Давыдкова Н.С. Стационарные установки шахт (водоотливные,вентиляторные и пневматические установки)

Подождите немного. Документ загружается.

расположенных машин. При этом А — рабочий режим совместно работающих машин, А' и

А" —рабочие режимы отдельных эквивалентных турбомашин 1' и 2', а А

и А

— рабочие

режимы реальных турбомашин 1 и 2, развивающих напоры Н

и Н

При параллельном включении турбомашин, если одна из них по каким-либо

причинам отключается, например, из-за неполадок, то оставшаяся в работе машина

обеспечивает 60—70% производительности (подачи) при совместной работе, так как режим

работы работающей машины смещается в сторону больших подач. Это очень важная

особенность параллельной работы турбомашин для горных предприятий.

КПД параллельно работающих машин

2211

/Q/Q

η+η

=η , (7.3)

где Q

и Q

— производительность машин 1 и 2 при совместной работе;

и η

— КПД, соответствующие производительностям Q

и Q

Для обеспечения эффективной работы турбомашин при параллельном их включении

необходимо, чтобы напоры этих турбомашин были примерно одинаковыми. При установке

машин на расстоянии должны быть примерно одинаковыми напоры эквивалентных

турбомашин.

Эффективность параллельно включенных машин зависит от формы их напорных

характеристик. Наибольшая эффективность обеспечивается, когда характеристики

монотонно падающие.

Вопрос о способе (последовательное или параллельное) включения решается на

основе графического анализа.

При совместной работе нескольких турбомашин суммарные их характеристики

строятся так же, как и для двух машин.

Лекция № 8

II ВОДООТЛИВНЫЕ УСТАНОВКИ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВОДООТЛИВНЫХ УСТАНОВКАХ И ВОДООТЛИВЕ

1. 1. Водопритоки подземных вод

Приток подземных вод колеблется в широких пределах на различных горных предпри-

ятиях и достигает 20 000 м

/ч, а на весьма обводненных рудниках превышает эту величину. На

одном и том же предприятии водоприток не остается постоянным в течение года. В связи с этим

различают нормальные и максимальные водопритоки. Последние отмечаются в весенний или

осенний период. Приток воды в эти периоды на шахтах глубиной до 100 м увеличивается в 2-4

раза и более.

Обводненность шахты или рудника может выражаться в абсолютных или относительных

величинах. Абсолютная обводненность (приток воды) выражает суммарное количество воды

(м

), поступающей в шахту в единицу времени. Относительная обводненность оценивается

коэффициентом водообильности, т. е. отношением массы годового притока воды к массе добы-

того за этот же период полезного ископаемого. Коэффициент водообильности для угольных

шахт бывшего СССР колеблется от 0,38 (Карагандинский бассейн) • до 25 (Подмосковный бас-

сейн) и более.

Шахтные воды содержат химические вещества и механические примеси, вредно влияю-

щие на оборудование водоотливных установок.

1. 2. Назначение и классификация водоотливных установок

Водоотливная установка — это комплекс технических средств для удаления воды из

горных выработок и выдачи ее на поверхность. Для откачки подземных вод применяются водо-

отливные установки, которые в зависимости от назначения разделяются на центральные, глав-

ные, участковые, вспомогательные, перекачные, проходческие и скважинные.

Рис. 1.1. – Схема водоотливной установки

Центральная водоотливная установка предназначается для откачки воды из нескольких

шахт; главная водоотливная установка —для выдачи непосредственно на поверхность притока

воды всей шахты. Участковые водоотливные установки откачивают с участков в главный водо-

сборник или на поверхность воду из выработок какого-либо участка шахты или рудника. Вспо-

могательные водоотливные установки располагаются на участках, уклонах, зумпфах и служат

для перекачки воды в водосборник главной или центральной водоотливной установки. При вол-

нистой почве пласта применяются перекачные установки для откачки воды из участков в водо-

сборник главной водоотливной установки.

Водоотливные установки, применяемые при проходке уклонов, наклонных и вертикаль-

ных стволов шахт, называются проходческими. Они перемещаются по мере подвигания забоя

или понижения уровня воды. Установки для понижения дивной установки грунтовых вод назы-

ваются скважинными.

Центральные, главные, вспомогательные и участковые водоотливные установки, как

правило, размещаются в специальных камерах и являются стационарными.

При проведении горных выработок применяются передвижные водоотливные установки.

Водоотливные установки (рис. 1.1) оборудуются в основном центробежными насосами.

Установка состоит из насоса 1 с двигателем, всасывающего трубопровода 2 с приемной сеткой 3

и клапаном 4, нагнетательного трубопровода 5 с задвижкой 6 и обратным клапаном 7, трубки 8

с вентилем 9 для заливки водой насоса перед его пуском. Давление во всасывающем 2 и нагне-

тательном 5 трубопроводах измеряется вакуумметром 10 и манометром 11.

Вертикальное расстояние от уровня воды в заборном резервуаре (колодце) до оси насоса

называется геодезической (геометрической) высотой всасывания z

вс

, а вертикальное расстояние

от оси насоса до сливного отверстия трубопровода — геодезической (геометрической) высотой

нагнетания z

. Сумма геодезических высот всасывания и нагнетания есть геодезическая (гео-

метрическая) высота подачи z

, которая, по существу, является полной геодезической высотой

водоподъема.

1. 3. Технологические схемы стационарного водоотлива

Технологические схемы водоотлива определяются глубиной и числом разрабатываемых

горизонтов, способом и порядком отработки месторождений.

При разработке одного горизонта наиболее приемлемой является схема бесступенчатого

водоотлива, когда вода собирается в водосборник главного водоотлива и насосы непосредст-

венно откачивают ее на поверхность (рис. 1.2, а). Если напора одного насоса недостаточно, то

применяют последовательную работу насосов (рис. 1.2, б), устанавливаемых в одной камере,

или используют ступенчатые схемы (рис. 1.2, в, г) с размещением насосов на разных горизон-

тах. При этом насосы могут быть включены без и с промежуточным водосборником.

Наиболее простой является схема бесступенчатого водоотлива, при которой достаточно

одной водоотливной установки. При применении этой схемы уменьшается объем горных работ,

требуемых для водоотлива, упрощается электромеханическое оборудование и снижается безо-

пасность труда, но возрастает напор, растут капитальные затраты на изготовление насосов и ар-

матуры высокого давления, увеличивается мощность двигателей. Тем не менее эта схема явля-

ется предпочтительной, и стремятся увеличить возможную глубину бесступенчатого водоотлива

созданием высоконапорных насосов.

Ступенчатая схема с промежуточным водосборником допускает меньшие давления, что

повышает безопасность и надежность труда, но при этой схеме требуются сооружение и под-

держание промежуточного водосборника, стоимость которого значительна.

Рис. 1.2. – Схема водоотлива при разработке одного горизонта: 1 и 2 — насосы; 3 и 4 —

трубопроводы; 5 — водосборник

Рис. 1.3. – Схема водоотлива при разработке двух горизонтов: 1 и 2 — насосы; 3 и 4 —

трубопроводы

При разработке двух и более горизонтов с самостоятельными притоками возможен бес-

ступенчатый водоотлив отдельно с каждого горизонта (рис. 1.3, а) или с перекачкой (рис. 1.3, б,

в, г). Выбор последних схем определяется водопритоками на отдельных горизонтах. Например,

если водопритоки верхних горизонтов велики, то рациональной является схема, показанная на

рис 1.3, б. Если водопритоки нижних горизонтов велики, то лучше использовать схему с пере-

пуском воды с верхних горизонтов на нижний, при которой не требуется устанавливать мощные

насосные станции на разных горизонтах. Напор воды с верхнего горизонта можно частично ис-

пользовать (рис. 1.3, г), если воду с этого горизонта подводить по трубам непосредственно к

всасывающему тракту насосов. При выборе схемы водоотлива необходимо учитывать также ки-

слотность вод на разных горизонтах и другие факторы. Кислотные воды рекомендуется откачи-

вать отдельно.

В случае значительного удаления участка шахты или рудника от главной водоотливной

установки и небольшой глубины разрабатываемого горизонта вода на поверхность откачивается

через специальные скважины или шурфы от участковых установок.

Выбор технологической схемы водоотлива осуществляется на основе технико-

экономического сопоставления вариантов в зависимости от местных горно-геологических усло-

вий горного предприятия, последовательности отработки горизонтов и других факторов.

1. 4. Насосные камеры и водосборники

Насосы и аппаратура автоматизации водоотливных установок размещаются обычно в

специальных горных выработках — насосных камерах. Насосная камера 1 наклонным ходком 8

соединяется с околоствольным двором и трубно-кабельным ходком 4 — со стволом 5, а с по-

мощью труб с задвижками — с водосборником (рис. 1.4).

Рис. 1.4. – Технологическая схема главного водоотлива (а) и план горных выработок (б):

1 — насосная камера; 2 — водосборник; 3 — всасывающий колодец; 4 — трубный ходок;

5 — ствол; 6 — отстойник шахтных вод; 7 — подземная электроподстанция; 8 — ходок в

околоствольный двор; 9 — насосы; 10 — трубопровод

Обычно насосная камера располагается на свежей струе в околоствольном дворе и при-

мыкает к подземной подстанции. Размеры насосной камеры определяются числом и размерами

применяемых насосных агрегатов, которых по правилам безопасности должно быть не менее

трех (один в работе, один в резерве и один в ремонте). Устройство насосной камеры должно

обеспечивать безопасную эксплуатацию оборудования, удобную его доставку и монтаж, а также

свободный доступ при обслуживании насосных агрегатов. Для предотвращения затопления на-

сосной камеры пол ее следует располагать на 0,5 м выше отметки околоствольного двора.

Для размещения всасывающих трубопроводов насосная камера оборудуется групповыми

или индивидуальными колодцами 3, соединенными с водосборником 2 через приемный коллек-

тор или непосредственно.

Насосные камеры могут располагаться выше и ниже уровня воды в водосборнике. В пер-

вом случае насосы имеют положительную, а во втором отрицательную высоту всасывания, т. е.

работают с подпором, что является благоприятным обстоятельством, так как исключает появле-

ние кавитации в насосах и необходимость их заливки. Однако недостатками камер, распо-

лагаемых ниже уровня воды в водосборнике (погружных), являются трудность обеспечения их

герметичности (вода из водосборника попадает в камеру) и большие капитальные затраты. По-

гружные камеры не нашли широкого применения на угольных шахтах из-за трещиноватости

пород и трудности герметизации камер, но используются на многих рудниках.

Водосборники — выработки для сбора воды и ее осветления. Водосборник главного или

участкового водоотлива должен состоять из двух и более выработок. В шахтах, опасных по про-

рыву вод, согласно правилам технической эксплуатации, вместимость водосборников главных и

участковых установок должна рассчитываться соответственно на восьми- и четырехчасовой

приток воды, для остальных шахт водосборники рассчитываются соответственно на четырех- и

двухчасовой нормальный водоприток.

Вода, проходя с малой скоростью по водосборнику, осветляется. Водосборники иногда

перегораживаются на две части (в одной части вода осветляется) или для осветления воды в го-

ризонтальной выработке делается специальный предварительный отстойник.

Из водосборника вода поступает в водоприемные колодцы, откуда насосами через всасы-

вающие трубопроводы откачивается на поверхность.

Из-за оседания твердых частиц и осветления воды водосборники заиливаются. Они

должны очищаться не реже 2 раз в год. Загрязнение водосборника более чем на 30% не допуска-

ется.

Прогрессивным направлением является применение бескамерного водоотлива, при кото-

ром не требуется специальная насосная камера и значительно упрощается водоотливное хозяй-

ство шахт. При бескамерном водоотливе используются погружные насосы, например типа ЭЦВ,

устанавливаемые в трубных отделениях стволов и ниже уровня воды в водосборниках.

Перспективным направлением является также установка погружных насосов непосредст-

венно в водосборниках, что значительно уменьшает размеры насосных камер.

2. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ РАБОТЫ И УСТРОЙСТВА ЦЕНТРОБЕЖНЫХ

НАСОСОВ

2. 1. Классификация насосов

В современном турбомашиностроении принята классификация лопастных насосов по

удельной частоте вращения n

или по коэффициенту быстроходности k

Центробежные насосы в зависимости от n

подразделяются на тихоходные (n

= 40 — 80

об/мин), нормальной быстроходности (n

= 80 — 150) и быстроходные (n

= 150 — 300). У диа-

гональных и осевых насосов соответственно n

= 300 — 600 и n

= 600 – 1200. С ростом n

ради-

альные размеры колеса уменьшаются, а осевые — увеличиваются. Турбомашины с большим n

имеют большую частоту вращения рабочего колеса, но меньшие габариты и массу. Тихоходные

насосы используются при высоких напорах, быстроходные — при низких. Для создания высо-

кого напора требуются большие окружные скорости рабочих колес. Уменьшение скорости ком-

пенсируется большим диаметром рабочего колеса. При увеличении диаметра колеса возрастают

потери на дисковое трение и увеличиваются габариты насоса. Поэтому и для шахтных насосов

наблюдается тенденция увеличения их быстроходности. Однако в настоящее время на горных

предприятиях наибольшее распространение получили центробежные насосы нормальной быст-

роходности и тихоходные. Диагональные насосы используются в качестве погружных с верти-

кальным валом, осевые насосы как заливочные и бустерные (бустер — помощник, усилитель).

Последние служат для создания напора во всасывающей линии основных насосов.

Центробежные насосы, применяемые на горных предприятиях, также классифицируются

по следующим признакам.

По назначению —для чистой воды и специальные: углесосы, шламовые, грунтовые, пес-

ковые и др.

Специальные насосы отличаются от обычных наличием защитных устройств, обеспечи-

вающих более долговечную работу агрегата при транспортировании агрессивной жидкости или

гидросмеси.

По числу ступеней — одноступенчатые и многоступенчатые. Одноступенчатые насосы

используются для оборудования вспомогательного водоотлива, а также для заливки главных на-

сосов перед их пуском, многоступенчатые насосы —в главном водоотливе.

По характеру соединения рабочих колес — однопоточные и многопоточные.

По конструкции корпуса — цельнокорпусные, секционные и спиральные (с горизонталь-

ным подъемом корпуса).

По расположению вала насоса — горизонтальные и вертикальные.

По расположению опор и рабочих колес — консольные, с вынесенными и встроенными в

корпус опорами.

По размещению насоса относительно водоисточника — поверхностные, устанавливае-

мые у водосборников; подвесные (проходческие и зумпфовые); скважинные, используемые в

системах дренажа шахтных полей, а также при добыче чистой воды для питья и технических

нужд. В зависимости от места расположения привода скважинные насосы подразделяются на

непогружные (с трансмиссионным валом) и погружные. В первом случае насос размещается в

скважине, а привод на поверхности. Во втором случае насос вместе с приводом погружается в

скважину.

2. 2. Кавитация в насосах

Общие сведения о кавитации. Возникновение в потоке жидкости в связи с ее кипением

(парообразованием) местных разрывов сплошности жидкости — каверн называется кавитацией.

Кавитация —сложное физическое явление, до конца не изученное. Из физики известно, что с

понижением давления жидкость может закипать и при более низкой температуре. Например,

при снижении давления до 2 кПа вода может кипеть при температуре ниже 20 °С. В потоке

жидкости, протекающей через рабочее колесо, имеются области с низким давлением, в частно-

сти на тыльных сторонах лопастей у их входных кромок. При падении давления ниже давления

парообразования р

в этих областях начинается кипение жидкости и образование мелких парога-

зовых пузырьков. Пузырьки уносятся потоком жидкости по каналу в область повышенного дав-

ления, где пар конденсируется и пузырьки захлопываются. Жидкость, окружающая пузырек,

устремляется с большой скоростью к его центру. При мгновенном снижении ее скорости возни-

кает гидравлический удар, сопровождающийся резким повышением местного давления. Давле-

ния достигают десятков мегапаскалей (МПа).

В начале кавитации появляются мелкие парогазовые пузырьки, которые исчезают вблизи

места их образования. При развитии кавитации в связи с дальнейшим повышением давления в

потоке количество и размеры пузырьков растут. Появляется облако пузырьков, исчезающих на

некотором расстоянии от места образования. Установившаяся кавитация характеризуется со-

единением пузырьков в межлопастном канале в одну полость — каверну, которая уменьшает

активное сечение потока в канале рабочего колеса, снижая напор насоса и увеличивая гидравли-

ческие потери. От каверны постоянно отделяются пузырьки, которые захлопываются на некото-

ром расстоянии от нее. Дальнейшее уменьшение давления приводит к увеличению объема ка-

верны и резкому падению напора и подачи.

При кавитации парогазовые пузырьки захлопываются вблизи или на поверхности кана-

лов и вызывают механическое воздействие кавитирующего потока жидкости на поверхности

лопастей и дисков рабочего колеса. Это воздействие, проявляющееся в виде микроударов, по-

вторяющихся с очень высокой частотой, приводит к местным выкрашиваниям — эрозии по-

верхностей рабочих колес из-за усталостного разрушения. Гладкая поверхность металла стано-

вится губчатой. При кавитации в шахтных насосах возникает эрозия и затем коррозия (разъеда-

ние поверхности) вследствие взаимодействия с вновь образованной поверхностью кислотных

шахтных вод. Явление разрушения поверхности при кавитации сложное, но происходит доста-

точно быстро. Кавитационному износу наиболее подвержены чугун и углеродистая сталь. Более

стойкой является нержавеющая сталь.

Кавитация сопровождается также вибрациями насосов и шумами (характерным потре-

скиванием). При значительной кавитации может произойти полное нарушение работы насоса.

Поэтому кавитация недопустима при эксплуатации насосов.

Допустимая геометрическая высота всасывания и кавитационный запас энергии.

Кавитация будет отсутствовать при условии

min

> p

(2.1)

т. е. минимальное давление р

ьшт

в любой точке проточных каналов должно быть выше

давления р

при котором вскипает жидкость (давления насыщенного пара). Напор Н

(м), при

котором начинает возникать кавитация, равен

Для определения допустимой геометрической высоты всасывания составим уравнение

сохранения энергии для сечений I — I и II—II потока жидкости (рис. 2.2, а):

всвс

вa

+∆++

(2.2)

где р

— давление на поверхности жидкости (в шахтных условиях—это атмосферное

давление), Па; р

—давление жидкости на входе в насос, Па; ∆Н

вс

— потери напора во всасы-

вающем трубопроводе, м; ρ —плотность жидкости, кг/м

; α = 1 — 1,2 — коэффициент, учиты-