Розвиток наукових основ системи шахтного водовідливу

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 622. 53. 004

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

РОЗВИТОК НАУКОВИХ ОСНОВ СИСТЕМИ ШАХТНОГО ВОДОВІДЛИВУ

Спеціальність 05.05.06 - Гірничі машини

МАЛЄЄВ Віктор Борисович

Донецьк - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі гірничої механіки Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант:

Пак Вітольд Вітольдович, доктор технічних наук, професор, Донецький національний технічний університет, завідувач кафедри вищої математики.

Офіційні опоненти:

Логвінов Микола Григорович, доктор технічних наук, професор Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри теоретичної механіки;

Шевчук Степан Прокопович, доктор технічних наук, професор Національний технічний університет України "КПІ" (м. Київ) Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри електромеханічного обладнання енергоємких виробництв;

Кириченко Євген Олексійович, доктор технічних наук, професор, Національний гірничий університет України (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України, професор кафедри гірничої механіки.

Провідна установа:

ВАТ "Науково-дослідний інститут гірничої механіки ім М.М. Федорова", м. Донецьк.

Захист відбудеться 17.10.2003 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої ради Д 11.052.05 Донецького національного технічного університету за адресою: 83000 м. Донецьк, вул. Артема, 58, І уч. корпус, ВАЗ.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького національного технічного університету (83000 р. Донецьк, вул. Артема, 58, ІІ уч. корпус).

Автореферат розісланий 16.09.2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 11.052.05 доктор технічних наук, професор М.Р. Шевцов.

ВСТУП

Актуальність теми. Розвиток вугільної промисловості України в даний час зумовив необхідність розробки пластів, що залягають на глибинах (800…1500) м. При цьому поряд з ускладненням питань технології видобутку вугілля ускладнюється питання відкачки води з глибоких шахт, рішення якого вимагає розробки нових схем і устаткування шахтного водовідливу, що є одним з найбільш відповідальних і енергоємних ланок у загальному комплексі гірничого устаткування вугільних підприємств. Нормальне і безперебійне функціонування засобів шахтного водовідливу забезпечує ритмічне і безпечне проведення гірничих робіт. Підвищення числа і потужності насосних агрегатів на установках привів до помітного зростання споживання електроенергії на нестатки водовідливу, що складає біля (1,7...1,8) млрд. кВт*год. у рік.

У теперішній час практично на всіх шахтах до водовідливного господарства входять декілька водовідливних установок, які розосереджені у навколо-ствольному дворі основного горизонту та на робочих горизонтах уклонних полів. При цьому усі водовідливні установки не зв'язані між собою функціонально і працюють відокремлено. Усі водовідливні установки шахт обладнаються секційними відцентровими насосами, що можуть надійно працювати тільки на проясненій шахтній воді. Термін служби насосів, що перекачують непрояснену шахтну воду, у більшості випадків не перевищує (8...10) місяців при середньому наробітку деталей, що швидко зношуються до відмовлення (2000...2500) годин.

Водозбірники діючих водовідливних комплексів шахт виконуються у вигляді горизонтальних виробок з ухилом (0,002...0,004) убік прийомного колодязя. Акумуляція підземних вод у водозбірниках застосовується не тільки з метою компенсації різниці між припливом і подачею працюючих насосів, але і для прояснення води. Зовсім очевидно, що використання водозбірників у якості освітлювача і шламозбірника суперечить його призначенню аварійної і регулювальної ємкості. Зашламовування водозбірників зменшує їх регулювальну й аварійну ємкості, викликає необхідність, у міру зашламовування, збільшувати частоту включень насосів і зменшувати проміжки часу між включеннями, що у свою чергу прискорює зношення насосів і двигунів при роботі в пускових режимах, перегрівання обмоток електродвигунів. З іншої сторони зашламовування водозбірників виключає можливість відключення водовідливу в період пікових навантажень енергосистем. Крім того, при сповзанні шламу в приймальні колодязі перекриваються отвори запобіжної сітки приймального пристрою насоса, через що він при включенні працює в режимі кавітації й інтенсивного зношування.

Очищення водозбірників діючих водовідливних комплексів на теперішній час вимагає значної частки ручної праці, рівень механізації цих робіт не перевищує (8...10) %. За даними Міністерства енергетики і палива України на чищення водозбірників щорічно залучається 440 тис. людино-змін і витрачається більш 2,8 млн. грн.

У зв'язку зі значними витратами важкої праці й обумовленою цим низькою продуктивністю праці робітників, шахтні водозбірники експлуатуються в частково чи цілком замуленому стані. Це приводить не тільки до швидкого зношування насосів водовідливу, але і до викидів у навколишнє середовище забрудненої шахтної води, тому що застосовувані в даний час поверхневі очисні спорудження більшості шахт розраховані на прийом води, частково проясненої в підземних водозбірниках.

Виконані багатьма фахівцями й організаціями роботи вирішили окремі конкретні питання розвитку шахтного водовідливу на Україні і за рубежем. На їхній основі були розроблені: новий ряд шахтних насосів типу НСШ із використанням у деяких його типорозмірах першого колеса з підвищеною усмоктувальною здатністю і застосуванням сталевого лиття замість чавунного; аналітичний метод розрахунку водовідливних установок і ряд оригінальних технологічних схем останніх; єдина система безрозмірних параметрів насосної водовідливної установки; система заглибних насосів, що підкачують; засоби і схеми видалення шламу з водозбірних ємкостей; ерліфтні водовідливні установки. Однак ці роботи не містили аналізу і кількісної оцінки впливу твердих часток у шахтній воді на роботу відцентрового насоса. Оскільки конструктивні схеми відповідальних елементів вибиралися без всебічного обліку особливих умов експлуатації, то деякі водовідливні установки виявилися недостатньо ефективними і не забезпечували тривалу і безаварійну роботу. Це підтверджується низкою серйозних аварій із затопленням водовідливних установок. Не можна не відзначити розрізненість і принципову незавершеність робіт, присвячених вибору і розрахунку схем і засобів прояснення шахтних вод від твердих включень у підземних умовах. Дослідження показують, що удосконалювання тільки окремих вузлів і водовідливних установок на шахті не приводить до істотного зниження трудомісткості їхнього обслуговування і підвищення надійності роботи в цілому. При цьому не були поставлені задачі і виконані дослідження з узагальнення методів експлуатаційного розрахунку попередніх відстійників і шахтних водозбірників на основі розробки і використання структурного представлення турбулентного потоку шахтної води, що найбільшою мірою відповідає теорії потоків. Не удалося досі визначити ступінь впливу придонного шару і теплообміну на структуру потоку, взаємодію твердих часток шахтної води з поверхнями водозбірних ємкостей, врахувати вплив властивості переносу безлічі твердих часток на процес прояснення. Не вирішені також питання, пов'язані з роботою водовідливних установок при консервації вугільних шахт і очищенням шахтних водозбірних ємкостей від шламу з мінімальними витратами електроенергії.

У результаті, в області проектування технологічних схем і засобів водовідливних установок продовжують, в основному, переважати застарілі методи і підходи.

Поряд з викладеним, аналіз роботи шахтного водовідливу показує, що питання гідромеханізованого очищення водозбірників і підвищення експлуатаційної надійності й економічності шахтних водовідливних насосів варто розглядати в комплексі гірничо-геологічних умов утворення шахтних вод, їхнього дренажу в гірничі очисні і підготовчі виробки, властивостей вугільних пластів і порід, що вміщають, систем розкриття, підготовки і розробки вугільних родовищ, умов каналізування шахтних вод до дільничного і головного водовідливу, конструкції освітлюючих споруджень і водозбірників, типу насосів і схеми водовідливу, механізації комплексу станції очищення шахтних вод на поверхні, вимог територіальної зонної інспекції до параметрів води для скидання.

Тому усе викладене вище визначає актуальність роботи, спрямованої на рішення зазначеної проблеми, суть якої складається в розробці раціональних схем і параметрів засобів системи шахтного водовідливу на базі розробленої теорії руху потоків підземних шахтних вод і забезпечення прояснення останніх від твердих часток, незашламовування водозбірників, виключення абразивного і кавітаційного руйнування насосів, підвищення ефективності їхньої роботи, а також зниження частки важкої некваліфікованої праці при обслуговуванні водовідливного комплексу і зменшення шкідливого впливу відходів вугільного виробництва на водяні ресурси.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконувалися відповідно до наукового напрямку Донецького національного технічного університету "Створити, освоїти і впровадити нові схеми і засоби водовідливного комплексу шахт, що забезпечують виключення важкої некваліфікованої праці" у рамках тем Х 77-36 (№ ГР 81014088), Г 22-85 (№ ГР 01850072516), Х 89-71 (№ ГР 01890004183), Х 89-68 (№ ГР 01890004184), Х 89-67 (№ ГР 01890004185), Х 90-65 (№ ГР 01900014876), Х 76-3 (№ ГР 02100048150), М 22-95. Автор дисертації брав участь у виконанні зазначених тем як науковий керівник (Х 89-67, Х 89-68, Х 89-71, Х 76-3, Х 90-65, М 22-95) і відповідальний виконавець (Х 77-36, Г 22-85).

Мета дослідження: виключити абразивне і кавітаційне руйнування насосів водовідливу, зашламовування водозбірників, а також знизити частку ручної некваліфікованої праці при обслуговуванні водовідливних комплексів на підставі розробленої теорії руху і відкачки шахтних вод.

Ідея роботи полягає у використанні встановлених залежностей впливу придонного шару і температури потоку шахтної води, а також щільності, крупності і концентрації твердих часток у ній на вибір параметрів водовідливних систем.

Методи дослідження. Досягнення поставленої мети забезпечувалося використанням методології, заснованої на раціональному сполученні теоретичних і експериментальних методів досліджень. Експериментальні дослідження проводилися на натурних установках у виробничих і максимально наближених до них стендових умовах з використанням сучасних методів вимірювання. Обробка результатів експериментів вироблялася на ЕОМ методами математичної статистики, теорії імовірності і випадкових процесів. При розробці математичних моделей використані закони гідравліки і гідромеханіки, теорії турбомашин. Адекватність математичних моделей реальним системам установлювалася шляхом порівняльного аналізу результатів теоретичних досліджень і натурних експериментів.

Основні наукові положення, що виносяться на захист і їхня новизна.

1. Вперше доведено, що характерною рисою шламів, які осідають у водозбірних ємкостях шахтних водовідливних установок, у насиченому стані є їхнє проміжне положення між аномальними (неньютоновими) рідинами і твердими тілами.

2. Експериментально вперше встановлено, що в'язкість непроясненої води змінюється за квадратичним законом зі зміною концентрації твердого, і параметри закону обумовлюються змістом у суміші часток вугілля і породи різних класів.

3. Для відцентрових багатосекційних насосів водовідливу, що працюють на непроясненій шахтній воді, вперше встановлено:

- кутова швидкість обертання вихру рідини в міжлопаточному просторі робочого колеса більше швидкості обертання колеса, що обумовлює велику нерівномірність відносних швидкостей компонентів;

- частота власних коливань води практично збігається з частотою власних коливань ротора, і настає параметричний резонанс;

- зношення робочого колеса залежить від кута виходу лопатки;

- максимально припустиме значення вакуумметричного тиску в усмоктувальному патрубку насоса менше відповідного тиску при роботі на однорідній рідині, як за рахунок збільшення критичного запасу, так і тиску насиченої пари.

4. Для придонного шару турбулентного потоку шахтної води, вперше виділеного у відособлену область плину, рівняння енергетичного балансу в сильно шорсткуватому руслі водозбірних ємкостей на режимі з квадратичним законом опору аналогічне рівнянню для білястінної області плину в гладкій трубі. Енергія пульсацій у всій товщі придонного шару близька до нуля. У поверхні потоку величини подовжніх і вертикальних складових пульсаційних швидкостей приблизно рівні між собою.

5. Випадання твердих часток із шахтної води в осад у водозбірних ємкостях є процесом комплексним і, як уперше доведено теоретично і підтверджено експериментально, залежить:

- від температури води, концентрації і щільності твердого;

- плину рідкої фази зі швидкістю більше кінцевої швидкості часток;

- ефекту Мангусса при обертальному русі часток у в'язкому шарі і дисипативної сили, що виникає в процесі проходження часток через шар твердого і виштовхує воду нагору.

6. Вперше доведено, що схема шахтного водовідливу з максимально можливим уловлюванням твердих часток розміром більше 0,1 мм у попередніх відстійниках є дуже ефективним засобом боротьби з зашламовуванням водозбірників тільки при одночасному видаленні з останніх дрібнодисперсної частини твердого як при працюючих, так і при зупинених насосах при швидкості руху води ґрунтом не нижче транспортної і наявності в приймальному колодязі приямку нижче ґрунту водозбірника.

Наукові положення, що виносяться на захист, складають теоретичні основи удосконалювання процесів водовідливного комплексу шахт і засобів водовідливу і дозволяють у короткий термін створити високоефективні технологічні схеми водовідливу нового технічного рівня.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій. Наукові положення, висновки і рекомендації обґрунтовані: коректним використанням методології системного підходу, а також апробованих сучасних методів статистичної гідродинаміки і теорії турбомашин; результатами експериментальних досліджень робочих процесів насосів у виробничих умовах і на стендах, що дозволяють максимально вірогідно імітувати реальні умови; позитивними результатами багаторічної експлуатації експериментальних і досвідчених зразків ЦНС 250-710 і промислової перевірки елементів багатоступінчастих шахтних насосів, технологічних схем і засобів шахтних водовідливних установок з водозбірниками, що незашламовуються, і попередніми відстійниками, розроблених на основі рекомендацій дисертації; розробленими імітаційними математичними моделями руху шахтної води через засоби водовідливу і водозбірні ємкості, заснованими на перевірених практикою досліджень допущеннях і гіпотезах.

Вірогідність результатів досліджень улаштовується: показністю експериментальних досліджень і достатністю обсягу матеріалу, отриманого при натурних і обчислювальних експериментах; застосуванням вимірювальної апаратури, що відповідає умовам безперекрученої передачі інформації в заданому діапазоні частот; достатнім ступенем адекватності розроблених математичних моделей реальним установкам і потокам (розбіжність результатів теоретичних досліджень і натурних експериментів за математичним чеканням і середньоквадратичним відхиленням не перевищує 20 %).

Наукове значення роботи полягає в розвитку теорії робочого процесу шахтного водовідливу з урахуванням впливу гідравлічної взаємодії часток твердого в шахтній воді між собою і тепломасообміну між ними на параметри водовідливних систем.

Практичне значення отриманих результатів міститься у використанні при створенні водовідливних систем високого технологічного рівня: нових конструкцій робочих коліс відцентрових секційних насосів; технологічних схем водовідливних установок, що забезпечують незашламовування водозбірників, оперативне видалення шламу з попереднього відстійника і приймальних колодязів, скорочення об'ємів водозбірних ємкостей на 30 %; розроблених методів і методик визначення раціональної схеми шахтного водовідливу з мінімальними витратами; технологічної схеми і засобів водовідливної установки з попереднім очищенням води від твердих часток і водозбірниками, що змиваються; установок перекачного і дільничного водовідливу діючих, проектованих вугільних шахт і шахт, що закриваються.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Рекомендації зі створення зносостійкого робочого колеса реалізовані КБ НДІГМ ім. М.М. Федорова при створенні нових шахтних насосів типу НСШ 80-65...325, НСШ 320-144...720, НСШ 410-182...1000.

Основні висновки і рекомендації з вибору параметрів і реконструкції горизонтальних водозбірників з метою незашламовування останніх реалізовані шахтою ім. Е.Т. Абакумова ДКХ "Донвугілля" при реконструкції головної водовідливної установки.

Результати роботи зі створення водовідливних установок з водозбірниками, що змиваються самі, і попереднім очищенням шахтних вод від твердих часток використані проектним інститутом ПІВДЕНДІПРОШАХТ при створенні робочого проекту "Комплекс головного водовідливу вугільних шахт із механізованим очищенням водозбірників".

Основні наукові положення, висновки і рекомендації реалізовані окремими шахтами ДХК: "Донвугілля", "Донецьквугілля", "Красноармійськвугілля", "Краснодонвугілля", "Лисичанськвугілля", "Торезантацит", "Шахтарськвугілля", "Жовтеньвугілля", "Артемвугілля", "Дзержинськвугілля", "Макіїввугілля" при реконструкції ряду діючих водовідливних установок шляхом коректування режимів роботи і технологічних схем, розробці нових дільничних водовідливних установок з багером-зумпфом.

Наукові положення роботи увійшли також у розроблені під керівництвом і безпосередньою творчою участю автора і затверджені колишнім Мінвуглепромом України "Типові технологічні схеми дільничних насосних водовідливних установок з попереднім очищенням води від твердих часток і водозбірниками, що змиваються,", "Типові технологічні схеми ерліфтних водовідливних установок перекачного і дільничного водовідливу".

Результати досліджень використані Донецьким національним технічним університетом у навчальному процесі при розробці робочих програм, лекцій і лабораторних робіт з курсів "Шахтні водовідливні і вентиляторні установки", "Спеціальні схеми і засоби водовідливних, вентиляторних, підйомних установок і гідропідйому", а також при курсовому і дипломному проектуванні і підготовці наукових кадрів.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й одержали схвалення на конференції з питань розвитку стаціонарних установок вугільних шахт, присвяченої 100-річчю з дня народження академіка Пака В.С. (м. Донецьк, 1988 р.), Міжнародному симпозіумі з проблем прикладної геології, гірничої науки і виробництва (м. Санкт-Петербург, Росія, 1993 р.), Міжнародному симпозіумі "Проблеми і перспективи розвитку гірничої техніки" (м. Москва, Росія, 1994 р.), Міжнародному симпозіумі "Гірнича техніка на порозі XXI століття" (м. Москва, Росія, 1995 р.), Міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні шляхи розвитку гірничого устаткування і технологій переробки мінеральної сировини" (м. Дніпропетровськ, 1996 р.), Міжнародній науково-практичній конференції "XXI сторіччя - проблеми і перспективи освоєння родовищ корисних копалин" (м. Дніпропетровськ, 1998 р.), Міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні проблеми і перспективи гірничої механіки" (м. Дніпропетровськ, 1999 р.); I-ій та II-ій Міжнародних науково-практичних конференціях "Гірнича електромеханіка й автоматика" (м. Донецьк, 2001, 2002р.), Міжрегіональній науково-практичній конференції "Перспективи розвитку вугільної промисловості в XXI столітті" (м. Свердловськ, 2002 р.), III-ій Міжнародній конференції "Прогресивна техніка і технологія - 2002" (м. Севастополь, 2002р.), науково-практичній конференції "Проблеми механіки гірничо-металургійного комплексу"

(м. Дніпропетровськ, 2002р.), IX Міжнародній науково-технічній конференції "Машинобудування і техносфера XXI століття" (м. Севастополь, 9-15 вересня 2002р.), міжкафедральному семінарі ДонНТУ (м. Донецьк, 2003 р.).

Публікації. Основні результати досліджень опубліковані в 87 роботах, що включають 15 авторських посвідчень і патентів на винаходи і 3 монографії. Ключові положення дисертації представлені в 29 наукових працях, у тому числі 12 статей опубліковані без співавторів, 22 статті - у провідних спеціальних науково-технічних журналах, 5 статей - у періодичних збірниках наукових праць, 2 авторські свідоцтва.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів і висновку, містить 317 сторінок, у тому числі 238 сторінок основного машинописного тексту, 65 рисунків, 5 таблиць, список посилань з 428 найменувань і один додаток.

Особистий внесок здобувача. У роботі використані матеріали експериментальних досліджень натурних зразків робочих коліс багатоступінчастого відцентрового насоса ЦНС 300, насоса 4НФ на стенді ДонНТУ і промислових дослідженнях водовідливних насосних установок з водозбірниками, що змиваються, і попереднім очищенням шахтної води від твердих часток (НУО-1), проведених колективом кафедри "Гірнича механіка" при особистій участі автора як керівника і відповідального виконавця. Теоретичні дослідження, що ввійшли в дисертацію, виконані автором самостійно або за участю співробітників кафедри "Гірнича механіка" під керівництвом автора. Узагальнення результатів досліджень шахтних водовідливних установок виконано автором самостійно. Йому належать основні ідеї роботи і методики теоретичних і експериментальних досліджень.

Автор висловлює глибоку подяку всім співробітникам кафедри "Гірнича механіка" за корисні обговорення і допомогу при підготовці, проведенні експериментальних досліджень і впровадженні результатів дисертаційної роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ дисертації присвячений обґрунтуванню актуальності й аналізу стану проблеми, формулюванню цілей і задач досліджень. Актуальність розглянутої проблеми визначається необхідністю забезпечення нормальної експлуатації шахтних водовідливних установок, що повинні мати високу надійність і економічність.

Аналіз стану проблеми виконано у двох напрямках: 1) прояснення шахтних вод від зважених твердих часток; 2) робота відцентрових насосів на забрудненій шахтній воді. У результаті аналізу встановлено, що дотепер відсутні загальні закономірності руху шахтних вод у підземних умовах і не установлений вплив концентрації і крупності зважених твердих часток на реологічні властивості вод і осілого шламу. Недостатньо вивчені питання моделювання руху шахтних вод у водозбірних ємкостях, що дозволяють коректно використовувати гальмування, що зароджуються в ґрунту збурювання, з урахуванням процесів тепломасообміну, пульсацій поля швидкостей, і осадження твердого в попередніх відстійниках і шахтних водозбірниках для уточнення методу їхнього розрахунку. Відсутні в достатній кількості необхідні експериментальні дані і їхнє теоретичне узагальнення. Одним з основних факторів, що впливають значною мірою на довговічність насосів водовідливу, є їхня робота на забрудненій шахтній воді, що містить абразивні частки. Вугільно-породні суспензії з великою швидкістю (4...60) м/с взаємодіють з поверхнею деталей проточної частини, ущільнень насосів, викликаючи їх гідроабразивне руйнування. Збільшення концентрації твердого в шахтній воді приводить до росту інтенсивності гідроабразивного зношування.

Незважаючи на значний обсяг досліджень відцентрових насосів, чіткої теорії роботи таких насосів у водовідливних системах, що перекачують непрояснену шахтну воду, не існує. Так, наприклад, дослідники, що вивчають робочі режими насосів водовідливу, розглядають шахтну воду найчастіше як умовно однорідну рідину з щільністю рівною щільності гідросуміші. Дослідники ж, що займаються зношенням машин, вивчають головним чином кінематику окремих твердих часток, не вдаючись, як правило, у сутність робочого процесу на пульпі. Тому, за нашою думкою, відсутній єдиний підхід до розгляду питання про вплив твердої фракції на паспортну і кавітаційну характеристики насосів, мало досліджена динаміка насосів при відкачці непроясненої шахтної води. У зв'язку з вищесказаним, необхідно при аналізі всіх процесів, що протікають у проточній частині насоса, реально існуючий потік неоднорідної гідросуміші розглядати як потік, який складається з двох потоків: рідини і твердих часток.

Сукупність усіх приведених вище питань складає наукові основи удосконалення технології відкачки шахтних вод на поверхню.

Другий розділ "Дослідження водопритоків, процесів забруднення і прояснення шахтних вод у підземним умовах" є методологічною базою математичного моделювання руху шахтної води через водозбірні ємкості і засоби водовідливу.

Забруднення води відбувається насамперед у межах діючих горизонтів: в околиці діючих очисних і підготовчих вибоїв, у місцях навантаження і перевантаження відбитої гірничої маси, її транспортування, підривання гірничих порід, руху людей. Особливо потужними джерелами забруднення є мокрі вибої. Концентрація твердого у воді, що стікає з таких вибоїв, досягає 15 тис. мг/л.

Забруднення шахтних вод зваженими речовинами підсилюється в результаті незадовільного стану елементів і вузлів воднотранспортних ланцюжків (водовідливних канавок і водозбірників) через відхилення від проектних норм і неправильної експлуатації. Тверді частки, що осідають у водовідливних канавках, водозбірниках, попередньому відстійнику і прийомному колодязі водовідливних установок, відносяться до зв'язаних донних опадів, що на відміну від сипучих не розпадаються на складові частини під дією гравітаційних сил ні у воді, ні в повітрі. Характерною рисою таких опадів у насиченому стані є їх проміжний стан між аномальними (неньютоновими) рідинами і твердими тілами, а тому існує і деяка невизначеність ряду фізичних властивостей: зв'язність між твердими частками в осаді, липкість осаду, схильність до кавітації й ін. Обробка результатів експериментів дозволила одержати реологічні характеристики шламів, які описуються наступними емпіричними рівняннями: залежність розрідження (початок руху шламу в усмоктувальному трубопроводі насоса) від глибини занурення зрізу під рівень h: p_в = 4,75·10⁴·h²; статична напруга зрушення: ? = 63·S²; динамічна напруга зрушення в діапазоні концентрацій S=(0,0...0,26): ф ₀ = 186·S², те ж у діапазоні S=(0,26...0,44): ф ₀ = (10³·S^2-45); структурна в'язкість у діапазоні S=(0,0...0,26): з = (0,14·S² + 0,001); те ж у діапазоні S=(0,26...0,44): з = (0,285·S² + 0,004). Звідси отримано дуже важливий висновок, що для опису реології дослідженого шламу досить скористатися моделлю Шведова - Бінгама. Відповідно до цієї моделі повне дотичне напруження грузло-пластичної рідини описується рівнянням:

, (1)

де n - показник ступеня, що залежить від концентрації S і складу мулу; ? - градієнт швидкості.

Рівняння поля швидкостей у живому перетині труби радіусом R:

, (2)

де Р - втрати тиску на лінійній ділянці довжиною l; R_o - радіус циліндра потоку шламу, який переміщується в трубі як недеформоване тверде тіло з постійною швидкістю U_о.

Якісно-кількісні показники зважених твердих речовин забруднених шахтних вод у підземних умовах представлені таким чином: (30...80) % масової кількості часток приходиться на вугільні і (70...20) % - відповідно на породні. У результаті аналізу виявлено, що максимальна крупність шламів у водозбірниках головного водовідливу дорівнює 3 мм, а основна маса представлена частками крупністю менш 0,06 мм і складає в основному масиві (75...80) %. Найбільш небажаним компонентом у шламі є глиниста речовина з вмістом до 35 % часток менш 0,005 мм і до 50 % часток (0,05...0,0005) мм, щільністю (1,1...1,2) кг/м³, яка розташована на глибині 100 мм, рахуючи від поверхневого шару. Нижче розміщені ущільнені шлами, для розпушування яких вимагаються додаткові джерела тиску при гідравлічному способі очищення, або потужні установки - при механічному.

При експериментальному дослідженні шахтної води, що надходить у шахтні водозбірні ємкості, установлено, що кінематична в'язкість води різко збільшується при зменшенні максимальної величини часток твердого. Зі збільшенням об'ємного вмісту твердих часток точка різкої зміни реологічних характеристик зміщається убік більш великих часток. Дослідження показали, що при відстоюванні шахтної води у водозбірних ємкостях, найбільш інтенсивне розшарування відбувається протягом перших (1,0...1,5) годин, потім швидкість розшарування різко сповільнюється. Дослідження впливу температури шахтної води на швидкість осадження твердих часток, показали, що при досягненні концентрації більш 30 % за обсягом, швидкість розшаровування при різних температурах вирівнюється.

Шахти Донбасу відкачують на поверхню більш 800 млн. м³/рік шахтної води, що забруднена зваженими частками, бактеріальними домішками і мінеральними солями. Їхнє скидання в наземну гідрографічну мережу викликає відчутне замулення, засолення і закислення водоймищ та водотоків, дестабілізуючи тим самим екологічну рівновагу у вугільному басейні. Постійний перехід гірничих робіт на більш глибокі горизонти й ускладнення гірничо-геологічних умов приводять до подальшого збільшення обсягів і забруднення вод, що попутно забираються, різними речовинами, а також виснаження підземних водоносних горизонтів, у тому числі насичених чистою питною водою. У зв'язку з цим, а також наростаючим дефіцитом питної води актуальними стають питання запобігання забрудненню підземних вод, очищення забруднених шахтних вод і повторного використання їх для потреб вугільної промисловості, а також суміжних галузей, сільського господарства й у побуті.

Прояснення шахтних вод від зважених твердих часток дуже важливо, тому що воно є необхідною попередньою умовою для проведення наступних стадій очищення (знезаражування, демінералізація і нейтралізація).

Рішення проблеми зниження забруднення шахтних вод зваженими речовинами для підземних умов повинне мати два основних напрямки: профілактичне (запобігання забруднення великих обсягів чистих підземних вод, що стікають з вироблених просторів відпрацьованих горизонтів шахти, і зменшення забруднення шахтних вод на дільничних воднотранспортних ланцюжках діючих горизонтів) і очищення малих обсягів забруднених вод, що стікають з діючих горизонтів шахти.

З обліком викладеного, на головних відкаточних штреках і квершлагах здійснювати рух води краще не в самопливних водовідливних канавках, а транспортувати її напірними трубопроводами, проклавши для цього "нитки" труб з ухилів до головних водозбірників. Застосування таких систем доцільно лише при глибокому проясненні шахтних вод, що надходять з діючих вибоїв, на дільничних воднотранспортних ланцюжках за допомогою ефективних водоочисних станцій. Попередні розрахунки показали, що застосування напірного транспорту горизонтальними виробками дозволяє одержати умовне зниження капітальних і експлуатаційних витрат у (6...8) раз.

Профілактичні заходи щодо запобігання забруднення шахтних вод не є абсолютно ефективними, тому що можливо запобігти забрудненню стічних вод з погашених вироблень, але дуже складно здійснювати аналогічні заходи у виробках, що прилягають до добувних ділянок. Тому необхідно здійснювати заходи щодо підземного очищення шахтних вод починаючи з дільничних воднотранспортних ланцюжків і закінчуючи їх на підході до головних водовідливних ємкостей. При такому підході навантаження на очисні спорудження по проясненню води розкладається за елементами транспортування забруднених вод у гірничих виробках, тобто має двоступінчастий характер. При розробці проектів шахт, у частини, що передбачає розробку заходів для очищення шахтних вод від зважених речовин у підземних умовах, варто керуватися вимогами про необхідність спорудження перед шахтними водозбірниками просвітлювальних резервуарів із пристроями для їх механізованого очищення від шламу, що накопичується. Необхідний ступінь прояснення шахтних вод може досягатися в підземних умовах шляхом їх відстоювання як без застосування реагентів, так і з застосуванням останніх. Використання реагентного чи безреагентного очищення повинне визначатися необхідним ступенем очищення після проведення техніко-економічної оцінки.

Вибір місця розташування відстійників визначається тим, що вони можуть встановлюватися чи споруджуватися в складі дільничних, головних і центральних водовідливів шахт. Однак, для ефективності очищення води відстійники рекомендується розташовувати, насамперед, на діючому добувному горизонті шахти, де седиментаційні властивості суспензій значно вище через їх збільшену крупність і підвищену концентрацію. Відповідно до вимог передбачається для сприятливого гідравлічного режиму роботи відстійників їхнє гідромеханічне очищення від осаду, що накопичується. Розрахунок різних споруджень для зниження забруднення шахтних вод у підземних умовах виробляється на максимальний приплив шахтних вод. Крім того, варто враховувати можливість розширення таких споруджень у випадку збільшення припливів при подальшому розвитку гірничих робіт.

Третій розділ "Робота відцентрових насосів на проясненій шахтній воді" присвячений виявленню особливостей робочого процесу насосів водовідливу при перекачуванні води зі зваженими твердими частками, перевірці адекватності математичних моделей експериментальним дослідженням натурних насосів 4НФ і ЦНС 300-120 у виробничих умовах. При дослідженнях виходили з того, що реально існуючий неоднорідний потік гідросуміші складається з безупинного потоку рідини і дискретного потоку твердих часток, між якими при ??с_Т завжди існує силова взаємодія. Внаслідок великої різниці у фізичних властивостях компонентів обидва потоки, особливо при дослідженні відносного руху, розглядалися роздільно, розуміється з урахуванням сил реакції відкинутого компонента на потік розглянутої фази. Разом з тим, для того, щоб можна було використовувати математичний апарат механіки суцільних середовищ для гідросуміші як і для однорідної рідини, зроблене основне допущення про континуум як двофазного середовища, так і складових його компонентів. При цьому, тому що гідросуміш є сумою компонентів, то для опису її основних параметрів і законів застосований принцип адитивності.

У забрудненій шахтній воді відношення модуля пружності твердих часток до модуля пружності рідини звичайно перевищує 10. Тому тверді частки при протіканні через насос у порівнянні з рідиною здобувають меншу потенційну енергію. Разом з тим, знаходячись у полі дії тих же сил, що і рідина, тверді частки з щільністю ?_Т більше щільності рідини ? одержують більше збільшення кінетичної енергії, а отже, власне кажучи, обганяють рідину. У часток ?_Т < с - зворотня картина. При наявності позитивної різниці у швидкостях між твердими частками і рідиною, частки передають частину своєї кінетичної енергії рідини. Однак, відбувається це в результаті силової взаємодії між компонентами, а не перетворення кінетичної енергії часток у потенційну, як у рідини. Пояснюється це відсутністю конвективного прискорення у твердих тіл.

За допомогою рівняння Ейлера в роботі отримані залежності для визначення відносних швидкостей твердої W_т і рідкої W фаз гідросуміші в робочому колесі насоса:

; (3)

W² = W₁² + (U² - U₁²) - 2g (z₁ - z) - , (4)

де U - колова швидкість колеса на поточному радіусі; Р_о - гідродинамічна сила, що діє на частку твердого; V_Т - обсяг твердої частки; Р - абсолютний тиск рідини; l_Т - шлях переміщення частки.

У рівняннях індексом 1 відзначені параметри при вході в колесо, без індексу - у довільній крапці колеса.

Аналіз цих рівнянь показав, що відносна швидкість твердих часток з ?_Т > с буде більшої, ніж у рідини; для часток з ?_Т < с навпаки - W_т <W. З приведеного аналізу також видно, що різниця між швидкостями компонентів буде тим більшою, ніж більше різниця їх щільностей. Тому що відносна швидкість є векторною величиною, то виявлення співвідношення між модулями швидкостей компонентів ще не визначає співвідношення між іншими кінематичними параметрами компонентів у робочому колесі і тому був виконаний аналіз трикутників швидкостей твердих часток і рідини. Було встановлено, що радіальна складова відносної швидкості W_RT твердих часток із щільністю ?_Т > с більше радіальної складової відносної швидкості W_R, а кут відносної швидкості ?_Т у часток більше, ніж у рідини ?. При цьому колова складова абсолютної швидкості у твердих часток С_UT менше, ніж така ж величина С_U у рідини. Природно, що і кут абсолютної швидкості ?_Т твердих часток більше відповідного кута ? у рідини. Співвідношення між трикутниками швидкостей компонентів для випадку, коли щільність часток менше щільності рідини, буде зворотним.

Трикутники швидкостей компонентів цілком визначають траєкторії руху в робочому колесі і впливають на вид характеристик насоса. Експерименти підтвердили результати теоретичного аналізу. Крім того, вони показали, що зі зміною подачі насоса пропорційно їй змінюються значення відносних швидкостей. Однак, у твердих часток модуль швидкості змінюється в меншому ступені, ніж у води. Ще в меншому ступені змінюється в них кут ?_Т. Зі зменшенням подачі насоса в порівнянні з номінальної Q_Н колова складова швидкості С_UT у твердих часток трохи збільшується. Тверді частки з щільністю більше, ніж у рідини, входять у робоче колесо тільки нижче його горизонтального діаметра. Це свідчить про те, що в підведенні сила ваги, як і у всіх інерційних системах, є визначальною в кінематиці часток. Кутова швидкість вихору в міжлопастних каналах колеса, з напрямком обертання протилежним обертанню колеса, пропорційна подачі. Таким чином, тверді частки з щільністю ?_Т>с за рахунок більшої відносної швидкості, чим у рідини, подібно лопаткам робочого колеса активно впливають на рідину і створюють у ній збільшення напору. Однак, унаслідок великого профільного опору часток передача енергії супроводжується значною дисипацією, що є причиною зменшення ККД насоса при роботі на гідросуміші. Отримані результати дозволяють судити не тільки про кінематику твердих часток у проточній частині, але і про зношення останньої. Чим більше маса частки, тим менше кривизна траєкторії її абсолютного руху в робочому колесі, тим менше час її перебування в колесі, тим менше імовірність зіткнення її з лицьовою стороною лопатки і, навпаки, для часток з меншою масою. При однаковій щільності часток найбільш дрібні будуть переміщатися ближче до лицьової поверхні лопатки, найбільш великі - у найбільшому від її видаленні. Виходячи з цього, дрібні частки будуть найбільше інтенсивно зношувати лицьову поверхню лопатки, особливо на виході з колеса, великі - на вході в колесо.

Махінін А.І. у результаті аналізу зношування характерних деталей показав, що терміни служби насосів шахтного водовідливу, в основному, залежать від стану їхнього вала і робочого колеса. Нами ж установлено, що основною причиною гідроабразивного зношування лопаток робочого колеса є руйнування поверхневого шару шляхом зрізу, що відбувається за рахунок тангенціальної складової напруги, що виникає в тілі лопатки при зіткненні з нею твердих часток. З урахуванням коефіцієнта f₁, що залежить від фізико-механічних властивостей матеріалу лопаток робочого колеса, інтенсивність зношування лопатки:

? = f₁·с_Т.S·e^-4S·sin2б.

Інтенсивність же зношування робочих коліс знаходиться в складній функціональній залежності від величини подачі відцентрового колеса і визначена сполученням інших параметрів робочого режиму, а також, у значній мірі, залежить від кута виходу лопатки. З його збільшенням довговічність лопатки різко зростає. Ця обставина врахована при конструюванні робочих коліс шахтного багатоступінчастого відцентрового насоса. Розроблене робоче колесо містить корінний і покривний диски і розташовані між ними загнуті назад лопатки з виступами, що не виходять за межі дисків і знаходяться на периферії лопаток з їхньої лицьової сторони. Експериментально встановлено, що раціональний за ККД і коефіцієнтом напору діапазон значень відносної висоти виступів, що представляє собою відношення висоти виступів h до зовнішнього діаметра D₂ колеса, знаходиться в межах h=(0,002…0,010). При цих значеннях ККД насоса з робочими колесами, що мають стовщені крайки лопаток на виході, вище, ніж без них на (3...5) %, що є дуже істотним. При цих значеннях h значення коефіцієнта тиску підвищується на (15...30) %, що дозволяє застосувати, наприклад, семиступінчастий насос, замість десятиступінчастого. Крім того, стовщення вихідних крайок робочого колеса насоса за рахунок виступів також підвищує довговічність роботи насосів, тому що інтенсивність зношування лопаток знижується через зміну кінематики потоку на виході колеса. Для збільшення довговічності роботи насоса виступ повинний бути досить широкий, тому що чим менше його відносна ширина в = в / D₂, тим швидше він зноситься. Раціональним діапазоном значень відносної ширини є в = (0,005...0,02).

Теоретичні подача і тиск відцентрового насоса, що працює на забрудненій шахтній воді:

Q_T.CM = р·D₂ ·b₂ ·K_C2 [C_m2(1 - S) + C_mT2·S], (5)

P_Т.СМ =U₂ [с(1 - S)C_UT +с_TSC_UT2]- U₁C_U1 с_CM (6)

де b₂ - ширина колеса на виході; К_c2 - коефіцієнт стиснення потоку лопатами колеса на виході;

C_mT2, C_m2, C_UT2, C_U2 - відповідно меридиальні складові абсолютних швидкостей і швидкості закручування твердого компонента і рідини на виході з колеса; ?_см - щільність забрудненої шахтної води.

Теоретична напірна характеристика насоса на гідросуміші аналогічна відповідній характеристиці на однорідній рідині:

P_Т.СМ = с_СМU₂. (7)

Реальна характеристика тиску на гідросуміші:

P_CM = с_CMgH - ДP, (8)

де Н - напір насоса на воді; ?Р - втрати напору.

Математична обробка експериментальних даних, отриманих у ДонНТУ, а також інших авторів дала залежність:

ДP = 2,5·10³ n с_Т S^1,78Q_СМ ^2,49, (9)

де (2,5 ? 10³) - коефіцієнт пропорційності, с^1,5 ? м^-5,5.

Це рівняння отримане для насосів у діапазоні n=(500…1450) мін^-1; с_Т=(1600…2700) кг/м³; S=(0,06...0,30); с_см=(1080…1500) кг/м³; d_ср=(0,1...25) мм; =(120…9300) м³/год; b₂=(76…380) мм. Експериментальні крапки задовільно апроксимуються рівнянням (8). Перевірка показала, що при Q_cм Q₀ ( - оптимальна подача на воді) відхилення експериментальних крапок від значень, підрахованих за рівнянням (8), не перевищує 8 %. Виключенням є крапки з явною кавітацією і близькі до них.

Аналіз впливу твердого компонента гідросуміші на потужність і ККД насоса показав, що основними причинами зменшення ККД є збільшення втрат потужності на гідравлічні і механічні (дискові) утрати. Варто також очікувати зсуву максимуму ККД на гідросуміші убік менших подач у порівнянні з максимумом при роботі насоса на однорідній рідині. Обробка експериментальних даних, отриманих особисто автором і іншими дослідниками, дала залежність:

, (10)

де Q_cм = Q_cм / Q₀ - відносна подача насоса; ?_см = с_см / с відносна щільність забрудненої шахтної води; 1,18 - коефіцієнт пропорційності, м^0,02.

Рівняння (10) апробовано в діапазоні ?_см?1,3; Q_cм =(0,7...1,3); d_ср?5мм. Відхилення експериментальних значень від величин, підрахованих за рівнянням, не перевищує 3 %. Виключенням є режими з явною кавітацією чи близькі до них.

Як видно з рівнянь (6) і (7) тиск, що розвивається насосом, залежить від багатьох параметрів. Однак визначальним для конкретної установки є щільність гідросуміші. Остання в силу дискретності в процесі роботи насоса водовідливу змінюється за часом, що веде до зміни параметрів, які визначають робочий режим. При несталому режимі роботи насоса змінюється швидкість обертання колеса, при цьому виникає цілком визначена залежність між відносною швидкістю, подачею і тиском. При несталому русі рідини в робочому колесі теоретичний момент на валу:

М_Т = сQ_T(R₂C_U2 - R₁C_U1)+, (11)

де - відповідно радіус колеса на виході, вході і поточний.

Перший доданок рівняння визначає статичну складову моменту взаємодії рідини з колесом, другий - динамічну. Реальний момент буде більше теоретичного на величину втрат і динамічної складової (М_дин) моменту ротора. З урахуванням моменту інерції ротора насосного агрегату без рідини в робочому колесі

.

При роботі насоса на забрудненій шахтній воді маса m і її радіус R будуть змінюватися в часі. При несталому русі рідини в робочому колесі, у загальному випадку dc / dt 0 і d / dt 0. Тоді

.

Відомо, що при подачі більше нуля кут абсолютної швидкості змінюється 0<?< /2 і тому при несталому русі рідини в робочому колесі кут ? може змінюватися тільки у визначеному діапазоні, і отже, dC_U /dt і динамічна складова моменту - циклічно за часом. При с =соnst динамічна складова буде періодичною функцією з амплітудою коливань, що дорівнює , і періодом, рівним часу розмаху кута ?. Таким чином, у даному випадку маємо справу з параметричними коливаннями, викликаними періодичною зміною динамічного моменту насоса за рахунок зміни сил взаємодії рідини з лопатками робочого колеса. Кількісний аналіз показав, що частота власних коливань рідини в насосах, що транспортують гідросуміші, при знаходиться в діапазоні від 3 до 8 Гц. Ця величина практично збігається з власною частотою коливань ротора приводного асинхронного двигуна. Отже, при несталому режимі роботи насоса можлива поява параметричного резонансу. Приєднання ротора насоса до вала електродвигуна збільшує його махову масу, що зменшує частоту й амплітуду коливань. Порівняння махових мас роторів приводних асинхронних двигунів і насосів показало, що перші, як правило, більше других на (30...50) %. З цієї причини і параметри коливань ротора визначаються, в основному, параметрами двигуна. Однак, через коливання робочого колеса в рідині, амплітуди різко зменшуються. Разом з тим, коливання в рідині встановлюються досить швидко і загасають порівняно повільно, що приводить до тривалих незатухаючих коливань. При роботі насоса на забрудненій шахтній воді через її неоднорідність режим буде постійно несталим. Відношення періоду власних коливань ротора насосного агрегату з асинхронним електродвигуном при роботі колеса на гідросуміші до періоду при роботі на воді:

, (12)

Звідси видно, що при роботі насоса на гідросуміші з ?_см>с варто очікувати збільшення періоду коливань, тому що:

I_см = т_{і см} r_i², а маса m = V [+S(_T - )],

і тому на період коливань повинні впливати щільність ?_Т, концентрація S і сила тертя часток об колесо. Експериментальні дослідження збігаються з теоретичними положеннями. Обробка експериментів показала, що період коливань ротора при роботі насоса на чистій воді змінюється за законом

T=T₀ + 598·10^-5 Q +398·10^-4Q².

Середньоквадратичне відхилення експериментальних крапок від рівняння не перевищує 2 %. Період коливань на забрудненій шахтній воді збільшується на (5...10) %, нерівномірність подачі при цьому також збільшується.

Щоб уникнути резонансу в існуючих типах насосів, необхідно правильно вибирати їх робочий режим, подача повинна відрізнятися від резонансної не менш, ніж на (30...50) %. Прояснення забрудненої шахтної води від твердих часток з метою підтримки сталості її щільності сприяє зменшенню коливань подачі. Необхідно уникати збігу власних частот коливань трубопроводу, насоса і приводного двигуна. Крім того, при переході насоса з води на гідросуміш систематично спостерігалося зменшення вакууму в усмоктувальному патрубку. Тиск у вхідному перетині міжлопаточного каналу першого робочого колеса описується рівнянням: