Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

ESTIMATION OF LIMIT VALUES OF DEHYDRATION’S LAYER HEIGHT DURING FIELD ENRICHMENT OF PEAT IN HIGH SEASON OF QUARRYING

Kremcheev E.A. 1
1 Mining University
Проведены теоретические и экспериментальные исследования торфа в приложении к технологиям метенезависимой добычи и полевого обогащения торфяного сырья. Показана возможность теоретической оценки коэффициентов влагопроводности различных типов и видов торфяного сырья от предельной высоты навала через изменение коэффициента фильтрации. Исследования проведены для различных типов и видов торфа с учетом степени разложения, пористости, интенсивности потока влаги. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований рекомендуются к использованию разработанные теоретические подходы для выбора и оценки эффективности технологических решений полевого обогащения торфяного сырья.
Theoretical and experimental researches for peat are carried out in addition to technologies of weather independent mining and field enrichment of peat raw materials. Possibility of theoretical hydraulic conductivity coefficients’ estimation for various types and kinds peat raw materials depended on ceiling bulk through filtration coefficient change is shown. Research is carried out for various types and kinds in consideration of degree of dissolution, pore content, intensity of flow moisture. The developed theoretical approaches are recommended to use for choice and estimation of efficiency of technological concepts field enrichment of peat raw materials on the basis of carried out theoretical and experimental researches.
filtration
field enrichment
peat
mining operation

При изучении влагопроводности переувлажненной торфяной залежи нарушенной структуры под действием гравитационных и капиллярно-осмотических сил создаются условия, когда , при которых интенсивность потока влаги стремится к нулю (), а высота слоя торфа стремится к предельной (минимальной) при соответствующем значении эффективного радиуса пор . После достижения навалом торфа критической высоты обезвоживание прекращается, и для дальнейшего удаления влаги требуется механический отжим сырья или проведение операций по сушке торфа (полевая сушка или сушка в заводских условиях).

Данная работа выполняется в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы, и является продолжением статьи [5], где были представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований влагопроводности нарушенного торфяного массива без учета потери влаги в результате испарения.

В результате выполненных исследований выявлено, что при мкм , т.е. водопоглощение стремится к минимальной величине. В нашем случае этому соответствует высота навала торфа 0,692 м при температуре К. При этом полагаем, что обезвоживание и водопоглощение для модели пористого тела отличаются только направлением потока влаги. Более надежными будут результаты, полученные при использовании реальных сред. В этой связи в формулу для , полученную из условия , необходимо ввести коэффициент , учитывающий особенности структуры и косвенно отражающий сопротивление переноса влаги:

. (1)

где , – экспериментальные и теоретические значения критической толщины слоя торфа. Выражение (1) можно записать и для текущих значений высоты слоя, подверженного осадке,.

Поэтому формула для интенсивности потока влаги в торфе принимает вид:

, (2)

где – эффективный коэффициент влагопереноса; – коэффициент влагопроводности; – эмпирический коэффициент, зависящий от характеристик торфяного сырья, уточняющийся из результатов конкретных экспериментальных исследований: , таким образом, для реальных сред значения и интенсивность влагопереноса будут меньше по сравнению с теоретическими значениями, полученными для капиллярной модели:

(3)

Теоретическая оценка коэффициента влагопроводности осуществляется на основе использования следующего уравнения:

, (4)

где при заданных постоянных значениях и , и определяется из углового коэффициента зависимости .

Использование преобразованного уравнения (4) сводится к теоретической оценке , а вычисляется через максимальное значение коэффициента фильтрации (м/с), , для начального состояния нарушенной, переувлажненной торфяной залежи или экспериментально определяется для различных условий обезвоживания. Величина в уравнении будет отражать максимальное значение потока влаги. Следовательно, возможно получить максимальную величину коэффициента влагопроводности .

. (5)

После преобразования получаем дифференциальное уравнение вида:

, (6)

где , м2с/кг(в). – характеризует обратную величину интенсивности влагопереноса.

Разделим переменные и проинтегрируем (6), в результате окончательно получим, что

, (7)

где индексы 1 и 2 соответственно отражают минимальную (начальную) и максимальную (текущую) величину параметра.

Зависимость (7) подобна уравнению связи коэффициента фильтрации с коэффициентом пористости , которая для малых перепадов давления в торфяной залежи имеет вид [2]:

, (8)

где (, ) – начальные, а (, ) – текущие значения параметров.

Коэффициент пористости связан с общей пористостью .

Коэффициент – характеризует уменьшение водопроницаемости (в нашем случае влагопроводности) торфа при его уплотнении (уменьшении эффективного радиуса пор), и в зависимости от состава и структуры торфа принимает значения в диапазоне от 1 до 3. С ростом степени разложения и уменьшением значения возрастают [3]: , .

В нашем случае последнее уравнение отличается коэффициентами . Это вызвано меньшей выборкой данных (таблица 1) по сравнению с [3].

Таблица 1 – Изменение характеристик влагопереноса различных типов и видов торфа

№ п/п

 

Тип / вид торфа

 

Сте-пень разло-жения , %

Полная влагоемкость

Коэф-фициент фильтра-ции

, м/с

Интен-сивность влагопе-реноса

, кг/м2с

Общая порис-

тость

Коэф-фициент порис-

тости

Коэф-фициент влаго-провод-ности

, с

Фильтра-

ционный показа-

тель

, б/р

 

 

, кг(в)/кг(с)

 

, %

Низинный

1

Древесно- осоковый

36

9,4

90,4

2,51

0,27

0,904

9,4

0,255

0,96

0,106

2

Осоково - гипновый

22

11,7

92,1

3,36

0,36

0,921

11,7

0,342

0,43

0,085

3

Осоковый

28

10,4

91,2

1,99

0,21

0,912

10,4

0,203

0,61

0,096

4

Гипновый

26

10,4

91,2

1,42

0,15

0,912

10,4

0,145

0,54

0,096

Переходный

5

Древесно- осоковый

39

9,8

90,7

2,07

0,22

0,907

9,8

0,211

1,14

0,102

6

Шейцерие-

вый

26

10,7

91,4

1,83

0,2

0,914

10,7

0,187

0,54

0,093

7

Древесный

44

7,6

88,4

4,18

0,45

0,884

7,6

0,426

1,51

0,131

8

Древесно- сфагновый

35

8,9

89,9

2,05

0,22

0,899

8,9

0,209

0,904

0,112

9

Осоково- сфагновый

28

11,1

91,7

0,65

0,07

0,917

11,1

0,066

0,61

0,09

Верховой

10

Шейцерие-во-сфагно-вый

23

10,3

91,2

0,46

0,05

0,912

10,3

0,047

0,456

0,097

11

Пушицево- сфагновый

31

11,2

91,8

0,44

0,047

0,918

11,2

0,045

0,72

0,089

12

Сосново – пушице-вый

39

11,2

91,8

0,023

0,0025

0,918

11,2

0,002

1,14

0,089

13

Магел-ланикум

16

13,5

93,1

0,72

0,077

0,931

13,5

0,073

0,31

0,074

Примечания: плотность жидкости принята по [6] для , кг/м3.

Следовательно, коэффициенты и подобны, т.к. оба в конечном счете связаны с интенсивностью влагопереноса и его изменением из-за варьирования эффективных радиусов пор и критической высоты слоя , создающего давление на структуру торфа. Как правило, с ростом (а, следовательно, и давления) размер пор уменьшается (рис. 1) [4].

Рис. 1. Зависимость осадки и критической толщины от высоты слоя обезвоживания и радиуса пор без испарения и с его учетом для верхового шейцериево-сфагнового торфа, %, , .

Выражение (8) можно записать через интенсивность влагопереноса :

, (9)

где , . Этот подход позволяет оценить коэффициенты влагопроводности для нарушенной структуры торфа без учета испарения влаги.

Анализ формулы (4) показывает, что для , , , . Тогда будет связан одновременно и с радиусом пор (таблица 1 [4]). Оценим взаимосвязь коэффициента влагопроводности с фильтрационными свойствами торфа. Для этого решим уравнение (7) относительно , приравняем его к уравнению (9) и упростим полученные выражения, разложив экспоненциальную функцию в ряд и воспользовавшись ее первыми двумя слагаемыми. С учетом того, что получим:

, (10)

. (11)

Таким образом, можно оценить влагопроводность и через изменение коэффициентов фильтрации на начальном и конечном этапах обезвоживания при условии:

, , (12)

где – интенсивность испарения с влажной поверхности торфа.

С учетом формул (3) и (10) следует, что максимальный коэффициент влагопроводности можно записать как:

, . (13)

Таким образом, коэффициент влагопроводности должен иметь минимум (рис. 2) с ростом (степени разложения, рис. 1) и уменьшением коэффициента пористости . Изменение показано в таблице 1 в зависимости от типа, вида и степени разложения торфа, коэффициента пористости , полной влагоемкости и интенсивности влагопереноса .

Анализ таблицы 1 показывает, что максимальное значение коэффициента влагопроводности для верхового типа торфа принимает наименьшие значения (с) по сравнению с переходным (с) и низинным (с) и убывает с ростом степени разложения (рисунок 2).

В пределах каждой группы торфов (табл. 1, рис. 2) растет при . При меньших значениях степени разложения величина коэффициента влагопроводности убывает с ростом степени разложения . В частности, для сосново-пушициевого торфа значение (), а для магелланикума () при соответствующих коэффициентах пористости , равных 11,2 и 13,5, т.е. укладываются в те пределы, которые даны в [3] для различных групп водопроницаемости (высокой , средней , низкой ). Поэтому для одного типа торфа характеристики влагопроводности будут так же изменяться, как и фильтрационные характеристики (), т.е. будут иметь минимум (рис. 2).

Следовательно, основными факторами, влияющими на влагоперенос, являются степень разложения, изменяющаяся 2,43 раза, коэффициент пористости, изменяющийся в 1,2 раза и коэффициент влагопроводности, изменяющийся в 36,5 раза (таблица 1, позиции № 12, 13). Таким образом, верховой тип торфа составляет исключение в связи с резко выраженной неоднородностью структуры из-за возможного наличия пограничного горизонта повышенной степени разложения, чередующегося с обычной структурой пониженной . Даже при одинаковой (например, позиции 5 и 12 таблицы 1), но разного типа и вида значения отличаются в 100 раз, что имеет место и в отношении коэффициентов фильтрации и интенсивности при мало изменяющихся и . Это обстоятельство обусловлено уменьшением градиента перепада давлений [4] за счет снижения капиллярного давления вследствие гидрофобизации твердой фазы, обладающей повышенным содержанием битумов [2; 4]. В воде торфа верхового типа содержатся также различные растворенные органические вещества: моносахариды, пентозы, уроновые и гуминовые кислоты, битумы, высоко- и низкомолекулярные органические и минеральные вещества. Последние могут находиться в коллоидном, молекулярном и ионном состояниях [6]. Эти особенности структуры твердой и жидкой фаз приводят к уплотнению торфа, который относится к легкодеформируемым системам. Даже при давлении кПа [3] происходит осадка торфа, что приводит к повышению сопротивления (формула (5)) потоку влаги.

Следовательно, с ростом степени разложения уменьшается размер капилляров (пор). Это обстоятельство способствует проявлению капиллярно-осмотических и поверхностных сил, что приводит к вариации значений. Данные обстоятельства приводят к вариации значений (рис. 2). По аналогии с коэффициентом фильтрации [3] она составляет от 10 до 60%.

Для переходного и низинного типов торфяной залежи граничные величины при максимальной и минимальной степени разложения показаны в таблице 1. Значения показателя укладываются в те же пределы, что и для верхового типа при возросших коэффициентах влагопроводности (10….100 раз) и незначительно отличающихся коэффициентах пористости ( для переходного типа; для низинного типа) по сравнению с верховым (). Значит, за влагопроводность в большей степени несет ответственность состав переносимой влаги, при мало изменяющихся характеристиках твердой фазы. Это обстоятельство подтверждается физико-химическими свойствами дисперсионной среды переходного и низинного типов [2; 4].

Так, минерализация воды верховых торфяных залежей составляет 40-70 мг/л, а для переходного и низинного она соответственно возрастает в 1,8-2,6 раза и 4,2-10 раз. Преобладающим в минеральной части является кальций и его водорастворимые соединения. Кальций относится к основным структурообразователям торфа, обеспечивающим изменения размеров пор. Катионы кальция определяют и биохимический процесс. Они нейтрализуют кислотность. Причем ионообменные процессы протекают в основном в кислой среде, так как pH<7. Значения pH болотных вод возрастают от верховых к переходным и низинным типам торфяных залежей, т.е. с уменьшением их кислотности, что соответствует и большему содержанию кальция (до 15-85 мг/л) в низинных по сравнению с верховыми болотными водами (до 15 мг/л).

Рис. 2. Зависимость максимальной интенсивности влагопереноса и коэффициента влагопроводности от степени разложения торфяной залежи нарушенной структуры без учета испарения для верхового, низинного и переходного типов торфа при .

Особенностью интенсивности влагопереноса служат зависимости (рис. 2). Для верхового типа залежи она линейная

, (14)

где кг/м2с, – угловой коэффициент зависимости (14), кг/м2с%. Для переходного и низинного типов торфа эта зависимость имеет минимум при . Минимум имеет роль обобщенной точки при . Назовем ее средней эффективной связующей степенью разложения , исходя из которой можно выйти на любой тип торфа: , кг/м2с. При этом для верхового типа при , кг/м2с (экстраполированное значение), а для переходного и низинного типа оно значительно больше (рис. 2). С увеличением для верхового типа , из-за проявления реологических свойств воды: роста предельного напряжения сдвига и плотности связанной воды [1] с уменьшением размеров пор. Для переходного и низинного типов стремится к константе с неявным проявлением границы, из-за роста коэффициента сопротивления переноса влаги.

В связи с изложенным можно отметить, что при фильтрационном равновесии (, , ) количество оставшейся влаги в навале и будут коррелировать с коэффициентами влагопроводности, пористости, размеров пор, высоты навала торфа, т.е. в верховом типе торфяного сырья масса оставшейся влаги будет больше переходного и низинного . Эта особенность изменения влагопроводности подтверждается экспериментальными данными по оценке осадки, критической толщины навала в зависимости от начальной толщины шейхцериево-сфагнового торфа и изменения , что соответствует теоретическим данным, рассмотренным выше.

Это обстоятельство и определяет дальнейший набор технологических приёмов по обезвоживанию торфа при непрерывном производстве разнообразной качественной продукции.

Удовлетворительная сходимость экспериментальных данных с результатами проведенных теоретических исследований позволяет рекомендовать используемые теоретические подходы при выборе и оценке эффективности вновь предлагаемых технологических решений по полевому обогащению торфяного сырья, что обеспечит значительную экономию временных и материальных ресурсов при проектировании торфяных предприятий с расширенным сезоном добычи торфа, осуществляющих добычу торфяного сырья повышенной влажности.

Автор выражает искреннюю признательность профессору ТГТУ Афанасьеву Алексею Егоровичу за оказанную методическую помощь и ценные консультации при проведении теоретического этапа исследований.

Рецензенты:

Пашкевич Мария Анатольевна, профессор, директор ЦКП, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург.

Михайлов Александр Викторович, профессор кафедры машиностроения, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург.