезонный сбор - 1650 т/га или 165 кг/м2 (т. к. количество циклов стилки равно 10).
Количество контейнеров и их общая площадь
Площадь одного контейнера (принимается):
f = Ьк ■ 1к = 3 ■ 4,5 = 13,5 м2.
Общая площадь всех контейнеров:
F = Ргод /qc = 3000/1650 = 1,82 га (18 200 м2).
Количество контейнеров:
NK = F/f = 18 200/13,5 = 1348 шт.
Ширина полосы, занимаемая одним рядом контейнеров (равная длине участка карьера, откуда торф выстилают на этот ряд контейнеров):
Вк =2 Ьк +2 bct = 2 ■ 3 + 2 ■ 5 = 16 м,
где Ьк - ширина одного контейнера; Ьст -ширина полосы для прохода стилочной машины.
Общая длина карьера, по принятому условию, равна 500 м, из них рабочая, кратная 16, составит Ьк = 496 м.
Количество рядов контейнеров с двух сторон карьера:
N = 2 ■ (LK - Вк)/1к = 2 ■ (496-16)/16 = 60
(по 30 рядов с каждой стороны карьера). Площадь одного ряда контейнеров:
f = F,, /np = 18 200/60 = 303,3 м2.
Длина одного сдвоенного ряда контейнеров:
Lр = Fр /Ьр = 303,3/6 = 50,55 м,
где Ьр - ширина сдвоенного ряда контейнеров, м.
Число контейнеров в ряде:
Пк=/р //к = 303,3/13,5 = 22,47.
Округляем и принимаем уточненное количество контейнеров пк1= 22 шт. (2 ряда по 11 шт.).
Уточненная длина ряда контейнеров:
¿к1 = 1к ■ пр = 4,5 ■ 11 = 49,5 м.
Общее количество контейнеров после уточнения их количества:
N<1 = пр ■ пк1 = 60 ■ 22 = 1320 шт.
Общая площадь всех контейнеров: Рк1 = /к ■ пк1 = 13,5 ■ 1320 = 17 820 м2.
Запасы, вырабатываемые за сезон
Промышленные запасы торфа, вырабатываемые за сезон (Упр):
V = Р /Р
* пр 1 год / Г'
где р - выход готовой продукции из 1 м3 промышленных запасов, кг/м3;
р = уз ■ (100 - шз)/(100 - шус) = 760 ■ (100-85)/ (100-33) = 170 кг/м3 = 0,17 т/м3,
где Уз - плотность залежи, кг/м3; и шус -относительная влажность осушенной залежи и условная влажность,%;
= 3000/0,17 = 17 647 м3.
Промышленные запасы торфа, вырабатываемые за сезон, с учетом потерь в карьере из-за пней:
V™! = кп ■ V™ = 1,1 ■ 17 647 = 19 400 м3.
Основные параметры карьера
Глубина, принята равной 3 м (йк).
Длина, соответствует длине участка - 496 м (Ьк).
Суммарная ширина карьера, вырабатываемая за сезон:
Ьсез = ^ /(¿к ■ hк) = 19 400/(496 ■ 3) = 13 м.
Ширина карьера, вырабатываемая за 1 рабочий проход экскаватора с одной стороны:
Ьк = Ьсез /«70 ■ 2 = 13/10 ■ 2 = 0,65 м.
Ширина карьера, вырабатываемого за 15 лет:
Вк = 15 ■ Ьсез = 15 ■ 13 = 195 м.
Размеры участка для добычи кускового торфа
Общая ширина участка, необходимая для работы в течение 15 лет:
Вуч = Вк + Ькк + 2 ■ b + Lp! + Ь2),
где Ькк - ширина карьерного канала, м; Ь1 -ширина разворота стилочной машины, м; L^ - длина ряда контейнеров, м; Ь2 - ширина полосы загрузки стилочной машины, м;
Вуч = 195 + 5 + 2 ■ (10 + 10,45 + 10) = 339 м.
Общая площадь технологического участка:
руч = ^к + Ьок + Ьпк ) ■ (Вуч + 2Ь
где Ьок, Ьнк, Ьпк, Ьнк - ширина отводящего, противопожарного и нагорного каналов:
руч = (496 + 5 + 2,5) ■ (339 + 2 ■ 1,5) = = 172 197 м2 = 17,22 га.
Примечание: торф необходим только для формования из него кусков. Следовательно, поля сушки могут располагаться за пределами торфяной залежи [3].
Библиографический список
1. Афанасьев А.Е. Технология и комплексная механизация разработки торфяных месторождений: Учеб. пособие для вузов / А.Е. Афанасьев, Л.М. Малков, В.И. Смирнов и др. - М.: Недра, 1987. -311 с.
2. Антонов В.Я. Технология полевой сушки торфа / В.Я. Антонов, Л.М. Малков, Н.И. Гамаюнов. - 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Недра, 1981. - 239 с.
3. 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. - Тверь: ТвГТУ 2008. -160 с.
