Обоснование рациональных параметров технологии гидромеханизированной добычи сапропелей

Казаков, Владимир Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Обоснование рациональных параметров технологии гидромеханизированной добычи сапропелей
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование рациональных параметров технологии гидромеханизированной добычи сапропелей"

На правах рукописи

КАЗАКОВ Владимир Александрович

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ГИДРОМЕХАНИЗИРОВАННОЙ ДОБЫЧИ САПРОПЕЛЕЙ

Специальность 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005543362

11 ДЕК 2013

Москва 2013

005543362

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет» на кафедре «Технология, механизация и организация открытых горных работ»

Научный руководитель Ялтанец Иван Михайлович - доктор

технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Атрушкевич Виктор Аркадьевич - доктор

технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология подземной разработки рудных и нерудных месторождений» ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»

Липский Игорь Викторович - кандидат технических наук, генеральный директор ПКФ «Гидромеханизация»

Ведущая организация ФГУП «ВНИПЙИстромсырье» (г. Москва)

Защита диссертации состоится 26 декабря 2013 г. в 11ш час. на заседании диссертационного совета Д-212.128.05 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, ГСП, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан 26 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного __ /? Мельник Владимир

Совета доктор технических наук Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Российская Федерация располагает значительными запасами сапропеля. Ежегодный прирост сапропелевых отложений в озерах составляет 1 х 10е м3. Разнообразие состава и свойств, значительные геологические запасы, широкая распространенность и относительная простота добычи и переработки делают сапропель ценным источником органического сырья и указывают на перспективы его использования в сельском хозяйстве, промышленном производстве и медицине.

В настоящее время эксплуатация озерных сапропелей в более широких масштабах не вызывает ни у кого возражений ввиду того, что сельское хозяйство недополучает необходимого объема удобрений. При этом Россия обладает уникальными запасами возобновляемых образований для получения органических удобрений - озерными сапропелями.

При разработке озерных сапропелевых месторождений обеспечивается, наряду с добычей органического вещества и возможностью его использования во многих направлениях народного хозяйства, возможность восстановления гидрологического режима с обеспечением пресной водой прилегающих территорий, что является отличительной чертой разработки сапропелей.

Разработка месторождений сапропеля способствует восстановлению озер, поэтому работы по добыче сапропеля имеют также существенную экологическую направленность.

Прогрессирующее развитие процессов заиления озер требует разработки неотложных мер по их восстановлению с решением ряда задач по рациональному использованию озерных отложений. Наращивание объемов добычи сапропелей требует создания природоохранных технологий, обеспечивающих полноту извлечения запасов и качество добываемого сырья.

Удаление избытка влаги традиционно осуществляется в специальных чеках-отстойниках в течение длительного периода с выполнением большого объема земляных работ и значительными финансовыми затратами. Добытая из озера сапропелевая масса, размещаемая в прибрежной зоне, за теплый период года успевает засориться сорняками растений с неизбежной потерей качества и существенным ограничением возможности его дальнейшего использования. Осаждение сапропелевой гидросмеси в центрифугах, гидроциклонах, сепараторах, а также электроосмос, и другие достаточно дорогостоящие способы, требуют сложного аппаратурного оформления. Кроме того, возможны частые вынужденные простои техники вследствие абразивного износа, необходим постоянный технологический контроль и оперативное изменение режимов работы оборудования при изменении состава и характеристик

подаваемого сапропеля. В свою очередь обезвоженный сапропель должен быть оперативно доставлен потребителю, так как при его размещении на открытых площадках предприятия возможно повторное обводнение атмосферными осадками.

Поэтому особо остра и другая важная проблема - интенсификация процесса снижения влажности сапропелей в промышленных условиях.

Применение геотекстильных контейнеров для снижения влажности сапропелей, не требующих значительного отчуждения прибрежных земель под производство работ и повышающих качество готовой продукции, может в значительной степени решить эту серьезную и актуальную проблему.

Однако, в научной литературе явно недостаточно исследований и публикаций, посвященных способу интенсификации процесса снижения влажности сапропелей в геотекстильных контейнерах.

Таким образом, обоснование рациональных параметров технически возможной, экологической и экономически целесообразной разработки месторождений озерных сапропелей и снижения их влажности в геотекстильных контейнерах для обеспечения минимальных потерь полезного ископаемого является актуальной научной задачей.

Диссертация выполнена в рамках федеральных программ приоритетных направлений 7.10 и VII.63 - «Создание основ природоохранной гидромеханизированной технологии добычи торфа из обводненных месторождений для производства торфяной продукции энергетического и технологического назначения».

Целью работы является обоснование рациональных параметров технологии гидромеханизированной добычи сапропеля, обеспечивающих полноту извлечения органоминерального сырья и снижение его влажности в геотекстильных контейнерах.

Идея работы заключается в том, что параметры, обеспечивающие эффективность разработки обводненных сапропелевых месторождений средствами гидромеханизации, следует определять с учетом специфических свойств сапропелей, таких как зольность и содержание органики.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Для обеспечения минимальных потерь сапропелевых месторождений при сохранении стабильной производительности землесосного снаряда разработку залежи необходимо вести траншейным способом по параметрам, определяемым с учетом времени оплывания откосов траншеи. Длина и ширина заходки, рассчитанные по установленным зависимостям, способствуют снижению потерь сапропеля на 8-10% при его извлечении.

2. Установлены зависимости предельно допустимых значений плотности гидросмеси Гг?т (т/м3), минимального расхода воды ц ( м3/м3) и определены области

рациональных значений указанных параметров из условия эффективности и целесообразности энергозатрат на гидротранспорт сапропелевой гидросмеси от основных свойств сапропелей в залежи (содержания органики, зольности и относительной влажности).

3. Производительность землесосного снаряда по грунту при разработке сапропелевых месторождений определена как функция взаимозависимых параметров: специфических физико-механических свойств разрабатываемых сапропелей, удельного расхода воды и концентрации гидросмеси. Увеличение объемной концентрации гидросмеси на 10% от исходного приводит к повышению производительности земснаряда на 8-10% в зависимости от физико-механических свойств разрабатываемых сапропелей.

Обоснованность н достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждаются: корректной постановкой задач исследований; использованием широкого диапазона научных методов исследований, включающих анализ и обобщение теоретических и экспериментальных работ, аналитические исследования с использованием основополагающих положений механики, гидравлики, средств гидромеханизации, обработку результатов исследований с помощью статистических методов и ЭВМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- сформирована структура комплексной гидромеханизации при разработке обводненных сапропелевых месторождений, которая позволяет упростить выбор схемы комплексной механизации для конкретных условий;

- установлена зависимость эксплуатационных потерь запасов от физико-механических характеристик сапропелевой залежи при траншейном способе разработки;

- установлена область рациональной плотности гидросмеси при разработке сапропелей землесосными снарядами с грунтовыми насосами.

Научное значение работы заключается:

- в теоретическом обосновании значений плотности гидросмеси в зависимости от относительной влажности №а, содержания органики 1 и зольности сапропеля Ас в залежи из условия эффективности и целесообразности энергозатрат на гидротранспорт сапропелевой гидросмеси;

- в установлении эмпирической зависимости относительной влажности сапропеля от времени снижения влажности в геотекстильных контейнерах в теплый период года.

Практическое значение работы состоит в разработке методики расчета параметров траншейного способа гидромеханизированной разработки сапропелевых

месторождений, позволяющего повысить полноту извлечения запасов органоминерального сырья и продлить срок службы действующих сапропеледобывающих предприятий, а также «Рекомендаций по снижению влажности сапропеля в геотекстильных контейнерах», обеспечивающих сокращение времени обезвоживания.

Реализация выводов и рекомендаций. Разработанная методика определения параметров траншейного способа гидромеханизированной добычи сапропелей принята к использованию в Научно-производственном объединении «Гольфстрим» при проектировании карьеров на сапропелевых месторождениях и очистки прудов от илистых отложений.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедры ТО МП У, на международных научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 2011-2013 гг.), на VI Съезде гидромеханизаторов России (Москва, 2012 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 8 печатных трудах, в том числе 5 научных статьях, опубликованных в изданиях, входящих перечень ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников из 115 наименований и приложений, включает 53 рисунка, 28 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Среди отечественных и зарубежных ученых, внесших значительный вклад в развитие разработки сапропелевых месторождений, следует отметить Т.И. Пеняскина, Д.Л. Меламута, АИ. Фомина, Н.В. Кислова, М.З. Лопотко, Е.Д. Томина, АП. Лецко, В.И. Сметанина, В.Н. Бакшеева, С.М. Штина, О.М Гайдукевича, В.И. Косова, В.Б. Добрецова, В.Б. Курзо, H.H. Арефьева, A.B. Согина, И.М. Ялтанца, В.И. Хохлова, В.А. Дементьева, Н Д Курлаева и др.

Исследованиями инженерно-геологических и физических свойств сапропелей занимались М.М. Соловьев, Н.В. Кордэ, И.Ф. Ларгин, А.П. Пидопличко, Л.С. Амарян, АЛ. Рубинштейн, В.А. Филин, И.В. Косаревич, Л.В. Кирейчева и др.

Вопросам обезвоживания сапропелей и их переработки посвящены труды И.В. Липского, О.С. Мисникова, А.Е. Афанасьева, Э.Г.Кшондеера, В.В.Морозова, МЗ. Лопотко, Н.В. Кислова, А.М Гальперина, Т.А. Ивановой, А.Д. Керечаниной и др.

В соответствии с поставленной целью и с учетом анализа состояния вопроса были поставлены и решены следующие основные задачи:

- изучение горно-геологических условий залегания, состава и водно-физических, реологических и физико-механических свойств сапропелевых месторождений по научным источникам;

- обобщение существующих методов, технических средств и технологий добычи и обезвоживания сапропелей средствами гидромеханизации;

- физико-механическое обоснование величины эксплуатационных потерь при разработке сапропелевых месторождений землесосными снарядами;

- установление области рациональной плотности гидросмеси при разработке сапропелей плавучими земснарядами с грунтовыми насосами;

- проведение экспериментальных исследований эффективности использования гео-тексгильных контейнеров при добыче озерных сапропелей;

- моделирование процесса водоотдачи сапропелей при снижении их влажности в геотекстильных контейнерах в лабораторных условиях с использованием ЭВМ для обработки экспериментальных данных и сопоставление их результатов с данными опытно-промышленных испытаний;

- выполнение технико-экономической оценки предлагаемых технологических решений;

- разработка рекомендаций по снижению влажности сапропеля в геотекстильных контейнерах.

При всем разнообразии способов разработки сапропелевых месторождений наиболее технологичным и достаточно дешевым является способ добычи сапропеля средствами гидромеханизации (табл. 1), а именно с применением несамоходных плавучих землесосных снарядов и транспортированием сапропелевой гидросмеси по напорным трубам к потребителю или в место складирования.

При выборе способа выемки сапропеля из подводной залежи и его транспортирования до мест первичной переработки, определяющим свойством является консистенция.

Анализ горно-геологических и инженерно-геологических свойств донных отложений свидетельствует, что преобладающими видами консистенции сапропелевых озерных месторождений являются жидко- и вязкотекучая (~90%). Сапропелевые илы пластичной консистенции составляют около 9% и полутвердой 1% от всего объема выявленных запасов (табл. 2).

Вместе с тем освоение озерных сапропелевых месторождений, впрочем, как и других озерных залежей, должно максимально учитывать требования экологии и рационального использования природных ресурсов с учетом чрезвычайной подвижности водных экосистем.

В подавляющем большинстве случаев разработка слабоуплотненного однород-

Таблица 1 - Структура комплексной гидромеханизации при разработке сапропелевых месторождений

Вид схем Область применения комплекса Примеры гидрокомплексов Индекс комплекса

1 * гл = 3 § = = ч 2 а о 5 см

? 2 £ к Я « ЕГ X «|18 35 X 0> а-2

£ а * и : 2 й о а. о Р у ГС-1

3 а в.« ¿3 51= X ^мшнкгьеЧ;.': V) ГС-2

5 <и 5 X V) гс-з

X Е1 V - о 1 си с я и >« {X} Н \ КСУ-1

зЗЁ.® « 5 х и | § £ л X Си г» м 1>^НХМ КСУ-2

и ее а х И 3 X X КСУ-3

X д о со Н23 3-1

4, £ X о х д к к со - о ее о § н о V© я с. еп С9 о о 3-2

Ч = 3 Й = а и X а. С рев' 3-3

" ® 2 1 г 3 С* НО) 3-4

ь» 3-5

3-6

- землесосный шарад | - грейферный жскяаюр ^Д] - баржа или шаланда - чеки-отстойники

- самошкглюй-щыснаряа -[. жскадагор |>0<И' бункрр-иакоттель ^^^ - екты сапроиуля

-1 рсйфсрный снаряд р^ | - землесосная станция В ° В Д " пУлыюпРовчи ^

• обс-шожнпаюшая

| - апюсамосвал - ноле или луг ^^^^ - (СОГекстнльный

ного сапропеля ведется землесосными снарядами свободным всасыванием без предварительного рыхления (эрозийный и контактный размыв), что обусловлено его вы-

сокой текучестью. При таком непосредственном всасывании с эрозийным размывом сапропеля потоками воды, подтекающими к всасывающему наконечнику, земснаряды разрабатывают сапропель траншеями, подвигаясь вперед и назад вдоль намеченной прорези с помощью так называемого якорного (тросового) папильонирования.

Таблица 2 - Распределение запасов сапропелей по консистенциям и способы их разработки

Консистенция сапропелей

Жидко- н вязкотекучая Пластичная Полутвердая

% от выявленных запасов -90 9 1

Выявленные запасы, млрд. м3 33,59 3,36 0,37

Способ подготовки к выемке Свободное всасывание (эрозийный и контактный размыв) Механическое и гидравлическое рыхление Механическое рыхление

Способ разработки залежи Траншейный Траншейный, багермейстерский, параллельный, веерный Траншейный, багермейстерский, параллельный, веерный

Способ перемещения земснаряда Тросовый Свайный, свайно-тросовый свайный, свайно-тросовый

Землесосный снаряд перемещается по траншее с помощью лебедок и станового троса, закрепленного впереди по ходу снаряда. Длина разрабатываемой траншеи (прорези) и их количество в серии определяется длиной плавучего пульпопровода, т.е. Ьпюх < ¿„/, ш и. После прохода траншеи землесосный снаряд одновременным травлением переднего и сматыванием троса заднего станового якоря совершает обратный холостой ход и перемещается подтягиванием на одном из боковых тросов в положение, смещенное на некоторое расстояние от оси пройденной траншеи, для следующего рабочего хода Затем все движения повторяются и разрабатывается вся намеченная серия траншей (рис. 1). При первом проходе в результате рабочего перемещения земснаряда образуется траншея, имеющая в поперечном сечении форму треугольника с вершиной, направленной вниз. Образующийся в начальный момент выработки залежи профиль траншеи изменяется за счет сползания прилегающего к траншее слабоуплотненного сапропеля. После этого траншея приобретает установившийся профиль с естественными откосами.

По данным проф. Добрецова В.Б., траншеи целесообразно располагать параллельно друг другу на расстоянии между осями двух смежных траншей, равном ширине траншеи поверху. В этом случае потери полезного ископаемого составляют 50%.

При этом ширина траншеи по верху определяется из значения угла рабочего откоса по выражению (1). Только в этом случае потери полезного ископаемого составят 50%. При неперекрывающихся траншеях в процессе отработки месторождения обеспечивается максимальная производительность земснаряда, т. к. сапропель поступает к свободному всасу одновременно как с лобовой, так и с боковых сторон забоя.

вого папильонирования

К тому времени, когда земснаряд, пройдя первую траншею на длину плавучего пульпопровода, вернется к началу заходки и начнет отрабатывать вторую траншею, ранее сформированные откосы выположатся. С учетом данного обстоятельства траншеи уже не будут в полной мере неперекрывающимися. Площадь сечения второй и последующих траншей будет меньше площади сечения первой траншеи (прохода) на величину площади треугольника Д ABC (рис. 2).

ось 1'прохода Al "1в ось III прохода

Рисунок 2 - Схема к расчету параметров траншейного способа разработки при частично перекрывающихся выработках (потери 50%)

Ширина между двумя проходами при такой схеме определяется по формуле

Ъ2 =2т-с/£/?—А , (1)

где т- мощность сапропеля, м; ß - рабочий угол откоса (/7 = 2- <рКТ), град.; Д - разность заложений между естественным и рабочим углом откоса, м.

Величину А можно определить по формуле

Á^m-(-^—-0,3-c(gtpECT). (2)

sinp

При абсолютно неперекрывающихся траншеях (рис. 3) с учетом времени оплывания потери при добыче будут максимальными. В этом случае их можно определить по формуле

^2-0,3-c/g^-sin/? 100% 3 - 0,3 ■ ctgtpj^j • s in ß

При этом ширина траншеи по верху определяется из значения угла естественного откоса по выражению (4)

¿>, =2m-ctgß+A. (4)

Рисунок 3 - Схема к расчету параметров траншейного способа разработки при неперекрывающихся выработках (потери 58,6 %)

На практике и в литературных источниках сведений о том, что уменьшение площади сечения траншеи на площадь треугольника Д ABC повлечет за собой снижение (приводит к снижению) производительности земснаряда не приводится (отсутствует). т.е. этим условием пренебрегают, т.к. величина площади Д ЛВС занимает порядка 3-4 % от общей площади сечения траншеи.

При обосновании параметров траншейного способа для сохранения максимальной производительности и уменьшения потери в залежи необходимо период релаксации (время оплывания откосов) сапропелей.

Согласно исследованиям автора уменьшить потери сапропеля при сохранении максимальной производительности можно при сокращении длины и ширины заходки за счет определения данных параметров с учетом времени выполаживания TPE1¡ откосов траншеи.

Суть этого подхода заключается в следующем: землесосный снаряд отрабатывает траншею не на полную длину плавучего пульпопровода, а частично, в зависимости от времени оплывания подводных откосов (время релаксации сапропелей). После этого земснаряд возвращается в положение, смещенное на расстояние, равное скор-

ректированной ширине прохода Ьъ, и начинает отрабатывать следующую траншею в условиях, когда первый откос траншеи еще не успел оплыть, либо выположился незначительно.

Ширину прохода между смежными траншеями можно уменьшить на величину X, которая определяется из условия равенства треугольников A ABC и А АВ'С1 (рис. 4).

ось 1 [прохода

х Д

B'i Ai IB I ось н'прочода

I /i'TiHK'BHtimHíít« ь, 1

Г -

г е - £ S •4

— \

Рисунок 4 — Схема разработки сапропелевого месторождения при траншейном способе рабочих перемещений по предлагаемому варианту (потери 41,1 %)

Значение X можно определить по формуле

Х = А-

¡2s'm(pFjCT • sin(l80-2/3)

{

sin/?

(5)

При такой схеме перемещений дополнительной перекладки якорей не требуется, т.к. меняется лишь длина прохода Ьпюх.

Данный подход позволяет поддерживать ту же производительность, что и по традиционному способу, но при этом сократить потери еще на 7-10 %. В этом случае их можно рассчитать по формуле

4 т

•100%.

(6)

Расстояние между двумя смежными проходами земснаряда (ширина прохода) можно определить по формуле

63 = 2т-^0-А-Х. (7)

Длина прохода £ят1.(м) при такой организации порядка отработки определяется по формуле

Ьпрах ^"

(8)

где (2 - производительность земснаряда по сапропелю естественной влажности, м3/ч; ТШ1 - период релаксации сапропелей, ч; к3 - коэффициент запаса, учитывающий скорость выполаживания откоса (к3 =0,8-Ю,95).

График зависимости периода релаксации ТРЕЛ от типа сапропелей приведен на рисунке 5.

0 40 60 80 1,%

Г мПнсралйчо-| ванные органо-минеральные органогенные органические | ТИП I сапропеля

Рисунок 5 - Зависимость периода релаксации Трсл(ч) от содержания органического вещества I (%) Блок-схема по обоснованию параметров траншейного способа гидромеханизированной разработки сапропелевых месторождений показана на рис. 6.

Производительность землесосных снарядов, используемых при разработке обводненных сапропелевых месторождений, в значительной степени зависит от увеличения концентрации гидросмеси в пределах рациональных значений.

Рисунок 6 — Укрупненный алгоритм определения параметров траншейного способа гидромеханизированной разработки сапропелевых месторождений

Исследованиями Арефьева H.H. для определения предельного значения объемной концентрации с (%) сапропелевой гидросмеси, характеризующего содержание твердого в гидросмеси по объему, в естественном сложении в зависимости от относительной влажности IV0(%) и зольности Ас(%) сапропеля в залежи установлено неравенство:

.__К_, 22,5 -105

с <---In-пг (91

0,026(10Q—Wo)(100 — Ас) (100-Лс)''5 ' у '

где ГК0 - относительная влажность сапропеля в залежи, %;АС - зольность сапропеля, %.

Выразив величину объемной концентрации с (%) через плотности гидросмеси, твердого и сапропелевой залежи с учетом характера изменения твердой фазы в зависимости от содержания органической составляющей сапропеля, после преобразований получим формулу для определения предельно допустимых значений плотности гидросмеси:

0,01-0; (2,58-0,013-/) _

ПРЕД Г Г

, 22,5-105

-Ь* ,.,5 +Гв. (10)

0,026 ■ / • (100 - ид • (0,01 • Жа ■ (2,5 8 - 0,013 • /) +1) где ув - плотность воды, т/м3; I - содержание органики, %

На основании установленного неравенства (10) построена зависимость (рис. 1) предельной плотности гидросмеси от относительной влажности сапропеля в залежи <К„(%) и содержания органики /(%) из условия эффективности и целесообразности

энергозатрат на гидротранспорт сапропелевой гидросмеси. .3

у!-'р", т/м

Узал

1,15

1,10

1,05

1,00

1=15%

1=25%

1=35%

1=45%/'""""" /

----Т111=Г(\\'„) при 1=15%

.....при 1=15%

-Г,п=С(\\'<,) при 1=25%

■.....уТ^ПХУо) при 1=25%

-----у^,=Г<\У„) при 1=35%

.....уГрод=Г(\\'„) мри 1=35%

-Уап=Г(\У1)) при 1=45%

.....Т:,[К'Л-Г(\\'„) при 1=45%

-- уш^Д^'о) при 1=55%

------у?рсл=Г(\У0) при 1=55%

--у,„=Г(\У„) при 1=65%

.....у?рез=Г(\У„) при 1=65%

-У^a.^=f(Wo) при 1=85%

=П\У„) при 1=85%

------у|'1

Wo, %

Рисунок 7 - Графики зависимости предельно допустимых значений плотности гидросмеси у"ргд и плотности залежи /14,л от относительной влажности сапропеля 1Уа (%) и содержания органики / (%)

Ценность неравенства состоит в том, что все величины, входящие в него, содержатся в паспортных данных сапропелевых месторождений.

По этим значениям можно определить предельную плотность сапропелевой гидросмеси при перекачивании ее грунтовыми насосами, используя рис. 7. В зависимости от полученного значения плотности гидросмеси можно принять решение об

использовании соответствующего типа грунтозаборного устройства. Анализ рис. 7 показывает, что при относительной влажности сапропеля в залежи 80% и содержании органики 25% предельная плотность сапропелевой гидросмеси не может превышать 1,076 т/м3, в то время как плотность залежи составляет 1,125 т/м3. А при том же содержании органики 25% и относительной влажности 86,8% и выше сапропель можно перекачивать грунтовыми насосами в естественном состоянии без разбавления водой.

Минимальный расход воды д (м3/м3), необходимый для разработки 1 м3 сапропелевой залежи, рассчитывается по формуле:

(1 -0,01(2,58-0,013•(1-0,01-ЕГ<,)-(0,01-ЕГо -ув) + ув)

д!>-

(Ш-1Га -(2,58-0,013■1) + ув)-(у?*Д ~Ув)

(И)

Определив значения предельной плотности гидросмеси для различных типов сапропелей, можно найти минимальный расход воды </(м3/м3) для разработки 1 м3 полезного ископаемого (рис. 8). На рис. 8 пунктирной линией показаны значения предельной плотности гидросмеси. Анализ рис. 8 показывает, что при предельной плотности гидросмеси для сапропеля зольности 85 % минимальный расход воды на разработку 1 м3 сапропеля естественной влажности составляет ~ 0,6 м3/м3, а для зольности 15 % - достаточно и 0,1 м3/м3.

q.м3/м3

! 1

--Ас =85 %

---Ас =70 %

-------- Ас =50 %

- Ас =15 %

. • Ооласть раиноиальмой плотности шлросмеси при разработке ■ У сапропелем земснарядами с гр> нтовымк насосами

и -V!-

\ V \

О !—■—.—м-|----1-1-(- я

1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 уГ, Т/1\Г

Рисунок 8 - Изменение расхода воды ц (м3/м3) в зависимости от плотности гидросмеси уг(т/м3) при различной зольности сапропеля Ас (%) Изменение производительности земснаряда по грунту 0Т (м3/ч) в зависимости от объемной концентрации гидросмеси с (%) при различной зольности сапропеля А* (%) показано на рис. 9. Анализируя данный график, следует отметить, что увеличение объемной концентрации гидросмеси, характеризующее содержание твердого в гид-

росмеси по объему, в естественном сложении на 10% от исходного приводит к повышению производительности земснаряда на 8-10 % в зависимости от физико-механических свойств разрабатываемых сапропелей.

Рнсунок 9 - Изменение производительности земснаряда по грунту <3Т (м3/ч) в зависимости от объемной концентрации гидросмеси с (%), характеризующее содержание твердого в гидросмеси по объему, в естественном сложении для различных типов сапропелей

Эффективность исследуемой технологии во многом зависит от способа снижения влажности.

Снижение влажности сапропеля является одной из основных операций, которая позволяет удалить значительное количество воды и облегчить его дальнейшее использование. Однако многолетние исследования данного процесса основываются на традиционном способе обезвоживания в отстойниках, хотя он имеет низкие технико-экономические показатели, слабо удовлетворяет природоохранным требованиям, а получаемое сырье имеет низкое качество.

На основе анализа научных разработок по ускоренному обезвоживанию различных дисперсионных систем установлено, что для разрушения связей воды с твердыми частицами сапропеля целесообразно использовать флокулянтную обработку, а для снижения влажности - геотекстильные контейнеры.

Химическое воздействие на сапропель необходимо не только для обезвоживания, но и для уменьшения вязкости гидросмеси при гидротранспорте, так как снижение вязкости, даже временное, приводит к существенному снижению энергоемкости системы. Поэтому при промышленной реализации такого способа добавление флокулянта к сапропелевой гидросмеси целесообразно производить в процессе транспортировки гидросмеси от борта карьера, например в трубопроводе, с перемешиванием потока гидросмеси в зоне введения флокулянта.

Экспериментальные исследования по удалению избытка влаги из добытого сырья посредством обезвоживания в геотекстильных контейнерах в лабораторных условиях под действием гравитационного обезвоживания проведены на примере органического сапропеля (зольность 20%, относительная влажность 96,4%) месторождения «Кругловское» Лотошинского района Московской области.

Следует отметить, что на сапропелевых гидросмесях с взвешенными минеральными веществами хорошее флокулирующее действие проявляют неионогенные и анионоактивные марки флокулянта, водосапропелевые смеси с преобладающей органической твердой фазой очищаются обычно катионоактивными марками флокулянта.

Ввиду того что исследуемый сапропель содержит 80 % органической составляющей, целесообразно применить катионный флокулянт. Экспериментально установлено, что Праесшл 611 наиболее эффективно вступает во взаимодействие с исследуемым сапропелем.

В лабораторных исследованиях использована сапропелевая гидросмесь, приготовленная путем пятикратного разбавления водой сапропеля естественного залегания (4 мас.ч. воды на 1 мас.ч. сапропеля), с содержанием 1,5-2% сухого вещества (с.в). Содержание сухого вещества в гидросмеси было смоделировано из условия приближенности к реальной гидросмеси, соответствующей процессу гидромеханизированной разработки сапропеля с данными физико-механическими свойствами.

Влажность сапропеля в естественном залегании и водосапропелевой гидросмеси определяли на весовом влагомере МЬ-50.

Установлена зависимость величины снижения относительной влажности сапропелевой гидросмеси от времени ее обезвоживания в геотекстильном конусе (рис. 10).

Расход катионного флокулянта для кондиционирования сапропелевой гидросмеси составил 0,8 кг/тонн сухого вещества (с.в.).

При лабораторном моделировании цикла зимнего промораживания в холодильной камере при температуре - 10°С и оттаивания, получен сапропель с влажностью 75,8%. Однако отошедшее после оттаивания количество воды в абсолютном выражении не превышает 3-5% от исходного содержания воды в сапропелевой гидросмеси.

\¥о, %

\Уо=т)

результаты экспериментальных исследований по обезвоживанию органического сапропеля(зольность 20%)

-Ь

-+-

1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 I, Ч

Рисунок 10 - Зависимость относительной влажности от времени обезвоживания органического сапропеля в геотекстильном конусе

Технологическая схема добычи сапропеля и снижения его влажности в геотекстильных контейнерах при промышленной реализации приведена на рис. 11.

ДОБЫЧА

ГИДРО- ОБЕЗВО-ТРАНСПОРТ ЖИВАНИЕ

Рисунок 11 - Технологическая схема разработки сапропеля при намыве в геотекстильные контейнеры

График зависимости относительной влажности от времени обезвоживания, полученный путем переноса (моделирования) результатов лабораторных исследований на промышленные испытания по обезвоживанию органического сапропеля с учетом аналогичных производственных исследований по удалению влаги из илистых отложений (рис. 12) представлен на рис. 13.

Соотношение между относительной влажностью и временем обезвоживания выражается криволинейной зависимостью параболического вида.

Как видно из рис. 13, процесс снижения влажности сапропеля в геотекстильных

контейнерах условно можно разделить на два периода. Первый период (3 суток) характеризуется наибольшей интенсивностью водоотдачи. Второй период характеризуется существенно замедляющейся интенсивностью снижения влажности.

\У0, %

ЛУ„=Ш)

результаты опытно-промышленных испытаний по обезвоживанию

илистых отложешт(золышсть 97,2%)

1, мес.

63 ГТо

Рисунок 12 - Зависимость относительной влажности от времени обезвоживания илистых отложений Раменского ГОКа в геотекстильном контейнере

\У0, %

¡а&!

и а;

ф ф

" ---

1,0

2,0

3,0 мес.

время

Рисунок 13 - Зависимость относительной влажности от времени обезвоживания органического сапропеля при испарении и фильтрации влаги: 1 - в чеках-отстойниках (по результатам литературных данных); 2 - в геотекстильных контейнерах

Проведен химический анализ на содержание взвешенного вещества в пробе фильтрата. Определено, что в пробе фильтрата после обезвоживания сапропеля содержится 0,01% взвешенных веществ.

Проведен укрупненный экономический расчет эффективности предварительного кондиционирования полимерным флокулянтом для обеспечения интенсивного процесса снижения влажности и повышения качества сапропеля в геотекстильных контейнерах применительно к озерному сапропелевому месторождению «Кругловское».

Согласно укрупненному расчету экономический эффект от применения флокулянтов для снижения влажности сапропеля месторождения «Кругловское» в геотекстильных контейнерах веоШЬе® составляет около 5,2 млн. руб/год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи обоснования рациональных параметров технологии гидромеханизированной добычи сапропелей, что позволяет повысить эффективность отработки сапропелевых месторождений, обеспечивая полноту извлечения органоминерального сырья и охрану окружающей среды.

Основные результаты, выводы и рекомендации, полученные лично автором, заключаются в следующем:

1. На основании анализа возможных сочетаний процессов добычи, транспортировки и укладки сапропеля сформирована структура комплексной гидромеханизации при разработке обводненных сапропелевых месторождений, которая позволяет упростить выбор схемы комплексной механизации для конкретных условий и является важной при решении задач установления типа выемочного, транспортного оборудования, элементов системы разработки месторождения и производительности карьера

2. На основе аналитических исследований установлены зависимости изменения производительности плавучего земснаряда по грунту от физико-механических свойств разрабатываемых сапропелей с учетом предельной плотности гидросмеси из условия целесообразности его гидротранспорта.

3. Величина потерь при траншейном способе обуславливается расположением траншей и составляет при максимальной производительности плавучего земснаряда:

- при неперекрывающихся траншеях - 58,6%;

- при частично перекрывающихся траншеях - 41,1%.

4. Установлены аналитические зависимости величины потерь при траншейном способе:

- при неперекрывающихся траншеях - от разности углов откоса прорези до и после выполаживания;

- при частично перекрывающихся траншеях - от отношения произведений ширины прохода и тангенса рабочего угла к мощности залежи.

5. Установлено, что при относительной влажности сапропеля в залежи 80% и содержании органики 25% предельная плотность сапропелевой гидросмеси из условия эффективности и целесообразности энергозатрат на гидротранспорт сапропелевой гидросмеси не может превышать 1,076 т/м3, в то время как плотность залежи составляет 1,125 т/м3. При том же содержании органики 25% и относительной влажности 86,8% и выше сапропель можно перекачивать грунтовыми насосами в естественном состоянии без разбавления водой.

6. Экспериментально установлено, что снижение влажности органического сапро-

пеля с зольностью 20 % до уровня 87,2% в течение первой недели после завершения активной стадии закачки в геотексильный контейнер достигается в процессе его кондиционирования флокулятным реагентом Праестол 611 с расходом 0,8 кг/т с.в. за счет разрушения коллоидной структуры сапропеля, при этом часть иммобилизованной влаги переходит в свободную влагу. Промораживанием, в случае необходимости, можно понизить влажность до 75,8%. Процесс снижения влажности сапропеля органического класса условно разделяется на периоды наибольшей и угасающей интенсивности водоотдачи.

7. Установлено, что эффективность задержания твердого вещества органического сапропеля с зольностью 20% в геотекстильном контейнере составляет > 99,99%, что исключает возможность повторного эвтрофирования водоема (озера), обеспечивая минимальные потери полезного ископаемого.

8. Экономический эффект от применения флокулянтов для снижения влажности органического сапропеля с зольностью 20% месторождения «Кругловское» в геотексггильных контейнерах Geotube® составляет около 5,2 млн. руб/год.

Основные положения диссертации опубликованы

в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России:

1. Казаков В.А. Технологическая характеристика комплексов при разработке озерных сапропелевых месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011, № 1. - С. 125-129.

2. Казаков В А. Особенности разработки погребенных сапропелевых месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень.- 2011, №7. — С.70-74.

3. Ялтанец И.М., Иванов СА., Казаков ВА., Ермолаев C.B. Geotube® Dewatering -технология обезвоживания при добыче и переработке сырья в горной промышленности // Гидротехническое строительство. - 2012, №4.

4. Казаков В.А. Зависимость производительности земснаряда от физико-механических свойств разрабатываемых сапропелей // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2013, №6. -С.83-87.

5. Казаков В.А. Обоснование параметров траншейного способа гидромеханизированной добычи сапропелей // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельная статья (специальный выпуск). - 2013. - №5. - 12 с.

в других изданиях

1. Казаков В.А. Исследование оптимальных параметров обезвоживания сапропеля в геотекстильных контейнерах // Сборник докладов VI съезда гидромеханизаторов России. - М.: 2012.

2. Ялтанец ИМ., Иванов С.А., Казаков В.А., Ермолаев C.B. Технология Geotube® Dewatering в процессах обезвоживания в добыче и переработке сырья в горной промышленности // Сборник докладов VI съезда гидромеханизаторов России. - М.: 2012.

3. Ялтанец ИМ., Казаков В.А., Ермолаев C.B. Обезвоживание органического сапропеля в геотекстильных контейнерах Geotube® // Деп. В МТУ, № 985/12-13. Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2013, 9 с.

Подписано в печзть 25.11.2013 г. Формат 60x90/16

Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ №1769

Отдел печати Московского государственного горного университета, г. Москва, Ленинский пр., д. 6

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Казаков, Владимир Александрович, Москва

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201451746

КАЗАКОВ Владимир Александрович

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ГИДРОМЕХАНИЗИРОВАННОЙ ДОБЫЧИ САПРОПЕЛЕЙ

Специальность 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и

строительная)»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Ялтанец Иван Михайлович

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................... 4

1 Современное состояние и проблемы разработки сапропелевых

месторождений..................................................................... 9

1.1 Горно-геологические условия залегания сапропелей, ресурсы и область применения........................................................... 9

1.2 Анализ существующих технических средств добычи сапропелей 23

1.3 Анализ опыта работы отечественных и зарубежных технологий добычи сапропелей средствами гидромеханизации.................. 29

1.4 Анализ опыта работ по технологии намыва и приемов снижения влажности сапропелей......................................................... 39

1.5 Цель и постановка задач исследований.................................. 44

2 Технология и структура комплексной гидромеханизации при

разработке озерных сапропелевых месторождений...................... 45

2.1 Технологическая характеристика гидромеханизированных комплексов при разработке озерных сапропелевых месторождений................................................................. 45

2.2 Обоснование траншейного способа разработки сапропеля.......... 51

2.3 Порядок расчета производительности плавучего землесосного снаряда............................................................................ 59

Выводы по главе 2.................................................................... 68

3 Исследование процесса снижения влажности илистых отложений в

геотекстильных контейнерах СЕОТЦВЕ®.................................. 70

3.1 Общие сведения о геотекстильных контейнерах........................ 70

3.2 Снижение влажности илистых отложений в опытно-промышленных условиях..................................................... 73

3.3 Экспериментальные исследования по снижению влажности сапропеля в геотекстильных контейнерах................................. 88

3.4 Сопоставление результатов экспериментальных и опытно-промышленных исследований процесса снижения влажности илистых отложений в геотекстильных контейнерах..................... 97

3.5 Разработка рекомендаций по снижению влажности сапропеля в

геотекстильных контейнерах................................................................................................100

Выводы по главе 3......................................................................................................................................102

4 Экономическая эффективность разработки обводненного

сапропелевого местороиадения....................................................................................................104

4.1 Методика расчета технико-экономических показателей..........................104

4.2 Пример расчета технико-экономических показателей применительно к озерному сапропелевому месторождению «Кругл овское»....................................................................................................................................105

Выводы по главе 4......................................................................................................................................120

Заключение......................................................................................................................................................121

Список использованных источников....................................................................................123

Приложения......................................................................................................................................................133

Приложение А. Отечественные земснаряды для добычи сапропелей..........134

Приложение Б. Расчет технологических параметров сапропелевой

гидросмеси............................................................................................................................................................139

Приложение В. Справка о внедрении результатов диссертационного

исследования......................................................................................................................................................144

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Российская Федерация располагает значительными запасами сапропеля (225 млрд. м3, что составляет ~ 70% от мировых).

/г

Ежегодный прирост сапропелевых отложений в озерах составляет 1x10 м . Разнообразие состава и свойств, значительные геологические запасы, широкая распространенность и относительная простота добычи и переработки делают сапропель ценным источником органического сырья и указывают на перспективы его использования в сельском хозяйстве, промышленном производстве и медицине.

Удаление избытка влаги в настоящее время осуществляют в специальных чеках-отстойниках с выполнением большого объема земляных работ и значительными финансовыми затратами. Добытая из озера сапропелевая масса

размещаемая в прибрежной зоне за теплый период года успевает засориться сорняками растений с неизбежной потерей качества и существенным ограничением возможности его дальнейшего использования. Осаждение сапропелевой гидросмеси в центрифугах, гидроциклонах, сепараторах, а также электроосмос и другие достаточно дорогостоящие способы, требуют сложного аппаратурного оформления. Кроме того, возможны частые вынужденные простои техники вследствие абразивного износа, необходим постоянный технологический контроль и оперативное изменение режимов работы оборудования при изменении состава и характеристик подаваемого сапропеля. В свою очередь обезвоженный сапропель должен быть оперативно доставлен потребителю, так как при его размещении на открытых площадках предприятия возможно повторное обводнение атмосферными осадками.

Диссертация выполнена в рамках федеральных программ приоритетных направлений 7.10 и У11.63 - «Создание основ природоохранной гидромеханизированной технологии добычи торфа из обводненных

месторождений для производства торфяной продукции энергетического и технологического назначения».

Основные научные положения, выносимые на защиту:

2. Установлены зависимости предельно допустимых значений плотности

ПРЕД , 3 3

гидросмеси 7г (т/м ), минимального расхода воды " (м /м ) и определены области рациональных значений указанных параметров из условия эффективности и целесообразности энергозатрат на гидротранспорт сапропелевой гидросмеси от основных свойств сапропелей в залежи (содержания органики, зольности и относительной влажности).

3. Производительность землесосного снаряда по фунту при разработке сапропелевых месторождений определена как функция взаимозависимых параметров: специфических физико-механических свойств разрабатываемых сапропелей, удельного расхода воды и концентрации гидросмеси. Увеличение объемной концентрации гидросмеси на 10% от исходного приводит к повышению производительности земснаряда на 8-10% в зависимости от физико-механических свойств разрабатываемых сапропелей.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждаются: корректной постановкой задач исследований; использованием широкого диапазона научных методов исследований, включающих анализ и обобщение теоретических и экспериментальных работ, аналитические исследования с использованием основополагающих положений механики, гидравлики, средств гидромеханизации, обработку результатов исследований с помощью статистических методов и ЭВМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Научное значение работы заключается:

- в теоретическом обосновании значений плотности гидросмеси в

IV т

зависимости от относительной влажности содержания органики 1 и

зольности сапропеля Лс в залежи из условия эффективности и

целесообразности энергозатрат на гидротранспорт сапропелевой гидросмеси;

Практическое значение работы в разработке методики расчета параметров траншейного способа гидромеханизированной разработки сапропелевых месторождений, позволяющего повысить полноту извлечения запасов органоминерального сырья и продлить срок службы действующих сапропеледобывающих предприятий, а также «Рекомендаций по снижению

влажности сапропеля в геотекстильных контейнерах», обеспечивающих сокращение времени обезвоживания.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедры ТО МГТУ, на международных научных симпозиумах «Неделя горняка» (Москва, МГТУ, 2011-2013 гг.), на VI Съезде гидромеханизаторов России (Москва, 2012 г.).

Автор выражает свою глубокую благодарность своему научному руководителю - д.т.н., профессору Ялтанцу И.М. за ряд ценных замечаний, советов, постоянное внимание и помощь в завершении исследований и редакцию работы, а также коллективу кафедры ТО МГТУ, высказавшему свои замечания и пожелания по поводу диссертации. Особо признателен автор гл. инженеру ООО «Адмир Евразия» за методическую помощь в проведении экспериментов.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ САПРОПЕЛЕВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

1.1 Горно-геологические условия залегания сапропелей, ресурсы и область применения

Впервые термин «сапропель» был предложен немецким болотоведом Лаутерборном [113] в 1901 г. для обозначения темных, пахнущих сероводородом отложений мелких водоемов с восстановительными условиями у дна и со значительным содержанием в воде кальция.

Сапропелем называются тонкоструйные коллоидальные отложения пресноводных водоемов, содержащие органические вещества более 15%.

Противопоставляя наиболее общие свойства сапропелей свойствам торфа и минеральных озерных осадков, известная ученая в области исследований сапропелей Н.В. Корде [41] предложила следующее понятие сапропеля: «Сапропель - это современные тонко структурные коллоидальные отложения континентальных водоемов, содержащие значительное количество органического вещества и оформленных остатков водных организмов, некоторое количество неорганических компонентов биогенного происхождения и минеральных примесей привносного характера».

В некоторых литературных источниках указывается, что предел содержания органических компонентов может быть снижен до 10% [2].

Согласно ГОСТу 25100-95, сапропель - пресноводный ил, образовавшийся на дне застойных водоемов из продуктов распада растительных и животных организмов и содержащий более 10 % (по массе) органического вещества в виде гумуса и растительных остатков.

От другого органического озерного образования - торфа, сапропели

отличаются своей тонкой структурой. Имеются в озерах также отложения,

переходные между торфами и сапропелями, характерные для неглубоко

зарастающей микрофитами литорами озер и содержащие значительное

количество осадков не вполне разложившейся высшей водной растительности.

Такие отложения называются торфянистыми сапропелями. Другой характерной

особенностью сапропелей, отличающей их от торфов, является более низкое содержание органического вещества.

Под месторождениями сапропеля понимается геологическое образование озерного генезиса, состоящее из напластований сапропеля более 1 м, перекрытое слоем воды или торфа, эксплуатация которого экономически целесообразна [31].

Сапропели образуются при недостатке или полном отсутствии кислорода. При этом происходят восстановительные реакции, ведущие к образованию битуминозных веществ - органических соединений, обогащенных водородом. Биохимические процессы с глубиной затухают, количество микроорганизмов резко уменьшается, а с глубины 0,5... 1 м наступает консервация сапропелей, и в дальнейшем они мало меняются.

Возраст сапропелевых месторождений в современных озерах и болотах не превышает, как правило, 12 тыс. лет [99].

Основной состав органического вещества сапропелей формируется из остатков растительных и животных организмов, обитающих в водоеме. Состав минеральных компонентов зависит от условий питания, химического состава питающих водоемы и эрозивных процессов. В результате физических, химических и биологических реакций, протекающих в осадке, сапропели обогащаются микроэлементами и биологически активными веществами.

Определение формы рельефа часто формируют размеры и форму месторождения, условия водного и минерального питания, характер минерализации и строения залежи, мощность сапропелевых отложений и их развитие. Внутри каждого ландшафта формирование отложений сапропеля различных типов водоемов (бессточных, сточных, проточных) происходит не одинаково. Так сапропелевые отложения бессточных и слаботочных водоемов всю площадь котловины, которая значительно превосходит площа�

Информация о работе

Казаков, Владимир Александрович
кандидата технических наук
Москва, 2013
ВАК 25.00.22

Диссертация

Обоснование рациональных параметров технологии гидромеханизированной добычи сапропелей - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы