К вопросу классификации комплексов добычи торфяного сырья

А.А. Мякотных, П.В. Иванова , С.Л. Иванов
Санкт-Петербургский горный университет, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
Горная Промышленность №6 / 2023 стр. 137-142

Резюме: На сегодняшний день обеспечение национальной безопасности государства является основной траекторией его развития. Одним из приоритетных направлений при этом является эффективная добыча природных ресурсов в сочетании с рациональным природопользованием в рамках климатически нейтральной хозяйственной деятельности на основе наилучших доступных технологий. В Стратегии национальной безопасности РФ указаны следующие пути достижения искомых результатов в данной области: устойчивое развитие минерально-сырьевой базы, экологическая реабилитация территорий, предотвращение загрязнения водных экосистем, их восстановление, а также замещение импортного оборудования на горные и технологические машины отечественного производства, развитие научной инфраструктуры и т.д. Один из стратегически важных ресурсов – торф (Россия обладает 35% мировых запасов торфа), однако его значительные запасы сильно обводнены, а осушение торфяных месторождений негативно влияет на состояние окружающей среды, что требует разработки новых технологий и оборудования для их осуществления и вместе с тем разработки расширенной классификации комплексов добычи торфяного сырья. Представленная авторами классификация структурирует существующие комплексы и является ориентиром в направлении актуальности развития новых комплексов добычи торфяного сырья относительно условий реализации их геотехнологии, а также относительно типа движения комплексов и вида добываемого им продукта.

Ключевые слова: торф, добыча торфа, классификация добычи, комплексы добычи, торфяная промышленность, геотехнология, торфяное сырье, наилучшие доступные технологии

Для цитирования: Мякотных А.А., Иванова П.В., Иванов С.Л. К вопросу классификации комплексов добычи торфяного сырья. Горная промышленность. 2023;(6):137–142. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2023-6-137-142

Информация о статье

Поступила в редакцию: 23.09.2023

Поступила после рецензирования: 24.10.2023

Принята к публикации: 28.10.2023

Информация об авторах

Мякотных Алина Алексеевна – аспирант кафедры машиностроения, Санкт-Петербургский горный университет, г. Санкт-Петербург, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-8982-5476; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Иванова Полина Викторовна – кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроения, Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-8338-418X

Иванов Сергей Леонидович – доктор технических наук, профессор кафедры машиностроения, Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Российская Федерация; https://orcid.org/0000-0002-7014-2464

Введение

Торф – альтернативный источник энергии углеводородному сырью [1; 2], кроме того, сернистость торфа не превышает 0,1%, в отличие от угля (0,3–6%) и горючих сланцев (1,4–1,7%) [3], что делает его идеальным сырьем для металлургической и коксохимической промышленности. Вместе с тем применение торфяного сырья в качестве топлива [4] является решением сразу нескольких задач: развития минерально-сырьевой отрасли, энергетического баланса страны, осуществления экологической реабилитации территорий, а также оказывает значительное влияние на занятость населения [5], что соответствует идеям устойчивого развития государства [6; 7]. Кроме топлива торф незаменим в производстве минеральных удобрений [8], а также в сельском хозяйстве в составе питающих смесей для бедных почв и песков [9], в этой связи Китай в прошлом году занимал почти 10% в объеме экспорта торфа из России, Южная Корея – 15%, стоимость общего экспортного потока торфа в 2021 г. составила 33,6 млн долл. США, что превышает показатели 2020 г. и в 6 раз выше показателей 2010 г.

По данным годовой статистики международной торговли товарами (рис. 1) рост экспорта торфа неуклонно повышается с 2013 г. и не имеет тенденции к снижению¹.

Рис. 1 Динамика экспорта торфа из России в период с 2010 по 2021 г.

Fig. 1 Dynamics of peat export from Russia in the period from 2010 to 2021

Учитывая также исследования рынка торфа от «AnalyticResearchGroup», содержащие данные о том, что в 2021 г. объемы производства торфа достигли пиковой отметки за последние 10 лет и составили 2,1 млн т, что на 50,8% больше по сравнению с 2010 г., можно сделать вывод о росте тенденции на добычу торфяного сырья, а исходя из данных той же аналитической компании о локализации производства торфа (треть приходится на Северо-Западный регион, для которого характерны низкие температуры воздуха, повышенная влажность, неблагоприятные погодные условия и т. д.) и способах его добычи (основной способ добычи – фрезерный способ) стоит отметить необходимость смены направления развития добычи торфяного сырья, ориентированную на добычу на неподготовленных обводненных залежах, исключая процедуру осушения территорий для сокращения сезонности работ и негативного влияния на окружающую среду, повышения непрерывности и производительности технологических процессов добычи. Развитие новых или совершенствование существующих геотехнологий несет за собой потребность в расширении классификации комплексов добычи торфяного сырья, в ее переосмыслении, анализе и синтезе существующих классификаций.

Методология исследования

Теоретической основой для исследования послужили ранее проведенные систематизации, направленные на структурирование знаний о машинах, комплексах и способах добычи торфяного сырья. Анализ и обобщение существующих классификаций и информации о существующих торфодобывающих комплексах позволил обобщить и классифицировать комплексы горных машин для добычи конкретного торфяного и торфодревесного сырья, учитывая характер месторождения. Идеологической основой классификации является классификация С.Г. Солопова [10], в которой парк торфяных машин прежде всего классифицируется по общему назначению и характеру добываемого сырья. По ГОСТ-21123–85 «Торф. Термины и определения» добыча торфа представлена только фрезерным, скрепер-бульдозерным, экскаваторным, фрезформовочным и кусковым способами, что является только частью возможных технологий добычи торфяного сырья. Так, в 1920 г. появились новые цели в реализации добычи торфа, а именно гидроторфа, и уже к 1930 г. 30% всей добычи осуществлялось с помощью этого способа [11]. Со временем геотехнологии совершенствовались и развивались. До 1990-х годов торфяная промышленность стремительно прогрессировала, чему способствовали инициативы со стороны государства. После 1990-х годов добыча торфяного сырья резко упала в силу объективных причин, а именно перевода ТЭЦ, работающих на торфяных продуктах, на природный газ и нефть. Либерализация основ государственности привела к банкротству действующих предприятий, прекращению развития технологий и машин для разработки торфяных месторождений [12]. Это подтверждает факт влияния государственной политики на ТЭК. Кроме того, политика государства в рамках горизонтальной согласованности между смежными отраслями относительно применения торфяного сырья может привести к успешной реализации проектов по реабилитации торфяной промышленности и развитию экологически безопасного использования торфяников [13]. В силу того что при осушении торфяных месторождений углерод и азот, содержащиеся в залежи, высвобождаются в виде парниковых газов в атмосферу и в виде нитратов в поверхностные воды [14], актуальным является переход на технологии добычи, исключающие водопонижение, для сохранения стабильного состояния окружающей среды ареала.

В настоящий момент ведутся разработки новых технологий, комплексов и машин на исследовательском уровне [15; 16]. И вместе с тем предлагаются новые классификации, признанные развивать научное познание объектов и предметов исследования, систематизировать и направить существующие и развивающиеся геотехнологии и средства их осуществления. Так, в исследовании [17] представлена классификация по способам добычи торфа, учитывающая особенности механизации и технологий. В других исследованиях классификация способов разработки представлена на основе отличных от вышепредставленных подходов, к примеру, в исследовании [18] дана классификация с точки зрения экономической составляющей. В исследовании [12] классификация основана на способах добычи торфа.

Существуют также узкопрофильные классификации комплексов добычи торфа: классификация машин и оборудования для добычи и переработки древесных ресурсов торфяного месторождения [19] и классификация технологических машин для фрезерования торфяной залежи [20]. Интересной также представляется классификация технологий разработки торфяных месторождений [21], которая выделяет направления модификаций технологий глубокого и сплошного фрезерования.

Одно из последних исследований [22], основанное на разработке классификации торфяных машин и оборудования, включает в себя учет новых комплексов по добыче торфа, в частности, основанных на добыче без осушения территории, но с уклоном на развитие машин и комплексов для подготовки осушенных площадей. Авторы предлагают несколько векторов развития классификации торфяной техники: по ходу технологического процесса освоения торфяного месторождения; по видам выполняемых операций; по типу получаемого сырья и по видам конструктивных элементов. А также несет в себе идею о детерминированном развитии горного оборудования вместе с технологиями разработки торфяных месторождений.

Ранее авторами было опубликовано исследование [23], включающее разработку обширной классификации технологий и комплексов для добычи и производства торфяной продукции. В ней были отражены такие нестандартные направления технологий и комплексов, как их классификация по стратегиям добычи торфяного сырья; по связям блоков, модулей и машин в комплексе, а также по блокам, модулям и машинам. Но с разработкой новых технологий добычи торфа и совершенствованием существующих появилась необходимость обновления классификаций с учетом этих технологий.

Стоит подчеркнуть, что перечисленные существующие классификации не охватывают разнообразие всех существующих и развивающихся технологий добычи торфа, следовательно, актуальным является такой подход в этом вопросе, где будут учтены признаки всех существующих технологий и предложенных ранее идей о способах и комплексах добычи торфа.

Результаты

После анализа перечисленных исследований была предложена классификация комплексов добычи торфяного сырья (рис. 2) по нескольким признакам, а именно: по условиям реализации геотехнологии; по типу движения комплексов; по виду добычных комплексов и по виду добываемого сырья.

Добыча торфяного сырья осуществляется в рамках сплошной поперечной/продольной однобортовой/двухбортовой системы разработки и может осуществляться основными комплексами реализации геотехнологии и сопутствующими комплексами для подготовки и ремонта производственных площадей.

Рис. 2 Классификация комплексов машин для разработки торфяных месторождений

Fig. 2 Classification of machine complexes for development of peat deposits

Комплексам в классификации был присвоен двухразрядный классификационный код. Первый разряд соответствует типу движения комплексов: 0 – наземные колесно-гусеничные комплексы, 1 – комплексы, перемещаемые волоком на платформе, 2 – плавучие комплексы, 3 – шагающие комплексы. Второй разряд – виду добычного комплекса. К комплексам машин для разработки месторождений с осушением относятся наземные колесно-гусеничные комплексы (00); к комплексам машин для разработки обводненных месторождений – комплексы, перемещаемые волоком на платформе (10), плавающие (20) и шагающие комплексы (30), к комплексам для подготовки и ремонта производственных площадей – все типы комплексов, подразделенные по типу движения, по причине того, что подготовка и ремонт производственных площадей является сопутствующим технологическим процессом для каждого комплекса. К наземно-гусеничным комплексам (00) относятся следующие виды добычных комплексов: машиннорезной комплекс (01), комплекс добычи с пассивным рыхлением (02), комплекс фрезерной добычи (03), фрезформовочный комплекс (04), экскаваторный (05), багерный комплекс (06), бульдозерный комплекс (07). К комплексам, перемещаемым волоком на платформе (10), – комплекс скважинной гидродобычи (11), гидромеханизированный комплекс (12), комплекс добычи обратным ходом (13).

К плавучим комплексам (20) относится дражный комплекс (21), комплекс добычи земснарядом (22), комплекс добычи и переработки на пантонах (23). В комплекс добычи и переработки на пантонах (23) могут быть включены, в частности, комплексы (05), (06), (11), (12). К шагающим комплексам (30) относятся мостовой шагающий (31) и мостовой траншейный комплексы (32). При разработке торфяного месторождения получают 4 вида продукта: крошкообразный торф, кусковой торф, комковатый торф, торфяную гидромассу и 3 вида торфодревесного сырья: в виде крошки, комковатого торфа и торфяной гидромассы.

Вид получаемого продукта зависит от типа машин, входящих в комплекс. Относительно видов добываемого сырья комплексы разделяются на следующие виды: для получения кускового торфа применяют машинно-резной комплекс (01); для крошкообразного – комплекс добычи с пассивным рыхлением (02), комплекс фрезерной добычи (03) и фрезформовочный комплекс (04); для комковатого – экскаваторный комплекс (05), багерный комплекс (06), бульдозерный комплекс (07), комплекс добычи обратным ходом (13), комплекс добычи и переработки на пантонах (23), мостовой шагающий (31) и мостовой траншейный (32) комплексы; для добычи торфяной гидромассы – комплекс скважинной гидродобычи (11), гидромеханизированный комплекс (12), комплекс добычи обратным ходом (13), дражный комплекс (21), комплекс добычи земснарядом (22), комплекс добычи и переработки на пантонах (23), а также мостовой шагающий (31) и мостовой траншейный комплексы (32). Торфодревесное сырье получают посредством всех вышеупомянутых комплексов, за исключением машинно-резного комплекса (01). Такая схема позволяет осуществлять выбор необходимого комплекса, ориентируясь на вид продукта, который необходимо получить.

Обсуждение результатов исследований

В данной работе представлена классификация комплексов разработки торфяных месторождений, которая включает в себя классификацию по условиям выполнения работ и учитывает не только традиционные комплексы добычи торфа, осуществляющие работу на месторождении после его осушения, но и комплексы машин, работающих в условиях обводненных месторождений, а также комплексы для подготовки и ремонта производственных площадей. Различие комплексов по типу движения связано с добавлением в схему новых запатентованных комплексов, ориентированных на добычу торфяного сырья на неосушенных территориях, работа которых осуществляется на неподготовленных залежах. Кроме того, большая часть таких комплексов может включать в себя комбинацию способов добычи торфяного сырья. Так, например, устройство (Пат. №2720341) основано на способе добычи торфа земснарядом, но с включением устройства обезвоживания торфяного сырья в состав комплекса [24] его можно отнести к комплексу добычи земснарядом (22). Или плавучие платформы (Пат. №2655235) с размещенными на них агрегатированных торфодобывающих комплексов с модулями переработки (Пат. №2599117, №2651721, №191627) (23).

К дражным комплексам (21) можно отнести способ дражной разработки обводненных месторождений (Пат. №2614337), его преимущественной характеристикой является продление сезона добычи торфяного сырья за счет ангара, монтируемого поверх платформы. В качестве примера комплекса добычи торфа с обратным ходом (13) можно представить принцип геотехнологии отработки неподготовленной торфяной залежи в рамках сплошной однобортовой продольной системы разработки обратным ходом (Пат. № 2756070). Мостовой комплекс (Пат. №2684269) является примером мостового траншейного комплекса (32), в котором в параллельных траншеях устанавливают сваи, служащие опорой настила, по которому перемещают мостовую платформу на опорных колесах.

На поверхности мостовой платформы установлены манипуляторы со сменным оборудованием для добычи торфа, корчевания пней и объемных частей древесных включений.

Представленная классификация отличается тем, что в ней комплексы добычи различают по условиям реализации геотехнологии, учитывая актуальные комплексы по добыче торфа на неподготовленных залежах, также в нее внесены разрабатываемые запатентованные добычные комплексы, реализуемые в рамках наилучших доступных технологий, позволяющие осуществлять добычу и переработку сырья с минимальным влиянием на окружающую среду, в частности, без процедуры осушения месторождения, что напрямую связано с устойчивым развитием горных территорий.

Заключение

Энергетическая и экологическая устойчивость является приоритетом в государственных программах развития, в связи с чем торфяные ресурсы и их энергетический потенциал играют значительную роль для стабильного и безопасного состояния государства. С необходимостью перехода на наилучшие доступные технологии для осуществления климатически нейтральной хозяйственной деятельности возрастает потребность в развитии технологий, соответствующих задачам, представленным в федеральных документах. С развитием технологий добычи торфа и появлением новых добычных машин классификации постепенно расширялись или компоновались по новым признакам. Если в классификации С.Г. Солопова учитываются исключительно традиционные комплексы добычи торфяного сырья, то в исследовании Б.Ф. Зюзина классификация принимает новые формы, а именно учитываются комплексы машин для работ на неосушенных территориях, а также комплексы для добычи торфодревесного сырья.

В связи с анализом новых геотехнологий торфяного сырья была введена классификация «по типу движения комплексов», которая выделяет не только наземные комплексы, способные перемещаться по осушенной территории, но и плавучие и шагающие комплексы, что позволит расширять классификацию с появлением новых геотехнологий. В результате развития новых разработок по реализации геотехнологии торфяного сырья была введена классификация «по виду добычных комплексов», включающая широкий перечень комплексов в числе не только традиционных, но и разрабатываемых. Введение связи «комплекс–вид добываемого сырья» обусловлено тем, что это позволяет предоставлять вариации эффективного комплекса, опираясь на необходимый вид добываемого сырья. Представленная классификация позволит добавлять новые развивающиеся комплексы для добычи торфяного сырья относительно условий реализации их геотехнологии, а также относительно типа движения комплексов и вида добываемого им продукта.

Список литературы

1. Евзеров В.Я. Торф – неиспользованный сырьевой ресурс северо-запада Российской Арктики. Труды Ферсмановской научной сессии ГИ КНЦ РАН. 2021;(18):160–164. https://doi.org/10.31241/FNS.2021.18.029

2. Mugerwa T., Rwabuhungu D.E., Ehinola O.A., Uwanyirigira J., Muyizere D. Rwanda peat deposits: An alternative to energy sources. Energy Reports. 2019;(5):1151–1155. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2019.08.008

3. Алпеева Е.А., Гончаров М.С. Торфяная промышленность Российской Федерации: проблемы и перспективы. Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2021;(3):121–130.

4. Banerjee A., Schuitema G. How just are just transition plans? Perceptions of decarbonisation and low-carbon energy transitions among peat workers in Ireland. Energy Research & Social Science. 2022;88:102616. https://doi.org/10.1016/j.erss.2022.102616

5. Lempinen H. “Barely surviving on a pile of gold”: Arguing for the case of peat energy in 2010s Finland. Energy Policy. 2019;128:1–7. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2018.12.041

6. Юрак В.В., Душин А.В., Мочалова Л.А. Против устойчивого развития: сценарии будущего. Записки Горного института. 2020;242:242–247. https://doi.org/10.31897/PMI.2020.2.242

7. Paul A., Deshamukhya T., Pal J. Investigation and utilization of Indian peat in the energy industry with optimal site-selection using Analytic Hierarchy Process: A case study in North-Eastern India. Energy. 2022;239(Part C):122169. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.122169

8. Misnikov O. The use of peat deposits of the Russian federation for organic fertilizers production. E3S Web of Conferences. 2020;174:01015. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202017401015

9. Paoli R., Feofilovs M., Kamenders A., Romagnoli F. Peat production for horticultural use in the Latvian context: Sustainability assessment through LCA modeling. Journal of Cleaner Production. 2022;378:134559. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.134559

10. Солопов С.Г., Горцакалян Л.О., Самсонов Л.Н. Торфяные машины и комплексы. М.: Недра; 1973. 392 с.

11. Копенкина Л.В. Материалы по истории торфяного дела в России для подготовки специалистов торфяной отрасли. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2009;(6):330–337. Режим доступа: https://www.giab-online.ru/files/Data/2009/6/Kopenkina_6_2009.pdf

12. Зюзин Б.Ф., Яконовская Т.Б., Жигульская А.И., Яконовский П.А., Гусева А.М., Оганесян А.С. Современные направления модернизации комплексов оборудования в связи с эволюцией способов добычи торфа. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015;(6):67–73.

13. Chen Ch., Loft L., Matzdorf B. Lost in action: Climate friendly use of European peatlands needs coherence and incentive-based policies. Environmental Science & Policy. 2023;145:104–115. https://doi.org/10.1016/j.envsci.2023.04.010

14. Joosten H. Peatlands, climate change mitigation and biodiversity conservation. Germany; 2015. 16 p. https://doi.org/10.6027/ANP2015-727

15. Utenkova T., Kremcheev E., Nagornov D., Korotkova O. Effect of electroosmosis to reduce the adhesion of lake sapropel to the metal surfaces of the machine for lake sapropel dewatering. E3S Web of Conferences. 2021;326:00015. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202132600015

16. Михайлов А.В., Федоров А.С. Анализ параметров мундштука шнекового пресса для 3D-экструзии торфяных кусков трубчатого типа. Записки Горного института. 2021;249:351–365. https://doi.org/10.31897/PMI.2021.3.4

17. Гамаюнов С.Н., Гамаюнова А.Н. Классификация способов добычи торфа и производства торфяной продукции. Известия высших учебных заведений. Горный журнал. 2015;(5):12–18.

18. Гамаюнов С.Н., Гамаюнова А.Н. К вопросу о классификации способов добычи торфа. Труды Инсторфа. 2015;(11):13–18.

19. Яконовская Т.Б., Жигульская А.И., Зюзин Б.Ф. Экономическая классификация способов разработки торфяного месторождения: рентный подход. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2014;(7):318–323.

20. Жигульская А.И., Лемешев А.В., Гусева А.М., Бурмистров И.С. Классификация машин и оборудования для добычи и переработки древесных ресурсов торфяного месторождения. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2014;(11):144–150.

21. Зюзин Б.Ф., Жигульская А.И., Копенкина Л.В. Классификация технологических машин для фрезерования торфяной залежи. В кн.: Лагунова Ю.А. (ред.). Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: материалы 17-й Междунар. науч.-техн. конф. «Чтения памяти В.Р. Кубачека», г. Екатеринбург, 4–5 апреля 2019 г. Екатеринбург: Уральский государственный горный университет; 2019. С. 53–56.

22. Зюзин Б.Ф., Яконовская Т.Б., Жигульская А.И. Системный подход к развитию классификации торфяных машин и оборудования. Горные науки и технологии. 2022;7(4):320–329. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2022-06-06

23. Якупов Д.Р. Иванов С.Л., Иванова П.В., Пермякова Е.К. К вопросу классификации способов добычи торфяного сырья и средств их реализации. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2020;(S34):3–11. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2020-10-34-3-11

24. Вагапова Э.А., Иванов С.Л., Иванова П.В., Худякова И.Н. Комплекс гидромеханизированной добычи торфяного сырья с модулем обезвоживания в бегущем магнитном поле. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2023;(7):21–36. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2023_7_0_21