ЗАО «Сапропелевые месторождения» - органические удобрения, сапропель, переработка сапропеля, добыча сапропеля, продажа сапропеля

Теория и практика горных работ

С.М. ШТИН

Озерные сапропели и основы их комплексного освоения

Под редакцией профессора И.М. ЯЛТАНЦА

Издательство Московского государственного горного университета

Оглавление

Введение
Глава 1. Инженерно-геологические особенности сапропелевых отложений
- 1.1 Образование сапропелей
- 1.2 Особенности формирования сапропелевых отложений
- 1.3 Закономерности распространения сапропелевых отложений
- 1.4 Состав сапропелевых отложений и характер их структурных связей
- 1.5 Водно-физические свойства сапропелей
- 1.6 Структурно-механические и реологические свойства сапропелей
- 1.7 Сопротивление сдвигу и сжимаемость сапропелей
- 1.8 Инженерно-геологическая характеристика сапропелей
Глава 2. Разведка местородений сапропеля
- 2.1 Общие положения
- 2.2 Поисковая разведка
- 2.3 Детальная разведка
- 2.4 Малая полевая лаборатория ПЛГ - IР для исследования слабых грунтов
Глава 3. Запасы сапропелевых отложений на территории России

Введение.

Рациональное природопользование предусматривает бережное расходование минерального сырья за счет создания новых ресурсосберегающих технологий, обеспечивающих его эффективное использование и снижение всех видов потерь. Особое внимание при этом должно уделяться комплексной безотходной переработке, позволяющей наиболее полно использовать потенциальные возможности сырья и предохранять окружающую среду от загрязнения. Все сказанное в полной мере относится к разработке сапропелевого сырья.

Первые сведения о сапропелевых отложениях были получены в начале XX в. и принадлежат геологам, лимнологам и гидробиологам, которые столкнулись с этими своеобразными донными отложениями при исследовании озер и болот.

Интерес к сапропелям резко возрос в начале 20-х гг., когда ими заинтересовались химики и энергетики. После того как химические анализы и сухая перегонка балхамита дали большой выход смолы, богатой бензиновыми и парафиновыми углеводами, сапропели стали считаться новым видом энергетического и технического сырья. Возник интерес к проблеме происхождения горючих ископаемых, а также встал вопрос о месте сапропеля в гинетическом ряду каустобиолитов.

В 1919 году в системе академии наук был создан Сапропелевый комитет, на который возложили обязанности по всестороннему изучению сапропелей, разведке ресурсов и разработке способов их использования.

Издается целый ряд научных трудов, где описываются разведанные сапропелевые месторождения СССР, приводятся данные по их физической, химической, биологической характеристике и поставлен вопрос о возможности технической переработки сапропелей. Организованный в 1931 году в Ленинграде Сапропелевый институт АН СССР обратил основное внимание на изучение генезиса и возможности химико - технологического использования сапропелей. Затем на базе Сапропелевого института был создан Московский институт горючих ископаемых АН СССР, куда входила Лаборатория генезиса сапропелей.

После Великой Отечественной войны работу по комплексному изучению сапропеелвых отложений продолжила Лаборатория сапропелевых отложений Института леса АН СССР.

Изучение сапропелей велось по следующим основным направлениям. Познание процесса осадкообразования. Изучение физико - химических свойств сапропелей изучались многими исследователями в различных направлениях. Исследовались поглотительная способность иловых озерных отложений. Водоотдача сапропелей. Определялись параметры удельной теплоемкости скелета сапропелей, теплопроводность мерзлых сапропелей. Рассматривались вопросы теории и практики строительства на слабых водонасыщенных грунтах. Определялись закономерности распространения сапропелевых отложений. Разработаны схемы гидрологической классификации и районирования озер России на основе соотношения соствляющих водного баланса озер. Рассмотрены закономерности размещения озер на территории Восточно - Европейской равнины и Кольско - Карельского массива с учетом происхождения и развития озерных котловин. В 1964 г. институтом географии АН СССР и институтом “Гипроторфразведка” выпущен справочник “Сапропелевые месторождения СССР” .

В 70 -80 г.г. усилиями института торфа АН БССР и ВНИИГИМ разрабатываются технологические схемы, рекомендации по добыче и обезвоживанию сапропеля. Определяются рациональные направления использования сапропеля в народном хозяйстве. На базе санкт - Петербургоского государственного горного института разработано научное обоснование новых технологий и оборудования для добычи сапропелей и производства на их основе продукции различного назначения. Изучаются проблемы эколого - экономического освоения сапропелевых ресурсов и разработки общих принципов технической эксплуатации месторождений с учетом охраны озер от загрязнений и истощений. Ведется рядом производств внедрение результатов науно - исследовательских разработок в практику путем налаживания опытных и промышленных производств по добыче сапропелей и производства различных видов продукции на их основе.

Однако технической литературы по сапропелям практически нет. Немногочисленные публикации по этому вопросу рассредоточены в различных трудах, и это обстоятелство не способствует использованию сапропеля в народном хозяйстве.

Настоящая работа является попыткой обобщения имеющихся отечественных исследований и накопленного практического опыта по исследованию этого местного сырья и необходимостью комплексного подхода к решению проблемы охраны и использования природных ресурсов.

Автор далек от мысли, что его работа является исчерпывающим решением рассматриваемой проблемы, и поэтому будет весьма признателен за критические замечания и пожелания.

Глава1. Инженерно - геологические особенности сапропелевых отложений

1.1 Образование сапропелей.

Сапропели являются донными озерными отложениями и образуются из следующих основных компонентов: минеральных примесей привностного характера, неорганических компонентов биогенного происхождения, органического вещества отмерших водных организмов и растений, обитающих в воде озера, населяющих его дно и берега.

Количество минеральных наносов особенно велико в начальных стадиях развития озер. Затем, по мере распространения прибрежной растительности и выполаживания склонов, количество минеральных наносов уменьшается. Большое значение в формировании донных отложений имеют степень проточности озера, величина и характер водосбора. Обилие притоков, несущих с собой взвешенные минеральные частицы, сильно увеличивает минеральную часть озерных отложений, осаждающихся в спокойных водах озера. Чем меньше размеры озера, тем больше сказывается влияние проточности и сноса минеральных частиц с его берегов. Размеры водосбора и эродированность поверхности определяют величину мутности поверхностного стока.

Органическое вещество сапропелей образуется непосредственно в водоеме, но может также приноситься притоками или заноситься ветром. В некоторых водоемах они являются одним из важных факторов формирования донных отложений. Гумусирование сапропеля образуется, например, при обильном подтоке болотных вод. Ветром обычно приносятся листья, пыльца и споры растений.

Гораздо большее значение имеет синтез органического вещества в водоемах, который осуществляется зелеными организмами планктона и прибрежной растительностью. Совокупность всех происходящих в озере процессов образования органического вещества из минеральных путем фотосинтеза характеризует собой продуктивность озера.

Выделяют первичную, промежуточную и конечную продукцию ззера. Первичная продукция является первым звеном сложного процесса, состоящего из целого ряда “пищевых” цепей.

Фотопланктон и водные растения, используя солнечную энергию, создают органическое вещество, которое затем поедается зоопланктоном и травоядными животными. Последние, в свою очередь, поедаются хищниками и т. д. Здесь важно отметить, что фитопланктон и водные растения являются единственными производителями органического вещества. Они создают определенный запас для остальных потребителей пищевого цикла. Все последующие стадии представляют собой этапы разрушения, минерализации и деструкции органического вещества, сопровождающиеся потреблением кислорода и рассеиванием энергии.

В конце каждой из последовательных стадий пищевого цикла образуется материал для пополнения донных отложений. Чем выше продуктивность озера, тем больше поступает материала для образования органических донных отложений, но количество их лимитируется процессом деструкции (разложения) . Взаимодействие этих противоположных процессов - продукции и деструкции органического вещества - и определяет в конечном счете, наряду с другими факторами, характер донных отложений.

Сапропелевые отложения образуются из последовательных напластований различных видов сапропелей, погребенных под слоем торфа, иногда под слоем минеральных наносов или продолжающих свое формирование на дне озера и водоемов.

Формирование сапропелевых отложений всецело связано с возникновением и развитием того озера или водоема, в котором они образуются.

Согласно классификации В.И. Жадина, пресные озера разделяются на восемь типов. В табл.1.1 приводится всестороняя характеристика этих типов.

Доказано,что характерные черты и особенности озер под действием внешних условий неоднократно изменялись. Путь к обмелению и заболачиванию был неравномерным. Климатические изменения влекли за собой изменения и в характере озерных отложений, которые более или менее четко прослеживаются почти во всех озерах.

Исследование сапропелевых отложений различных озер в голоцене показывает, что образование наиболее древних осадков в озерах датируется субарктическим и арктическим временем. Осадки - преимущественно озерные глины и глинистые сапропели. Скорость отложения осадков (прирост) колеблется от 0.1 мм/год в маленьких непроточных озерах, до 4.3 мм/год в больших хорошо проточных озерах.

В теплый, но сухой бореальный период уровень озер несколько понизился, сток уменьшился, в озерах начала развиваться органическая жизнь. Скорость отложения осадков несколько уменьшилась. Отлагаются преимущественно диатомово - кремнеземистые и глинистые сапропели. Начинают образовываться водорослевые органические сапропели.

В теплый и влажный атлантический период ежегодный прирост осадков увеличился почти у всех озер до 0.3 - 5.5 мм / год. В тех озерах, где усилился подток карбонатных вод, отлагаются известковистые сапропели, в слабопроточных водоемах - водорослевые органические, в проточных - глинистые сапропели.

В теплый и влажный атлантический период ежегодный прирост осадков увеличился почти у всех озер до 0.3 - 5.5 мм / год. В тех озерах, где

Таблица 1.1

Типологическая характеристика озер

Тип озер Морфологические особенности, минеральный

состав и температурный режим

1. Ультраолиготрофные Большие, очень глубокие озера ( свыше 100 м ),

горные или эрозионно - тектонического проис -

хождения в кристаллических породах, хорошо

проточные, берега высокие, незаросшие

наблюдается постоянный подток кластического

материала, концентрация биогенных элементов

очень низкая, озера холодные, летом четкая

температурная стратификация воды

2. Олиготрофные Средние и крупные, глубокие ( 30 - 70 м ) озера,

тектонического, ледниково-эрозионного или

карстового происхождения в кристаллических

или песчаных осадочных породах, проточные,

берега высокие, слабозаросшие, литораль узкая,

наблюдается постоянный подток кластического

материала и биогенных элементов, концентрация их

низкая, озера холодные, летом четкая температурная

стратификация воды

3. Мезотрофные Средние и мелкие озера ( 12-25м ), ледниково - акку -

мулятивного и эрозионного происхождения в оса -

дочных породах, слабопроточные, постепенно меле-

ющие и зарастающие, берега высокие или низкие,

обнаружено достаточное количество биогенных

компонентов, озера умеренно теплые, температурная

стратификация резкая

4. Эфтрофные Малые и очень малые, мелкие ( 5 - 12 м ) озера раз -

личного происхождения в осадочных, преиму -

щественно глинистых породах, слабопроточные или

непроточные, интенсивно зарастающие, берега чаще

низкие, литораль широкая, обнаружено значительное

количество биогенных компонентов, неполный

круговорот веществ, озера теплые, хорошо прогре-

ваются до дна, температурная стратификация слабая

5. Политрофные Очень мелкие (2-5 м) озерки различного происхожде-

ния в осадочных породах, непроточные или слабо-

проточные, берега сильно заросшие, наблюдается

значительное количество биогенных компонентов,

круговорот веществ частичный, летом вода сильно

прогревается до лна, стратификации нет.

6. Слабодистрофные Средние и мелкие озера (глубина 10-30 м), ледниково-

(олигомузные) эрозионного происхождения в кристаллических

породах, проточные, берега заросшие, получают сток

болотных вод, прослеживается постоянный подток

кластического материала и гуминовых веществ, озера

умеренно теплые стратификация резкая

7. Дистрофные Очень малые мелкие (3-10 м) озера различного проис-

(мезогумозные) хождения с заболоченными водосбросами, непроточ-

ные или слабопроточные, с заторфофанными

берегами, наблюдается большое поступление орга-

нического материала и гуминовых веществ, летом

вода сильно прогревается до дна, стратификация

слабая или совсем отсутствует

8. Сильнодистрофные Очень мелкие (1-3 м) озера с обильным поступлением

(полигумозные) гуминовых веществ, непроточные или слабопроточ-

ные, с моховыми сплавинами у берегов, значительная

концентрация органического материала и гуминовых

веществ, летом вода сильно прогревается до дна,

стратификация слабая или совсем отсутствует

Таблица 1.1 ( продолжение )

Газовый режим,

кислотность и

характер де -

струкции

Цвет воды, прозра-

чность

Окисляемость воды,

мг о2 / л

Интенсивность

фотосинтеза

по Винбергу,

мг о2 / м2 в сут.

1. Аэрация хорошая,

кислорода доста -

точно, деструкция

почти полная,

рН = 7.8

2. То же

3. Аэрируется лишь

верхний слой, в

гиполимнионе

ощущается недос-

таток кислорода,

деструкция непол-

ная, рН = 7.5 -8.0

4. То же

5. Недостаток кисло-

рода, зимой

заморы, деструк-

ция частичная,

рН = 6.0 - 7.0

6. Кислорода доста-

точно, деструкция

неполная,

рН = 6.0 - 7.0

7. Кислорода мало,

деструкция

частичная,

рН = 5.0 - 6.5

8. То же

От голубого до

ярко - синего,

10 - 20 м

От синего до

голубовато -

зеленого,

5 - 13 м

От голубовато -

зеленого до

зеленовато- жел-

того, 3 - 8 м

От желтовато -

коричневого до

зеленовато -

желтого, 1 - 5 м

От желтого до

коричневого,

0.4 - 3 м

От зеленовато -

желтого до

коричневого,

2 - 5 м

От светло -

коричневого до

темно - корич -

невого, 1.0 - 3 м

Темно - корич -

невый, 0.5 - 2 м

До 5

5 - 10

10 - 15

15 - 25

25 - 35

Выше 35

0.5 - 1.0

1.0 - 7.5

2.5 - 7.5

7.5 - 10

0.5 - 1.0

0.5 -1.0

0.5 - 1.0

усилился подток карбонатных вод, отлагаются известковистые сапропели, в слабопроточных водоемах - водорослевые органические, в проточных - глинистые сапропели.

В следующий за этм засушливый суббореальный период уровень многих озер снижается. Отлагаются цианофицейные м в проточных озерах - глинисто - известковистые сапропели. Некоторые мелкие водоемы заторфовываются. скорость образования осадков снижается ( 0.4 - 1.5 мм / год ).

В более влажныййй субатлантический период скорость отложения осадков вновь возрастает (максимальная - 4 мм/год). Характерны органические водорослевые и торфянисто - водорослевые сапропели, почти совершенно отсутствуют известковистые сапропели. В хорошо проточных водоемах продолжают образовываться водорослево-глинистые сапропели. Усиленно развиваются торфяники, похоронившие под толщей торфа многочисленные мелкие озера.

Установлено, что средний долголетний годичный прирост ила равен: в небольших озерах без заметных притоков - 1.05 мм, в небольших озерах с притоками - 3.56 мм, в больших озерах с многочисленными притоками - 6.64 мм. постоянное отложение осадков на дне водоема в конечном счете являеться решающим фактором изменения его характерных черт и особенностей. Если под влиянием климата режим озер может изменяться и в сторону понижения уровня воды (засушливые периоды), и в сторону его повышения (влажные периоды), то осадкообразование неуклонно и постоянно ведет к обмелению озера. Это налогает свой отпечаток на всю историю развития водоемов.

Выделяются следующие стадии развития озер:

1-я стадия - юность, первоначальный рельеф котловины почти не изменен, гидробиоценоз не сложился, горизонтальное и вертикальное расчленение озерной чаши первичное;

2-я стадия - зрелость, динамическим воздействием вод озера ( аб - разионно - аккумулятивный процесс) сформированы прибрежный и подводный береговые склоны, сложился гидробиоценоз, мелкодетритовые озерные илы и речные наносы выровняли углубления ложа;

3-я стадия - старость, озерные отложения покрывают все дно, вдоль берегов развиты заросли водной растительности;

4-я стадия - дряхлость, центральная озерная равнина слилась с подводным береговым склоном, в рельефе дна заметен только прибрежный склон, растительность может распространиться по всей акватории;

5-я стадия - умирание, озеро превратилось в болото.

Хозяйственная деятельность человека ускоряет этот процесс. В связи с тем , что процессы аккумуляции органических и органогенных веществ усиливаются с возрастом земли и в водоемы, наряду с продуктами эрозии стихийного происхождения, попадают громадные количества веществ, приведенных в движение человеком (смыв удобрений и частичек почвы), происходит вековая смена различного рода водоемов с населяющими их биомами. Водоемы, дающие нам представление об исторических процессах превращений, отражающих их генезис, распологаются в такой последовательности.

1.Горные плотинные или тектонические озера с неэродированным

водосбросом (включая карстовые озера).

2.Равнинные озера с неэродированным водосбросом.

3.Равнинные озера с эродированным водосбросом (включая равнинные

озера культурного ландшафта).

4.Равнинные озера с заболоченным водосбросом.

5.Обмелевшие (пруды) и лужи.

6.Болота.

В геологических масштабах процесс видоизменения озер протекает довольно быстро. Так на различные озера Польши на 1 км2 территории приходилось от 2.6 га до 14.8 га . В настоящее время озерами занято лишь 0.3 - 4.6 га на 1 км2, т.е. на 69 -88% меньше.

Наибольшие озера заполняются осадками, зарастают и превращаются в торфяники за 200 - 300 лет. С обмелением озера связано изменение всех его характеристик, и в том числе изменение торфности. Выведена зависимость продукции планктона и донной фауны от средней глубины озер, показывающая, что продуктивность глубоких озер с уменьшением глубины возрастает медленно, но при средней глубине 20 - 40 м следует резкий скачок, после чего продуктивность озер с уменьшением глубины значительно увеличивается. зависимость типологической характеристики озер от их размеров и других морфологических особенностей подчеркивается тем, что с уменьшением наиболшей глубины озер с 28 до 3.9 м (средняя глубина при этом уменьшилась с 14 до 2 м, а площадь озер с 865 до 10 га) существенно изменился и ихтилогический тип озер. Он дал следующую схему эволюции озер под влиянием процессов зарастания, заиления и заболачивания: лещево -сиговый тип --- лещево - снетковый--- лещево - судачий--- лещево - уклейный--- лещевый без уклей --- плотвично - окуневый (линевый, щучий или окуневый) --- карасевый --- болото. Изучение иловой микрофауны ледниковых озер северо - запада РФ позволило выделить три группы озер.

1.Слабозаиленные озера, бедные бентоносом, с сильно

минерализованным сапропелем.

2.Озера со средней интенсивностью накопления органического вещества, котловины котрых на 50 - 60% заполнены иловыми отложениями средней и повышенной зольности, с оптимальными условиями для развития донной фауны.

3.Мелководные озера с мощными отложениями органических илов, бедные бентоносом.

Таким образом, закономерности формирования сапропелевых отложений обусловлены геологическими, гидрогеологическими и климатическими условиями, характером и размерами водосбросной площади, морфометрией озерной котловины и т.п. Одним из решающих факторов в развитии озер является процесс осадкообразования, который действуя постоянно и односторонне, ведет к постепенному обмелению озер и накоплению сапропелевых отложений.

Следует сказать, что исследователи, занимавшиеся изучением сапропелевых отложений, в зависимости от специфики и задач своей работы, по - разному подходили к вопросу качественной характеристики сапропелей. Подчас они обращали внимание на частные вопросы, не выделяя главного. Применялись разные методы изучения, и предложено значительное количество классификаций сапропелей.

Однако существующие классификации сапропелей не отличаются достаточной полнотой и универсальностью.

Так, например, наиболее широко распространенная классификация Г.Лундквиста построена исключительно на основе структурных особенностей. Она не точна, носит формальный характер и по существу разнопринципна. В классификации Е.М. Титова игнорируется органическое вещество, что нельзя считатать правильным, так как именно богатство органическим веществом отличает сапропели от минеральных озерных отложений и является их характерной особенностью.

Н.М. Страхов предложил более дробную классификацию. По содержанию органического вещества он разделил осадки на пять на пять групп: пески алевролитовые и глинистые илы - менее 10%; слабосапропелевые алевролитовые и глинистые илы - 10 - 30%; глинистые сапропелевые илы - 30 - 50%; сапропелево - глинистые илы - 50 - 70%; сапропели свыше 70%.

Анали показывают, что органическое вещество сапропелей отличается сравнительно однородным составом, в то время как минеральная часть - разнообразным составом, в то время как минеральная часть - разнообразным составом компонентов; содержание последней колеблется от 5 до 85%. Поэтому классификация сапропелей построена с учетом содержания органического вещества, а также состава минеральных и органических компонентов (табл.1.2).

Таблица 1. 2

Генетическая классификация сапропелей

Типы

Содержание

органического

вещества, %

Вид

Встреченные

разновидности

Органические

грубодетритовые

Органические

тонкодетритовые

(водорослевые)

Органогенные

( минерально -

органические )

Органо -

минеральные

Минерализован-

ные

Свыше

(малозольные)

50 -70

( среднезольные)

30 -50

( повышенно-

зольные )

10 - 30

(высокозольные)

Торфянистый

Гумусированный

Цианофицейный

Протококковый

Хризомонадовый

Смешанно -

водорослевой

Диатомовый

Зоогеновый

Смешанно -

водорослевый

Кремнеземи -

стый

Известковистый

Железистый

Глинистый

Песчанистый

Цианофицейно-торфянистый,

водорослево-

торфянистый

Торфянисто-

гумусированный

Протококково -

цианофицейный,

зоогеново -

цианофицейный

Цианофицейно -

протококковый, хризомонадово -

протоккоковый

Цианофицейно -

хризомонадовый

Торфянисто -

водорослевой

Протоккоково -

дитомовый,

торфянисто -

диатомовый,

хризомонадово -

водорослевый

Диатомово -

зоогеновый

Глинисто- водорослевый,

известковисто - водорослевый

Диатомово -

кремнеземистый

Торфянисто - известковистый,

водорослево -

известковистый,

глинисто -

известковистый

Глинисто -

железистый

Водорослево -

глинистый,

протоккоково - глинистый,

диатомово -

глинистый, из -

вестковисто -

глинистый

Протококково -

песчанистый

части России наиболее часто встречаются водорослевые сапропели: цианофицейно - протоккоковые ( 12.2% ), смешанно - водорослевые (9.8% ), хризомонадово - диатомовые ( 8.3 % ) и протококковые- цианофицейные; В табл. 1.3 дается краткое описание внешнего вида сапропеля при визуальном рассмотрении. В центральных областях Европейской

Таблица 1.3

Описание основных видов сапропелей

Вид

Визуальное

описание

Микроскопическое

описание ( х 100 - 600 )

Торфянистый

Гумусированный

Зоогеновый

Цианофицнйный

Протококковый

Хризомонадовый

Смешанно-водорослевый

Диатомовый

Кремнеземистый

Известковистый

Железистый

Глинистый

Песчанистый

От серовато - коричне-

вого до буроватого с

оливковым оттенком,

грубодетритовый с

растительными остатками

Темно - коричневый, почти черный, зернистый или грубодетритовый с растительными остатками

Серовато-коричневый или

коричневато - оливковый,

мелкозернистый

Темно-оливковые или буровато-оливковые, зернистые

или железообразные

Светло-оливковые или

серовато-оливковые,

зернистые или

пастоообразные

Зеленовато-серый,

коричневатый, пастообразный

Светло-серый, почти

белый. Встречаются

также желтоватый и розовый, вскипает от HCI

Черный, иногда зеленовато- черный с металлическим оттенком или мелкими блестками включений. На воздухе окисляется и покрывается ржавчиной

Сероватый или серовато-коричневый до шоколадного и розоватого, приливает к рукам

Сероватый с заметными на ощупь и на глаз песчинками

Преобладают остатки высших растений и мхов. Обычно втречаются листочки сфагновых и гипновых мхов, корешки осок, хвоща, тростника, остатки кувшинки, древесные остатки и пр.

Обращают внимание бурые, почти черные хлопья гумуса. Много растительных остатков, характерных для торфянистого сапропеля

Преобладают остатки животных. Чаще всего присутствуют створки раковин, головные щиты, антены и другие части ветвистоусых рачков-кладоцера (cladocera)

При среднем увеличении на фоне амрфного детрита ясно видно преобладание сине-зеленых водорослей. Часто присутствуют протоккоковые водоросли

При малом увеличении четко различаются крупные звезды-педиаструм (Pediastrum). При среднем увеличении иногда поражает обилие мелких протококковых- сценедесмус (Scehedesmus). Нередко присутствую сине-зеленые или хризомонадовые водоросли

Цисты хризомонад присутствую в большом количестве. Всегда имеется некоторое количество диатомовых, нередко вместе с губками

Наряду с диатомовыми примерно в равном количестве присутствуют протококковые и хризомонады, реже синезеленые водоросли

Диатомовых очень много, иногда они разнообразны. Часто присутствую лишь мелозира (Melosira) и губки

Характерно наличие диатомовых водорослей, иногда вместе с цистами хризомонад. Часто присутствуют губки

Обращает внимание сплошной серый фон мелких частиц извести. Нередко присутствуют обызвестковленные оболочки факотусовых водорослей

В отличие от гумуссированного сапропеля, черные пятна гидротроилита имет более резкие очертания а фон-зеленоватый. Изредка встречаются дитомовые. Растительных остатков мало

Четко видны мелкие округлые и остроугольные пылеватые частицы. В стречаются остатки диатомовых, протококковых и губки

Бросаются в глаза крупные округлые песчаные частицы. Нередко присутствуют губки, потококковые водоросли, а также остатки высших ратений

распрстранены диатомово-кремнеземистые (6.8%) , глинистые (6.3%), известковыстые (4.9%), водорослево - торфянистые (4.4%), и торфянистые (3.9%). Остальные сапропели встречаются реже. Наименьшая минерализация (4-10%) отмечается у цианофицейных сапропелей. Хризомонадовые сапропели тяготеют к верхней границе минерализации водорослевых сапропелей (20-30%).

Среди минерально-органических сапропелей обычно доминирут дитомовые водоросли, часто с хризомонадами и губками, реже протококковые водоросли и еще реже цианофицеи.

Среди органо-минеральных и минерализованных сапропелей господствуют диатомеи с губками, реже с с хризомонадами.

1.2. Особенности формирования сапропелевых отложений

С целью уточнения и конкретизации особенностей формирования сапропелевых отложений в связи с постепенным заилением озер составляется график зависимости глубины озера от степени заполнения озерной котловины осадками (рис.1.1).

Рис.1.1. Зависимость степени заполнения озерной котловины осадками ( С ) от глубины озер ( Н )

1 - дистрофные озера; 2 - политрофные озера; 3 - эфтрофные озера; 4 - мезотрофные озера; 5 - олиготрофные озера.

Степень заполнения озерной котловины выражается формуло

C = -------- ,

Н + m

где С - степень заполнения озерной котловины;

Н - глубина озера, м; m - мощность осадков, м.

Степень заполнения озерной котловины “С” характеризует относительную скорость ее заполнения осадками, в отличие от абсолютной скорости осадконакопления (мм/год). Значения “C” изменяются от О для возникших до 1 - для отмирающих озер, превращающихся в торфяники.

Прослеживается довольно тесная зависимость ( корреляционное отношение равно 0.95 ) между глубиной озера и степенью заполнения озерной котловины: с уменьшением глубины степень заполнения озерной котловины, естетсвенно, увеличивается.

Для олиготрофных озер ( глубиной более 30 м ) характерны значения С = 0.1, осадки представленны озерными глинами и глинистыми сапропелями, относительная скорость заполнения озерной котловины невелика. В мезотрофных озерах ( глубиной 12 - 25 м ) С = 0.1 - 0.25, отлагаются глинистые и кремнеземистые сапропели. Далее с уменьшением глубины озер продуктивность быстро возратает, относительная скорость осадконакопления резко увеличивается. Степень заполнения осадками озерной котловины эфтрофных озер ( глубиной 5 - 12 м ) колеблется от 0.25 - до 0.6. Развитие их идет в убыстренном темпе, отлагаются органо - минеральные и органические, преимущественно водорослевые, местами известковистые сапропели. Мощность озерных отложений растет. Политрофные озера имеют большие значения С = 0.6 - 0.8, для них характерны органические водорослевые и торфянистые сапропели. Дистрофным озерам, завершающим путь есттественного развития, свойственны значения, близкие к единице ( С > 0.8 ). Отложения представленны преимущественно торфянистыми сапропелями.

График зависимости степени заполнения озерной котловины от глубины озера позволяет приблизительно определять мощность донных отложений, если мы знаем глубину озера и примерное состояие водоема.

Если глубина озера неизвестна, можно возпользоваться формулой П.И. Иванова

Н = a х F ,

где Н - средняя глубина озера,м;

F - площадь озера, км2;

a - коэффициент, учитывающий форму озерной котловины,

равный 0.1 - 0.5 для очень мелких ( политрофных ) озер, 0,5 - 0.2 - для мелких ( эфтрофных ) озер, 2.0 - 4.0 - для озер нормальной глубины

( мезотрофных ), 4.0 - 10.0 - для глубоких ( олиготрофных ) озер, 10.0 - 20.0 - глубоких ( ульт очень ра олиготрофных ) озер.

Необходимо учитывать , что все процессы, в результате которых образуются озерные осадки, обуславливают отложение их в виде концентрических зон. Выделяются три зоны:

1 зона - гидродинамических процессов ( береговая отмель );

2 зона - макрофитов ( склон береговой отмели );

3 зона - гидрохимических и микробиологических процессов (профундаль)

3 зона разделяется на четыре яруса: А) ярус образования планктона и карбонатов - до 5 м глубины; Б) ярус начального разложения планктона и растворения карбонатов - от 5.- 6 м до 10 - 12 м: В) ярус интенсивного разложения планктона и растворения карбонатов - от 10 - 12 до 25 м; Г) бескарбонатный ярус окончательного разложения планктона - глубже 25 м.

Для береговой отмели ( 1 зона ) характерны песчанистые отложения с гравием, на склоне береговой отмели ( 2 зона ) отлагаются песчанистые сапропели, за склоном береговой отмели до глубины 5 - 6 м ( ярус А ) образуется известковистый сапропель, от 5 - 6 м до 10 - 12 м ( ярус Б) отлагается наибольшее количество сапропеля. Глубже сапропеля мало, развиты сульфидные, железистые и другие минерализованные отложения. В зависимости от глубины озера можно судить о характере донных отложений. К этому можно добавить, что для образования известковистых сапропелей решающим фактором явдяется подток карбонатных вод. При наличии постоянного притока кальция образуются известковистые сапропели, а при отсутствии - органические.

При интенсивном зарастании озер в 1 зоне ( на береговой отмели ) отлагаются торфянистые, а во 2 зоне - торфянисто - водорослевые сапропели.

Концентрические зоны отложений наблюдаются на всех стадиях развития озера, но ширина их во многом зависит от морфометрии озерной котловины, направления озерных течений, связанных с его прочностью, направления и силы господствующих ветров. Несомненно одно, что характер донных отложений связан с глубиной озера и что он более резко изменяется у берегов, чем вдали от них, за склоном береговой отмели.

Минерализация сапропелевых отложений изменяется как с глубиной, так и в плане. Она обычно мало колеблется в пределах генетически однородного слоя, представленного тем или иным видом сапропеля, и претерпевает резкие изменения при переходе от одного слоя к другому. Поэтому при описании сапропелевых отложений следует четко выделять границы разнородных слоев и отбирать образцы послойно, а не через определенные интервалы без учета строения залежи.

Изменение минерализации в плане связано с концентрическим распределением сапропелевых отложений. Как правило, на береговой отмели отлагаются наиболее крупные фракции, резко увеличивающие минерализацию сапропелевых отложений. На склоне береговой отмели механический состав сапропелей характеризуется более мелкими фракциями и увеличивается содержание органического вещества. В глубокой части озера ( профундали ) оседают обычно самые тонкие фракции с наименьшей минерализацией.

Описанный порядок распределения отложений по механическому составу и минерализации типичен для небольших непроточных озер без заметного притока грунтовых вод. Только в таких озерах ( а также в защищенных заливах больших озер ) образуются органические сапропели. С увеличением акватории увеличивается водосбросная площадь и озеро, как, правило, становится проточным. Кроме того, с увеличением открытой поверхности под влиянием ветра способно развиаться волнение. Волны перемешивают верхний сой воды, снабжая его кислородом, и разрушают берега озера. Все это значительно увеличивет минерализацию отложений. Максимальные размеры озера, в котором могут образовываться органические сапропели, изменяются в зависимости от площади водосбора и защищенности от ветрового воздействия в пределаг 100 - 500 га. Отсюда следует, что органические сапропелевые отложения представляют собой только небольшие по площади месторождения.

Проточность озера является важным фактором, регулирующим минерализацию сапропелей. Направление течения воды в озеревсегда отмечены пониженным содержанием органического вещества сапропелей. Это обусловлено и механическим приносом минеральных частиц, и лучшей аэрацией воды, благодаря чему здесь происходит более полное разложение органического вещества. Проточность озера часто нарушает концентрическое распределение сапропелей по механическому составу и зольности. Иногда в центральной проточной части озера минерализация отложений гораздо выше и здесь отлагаются более крупные фракции, чем в прибрежных, относительно спокойных заводях и бухтах. У проточных озер отложения обычно имеют повышенную минерализацию в прибрежной полосе и вдоль основных направлений течения воды.

Ширина прибрежной полосы у малых озер ( Святое, Нерское ) составляет примерно 50 - 200 м, а у больших ( Галическое, Чухломское ) достигает 0.4 - 1 км и более. Зоны повышенной зольности, связанные с течениями, зависят от морфметрических и гидрологических факторов и могут иметь разную ширину, но обычно они выглядят сравнительно узкими полосами на фоне общей акватории озра. Важно подчеркнуть, что в этих местах минерализация сапропелей меняется более резко, чем на остальной площади распространения сапропелевых отложений.

Отсюда следует, что при разведке сапропелевых отложений необходимо сгущать частоту пунктов опробования в прибрежной полосе и в зоне основных течений. нельзя просто ограничиваться бурением скважин и отбором проб по сетке квадратов, потому что редкая сетка не позволит достаточно полно охарактеризовать залежь в прибрежной полосе и в зоне течений.

Залежи сапропелей довольно разнообразны. При инженерно - геологическом изучении залежей необходим объективный подход в зависимости от их свойств и условий залегания.

Поскольку сапропели образуются в озерах, конечной фазой развития которых часто является превращение в торфяники, сапропелевые отложения генетически связаны с историей возникновения и развития озерной котловины и частично с уловиями образования торфяных местородений. Установлена определенная типологическая зависимость торфяных месторождений от характера рельефа, и на этой основе разработана их геоморфологическая классифкация. Вместе с тем известно, что происхождение и развитие озерных котловин тесно связано с общими условиями формирования рельефа данной территории. Рельеф поверхности образуется под влиянием геологических, гидрогеологических и гидрологических условий на фоне изменения климата и растительности, в результате чего геоморфологические особенности становятся весьма показательными для характеристики сапропелевых отложений. Приуроченность к определенным формам рельефа часто определяют размеры и форму сапропелевых отложений, их строение и мощность, условия водного и минерального питания, характер минерализации.

Выделяются три основные группы сапропелевых отложений: отложения пойм; отложения высоких террас и зондровых равнин; отложения холмисто - моренного ландшафта.

Предлагаемая классификация составлена по данным исследований сапропелевых отложений средней полосы Европейской части России, которая охватывает территорию лесной зоны с наиболее благоприятными условиями сапропеленакопления.

Прежде чем перейти к подробной характеристике выделенных групп сапропелевых отложений, необходимо их классифицировать по геологолитологическому и генетическому принципу.

По характеру строения сапропелевые отложения можно разделить на три типа: силикатные, карбонатные и органичесике.

Отложения силикатного типа слагаются преимущественно сапропелями силикатного состава ( глинистыми, песчанистыми и кремнеземистыми ), отложения карбонатного типа образуются в основном за счет известковистых сапропелей, органического типа - сложены преимущественно органическими и органогенными сапропелями.

В природе довольно часто встречаются различные комбинации этих типов. Чаще всего сверху залегают органические сапропели, которые подстилаются карбонатными или силикатными. В этом случае тип отложений определяется по соотношению мощности слагающих пластов сапропелей.

К органическому типу следует относить отложения со средней мощностью органических сапропелей не менее 2 м для открытых и не менее 1 м для погребенных отложений. Пр такой мощности органические сапропели приобретают самостоятельное значение, а при меньшей мощности - это обычно прослойки и линзы, играющие второстепеную роль.

Если органические сапропели подстилаются карбонатными или силикатными сапропелями такой же или большей мощности, то их можно классифицировать как органо - карбонатные или органо - силикатные отложения.

Кроме того, по ряду генетических признаков сапропелевые отложения делятся на два типа: открытые и погребенные.

Открытые сапропелевые отложения приурочены к различного рода озерам, на дне которых образуются разнообразные сапропели. Это развивающиеся отложения с открытой поверхностью, над которой имеется лишь слой воды. Ежегодно на поверхность сапропелевых отложений поступает новая порция органического и минерального материала, за счет чего проиходит увеличение их мощности.

Верхний слой сапропелей находится в текучем состоянии в стадии суспензии, влажность их выше верхнего предела пластичности, плотность незначительная, структурная прочность минимальная.

Погребенные сапропелевые отложения обычно залегают в основании торфяной залежи под слоем торфа. Встречаются также сапропелевые отложения, погребенные под минеральными наносами. Характерной особенностью погребенных сапропелевых отлжений является то, что они полностью прекратили свой рост, начали уплотняться и обезвоживаться, находятся в скрыто - текучем или пластичном состоянии и обладают определенной структурной прочностью. Стадия седиментогенеза закончилась, и начинается стадия диагенеза.

Переход от открытых сапропелевых отложений к погребенным совершается постепенно, по мере обмеления и зарастания озер. Часто можно наблюдать, как в почти совершенно зарасших озерах остаются небольшие просветы воды, так называемые “окна”, приуроченные к наиболее глубоким участкам. На этих участках существенного роста сапропелей не происходит, но они могут служить косвенным указателем наиболее мощных отложений. Если суммарная площадь остаточных озер

Рис.1.2. Изменение естественной влажности ( W ) и содержания

органического вещества ( Q ) сапропелей с глубиной ( Н )

по сравнению с общей площадью сапропелевых отложений не велика, то такие отложения можно относить к погребенному типу.

Указанные два типа сапропелевых отложений следует четко разграничивать, так как они отличаются друг от друга по физико - механическим свойствам. Изменение естественной влажности открытых и погребенных сапропелевых отложений с глубиной показано на рис.1.2,3,4.

В табл.1.4 приведены отличительные черты и оссобенности сапропелевых отложений различных геоморфологических групп.

Сапропелевые отложения пойм приурочены к пойменным озерам, преимущественно эрозионно - речного происхождения. Это обычно маленькие озера удлиненной формы, являющиеся старицами реки или возникшие благодаря заполнению полыми водами пойменных понижений и западин.

Интенсивное минеральное питание стимулирует развитие органической жизни, но обильный приток кластического материала приводит к образованию минерализованных, чаще всего глинистых, реже песчанистых сапропелей. Поймы крупных рек обычно изобилуют такими озерами. Озерность поймы может достигать 1 - 3 %, а в пойме р. Оби она достигает даже до 10%. По мере зарастания озер доступ в них кластического материала несколоко уменьшается и в погребенных отложениях ( в верхней части ) часто прослеживается небольшой слой органических сапропелей.

В озерах пойменно - притеррасных, питаемых грунтовыми водами, обогащенными кальцием или железом, встречаются известковистые или железистые сапропели. В качестве примера можно привести торфяное месторождение “Шуваловское” Ленинградской области с сапропелевыми отложениями погребенного типа. Площадь сапропелевых отложений составляет 25 га. Наибольшая мощность сапропелей 2.5 - 3 м. сапропели глинисто - ожелезненные. Приток железистых вод объясняется близким залеганием кристаллических пород, так как месторождение находится на Карельском перешейке у южной границы Балтийского щита. Верхняя часть залежи (0.5 м) представлена торфянисто-водорослевыми сапропелями, выше которых залегает сфагновый низинный торф.

Сапропелевые отложения высоких террас и зондровых равнин образовались в древнепойменных и остаточно-ледниковых озерах, которые располагались в основном среди древнеаллювиальных и флювиогляциальных песчаных отложений. Благодаря слабым уклонам поверхности и бедным песчаным почвам в озера поступало мало биогенных элементов и кластического материала.

Низкие песчаные берега озер быстро зарастали и заторфовывались. Под водействием наступающих торфяных болот мелкие озера быстро отмирали, а глубокие продолжали развиваться в окружении торфяников. Слабый приток минеральных компонентов приводил к образованию органических или кремнеземистых сапропелей различной мощности (от1 до 15 м). Площадь сапропелевых отложений изменяется в широких пределах - от 16 до 6900 га.

Рис. 1. 2. Изменение естественной влажности ( W ) и содержания органического

вещества ( Q ) сапропелей с глубиной ( Н ).

а - т/м “Савцинское” Тверской обл.; б - оз. Уго Тверской обл.;

1 - осоковый торф; 2 - известковисто - водорослевый сапропель

В качестве примера можно привести озера Святое и Черное Московской области, расположенные на третьей террасе р. Москвы. Площадь отложений 16 - 18 га. Часть отложений открытого типа, часть погребенного. Представлены органо - силикатными сапропелями. Мощность органических сапропелей достигает 3 - 10 м. В оз. Черном встречаются маломощные прослойки водорослево - известковистых сапропелей. Максимальная мощность сапропелей - 17 м.

Рис. 1.3. Изменение естественной влажности (W ) и содержания органического

вещества (Q) сапропелей с глубиной ( Н )

а-т/м “Тростянское” Московской обл.; б - оз. Галичское Костромской

обл. 1 - тростняковый торф; 2 - известковистый сапропель

Большое торфяное месторождение “Оршинский мох” Тверской области находится на границе второй надпойменной террасы р. Волги и зандровой флювиогляциальной равнины. Многие озера остаточно - ледникового происхождения, образовавшиеся после отступления ледника, явились очагами заболачивания. Большая часть их быстро превратилась в болото, свидетельством чего служат многочисленные линзы маломощных сапропелевых отложений в основании торфяной залежи. Мощность погребенных сапропелевых отложений открытого типа сохранилось мало, а на поверхности торфяника образовались вторичные озера, не имеющие сапропелевых отложений.

Типичным примером отложений зандровых равнин является т/м “Радовицкий Мох” Московской области.Здесь также имеются в придонном слое многочисленные линзы маломощных силикатных сапропелей. Кроме того, сохранилось около 10 озер с открытой водной поверхностью, в которых распрстранены сапропели органического типа. Площадь зеркала озер изменяется от 7 до 98 га/ Мощность сапропелевых отложений достигает 4 - 8 м. Вторичных озер нет.

Таблица 1.4

Характеристика сапропелевых отложений различных

ге оморфологических групп

Группа

Происхождени озерных котловин

Форма и размер

озер

Подстилающие

породы

Отложения Пойменные и эро - Удлиненной формы, Аллювиальные

пойм зионно - речные с низкими берегами, пески, супеси

мелкие, небольших и суглинки

размеров

Отложения Древне-поймен - Округлые и овальные Флювиогляциа -

высоких ные и остаточ - с низкими плоскими льные пески и

террас и но - ледниковые берегами, большие и супеси

зандровых маленькие, мелкие и

равнин глубокие

Отложения Ледниково - Округлые и удлинен- Моренные

холмисто- аккумулятивные ные, с высокими суглинки и

моренного берегами, глины

ландшафта разнообразной

величины

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Продолжение Таблицы 1. 4

Форма и размер

сапропелевой

залежи, га

Мощность сапропелвых

отложений , м

открытых погребенных

Строение сапропелевых

отложений

открытых погребенных

6 7

8 9

Узкая удлиненная, от 2 - 3 1 - 2 Под слоем во - Чаще сили -

десяти до нескольких ды 1-2 м зале- катные

сот гают глини- сапропели,

стые сапро- перекрытые

пели. В при - толщей торфоов.

террасной ча- На контакте

сти изредка с торфом

встречаются небольшая

железистые и прослойка

известкови - органических

стые сапропе- сапропелей

ли

Округлая и овальная 3 - 15 1 - 5 Под слоем во- Обычно органи-

от нескольких десятков ды от 1-2 до ческие или сили-

до нескольких тясяч 5-8 м залега- катные сапропели,

ют органичес- перекрытые

кие сапропели, толщей низинных

подстила - или верховых

ющиеся кремне- торфов

земистыми

Округлая и удлиненная 3 - 20 1 - 8 Под слоем во - Органические,

до нескольких тысяч ды от 1-2 до или силикатные

1-4 м залега- сапропели, погре-

ют органичес- бенные под

кие, силикат- торфами низин-

ные и карбонат- ного или верхо-

ные сапропели вого типа

Сапропелевые отложения холмисто-моренного ландшафта приурочены к озерам преимущественно ледниково-аккумулятивного происхождения, которые остались после таяния ледника в многочисленных котловинах, понижениях и западинах моренного рельефа.

В целом для сапропелевых отложений моренного ландшафта характерна повышенная минерализация. С крутых склонов берегов, сложенных легкоразмываемыми суглинистыми породами, происходил интенсивный принос в озера кластического материала, за счет которого образовывались глинистые сапропели, имеющие довольно широкое распространение. Они выстилают понижения дна многих озерных котловин, а местами слагают всю толщу залежи.

Приток карбонатных грунтовых вод из межморенных и межледниковых отложений, а также роцесс выщелачивания морены обусловили образование известковистых сапропелей, которые приурочены обычно к средней или нижней части залежи и имеют мощность от 1 до 4-5 м.

После того как берега озер достаточно зарастут, чтобы препятствовать механическому заилению, начинают отлагагться органические сапропели. Они, как правило, образуют верхнюю часть сапропелевых отложений, но иногода, в небольших замкнутых озераз, мощность их в несколько раз превышает подстилающие слои минерализованных сапропелей, и залежь относится к органическому типу.

Холмисто-мренная равнина последнего валдайского оледенения имеет значительное количество озер. Озерность составляет 1-2%. Озерные котловины располагаются в понижениях между моренными грядами и на склонах холмов. Они имеют округлую форму или удлиненную со слабыми следами размыва берегов поверхностными водами. Высокие и крутые берега иногда снижаются, давая выход ручьям или речкам. В свою очередь озера могут получать воды поверхностного стока за счет небольших притоков или питаться грунтовыми водами из межморенных водоносных горизонтов.

Типичным примером открытых отложений силикатного типа могут служить донные осадки озер Заклинского и Туровского Ленинградской области, площадь отложений которых 17 - 30 га, мощность 3-8 м. В литологическом разрезе превалируют диатомово-глинистые и глинистые сапропели. Форма отложений удлиненная. Они сформировались в понижениях между моренными грядами. Над сапропелями имеется слой воды от 2 до 5 м. Выходов грунтовых вод не обнаружено.

Сапропелевые отложения, приуроченные к относительно равнинным учаткам моренных водоразделов с неглубокими замкнутыми понижениями, имеющими небольшую водосбросную площадь, могут относиться к органическому типу. В качестве примера рассмотрим озеро Борковское Новгородской области, которое залегает в неглубоком понижении Прилукской моренной равнины. Озеро имеет овальную форму, площадь его 152 га, глубина 0.3-0.6 м. Отложения представлены водорослевыми сапропелями мощностью 2-3 м. Понижения дна выстилаются известковисто- глинистыми сапропелями мощностью 2-3 м. Понижения дна выстилаются известковисто-глинистыми сапропелями мощностью до 0.5-1.5 м. часть сапропелевых отложений находится под толщей низинных торфов.

Примером отложений органо-карбонатного типа может служить суходольное озеро вблизи т/м “Эндла” в Эстонии. Озеро округлой формы, площадью около 15 га. Берега заторфованы. под трехметровым слоем воды здесь залегают органические сапропели мощностью 1.5-2 м.

Погребенные отложения тоже могут относиться к органическому типу: например, на т/м “Ситенское” Псковской области под трехметровым слоем торфа верхового типа залегает пласт органических сапропелей мощностью до 2-3 м. Органические сапропели подстилаются небольшим слоем силикатных песчанистых сапропелей мощностью до 1м. Общая площадь сапропелевых отложений составляет 950 га.

Довольно широко распространены погребенные отложения силикатного типа , реже втречаются отложения карбонатного типа. Мощность отложений редко превышает 1.4-3 м. Они могут быть перекрыты как низинными, так и верховыми торфами.

Особенно много озер в области конечно-моренных образований. Озерность здесь достигает 2-5%. Преобладают замкнутые озерные котловины с крутыми, высокими берегами, сложенными моренными суглинками. Типичны отложения силикатных и органических сапропелей. Примером отложений открытого типа могут служить сапропели оз. Кислицкого Тверской области. Озеро округлой формы, площадью около 60 га. Глубина его не превышает 0.6-1.3 м. Отложения мощностью до 7.4 м сложены органо-минеральными диатомово-кремнеземистыми сапропелями. Берега озера покрыты торфом низинного типа. Верхние слои сапропелей имеют меньшую минерализацию и приближаются по составу к органическим сапропелям.

Погребенные сапропелевые отложения аналогичного типа обнаружены на т/м “Режень П” Тверской области. Площадь отложений 619 га. Мощность силикатных сапропелей достигает 4 м. Сверху залегает небольшой слой (1-1.5м) органических сапропелей, которые перекрываются шейхцериево-осоковым переходным торфрм.

Отложения органического типа выявлены на т/м “Ореховка П” Псковской области. Площадь сапропелей 175 га, средняя мощность 1.6 м. Под торфом верхового типа мощностью до 4.9 м залегают органические сапропели с зольностью 4.7-13.3% . Наибольшая мощность их достигает 5 м.

Южнее и восточнее границы распространения конечно-моренных образований валдайского оледенения сапропелевые отложения часто приурочены к котловинам с резким эрозионным врезом. Характерен приток грунтовых вод в виде ключей и родников. Здесь чаще встречаются отложения известковистых сапропелей.

За границей распространения конечно-моренных образований московского оледенения озер мало. Озерность не превышает 0.1 - 0.5%.Озера прошли долгий путь развития. Благодаря процессам эрозии одни из них исчезли, другие стали проточными, и в них значительно снизился уровень воды. Почти все озера, в том числе и довольно крупные ( Неро, Гилическое, Чухломское), находятся в стадии одряхления и усиленно зарастают. Образовалось много месторождений сапропелей погребенного типа.

Озера Галическое и Чухломское являются примером больших открытых сапропелевых отложений силикатного типа. Плщадь оз. галического 8087 га, Чухломского - 4721 га. Глубина 1-4 м. В придонном слое залегают известковистые сапропели мощностью до 1.5 - 2.5 м. Общая мощность сапропелевых отложений достигает 7-11 м.

2.3 Закономерности распространения сапропелевых отложений

Для выяснения закономерностей размещения сапропелевых отложений, особенностей их генезиса и стратиграфии были выбраны 12 центральных областей Европейской части бывшего СССР с благоприятными условиями для их образования.

На основании данных исследований и обобщения литературных материалов составлена карта распространения сапропелевых отложений бывшего СССР. Установлено, что в их размещении наблюдается определнная закономерность, обусловленная климатическими, геологическими, геоморфологическими, гидрогегологическими условиями и характером растительности.

На схематической карте ( рис.4 ) выделены следующие зоны сапропеленакопления: 1 северная зона слабого сапропеленакопления, 2 центральная зона интенсивного интенсивного сапропеленакопления, 3 южная зона слабого сапропеленакопления, 4 зона солоноватых сапропелей и минеральных грязей.

Эти зоны соответствуют климатическим зонам природных ландшафтов: 1 зона совпадает с зонами тундры и лесотундры, 2 зона приурочена к лесной климатической зоне, 3 зона простирается примерно в границах лесостепи, 4 зона располагается южнее лесостепи и соответствует условиям жаркого климата степей и пустынь.

Выделены также азональные территории слабого сапропеленакопления, обусловленные распространением вечной мерзлоты или гористым рельефом местности. При этом была использована гипсометрическая карта бывшего СССР масштаба 1:5 000 000.

Необходимо подчеркнуть, что сапропелевые отложения изучены далеко неравномерно. Относительно более полно разведаны сапропелевые отложения Прибалтийских государств, Белоруссии, Украины, центральных областей Европейской части России и Зауралья. Почти совершенно не исследованы сапропели Восточной Сибири, Крайнего Севера и Дальнего Востока. Поэтому предлагаемая карта зольности сапропелевых месторождений бывшего СССР носит схематический характер. Особенно это касается Азиатской части, по которой материала очень мало.

Тем не менее составленная карта дает определенное представление о закономерностях распространения сапропелевых отложений и позволяет сделать некоторые обобщения, касающиеся не только обследованных областей Европейской части России, но и других районов, исходя из общих закономерностей и условий образования сапропелевых отложений.

Европейская часть России исследована лучше других территорий бывшего СССР. На основании данных физико-географических и лимнологических описаний составлена схематическая карта озерности средней полосы Европейской части России ( рис. 5 ).

Рис.4 Схематическая карта зональности сапропелевых отложений бывшего

СССР.

1 - северная зона слабого сапропеленакопления; 2 - центральная зона интенсивного сапропеленакопления; 3 - южная зона слабого сапропеленакопления; 4 - зона солоноватых сапропеелей и минеральных грязей.

Азональные территории слабого сапропеленакопления: А - горно - мерзлотные; Б - равнинно - мерзлотные; В - горно - таежные.

Области сапропеленакопления: 1 - Канско - Печерская; 2 - Таймыро - Чукотская; 3 - Кольско - Карельская; 4 - Двинско - Мезенская; 5 - Рижско - Ильменская; 6 - Конечно - моренная; 7 - Вторично - моренная; 8 - Беларусско - Московская; 9 - Полесская; 10 - Волго - Мещерская; 11 - Вятско - Камская; 12 - Уральская; 13 - Западно - сибирская; 14а - Приамурская; 14б - Камчатская; 15 - Курско - Пензенская; 16 - Барабинская; 17а - Приалтайская; 17б - Забайкальская; 18 - Средне - Сибирская; 19 - Якутско - Вилюйская; 20 - Горно - мерзлотная; 21 - Горнотаежная.

1 северная зона слабого сапропеленакопления охватывает территоию распространения мелководных пресных озер тундры и лесотундры. При малой испоряемости и повышенной влажности воздуха здесь создаются условия для формирования многочисленных пресных небольших озер. В условиях холодного климата и близкого залегания вечной мерзлоты котловины озер слабо развиты. Много озер термокарстового происхождения. Органическая жизнь в озерах подавляется суровыми климатическими условиями при коротком вегетационном периоде. Поэтому донные отложения озер представлены маломощными водорослевыми и торфянистыми сапропелями. Средняя мощность сапропелей около 1 м. В зоне выделены две области.

1) Канско - Печорская область, площадью около 196 тыс.км2, занимает северную часть Восточно-Европейской равнины и Кольского полуострова. В Мурманской области насчитывается 110701 озеро общей площадью 9178,7 км2, в том числе 93817 бессточных озер площадью 1680 км2. Озерность территории - около 6.6%. К востоку озерность уменьшается.

2) Таймыро - Чукотская область охватывает громадное пространство сибирской тундры площадью 2280 тыс. км2, За Уральскими горами озерность резко возрастает и на Гыданском, Тазовском полуостровах и Ямале достигает 30%. Озера преимущественно ледниково-аккумулятивного и термокарстового происхождения. На Чукотке озер гораздо меньше.

2 центральна зона интенсивного сапропеленакопления характеризуется большим разнообразием озер лесной полосы. Относительно теплый климат, избыток влаги, наряду с процессами выветривания и размыва, обеспечивающими поступление в озера достаточного количестква биогенных компонентов, создают условия, благоприятные для развития органической жизни в озерах. Вместе стем прибрежная растительность и леса предохраняют озера от механического заиления минеральными наносами. На дне озер отлагаются различные типы сапропелей, достигающие подчас мощности в несколько десятков метров. В пределах зоны можно выделить несколько областей.

3) Кольско - Карельская область занимает территорию распрстранения кристаллических пород Фенно-Скандинавского щита. Область отличается обилием озер, преимущественно тектонического и ледниково-эрозионного происхождения. Большие озера глубокие, холодные, олиготрофного типа. Мелкие озера характеризуются небольшой глубиной и находятся на различных стадиях дистрофакции. Количество их увеличивается к югу. На территории Республика Карелия насчитывается до 44 тыс. озер общей площадью 16.3 тыс.км2, в том числе 32 тыс. малых озер с акваторией около 16.3 тыс.км2, в том числе 32 тыс. малых озер с акваторией около 1600 км2. Средняя озерность ресбублики 9%, местами дстигает 18% и более.

В больших олиготрофных озерах сапропелей нет. Для малых озер характерны водорослево-гумусированные и торфянисто-гумуссированные сапропели различной мощности. Нередки отложения железистых сапропелей, но наиболее часто встречается хризомонадово-диатомовые, диатомово-кремнеземистые и диатомово-глинистые сапропели, которые

Рис.5 Схематическая карта озерности средней полосы Европейской части

России

Озерность территории в %: а - < 0.05; б - 0.05 - 0.1; в - 0.1 - 1.0;

г - 1 - 2; д - 2 - 5; е - > 5

почти целиком слагают залежь торфяных месторождений “Яппиля-Суо”, “Конногорское П”, “Удельное” Ленинградской области. Сапропелевые отложения при этом могут быть перекрыты торфами как низинного, так и верхового типа. Лимнотельматический контакт всегда представлен торфами низинного типа ( тростниковый, осоковый, гипновый, сфагновый, низинный и др.). Мощность сапропелей 2-5 м.

На т/м “Юковское” Ленинградской области под толщей низинных торфов ( 2.7 м ) обнаружен черный гумусированный сапропель мощностью до 1 м, а на т/м “Шуваловское” Ленинградской области найдены железистые сапропели мощностью до 1 м. Выше ожелезненых сапропелей залегают прослойки торфянисто-водорослевых сапропелей, мощность ( 0.5 м) которых перекрывается сверху почти двухметровой толщей низинного торфа.

4) Двинско-Мезенская область охватывает территорию древней холмисто-моренной равнины предпоследнего днепровского оледенения, значительно выровненную эрозией. Озер здесь гораздо меньше (озерность обычно не превышает 0.5 - 1 % ).

Преобладают остаточные озера ледниково- аккумулятивного происходения и эрозионного в поймах рек, неглубокие, с высокой степенью трофности, с плоскими заросшими или заторфованными берегами. В связи с более суровым климатом и продолжительной зимой условия для образования сапропелевых месторождений менее благоприятны, чем в южных районах лесной зоны. Сапропелевые месторождения почти не изучены. Существует лишь описание оз. Дон-ты, расположенное в Республике Коми и имеющего сапропелевые отложения мощностью 1 - 2 м, зольность которых колеблется от 45 до 65 %.

5) Рижско-Ильменская область ограничивается территорией с холмисто-моренным рельефом, слабо сглаженным эрозтей, на которой отчетливо видны следы деятельности последнего валдайского оледенения. Для этой территории характерон наличие множества озер, преимущественно ледниково-аккумулятвного происхождения, с крутыми берегами, сложенными моренными суглинками. Поверхностный сток в условиях избыточного увлажнения и распространения легкорамываемых суглинистых грунтов обеспечивает достаточный приток в озера биогенных элементов. Озерность територии нередко превышает 1-2%. Озера преимущественно мезотрофные и эфтрофные, много также зарастающих и дистрофных озер.

В Эстонии насчитывается более 1500 озер общей площадью более 2200 км2. Основную массу составляют небольшие озера с площадью до 1-5 км2. На побережье встречаются реликтовые озера морского происхождения. В Латвии имеется 5000 озер общей площадью 101 650 га, озерность -1.6%. Озерность территорий с зандрово-холмистым рельефом Псковской области составляет 1-2%, моренно-холмистым - 4.2%, равнинным - 0.6%. Все это благоприятствует образованию сапропелевых отложений.

Мощность сапропелей достигает 5-8 м. Чаще встречаются проточные озера с сапропелями повышенной минерализации (дитомово-глинистые, глинистые, известковистые ). К ним относятся озера Заклинье, Турово, Неслаево, Б.Замошье, Лукома, Ильжо, Глубокое, Самро Ленингардской области. Наряду с этм имеется много малопроточных или непроточных озер с водорослевыми и торфяно-водорослевыми сапропелями средней и малой зольности. Это озера Б.Черное, Лисичкино, Вердуга, Горнешно, Круглое, Борковское, Карасино, Керино, Островно Ленинградской области.

Сапропелевые месторождения погребенного типа обычно встречаются меньшей мощностью. Они чаще представлены органо-минеральными и минерализованными сапропелями, реже органическими.

На т/м “Баковский мох” Ленинградской области под осоковым торфом низнного типа мощностью 2.3 м встречена маломощная прослойка (0.1 м) цианофицейно-торфянистого сапропеля, а ниже, до глубины 4.6 м, залегают известковистые сапропели с включением ракушек.

6) Конечно-моренная область (“Поозерье”) окаймляет с востока и юга территорию последнего валдайского оледенения. Она характеризуется холмисто-озерным рельефом: многочисленные озера чередуются с различного рода возвышенностями и холмами, озерность достигает 4-9%. В литературе описаны сапропелевые озера Осташковского и Вышне-Волоцкого районов Тверской области и озера Селигерской группы. Мощность сапропелей в озерах обычно составляет 4-8 м, а в оз. Долгом Осташковского района достигает 21 м. зольность Сапропелей различная. Органические сапропели характерны для небольших слабопроточных озер ( Пиявочное, Белое, Долгое, Лобынец Тверской области ), а сапропелевые отложения больших и проточных озер ( Белое, Коломно, Щучье, Островно, Бело-Брагинское, Селигер, Войское, Терегош Тверской области ) имеют повышенную минерализацию. Мощность сапропелевых месторождений погребенного типа не превышает 4-6 м, а чаще всего находится в преедлах 0.5-2.5 м. На торфяных месторождениях “Ореховка П”, “Большой Мох”, “Комлевское”, “Чистый Мох” Псковской области, “Удаль”, “Аксентьевское” Тверской области сапропелевая толща сложена преимущественно органическими протококково-цианофицейными сапропелями, которые часто подстилаются небольшой прослойкой глинистых сапропелей. Реже встречаются повышеннозольные хизомонадово-диатомовые и диатомовые и датомомво-кремнеземистые сапропели ( оз.Кислицкое, т/м “Каменское”, “Режень П”). Известковистые сапопели встречены на торфяных месторождениях “Ящеров Мох”, “Макаровское”, “Шарово”; на т/м “Крутецкое”обнаружены гумусированные сапропели мощностью до 1.6 м. Сапропели погребены чаще под торфами низинного типа, но встречаются и в основании верховых торфов.

7) Вторично-моренная область расположена широкой полосой южнее Двинско-Мезенской древней холмисто-моренной равнины и отличается от последней плавным, сильно сглаженными формами рельефа и меньшей озерностью, которая не превышает 0.1 -0.5 %. Она лежит в основном за пределами границы московского оледенения, что обусловило более длительный период развития находящихся здесь озер. Почти все озера, даже такие большие, как Плещеево, Неро, Галичское, Чухломское, находятся в стадии старости и содержат мощные толщи сапропелей. В оз. Сомино отмечена наибольшая в России мощность сапропелей - 40 м. в оз. Половчиновском Ивановской области их мощность 16 м, в оз. Неро - более 19 м. В других озерах мощность сапропелей уменьшается до 4 - 8 м. Многие интенсивно зарастают. В больших проточных озерах ( Неро, Галичское, Чухломское, Плещеево ) отлагаются преимущественно диатомово-глинистые и песчанистые сапропели повышенной зольности, в небольших сабопроточных озерах ( Рыбаловское, Русиловское, Кушинское, Скомороховское, Карачаевское Ивановской области и Ущемерово Ярославской области ) - органические и органогенные водорослевые сапропели.

8) Белорусско-Московская область занимает территорию Белорусско-Московской возвышенности, состоящей из чередующихся холмисто-увалистых моренных гряд или возвышенностей, сложенных преимущественно моренными валунными суглинками, и нешироких понижений, занятых долинами ручьев и мелких речек, а также котловинами озер, сточными и проточными. Изредка встречаются и бессточные котловины. Озерность территории составляет 1-2%. Озера расположены неравномерно: их сравнительно много в северной части Белорусии, на северо-западе Смоленской области и в Тверской области, но значительно меньше в пределах Московской области. Мощность сапропелей достигает 5-12 м и более. Институтом “Гипроторфразведка” исследовано в Смоленской области оз. Стоячее, где обнаружены хризомонадово-диатомовые сапропели мощностью до 15.5 м. Средняя мощность сапропелевых отложений - 5.1 м. В оз. Нерском Московской области под небольшим слоем воды (1-2 м) залегает 5-6 - метровая толща среднезольных смешанно-водорослевых сапропелей, которая подстилается слоем известковистых сапропелей (1.5 -2.5 м ), ниже переходящих в глинистые сапропели. Общая мощность сапропелевых отложений превышает 12 м.

Примерно такое же строение имеют отложения сапропелей на т/м “Тростенкое” Московской области. Здесь под торфом на глубине 1.5 - 2 м залегают цианофицейно-протококковые сапропели мощностью 2-4 м. Ниже следуют известковистые сапропели мощностью до 4 м.

Дно проточных озер Круглого, Долгого и Полецкого Московской области устилают среднезольные и повышеннозольные сапропели мощностью до 3-5 м. В небольшом озере, расположенном в середине т/м “Озерное” Московской области, встречены протокково-хризомонадные органичесике сапропели мощностью более 5 м.

9) Полесская область располагается в границах Полесской флювиогляциальной низины с полого-волнистым сглаженным рельефом. Озера преимущественно пойменные и древнепойменные, с низкими песчаными беоегами, обычно заросшими или заболоченными. Низина сильно заболочена, в связи с чем в озера поступает значительное количество болотных вод, и они часто в той или иной степени дистрофированы. Средняя озерность - 0.6%, средняя мощность сапропелей - 2.5 м.

10) Волго-Мещерская область занимает территорию Волго-Мещерской низины и имеет много общих черт с Полесьем, отличаясь несколько большей озерностью (0.7%). Низина довольно сильно заболочена. Многие озера расположены среди болот или испытывают влияние болотных вод. Это угнетающе сказывается на развитии сапропелевых отложений, а озера вторичного происхождения имеют незначительную мощность торфянисто-гумусированных сапропелей. Наибольшую мощность (17 м) имеют сапропелевые отложения оз. Черного Московской области, которое расположено на третей надпойменной террасе р. Москвы. Среди хризомонадово-диатомовых и диатомово-глинистых сапропелей отмечены две прослойки известковистых сапропелей на глубине 5-6 м и 11-13 м. Расположенное в близи оз. Святое содержит органические цианофицейно- протококковые сапропели мощностью до 4 м. В Шатурских озерах (Святое, Белое) найдены органические и органогенные сапропели мощностью до 7 м.

На т/м “Тархановское” Московской области под толщей низинного торфа (3.5 м) обнаружены хризомонадово-дитомовые сапропели мощностью до 2.5 м. Такие же сапропели мощностью до 1.5 м встречены под верховым торфом на т/м “Радовицкий Мох” Московской области и “Оршинский Мох” Тверской области.

На т/м “Мох” Тверской области под толщей пушицово-сфагнового верхового торфа мощностью 3.6 м залегают органичесике протококковые сапропели до глубины 4.9 м. Они подстилаются метровой прослойкой диатомовых и глинистых сапропелей.

Известковистые сапропели отмечены на т/м “Дубенский Массив” Московской области ( мощность 1.5 - 2м ) и т/м “Купанское” Ярославской области, где их мощность достигает 4-5 м.

11) Вятско-Камская область приурочена к выходам коренных пород и отличается небольшой озерностью. Озерность Среднего Поволжья колеблется от 0.006 до 0.3 %. Всего насчитывается около 9456 озер общей площадью 410.7 км2, из них на долю пойменных озер приходится 84%, на водоразделах сосредоточено только 13%. Они большей частью невелики и неглубоки. Часто встречаются озера картового происхождения. Средняя мощность сапропелей - около 1.5 м.

12) Уральская область охватывает территорию Среднего и Южного Урала. Здесь довольно много озер - мезотрофных, эфтрофных и дистрофных. В Свердловской области имеется около 1400 озер общей площадью 1016 км2. Многие озера богаты сапропелевыми отложениями. К настоящему времени исследовано около 200 сапропелевых месторождений.

13) Западно-Сибирская область занимает пространство Западно-Сибирской низменности и Ангаро-Енисейского плоскогорья.

В Западно-Сибирской низменности очень много озер. Общее число их достигает нескольких сотен тысяч. Наиболее крупные скопления озер наблюдаются между 60-63 град. и 54-56 град. северной широты. Примерно севернее 65 -68 параллели преобладают озера термокарстового и моренного происхождения. Южнее, до 60 параллели, господствуют вторичные дистрофные, реже ледниково-аккумулятивные озера, а еще южнее, вплоть до границ лесостепи, распроатранены исключительно вторичные, дистрофные озера. Озерность территории составляет примерно 1-5%. В Томской области, площадь озер равна 570 тыс.га. Средняя озерность - 1.4%, озерность же поймы р. Оби достигает 11%. Площадь пойменных озер - 73 800 га, таежных - 150-200 тыс. га.

Общая площадь озер Западно-Сибирской области составляет около 44.6 тыс. км2. Средняя мощность сапропелей - 2-2.5 м.

14а) Приамурская и 14б) Камчатская области охватывают территорию Приамурской и Камчатской низменности, для которых характерны мелководные озера высокой степени трофности с разнообразной флорой и фауной. На Камчатке много озер вулканического происхождения, расположенных в кратерах потухших вулканов или образованных путем запруживания речных долин лавовыми потоками. Такие озера имеют олиготрофный характер. Встречаются также приморские озера лагунно-лиманного типа. Озерность области - около 0.5%. Точных данных по характеристике сапропелевых отложений нет. Можно предполагать, что средняя мощность сапропелей не превышает 1.5 м.

3 южная зона слабого сапропеленакопления занимает полосу лесостепи с мелководными и солоноватыми озерами. Ввиду высокого испарения вода озер повышенной минерализации. Они всегда эфтрофны, с богатой органической жизнью. Дляя озер характерны органо-минеральные и минерализованные сапропелевые отложения с максимальной мощностью до 2-5 м, но чаще не превышают 1 м.

В южной зоне выделены три области.

15) Курско-Пензенская область охватывает лесостепную полосу Европейской части России. Озер здесь мало. в Воронежской области всего 1552 озера общей площадью более 100 км2. Все озера маленькие, только 5% имеют площадь более 10 га. Озера преимущественно пойменные, мелкие, со средней глубиной воды до 2 м. В Тамбовской области насчитывается 457 озер, также в основном пойменного типа, общей площадью 2382 га.

16) Барабинская область занимает лесостепную часть Западно-Сибирской низменности и здесь очень много озер. Особенно богата озерами Барабинская низменность. Тут насчитывается более 2500 озер общей площадью 4900км2. Преобладают бессточные озера;20% озер - пресные, их площадь составляет 50% общей площади озер. Средняя озерность - 4.2%.

17а) Приалтайская и 17б) Забайкальская области включают территории приалтайской и забайкальской лесостапи. Они отличаются от барабинской лесостпи меньшей озерностью, которая не превышает здесь 0.1%, и несколько меньшей мощностью озерных отложений.

4) зона солоноватых сапропелей и минеральных грязей охватывает мелководные солоноватые, грязевые и самосадочные озера сухих степей, полупустынь и пустынь.. Аридный климат и песчаные, хорошопроницаемые почвы обуславливают бедность этой территории водоемами. Имеющиеся водоемы обычно мелководные, с минерализованной водой различной степени солености. Мощность донных отложений может достигать 2-12 м и более. Так, например, в приморском озере Саки она достигает 26 м. Однако эти отложения по своему характеру относятся к разряду минеральных грязей. Как известно, сапропелями мы называем обогощенные органикой донные отложения пресных водоемов со степенью минерализации до 0.5 г/л. В солоноватых водоемах с минеарлизацией 0.5-1 г/л. В солоноватых водоемах с минерализацией 0.5-1 г/л. В солоноватых водоемах с минерализацией 0.5-1 г/л будут отлагаться соответственно солоноватые сапропели, которые, по видимому, предствляют собой переходную ступень к минеральным грязям.

К азональным областям слабого сапропелеобразования отнесены территории распространения вечной мерзлоты и горячих массивов.

18) Средне-Сибирская область занимает пониженную юго-восточную часть Средене-Сибирского плоскогорья. Мерзлотно-таежные почвы и суровый климат оказывают отрицательное влияние на процесс сапропеленакопления, который протекает в замедленном темпе, образуя сапропелевые отложения небольшой мощности. Озер сравнительно мало. Это либо мелкие термокарстовые озера, либо глубокие холодноватые эрозионно- тектонические, реже ледниково-аккумулятивные (моренные). Средняя мощность сапропелей - 1-1.5 м.

19) Якутско-Вилюйская область охватывает территорию Вилюйской впадины и прилегающих плоскогорий, находится примерно в таких же климатических и геологических условиях, как и Средне-Сибирская область, но отличается от последней обилием озер, в основном термокарстового происхождения. На учатках выхода на поверхность доломитов и гипсов встречаются также карстовые озера. Местами озерность достигает 20%. Мощность сапропелевых отложений небольшая (1-1.5 м), минерализация высокая. Кроме того, известны маленькие соляные озера с черновато-серыми солоноватыми сапропелями.

20) Горно-мерзлотная область занимает горные районы Центральной и Восточной Сибири. Область отличается суровым климатом. Характерны глубокие олиготрофные озера, реже встречаются моренные и ледниково-аккумулятивные мезотрофные озера, в которых отлагаются сапропели повышенной зольности. Средняя озерность - 0.1%, средняя мощность сапропелей - 1 м.

21) Горно-таежная область включает разрозненные участки преимущественно периферийных районов бывшего Советского Союза. В связи с более мягким климатом и отсутствием вечной мерзлоты условия для сапропеленакопления здесь более благоприятны, чем в горно-мерзлотной области. Так по Северному Уралу озерность колеблется от 0.16 до 0.38%. Всего в горной части Северного Урала наччитывается более 4000 озер. Преобладают небольшие озера с площадью до 1-2 км2, но все они глубокие, олиготрофного типа. Значительно реже встречаются более мелкие, мезотрофные озера. Средняя мощность отложений 1.5-2 м.

Таким образом, сапропелевые месторождения распределены на территории бывшего СССР далеко неравномерно. В климатическом отношении наиболее благоприятный для сапропеленакопления является лесная зона. Территори распространения вечной мерзлоты, гористый рельеф и участки выхода коренных пород менее благоприятны для их отложения. Наиболее мощные отложения сапропелей приурочены к распространению неглубоких зарастающих озер и торфяников на аккумулятивных равнинах и по долинам больших рек.

2.4 Состав сапрпелевых отложений и характер их структурных связей

Химический состав сапропелей определяется следующим методами: содержание органического вещества - методом потери веса при прокаливании; состав минеральной части - в солянокислых и щелочных вытяжках и фотокалориметрическим путем; групповой состав по методике группового анализа торфов; емкость поглащения - по адсорбции метиленовой сини.

Все минеральные элименты органических сапропелей или большая часть их входят в состав органических соединений, в то время как у органо-минеральных и минерализованных сапропелей, как и высокозоьных торфов, значительная часть минеральных соединений находится в свободном состоянии, обуславливая их избыточную минерализацию. Верхний предел избыточной минерализации точно не установлен. У протококково-цианофицейных сапропелей он ограничесвается 5-10%, у торфянистых сапропелей - 10-20%, так как зольность растений-сапропелеобразователей составляет в среднем 16%, что значительно выше средней зольности растений-торфообразователей, изменяющейся в пределах 3-7%. Наличие в сапропелях диатомовых водорослей, хризомонад и губок, имеющих кремнеземистые оболчки, увеличивает минерализацию сапропелей до 20-30% и более.

По мере уменьшения содержания органического вещества с 90 до 70% постепенно увеличивается содержание в сапропелях аллюминия, железа, фосфора, магния, серы и калия. Далее с уменьшением органики количество этих компонентов изменеяется незначительно. Лишь изредка встречаются сапропели с повышенным содержанием магния и серы, а также железистые сапропели, отмеченные в ряде озер Карелии.

Обычно с уменьшением содержания органического вещества резко возрастает лишь количество кремнезема или кальция. По соотношению Si и Ca все сапропели разделяют на три типа: кремнеземистые с преобладанием в минеральной части SiO2, известковистые с преобладанием CaO и смешанные, в которых количество SiO2 и CaO примерно одинаково.

Следует иметь в виду, что часть кальция ( в среднем от 0.5 до 4% ) входит в состав органических соединений, образуя, например , с гуминовыми кислотами гуматы кальция, а другая часть находится в свободном состоянии в виде СаСО3 и придает сапропелям свойства карбонатных пород.

В известковистых сапропелях содержание СаО колеблется от 5-18 до 8-48%, в смешанных - от 3-8 до 5-18% и в кремнеземистых - от 1 до 3-8%.

Количество кремнезема в сапропелях также изменяется в довольно широких пределах: в кремнеземистых от 4-50 до 6-80%, в смешанных - от 3-35 до 4-50% и в известковистых сапропелях оно не превышает 3-35%. При этом с уменьшением содержания органического вещества у автохтонно-минерализованных (кремнеземистых) сапропелей нарастает количество растворимого кремнезема, а у аллохтонно-минерализованных (глинистых и песчанистых) - увеличивается количество кластического вещества. Содержание кластического вещества сапропелей имеет тенденцию возрастать параллельно увеличению минерализации, а содержание растворимого кремнезема достигает наибольших значений у органических и органо-минеральных сапропелей, уменьшаясь у органических и минерализованных сопрапелей.

Наряду с этим сапропели содержат значительное количесво таких микроэлементов, как йод, кобальт, медь, марганец, молибден, бром, бор, титан и другие, причем количество их увеличивается с уменьшением минерализации.

Чаще всего органическое вещество сапропелей содержит углерода 52-61%, кислорода 25-36%, водорода 6.6-8.1%, азота 4-6%.

В органическом веществе сапропелей содержится 2.8-11.8% битумов, 1.3 - 10.7% водорастворимых соединений, 5.8 - 26.7% гемицеллюлоз, 8.9 -32% гуминовых кислот, 7.1 -28% фульвокислот, 1.9-13.6% трудногидролизуемых соединений, 0.9 -7.4% целлюлозы и 10.5-39.6% негидролизуемого остатка. В органическом веществе органических сапропелей находится больше легкогидролизуемых соединений, битумов и негидролизуемого остатка, чем в органическом веществе более минерализованных сапропелей.

По сравнению с торфом сапропели имеют меньше гуминовых кислот и сходны в этом отношении со слаборазложившимися торфами со

Таблица 5

Элементарный состав органического вещества сапропелей

Содержа-

ние орга-

нического

вещества,

Свыше

80 - 90

70 - 80

60 - 70

50 - 60

40 - 50

30 - 40

20 - 30

10 - 20

В целом

54.5 - 60.8

50.5 - 60.8

47.2 - 58.6

48.3 - 61.4

50.5 - 60.0

47.4 - 59.4

49.3 - 60.9

50.2 - 59.1

52.4 - 30.4

47.2 - 61.4

29.7 - 34.1

30.4 - 34.1

30.7 - 39.6

30.6 - 35.8

25.7 - 39.8

23.6 - 33.8

25.3 - 36.9

30.4 - 32.2

23.6 - 39.9

6.6 - 7.4

6.3 - 7.8

6.5 - 7.7

6.8 - 8.1

6.9 - 7.6

5.1 - 8.1

6.8 - 9.0

6.3 - 8.9

7.6 - 8.4

5.1 - 9.0

4.0 -4.9

3.3 - 5.9

3.5 - 5.1

3.4 - 6.0

3.6 - 5.6

3.4 - 5.9

3.2 - 5.4

3.4 - 5.3

4.2 - 6.3

3.2 - 6.3

0.3 - 1.8

0.3 - 2.7

0.6 - 3.1

0.5 - 2.6

1.0 - 5.6

1.4 - 6.3

0.7 - 3.9

2.3 - 4.9

0.3 - 6.3

степенью разложения до 15%. По содержанию легкогидролизуемых соединений сапропели приближаются к торфам малой и средней (до 35%) степени разложения. сапропели имеют несколько большее содержание негидролизуемого остатка.

Характер гуминовых кислот и негидролизуемого остатка сапропелей иной чем у тех же групп органических соединений торфа. Видимо, гуминовые вещества, вымытые из торфа, в озерных условиях во многом меняются и, возможно, образуют новые химические соединения, характерные для органического вещества сапропелей. То же самое можно сказать и о торфянистых сапропелях, которые по ряду морфологических и гинетических признаков считаются переходными между сапропелями и торфами. Анализы показывают, что и торфянистые сапропели по химическому составу стоят гораздо ближе к типичным водорослевым сапропелям, чем к торфу. Даже черные гумусированные сапропели с визуально определенными включениями гумуса не отличаются заметно повышенным содержанием гуминовых кислот по сравнению с другими органическими сапроеплями.

При сопоставлении разных сапропелей ( по содержанию органического вещества, характеру минерализации, биологическому составу ) обращает на себя внимание однородный характер группового состава их органического вещества. Если у различных торфов содержание, например, гуминовых кислот и гидролизуемых соединений может изменяться в 10 раз, а у битумов даже в 100 раз, то у сапропелей содержание этих веществ изменяется в 1.5 - 2, редко 3 - 4 раза.

Несмотря на различную методику изучения органического вещества сапропелей, устойчивое постоянство его группового состава можно проследить по данным всех исследователей. Оно объясняется, видимо, специфическими условиями образования сапропелей.

Однако не следует забывать, что процесс сапропелеобразования существенно отличается от процесса торфообразования. Главной отличительноной особенностью этих процессов является то, сапропелеобразование происходит в воде ( т.е. при полном увлажнении ), а торфообразование обусловлено переменным режимом избыточного увлажнения. Сапропели образуются преимущественно из водных растений и организмов, а торфы - из остатков высших растений. Условия разложения органического вещества также различны. Сапропели образуются в условиях недостаточного доступа или полного отсутствия кислорода в водной среде, что ведет к образованию соединений, богатых водородом. Этот процесс получил название битумизации, а породы сапропелевого происхождения часто называют битуминозами.

Для процесса торфообразования характерно господство окислительных процессов при затрудненном поступлении кислорода, что ведет к образованию гумусовых веществ, обогощенных углеродом. Процесс носит название обуглироживания, или гумуфикации, а породы торфяного происхождения называют гумусовыми. Групповой состав органического вещества сапропелей в пересчете на сухое вещество представлен в табл.6. Естественно, с увеличением минерализации и уменьшением общего количества органического вещества все показатели его группового состава уменьшаются. Довольно резко снижается количество легкогидролизуемых соединений, гемицеллюлоз, фульвокислот, гуминовых кислот и негидролизуемого остатка. Мало уменьшается количество битумов и трудногидролизуемых, а содержание воднорастворимых и целлюлозы почти не изменяется.

Плавный характер изменения показателей группового состава органического вещества при переходе от органических сапропелей к минерализованным наглядно подчеркивает однородность органического вещества сапропелей. Содержание отдельных компонентов органического вещества зависят, главным образом, от величины общей минерализации и мало отличаются видовыми его особенностями

Кислотность сапропелей не высокая. Наиболее характерные значения рН лежат в пределах от 5 до 6.5 . Более низкие значения рН ( 3.8-4.8 ) встречаются редко, главным образом, у сапропелей, залегающих под толщей верховой залежи торфа. У известковистых сапропелей с небольшим содержанием СаО ( 0.5-1.5 ) значения рН выше 6.

Сапропели характеризуются высоким содержанием легкоусвояемых

Таблица 6

Групповой состав органического вещества сапропелей ( в % на сухое

вещество )

Содержание

орга-

ничес-

кого

веще-

ства,

Биту-

мы

Вод-

но гид-

роли-

зуе-

мые

Легко

гид-

роли-

зуе-

мые

Геми-

цел-

люло-

за

Гуми-

новые

кис-

лоты

Фуль-

во кис-

лоты

Труд-

но гид-

роли-

зуе-

мые

Цел-

лю-

лоза

Неги-

дро-

лизу-

емый

оста-

ток

>90

80-90

70-80

60-70

50-60

40-50

30-40

20-30

В целом

9.8

4.9

4.1

4.6

3.9

2.8

1.9

1.3

3.8

1.7

3.6

3.3

2.2

2.3

2.4

2.2

2.1

2.6

13.0

22.5

23.4

17.5

14.4

12.2

10.1

6.5

16.2

14.9

15.7

11.5

9.9

9.1

6.3

4.9

4.2

9.6

15.9

15.3

11.7

10.9

9.8

9.2

6.6

6.0

10.8

12.9

12.8

12.1

11.4

10.9

8.0

6.7

5.2

10.0

5.7

6.2

5.6

4.5

3.5

3.3

2.8

1.2

4.3

1.7

2.7

2.6

1.6

2.0

1.9

1.5

1.6

2.1

28.8

14.8

18.8

16.2

11.1

8.9

7.8

7.4

13.5

органических соединений и служат хорошей питательной средой для микроорганизмов. Сапропели содержат 15-20% усвояемых углерода и 35-35% азота ( по отношению к общему углероду и азоту ). Поэтому в верхних слоях сапропелей господствующее положение занимают биохимические процессы, обусловленные жизнедеятельностью организмов и бактерий, а физикохимические факторы имеют подчиненое значение.

Происходит накопление органического вещества, содержащего, в зависимости от условий образования, большее или меньшее количество минеральных компонентов. Стадия фоссилизации заканчивается после того, как органический материал оказывается погребенным под слоем минеральных наносов или погружается на некоторую глубину в толще осадков. При этом биохимические процессы постепенно затухают и на первый план выдвигаются физико-химические процессы. Начинается вторая стадия - диагенез, сопровождаемая уплотнением и постепенной дегидратацией органического вещества.

Таблица 7

Химический состав сапропелей ( в % на сухое вещество )

Со-

дер-

жа-

ние

орга-

ниче-

ского

веще-

ства

Об-

щий

SiO2

Рас-

тво-

ри-

мый

SiO2

Клас-

тиче-

ское

веще-

ство

Сум-

ма

полу-

тор-

ных

окис-

лов

Fe2

O3

Al2

O3

CaO

MqO

К2О

SO3

Р2О5

СО2

Азот

рН

(ксl)

>90

85-90

80-85

75-80

70-75

65-70

60-65

55-60

50-55

45-50

40-45

35-40

30-35

25-30

20-25

15-20

10-15

5-10

В

це-

лом

2.5

6.1

10.2

12.6

17.4

19.5

21.6

23.3

26.9

32.8

27.3

35.0

39.2

45.5

33.4

31.3

35.2

34.8

26.6

0.4

0.4

3.7

8.1

7.1

13.3

6.1

8.5

16.9

17.6

15.8

16.5

8.3

11.8

2.1

2.8

3.3

0.8

8.9

-

4.9

7.1

9.7

10.0

11.7

20.4

23.8

15.5

18.1

12.9

25.2

23.0

20.0

34.0

43.5

38.5

65.6

23.7

1.9

2.8

2.7

4.5

5.5

5.7

7.2

7.6

7.7

6.9

6.5

7.2

7.4

8.6

6.4

7.6

5.2

5.3

6.4

0.7

1.4

1.3

2.6

2.0

3.0

4.6

2.7

2.9

2.8

2.8

3.7

3.3

3.7

2.8

3.5

2.7

2.4

2.8

0.7

0.9

1.3

2.0

3.7

3.6

4.2

4.2

3.6

3.8

4.6

4.1

4.2

4.1

4.7

4.5

4.7

4.4

3.9

1.8

1.9

2.2

2.6

2.6

4.0

4.0

6.3

4.7

5.1

9.9

8.9

11.6

9.6

18.8

22.0

22.2

17.7

8.9

0.2

0.4

0.3

0.4

0.6

0.4

0.6

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.1

1.4

1.5

1.2

1.1

0.9

0.2

0.2

0.2

0.4

0.4

0.2

0.3

0.6

0.5

0.5

0.6

0.6

0.8

0.5

0.5

1.1

0.5

0.8

0.5

0.7

1.0

0.9

1.0

1.0

1.5

1.7

0.7

0.9

1.4

1.3

1.5

1.2

1.6

1.6

1.9

0.9

1.5

1.3

0.2

0.1

0.2

0.4

0.2

0.4

0.5

0.6

0.4

0.7

0.5

0.6

0.6

0.5

0.5

0.4

0.5

0.5

0.5

0.4

1.0

1.0

0.7

0.6

1.0

1.9

2.4

5.0

4.2

11.5

9.1

10.9

8.8

23.4

19.9

21.4

19.9

9.0

3.8

3.9

3.7

3.2

3.3

2.8

2.7

2.7

2.3

2.1

2.1

1.7

1.1

1.2

1.0

0.8

0.5

0.3

2.5

5.5

6.1

5.9

6.4

6.4

6.2

6.9

6.2

6.6

6.6

6.9

7.0

7.0

7.0

6.4

7.0

7.4

7.6

6.6

Как показали исследования, в процессе литификации пород количество фульвокислот и битумов уменьшается, а содержание прочносвязанных с минеральной частью нерастворимых гуминов возрастает.

Емкость поглащения сапропелей изменяется от 6 до 29 мг . экв. и возрастает с увеличением содержания органического вещества ( табл. 8 ).

Исследования показывают, что емкость поглащения органических сапропелей может достигать 45-49 и даже 134 мг.экв. При этом 60-80% приходится на долю поглощенного кальция и 15-20% -поглощенного магния, количество поглощенных калия и натрия не превышает 5-10%.

Грунтовые воды сапропелевых отложений относятся обычно к категории низко- и среднеминерализованных, с содержанием растворимых солей до 0.5 г/л. По химическому составу они являются преимущественно гидрокарбонатно-кальциевыми. Их минерализация имеет тенденцию возрастать с глубиной и в 1.5 - 3 раза выше минерализации озерных вод. В озерах с обильным подтоком сильноминерализованных грунтовых вод минерализация грунтовых вод возрастает с глубиной более резко и может достигать в придонных слоях ( на контакте с подстилающими породами ) 1-4 г/л.

Минералогический состав тонкодисперсных фракций ( менее 0.005 мм ) изучался методом электронномикроскопических и термических исследований. Электронные микрофотографии показывают,что тонкодисперсная фракция сапропелей состоит из комплекса органических, органо-минеральных и минеральных соединений. на фоне

Таблица 8

Емкость поглащения сапропелей

Место

отбора

проб

Глубина,

Вид и раз-

новидность

сапропелей

Содеоржа-

ние орга-

нического

вещества

рН

Емкость

поглаще-

ния, мг.экв

на 100 г сухого вещества

Оз.

Окуневое

Литва

Оз.

Черное

Беларусия

Т/м

“Катра”

Литва

Т/м

“Яппиля-

Суо”

Ленин-

градская

обл.

Т/м

“Шува-

ловское”

Ленин-

градская

обл.

Оз.

Каниеру

Латвия

3.4 - 4.0

2.0 - 2.6

3.4 - 3.6

4.3 - 5.0

2.0 - 2.7

1.2 - 1.4

Торфянис-

тый

Смешан-

но-водо-

рослевый

Диатомово

кремнезе-

мистый

Глинисто-

ожелезнен-

ный

Диатомо-

мовый

солоно-

ватый

85.9

82.0

43.5

34.0

28.9

60.0

3.2

6.4

3.2

4.2

4.7

4.0

24.0

28.5

21.6

6.6

14.2

6.2

сплошной темно-серой массы органо-минеральных соединений отчетливо виделяются органические остатки в виде обрывков тканей водных растений и организмов, пыльца и споры, панцири диатомовых водорослей и другие кремнистые, известковистые и хитиновые скелетные остатки органического происхождения.

Среди компонентов тонкодисперсных фракций не обнаружены частицы, имеющие характерные признаки тех или иных глинистых минералов. Глинистое вещество содержится в очень малых количествах (порядка 2-6%) и представлено, по видимому, монтмориллонитами и переходными формами от монтмориллониов к гидрослюдам. Глинистые минералы настолько агрегированы, что отдельные частицы почти не выделяются. Низкое содержание глинистых минералов подтверждается данными валового химического анализа: количество окиси алюминия, являющейся составной частью глинистых минералов, не превышает 0.5 - 3.8%.

Известковистые сапропели содержат значительное количество карбонатов органогенного и хемогенного происхождения. У остальных видов сапропелей присуттствуют точечные вкрапления и пылевидные облачные скопления аморфного кремнезема.

Термограммы тонкодисперсной фракции всех четырех видов сапропелей однотипны. В интервале температур 100-200 град. наблюдается одна отчетливо выраженная эндотермическая реакция с потерей веса вещества от 6.8- до 12.1%, связанная в основном с потерей адсорбционной воды органическими компонентам и, возможно, аморфным кремнеземом. Образцы отличаются от интенсивности реакции. Максимальная потеря веса при прокаливании отмечена у известковистого сапропеля.

Дальнейшее поведение сапропелей при нагревании характеризуется активным окислением органического вещества в интервале температур 200 -300 град., продолжающимся в более замедленном темпе до конца нагрева ( 1000 град.).

Общие потери органического вещества при прокаливании до 1000 град. составляют у водорослевого сапропеля 63.8%, глинисто-водорослевого - 49.3%, известковистого -42.8% (после удаления карбонатов - 87.6% ) и у глинистого - 44.5%. На фоне экзотермической рекции у водорослевого и глинистого сапропелей в интервале температур 400-45 рад. наблюдается слабовыраженная эндотермическая реакция.

При прокаливании у известковистых сапропелей прослеживается растянутая эндотермическая реакция с максимумом активности около 740 град., связанная с разложением кальцита. Слабая интенсивность этой реакции, несмотря на высокое содержание карбонатов, объясняется одновременным протеканием экзотермической реакции ( окисление органического вещества ). После удаления карбонатов соляной кислотой термограмма приняла облик, не отличающийся от термограмм других сапропелей.

У сапропелей, не содержащих карбонаты, при нагревании до 700 град. начинается реакция плавления веществ.

Таким образом, в тонкодисперсной фракции сапропелей содержится много органики ( 42.8-63.8 % ) и очень мало глинистого вещества ( 2-6% ). Основную массу составляет комплекс органо-минеральных соединений. Даже глинистые сапропели, имеющие внешнее сходство с глинистыми породами, содержат глинистых минералов не более, чем супеси. Высокие плстические свойства, вследствие чего они получили свое название, обусловлены значительным содержанием алевритовой фракции и наличием тонкодисперсных гидрофильных органических о органо-минеральных соединений, играющих роль глинистой фракции.

Важно подчеркнуть, что у минерализованных сапропелей большая часть органики концентрируется в тонкодисперсной фракции, где ее содержание в 3-4 раза выше общего количества органического вещества в породе. Грубодисперсные фракции в этом случае, наоборот, почти не содержат органических соединений.

Дисперсность сапропелей изучалась различными методами: с помощью седиментометра по методике с использованием ареометра и пипетки. Исследовались образцы с естественной влажностью,высушивание и агрегирование их не допускалось. при подготовке к грануломитрическому анализу в суспензию добавлялся пептизатор - 4-% раствор пирофосфата натрия. Микроагрегатный анализ производился без добавления пептизатора, после замачивания навески породы в течение суток дистиллированной водой и двухчасового взбалтывания.

Рис.6. Кривая распределения частиц сапропелей по размерам

1 - водорослевый сапропель из оз. Уго; 2 - глинисто-известковистый

сапропель из оз. Неро

Данные седиментометрического анализа микроагрегатного состава показывают, что сапропели являются полидисперсными системами (рис.6).На кривой распределения частиц водорослевого сапропеля по размерам вырисовываются два максиума.

Это свидетельствует о разнородности механического состава сапропеля. Первый максиум располагается в интервале размеров частиц с радиусом 0.5-2.5 мк, второй - 25-125 мк. Глинисто-известковистый сапропель из оз. Неро более однороден. Основной максиум кривой этого сапропеля соответствует интервалу грубодисперсной фракции с радиусами частиц от 15 до 125 мк, и, кроме того, слабо выделяется второй максиум в интервале среднедисперсной части с радиусом частиц от 1 до 2 мк. Таким образом показатель неоднородности механического состава грубодетритового сапропеля равен 88, тонкодетритового - 30 и известковистого - 9.

Результаты пипеточного анализа гранулометрического и микроагрегатного состава сапропелей прведены в табл. 9. Гранулометрический состав сапропелей характеризуется содержанием глинистых частиц 15-30%, пылеватых частиц 57-79% и песчаных частиц 6-13%. Микроагрегатный состав включает 2-25% глинистых, 62-91% пылеватых и, как правило, 7-12% песчаных фракций.

Органические сапропели содержат несколько меньшее количество глинистых частиц по сравнению с минерализованными. В целом сапропели отличаются небольшим содержанием токопесчаных фракций, полным отсутствием средне- и крупнопесчаных частиц и явным преобладанием пылеватых частиц. По гранулометрическому составу сапропели можно условно отнести к пылеватым породам третьей группы (пыль песчано-глинистая). Следет учитывать, что в каждой из выделенных фракций сапропеля (песчаная, пылеватая, глинистая) может содержаться значительное количество органики: песчаные фракции включают остатки

Таблица 9

Гранулометрический и микроагрегатный состав сапропелей

Вид

сапро-

пелей

Соде-

ржа-

ние,%,

мк

250 -

100

Соде-

ржа-

ние,%,

мк

100-

Соде-

ржа-

ние,%,

мк

50-

Соде-

ржа-

ние,%,

мк

10-

Соде-

ржа-ние,%,

мк

< 5

Соде-

ржа-

ние,%,

мк

песча-

ные

250-50

Соде-

ржа-

ние,%,

мк

пыле-

ватые

50-5

Соде-

ржа-

ние,%,

мк

гли-

нис-

тые

Коэф-фици-ент

агре-

гиров.

Ка<5

мк

Водо-

росле-

вый

Гли-

нисто-

водо-

росле-

вый

Изве-

стко-

ви-

стый

Гли-

нис-

тый

0.1

6.6

0.1

10.3

8.8

12.6

12.4

6.2

7.3

12.4

6.9

53.4

80.3

39.8

46.1

46.3

88.5

66.4

83.4

14.4

2.4

17.5

16.1

20.0

2.1

14.5

9.5

21.8

8.4

30.0

25.3

27.4

2.0

6.7

0.2

10.4

8.9

12.7

12.5

6.3

7.4

78.8

90.3

67.8

82.7

57.3

62.2

66.3

90.6

14.5

9.5

21.8

8.4

30.0

25.3

27.4

2.0

1.5

2.6

1.2

13.7

высших растений и мхов (плоды, семена, обрывки корешков, стеблей, листьев и т.п.), пылеватые - остатки водорослей, мелких рачков и насекомых, глинистые - аморфный органический детрит.

Коэффициент агрегированности частиц размером менее 5 мк изменяется в пределах от 1.2 до 13.7. У органических и известковистых сапропелей он не превышает 1.2-2.6, а у глинистых возрастает до 13.7, что характерно для пород с коагуляционными и пластифицированно-коагуляционными структурными связями

2.5 Водно - физические свойства сапропеля.

Влажность. Естественная влажность сапропелей варьирует в очень широком диапозоне - от 100 до 3000%. Она зависит в основном от уплотненности породы и содержания органического вещества: чем выше содержание органического вещества и меньше уплотненность, тем выше етественная влажность сапропелей. Прослеживается тесная зависимость между уровнем естественной влажности и содержанием органического вещества (корреляционное отношение равно 0.76). При одном и том же содержании органики естественная влажность снижается с глубиной (рис.7), так как глубжезалегающие сапропели уплотнены под давлением вышележащих слоев. Наиболее высокие значения естественной влажности поверхностных горизонтов сапропелевых отложений дают представление о наибольшей влагоемкости осадка, которая является верхним пределом тиксотропного состояния и характеризуется влажностью, соответствующей образованию наиболее рыхлой структкры при гидрофильной коагуляции суспензии.

Наибольшая влагоемкость структкрного осадка соответствует верхнему пределу содержания свободной воды в порах структурного каркаса и составляет для органических сапропелей 1000-355%. Для сравнения укажем, что аналогичные показатели суглинков не превышают 90-120%, а глин - 150-1000%.

На рис.8 представлены кривые скорости водоотдачи сапропелей в процессе сушки, которые показывают, что интенсивность испарения свободной воды равна 160-180 мг/см2 х час. Нижний предел содержания свободной вводы отмечается заметным уменьшением скорости водоотдачи при влажности 80-100%.

Рис.7. Изменение содержания органического вещества (Q) и

влажности ( W ) с глубиной ( Н )

а - глинисто-водорослевые сапропели;

б - торфянисто-водорослевые сапропели;

в - диатомово-глинистые сапропели.

В этом интервале оканчивается прямолинейный учаток кривой, отражающий испарение свободной воды. Испарение иммобилизованной воды характеризуется скоростью водоотдачи 80-160 мг/см2 х час. Верхняя граница содержания физически связанной воды определяется величиной максимальной молекулярной влагоемкости, равной 55-85%. Значение влажности, отвечающее уровню максимальной молекулярной влагоемксти, нанесенные на кривую скорости водоотдачи, располагаются в самом начале изгиба кривой, а значения пределов пластичности - на прямолинейном отрезке.

Количество прочносвязанной воды определяется по величине гигроскопической влажности, которая составляет 3 - 9%, увеличиваясь по мере возрастания содержания органического вещества. Наряду с этим в сапропелях, по видимому, содержится внутриклеточная вода, которая мало влияет на подвижность воды в целом, но может составлять значительную долю от общей влажности грунта.

При удалении влаги в процессе сушки происходит усадка сапропелей. Величина ее зависит от первоначальной и конечной влажности, дисперсности и содержания органического вещества. С уменьшением влажности и количества органического вещества усадка уменьшается. В целом сапропели обладают резко выраженной способностью к усадке при уменьшении влажности, что характерно для высокодисперсных пород с

Рис. 8. Скорость водоотдачи сапропелей в процессе сушки

1 - водорослевый сапропель;

2 - глинисто-водорослевый сапропель;

3 - глинистый сапропель;

4 - известковистый сапропель;

М - максимальная молекулярная влагоемкость;

р - граница раскатывания;

Т - граница текучести.

коагуляционными структурными связями. Величина усадки сапропелей составляет 64-97% начального объема ( табл. 10 ). Удельный объем твердой фазы при этом уменьшается в 3 - 6 раз ( рис. 9), а пористость снижается примерно в 9 раз ( рис. 10 ). У минерализованных сапропелей пористость остается несколько более высокой вследствие меньшей величины усадки. Общий объем пор снижается пропорционально уменьшению объема воды до тех пор, пока влажность не составит 15-20%. Воздух начинает частично заполнять поры скелета лишь при влажности около 120%. Это говорит о том, что скелет грунта эластично сжимается при удалении влаги и приобретает известную жесткость только при влажности менее 80-100%, после потери всей свободной воды.

Исследование набухания показало, что сапропели с естественной влажностью при капилярном смачивании водой не проявляют способности к набуханию и могут быть отнесены к ненабухающим грунтам. наоборот, в первые сутки у органических сапропелей наблюдается уплотнение, вызванное действием незначительной нагрузки, создаваемой давлением пружины измерительных мессур (около 5 гр /см2). После предваритеьной подсушки образцов и их усадки через двое суток сапропели начали набухать, но величина набухания была гораздо меньше размеров усадки, и первоначальный объем ( до усадки ) восстанавливался в процессе набухания лишь на 30 - 60%.

Рис.9. Усадка сапропелей при высыхании

1 - водорослевый сапропель; 2 - глинисто-известковистый сапропель

Незначительное и неустойчивое давление набухания было отмечено лишь у известковистых сапропелей. Оно сохранялось около 5 мин. и потом исчезло. Влажность сапропелей не только не увеличивалась, но даже несколько уменьшилась.

Рис.10. Изменение пористости сапропелей при высыхании

1 - общий объем пор; 2 - объем воздуха; 3 - объем воды. Содержание

органического вещества в %: а - 30-45; б - 80 - 90

Однако, будучи залиты водой, сапропели увеличивают объем благодаря водопоглащению под действием осмотического всасывания воды. Осмотическое набухание сапропелей обусловлено высокой влагоемкостью органической части. Однако прямо пропорционально содержанию органического вещества, жадно впитывающего и удерживающего воду в многочисленных породах структурного каркаса и межклеточных пространствах неразложившихся растительных и животных тканей.

После перемешивания величина осмотического набухания возрастает еще больше, вследствие разрыхления структкрной сетки и увеличения дисперстности сапропелей, а влажность повышается, приближаясь к величине наибольшей влагоемкости структурного осадка.

Таблица 10

Усадка сапропелей

Вид

Сапропе-

лей

Содержа-

ние орга-

ничес-

кого вещества,

Влаж-

ность

началь-

ная,

Влаж-

ность

конечная (гигрос-

копич-

ная)

Объем

началь-

ный,

см3

Объем

конеч-

ный,

см3

Усадка,

Водорос-

левый

Торфяни-

сто-водо-

рослевый

глинисто-водорос-

левый

Водорос-

лево-

глинис-

тый

Извест-

ковистый

81.7

81.3

50.9

12.1

24.1

3029

1644

1119

542

495

8.85

8.28

6.01

7.18

3.44

1.40

2.89

3.40

6.28

18.22

97.2

95.3

93.2

87.4

63.6

Анализ лабораторных исследований показывает, что с возрастанием естественной влажности зольность сапропелей уменьшается. В интервале влажности ( 25 - 1000% ) уровнение линейной регрессии Z по w получено в виде

Z = 83 - 0.073w; ( r = - 0.78; n = 116 ),

где w - абсолютная влажность, %

Достоверность эмпирического коэффициента корреляции R доказывается с уровнем значимости < 0.001. При = 0.05 на основе преобразования Фишера получены следующие доверительные границы для R:

0.71 < R < - 0.85

Нижняя граница больше 0.7, следовательно связь между зольностью и влажностью сапропелей может быть охарактеризована как тесная. Естественная влажность сапропелей обычно превышает влажность на границе текучксти, установленную по образцам нарушенной структуры. Отсюда нередко делается ошибочный вывод о том, что сапропели находятся в текучем состоянии. В действительности же ввиду остаткам и наличия водно-коллоидных связей сапропелям присуща вполне определенная природная прочность.

Плотность. Плотность сапропелей с естественной влажностью весьма мала. Объемный вес скелета возрастает по мере уменьшения содержания органики, но обычно не превышает 0.05 - 0.5 г/см3. Независимо от состава ( содержания органики, извести, кремнезема и других компонентов), прослеживается тесная связь объемного веса скелета сапропелей с влажностью (рис. 11). Тем самым подтверждается универсальный характер взаимосвязи “плотность - влажность”, присущей всем водонасыщенным обломочным осадочным породам, независимо от состава и типа структурных связей.

Рис. 11. Зависимость объемного веса скелета от влажности

При увеличении влажности выше 800% объемный вес скелета уменьшается чрезвычайно медленно. Уменьшение влажности ниже 200%, наоборот, вызывает резкое увеличение плотности. Интервал влажности от 200 до 800% соответствует пластичному состоянию сапропелей.

Удельный вес сапропелей зависит от содержания органического вещества и состава минеральной чати. С уменьшением содержания органики от 90 до 10% удельный вес пропорционально возрастает от 1.4 - 1.5 до 2.4 - 2.65 г / см3.

Соответственно невысокой плотности пористость сапропелей с естественной влажностью очень большая и достигает у органических сапропелей 94 - 96%, у минерализованных - 72-92%. Значительное содержание органических тонкодисперсных частиц обуславливает тонкую пористость сапропелей ( ультрапористость ). Коэффициент пористости весьма высок: у органических сапропелей 16-30, у минерализованных - 5-15.

Пластичность. Пластичность сапропелей существенно зависит от содержания органического вещества, определяющего их гидрофильность и влагоемкость. С уменьшением содержания органического вещества от 90 до 10% число пластичности снижается с 350 - 650 до 120 -170% (рис.12 ), граница раскатывания понижается довольно плавно - с 250 - 350 до 100 - 150, а граница текучести падает более резко - с 620 - 850 до 200 -250. Отношение влажности на границе раскатывания и влажности на границе текучести составляет - 0,25 - 0.40, что характерно для коагуляционных структур.

Рис.12. Пластичность сапропелей

Влажность ( W ): 1 - на границе текучести: 2 - на границе раскатывания; пределы пластичности: 3 - нижний; 4 - верхний; 5 - число пластичности

Большое значение числа пластичности сключает возможность классифицирования сапропелевых отложений по СНиП. Согласно СНиП

II - Б.I - 62, все без исключения сапропели должны быть отнесены к глинам. Однако высокие значения числа плачтичности сапропелей связаны с повышенным содержанием органического вещества, а не глинистой фракции.

Граници пластичности достаточно хорошо характеризуют состояние сапропелей и могут использоваться для вычисления показателя консистенции “В”, величина которого для сапропелей с естественной влажностью обычно превышает I, показывая, что они находятся в текучем состоянии. В целом сапропели относятся к категории высокопластичных пород.

С глубиной влажность сапропелей, особенно минерализованных, заметно снижается, и они могут находится в пластичном и даже полутвердом состоянии.

Водопроницаемость. Водопроницаемость сапропелей зависит от содержания органического вещества и его уплотненности. По мере увеличения содержания органического вещества и уменьшения пористости значения коэффициентов фильтрации сапропелей значительно уменьшается - с 50 - 1200 до 0.02 - 0.06 мм/сутки. Органические сапропели в 10 -20 раз менее проницаемы, чем минерализованные, при одинаковой плотности ( рис. 13 ).

Рис.13. Водопроницаемость сапропелей ( в полулогарифмическом

масштабе )

I - водорослевый сапропель; 2 - глинисто-водорослевый сапропель;

3 - известковистый сапропель

Полученные данные позволяют отнести сапропели к категории весьма слабопроницаемых пород.

Прочность. Прочность сапропелей зависит, главным образом, от влажности. Сапропели с естественной влажностью ( 300 - 1200% ) имеют невысокую прочность - около 5 - 50 Г / см2 ( рис.14 ). С уменьшением влажности при высыхании до 70 - 150% пластическая прочность увеличивается до значений порядка 20 - 300 кГ / см2. Особенно резко прочность сапропелей возрастает при уменьшении влажности ниже 300 - 200%. Форма конуса принципиального значения не имеет. Аналогичные результаты получаются при определении прочности сапропелей на сжатие по методу раздавливания. кубики сформованного сапропеля с содержанием органического вещества 80%, высушенные до влажности 60 - 110%, выдержали без признаков разрушения нагрузку около 10 - 20 кГ / см2, а при влажности 10 - 20 - 120 - 140 кГ / см2.

Рис.14. Зависимость прочности ( R, кГ/ см2 ) сапропелей от

влажности ( в полулогарифмическом масштабе )

Разновидности сапропелей и содержание органического вещества в %

I - смешанно-водорослевый (81.7); 2 - торфянисто-водорослевый

(81.3%); 3 - зоогеново-водорослевый (69.8); 4 - водорослево-

глинистый (12.1%); 5 - водорослево-известковистый (24.1);

угол конуса пластометра: а - 60 град; б - 30 град.

Кривые зависимости прочности сапропелей от влажности по форме напоминают кривые изменения плотности от влажности, что указывает на прямую зависимость прочности от степени уплотненности грунтов. При этом необходимо подчеркнуть, что при одинаковых значениях влажности ( а следовательно, и плотности ) прочность сапропелей повышается с увеличением содержания органического вещества. Для сапропелей характерно заметное упрочнение во времени, даже при хранении в гидраторе в условиях постоянного увлажнения, вследствие процессов тиксотропии и синерезиса.

2.6. Структурно - механические и реологические свойства сапропелей

Результаты исследования структурно-механических свойств сапропелей приведены в табл.11 -12. Величина условного предела текучести (упругости) весьма мала - 0.3 -13.3 Г / см3, эластичнасть высокая. Предел прочности, при котором наступает лавинное разрушение структуры, изменяется от 1.3 до 20 г/см2. Деформации образцов быстро затухают, кривые кинетики деформации сдвига выполаживаются.

Таблица 11 -12

Структурно-механические свойства сапропелей

Содержа -

ние орга -

нического

вещества,

Естествен -

ная влаж -

ность,

Предел

текучести

Рк-1,

Г /см2

Предел

прочности

Рm,

Г / см2

Действую-

щее на -

пряжение

сдвига Р,

Г / см2

Модуль

упругости

Е1,

Г / см2

68.8

51.5

26.4

12.2

1192

1004

1175

958

655

705

433

1.3

3.3

0.33

0.67

3.33

1.3

13.3

6.0

11.3

1.34

4.66

8.67

8.0

20.0

1.3

2.0

3.3

4.6

2.0

3.3

6.6

10.0

1.0

1.13

1.34

0.67

1.0

2.0

3.3

4.6

3.33

4.66

6.67

1.3

2.0

3.3

5.3

8.0

13.3

14.6

16.6

20.0

138

4.6

3.9

2.7

1.8

238

187

155

114

133

Условно-мгновенный модуль упругости Е1 при разгрузке увеличивается в 1.3 - 3.3 раза. Все это свидетельствует об упрочнении структурных связей в процессе деформации при постоянном напряжении сдвига. С возрастанием напряжений наблюдается закономерный спад значений условно-мгновенного модуля упругости Е1 и равновесного модуля Е вследствие разрушения структурных связей под действием нарастающих напряжений сдвига. переод релаксации изменяется в предлах от 2.5 до 26.3 часа.

Таблица 11 - 12

Структурно - механические свойства сапропелей

Содержа-

ние орга-

ничес-

кого ве-

щества,

Модуль

эластич-

ности Е2,

Г / см2

Равно -

весный

модуль

Е,

Г / см2

Е1

при

разгруз-

ке,

Г / см2

Эласти -

чность

Е1 разгр

Е1 нагр

Вязкость

ползучес-

ти

68.8

51.5

26.4

12.2

167

127

188

175

11.7

13.7

7.5

3.1

250

133

286

416

667

834

167

110

111

554

610

1380

3.7

3.5

2.6

1.4

151

146

131

105

183

137

11.0

8.6

8.3

7.9

300

334

230

246

306

278

0.44

0.14

0.25

0.24

0.52

0.32

0.27

0.32

0.25

0.35

0.47

0.36

0.11

0.15

0.06

0.22

0.36

0.22

0.16

0.49

0.14

0.20

0.21

0.31

0.19

0.13

0.06

!.3

2.4

2.5

1.9

1.3

1.5

1.0

2.0

1.9

2.1

2.9

0.9

1.4

2.7

2.5

2.3

1.3

1.8

1.5

1.0

3.0

1.9

1.7

1.3

1.8

3.3

3.2

1.4 х 10 8

5.9 х 10 8

5.8 х 10 8

8.0 х 10 8

1.0 х 10 9

6.8 х 10 9

3.9 х 10 9

6.8 х 10 8

9.1 х 10 7

9.5 х 10 7

2.7 х 10 8

1.1 х 10 7

1.6 х 10 7

1.1 х 10 7

1.7 х 10 9

2.2 х 10 9

1.6 х10 8

4.9 х 10 8

1.3 х 10 9

2.1 х 10 9

2.2 х 10 9

3.5 х 10 9

6.5 х 10 9

8.1 х 10 9

По мере уменьшения содержания органического вещества и влажности показатели структурно-механических свойств сапропелей существенно меняются. Условный модуль упругости возрастает с 2 - 5 до 114 -238 Г/см2, модуль эластичности увеличивается с 3-12 до 550-1380 Г/ см2, эластичность снижается с 0.3-0.5 до 0.06-0.19 Г/см2, а условный предел текучести повышается с 0.3-1.3 до 3.3-13.3 Г/см2, что говорит о нарастании упругих свойств и упрочнении структуры. Предел прочности возрастает с 1.5 - до 11.3-20 Г/ см2.

Органогенные сапропели являются значительно менее прочными породами по сравнению с органическими сапропелями, которые при одинаковых значениях влажности имеют Рк1 на один и Рm на 0.5 порядка выше. У органических сапропелей на 0.5 -1 порядок выше и такие показатели, как вязкость и модуль упругости Е1. С уменьшением влажности прочность органических сапропелей возрастает. Значения модуля упругости и вязкости приближаются к аналогичным показателям плывунных глин и морских илов, имеющих значительно меньшую влажность (50-80%).

Следовательно, несмотря на большую пористость и влажность, сапропели отличаются относительно высокими значениями вязкости и прочности.

Высокая дисперсность органических соединений, пласифицированно-коагуляционные и конденсационные структурные связи в местах контактов частиц способствут созданию очень пористого, но достаточно прочного и весьма влагоемкого структурного каркаса в объеме породы. Это придает органическим сапропелям высокую эластичность, вязкость и влагоемкость, но в то же время обуславливает достаточно низкие значения Е1 при относительно высоких значениях Рк-1, и Рr. Деформирование вызывает разрушение структуры, о чем говорит уменьшение значений Е1 с увеличением нагрузки в 2-3 раза.

В процессе течения при постоянных напряжениях сдвига структура упрочняется, Е1 увеличивается. С увеличением нагрузки также часто возрастает вязкость и падает эластичность.Следоватеьно сапропели весьма чувствительны к воздействию напряжений сдвига и легко деформируются.

По харктеру деформационного поведения сапропели относятся к третьей группе пород - пластично-вязким, малоуплотненным, тонкодисперсным, с влажностью выше границы текучести, легко разжижащимся при механическом воздействии. Значения условного предела текучести ( упругости ) Рк-1 изменяются от 1.3 до 15.8 тыс. х дин/см2, динамический предел текучести Рк-2 равен 1.7 - 28.5 тыс. х дин/см2, предел прочности при пластично-вязком разрушени Рr изменяется от 2.1 до 29 тыс. х дин/см2, наименьшая вязкость колеблется в пределах 10 - 144 пз. Разрушение структуры выше динамического предела текучести наступает в очень узком диапазоне напряжений ( отношение Рr/Рк-2 равно 1 - 1.3 ), вязкость же падает более резко .

Сапропели с высоким содержанием органического вещества и высокой естественной влажностью имеют самые низкие значения пределов текучести ( Рк-1 = 1 - 4.5 тыс х дин/см2 ), прочности ( Рr = 2.1 - 6.7 тыс. х дин/см2 ) и наибольший предел вязкости ( 8 - 104). С уменьшением содержания органического вещества и влажности сапропели приобретают свойства вязко-пластичных пород. Статический предел текучести ( Рк-1 ) возрастает до 10.5 -15.8 тыс х дин/ см2, появляется динамический предел текучести Рк-2, равный 3.8 - 28.5 тыс х дин/см2, а предел прочности Рr, равный 4.4 -29 тыс. х дин/см2. Значения наименьшей вязкости предельно нарушенных структур остаются наибольшими ( 27 - 144 пз ). Разрушенная структура востанавливается постепенно, после полного ( или почти полного ) снятия напряжения. В восстановлении вязкости наблюдается большая петля гистерезиса.

Таким образом, по своей природе сапропели являются эластично-вязкими породами. Несмотря на большую влажность, они обладают ярковыраженной пластичностью.

2.7. Сопротивление сдвигу и сжимаемость сапропелей

Результаты испытаний свидетельствуют о том, что сапропели с естественной влажностью характеризуются небольшим сопротивлением сдвигу, порядка 0.01 - 0.11 кГ/см2. Сопротивление сдвигу слагается в основном из сил внутреннего трения, а сцепление составляет наиболшую величину (3-20%) от общего сопротивления сдвигу ( табл. 13 ).

По мере уменьшения содержания органического вещества и влажности сопротивление сдвигу возрастает. Сцепление увеличивается с 2-4 до 8-70 Г/см2, а угол внутреннего трения - с 15 -21 до 27 - 29 град. (рис. 15,16 ). Интересно отметить, что кривая изменения величины сцепления в зависимости от влажности имеет криволинейный характер аналогично кривой изменения плотности сапропелей от влажности (см. рис. 11 ). Тем самым подтверждается непосредственная зависимоть величины сцепления от плотности.

Следует указать, что сопротивление сапропелей сдвигу во многом зависит от условий проведения опытов: величины нормального давления,

Рис.15. Сопротивление сапропелей сдвигу

1 - глинисто-водорослевый сапропель W - 272%; 2 - глинистый

сапропель W - 495%; 3 - глинисто-водорослевый сапропель

W - 1226%; 4 - водорослевый сапропель W- 1348%; 5 - извевест-

ковистый сапропель w - 640%.

продолжительности выдержки под нагрузкой и скорости нагружения. Так угол внутреннего трения сапропелей при быстром сдвиге ( без выдержки ) составлял 0.2 - 0.5 град; при той же нагрузке ( 0.02 - 0.15 кГ/см2 ), но с выдержкой в 3 часа угол внутреннего трения увеличился до 4.5 - 20.4 град, а сцепление соответственно возросло с 0.09 -0.1 до 0.5 - 1 Г/см2. При консолидированном сдвиге тех же сапропелей угол внутреннего трения оказался равным 11 - 22 град., а сцепление 4 - 8 Г/см2.

Рис. 16. Зависимость сцепления ( С ) и угла внутреннего трения

( ) сапропелей от влажности ( W )

При сопостовлении даных сдвиговых испытаний с показателем пластической прочности видна взаимосвязь между пределом прочности, сцеплением и пластической прочностью сапропелей. Полученные зависимости ( Рm = 0.59 и С = 0.29 ) позволяют определить приближенные значения сцепления и предела прочности сапропелей ( Рm ) по величинам их пластической прочности ( R ).

Компрессионные испытания свидетельствуют что сапропели являются сильносжимаемыми породами. Коэффициент сжимаемости изменяется по мере уплотнения сапропелей от 50 - 300 см2/кГ ( при коэффициенте пористости 10 - 24 ) до 0.3 - 1 см2/кГ. При одинаковых значениях пористости сжимаемость минерализованных сопропелей в 5 - 10 раз выше по сравнению с органическими сапропелями, что объясняется большей вязкостью и прочностью структурных связей последних. В процессе испытаний сапропели сильно уплотняются и отдают воду. После достижения нагрузки 3 кГ/ см2 влажность сапропелей снизилась с 458-1787 до 119-213%, т. е. в 4 - 8 раз, а плотность возросла в 3-7 раз. Минерализованные сапропели быстро отдают воду ( под давлением их структура лучше уплотняется ). У органических сапропелей связи между частицами прочнее, вязкость выше, и они оказывают большее сопротивление разрушению структуры и отжатию воды. На компрессионных кривых, построенных в логарифмическом масштабе, выделяются начальные более пологие участки. При последующем сжатии

наблюдается значительное разрушение природного структурного каркаса и уплотнение грунта по мере удаления свободной воды. Известковистые сапропели интенсивно уплотняются с самых первых ступений нагрузки.

Таблица 13

Сопротивление сапропелей сдвигу при быстром косолидированном

сдвиге под водой

Содер-

жание

орга-

ничес-

кого

веще-

ства,

Влаж-

ность

до

опыта,

Влаж-

ность

после

опыта,

Объем-

ный

вес

скеле-

та,

( до

опыта)

г / см3

Объем-

ный

вес

скеле-

та,

(после

опыта)

г /см3

Верти-

каль-

ная

нагруз-

ка,

г / см2

Сдви-

гаю-

щее

усилие,

г / см2

Сцеп-

ление,

г / см2

Угол

внут-

рен-

него

трения

град.

68.8

51.5

26.4

12.2

51.5

1348

1226

640

495

272

860

843

820

750

708

640

654

600

480

500

490

445

488

475

460

430

260

261

256

252

0.07

0.08

0.14

0.18

0.26

0.11

0.12

0.13

0.15

0.14

0.15

0.18

0.20

0.19

0.20

0.21

0.27

0.28

0.29

100

200

100

200

100

200

100

200

100

200

100

110

150

200

Для всех сапропелей характерны большие остаточные деформации.

Время полной стабилизации сапропелей под нагрузкой колеблется в пределах от 50 до 200 час., причем быстрее всего стабилизация органических сапопелей происходит при нагрузках порядка 0.2 - 0.5 кГ/см2. Большая часть осадки происходит в течение первых суток. Степень консолидации, равная 70 - 90%, достигается уже через 20 - 30 часов после приложения очередной ступени нагрузки.

2.8. Инженерно - геологическая характеристика сапропелей

Изучение инженерно-геологических свойств сапропелей показало, что они относятся к группе органо-пылеватых пород слабой степени уплотнения и литификации. Содержание глинистых фракций менее (5 мк) составляет 15 - 30%, пылеватых частиц ( 5 - 50 мк ) содержится 55 - 80 %, на долю тонкодисперсных фракций приходится 6 - 13%. Коэффициент агрегтрованности у частиц менее 5 мк изменяется в пределах от 1.2 - 2.6 ( у органо-минеральных и известковистых сапропелей ) до 13.7 ( у глинистых сапропелей ), что характерно для пород с конденсационными и пластифицированно-коагуляционными структурными связями. В составе тонкодисперсных фракций преобладают органо минеральные соединения. В небольшом количестве содержаться глинистые минералы переходных форм от гидрослюд к монтмориллонитам, а также аморфный кремнезем и карбонаты.

Плотность сапропелей в естественном залегании весьма мала. Объемный вес скелета возрастает с уменьшением органического вещества, но обычно не превышает 0.05 - 0.25 г/см3. Естественная влажность зависит от содержания органики и степени уплотнения, изменяясь от 100 - 300 до 1800-3000% и более. Как правило, сапропели обладают высокой пластичностью и весьма слабой водопроницаемостью ( менее 0.01-0.001 м/сутки), имеют высокую степень водонасыщения и резко выраженную способность к усадке при уменьшении влажности. Величина усадки при высыхании до гидроскопической влажности (3.5-9%) достигает 65-97% начального объема.

Прочность сапропелей с естественной влажностью незначительная 95-50 Г/см2), но очень сильно возрастает при уменьшении влажности в процессе водоотдачи и уплотнения, достигая величины 20-300 кГ/см2.

Сопротивление сдвигу возрастает по мере уменьшения содержания органического вещества и влажности от 0.01 до 0.2 кГ/см2. Сцепление увеличивается от 2-4 до 8-70 Г/см2, а угол внутреннего трения от 15-21 до 29 град. величина сопротивления сдвигу зависит от условий проведения опытов, повышаясь при увеличении нормального давления и продолжительности выдержки под нагрузкой.

сапропели являются сильносжимаемыми породами, уплотняющимися при сжатии. Объемный вес скелета увеличивается в процессе компрессионных испытаний в 2.9 -6.8 раза. Модуль осадки при нагрузке 2 кГ/см2 изменяется, в зависимости от содержания органики и начальной влажности, от 740 до 822 мм/м, а коэффициент компрессии варьирует в преедлах 0.5 - 1.9 см2/кГ.

При нарушении структуры в результате механического и динамического воздействия органические сапропели способны течь с постоянной вязкостью (10-50 пз) выше предела структурной прочности. После снятия напряжения они приобретают вязкость, близкую к первоначальной, однако восстановление структурных связей осуществляется неполностью. Условный предел текучести восстановленной структуры всегда меньше. Петля гистерезиса расширяется по мере уменьшения содержания органики. Величина условного вредела текучести не превышет 0.3 -13.3 Г/см2. Эластичность высокая. Предел прочности, при котором наступает лавинное разрушение структуры, изменяется от 1.3 - до 20 Г/см2. С уменьшением содержания органики и снижения влажности условный модуль упругости возрастает с 2- 5 до 115 - 240 Г/см2, а эластичность снижается с 0.3 - 0.5 до 0.6 - 0.19, что говорит о нарастании упругих свойств и упрочнения структуры.

Инженерно-геологические свойства сапропелей, также как и других пород, определяются их составом и состоянием. Состав сапропелей характеризуется, в первую очередь, содержанием органического вещества, а состояние - влажностью, которая в то же время обуславливает степень их уплотнения, так как сопропелевые отложения постоянно находятся в состоянии полного водонасыщения и тотчас уплотняются при уменьшении влажности.

Состав сапропелей формируется в процессе генезиса и отражает условия их образования. он является опрееделяющим при характеристике генетических сапропелей и поэтому положен в основу их классификации. Состояние сапропелевых отложений может сильно изменяться в зависимости от условий залегания.

Суменьшением содержания органического вещества увеличивается удельный вес, уменьшается влагоемкость, гидрофильность, пластичность, емкость поглащения, способность к усадке и набуханию.

По мере уменьшения влажности увеличивется плотностть сапропелей и связанные с ней прочностные характеристики ( сопротивление сдвигу, сжатию, вдавливание конуса ) , уменьшается влагоемкость, способность к усадке, снижается эластичность, и сапропели приобретают свойства вязко- пластичных и твердообразных пород. Важно отметить , что при одном и том же уровне влажности ( а следовательно, и плотности ) прочностные и деформационные показатели возратают с увеличением содержания органического вещества.

В условиях естественного залегания органические сапропели благодаря их высокой влагоемкости, как правило, имеют большую влажность, по сравнению с минерализованными , сапропелями, и поэтому относятся к категории более слабых грунтов. Если удается снизито их влажность ( путем пригрузки, дренажа и т.п. ), то они оказываются прочнее минерализованных сапропелей той же стапени влажности.

На основании изложенного составлена табл.14, в которой приводятся интервалы колебаний показателей инженерно-геологических свойств различных типов сапропелей в зависимости от содержания в них органического вещества . Эта таблица может использоваться при проведении тех или иных инженерных расчеов, связанных с сапропелевыми отложениями.

Таблица14

Показатели инженерно - геологических свойств сапропелей

Содер-

жание

орга-

ничес-

кого

веще-

ства,

Тип

сапро-

пелей

Естест-

венная

влаж-

ность,

Объем-

ный

вес

скеле-

та,

г / см3

Удель-

ный

вес,

г /см3

Коэф-

фици-

ент по-

ристо-

сти,

Коэф-

фици-

ент

сжима-

емости

А,

см2/кГ

Гигро-

скопи-

ческая

влаж-

ность

Wr,

Усадка

70 -90

(мало-

золь-

ные )

50 -70

(средне

золь-

ные)

30 -50

(повы-

шенно-

золь-

ные)

10-30

(высо-

ко

золь-

ные)

Орга-

ничес-

кие

Орга-

ноген-

ные

Орга-

но

мине-

раль-

ные

Мине-

рали-

зован-

ные

1600 -

3000

850 -

1600

350 -

850

150 -

350

0. 07 -

0.04

0.10 -

0.07

0.25 -

0.10

0.60 -

0.25

1.7-1.4

2.0-1.7

2.3-2.0

2.6-2.3

23-30

16-23

9 -16

3 - 9

10 - 3

3 - 1.5

1.5-0.8

0.8-0.3

8-10

6.5 - 8

5 -6.5

3.5 - 5

95 -97

93-95

85-93

60-85

( продолжение )

Граница

теку-

чести,

Число

пластич-

ности,

Мр

Сопро-

тивление

внедре-

нию

конуса,

R, Г/см2

Сопро-

тивление

сдвигу r,

кГ/см2

при наг-

рузке Р,

кГ /см2

0.05

Сцепле-

ние

С,

Г / см2

Угол

внутрен-

него

трения,

град

Модуль

упру-

гости

Е1,

Г / см2

550-700

400-550

280-400

200-280

320-420

230-320

150-230

100-150

5 - 2

15 - 5

30 - 15

150-30

0.02-0.015

0.028-0.02

0.04-0.028

0.11-0.040

3 - 2

4 - 3

15 - 4

80 - 15

20 -15

25 - 20

28 - 25

30 - 28

30 -15

60 - 30

90 - 60

150 -90

Специфика проведения инженерно-геологических изысканий на территориях распространения сапропелевых отложений.

В соответствии с действующими нормативными документами инженерно-геологические изыскания в сложных геологических условиях и для ответственных сооружений ыедутся в две стадии. На первой стадии проводятся региональные инженерно-геологические изыскания для обоснования проектного задания, а на второй - уточняются инженерно-геологические и гидрогеологические условия по конкретным участкам строительства для обоснования рабочих чертежей.

3. Разведка месторождений сапропеля

3.1 Общие положения

Сапропелевые отложения, погребенные под торфяной залежью, изучаются при разведке торфяных месторождений, причем запасы сапропелей выделяются самостоятельно одновременно с подсчетом запасов торфа.

Исследование сапропелевых отложений в водоемах может производится в зимний период - со льда и в летний период - с открытой водной поверхности.

Исследования с открытой водной поверхности имеют целый ряд трудностей технического порядка ( разбивка зондировочной сети, производство буровых работ и др. ), поэтому целесообразнее проведение изыскательских работ в зимний период - по установившемуся ледовому покрову.

Выделяются следующие виды разведок сапропелевых месторождений: 1) поисковая; 2) предварительная; 3) детальная.

Предварительная разведка производится с целью оценки (количественной и качественной) месторождения и решения вопроса о целесообразности их дальнейшей предварительной разведки.

Задача детальной разведки - получение материалов и данных, необходимых для составления проекта эксплуатации месторождения.

Для всех категорий разведок комплекс исследовательских работ подразделяется на:

а) топографо-геодезические и б) технологические работы.

Топографо-геодезические работы состоят в проложении и закреплении планово - высотного обоснования и съемочно-зондировочной сети.

Проложение и закрепление ходов планово-высотного обоснования осуществляется по действующим инструкциям ГУГК Государственного геологического комитета России.

Частота съемочно-зондировочной сети зависит от категории разведки и площади озера.

К технологическим исследованиям относятся:

а) определение мощности сапропеля;

б) отбор проб для лабораторных анализов;

в) лабораторные анализы;

г) подсчет запасов и геолого-экономическое заключение.

Определение мощности отложений сапропеля производится зондированием по лункам.

Для проделывания лунок во льду употребляется специальный ледорезный бур, который дает диаметр лунки порядка 12 см. Для этой же цели могут быть использованы пешня или коловорот, применяемые рыболовами-спортсменами при зимней ловле. Мощность льда измеряется специальной линейкой.

Торфяным зондировочным буром определяются:

а) глубина слоя воды;

б) мощность пелогена;

в) мощность сапропеля;

г) характер подстилающего грунта.

Для установления глубины контакта воды и пелогена могут быть использованы специальные приспособления (диски, хлопушки, которые позволяют с большой точностью определить указанную границу. Недостатком указанных приспособлений является то, что они требуют во льду лунок большего диаметра и ненадежны в работе. Вопрос об определении границы воды и пелогена требует дальнейшей разработки. Контакт пелогена и сапропеля является величиной несколько условной. Практически за эту границу принимается горизонт, в ктором чеснок бура имеет возможность открыться и набрать пробу сапропеля.

Зондирование выплняется на каждом пикете и производится до минерального дна, с выемкой 2-3 см подстилающего грунта и описанием его.

При глубине слоя воды более 1.5 м и сапропеля более 5 м могут возникнуть определенные трудности в проведении буровых работ, т.к. в случае уплотненного сапропеля уже при небольшом усилении бур дает прогиб в слое воды. В Этих условиях может быть применена обсадная труба.

При небольшой мощности сапропелей и трудностях прохода сапропелевых отложений торфяным буром, могут быть использованы легкие геологические буровые комплекты (двух или трех дюймововые).

Наиболее ответственной операцией при производстве технологических иследований является отбор роб для лабораторных исследований.

После завершения зондировочных работ, полученные визуальные данные о стратиграфии наносятся на рабочий план и затем приступают к нанесению схемы расположения пунктов отбора проб.

Пестрота стратиграфии сапропелевых отложений зависит от целого ряда причин и, в первую очередь, от геоморфрлогического положения озера, его типа и условий водно-минерального питания. Учитывая, что более сложная стратиграфия наблюдается в прибрежной части озера, а также в местах впадения или вытекания водотоков, сетка расположения пунктов отбора проб не должна быть равномерной.

Более густая сетка назначается в береговой зоне за счет расположения в центральной части.

Пробы сапропеля отбираются пробоотборочными торфяными челноками, послойно через 0.5 м, но без смешивания в одной пробе разнородных генетических слоев.

Размер пробы - около 400 г сырца. Отобранные пробы обязательно упаковываются в герметическую тару и оберегаются от промораживания.

Количество пунктов отбора проб, состав и количество выполняемых анализов зависят от категории разведки и площади озера.

3.2 Поисковая разведка

При поисковой разведке определяется наличие сапропеля в водоеме с примерными показателями его качественной и количественной характеристики.

Для этой цели на площади водоема закладывается ряд зондировочных точек с примерным закреплением их на местности. Количество точек определяется площадью озера. При площади озера до 10 га рекомендуется 3 зондировочных точки, до 100 га - 5 и свыше 100 га - 5 плюс 1 точка на каждые 100 га.

Зондировочные точки распределяются равномерно по площади озера. Плановой основой служат крупномасштабные карты или материалы аэрофотосъемки.

На каждой зондировочной точке определяются : мощность льда и глубина воды, мощность сапропеля и характер подстилающего грунта. Кроме того, через каждые 0.5 м производится выемка образца и визуальное определение вида сапропеля, цвета, изменения окраски на воздухе, консистенции.

Пробы для лабораторного анализа отбираются через 0.5 м в одном пункте озера площадью до 10 га, 2 - 3 пунктах для озер площадью свыше 10 и до 100 га и 3 пунктах плюс 1 на каждые 300 га для озер площадью свыше 100 га.

Одновременно производится описание характера озера, берегов, водоприемников и водоисточников.

По всем отобранным образцам выполняется следующий комплекс анализов: определение вида сапропеля, зольности, кислотности, содержания кальция.

При камеральной обработке составляется схематический план озера с зондировочными точками. Подсчитывается запас сапропеля и приводится его технологическое описание.

3.3 Предварительная разведка

Съемочно - зондировачная сеть при предварительной разведке состоит из магистрали и поперечников, прокладываемых инструментально перпендикулярно к ней.

Расстояние между поперечниками не должно превышать 400 м. По всем поперечникам разбивается пикетаж через 100 м, но не менее 5 точек на поперечнике.

На каждом пикете выполняется комплекс зондировочных работ. Визуальный просмотр толщи сапропелевых отложений осуществляется на каждом четвертом пикете, но не менее 3 точек на поперечнике.

Магистраль выводится на суходол на расстояние не менее 300 м и закрепляется деревянными столбами, а при площади съемки более 500 га железобетонными реперами. Поперечники также выводятся на суходол на расстояние до 100 м.

Пункты отбора проб назначаются в зависимости от площади озера в количествах, указазанных в табл.3.1.

Таблица 3.1

Площадь озера, га	Количество пунктов отбора проб	Один пункт на сколько,га
до 10	3	до 3
до 30	5	до 6
до 50	6	до 8
до 100	8	до 12
до 300	10	до 30
до 500	12	до 42
свыше 500	12+1 на каждые 100 га	42 +1 пункт на каждые 100 га

Дополнительно к указанному выше комплексу лабораторных анализов, выполняемому при поисковой разведке, производится по всем образцам определение содержания железа, аморфного кремния и нерастворимого остатка.

Отчетные материалы должны содержать следующие документы:

а) ведомость подсчета средних глубин и запасов воды и сапропеля;

б) ведомость послойных и средних значений всех показателей качественной характеристики;

в) ведомость лабораторных анализов;

г) пояснительную записку с геологоэкономическим заключением.

Пояснительная записка должна содержать подробные сведения о характере водоема, условиях его водного режима, возможности понижения уровня воды, окружающих суходолах и пр. Технологическое описание сапропелевых отложений должно содержать геолого-экономические рекомендации о возможных направлениях использования и условиях эксплуатации сапропелевых отложений.

3.4 Детальная разведка

Детальная разведка, за исключением работ научно-исследовательского характера, выполняется только при наличии заказа от конкретного потребителя, в котором указываются направления использования и потребный масштаб добычи сапропеля.

Топографо-геодезические работы

К топографо-геодезическим работам относятся:

а) положение планово-высотного обоснования;

б) закрепление планово-высотного обоснования;

в) проложение съемочно-зондировочной сети.

Планово-высотным обоснованием при съемке площади до 300 га или полосы шириной не более 100 м служит свободный нивелир-теодолитный ход, проложенный по наибольшей длине озера. При площади съемки более 300 га или полосы шириной более 100 м по берегу прокладывается замкнутый нивелир-теодолитный ход и диагональный ход по магистрали озера. Съемочно-зондировочная сеть состоит из поперечников, разбиваемых перпендикулярно к магистрали озера через 100 м один от другого. Разбивка поперечников производится теодолитом. Концы поперечников или привязываются к замкнутому нивелир-теодолитному ходу, или выводятся на суходол на расстояние в 100 м.

По каждому поперечнику разбивается пикетаж через 100 м, но не менее 5 точек на поперечнике.

При ширине озера более 2 км детальная разведка выполняется не на всей площади. В этом случае съемочно-зондировочная сеть с частотой 100 х 100 м прокладывается только в береговой зоне озера на длину в 600 м. В центральной части озера прокладывается сеть, обеспечивающая густоту съемки по сетке 200 х 400 м.

При площади съемки более 5000 га в каждом отдельном случае составляется специальная программа работ.

Съемка озера выполняется в масштабе 1 : 10 000 с сечением рельефа суходольной полосы через 0.5 м.

Весь комплекс топографо-геодезических работ выполняется в соответствии с действующими инструкциями ГУГКа.

Технологические исследования

Зондирование производится на всех точках съемочно-зондировочной сети, причем в 25% точек осуществляется визуальный просмотр толщи сапропелей с определением вида сапропеля, цвета, изменения окраски на воздухе, консистенции.

По нанесении на рабочий план материалов визуального просмотра залежи и данных зондирования намечаются места пунктов отбора проб.

В среднем один пункт отбора проб назначается на 15 га площади сапропелевых отложений, но не менее 10 пунктов на месторождении.

На озерах площадью менее 20 га количество пунктов отбора проб определяется из расчета 1 пункта на 2 га.

Помимо образцов, отбираемых на общий анализ, по одному из створов, проложенному по наиболее характерному месту озера назначается 3 пункта на специальный анализ. Размер каждой отбираемой пробы - около 2 кг.

Методика отбора проб та же, что и при производстве других категорий разведок. Отобранные пробы не должны подвергаться промораживанию и воздействию прямых солнечных лучей.

Прочие работы

Прочие работы, состоящие из гидрологических, гидротехнических и гидрогеологических изысканий, выполняются применительно к требованиям технических условий на детальную разведку торфяных месторождений, обеспечивающих получение данных о гидрологическом режиме озера, возможности его осушения и условиях водно-минерального питания, а также сбора экономических данных.

Лабораторные работы

По всем отобранным на общий анализ пробам выполняются анализы на зольность, влажность, определение вида сапропеля и агрохимический комплекс анализов.

Анализы на зольность и влажность выполняются по действующим ГОСТам.

Определение вида сапропеля производится микроскопическим путем. Для этого средняя микропроба сапропеля переносится на предметное стекло и разводится водой до полупрзрачного состояния.

При увеличении около 200 раз определяется процентное содержание животных и растительных остатков и минеральных включений.

Агрохимический комплекс состоит в определнии следующих компонентов:

а) общего азота; б) фосфора; в) железа; г) кальция; д) кислотности; е) аморфного кремния; ж) нерастворимого остатка.

По всем специальным пробам выполняется анализ на содержание микроэлементов и витаминов группы А и В.

По специальному требованию заказчика могут выполняться следующие виды анализов:

а) при использовании сапропеля в качестве энерготехнологического и химического сырья:

1) групповой химический состав;

2) швельанализ,

б) при использовании в медицине и ветеринарии:

1) определение витаминов, антибиотиков и стимуляторов роста,

2) бактериологический,

3) теплоемкость, дисперсный состав и др.,

4) ридиоактивные элементы.

Камеральные работы

В результате камеральной обработки материалов представляются следующие отчетно-технические документы:

а) план озера в масштабе 1 : 5 000 ( при площади озера более 300 га - в масштабе 1 : 10 000 ) с профилями зондирования;

б) стратиграфические разрезы сапропелевой толщи;

в) ведомость лабораторного анализа;

г) ведомость подсчета средних глубин и запасов сапропеля;

д) ведомость послойных и средних показателей качественной характеристики;

е) документы, связанные с обработкой материалов исследования по гидрологии, гидрогеологии и гидротехнике;

ж) материалы по результатам топографо-геодезических работ;

з) пояснительная записка с геолого-экономическим заключением.

Подсчет запасов, а также послойных и средних показателей качественной характеристики осуществляется по отдельным типам сапропелей.

Резутат разведки озера Чухломское с отложениями сапропеля

Озеро Чухломское расположено у г. Чухлома Костромской области. Площадь водного зеркала 4721 га. Озеро имеет округлую форму при наибольшем поперечнике в 7,5 км. Берега мало изрезаны. Питание озера происходит за счет поверхностно-сточных и грунтовых вод. В озеро впадает 11 небольших ручейков. Сток воды происходит по реке Векса. Рельеф дна озера сравнительно ровный. Наибольшие понижения, имеющие форму узких борозд, расположены в юго-западной части озера (рис.3.1).

озеро Чухломское

Рис.3.1. Распределение мощностей сапропелевых отложений

в озере Чухломское.

На озере было проложено 4 поперечника, на расстоянии около 2 км друг от друга. Общая длина зондировочных линий составила 25.7 км. Количество зондировочных точек 76 ( 1 точка на 60 га ). Общее кличество пунктов отбора образцов 18, что дает один пункт на 270 га (рис.3.2)

озеро Чухломское

Рис.3.2. Точки зондтрования сапропелевых отложений

в озере Чухломскоею.

Данные зондировки показали, что сапропелевые отложения распространены на всей площади озера. Распределение мощностей сапропелевых отложений в основном соответствует рельефу дна. Запас сапропелевых отложений составляет 130772 тыс.куб.м, при средней глубине 2.77 м. Наибольшая мощность - 6.9 м. Запас воды равен 63 261 тыс. куб.м, средняя глубина 1.34 м, наибольшая - 3.8 м.

Среди озерных осадков было выделено четыре вида сапропелей ( рис 3.3 ).

1. Грубодетритовый сапропель. Преобладает лишь в береговой зоне, но в нижней половине свиты прослеживается почти на всей площади озера. Запас составляет 51 001 тыс.куб.м или 39% от общего запаса сапропелевых отложений.

Зольность высокая - в среднем 55.9%, с увеличением глубины повышается до 89%. Содержание кальция варьирует в пределах от 0.01 до 20.8%, с глубиной несколько увеличивается и резко возрастает на контакте с известковистым сапропелем. Фосфора 0.06%, азота 1.95%.

2. Тонкодетритовый сапропель. Залегает преимущественно в верхней половине сапропелевой толщи в центральной части озера. Запас составляет 28 70 тыс куб. м, или 22% от общего запаса.

Тонкодетритовый сапропель характеризуется также высокой зольностью - в среднем 51.7%. По глубине толщи показатель зольности довольно устойчив. содержание кальция 1.7%, фофора 0.06%. Содержание общего азота несколько повышено - 2.21%.

озеро Чухломское

Рис3.3. Распределение отдельных видов сапропелей по

карте и по профилю озера.

3. Известковистый сапропель. Встречается почти на всей площади озера, преимущественно в нижней половине свиты. В западной части озера известковистый сапропель преобладает по всей мощности слоя. Запас его сотавляет 39 885 тыс. куб. м или 30.5% от общего запаса .

Средняя зольность равна 65.6% с небольшими колебаниями по глубине. Лишь в придонных слоях зольность повышается до 89%. Характеризуется высоким содержанием кальция - в среднем 40.9%, фосфора 0.02%, азота 1.11%.

4. Песчанистый сапропель. Имеет распространение в нижних слоях преимущественно в береговой зоне. Запас его равен 11 116 тыс. куб. м или 8.5% от общего запаса. Средняя зольнось песчанистого сапропеля 61.3%. Максимальная - в придонных слоях - 85.4%. Средние показатели по содержанию кальция 4.6%, фосфора 0.08%, азота 1.95%.

Сводные данные по Чух ломскому озеру приведены в табл.3.1.

Таблица 3.1 Качественная и количественная характеристика сапропелевых

отложений озера Чухломское

Наи-мено-

вание

сапро-

пелей

Пло-

щадь,

га

Сред-

няя

глуби-

на,

Запас,

тыс.

куб.

Золь-

ность,

рН

Каль-

ций,

Фос-

фор,

Азот,

Всего

по озеру:

в т. ч.

Грубо-

детри-

товый

Тонко-

детри-

товый

Извес-

тков-

стый

Песча-

нис-

тый

4721

2.77

130772

51 001

28 770

39 885

11 116

53.7

55.9

51.7

66.6

61.3

6.0-8.0

6.0-7.8

6.8-8.0

6.4-7.8

15.4

2.4

1.7

40.9

4.6

0.05

0.06

0.02

0.08

1.81

1.92

2.21

1.11

1.95

3.5 Малая полевая лаборатория ПЛГ -IР для исследования

слабых грунтов

1. Назначение полевой лаборатории ПЛГ-IР. Малая полевая лаборатория предназначена для выполнения комплекса инженерных изысканий слабых грунтов в сложных геологических условиях. Сюда входят:

а) вращательный срез зондовым сдвигомером - крыльчаткой СК-10;

б) статическое зондирование пенетрометром П -5.

Для задавливания в грунт и извлечения из него рабочих наконечников приборов, в комплект лаборатории входит задавливающая установка УЗП-IР.

В очень слабых грунтах пенетрометр П-% и сдвигометр - крыльчатка СК - 10 могут использоваться автономно от установки

УЗП - 1Р. В этом случае задавливание рабочих наконечников приборов производится вручную.

2. Назначение сдвигометра-крыльчатки Ск - 10. Зондовый сдвигометр крыльчатка СК - 10 относится к числу полевых портативных приборов и предназначен для измерения сопротивления сдвигу грунтов естественной структуры. При отсутствии бытового давления или внешней нагрузки измеряемая величина представляет собой значение суммарного сцепления (структурная и коллоидная), а при их наличии- суммарное значение сопротивления сдвигу с учетом сцепления и угла внутреннего трения.

При повторном повороте крыльчатки, после первичного среза, определяется значение сопротивления сдвигу нарушенной структуры.

Конструкция прибора позволяет также использовать его в качестве устройства для определения характера распределения неоднородностей и механических включений в зондируемых основаниях. Измеряемые при сдвиге величины являются лучшими показателями для оценки категории основания.

Технические данные сдвигометра СК - 10

Диаметр крыльчатки, мм...........................................................120,150

Высота крыльчатки, мм ................................................................60,75

Длина штанг, мм ............................................................................1000

Глубина зондирования, м .............................................................до 15

Максимальный крутящий момент, кг х см ...................................1500

Цена деления индикатора, мм ........................................................0.01

Вес прибора с одной штангой, кг.....................................................4.0

Вес одной штанги,кг......................................................................... 1.3

Точность измерения прочности, кг / см2 .....................................0.002

Количество прилагаемых штанг, шт ..................................................5

Обслуживающий персонал, чел. ........................................................ 1

Сдвигометр - СК-10 комплектуется двумя крыльчатками. Размеры крыльчаток по высоте 120 и 150, по диаметру 60 и 75 мм. Четырехлопостная крыльчатка является сврной деталью, состоящей из металлических лопастей толщиной 2 и 2.5 мм, приваренных к коническому стержню. Для облегчения процесса задавливания и извлечения крыльчатки из грунта, верхние и нижние торцы лопастей остро затачиваются. Чтобы исключить возможность отвинчивания крыльчатки при задавливании, ее стержень изготовлен с удлиненной резьбой ( рис.3.4 ).

Рис.3.4. Конструкция сдвигометра-крыльчатки СК - 10

Устройство 2, которое состоит из двух стержней, служит для отключения крыльчатки от штанги при учете влияния трения штанг о грунт. Штанги 3 и 4 изготовлены из цельнотянутых труб с внешним диаметром 22 мм и толщиной стенки 3.0 мм. Внутренняя резьба у штанг и переходников коническая - К 3/8”. На штангах, имеющих длину 1000 мм, через 100 мм нанесены кольцевые риски, предназначенные для установления глубины погружения крыльчатки 1. Рукоятка 5 сдвигометра свободно насажена на бронзовую втулку 6, которая прикреплена к упору 7. Втулка 6 с упором 7 крепится к переходнику штанг посредством вилки 11. Упругая пластина 8 вставлена в пазы упора 7 на цилиндрические штифты и закреплена винтом 9. Деформация пластины 8 при повороте рукоятки с призмой 12 фиксируется индикаторной головкой 13, которая неподвижна по отношению к упору 7. Усилие от рукоятки 5 передается упругой пластине 8 псредством призмы 12.

2.2. Определение предельного сопротивления сдвигу сдвигометром-крыльчаткой Ск -10.

Формула для расчета сопртивления сдвигу сдвигометром СК-10 имеет следующий вид:

Мкр

r = ---------, кг/см2 ( 3.1 )

где Мкр - крутящий момент, который необходимо приложить к крыльчатке, чтобы срезать грунт, находящийся между лопастями при ее вращении. Этот момент фиксируется индикатором головки сдвигометра.

Зная показание индикатора в делениях шкалы, по тарировочному графику (стротся заранее) находят значение крутящего момента или ( при линейной зависимости деформации упругой пластины от крутящего момента ^L

n = -------- = const ) показание индикатора

Мкр

делят на характеристику упругой пластины n:

М = --------

Тогда r = ---------- , кг/см2 ( 3.2 )

n К

где К - постоянная крыльчатки.

Такие исследования сдвигометром СК-10 можно проводить с поверхности и в шурфах минеральных грунтов, в торфяных грунтах по всей глубине торфяника, так как в них бытовое давление уровня грунтовых вод незначительно

Уровень грунтовых вод даже в осушенных торфяниках не превышает 0.5-0.7 м.

3. Пенетрометр П-5. Полевой зондовый пенетрометр -П-5 (рис.3.5) относится к числу портативных приборов и преднахначен для измерения сопротивления грунта вдавливанию конусного наконечника, которое впоследствии может быть использовано для оценки предела прочности и модуля деформации грунта, а также обнаружения пустот, плотных прослоек, харакера напластования и вида грунтов, определния плотности песчаных и консистенции глинистых грунтов.

Рис.3.5. Кострукция пенетрометра П - 5

Прибор используется также для оценки несущей способности свай и сопротивления их забивания.

Штанги 5 и 6 унифицированы со штангами сдвигометра-крыльчатки СК-10 и взаимозаменяемы. Прибор имеет 3 сменных конусных наконечника1,2,3, площади поперечного сечения основания которых 10, 20, и 40 см2. Это позволяет использовать пенетрометр для исследования различных грунтов. Конусные наконечники изготовлены из ст. 45 с цинковым покрытием, предохраняющим их от коррозии.

Штанги П-5 изготовлены из цельнотянутых труб с внешним диаметром 22 мм и толщиной стенки 3мм. Внутренняя и наружная резьба штанг у переходников коническая 3/8”. На штангах, имеющих длину 1000 мм, через каждые 100 мм нанесены кольцевые риски, предназначенные для измерения глубины погружения конусного наконечника.

Упор 7 крепится на переходнике при помощи вилки 8, которая служит также для отвинчивания или или завинчивания штанг 5,6.

Рукоятка 9 вместе с направляющей втулкой 10 подвижна по отношению к упору 7 и может смещаться вертикально вниз.

При нажатии рукояткой 9 вниз упругая пружина 11 деформируется, а величина этой деформации фиксируется индикатором часового типа 12, установленным на гайке.

Техническая характеристика П-5

Диаметр конуса, мм........................................................35.6; 50.8; 71.4

Угол при вершине конуса, град.........................................................60

Площадь поперечного сечения основания конуса, см2.........10; 20; 40

Улубина зондирования, м.............................................................до 15

Максимальное усиливание зедевливания в грунт, кг............250; 1200

Максимальная деформация пружины, мм....................................8; 0.1

Цена деления индикатора, мм.........................................................0.01

Вес прибора с одной штангой, кг.....................................................3.8

Количество прилагаемых штанг.........................................................6

Обслуживающий персонал..................................................................1

Тарировка пенетрометра П-5

Тарировка пенетрометра П-5 производится в лабораторных условиях, как правило, на гидравлическом прессе мощностью не менее 1.5 т. При работе на слабых грунтах, когда усилие задавливания не превышает 60-70 кг, тарировку можно производить грузами в тисках. Головка пенетрометра крепится на столе пресса так, чобы вертикальная ось головки П-5 совпадала с осью гидроцилиндра. Нагрузка на головку пенетрометра гидроцилиндра передается через образцовый динамометр сжатия, чтобы учесть влияние трения в гидросистеме. Допускается тарировка и без динамометра, но в этом случае необходимо знать, какое усилие затрачивается на холостой ход поршня. Тарировка производится до усилия 300 кг для головки с цилиндричекой пружиной и 1200 кг для головки с тарельчатой пружиной. Нагрузка прилагается ступенями до нагрузок 100, 300 кг и выше соответственно по 10, 20 и 50 кг. По данным таррировки строят график зависимости деформации пружины ^ Lср от усилия Р ( по оси ординат откладываются показатели индикатора ). Тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс.

Определение удельного сопротивления грунта

проникновению конуса и модуля общей деформации пенетрометром П-5

Удельное сопротивление грунта проникновению конуса определяется по формуле:

q = --------- , кг/см2 ( 3.3 )

где Р - усилие задавливания ( определяется по результатам

татировки );

F - площадь основания конуса ( конус с углом раскрытия

60 гад. ).

По результатам удельного сопротивления грунта проникновению конуса расчитывется нормотивное сопротивление грунта под острием сваи q:

qн = -----, кг/см2 ( 3.4 )

Модуль общей деформации определяется по величине удельного сопротивления грунта проникновению конуса по формуле:

Е = а х q, ( 3.5 )

Для приближенных расчетов можно принять: а = 2.5 ( для песков ), а = 7.0 ( для глин и суглинков ), а = 0.366 ( для торфяных грунтов ).

Портативная задавливающая установка УЗП-IР

Задавливающая установка УЗП-IР является базовой в комплекте приборов лаборатории и предназначена для задавливания в грунт и извлечения из него рабочих наконечников пенетрометра П-5 и сдвигометра-крыльчатки СК-10.

Техническая характеристика УЗП-IР

Привод-цепной, двухступенчатый, ручной

Усилие задавливания,т.с..................................................................0.8

Ход упора, мм.................................................................................1050

Глубина зондирования,м................................................................ 15

Передаточное число привода по усилию..........................................40

Диаметр лопасти винтовой сваи,мм................................................160

Диаметр рабочих штанг,мм...............................................................22

Масса установки,кгс........................................................................15.6

Конструкция установки УЗП-IР

Портативная задавливающая устанвка УЗП-IР представляет собой сварную трубчатую конструкцию с цепной передачей ( рис.3.6 ) и состоит из рамы 1 с двумя направляющими 2, основания 3, приводной цепной передачи 4, грузовой цепи 5 с двумя укрепленными на ней упорами 6, двух рукояток 7 и двух винтовых свай 8. Задавливание производится упорами 6, которые перемещаясь вместе с грузовой цепью 5 скользят по направляющим 2 рамы 1. Натяжные устройства 9 и 10 позволяют приводить натяжение цепей. Приводные рукоятки 7 можно устанавливать на оба выходных валика звездочек грузовой цепи. При малой плотности грунта рукоятки устанавливают на верхний выходной валик, пр вращении которого скорость перемещения в 4.25 раз больше. В плотных грунтах рекомендуется работать двумя приводными рукоятками с целью увеличения усилия задавливания.

Порядок работы при статическом зондировании

При статическом зондировании установкой УЗП-IР используются рабочие наконечники 1,2,3, отключающее устройство 4, штанги5,6 пенетрометра П-5 ( рис.3.5 ) и вилки 11 с головкой сдвигометра-крыльчатки СК-10 ( рис.3.4 ).

Конусный наконечник пенетрометра с отключающим устройством и набором штанг устанавливается вертикально по оси упора 6 (рис.3.6 ). В пазы на конце штанги вставляется вилка 14. Далее, вращением рукоятки 7 упор6 подводится к вилке 14 до соприкосновения с ней. На выходной валик приводной звездочки через специальный переходник устанавливается и закрывается вилкой динамометрическая рукоятка от сдвигометра-крыльчатки СК-10.

В данном случае движение грузовой цепи, а следовательно, и задавливание рабочего наконечника прибора происходит при вращении рукоятки-головки сдвигометра-крыльчатки. В процессе работы через каждые 10 или 50 см задавливания показания индикатора головки СК-10 записяваются в журнал. После погружения зонда на 1 м вилка 14 вставляется в пазы следующей штанги, упор 6 вновь подводится к вилке и задавливание продолжается. На большой глубине массива слабого грунта сопротивление грунта по боковой поверхности зонда возрастает и его учитывают путем поднятия штанг на 40 - 50 мм. При этом конусный наконечник в грунте остается неподвижным, т.к. он имеет осевую подвижность по отношению к штанге. При повторном погружении штанг до их встречи с конусом устанавливается по индикатору боковое сопротивление.

Рис.3.6 Кострукция установки УЗП-IР

Для извлечения рабочего наконечника из грунта следует вставить вилку 14 в пазы штанги так, чтобы упор 6 оказался под ней и вращением рукоятки 7 в обратном направлении извлекать штанги из грунта.

По тарировочному графику головки сдвигометра-крыльчатки находим величину крутящего момента Мкр на приводном валу установки соответствующего показанию ^L индикатора. Усилие задавливания определяется по формуле:

Р = 1.3 Мкр, кгс ( 3.6 )

где Мкр - крутящий момент на приводном валу установки;

1.3 - постоянная установки.

Порядок работы при вращательном срезе

При вращательном срезе установка используется только для задавливания и извлечения рабочих наконечников со штангами. Вращательный срез осуществляется вручную головкой от сдвигометра-крыльчатки СК-10. При этом рама установки отводится в сторону до упоров, предусмотренных на основании. Для этой цели следует извлечь из отверстий соединительные пальцы 12.

Динамометрическую рукоятку от сдвигометра-крыльчатки СК-10 надевают на штангу и приводят ее поворот по методике, описанной ранее. После этого снимают рукоятку, ставят установку в вертикальное положение, задавливают крыльчатку до новой глубины ( 0.5 м ) и далее повторяют определение сопротивления сдвигу по указанному выше принципу, внешнее трение штанг о грунт в данном случае учитывают с помощью отключающего устройства, т.е. поворотом штанг без крыльчатки.

Комплектность лаборатории

В комплект полевой лаборатории входит:

кол-во

1. Головка пенетрометра П-5...............................................................1

2. Головка сдвигометра - крыльчатки СК-10......................................1

3. Штанги диаметром 22 мм...............................................................15

4. Отключающее устройство пинетрометра и

сдвигометра-крыльчатки.................................................................2

5. Крыльчатка.......................................................................................2

6. Конусный наконечник......................................................................3

7. Вилка для П-5 и СК-10.....................................................................2

8. Индикатор часового типа................................................................2

9. Задавливающая установка УЗП -IР...............................................1

10. Свая.................................................................................................2

11. Рукоятка для завинчивания свай...................................................1

12. Штанги для наращивания свай.....................................................4

13. Рукоятка приводная .......................................................................2

14. Ручка................................................................................................1

15. Крепежно-установочный винт.......................................................2

( Малая полевая лаборатория ПЛГ-IР разработана Калининским ордена Трудового Красного Знамени политихническим институтом ).

4. Запасы сапропелевых отложений на территории России и

стран СНГ

На территории бывшего СССР сосредточено оромное количество озер, примерно 350 тысяч, причем в подавляющем большинстве, они расположены в пределах лесной зоны и содержат в себе сапропели. Мощность сапропеля в отдельных случаях достигает большой величины до 10 - 20 и более метров, а запасы исчисляются миллионами тонн. Так, например, в озере Неро Ярославской области запасы сапропеля составляют около 270 млн. т сырца, в озере Чухломское Костромской области около 140 млн.т и т.д.

На территории бывшего СССР в настоящее время, по предварительным данным, выявлено 2188 месторождений сапропеля, в том числе 1050 месторождений в озерах и 1138 в торфяниках.

Общий запас выявленных сапропелевых отложений в озерах и торфяниках составляет 44.0 млрд.куб.м, в том числе в озерах - 41.8 млрд. куб.м и торфяниках - 2.2 млрд. куб.м.

Сводные данные по отдельным странам СНГ приведены в табл.4.1. Специальные изыскания, ставившие своей целью выявление запасов и качества отложений сапропеля, проводились лишь в единичных случаях (Институт “Гипроторфразведка”, Уральский филиал АН СССР, Свердловский Институт курортологии и физиотерапии). Вследствие этого специальная изученность сапропелевого фонда практически незначительна и имеющиеся сведения о запасах сапропеля базируются на весьма отрывочных сведениях, получаемых как побочный материал при различного рода иследованиях.

В настоящем разделе приводятся суммированные данные по запасам отложений сапропеля, залегающих под торфяной залежью и открытых водоемах на территории России а также данные по наиболее перспективным озерам центральной Европейской части России.

Данные о запасах сапропеля под торфяной залежью получены из материалов изысканий торфяных месторождений. Качественная сторона при этом практически отсутствует.

Таблица 4.1 Сводная таблица

количественных показателей по месторождениям сапропеля в озерах и торфяниках на территории стран СНГ

Таблица 4.2 Сводная таблица количественных показателей по учтенным месторождениям сапропеля на территории России.

Данные о запасах сапропеля в открытых водоемах основаны на литературном материале и лишь по небольшому числу озер использованы данные специальных технических изысканий.

По данным анализа материалов разведки торфяных месторождений, на территории России зарегистртровано 648 торфяных месторождений с наличием сапропеля.

Общая площадь, занятая в них отложениями сапропеля, составляет 119381 га, с запасом в 1 179 225 тыс. куб.м.

Запасы сапропелевых отложений, залегающих под торфяной залежью, учтены по территории России в 43 областях, краях и автономных республиках.

Поскольку при учете сапропелевых отложений, залегающих под торфяной залежью, использованы только материалы изысканий торфяных месторождений, то степень изученности запасов сапропелей в торфяниках полностью отвечает степени изученности торфяного фонда той или иной области.

Для центральных областей Европейской части России эта изученность составляет от 62% до 97% от предлогаемого фонда. Для северных областей и Сибири изученность резко падает и по отдельным областям не превышает 5% от предлагаемого фонда.

С количественной стороны детальной разведкой охвачено около 80% всего запаса саппропелевых отложений, т.е. на 1-2 га сапропелевой толщи приходится одна зондировочная точка. Как уже отмечалось, качественная характеристика сапропелевых отложений, как правило, отсутствует совершенно.

Наибольшие запасы сапропелевых отложений в торфяниках учтены в Тверской области, где они составляют 438863 тыс. куб.м или 37.2% от всей суммы запасов сапропелей в торфяниках России. Здесь же, в Тверской области, зарегистрировано и максимальное по величине сапропелевое месторождение под торфяной залежью - “Оршинский Мох” , площадь которого составляет 6947 га.

Сапропелевые отложения открытых водоемов по сравнению с отложениями сапропеля под торфяной залежью имеют большее практическое значение,т.к. в них может быть сравнительно легко организована средствами гидромеханизации.

С другой стороны, изученность сапропелевых отложений в открытых водоемах в настоящее время очень слабая.

Подавляющее большинство из указанного количества озер техническим разведкам на сапропель не подвергалась, а исследовалось различными специалистами для других целей.

В России запасы сапропелевых месторождений в озерах учтены в 22 областях, краях и автономных ресбубликах.

Общая площадь учтенных сапропелевых месторождений в озерах составляет 180 3331.8 га с запасом в 37225530 тыс.куб.м. Из этой цифры специальными разведками на сапропель охвачено лишь 55 озер, с запасом сапропеля в 1528577 тыс. куб.м или по количеству учтенных месторождений - 10%, а по запасам - 4%.

Всего по России учтено 1226 месторождений сапропеля в 38504755 тыс. куб.м. При среднем весе 1 куб.м сапропеля сырца в 1050 кг общий учтенный запас сапропеля в России составляет 40429993 тыс. т.

Площадь среднего месторождения сапропеля России - 1568 га, а средняя глубина сапропелевых отложений - 2.0 м.

В табл. 4.2 - 4. приводятся количественные показатели по учтенным и наиболее характерным месторождениям сапропеля на территории России по отдельным экономическим районам.

Таблица 4.2

Владимировская область

Месторождения сапропеля в озерах

№№ п.п.	Наимено - вание озер	Площадь озера, га	Глубина воды, м	Мощность сапопеля,м	Запас сапропеля, тыс. куб.м
1.	Большой Светец	50	2.3	2.0	1000
2.	Верхнее	65	3.0	2.0	1300
3.	Всесвят - ское	18	3.0	2.0	360
4.	Заболот - ское	30	3.5	3.0	600
5.	Круглец	40	6.0	2.0	800
6.	Малый светец	36	3.0	2.0	720
7.	Чащин - ское	36	3.5	2.0	720
Итого по 7 озерам		275	3.4	2.1	5500

Вологодская область Таблица 4.3

Месторождения сапропеля в озерах

№№

п.п

Наимено-

вание

озера

Площадь

озера,

га

Глубина

воды,

Мощность

сапропеля,

Запас

сапропеля,

тыс.куб.м

Кубенское

37000

4.0

2.0

370000

Итого по

1 озеру

37000

4.0

2.0

370000

Таблица 4.4

Ивановская область

Месторождения сапропеля в озерах

№№ п.п.	Наимено- вание озер	Площадь озера, га	Глубина воды, м	Мощность сапропеля, м	Запас сапропеля, тыс. куб.м
1.	Сахтыш	-	-	3.2	33760
2.	Рубское	1055	-	3.2
Итого по двум озерам		1055		3.2	33760

Таблица 4.5

Костромская область

Месторождения сапропеля в озерах

№№ п.п.	Наимено- вание озера	Пощадь озера, га	Глубина воды, м	Мощность сапропеля, м	Запас сапропеля, тыс.куб.м
1.	Галичское	7540	4.8	11.5	231012
2.	Половчи- новское	178	-	16.0	6375
3.	Русинов- ское	37	3.8	8.0	1155
4.	Рыболов- ское	18	13.0	12.0	702
5.	Скоморо- ховское	-	-	5.0	750
6.	Чухлом- ское	4721	-	6.9	132188
Итого по 6 озерам		12380	7.2	2.9	372183

Таблица 4.6

Ленинградская область

Месторождения сапропеля в озерах

№№ п.п	Наимено- вание озера	Площадь озера, га	Глубина воды, м	Мощность сапропеля, м	Запасы сапропеля, тыс. куб.м
1.	Барков- ское	152	0.6	4.2	3232
2.	Большое	30	25	2.5	600
3.	Врагское	46	3.2	8.0	920
4.	Глубокое	16	16	5.0	320
5.	Горпешно	98	1.3	8.0	2940
6.	Жеребут- ское	105	3.5	7.5	2100
7.	Завердуж- ское	320	-	5.0	5120
8.	Заклин- ское	18	2.5	9.6	792
9.	Ильжо	18	4.4	2.0	360
10	Карасино	28	1.0	7.0	840
11	Керено	25	2.1	8.0	500
12	Красно- горское	274	-	3.0	4380
13	Лисичкино	25	3.0	7.0	500
14	Лукома	38	3.5	2.0	760
15	Милец	50	4.5	5.5	1000
16	Нелайское	42	3.6	6.6	1131
17	Олешен- ское	50	-	9.0	1000
18	Островно	33	-	8.0	660
Итого по 18 озерам		136800	4.12	5.85	27 15500

Таблица 4.7

Московская область

Месторождения сапропеля в озерах

1.2 Анализ зарубежных и отечественных технологий добычи сапропелей

средствами гидромеханизации.

Технология добычи и переработки сапропеля включает в себя ряд производственных процессов, связь между которыми можно проследитьть на рисунке 1.1.

При определенном разнообразии способов разработки сапропелевых залежей наиболее технологичным и достаточно дешевым является способ добычи сапропеля средствами гидромеханизации. При осуществлении гидромеханизированного способа разработки сапропелевых месторождений выемка залежи производится с помощью плавучих землесосных или гидроэжекторных снарядов, а его транспортировка к береговым отстойникам - по напорным или, что встречается гораздо реже, по самотечным пульповодам.

Положительные качества метода гидромеханизации, обеспечившие широкое распространение его при разработке обводненных месторождений состоят в следующем:

-простота осуществления забора грунта (нет необходимости в предварительном рыхлении)

- относительно небольшие затраты энергии и труда на добычу сапропеля;

- возможность подачи пульпы на значительные расстояния по напорным трубопроводам;

-возможность осуществления единого технологического процесса (добыча-транспорт-намыв).

К настоящему времени изучены возможности добычи сапропеля различными средствами гидромеханизации, подобран и освоен состав машинного и другого технологического оборудования.

Для добычи сапропелей применяют земснаряды производительностью от 25-40 до 400-500 м3/час, которые позволяют транспортировать пульпу по трубам на расстояние до нескольких километров. Основной парк земснарядов, которые выпускает отечественная промышленность, приведен в таблице 1.7.

В то же время применение средств гидромеханизации имеет ряд недостатков :

- дисперсная структура коагуляционного типа ,которой является сапропель в естественной залежи, при механическом воздействии легко разрушается и взвешивается, “разбегаясь” по забою и образуя пятно мутности, которое в отдельных случаях достигает 50 и более метров в диаметре, оказывает неблагоприятное влияние на подводный мир;

- эта же причина влияет на низкое содержание твердого в перекачиваемой пульпе 2-3%, что приводит к необоснованным затратам и удорожанию конечного продукта;

- потребность в больших площадях под отстойники или карты намыва;

-значительные затраты средств на отвод осветленной воды при недопустимости сброса этой воды обратно в водоем без предварительной очистки;

-сезонность работ;

-сложность забора залежи с водной растительностью, в результате чего рыхлитель и всасывающий наконечник забиваются растительными

Рис.1.1 Основные производственные процессы добычи сапропелей

в зависимости от структуры комплексной механизации.

осадками, и, как следствие, значительные простои технологического оборудования;

-забивание растительными осадками плавучего и магистрального пульповодов.

Таблица !.7

Основной парк земснарядов

---------------------------------------------------------------------------------------------------------

Тип землесосного снаряда

-----------------------------------------------------------------------------------------------------

Показатели МЗ-3А МЗ- 8 ЗРС 1 80 - 30 150 - 45 ЗРП

---------------------------------------------------------------------------------------------------------

Техническая производительность

по сапропелю:

естественной влажности

( W =90 % ), м3/час 250 450 450 270 600 600

по готовым удобрениям

( W =50 % ), т/ч 50 90 90 54 120 120

Максимальная глубина

разработки, м 6 11 10 10 10 8

Осадка в рабочем состоянии, м 0.5 0.5 0.55 0.75 0.8 0.8

Дальность транспортирования,

приведенная к горизонту, м:

сапропелевой пульпы 1000 1200 1200 3000 3000 3200

песчаных грунтов 600 600 600 1000 1500 1600

Установленная мощность двига-

телей:

дизельных, л.с. 150 300 300 290 680 750

Диаметр напорного пульповода,

мм 300 300 360 300 400 500

Ресурс до капитального ремонта,

ч 10000 10000 10000 10000 20000 20000

Грунтовый насос: ГрУ- ГрУ- ГрУ- ГрУ- ГрУ- ГрУ-

марка 1600/25 1600/25 1600/25 800/40 2000/63 2000/63

производительность по воде,

м3/час 800 1600 1600 800 2000 2000

напор, Мпа 0.25 0.25 0.25 0.40 0.63 0.63

диаметр входного патрубка,мм 150 300 300 250 400 400

мощность, кВт 110 250 250 200 800 800

частота вращения, об/мин 750 750 750 750 600 600

масса, кг 2040 2040 2040 1995 6840 6840

Корпус разборный разборный разборный

Основные габариты,м

длина 15.0 15.0 20.0 18 19.8 25.5

ширина 4.5 4.5 5.7 7 8.6 8.7

высота (от горизонта воды

без сваи) - - 4.9 - 6.25 6.7

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

На территории России имеется большое количество малых водоемов.

Добыча сапропеля из этих водоемов и их полная очистка возможны с помощью простейших установок. Институтом торфа АН БССР разработаны для этой цели два варианта таких установок. Первый с

подачей сапропелевой массы на берег по трубам. Второй с транспортировкой сапропелевой массы на берег с помощью барж или контейнеров. Второй вариант предпочтительнее для заготовки кормовых добавок и лечебных грязей .

Создана специальная экспериментальная установка УДС-200, предназначенная для добычи сапропелей из малых водоемов. Установка представляет собой плавучий агрегат, состоящий из понтонного устройства катамаранного типа, на котором смонтированы дизель-электрическая станция ДЭС-60р, модернизированный насос НЖП-200, лебедка подъема и опускания рабочего органа, лебедка перемещения установки, два электродвигателя для холостого перемещения установки и кабина. Управление установкой осуществляется из кабины оператора с помощью пульта.

Для подачи пульпы от установки к месту складирования сапропелей она комплектуется плавучим и береговым пульповодом.

Техническая характеристика установки

Производительность по пульпе, м3/час -200

Консистенция пульпы, %:

максимальная - 6

средняя - 3

Максимальная глубина разработки, м - 5.5

Дальность подачи пульпы по трубопроводу диаметром 240 мм, п.м. - 1000

Скорость перемещения, м/ч:

рабочая - 70

транспортная - 200

Осадка, м - 0.6

Силовой агрегат:

тип - дизель-электрический

марка -ДЭС-60р

Мощность электродвигателя рабочего органа, кВт - 22

Габариты, мм:

длина - 9.2

ширина - 3.05

Масса,т - 9.1

Установка может разрабатывать отложения сапропелей траншейным и веерным способом.

При работе установки траншейным способом рабочий орган максимально заглубляют и по мере выработки залежи приподнимают или опускают его с одновременным продвижением вперед.

При веерном способе перемещений выработка залежи ведется по слоям. После выработки ленты забоя на глубину 5.5м с помощью лебедок продвигаются вперед на ширину забоя, и процесс повторяется. Экспериментальный образец установки, изготовленный на опытно-экспериментальной базе Института торфа АН БССР “ Дукора”.

Разработка месторождений с помощью установки “ Сапропель”

Завод портового и судового оборудования “Теплоход” на основании разработок Горьковского института инженеров водного транспорта и НПО “ Судоремонт” освоил выпуск шнековой плавучей установки для добычи сапропеля естественной концентрации и транспортировки его на берег.

Установка “Сапропель” состоит из двух понтонов катамаранного типа.

На одном из них размещен трактор МТЗ-80 или МТЗ-82, выполняющий функции энергетической установки, задний мост которого с помощью домкрата приподнят и установлен на неподвижный фундамент. Вал отбора мощности трактора приводит в действие шнековый насос, расположенный на раме, которая с помощью гидроцилиндра опускается на глубину до 5м.

На втором понтоне, соединенным с первым переходными мостиками, установлен накопительный бункер емкостью 20 м3, в нижней части которого имеется разгрузочное устройство с приводом от гидроцилиндра. После заполнения бункера установка своим ходом подтягивается к берегу. С помощью гидроцилиндра рама поднимается и шнековй насос соединяется с разгрузочным устройством бункера. Затем открывается клапан разгрузочного устройства и шнековый насос перекачивает сапропель на берег.

Технические характеристики установки “Сапропель”

Габаритная длина, м - 21

Габаритная ширина, м - 5.0

Осадка максимальная, м - 0.72

Глубина грунтозабора, м - 5.0

Производительность по сапропелю, м3/час - 50-100

Вместимость накопительного бункера, м3 - 20

Время заполнения бункера, мин - 10

Общая масса установки,кг - 26410

Для разработки месторождений сапропеля может применяться скреперный самоотвозный земснаряд катамаранного типа с наклонным открытым грузовым трюмом. Впервые такой земснаряд был создан финской компанией “Каймаани”. Принцип его работы состоит в том , что перед забором сапропеля грунтовый трюм наклоняют вниз, после чего с помощью телескопического скреперного ножа производят его заполнение. Количество скреперований до полного заполнения трюма зависит от физико- механических свойств забираемого грунта и для сапропеля составит одно- два зачерпывания. Угол наклона грунтового трюма в 30 градусов соответствует максимальной глубине грунтозабора 10 м.

При транспортировке сапропеля трюм устанавливают в горизонтальное положение. Выгрузка осуществляется с помощью того же скрепера в обратной последовательности. Производительность земснаряда “Каймаани” без учета времени транспортировки сапропеля составляет 100-400 м3/час, обслуживают его 3 человека.

По аналогии с земснарядом “Каймаани” НПО “Судоремонт” разработал самоотвозный скреперный земснаряд катамаранного типа с грузовым трюмом вместимостью 100 м3. Земснаряд способен разрабатывать грунты на глубине до 9.2 м при высоте волны до 0.8 м (класс”О”). Корпус земснаряда имеет длину 23.95 м, ширину 14.5 м, его осадка в порожнем состоянии 2.04 м, в грузу - 2.74м. Для обеспечения работы скрепера применен двигатель 17 ЦДГ -2 мощностью 835 кВт, кроме этого предусмотрены два гребных двигателя ПГ2-500 мощностью по 250 кВт. Земснаряд обслуживают два человека, а его производительность составляет 120 м3/час.

Таким образом в настоящее время уже разработано достаточное количество машин того или иного типа основанных на способе гидромеханизации и отличающиеся в основном по производительности и назначению.

Как показывает анализ и производственный опыт, те или иные технологические решения зависят , в основном, от имеющегося в наличии основного добычного оборудования.

Повышение эффективности добычного оборудования может развиваться по двум разным направлениям, которые должны устранить основной недостаток- перекачка пульпы с концентрацией 2-3%.

Первое направление это исследовательская работа и конструирование различных вспомогательных устройств, которые направлены на их привязку к выпускаемым промышленным земснарядам, с целью замены отдельных узлов, работа которых основана на разрыхлении грунта, перемешивании его с водой и всасывании пульпы центробежным насосом, находящимся на земснаряде. В результате этих исследований можно значительно повысить производительность земснарядов и добиться повышения концентрации до 15-20%, что приведет к снижению затрат на добычу сапропеля. Это направление сегодня еще актуально тем, что объемы гидромеханизированных работ настолько снизились, что 70-80% всего парка существующих земснарядов простаивает. А проведя соответствующую модернизацию их можно направить на осуществление сельскохозяйственных программ по коренному повышению плодородия земель.

Вторым перспективным направлением является создание технологий направленных на извлечение сапропеля из залежи с естественной влажностью с полной переработкой его на добычном судне.

1.3 Анализ существующих методов и технических средств добычи сапропеля.

Изучение инженерно - геологических свойств сапропеля показало, что они относятся к группе органно - пылеватых пород слабой степени уплотняемости и литификации. Содержание глинистой фракции (0,005мм) составляет 15-30%, пылеватых частиц (0,005-0,05мм) содержится 55-80%, на долю тонкопесчаных фракций (0,05-0,25 мм) приходится 6-13%. Коэффициент агрегированности у частиц менее 0,005 мм изменяется в пределах 1,2-2,6 ( у органно- минеральных и известковистых сапропелей) до 13,7 (у глинистых сапропелей ), что характерно для пород с конденсационными и пластифицированно-коагуляционными структурными связями. В составе тонкодирспесных фракций преобладают органно- минеральные содержания. В небольшом количестве содержаться глинистые минералы переходных форм от гидрослюд к монтмориллионитам, а также аморфный кремнезем и карбонаты.

Плотность сапропелей в естественном залегании весьма мала. Обьемный вес скелета возрастает с уменьшением органического вещества, но обычно не превышает 0,05-0,25 г/см3. Естественная влажность зависит от содержания органики и степени уплотнения, изменяясь от 100-300 до 1800-3000% и более. Как правило, сапропели обладают высокой пластичностью и весьма слабой водонепроницаемостью ( менее 0,01-0,001 м/сут.), имеют высокую степень водонасыщения и резко выраженную способность к усадке при уменьшении влажности. Величина усадки при высыхании до гидроскопической влажности (3,5-9%) достигает 65-97% начального объема.

Прочность сапропелей с естественной влажностью незначительна (5-10 г/см2), но сильно возрастает при уменьшении влажности в процессе водоотдачи и уплотнения, достигая величины 20-50 г/см2. Сопротивление сдвигу возрастает по мере уменьшения содержания органического вещества и влажности. Сцепление увеличивается от0,002 * 105 Па до 0,008* 105 Па, а угол внутреннего трения от 15-21 до 29 град. Величина сопротивления сдвигу зависит от условий проведения опытов,

Сапропели являются сильносжимаемыми грунтами, уплотняющимися при сжатии. Плотность скелета увеличивается в процессе компрессионных испытаний в 2,9-6.8 раза. Модуль осадки при нагрузке 0.2 Мпа изменяется в зависимости от содержания органики и начальной влажности от 740 до 882 мм/м, а коэффициент компрессии варьирует в пределах 0.5- 1.9 см2/кг.

Морфологические характеристики (размер, форма, cтроение котловины) являются одним из основных экологических факторов, формирующих экосистему озера. Изменение морфометрии и морфологии - первое, что вытекает из разработки озерной залежи сапропеля. В процессе производства работ происходит увеличение глубины воды в озере, в случае уничтожения сплавины - увеличение площади и формирование прибрежного мелководья, перепланировка и обустройство побережья, по мере выработки залежи многократно возрастает объем водной массы. Степень и интенсивность трансформации характеристик зависит от способа, объема и скорости добычи. На примере ряда озер удалось проследить основные закономерности изменения морфометрии и формирования рельефа поверхности залежи на участках добычи сапропеля озерных месторождений.

Общей закономерностью водоемов является их мелководность и простое строение котловин до начала производства работ.

При гидромеханизированном способе добычи участок разработки месторождения имеет форму сегмента с радиусом, определяемым длиной пульповода. Добыча производится при веерном фронтальном и ступеньчатом перемещении понтона в глубь озера. Глубина погружения заборного устройства 6-8 м. Рельеф поверхности залежи на участке производства работ представляет собой чередование изогнутых, сливающихся по краям желобов с глубинами 1.5 - 3.0 м, или ассиметричную

ложбину с пологим склоном, обращенном к берегу, и крутым - к открытой части озера. Максимальные глубины желоба в районе работы земснарядов - до 8.0 м. При селективной добыче сапропеля рельеф поверхности залежи представляет собой бессистемное чередование углублений и воронок, образующий сильнорасчлененный микрорельеф в пределах одной обширной депрессии.

В озерах, разрабатываемых способом грейферной экскавации, рельеф поверхности залежи подводной выработки имеет вид небольшого понижения, с хаотическими расположенными переуглубленными участками или полого - вогнутое понижение ( до 2.0 м ) с незначительной расчлиненностью, носящую эпизодический характер.

Увеличение глубины и объема водной массы приводит к стабилизации газового и температурного режимов. На участках с глубинами 5 - 8 м возникает четко выраженная стратификация. Изменение окислительно -

восстановительных условий вызывает сдвиг геохимического равновесия макро - и микроэлементного состава на границе вода - поверхность залежи.

Изъятие большего объема водоносыщенного осадка увеличивает расходную часть водного баланса водоемов, а увеличение объема водной массы приводит к замедлению скорости водообмена и снижению проточности озер. Трансформация основных звеньев экосистемы находти отклики в развитии биотического сообщества - изменяется видовой состав и уровень развития гидробионтов.

Указанные свойства сапропеля , формы и размеры всасывающих наконечников, скорость перемещения земснаряда в забое определяют процесс породозабора и определяют режим работы землесоса. Простейшим способом разработки сапропелевой залежи является разработка отдельными воронками. В этом случае земснаряд устанавливается неподвижно и постепенным опусканием сосуна разрабатывается воронка, глубина которой определяется мощностью разрабатываемого слоя сапропеля или предельной глубиной по условиям всасывания. По мере углубления воронки сосун опускается и у граней всасывающего наконечника происходит вовлечение частиц сапропеля в устье наконечника, в результате чего ослабляются силы сцепления частиц на поверхности воронки. Наблюдениями замечено , что поступление сапропеля с поверхности воронки к сосуну происходит неравномерно и процесс породозабора является неустойчивым, а консистенция пульпы и производительность колеблются в широких пределах . Исследованиями установлено, что при разработке несвязных пород воронками наиболее рациональной является круглая форма всасывающего наконечника.

При траншейном способе папильонирования земснарядов применяется атакующий всас со щелевидным всасывающим наконечником. Площадь устья всасывания, которых, соответствует скорости всасывания 1,5- 2 м/с. Степень уширения наконечников находится в пределах 2,5-4. В щели всасывания происходит саморегулирование скорости движения воды соответственно физико-механическим свойствам породы и скорость его разработки. Чем меньше размывающая скорость, тем больше щель всасывания. При использовании атакующего всаса образуется траншея борта которой со временем выполаживаются. Д.Л. Меламут считает, что сапропель естественной влажности в выемках неустойчив и откосы его имеют заложение от m=20 и более ,т.е. менее 3 град [27]. Наибольшее распространение при добыче сапропелей получили всасывающие наконечники круглой и эллиптической формы. При этом скорость потока принимается в пределах 1,4-2 м/с . При разработке сапропелей и илистых пород нашли применение гидравлические методы рыхления. в основе которых лежит принцип использования энергии затопленной напорной струи. Простейший гидравлический разрыхлитель- это всасывающий наконечник с насадкой гидромониторного типа. У гидравлического рыхлителя с кольцевым водяным коллектором на коллекторе располагаются насадки под углом 30-40 к плоскости кольца, за счет такого расположения насадок происходит перемещение размытой породы (сапропеля) к всасывающему наконечнику.

Нашли применение при добыче сапропелей эжекторно-гидравлические рыхлители, применяемые для интенсификации грунтозабора и увеличения глубины разработки до 25-30 м. Их устанавливают на всасывающей трубе в виде насадок, это создает в ней дополнительный напор на 3-6 м. что повышает производительность грунтового насоса и производительность земснаряда, исключает квитанцию и срыв вакуума.

При разработке сапрпелевых месторождений большой мощности от10 до 70 м находят применение эрлифтные устройства Применение эрлифтного устройства было произведено на озере Палиастоми и подробно рассмотрено Г.М. Нацвлишвили [33]. Широкое внедрение в производство эрлифтные устройства при добыче сапропелей не нашли ,так как применение этих установок не позволяет вести сплошную выемку и приводит к большой потери полезного ископаемого.

Наиболее перспективным при разработке сапропелевых месторождений большой мощности является использование земснарядов оборудованных

погружными насосами ,которые позволяют резко повысить консистенцию и увеличить глубину разработки, существенно снизить износ проточной части грунтового насоса за счет практически полного исключения кавитационных явлений и повышения консистенции. Применение погружных грунтовых насосов не нарушает окружающую среду. Значительное увеличение глубины разработки позволяет более полно отрабатывать спропелевое месторождение , эффективный грунтозабор способствует меньшему замутнению водоема по сравнению с обычными способами разработки сапропелей. Применение погружных машин является значительным шагом вперед при разработке сапропелевых месторождений. Впервые такая конструкция была создана на ОПП треста гидромеханизация бывшего Минэнерго СССР и внедрена при добыче органических сапропелей на озере Круглое Лотошинского района Московской области. При этом была достигнута глубина разработки до 20м. Одной из самых удачных работ, с точки зрения автора, для разработки сапропелей с глубин до 10м было создание и внедрение земснаряда ЗЭК 700/40 с погружным землесосом. В основе создания этого земснаряда лежит опыт по добыче сапропелей накопленный трестом “Энергогидромеханизация”.

Все перечисленные технологические схемы выемки обладают одним общим недостатком. Они не в состоянии обеспечить разработку сапропеля естественной влажности. Поэтому его предварительно размывают создавая пульпу- смесь сапропеля с естественной влажностью 95-98% и воды - подавая затем эту смесь на обезвоживание, что приводит к нерациональному перекачиванию огромных объемов воды и требует отчуждения значительных площадей. Только разработка и подача на обезвоживание неразжиженного сапропеля обеспечивает резкое снижение общих обьемов работ. Решение этой задачи может быть осуществлено при применении насосов ПНГН и ПН [ 8 ], пригодных для разработки текучих илов, а также применение эксцентричных насосов фирмы /ALLWEILEP/ (GERMAHY). Для горизонтальной и вертикальной установки, самовсасывающие, в короткой форме исполнения. Электродвигатель ,редукторный двигатель или регулируемая передача прифланцованы непосредственно к насосу.

Сегодня они находят применение в технике очистки сточных вод, химической и нефтеперерабатывающей промышленности ,пищевой, бумажной, строительной, и керамической промышленности, а также в судостроении и в горном деле.

Разумное сочетание или раздельное применение этих насосов

применительно к различным технологическим схемам может обеспечить достаточный экономический эффект при выполнении основных требований экологии.

При определенных условиях применение этих насосов в сочетании с разными технологическими схемами может иметь определенные преимущества перед традиционными:

1) стационарность добычных установок в процессе работы;

2) возможность отработки значительных обьемов донных отложений с одной точки стояния;

3) возможность проведения добычных работ круглогодично;

4) простота конструкции, легкость эксплуатации, мобильность;

5) снижение площади карт- отстойников;

6) выполнение значительной части требований экологии.

1.4 Анализ технологий намыва и обезвоживания сапропелей.

Проводя анализ существующих технологий намыва и обезвоживания сапропелей их можно условно разделить на три типа:

- намыв сапропеля и доведение его до требуемой кондиции на берегу в специальных сооружениях - отстойниках;

- намыв сапропеля на малопродуктивные почвы с целью коренного повышения плодородия почв большими дозамина на поля со спокойным рельефом с уклоном до 0, 002 ;

- намыв с целью кольмотации болот и орошения прибрежных лугов.

Для выполнения того или иного вида работ целесообразно использовать “Рекомендации по промышленной технологии добычи сапропелей из открытых водоемов для удобрений” [46]. На практике необходимо в каждом конкретном случае разрабатывать проект производства работ. Рассмотрим подробно указанные способы намыва и обезвоживания сапропелей.

Для складирования сапропеля и доведения его до требуемой кондиции на берегу устраиваются специальные сооружения - отстойники. Отстойники представляют собой участок земли, оборудованный дренажной системой и хорошо спланированный. Со всех сторон отстойники ограждаются дамбами. Форма отстойника, как правило, выбирается прямоугольной. Количество отстойников определяется масштабом добычи с учетом коэффициента их оборота 0,5. Высота дамб обвалования выбирается в зависимости от толщины намываемого слоя. При расчетной толщине слоя намыва за сезон 1м высота дамбы должна быть 1,5м, ширина по верху 2-5м, заложение откосов принимается 1,0-2,5. Располагаются отстойники на участках с хорошо фильтрующим основанием. Размеры отстойников выбираются в зависимости от производительности установки с принятой технологической схемой уборки, а так же седиментационных свойств пульпы. Как показала практика, при использовании земснарядов типа 8-ПЗУ, ЗРС-2 целесообразны размеры отстойника 200 на 500м. Пульпа выпускается в отстойники при сосредоточенном намыве с помощью специальных отводов, монтируемых к магистральному пульповоду. Для сброса осветленной воды в противоположном по отношению к выпуску пульпы торце устраиваются водосливы. Применение шандорных водосливов предпочтительнее, т. к. они обеспечивают спокойный слив и позволяют лучше управлять сбросом воды.

Намытый в отстойники сапропель содержит большое количество воды. Абсолютная его влажность сразу после сброса воды из отстойника ( в зависимости от вида сапропеля) составляет 1000-3000%, т.е. на 1кг сухого вещества приходится 10-30 кг воды.

Процесс обезвоживания происходит , во-первых, за счет фильтрации воды через дно и стенки отстойника и, во-вторых, за счет испарения. Длительность этого процесса зависит от толщины одновременно намываемого слоя, продолжительности периода отстоя между заливами пульпы, влагоемкости и фильтрующей особенности подстилающего грунта, от метеорологических условий от вида сапропелей и т.д. При исследовании влияния различных факторов на обезвоживание сапропеля было установлено, что уменьшение влажности за счет испарения на первом этапе много меньше, чем за счет фильтрации, причем уменьшение влажности во времени за счет испарения имеет вид прямой зависимости. По прошествии 3-5 дней происходит кольматация подстилающего грунта , в результате чего скорость обезвоживания за счет фильтрации уменьшается, затем сравнивается со скоростью обезвоживания за счет испарения, а потом становится меньше ее. Применение гончарного дренажа , уложенного в основании отстойника, показало, что хотя его использование в небольшой степени и интенсифицирует процесс обезвоживания, применение его не рентабельно.

Намыв сапропеля в отстойники осуществляется послойно. После семи дней осветленная вода сбрасывается и намывается следующий слой, и так до общей толщины слоя около 1,2м. При многослойном намыве сапропеля, вследствие уплотнения ранее намытого слоя, происходит уменьшение их водоотдачи. При этом ранее намытый слой поглощает влагу. По этой технологии продолжительность цикла производства сапропелевых удобрений 50% влажности составляет 2-3 года.

Существуют способы, позволяющие уменьшить время сушки. Намыв в отстойник в этом случае осуществляется одним слоем до уровня пульпы в отстойнике 1,5м. По мере сгущения сапропеля в отстойнике, осветленная вода сбрасывается через водовыпуски. Через четверо суток влажность пласта не превышает 93%, толщина пласта 0,63м, а высота слоя удаленной влаги составляет 0,87м. Дальнейшее обезвоживание происходит за счет фильтрации влаги в грунт и испарения с поверхности. Влажность пласта 88% достигается за 9-10 суток, толщина слоя составляет 0,36м. При последующем снижении влажности до 82% скорость фильтрации в грунт практически падает до нуля, а влажность верхнего слоя достигает 68%. Вследствие разности влажности между верхним и нижним слоем возникает корка, замедляющая миграцию влаги к поверхности. Для поддержания скорости испарения проводят операцию рыхления с формированием валков из крошки верхнего слоя. Крошка не подпитывается влагой , пласта в течении 3-4 суток естественной сушкой доводится до влажности 60% и убирается в штабеля. Обезвоживание пласта от 82 до 60% влажности происходит только за счет испарения влаги с поверхности пласта. Время обезвоживания пласта до влажности 60%-двадцать суток при толщине слоя 0,7м. Общее время производства сапропелевых удобрений (при условии сухой погоды) составляет 40 суток.

Применение послойного намыва в отстойники показало, что оптимальным является слой 20-30 см с 5-7 дневной выдержкой между очередными намывали. Как следствие этого отстойники строят в количестве 6-8 штук. Послойный намыв сапропеля проводят в каждый отстойник, начиная с первого. После намыва 20-ти сантиметрового слоя цикл повторяется через 5-7 дней.

Послойный способ намыва для интенсификации обезвоживания имеет место только при использовании сапропеля в год намыва, если к концу технологического цикла будет достигнута желанная 60% влажность.

Получение сапрпеля 60% влажности возможно при применении послойного намыва в случае заполнении отстойника в начале лета. В случае, если намыв производится в середине или конце сезона, послойность намыва не целесообразна. Во время зимнего промораживания происходит перераспределение влажности по высоте отстойника, и после сушки в следующий после намыва год желаемая влажность 60% получается только в промороженном слое. Поэтому толщину намываемого слоя следует выбирать в зависимости от глубины промерзания сапропелей. значение которой для различных регионов различно. Толщина намываемого слоя зависит от усадки сапропеля и определяется по формуле:

H= K х h(пр),м (1.1)

где Н - толщина намываемого слоя,

K - коэффициент усадки,

h(пр) - глубина промерзания сапропеля.

С целью уменьшения площадей под отстойники возможен намыв двойного слоя с условием снятия через год только промороженного слоя способами, применяемыми при уборке гидроторфа.

При непосредственном намыве сапропеля на малопродуктивные почвы, сапрпопели, намываемые в виде пульпы, оказывают влияние не только на пахотный слой , но и подпахотный слой почвы, улучшая их пищевой режим. Так сапропели, внесенные в количестве 800- 1300 т/га, значительно изменяют механический состав почвы, обогащая ее мелкодисперсными частицами. С повышением коллоидной фракции повышается структурообразующая способность почвы, количество водопрочных агрегатов (более 0,25) в пахотном слое возрастает в несколько раз, что снижает ее плотность , увеличивает пористость и влагоемкость.

Из указанного следует, что при намыве сапропеля на поля определяющим фактором является механический состав почвы, доза вносимого сапропеля т/га, и способ удержания сапропеля на поверхности почвы.

При намыве сапропеля на поля намыв необходимо производить перпендикулярно уклону поля на серию предварительно нарезанных борозд, которые чередуются с участками глубоко взрыхленного грунта и имеющими повышенную пористость и фильтрационную способность. Грунт перед намывом предварительно увлажнен и уплотнен. Сгущение сапропелевой пульпы осуществляется через соломенные фильтры, установленные в боковых оградительных валиках и выполняющих роль водосливов. Количество фильтров увеличивается по мере удаления от верхней части чека до места сброса осветленной воды. Интенсификация отложения сапропеля происходит за счет создания перегрузки потока пульпы путем ее обезвоживания и равномерного распределения мелкодисперсных частиц сапропеля по чеку. Способ позволяет сократить

унос сапропеля со сбросной водой на 15-20% и дает возможность уменьшить время намыва сапропеля на площадь на 20% за счет сокращения его непроизводительных потерь.

Размер участков намыва определяют в зависимости от подаваемого земснарядом расхода пульпы, уклона и типа грунта. Ширину участка намыва определяют по формуле

B =------ , м ( 1.2 )

где Q- расход пульпы, подаваемой земснарядом, л/с;

q - удельный расход пульпы по длине борозды при переливе через валики, л/с/м.

Значение величины удельного расхода пульпы выбирается из условия неразмываемости почвы и равномерного намыва сапропеля на площади и составляют q=1,2 -1,6 л/с/м.

Длину участка намыва выбирают в зависимости от уклона и волнистости рельефа. Она не должна превышать 400-600 м при уклонах - 0,005- 0,01; 300-400 м при уклонах 0,01-0,02; 200-300м при уклонах более 0,02.

Рекомендации по намыву сапропеля на поля с целью коренного улучшения малопродуктивных земель одобрены секцией технологии и организации строительства Ученого Совета ВНИИГиМ ( протокол N8 от 18.04.1979г.) Председатель секции академик ВАСХНИЛ Л,Г, Балаев.

Большой практический интерес представляет предложение А.К.Короткова по коренному повышению плодородию земель за счет внесения больших доз сапропеля гидромеханизированным способом. Эта технология решением Научного Совета АН СССР по проблемам почвоведения и мелиорации почв и Всесоюзного общества почвоведов от 30 марта 1982г. рекомендована для широкого испытания и внедрения в производство как метода коренного повышения плодородия подзолистых почв в районах сапропелевых месторождений , в целях рекультиваций сапропелем малоплодородных земель. Технология по А,П, Короткову представляет собой комплекс с ячеистой проточно- аккумулирующей компенсационной системой.

На поле предварительно возводятся земляные направляющие валики. Они делят весь участок на сообщающиеся между собой проточные ячейки, в которые и откладывается сапропель. Ячейки располагаются одна за другой, образуя как бы каскад. Они чередуются в соответствии с рельефом, крутизной уклона, с учетом расхода пульпы. Система ячеек способствует погашению скорости пульпы дает возможность ей осветляться, выложить на дно ячеек сапропель. Осветленная вода отводится в отстойники и потом возвращается .

Под руководством Д.М. Багаудинова и А.Б. Кахиашвилли ВНИИПИ гидротрубопроводом разработана намывная машина МН-150, предназначенная для отработки технологических режимов внесения сапропелевых на поля при пересеченной местности.

Во время экспериментальных исследований определялись оптимальные скорости рабочего перемещения машины при намыве, обьемы пульпы, подаваемой через выпускные отверстия для нанесения ровного слоя сапропеля по всему фронту намыва, давления в различных сечениях намывной машины для обеспечения плавного истечения пульпы при влажности 95-90%.

Практического применения этот способ не нашел.

Высокое положение горизонтов воды в некоторых озерах зачастую делают невозможным осушение заболоченных луговых угодий, болот, расположенных по периметру озера. В этих случаях дозу сапропелей рассчитывают на нейтрализацию полной гидрологической кислотности по формуле

Др = 5 х Г х Н х А, т/га, ( 1.3 )

где Г - гидрологическая кислотность, мг- экв. на 100 г почвы;

Н- мощность слоя, м;

А- объемная масса почвы, г/см3;

Мощность намываемого слоя в этих случаях колеблется от 5 до 30 см. Залив таким слоем пойменных болот приводит к смене болотной растительности на злако- почвенную. Удобрительное орошение сапропелем естественных закочкаренных с болотным травостоем луговых угодий без предварительной их подготовки дает значительный эффект за счет смены луговой растительности.

1.5 Цель, задачи и методы исследований.

Как уже было сказано, основной целью данной работы является исследование производственных процессов при разработке землесосными снарядами обводненных сапропелевых месторождений с использованием нового грунтозаборного устройства а также разработка технологии с ипользованием добычного устройства модульного типаб обеспечивающего добычу сапропеля естественной влажности

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. На основе анализа горногеологических условий залегания озерных сапропелей, опытных данных, проведенных и имеющихся научных исследований, разработать новую конструкцию грунтозабора, позволяющего значительно повысить производительность землесосного снаряда и обеспечить охрану водного бассейна разрабатываемого месторождения.

2. Установить взаимосвязь параметров грунтозаборного устройства с технологическими параметрами забоя разрабатываемого уступа.

3. Установить взаимоувязку процессов выемки, укладки и обезвоживания сапропеля на базе новых технологических решений, обеспечивающих выполнение требований экологии по охране окружающей среды, повышение производительности труда и урожайности сельскохозяйственных угодий.

Для решения поставленных задач в работе использованы следующие направления научных исследований:

-теоретические исследования, базирующиеся на положениях гидромеханизированной разработки обводненных месторождений сапропеля;

- анализ проектных проработок рекомендуемых решений;

- использование производственных результатов, полученных на целом ряде объектов по добыче сапропеля;

-изучение физико - механических свойств и качеств сапропеля ряда озер Российской Федерации.

Объектами исследования являются технологии и механизация гидромеханизированных работ на обводненных сапропелевых месторождениях. Научные задачи решены применительно к сапропелевым месторождениям Ленинградского, Московского, Волго - Вятского и др. экономических районов

При исследовании автор руководствовался методиками и теоретическими основами, созданными учеными: А.М. Гальпериным, В.Б. Добрецовым, М.З. Лопотко, Д.Л.Меламутом, Г.А. Нурком, С.П.Огородниковым, Ф.А.Пунтусом, А.И.Хариным, И.М. Ялтанцом и др.

Выводы.

Выполненный краткий анализ существующей практики и литературных источников применения средств гидромеханизации при разработке озерных сапропелей позволяет сделать следующие выводы:

1. В природе сапропель встречается в виде коллоидного раствора 98% влажности. Запасы по РФ оцениваются в 112 млрд. м3 с учетом сапропелей полуозер (под торфом). Общий предполагаемый запас определяется в 250 млрд. м3.

2.Объем использования озерных илов значительно меньше их ежегодного прироста в естественных и искусственных водоемах. В следствии этого в ряде районов страны происходит быстрое сокращение площади водной поверхности, ухудшается качество вод открытых водоемов, затрудняются условия водоснабжения.

3. В естественном состоянии сапропель образует в воде дисперсные структуры коагуляционнго типа. Осносными дисперсными частицами дисперсий сапропелей являются рыхлые агрегаты, состоящие из сложных комплексов органических и минеральных веществ, а также органоминеральных образований. Развитие пространственных надмолекулярных структур в дисперсиях сапропеля начинается с концентраций С=1% и проявляются при с=1,4- 1,5% когда отдельные молекулярные образования агрегируют не за счет единичных связей и межмолекулярных сил, а в результате кооперативного воздействия через водородные связи. По мере роста концентрации твердой фазы начинается образование пространственного каркаса, которое завершается при достижении критической концентрации структурообразования. По величине критической концентрации сапропели значительно различаются, поэтому сравнивать их геологические свойства необходимо при одинаковых значениях критических концентраций структурообразования. В реальных условиях концентрация сапропелевой пульпы может меняться в широких пределах, поэтому важно знать, как будет изменяться прочность структурных водных дисперсий при колебаниях концентрации твердой фазы сапропелей. На процесс структурообразования дисперсий сапропелей влияет изменение содержания в сапропеле органического вещества (ОВ) концентрации твердой фазы. ПО мере увеличения концентрации твердой фазы растет прочность структуры дисперсий сапропелей в водных дисперсиях.

4. Из огромного разнообразия физико- химических свойств сапропелей практический интерес представляют скорость водоотдачи; реакция на промораживание; пределы колебаний содержания того или иного химического элемента; виды соединений; содержание биологически активных веществ ( стимуляторы роста, гормоны, антибиотики, каротин, провитамин А), а также изменение вязкости сапропелевой пульпы и содержание органического вещества.

5. Возможная область применения сапропелей на сегодняшний день в народном хозяйстве очень разнообразна. Из сапропелей различных типов могут быть получены: жидкое топливо, ценные кормовые добавки, парафин, кокс, уксусная кислота, метиловый спирт, различные масла, воск, изоляционные материалы т. д. В строительстве он может быть использован в качестве наполнителя и связующего вещества при производстве древесно - стружечных плит, дренажных труб, в нефтедобывающей промышленности в качестве буровых растворов и т. д.

6. Наиболее перспективным представляется использование сапропеля в сельскохозяйственной практике. Высокая ценность сапропеля как комплексного удобрения определяется содержанием биологически активных компонентов. Все это позволяет по новому подойти к оценке сапропелей как исходного сырья для многих уже определившихся направлений использования и вместе с тем обуславливает расширение области их применения.

7. Для более эффективной разработки сапропелевых месторождений гидромеханизированным способом необходима модернизация существующего технологического оборудования, в частности земснарядов. Модернизация должна быть направлена на увеличение концентрации пульпы за счет совершенствования грунтозаборного устройства. Увеличение концентрации пульпы только на 0,5% повышает производительность по залежи на 6 - 10%, а производительность земснаряда при увеличении концентрации по условиям гидротранспорта практически не ограничена.

8. Вторым направлением повышения эффективности разработки сапропелевых месторождений, является разработка технологии с применением добычного устройства модульного типа обеспечивающего весь технологический комплекс от добычи до расфасовки полезного ископаемого, что позволит повысить эффективность применения земснарядов при добычи сапропелей.

2. Исследование и обоснование параметров грунтозаборного устройства земснаряда при выемке сапропелей (илистых грунтов).

2.1. Требования предъявляемые к грунтозаборному устройству с позиции природоохранных мероприятий водных ресурсов.

Гидромеханизированный способ производства работ по сравнению с другими способами добычи сапропелей является более экономичным и

эффективным в отношении охраны окружающей среды и с позиции

природоохранных мероприятий водных ресурсов. Разработка обводненных месторождений сапропеля улучшает состояние озер и водоемов от загрязнений и наносов. Способствует восстановлению их естественного состояния. Образование пойменных наливных территорий позволяет коренным образом улучшать плодородие почв и осваивать непригодные почвы.

Основными мероприятиями по охране недр и водных ресурсов являются: снижение потерь грунта в недрах из-за недобора или просора и более полная выемка грунтов по глубине за счет улучшения грунтозабора, путем применения специальных грунтозаборных устройств, применение которых должно, в первую очередь, обеспечить выполнение Правил предохранения водных объектов от загрязнений. Должны строго соблюдаться требования по предельно допустимым концентрациям вредных веществ и сбросов загрязняющих веществ в водные объекты. При разработке обводненных объектов сапропеля, состав и свойства водных объектов должны соответствовать нормативам качества воды, указанным в Правилах для хозяйственно-питьевого, культурно-бытового, а также рыбохозяйственного водопользования.

Выемка пород земснарядами должна осуществляться с учетом требований, обеспечивающих жизнедеятельность биологических ресурсов.

Для соответствия вышеперечисленным требованиям при разработке обводненых месторождений сапропелей земснаряд должен быть оборудован грунтозаборным устройством, которое:

- не должно создавать повышенную мутность;

- позволяло бы проводить отработку уступов без обрушения откосов, т.е. послойно сверху вниз;

- минимальная мощность слоя, располагаемого ниже уровня минимально доступной глубины выемки должна быть 0,5-1 м.;

- иметь систему регулирования и управления, что позволит обеспечить надежную работу гидромеханизированного комплекса. При этом должна быть обеспечена работа всего оборудования в оптимальных режимах, что приведет к снижению энергоемкости, увеличению срока службы оборудования, повышению качества выполняемых работ, уменьшению затрат на разработку 1м3 пород и повышению культуры производства.

- будет иметь стабильную мощность на валу привода при вариации мощности снимаемого слоя и усилий резания, которое достигалось бы в результате стабилизации усилия на перемещение рыхлителя;

- вместе с конструкцией рамы соответствует допустимой нагрузке на раму земснаряда при обрушении уступа;

- позволит разрабатывать забой слоями без обрушения в пределах длины рамы;

- будет представлять из себя шнековый рыхлитель с принудительной подачей сапропеля во всасывающее отверстие. Оптимальные размеры форма и конструкция элементов шнекового рыхлителя должны обеспечивать минимальные затраты энергии на разработку с учетом гидравлических и инерционных сопротивлений перемещению рыхлителя и гидросмеси.

Так как процессы грунтозабора характеризуются многократностью и обладают большим транспортным запаздыванием и возмушающие воздействия имеют, как правило, случайный характер, а статические и динамические характеристики объектов, входящих в гидромеханизированный комплекс изучены не достаточно, необходимо постоянное получение обьективной информации о режимах его работы. Состояние отдельных узлов и механизмов должны обеспечивать надежную работу, исключать аварийность, обеспечить устойчивость вспомогательных операций.

При этом параметры, характеризующие технологический процесс, должны соответствовать установленным критериям (основными параметрами процессов гидромеханизации являются вакуум и давление, развиваемые землесосом, расход пульпы, консистенция пульпы, производительность по твердой фазе, мощность потребляемая двигателем).

Устройство должно соответствовать требованиям защиты оборудования от агрессивного воздействия пульпы, абразивного износа, температуры, вибростойкости, постоянства выходных параметров при изменении напряжения питающей сети и отключения частоты питания из-за непостоянной нагрузки сети.

Грунтозаборное устройство должно обладать целевой функцией - обеспечение стабильной производительности земснаряда по максимальному его значению. Для этого должна быть достигнута стабилизация мощности на валу привода шнекового рыхлителя, которая пропорциональна усилию резания и окружной скорости шнека.

2.2Конструктивные особенности исследуемого грунтозаборного устройства.

Грунтозаборные устройства землесосных снарядов принципиально отличаются от подобных устройств всех прочих сухопутных землеройных

машин прежде всего тем , что их задача состоит не только в отделении грунта от массива в забое и передачи его каким-либо органам или механизмам для перемещения, а также и в пульпообразовании . т.е. смешивании отделенного грунта с водой. Интенсивность, с которой грунтозаборное устройство может отделять грунт от массива в забое, а также пропорция, в которой смешивается этот грунт с водой определяют эффективность работы земснаряда в целом.

Таким образом, грунтозаборному устройству в данном случае присуща весьма важная функция питания землесосного снаряда разрабатываемым грунтом в процессе пульпообразования.

Существует большое разнообразие конструктивных решений грунтозаборных устройств землесосных снарядов, которые можно разделить на два основных вида:

1. Грунтозаборные устройства, при работе которых отделение грунта от массива в забое происходит только вследствие того, что в близи входного отверстия всасывающей трубы образуется некоторые достаточные скорости течения воды (непосредственное всасывание);

2.Грунтозаборные устройства, в которых для интенсификации грунтозабора применяются какие-либо специальные устройства.

Б. М. Шкундин предлагает следующую классификацию грунтозаборных устройств ( Рис. 2.1. ) [ 59].

Как видно из рисунка, устройства непосредственного всасывания различаются только по форме входного отверстия . Устройства с интенсификацией грунтозабора делятся на две большие группы: механические, т.е. такие , в которых рыхление забоя и интенсификация забора грунта достигается в результате принудительных перемещений того или режущего органа, и гидравлические, в которых рыхление и эффект интенсификации достигается воздействием на грунт воды, подводимой под соответствующим напором.

Разработанное грунтозаборное устройство, согласно классификации Б,М, Шкундина можно сформулировать следующим образом: грунтозаборное устройство землесосного снаряда с механическим устройством для интенсификации грунтозабора вращающегося типа, шнековое.

Грунтозаборное устройство предназначено для разработки илистых грунтов. Потребителем этого устройства является Государственный специализированный строительный трест “ Энергогидромеханизация”. Устройство запатентовано Комитетом Российской Федерации по патентованную и товарным знакам. Патент N 2001999, зарегистрированный В Государственном реестре изобретений 30 октября 1993 года.

Грунтозаборное устройство предназначено для модернизации земснаряда ЛС-27. Данный земснаряд изготавливается на Потийском Машиностроительном заводе Гидромеханизации и имеет следующие технические данные;

Производительность по грунту 1 категории,м3/час - 250

Толщина разработки за один проход ,м - 0,9

Глубина разработки фрезерным рыхлителем , м - 8.0

Двигатель - дизель (тип ) - 3Д12А

Мощность двигателя ,квт.,(л.с. ) - 220 ( 300 ) Грунтовой насос (тип ) - Гру 1600/25

Рис. 2.1 Классификация грунтозаборных устройств

Высота борта понтона, м - 1.25

Высота габаритная (по стреле), м - 4.85

Осадка земснаряда , м - 0.66

Длина плавучего пульповода , м - 120

Масса земснаряда , т. - 65

Масса земснаряда с плавучим пульповодом ,т - 95

Расход топлива, г/э.л.с.ч. - 342

Способ рабочих перещений - свайно - тросовый Количество обслуживающего персонала - 3

Предлагаемое грунтозаборное устройство относится к устройствам для подводной разработке грунтов и предназначено для добычи илистых грунтов (например сапропелей ) со дна водоемов.

До разработки предлагаемого грунтозаборного устройства было известно грунтозаборное устройство, содержащее размещенную на раме всасывающую трубу с наконечником, снабженным дисковым рыхлителем.

В этой конструкции наличие дисковых рыхлителей, расположенных на патрубке с наклоном к его оси, позволяет перемещать разрыхленный грунт в сторону всасывающего наконечника. При этом расположение патрубка перпендикулярно оси всасывающей трубы расширяет зону разработки грунта.Однако выполнение патрубка со всасывающими окнами для забора грунта может приводить к забиванию патрубка вязкими или твердыми грунтами, камнями и т.д., что потребует затрат времени на его чистку. Кроме того, расположение рыхлителя под углом к оси патрубка позволяет перемещать грунт к оси трубы, однако ухудшает рыхлящие свойства рыхлителей ( фрез ), которые не могут одновременно хорошо выполнять две функции - рыхления и перемещения грунта.

Известно также грунтозаборное устройство, содержащее установленную на раме земснаряда всасывающую трубу с наконечником, в кожухе которого на оси параллельно установлены дисковые ножи рыхлители.

Известное устройство позволяет забирать грунт без разбавления его водой за счет защемления его между ножами рыхлителями и подачи к заборному патрубку. К недостаткам известного устройства можно отнести невысокую производительность, обусловленную , с одной стороны, небольшой зоной разработки грунта за один проход ввиду отсутствия уширителей и параллельно расположенных ножей , а с другой стороны - малой скоростью вращения ротора с ножами во избежание выбрасывания грунта, защемленного между ножами.

Цель создания предлагаемого грунтозаборного устройства - повышение производительности земснаряда ЛС -27 .

Разработанное грунтозаборное устройство имеет следующую техническую характеристику:

1. Тип рыхлителя - шнековый или шнеково - дисковый

2. Произодительность по сапропелю, м3/час - 600-1200

3.Привод рыхлителя:

электродвигатель постоянного тока - 2ПФ 225МГ УЧ

мощность, кВт - 15

частота вращения, об / мин - 750-1500

4. Шнек:

диаметр , мм - 500

шаг, мм - 400

радиальный зазор между шнеком и желобом , мм - 10

Рис..2.2 Грунтозаборное устройство земснаряда для разработки

илистых грунтов; 1- корпус земснаряда; 2- гибкое соединение;

3- всасывающий наконечник; 4- кожух; 5- приводной вал;

6- дисковые ножи рыхлители; 7,8-шнековые уширители;

9- экран-отражатель; 10 - лопасть; 11 - лопатка; h-высота

входной щели; в-ширина всаса; а-ширина отражателя; Д-

диаметр ножей; В-общая ширина грунтозаборного устройства.

длина , мм - 1380х2 - правый

- 1380х2 - левый

5. Клиноременная передача:

передаточное число = =3.15

ремень -В - 2500 ГОСТ 1284. 01-80

количество ремней, шт. - 5

6. Цепные передачи :

приводная цепь ПРЛ- 44,45 -1300 ГОСТ 13568- 75

передаточное число = 1,692

7. Общее передаточное число привода

= х = 3,15х1,692х1,692=9.0

8. Частота вращения шнека, об/мин - 80 - 160

9. Сечение всасывающего отверстия , нетто ( у шнека )

НхВ, мм - 175 х 1880

10. Площадь всаса, м2 - 0.329

11. Грунтовый насос - 12 ГрУЛ - 12

- номинальная подача при напоре 28 м. вод. ст. , м3/час - 1320

- проходное сечение, мм - 150

12. Скорость всасывания в устье всаса ( у шнека ), м/сек - 1,1

13. Диаметр всасывающего пульповода ( гибкого рукава ), мм - 400

14. Скорость гидротранспорта в трубопроводе Ду = 400мм, м/сек - 2.8

15. Закон изменения скорости во всасывающем пульповоде

от устья всаса до сечения 400 х 400 мм - линейный

16. Осадка в транспортном положении, средняя, м - 0,6

17. Глубина разработки , м

максимальная - 5.5

минимальная - 1.0

Модернизация земснаряда типа ЛС-27 предусматривает замену штатного фрезерного рыхлителя, неэффективного при разработке сапропелей, на шнековый.

Повышение производительности земснаряда на разработке сапропелей предполагается обеспечить за счет резкого увеличения зоны контакта всаса с забоем. С этой целью всас выполнен шелевидным с размерами 175 х 1880. Высота всаса (H = 175 мм ) принята из условия некоторого превышения проходного сечения грунтового насоса ( 150 мм ) для уменьшения вероятности забивки всаса. Ширина всаса ( В= 1880мм ) определялась из условия допустимой без ущерба для эффективности грунтозабора скорости всасывания Uвс.= 1,1 м/с .

С учетом закрытой кожухом средней части всаса ( l= 320 мм ) его фактическая длина ( брутто ) составляет 2200 мм.

Дальнейшее увеличение зоны контакта грунтозаборного устройства с забоем обеспечивается введением шнековых рабочих органов, уширяющих полосу разработки до 6,0 м.

Шнеки выполняют в данном устройстве две функции:

-являются органами механического воздействия на забой, с целью разрушения его связанности;

-являются одновременно системой транспорта разрабатываемого материала ко всасу.

Шнеки выполнены из смежных секций правого и левого вращения длиной по 1380 мм. Лопасти шнеков изготовлены из листа S =4 мм. Соединение шнеков с приводным валом существенно с помощью закладных с торца накладок ( сегментов ) , привариваемых при монтаже через окна ( пазы ) во втулке шнека к последнему;

Сами заказанные закладные сегменты упираются в аналогичные сегменты заранее приваренные к трубчатому ведущему валу. Таким образом, обеспечивается передача крутящего момента шнеку, ( т.е. соединением типа шпоночного или кулачкового ).

Каждый из шнеков ( правый и левый ) представляют собой двухопорный вал длиной 2876 мм, установленный на подшипниках скольжения с естественной водяной смазкой и выполненных поэтому из текстолитовых ( или капролоновых ) втулок внутренним диаметром 70 мм и рабочей длиной 50 мм. Неразъемные корпуса подшипников крепятся к головной части рамы каждый двумя болтами М20 х 80.

Привод рыхлителя осуществляется от двигателя постоянного тока 2ПФ 225 МГЧУ мощностью 15 кВт и частотой вращения в пределах 750 -1500 об/мин, что позволяет экспериментальным путем определить оптимальную частоту вращения шнеко - дискового вала.

Передача вращения на шнековый вал осуществляется через клиноременную передачу и через две цепные передачи с общим передаточным числом I = 9, что обеспечивает частоту вращения шнека от 80 до 160 об / мин. Кинематическая схема грунтозаборного устройства показана на Рис. 2.3.

Тихоходная цепная передача выполнена из двух параллельно идущих цепей ; каждая к своему шнековому валу, несущему свою ведомую звездочку.

На раме грунтозаборного устройства жестко закреплен блок из трех

звездочек , включающий в себя ведомую звездочку быстроходной цепи передачи и две ведущих звездочки цепей, идущих непосредственно к рабочему органу.

Все три цепные передачи имеют независимые системы натяжки, а также по две поддерживающие звездочки ( с числом зубьев Z= 9 ), и, кроме того, регулируемую по высоте в пределах 96........140 мм скользящую опору для тяговой ветви цепи, изготовленную из текстолита, и выполняющую функцию успокоителя цепи. Указанная скользящая опора и поддерживающие звездочки выполнены с возможностью из самоустановки по цепи в поперечном направлении в пределах от 0 до 8 мм.

Конструкции устройства для натяжки первой и второй ступенеи цепной передачи различны.

Первая ( быстроходная ) ступень цепной передачи натягивается в продольном относительно цепи направлении натяжным винтом М36, при вращении которого станина вместе с электродвигателем, клиноременной передачей и ведущей звездочкой смещается относительно фундаментной рамы.

Максимальный ход натяжного устройства - 280 мм, что облегчает монтаж и замену цепи в эксплуатации.

Натяжка цепей второй ( тихоходной ) ступени передачи выполнена ведением между поддерживающих звездочек натяжных устройств

Рис.2.3 Кинематическая схема грунтозаборного устройства; 1- электродвигатель; 2 - клиноременная передача; 3 - цепная передача; 4 - приводной вал; 5- шнек.

устройств, представляющих собой ,по существу, винтовой домкрат с винтом М36 и ходом 150 мм .

С целью облегчения монтажа и замены тихоходных цепей на опорах цепи двухсторонних предусмотренны цилиндрические стопоры с цапфами Ф25 на концах. Указанные стопоры при снятии и установке цепи смещают к соответствующей звездочке и вводят их между ее зубьями. Фиксацию каждого стопора в рабочем и нерабочем положении производят с помощью болта М 12 х65, который контролируется контргайкой М12.

Натяжка ремней клиноременной передачи осуществляется двумя винтами М24 натяжного устройства с ходом 200 мм с предварительным ослаблением и последующей затяжкой 4 - х болтов М16х80. крепления элекродвигателя к станине.

Ведомый шкиф с ведущей звездочкой жестко закреплены на валу, который установлен на двух радиальных двухрядных сферических шарикоподшипниках 1218.

Шнеки и их привод смонтированы на раме грунтозаборного устройства. Указанная рама с целью обеспечения транспортабельности по габаритам, выполнена мз двух секций соединенных между собой на 24 - х болтах М24х75 двух штифах Ф20 на прямоугольных фланцах 370х1720 мм с плоской резиновой прокладкой толщиной 5 мм, между ними.

Передняя секция рамы, т.е. ее головная часть имеет в своей основе жолоб для шнека, выполненный из полутрубы Д530х5 длиной 6 м.

В средней части указанный жолоб имеет вырез под всас 175х2200 мм.

Остальные элементы рамы, включающие всасывающую трубу, нож и фундаменты под механизмы привода шнека сварены в один транспортабельный блок.

К раме грунтозаборного устройства снизу на четырех пальцах Д20 мм крепится постоянно находящаяся в воде дополнительная плавучесть , выполненная в виде призматического понтона размерами в плане 1,3 х 4,0 м. Понтон для надежности заполнен пенопластом. При расчетном коэффициенте заполнения К = 0,8 ( фактическое заполнение более полное)

дополнительная выталкивающая сила, создаваемая понтоном, за вычетом его собственного веса ( 430 кг ) составляет 1100 кг.

Необходимость в применении дополнительной плавучести под рамой грунтозаборного устройства связана с тем , что новое грунтозаборное устройство по сравнению с демонтируемым штатным имеет большую массу и , главное, смещенный вперед к всасу собственный центр тяжести, что без дополнительной плавучести приводит к перегрузке системы подвески рамы рыхлителя и корпуса снаряда.

Введение дополнительной плавучести уменьшает указанные нагрузки до величин, имевшихся при штатном рыхлителе.

Новое грунтозаборное устройство предполагает траншейный способ разработки забоя, в связи с чем на корпусе земснаряда смонтированы четыре четырехугольных роульса для папильонажных лебедок.

При этом помимо возможности традиционного способа траншейной разработки карьера за счет прямолинейных перемещений земснеряда, в данном проекте рассмотрена новая система перемещений земснаряда для траншейной разработки ( Рис.2.3 ).

Сущность этой системы рабочих перемещений земснаряда в забое заключается в том , что с целью уменьшения общего количества якорей

Рис.2.4 Система перемещений земснаряда при траншейной разработке с новым грунтозаборным устройством; 1,2 - земснаряд; 3,4 - свайный якорь;

5 - свайный якорь; 5 - площадь, отрабатываемая с одной установки якорей;

R - 140м - максимальный радиус; J - 90 град. - угол поворота земснаряда; L-115м - длина блока разработки; В - 70м - ширина прорези; l - 6м - ширина заходки.

Рис.2.5 Электропривод шнекового рыхлителя

земснаряд перемещается по дугам окружностей переменного радиуса с центром в точке заложения якорей от двух папильонажных лебедок одного борта.

При этом возможна работа как от малого радиуса к большому, так и наоборот. Переход на разработку следующей дугообразной прорези контролируется визуально с помощью меток на тросах лебедок, имеющих общий общий якорь. Метки располагают на тросах с шагом , равным ширине прорези.

В связи с известными трудностями заложения якорей на берегах водоемов с сапропелем (заболоченность, удаленность от берега ), а также обычных или специальных, опускаемых на дно, в данном проекте предусмотрено использование трех свайных якорей, обеспечивающих трехточечную схему фиксации земснаряда в забое.

Электропривод шекового рыхлителя осуществляется по схеме ( Рис. 2.4) состоящей из следующих основных элементов

М3 - эл. двигатель постоянного тока 2ПФ225МГ - ЧУ со встроенным вентилятором, независимого возбуждения, 220В, 15 кВт, 750 об / мин.

М3-1 - встроенный вентилятор;

LМ3 - обмотка возбуждения;

РОП - реле обрыва поля КПД - 121ЕУ2;

3КМ магнитный пускатель ПМЛ кат. N 121102А;

SА - задатчик скорости с резисторами МЛТ2;

SF - выключатель ПВ2 - 10 ( Тумблер ТВ1 - 2 );

SВ - кнопки управления КЕ - 011УЗ исп 2;

П - теристорный преобразователь ТПЕ - 100 / 100 - 460;

F - автоматический выключатель РЩ - 380 земснаряда АЕ - 2046 кат.

N10Р54УЗ;

R1 - П - резистор МЛТ - 2 100 - 330 Ом.

2.3 Взаимосвязь конструктивных параметров грунтозаборного устройства с технологическими параметрами забоя и режимом работы земснаряда.

Под вскрытием озерных месторождений сапропеля понимается проведение капитальных горных выработок обеспечивающих доступ земснаряда к сапропелевому месторождению. Вскрывающие горные выработки должны обеспечить грузотранспортную связь между месторождением сапропеля и местом его складирования на берегу.

Способы вскрытия месторождения сапропеля зависят от расположения карьерного поля относительно места складирования сапропеля , гидрологических условий , рельефа , заболоченности , строения карьерного поля , наличия тростниковой растительности. Работы по вскрытию месторождения относятся к горно - капитальным.

Система разработки месторождения сапропеля в основном зависит от залегания месторождения. Месторождения сапропеля , как правило , имеют горизонтальное или пологое залегание. Мощность сапропелевых залежей изменяется в широких пределах от 1 до 50м. В зависимости от природных и технологических факторов определяется выбор технологии и механизации работ по добыче сапропеля. Выбор и обоснование системы разработки месторождений сапропеля землесосными снарядами осуществляется по классификации В.В. Ржевского.

Ее ведущими качественными признаками являются направление выемки в профиле и плане карьерного поля. Месторождения сапропеля по этой классификации относятся к первой группе , так как они имеют постоянное положение рабочей зоны , которая практически остается неизменной на весь период эксплуатации месторождения. Подготовительные работы на месторождениях сапропеля обычно завершаются созданием первичного фронта добычных работ. Это монтаж земснаряда , устройство пионерного котлована , устройство разрезной траншеи для ввода и вывода на зимний отстой земснаряда , укладка магистральных пульповодов , строительство ЛЭП , подготовка чеков или полей под намыв , обустройство строительного городка , строительство подъездных дорог , отводных канав и дренажных систем.

Основными вариантами системы разработки ( по В.В. Ржевскому ) для добычи сапрпеля являются :

1. По направлению выемки в плане :

- продольная , когда фронт ( однобортовая или двухбортовая ) добычных работ перемещается параллельно длинной оси карьерного поля ;

- поперечная , когда фронт работ перемещается параллельно ( общим ) или рассредоточенным ( два и более ) поворотным пунктами;

- кольцевая , когда рабочая зона охватывает все борта по периметру карьера и разработка ведется кольцевыми полосами от центра (центральная ) к границам карьерного поля или от границы к центру (периферийная ) (Рис.2.5, 2.6, 2.7).

Во всех вариантах определяющее значение имеет конечная задача при добыче сапропеля - это намыв сапропеля в чеки , его обезвоживание и дальнейшая переработка, а также намыв сапропеля на прилегающие к месторождению поля с целью повышения их коренного плодородия или замыв прибрежных болот.

Для выполнения горных работ по добыче сапропеля с использованием земснарядов , разрабатываются технологические карты , в которых предусматривается выполнение всего комплекса работ по добыче , транспортировке и укладке сапропеля и его дальнейшая переработка (промораживание , сушка , волкование , погрузка на автотранспорт или расфасовка и отправка потребителю автотранспортом , железнодорожным транспортом , рекой , морем и т. д. )

Разработка участков должна осуществляться согласно их очередности. Длину плавучего пульповода необходимо принимать в зависимости от расстояния и высоты транспортирования пульпы , сокращая ее до 50 - 100м при придельных расстояних транспортирования и увеличивая до 300 - 400м при небольшом расстоянии транспортирования. Расстояния между местами берегового подключения принимаются равными длине плавучего пульповода. Вспомогательные операции ( укладка и переукладка якорей , удлинение и укорачивание плавучего пульповода , заводка конца плавучего пульповода к месту нового подключения , перемещение земснаряда в пределах забоя ) осуществляется с помощью кран - завозни и буксирного катера.

Основными элементами системы разработки сапропелевых месторождений при разработке их земснарядами являются : высота подводного забоя , ширина прорези и

Рис.2.6 Схема сплошной поперечной системы разработки

карьерного поля;

1 - землесосный снаряд; 2 - магистральный пульпопровод;

3 - плавучий пульпопровод; 4 - береговое плдключение плавучего

пульпопровода; 5 - контур карьерного поля; 6- дамба-перемычка с

трубой и задвижкой; 7- борт уступа растительного слоя.

Рис.2.7 Схема сплошной поперечной системы разработки карьерного

поля ;

1 - землесосный снаряд; 2 - магистральный пульпопровод на эстакаде;

3 - плавучий пульпопровод; В - ширина заходки земснаряда; L - рас-

стояние между подсоединениями плавучего пульпопровода; 1....20 -

очередность выемки; 4 - береговые подключения плавучего пульпо -

провода.

котлована , заложение подводных откосов , размеры блока и надоборов и др. При разработке выемок более 15 метров участки разрабатываются уступами. Последующие уступы разрабатываются при пониженном горизонте воды. Использование земснарядов с погружными грунтовыми насосами , эжекторными и эрлифтными устройствами позволяет вести подводные разработки без понижения воды в карьере. Размеры подводной части забоя и полная высота забоя для землесосных снарядов в зависимости от их производительности не должны быть меньше приведенных ниже.

Производительность земснорядов

по воде , м3/час до 1100 1101-2200 3000-4000 5000-6000

Полная высота уступа , м 3 4 6 8

Глубина подводной части , м 1,5 2,5 3,5 5,0

Общая высота уступа , а также предельно допустимая высота надводной части уступа устанавливаются проектом с учетом характеристики разрабатываемых сапропелей , типа земснаряда , грунтозаборного устройства и принятой схемы разработки.

Размеры блока принимаются с учетом тех же факторов , которые влияют на выбор высоты уступа. Они зависят также от принятой последовательности разработки и скорости годового подвигания. Значение ширины прорезей и котлованов , обеспечивающей начальное папильоирование землесосного снаряда без разворота плавучего пульповода , не должна быть менее указанной ниже.

Производительность земснаряда

по воде , м3/час до 1100 1101-2200 3000-4000 5000-6000

Ширина прорези и котлована

по урезу воды в водоеме , м 20 30 35 45

При разработке сапропелевых месторождений должна быть обеспечена проектная отметка дна по всей длине и ширине выемки с учетом требований заложенных в проекте по охране окружающей Среды.

При разработке сапропелевых месторождений возможна послойная разработка в несколько проходов земснаряда с тщательным соблюдением заданных отметок. С учетом установленного защитного слоя , а также сплошная разработка забоя на всю мощность.

Взаимосвязь параметров разработанного грунтозаборного устройства. Общая ширина грунтозаборного устройства вместе со шнековыми уширителями , ширина отражателя - экрана , длина вала с пакетом ножей , а также высота щели наконечника и диаметр ножей увязаны между собой следующим соотношением:

h Vвс К

В = ( в - а ) х ---- х ------- х ---------- , (2. 1 )

Д Vп 1 + К

где В - общая ширина грунтозаборного устройства вместе со шнековыми

уширителями;

в - длина участка вала с пакетом ножей ( ширина всаса );

а - ширина ( длина вдоль вала ) отражателя - экрана;

h - высота входной щели всасывающего наконечника;

Д - диаметр ножей - рыхлителей;

Vвс- скорость всасывания гидросмеси ;

Vп- скорость перемещения земснаряда;

К - объемная консистенция гидросмеси;

Gгр

К = -------------------- , ( 2.2 )

Gг.с. - Gгр

где Gгр - производительность земснаряда по грунту ;

Gгр = В х Д х Vп ; (2. 3 )

Gг.с. - производительность земснаряда по гидросмеси ;

Gг.с. = Fвс х Vвс = h х ( в - а ) х Vвс ; (2. 4 )

Fвс - площадь всаса ;

При разработке сапропелей К ( Gг.с. = Gгр )

h Vвс

тогда В = ( в - а ) х ----- х ---------- ; (2. 5 )

Д Vп

h Vвс

из этого выражения следует , что В > ( в - а ), если -------- х ------ > 1

Д Vп

Таким образом , использование шнековых уширителей необходимо в тех случаях , когда

h Vвс h Vп

--------- х ------- > 1 , т.е. ------ > -------- ;

Д Vп Д Vвс

Необходимо отметить , что только оптимальное сочетание ножей - рылителей , установленных на одном валу , обеспечивает наиболее экономичную работу устройства. Так , при выполнении шнеков по всей длине вала без дисковых ножей рыхлителей ухудшает рыхление грунта и забор его в патрубок , а также затрачивается излишняя мощность на транспортирование грунта к центру вала.

Отсутствие же шнеков и использование только ножей - рыхлителей приведет к неоправданному увеличению мощности приводов для обеспечения всасывания гидросмеси с той же ширины прорези , так как для всасывания гидросмеси ( грунта ) от боковых участков наконечника всасывающей трубы при отсутствии перемещающих гидросмесь шнеков нужно использовать грунтонасосы большой мощности.

Предлагаемый порядок работы земснаряда с грунтозаборным устройством шнекового типа . Добыча сапропеля осуществляется послойно с шириной ленты 6м. Разработка прорези происходит в следующем порядке показанном на ( рис. 2.3 ). Земснаряд устанавливают в прорези согласно ограничивающим ее ширину ( В ) вешкам. Длина прорези с одной установки якорей определяется канатоемкостью лебедок. Рыхлитель

Рис.2.8 Злементы системы разработки при добыче сапропеля земснарядом с новым грунтозаборным устройством; 1 - земснаряд; 2 - плавучий пульповод; 3 - сапропель; 4 - водоупор; 5 - папильонажный трос; 6 - грунтозаборное устройство шнекового типа; Нр- глубина разработки; Нв- естественная глубина озера; Ну- высота уступа; hз- защитный слой; hсл- высота слоя разработки; В- фронтальный забой.

заглубляется на заданную глубину и подтягивается папильонажной лебедкой к правому якорю, земснаряд проходит ленту между вешками, ограничивающими ширину прорези. Затем снаряд с помощью левого якоря возвращается холостым ходом на прежнее место. Земснаряд с помощью лебедок правого борта перемешается на 6м ( ширина шнека ) и происходит проходка следующей ленты и так по всей длине прорези. Для фиксации перемещения снаряда на тросах лебедок делается разметка через 6м . Разработка сапропеля может вестись двумя способами: секторными и прямоугольными участками. Положение земснаряда в карьере фиксируется свайными якорями по проекту 3594.00.00.00. ПК “Гидромехпроект“. Проведенные испытания данного грунтозаборного устройства показали, что устройство наиболее целесообразно использовать при разработке сапропеля секторными участками.

Пример расчета элементов системы разработки при добыче сапропеля земснарядом типа ЛС-27, оборудованным шнековым грунтозаборным устройством приведен ниже.

Исходные данные:

Средние физико - механические свойства сапропеля в залежи.

- зольность А = 45%;

- относительная влажность W = 88,3%;

- плотность скелета Yск = 0,124 т/м3;

- плотность залежи Yоб = 1,06 т/м3;

- расход воды на разработку 1,0 м3 залежи q = 5,0 м3/м3;

- плотность пульпы Yп = 1,012 т/м3 ;

- гранулометрический и микроагрегатный состав сапропелей

---------------------------------------------------------------------------------------------------------

Вид сапропеля Содержание фракций , %, размеры, мк

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

250-100 100-50 50- 10 10-5 5 песчаные пылеватые глин.

смешанный 0,1 10,4 52,5 21,6 15,4 8,1 74,5 17,4

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Средневзвешенное значение d

175х0,1 + 75 х10,4 + 30 х 52,5 +7.5 х 21.6 +5 х 15.5

dср = --------------------------------------------------------------------- = 0.03 мм (2.6)

100 х 1000

1. Плотность гидросмеси:

Yт ( 1 - m ) + q х Yо 1.06 ( 1 - 0.75 ) + 5 х 1

Yг = --------------------- ---- = ------------------------------- = 1.003 т/м3 (2.7)

1 - m + q 1 - 0.75 + 5

2.Техническая производительность земснаряда по полезному ископаемому:

Qгод 200000

Qтех = ----------------------------- = ----------------------------- = 130 м3/час (2.8)

Т х nсм х t х Кирв 150 х 2 х 8.2 х 0.62

где Т - количество рабочих дней в году - 150 ;

Qгод - годовая производительность карьера по сапропелю-200000 м3/год;

t - продолжительность смены - 8.2 часа ;

nсм - количество смен в сутки - 2 ;

Кирв - коэффициент использования рабочего времени - 0.62.

3. Расчетная производительность земснаряда по гидросмеси

рас

Qг = Qтех х [ ( 1 - m ) + q ] = 130 х [ ( 1- 0.75 ) + 5 ] = 682 м3/час (2.9)

4. Скорость папильонирования земснаряда при диаметре шнека Д=0.5, длине шнекового рыхлителя Lшн = 6.0 м.

Qгр 130

Vп = ------------------------------------- = ------------------------------ = 75.5 м/час. (2.10)

Lшн х Дш х Кi х Кпот х Кд 6 х 0.5 х 0.9 х0.75 х 0.85

где Кi = 0.9 - коэффициент использования шнека по длине ;

Кпот = 0.75 - коэффициент потерь породы ;

Кд = 0.85 - коэффициент использования шнека по диаметру ;

5. Ширина заходки земснаряда при разработке сапропеля секторными участками , при следующих исходных данных:

- 90 - угол поворота земснаряда в забое;

R - 50 м - канатоемкость папильонажной лебедки;

В = 2 х R х = 2 х 50 х ----- = 70 м. (2.11)

6. Угол откоса забоя сапропеля в процессе работы земснаряда

= х 2 = 15 х 2 = 30 град. (2.12)

7. Длина блока разработки земснарядом равна длине шага переключения плавучего пульповода

Lбл = Lпл - (----) = = 115 м (2.13)

где Lпл - длина плавучего пульповода ,120м.

2.4 Анализ экономической эффективности применения нового грунтозаборного устройства на озере Рукавское Владимирской области.

Рациональное потребление и снижение непроизводительного расхода электроэнергии является важнейшей задачей при проведении горных работ. Экономия электроэнергии обуславливает снижение расходов на производство. Экономия электроэнергии сводится к сокращению ее потребления на единицу выпускаемой продукции. В нашем случае это снижение стоимости м3 добываемого сапропеля.

Экономическая эффективность рационального потребления электроэнергии в гидромеханизации очень высока вследствие высокой энергоемкости ее установок.

Рациональное использование электроэнергии требует выполнения следующих условий:

1.Повышение производительности установок гидромеханизации, являющееся основной мерой рационализации потребления электроэнергии, достигается несколькими путями:

- повышение квалификации персонала;

-модернизация оборудования;

-применение контрольно - измерительных приборов, позволяющих осуществлять режим работы установок на оптимальных параметрах;

-точная регулировка и наладка механизмов ( в том числе регулировка зазоров грунтовых и водяных насосов );

-автоматизация установок гидромеханизации, предусматривающая наиболее благоприятное сочетание режима отдельных механизмов, например скоростей фрезы при разработке грунта и скорости папильонирования;

-применение регулируемого привода механизмов;

-общим совершенствованием технологии производства гидромеханизированных работ.

Особое внимание должно быть уделено технологии производства в условиях отрицательной температуры.

2.Совмещение технологических простоев с часами максимальной загрузки энергосистемы.

3.Максимальное сокращение времени простоев и холостой работы механизмов.

4.Внедрение прогрессивных норм расхода электроэнергии.

5.Разработка, осуществление и повседневный контроль за выполнением организационно - технических мероприятий по рациональному расходованию электроэнергии на предприятии.

Внедрение в производство разработанного грунтозаборного устройства направлено на осуществление указанных мероприятий.

Экономический эффект от внедрения грунтозаборного устройства определялся на основе фактических данных полученных при намыве сапропеля в чеки на озере Рукавское Владимирской области по Московскому СУ треста “Энергргидромеханизация” в сезон 1991 и 1992 годов. За основу взят III квартал указанных лет, как наиболее характерный и наименее подверженный влиянию сторонних факторов на добычные работы.

Исходные данные для расчета:

1.Балансовые запасы сапропеля на 1.01.91 г. - 1390.7 т. мз.

2.Объем сапропеля добытый в IIIкв. 1991 г. -92,0 т. м3.

3. Уровень затрат на добычу 1 м3 сапропеля в 1991 году - 0.7105 руб.

4. Уровень затрат на добычу 1 м3 сапропеля в 1992 году - 0.3929 руб.

5. Объем сапропеля добытый в III кв. 1992 г. - 92.0 т. м3.

Расчет ( в ценах 1984 г. ):

1. Снижение уровня затрат на добычу 1 м3 сапропеля

0.7105 - 0.3929 = 0.3176 руб/м3.

2. Оставшийся объем сапропеля в озере Рукавское при разработке новым грунтозаборным устройством

1390700 - 92000 = 1298700 м3.

3. Снижение затрат на разработку всего месторождения новым грунтозаборным устройством

1298700 х 0.3176 = 412467 руб.

Выводы.

Предлагаемое грунтозаборное устройство отвечает основным требованиям Правил для хозяйственно-питьевого и рыбохозяйственного водопользования и сочетает в себе следующие качества:

-не создает повышенную мутность;

-позволяет проводить отработку уступов без обрушений, т.е. послойно сверху вниз;

-минимальная мощьность слоя 0,5 - 1,0 м;

-имеет систему регулирования и управления, что позволяет обеспечить надежную работу гидромеханизированного комплекса;

-имеет стабильную мощность на валу привода;

-вместе с конструкцией рамы соответствует допустимой нагрузке на раму земснаряда при обрушении уступа;

-представляет из себя шнековый рыхлитель с принудительной подачей сапропеля во всасывающее отверстие;

-размеры, форма и конструкция элементов шнекового рыхлителя обеспечивают минимальные затраты энергии на разработку с учетом гидравлических и инерционных сопротивлений перемещению рыхлителя и гидросмеси;

-грунтозаборное устройство обладает целевой функцией - обеспечивает стабильную производительность земснаряда по максимальному его значению.

3. Новые технологические решения разработки месторождений сапропелевых илов.

3.1. Технологическая характеристика гидрокомплексов разработки обводненных сапрпелевых месторождений.

В общей проблеме освоения ресурсов сапропелей наиболее актуальной задачей является разработка рациональных технологий добычи. Сапропели, пожалуй, единственное современное природное образование, накопление которого сопровождается нежелательным явлением - сокращением, а затем и гибелью водоемов. Поэтому определяющим принципом построения технологических схем должна быть комплексность выполнения работ, которая, с одной стороны, позволила бы разрабатывать озерные отложения с получением продукции определенного назначения, и, с другой- обеспечивала бы восстановление заиленных, отмирающих водоемов для хозяйственных нужд.

При разработке озерных отложений сапропеля наиболее рациональным считается применение гидромеханизированного способа экскавации залежи в сочетании с трубопроводным транспортом материала к потребителю или в места складирования . В этом случае нет необходимости спускать воду из озера и разработку залежи можно вести практически при любой глубине водоема. Гидротранспортирование и укладка сапропелей на специально приготовленных площадях сгущения и сушки составляют один технологический цикл. Этот способ отличается высокой производительностью установок при малой затрате рабочей силы на обслуживание и , следовательно, низкой стоимостью единицы продукции. Отпускная цена на сапрпелевые удобрения ( вценах 1984 г. ) по разным предприятиям доходила до 3 рублей 30 коп. за 1т., при фактической себестоимости удобрений от 2.2 до 3.9 рублей за 1т Гидромеханизированная разработка сапропелей с последующим транспортированием водосапропелевой пульпы по трубам и распределением ее по чекам - отстойникам обеспечивает получение продукции высокого качества. Намытый в отстойник сапропель после сброса осветленной воды, которая используется с высоким агрохимическим эффектом в системах орошения,легко поддается досушке, уборке и складированию.

С учетом современных требований к готовой подукции Институтом торфа АН БССР разработана и внедрена в производство технологическая схема добычи сапропелей для удобрений в следующем виде: экскавация сапропелей из под воды с помощью специализированных землесосных снарядов, гидротранспортирование сапропелей по трубам на стационарные поля сгущения и сушки, измельчение и сушка сапропелевой крошки до влажности 50%. Поля сгущения предпочтительно располагать в местах, наиболее приближенных к потребителю. Это позволит сократить расходы на транспорт, создаст условия для использования транспортирующих сапропель вод в системах орошения сельскохозяйственных посевов или подкормки прилегающих к транзитному пульповоду посевов водосапропелевой смесью.

Поля сгущения и сушки постоянны на весь период разработки месторождения сапропелей. Они делятся на две равные части . Одна предназначена для аккумуляции и сгущения гидромассы, другая - для сушки и уборки сапропеля намыва прошлого года.

Намыв пульпы ведется в течение сезона многократно на каждую карту тонким слоем с перерывами между циклами намыва 5-7 суток. Намытый таким образом сапропель быстрее отдает воду и уплотняется. На следующий год при достижении относительной влажности верхнего слоя сапропеля 72-75%, что обеспечивает перемещение технологического оборудования, производится измельчение ( фрезерование ) верхнего слоя на глубину 18-24 см.

Для ускорения сушки и улучшения аэрации материала делается одно - два ворошения, затем валкование высохшего до 50 % - ной влажности материала и складирование его в штабеля. Хранение убранного материала в штабеле до шести месяцев является завершающим этапом приготовления удобрений. В течение этого срока улучшаются химические характеристики удобрений, наблюдается некоторое возрастание подвижных соединений азота, фосфора. калия, увеличивается содержание водорастворимых и гуминовых соединений.

В зависимости от мощности месторождений и производственной необходимости для промышленного внедрения реализованы три модуля предприятий по добыче сапропелей: производительностью 40 - 50 тыс. т. готовой продукции в год с применением базовых земснарядов МЗ-ЗА и

80-30, 60-80 тыс. т. с использованием земснарядов МЗ-8 и ЗРС и с производительностью 100-150 тыс.т. с использованием базовых земснарядов 200-50 и ЗГМ - 350.

С учетом экономических норм, физического состояния залежей, требований к сырью необходимо создать ;

широкозахватные грунтозаборные устройства, обеспечивающие малые скорости всасывания и наиболее полную выработку залежи без взмучивания и просора. грунтозаборные устройства для разработки отложений, проросших растительностью, и специальные рабочие аппараты для селективной выработки отдельных пластов залежи без разжижения сапропеля озерной водой;

специальные держащие устройства ( рабочие якоря ) для работы землесосных снарядов в слабопрочных грунтах и сепарирующие устройства для предотвращения попадания в технологический тракт крупных механических примесей.

При этом разработку широких забоев при небольшой мощности пласта или сложной стратиграфии рекомендуется вести тросовым способом папильонирования, а при большой мощности и однородном сложении залежи - веерным способом.

Опыт показал, что применяемые для разработки минеральных пород грунтозаборные утройства оказались неэффективными при экскавации сапропелевой массы с высокими вязкостными характеристиками. Автором предложен и внедрен принципиально новый способ грунтозабора, основанный на механическом заполнении приемной части грунтозаборного устройства сапропелевой массой путем ее подачи при помощи двух шнековых устройств, работающих на встречу друг другу и разбавлением сапропеля дозированными объемами воды до образования пульпы.

Разработку отложений с большим количеством растительных включений предложено осуществлять с помощью роторно - ковшового грунтозаборного устройства с измельчающим аппаратом и подвижным экраном. Автор считает , что это направление изучено не достаточно и подлежит изучению.

Разработка отложений сапропелей и производство на их основе удобрений имеет ряд специфических особенностей, что потребовало модернизации многих узлов земснаряда, системы гидротранспорта, а также технологического оборудования по сушке и уборке сапропелей.

Внедрены в производство конструкции управляемого сепаратора, с помощью которого выделяются из пульпы крупные механические примеси;

рабочие якоря, предназначенные для работы в сапропелевых грунтах. Внесены также изменения в конструкцию технологического оборудования по сушке и уборке сапропелей в отстойниках.

На основании физических характеристик, зольности сапропелевой массы обоснованы оптимальные значения рабочих консистенций пульпы - нормативный показатель, который определяется техническим проектом в зависимости от типа и физического состояния залежи.

Отдельно следует остановиться на технических гидрокомплексах для добычи сапропелей из малых водоемов. Как показали геологоразведочне работы на сапропель, эти озера перспективны для разработки сапропелевых отложений. Малые водоемы накапливают отложения, которые отражают микрозональные особенности территории и не всегда соответствуют прогнозным оценкам, сделанным по картографическим материалам . Значительная часть этих озер накапливает кондиционные органические сапропели, которые находят применение во многих отрослях народного хозяйства. Добыча сапропелей в таких озерах обосновывается не только с позиции утилизации донных отложений, но и с точки зрения охраны природы и восстановления заиленных озер. Повсеместно распространено большое количество малых, до 20-30 га, заиленных озер, добыча сапропеля из которых и их полная очистка возможны с помощью простейших установок. При использовании грунтозаборного устройства шнекоцентробежного типа возможно добывать сапропелевую залежь практически без разжижения озерной водой. Производительность этих установок достигает 7-10 тыс. т. сапропелвых удобрений за сезон.

Таким образом, в результате технико- экономического анализа существующих гидрокомплексов и предлагаемых технологий добычи, транспортирования и внесения сапропелей на поля или их переработка в чеках сложился оптимальный для доперестроечного периода времени вариант: добыча сапропеля из слоя с естественной влажностью, механическое смешивание сапропеля с водой, подъем пульпы на борт земснаряда обработка пульпы с целью уменьшения вязкости , перекачка по магистральному пульповоду с использованием промежуточных насосных станций , затем либо повторная обработка пульпы, способствующая уплотнению осадка, и намыв в отстойник или на поля.

3.2. Разработка сапропелей плавучими автономными модулями, обеспечивающими технологическую полноту выемки и ускоренное обезвоживание обводненных сапропелй.

В российской Федерации существует целый ряд обводненных месторождений сапропеля, запасы которых превышают один миллион кубометров. Разработка подобных месторождений средствами гидромеханизации имеет целый ряд недостатков. Жесткая связь с берегом определяет увеличение плавучей бухты, это, в свою очередь, приводит к росту гидравлических сопротивлений и, как следствие, перерасход электроэнергии. Значительное удаление от берега приводит к росту производственных аварий в результате волнового воздействия ( обрывов плавучей бухты, силового кабеля, связи, освещения плавучей бухты ), возрастает опасность для людей во время выполнения работ в ночное время. После отработки очередного блока необходима переукладка и укладка магистрального пульповода. При постоянном увеличении дальности транспортирования возникает необходимость в установке дополнительных станций перекачки. Но проведение всех этих мероприятий не дает возможности полной отработки месторождения. Возрастает стоимость продукции и все, связанные с этим, нагативные последствия. С другой стороны применнение чековой технологии для обезвоживания сапропеля вызывает необходимость отчуждения земель, вывод их из севооборота на весь период отработки месторождения и необходимость в последующей рекультивации отчужденных земель. Строительство чеков, укладка трубопроводов, строительство дорог, линий электропередач требует привлечения большого количества капитальных затрат.

Анализируя сложившееся положение с добычей сапропеля, можно заметить значительную зависимость технолоогических решений от имеющегося в наличии технологического оборудования. Многолетняя исследовательская работа была заранее направлена на их привязку к выпускаемым промышленностью земснарядам. В результате были заменены отдельные узлы земснаряда, но не изменен их принцип, основанный на разрыхлении грунта, перемешивании с водой и всасывании пульпы центробежным насосом , находящемся на земснаряде. Это привело к пртиворечию: сапропель в залежи обводняют для того, чтобы всасывающей способности насоса хватило для подъема его на поверхность, затем пульпу перекачивают на берег и сразу же начинают длительный и дорогостоящий процесс его обезвоживания в отстойниках. Происходит разрыв технологического цикла во времени, занимаются значительные площади, а сапропель не всегда обезвоживается до желаемого уровня. Все это происходит по тому, что земснаряд - машина, принципиально не подходящая для эффективной добычи сапропеля. Она была создана совсем для других целей, и переделка отдельных узлов грунтозабора, все равно связана со всасывающей способность насоса [21].

Растущие масштабы освоения сапропелевых ресурсов требуют принятия мер, направленных на предотвращение возможных отрицательных последствий при разработке озерных отложений, наиболее экономную их выработку. Хотя разработка сапропелей в конечном счете оказывает положительное влияние на состояние водоема за счет очистки ложа, улучшения его воздушного и водного режимов, но это может быть достигнуто только в результате правильной организации работ.

Из вышеизложенного следует, что необходимо создать добычную машину, специально приспособленную для разработки сапропелевых месторождений. Для обеспечения возможности выпуска таких машин на уже специализированных предприятиях следует сохранить корпус, тяговые и ходовые механизмы и другие непрфилирующие части земснаряда и полностью заменить узлы добычи и гидротранспорта.

Подобная добычная установка должна представлять из себя технологический комплекс, состоящий из отдельных модулей для добычи и переработки сапропеля естественной влажности и состоящий из следующих технологических узлов :

-корпус, способный находиться на плаву при полной нагрузке (оборудование, сапропель, люди и т. д. ) и оснащенный средствами, дающими возможность вывода его на берег для проведения ремонтных работ подводной части корпуса. Корпус должен отвечать требованиям Регистра класса “О”;

-добычной орган, дающий возможность добывать и транспортировать сапропель естественной влажности на борт.

-узел обезвоживания сапропеля с диапазоном обезвоживания:

90-75% - влажность - лечебные грязи

90-60% - влажность-удобрения

90-25% влажность - кормовые добавки.

-узел гранулирования;

-узел расфасовки ( 15, 50 - 500, 1000 кг ) . Для лечебных грязей отдельный узел ( 150 - 300, 500 г. ) [32];

-средства доставки расфасованного сапропеля на берег по воде и по льду.

-береговой узел механической перегрузки с плавучего транспортного средства на другие виды транспорта или временное складирование.

При разработке новых методов и технологических схем добычи сапропеля, необходимо учитывать тот факт, что озерные сапропели относятся к нетрадиционным для горного дела полезным ископаемым со своими специфическими гидрофизическими свойствами. Среди них особое значение имеют механические характеристики, поскольку они должны определять выбор рациональной подготовки горной массы к выемке в подводном забое и процессов грунтозабора, а также динамику откосов подводных выработок, проходимых в массиве залежи, что, в итоге, позволит создать рациональные технологические схемы разработки озерного месторождения. Очень большое значение, даже определяющее, имеет консистенция илов в залежи в их естественном состоянии.

Многие исследователи считают, что практически независимо от глубины разработки, углы откосов подводных выработок будут стремиться к нулю и это означает, что погрузив грунтозаборный агрегат в сапропель на некоторую глубину , мы можем на одной точке стояния в течении достаточно длительного времени осуществлять добычные работы, до минимума сократив затраты времени на вспомогательные технологические процессы.

Автором совместно с группой авторов проведены исследования и запатентовано изобретение “ Способ добычи сапропеля со дна водоема “

( патент N 2057938 от 10 апреля 1996 г ).

Суть предложения состоит в том , что изолируется часть объема озера до дна с помощью отрезка трубы ( или короба ) (Рис.3.1), удаления из этого объема воды, после чего сапропель добывается до дна всего столба сырья любым оборудованием - грязевым или шнековым насосом, грейфером и т. д. Наряду с очевидной простотой рассматриваемой технологической схемы, отметим и очевидные недостатки , а именно: снижение производительности из-за ограничения объема рабочей зоны размерами изолирующей трубы ( короба ). Однако эта схема имеет значительные резервы повышения производительности на одной точке, что достигается рекомендуемым авторами путем повторной добычи сапропеля, выдавленного снизу в трубу при ее подъеме на высоту до 1.0 метра.

Кроме того, возможна постановка сразу двух с одного понтона, или одновременная работа на нескольких понтонах с использованием компактного оборудования, например шнековых насосов или погружные низконапорные грунтовые насосы (ПНГН ) или перистальтические ( ПН ) насосы, предложенные к использованию Санкт - Петербургским государственным горным институтом имени Г.В. Плеханова под руководством профессора В.Б. Добрецова.

Опытно - промышленные испытания предлагаемого способа добычи сапропеля выполнялись совместно с МГГУ и Московским СУ треста “ Энергогидромеханизация “ в натурных условиях озера Рукавское Владимирской области.

Сапропель добывали внутри отрезка металлической трубы длиной

4.1 м, вертикально опущенной в озере до твердого дна в двух точках прибрежной юго - восточной части озера.

Верхний край трубы оставляли выше уровня воды в озере на 1.0 - 0.25м.

Толщина слоя поверхностной воды составила 1.02-1.5 м. Мощность слоя сапропеля равна 2.5 - 2.8 м. Воду из трубы откачивали, затем добывали сапропель с естественной влажностью и ненарушенной структурой до глубины 1.5 м от поверхности залежи сапропеля. По мере углубления горизонта добычи отбирали штучные пробы сапропеля. Всего добыто пять партий сапропеля объемом 800 литров. Добытый материал транспортировался на берег в емкостях, где его поместили на опытную карту для обезвоживания. Начальная влажность сапропеля колебалась в пределах 86 - 94%. Наблюдения за ходом обезвоживания на опытной карте размером 1.5 х 1.5м продолжались 12 суток, в течение которых мощность слоя сапропеля уменьшалась с 0.34м до 0.23м. При этом влажность слоя сырья в поверхностном слое снизилась до 76-80%. Такие высокие темпы обезвоживания в естественных условиях объясняются сохранением первичной структуры сапропеля (каркаса жесткости при добыче в изолированном объеме после предварительного удаления слоя воды). Для

Рис.3.1 Способ добычи сапропеля естественной влажности; 1 - труба;

2- сапропель; 3 - водоупор; 4 - вода; Нр - мощность сапропеля; Lтр- длина трубы; г.в. - горизонт воды в озере; Д - диаметр трубы; 2Н - воронка после добычи сапропеля на одной точке.

обезвоживания сырья не требуются затраты энергии кроме ворошения верхнего слоя. Характерно, что если не удается заглубить обсадную трубу до твердого дна, снизу поступает вода, которую периодически необходимо откачивать насосом, при этом сапропель слабо перемещается с водой.

По достижению дна залежи трубу приподняли на высоту 0.42м после чего в трубу стал выдавливаться сапропель, уровень которого стабилизировался в течение одного часа. В результате вокруг трубы образовалась депрессионная воронка, радиус которой в данном случае равен 5 - 6 м (мощность слоя сапропеля 2.5 - 2.8м, воды - 1.02 м )

Практическое значение проведенного эксперимента и полученных результатов состоит в возможности обоснования альтернативного способа добычи и обезвоживания сапропеля в ресурсосберегающем режиме при сохранении экологии водоемов и пойменных земель. Этим доказана возможность и практическая целесообразность добычи сапропеля с ненарушенной структурой и естественной влажностью. Проведенные испытания могут лечь в основу новой технологической схемы добычи сапропелей, новизна которой состоит в том, что после выемки слоя сапропеля до дна изоляцию нарушают ( приподнимая трубу ) и вновь добывают сапропель, выдавленный снизу окружающим столбом сапропеля и воды. Цикл повторяется 2 - 3 раза, после чего трубу перемещают на соседний участок, удаленный на расстояние, равное диаметру (2Н) депрессионной воронки, образованной в слое сапропеля.

Таким образом нами рассмотрена возможность поднятия на борт добычной установки сапропеля естественной влажности.

Следующим звеном в технологической цепи модулей - блоков является сгущение сапропелевого материала. На основании производственных и лабораторных исследований ВНИИГиМА и ВНИИБиотехники разработана технологическая схема прмышленной установки для сгущения и определено промышленное оборудование для комплектации этой технологической цепи. Так для сгущения сапропеля наиболее целесообразным типом была признана автоматическая отстойно - горизонтальная центрифуга со сплошными стенками типа 20ГН - 2201V-1 со сдвоенным ротором, двумя автономными станциями програмного управления и исполнительным органом, которая предназначена для разделения средне - и мелкозернистых труднофильтруемых суспензий.

Расчеты, а также натурные наблюдения на месторождениях БССР, показывают, что для сгущения сапропеля до влажности 85% на центрифуге при расходе пульпы 800 м3/час ( что соответствует производительности земснаряда 8ПЗУ ) с начальной концентрацией сухих веществ 3% необходимо не менее трех - пяти машин типа 20ГН - 2201V -1. Предельная влажность сапропеля, получаемая центрифугами данного типа 60 - 70 %. Осадок, выгружаемый из центрифуги специальным ножевым устройством,

имеет кусковую структуру, пригоден для транспортирования на большие расстояния ( при условии его упаковки во влагонепроницаемые пакеты ) и может быть использован в качестве местного удобрения или добавки к кормам без дополнительной обработки. Для обезвоживания сапропеля могут с успехом применяться центрифуги осадительные или используемые для уплотнения шламов сточных вод, выпускаемые за рубежом, например

“ Полимайзер Шарплз “ ( Великобритания ) и “ VS “ ( ФРГ ).

Профессор В.Б. Добрецов считает [ 12 ], что поднятый на поверхность сапропель естественной влажности, может быть обезвожен в пластинчатом сгустителе типа Lamel. Особенностью сгустителей этого типа является максимальная нагрузка на единицу седиментационной площади при минемальных геометрических размерах апппарата, что имеет особое значение для разрабатываемой технологии с использованием маневренных модулей. По эффективности работы сгустители данной конструкции в 3 - 4 раза превосходят, например, традиционные радиальные сгустители. Сгустители Lamel или пластинчатые сгустители по принципу работы относятся к гравитационным аппаратам. Седиментация отдельных частиц твердой фазы в этих аппаратах происходит в восходящем потоке исходной смеси под воздействием силы тяжести, которая в данном случае реализуется в виде гидравлической крупности частиц. Процесс сгущения обусловлен уменьшеним динамической активности исходного потока путем деления его на множество более мелких сечений. Сгуститель представляет собой блочную конструкцию, основными элементами которой являются осадительный модуль, средняя секция, бункер накопитель, уравнительная емкость, распределительный коллектор, сливной лоток.

Осадительный модуль представляет собой пакет тонких пластин, установленных наклонно. Эффект сгущения зависит от угла наклона, за счет которого уменьшается результирующая скорость потока в межпластинном канале. Процесс сгущения можно представить следующим образом. Входной поток гидросмеси поступает в приемную уравнительную емкость, из которой по трубопроводу через коллектор заполняется сгуститель. Наиболее крупные частицы твердой фазы ( гидравлической крупности, большей результирующей скорости восходящих потоков ) оседают в нижней части сгустителя, в бункере - накопителе. Все остальные твердые частицы выносятся потоком в межпластинные каналы. Геометрические размеры канала расчитаны так, что скорость течения в нем блиска к ламинарному режиму с Re < 200 - 300. Этот режим создает условия для постепенного осаждения всех чстиц по мере продвижения их от устья канала к его выходу. Они накапливаются в виде слоя осадка на нижних пластинах канала. Угол наклона не должен быть меньше угла внутреннего трения твердого материала ( твердой фазы гидросмеси ). Под действием сил тяжести осадок сползает по пластинам в бункер - накопитель, где объединяется с ранее осевшим твердым. Разгрузка сгустителя производится через нижний патрубок, на котором устанавливается обычно регулирующий вентиль. Осветленная жидкость сливается в лоток и удаляется через сливной патрубок.

Основные парметры, определяющие эффективность работы сгустителя, следующие: 1) геометрические размеры седиментационного канала (высота, ширина, длина ); 2) угол наклона пластин; 3) параметры входного потока ( расход, концентрация твердой фазы ); 4) технические требования к продуктам сгущения ( влажность сгущенного материала, степень осветления ).

Процесс осаждения твердых частиц в канале пластинчатого сгустителя характеризуется стесненным падением дискретной фазы в несущем потоке. Общепринятые методики расчета обычно исходят из допущения, т. е. в них рассматривается течение некоторой жидкости с плотностью, отличной от воды. Однако эксперементальные данные свидетельствуют, что твердые частицы выдавливают из зоны концентрирования жидкость, что существенно влияет на характер течения вблизи зоны концентрирования осадка. Полное и точное решение задачи на базе современных представлений о движении многофазных систем в настоящее время затруднительно: во - первых, чрезвычайно сложен количественный и качественный состав системы нелинейных интегродифференциальных уравнений течения; во - вторых, проблема идентификации отдельных слагаемых этих уравнений, характеризующих, в частности , взаимное влияние отдельных твердых фаз, требует постановки трудоемкого многопланового эксперимента и его последующей обработки.

Опуская теоретические рассуждения, отметим, что метод расчета пластинчатого сгустителя позволяет положить его в основу при разработке параметрического ряда таких механизмов с производительностью от 100 до 500 м3/ч исходной гидросмеси .

Более глубокое обезвоживание достигается на следующем этапе - прессами различных конструкций, например, винтовыми, гидравлическими, ленточными, камерными фильтр - прессами и т. п. Такой способ обезвоживания сапропеля позволяет довести концентрацию сухого вещества в общей массе примерно до 30 - 50% и применяется в вслед за сгущением пульпы. Достижение путем фильтр- пресования сырой массы сапропеля влажности в 60 % и ниже делает возможным непосредственное использование получаемого продукта для нужд народного хозяйства ( см. раздел 1 ). При этом для удобства хранения и транспортировки сапропеля потребителю его могут фасовать небольшими объемами в брикеты, для этой цели фильтр - прссы иногда дооборудываются брикетировочной машиной. В этом модуле могут быть использованы винтовые прессы

‘’ Tasster “ ( Финляндия ), имеющие следующие технические характеристик:

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Единица Модель

Наименование измерения 150-12 200-16 250-20 300-24 370-29 440-35

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Длина мм 2300 3200 3600 4200 4800 5000

Ширина мм 1200 1600 2000 2400 2900 3500

Высота мм 2660 3450 4440 5330 6280 6800

Мощность кВт 2,45 3,37 4,55 6,25 8,60 15,75

Производительность

по сухому веществу кг/ч 30-70 55-125 80-180 120-280 170-400 400-600

Производительность по сухому колеблется в зависимости от исходной влажности и свойств загружаемого в пресс вещества.

Аналогична приведенному конструкция шнекового пресса РЗ - ВПЦ2

( СССР ) производительностью от 2 до 8 тонн сухого вещества за час работы. Основными узлами шнекового пресса РЗ - ВПЦ2 являются электродвигатель, редуктор, питатель, корпус, кожух, шнек с перменным шагом, фильтр, разгрузочный патрубок и сливной патрубок. Наиболее эффективными на данном этапе обезвоживания, с точки зрения автора, являются ленточные фильтр - прессы “ Tatabanya “ ( Венгрия ) а также ленточные фильтр - прессы отечественного производства со следующими техническими характеристиками:

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Наименование Ед. измер. Пресс ПВК - 12 Пресс Ш10 - КПЕ

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Длина мм 4480 6870

Ширина мм 2700 2985

Высота мм 2735 2570

Мощность кВт 3 28,4

Производительность

по отжимаемой воде т/ч 1,2 28,4

Скорость движения

ленты м/с - 0,04 - 0,12

Расход воды для

очистки ленты м3/ч 0,2 -

Масса кг 4500 15170

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Иногда для обезвоживания естественно влажного сапропеля применяют химическое обезвоживание путем добавления в него негашенной извести. При этом происходит экзотермическая реакция, которая сопровождается испарением части воды и вступления другой ее части в химическое соединение. Из ста весовых частей СаО получается 132 весовых части гидрата Следует отметить, что такое добавление негашенной извести в сапропель, в особенности если он обеднен природным кальцием, безусловно улучшает качество удобрения на слабоплодородных кислых почвах средней полосы России. В качестве наполнителей, впитывающих влагу и снижающих содержание свободной воды в сапропелях, могут быть использованы древесные опилки, отруби, торф, соломенная сечка, а также некоторые полимерные материалы.

Максимальная степень обезвоживания сапропеля может быть достигнута в сушильных аппаратах . В тех случаях, когда по тем или иным причинам необходимо получение сапропеля с особо низким содержанием влаги ( 10 - 20 % и ниже ), целесообразно применять пневмобарабанные сушильные агрегаты, выпускаемые ПО “ Нерис “ ( Россия ) или барабанные сушилки “ КНД Humbolt Wedag “ производства ФРГ. Возможно применение сушилок шахтного типа, когда влажный сапропель загружается в бункер и затем поступает в вертикальную шахту сушилки, состоящую из двух последовательно соединеных секций ( секции нагрева и сушки, и секции охлаждения ). Скорость движения сапропеля через шахту сушилки определяется производительностью шлюзового разгрузочного устройства, которое вращается мотором - редуктором. Сушка сапропеля обеспечивается чистым атмосферным воздухом, который подается вентилятором через секции электрокалорифера и через воздухораспределитель в секцию нагрева и сушки. Агентом охлаждения сапропеля является внешний атмосферный воздух, который поступает через воздухораспределитель в секцию охлаждения.

Технические характеристики сушильных агрегатов производимых в России представлены в следующем виде:

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Марка аппарата

Наименование Ед.измер. ВН1,5 - 5ВК - 0,2 БГ4,25 - 12НУ - 01

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Длина мм 9870 15000

Ширина мм 2600 7400

Высота мм 4900 6000

Масса кг 27850 83000

Мощность кВт 41,5 160

Производительность

по исходному продукту кг/ч 655 13000

по конечному продукту кг/ч 265 -

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Следующим звеном технологических модулей является грануляция сапропеля. Внесение сапропелевого удобрения в виде гранул в почву, а также использование гранулированного сапропеля как кормовой добавки, является наиболее технологичным и удобным. Кроме того , сапропель в гранулах максимально обезвожен и его хранение и транспортировка потребителю экономически наиболее оправданы,

Высушенный естественным путем или техническими средствами порошкообразный сапропель может быть использован для приготовления гранул. Порошкообразные материалы, в том числе и сапропель, гранулируют в основном следующими методами:

-пресованием на волковых прессах с последующим дроблением опресованного листа;

-в таблеточных прессах;

-равномерным увлажнением материала с одновременным окатыванием полученных агломератов в аннонизаторе-грануляторе, грануляторах барабанного типа, шнековом или лопастном сместителях ( окатывание может заканчиваться в сушильном барабане);

-напылением растворов или пульпы на поверхность твердых частиц с последующей кристаллизацией;

-экструзией увлажненной смеси или смеси нагретых порошкообразных материалов с легкоплавным компонентом через матрицы с последующей сушкой и охлаждением гранулированного продукта.

Для улучшения свойств получаемого продукта и увеличения срока их действия сапропель перед грануляцией иногда смешивают с 10 % сухого волокнистого органического материала ( например, опилки и т.п. ) и 3% связующего вещества. Вопросами приготовления и применения торфоминеральных и торфобактериальных гранулированных удобрений занимались в Новосибирском сельскохозяйственном институте. В институте химии древесины АН Латвийской ССР и Латвийской сельскохозяйственной академии были получены комплексные органо- минеральные гранулированные удобрения на сапропелевой основе.

В Калининском политехническом институте предложена технология производства органо - минеральных удобрений - гексаторфа. В качестве источника азотного питания в этих удобрениях используется гексаметилентетрамин. Аналогичные работы проводились и проводятся за рубежом.

Институтом химии древесины АН Латвий и Латвийской сельскохозяйственной академией разработан способ получения механически прочных концентрированных и длительно действующих гранул на основе частично обезвоженного сапропеля ( влажностью 70-80%)

с добавлением до 40-60% на сухую массу минеральных удобрений.

Наилучшим качеством обладали гранулы, изготовленные на основе сапропеля влажностью около 80% При влажности менее 70% затрудняется формирование массы в шнекаппарате, и поверхность гранул получается шероховатой.

Технологическая схема производства гранулированных органо - минеральных удобрений, после получения сапропеля соответствующей влажности, может быть представлена следующим образом. В схеме должны быть предусмотрены дозаторы сапропеля и минеральных удобрений, смеситель массы, гранулятор, транспортеры, сушилка и бункер готовой продукции. В случаее необходимости присоединяется установка для сортировки гранул ( барабанный грохот ) и бункера для их приема.

Предварительная сушка осуществляется обычно на ленточном конвейере путем контактного и конвективного обогрева, а в кипящем слое над вибрирующей воздухораспределительной решеткой происходит окончательная досушка гранул до необходимой влажности.

Теплоизоляционная камера разделена горизонтальной перегородкой на две части. В отсеке над перегородкой установлен ленточный конвейер со стальной лентой, а под перегородкой наклонная вибрирующая воздухораспределительная решетка. Приготовленная пастообразная смесь загружается в бункер и дозатором питателем слоем или в виде жгутиков подается на ленту конвецера. Толщина слоя и диаметр жгутиков зависит от свойств материала. Перемещаемый транспортером материал обогревается за счет контакта с нагретой лентой и обмывается поступающим на встречу теплоносителем, отработавшем в кипящем слое. Для улучшения сушки материала и получения гранул над транспортером помещены рыхлители, из которых первый по ходу транспортера, разрыхляет слой, а второй дробит подсушенный материал. Если материал подсушивается ввиде жгутиков, дробящий рыхлитель устанавливается только в конце конвейера

Гранулы подаются на вибрирующую решетку, где сушка происходит в кипящем слое, создаваемом вибрацией сита с одновременной продувкой материала теплоносителем.

Режим сушки регулируется в зависимости от свойств материала. Температура и количество теплоносителя, подаваемого под виброконвейер, можно регулировать по зонам. В качестве теплоносителя применяется нагретый ( в калорифере ) воздух. Продолжительность сушки регулируется в зависимости от необходимости конечной влажности гранул путем изменения скорости протяжки транспортера и угла вибрирующей рещетки.

Известен также способ грануляции растворов и суспензий, который может быть использован для переработки водно - сапропелевой смеси после очистки и сгущения. Гранулирование продукта осуществляется в процессе распылительной сушки путем подачи теплоносителя. Сухой продукт подвергается механическому уплотнению и обработке в процессе транспортирования, после чего его классифицируют по крупности и при рециркуляции частицы сухого продукта различной крупности вводятся в различные зоны факела распыла.

У нас в стране разработано и успешно применяется оборудование для гранулирования ОГМ - 0,8 , ОГМ - 1,5, техническая характеристика ОГМ - 0,8 выражена следующим образом:

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Наименование | Единица измерения | Величина

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Производительность

по готовому продукту

( диаметр гранул 10 мм) т/ч 0,95

Габаритные размеры:

-длина мм 7200

-ширина мм 2200

-высота мм 3600

Масса кг 3300

Мощность кВт 60

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Разработчик - ГЭКИ по машинам для переработки трав и смолы (г.Вильнюс).

Из зарубежных образцов наиболее известен вихревой гранулятор

“ Aeromatic “ ( Швейцария ).

Последующим этапом в технологической цепочке добычи и переработки сапропеля в промышленное сырье является его затаривание,

либо для дальнейшего хранения, либо для вывоза потребителю.

Водно - сапропелевую смесь влажностью 80% и более удобнее всего затаривать и поставлять потребителю в бочках. Широко известны западногерманские бочконакопительные установки фирмы “ Netzsch - mohnopumpen “ , предназначенные для упаковки свободнотекучих, жидких и гелеподобных субстратов.

Сухой сапропель навалом влажностью 70% и ниже, либо в виде гранул или крошки, для доставки потребителю удобно затаривать порциями (мешками, пакетами) в соответствующую тару. Из отечественных упаковочных агрегатов наиболее подходящим является автомат для упаковки торфяных субстратов “ Верена “, выпускаемый Литовским ПО ‘Нерис”, который расчитан на упаковку в полиэтиленовые мешки торфяного субстрата влажностью до 70%. Упаковочная машина снабжена регулируемым дозатором, расчитанным на заполнение пяти - и десятикилограммовых пакетов. Размеры упаковки 400 х 300 мм и 400 х 600 мм. Технические характеристики автомата “ Верена “ следующие:

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Показатели | Ед. измерения | Норма

---------------------------------------------------------------------------------------------------------

Тип - стационарный, вертикальный

линейный, непрерывного

действия.

Производительность меш/мин

- при массе мешков 5кг - 6.6 (5.6)

- при массе мешков 10кг - 3.3 ( 2.8 )

Тип дозатора - объемный, регулируемый

Упаковочный материал - пленка п/э ГОСТ 10354 - 82

Установленная мощность: кВт

- компрессора 4.0

- привод автомата 3.0

- механизм сварки продольного

шва 1.0

- механизм резки 0.7

- механизм сварки поперечного

шва 3.4 - 4.5

Габаритные размеры с дозатором:

- длина мм 1560

- ширина мм 1200

- высота мм 2840

Масса с дозатором кг до 1000 кг

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Хорошо зарекомендовал себя упаковочный пресс “ Verville” ( Канада ), предназначенный для автоматического сжатия торфа влажностью до 70% в пластиковом мешке до заданных размеров. Мощность автоматического пресса - 20 кВт, производительность 1000 кип в смену. Благодаря плавно регулируемому дозатору, торф упаковывается в пакеты разных размеров и объемов ( от 20 до 360 л); технические характеристики упаковочного автомата следующие:

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Показатели | Ед. измерения | Величина

---------------------------------------------------------------------------------------------------------

Производительность кип/см. 1000

Потребляемая

мощность кВт 20

Транспортабельность - автономная

Тип сырья - сухое,

гранулированное

Емкость упаковки кг/л 50/300, 30/100-200,

Тип упаковки полиэтиленовые мешки

Очень удобны для упаковки сапропеля разной консистенции наполнительно - укупорочные машины фирмы “ Rovema “ ( ФРГ ), расчитанные на упаковку в пакеты из полиэтиленовой пленки сыпучих, пастообразных и свободно - текучих пищевых, химических и др. продуктов.

Выпускается несколько модификаций укупорочных машин, производительновть которых колеблется от 15 до 60 пакетов в минуту. Вместимость пакетов от 12 до 80 литров. Потребляемая мощность - 6 - 7 кВт. Одна из модификаций “ Rovema” VPM - 1Е480 предназначена для упаковки торфа, земли, удобрений и семян в плоские пакеты. Максимальная производительность - 35 пакетов в минуту при вместимости пакетов 50л. Масса агрегата 1600кг, потребляемая мощность - 7 кВт.

Более низкая производительность и мелкая расфасовка у мешконаполнительных автоматов “ Fixomat “ производства Германии. Масса наполняемых пакетов от 10 до 50 кг, производительность - 6.6 - 16.1 мешков в минуту.

Для затаривания сапропеля 50 - 60 % влажности в мешки весом до 1.0 тн определенный интерес представляет разработка упаковочной машины трестом “ Энергогидромеханизация “ Эта фасовочная установка прошла полевые испытания на озере Рукавское Владимирской области.

Опуская теоретические рассуждения отметим, что описанная технология переработки сапропеля из обводненых месторождений при соответствующей ее компановке в модульные блоки ( в зависимости от выпускаемой продукции ) является наиболее перспективной на сегодняшний день. При условии добычи из месторождения сапропеля естественной влажности технологию можно перемещать по месторождению, исключив любую зависимость от береговых условий.

Таким образом, наряду с совершенствованием существующей добычной техники, необходимо создание новой, отвечающей современным требованиям и специфике горно - геологических месторождений озерных сапропелей.

Предлагаемая технология добычи озерных сапропелей позволяет получить следующие положительные результаты по сравнению с экскаваторным, грейферным и землесосным способами:

1. Практически исключается замутнение воды в забое добычных работ;

2. Обеспечивается постоянная добыча сапропеля естественной влажности;

3. Возможна валовая выемка с одной стоянки на полную мощность текучего сапропеля;

4. Обеспечивается селективная выемка различных по качеству слоев сапропелевой залежи;

5. В связи с исключением подачи на берег сапропелевой пульпы, значительно уменьшаются береговые площади, отчуждаемые под чеки - отстойники;

6. Резко снижается общий объем добычных работ, связанный с обезвоживанием сапропеля, поскольку добывается сапрпель естественной влажности и сравнимые с землесосным способом объемы сапропеля могут быть достигнуты в более короткие сроки;

7. Создаются предпосылки круглогодичной добычи сапропеля.

3.3. Технология обеспечения полноты выемки для ускорения сроков обезвоживания обводненных сапропелей.

Для обеспечения работы комплекса модульного типа для ускоренного обезвоживания сапропеля необходимым условием является выемка и подача на борт сапропеля естественной влажности. При этом должны соблюдаться все требования изложенные в предыдущем параграфе.

Очень большое значение, даже определяющее, имеет консистенция илов в залежи в их естественном состоянии. Рассмотрим эти вопросы более подробно.

Изучение водно - физических показателей сапропеля показало, что при относительной влажности 82 - 87 % и зольности 5 - 30 % плотность грунта изменяется в пределах 1.02 - 1. 06 г/см3, водопроницаемость составляет n

( 10 - 10 ) в горизонтальном направлении и n ( 10 - 10 ) м/с в вертикальном.

Водопроницаемость сапропелей эквивалентна илам и тяжелым глинам и в среднем составляет nx 10 м/с. Согласно опытам А. Г. Мартинсона, угол естественного откоса сапропелей составляет 27 - 33. В. Шмидт исследовал в полевых условиях сопротивление сапропелей сдвигу сдвигомером - крыльчаткой и установил следующую корреляционную зависимость, связывающую величину предельного сопротивления сдвига с естественной влажностью:

(3.1)

где w - весовая влажность, г/г

- предельное сопротивление сдвигу, Мпа.

А.А. Моркус [25] сотавил компресионное уравнение для определения осадки сапропелевых залежей при снижающей нагрузке, превышающей структурную прочность сапропелей

(3.2)

где L - модуль осадки, мм/м;

- коэффициент полной компрессии;

(3.3)

Р - снимающая нагрузка, Мпа;

- предельное напряжение сдвига, Мпа;

z - зольность, %.

Исследуя водно - физические и инженерные свойства сапропелей в озерах А, Я. Рубинштейн [43] пришел к выводу, что для оценки их прочностных и деформационных характеристик достаточно распологать данными по двум основным показателям : природной влажностью и содержанию органического вещества.

Приведенные данные свидетельствуют о наличии количественных соотношений между инженерными и некоторыми водно - физическими свойствами сапропелей.

Анализ лабораторных исследований показывает, что с возрастанием естственной влажности зольность сапропелей уменьшается. Естественная влажность сапропелей обычно превышает зольность на границе текучести.

Отсюда нередко делается ошибочный вывод о том , что сапропели находятся в текучем состоянии. В действительности же ввиду армирования скелета озерных отложений растительными осадками и наличия водно - коллоидных связей сапропелям присуща вполне определенная природная прочность.

В интервале влажности ( 25-1000% ) уравнение линейной регрессии имеет вид

Z = 83 - 0.073 х w, ( r = - 0.78; n = 116 ), (3.4 )

где w - абсолютная влажность, %.

Достоверность эмпирического коэффициента коррекции R доказывается с уравнением зависимости < 0.001. При = 0.05 на основе преобразования Фишера получаются следующие доверительные границы для R:

- 0.71 < R < - 0.85. (3.4)

Нижняя граница больше 0.7, следовательно, связь между зольностью и влажностью сапропелей характеризуется как тесная.

Плотность частиц грунта с уменьшением влажности возрастает.

В диапазоне w = 25 - 1000% уравнение линейной регрессии по w имеет вид

= 2.74 - 0.0034 х w; ( r = - 0.94; n= 116 ), (3.5)

где - плотность частиц грунта, г/см3;

Эмпирический коэффициент корреляции достоверен с уровнем значимости

< 0.001. При = 0.05 на основе преобразования Фишера для него получены доверительные границы:

0.91 > R > - 0.96.

Нижняя граница для эмпирического коэффициента корреляции больше 0.9,

следовательно, связь между параметрами и w может быть охарактеризована как очень тесная.

Учитывая вышеизложенное можно предполагать как будет вести себя

сапропель в забое после выемки определенного объема на определенной глубине имея определенную влажность, плотность и предельное сапротевление сдвигу.

3.4 Система напорного гидротранспорта сапропелей.

Гидротранспорт илистых грунтов широко применяется при очистке заиления прудов и водоемов, а также при добыче ила и сапропеля для использования в качестве сельскохозяйственных удобрений. Гидротраснспорт илистых грунтов по самой природе образования пульпы существенно отличается от транспорта водным потоком несвязных песчаных и гравелистых грунтов. Смесь ила или другого аналогичного по свойствам материала ( мела, глины, торфа и т.д.). с водой образует практически однородную систему.

Характер движения илистой пульпы в трубопроводах был исследован во ВНИИГиМЕ Н,М, Москалевым, который получил формулу для определения гидравлических потерь в пуьпопроводе:

(3.6)

где - прдельное сопротивление сдвигу для ила, гс/см2;

- плотность пульпы, г/см3;

- диаметр пульповода, см;

- коэффициент пропорциональности в формуле Дарси, зависящий

от Re;

- средняя скорость течения пульпы, см/с;

Первый член зависимости (3.6) представляет собой потери напора в пульпопроводе в результате преодоления упругих свойств ила. Эти потери не зависят от режима потока и для всех случаев оказываются прямо пропорциональными сопротпвлению сдвига и обратно пропорциональными плотности ила и диаметру пульпопоровода.

Предельное сопротивление сдвигу для ила Н.М. Москалев рекомендует в каждом конкретном случае определять с помощью стандартного ротационного вискодиметра. Если ил не обладает упругими свойствами

( =0 ), то первый член обращается в нуль, и уравнение приобретает вид формулы Дарси - Вейсбаха для определения гидравлических потерь в трубах при движении по ним обычных жидкостей.

Коэффициент пропорциональности следует определять в зависимости от Re. При движении ила в трубах переход от ламинарного режима к турбулентному происходит при Re=3500-4000. При ламинарном режиме коэффициент пропорциональности равен

= -------, (3.7)

При турбулентном режиме ( Re > 3500 ) определяют по формуле Блазиуса:

(3.8)

а при Re >100000 по формуле Филоненко:

( 3.9)

Для приближенного расчета потерь напора при гидротранспорте илистых грунтов можно пользоваться формулой Дарси-Вейсбаха с введением коэффициента ,

характеризующего степень насыщенности пульпы:

(3.10)

Для заданных диаметров пульпопровода и скорости потока вычисляют Re по формуле

Re= (3.11)

Значения кинематической вязкости для илистой пульпы при различных значениях плотности пульпы связаны следующим образом

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Плотность пульпы, т/м3 Значения для илов при = 2.22т/м3

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

1.1 0.01122

1.2 0.015

1.3 0.29

1.4 0.035

1.5 0.041

1.6 -

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

В зависимости от Re определяют коэфициент пропорциональности по формуле (3.8) и (3.9). Зная коэффициент и , можно приближенно определить потери напора в трубах по формуле (3.10).

Пример: Исходные данные для расчета. Д=0.25; V= 4.08 м/с; L=100 м; Yп=1.2 т/м3. Требуется определить Re, h, .

1. Для Yт=1.2 т/м3 значение =0.015 см2/с

Re = = 680000,т.е. Re >100000.

2. Определим по формуле (3.9)

= 0.0124.

3. По формуле (3.10) получим hi для L= 100м

hi = = 5.05 м вод. ст.

Обширные работы по исследованию гидротранспорта дисперсных систем проведены М.А.Беляевским. В результате этих исследований установлено, что в зависимости от насыщения дисперсной среды твердой фазой пульпа может проявлять свойства от ньютоновской жидкости до упруго-вязкопластичной системы. Основной вывод его эксперементальных данных показал, что кривая течения дисперсной системы представляет взаимосвязь суммарных напряжений, возникающих при деформации потока под влиянием внешних сил; при этом обобщает все напряжения, воникающие от упругих, вязких, пластических и прочностных свойств системы. Это привело М.А. Беляевского к выводу, что при заданных физико-механических свойствах дисперстной системы в трубопроводах начало течения и перход из одного режима в другой происходят при постоянных значениях . Закон изменения этих обобщенных напряжений при изменении скорости деформации V остается постоянным.

Таким образом, определение напора при гидротранспорте какой-либо конкретной пульпы, практически сводится к вычислению потери напора и выявлению зависимости обобщенных напряжений от скорости транспортирования пульпы в модельной трубе с последующим пересчетом этих значений на пульпопроводы необходимых диаметров. Практически это выполняется следующим образом: эксперементальные данные обрабатывают на электронно - вычислительной машине по программе, в которой представлено, что потери напора , %, в модельной трубе диаметром Дм равны

(3.12)

Пересчет потерь напора для любого пульпопровода диаметром Дн производится по формуле

(3.13)

где - коэффициенты полинома уравнения течения дисперсной системы в модельной трубе;

V- скорость течения пульпы, м/с.

Этот метод можно использовать для расчета гидротранспорта илистых, глинистых, каолиновых и торфяных пульп с плотностью 1-1.73 г/см3 во всех гидравлических режимах при диаметре труб 15.3 - 755 мм.

Практические расчеты по транспортированию сапропелевой пульпы на сегодняшний день производятся по “Методическим указаниям по расчету гидравлического транспорта сапропелей,” разработанным Всесоюзным научно-исследовательским институтом гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова.

Рассмотрим пример расчета гидротранспорта при разработке сапропеля озера Кругловского Лоташинского рйона Московской области.

Пульпа от места разработки сапропеля до карт отстойника транспортируется по трубам. В зависимости от сапротивления движения пульпы по пульпопроводу ( дальность транспортирования, диаметр трубы, гедезическая высота подъема), гидротранспортные системы бывают одно - и многоступенчатыми. Отстойники расположены на берегу озера. Поэтому предусматривается одноступенчатая гидротранспортная система. При этой системе сапропелевая пульпа от землесосного снаряда транспортируется по гибкому плавучему пульповоду с диаметром условного прохода Д=315мм, длиной 60м, затем по жесткому плавучему пульпопроводу диаметром условного прохода Д=426мм, далее по береговому магистральному и картовым пульповодам диаметром условного прохода Д=426мм до пульповыпусков.

Максимальная протяженность пульпопроводов определена по максимальному удалению карт отстойника от места рабочего забоя землесосного снаряда.

Для расчета удельных потерь напора в пульпопроводах принимаются следующие данные:

1.Средние физико-механические свойства сапропеля в залежи:

- зольность Ас = 17%;

- относительная влага Wзал = 94.2%;

- плотность твердых составляющих Yт = 1.55 т/м3;

- плотность залежи Yзал = 1.021 т/м3:

Yзал = = 1.021 т/м3. (3.14)

Ycк.зал- плотность скелета (содержание сухого вещества в единице объема залежи)

Yск.зал = =0.059 т/м3. (3.15)

2. Гидросмесь сапропеля:

q- расход воды на разработку 1.0м3 залежи q = 2.0 м3;

Yп- плотность гидросмеси (пульпы) Yп = 1.010 т/м3;

Yп = =1.010 т/м3; (3.16)

Yск- плотность скелета пульпы (содержание сухого вещества в пульпе)

Yск.п = = 0.029 т/м3. (3.17)

Относительная влага гидросмеси (пульпы). Wп = 97.2%.

Wп = = 0.972 или 97.2%. (3.18)

При этих параметрах пульпы расчет удельных потерь напора производится

как для движения воды.

3. Данные привязки к местным условиям:

Lmin- дальность транспортирования пульпы:

Lmin = 60 + 110 + 520 =690 м.

- отметка подачи пульпы - 153.3 м:

- отметка уровня воды - 151.12 м;

- геодезическая высота подъема - 2.18 м.

4. Гидравлические потери напора по длине трубопровода hi при транспортировке сапропелей определяются по формуле :

hi = i х L, (3.19)

где: i- гидравлический уклон (или удельная потеря напора),

L - длина пульпопровода, км.

Удельная потеря напора при движении сапропелевой пульпы в турбулентном режиме на 1км трубопровода определяется по формуле ( с учетом местных потерь в размере 10% и плотности пульпы)

i = : м/км. (3.20)

где: V - скорость течения пульпы в пульпопроводе, м/сек;

С - коэффициент Шези;

R - гидравлический радиус, равный для стальных трубопроводов круглого сечения Д/4, м;

1.1 - коэффициент, учитывающий местные потери в трубопроводе;

Yп -плотность сапропелевой пульпы ( Yп = 1.010 т/м3 )

Yв - плотность воды ( Yв = 1.0 т/м3 ).

Значение коэффициента Шези ( С ) для сапропелевой пульпы определяется по формуле Манинга:

С = , (3.21)

где: n - коэффициент шероховатости ( для стальных труб равен 0.10 -0.012 ) принимаем n = 0.012

R - гидравлический радиус, м ( R = 0.25 Ду)

Скорость течения пульпы ( V м/сек ) определяется по формуле:

V = , м/сек (3.22)

где; Q - производительность (подача) грунтового насоса, м3/час;

Ду - диаметр условного прохода, м;

3600 - количество секунд в час.

Коэффициент Шези для диаметра Ду = 315 мм равен;

C = =54.58 (3.23)

При расчете потерь напора в гибком плавучем пульпопроводе каждое шарнирное соединение приравнено к 10м пульпопровода. С учетом этого длина гибкого плавучего пульпопровода равна:

L = 60+ 10 х 10 = 160м.

(плавучий гибкий пульпопровод включает 10 шарнирных соединений).

При расчете потерь напора в жестком плавучем, береговом магистральном и картовых пулповодах, потери напора на свободный излив пульпы в карты отстойника приняты hсв = 2.0 м.

hзем = 5.0 - потери напора в о всасывающей линии земснаряда.

Расчетная дальность транспортирования пульпы принята от конца гибкого плавучего пульпопровода до самой отдаленной точки намыва

Lрас.min = 630 м.

Для определения оптимального режима работы грунтового насоса совместно с пульпопроводами расчет потерь напора в жестком плавучем и береговом производится при различных параметрах производительности грунтового насоса и диаметре пульповода (расчетные данные сводятся в таблицы.)

На основании полученных данных строим график совмесчтной работы грунтового насоса Гру - 1600/25 и пульпопровода (Рис.3.1). Из рисунка 3.1 видно, что оптимальный режим работы гидротранспортной системы обеспечивается при Lрас.min = 630 мм при производительности грунтового насоса Q = 1020 м3/час и напоре Н=27 м.в.с. Э.Г. Кшондзер, [21] изучая изменения вязкости сапропелевой пульпы считает, что повышение эффективности гидротранспорта сапропеля возможно путем создания технологического процесса, основанного на перекачке сапропелевой пульпыповышенной концентрации.

Рис.3.1 График совместной работы г/насоса и пульповода.

В настоящее время концентрация твердой фазы в пульпе составляет 2-3% по весу , в то время как в естественном слое залежи доходит до 7-9%. Гидротранспорт пульпы с такой концентрацией позволяет уменьшить диаметр трубопровода с 600-700 до 300-400 мм и значительно упростить и удешевить операции конечной обработки пульпы.

Однако вязкость пульпы, взятой из слоя залежи, даже при полностью разрушенной структуре доходит до 1 Па х с, что создает повышенные гидравлические сопротивления при перекачке и требует установки дополнительных прмежуточных насосных станций.

Существует несколько приемов уменьшения вязкости сапропелевой пульпы: введение химических добавок, обработка в магнитном и электрических полях, диспергирование сапропеля, воздействие ультрозвуком и т.д. Были проведены эксперементы с диспергированием сапропеля в скоростной лопастной мешалке с 2700 об/мин. Работы выполнялись с сапропелями из оз. Большое Святое Витебской области, оз. Радомля и Вечер Минской области и оз. Червоное Гомельской области. Опытами охватывались все типы сапропеля: органический, карбонатный и кремнеземистый.

При кратковременном воздействии диспергатора на частицы сапропеля вязкость гидросмеси заметно уменьшалась, причем для органического сапропеля это уменьшение доходило до 35-37 % при скоростях течения выше 0.4 м/с. Наихудший показатель - для карбонатных сапропелей. Это объясняется тем, что в органическом сапропеле имеется значительное количество волокнистых вешеств растительного и животного происхождения, которые при прохождении через диспергатор разрушаются. Форма частиц становится одинаковой, близкой к сферической, как для органической так и для минеральной части сапропеля. В кремнеземистом, особенно в карбонатном, сапропелях волокнистых частиц значительно меньше и эффект воздействия диспергирования на вязкость пульпы не столь значителен, как для органического.

Для уменьшения вязкости сапропелевой пульпы путем введения химических добавок использовались растворы полиакриаламида, сернокислого аллюминия, различных щелочей. Реагенты вводились в процессе механического диспергирования, что обеспечивало их равномерное распределение в объеме гидросмеси. Наблюдалось уменьшение вязкости пульпы на 7 - 10%, что существенно могло повлиять на энергоемкость транспортирования сапропеля и количество насосных станций.

Следует учитывать, что добавку расчета необходимо точно дозировать, так как при незначительном отклонении от заданной дозы вязкость пульпы может резко увеличиваться. В связи с этим возникают трудности из-за необходимости подачи реагента в количестве 0.1 - 0.5% от массы сухого вещества в гидросмеси. Учитывая концентрацию гидросмеси 5 - 7% и производительность добычи до 120 л/с, не представляется возможным выполнить в непрерывном потоке равномерное перемешивание пульпы с реагентом, поступающим в смеситель, расположенный на земснаряде, в количестве 7 г/с.

Добавлять химические реагенты к более жидкой пульпе не требуется, так как ее вязкость при концентрации 2 -3% мало отличается от вязкости воды и стоимость дополнительных мероприятий по уменьшению вязкости будет больше стоимости с экономленной электроэнергии.

На основании результатов проведенных эксперементов наиболее перспективной представляется работа в направлении создания технологии и средств механического воздействия на пульпу.

При проектировании карьеров по разработке сапропеля гидромеханизированным способом возникает ворпос экономической эффективности трубопроводного транспортирования сапропеля. По наиболее распространенной в настоящее время технологии пульпа, подаваемая от земснаряда, закачивается в отстойник для сушки, разработки и последующего вывоза на поля. Так как отстойник имеет значительные площади (до 120 га) и их сооружение требует больших затрат, то при выборе места под них необходимо учитывать не только конкретные условия, но и экономическую эффективность транспортных первозок и всего производственного комплекса в целом.

Под отстойники нежелательно использовать пахотные земли и земли, находящиеся в сельскохозяйственном обороте. Кроме того, гидротехнические условия сооружения отстойника требуют пологой местности и залегания уровня грунтовых вод на глубине не менее двух метров от поверхности почвы.

Применение трубопроводного транспорта позволяет выбрать место под отстойник не только удобное с этих точек зрения, но и наиболее выгодное по экономическим соображениям, т.е. характеризующемся минимальными транспортными расходами.

На всех существующих и проектируемых объектах используется автотранспорт. Но возможно расположение отстойника в непосредственной близости от потребителя, при этом все первозки осуществляются трубопроводным транспортом Кроме того, существуют различные варианты совместных трубопроводно-автомобильных перевозок, при которых удаленость отстойника от берега Lотст и потребителя Lпотр может меняться в диапазоне:

О < Lотст < Lпотр

Основным критерием при выборе того или иного варианта является миниум приведенных затрат. Так как в состав этих затрат по сравниваемым вариантем входят одинаковые элементы, например капитальные и эксплуатационные затраты на земснаряд, плавучий трубопровод, отстойник и добычу из отстойника, то нет необходимости полностью определять величину приведенных затрат. Достаточно сравнить элементы затрат, которые различаются в рассматриваемых вариантах, те. транспортные расходы.

Проведен расчет приведенных затрат П на комплекс по добыче, заготовке и транспортированию сапропелевого удобрения производительностью в 50 тыс.т. по абсолютно сухому веществу. Предположим, что по трубопроводу транспортируется пульпа концентрацией 5 или 7%. При этом трубопроводы имеют соответственно следующие характеристики: годовая объемная производительность 1000 и 720 м3/год; скорость 1.0 м/с; диаметр 0.53 и 0.42 м; плотность 1.08 и 1.10 г/см3. Прокладка трубопроводов наземная.

Приведенные затраты П в автомобильный транспорт расчитаны с учетом того, что может первозиться сапропелевое удобрение разной концентрации: 15.25.40. и 50%. Проведя сравнительные расчеты видно, что трубопроводная транспортировка сапропелевой пульпы 7%-ной концентрации предпочтительнее по сравнению с автомобильным на расстояния до 35 км, 5%-ной концентрации - до 35км; автомобильная перевозка этого удобрения 50%-ной концентрации эффективна на расстояния свыше 35км; автомобильная первозка сапропелевого удобрения с концентрациями 40, 25 и 15% неэффективна по сравнению с трубопроводным транспортированием не только 7, но и 5%-ной пульпы.

При общей дальности транспортирования 50км и перевозке автомобильным транспортом удобрения 50%-ной концентрации по всей длине трассы наиболее эффективна автомобильная доставка. Если по тем или иным соображениям отстойник не может быть сооружен непосредственно на берегу озера, то его можно удалить от озера на расстояние не более 12км, так как при большей длине трубопровода вариант совместного трубопроводно-автомобильного транспортирования имеет более высокие приведенные затраты не только по сравнению с автомобильным транспортом, но и с трубопроводным.

При снижении концентрации сапропелевого удобрения, перевозимого автомобильным транспортом, до 40% наиболее выгодной для той же длины трассы является трубопроводная доставка. Причем плечо автомобильных перевозок, если в них имеется потребность, в данном случае не должна превышать 3-5 км, так как при большей его длине эффективнее целиком автомобильная доставка.

При общей длине трассы в 30км минимальными являются одинаковые по величине приведенные затраты на трубопровод или автомобильный транспорт (перевозящий удобрения 50%-ной концентрации), если длина первозки в обоих случаях максимальна, т.е. составляет 30км.

Все остальные варианты совместного транспортирования имеют худшие экономические показатели по сравнению с рассмотренными. Автомобильная первозка 40%-ной концентрации и любые варианты совместной перевозки на это расстояние уступают трубопроводному транспортированию, которое характеризуется миниумом приведенных затрат. При необходимости транспортировать удобрения на расстояния 20км наиболее выгодно использовать на всем протяжении трубопроводный транспорт. Автомобильная доставка удобрения не только 40,-но и 50%-ной концентрации, а также различные сочетания трубопроводных и автомобильных первозок неэффективны.

Если нельзя разместить отстойник в непосредственой близости от потребителя, т.е. если необходимо применять автомобильныный транспорт, то длина трассы не должна превышать 3 и 5 км при концентрации удобрения 40-50%. В противном случае применение трубопроводного транспорта в сочетании с автомобильным менее эффективна, чем чисто автомобильная доставка на 20км.

Из вышеизложенного можно сделать следующий вывод:

1. Прмведенные затраты на какой-либо один вид транспорта, в зависимости от варианта-автомобильный или трубопроводный, ниже, чем у любых сочетаний этих двух видов транспорта для тех же вариантов.

2. Если невозможна перевозка каким-либо одним видом транспорта, наиболее экономичным для конкретного варианта, то применение трубопроводно-автомобильного транспортного комплекса возможно лишь на определенных расстояниях. За пределами этих расстояний перевозки выгоднее осуществлять другим видом транспорта, менее экономичным в данном варианте, чем первый, но более экономичным чем совместные первозки. Например, как было выяснено, при общей длине трассы в 50км удобрение 50%-ной концентрации наиболее выгодно перевозить целиком автомобилями и отстойник помещать непосредственно на берегу. При необходимости можно удолять отстойник, но на расстояние не более 12км. Удаленность отстойника на расстояние 40км, например , невыгодна. Всю транспортную работу в таком случае целесообразно осуществить трубопроводным транспортом, т.е. отстойник разместить на расстоянии 50км от озера и отказаться от 10-километровой автомобильной первозки.

Таким образом, определение и выбор наиболее эффективной транспортной составляющей комплекса по добыче, заготовке и транспорту сапропелевого удобрения должно проводиться отдельно в каждом конкретном случае.

Выводы.

1.В общей проблеме освоения ресурсов сапропелей наиболее важным, определяющим успех ее решения в целом, является создание рациональных технологий добычи и переарботки. Разнообразие условий залегания сапропелей, широкий диапазон физического состояния залежей: от жидко-пластично- текучей консистенции (малозольные отложения озер) до пластичной и полутвердой (кремнеземистые, карбонатные сапропели),существенные различия по площади залегания и мощности отложений требуют применения принципиально отличающихся технологий добычи, транспорта и первичной переработки сырья. . 2.Важным критерием при выборе способа разработки залежи должна быть его экологическая чистота: производство работ не должно приводить к нарушениям экосистемы озера, загрязнять водоотводящие каналы, прилегающие площади и т.д.

3.Научно-исследовательская и конструкторская работа должна быть направлена на создание компактного агрегата по обезвоживанию сапропеля, на создание техники и технологии добычи, обезвоживания и упаковки сапропеля, отвечающей требованиям мобильности технических средств и их оперативного перемещения. Как правило такой комплекс должен включать следующие модули : энергетический, добычной, обезвоживающий, упаковочный, вспомогательный.

4.Рациональные схемы намыва и обезвоживания сапропелей.

4.1. Технология, устройства и параметры карт намыва.

Имеющийся опыт добычи и использования сапропеля в народном хозяйстве доказывают полную экономическую нецелесообразность и техническую сложность транспортировки потребителю значительных объемов сапропеля естественной влажности, достигающей 97%. Именно поэтому одним из наиболее ответственных, а при гидромеханизированном способе разработки наиболее дорогостоящим, этапом обработки сырого сапропеля является его обезвоживание.

Обезвоживание сапропеля, добываемого способом гидромеханизации, производится, как правило, в специально предусматриваемые на берегу в непосредственой близости от месторождения отстойниках. На сегодняшний день это самый простой и распространенный способ обезвоживания и сушки сапропелевой массы для производства удобрений.

Сапропель, намытый в отстойники, после естественного обезвоживания, зимнего промораживания и соответствующей обработки превращается в порошкообразную массу, пригодную для автотранспортировки потребителю на значительные расстояния.

Для отвода транспортирующей сапропель воды, поступающей по пульпопроводу от землесоса или гидроэжектора, основание отстойников должно быть хорошо дренировано. При этом процесс обезвоживания намытого сапрпеля идет за счет сгущения пульпы осаждением твердых частиц и отвода осветленной воды, а также фильтрации и испарения отстойной воды.

Отстойники представляют собой участок земли, оборудованный дренажной системой и хорошо спланированный, как правило, выбирается прямоугольный. Количество отстойников опредляется масштабами добычи с учетом коэффициента их оборота 0.5. Высота дамб обвалования выбирается в зависимости от толщины намываемого слоя. При расчетной толщине слоя намыва 1м высота дамбы должна быть 1.5м, ширина поверху от 2 до 5м, заложение откосов принимается 1.0 : 2.5. Располагаются отстойники на участках с хорошо фильтруюшим основанием. Размеры отстойников выбираются в зависимости от производительности установки и принятой технологической схемы уборки, а также седиментационных свойств пульпы.

Размеры отстойника сначало назначаются, исходя из заданной производительности по сапропелвой пульпе, а затем проверяются на длину осаждения сапропеля.

Основной задачей расчета является определение пути осаждения частиц , т.е. расстояния, на котором выпадут частицы породы удельного веса и размера, и определение количества и размера частиц, которые будут вынесены с отработанной водой.

При выпуске сапропелевой пульпы в отстойник частица наряду с сохранением движения по оси потока начинает падать. Траектория движения частицы изображена на рис 4.1

Рис.4.1 Схема осаждения частиц сапропеля в тстойнике

1-пульповод; 2-траектория движения частицы.

Исходя из подобия треугольников, соответствующих скоростей и расстояний, следует

U H

------- = -------- , ( 4.1 )

V L

откуда путь осаждения

L = --------- = H , (4.2)

где V - скорость движения по оси потока;

U - вертикальная скорость падения частиц;

H - глубина осаждения частиц.

Величину вертикальной скорости падения частиц в потоке некоторые авторы предлагают выражать через гидравлическую крупность, при этом предложения отдельных авторов варьируются в самых широких пределах. Для расчетов применительно к сапропелю применимы формулы профессора Д,Я, Соколова

, м (4.2)

, м (4.3)

где Lmax - путь осаждения наиболее мелких фракций;

Wmax - максимальная гидравлическая крупность фракций;

Lmin - путь осаждения наиболее крупных фракций;

Wmin - минимальная гидравлическая крупность фракций.

При более точном расчете профессор Д,Я, Соколов принял, что горизонтальная составляющая скорости перемещения частицы изменяется по вертикали в соответствии с эмпирическим установленным законом распределения скоростей:

(4.5)

Уравнение траектории движения будет

( 4.6)

где v - средняя поступательная скорость потока на заданной глубине птока

пульпы;

k = 1 + 4.8 , (4.7)

где - Vmax поверхностная скорость течения пульпы;

Hо - полная глубина отстойника;

Z - глубина, исчисляемая от дна отстойника;

W1 - скорость осаждения частиц;

У- вертикальное расстояние, отсчитываемое от поверхности выпуска пульпы до отстойника.

Обозначив = а и отмечая, что V = ------,

получим

и уравнение троектории принимает вид

(4.8)

После интегрирования этого уравнения длина пути по горизонтали будет выражаться зависимостью

(4.9)

Постоянная интегрирования определится из начальных условий, согласно которым х= о у = о:

С = (4.10)

После подстановки уравнения (4.10) в уравнение ( 4.10 ) получаем

Х =

при у = Но икомая длина отстойника

L = , м (4.11)

Академик Н.И.Замарин предлагает следующую формулу :

, м (4.12)

где Н- глубина отстоя , м;

V1 и V2 - скорости течения соответственно в начале и в конце отстойника, м/сек;

W2 - вертикальная скорость падения частиц, м/сек;

Зная Vmax , Ho и гранулометрический состав сапропеля, вынесенного водой при поступлении ее в отстойник, по вышеприведенным формулам можно определить размер отстойника. При определении размеров фракций, которые будут задержаны в конце отстойника, имеющем длину L и глубину рабочей части Но из уравнений (4.3) и (4.4) определяют величину гидравлической крупности W. Затем находят размер соответствующих фракций сапропеля. Фракции размером боьше расчитанного будут осаждены в отстойнике; фракции меньшего размера - вынесены из отстойника.

Профессор Д.Л.Меламут [27] предлагает проверять расчеты на динамику осаждения сапропеля по формуле

Lос = (4.13)

где Lос - длина осаждения, м;

Н - глубина наполнения отстойника ,м;

Vср - средняя скорость потока в отстойнике, м/сек;

Vср = ---- , (4.14)

где Q - расход подаваемой пульпы;

В - ширина отстойника;

V- вертикальная составляющая скорости потока , м/сек;

V = 0.00004 х Vср ;

Глубина наполнения отстойника Н зависит от условий промораживания и сушки сапропеля и не должна превышать глубины промерзания в данной местности. Необходимо учитывать, что намытый слой сапропеля, высыхая, сильно уплотняется еще до начала промораживания. Поэтому величину Н принимают примерно в 1.5 -2 раза большей, чем требуется по условиям промораживания.

Ширина отстойника В принимается такой, чтобы удельный расход пульпы, обеспечивающий требуемый эффект осаждения, не превышал 4 - 5 м3/сек. Обычно В = 40 - 50 м.

Эксперементальными исследованиями установлено, что скорость стесненного осаждения сапропеля зависит от концентрации его в подаваемой смеси и концентрации осадка, которую мы желаем получить после сброса осветленной воды:

Wст = , (4.15)

где Ко - концентрация сапропеля в смеси, подаваемой земснарядом, г/л

Кос - концентрация осадка после сброса осветленной воды, для

сапропелей с зольностью 60 - 70%;

Кос = 90 г/л.

Обычно длина отстойника при заполнении его с торца пульповода составляет 150 -200 м, а минимальное значение расчетное. Поэтому осветленная вода при намыве сапропелевой пульпы может сбрасываться непрерывно, и лишь после окончательного заполнения отстойника следует перходить на периодический сброс. Установленно, что длина последнего участка отстойника с периодическим сбросом воды четко ограничивается величинами надводного и подводного откосов отложения сапропеля, уклоны которых, в свою очередь, зависят от удельных расходов пульпы. Эта длина согласно расчетной схемы Рис.4.2 может быть определена по формуле

L пер = (4.16)

Рис.4.2 Схема осаждения сапропеля в отстойника;

Н1- высота слоя намыва в начале отстойника,м;

I - уклон надводной поверхности намыва;

L - длина отстойника,м;

i - уклон надводного откоса отложений.

Утановленно, что у места выпуска пульпы откладываются в основном зольные частицы, поскольку наиболее ценные гумусные частицы уносятся в конец отстойника. Такое неравномерное распределение химических элементов по площади отстойника не соответвтвует агрохимическим требованиям. Фракционирование менее заметно при намыве сапропеля рассредоточенным способом, когда пульпа вытекает через отверстия пульповода, уложенного на опорах эстакады. Однако в этом случае затруднено обслуживание пульпопроводов из-за невозможности передвижения по намытому сапропелю, так как при влажности ниже 80% сапропели отдают воду черезвычайно медленно. Кроме того, при рассредоточенном способе отверстия пульповода забиваются органическими остатками.

Во ВНИИГиМе с участием Д.Л. Меламута был разработан способ рассредоточенного намыва с двухсторонним наслоением сапропеля, при котором пульповоды укладывают на опорах инвентарного типа по продольным дамбам между смежными секциями отстойников. Пульповод оборудывают выпусками и поворотными лотками или патрубками длиной 2-3 м. После намыва необходимого слоя сапропеля с одной стороны лотки поворачивают на 180 и намывают сапропель в смежную секцию отстойника. Предыдущая секция отстойника после сброса воды домывается в противоположном направлении из другого пульповода, находящегося на соседней разделительной дамбе. Осветленная вода отводится через два водосбросных колодца, устроенных у поперечной дамбы в конце отстойника. При намыве с правой стороны отстойника открывается левый колодец и наоборот. Таким образом, в каждой секции отстойника получают отложения одинаковой, требуемой по условиям промерзания высоты и с равномерным распределением ценных для питания растений вещества по всей глубине отстойника. Этот способ облегчает и эксплуатацию намывных пульповодов.

При намыве сапропеля по способу двухстороннего поочередного наслоения расчетом по формуле (4.13) проверяется не дина отстойника, а его ширина. При этом глубину отстойника Но с каждой стороны принимают в зависимости от величины уклона надводного пляжа в пределах 1/2 - 2/3 полной глубины наполнения отстойника. Длина отстойника, определяется необходимой емкостью для укладки сапропелвой пульпы, назначается так, чтобы удельные расходы ее при рассредоточенном намыве не превышали 2-3 л/с. При послойной технологии намыва сапропелевая масса в чеках дренированного отстойника к концу срока намыва достигает влажности 82 - 85%. После зимнего промораживания и последующего оттаивания часть иммобилизированной веществом сапоропеля воды переходтит в свободное состояние и фильтрует в подстилающий грунт. Влажность слоя сапропеля в отстойнике в весенний период уменьшается примерно до 70 - 78%, что создает возможность использования в дальнейшем механзированную технологию измельчения, сушки ( до 60% ) и уборки сапропелвой крошки для дальнейшего применения. Для выполнения операций по механизированной сушке и уборке сапропелей в отстойниках рекомендуется технология и комплекс оборудования, применяемые в торфяной промышленности. Порядок выполнения работ по механизированному измельчению и сушке сапропеля следующий:

-послойное ( толщина слоя 22-24 мм ) фрезерование сапропелевого пласта с целью его измельчения с помощью фрезерных барабанов МТФ - 12 или МТФ - 18

-периодическое переворачивание сфрезерованного слоя сапропеля с помощью ворошилок МТФ-19, МТФ-21,

-валкование сапропелевой крошки, высохшей до влажности 60% с помощью валкователей МТФ-31 или МТФ-33Б,

-подбор валков, производимый бункерной уборочной машиной МТФ-43А в прицепе с трактором ДТ-75, с выгрузкой сапропеля в навалы на откос поперечной дамбы отстойника,

-складирование готового продукта на срок хранения до 8-9 месяцев на поперечных дамбах с формированием штабелей с помощью штабелирующих машин МТФ-71 или МТФ-72.

При выпадении большего количества осадков часть операций приходится повторять. Повторность операций принимается: фрезерование - 20%, на ворошение - 15%, на волкование -10%. Следует считать, что прохождение трактора ДТ-75, к которому крепятся навесные устройства для рыхления, ворошения и т.д., возможно по сапропелю со средней влажностью не выше 75%.

Недостатками описанного способа обезвоживания в отстойниках является необходимость создания целой системы громоздких сооружений: дамб, водоотводящих каналов, дренажной сети и др. Создание отстойников требует отвода под них больших площадей приозерных плодородных земель. Значительную сложность представляет также решение вопросов, связанных с обеспечением экологической безопасности такого способа.

Кроме того, не во всех районах добычи сапропеля климатические условия позволяют использовать метод промораживания в зимний период.

Однако, многолетний опыт эксплуатации производственных объектов в Московском СУ треста “Энергогидромеханизация” и ряде объектов в Белоруссии, работающих по приведенной технологии обезвоживания, показывает ее достаточно высокую эффективность для отдельных регионов.

4.2. Конструкция водосбросной системы карт намыва.

При проектировании организации и производства работ по намыву сапропеля в чеки способом гидромеханизации значительное внимание должно быть уделено вопросам отвода осветленной воды. Основная масса воды (примерно 85% расхода воды, подаваемая земснарядом на карту намыва ) после предварительного осветления в чеках- отстойниках отводится за пределы сооружений через сбросные колодцы, которые могут быть одно,- двух- и трех - секционными.

Конструкции водосбросных колодцев. Водосбросные устройства должны обеспечить полное удаление воды и не допускать ее скопления сверх расчетных пределов. Эти сооружения должны быть расчитаны на полное опорожнение прудков - отстойников. Необходимость полного выпуска воды может возникнуть как в аварийных случаях, так и при удолении атмосферных осадков, когда ведутся работы по уборке сапропеля из отстойников.

Для отвода отработанной воды применяют водосбросные колодцы шандорного типа и плавучие насосные станции. Применение того или иного вида колодца определяется производительностью земснаряда так при пропускной способности по воде до 0.5 м3/сек применяют односекционные колодцы, при пропускной способности от 0.6 до 1.1 м3/сек -двухсекционные, при пропускной способности от 1.1 до 1.5 м3/сек - трехсекционные колодцы.

При малой высоте намыва колодцы выполняются обычно из одной секции. В остальных случаях они выполняются из двух и более секций, устанавливаемых последовательно по мере подъема намыва сапропеля ( в случаях намыва сапропеля на косогорах, или при формировании сапропелевых гидроотвалов).

Сбросной колодец деревянной конструкции ( Рис4.3 ) квадратного сечения состоит из стоек-свай, имеющих пазы для раскладки шандор, которые в плане расположены по углам квадрата. Нижние концы стоек заглублены в грунт не менее чем на 1.5м и наращиваются вразбежку, т.е. в любом горизонтальном сечении колодца не делается брлее одного стыка. Стенки колодца, образуемые из шандор, играют роль водосливов, через которые осветленная вода из пруда-отстойника периливается в колодец.

Через каждые 1.5м по высоте колодца устраивают распорки для предохранения его стенок от перекосов, которые могут привести к сдавлтванию и разрушению колодца.

Днище колодца выполныется из двойного деревянного пола с основанием из слоя гравия и песка. При наличии проницаемого грунта основания под дном колодца делают обратный фильтр и отверстия в днище колодца.

Кроме сил сдавливания на колодец может действовать выталкивающая сила всплывания, возникающая вследствии разницы уровней и плотности осветленной воды внутри колодца и разжиженного сапропеля за его стенками.

Устойчивость колодцев против сдвливания и всплывания необходимо проверять предварительными расчетами, которые Б.М. Шкундин рекомендует производить по следующей формуле [59].

1. Сила сдавливания, тс, сжимающая распорку при перекосе сечения колодца на угол (Рис.4.4),составляет

Рис.4.3. Конструкция водосбросных колодцев:

а - на свайном основании; б - на ряжевом основании.

Р = (4.17)

где - угол перекоса, град: N - сила давления, н.

2. Сила всплывания S, H (Рис 4.5) будет равна

S = Н х А х Yп - h х d х Yо - Н х ( А - d) х Yд, (4.18)

где Н - слой разжиженного сапропеля за пределами колодца, м;

( А - d ) - площадь сечения материала колодца, м2;

h - слой воды в колодце, м:

Yо, Yп Yд - плотности соответственно разжиженного грунта за пределами колодца, осветленной воды и материала колодца, кг/м3.

В связи с тем, что при деформации или разрушении колодца может происходить вынос сапропеля за пределы сооружения и может быть длительный простой работ, в проекте необходимо предусмотреть соответствующие материалы для ремонта и особенно тщательное выполнение соединения отводящей трубы со стенкой колодца. Это соединение должно быть плотным и в то же время гибким, т.е. ненарушенным при неравномерных осадках. Основание за стенками колодца пригружают гравием или щебнем на высоту более 1м, а на дно колодца укладывают слой камня высотой 0.5 - 0.6м, или слой бетона толщиной 0.2м.

Сбросная вода от колодцев отводится по продольным коллекторам, которые прокладывают вдоль оси сооружения. При расположении колодцев учитывают также направление господствующих ветров с тем, чтобы направление движения воды к колодцу было бы по возможности противоположным их направлению. Это необходимо для сброса наиболее осветленной воды. В зависимости от рельефа местности водоотводные трубы водосбросных колодцев могут быть уложены без опор или с опорами.

В первом случае трубы укладывают отдельными звеньями, длиной от 6 до 12м, непосредственно на поверхности дамб или же в специальной траншее, пройденной на отстойнике.

При укладке труб по поверхности необходимо выполнять профилирование, обеспечивающее необходимый продоьный уклон трубы. Если основание трассы трубы являются скальные породы, песчаники, глины, которые обычно трудно подаются планировке, то в этом случае на трассу укладывают привозной песок слоем в 20 - 25 см, который должен иметь коэффициент фильтрации не более пород, укладываемых в отстойник.

Отдельные звенья трубы сваривают усиленным швом, выполненным из качественных электродов. Поверх шва устанавливают бандаж из 4 - 5 мм стали шириной 0.5 м, который уплотняют прсмоленной веревкой.

Для предохранения трубы от осадки, вызванной фильтрацией вдоль трубы, вдоль ее трасссы устанавливают на расстоянии не менее 12 м друг от друга диафрагмы квадратной формы, размер которых по данным ПК “Гидромехпроекта”, должен быть принят 1.2 - 2.0 м для труб диаметром 400-900 мм.

Вдоль трассы водосбросной трубы должно быть установленно не менее трех таких диафрагм. Они выполняются из металла и состоят из двух половин, каждая из которых приваривается к трубе. Всю поверхность водосбросных труб и их диафрагм обмазывают битумом и осыпают мелким песком, что необходимо для лучшего уплотнения примыкающей к диафрагме породы и предотвращения фильтрации.

После окончания сварки вся трасса водосбросной трубы засыпается песком, который тщательно утрамбовывают по всему периметру трубы слоями толщиной 8 - 12 см. Каждый слой породы при утрамбовке дополнительно смачивается водой. Особенно тщательно уплотняют песок у диафрагм трубопровода. Для сбросных труб и коллекторов следует использовать стальные трубы или железобетонные тррубы с толщиной стенок не менее 0.01 диаметра, так как при намыве сооружения стенки воспринимают большие нагрузки.

Кроме сплющивания и разрушения труб при недостаточной толщине их стенок может возникнуть опасность всплывания труб, так как грунт, находясь в зоне ядра сооружения в полужидком состоянии, создает выталкивающую силу. Для предотвращения всплывания необходимо трубы закреплять анкерными сваями, надевать бетонные кольца, а также пригружать грунтом или камнем, насыпанными в ящики.

Рис.4.4 Расчетная схема сил, вызывающих перекос колодца.

Рис.4.5 Расчетная схема колодца на всплывание.

Величину пригрузки труб против всплывания определяют по формуле:

q = Q - P = - Р, (4.19)

где Q - подъемная сила плавучести на длине 1м труб;

Р - масса 1м трубопровода с фланцами;

D - наружный диаметр труб;

Yр - плотность разжижнного грунта.

Основные конструктивные размеры водосбросных сооружений можно определить гидравлическим расчетом. Расход Q, м3/сек, через колодец опредляют по формуле:

Q = m x B x H x , (4.20)

где m - коэффициент расхода, принимаемый для водослива с тонкой стенкой;

В - ширина водосливной части колодца;

Н - высота периливающегося слоя воды.

Для пропуска этого расхода через коллекторную трубу, отходящую от колодца, необходимо определить площадь ее сечения из формулы

Q = (4.21)

где

(4.22)

- площадь сечения трубы, м2;

- слой воды в колодце над трубой, м;

- коэффициент сопротивления по длине трубы, принимаемый равным

0.2;

- длина и диаметр коллекторной трубы,м;

-сумма коэффициентов местных сопротивлений на входе и выходе, принимаемая равной 1.

Разрабатывая вопросы отвода осветленной воды, необходимо соблюдать требования по охране окружающей Среды от загрязнения. Осветленную воду целесообразно отводить обратно в карьер сапропеля. Если по условиям рельефа она попадает в водоисточники, то необходимо дополнительно предусмотреть отстойники или дренажные устройства и фильтры для очистки.

При применении для сброса отработанной воды и подачи ее в карьер плавучей насосной станцией учитывают следующие рекомендации:

- насосные станции целесообразно применять при работе с использовантем кругооборота воды;

- подключение плавучей станции к пульповоду желательно осуществлять шарнирно с использованием плавучего водовода. В этом случае создается возможность осуществлять водозабор в том месте, где образуется осветленная вода;

В расчет отвода осветленной воды из гидроотвала входит определение количества одновременно работающих и резервных колодцев их пропускной способности, диаметра водосбосных труб.

Число одновременно действующих колодцев на площадке намыва колодцев опредляется по формуле

К х Qзем

n = ---------------, (4.23)

где к - коэффициент, учитывающий потери воды, принимается равным

0.80 - 0.85;

Qзем - расход воды, подаваемый на карту намыва (принимается с запасом, равным общему расходу потока гидросмеси), м3/сек;

Q - расход воды, пропускаемый водосливом колодца при высоте переливающегося слоя Н, м3/сек.

Число резервных колодцев следует принимать в зависимости от класса ответственности гидроотвала и количества поступающей пульпы на гидроотвал ( Табл. 4.1).

Таблица 4.1

Число резервных колодцев

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Класс тветственности гидроотвала Расчетное число колодцев

1 2 3

Резервное число колодцев

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

1 класс 2 2 3

2 класс 1 2 2

3 класс

группа А 1 1 2

группа Б 1 1 1

----------------------------------------------------------------------------------------------------

4.3. Обезвоживание сапропелей как основа эффективности добычных

работ.

Одним из важнейших этапов переработки природного сапропеля в сырье для той или иной отрасли народного хозяйства является его обезвоживание. Наиболее широко известным способом обесвоживания является его намыв в отстойники с последующим промораживанием. Однако несмотря на простоту технологии и малую энергоемкость такого обезвоживания, его врядли можно рекомендовать к широкому применению из-за целого ряда серьезных недостатков:

1.Поля сгущения и сушки постоянны на весь период разработки месторождения сапропелей. Они делятся на две равные части. Одна предназначена для аккумуляции и сгущения гидросмеси, другая - для сушки и уборки сапропеля намыва прошлого года,т. е. коэффициент использования отстойников равен 0.5. Заполненные сапропелем отстойники уходят на зимнее промораживание. Оттаивание активно начинается с конца марта и до конца апреля. Далее следует проведение работ по доведению сапропеля до кондиции. До середины июля сапропель необходимо вывезти на поля или на промежуточные поля хранения. Если этого не сделать в этот период, то можно резко ухудшить качество сапропеля за счет снижения экологической чистоты. В этот период начинается цветение различных полевых трав и разносимые ветром семена засоряют сапропель.

По ТУ 10.11.860-90 “ Удобрения сапропелевые “ степень засоренности семенами сорных растений выглядит следующим образом:

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Наименование Норма по видам удобрений, тыс. шт/т

показателя Органич. Органо-известковистое Органо-кремнеземис

тое

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

- низкая, не более 100 100 100

- средняя 100 - 300 100 - 300 100 - 300

- высокая 300 - 500 300 - 500 300 - 500

- очень высокая,

более 500 500 500

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Удобрения сапропелевые с низкой степенью засоренности семенами сорных растений отпускаются за полную цену. При средней степени засоренности цена продукции снижается на 20%. При высокой степени засоренности цена продукции снижается на 50%. Продукция с очень высокой степенью засоренности допускается к использованию только после биотермической обработки при компостировании.

2.Намыв сапропелевой пульпы ведется в течении сезона многократно повторяясь на каждую карту тонким слоем с перерывами между циклами намыва 5-7 суток. Цикличность работ вызывает простой технологического оборудования, многократное повторение операций по намыву ведет к росту дополнительных затрат, связанных с эксплуатацией основного оборудования и гидротранспорта.

3.После зимнего промораживания для ускорения обезвоживания и улучшения аэрации материала делается одно-два ворошения, затем волкование высохшего до 50%-ной влажности материала и складирование его в штабеля при помощи уборочной машины. Проведение этих операций требует определенных затрат, а также наличия бульдозерной техники и автотранспорта.

4.Строительство отстойников и водосбросных систем, их периодический ремонт, последующая рекультивация требуют больших капитальных затрат, аммортизация которых раскладывается на весь период эксплуатации месторождения.

5.Разработка месторождения гидромеханизированным способом имеет свои недостатки, связанные с наращиванием плавучей бухты, кабельной продукции, переукладкой магистральных пульповодов, необходимость иметь береговое звено для выполнения указанных работ (электросварщик, машинист бульдозера, крановщик, слесарь, такелажник).

6.Необходимость модернизации добычного оборудования с целью повышения производительности земснарядов, создания специальных устройств для ориентации и фиксации земснарядов в забое, что очень важно для соблюдения технологических норм отработки месторождения.

7.Возникает необходимость внедрения управляемых сепараторов, для выделения из пульпы крупных включений и механических примесей.

8.Необходимо создать систему управления процессом экскавации залежи для поддержания постоянной по консистенции пульпы, последнее очень актуально, так как связано с затратами на гидротранспорт. При этом необходимо постоянно учитывать реологические характеристики, зольность, содержание органического вещества в пульпе.

9.Происходит разрыв технологического цикла во времени, занимаются площади, а сапропель не всегда обезвоживается до желаемого уровня.

10.Не ликвидируется главное противоречие: сапропель в залежи обводняют, пульпу прекачивают на берег и затем долго его обезвоживают.

11. В сложившейся технологии есть и второе противоречие: в теплых районах страны сапропель хорошо сохнет в отстойнике, но плохо промораживается, а в районах с холодной зимой картина обратная. Интенсификацию естественной сушки можно обеспечить применением механичеких устройств, работающих в отстойнике. Интенсификацию отделения воды при нахождении сапропеля в отстойнике можно обеспечить путем введения в пульпу химических реагентов, приводящих к значительному уплотнению осадка.

Технологии, связанные с прямым намывом сапропеля на поля пульпой, имеющей концентрацию 2-3% направлены на то , чтобы предотвратить быстрый сток пульпы по рельефу. Предполагается искусственно направлять поток бороздами и валиками, расположенными вдоль и поперек обрабатываемых полей. Различны конфигурация и размеры этих направлений, но суть одна - обеспечение такой скорости потока, при которой сапропель выподает из пульпы и в конце поля отработанная вода уходит в отводной канал. Практического применения эти методы не нашли и вряд ли найдут. Искусственное занижение производительности системы добычи и гидротранспорта для того, чтобы обеспечить работоспособность метода намыва пульпы по бороздам и валикам, приведет к удорожанию удобрений.

Решением проблемы намыва на поля может быть применение технологии с намывом пульпы на обвалованные различными способами карты, т.е. создание по сути дела цепи отстойников непосредственно на удобряемых полях и распахиваемые после частичного обезвоживания пульпы. В этих случаях речь идет о коренном повышении плодородия земель и дозы намываемого сапропеля должны быть строго расчетны. Эти технологии работоспособны, но их применение ограничено, так после проведения точечного намыва сапропеля трубопроводы необходимо демонтировать.

При прямом намыве концентрированной пульпы на поля необходимо обеспечивать стабилизацию намытого слоя и предотвращать стекание его по рельефу. Этого можно добиться лишь при “управлении” свойствами пульпы. Здесь имеется в виду не только химическое воздействие, хотя оно и наиболее многообразно по вариантам и сочетанию управляемых характеристик, но и обработка пульпы механическими диспергаторами и разрушителями структуры, колебаниями в самом широком диапозоне частоты, воздействием электрических и магнитных полей и др. способами.

Физическое, химическое или механическое воздействие на сапропель необходимо не только для обезвоживания, но и для уменьшения вязкости пульпы при гидротранспорте, так как снижение вязкости, даже временное, приводит к существенному снижению энергоемкости системы.

Попытки создания систем с извлечением сапропеля естественной влажности и перекачкой его по пульповоду на значительные расстояния не нашли своего применения и логического завершения, хотя некоторые исследования подтверждают, что центробежные насосы способны перекачивать сапропелевую пульпу с влажностью сапропеля, соответствующей влажности в естествнной залежи и имеющую вязкость

5-Па. Концентрация твердой фазы по весу в естественном слое залежи доходит до 7-9%. Гидротранспорт пульпы с такой концентрацией позволит

удешевить операции конечной обработки пульпы. Вязкость пульпы, взятой из слоя залежи, даже при полностью разрушенной структуре доходит до 1Пас, что создает повышенные гидравлические сопротивления при перикачивании.

При сравнении тех или иных вариантов, направленных на ускорение процессов обезвоживания, необходимо оперировать только оптимальными параметрами систем во всем комплексе добыча - транспотрирование - обезвоживание. В настоящее время это возможно далеко не всегда, так как не выявлены многие взаимозависимости между элементами систем и внутри отдельных подсистем. Работа над классификацией и системным анализом комплексов приведет к постановке научных и конструкторских задач, которые в настоящее время упускаются.

Критерий для сравнения один - приведенные затраты. Но при этом в систему анализа обязательно вводятся и такие факторы, как надежность и гарантированность, т.е. независимость функционирования комплексов от внешних факторов, главным образом от погодных условий, а также влияния на инфраструктуру.

Сегодня необходимо разрабатывать классификации сапропелей по возможным направлениям их использования, разрабатывать методические указания по проектированию объектов по добыче сапропелей и требований к качеству сырья для различных направлений использования. Необходимо создать опытно-эксперементальную базу по сапропелям. Необходимо объединить усилия специалистов горняков и агрохимиков, транспортиников и экологов, проектировщиков и конструкторов.

Задача ученых должна состоять в поисках новых подходов к обоснованию технологий обезвоживания и сушки сапропелей различного генезиса в естественных условиях.

4.4. Ускоренная технология обезвоживания сапропеля при помощи электроосмоса.

Современные представления о физико-химической природе электических явлений и коагуляции дисперстных систем.

Поведение дисперсных систем, а также специфические электрокинетические явления в них служат объектом изучения интенсивного развития науки-калоидной химии, направленной на изучение дисперсных систем. По определению система называется дисперсной, если она включает дискретные образования ( дисперсную фазу ), распределенные в массе основного несущего вещества ( дисперсной среды). По размеру частиц дисперсной фазы (степени дисперсности) дисперстные системы делятся на три группы:

1. Грубодисперстные системы. Определяющий размер частиц более 0.1 мкм. К таким системам относятся суспензии, эмульсии.

2. Коллоидные системы. Размер частиц 0.1 мкм - 1 нм. Частицы включают от нескольких единиц до сотен миллионов молекул вещества. Коллоидные системы называются также золями, а в случае, когода дисперсной средой является вода, - гидрозолями.

3. Истинные растворы. Размер частиц не превышает 1нм, т.е. соответствует размеру отдельных молекул или ионов.

Классификация носит условный характер. Грубодисперсные и коллоидные системы, в которых существует физическая граница раздела фаз, в отличие от истинных растворов (гомогенных), являются гетерогенными, т.е. многофазными. Причем суспензии с частицами размером порядка нескольких микрометров проявляют свойства, схожие с коллоидными системами, и их часто объединяют под общим названием микрогетерогенных систем.

К специфическим явлениям, наблюдаемым только в микрогетерогенных системах, относятся электроосмос и электрофорез, потенциал протекания и потенциал седиментации. Все четыре явления получили общее название электрокинетических, поскольку заключаются в движении фазы относительно другой при действии электрического поля или в возникновении разности потенциалов в направлении относительного движения фаз при действии механических сил. Обусловлены существованием на границе фаз двойного электрического слоя, ответственного за электрокинетические явления: в результате контакта двух фаз электрические заряды возникают и не исчезают, а только перераспределяются между фазами. Граничащие фазы должны приобретать заряды противоположного знака, но равной величины. В результате образуется система зарядов, получившая наименование электрического двойного слоя, и возникает разность потенциалов между поверхностью твердого тела и жидкостью. Знак и величина заряда и соответственно межфазной разности потенциалов от природы поверхности и жидкостси.

Универсальность электрокинетических явлений, формирование более четких представлений об электрической структуре межфазной границы, многообразие проявлений двойного слоя в разновидностях электрокинетических явлений, - все это создало необходимые предпосылки для разработки теории электрокинетических явлений. Поведение микрогетерогенных систем объясняется в основном поверхностным явлением в них. Причина этого в том, что поверхность частиц дисперсной фазы обладает свободной энергией, существование которой объясняется следующим образом. Молекулы, атомы или ионы, находящиеся на границе фаз, не равноценны тем же структурным единицам, находящимся внутри каждой фазы. Внутри фазы молекулы окружены себе подобными и их силовое поле насыщенно симетрично. Поле молекул, лежащих на поверхности, ассиметрично, часть его находится вне фазы и не насыщена. Эта ненасыщенность и является источником свободной энергии.

Под дествием поверхностных сил происходит изменение концентрации компонентов в поверхностном слое по сравнению с обычной фазой,т.е. протекает процесс адсорбции (сорбации). В случае неэлектролитов сорбируются молекулы вещества, в случае электролитов - их ионы.

Адсорбция электролитов, имеющая наиболее важное значение в водных растворах, резко отличаются от молекулярной адсорбции. Участки поверхности адсорбента, несущие заряд, как правило, адсорбируют противоположно заряженные ионы, а из ионов разной валентности сильнее адсорбируются многовалентные. Сказывается влияние природы ионов. Так из ионов одинаковой валентности лучше адсорбируются ионы большего радиуса, они сильнее поляризуются и обладают меньшей гидратацией, что увеличивает силу их притяжения к поверхности. Ионы по способности адсорбироваться располагаются в лиотропные ряды. При наличии тех или иных ионов происходит их обмен у поверхности частицы дисперсной фазы. Обменная сорбция обладает следующими особенностями:

а) к обмену способны только определенные ионы;

б) адсорбция не всегда обратима;

в) адсорбция протекает медленнее, чем адсорбция неэлектролитов;

г) при обменной адсорбции может происходить изменение среды, когда обмениваемыми ионами являются Н и ОН.

Таким образом, важнейшая особенность лифобных золей и суспензий, определяющая всю сумму наблюдаемых поверхностных явлений, состоит в существовании двойного электрического слоя ионов и скачка потенциалов на границе раздела фаз. Причинами возникновения двойного электрического слоя является разница в диэлектрических свойствах материалов среды и дисперсной фазы, специфические молекулярные силы, обуславливающие избирательную адсорбцию ионов из растворов, или ионизация поверхностных молекул вещества самой дисперсной фазой.

Распределение ионов вблизи поверхности раздела определяются действием противоположного направления сил: сил молекулярного притяжения, удерживающих ионы у поверхности, сил электростатического притяжения или отталкивания и диффузионных сил, стремящихся выровнять концентрацию ионов в объеме среды. Ионы, находящиеся в избытке на поверхности, компенсируются противоположными. Часть ионов удерживается поверхностью на сравнительно близком расстоянии порядка нескольких ангстрем, образуя так называемый плотный ионный слой. Остальные ионы образуют внешний диффузионный слой, в котором в упорядоченное распределение ионов вмешиваются силы теплового движения. Под действием диффузии этот слой оказывается как бы размытым в направлении от поверхности раздела в глубину раствора. Заряд частицы обусловлен избытком ионов какого-либо одного знака в структурной геометрической единице слоя. Ионы, находящиеся в избытке, являются, таким образом, потенциалоопределяющими. Помимо ионов в образовании двойного слоя учавствуют молекулы, содержащие электрические диполи. Теоретически диффузный слой ионов распространяется внутрь фазы на неограниченно большое расстояние. Поэтому употребление понятия “ толщина “ двойного слоя весьма условна.

В зависимости от степени сродства вещества дисперсной фазы с окружающими его электролитами последние делятся на индифферентные и неиндифферентные. Потенциалоопределяющие ионы неиндифферентных электролитов способны повышать термодинамический потенциал частиц. С другой стороны, ионы противоположного знака, находящиеся с ними в паре, могут вызвать сжатие диффузного слоя и понижать тем самым величины электрического потенциала ДП (дзета-потенциала) При малых концентрациях неиндефферентного электролита обычно проявляется первая тенденция, происходит увеличение электрокинетического потенциала ( ) и потенциала плоскости ( ). При больших концентрациях на первый план выступает роль сопутствующих ионов: - происходит снижение ДП вплоть до перемены знака на протпвоположный. Индифферентные электролиты не влияют на величину ( ), но сжимают двойной слой, уменьшая ДП.

С увеличением адсорбируемости противоионов дзета-потенциал снижается интенсивнее. Без труда проникают к поверхности твердой фазы ионы Н , имеющие по сравнению с прочими очень малые размеры. Ионы гидроксила адсорбируются очень легко благодаря своему большому дипольному моменту , поэтому рН среды оказывает сильное влияние на величину и знак ДП (дзета-потенциалом).

Кислые вещества ( например, кремнекислота или танин) приобретают в воде отрицательный заряд. Амфотерные соединения (белки, гидроокиси некоторых металлов, почвенные коллоиды) могут быть заряжены отрицательно или положительно. В природной воде глинистые и кварцевые частицы имеют обычно отрицательный заряд, а гидроокиси алюминия или железа, образующиеся в ходе гидролиза коагулянтов, - положительный.

Снижение рН увеличивает заряд золей, заряженных положительно, и уменьшает заряд золей, заряженных отрицательно. Особенно сильно влияет рН среды на гидрозоли и , являющимися

амфотернцыми соединениями.

В чистой воде изоэлектрическое состояние золя соответствует определенному значению рН, называемому рН изоэлектрической точки и обозначенному рН в растворах электролитов в присутствии анионов - в кислую. Влияние на ДП температуры среды также двояко. С повышением температуры, с одной стороны, возрастает интнсивность теплового движения противоионов и может произойти увеличение толщины диффузного слоя и ДП, с другой стороны, уменьшится адсорбция потенциалоопределяющих ионов, что приведет к падению ДП.

Если частицы суспензии - агрегаты, состоящие из нескольких более мелких частиц и не имеющие общего заряда, то их поверхностные свойства опрделяются частными свойствами каждой мелкой частицы. Причем снижение ДП лишь некоторой доли таких частиц не означает еще потери устойчивости агрегата в целом.

Между двумя частицами одинаковой природы в дисперсных системах действуют молекулярные силы притяжения ( силы Ван дер Ваальса ) и электростатические силы отталкивания. Чтобы оценить количественно взаимодействие частиц, нужно знать характер изменения величины этих сил с расстоянием, их дальнодействие.

Результирующая потенциальная кривая изменения энергии притяжения и отталкивания с увеличением расстояния между частицами, построенная путем геометрического сложения ординат потенциальных кривых притяжения и отталкивания, показывает, что на больших расстояниях должны преобладать силы молекулярного притяжения. Это обусловленно тем, что силы молекулярного притяжения и силы отталкивания убывают по мере удаления от поверхности частицы по разным законам; силы притяжения - обратно пропорционально расстоянию, а силы отталкивания- по экспоненциальному закону. По этой же причине на срадних растояниях, соответствующих толщине ионных оболочек частиц, могут превалировать силы отталкивания, на меньших расстояниях (порядка 10А) - силы притяжения и , наконец, на очень маленьких расстояниях - вновь силы отталкивания.

На потенциальной кривой взаимодействия частиц имеется два энергетических миниума (первичный и вторичный ) и максимум, называемый барьером отталкивания. Взаимодействие частиц определяется высотой барьера отталкивания, глубиной энергетических минимумов и энергией сооударяющихся частиц. Возможны следующие случаи.

1. Энергия столкнувшихся частиц недостаточна для преодоления барьера отталкивания, а глубина вторичного минимума недостаточна для того, чтобы удержать частицы вместе.

2. Энергия частиц достаточна для преодоления барьера отталкивания, а глубина первичного минимума достаточна для того, чтобы удержать частицы вместе. Происходит коагуляция за счет дальнего взаимодействия частиц.

3. Энергия частиц недостаточна для преодоления барьера отталкивания, но глубина вторичного минимума достаточна для того, чтобы удержать частицы вместе. Происходит коагуляция за счет дальнего взаимодействия частиц.

Коагуляция за счет дальнего взаимодействия частиц может иметь место при достаточно высоком значении потенциала и низкой валентности противоионов. Для дисперсий с относительно крупными частицами характерно наличие глубокого вторичного минимума и, следовательно,

“ дальняя “ коагуляция наиболее вероятна.

Во многих случаях агрегативная устойчивость коллоидных систем объясняется не только существованием электростатических сил оталкивания, но и другим факторам, первый из них - сольватация (гидротация) частиц, т.е. образование на их поверхности оболочек из молекул дисперсной среды.

По мере приближения к поверхности твердого тела упорядоченность расположения диполей воды возрастает. За счет строгой ориентации диполей и прочного сцепления их между собой гидратные слои обладают повышенной вязкостью и слабой растворяющей способностью.

Влияние гидратации на устойчивость коллоидов изучено недостаточно, однако ясно, что оно неодинаково для золей гидрофильных и гидрофобных. Некоторая гидратация последних объясняется гидратацией адсорбированных ионов или молекул. После снижения заряда гидратные оболочки уже не препятствуют слипанию частиц. Коллоиды с гидрофильной поверхностью сохраняют устойчивость и после устранения заряда. Следовательно,наличие гидратных оболочек является для них более важным фактором стабилизации, чем двойной электрический слой.

Вторым дополнительным фактором агрегативной устойчивости частиц является структурно-механический. Его действие проявляется тогда, когда поверхности частиц покрыты слоем молекул стабилизатора, обладающего структурной вязкостью и механической прочностью. Структурно-механический фактор стабилизации обуславливается , главным образом, адсорбционными слоями ориентированных поверхностно-активных и высокомолекулярных веществ. Причиной стабилизирующего действия являются не собственно ПАВ и ВМВ, а наступающая вследствие их адсорбции гидрофилизация поверхности. Таким образом, действие второго дополнительного фактора стабилизации сводится к действию первого.

Теоритические и эксперементальные исследования разных авторов показывают, что стабилизация частиц твердой фазы наступает при толщине структурных оболочек от нескольких единиц, до нескольких десятков ангстрем.

Агрегативная устойчивость суспензий зависит от тех же факторов, что и устойчивость золей. Лишь для анизодиаметрических частиц суспензий большое значение приобретают, кроме рассмотренных, дипольные взаимодействия. В частности, минимальная устойчивость вытянутых частиц палыгорскита ( средняя длина 250нм) имеет место при значении ДП равном не нулю, а придлизительно 30 мВ, что совпадает с условием минимальной электрической поляризуемости частиц.

Частицы тонкодисперсных суспензий с единым компактным ядром, например частицы глин, построены по такому принцмпу, как и частицы золей, а изменение их потенциалов подиныется тем же закономерностям, изучение которых чрезвычайно важно при изыскании путей интенсификации процесса осветления сапропелевых гидросмесей.

Проведем анализ существующих способов и технических средств очистки воды от взвешенных частиц.

Большие успехи в очистке воды достигнуты в водоподготовке, при которой основным способом очистки воды от примесей является их коагуляция электролитами. Одновременно используются различные способы, интенсифицирующие процесс коагуляции электролитами, которые принято подразделять на два больших класса. К первому классу следует отнести спосоды, связанные с внесением в обрабатываемую воду дополнительных реагентов:

-флокулянтов;

- окислителей;

- регуляторов величины рН воды;

- минаральных замутнителей.

Этот класс способов называют реагентным. Его отличают высокое качество очистки воды и наобходимость введенияв очищаемую среду различных добавок: активная кремниекислота, полиэлектролиты, хлор, перманганат калия, известь - пушенка, едкий натр, бентонит, мелкий кварцевый песок.

Ко второму способу следует отнести способы, не требующие использования дополнительных реагентов:

-перемешивание воды, обработанной коагулянтами;

-осуществление рациональных добавок коагулянтами;

-рециркуляцию коагулированной взвеси через зону ввода новых порций коагулянта;

-совмещение коагуляции гидролизирующимися коагулянтами с физическими способами коагуляции - обработка воды в магнитном и электрическом полях ультрозвуком, ионизацией и др.

Использование безреагентных физических способов, интенсифицирующих коагуляцию водных примесей, является наиболее перспективным направлением и вместе с тем еще недостаточно изученным.

Эти способы требуют строгого обоснования и проверки параметров обработки воды, т.к. в одном случае улучшают, в другом - не влияют или ухудшают качество ее очистки. Это вызвано тем, что при воздействии физического поля происходят необратимые изменения как с дисперсной фазой, так и с дисперсной средой. Так, ультразвуковая обработка дисперсной системы с частотой 1 мГц приводит не к коагуляции, а наоборот, к диспергированию минеральных частиц. При магнитной обработке происходит намагничивание или размагничивание дискретных включений и водной среды. Все предложенные способы практического применения физических полей на водоочистных сооружениях предусматривают обработку воды не тоько после добавления раствора коагулянта/ Интенсивно развивается в последнее время способ электрофильтрования воды с фильтрами из проводящих и непроводящих материалов.

При укладке вскрышных пород и хвостов обогощения в гидроотвалы и хвостохранилища средствами гидромеханизации приходится часто сталкиваться с трудностями, вызванными высокой дисперсностью складируемых масс, которая обуславливает низкую водоотдачу намывных сооружений, медленную скорость осаждения взвешенных частиц и вынос большого количества породы со сбросной водой.

Из сказанного следует, что при осветлении промышленных вод увеличение скорости осаждения содержащихся в них тонкодисперсных частиц позволит достичь существенного экономического эффекта.

Специфика очистки воды в промышленности заключается в использовании оборотных схем водоснабжения, что ставит менее жесткие требования к качеству ее очистки, чем при водоподготовке для питьевого водоснабжения. Для повторного использования воды в оборотных схемах, как правило, достаточно обеспечить потребный эффект ее осветления, который устанавливается с учетом особенностей конкретного производства. На крупных горнообогатительных предприятиях для осветления оборотных вод используются системы очистных сооружений, включающие гравитационные отстойники. Способы, направленные на интенсификацию процесса гравитационного осветления воды в них, должны быть дешевыми и одновременно простыми в осуществлении, иначе с учетом колосальных объемов осветляемой воды они будут неэкономичны. Этим объясняется тот факт, что в промышленности при интенсификации процесса гравитационного осветления воды в числе первых нашел применение способ коагуляции электролитами. Причем, преимущество при осуществлении данного способа отдается коагулянтам из местных природных ресурсов или нетоксичных промышленных отходов, таким, как известняк, хлориды металлов, высокоминерализованная морская вода и др. Такой рациональный подход к выбору коагулянтов обеспечивает минимальные затраты на очистку воды при многократном увеличении скорости осветления гидросмеси по сравнению с гравитационным. Особенно хорошие результаты получены при совместной обработке воды коагулянтами и флокулянтами. Как самостоятельный способ интенсификации осветления воды флокулянтами также хорошо зарекомендовал себя на практике и получил широкое применение благоларя созданию высокомолекулярных и поверхностно-активных веществ ( ВМВ и ПАВ ).

Большое количество работ в обогащении посвящено исследованию интенсификации процесса гравитационного осветления оборотной воды с помощью физических полей за счет электрокоагуляции магнитной, радиоактивной, звуковой и ультрозвуковой обработки. Их результаты положены в основу успешно применяемых способов и аппаратов, действующих по одному или нескольким вышеперечисленным принципам.

Исследования показали, что добавление ПАВ в гидросмесь существенно увеличивает скорость ее осветления. Однако добавки ПАВ значительно ухудшают водоотдачу намываемых грунтов. дальнейшие исследования по обработке гидросмеси хлоридами металлов перед подачей ПАВ показали увеличение эффективности ее осветления по сравнению с одноступенчатой обработкой ПАВ, но водоотдача грунтов при этом не улучшалась. В связи с этим флокуляция полиакриламидом в настоящее время не применяется при осветлении тонкодисперсной глинистой гидросмеси на гидроотвалах.

Известен опыт эффективного использования коагуляции для осветления гидросмеси на дренажных разрезах за счет добавки в нее кислот, кальцита, известняка, хлоридов металлов и др. перед сбросом на гидроотвалы, а также за счет совместного складирования вскрышных пород и хвостов обогащения. Последний спосб явлвется особенно экономичным и перспективным, т.к. предусматривает поступление коагулянтов в гидросмесь из хвостов без дополнительных затрат.

Вместе с тем необходимо отметить, что использование коагулянтов не всегда эффективно, а в ряде случаев по различным причинам невозможно. В связи с этим необходимы исследования по разработке безреагентных способов интенсификации процесса гравитационного осветления тонкодисперсной гидросмеси на гидроотвалах.

К числу таких способов, прошедших испытания в натурных условиях на гидроотвалах, относятся электрическая и магнитная обработки гидросмеси перед поступлением ее на гидроотвалы. В результате испытаний установленно, что эффективность осветления гидросмеси повышается на 66%.

Недостатком электрической и магнитной обработок гидросмеси перед поступлением ее на гидроотвал является низкая эффективность осветления гидросмеси. Одна из причин этого, по-видимому, в том, что гидросмесь, двигаясь с большой скоростью по трубопроводу, подвергается кратковременному воздействию электромагнитного поля. Этого оказывается недостаточным для деформации, как правило, значительного нескомпенсированного поверхностного заряда твердых частиц гидросмеси.

Эффективными в данном случае будут способы, учитывающие особенности технологии складирования тонкодисперсных пород средствами гидромеханизации, такие , как необходимость принудительного осаждения на гидроотвале только тонкодисперсных фракций пород, а также длительность процесса их осаждения и движения потока гидросмеси от места поступления до места сброса с гидроотвала. Перспективным в этом смысле является способ, основанный на явлении электрофореза. Для осветления гидросмеси на гидроотвале этим способом необходимо:

-определить вокруг водозаборного узла гидроотвала зону, в которой гидросмесь содержит только тонкодисперсные фракции пород;

-установить участок ламинарного движения гидросмеси в этой зоне, т.к. электрофорез возможен только в ламинарых потоках;

-значительно повысить за счет электрофореза в верхнем слое гидросмеси, идущей на слив в водозаборный узел, гравитационную скорость осаждения твердых частиц;

- параметры электрического воздействия достаточно подобрать так, чтобы самые мелкие верхние частицы слоя к моменту поступления его в водозаборный узел опустились ниже водозабора и не были сброшены с гидроотвала с обортной водой.

В результате перечисленных мероприятий будет достигнута поставленная цель-очистка оборотной воды от взвешенных частиц с использованием явления электрофореза. Однако прежде необходимо произвести исследования закономерностей процесса электрофоретического осаждения твердых заряженных частиц гидросмеси в ламинарном потоке в зоне водозаборного узла гидроотвала

В настоящее время электрофорез, как способ, давно и успешно применяется во многих областях техники, а также в препаративных целях в биохимии, в органической химии. Он обеспечивает получение воспроизводимых равномерных покрытий металлических поверхностей каучуком, лаком, слюдами, порошками в производстве электроламп, используется в керамической промышленности для получения чистых глин, снижения вязкости глинистых растворов при бурении нефтяных скважин и осветления промяшленных сточных вод. В технологии гидромеханизации при осветлении гидросмеси электрофорез еще не применялся.

Обоснование выбора способа интенсификации процесса осветления сапропелевой гидросмеси на гидроотвалах.

В настоящее время применительно к технологии гидромеханизации разработаны такие безреагентные способы интенсификации гидроотвальных работ, как магнитная и электростатическая обработка гидросмеси, добавки различных коагулянтов и флокулянтов перед поступлением ее на гидроотвалы.

Все эти способы базируются на общей схеме осаждения - сначала частицы должны приблизится и объединться, а потом абразовавшиеся из них агрегаты начнут с большей скоростью осаждаться. Вероятность же образования агрегатов есть функции концентрации частиц, температуры (т.е. влияния броуновской составляющей), толщины диффузного слоя или потенциала, разницы гидравлических крупностей и т.д. Другими словами, вероятность образования агрегатов за счет объединения частиц на гидроотвале в естественных условиях может быть мала. Этот факт является существенным недостатком известных способов.

Рассмотрим схему осветления гидросмеси в пруду - отстойнике с использованием явления электрофореза в соответствии с предлагаемым

способом. Проведенные испытания выполнены МГГУ к.т.н. А.П. Демченко совместно с Московским СУ иреста “Энергогидромеханизация” на озере Рукавское Владимирской области при участи автора.

По этой схеме в результате воздействия электростатического поля на частицы верхнего слоя гидросмеси, идущей на слив, создается дополнительная электрофоретическая составляющая скорости осаждения этих частиц, одинаково направленная с гравитационной. Частицы, притягиваясь к аноду, ускоренно осаждаются до глубины погружения без изменения их дисперсности и , концентрируясь возле него, коагулируют между собой. Образовавшиеся агрегаты имеют повышенную скорость осаждения. В результате процесс осветления гидросмеси интенсифицируется.

Использование электрофоретического эффекта непосредственно в самом пруду-отстойнике для интенсифиации процесса осветления гидросмеси по сравнению с упомянутыми способами имеет существенные преимущества, такие как:

- снижение энергозатрат на обработку пород за счет воздействия только на них тонкодисперсных фракций;

Рис.4.6 Схема к опытно-промышленным испытаниям по интенсификации

обезвоживания сапропеля.

-низкие значения параметров электрофоретической обработки в связи с возможностью длительного воздействия электрического поля на осветляемую гидросмесь;

-повышение скорости осаждения частиц без изменения их дисперсности до заданной глубины;

-наличие зоны в отстойнике гидроотвала, благоприятной для коагуляции (зоны анода ).

Кроме того, разработка электрофоретического способа представляет значительный интерес еще из следующих соображений: чем менее благоприятно состояние гидросмеси для коагуляции, тем благоприятнее оно для осаждения электрофорезом. Суть заключается в том, что чем больше диффузионный слой вокруг коллоидных частиц, тем хуже протекает их коагуляция, но тем больше электрофоретическая скорость их перемещения.

Промышленное использование электрофореза применительно к условиям намыва сапропеля может положить основу направленного складирования его в гидроотвалы.

Исходя из вышесказанного, объектом исследований являются пути интенсификации процесса осветления сапропелвой гидросмеси в отстойниках гидроотвалов электрофорезом.

Следует отметить, что характер осаждения твердой фазы во многом зависит от поля скоростей потока в пруду- отстойнике, физических параметров сапропелевых частиц и химсостава воды. Поэтому возникает необходимость установления зависимостей, определяющих связь всех перечисленных факторов с параметрами электрофоретического воздействия.

Для достжения указанной цели необходимо решить следующие задачи.

1.Получить основные закономерности для оценки траектории движения и скорости осаждения твердых заряженных частиц гидросмеси, а также консистенции и скорости ее освеьления в гравитационном и электростатическом (однородном и неоднородном ) полях.

2.Обосновать рациональные параметры электрофоретического способа осветления сапропелевой гидросмеси на гидроотвалах.

3.Определить и исследовать поле скоростей и режим движения потока на гидроотвалах в зоне его водозаборного узла.

4.Разработать устройство и технологическую схему для электрофоретического осветления сапропелевой гидросмеси на гидроотвалах.

5.Методы математической статистики при обработке результатов экспериментов.

4.5. Технология обезвоживания сапропелей с использованием песков.

Московское СУ треста “ Энергогидромеханизация “ на протяжении целого ряда лет выполняет работы по заданию Мосэнерго на озерах - охладителях Шатурской ГРЭС - 5. Выполняемые работы связаны с проведением дноуглубления озера Святое и намывом струенаправляющей дамбы для увеличения циркуляционной зоны технологической воды, используемой на ГРЭС - 5.

Дноуглубительные работы связаны с извлечением сапропеля мощьностью от2до3 метров и подстилающих песков мощьностью до 5 метров. Проектом было принято решение разрабатывать карьер послойно, выделив сапропель как вскрышные грунты с укладкой их в гидроотвал N1,2,3. Подстилающие пески разрабатывались земснарядами с последующим намывом штабеля песка для строительных нужд, намывом территории под гражданское строительство в г. Шатура Московской области и намывом территории под строительство лазерного центра.

Всего в выполнении этих работ принимали участие два земснаряда 350-50Л. Один земснаряд выполнял вскрышные работы, второй был задействован на разработке песков.

Гидроотвал N1 общей емкостью два миллиона метров кубических было решено организовать на заболоченном участке озера Святое, примыкающем к парковой зоне г. Шатура Под гидроотвал N2 и N3 были использованы выработанные карьерные поля из под торфа, отработанные Шатурским торфопредприятием. Такой выбор расположения гидроотвалов решал целый ряд зкологических и практических вопросов:

-выполнение противомалярийных мероприятий путем замыва заболоченного участка озера;

-создание польдерной территории для расширения парковой зоны г. Шатуры;

-рекультивация карьеров торфоразработок, путем заполнения выработанного пространства сапропелем и создание плодородных площадей для развития дачного строительства и садоводства для жителей г. Шатуры и Московской области.

Для организации гидроотвала N1 была намыта песчаная дамба, длиной 800 м, шириной 30м отделившая заболоченный участок от акватории озера. Высота дамбы была поднята на два метра над уровнем озера.

Намыв сапропеля производился земснарядом 350 - 50 Л по трубопроводу диаметром 630мм. Возврат осветленной воды осуществлялся плавучей насосной станцией. В течении трех намывных сезонов в гидроотвалах было намыто порядка 1.5 млн.м3 сапропеля. Намывной сезон начинался в апреле с перерывом на нерест и до конца ноября. Выпуск сапропеля в гидроотвал осуществлялся через торец трубы, которая периодически наращивалась по мере заполнения гидроотвала. Вопросами агрохимического контроля управление не занималось, так как заказчиком такая задача не ставилась. После зимнего отстоя на четвертый год на поверхности сапропеля образовался довольно устойчивый слой (корка) сапропеля, который позволил переложить магистральный пульповод и из нескольких точек произвести намыв песка на поверхность гидроотвала. Последующее шурфование, которое производилось на шестой год после начала намыва на гидроотвала показало, что песок в процессе намыва на гидроотвал “проламывал” корку и проникал в нижние слои намытого сапропеля. Величина проникновения песков колебалась от 0.5 м до1.5м, местами были обнаружены сплошные песчаные линзы (вблизи выпуска пульпы). В общей сложности было намыто порядка 400.0 тыс.м3 песка, более точно определить было практически невозможно. После окончания намыва песков насосная станция была демонтирована, так как необходимость в ней отпала. Начался интенсивный период обезвоживания гидроотвала. Фильтрация свободной воды осуществлялась через разделительную дамбу в сторону озера, видимо песок проникший в сапропель способствовал созданию путей фильтрации свободной воды.

На пятый год после начала намывных работ была создана территория порядка 100га с хорошими фильтрационными свойствами и плодородным слоем. Отметка грунтовых вод была на отметке озера, т.е. созданный слой мощьностью 1.5 - 2м позволяет проводить любые озеленительные работы, а также создание зоны отдыха, так как в результате намыва разделительной дамбы образовались пляжные участки.

В настоящее время эти участки берутся под периодический контроль рыботехнической инспекцией, так как они превратились в зоны активного нерестилища рыб, а проведенное дноуглубление создало целые участки зимовальных ям. По поверхности гидроотвала на пятый год свободно перемещается любая строительная техника. Таким образом полечен определенный опыт по намыву сапропелевых гидроотвалов и его последующая консолидация с помощью намыва на его поверхность слоя песков. При этом была обеспечена фильтрация свободной воды через песчаную разделительную дамбу.

Полученный опыт может быть использован в дальнейшем с целью создания новых плодородных территорий (польдеров), например при проведении дноуглубительных работ на водохранилищах Волжского каскада ГЭС. Внедрение и дальнейшее совершенствование описанной технологии может позволить восстановить десятки тысяч гектаров плодородных земель и способствовать улучшению экологической обстановки в указанных районах.

Выводы.

При сравнении тех или иных вариантов, направленных на ускорение процессов обезвоживания, необходимо оперировать только оптимальными параметрами систем во всем комплексе добыча - транспортирование - обезвоживание. В настоящее время это возможно далеко не всегда, так многие взаимозависимости между элементами систем и внутри отдельных подсистем неизучены. Необходимо продолжать работы над системным анализом технологических комплексов, которая позволит определить постановку научных и конструкторских задач.