Разработка и обоснование технологических схем и параметров механической очистки шахтных вод в системе водоотлива

Актуальность работы. Эффективность реализации интенсивных технологий угледобычи на шахтах нового научно-технического уровня сдерживается наличием в технологических схемах малопроизводительных элементов. Одним из таких элементов технологической схемы является шахтный водоотлив.

Шахтные воды являются основным источником загрязнения природной среды в угледобываюш-их регионах. Наблюдения за гидрохимическим режимом водных объектов в зонах разработок месторождений полезных ископаемых продолжаются с 40-х годов. Но результатам анализа установлено, что качество воды в водных объектах продолжает ухудшаться, несмотря на сокращение объёмов производства в конце 80-х — начале 90-х годов. Наиболее распространёнными загрязняющими веществами поверхностных вод области являются взвешенные частицы, нефтепродукты, фенолы, соединения металлов и другие, основным источником которых служат сточные воды промышленных предприятий и предприятий жилищно-коммунального хозяйства.

Например, в реку Томь в Кемеровской области сбрасывают сточные воды 54 предприятия. Объём сброшенных ими загрязнённых вод в 1999 году составил 263,288 млн. мА, в том числе 136,661 млн. мА сточных вод. Со сточными водами сброшено 161,1 тыс. тонн загрязняющих веществ.

В Кемеровской области из всех предприятий, внёсших наибольший вклад в загрязнение поверхностных водоёмов, 52.6% относятся к угольной промышленности, которые в 1999 году сбросили 108,9 тыс. тонн или 34%о от общего объёма.

Анализ работы технологических схем шахтного водоотлива показывает, что в водосборниках эффективно осаждаются частицы крупностью +0,1 мм, частицы меньшей крупности подхватываются потоками и находятся во взвешенном состоянии, практически не оседают в подземных водосборниках и отстойниках на поверхности, а затем сбрасываются во внешние водоёмы с большим превышением предельно допустимых концентраций (ПДК). Тоже происходит с фенолами (2−3 ПДК) и нефтепродуктами (1−2 ПДК), которые мигрируют из массива угля, а также смываются при утечках с комплексов, агрегатов и промплош-адки шахты. Процесс очистки подземных пульпосбор-ников и водосборников, а также отстойников на поверхности является трудоёмким, механизация и автоматизация данного процесса сопряжена с большими сложностями, требует 100% их резервирования, что приводит к большим капитальным и эксплуатационным затратам.

В горной науке решению задачи создания новых технологических схем водоотлива уделяется недостаточное внимание в виду кажущейся низкой технологической значимости этого процесса в технологических схемах шахт, в результате игнорируется экологический ущерб. На практике новые разработки очистки шахтных вод не получают широкого применения из-за своей громоздкости, больших капитальных затрат и малой эффективности. В результате технологические схемы и способы очистки шахтного водоотлива остаются на уровне развития 40-х годов. т~ч и и.

В этой связи актуальной является научная задача, направленная на исследование процессов осаждения твёрдых частиц и создание на их основе технологических схем механической очистки шахтных вод в системе водоотлива, отвечающих требованиям экологической безопасности производства.

Целью работы является повышение эффективности работы шахтного водоотлива на основе разработанных технологических схем механической очистки шахтных вод в нисходящих и восходящих ламинарных потоках водосборника.

Идея работы заключается в интеграции процессов гравитации, фильтрации, перелива и дренажа в нисходящих и восходящих ламинарных потоках шахтных вод, обеспечивающих интенсификацию осаждения твёрдых частиц и илов без строительства резервных водосборников.

Задачи исследований: установить закономерности интенсификации процессов осаждения шлама в водосборнике при нисходящих и восходящих ламинарных течениях и процессах перелива шахтных водразработать технологические схемы механической очистки шахтных вод в нисходящих и восходящих ламинарных потоках одного водосборника без строительства резервногоразработать альтернативные варианты технологических схем шахтного водоотлива на основе поточных процессов интенсификации осаждения шлама, его выгрузки и обезвоживанияразработать методику расчёта параметров технологических схем шахтного водоотлива на основе установленных закономерностей осаждения шла-мов в нисходящих и восходящих потокахобосновать параметры и область применения технологических схем шахтного водоотлива на основе процессов механической очистки шахтных вод для широкого диапазона схем и способов вскрытия и подготовки шахтных полей.

Методы исследований: планирование эксперимента и физическое моделирование для установления закономерностей интенсификации процессов осаждения и обезвоживания шлама с осветлением водыдекомпозиция существующих и синтеза новых технологических и технических решений для разработки технологических схем тонкой очистки шахтных вод в нисходящем и восходящем потокаханализ, обобщение, научно-технический прогноз состояния и путей развития технологических способов и технических средств для разработки альтернативных вариантов технологических схем шахтного водоотливасинтез алгоритма на основе закономерностей осаждения шлама для разработки методики расчёта параметров технологических схем шахтного водоотливаматематическое моделирование с использованием комплексного критерия эффективности с ограничениями по технологической и экологической безопасности для обоснования и установления области применения технологических схем шахтного водоотлива на основе процессов механической очистки шахтных вод.

Научные положения выносимые на защиту: параметры нисходящих и восходящих ламинарных потоков в объёме водосборника соответствуют закону сообщающихся сосудов, при этом скорость нисходящего потока должна быть выше продольного, а скорость продольного выше восходящего, что обеспечивает неподвижность верхнего слоя воды, где аккумулируются фенолы и нефтепродуктытехнологические схемы механической очистки шахтных вод включают технические устройства и средства, параметры и режимы работ которых регламентируются шахтным притоком и концентрацией твёрдых частиц и обеспечивают технологическую эффективность и экологическую безопасность шахтного водоотлива, оптимизацию производительности устройств при минимальной удельной энергоёмкости процесса осаждения шламаальтернативные технологические схемы водоотлива обеспечивают очистку шахтных вод за счёт интеграции следующих технических устройств и средств: комплекса осветления технологической воды, создающего восходящие и нисходящие ламинарные потоки и включающего обезвоживающий конвейертонкослойных осветлителейвращающихся воронок для загрузки обезвоживающих бункеров, оснащённых активатором, классификатором или конусными кольцамиметодика расчёта параметров технологических схем шахтного водоотлива, базируется на: нелинейной зависимости удельной производительности шпальтового сита от ширины щелигиперболической зависимости изменения влажности шлама от крупности и времени нахождения материала в фильтрующем бункереобоснование области применения технологических схем шахтного водоотлива осуш-ествляется по результатам математического и физического моделирования параметров технологических схем водоотлива с адаптацией их к схемам и способам вскрытия и подготовки шахтных полей и технолого-экономического моделирования с использованием комплексного критерия эффективности с ограничениями по технологической и экологической безопасности.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: непротиворечивостью установленных закономерностей интенсификации гравитационного осаждения шлама в водосборнике при нисходящих и восходящих ламинарных течениях и процессах перелива шахтных вод законам гравитации и кинематики частиц в ламинарных потоках, полученных при 27 стендовых испытаниях и подтверждённых на реальных объектахудовлетворительной сходимостью численных значений скорости осаждения частиц в турбулентных и ламинарных потоках, полученных по результатам математического и физического моделирования, с экспериментальными данными лабораторных и промышленных исследований с погрешностью не более 15%- безаварийной работой систем шахтного водоотлива при притоках воды от 30 до 150 м’А/час и концентрации твёрдых частиц до 120 г/л за счёт регулирования производительности звеньев технологической цепи по установленным на основе результатов исследований параметрам технологических режимовположительными результатами обоснования по разработанной методике параметров технологических схем шахтного водоотлива включающих: систему вертикально расположенных бункеров и механизированного водосборника при отработке пластов крутого падениясистемы механизированного горизонтального водосборника, оснащённого агрегатами обезвоживания угля и осветления воды при отработке пластов пологого залеганияположительной адаптацией технологических схем очистки шахтных вод к прогрессивным схемам и способам вскрытия и подготовки шахтных полей в проектах водоотлива участка «Егозовский» шахтоуправления «Кольчугин-ское», шахты «Нагорная» ОАО УК «Кузнецку го ль».

Научная новизна работы заключается в: установлении соответствия закономерностей интенсификации процессов осаждения шлама законам гравитации и кинематики дисперсных частиц в восходяш-их и нисходяпдих ламинарных потокахразработке технологических схем интенсификации процессов осаждения шлама за счёт механической очистки шахтных вод в восходяш-их и нисходя-пдих потоках при перемешивании слоев воды и снижении кинетической энергии частицсистемной интеграции интенсивных поточных процессов обезвоживания шлама в альтернативные варианты технологических схем шахтного водоотлива и очистки шахтных водустановлении степенной зависимости удельной производительности сита от ширины щ&ш и гиперболической зависимости изменения влажности материала от его крупности и времени нахождения в фильтруюпдем бункереинтеграции ограничений по технологической и экологической безопасности для обоснования области применения технологических схем шахтного водоотлива на основе технологии механической очистки вод и их интеграции в прогрессивные схемы и способы вскрытия и подготовки шахтных полей.

Личный вклад автора состоит в: математическом и физическом моделировании для установления закономерностей осаждения твёрдых частиц в восходяш-ем и нисходяш-ем потоках шахтной водыразработке технических средств и конструировании технологических схем механической очистки шахтных вод, обеспечивающих создание восходящих и нисходящих потоков, для увеличения эффективности и производительности очистки за счёт снижения кинетической энергии частиц и перемешивания слоев водыразработке и обосновании параметров альтернативных технологических схем шахтного водоотлива на основе дифференцированного подхода к поточному процессу осветления технологической воды, а так же выгрузке и обезвоживанию шлама из подземного водосборника, что обеспечивает увеличение технологической эффективности и экологической безопасностиразработке методики расчёта параметров технологических схем шахтного водоотлива на основе установленных зависимостей, которая позволяет обосновать их параметры при использовании: комплекса обезвоживания и осветления технологической воды, обезвоживающих бункеров, оснащённых активатором, классификатором или конусными кольцами и тонкослойных осветлителей для интенсификации осаждения твёрдых частицобосновании параметров и установлении области применения технологических схем шахтного водоотлива на основе процессов тонкой очистки шахтных вод для широкого диапазона схем и способов вскрытия и подготовки шахтных полей.

Практическая ценность работы состоит в том, что пол) Д1енные результаты позволяют: использовать закономерности процесса осаждения твёрдых частиц при очистке воды от шлама в водосборнике путём создания нисходящих и восходящих ламинарных потоков при проектировании систем очистки технологической водысинтезировать технологические схемы механической очистки шахтных вод, включающие устройства формирования восходящих и нисходящих ламинарных потоков, обезвоживающие конвейеры и тонкослойные осветлителипроводить выбор оптимального из альтернативных вариантов технологических схем шахтного водоотлива при проектировании новых и реконструкции действующих шахтрассчитывать параметры технологических схем шахтного водоотлива на основе установленных зависимостей удельной производительности шпальто-вого сита от ширины щелиизменения влажности шлама от крупности и времени нахождения материала в фильтрующем бункереустанавливать параметры технологических схем шахтного водоотлива с учётом схем и способов вскрытия и подготовки шахтных полей при реконструкции или техническом перевооружении шахт.

Реализация работы. Научные результаты и практические рекомендации, разработанные автором, использовались при проектировании шахтного водоотлива участка «Егозовский» шахтоуправления «Кольчугинское», шахты «Нагорная» ОАО УК «Кузнецкуголь» и в учебном процессе Сибирского государственного индустриального университета.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались и получили одобрение на: III Всероссийской студенческой научно-практической конференции «Проблемы безопасности в природных технических системах» (Иркутск, 1998 г.) — Региональной научно-технической конференции «Обогащение, переработка и комплексное использование минерального сырья» (Кемерово, 1999 г.) — III, IV, V международных научно — практических конференциях «Перспективы развития горнодобывающей промышленности» (Новокузнецк, 1996 — 1998 г.) — I, II, IV, V международных конференциях «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки месторождений полезных ископаемых» (Новокузнецк, 1996, 1997, 1999, 2000 г.) — Научно — технической конференции «Студент и научно — технический прогресс» (Новокузнецк, 1997 г.) — Научно — практической конференции «Взаимодействие научно — образовательных, промышленных, предпринимательских и административных структур в регионе» (Новокузнецк, 1999 — 2000 г.) — Межвузовской научно — технической конференции «Численно — аналитические методы решения краевых задач» (Новокузнецк, 1999 г.).

Публикации: Основное содержание диссертации отражено в 22 печатных трудах, в том числе в трёх патентах.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 132 страницы печатного текста, в том числе 43 рисунка, 4 таблицы, список литературы из 84 наименований.

5.6. Выводы.

Разработанная методика обоснования параметров технологических схем шахтного водоотлива включает алгоритмы их расчёта для обезвоживающих конвейеров, фильтрующих бункеров, традиционных водосборников, водосборников с перегородками и выгрузкой шлама.

Методика позволяет устанавливать следующие параметры: длину сита обезвоживающего конвейера, обеспечивающего пропуск шахтного притока, его производительность и объём уплотняющих полостейобъем обезвоженного шлама в бункерах, их рабочую емкость и время заполнениягеометрические размеры водосборника, скорость движения воды в нём и объем осевшего шлама. Данные параметры обоснованы путём моделирования процессов осаждения шлама и позволяют повысить показатели эффективности шахтных водоотливов.

Область применения параметров ограничена следующими критериями: капитальные и эксплуатационные затраты нового варианта должны быть меньше базовогоочищенные шахтные воды должны отвечать нормам ПДКпропускная способность звеньев технологической цепи должна удовлетворять объёмы шахтного притока.

Тестовые расчёты показали, что при использовании шпальтовых сит с размером щели 0,1 — 0,8 мм количество твёрдого в подрешётном продукте снижается на 15 — 25%, при этом пропускная способность технологических средств снижается на 30 — 40%, а влажность шлама увеличивается до 18 -30%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является научной квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технологические и технические разработки по созданию технологических схем механической очистки шахтных вод за счёт формирования в водосборнике управляемых потоков, обеспечивающие решение важных прикладных задач, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в угольной промышленности.

Основные научные выводы и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлены закономерности процессов осаждения шлама шахтных вод: условием интенсивного осаждения шлама является то, что скорость нисходящего потока (<9″) больше скорости продольного (9″), которая выше скорости восходящего потока, то есть 9&bdquo-)9&bdquo-)Э/, снижение скоростей нисходящих, продольных и восходящих потоков в отстойнике с водонепроницаемыми перегородками обеспечиваются регулированием пропускных сечений, эффективность работы зависит от места установки и глубины погружения перегородокпропускная способность водосборника зависит от максимального сечения нисходящего, восходящего или продольного потоков.

2. Установлена линейная зависимость количества твёрдого в подрешёт-ном продукте от ширины щели шпальтового сита, которая показывает, что объём взвешенных частиц при выгрузке шлама на обезвоживающем конвейере зависит от гранулометрического состава, при этом количество мелкого шлама, осевшего на крупных кусках твёрдого материала в виде «наездников», пропорционально объёму частиц с размерами больше размера щели и объёму воды в шахтном притоке.

3. Разработаны технологические схемы механической очистки шахтных вод, отличающиеся оптимальным сочетанием технических устройств и технологических эффектов интенсификации осаждения шлама, сущность которых заключается в реализации идеи создания нисходящих и восходящих ламинарных потоков в объёме водосборника по закону сообщающихся сосудов. Для механизированной очистки отстойников в технологическую схему включены подвижные транспортирующие элементы, которые вместе со шламом на шпальтовое сито выносят нефтепродукты и плавающие предметы, обеспечивают работу отстойников без строительства резерва.

4. Разработаны альтернативные варианты технологических схем шахтного водоотлива для крутых и пологих пластов. Реализация этих схем обеспечивает: сокращение площадей отстойников на поверхности на 30 — 40% и длины подземных водосборников на 50 — 75%- непрерывную или циклическую выдачу и обезвоживание осевшего шлама из водосборниковоткачку воды непосредственно на поверхность без промежуточных насосных станций на верхних горизонтах. В основу разработанных вариантов заложены: способ обезвоживания шлама, традиционные технологические схемы и разработанные технические средства очистки подземных шахтных вод (вращающиеся воронки для загрузки обезвоживающих бункеров, оснащённых активатором, классификатором или конусными кольцамикомплекс осветления технологической воды, содержащий обезвоживающий конвейер и тонкослойные осветлители).

5. Разработана на основе установленных закономерностей методика расчёта параметров технологических режимов обезвоживания горной массы на шпальтовых ситах и в фильтрующих бункерах. Скорость обезвоживания зависит от размера щели шпальтового сита, времени бункеризации и крупности частиц. Установлено, что: производительность шпальтового сита имеет степенную зависимость от ширины щелиизменение влажности в фильтрующих бункерах имеет гиперболическую закономерность от крупности горной массы и времени нахождения её в фильтрующем бункере.

Для получения кондиционной влажности угля необходимое время его нахождения в обезвоживающих бункерах, оснащённых активатором, классификатором или конусными кольцами, составит 1−8 часов, что определяется классом крупности.

6. Обоснован диапазон параметров технологических схем шахтного водоотлива, обеспечивающего очистку шахтных вод до содержания примесей в воде 6−12 г/л, что соответствует нормам ПДК, при этом влажность обезвоженного шлама в различных технологических схемах составит 8 — 20%.

7. Установлено, что при использовании шпальтовых сит с размером щели 0,1 — 0,8 мм количество твёрдого в подрешётном продукте снижается на 15 — 25%, при этом пропускная способность технологических средств снижается на 30 — 40%, а влажность шлама увеличивается до 18 — 30%.

8. Обоснованы параметры и область применения технологических схем шахтного водоотлива с учётом способов очистки шахтных вод и адаптивности технических средств, обеспечивающих шахтный водоотлив. Установлено, что при изменении шахтного притока от 120 до 180 мА/ч и содержании шлама от 50 до 140 кг/мА, объём водосборника необходимо принимать 480 -600 мА при длине 23 — 30 м, при этом производительность водоотливных установок составит от 144 до 216 мА/ч. Расчёт параметров производится на основе моделей процессов осаждения шлама и методики расчёта, повышающих эффективность шахтного водоотлива и технологических схем механической очистки шахтных вод.

9. Предложенные альтернативные технологические схемы позволяют: сократить длину подземных водосборников для пологих пластов при горизонтальном расположении в 5 раз, для крутых пластов в 1,3 — 2 раза, при этом обеспечивается ликвидация резервного водосборника, эффективность очистки возрастает в 5 — 9 раз.

10. Научные результаты и практические рекомендации, разработанные автором, использовались при проектировании шахтного водоотлива участка «Егозовский» шахтоуправления «Кольчугинское», шахты «Нагорная» ОАО УК «Кузнецкуголь» и в учебном процессе Сибирского государственного индустриального университета.