Анотація до роботи:

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.

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 (л) і Ейлерова (л_Е) масштабів турбулентності. При заданому кінцевому значенні л/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 л змінюється зі зміною середньої швидкості потоку, а величина л_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.

Публікації автора:

Основні положення дисертації опубліковані у наступних роботах:

1. Матлак Е.С., Малеев В.Б. Снижение загрязненности шахтных вод в подземных условиях. – Киев: Техніка.- 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., СеливраС.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 опубликовані в співавторстві:

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

[2] – теоретично обгрунтовані 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 відстойника;

[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 гідро- пневматичного підйому сумішей;

[19, 20] - обгрунтованo 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 насоса.