Электронный научный журнал
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

ОПТИМИЗАЦИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ ТОРФА И ТОРФЯНИКОВ

Асатрян В.А. 1 Белозеров В.В. 1 Быков Д.А. 1
1 ФГБОУ ВО «Донской государственный университет»
В статье проведен системный анализ проблем, связанных с исследованием торфяных залежей, с их разработкой, хранением и применением торфа, в т. ч. с его способностью к саморазогреву. Показано, что тушение торфяных пожаров водой лишает возможности эксплуатировать торфяные месторождения, то есть практически уничтожает этот энергетический ресурс. Предложена модель автоматизированного комплекса обнаружения, предотвращения и тушения пожаров существующими газовыми торфяными стволами, которые дорабатываются в термоэлектрозонды, и позволяют подавить процесс самовозгорания торфа с помощью азота, получаемого методом мембранной сепарации воздуха мобильной установкой ТГА-5/10, выпускаемой Краснодарским компрессорным заводом, защищенной отечественным патентом на промышленный образец. Методология исследования базируется на новом отечественном способе "азотирования" торфа, который защищен патентом России на изобретение. Новизна исследования заключается в том, что при разработке модели мобильного автоматизированного комплекса, помимо тепловой локации и подавления очага саморазогрева торфа газоторфяными стволами термозондами, предлагаемого в указанном патенте России, синтезирована схема вертикального электрозондирования торфяника, путем соответствующей доработки газоторфяных стволов в термоэлектрозонды. При этом, для достоверного обнаружения очага саморазогрева используется метод 4-х точечной пассивной локации (разностно-дальномерной с базово-корреляционной обработкой), которая значительно достовернее метода триангуляции.
торф
самовозгорание торфяников
термо-электро-зондирование
тепловая локация
очаг самовозгорания
сепарация воздуха
азотирование торфа
1. Тюремнов С. Н. Торфяные месторождения - М.: «Недра», 1976. -182с.
2. Торф: возгорание торфа, тушение торфяников и торфокомпозиты / Л.Б. Хорошавин, О.А. Медведев, В.А. Беляков, Е.В. Михеева, В.С. Руднов, Е.А. Байтимирова - М.: ФГБУ ВНИИ ГОЧС МЧС России, 2013. -256 с.
3. Воробьев Ю. Л. Лесные пожары на территории России: Состояние и проблемы / Ю. Л. Воробьев, В. А. Акимов, Ю. И. Соколов; Под общ. ред. Ю. Л. Воробьева - М.: ДЭКС-ПРЕСС, 2004. — 312 с.
4. Самовозгорание торфа / Горная энциклопедия [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.mining-enc.ru/s/samovozgoranie-torfa (дата обращения: 04.05.18)
5. Система тушения лесоторфяных пожаров с использованием мотопомпы "ГЕЙЗЕР" и специального торфяного ствола игра [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.systempro.ru/tovar/system/ (дата обращения: 04.05.18).
6. Белозеров В.В., Нестеров А.А., Плахотников Ю.Г., Прус Ю. В. Метод и автоматизированный комплекс обнаружения, предотвращения и тушения торфяных пожаров //Технологии техносферной безопасности. – 2010.- № 5 (33). – 15 с. [Электронный ресурс]. URL: http://ipb.mos.ru/ttb/ (дата обращения: 05.05.2018).
7. Белозеров В.В., Ворошилов И.В., Кальченко И.Е., Мальцев Г.И., Плахотников Ю.Г., Прус Ю.В., Олейников С.Н. Способ предотвращения или обнаружения и тушения торфяных пожаров и установка для реализации способа // Патент России № 2530397, 10.10.2014, Бюл. № 28.
8. Белозеров В.В., Олейников С.Н., Белозеров В.В. Метод азотирования торфа и средства его противопожарной защиты //Успехи современного естествознания. – 2015. – № 10 . – С. 7-10.
9. Голосной А.А. Автоматизированный комплекс «азотирования» торфа // Материалы VIII Международной студенческой электронной научной конференции «Студенческий научный форум»: сайт - URL: https://www.scienceforum.ru/2017/pdf/30226.pdf (дата обращения: 05.05.2018).
10. Ворошилов И.В. Передвижная станция компрессорная азотная //Патент на промышленный образец № 102768, 27.03.2017, Бюл. № 3.
11. Устройство программного управления TREI-5B-05 /Руководство по эксплуатации TREI.40072854.501 РЭ (Version 3.4 / 16.04.2013) – Пенза: TREI GmbH, 2013. – 303 с.
12. Хасанов Д.И. Введение в электроразведку: пособие для слушателей курсов повышения квалификации по специальности «Геофизика». – Казань: КГУ, 2009. - 75 с.
13. Марченко М.Н. Вертикальное электрическое зондирование /под ред. проф. Модина И.Н. – М.: МГУ, 2013. -30с.
14. Поздняков Е.К. Методы определения координат в многопозиционных пассивных комплексах с использованием избыточной информации: дисс ... канд. тех. наук (05.12.17) – Донецк, Украина (ИПММ НАН), 2015. – 184с.

Торф является возобновляемым природным ископаемым. Мировой ресурс торфа, по оценкам экспертов составляет от 250 до 500 млрд. тонн. При этом ежегодно в мире образуется почти 3,0 млрд. кубометров торфа, что на два порядка (!) больше, чем используется [1,2].

Советский Союз являлся первой страной в мире по учтенным запасам торфа в количестве 200 млрд. т, в том числе в России - 154,6 млрд. т., со следующим распределением по типам: верховой торф составляет 81,7 млрд. т, переходной - 23,4 млрд. т, низинный - 44,7 млрд. т и смешанный - 4,7 млрд. т [2].

Сегодня лидером по запасам торфа является Канада, где сосредоточено 170 млрд. Далее следуют – Россия, Швеция, Финляндия, Германия, Белоруссия и т.д. При этом прирост запасов торфа оценивается в среднем в 150 тысяч тонн на каждые 1 млрд. тонн запасов, поэтому в ряде стран торф относится к энергоресурсам, как биотопливо, и теплоэлектростанции на нем вносят существенный вклад в энергетику [3]:

- в Финляндии 15% тепловой энергии получают за счет торфа,

- в Ирландии 10% генерации электроэнергии приходится на торф,

- в Белоруссии доля торфа в энергобалансе достигает 5%.

В настоящее время торфяная промышленность стала не конкурентоспособной по сравнению с угольной - с точки зрения топлива, а с нефтегазовой и химической – как сырья (для удобрений и прочих продуктов). В СССР торф использовался комплексно - как топливо, для удобрений, в строительстве, в медицинских целях, в химической промышленности и др. Так, в 50-е годы прошлого века в России ежегодно добывалось более 50 млн. т торфа, которые использовались на 80-ти электростанциях, работающих на торфе, и для производства сельскохозяйственных удобрений объемом более 150 млн. т в год. В этот период индустриального расцвета торфяной отрасли активно функционировало более 300 торфо-предприятий. Такие производственные объединения как «Ленторф», «Калининторф», «Шатураторф» и другие добывали каждое в отдельности более 5 млн. т торфа за сезон. Но уже в 2000 году объем добычи торфа в России составлял 13,6 млн. т, а в 2005 объемы добычи торфа снизились до 4 млн. т. [1-3].

В настоящее время Правительство РФ внесло в Госдуму поправки к ФЗ «Об электроэнергетике» о поддержке электростанций на торфе, что должно переломить ситуацию с его использованием. Однако, как показывает статистика, с каждым годом возрастают масштабы торфяных пожаров, поэтому защита торфа от самовозгорания и предотвращение пожаров торфяников приобретает чрезвычайно важное социальное и экономическое значение и в нашей стране, и за рубежом [2,4].

Добыче торфа, как правило, предшествуют осушение залежи. Поверхность торфяника очищается от растительности и делится каналами на соответствующие участки, понижая тем самым уровень грунтовых вод и влажность торфа [5].Но именно при осушении торфа возникает опасность его самовозгорания из-за продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, разогревающих его массу до 70 градусов Цельсия. Возникающие при этом процессы деструкции, вызывают дальнейшее повышение температуры. Такой самонагрев и самовоспламенение происходят и при хранении добытого торфа [3,4].

Несмотря на то, что бесполезность тушения торфяных пожаров водой доказана ещё в конце прошлого века, многие современные патенты в области тушения торфяных пожаров [№ 2087167, № 2194553, № 2277956 и т.д.] «продолжают изобретать» водяные методы и создавать специальные средства для этого, не взирая на то, что заливка водой торфяника делает невозможным его эксплуатацию, т.е. добычу и использование торфа [6-8].

Известны разные методы тушения пожаров на торфяниках, в т.ч. безводными способами, один из которых, например, заключается в создании барьера по контуру наиболее пожароопасных участков, до возникновения очагов самовозгорания и во время пожаров. Барьер состоит из смеси измельченных карбонат содержащей (с содержанием карбоната магния и/или карбоната кальция в сумме не менее 90%) и опал-кристобалитовой (с содержанием оксида кремния не менее 80%) пород, взятых в соотношении 2:1 с добавкой глинистых минералов 7% и кремнефтористого натрия 3%, до 100% к основной смеси. В качестве компонентов такой смеси могут быть использованы магнезит, доломит, известняк, трепел, опока, диатомит. При распространении огня к траншее минеральный материал разлагается с выделением углекислого газа, который снижает содержание кислорода в воздухе. Оксиды магния и кальция начинают взаимодействовать с указанными добавками с образованием устойчивого к высоким температурам пористого барьера, который препятствующий распространению огня. Недостатком способа являются, во-первых, уничтожение торфа пожаром, во-вторых, высокие единовременные и эксплуатационные затраты на его осуществление, а в-третьих, отсутствие возможности осуществлять локацию и предотвращать самовозгорание торфа [7].

Существуют газовые способы тушения лесов и торфяников: «бомбами» с жидким азотом, «брикетами» с гранулами диоксида углерода и др., но они имеют «поверхностную эффективность», а самовозгорание торфа и развитие пожара происходит в глубине торфяника, куда они попасть не могут [7].

В ДГТУ был разработан метод азотирования торфа, который заключался в том, что с помощью установки сепарации воздуха (мембранной или термомагнитной), из окружающей атмосферы отделялся кислород, а азот с помощью газо-торфяных стволов-термозондов (ГТСТЗ) вводился в зону саморазогрева торфа. Эта зона определялась тремя ГТСТЗ, путем тепловой локации «очага саморазогрева» методом триангуляции (рис. 1 «а»), что позволяло выдавить кислород из зоны действия ГТСТЗ и заместить его охлажденным азотом, чем предотвратить самовозгорание или подавить уже начавшийся процесс тления, обеспечив таким образом, безопасную добычу и хранение торфа [7,8].

Однако, автоматизированный комплекс, реализующий указанный способ на мотопомпах «Гейзер-1200» или «Гейзер-1600», во-первых, требовал буксировки на торфяник, что в условиях бездорожья значительно затрудняло их применение, во-вторых, отсутствие отработанных алгоритмов пространственной тепловой локации вызывало сомнение в точности определения «очага» саморазогрева или пожара, а в-третьих, и это было главным – автоматизация ГТСТЗ на радиомодулях снижало надежность функционирования комплекса в полевых условиях [5,7-9].

а) б)

1- мотокомпрессор (1- двигатель, 2-компрессор); 3 - сепаратор воздуха; 4 – ресивер; 5 – радио блок управления (контроллер с радиомодемами и приемопередатчиком ГЛОНАСС); 6 – торфяник; 7 – радио контроллер ГТСТЗ с термодатчиками (7.1 и 7.2); 8 – газовый рукав; 9 – радиоканал с ГТСТЗ; 10 - радио контроллер ГТСТЗ с термодатчиками (10.1 и 10.2); 11 - газовый рукав; 12 – радиоканал с ГТСТЗ.

Рис. 1 - Схема установки обнаружения и тушения торфяника на мотопомпе (а) и КАМАЗе (б)

В качестве альтернативы изобретению [7], была разработана модель автоматизированной установки, которая устраняет перечисленные недостатки, во-первых, применением высоко проходимой серийной мобильной азотной станции ТГА 5/10 мощностью в 300 л.с. (рис.1 «б») с производительностью 5 Нм³/мин. и давлением в 10 атм., при чистоте азота в 98-99% с габаритными размерами - 6,0×2,5×3,6 м. и массой в 11,5 тонн [10], а во-вторых, учитывая необходимость подключения ГТСТЗ к газовым шлангам (использование стандартных пожарных рукавов), для связи с контроллером и датчиками ГТСТЗ (в отличие от запатентованной схемы) применены контрольные кабели с соответствующими разъемами (рис.2), что позволило автоматизировать процесс на высокопроизводительном и надежном многофункциональном контроллере TREI-5B-05 [11].

Более того, в этом случае, помимо реализации блок-схемы автоматизации на одном контроллере с необходимыми модулями (2 канала дискретного вывода с ШИМ-выходом и 1 канал ввода напряжения низкого уровня), появляется возможность применить методы электроразведки, а именно - метод вертикального электрического зондирования (ВЭЗ), который даст возможность не только повысить достоверность обнаружения условий саморазогрева торфа и его очага, но и осуществлять электрическое профилирование торфяника [11-13].

Это позволило по удельному электрическому сопротивлению вычислять пористось, влагонасыщенность и глинистось, а также некоторые другие свойства, которые характеризуют «стадию роста торфяника» (рис.3), а также давали возможность прогнозировать срок его саморазогрева [12,13].

Рис.2 – Структурная схема автоматизации на МФК TREI-5B-05

ВЭЗ article10a

Рис. 3 – Схема измерений в методе ВЭЗ

Дело в том, что когда в земле возникает электрическое поле и начинает протекать электрический ток, то силу тока в питающей линии (IAB) измеряют с помощью амперметра, включенного в цепь АВ (рис.3), а на приемных электродах M и N возникает разность потенциалов (DUMN), которая измеряется с помощью вольтметра [13].

По результатам измерений можно судить об электрических свойствах горных пород на глубинах проникновения тока в землю. По результатам выполненных измерений вычисляют кажущееся удельное электрическое сопротивление (КС), обозначаемое ρк, и измеряемое в Ом·м [12,13]:

где K – геометрический коэффициент (зависит от взаимного расположения и расстояний между электродами A, B, M и N), ?UMN – разность потенциалов на приемных электродах M и N, IAB – сила тока, протекающего в питающей линии.

Для реализации предлагаемого способа термо-электро-зондирования, изобретенные газоторфяные стволы легко модернизируются. При этом тепловая локация очага саморазогрева или пожара осуществляется по данным многократного опроса ТСМ-50, установленных в «нижних частях» всех 4-х ГТС, методом 4-х точечной пассивной локации (разностно-дальномерным методом с базово-корреляционной обработкой), которая значительно достовернее метода триангуляции, т.к. позволяет получить точность определения углов пеленга в несколько угловых минут - результат, недостижимый для триангуляционных систем [14].

Таким образом, применение способа и мобильного автоматизированного комплекса на базе ТГА-5/10 для обнаружения, предотвращения и тушения торфяных пожаров, позволяет принципиально по-новому решить проблемы пожарной и экологической безопасности торфяников, а также добычи и хранения торфа [8].


Библиографическая ссылка

Асатрян В.А., Белозеров В.В., Быков Д.А. ОПТИМИЗАЦИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ ТОРФА И ТОРФЯНИКОВ // Международный студенческий научный вестник. – 2020. – № 2.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=20037 (дата обращения: 14.08.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074