Разработка и обоснование способов повышения энергоэффективности насосного оборудования комплексов шахтного водоотлива тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.06, кандидат наук Горелкин, Иван Михайлович

• Горелкин, Иван Михайлович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Горелкин, Иван Михайлович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ ИЗУЧЕННОСТИ И СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА СИСТЕМ ШАХТНОГО ВОДООТЛИВА НА УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ И РУДНИКАХ

1.1 Общие характеристики систем водоотлива шахт и рудников

1.2 Эксплуатационные параметры систем шахтного водоотлива и характеристики насосов

1.3 Состав шахтных вод и их физико-химические показатели

1.4 Очистка шахтной воды

Выводы по главе 1

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ШАХТНЫХ НАСОСОВ В СИСТЕМАХ ВОДООТЛИВА

2.1 Приведение характеристик шахтного насоса к условиям работы на шахтной воде

2.1.1 Влияние твердых частиц на кинематические характеристики потока шахтной воды в каналах рабочего колеса

2.1.2 Напор шахтного насоса в условиях работы на шахтной воде, содержащей твердые частицы

2.2 Общий баланс энергии взвесенесущего потока

2.2.1 Баланс энергии при транспортировании шахтной воды, содержащей твердые частицы

2.3 Методика расчета пластинчатых сгустителей

2.3.1 Расчет конструктивных параметров пластинчатого сгустителя-осветлителя

2.3.2 Синтез осветлителя-сгустителя оптимального по технологическим и

конструктивным параметрам

Выводы по главе 2

3 ЭКСПЕРИМЕТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ И ОСВЕТЛЕНИЯ ШАХТНОЙ ВОДЫ

3.1 Основные задачи экспериментальных исследований

3.2 Лабораторные стенды и методика экспериментальных исследований

3.2.1 Характеристика твердых частиц в составе шахтной воды

3.2.2 Определение реологических параметров приготовленных составов шахтной воды

3.2.3 Результаты экспериментов на трубопроводном стенде

3.3 Экспериментальные исследования реологических характеристик шахтной воды

3.3.1 Начальное напряжение сдвига, безразмерное напряжение и концентрация в ядре потока

3.3.2 Вязкость смеси коэффициент структуры потока

3.3.3 Коэффициент гидравлических сопротивлений

3.4 Экспериментальные исследования процесса осветления шахтной воды в

сгустителе-осветлителе пластинчатого типа

3.5 Гидромеханические характеристики лабораторного грунтового насоса

Выводы по главе 3

4 МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ ШАХТНОГО ВОДООТЛИВА И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА

4.1 Постановка задач и исходные данные для расчета

4.1.1 Производительность систем шахтного водоотлива

4.1.2. Длина трубопроводов и профиль трассы

4.2 Алгоритм расчета систем шахтного водоотлива

4.2.1 Средняя скорость потока шахтной воды и диаметр трубопровода

4.2.2 Потери напора

4.2.3 Проверка адекватности расчетной методики и алгоритма расчета

4.3 Предварительная очистка шахтной воды от твердых частиц

4.4 Технико-экономические показатели

4.4.1 Выбор насосного оборудования

4.4.2 Расчет трубопроводов

Выводы по главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и обоснование способов повышения энергоэффективности насосного оборудования комплексов шахтного водоотлива»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Системы шахтного водоотлива являются неотъемлемым и наиболее энергоемким технологическим процессом при добыче полезного ископаемого, обеспечивающим безопасность и возможность работоспособности всей горной выработки. На многих обводненных шахтах с коэффициентом водо-обильности больше единицы количество перекачиваемой шахтной воды, больше количества добываемого полезного ископаемого. Одной из причин высокой энергоемкости шахтного водоотлива является загрязненность шахтной воды механическими примесями в виде угольной и породной просыпи, содержание которой достигает 10-20% по объему перекачиваемой жидкости.

Проблемой энергетической эффективности шахтных водоотливных установок занимались такие известные ученые как проф. Попов В.М., проф. Гейер В.Г., проф. Картавый Н.Г., проф. Косарев Н.П., а также специалисты по шахтному водоотливу - Веселов А.И., Тимохин Ю.Д., Воловик Е.А., Брат-ченко Б.Ф., Антошкин А.Г., Звягин B.C., Мамедов А.Ш., Черняховский Р.Л., Фофанов Б.Ф. и др. Выполненные ими исследования и разработки являются теоретической и практической основой настоящей диссертационной работы.

Шахтный водоотлив, за счет большой мощности установленного насосного оборудования, является одним из самых энергоемких процессов горного производства. Удельная энергоемкость шахтного водоотлива зависит от величины потребного напора, создаваемого насосными установками, который в основном зависит от характеристик перекачиваемой шахтной воды. Уменьшение потерь напора в трубопроводах приводит к снижению удельной энергоемкости шахтного водоотлива, что обеспечивается на стадии очистки шахтной воды от твердых частиц. Применяемые технологии очистки шахтной воды используются в основном в системах главного водоотлива и практически не находят применения в участковых системах водоотлива, которые

являются основными источниками загрязненной воды, поступающей в системы главного водоотлива.

Повышение энергетической эффективности систем шахтного водоотлива непосредственно связано с необходимостью применения на добычных горизонтах и участках гидромеханизированных устройств для удаления из транспортируемого потока шахтной воды твердой составляющей. Это обеспечит снижение потребного напора насосных агрегатов, приведет к повышению надежности эксплуатации оборудования и трубопроводов, увеличению их рабочего ресурса. Таким образом, повышение энергетической эффективности систем шахтного водоотлива является актуальной задачей для горной отрасли и требует проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.

Цель работы - снижение энергопотребления на основе комплексной очистки шахтной воды от механических примесей на участковых выработках.

Задачи исследования:

1. Разработать методику расчета систем шахтного водоотлива и выбора насосного оборудования и трубопроводов с учетом свойств перекачиваемой шахтной воды, определяемых наличием в объеме воды механических твердых частиц различной крупности и концентрации.

2. Теоретически и экспериментально обосновать способы очистки шахтной воды от механических примесей непосредственно в участковых системах шахтного водоотлива.

3. Выполнить сравнительную оценку эксплуатационной и энергетической эффективности систем шахтного водоотлива существующих и разработанных по усовершенствованным методикам расчета.

4. Разработать рекомендации для внесения изменений в нормативную документацию по расчету и эксплуатации насосного оборудования в системах шахтного водоотлива.

Методика исследования:

Теоретические и экспериментальные исследования с применением классических уравнений гидромеханики и методов математической статистики и регрессионного анализа.

Научная новизна:

1. Способ повышения энергоэффективности насосного оборудования в системах шахтного водоотлива путем разделения фаз шахтной воды в гравитационных сгустителях-осветлителях тонкослойного типа.

2. Зависимость энергоемкости процесса перекачки шахтной воды в системах шахтного водоотлива от концентрации твердой фазы и реологических характеристик потока.

3. Методика расчета шахтного водоотлива, учитывающая особенности шахтной воды как двухфазной среды в виде потока твердых частиц и потока чистой воды.

Практическая значимость результатов:

Гидромеханизированный комплекс по очистке шахтных вод позволяет максимально эффективно разделять фазы загрязненной шахтной воды, что обеспечивает снижение энергопотребления насосными установками и повышает энергетическую эффективность шахтного водоотлива.

Разработанная расчетная методика систем шахтного водоотлива, позволяет на стадии проектирования и в условиях эксплуатации прогнозировать энергопотребление шахтными насосными установками и оптимизировать расчетные параметры системы шахтного водоотлива по наименьшей величине энергоемкости процесса.

Защищаемые научные положения:

1. Математическая модель и алгоритм расчета систем шахтного водоотлива, основанные на установленных зависимостях напорных характеристик шахтных насосов от удельных потерь напора и реологических характеристик шахтной воды (начальное напряжение сдвига, скорость сдвига, эф-

фективная вязкость), определяемых величиной концентрации твердой фазы в перекачиваемом потоке шахтной воды.

2. Теоретическое обоснование способа снижения энергопотребления шахтными насосными установками применением гравитационных на участковых выработках сгустителей пластинчатого типа для очистки шахтной воды от взвешенных твердых частиц.

Достоверность научных положений, выводов и результатов;

Подтверждаются использованием известных положений гидромеханики, экспериментальными исследованиями и проверкой адекватности и сходимости теоретических и опытных результатов. Сходимость теоретических и экспериментальных данных не менее 90-95%. На всех этапах экспериментальных работ определялись относительные погрешности и среднеквадратичные отклонения определяемых величин.

Апробация работы:

Основные положения диссертационной работы представлялись на конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение», Санкт-Петербург, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», апрель 2011, 2012, 2013.

Личный вклад автора:

1. Анализ состояния проблемы снижения энергопотребления шахтными водоотливными установками.

2. Вывод теоретических зависимостей удельных потерь напора от реологических характеристик шахтной воды.

3. Обоснование способа снижения энергопотребления шахтными насосными установками.

4. Проведение экспериментальных исследований и обработка опытных данных.

Публикации:

По теме диссертационной работы опубликовано семь статей, в том числе три в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения списка литературы из 83 наименований, содержит 32 рисунка, 23 таблицы, 197 страниц и Приложения.

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры Горных транспортных машин за неоценимую помощь при проведении лабораторных и консультаций: доц. B.C. Соловьеву, доц. П.Н. Махараткину, доц. В.Ю. Коптеву и др.

1 АНАЛИЗ ИЗУЧЕННОСТИ И СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА СИСТЕМ ШАХТНОГО ВОДООТЛИВА НА УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ И

РУДНИКАХ

1.1 Общие характеристики систем водоотлива шахт и рудников

Подземная разработка месторождений полезных ископаемых сопровождается поступлением воды в горную выработку, что ограничивает возможность и безопасность добычи без соблюдения специальных мероприятий по водоотливу. Наличие воды в горных выработках снижает качество добываемого полезного ископаемого, влияет на устойчивость горных массивов, затрудняет работу горнодобывающего оборудования. Для решения проблемы затопления горных выработок применяют специальные дренажные системы и водоотливные установки.

Современные водоотливные установки представляют собой комплекс оборудования, включающий в себя водосборную систему, насосные агрегаты и трубопроводную сеть.

На рисунке 1.1 приведена схема общего устройства главной водоотливной установки [17]. В насосной камере 3, соединенной с выработками околоствольного двора 2 технологическими ходками 5, размещается основное насосное оборудование. Наклонные трубные ходки 4 соединяют насосную камеру со стволом шахты. Из водозаборного колодца (зумпфа) 6 по всасывающим трубопроводам 10 шахтные воды поступают в насосы 9. Зумпф соединен с коллектором 7, в который собирается вода из водосборников 8. Откачка воды на поверхность осуществляется по нагнетательному трубопроводу 11. После выдачи на поверхность шахтная вода поступает на станцию очистки 12. Вспомогательная насосная станция 14 служит для откачки воды из зумпфа ствола шахты.

По назначению водоотливные установки разделяются на главные и участковые. Главные обеспечивают откачку всего водопритока шахты. Участковые служат для откачки воды с удаленных участков, расположенных

ниже главной водоотливной установки. Часто горные выработки проектируются с уклоном в сторону главной водоотливной установки для снижения общего количества насосных агрегатов.

Рисунок 1.1- Общее устройство шахтной водоотливной установки, а - вертикальный разрез; б - вид сверху:

1 - ствол шахты, 2 - околоствольный двор, 3 - насосная камера, 4 - наклонные трубные выработки, 5 - технологические ходки, 6 - зумпф (водосборный колодец),

7 - коллектор, 8 - водосборники, 9 - насосные установки, 10 - всасывающие

трубопроводы, И - нагнетательный трубопровод, 12 - поверхностная станция очистки, 13 - зумпф шахты, 14 - вспомогательная насосная станция

Взаимодействие основных элементов водоотливной установки (водосборная система, трубопроводная сеть, насосные агрегаты), определяет режимы её работы. Режимы работы характеризуются расходом, напором и коэффициентом полезного действия работы установки.

Основные нормы и положения по организации и проектированию шахтного водоотлива регламентируются правилами безопасности и другими нормативными документами [22, 60, 29, 48].

Важнейшие задачи при проектировании водоотлива:

- рациональное и комплексное использование природных ресурсов;

- охрана окружающей природной среды;

- сокращение материальных, трудовых и финансовых затрат;

- обеспечение максимальной механизации и автоматизации производственных процессов и максимального сокращения ручного труда;

- создание нормальных санитарно-гигиенических и безопасных условий труда;

- разработка мероприятий, обеспечивающих оптимальное потребление всех видов энергии, расходуемой на добычу и переработку полезного ископаемого.

Водоотливные установки обеспечивают возможность и безопасность подземной разработки полезного ископаемого. За всю историю подземной добычи произошло множество аварий, связанных с затоплением горных выработок, повлекших многочисленные жертвы шахтеров, таблица 1.1.

Таблица 1.1- Аварии на шахтах

Дата Шахта Город Страна Вид аварии Количество жертв

16.06.2001 - Китай Затопление 200

6.08. 2005 Эах^ Синнин Китай Затопление 123

17.08.2007 Шахты Ху-аяюань и Минггонг г. Хуаюань и Синьтай Китай Затопление 181

23.10.2003 Шахта «Западная-Капитальная» «Ростову- голь» г. Ново-шахтинск Россия Затопление 1 погибший, 1 пропавший без вести

29.08.1931 шахта № 5 треста «Севкаву-голь» Шахты СССР Затопление -

26.10.1910 МигаШШ ЛтгкЪапс! Индия Затопление 6

Поступление воды в подземные горные выработки зависит от гидрогеологических условий, определяемых водопритоком и составом шахтных вод. Данные о водопритоках и составе шахтной воды, необходимые для про-

ектирования и реконструкции шахт получают в результате гидрогеологических изысканий.

Водоприток - поступление подземных и поверхностных вод в горные выработки. Различают общий, участковый и забойный водопритоки.

Общий водоприток в шахты и карьеры складывается из:

1. Притока подземных вод (водоносных горизонтов, дренируемых горными выработками).

2. Шахтных вод, поступающих из затопленных выработок и соседних шахт, технических вод, подаваемых для орошения, бурения скважин и др.;

3. Поверхностной воды и атмосферных осадков.

Режим поступления воды в выработки (рисунок 1.2) зависит от совокупности взаимодействия природных (климатических, геоморфологических, геологических и гидрогеологических) и технологических (форма и размеры участка горных работ, глубина и интенсивность разработки месторождений, системы разработки) факторов. На месторождениях со сложными гидрогеологическими и гидрологическими условиями общий водоприток в шахты и карьеры достигает в отдельные периоды нескольких тысяч м3/ч (например, на Миргалимсайских месторождениях руд полиметаллов до 10000 м3/ч). В данном случае существенно увеличивается себестоимость добываемого полезного ископаемого.

Участковый водоприток на шахтах складывается:

1. Притоков в подготовительные выработки, куда вода поступает из залежей полезного ископаемого, водоносных горизонтов, залегающих непосредственно в кровле и в почве выработок или из дренажных скважин.

2. Притоков в выработанное пространство выемочного участка, куда вода поступает из водоносных горизонтов, попадающих в зону водопрово-дящих трещин, из соседних отработанных участков и иногда с поверхности земли.

3. Забойный водоприток, который складывается из притоков подземных вод и вод, поступающих из выработанного пространства непосредствен-

но в подготовительные и очистные выработки. Максимальный забойный во-доприток наблюдается в случае, когда забой находится гипсометрически ниже, чем выработанное пространство [16].

S £ 1 M»csm" («да

10 11 и

Рисунок 1.2 - Зависимость притоков воды в шахту от глубины

разработки и метеорологических факторов: а - глубина разработки до 15-25 м; б - 35-45 м; в - больше 70 м; 1 - приток шахтных вод за счет инфильтрации и инфлюации вод поверхностного стока над обрабатываемой площадью; 2 - периодический сток подземных вод с максимумами (весной и осенью); 3 - постоянный сток подземных вод; 4 - среднесуточная температура воздуха; 5 — толщина снегового покрова, см; 6 - толщина мерзлого грунта, см;

7 — суточное количество осадков, мм [16]

Часть воды поступает непрерывно, и ее количество изменяется в зависимости от геологических условий и площади выработки. Другая часть, динамический приток, меняется в зависимости от количества атмосферных осадков в пределах шахтного поля. В связи с этим различают нормальный и максимальный водопритоки. Максимальный - обычно возникает после ве-

сеннего таяния снега. Приток воды в шахту выражается или непосредственно объемными величинами (м3/ч, м3/сутки), или коэффициентом водообильно-сти, таблица 1.2.

Таблица 1.2 - Коэффициент водообильности и водоприток в шахту _основных угольных бассейнов [46] _

Бассейн Водоприток, м3/ч К-т водообильности, м3/т Источник

Преобла- Средний по По шах-

дающий бассейну там

Донецкий 100-400 3,2 8,3; 0,1 Минуглепром Украины

Кузнецкий 150-600 2,2 20; 0,8 КузНИУИ

Карагандинский 100-220 0,54 1,9; 0,1 КНИУИ

Печорский 140-550 0,8 2,3; 0,3 ПНИОС

Кизеловский 300 - 600 15,1 48,7; 3,6 ПНИОС-уголь

Подмосковный 240 - 700 10,5 30; 5,0 ПНИУИ

Таким образом, водопритоки в горных выработках могут колебаться в широких пределах вследствие различных гидрогеологических и климатических условий.

Важной характеристикой систем шахтного водоотлива является коэффициент водообильности, представляющий собой отношение массового притока воды к производительности шахты за тот же период, т.е.

Кво=^, (1.1)

где Кв0 - коэффициент водообильности; С*шв- массовое количество выданной на поверхность шахтной воды за данный период времени, т; Огм — производительность шахты за тот же период времени, т.

В таблице 1.3 приведены средние значения коэффициента водообильности шахт Печорского угольного бассейна по данным [56].

Таблица 1.3 - Средние значения коэффициента водообильности по __Печорскому угольному бассейну_

Бассейн Годы

1975 1980 1985 1990 1995 2000

Печорский 1,96 1,27 1,31 1,64 1,63 1,63

Изменение среднего значения коэффициента водообильности за период с 1975 по 2000 годы показан на графике, рисунок 1.3.

2000

Годы

Рисунок 1.3 - Изменение коэффициента водообильности шахт Печорского угольного бассейна

Коэффициент водообильности является как количественной, так и качественной характеристикой технологического процесса подземного горного предприятия. Так, например, уровень добычи угля на СП «Заполярная» за 2011 год составил 1,06 млн.т при коэффициенте водообильности Кво=1,63. В

этих условиях система шахтного водоотлива выдала на поверхность следующее количество шахтной воды

По объему шахтной воды и производительности шахты можно оценить энергетическую эффективность системы шахтного водоотлива на данной шахте через величину удельной энергоемкости, равной отношению суммарной мощности насосных установок к производительности шахты

N О Р Е = = = кВт-ч/т

(1.2)

где Р - давление, развиваемое насосной установкой системы шахтного водоотлива, Па.

Если давление Р выразить через удельные потери напора, то формулу (1.2) можно переписать в виде

Е = КвР§Н = КвР§И, (1.3)

где / - потери напора на перекачку шахтной воды, м вод. ст./м; р - плотность шахтной воды, кг/м3; Ь - приведенная длина трубопроводной системы, м.

Из формулы (1.3) видно, что удельная энергоемкость системы шахтного водоотлива в основном определяется потерями напора, развиваемого насосными установками.

Шахтная вода представляет собой сложную жидкую систему, представляющую собой механическую смесь чистой (минерализованной) воды и твердой составляющей, попадающей в шахтную воду в процессе отработки шахтных забоев из-за просыпи. Поэтому перекачиваемая шахтная вода состоит из двух потоков: чистая жидкость и твердая составляющая (твердые частицы). Потери напора при перекачивании шахтной воды будут определяться двумя составляющими: потерями напора на перекачку чистой шахтной воды и дополнительными потерями напора на перекачку твердой составляющей, т.е.

= (1-4)

где /о - потери напора на транспортирование чистой шахтной воды (без механических включений); Л/ - дополнительные потери напора на транспортирование твердой фазы шахтной воды.

Потери напора на перекачивание чистой жидкости в общем случае определяются известным уравнением Дарси-Вейсбаха, а потери на транспортирование твердой фазы в существующих методиках расчета шахтного водоотлива практически не учитываются, что является существенной проблемой для задачи снижения энергопотребления шахтными водоотливными насосами. В основе расчета систем шахтного водоотлива заложена концепция пере-

качивания гомогенной жидкости. Между тем, как показывает практика, содержание твердых частиц в шахтной воде может достигать 10-20 % от всего перекачиваемого объема. Таким образом, метод расчета двухфазных течений, основанный на гомогенной теории, и без учета энергии затрачиваемой на транспортирование потока твердой фазы, приводит к существенным неточностям по мощности применяемых шахтных насосов, по диаметру трубопроводной системы, по общей энергоемкости системы шахтного водоотлива [59].

Формула (1.2) показывает, что для снижения энергоемкости шахтного водоотлива возможны два пути:

1. Увеличение производительности шахты по горной массе.

2. Уменьшение давления в системе шахтного водоотлива.

Увеличение производительности шахты приводит к увеличению водо-

притока в шахту и, соответственно, к росту коэффициента водообильности.

Поэтому наиболее действенным средством для снижения энергопотребления является оптимизация давления в системе шахтного водоотлива по критерию качества шахтной воды с точки зрения учета содержания механических примесей в виде твердых частиц.

Вопросам совершенствования комплекса водоотлива посвящено много научных публикаций, как отечественных, так и зарубежных. В основном решается проблема безаварийности работы насосного оборудования, повышения надежности и долговечности шахтных насосов, повышения технико-экономических и экологических показателей. При этом главной задачей является снижение расхода электроэнергии на откачку 1 м3 воды.

1.2 Эксплуатационные параметры систем шахтного водоотлива и

характеристики насосов

В системах шахтного водоотлива при подземной разработке полезного ископаемого в качестве основного силового оборудования преимущественно

применяются многоступенчатые центробежные лопастные насосы. Они компактны, просты в эксплуатации, имеют большие подачи и напоры. В большинстве случаев применяются секционные насосы. В насосах данного типа за счет изменения количества ступеней можно покрыть широкий диапазон напоров. Секционные насосы (ЦНС) применяются в горной промышленности при подаче 30-850 м3/ч и напоре 60-1300 м.

Число ступеней может варьироваться от 2 до 12 у насосов нормальной группы. У быстроходных насосов количество ступеней может достигать 16.

Так, например, на шахте «Северная» ПО «Воркутауголь» главная водоотливная установка, рисунок 1.3, находится на горизонте -565 м, на которой устанавливаются пять основных центробежных секционных насосов подачей 300 м3/ч ЦНС 300-780. Насосы комплектуются электродвигателем асинхронным с короткозамкнутым ротором во взрывонепроницаемой оболочке с воздушным охлаждением и замкнутой системой вентиляции типа 2АЗМВ-1000/6000 мощностью 1000 кВт. Для обеспечения подпора используются вертикальные подкачивающие насосы ВП340-18АУ5 с подачей 340 м3/ч и напором 18 м вод. ст. с приводом от электродвигателем ВРП200М4 мощностью 37 кВт.

На поверхность

Рисунок 1.3 — Принципиальная гидравлическая схема системы главного

водоотлива на шахте «Северная»

На горизонте 810 м шахты «Северная» находится участковая водоотливная установка, на которой установлено три центробежных многоступенчатых секционных насоса ЦНС 105-343 (А) с подачей 105 м3/ч, напором 343 м вод. ст. Насосы комплектуются асинхронным электродвигателем ВА02-280М2 с короткозамкнутым ротором и мощностью 160 кВт.

На горизонте 748 м этой же шахты на участковой системе водоотлива устанавлены три центробежных насоса ЦНС 180-255 с подачей 180 м3/ч и напором 255 м вод.ст.

На шахте «Интинская» устанавливаются 7 центробежных секционных насосов ЦНСА 300-540 с подачей 300 м3/ч и напором 540 м вод. ст.

На шахте «Красная горка» предусмотрена двухгоризонтная схема шахтного водоотлива. Насосные камеры располагаются на горизонтах 500 м и - 40 м с водопритоками 350 и 200 м3/ч соответственно. Водоотливные комплексы расположены в околоствольных дворах. На горизонте +500 м устанавливаются три насоса (рабочий, резервный, в ремонте) производительностью 500 м3/ч и напором 160 м ЦНС 500-160. Насосы комплектуются электродвигателями мощностью 400 кВт.

Водоотливная установка горизонта - 40 м оборудована тремя насосами ЦНС 300-780 производительностью 300 м3/ч и напором 780 м.

Недостатком данного типа насосов является сравнительной невысокий КПД из-за потерь напора в перепускных каналах при переходе жидкости между ступенями. Так же некоторые модели насосов имеют низкую всасывающую способность, что обусловлено реализацией высоких напоров за счет увеличения частоты вращения и сохранения малых габаритов.

При подземной добыче полезного ископаемого и высоких значениях водопритоков энергопотребление водоотливных насосов может достигать 50% всего энергопотребления шахты или рудника. От эффективности работы насосов зависит эффективность работы всего горнодобывающего предприятия. Коэффициент полезного действия центробежных насосов в рабочем режиме составляет около 70%, однако, неэффективность работы всей водо-

отливной системы значительно снижает этот показатель. Наиболее важным параметром, влияющим на общую энергетическую эффективность шахтных насосов ЦНС, является значительная загрязненность шахтной воды механическими примесями. Так в шахтной воде шахты «Заполярная» содержание твердых частиц достигает 10-15% по объему перекачиваемой жидкости. Основным источником шахтной воды загрязненной механическими примесями являются участковые водоотливные установки.

Вопросы энергоэффективности шахтных водоотливных установок рассматривались в работах Р.Л. Черняховского [76, 77], А.Ш. Мамедова [4], В.М. Попова [54-59], В.Г. Гейера [13], А.Х. Зарипова [26, 27], В.В. Сенкуса [65]и др.

В работах указывается, что основными причинами недостаточной эффективности работы водоотливных установок являются:

- завышение подач и напоров при выборе насосного оборудования;

- регулирование режимов работы насосов путем дросселирования с помощью задвижек;

- износ оборудования;

- значительное содержание в шахтной воде механических примесей.

В работах [40, 18, 19] решается задача повышения энергетической эффективности на основе снижения общего напора трубопроводной системы шахтного водоотлива. При этом в качестве основного критерия эффективности рассматривается общий КПД системы, записываемый в виде произведения

Лу =ЛэсЛПрЛ„Л1р, (1-5)

где т]у- КПД системы водоотлива, г|эс,г|пр, г\н, г|1р - КПД электрической сети, привода, насоса и трубопровода, соответственно.

Особенностью формулы (1.5) является включение в общий КПД системы шахтного водоотлива значения г| - коэффициента полезного действия

трубопроводной системы, который в работе [68] определяется по формуле

Нг+Нд , (1.6) Нг + Нд + АН^

где Нг - геодезическая высота нагнетания; Нд - динамический напор в трубопроводном ставе; ДН.ф - потери напора в трубопроводном ставе (трубопроводной сети).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Горелкин, Иван Михайлович, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абрамов А.П., Бизенков В.Н. Стационарные машины. Расчет водоотливных установок горнодобывающих предприятий: Учеб. пособие. ГУ КузГТУ.- Кемерово, 2003. - 143 с.

2. Агроскин И.И. Гидравлика. Госэнергоиздат. М.-Л. 1954. - 484 с.

3. Александров В.И., Горелкин И.М. Гидравлический расчет трубопровода системы шахтного водоотлива с учетом потерь напора на транспортирование твердых частиц. / Горное оборудование и электромеханика. № 7, 2013. С. 44-47.

4. Александров В.И. Изменение концентрации гидросмеси в сечении трубопроводов систем гидротранспорта. Записки горного института. Том 2 (142), Санкт-Петербург, 1995. С. 83-86.

5. Александров В.И. Методика расчета и результаты опытно-промышленной эксплуатации пластинчатого сгустителя. В кн.: Прикладные исследования гидротранспортирования продуктов обогащения минерального сырья. Междувед. сб. науч. тр./Механобр. Л., с. 88-91.

6. Антонов Э.И. Совершенствование шахтных водосборников -Шахтное строительство №5, 1986. С. 24-29.

7. Асатур К.Г., Маховиков Б.С. Гидромеханика. / Санкт-Петербург, СПГГИ(ТУ), 2000. - 260 с.

8. Батаногов А.Я, Мазуренко В.В. Влияние износа насосов в процессе эксплуатации на эффективность параллельной работы - М.: Недра, Горная электромеханика, Вып. 3,1974. - 79 с.

9. Великанов М.А. Движение грунтов. Гостоптехиздат, М-Л, 1947. -

251 с.

10. Виноградов Б.В. Повышение долговечности насосов шахтного водоотлива// Уголь Украины. 1999. № 5. - С. 35-36.

11. Вовк Н.Е. Оборотное водоснабжение и подготовка хвостов к складированию. М.: Недра, 1977. - 148 с.

12. Воловик Е.А. Повышение эффективности работы головных водоотливных установок за счет откачивания насосами не осветленной воды: Автореф. дис. канд. техн. наук. М.: МГИ, 1989. - 132 с.

13. Гейер В.Г., Тимошенко Г.М. Шахтные вентиляторные и водоотливные установки. - М.: Недра, 1987. - 269 с.

14. Горелкин И. М. Полимерные трубы в шахтном водоотливе. / Горное оборудование и электромеханика. № 8, 2012. С. 19-21.

15. Гориславец В.М., Дунец А.К. Исследование реологических свойств концентрированных суспензий при наличии пристенного эффекта. Инженерно-физический журнал, т. 29, № 2, 1975. С. 35 - 38.

16. Горная энциклопедия / Гл. ред. Е.А. Козловский; Ред. кол.: М.И. Агошков, Н.К. Байбаков, A.C. Болдырев и др. -М.: Сов. Энциклопедия. 1984. 560 с.

17. Гришко А.П. Стационарные машины. - Том 2. Рудничные водоотливные, вентиляторные и пневматические установки: Учебник для вузов. -М.: Издательство «Горная книга», 2007. - 586 с.

18. Долганов A.B. Анализ электропотребления водоотливных установок подземных рудников медно-колчеданных месторождений Южного Урала//Горное оборудование и электромеханика. -2011.-№2.-С. 39-41.

19. Долганов A.B. Влияние плотности шахтной воды на расход электроэнергии насосами главного водоотлива // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. науч. тр. — Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГГУ», 2009. - С. 43-45.

20. Долганов A.B. Современное состояние рудничного водоотлива при отработке медно-колчеданных месторождений Южного Урала // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 2009. - № 2. - С. 1215.

21. Долганов A.B., Великанов B.C., Савельев В.И. Экспериментальные исследования абразивного износа центробежных насосов // Добыча, об-

работка и применение природного камня: сб. науч. тр. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. - С. 195-203.

22. Единые правила безопасности при разработке рудных, нерудных и рассыпных месторождений полезных ископаемых подземным способом. ПБ 03-553-03. - Москва. НПО ОБТ. 2003.

23. Ерохин С.Ф. Исследование параметров трубопроводного транспорта пластифицированных водоугольных суспензий. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва. 1980.-21 с.

24. Заварзина A.M., Никифоров А.Ф. Очистка шахтных и карьерных вод: проблемы и методы. / Чистая вода России. XI Международный научно-практический симпозиум и выставка. Екатеринбург, 18-20 мая, 2011. С. 240241.

25. Заика В.Т., Разводов В.Г. Комплексная оценка и повышение энергоэффективности работы шахтных водоотливных установок // Горная электромеханика и автоматика: Науч.-техн. сб. - 2000. - Выпуск 64. С. 17-26.

26. Зарипов А.Х. Оценка энергетической эффективности работы водоотливных установок и систем подачи сжатого воздуха // Изв. вузов. Горный журнал. 2010. № 4. С. 74-77.

27. Зарипов А.Х. Повышение эффективности рудничных стационарных установок: Автореф. дис. канд. техн. наук - Екатеринбург, 2011. - 19 с.

28. Заря А.Н. Рабочая характеристика центробежного насоса на гидросмеси // Разработка месторождений полезных ископаемых. 1973. Вып. 32. -С. 100-105.

29. Защита горных выработок от подземных и поверхностных вод. СНиП 2.06.14-85 - ГПИ Фундаментпроект Минмонтажспецстроя СССР. 1985.

30. Звягин B.C. и др. Влияние схем разводки нагнетательных трубопроводов на эффективность и надежность работы главных водоотливных установок в условиях обводненных шахт // Известия вузов. Горный журнал, № 7, 1982.-С. 81-84.

31. Камерштейн А.Г., Рождественский В.В., Ручимский М.Н. Расчет трубопроводов на прочность. - М.: Гостоптехиздат, 1963, 424 с.

32. Карасик В.М., Асауленко И.А., Витошкин Ю.К. Интенсификация гидротранспорта продуктов и отходов обогащения горно-обогатительных комбинатов. - К.: Наукова Думка, 1976. - 156 с.

33. Карелин В. Я. Изнашивание лопастных насосов - М.: Машиностроение, 1983. - 167 с.

34. Косарев Н Я., Молодцов В. В. и др. Пути энергосбережения на водоотливных установках шахт ОАО "Севуралбокситруда" // Известия Уральской гос. горно-геол. академии, Сер.: Горная электромеханика. Вып. 16, 2003.-С. 41-43.

35. Косарев Н.П., Носырев М.Б., Зарипов А.Х., Карякин A.JI. Automatically Controlled System of Pump Stations Complex of City Water Supply (Автоматизированная система управления комплексом насосных станций городского водоснабжения). Proceedings of 7th International Carpathian Control Conference ICCC'2006. Ostrava, Czech Republic, 2006.

36. Кремер E.B., Нагаев Р.Ф., Пряничников E.B. Гидродинамика тонкослойных сгустителей и принципы их конструирования. Обогащение руд,

1985, №3.-С. 27-31.

37. Лезнов Б.С. Экономия электроэнергии в насосных установках -М.: Энергоиздат, 1991. - С. 134.

38. Литовский Е. И. Потоки энергии и эксергии - М.: Наука, 1998. -С. 242.

39. Макаров Ю.С., Неволин Н.В., Фаткулин У.М., Баткин B.C. Осветление шахтных вод в подземных условиях // Сборник научных трудов «Комплексные проблемы охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов в угольной промышленности» - Пермь,

1986. -174 с.

40. Мамедов А.Ш. Разработка и обоснование мероприятий по повышению энергоэффективности комплексов шахтного водоотлива: Автореф. дис. канд. техн. наук - Екатеринбург, 2004. - 20 с.

41. Матлак Е.С., Малеев В.Б. Снижение загрязненности шахтных вод в подземных условиях. - К.: Техника. 1991. - 134с.

42. Матлак Е.С. и др. Охрана окружающей среды в горной промышленности. - М.: Недра, 1987. - 192 с.

43. Матлак Е.С., Явруян А.Ю., Моргунов В.М., Беляева E.JI. О нетрадиционном подходе к решению проблемы снижения загрязненности шахтных вод взвешенными веществами на основе концепции устойчивого эколого-экономического развития // Известия Донецкого горного института, 2003 - №2. - С. 23-28.

44. Методика определения числа насосов, диаметра и количества трубопроводов, выбора коммутационной схемы шахтных водоотливных установок - Донецк: ВНИИ ГМ им. М.М.Федорова, 1987. - 45 с.

45. Механо-математическое исследование процесса сгущения минеральных пульп с целью его интенсификации. - Отчет о научно-исследовательской работе. JL: институт Механобр, 1983. - 68 с.

46. Монгайт И.Л., Текиниди К.Д., Николадзе Г.И. Очистка шахтных вод. - М.: Недра, 1978. - 173с.

47. Нанто С., Сюто Н. Теоретический анализ процесса осаждения в отстойниках с наклонными пластинами. - Перевод яп. языка. - М.: Всесоюзная книжная палата, 1971 - Суйдо Кекей дзасса, 1968, № 1409, 13.

48. Нормы технологического проектирования горнодобывающих предприятий металлургии с подземным способом разработки. ВНТП 13-2-93 - Санкт-Петербург. АО Гипроруда. 1993.

49. Носырев Б. А. Эволюция рудничного водоотлива // Известия Вузов. Горный журнал, 1995. № 5. - С.162-170.

50. Олизаренко В.В., Долганов A.B. Влияние горно-геологических и технологических факторов на эффективность работы шахтного водоотлива //

Материалы 66-й научно-технической конференции: сб. докл.- Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. -Т.1.- С. 169-172.

51. Олизаренко В.В., Долганов А.В., Великанов B.C. Рудничный водоотлив при отработке Учалинского месторождения // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. науч. тр. - Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГГУ», 2008. - С. 54-58.

52. Пак B.C., Гейер В.Г. Рудничные вентиляторные и водоотливные установки. -М.: Углетехиздат, 1955. - 427 с.

53. Покровская В.Н. Пути повышения эффективности гидротранспорта. - М.: Недра, 1972. -167 с.

54. Попов В. М., Лебедев П. Ф. Санин Д. Е. Приближенный метод аналитического расчета рабочих режимов водоотливных установок с высоконапорными центробежными насосами - М.: Недра, Горная электромеханика, Вып. 3, 1974. С. 180-185.

55. Попов В.М. Автоматизация рудничного водоотлива - Гос. науч-но-техн. изд. лит. по горному делу. - М.: Недра 1960. 360 с.

56. Попов В.М. Водоотливные установки: Справочное пособие. - М: Недра, 1990.-254 с.

57. Попов В.М. Рудничные водоотливные установки. - 2-е изд., пере-раб. и доп. - М.: Недра, 1983. - 304 с.

58. Попов В.М. Шахтные насосы (Теория. Расчет и эксплуатация): Справочное пособ. - М.: Недра, 1993. - 224 с.

59. Попов В.М., Антогикин А. Г. Промышленные исследования новых средств контроля производительности шахтных водоотливных установок // Изв. вузов. Горный журнал, № 3,1986. С. 31-34.

60. Правила безопасности в угольных шахтах. ПБ 05-618-03. - Гос-гортехнадзор России. НТЦ Промышленная безопасность. 2004.

61. Промышленные испытания пластинчатого сгустителя в схеме обезвоживания хвостов текущей переработки. Отчет по НИР. ЛГИ, Л., 1983.

62. Реология. Теория и приложения. - Под редакцией Ф. Эйриха. Перевод с английского под общей редакцией Ю.Н. Работного и П.А. Ребиндера. Изд."Иностранная литература", Москва, 1962.

63. Руководящий технический материал по снижению затрат электроэнергии при эксплуатации действующих водоотливных установок на шахтах угольной промышленности. РТМ 07.02.005 - 85 - Донецк: ВНИИ ГМ им. М.М. Федорова, 1985. - 90 с.

64. Сенкус В.В. Разработка и обоснование технологических схем и параметров механической очистки шахтных вод в системе водоотлива: Авто-реф. дис. канд. техн. наук - Кемерово, 2001. - 20 с.

65. Силин H.A., Коберник С.Г. Режим работы крупных землесосных снарядов и трубопроводов // Киев, Наук. Думка. 1962. - 216 с.

66. Технологические схемы очистки от взвешенных веществ и обеззараживания шахтных вод: Каталог. - Пермь. - ВНИИОСуголь, 1986. - 69 с.

67. Тимохин Ю.В., Адам О.В., Антонов Э.И., Кошкальда Л.И., Пала-марчук Н.В. Надежность высокооборотных насосов. Сборник научных трудов. Горная механика. Выпуск 1, часть 2., Донецк, 1991. С. 81-87.

68. Тимухин С.А., Белов С. В., Мамедов А. Ш. Оценка энергетической эффективности насосных установок горных предприятий // Вестник энергосбережения. 1(10)/2000. С. 26-27.

69. Тимухин С.А., Мамедов А, Ш. Оценка энергетической эффективности шахтных насосных установок по удельной мощности // Неделя горняка. Научный симпозиум. М., 2001. С. 130.

70. Физико-химические основы технологии осветления и обеззараживания шахтных вод: Монография/ (Гребенкин С.С, Костенко В.К., Матлак Е.С. и др.). Под общ. ред. Костенко В.К. - Донецк: «ВИК», 2099. - 438 с.

71. Фофанов Б. Ф, Исследование шахтных водоотливных трубопроводов и разработка мероприятий по повышению эффективности их эксплуатации (на примере Кизеловского бассейна). Автореф. дис. канд. техн. наук. Свердловск, СГН, 1980. 22 с.

72. Чабан С. Факторы трения при течении реологических смесей по трубопроводам. "Обогащение руд", № 6,1992. С. 25-28.

73. Черняховский P.JI. Адаптация режимов работы электромеханических комплексов шахтного водоотлива к графикам энергосистемы в условиях переменных водопритоков: Автореф. дис. канд. техн. наук - Санкт-Петербург, 2003. - 20 с.

74. Черняховский P.JI. Особенности водоотливных установок глубоких шахт. Записки Горного института. Т. 150. Часть 2. 2002. - С. 106-108.

75. Черняховский P.JI. Системный анализ для решения промышленных шахт. Записки Горного института. Т. 150. Часть 2. 2002. - С. 106-108.

76. Шевелев Ф.А. Таблицы для гидравлического расчета стальных, чугунных, асбестоцементных, пластмассовых и стеклянных водопроводных труб. М., Стройиздат, 1973. - 112 с.

77. Шкундин Б.М. Землесосные снаряды. Учебное пособие для вузов. Изд. 2-е, перераб. М., «Энергия», 1973. - 272 с.

78. Энергосбережение в угольной промышленности: монография / Под ред. Б.А. Грядущего - Донецк НИИ ГМ им. М.М. Федорова. 2006. - 336 с.

79. Тимухин С. А., Белов С. В., Мамедов А. Ш. Оценка энергетической эффективности насосных установок горных предприятий // Вестник энергосбережения. 1(10)/2000 г. - С.26-27.

80. Alexandrov V.l. Some Experimental Studies on Waste Copper Ore of High Concentration Slurry Transport. / Prace Naukowe Instytutu Geotechniki i Hydrotechniki Politechniki Wroclaskiej, Nr. 71, Wroclaw, 1996.

81. Ferguson J., Kemblowski Z. Appliewd fluid rheology. Elsevier applied science. London and New-York. 1991.

82. Graham W., Lama R. Sedimentation in inclined vessels. - Canad. Eng. 1963, 2, p. 31-32.

83. Rubin E., Rahavi E. Enconced settling rates of solid suspension in presence of inclined planes. - Water, AJChE Simposium ser., 1975, v. 71, 1 151, p 275-285.