Розвиток наукових основ системи шахтного водовідливу

Р ₁=Р_а-, (13)

де Р_а - атмосферний тиск; Н_в - геометрична висота усмоктування насоса; L_в, S_в - відповідно довжина і площа поперечного перерізу усмоктувального трубопроводу; а_вс, а_к - коефіцієнти опору.

З цього рівняння випливає, що при несталому режимі поява кавітації, а виходить, і зміна характеристики насоса залежить від значення dQ/dt. При позитивному значенні dQ/dt кавітація виникає, якщо подача насоса Q менше критичної Q_К, а при негативному - якщо Q > Q_K для даної водовідливної установки. При конкретному значенні dQ/dt подача насоса вже не визначається характеристикою мережі, що приводить до своєрідного протікання перехідних процесів у системі.

Присутність твердих часток у шахтній воді, що надходить у відцентрові насоси, сприяють розвитку в ній кавітації. Пояснюється це тим фактом, що разом із твердими включеннями надходить значний обсяг газу, що міститься в порах, що приводить до газової кавітації, і зменшенням обсягу води за рахунок присутності твердого компонента і додаткового виділення тепла від нього при перегріві рідини. Розвитку кавітації сприяє також збільшення втрат напору в підводі і при вході в міжлопаточний канал першого робочого колеса. Термодинамічні критерії кавітації для однорідної рідини і гідросуміші відповідно дорівнюють:

B=; В_см=,

де с, r - відповідно питома теплоємкість і теплота паротворення рідини; p - падіння тиску в рідині нижче тиску насиченої пари при кавітації; _П - щільність пари; с_{Т -} питома теплоємкість твердої фази.

Зіставляючи рівняння, бачимо, що інтенсивність кавітації в гідросуміші більше на величину другого доданка. Підрахунки показують, що при транспортуванні звичайних твердих матеріалів (пісок, вугілля, порода) з концентрацією S=(0,2...0,3) інтенсивність кавітації зростає на (12...18) %. Вона власне кажучи і визначає більш ймовірний зрив подачі насоса при кавітації на гідросуміші. Експериментально показане, що тиск насиченої пари в гідросуміші через значний вміст газу для матеріалів, що звичайно транспортуються, більше, ніж у деаерированій шахтній воді, у середньому на 10 %. Величина критичного кавітаційного запасу для насоса шахтного водовідливу при роботі на забрудненій воді:

, (14)

де с - критичний кавітаційний коефіцієнт швидкохідності; D₀ - діаметр входу в робоче колесо; 0,072 - коефіцієнт пропорційності, м - ⁵.

Це рівняння застосовне в діапазоні _см = (1,01...1,2); _Т = (1,1…2,6); d_ср=(0,02...7) мм. Відхилення досвідчених крапок від розрахункових не перевищують 4 %. Тоді припустимий вакуум-метричний тиск при роботі насоса на гідросуміші:

Р_{вак.доп} = Р_а + - Р_доп.см - Р_п.см, (15)

де - швидкість в усмоктувальному патрубку; Р_п.см - тиск насиченої пари рідини в гідросуміші; Р_доп.см - припустимий кавітаційний запас на гідросуміші, Р_доп.см = А Р_кр.см; А - коефіцієнт кавітаційного запасу.

З рівняння (15) видно, що максимально припустиме значення вакууму в усмоктувальному патрубку насоса при роботі на гідросуміші менше відповідного тиску при роботі на однорідній рідині як за рахунок збільшення критичного кавітаційного запасу, так і тиску насиченої пари. Для підвищення усмоктувальної здатності і ККД насосів, що працюють у системі шахтного водовідливу, розроблені спеціальні робочі колеса, що містять звичайні радіальні і встановлені перед ними осьові лопатки. Осьові лопатки виконані у вигляді прямих ґрат профілів і встановлені з можливістю вільного обертання щодо радіальних лопаток. Завдяки вільно сидячій маточині прямі ґрати профілів лопаток самовстановлюються в напрямку найменшого опору і відповідним чином поділяє потік між радіальними лопатками, вирівнюючи тим самим навантаження між ними і зменшуючи втрати напору на удар, за рахунок чого підвищується ККД насоса. Одночасно прямими ґратами лопаток гасяться вихори, що зриваються з вхідних крайок радіальних лопаток, чим поліпшується усмоктувальна здатність робочого колеса.

При непрацюючому насосі водовідливної установки в прийомному колодязі осідає шлам, що приводить до зашламовування усмоктувального тракту і збільшенню його опору при пуску. Виниклі при цьому перехідні процеси можуть привести до небезпечних коливань тиску. Тиск і подача насоса при роботі на воді в перехідному процесі з урахуванням кавітації істотно відрізняються від отриманих для випадку, коли її впливом зневажають. Перехідний процес характеризується критичною подачею:

. (16)

Час перехідного процесу від роботи на воді до роботи на суміші і навпаки, буде визначатися за рівнянням:

. (17)

При виникненні кавітації подальша зміна подачі вже не порозумівається зміною частоти обертання і визначається законом, вираженим рівнянням:

. (18)

Залежність Р(t) у цьому випадку можна знайти виходячи з того, що зв'язок між тиском і витратою в перехідному процесі визначається рівнянням

Р = ga_{вс 2} Q².

У четвертому розділі "Теоретичні основи руху непроясненої шахтної води в підземних умовах" вивчені процеси руху турбулентних потоків забрудненої шахтної води в шорстких руслах водозбірних ємкостей і встановлені основні закономірності, що описують кінематичні і динамічні характеристики турбулентного її плину.

У роботі показано, що картина плину забрудненої шахтної води в шорсткому руслі водозбірних ємкостей не має нічого спільного з традиційним представленням про ламінарну плівку. За крапкою переходу епюри осереднених швидкостей у пряму лінію, а також за типом подовжніх пульсаційних швидкостей товщина ламінарної плівки ? легко визначається. На режимі гідравлічно-гладкого русла верхня її границя значно вище виступів. Для режимів у перехідній і квадратичній областях опорів величина ? зменшується, однак, верхня границя шару увесь час залишається вище вершин виступів шорсткості. Усередині цього шару плин стає турбулентним і окремі виступи обтікаються з утворенням вихорів. Тому даний шар уже не можна називати грузлим шаром чи ламінарною плівкою, тому що не укладається в звичайне представлення про структуру плину в придонній області шорсткого русла. Він являє собою відособлену область плину, що має свої особливі залежності розподілу швидкостей, різко відмінні від залежностей в іншій товщі турбулентного потоку. На відміну від існуючих понять грузлого шару і ламінарної плівки, умовимося називати шар ? придонним.

Вивчення енергетичних процесів, що характеризують турбулентний рух води, дає відоме представлення про дійсну фізичну картину руху і механізмі формування структури плину під впливом тертя об тверду границю. Для з'ясування ролі, що грають окремі області плину в процесах перетворення потенційної енергії потоку в кінетичну і дисипації останньої, розглянута зміна балансу енергії за глибиною рівномірного турбулентного потоку у водовідстойних спорудженнях. Рівняння балансу енергії осередненого руху для рівномірного турбулентного плину в шорсткому руслі:

. (19)

Рівняння балансу пульсаційної енергії також у безрозмірній формі:

, (20)

де h - глибина потоку; В - лінійний розмір виступів шорстості; n - кількість виступів на одиниці площі дна; С_х - коефіцієнт опору; V_* - динамічна швидкість; V_x^ґ, V_y^ґ, V_z^ґ - складові пульсаційних швидкостей.

При цьому велика частина пульсаційної енергії розсіюється безпосередньо в зоні границі придонного шару. Це підтверджує той факт, що введення нового поняття, придонного шару, як особої області турбулентного плину в шорсткому руслі водозбірних ємкостей, є цілком виправданим і границя придонного шару дійсно являє собою границю між двома різко відмінними в енергетичному відношенні областями потоку.

Тому що придонний шар є областю плину, що безпосередньо прилягає до твердої границі водозбірних ємкостей, то структура потоку в останніх формується процесами гальмування в цьому шарі. Після проведення експериментів і обробки їх, отримана залежність коефіцієнта Дарсі від гідравлічного радіуса потоку R:

. (21)

Розподіл швидкостей за глибиною потоку описується рівнянням:

. (22)

Отримана залежність дає закон розподілу швидкостей в основній товщі потоку в межах від границі придонного шару y / = 1 до поверхні води у водозбірнику y / = h / .

Шахтна вода за своїм складом є досить складним потоком (краплинна рідина, розчинені гази, мінеральні й органічні домішки і т.д.) і тому факторами, що роблять вплив на рух і коефіцієнт опору твердої частки в ній, є градієнти швидкості, тиску, температури, концентрації і неоднорідне випромінювання.

Тверда частка під дією градієнта швидкості в рідині від стінки і ґрунту водозбірних ємкостей може отримати обертальний рух і при цьому відношення піднімальної сили F_y до сили опору F буде визначатися вираженням:

. (23)

де а - радіус частки твердого; н - кінематична в'язкість рідини; К - коефіцієнт пропорційності.

Дослідивши вплив границь водозбірних ємкостей на опір часток довільної форми для сили опору , яка діє на частку, що обертається поблизу стінки, отримане наступне вираження:

, (24)

де l - характерний розмір стінки; V - швидкість частки; А и В - константи, що не залежать від форми частки, але залежні від геометрії системи; F_? - сила Бреннера.

Градієнт тиску ?P/?x в рідині обумовлює силу F_р, що діє на частку крім сили опору:

. (25)

Тепловіддача і відповідний розподіл швидкостей приводять до зміни в'язкості в потоці рідини, а отже і до зміни профілів швидкостей і коефіцієнта опору. Сили, що діють на частку внаслідок градієнта температури:

, (26)

де R - газова постійна; ? - довжина вільного пробігу частки.

На частки твердого, осілого у водозбірних ємкостях, будуть впливати миттєві придонні швидкості, що в окремі моменти часу можуть істотно відхилятися від свого середнього значення. У цьому випадку відношення сил F₂, що прагнуть зрушити частку з місця, до утримуючих сил F₁:

= , (27)

де к ₁ - коефіцієнт, що характеризує величину тертя частки в момент початку її руху і залежить від взаємного розташування часток у шарі; W - гідравлічна крупність твердого; V_m - максимальна миттєва швидкість потоку води.

Це відношення є мірою стійкості часток на дні водозбірних ємкостей. Тому що коефіцієнт тертя к ₁ і коефіцієнт затінення с не залежать від Re, то вищенаписана умова стійкості буде справедлива для часток будь-якого розміру, у тому числі і таких, опір яких уже не підкоряється квадратичному закону.

Вважаючи взаємодію частки твердого зі стінкою водозбірних ємкостей потенційним процесом, рух частки в напрямку по нормалі до стінки можна вважати аналогічним її руху у випадку взаємодії двох однакових сфер, що рухаються уздовж лінії центрів. Тому основні рівняння руху розглянутої системи з урахуванням переміщення частки паралельно стінці отримані в наступному вигляді:

,

, (28)

де х, у - просторові координати частки твердого в потоці рідини; U, V - складові швидкості рідини по осях х та у відповідно.

З приведених рівнянь випливає, що при малих числах Рейнольдса частка, що рухається впоперек турбулентного поля плину, або безупинно прискорюється, або безупинно сповільнюється внаслідок зміни турбулентності, взаємодії зі стінкою, а також унаслідок сталості турбулентності в середній частині потоку, у результаті чого інтенсивність руху часток у середній області потоку велика. Зазначений ефект сильніше виражений при малих числах Рейнольдса, обчислених за розміром каналу, чим при великих. Приведений аналіз справедливий при малих розмірах часток (менш 0,1 мм), що осідають у горизонтальних виробках шахтних водозбірників.

Установлено, що частки твердого не прямують за рідиною і швидкості твердої частки, що зустрілися з елементами рідини, не описуються лагранжевою функцією кореляції швидкостей турбулентного потоку. Це є важливою величиною, що характеризує взаємодію між зваженими частками твердого і частками шахтної води.

Відношення коефіцієнтів відносних швидкостей твердих часток і рідини описується наступним вираженням:

. (29)

де ?, л_Е - відповідно Лагранжев і Ейлеров мікромасштаби турбулентності; В - коефіцієнти пропорційності;

.

У зв'язку зі зростаючою глибиною розробки вугільних родовищ температура шахтної води безупинно підвищується. Тому пульсаційними характеристиками потоку поряд з вищенаведеними є температура, щільність і склад (концентрація компонентів) шахтної води. Оскільки ці величини за природою скалярні, то статичні аспекти теорії турбулентності можна перенести на пульсації температури і закономірності теплопереноса в двофазному турбулентному потоці. У роботі показано, що лагранжева функція розподілу пульсації температури залежить лише від параметрів поля пульсуючих швидкостей і середнього градієнта температури.

П'ятий розділ "Прояснення шахтних вод у підземних водозбірних ємкостях" присвячений вивченню руху твердої частки, зваженої в турбулентному потоці шахтної води. У цьому розділі розглянуті властивості переносу безлічі твердих часток і досліджені процеси осадження часток твердого у водозбірних ємкостях, оцінена просвітлювальна здатність шахтних водозбірників. Оскільки швидкості руху частки і рідини різні, присутність частки в потоці підсилює дисипацію. Це розходження зростає зі збільшенням хвильового числа турбулентності, унаслідок чого при досить великому числі твердих часток видозмінюється її енергетичний спектр, особливо в області великих хвильових чисел. Обходячи уздовж траєкторії твердої частки, загальне рівняння її руху з урахуванням ефектів, розглянутих Бассе, Бусінеском і Озеєном:

, (30)

де U і U_Т - швидкості рідини і твердої частки (U - середня швидкість рідини на шляху частки без урахування розподілу швидкості рідини навколо частки); F_е - сила, прикладена з боку зовнішнього потенційного поля; F - постійна часу процесу переносу кількості руху, зв'язаного із силою опору.

Якщо об'ємна частка твердих часток ? настільки велика, що товщина прикордонного шару рідини перевищує відстань між частками, то коефіцієнт опору одиночних часток уже не можна застосовувати для безлічі часток, і тоді він визначається за формулою:

. (31)

Для щільного шару твердих часток у нижній частині водозбірних ємкостей знайдена верхня межа частини часток і при цьому для визначення падіння тиску за глибиною використовувалося співвідношення:

, (32)

де С_f - модифікований коефіцієнт тертя; А_w - коефіцієнт, що враховує вплив дна і стінок; А_Т - коефіцієнт, що враховує нещільність часток; А_L - коефіцієнт, що враховує змочуємість рідини; 2а - номінальний розмір часток в осадженому шарі; Q_mo-масова витрата, обчислена по повному поперечному перерізі попереднього відстійника.

Однієї з причин нестаціонарності (утворення гряд) в осаджених шарах твердого є виникнення місцевого скупчення часток у водозбірних ємкостях, що приводить до зменшення коефіцієнта опору. Тому змінюється відповідне співвідношення тепло- і масообміну. При цьому рівняння для фактора масовіддачі J_D і фактора тепловіддачі J записуються у вигляді:

, , (33)

де К_е, С_m - відповідно коефіцієнти масовіддачі і теплопередачі; М - молекулярна вага осадженого шламу; ( / D)- число Шмідта; С - питома теплоємкість рідини; Pr - число Прандтля (Pr = C/); ч - коефіцієнт теплопровідності рідини.

При осадженні часток у водозбірних ємкостях, особливо в попередньому відстійнику, безліч часток рухається в напрямку ґрунту. Вважаємо, що зіткнення часток із ґрунтом водозбірника є непружним. Тоді коефіцієнт опору ґрунту при ударі частки можна записати у вигляді:

,

де F - сила опору ґрунту через зіткнення з частками; U₀ - швидкість потоку забрудненої шахтної води.

Якщо зібрати всі частки, що зштовхнулися з однією часткою (наприклад, сферою радіусом R), то інтенсивність передачі кількості руху можна охарактеризувати силою:

F = R² n_Т и ₀ т_Т и ₀ = R² _Т и ₀²F, (34)

де ?_Т=n_Т m_Т - щільність безлічі часток, n_Т - число часток в одиниці об'єму і m_Т - маса кожної частки.

Зіткнення між всіма елементами безлічі часток подібних розмірів описуються рівнянням

.

При зіткненні частки (s) з безліччю часток (r) температура частки (s) змінюється відповідно до наступного рівняння:

.

У загальному випадку, при відсутності зіткнень чи взаємодії між частками, турбулентний рух часток зв'язаний тільки з турбулентністю рідини. Процес осадження зважених твердих часток із шахтної води в попередніх відстійниках і у водозбірниках при працюючих насосах водовідливу відбувається з противотоком. Причому цей процес ускладнюється унаслідок впливу на швидкість осадження коефіцієнта опору С_D, що змінюється в залежності від концентрації твердих часток. Розподіл концентрації твердих часток за висотою потоку шахтної води з достатньою точністю описується рівнянням:

, (35)

де V_t0 - швидкість вільного падіння; V_* - динамічна швидкість (швидкість тертя).

Аналіз застосовуваних схем і методик розрахунку попередніх відстійників дозволив розробити найбільш раціональну конструкцію і запропонувати розрахунок його з урахуванням впливу на процес осадження щільності твердих часток і температури. При великих припливах для прояснення води від твердих часток рекомендується застосовувати попередній відстійник з торцьово-бічним відводом води і довжиною:

, (36)

де В - ширина відстійника.

Схеми шахтного водовідливу з максимально можливим ступенем очищення води від твердих часток у попередніх відстійниках будуть дуже ефективним засобом боротьби з зашламовуванням водозбірників тільки при одночасному рішенні питання видалення дрібнодисперсної частини твердого з водозбірників, що відстійниками не уловлюється. Видалення частини шламу, неуловленого в попередньому відстійнику, може бути здійснене шляхом застосування технічних рішень, заснованих як на розмиві осілих твердих часток, так і на збільшенні швидкості потоку (по всьому перетину виробки чи в придонній її частині) до значень, що забезпечують змив твердих фракцій у прийомний колодязь.

Видалення частини шламу, неуловленого в попередньому відстійнику, вирішено в схемі водовідливної установки НУО - 1 (СНУО) ДонНТУ з похилими водозбірниками.

Гідродинамічне очищення від твердих часток горизонтальних водозбірників описується рівнянням нерозривності:

;

, (37)

де ?, б_Т - коефіцієнти, що враховують нерівномірність розподілу по живому перетину води і твердих часток; q_ср - середня по перетину концентрація твердих часток; Q_mТ, Q_mВ - масові витрати припливу відповідно твердих часток і води. система шахтний водовідлив

Швидкості руху води, при яких забезпечується транспортування і змивання твердих часток, у горизонтальних водозбірниках створюються за рахунок перемичок, установлюваних із зазором стосовно його ґрунту. Необхідний рівень швидкостей забезпечується відповідним вибором величин зазорів і відстаней між сусідніми перегородками. Рух шламу у водозбірнику у формі гряд визначається швидкістю поширення хвильових збурювань:

, (38)

де Н - глибина потоку; V₁ - подовжня швидкість плину; l - довжина хвилі; W - гідравлічна крупність шламу.

Розроблені схеми водовідливу реалізовані на шахтах Донбасу.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі дане нове рішення актуальної наукової проблеми, що полягає у розвитку теорії шахтного водовідливу з урахуванням впливу придонного шару і температури потоку шахтної води, щільності і концентрації твердих часток на параметри водовідливних систем і обґрунтуванні раціональної технології відкачки води із шахти на поверхню, що виключає кавітаційне й абразивне руйнування насосів, зашламляємість водозбірників, витрати ручної некваліфікованої праці.

Основні наукові і практичні результати дисертаційної роботи полягають у наступному:

1. Показано й експериментально підтверджено, що при постійній концентрації шламу для опису реології останнього модель Шведова-Бінгама адекватна. При цьому шлам, узятий з покладу, буде рухатися усмоктувальним трубопроводом насоса практично як недеформований стрижень з діаметром близьким до діаметра труби, а повне дотичне напруження на його границях на (90...95) % буде визначатися граничною напругою зрушення. У реальних умовах осілий шлам з водозбірних ємкостей може засмоктуватися в усмоктувальні трубопроводи насосів при зануренні зрізу труби не більше ніж на 1 м. При більшому зануренні відбувається розрив суцільності пульпи через кавітацію.

2. Установлено, що непрояснена шахтна вода з частками твердого класу (0...0,07) мм при об'ємних концентраціях вище 15 % має аномальні властивості, характерними для неньютонових рідин. Для вод з концентрацією твердого до 32 % переважний вплив на кінематичну в'язкість і напругу зрушення роблять частки розміром не більш 0,04 мм. При тих же концентраціях присутність більш великих часток на реологічні властивості шахтної води практично не впливає. При збільшенні концентрації розмір часток, що роблять переважний вплив на реологічні характеристики води, зростає і при концентраціях 35 % за обсягом складає (0,06...0,07) мм. Зона критичної концентрації для часток твердого розміром (0,1...0,2) мм складає (37...38) %, при перевищенні якої в'язкість води змінюється за квадратичним законом.

3. При роботі на забрудненій шахтній воді з твердими включеннями розміром менш 0,1 мм частота коливань рідини в проточній частині використовуваних на шахтному водовідливі відцентрових багатоступінчастих насосів типу ЦНС, НСШ знаходиться в діапазоні від 3 до 8 Гц, практично збігається з власною частотою коливань ротора існуючих приводних асинхронних електродвигунів. Для запобігання резонансу в несталому режимі роботи насосів подача їх повинна відрізнятися від резонансної не менш ніж на 30 %. Прояснення шахтної води від твердих часток і підтримка її щільності постійної сприяє зменшенню коливань подачі установки.

4. Розроблена конструкція робочого колеса відцентрових насосів з виступами на лопатках, що не виходять за межі корінного і покривного дисків, збільшує довговічність лопатки на (25...30) %. Причому відношення висоти виступів до зовнішнього діаметра колеса дорівнює (0,002...0,01), а відношення ширини зрізів до діаметра колеса - (0,005...0,2). Експериментально встановлено, що раціональний діапазон значень відносної висоти виступів за ККД і коефіцієнтом напору, дорівнює (0,002...0,010) і забезпечує збільшення коефіцієнта корисної дії насоса на (3...5) % і коефіцієнта тиску - на (15...30) %. Нова конструкція першого робочого колеса насоса із лопатками, що самовстановлюються в напрямку найменшого опору на вході в нього, забезпечує зменшення втрат напору на удар і гасіння вихорів, що зриваються з вхідних крайок радіальних лопаток, чим підвищується всмоктувальна здатність робочого колеса і підвищується ККД насоса.

5. На відміну від загальноприйнятих залежностей розподілу осереднених і подовжніх пульсаційних швидкостей у товщі турбулентного потоку, у придонному шарі шахтної води теоретично встановлене й експериментально підтверджено, що в поверхні потоку величини подовжньої і вертикальної складових пульсаційних швидкостей приблизно однакові. Максимум подовжніх пульсацій розташований завжди на границі придонного шару незалежно від глибини потоку, а максимум вертикальних - завжди на відстані від ґрунту водозбірної ємкості, що складає (0,18...0,2) глибини потоку незалежно від товщини придонного шару. Максимальне ж середньоквадратичне значення подовжньої складової більше в два рази значення вертикальної.

6. Для часток твердого в потоці шахтної води, що рухаються поступально і обертально, вперше отримані залежності, що визначають вплив стінок канавок, відстійників і водозбірників на інтенсивність їхнього руху в середній області потоку двофазної суміші - з наближенням до стінки швидкість руху часток зростає з одночасним зменшенням турбулентності, що визначає характер руху. Інтенсивність відносного турбулентного руху обумовлена швидкістю пульсації рідини і тому коефіцієнт відносної швидкості твердої частки залежить від відношення часу передачі імпульсу частки при зіткненні один з одним до часу, протягом якого елемент рідини залишається в області кореляції швидкостей (К) і є функцією Лагранжева (?) і Ейлерова (?_Е) масштабів турбулентності. При заданому кінцевому значенні ?/л_Е частка, для якої К = 0, випливає за елементом рідини і коефіцієнти відносних швидкостей частки і рідини рівні. При більшому значенні К частка не реагує на рух рідини. При двофазному плині рідини у водозбірних ємкостях величина ? змінюється зі зміною середньої швидкості потоку, а величина ?_Е дорівнює приблизно половині гідравлічного радіуса потоку. Таким чином, для потоку зазначеного типу при заданих розмірах твердих часток і складі рідини коефіцієнт відносної швидкості твердих часток зменшується з ростом швидкості потоку і збільшується з ростом гідравлічного радіуса. Зменшення коефіцієнта відносної швидкості, обумовлене великими розмірами твердих часток, компенсується за рахунок зменшення середньої швидкості потоку до транспортної чи зменшенням ширини водозбірної ємкості.

7. Рух твердих часток у шахтній воді залежить як від властивостей рідини, так і від положення часток у потоці і від їхніх зіткнень між собою. У сталому режимі руху при визначеному змісті твердих часток за висотою потоку швидкість осадження буде дорівнювати швидкості турбулентного потоку, а вертикальна складова пульсаційної швидкості дорівнює приблизно динамічній швидкості за межами придонного шару. Розподіл концентрацій твердих часток по висоті потоку води у водозбірнику для вугілля і породи залежить лінійно від відношення гідравлічної і динамічної швидкостей і підкоряється квадратичному закону.

8. Час прояснення шахтної води до санітарних норм (30 мг/л) на більшості шахт значно перевищує чотири години. Остання обставина вимагає перехід на восьмигодинну ємкість головних шахтних водозбірників. Це зв'язано зі значними капітальними витратами й ускладненням процесу керування гірничим масивом в навколостовбурному дворі. Тому в більшості випадків при реконструкції і проектуванні водовідливного комплексу шахти варто застосовувати дворазове очищення води - видалення великих твердих фракцій розміром більш 0,1 мм у попередніх відстійниках і відкачку осілого шламу, що містить тверде крупністю менш 0,1 мм, із прийомних колодязів у шламонакопичувачі перед кожним включенням насосів водовідливу в роботу з доведенням води, що відкачується, до санітарних норм у поверхневих прояснювачах. Підземні водовідливні ємкості при цьому виконуються у вигляді водозбірників, що змиваються, зі зменшенням на 30 % необхідного обсягу відповідно до вимог ПБ, а для зниження концентрації твердого в шахтній воді варто транспортувати її в трубопроводах до головного водозбірника замість водовідливних канавок, що дозволить знизити в (6...8) раз капітальні витрати на спорудження останніх.

9. Уточнено методику розрахунку попередніх відстійників для уловлювання часток твердого розміром більш 0,1 мм з урахуванням впливу хаотичного руху компонентів зі швидкістю більшої кінцевої швидкості часток, ефекту Магнуса, дисипативної сили, що виникає в процесі плину через шар часток і виштовхує воду нагору, а також щільності твердого і температури шахтної води, що прояснюється. Довжина попереднього відстійника при цьому зменшується на (25...40) %. Для усунення циркуляційного руху обсягу води в попередньому відстійнику, розташованого нижче транзитного потоку, довжина відстійника повинна перевищувати його глибину в 3 рази.

10. Результати досліджень і випробувань дозволили вперше створити і впровадити у виробництво типові технологічні схеми дільничних насосних водовідливних установок з попереднім очищенням шахтної води і водозбірниками, що змиваються, затверджені колишнім Міністерством вугільної промисловості України. Використання таких водовідливних комплексів на 19 шахтах України дозволило знизити на 25 % частку некваліфікованої ручної праці при обслуговуванні водовідливу й одержати економічний ефект від 10 до 50 тис. грн. на одну установку.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Основні положення дисертації опубліковані у наступних роботах:

1. Матлак Е.С., Малеев В.Б. Снижение загрязненности шахтных вод в подземных условиях. - Киев: Техника. - 1991. - 136 с.

2. Малеев В.Б., Малашкина В.А. Водоотлив и дегазация угольных шахт. - М.: Недра. - 1995. - 208 с.

3. Малашкина В.А., Малеев В.Б. Ремонт и эксплуатация стационарного оборудования шахт. Справочное издание. - М.: Недра. - 1990. - 329 с.

4. Специальные средства водоотлива и гидромеханизированной очистки шахтных водосборных емкостей. Учебное пособие для вузов. / Малеев В.Б. и др. - Донецк: ДПИ. - 1986. - 36с.

5.Следь Н.Н., Малеев В.Б., Селивра С.А., Будишевский В.А., Гулин В.В. Монтаж электромеханического оборудования энергоемких производств. Учебное пособие для студентов высших учебных заведений. - Донецк: УкрНТЭК. - 2001. - 320 с.

6. Малеев В.Б. Движение шахтной воды через предварительные отстойники. // Наукові праці Донецького державного технічного університету. Випуск 27, серія гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДонДТУ. - 2001. - С. 255-263.

7. Малеев В.Б. Осаждение мелкодисперсных частиц в шахтных водосборниках. // Проблеми експлуатації обладнання шахтних стаціонарних установок. Збірник наукових праць. - Донецьк: ДВАТ "НДІГМ ім. М.М. Федорова". - 2001. - Вип. 94. - С. 77-85.

8. Малеев В.Б. Взаимодействие твердых частиц с поверхностями шахтных водосборников. // Наукові праці Донецького державного технічного університету. Випуск 16, серія гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДонДТУ. - 2001. - С. 186-182.

9. Малеев В.Б. Коэффициент Дарси почвы водосборника как функция толщины придонного слоя. // Гірнича електромеханіка та автоматика. Науково-технічний збірник. - Дніпропетровськ, №64, 2000, - С. 137-142.

10. Малеев В.Б. Критерий устойчивости для твердых частиц на почве шахтных водосборников. // Гірнича електромеханіка та автоматика. Науково-технічний збірник. - Дніпропетровськ, №2(61), 1999, - С. 103-108.

11. Малеев В.Б. Исследование процесса осаждения твердых частиц в предварительном отстойнике. // Гірнича електромеханіка та автоматика. Науково-технічний збірник. - Дніпропетровськ. - 1999. -№4(63). - С. 174-179.

12. Заря А.Н., Малеев В.Б. Шахтные водоотстойники. // Сб. трудов горно-электромеханического факультета ДонГТУ. - Донецк. - 1996. - С. 138-142.

13. Малеев В.Б. Новые способы и средства очистки шахтных технологических вод. // Международный симпозиум "Горная техника на пороге XXI века". - Московский государственный горный университет. - Москва. - 1996. - С. 530-535.

14. Малеев В.Б. Обмен количеством движения в шахтной воде. // Труды Донецкого государственного технического университета. Выпуск 16, серия горно-электромеханическая. - Донецк: ДонГТУ. - 2000. - С. 192-198.

15. Малеев В.Б., Холоша А.С. Очистка шахтных вод перед дальнейшим их использованием. // Проблеми експлуатації обладнання шахтних стаціонарних установок. Збірник наукових праць. - Донецьк: ДВАТ "НДІГМ ім. М.М. Федорова". - 2001. - Вип. 94. - С. 85-92.

16. Малеев В.Б., Ященко А.М. Некоторые аспекты экономии электроэнергии на водоотливе шахт Донбасса. // Уголь Украины. - 2002. -№8 - С. 5-9.

17. Maleew V., Gцlling I. Stand der Technik der pneumatisch - hydraulischen seigerfцrderung in der Sowjetunion. // Fachberichte "Erzmetall" 36 (1983). - №7/8. - Р. 382-387.

18. Малеев В.Б., Малыгин С.С., Марков Н.А. Водоотливный комплекс рабочего горизонта шахты. // Разработка месторождений полезных ископаемых. Респ. межвед. науч. - техн. сб. - 1989. - Вып. 82. - С. 30-33.

19. Малеев В.Б., Антонов Э.И., Романов В.А. Эффективность центробежно-струйных систем в составе шахтного водоотлива. // Уголь Украины. - 1995. №3 - С. 47-78.

20. Романов В.А., Тимохин Ю.В., Малеев В.Б., Кошкальда Л.И., Степанова Е.В. Параметры центробежно-струйных систем с промежуточным отбором потока. // Уголь Украины. - 1996. -№4. - С. 41-42.

21. Малеев В.Б., Мизерный А.В. О целесообразности регулирования шахтной водоотливной установки впуском воздуха во всасывающий трубопровод. // Известия Донецкого горного института. - Донецк. - 2002. -№2. - С. 15-17.

22. Ященко А.М., Романов В.А., Малеев В.Б., Матвеев В.И. Создание ресурсосберегающей технологии на основе мониторизации машин. // Уголь Украины. - 1999. - № 5. - С. 11-13.

23. Малеев В.Б., Ященко А.М., Холоша А.С. Экономия электроэнергии на шахтном водоотливе. // Наукові праці Донецького державного технічного університету. Випуск 42, серія гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДонДТУ. - 2002. -С. 161-172.

24. Малеев В.Б. Основы подобия потоков шахтных вод. // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Машиностроение и техносфера ХХІ века. - Донецьк: ДонНТУ. - 2002. - т. 2. - С. 69-74.

25. Малеев В.Б. Износ лопаток рабочего колеса центробежного насоса твердыми частицами. // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Випуск 51, серія гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДонНТУ. -2002. -С. 142-148.

26. Малеев В.Б. Влияние твердых частиц на процесс кавитации в центробежных насосах // Сборник научных трудов национального горного университета Украины. - Днепропетровск. - 2002. -№15/2. - С. 187-192.

27. Авторское свидетельство № 1521925 (СССР). Рабочее колесо гидромашины / Гейер В.Г., Боруменский А.Г., Малеев В.Б., Комисова Е.А.

28. Авторское свидетельство № 1634836 (СССР). Рабочее колесо центробежного насоса / Гейер В.Г., Боруменский А.Г., Малеев В.Б., Бабак Г.А., Щукина О.М.

29. Малеев В.Б. Влияние толщины придонного слоя на распределение скоростей по глубине потока. // Международная научно-техническая конференция "Горная электромеханика и автоматика". - Донецкий национальный технический университет. - Донецк: ДонНТУ. - 2002. - С. 108-116.

Особистий внесок автора у роботах, що опубліковані в співавторстві:

[1] - теоретичне оформлення механізму забруднення та освітлення шахтних вод у підземних умовах; розроблені методики розрахунку параметрів засобів очищення шахтних водозбірних ємкостей від шламу;

[2] - теоретично обґрунтовані та розроблені технологічні схеми шахтних водовідливних установок з водозбірниками, що змиваються самі;

[3, 4, 5] - теоретична постанова та практична реалізація рішення задачі відкачки забрудненої шахтної води;

[6] - розроблено математичну модель освітлення шахтної води в попередньому відстійнику водовідливної установки;

[7-11, 14, 24, 29] - розроблено концептуальні положення щодо встановлення рівняння руху шахтної води, взаємодії часток шламу, процесу осадження, розроблені математичні моделі цих процесів і проведено експериментальні дослідження;

[12] - розроблена теоретична постанова завдання при аналітичному визначенні типу попереднього відстійника;

[13, 15] - запропоновано нові способи та засоби очищення шахтних вод;

[16, 18, 22, 23] - теоретичне оформлення та практична реалізація засобів економії електроенергії на шахтному водовідливі;

[17] - теоретичне та практичне оформлення гідропневматичного підйому сумішей;

[19, 20] - обґрунтовано нові підходи до підвищення ефективності використання відцентровострумінних систем;

[21, 27, 28] - запропоновано технічнi рішення по підвищенню всмоктуючої здатності та ККД відцентрових насосів;

[25, 26] - визначено вплив твердих часток у шахтній воді, що перекачується, на кавітаційне та абразивне зношування лопаток робочого колеса відцентрового насосу.

АНОТАЦІЯ

Малєєв В.Б. Розвиток наукових основ системи шахтного водовідливу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.05.06 - Гірничі машини - Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2003.

Дисертація присвячена питанням технології відкачки шахтних вод на поверхню. У роботі дано нове рішення актуальної наукової проблеми, що має важливе народногосподарське значення і полягає у подальшому розвитку теорії руху шахтних вод у підземних умовах, обґрунтуванні на цій базі раціональної технології відкачки шахтної води на поверхню і забезпеченні ефективної її реалізації шляхом розробки схем і засобів шахтного водовідливу, що забезпечують незашламовуваність водозбірників, виключення кавітаційного руйнування насосів, підвищення безпеки, надійності й економічності водовідливних установок, зниження витрат ручної некваліфікованої праці, а також зниження забруднення навколишнього середовища скиданнями шахтних вод і порушення екологічної обстановки при закритті вугільних шахт.

Ключові слова: шахтна вода, водовідлив, насос, математичне моделювання, відстійник.

АННОТАЦИЯ

Малеев В.Б. Развитие научных основ системы шахтного водоотлива. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.05.06 - Горные машины - Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2003.

Диссертация посвящена вопросам технологии откачки шахтных вод на поверхность. В работе дано новое решение актуальной научной проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение и заключающейся в дальнейшем развитии теории движения шахтных вод в подземных условиях, обосновании на этой базе рациональной технологии откачки шахтной воды на поверхность и обеспечение эффективной ее реализации путем разработки схем и средств шахтного водоотлива, обеспечивающих незашламовывание водосборников, исключение кавитационного разрушения насосов, повышение безопасности, надежности и экономичности водоотливных установок, снижение доли ручного неквалифицированного труда, а также снижение загрязнения окружающей среды сбросами шахтных вод и нарушения экологической обстановки при закрытии угольных шахт.

Оседаемые твердые частицы, в отличие от сыпучих, не распадаются на составные части под действием гравитационных сил ни в воде, ни в воздухе. Характерной особенностью таких осадков в насыщенном состоянии является их промежуточное положение между аномальными жидкостями и твердыми телами.

Математическое описание основных реологических характеристик осевшего шлама позволило установить взаимосвязь скорости осаждения твердой фракции с критической концентрацией, крупностью частиц и температурой шахтной воды. Экспериментально подтверждено, что при постоянной концентрации шлама для описания реологии последнего модель Шведова-Бингама адекватна.

При исследовании особенностей рабочих процессов насосов водоотлива при перекачке воды со взвешенными твердыми частицами исходили из того, что реально существующий неоднородный поток гидросмеси состоит из непрерывного потока жидкости и дискретного потока твердых частиц, между которыми всегда существует силовое взаимодействие. Эти особенности учтены при конструировании рабочих колес шахтного многоступенчатого центробежного насоса. Разработанное рабочее колесо содержит коренной и покрывной диски, и расположенные между ними загнутые назад лопатки с выступами, которые не выходят за пределы дисков и находятся на периферии лопаток с их лицевой стороны.

Для повышения всасывающей способности и КПД насосов, работающих в системе шахтного водоотлива, разработаны специальные рабочие колеса, содержащие обычные радиальные и установленные перед ними осевые лопатки. Осевые лопатки выполнены в виде прямой решетки профилей и установлены с возможностью свободного вращения относительно радиальных лопаток. Благодаря свободно сидящей ступице прямая решетка профилей лопаток самоустанавливается в направлении наименьшего сопротивления и соответствующим образом делит поток между радиальными лопатками, выравнивая тем самым нагрузку между ними и уменьшая потери напора на удар, за счет чего повышается КПД насоса.

Разработаны и использованы при решении задач оптимального проектирования рабочих колес центробежных насосов математические модели влияния твердого компонента в шахтной воде на напорные, энергетические и кавитационные характеристики насосов водоотлива. Проведены экспериментальные исследования натурных образцов рабочих колес, результаты которых позволили установить адекватность разработанных математических моделей реальным системам.

Разработаны и использованы при решении задач осветления шахтных вод в подземных условиях математические модели их движения через водосборные емкости и резервуары с учетом придонного слоя, теплообмена в турбулентном потоке и взаимодействия твердых включений между собой и с поверхностями водоотливных сооружений.

При изучении процесса движения турбулентных потоков загрязненной шахтной воды в шероховатых руслах водосборных емкостей установлены основные закономерности, описывающие кинематические и динамические характеристики турбулентного их течения.

Введено понятие придонного слоя турбулентного потока неосветленной шахтной воды, отличного от существующих понятий вязкого слоя и ламинарной пленки. Он представляет собой обособленную область течения, имеющую свои особые зависимости распределения скоростей, резко отличные от зависимостей в остальной толще турбулентного потока.

Результаты работы использованы в угольной промышленности при создании новых и модернизации существующих насосных водоотливных установок с предварительной очисткой шахтной воды. Разработаны и внедрены нормативно-технические документы: на типовые технологические схемы участковых насосных водоотливных установок с предварительной очисткой шахтной воды и самосмывающимися водосборниками водоотливных установок перекачного и участкового водоотлива. Результаты исследований использованы проектным институтом ЮЖГИПРОШАХТ при разработке комплекса главного водоотлива угольных шахт с механизированной очисткой водосборников, а также другими организациями.

Ключевые слова: шахтная вода, водоотлив, насос, математическое моделирование, отстойник.

THE SUMMARY

Маlеew V. Scientific foundation of the mine pumping system development. - the Manuscript.

The dissertation of a scientific degree of Dr.Sci.Tech. on a specialty 05.05.06 - Mountain machines - Donetsk national technical university, Donetsk, 2003.

The dissertation is devoted to questions of technology pumping-out mine waters on a surface. In work the new decision of the actual scientific problem, having the important economic value and is given the theory of movement of mine waters consisting in the further development in underground conditions, a substantiation on this base of rational technology pumping-out mine waters on a surface and maintenance of its effective realization by development of circuits and means mine pumping, causing unplugging catchments basins, exception cavitations destructions of pumps for increase of safety, reliability and profitability pumping installations, decrease of expenses of manual unskilled work, and also with the purpose of decrease of environmental contamination by dumps of mine waters working and infringements of economic conditions at closing collieries.

Key words: mine water, pumping, the pump, mathematical modeling, a sediment bowl.

Размещено на Allbest.ru

...