Освоение месторождений озерных сапропелей

 

Сапропелями называют тонкоструктурные коллоидальные отложения водоемов с содержанием органического вещества, в пересчете на сухую массу, превышающем 15 %. Основной состав органического вещества сапропелей формируется из остатков отмирающих в водоеме растительных и животных организмов, частично пополняется поступающими с водой и приносимыми ветром органическими примесями и растворимыми соединениями.

Широкое, практически повсеместное распространение сапропеля на территории России, весьма значительные запасы (прогнозные запасы более 250 млрд м³) и свойства сапропелей позволяют говорить об их реальном использовании в сельском хозяйстве, промышленности и медицине. Особенно важно их применение в сельском хозяйстве в качестве удобрений.

Наиболее широко распространены две технологии добычи и первичной переработки сапропеля – с использованием грейферных экскаваторов и с использованием земснарядов. Оба способа являются сезонными, а процесс получения сапропеля, годного для использования, занимает от одного до двух лет.

По одной из существующих схем выемка ила производится грейферным экскаватором, который располагается на понтоне катамаранного типа, а транспортирование добытого ила - двумя баржами и буксиром. Из барж погрузчиком грейферного типа сапропель перегружается в автосамосвалы и перевозится на специальные площадки для обезвоживания и просушивания, расположенные в 100-200 м от пристани. Срок обезвоживания 1-1,5 месяца. Затем сапропель сгребают в валы для промораживания в зимний период. Для улучшения качества сапропеля производится фрезерование подсушенного слоя. После зимнего промораживания и подсушивания влажность сапропеля достигает кондиционной (60 %). Последний сгребается в валы высотой 4-4,5 м, а затем вывозится потребителю. Добычной период по такой технологии длится 8-9 месяцев, с марта по январь.

Гидромеханизированный (земснарядный) способ добычи и первичной переработки сапропеля включает следующие технологические процессы (цикл рассчитан на два года):

· выемка сапропелевой залежи земснарядом (при 3-процентном содержании сапропеля в пульпе);

· гидротранспорт пульпы по напорным пульповодам в чеки-отстойники для сгущения и высушивания до заданной влажности;

· обезвоживание в отстойниках до влажности 82 % с постоянным перемещением осветленной воды в озеро;

· промораживание ила в зимний период со снижением влажности до 75 %;

· разрыхление верхнего слоя фрезерованием;

· высушивание до влажности 60-70 %;

· сгребание в валы, погрузка и транспортирование к местам компостирования с навозом или непосредственно потребителю и на поля.

Необходимо подчеркнуть, что разработка озерных залежей сапропеля, особенно при совершенствовании существующих и создании новых технологий, является практически единственным случаем, когда добыча полезного ископаемого сопровождается в основном позитивными экологическими последствиями: добывается органоминеральное удобрение для сельского хозяйства и сырье для других отраслей, происходит очистка водоемов с некоторым восстановлением гидрологического режима прилегающих территорий и возобновлением деятельности озер как водоисточников, возникает возможность рыборазведения, обеспечиваются предпосылки создания рекреационных зон.

Однако все эти положительные результаты могут быть получены при максимально возможном выполнении требований экологии и рационального использования природных ресурсов при эксплуатации подводных месторождений. В связи с этим, в начальной стадии, предшествующей широкому освоению месторождений сапропелей, укрупненно (и в определенной степени условно) их можно разделить на три большие группы:

· Погребенные месторождения сапропелей, главным образом месторождения погибших озер. Залежь сапропеля покрыта торфяниками. Разработка таких месторождений осуществляется экскаваторами открытым способом со всеми его общеизвестными преимуществами и недостатками.

· Месторождения озер, потерявших свое рыбо- и водохозяйственное значение. Слой воды над иловой залежью 0,5-1,0 м. С точки зрения технологии добычных работ, здесь могут быть использованы любые существующие и разрабатываемые методы добычи и первичной переработки сапропеля. Однако их выбор обусловлен технико-экономическим анализом каждой схемы, а также требованиями экологии для каждого конкретного случая.

· Месторождения озер, имеющих рыбо- и водохозяйственное значение со сбалансированной флорой и фауной. Удаление определенной части объема сапропеля позволяет улучшить экологическое состояние озер и эффективно утилизировать донные осадки, т.е. рационально использовать природные ресурсы. Основным требованием при разработке таких месторождений является недопустимость нарушения сплошности верхней зоны сапропелевой залежи и распространения в воде облака взвеси при осуществлении добычных работ. Это требует создания новых методов добычи и первичной переработки сапропелей с целью избежать существенных изменений абиотических и биотических характеристик пресноводных водоемов. Очевидно, что разработка подводной залежи сапропеля с уровня ее кровли в этом случае невозможна и это практически исключает использование стандартной экскаваторной и земснарядной техники и соответствующей ей технологии производства добычных работ. Добычные работы можно производить только непосредственно из толщи сапропелевой залежи. На первой стадии рационального освоения озерных месторождений по новым технологиям можно говорить о разработке илов текучей и, частично, вязкотекучей консистенции без их предварительной подготовки к выемке в подводном забое.

Следует отметить, что сапропели относятся к слабым органо-минеральным грунтам. По данным ученых Белоруссии, в озерах этой страны преобладают сапропели жидко- и вязкотекучей консистенции (около 90 %). Илы пластичной консистенции составляют около 9 %, а полутвердой – всего 1 % общего объема выявленных запасов. Исследования по озерам Тверской области РФ дают примерно такие же результаты.

Особый интерес, и это особенно важно для создания новых технологий, представляет степень подвижности сапропеля под покрывающим его слоем воды. Сапропель естественной влажности в выемках неустойчив, и углы его откосов обычно менее 3°. Показатель консистенции для сапропелевых отложений не превышает 3,4-3,7, и это также указывает на их текучесть. По мнению специалистов ВНИИГИМ, водонасыщенные малосвязные сапропели можно разрабатывать свободным всасыванием без предварительного рыхления. Эти свойства текучих сапропелей явились решающим условием при создании новых технологических схем:

1. Разработка погружными грунтовыми насосами с максимально возможным по длине илозаборным пульповодом. Возможны два варианта расположения грунтового насоса: на некотором расстоянии от уровня воды в озере и на некотором расстоянии ниже уровня водоема.

Для первого варианта максимальная длина всасывающего пульповода рассчитывается по выражению (рис.20):

,

где – допустимый вакуум перед грунтовым насосом; – ускорение свободного падения; - коэффициент Дарси; - диаметр всасывающего пульповода; – скорость течения сапропеля во всасывающем пульповоде.

Рис.20. Разработка сапропеля погружными грунтовыми насосами с максимально возможным по длине илозаборным пульповодом   1 – слой покрывающей воды; 2 – ил текучей консистенции; 3 – грунтовый насос; 4 – напорный пульповод; 5 – аккумулирующая емкость; 6 – всасывающий пульповод максимальной длины; 7 – уплотненный ил; 8 – нижний уровень ила текучей консистенции     Рис.21. разработка сапропеля скважиной со сложной пространственной траекторией   1 – слой воды над иловой залежью; 2 – береговой технологический ангар; 3 – аккумулирующая емкость; 4 – прямолинейный участок добычной скважины; 5 – криволинейные участки добычных скважин; 6 - нижняя граница текучего сапропеля

Пренебрегая высотой расположения грунтового насоса над уровнем водоема, получим для первого варианта

,

для второго варианта

,

т.е. грунтовый насос здесь работает в более выгодном режиме (работа с подпором), что позволяет увеличить длину .

2. Разработка скважиной со сложной пространственной ее траекторией (рис.21). В СПГГИ разработана и испытана оригинальная буровая установка с силовым вертлюгом-вращателем. Созданный экспериментальный образец установки позволил успешно пробурить серию горизонтальных и наклонных скважин диаметром 214,5 мм длиной от 300 до 700 м со сложными пространственными траекториями. Для бурения и последующего разбуривания пилотной скважины до 300 мм можно успешно использовать отечественное оборудование для геолого-разведочных работ, для скважин большего диаметра - зарубежную, в частности японскую технику.

Основные расчетные фор­мулы аналогичны схеме 1.

В процессе селективной выемки ила различного качественного состава использованные криволинейные участки скважины перекрываются цементными проб­ками, а основная скважина проходится на очередной горизонт разрабатываемой толщи сапропеля и заканчивается следующим искривленным участком.

3. Работа по схеме шурф – скважина. Согласно этой техно­логической схеме (рис.22) вначале проходится накопительный шурф, а затем из него вскрывающая горизонтальная скважина к нижней границе – почве толщи текучего сапропеля. Основная расчетная формула для определения потерь напора в скважине, являющейся пульповодом для сапропеля, имеет вид

Рис.22. Добыча сапропеля по схеме шурф – скважина   1 - нижняя граница текучего сапропеля; 2 – слой воды; 3 –скважины (пакет скважин); 4 – накопительный шурф; 5 - технологический ангар

,

где - потери напора; - начальное напряжение сдвига; – плотность сапропеля; и – длина и диаметр скважины соответственно.

Время заполнения накопительного шурфа самотеком

,

где - расход пульпы, зависящий от диаметра и количества скважин-пульповодов.

Из шурфа ил удаляется насосом.

4. Разработка погружными илозаборными агрегатами (рис.23). Погружной илозаборный агрегат имеет гибкую связь (на тросах) с несущим понтоном. В качестве его привода рационально использовать гидродвигатель, компактно сагрегированный с грунтовым насосом. Гидродвигатель позволяет плавно регулировать частоту вращения рабочего колеса насоса.

Рис.24. Расположение погружного илозаборного агрегата в толще иловой залежи   1 – толща воды; 2 - ил текучей консистенции; 3 - слой ила с пониженным содержанием органики; 4 – илозаборный патрубок; 5 – рабочая камера насоса; 6 – электро- или гидродвигатель
Рис.23. Разработка сапропеля с применением погружного илозаборного агрегата   1 – береговой понтон; 2 – промежуточный понтон; 3 – настил на понтонной трассе; 4 - технологический блок; 5 – погружной илозаборный агрегат; 6 - несущие понтоны на автотрассе; 7 – ил текучей консистенции; 8 – слой воды; 9 – донные якоря

При разработке илов текучей консистенции целесообразно изменить расположение грунтозаборного агрегата в толще иловой залежи (рис.24). Грунтозаборник ставится вертикально, вверх срезом, так что ил постоянно под собственным весом и давлением вышележащих слоев поступает в рабочую камеру грунтового насоса. Ниже располагается гидродвигатель. Для интенсификации процесса илозабора агрегат может быть снабжен рыхлителем спирального типа, установленным на продолжении вала рабочего колеса, или вибронаконечником в виде пространственной решетки. Подобный илозаборный агрегат позволит осуществлять достаточно строгую селективную выемку ила.

Перевозка добытого и обезвоженного на месте сапропеля может осуществляться, в качестве варианта, по понтонной трассе.

5. Разработка с использованием погружного илозаборного колодца. По предлагаемой схеме (рис.25) железобетонный колодец диаметром опускается в толщу сапропеля на глубину, которая определяется прочностными характеристиками ила данного месторождения.

Рис.25. разработка сапропелевой толщи с использованием погружного илозаборного колодца

При наибольшем перепаде уровней ила в озере и колодце расход через впускное отверстие

,

где – коэффициент расхода, = 0,8; - диаметр регулируемого впускного отверстия; - высота слоя воды над сапропелевой залежью; - плотность воды; - расстояние от уровня ила до центра впускного отверстия.

Время наполнения колодца до нижней кромки впускного отверстия

,

где Н ₁ - нижняя граница сапропеля текучей консистенции (условная, учитывая плавное изменение консистенции сапропеля по мере его минерализации и увеличения глубины).

Разрабатываемые технологии в значительной степени устраняют технологические и экологические недостатки экскаваторной и земснарядной разработки озерных сапропелей.