Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задач исследования
1.1 Условия залегания, ресурсы и область применения сапропелей. 5
1.2 Анализ зарубежных и отечественных технологий добычи сапропелей средствами гидромеханизаыии 20
1.3 Анализ существующих методов и технических средств добычи сапропеля 25
1.4 Анализ технологий намыва и обезвоживания сапропелей 29
1.5 Цель, задачи и методы исследований 33
Выводы 34
2. Исследование и обоснование параметров грунтозаборного устройства земснаряда при выемке сапропелей ( илистых грунтов )
2.1 Требования предъявляемые к грунтозаборному устройству с позиции производства и выполнения комплекса природоохранных мероприятий водных ресурсов 35
2.2 Конструктивные особенности исследуемого грунтоэаборного устройства 37
2.3 Взаимосвязь конструктивных параметров грунтозаборного устройства с технологическими параметрами забоя и режимом работы земснаряда 47
2.4 Анализ экономической эффективности применения нового грунтозаборного устройства на озере Рукавское Владимирской области 55
Выводы 56
3. Новые технологические решения разработки месторождений сапропелевых илов
3.1 Технологическая характеристика гидрокомплексов разработки обводненных сапропелевых месторождений 57
3.2 Разработка сапропелей плавучими автономными модулями 69
3.3 Технология обеспечения полноты выемки для ускорения сроков обезвоживания обводненных сапропелей 72
3.4 Система напорного гидротранспорта сапропелей 74
Выводы 82
4. Рациональные схемы намыва и обезвоживания сапропелей
4.1 Технология устройства и параметры карт намыва 83
4.2 Конструкция водосбросной системы карт намыва 89
4.3 Обезвоживание сапропелей как основа эффективности добычных работ 95
4.4 Ускоренная технология обезвоживания сапропелей при помощи электроосмоса 98
4.5 Технология обезвоживания сапропелей с использованием песков 108
Выводы 110
Заключение 110
Список использованных источников 113
Приложения 118
- Анализ зарубежных и отечественных технологий добычи сапропелей средствами гидромеханизаыии
- Конструктивные особенности исследуемого грунтоэаборного устройства
- Технология обеспечения полноты выемки для ускорения сроков обезвоживания обводненных сапропелей
- Ускоренная технология обезвоживания сапропелей при помощи электроосмоса
Введение к работе
Интерес к сапропелю не нов. Он возник еще в 1915 году,когда по инициативе академиков Н.С. Курнакова, В.И. Вернадского была создана комиссия по изучению естественных, производительных сил РоссгацТСЕПС). К началу 1919 года в составе КЕПС был образован Сапропелевый комитет, основной задачей которого являлось систематическое исследование и изучение сапропелитов, их месторождений, свойств и составных частей, способов получения из них полезных веществ и технического применения .
Тем неменее следует считать, что до настоящего времени освоение месторождений озерных сапропелей в России находится в самой начальной стадии. Вместе с тем уже сейчас известно несколько результативных направлений использования сапропелей и продуктов их переработки. Определенное повышение интереса к сапропелю связано, в частности, с тем, что в России горнодобывающая промышленность значительно снизила объемы добычи сырья на минеральные удобрения, и определенная добавка, восполняющая этот дефицит, может быть реализована за счет добычи сапропеля. Как правило, разработка полезных ископаемых приводит к значительному дисбалансу экологического равновесия и отрицательно воздействует на окружающую среду. Нарушается гидрологический режим в районах ведения горных работ, образуются значительные выемки в земной коре, происходит значительное загрязнение атмосферы, И лишь добыча сапропеля может соответствовать требованиям Закона " О Недрах ", который предусматривает рациональное природопользование. При разработке сапропелевых месторождений ведется добыча преимущественно органического вещества комплексного состава с возможностью многоцелевого использования, осуществляется очистка озер с восстановлением гидрологического режима, обеспечивается возможность рыборазведения в очищенных водоемах.
В общей проблеме освоения ресурсов сапропелей для различных направлений использования наиболее важным является вопрос создания и применения рациональных технологий их добычи и переработки.
Опыт разработки сапропелей землесосными снарядами показал, что достижение более высокой производительности, выполнение требований экологии по охране окружающей среды (водных ресурсов) и других показателей добычи и укладки сапропелей, в основном зависят от грунтозаборного устройства, которым оборудован земснаряд, Поэтому исследование процессов выемки сапропелей, установление взаимосвязей параметров грунтозаборного устройства с технологическими параметрами забоя с установлением области их рациональных значений (оптимальных), является актуальной научной задачей. Целью работы является решение задачи по повышению производительности землесосных снарядов, на основе исследования производственных процессов при разработке землесосными снарядами обводненных сапропелевых месторождений с использованием нового грунтозаборного устройства.
Научная идея заключается в наиболее эффективном использовании средств гидромеханизации в различных условиях залегания обводненных сапропелевых месторождений, рациональном использовании водных ресурсов и создании экономической безопасности за счет внедрения нового грунтозабора и в разработке новой технологии для добычи сапропеля естественной влажности с использованием добычного устройства
модульного типа, обеспечивающего весь технологический процесе от
добычи до расфасовки.
Основные научные положения, разработанные автором и новизна:
-установлена зависимость параметров грунтоэабора с технологическими
параметрами забоя, на основе которой разработано новое устройство
забора грунта, позволяющего сохранять водные ресурсы и снизить
экологическое воздействие на окружающую среду;
-диаметр дисковых ножей нового грунтозаборного устройства прямо
пропорционален производительности земснаряда по грунту и обратно
пропорционален скорости перемещения земснаряда;
-использование нового грунтозаборного устройства позволит формировать
гидросмесь в диапазоне 90-96% влажности, повысить среднечасовую
производительность земснаряда в два раза, а также увеличить надежность
и ресурс работы самого грунтозаборного устройства в среднем в два раза;
-новое грунтозаборное устройство земснаряда наиболее целесообразно
использовать при' разработке обводненных месторождений сапропеля
секторными участками послойно с шириной отрабатываемой ленты равной
шесть метров;
-внедрение разработанной технологии модульного типа, позволит вести
добычу сапропеля естественной влажности, на борту модуля готовить
продукцию соответствующую требованиям заказчика и сократить до
минимума капитальные затраты на берегу.
Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные автором
обоснованы и подтверждены:
-научными исследованиями, базирующимся на базовых положениях
гидромеханизированной разработки обводненных месторождений
сапропеля;
-результатами проектных проработок рекомендуемых решений;
-внедрением в производство целого ряда объектов по добыче сапропеля,
созданных трестом " Энсргогндромеханизацая " ( оз . Рукавское
Владимирской области, оз. Жарки Тверской области, оз. Неро
Ярославской области, оз. Заликовье Тверской области, оз. Круглое
Московской области);
-результатами изучения физико-механических свойств и качеств сапропеля
ряда озер Российской Федерации.
Совокупность названных положений является решением проблемы по эффективным технологиям разработки, укладки и обезвоживания сапропеля с использованием средств гидромеханизации. Научное значение работы.
l.Ha основании анализа горногеологических условий залегания озерного сапропеля, опытных данных, проведенных и имеющихся научных исследований, разработана новая конструкция грунтозаборного устройства, позволяющая значительно повысить производительность землесосного снаряда и обеспечить охрану водного бассейна разрабатываемого месторождения.
ЇУстановлена^з^аимосвязь параметров грунтозаборного устройства с технологическими параметрами забоя разрабатываемого уступа. 3. Выполнена взаимоувязка процессов выемки, укладки и обезвоживания на базе новых технологических решений, обеспечивающая выполнение требований экологии по охране окружающей среды, повышение производительности труда и урожайности сельскохозяйственных угодий.
4.Внедрение разработанной технологии модульного типа, позволит вести добычу сапропеля естественной влажности. Практическое значение работы.
1 .Установлены параметры предлагаемого грунтозаборного устройства. 2.Получсны расчетные формулы соотношения общей ширины грунтозаборного устройства с длиной вала, высотой входной щели всасывающего .наконечника.
3.Результаты исследований являются основой рекомендаций выполненных
проектов разработки ряда месторождений озер Российской Федерации.
Реализация выводов и рекомендаций диссертационной работы.
Результаты выполненных исследований использованы ПК
'Тидромехпроект" треста "Энергогидромеханиэация" при
проектировании ряда объектов по добыче сапропеля в Тверской, Владимирской, Ярославской и Московской областях. Объекты создавались и эксплуатировались совместно с агрохимическими объединениями, создавались лаборатории, которые вели наблюдения за изменением плодородия почв, урожайностью. Алробащы диссертационной работы.
Результаты исследований на различных этапах были рассмотрены и одобрены в тресте " Энергогидромеханизация*'на техсовете треста( Москва 1989год) и на техническом совещании инженерно-технических и научных работников " Четвертой Республиканской научной конференции " (Минск 29-30 сентября 1992 года ), На Первом Съезде гидромеханизаторов России (Москва, МГТУ, 15-17 апреля. 1998 года), на научном семинаре и расширенном заседании кафедры "Технология, механизация и организация открытых горных работ" Московского государственного горного университета (протокол №4 от 21 октября 1998 года).
Вопросами применения гидромеханизации на разработках обводненных месторождений сапропеля автор занимается с 1982 года, под его руководством и с его участием выполнен ряд проектов по рассматриваемому вопросу, а также написан ряд обзорных и научных статей.
Результаты проведенных исследований реализованы в промышленности, а также используются в учебном процессе " Открытые горные работы ". Публикации. По теме диссертации опубликованы три печатные работы, получено два авторских свидетельства на изобретения России. Объем диссертационной работы. Диссертационная работа изложена на 120 страницах машинописного текста, который состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 18 рисунков, & таблиц, список использованных источников из 68 наименований и приложений.
Автор выражает глубокую признательность коллективу кафедры "Технология, механизация и организация открытых горных работ" Mil У за доброжелательную критику и внимание к диссертационной работе и благодарит всех участников исследований и внедрения результатов.
Анализ зарубежных и отечественных технологий добычи сапропелей средствами гидромеханизаыии
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 (цобыча-транспорт-намыв). К настоящему времени изучены возможности добычи сапропеля различными средствами гидромеханизации, подобран и освоен состав машинного и другого технологического оборудования.
Для добычи салропелей применяют земснаряды производительностью от 25-40 до 400-500 мЗ/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 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-бОр, 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, мЗ/час -200 Консистенция пульпы, %; максимальная - б 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-бОр 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 мЗ, 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, мЗ/час - 50-100 Вместимость накопительного бункера, мЗ - 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 скреперовакий до полного заполнения трюма зависит от физике- 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 мЗ/час, обслуживают его 3 человека. По аналогии с земснарядом "КаЙмаани" НПО "Судоремонт" разработал самоотвозный скреперный земснаряд катамаранного типа с грузовым трюмом вместимостью 100 мЗ. Земснаряд способен разрабатывать грунты на глубине до 9.2 м при высоте волны до 0.8 м (класспОп). 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 120мЗ/час.
Конструктивные особенности исследуемого грунтоэаборного устройства
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 грунтоэабора, путем применения специальных грунтозаборных устройств, применение которых должно, в первую очередь, обеспечить выполнение Правил предохранения водных объектов от загрязнении. 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 грунтоэаборкым 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 гидромеханиэированного 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 1мЗ 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 возмущающие воздействия имеют, как правило, случайный характер, а статические и динамические характеристики объектов, входящих в гидромеханизированный комплекс изучены недостаточно, необходимо постоянное получение объективной 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 критериях (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 зашиты 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. 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 пролорцня, 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 грунтоэабора 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, а 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 щггенсификацки грунтоэабора 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.
Технология обеспечения полноты выемки для ускорения сроков обезвоживания обводненных сапропелей
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, производительность 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 мешконаполнитсльных 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 " Энергргидромеханиэация " 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 горное- 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 замутненис 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/смЗ, водопроницаемость составляет п (10 - 10 ) в горизонтальном направлении и п ( 10 - 10 ) м/с в вертикальном. Водопроницаемость сапропелей эквивалентна илам и тяжелым глинам и в среднем составляет пх 10 м/с. Согласно опытам А. Г. Мартинсона, угол естественного откоса сапропелей составляет 27- 33? В. Шмидт исследовал в полевых условиях сопротивление сапропелей сдвигу сдвнгомером - крыльчаткой и установил следующую корреляционную зависимость, связывающую величину предельного сопротивления сдвига с естественной влажностью: где w - весовая влажность, г/г Те - предельное сопротивление сдвигу» Мпа. А.А. Моркус [20] сотавил компресионное уравнение для определения осадки сапропелевых залежей при снижающей нагрузке, превышающей структурную прочность сапропелей Исследуя водно - физические и инженерные свойства сапропелей в озерах А, Я, Рубинштейн [43] пришел к выводу, что для оценки их прочностньк и деформационных, характеристик достаточно распологать данными по двум основным показателям природной влажностью н 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 сапропелн 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 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 дляК: Нижняя грашща 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 Д по w имеет вид где Д - плотность частиц грунта, г/смЗ; Эмпирический коэффициент корреляции достоверен с уровнем значимости JL 0.001. При J = 0.05 на основе преобразования Фишера для него получены доверительные границы: Нижняя граница для эмпирического коэффициента корреляции больше 0.9, следовательно, связь между параметрами Л и w может быть охарактеризована как очень тесная.
Ускоренная технология обезвоживания сапропелей при помощи электроосмоса
Современные представления о физико-химической природе элсктических явлений и коагуляции дисперстных систем. Поведение дисперсных систем, а также специфические электрокинетические явления в них служат объектом изучения интенсивного развития науки-калондной 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 1дм, 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 электрокинстнческие 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 жидкостей. 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 электрокинстических 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 иэ 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 ноны 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 (f0) и потенциала плоскости (). При больших концентрациях на первый план выступает роль сопутствующих ионов; - происходит снижение ДП вплоть до перемены знака на противоположный, Индифферентные электролиты не влияют на величину ( ft), но сжимают двойной слой, уменьшая ДП.
