Анотація до роботи:

Лєбєдєв М.В. Обгрунтування способів видобутку енергії з осередкових джерел тепловиділення і утилізації складованих відходів вугільного виробництва.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.11 – “Фізичні процеси гірничого виробництва”.- Інститут фізики гірничих процесів НАН України, Донецьк, 2005 р.

Уточнена гіпотеза виникнення і поширення теплового поля породного відвалу, що самозагряється, обліком тепла від вищолочення карбонатних включень в процесі самозагоряння вугілля. Встановлені закономірності генерації тепла в масиві водонасичених та водотривких грунтів і гірничих порід від осередкового джерела тепловиділення. Складені рівняння теплового балансу для виділеної елементарної частки водоносного пласта, нагрітого масивом, що самозагоряється, і наведені способи їх вирішення. Установлені кількісні значення теплофізичних параметрів грунтів і гірничих порід - еталонів для моделювання і розрахунків масопереносу вологи при високих тисках і температурах.

Розроблені гірничопрохідницький спосіб здобуття теплової енергії з складованих відходів вуглевидобутку, конструкції кріплення і тепловловлювачів для відбору тепла складованих відходів вуглевидобутку, що самозагоряються. Обгрунтовані склад і технологія виробництва жаротривких матеріалів для виробництва тепловловлювачів, які працюють в агресивних середовищах.

Розроблені способи переробки і сухого збагачення складованих відходів вуглезбагачення з низьким рівнем вмісту вугілля у відходах для повної переробки складованих відходів вуглезбагачення.

Величина очікуваного економічного ефекту від однієї установки з утилізації складованих відходів вугільного виробництва, що самозагоряються, для опалення і гарячого водопостачаня житла складає 3,5-4 млн грн на рік з терміном окупності капіталовкладень 2,6 року. Економічна ефективність розробленого і впровадженого способу утилізації вугілля складованих відходів вуглезбагачення на збагачувальних фабриках "Стаханівська" і “Білорічинська” становить 1,69 млн. грн. на рік.

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій дано нове рішення актуальної науково-прикладної задачі встановлення закономірностей зміни теплопровідності ґрунтів і гірничих порід у сухому і вологому станах для обґрунтування способів видобутку теплової енергії з породних відвалів і утилізації складованих відходів вуглезбагачення, що дозволяє забезпечити приріст паливно-енергетичного потенціалу держави і поліпшити екологічну ситуацію у вуглевидобувних регіонах.

Основні наукові результати і висновки, які одержані при виконанні роботи, полягають у наступному:

1. Встановлені особливості виникнення і поширення теплового поля у вологому породному відвалі обумовлені геотермічним ефектом від вилужування карбонатних включень в процесі самонагрівання і горіння вугілля. Доведено, що при окислюванні вугілля у вологому породному відвалі на початковій низькотемпературній стадії 35-40 ⁰С має місце геотермічний ефект при якому за рахунок вилужування водою карбонатних включень СаСО₃ і MgCO₃ процес самонагрівання породних відвалів прискорюється з підвищенням температури до 150-200 ⁰С, що у свою чергу призводить до самозаймання вугілля, а при подальшому зволоженні тривалий час зберігається температура до 1200 ⁰С.

2. Вперше встановлені аналітичні залежності теплопереносу в проникних середовищах, які враховують особливості одночасної теплопередачі за рахунок теплопровідності і конвекції. Теплоперенос у масиві водопроникних осадових ґрунтів і гірничих порід, на відміну від кристалічних масивів, у стаціонарному і нестаціонарному режимах здійснюється одночасно за рахунок теплопровідності і конвекції, що враховується у встановлених залежностях.

3. Вперше встановлені закономірності зміни теплопровідності ґрунтів і гірничих порід у сухому і вологому станах. При температурах до 300 ^оС теплопровідності описуються прямолінійними залежностями, а при зволоженні масиву і зростанні температури є експонентними. Закономірності генерації тепла в масиві водонасичених і водотривких ґрунтів, що чергуються, і гірничих порід від осередкового джерела тепловиділення описуються виведеними рівняннями дифузійного і конвективного теплопереносів.

4. Розроблена математична модель температурних полів в зоні осередкового джерела тепловиділення для встановлення безпечної межи ведення робіт під осередком самозагоряння, де процеси описуються диференціальними рівняннями, що включають теплофізичні параметри ґрунту і генерацію тепла в одиниці об'єму. Складені рівняння теплового балансу для виділеної елементарної частки водоносного пласта, нагрітого самозапалювальним масивом, і наведені способи їхнього рішення.

5. Вперше отримані кількісні значення теплофізичних параметрів ґрунтів і гірничих порід, які можуть служити як еталони при моделюванні і розрахунках процесів масопереносу вологи при тисках і температурах під отвалами вугільного виробництва, при цьому отримане експериментальне підтвердження виведених залежностей масопереносу вологи в масиві ґрунтів і гірничих порід з урахуванням цих тисків і температур.

6. Розроблені суміш і технологія виробництва жароміцних матеріалів для виробництва теплоуловлювачів, які працюють в агресивних середовищах. Встановлені вогневі властивості клінкерних тонкопомольних компонентів жаростійких в'яжучих на основі металургійних шлаків з гідравлічними добавками. Визначені оптимальні параметри дрібних і грубих заповнювачів для жаростійких бетонів. Розроблені спеціальні суміші жаростійкого бетону для виробництва теплоуловлювачів. Встановлені оптимальні параметри бетонної суміші, що задовольняють вимогам отримання однорідної, щільної і довговічної конструкції жаростійких теплоуловлювачів.

7. Запропонований новий гірничопрохідницький спосіб здобуття теплової енергії з складованих відходів вуглевидобутку. Для реалізації цього способу розроблена конструкція кріплення і конструкція теплоуловлювачів для відбору тепла складованих відходів вуглевидобутку, що самозагоряються.

8. Вперше розроблені способи утилізації складованих відходів вуглезбагачення для повної переробки всіх наявних відходів з низьким рівнем вмісту вугілля. Запропоновано нові конструктивні рішення збагачувального устаткування для реалізації цих способів.

9. Розроблена методика оцінки економічної доцільності здобуття енергії з складованих відходів вугільного виробництва. Отриманим від однієї установки теплом задовольняються потреби в опаленні та гарячому водопостачанні мікрорайону сучасного міста. Очікувана вартість зекономлених енергоресурсів 3,5-4 млн. грн. на рік, а термін окупності капіталовкладень 2,6 року. Підтверджений економічний ефект від упровадження розроблених технічних рішень складає 1,69 млн. грн. на рік.

Наукові положення і основні результати дисертації опубліковані в наступних роботах автора:

1. Лебедев Н.В. Математическое моделирование температурного поля в массиве грунтов или горных пород от очагового источника тепла // Вісник Національного технічного університету України, серія "Гірництво", вип. 9.- Київ: НТУУ «КПІ»:ЗАТ «Техновибух».– 2003.– С. 29-35.

   Лебедєв М. В. Масоперенесення підземної води під впливом температури і тиску самозапалювального масиву складованого вугілля або відходів вуглевидобутку // Вісник Житомирського державного технологічного університету.- 2003.- № 3 (27).- С. 200-204.

   Лебедев Н. В. Взаимодействие физико–химических и тепловых процессов при самоокислении, самонагревании и самовозгорании углей и складированных отходов угледобычи. // Вісті Донецького гірничого інституту.– 2004.- С. 42-49.

   Лебедев Н. В. Моделирование процесса переноса теплового потока от очага самовозгорания в массиве самовозгорающихся складированных отходов угледобычи через водонасыщенные грунты и породы под подошвой массива // Наукові праці Донецького національного технічного університету, серія “Гірничо-геологічна”, вип. 72.- Донецьк: ДонНТУ, 2004.- С. 159-165.

   Лебедєв М. В. Експериментальні дослідження стану води у масиві грунту та її масоперенесення при високих температурах та тисках // Вісник Житомирського державного технологічного університету.- 2004.- № 1 (28) С. 173-181.

   Антипов И.В., Лебедев Н.В. Возможности повышения энергетического потенциала промышленных регионов за счет комплексного использования отходов угольного производства // Сб. научн. тр. "Геотехническая механика".- Днепропетровск: ИГТМ НАН Украины.- 2003.- № 49.- С. 174-178.

   Антипов И.В., Лебедев Н.В. Генерация тепла в массиве грунта или горных пород от очагового источника тепла // "Фізико-технічні проблеми гірничого виробництва".- 2004.- № 7.- С. 91-97.

   Деклараційний патент України. Позитивне рішення від 10.07.04. F24J 3/00, 3/06, 3/08. Способ извлечения геотермальной энергии из очагового источника тепла. Лебедев Н.В.

   Патент України від 17.07.02. UA38953A, B09B3/00 Спосіб переробки відходів вуглезбагачення. Лєбєдєв М.В., Повний С.М., Скляр П.Т.

   Патент України по заявці на винахід № 20031110173 від 11.11.03. ВО9В3/00 Спосіб збагачення складованих відходів вуглезбагачення. Лєбєдєв В.М., Повний С.М.

   Особистий внесок автора в роботах опублікованих у співавторстві: встановив особливості виникнення і поширення теплового поля у вологому породному відвалі [6], встановив закономірності зміни теплопровідності водопроникних ґрунтів і гірничих порід при збільшенні їхньої вологості і температури від осередкового джерела тепловиділення [7], запропонував новий підхід до поділу шламових продуктів по зольності при сухому збагаченні відходів вугільного виробництва і виконав техніко-економічне обґрунтування розроблених рішень [9,10].