ДОСВІД ТЕОРЕТИЧНИХ І ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ

При виконанні наукових досліджень фахівці відділу підтримували тісні зв'язки з гірничо-збагачувальними комбінатами і збагачувальними фабриками Дніпровського, Криворізького і Донецького регіонів. Це дозволило не тільки апробувати  наукові розробки в  виробничих умовах, але і орієнтуватися на нові актуальні для виробництва проблеми. Так, при дослідженні технологій сепарації дрібних класів продуктів збагачення в умовах гірничо-збагачувальних комбінатів  Кривбасу і Вільногірського гірничо-металургійного комбінату (ВГМК), фахівці відділу звернули увагу на проблеми стабільності і ефективності роботи збагачувальних апаратів гравітаційного типу, питання зниження питомого водоспоживання і енергоємності технологій переробки мінеральної сировини. Отримані в подальшому результати послужили основою для створення нових напрямків наукових досліджень, орієнтованих на створення моделей гідравлічних процесів, що відбуваються в різних збагачувальних апаратах, на разробку методів розрахунку раціональних параметрів і режимів роботи збагачувального обладнання, на оцінку надійності та ефективності технологій збагачення як складних технічних систем.

Конусні сепаратори в відділенні гравітаційних методів збагачення збагачувальної фабрики ВГМК

Починаючи  з 1990 р. цей напрямок активно розвивається під керівництвом к.т.н. Б.О. Блюсса. Проведені в умовах збагачувальної фабрики ВГМК та Іршанського ГЗК, ЦЗФ «Комсомольська», ЦЗФ «Павлоградська», ЦЗФ «Моспінська» і ЦЗФ «Чумаківська» масштабні дослідження режимів роботи конусних і стрічкових сепараторів, дозволили виділити фактори, які впливають на надійність, стабільність і ефективність їх функціонування, уточнити фізичну картину і особливості течій пульп, сформулювати критеріальні умови зміни режимів течії одношарових і двошарових потоків пульпи і води. Отримані результати дозволили розробити науково обґрунтовані моделі гідродинамічних процесів, що відбуваються в конусних, стрічкових і проти струминних сепараторах, розробити методики їх розрахунку, а також рекомендації щодо підвищення ефективності технологій збагачення розсипів і вугілля. Результати цих наукових досліджень були узагальнені в 3 монографіях.

З 1994 р. на прохання фахівців ВГМК співробітники відділу займаються проблемами напірного гідротранспорту вихідних пісків на збагачувальному виробництві. Цей новий вид транспорту був впроваджений на ВГМК в 1985 р. замість конвеєрів, і дозволив знизити експлуатаційні витрати, а також поєднати технологічний процес дезінтеграції розсипів з процесом їх доставки на фабрику.  До 1995 р. почали позначатися особливості експлуатації обладнання в умовах перехідного економічного періоду, підвищення цін на електроенергію і обмеження водоспоживання комбінату. У зв'язку з цим в рамках забезпечення сталого функціонування гірничо-металургійного комбінату виникає необхідність у встановленні фізичних закономірностей нестаціонарних процесів в пульпі і обґрунтування параметрів системи гідротранспорту розсипів при доставці їх на збагачувальне виробництво.

 Одночасно з цим, була розроблена програма збільшення довжини магістралей і використання насосів нової конструкції.  Ефективна експлуатація  гідротранспортного комплексу, спільно з системою водопостачання відкритих гірничих робіт і збагачувального виробництва, вимагала обґрунтування модернізації схеми гідротранспорту, визначення місць і типорозмірів насосів, вибору діаметрів трубопроводів і робочих коліс. Додаткові труднощі були обумовлені особливостями  матеріалу, що транспортується і режимом пульпоутворення, який передбачає періодичні коливання концентрації і щільності пульпи. Вихідні піски ВГМК характеризуються не тільки різним  гранулометричним складом кожного з чотирьох складових їх компонентів, але і різною щільністю кожного з них: глина, суглинок, пісок і мінерали. При цьому в глинистих фракціях зосереджені  частки, щільність яких відрізняється більш ніж в два рази, що вносило істотну погрішність в існуючі методи розрахунку гідравлічного ухилу і критичної швидкості.

Для вирішення завдань ефективної експлуатації складних гідротранспорт-них комплексів в умовах функціонування гірничих підприємств розроблені гідродинамічні моделі процесів в тонкошарових струминних течіях вугільних шламів і в проти струминних течіях вугільних пульп. На основі розроблених моделей обґрунтовані конструктивні параметри струминних сепараторів і сепараторів з дюнним поділом продуктів збагачення для поліпшення технологій переробки мінеральної сировини. В цей же час співробітниками  відділу проводиться наукова робота по вивченню процесів струминної взаємодії неоднорідних потоків з метою встановлення технічних засобів управління процесом розділу розшарованої  пульпи і обґрунтування  параметрів сепаратора для збагачення титан-цирконових розсипів, а також підвищення  ефективності технологій  попереднього збагачення руди на кар’єрах шляхом обґрунтування параметрів процесу зневоднення чорнових концентратів . Одночасно з цим, одним з основних наукових напрямків роботи відділу були дослідження щодо підвищення ефективності збагачення вугілля шляхом використання аеродинамічного впливу на вугільну пульпу під час її руху вздовж перфорованої криволінійної поверхні і надійності технологій переробки вугілля за рахунок цілеспрямованої зміни гідродинамічних параметрів процесу перерозподілу потоків гідросуміші у внутрішньо фабричних гідротранспортних установках. Значним результатом науково-практичної роботи відділу була розробка фізико-технічних основ технологій переробки розсипів для обґрунтування параметрів динамічно узгоджених технологій і впровадження нових технологічних рішень для ефективного поділу рудних пульп в умовах  Вільногірського  гірничо-металургійного комбінату.

В ході масштабних багаторічних досліджень фахівцями відділу була вирішена актуальна  проблема розвитку наукових основ гідромеханізації для відкритої розробки поліметалічних розсипів шляхом визначення закономірностей, що описують комплексний вплив на гідравлічний ухил і критичну швидкість полідисперсності  матеріалу, що транспортується,  вмісту в ньому частинок різної щільності і сталих пульсацій тиску і витрати гідросуміші з урахуванням характерних параметрів пульпоутворення, що має важливе значення для мінімізації енергоємності і водоспоживання технологій гідромеханізації.

На основі виявлених залежностей  параметрів  гідротранспорту   від крупності і  щільності частинок, що транспортуються,  вперше була розроблена методика розрахунку гідравлічного ухилу і критичної швидкості гідротранспортування полідисперсних матеріалів з різною щільністю частинок, що дозволило достовірно розраховувати параметри гідротранспорту при транспортуванні матеріалів різного гранулометричного складу з суттєвою різницею в щільності частинок і тим самим підвищити точність визначення гідравлічного ухилу на 11%, а критичної швидкості на 8% в порівнянні з дійсними методиками. На основі встановлених закономірностей процесу пульпоутворення при відкритій розробці розсипних родовищ були розроблені моделі системи водопостачання кар'єрного гідротранспортного комплексу, які вперше враховують особливості подачі води на відкритих гірничих роботах розсипних родовищ, організацію процесу пульпоутворення на забійних пульпонасосних станціях гідротранспортного комплексу, а також можливість установки бустерних насосів і насосів додаткових підйомів. Експериментальна  перевірка достовірності розрахунків за розробленою методикою, яка проведена в умовах ВГМК, показала, що відносна похибка при визначенні витрат води, що надходить в зумпф, не перевищує 3%. Вперше була запропонована і апробована в умовах гідротранспортного комплексу ВГМК модель процесу пульпоутворення, що враховує кількість використовуваних гідромоніторів, кількість трубопроводів подачі води в зумпф, а також питома витрата води на розмив гірської маси і дозволяє визначати концентрацію і щільність пульпи у  патрубку насоса, що її всмоктує,  можливу подачу пульпи і вантажопотік. Експериментальна перевірка достовірності розрахунків за розробленою методикою показала, що відносна похибка при визначенні густини і концентрації пульпи в зумпфі не перевищує 17% .Впровадження на ВГМК розроблених наукових основ у вигляді методичного забезпечення розрахунків в період з 2005 по 2008 рр. дозволило розробити, апробувати і впровадити систему моніторингу гідротранспортного комплексу, що забезпечує збір, реєстрацію, обробку, аналіз і узагальнення інформації про параметри і режими роботи гідротранспортної системи, а також обґрунтувати зміни в схемі гідротранспортування, що забезпечили б запобігання кавітаційних і критичних режимів роботи; зниження споживання електроенергії на 6,95 - 10,54% і оборотної води на 6,53 - 22,14%; продовження на 3 роки терміну експлуатації гідротранспортного комплексу без установки додаткових насосів. Фактичний економічний ефект від модернізації гідротранспортного комплексу ВГМК за період з 2005 по 2007 рр.  склав 10,18 млн. грн.

а)
б)
Вузли пульпоутворення на головних ПНС першої (а) і другої (б) черг гідротранспортного комплексу ВГМК

  Досвід, отриманий фахівцями відділу при вивченні властивостей і режимів роботи гідротранспортного комплексу ВГМК, був використаний в умовах інших ГЗК України: при модернізації системи відведення відходів збагачення ПГЗК на другу карту сховища «Об'єднане», при проектуванні і введенні в експлуатацію вузла попереднього збагачення техногенних розсипів ЦГЗК, при техніко-економічному обґрунтуванні використання поршневих насосів в умовах Північного ГЗК.

а)
б)
Модернізуємі в проекті введення в експлуатацію другої карти сховища «Об'єднане» об'єкти систем складування (а) і відведення (б) відходів збагачення ПГЗК

У 2009 р. д.т.н., проф. Б.О. Блюсс і  к.т.н., с.н.с. Є.В. Семененко були удостоєні іменної премії НАН України ім. О.М. Динника за розробку гідромеханічних основ екологічно безпечних ресурсо- та енергозберігаючих технологій транспортування і переробки мінеральної сировини.

З 2010 року проводилися роботи в напрямку розвитку наукових основ гірничої механіки підземних гідротехнічних систем шляхом встановлення за-закономірностей руху розчинів електролітів в пористому гірському масиві, стаціонарного і нестаціонарного гідротранспортування мінеральної сировини для підвищення економічної ефективності і безпеки ведення гірничих робіт, в тому числі в умовах геологічних порушень. Одним із основних елементів геотехнологій є підземні гідротехнічні системи, що забезпечують високу ефективність і продуктивність гірничих робіт, а також раціональне функціонування геотехнічних систем. Ефективність функціонування підземних гідротехнічних систем  визначає розвиток геотехнічних систем, в тому числі технологій підземного будівництва і розробки родовищ корисних копалин шляхом забезпечення стійкості гідротехнічних споруд, збереження водного балансу в виробках і транспорту гідросумішей.

Актуальність досліджень, пов'язаних з розробкою і застосуванням гідротехнічних систем обумовлюється зниженням ефективності гірничих робіт внаслідок погіршення гірничо-геологічних умов розробки родовищ мінеральної сировини, переходу гірничих робіт на глибокі горизонти і проявів гірського тиску, викликаних веденням гірничих робіт. Аналіз технологій розробки родовищ корисних копалин свідчить про постійне зниження вилучення корисного компонента, обумовленому значним обводненням видобувної мінеральної сировини, і випереджальним виробленням запасів. Тому в даний час зростає роль обґрунтування управління геотехнологічними системами розробки родовищ. У зв'язку з недостатньою вивченістю умов функціонування підземних гідротехнічних систем і відсутністю адекватних моделей геогідромеханічних процесів в пористому гірському масиві розробка технологічних рішень, спрямованих на вдосконалення геотехнічних систем, представляється актуальною.

У зв'язку з цим очевидна необхідність проведення в відділі дослідних робіт по встановленню закономірностей функціонування і розвиток на цій базі наукових основ гірничої механіки підземних гідротехнічних систем з урахуванням зміни напружено-деформованого стану гірських порід при їх зволоженні, електров’язкісних ефектів при фільтрації електролітів і впливу параметрів полідисперсної мінеральної сировини на характеристики стаціонарного і нестаціонарного гідротранспортування, які мають важливе значення для підвищення ефективності геотехнологій.

В даний час у відділі проводяться дослідження спрямовані на обґрунтування параметрів технології гідромеханізації при розробці техногенних родовищ без припинення процесу складування продуктів переробки мінеральної сировини в сховища.

Необхідність проведення наукових робіт відділу в даному напрямку обумовлена тим, що розвиток гірничої промисловості в окремих регіонах країни призвів до накопичення великих обсягів відходів гірничорудного виробництва, сховища яких є значною екологічною загрозою і одночасно перспективними техногенними родовищами. Останнім часом виріс інтерес до накопичень промислових відходів і, особливо, до накопичувачів, що виникли при функціонуванні гірничодобувних підприємств, які складуються в штучні сховища. Такі сховища розташовані в промислово розвинених районах, знаходяться на земній поверхні, гірська маса в них дезінтегрована, що значно знижує витрати на їх розробку. Залучення до переробки техногенної сировини з таких сховищ забезпечує скорочення витрат на пошуки і розвідку нових родовищ і звільнення обсягів сховищ під нові відходи збагачення. Оскільки ці сховища розташовані в густонаселених регіонах з високою концентрацією промислових підприємств, то збільшення обсягів цих сховищ неможливе, при цьому подальша експлуатація підприємств вимагає збереження, підвищення потужності виробництва і розширення місць зберігання під нові обсяги відходів.

Розроблено спосіб формування зовнішніх відвалів для розміщення вітроенергетичних установок в комплексі з конденсатором атмосферної вологи, реалізація якого дозволяє вирішити наступні задачі: отримати електроенергію, за рахунок енергії вітрових потоків, знизити пилоутворення від техногенних об'єктів до необхідного рівня і забезпечити водою рослинний покрив зовнішніх відвалів.

Розроблено основні принципи активізації процесів самозаростання:

• принцип "природа знає краще" (наприклад, стійкість степових ландшафтів слід в першу чергу забезпечувати степовими екосистемами, а не посадками лісу);
• принцип екологічних коридорів (комутаційний);
• принцип поляризації ландшафту;
• принцип буферних зон;
• принцип загальної ієрархічності пристрою;
• принцип взаємопроникнення природної та техногенної інфраструктури;
• принцип мозаїчності територій різних масштабів і функцій;
• принцип відносної екологічної автономності і дискретності окремих ділянок;
• принцип репрезентативності екосистем;
• принцип індивідуальності природних умов кожної ділянки території.

Розроблено основні принципи гармонізації технологій надрокористування з компонентами природного середовища, які включають:

• принцип раціонального використання природних ресурсів;
• принцип оцінки технологій за критерієм екологічної ресурсоємності;
• принцип вписування гірничодобувних технологій в природний геохімічний кругообіг;
• принцип ізольованості виробничих процесів від природних компонентів суміжних територій;
• принцип еколого-економічної доцільності функціонування технологій.

Розроблена методика оцінки технологій природокористування, що базується на застосуванні вперше запропонованого інтегрального показника екологічного впливу, визначення якого відбувається у два етапи: шляхом приведення показників якості компонентів довкілля за ступенем їхнього пошкодження до нормативних та зведення їх до єдиного показника інтегральної екологічної ресурсоємності з урахуванням вартісних витрат можливого повного відновлення природних компонентів в рамках природної екосистеми функціонування цієї технології.

Виконано оцінку впливу на довкілля планованої діяльності проекту ліквідації ДП «Шахта «ЗАРІЧНА»».