CC BY
31
- © Б.М. Александров, А.Г. Шампаров, 2014
УЛК 662. 641. 047: 552. 577: 542.67
Б.М. Александров, А.Г. Шампаров
ВЗАИМОСВЯЗЬ ОБЩЕТЕХНИЧЕСКИХ И ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТОРФА В УСЛОВИЯХ ЕСТЕСТВЕННОГО ЗАЛЕГАНИЯ
Проведено обобщение общетехнических и физических свойств торфа с учетом долевого содержания его компонентов. Получено комплексное уравнение, которое увязывает общетехнические свойства с плотностью твердой фазы в условиях естественного залегания торфа. Получены уравнения связи содержания твердой фазы и степени разложения торфа. Выполнен анализ влияния влажности на долевое содержание твердой фазы по объему для торфа в условиях естественного залегания при фиксированном значении степени разложения. На основании проведенных исследований рекомендуются к использованию уравнения связи относительной влажности с содержанием твердой фазы торфа в условиях естественного залегания.
Ключевые слова: торф, общетехнические и физические свойства.
Введение
Запасы торфа в России составляют около 235 млрд т, или 37,2% от мировых [2, 3], причем их изученность отличается существенной неоднородностью и в целом коррелируется со степенью хозяйственного освоения региона.
Торф представляет собой молодую горную породу класса каустобиолитов, содержащую не более 50% минеральных веществ, образовавшуюся в результате отмирания и неполного распада болотных растений в условиях повышенной влажности при недостатке кислорода. В естественном залегании (in situ) торф является полидисперсной системой, состоящей их трех фаз - твердой (минералы, остатки растений), жидкой (водные растворы) и газообразной.
Сложный фазовый и химический состав торфа определяет многообразие его свойств и параметров - физических, химических, реологических, ботанических и т.д., причем до сих пор окончательно не определена их единая классификация.
В настоящей статье общетехническими свойствами торфа принимаются степень разложения и зольность торфа, поскольку именно они определяют направление использования торфяного сырья при его последующем технологическом переделе. Из многообразия физических свойств торфа будем рассматривать плотность торфа в естественном залегании, плотность твердой фазы и влажность.
Расчетно-табличные способы определения физических свойств торфа in situ, основанные на использовании эмпирических таблиц С. А. Сидякина [1] и таблиц Гипроторфразведки [2], остаются неизменными с 30-х гг. прошлого века. В связи с внедрением геоинформационных систем встает вопрос о применении инструментальных методов дистанционного зондирования, формализованных алгоритмов и расчетных формул для количественного определения физических параметров торфа, как полезного ископаемого.
Таблица 1
Генетическая классификация видов торфа совмещенная с промышленной классификацией категорий торфяного сырья
Полтип Группа Вил Категория торфяного сырья
Тип торфа низинный
Лесной Древесная Ольховый Н-3-(2-3)
Березовый Н-3-(1-2)
Еловый Н-(2-3)-3
Сосновый низинный Н-(2-3)-4
Ивовый Н-(2-3)-(5-6)
Лесо-топяной Лревесно-травяная Древесно-осоковый Н-(2-3)-2
Древесно-тростниковый Н-(2-3)-(2-3)
Древесно-хвошевый Н-(2-3)-(2-3)
Древесно-моховая Древесно- гипновый Н-(2-3)-(2-3)
Древесно-сфагнофый низинный Н-(2-3)-(2-3)
Топяной Травяная Хвошевый Н-(2-3)-2
Тростниковый Н-(2-3)-2
Тростниково-осоковый Н-(2-3)-2
Вахтовый Н-(2-3)-2
Осоковый Н-(2-3)-2
Шейхцериевый низ. Н-(2-3)-2
Травяно-моховая Осоково-гипновый Н-(1-2)-(1-2)
Осоково-сфагновый Н-(1-2)-(1-2)
Моховая Гипновый низинный Н-(1-2)-(1-2)
Сфагновый низинный Н-(1-2)-(1-2)
Тип торфа перехолный
Лесной Древесная Древесный переходный П-3-(1-2)
Лесо-топяной Древесно-травяная Древесно-осоковый переходный П-(2-3)-(1-2)
Древесно-моховая Древесно-сфагновый переходный П-(2-3)-(1-2)
Топяной Травяная Шейхцериевый пер. П-(2-3)-(1-2)
Осоковый переходный П-(2-3)-(1-2)
Травяно-моховая Осоково-сфагновый переходный П-(1-2)-(1-2)
Моховая Гипновый переходный П-(1-2)-(1-2)
Сфагновый переходный П-(1-2)-(1-2)
Тип торфа верховой
Лесной Древесная Сосново-кустарничковый В-3-1
Лесо-топяной Древесно-травяная Сосново-пушицевый В-3-(1-2)
Древесно-моховая Сосно-сфагновый В-(2-3)-3
Топяной Травяная Пушицевый В-(2-3)-2
Шейхцериевый В-(2-3)-1
Травяно-моховая Пушицево-сфагновый В-2-(1-2)
Шейхцериево-сфагнов. В-2-(1-2)
Моховая Фускум торф В-2-(1-2)
Ангустифолиум торф В-2-(1-2)
Магелланикум торф В-1-(1-2)
Комплексный верховой В-(0-1)-1
Сфагновый мочажинный В-0-1
Классификация и некоторые обшетехнические и физические свойства торфа и торфяного сырья
В табл. 1 приведена генетическая классификация видов торфа, совмешен-ная с кодировкой категорий торфяного сырья. В качестве массива исходных данных для анализа обшетехнических и физических свойств использовались справочники по торфяным месторождениям, материалы изучения торфяных месторождений института «Уралгипроторф», опубликованные данные [1-6], в том числе данные авторов настояшей статьи [5].
Усредненные показатели свойств генетических типов торфа приводятся в работе [5]. На рис. 1, 2 в графической форме представлены некоторые из этих свойств, которые возможно определять дистанционно физическими методами в условиях естественного залегания.
70 60 50 40 30 20 10 о а)
.
-4
94 93 92 91 90 89 68
87 -Ц
86
05 б)
IV,%
1
1100
900 -м
яоо -
600 —
500
В)
I
и
т/м"
I
1560 1540 1520 1500 1430 1460 1440 1420 1400 0
Ртв
кг/м3
СЧ ГЛ М
т ^ -
Рис. 1. Степень разложения Я,% (а), влажность (б), плотность р0, кг/м3 (в)
и плотность твердой фазы Ртв, кг/м3 (г) для торфяного сырья различных категорий по табл. 1
63 62 61 60 59 Е.8 57 56 55 54
С, %
1 1
1 1
р
д) а
39 38 37 36 35 34
32
30
е)
0,%
I 1
■ 1
- г - -
Т 1 1 | - ... - -
1 1 1 1
3 5 дг 5 » £
Рис. 2. Содержание углерода С, % (д) и кислорода О, % (е) для торфяного сырья различных категорий по табл. 1
Из представленных параметров информативными и в то же время поддающимися инструментальным измерениям общеизвестными ядернофизическими методами (селективный гамма-метод в двухзондовом варианте, нейтрон-нейтронный и нейтрон-гамма методы) являются влажность, плотность, зольность, содержание углерода и кислорода. Задача определения зольности и плотности применительно к ископаемым углям впервые решена В.И. Уткиным (1965). Близость химического состава углей и твердой фазы торфа создает предпосылки для решения данной задачи и для торфяной залежи.
На рис. 1 приведены зависимости общетехнических ( степень разложения) и физических (влажность, плотность, плотность твердой фазы) торфа от его категории по табл. 1.
Рис. 2 демонстрирует поведение содержания углерода и кислорода в торфе в зависимости от его категории по табл. 1. Нейтронные методы определения содержания кислорода и углерода в горных породах в естественном залегании предложены Е.М. Кадисовым (1971) и далее развиты В.Г. Черменским (2007). Влажность торфяной залежи может быть определена как нейтронными так и электромагнитными методами.
Учитывая монотонный характер всех приведенных зависимостей от категории торфяного сырья, имеется возможность расчетным методом по данным инструментальных измерений определять такие параметры, как степень разложения и плотность твердой фазы торфяной залежи.
Анализ взаимосвязи обшетехиических и физических свойств торфа
Анализ данных физических свойств торфов различных видов привел к эмпирическому уравнению связи общетехнических свойств торфа - степени разложения Я и зольности А с плотностью его твердой фазы Ртв следующего вида:
_556 - Я_
0,357 -1,47 • 10-3 • А - 0,38 • 10-5 А • Я кг/м3 (1)
где Я - степень разложения, %; А - зольность, %.
Р„ =-
Плотность торфа in situ р0 рассчитывается по формуле:
_C 1 р
р0 ТВ -л Г\г\ ТВ
100 - w , (2)
где Ств - объемное содержание твердой фазы в торфе в %; w - естественная влажность торфа в залежи, %.
Эмпирическая зависимость долевого содержания твердой фазы торфа Ств от его влажности w в диапазоне ее изменения (5-60%) полученная с помощью программной среды Curve Expert [6] имеет вид:
~-bwc
ТВ _ ae , (3)
где a ,b, c - коэффициенты, значения которых приведены в табл. 2.
Несмотря на высокое значение коэффициента детерминации (D > 0,9) по мере возрастания влажности торфа относительная ошибка S приближения возрастает. Этот факт объясняется тем, что при переходе из трехфазной системы (твердая фаза + вода + газ) в двухфазную систему (твердая фаза + вода), когда содержание газовой фазы стремится к нулю, меняется закономерность содержания твердой фазы торфа, т.к. меняется модель структуры торфа в условиях переувлажненного и водонасыщенного его состояния, что и подтверждается представленной на рис. 3 и в табл. 3 зависимостью плотности торфа р0 от его влажности в диапазоне от 80% до 98% при фиксированных значениях степени разложения R в диапазоне от 5% до 60%.
Согласно рис. 3 на графике и в табл. 3 четко прослеживается граница фазового перехода торфяной системы из трехфазного состояния в двухфазное, т.к. меняется закономерность увеличения плотности торфа с увеличением
Таблица 2
Значения коэффициентов а, Ь, с уравнения (3) для различной степени
разложения торс. Ъа в естественном залегании
Степень разложения торфа, % Коэффициенты уравнения Коэффициент детерминации Относительная ошибка
R a b c D S
5 5,67922 0,052130 0,47727 0,98707 0,11351
10 7,75117 0,000110 1,79402 0,99919 0,06244
15 10,07996 0,000072 1,9024 0,99943 0,07555
20 12,07973 0,000078 1,90458 0,99936 0,10015
25 13,7479 0,000090 1,86917 0,99935 0,11944
30 15,2895 0,000140 1,7882 0,99927 0,14002
35 16,0824 0,000089 1,8704 0,99928 0,15321
40 34,95473 0,165220 0,41493 0,99906 0,18755
45 31,52278 0,142290 0,40379 0,99924 0,17947
50 36,00028 0,183330 0,3693 0,99930 0,18106
60 39,53567 0,212650 0,33421 0,99903 0,23489
Таблица 3
Зависимость плотности низинного торфа от влажности и степени разложения
Влажность w, % Степень разложения R, %
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
80 285 448 566 633 697 735 772 802 824 847 864 881
81 298 467 577 654 719 757 794 828 848 869 885 901
82 312 486 599 677 743 781 817 846 871 891 907 923
83 328 509 618 705 771 810 846 876 895 920 936 952
84 345 532 648 729 795 832 868 896 920 939 954 968
85 365 558 677 758 816 861 896 924 947 966 981 996
86 386 586 707 789 855 891 925 953 975 993 1007 1021
87 410 618 741 822 889 923 957 979 1005 1023 1031 1039
88 438 653 777 859 925 958 991 1016 1037 1037 1037 1036
89 469 692 818 899 964 996 1027 1036 1035 1034 1034 1033
90 505 737 863 943 1007 1034 1033 1032 1032 1031 1030 1030
91 548 787 914 992 1031 1030 1030 1029 1028 1028 1027 1027
92 598 846 970 1028 1027 1027 1026 1026 1025 1025 1024 1024
93 658 913 1025 1024 1024 1023 1023 1023 1022 1022 1021 1021
94 731 992 1021 1021 1020 1020 1020 1019 1019 1018 1018 1018
95 823 1017 1018 1017 1017 1017 1016 1016 1016 1015 1015 1015
96 1015 1014 1014 1014 1014 1013 1013 1013 1012 1012 1012 1012
97 1011 1011 1010 1010 1010 1010 1010 1010 1009 1009 1009 1009
98 1007 1007 1007 1007 1007 1007 1006 1006 1006 1006 1006 1006
1100
сз
Ü 900
со
"В" 700
Q
О Н
М
о 500 х 1-о
300
Влажность торфа w , %
Рис. 3. Графики зависимости плотности торфа р0 в естественном залегании. Шифр кривых - степень разложения торфа R в процентах
влажности для трехфазного состояния до границы фазового перехода. с которой зависимость становится обратной, при которой с увеличением влажности плотность торфа уменьшается до предела, когда влажность стремится к 100% плотность системы стремится к плотности воды.
Заключение
Выполненные исследования общетехнических и физических свойств торфа позволяют создать алгоритм формализованной обработки материалов детальной разведки торфяных месторождений и в дальнейшем вести селективную добычу торфа с учетом стратиграфического строения торфяной залежи для его многоцелевого использования. При этом отпадает необходимость использования таблиц определения плотности торфа в залежи С.А. Сидякина и громоздких таблиц Гипроторфразведки для определения выхода воздушно-сухого торфа 40% условной влажности, без которых нельзя было обойтись по ранее существующей традиционной методике подсчета запасов торфа на месторождении.
Уравнения (1) и (2) позволяют рассчитывать плотность торфа в условиях естественного залегания без использования вышеперечисленных таблиц и создать алгоритм подсчета запасов, отвечающий современным требованиям стандартов СШИБСО.
Дополнительно отметим, что уравнения (1) - (3) открывают возможность дистанционного экспрессного определения степени разложения торфа в залежи физическими методами путем измерения его плотности и влажности.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сидякин С.А. Организация учета кускового торфа. - М.-Л.: ГОНТИ. Ред. горно-топл. лит., 1935. - 168 с.
2. Смирнов В.И., Васильев А.Н., Афанасьев А.Е., Болтушкин А.Н. Практическое руководство по организации добычи фрезерного торфа: учебное пособие / Под ред. В.И. Смирнова. 1-е изд. - Тверь: ТГТУ, 2002. - 392 с.
3. Справочник по торфу / Под ред. А.В. Лазарева, С.С. Корчунова. - М.: Недра, 1982. -760 с.
4. Александров Б.М. Торф как сырье для комплексной переработки // Горный журнал. -1992. - № 9. - С. 35-44.
5. Александров Б.М., Вашакидзе Д.Г., Шампаров А.Г. Новый методический подход при подсчете запасов разрабатываемых торфяных месторождений // Горный журнал. - 2012. -№ 3.- С. 19-255.
6. Лиштван И.И., Король Н.Т. Основные свойства торфа и методы их определения. -Минск: Наука и техника. - 1975. - 320 с.
7. CurveExpert Professional software. http://www.curveexpert.net.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Александров Борис Михайлович - доктор технических наук, профессор, Уральский государственный горный университет, e-mail: office@ursmu.ru, Шампаров Аркадий Геннадьевич - кандидат геолого-минералогических наук, ООО «Институт местных видов топлива - Уралгипроторф», e-mail: giprotorf@mail.ru.
UDC 662. 641. 047: 552. 577: 542.67
THE RELATIONSHIP OF GENERAL TECHNICAL AND PHYSICAL PROPERTIES OF PEAT IN NATURAL CONDITIONS
Alexandrov B.M., Doctor of Technical Sciences, Professor, Ural State Mining University, e-mail: office@ursmu.ru
Shamparov A.G., Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Institute of Local Fuel Types - Uralgiprotorf, e-mail: giprotorf@mail.ru.
Summarizes the general technical and physical properties of peat, taking into account the equity content of its components. Received a complex equation that links general technical properties with a density of the solid phase in terms of natural occurrence of peat. Also analyzed the effect of humidity on equity solids content by volume of peat in a natural occurrence for a fixed degree of decomposition. On the basis of studies are recommended to use the constraint equation relative humidity c solids content of peat in terms of natural occurrence.
Key words: peat, general technical and physical properties.
REFERENCES
1. Sidjakin S.A. Organizacija ucheta kuskovogo torfa (Lump peat stock-taking), Moscow-Leningrad, GONTI. Red. gorno-topl. lit., 1935, 168 p.
2. Smirnov V.I., Vasil'ev A.N., Afanas'ev A.E., Boltushkin A.N. Prakticheskoe rukovodstvo po organizacii dobychi frezernogo torfa: uchebnoe posobie, Pod red. V.I. Smirnova (Practical guide on milled peat production: Educational aid, Smirnov V.I. (Ed.), 1st edition, Tver, TGTU, 2002, 392 p.
3. Spravochnik po torfu, Pod red. A.V. Lazareva, S.S. Korchunova (Peat reference book, Lazarev A.V., Korchunov S.S. (Eds.), Moscow, Nedra, 1982, 760 p.
4. Aleksandrov B.M. Gornyj zhurnal, 1992, no 9, pp. 35-44.
5. Aleksandrov B.M., Vashakidze D.G., Shamparov A.G. Gornyj zhurnal, 2012, no 3, pp. 19-255.
6. Lishtvan I.I., Korol' N.T. Osnovnye svojstva torfa i metody ih opredelenija (Basic peat properties and their estimation methods), Minsk, Nauka i tehnika, 1975, 320 p.
7. CurveExpert Professional software. http://www.curveexpert.net.
ПЕРСПЕКТИВЫ КЛАСТЕРНОЙ МОДЕЛИ РАЗВИТИЯ ТОРФЯНОЙ ОТРАСЛИ: РЕГИОНАЛЬНЫЙ АСПЕКТ
(1010/06-14 от 17.02.14, 3 с.)
Яконовская Т.Б. - кандидат экономических наук, e-mail: tby81@yandex.ru, Жигупьская A.M. - кандидат технических наук, e-mail: 9051963@gmail.com, Романова Л.В. - кандидат экономических наук, e-mail: 348164@mail.ru, Оганесян A.C.,
Тверской государственный технический университет.
PROSPECTS OF THE CLUSTER MODEL OF DEVELOPMENT OF PEAT INDUSTRY: REGIONAL ASPECT
Yakonovskaya Т.В., Zhigulskaya A.I., Romanova L.V., Oganesyan A.S.
_ РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ «ГОРНАЯ КНИГА»
