CC BY
53УДК 614.84 (622.33)
Крупнов Р.А.
Крупнов Рудольф Арсеньевич, к. т. н., доцент кафедры геологии, переработки торфа и сапропеля (ГПТС) ТвГТУ.
Цымлякова С.С.
Цымлякова Светлана Сергеевна, аспирантка кафедры ГПТС ТвГТУ, [email protected]
Львова Н.В.
Львова Наталья, студентка 5-го курса специальности «Природоохранное обустройство территории» ТвГТУ.
Корнилова Н.С.
Корнилова Наталья, студентка 5-го курса специальности «Природоохранное обустройство территории» ТвГТУ.
СНИЖЕНИЕ ПОЖАРООПАСНОСТИ НА ВЫРАБОТАННЫХ ТОРФЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ
Аннотация. В работе рассмотрены методы искусственного воздействия на воднофизические свойства остаточного слоя торфа выработанных торфяных месторождений. Исследовано влияние влажности и зольности торфа на время начала тления. Определены значения влажности и зольности торфа, обеспечивающие снижение температурных показателей пожароопасности торфа.
Ключевые слова: торф, торфяники, самовозгорание, самовоспламенение, саморазогревание, рекультивация
Krupnov R.
Krupnov Rudolph, Associate Professor of the Chair of Geology and Peat and Sapropel Processing of TSTU.
Tsymlyakova S.
Tsymlyakova Svetlana, post-graduate student of TSTU.
Lvova N.
Lvova Natalya, student of TSTU.
Kornilova N.
Kornilova Natalia, student of TSTU.
REDUCE OF FIRE HAZARDS IN CUTOVER PEATLANDS
Abstract. The paper considers the methods of artificial impacts on water-physical properties of the residual peat layer on the developed peat deposits. It investigates the effect of moisture and ash content of peat on the time of the beginning of smouldering. This paper defined the values of moisture and ash content of peat which provide the decreasing of temperature indicators of peat fire.
Keywords: peat, peatlands, spontaneous combustion, self-heating, restoration
опросам пожарной профилактики на торфодобывающих и торфоперерабатывающих
предприятиях и особенно на выработанных площадях уделяется недостаточное внимание. Имеющиеся в настоящее время сведения о пожарной опасности торфа, торфяных месторождений, выработанных площадей и карьеров ограниченны, а иногда носят противоречивый характер.
Актуальность оценки пожарной опасности торфа, торфяных фрезерных полей и выработанных площадей торфяных месторождений многократно возросла, в связи с аномально сухими и жаркими летними периодами последних лет.
Пожарная опасность выработанных торфяных месторождений зависит от способа добычи торфа, состояния осушительной сети, мощности остаточного слоя торфа, срока выхода площадей из эксплуатации, степени зарастания и ряда других факторов. Наибольшей пожарной опасностью обладают выработанные площади, образующиеся после фрезерного способа добычи торфа.
Торфяные месторождения, вышедшие из эксплуатации с начала 90-х годов XX века, не рекультивировались. Выработанные фрезерные поля имеют сравнительно выровненную поверхность. Выработанная площадь расчленена через 500 м валовыми каналами на бывшие фрезерные поля. Внутри каждое фрезерное поле поделено сетью картовых каналов на прямоугольные технологические карты шириной по 20 м на залежах верхового и переходного типов и по 40 м на залежах низинного типа.
Недавно выбывшие из эксплуатации фрезерные поля практически не имеют растительности, осушительная сеть находится в удовлетворительном состоянии. Это способствует низкому влагосодержа-нию верхнего слоя оставшейся торфяной залежи, ежегодному сокращению слоя торфа на 1-2 см за счет процессов усадки, минерализации и дефляции [1]. Такие выработанные площади характеризуются повышенной пожароопасностью.
В последующем на этих площадях, по мере разрушения гидротехнических сооружений, оплывания и заиливания каналов, поднимается уровень грунтовых вод, появляется травянистая и древеснокустарниковая растительность. В пони-
женных элементах рельефа начинается вторичное заболачивание. Однако процесс восполнения водных ресурсов происходит медленно, и снижение пожарной опасности на выработанных площадях торфяных месторождений растягивается на длительный период.
Так, на выработанных площадях верховых торфяных месторождений растительность появляется на 2-4-й год после окончания добычи торфа на прика-навных полосах. Полное зарастание площади развивающимся березово-осиновым молодняком наблюдается через 15-20 лет. На избыточно увлажненных участках к этому времени формируется пушицево-сфагновый фитоценоз.
На выработанных торфяных месторождениях переходного типа зарастание идет быстрее. Растительность здесь появляется на 2-3-й год после окончания выработки. Через 10 лет на слабо- или сред-необводненных участках формируется смешанно-березовый молодняк, а на сильнообводненных - ивняк с осоковым и травяно-осоковым покровом.
На выработанных площадях месторождений низинного типа зарастание идет значительно быстрее. К трем годам проективное покрытие площади травянистой и древесно-кустарниковой растительностью достигает 30-40%. На пятый год после выработки задернованность достигает 80-100%. На сильно увлажненных участках к 7-10 годам формируется кочкарно-осоковый подрост из березы и ивы. Избыточно увлажненные площади, прак-тически постоянно покрытые слоем воды, зарастают рогозовыми и тростниковыми группировками с преобладанием тростниковых зарослей [1, 2].
Такое медленное снижение пожарной опасности на выработанных торфяных месторождениях требует разработки методов искусственного воздействия на водно-физические свойства остаточного слоя торфа, обеспечивающие снижение температурных показателей пожароопасности торфа.
К температурным показателям пожароопасности по ГОСТ 12.1.017-80 относятся: температура тления (Стл), воспламенения (Свп), самовоспламенения (Ссв ).
Исследования Калининского филиала ВНИИТП, проведенные в 1986 г. [3], показали, что у торфяных брикетов с влажностью ю = 11-18% и зольностью
Ас = 4,4-18,5% температура тления (Стл) изменяется от 185 до 240°С; температура воспламенения (Свп) - от 210 до 275°С; температура самовоспламенения (Ссв ) - от 475 до 485°С.
Температурные показатели пожароопасности материалов сельскохозяйственного назначения (блоки торфяные субстратные, торфяные питательные брикеты, торфяной питательный грунт «Фиалка», торфяные полые горшочки) с показателями: ю = 9,7-12,8% и Ас = 4,2-19,6% имеют следующие значения: Стл = 185-205°С; Свп = 215-340°С; С* = 405-475°С.
Результаты исследований показывают, что для начала тления торфяной продукции необходимо создать высокую температуру (порядка 200°С) даже при очень низком содержании влаги. Данные исследования ВНИИТП не позволяют определить:
• время воздействия температуры на торфяной образец;
• зависимость времени воздействия от создаваемой температуры;
• зависимость времени начала тления от содержания влаги в торфяном образце;
• зависимость времени начала тления от зольности торфа.
Для выявления этих параметров нами были поставлены специальные опыты на двух образцах торфа, отобранных с выработанных торфяников:
• торф верховой, пушицево-
сфагновый, со степенью разложения К = 30-35% и зольностью Ас = 9,7%;
• торф низинный, древесно-
осоковый, со степенью разложения К = 30-35% и зольностью
Ас = 24,7%.
Из данных торфов была изготовлена серия образцов с различной влажностью от 30 до 400% на сухое вещество и зольностью от 10 до 90%. Образцы поочередно помещались в предварительно нагретую муфельную печь, и определялось время начала тления.
Зависимость времени начала тления (Стл, мин) от влажности торфа (ю, %) представлена на рис. 1.
t. МИН
Рис. 1. Зависимость времени начала тления (t™, мин) от влажности торфа (ю, %)
Fig. 1. The dependence of the time of the beginning of decay (t™, min) from the moisture of peat (ю, %)
Наибольшей пожарной опасностью обладает торф, содержащий физикохимическую связанную влагу. Эта влага недоступна растениям. В мелиоративной практике границу перехода влаги в недоступное для растений состояние принято называть влажностью устойчивого завя-дания (ювз). Для исследованных торфов влажность завядания составляет ювз = 86-90% на сухое вещество. При влажности торфа ниже ювз время начала тления при температуре среды 200°С составляет менее 10 мин.
Подобное содержание влаги на выработанных торфяных месторождениях может наблюдаться на участках без растительности при низком стоянии грунтовых вод (около 1 м). Остаточный слой торфа на таких участках подстилается грунтами легкого механического состава.
С возрастанием влажности время начала тления закономерно увеличивается, достигая 50,6 мин при ю = 400%. Это содержание влаги по классификации степ ени доступности влаги растениям
(по К.П. Лундину) находится на границе перехода воды из легкодоступной категории в избыточную, когда появляется свободная вода.
Это указывает на то, что при обводнении выработанных торфяных месторождений совершенно необязательно появление воды на поверхности. Достаточно поддерживать уровень грунтовых вод на глубине 10-30 см, что обеспечит опти-
мальный водно-воздушный режим для произрастания болотного разнотравья и ивняковых формаций. Исследования БелНИИМиВХ, проведенные на торфяных месторождениях сельскохозяйственного использования, показали, что влажность торфа, исключающая возможность его загорания, должна составлять не менее 223% на сухое вещество для низинного торфа и 257% - для верхового торфа [7], т. е. когда в торфяной почве содержится легко- и среднедоступная влага. В результате обводнения постепенно формируется осоковый, тростниковый подрост из ивы и болотно-разнотравные сообщества.
Безусловно, в данном эксперименте не учитывается роль масштабного фактора. Образец торфа, находящийся в фарфоровой чашке, ограничен по массе и не имеет связи с грунтовыми водами. Из образца торфа, помещенного в зону с повышенной температурой, вначале испаряется свободная и капиллярная влага, после чего торф достигает температуры начала тления. С повышением температуры подводимого теплоносителя роль масштабного фактора возрастает.
Повышение температуры подводимого тепла сокращает время начала тления. Однако даже при высоких температурах (400°С), когда, по данным ВНИИТП, торф может самовоспламеняться, общий характер зависимости Стл = /(ю) сохраняется (рис. 1б).
Результаты эксперимента позволяют сделать главный вывод - торф сам по себе, без подвода тепла со стороны, не начнет тлеть и не загорится. Это положение подтверждает ранее сделанные выводы о том, что основной причиной возникновения торфяных пожаров является небрежное обращение с огнем и нарушение правил пожарной безопасности рыбаками, охотниками, грибниками, неорганизованными туристами на окружающих промышленные поля добычи лесных территориях и на выработанных карьерах, являющихся хорошей базой для охоты, рыболовства, сбора ягод и грибов. При этом большое число торфяных пожаров и наибольшие площади загорания характерны для торфяных месторождений и выработанных площадей (карьеров), находящихся в непосредственной близости
(10-25 км) от крупных административных областных и районных центров [4].
На промышленных полях торфяной добычи пожар может возникнуть при искрении двигателей машин, при технической неисправности искрогасителей, а также от любого другого источника огня при влажности верхового слоя ниже ее значений, исключающих возможность загорания.
Обводнение выработанных площадей торфяных месторождений сопровождается подъемом уровня грунтовых вод на окружающих территориях, занятых лесонасаждениями, сельскохозяйственными угодьями, рабочими поселками. На отдельных участках выработанных площадей во второй половине прошлого века созданы садово-огородные кооперативы, дачные поселки и иные промышленные и жилые строения. Обводнение незастроенных участков выработанных площадей, естественно, скажется на техническом и санитарно-эпидемиологическом состоянии селитебных зон.
Подобные территории должны отделяться от обводняемых участков выработанных площадей противофильтраци-онными экранами, а промышленные и жилые строения - противопожарными полосами шириной не менее 75 м. Противопожарные полосы обводнению не подлежат, на них следует применять такой способ снижения пожароопасности, как зем-левание.
В литературе имеются указания на возможность снижения пожароопасности за счет повышения зольности торфяных почв. Так, повышение зольности торфяной почвы низинного типа с 5 до 25% снизило влажность, исключающую загорание торфа до 163% на сухое вещество, а на торфяных почвах верхового типа - до 178% [7]. Увеличение зольности торфяных почв осуществляется добавкой к торфу песка, суглинка или глины, что значительно улучшает водные, тепловые и другие физические свойства торфяной почвы и положительно сказывается на ее биологической активности и питательном режиме [5].
Данный способ, в отличие от обводнения, позволяет управлять воднофизическими свойствами получаемой торфо-грунтовой смеси, используя суще-
ственные различия свойств отдельных почвенных горизонтов на выработанных торфяниках (табл. 1).
Таблица 1. Водно-физические свойства почв выработанных торфяных месторождений
Table 1. Water and physical properties of soils of developed peat deposits
Горизонты Мощ- ность, СМ Влажность, % на сухое вещество Плот- ность, кг/м3 Порис- тость, %
Торфяной 5- 120 100-716 80 - 390 75 9Є
20 365 190 ОІ
Переходный 2-10 38 - 284 770-1333 40-70
3 67 1070 59
Подстилающий (песок, супесь) 7 — 27 1200- 1700 55 - 55
16 16S0 33
Торфяной 10- 125 203 - 867 426 130- 330 63-91
30 180 85
Переходный 5—15 33-210 480-1510 33 - 73
5 81 1050 59
Подстилающий (суглинок) 1230- 1830 30-55
23 15S0 41
Торфяной 15- 90 156- 1002 140 - ЗЬО 77-91
30 455 190 87
Переходный 5 - 20 33- 372 680- 130С 40-70
7 85 1040 60
Подстилающий (глина) 17-29 1400 - 1840 35-50
22 1620 40
Примечание: числитель - минимальные и максимальные значения, знаменатель - среднее значение.
На выработанных площадях торфяных месторождений землевание осуществляется глубокой вспашкой с припахива-нием минерального грунта, который подстилает остаточный слой торфа. Впоследствии их перемешивают при разделке пласта.
Перемешивание торфа с минеральным подстилающим грунтом увеличивает зольность, плотность почвы и плотность твердой фазы торфо-минеральной смеси, снижает пористость и влагоемкость. Изменения водно-физических свойств тор-фо-песчаных смесей в зависимости от содержания в них золы представлены в табл. 2.
На подготовленных подобным образом противопожарных полосах следует выращивать многолетние травы, поддерживая уровень грунтовых вод на глубине 0,5-0,6 м. Содержание золы на таких торфяных почвах должно быть более 50%. При этом многолетние травы, выращи-
ваемые на противопожарных полосах, рекомендуется периодически скашивать. Предлагается организация своеобразного «зеленого конвейера», обеспечивающего равномерное поступление зеленого корма для животных и позволяющего поддерживать противопожарные полосы во влажном, зеленом состоянии.
Таблица 2. Водно-физические свойства торфопесчаной смеси
Table 2. Hydrophysical properties of peat-sand mixture
Зольность А с, % Полная влагоемкость 1АПв Оптимальная влагоемкость для многолетних трав Мопт, % Влажность завяда-ния W3 , %
10 600 270 90
20 561 255 82
30 493 222 73
40 466 214 65
50 441 208 57
60 397 190 48
70 378 187 40
80 361 185 32
90 345 183 24
Для исследования зависимости времени начала тления торфо-песчаной смеси от ее зольности были приготовлены смеси с содержанием золы от 10 до 90% (для торфа 1) и от 24,7 до 90% (для торфа 2).
Зависимость времени начала тления (Стл, мин) от зольности торфа (Ас, %) представлена на рис. 2. Влажность торфяных смесей в этих опытах поддерживалась постоянно: для верхового торфа - 90%, для низинного - 60% на сухое вещество.
t. мин
20 35 45 60 80
Рис. 2. Зависимость времени начала тления (£:тл, мин) от зольности торфа (А с, %)
Fig. 2. The dependence of the time of the beginning of decay (ttl, min) from the ash content of peat (A s,%)
Из данных, представленных на 1.
рис. 2, следует, что при одинаковой влажности наблюдается увеличение времени начала тления с повышением зольности смесей. Так, при ю = 90% и изменении 2.
зольности с 10 до 90% время начала тления смесей повышалось в 2,6 раза.
Для существенного снижения пожароопасности на выработанных площадях 3.
необходимо, чтобы зольность торфяного горизонта составляла не менее 70-80%. Достижение указанных значений зольности торфо-минеральной смеси возможно путем глубокой вспашки методом взмета, когда пласты торфа и минерального грунта оборачиваются при вспашке на 135°. 4.
Последующая разделка чередующихся пластов дисковыми боронами обеспечивает равномерное перемешивание торфа и минерального грунта. При этом мощность припахиваемого минерального грунта оп- 5.
ределяется по формуле [6]
Иг = Йт Рт (Ассм - Аст)/Рг (Асг - Ассм), 6.
где Иг - мощность припахиваемого минерального грунта, м; йт - мощность остаточного слоя торфа после разравнивания , 7.
м; рт , рг - соответственно плотность торфа и подстилающего минерального грунта, кг/м3 ; Аст, Асг, Ассм - соответственно зольность торфа, подстилающего минерального грунта и необходимая зольность их смеси, %.
Таким образом, для существенного снижения пожарной опасности на противопожарных полосах необходимо повысить зольность торфяного горизонта до 70-80% и поддерживать оптимальную влажность (юопт) для выращивания многолетних трав.
Подобный способ можно применять и на повышенных элементах рельефа выработанных торфяных месторождений, где поднять уровень грунтовых вод способом обводнения затруднительно.
Данное исследование позволяет обоснованно подходить к вопросам снижения пожарной опасности на выработанных торфяных месторождениях путем обводнения, землевания и их взаимодополняющих сочетаний.
Библиографический список
Крупнов, Р.А. Рекультивация выработанных торфяных месторождений: учеб. пособие / Р.А. Крупнов, М.В. Попов. Тверь: ТГТУ, 1995. 78 с.
Алексеева, Ю.С. Выработанные торфяные месторождения - под многолетние травы / Ю.С. Алексеева, А.В. Сни-гирева. Л.: Колос, 1977. 79 с.
Бокова, К.В. Температурные показатели пожароопасности материалов на основе торфа топливного и сельскохозяйственного назначения / К.В. Бокова // Экспресс-информация ЦБНТИ МТП РСФСР. Торфяная промышленность. 1986. № 3. С. 25-28.
Крупнов, Р.А. Анализ торфяных пожаров в Тверской области / Р.А. Крупнов, В.В. Кашин // Вестник Тверского Государственного технического университета. 2006. № 8. С. 42-46.
Белковский, В.И. Улучшение свойств торфяных почв / В.И. Белковский. Минск: Ураджай, 1982. 117 с.
Способ первичной обработки почв выработанных торфяников: пат. 2222125 / Крупнов, Р.А., Рогунов, И.А. Бюл. № 3. 2004.
Струц, В.А. Противопожарные мероприятия на торфяниках сельскохозяйственного использования / В.А. Струц // Гидротехника и мелиорация. 1983. № 9. С. 39-43.
