«РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ НАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ КОМПЛЕКСОВ ШАХТНОГО ВОДООТЛИВА ...»

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

ГОРЕЛКИН Иван Михайлович

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ НАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

КОМПЛЕКСОВ ШАХТНОГО

ВОДООТЛИВА

Специальность 05.05.06 – Горные машины Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

д.т.н., профессор Александров Виктор Иванович Санкт-Петербург -

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 сгустителяосветлителя

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

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 водообильности 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., Братченко Б.Ф., Антошкин А.Г., Звягин В.С., 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, эффективная 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. В.С. 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.

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, 11 – 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 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 проектирования 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 водопроводящих 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 непосредственно в подготовительные и очистные выработки. Максимальный забойный водоприток наблюдается в случае, когда забой находится гипсометрически ниже, чем выработанное пространство [16].

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;

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 весеннего таяния снега. Приток воды в шахту выражается или непосредственно объемными величинами (м3/ч, м3/сутки), или коэффициентом водообильности, таблица 1.2.

Таблица 1.2 – Коэффициент водообильности и водоприток в шахту 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.

где K во - коэффициент водообильности; Q шв - массовое количество выданной на поверхность шахтной воды за данный период времени, т; Gгм – 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 Бассейн Изменение среднего значения коэффициента водообильности за период с 1975 по 2000 годы показан на графике, рисунок 1.3.

Рисунок 1.3 – Изменение коэффициента водообильности 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 K во =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 Р – давление, развиваемое насосной установкой системы шахтного вогде доотлива, Па.

Если давление Р выразить через удельные потери напора, то формулу (1.2) можно переписать в виде где i – потери напора на перекачку шахтной воды, м вод. ст./м; - плотность шахтной воды, кг/м3; L - 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.

где i0 – потери напора на транспортирование чистой шахтной воды (без механических включений); i - 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 перекачивания 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 водопритока 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 техникоэкономических и экологических показателей. При этом главной задачей является снижение расхода электроэнергии на откачку 1 м3 воды.

1.2 Эксплуатационные параметры систем шахтного водоотлива и 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 2А3МВмощностью 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.

Рисунок 1.3 – Принципиальная гидравлическая схема системы главного 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 м вод. ст. Насосы комплектуются асинхронным электродвигателем ВА02М2 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 водоотливной 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 где h у - КПД системы водоотлива, hЭС, hпр, hн, h тр - КПД электрической сети, привода, насоса и трубопровода, соответственно.

Особенностью формулы (1.5) является включение в общий КПД системы шахтного водоотлива значения h тр - коэффициента полезного действия трубопроводной системы, который в работе [68] определяется по формуле где Н г - геодезическая высота нагнетания; Н д - динамический напор в трубопроводном ставе; Н тр - потери напора в трубопроводном ставе (трубопроводной сети).

Из анализа формулы (1.6) в работе [40] делается вывод, согласно которому КПД трубопроводных систем насосных установок не является величиной постоянной, а зависит от режимов эксплуатации, т.е. h тр f Q, а увеличение высоты подъема (Нг) повышает долю полезной работы в трубопроводной системе при одновременном росте в них потерь напора.

Данный вывод не вызывает сомнений, так как КПД трубопроводной системы действительно повышается с увеличением высоты подъема воды, что характерно для систем водоснабжения. Для условий подъема и транспортирования по трубопроводным ставам шахтной воды, с включениями механических примесей в виде угольной и породной просыпи, поступающей в приемные зумпфы участковых выработок, вывод о повышении КПД с увеличением высоты подъема требует дополнительного обоснования. Так как в этом случае не учитываются дополнительные сопротивления на подъем и перекачку твердой составляющей шахтной воды. Таким образом, в цитируемой работе не учитывается качество шахтной воды, а подразумевается чистая жидкость. Практика показывает, что на участковых выработках, которые являются основным источником шахтной воды в системах главного водоотлива, не предусматриваются меры по очистке шахтных стоков от механических примесей. В связи с этим, при решении задач повышения энергетической эффективности систем шахтного водоотлива, необходимо учитывать особенности шахтной воды, заключающиеся в высокой степени минерализации, значительном содержании взвешенных механических примесей, содержание которых может в отдельных случаях, в зависимости от технологии ведения горных работ, достигать 10-15% по объему шахтной воды.

Загрязненность шахтной воды механическими примесями при расчетах систем шахтного водоотлива, за редким исключениям, не учитывается. Различные способы повышения энергетической эффективности насосных станций, предлагаемые и обоснованные во множестве научных и практических работах, решают задачу лишь частично.

В работах [73, 74] решается задача регулирования электропривода насосных установок систем шахтного водоотлива с учетом изменяющихся водопритоков. В качестве основного способа предложено использовать частотное регулирование. Для обоснования пределов изменения частоты вращения насосов, используется система уравнений, описывающих рабочий процесс трубопровода и насоса в виде гидромеханических характеристик где А2, В2, С2 – точки пересечения характеристики трубопровода с напорной характеристикой насоса; h н, h г, h и - напор насоса, геодезический напор, инерционный напор, соответственно; q - подача насоса; n - частота вращения рабочих колес насоса; а – постоянный коэффициент кривой изменения геодезического напора; L - приведенная длина трубопровода, D т - диаметр трубопровода.

При разработке алгоритма управлением частотным регулированием в работе [73] рассматриваются возможные пределы изменения частоты вращения насосов. Указывается, что диапазон регулирования производительностью частотой вращения в области больших подач насоса ограничен допустимой высотой всасывания. Увеличение частоты вращения насосного агрегата и соответственно, возрастание подачи насоса ведет к снижению допустимой высоты всасывания.

Устойчивый режим работы центробежного насоса на сеть обеспечивается на правой части от максимума характеристики центробежного насоса, при условии, что характеристика насоса и трубопровода пересекается в единственной точке (рисунок 1.4, точки В или С). Устойчивый режим работы насосной установки нарушается в области максимальных значений h на характеристике h(q) с небольшими отклонениями в ту или иную сторону от точки В.

Рисунок 1.4 – Расходно-напорные характеристики шахтного насоса при изменении частоты вращения рабочего колеса и характеристик Пересечение характеристики насоса h(q) и трубопровода hтр(q) в точке максимума характеристики насоса (точка F) - недопустимо, так как ведет к переходу на неустойчивый режим работы системы. Устойчивый режим работы насосной установки обеспечивается в интервале частот вращения между точками С и F, на рисунке 1.4.

Решение уравнений (1.7) возможно различными способами, в частности, при помощи программного пакета MathCad, рисунок 1.5.

Рисунок 1.5 – Система уравнений (1.7) в программе MathCad Разработанный алгоритм частотного регулирования системой шахтного водоотлива, широко применяется в системах водоснабжения и используется в моменты пиковых расходов воды. Однако, система не учитывает свойства перекачиваемой жидкости, параметры которой в значительной степени зависят от содержания твердой фазы в транспортируемых потоках шахтной воды, несмотря на то, что авторы отмечают этот факт «….шахтная вода обладает абразивными свойствами, из-за присутствия угольной пыли и мелких фракций горной породы, поэтому средняя скорость движения воды влияет на срок службы колес насоса». Действительно, снижение частоты вращения рабочих колес насосов уменьшает интенсивность гидроабразивного износа проточной части и уменьшает дисковое трение. Но при этом содержание механических примесей влияет на гидромеханические характеристики системы насострубопровод. Уменьшение частоты вращения рабочего колеса приводит к снижению расхода и, соответственно, средней скорости потока в трубопроводе, значение которой может достигнуть значения, меньшего допустимой критической скорости. В случае, когда скорость потока становится меньше, чем критическая скорость, твердые частицы выпадают из потока и осаждаются на дно трубопровода, изменяя его проходное сечение, и, тем самым, увеличивая гидравлические сопротивления.

К сожалению, такие режимы работы систем шахтного водоотлива в рассматриваемых работах не учитываются. В основном речь идет о шахтной воде вообще, без учета ее механических свойств, к которым необходимо отнести, плотность, вязкость, концентрацию взвешенных частиц их гранулометрический состав и другие параметры. Предполагается, что шахтная вода, поступающая из горных выработок в шахтные водосборники, постепенно отстаивается. Твердые частицы осаждаются на дно водосборников, и в систему главного водоотлива подается относительно осветленная вода. Вероятно, это положение может быть принято в качестве некоторой гипотезы. Фактически же, шахтная вода, представляет собой гидросмесь жидкой и твердой фазы, на транспортирование которых по горизонтальным и вертикальным трубопроводам затрачивается своя доля общей энергии, потребляемой насосными установками.

Значительный вклад в создание и развитие теории систем шахтного водоотлива сделан в работах проф. В.М. Попова [54-59]. В работах дано подробное описание технологий удаления шахтных вод для различных горногеологических условий. Описаны методики расчета систем водоотлива и методов автоматизации работы насосных установок. В работах значительное внимание уделяется характеристикам шахтной воды. Отмечается, что шахтная вода содержит значительное количество механических примесей, влияющих на энергетические параметры насосных установок. Показано, что откачка шахтных вод с механическими примесями вызывает большие затруднения в эксплуатации водоотливных установок. Механические примеси забивают проходные каналы рабочих колес насосов и направляющих аппаратов, что приводит к сокращению межремонтных сроков насосного оборудования. В этих условиях необходим постоянный мониторинг качества шахтной воды путем определения гранулометрического состава твердых механических примесей. Анализ проб шахтной воды из водосточных канав и водосборников показывает, что содержание твердой фазы изменяется в широких пределах. Гранулометрический состав твердой фазы шахтной воды показывает, что преобладающим классом являются частицы – 0,074 мм (200 меш) от 30 до 90%. В работах отмечается, что в процессе работы систем водоотлива необходимо производить очистку трубопроводов твердого материала, оседающего на дно и стенки трубопровода, что в ряде случаев может привести к заиливанию (забивке) трубопроводов.

Отметим, что причиной осаждения твердой фазы в трубопроводах является, вероятно, недостаточная средняя скорость потока шахтной воды. При расчетах трубопроводной системы шахтная вода считается относительно чистой, с незначительным содержанием взвешенных частиц мелких фракций, что противоречит действительному состоянию. Для исключения выпадения твердой фазы из потока шахтной воды необходимо чтобы средняя скорость жидкости была равна критической скорости, являющейся функцией размера частиц и их крупности. В системах водоотлива скорость потока шахтной воды рассчитывается по величине принятого диаметра трубопровода и с учетом технико-экономических показателей, как это принято в системах водоснабжения, где перекачивается чистая вода.

Наиболее распространенной схемой водоотлива при одновременной разработке двух или несколько горизонтов являются следующая [55-59]: вода, поступающая из забоев и выработанного пространства, по периметру горных выработок собирается в водоотливные канавки 4 (рисунок 1.1.а), по которым безнапорным потоком, через предварительный отстойник, направляется в водосборник. Из водосборников и нижних горизонтов 1 вода насосами 2 по трубопроводу 3 напорным потоком поднимается на верхний горизонт, где располагается главная водоотливная установка, откачивающая воду на поверхность. Здесь вода по водоотливной канавке 1 (рисунок 1.6) через предварительный отстойник 2 поступает в водосборник 3 и через задвижку 4 протекает в приемный колодец 5, откуда насосами 7, расположенными в камере 6, по трубопроводу 8 (система "насос-трубопровод") поднимается на поверхность и направляется в очистные сооружения 9.

Рисунок 1.6 -Типовая схема шахтного водоотлива а – участковый водоотлив: 1 – шахтная вода, 2 – насос, 3 – трубопровод, водоотливная канава; б – главный водоотлив: 1 – водоотливная канава, 2 – предварительный отстойник, 3 – водосборник, 4 – регулирующая задвижка, 5 – приемный колодец, 6 – насосная камера, 7 – насос, 8 – нагнетательный трубопровод, 9 – поверхностный очистной комплекс Из схемы видно, что основными источниками загрязненной шахтной воды являются участковые горные выработки. Здесь не предусматриваются меры по очистке шахтной воды от взвешенных твердых частиц. По всему тракту нагнетательных трубопроводов транспортируется загрязненная жидкость, которая сливается в предварительный отстойник главной водоотливной установки. В зависимости от производительности шахты и числа очистных и подготовительных горизонтов, изменяются объемы шахтной воды, перекачиваемые участковыми насосными установками.

Отметим, что системы главного водоотлива работают в более благоприятных условиях по сравнению с участковыми системами. На главных системах предусматривается, по крайней мере, 2-ступенчатая очистка шахтной воды от взвешенных твердых частиц. Первая ступень - осаждение твердой фазы в приемных колодцах. На этой ступени на дно приемного колодца осаждаются наиболее крупные твердые частицы. Вторая ступень – водосборник, в котором, благодаря его значительным размерам, осаждаются более мелкие взвешенные твердые частицы. В приемный колодец (зумпф насоса) и далее во всасывающий патрубок насосов, поступает относительно осветленная шахтная вода, с содержанием твердой фазы, в зависимости от горногеологических условий, от 30 до 70 мг/л (3 – 7 кг/м3).

В работах [26, 27, 56 - 58] разработаны системные критерии (индикаторы) энергетической эффективности комплекса рудничных стационарных установок (системы главного проветривания, системы водоотлива, компрессорные установки).

В качестве критерия эффективности водоотливных систем рассматривается КПД трубопровода, который в работе представляется отношением суммой мощности, затрачиваемой на подъем шахтной воды на геодезическую высоту и мощности, затрачиваемой на перемещение потока шахтной воды по трубопроводной системе к общей мощности, затрачиваемой насосными установками:

где N под, N пер, N соп - мощности, необходимые соответственно для подъема воды, перемещения воды, преодоления сопротивления трубопровода при перемещении по нему воды.

В окончательном виде формулу (1.8) авторы получают в виде следующего выражения где v тр, L тр, мс, d, l - средняя скорость потока шахтной воды, длина трубопровода, сумма местных сопротивлений, диаметр трубопровода, коэффициент гидравлических сопротивлений, соответственно.

Полученные критерии рассматриваются как системные комплексы, определяющие надежность работы элементов РСУ, в том числе и системы шахтного водоотлива. Признак максимального значения h тр дает основание авторам предполагать, что система работает в режиме максимальной эффективности. В соответствии с этим в цитируемых работах предлагается производить мониторинг состояния и производить оценку с помощью разрабатываемых целевых функций диагностирования и управления.

Отметим, что для системы шахтного водоотлива предлагаемый метод оценки эффективности работы оборудования необходимо оценить, как общий подход к проблеме, без учета особенностей и эксплуатационных характеристик, определяемых гидромеханическими характеристиками насосов, трубопровода, качества перекачиваемой жидкости. Без учета этих параметров, разработанная методика и способ диагностирования, по нашему мнению, не приведут к положительному результату.

В работах [41-43, 66] рассматривается комплексная очистки шахтных вод от механических примесей, и исследуются технологии и оборудование по предварительной очистке воды от примесей в подземных условиях. При этом, выделяются два способа очистки: 1 – непосредственно на участковых горизонтах подготовительных и очистных выработок; 2 – на главных водоотливных системах в пределах околоствольного двора, куда поступают воды из нижележащих отрабатываемых горизонтов. В качестве основного оборудования предлагается использовать тонкослойные сгустители. В работе [15] рассмотрены теоретические аспекты формирования потоков тонкослойного аппарата и условия осаждения твердой фазы. При этом утилизация осадка из твердой фазы шахтной воды производится в отработанные пространства.

Транспортирование сгущенного осадка предлагается осуществлять с помощью вагонеток по рельсовым путям.

Особенностями данной технологии очистки шахтной воды являются следующие:

1) относительно стабильное соотношение между водопритоками в разные системы горных выработок. Так притоки воды в подготовительные и капитальные горные выработки составляют, в основном, 3-5% общешахтных, т.е. являются несущественными; в действующие очистные - 20-30 %; в погашенные (отработанные) - 65-75% (в отдельных случаях до 90 %). При этом водопритоки из погашенных выработок практически не содержат или в отдельных случаях содержат незначительные (30 мг/л) количества взвешенных веществ. Такие воды можно классифицировать, как условно чистые. Однако, смешиваясь в главных водоотливных емкостях с малыми объемами загрязненных вод из подготовительных и очистных выработок, они загрязняются, теряя свое ценное качество - чистоту. Поэтому целесообразно не допускать перемешивания малых потоков загрязненных вод и больших потоков условно чистых вод путем их предварительного разделения и осветления в подземных условиях малых объемов загрязненных вод;

2) существенное снижение объемов очищаемых шахтных вод (на 65 а по отдельным шахтам на 90%), что позволят значительно уменьшить габаритные размеры очистных сооружений, капитальные затраты на их строительство, а также резко увеличить эффективность и надежность очистки;

3) увеличенная на несколько порядков крупность взвесей, содержащихся в подземных потоках шахтных вод на участковых водотранспортных цепочках, по сравнению с частицами в водах, откачиваемых на поверхность земли, что резко увеличивает эффективность седиментации таких взвесей в подземных отстойных сооружениях, особенно при расположении последних на действующих горизонтах;

4) увеличенная на несколько порядков концентрация взвесей, содержащихся в подземных потоках шахтных вод на участковых водотранспортных цепочках, по сравнению с водами, откачиваемыми на поверхность земли, что резко увеличивает в первый час эффективность оседания облака взвесей (в том числе тонкодисперсных) в подземных отстойных сооружениях, в случае их возможного расположения на действующих горизонтах. Как известно, отличительной особенностью откачиваемых на поверхность шахтных вод, чрезвычайно затрудняющей их очистку, является присутствие мелкодисперсных (10 мкм) кинетически устойчивых угольных и породных частиц, количество которых может достигать 50-70% от общей дисперсной фазы, а содержание частиц размером менее 50 мкм составляет 99%. Такие частицы (размером менее 100 мкм) при оседании подчиняются закону Стокса, т.е.

движутся не равноускоренно, а равномерно. Поэтому условия их седиментации резко ухудшаются. В то же время вода, стекающая из лав на штрек, содержит большое количество частиц размером более 1мм, близкое к 50%. Такие частицы легко осаждаются в процессе седиментации. Таким образом, при транспортировке воды от источников загрязнения (лав) до слива на поверхность происходит уменьшение размеров содержания взвешенных частиц.

Особенно характерно это явление для низкометаморфизованных углей. Следовательно, необходимо не допускать уменьшения размера и веса частиц, для чего целесообразно осаждать в подземных выработках на участковых и главных водотранспортных цепочках, приближенных к первоисточникам загрязнения;

5) наличие на каждой шахте обширного водоотливного хозяйства, элементам которого при соответствующей модернизации могут быть приданы осветляющие и обеззараживающие функции с помощью малогабаритных водоочистных сооружений;

6) наличие протяженных выработанных пространств с обрушенными породами, которые могут быть использованы для захоронения осадков, накапливающихся в водоочистных емкостях, а в отдельных случаях для очистки вод; таким образом, вопросы обработки осадка могут быть решены более простыми методами;

7) возможность значительного уменьшения гидроабразивного износа и увеличения ресурса межремонтного времени действия центробежных насосов при откачивании из шахт предварительно осветленных вод. Это имеет большое значение для нормальной и экономичной работы водоотливного хозяйства на всех шахтах, но особенно при строительстве крупных шахт, объединении водоотливов и увеличении глубины разработки угольных пластов, когда из-за повышения потребного расхода и напора имеет место увеличение мощностей, габаритов и масс насосных агрегатов;

8) повышение надежности работы электродвигателей насосных установок: уменьшение частоты включения электродвигателей (благодаря увеличению регулировочной и аварийной вместимости водосборников), что снижает их износ в пусковых режимах;

9) возможность использования условно чистых, а также очищенных шахтных вод на технологические нужды горных предприятий непосредственно в подземных условиях (борьба с пылью, пожарами и др.), при этом уменьшается энергоемкость водоотлива за счет уменьшения количества воды, выдаваемой из шахты;

10) предотвращение заиливания водосборников, а тем самым создание предпосылок для сокращения их рабочего объема почти на 30%, т.е. на величину допустимого заиливания, регламентированного “Правилами технической эксплуатации”.

11) сокращение объема работ по чистке от осадка водоотливных канавок, других водосборных резервуаров, что требует в настоящее время значительных затрат ручного труда;

Компоновка наклонного тонкослойного отстойника и водосборника конструктивно может быть различной: они могут быть разделены расстоянием либо компоноваться в пределах единого водоотливного комплекса. В первом случае осветленная вода должна транспортироваться из отстойника по закрытой канализационной сети (трубопроводной) для предотвращения их повторного загрязнения.

В случае сооружения единого комплекса отстойник и водосборник располагаются ниже уровня почвы выработки последовательно друг за другом и разделяются водосливом рисунок 1.7.

Рисунок 1.7 – Схема единого (совмещенного) комплекса очистки шахтных вод от механических примесей: 1, 5 - шламонакопитель;

2, 6 - перемычка; 3 - вагонетка; 4 - породопогрузочная машина;

7 - выработка околоствольного двора; 8 - водосточная канава; 9 – элеватор, 10 – технологическая выработка, 11 – наклонный тонкоствольный модуль;

12 – аварийный самосмывающийся водосборник; 14 – струнный насос (гидроэлеватор); 15 – резервуар для осадка; 16 – бетонная перемычка;

- осветленная вода; - условно чистая вода; - исходная вода;

В работах указывается, что технико-экономическое сравнение традиционной и разрабатываемой технологии проведено по шахтам, характеризующимися различными горно-геологическими условиями. Для оценки сравнительной эффективности капитальных вложений были приняты приведенные затраты, эксплуатационные затраты и капитальные вложения. Расчеты выполнены для неблагоприятного случая, а именно, завышенных объемов очищаемой (загрязненной) воды.

При этом не принимались во внимание такие положительные факторы, как продление срока службы насосов, водоотливной арматуры, транспортных средств, откаточных путей, горных выработок; уменьшение расхода электрической и тепловой энергии; повышение эффективности и надежности работ и культуры производства угледобывающего предприятия.

Анализ показывает, что даже при принятом завышенном объеме очистки шахтных вод в подземных условиях новая технология имеет приведенные затраты, капитальные вложения и эксплуатационные расходы ниже традиционной.

Низкое остаточное содержимое взвеси после предварительного осветления шахтной воды в подземных выработках позволит упростить состав оборудования поверхностных технологических схем, обходиться без отстойников перед фильтровальными станциями, расширить тем самым область применения более экономичных одностадийных поверхностных схем очистки.

Описанный подход к очистке шахтных вод можно рассматривать, как комплексное решение вопросов нормальной работы водоотлива, охраны окружающей природной среды (поверхностной гидросферы) от вредного воздействия шахтных вод предприятий угольной промышленности и возможности использования очищенных вод как на технологические нужды шахты (прежде всего пылеподавление), так и других смежных предприятий.

1.3 Состав шахтных вод и их физико-химические показатели Самое общее определение шахтной воды - вода, образующаяся в результате притока подземных вод в горные выработки при добыче полезных ископаемых. При более детальном рассмотрении шахтной воды можно увидеть насколько сильно она отличается от обычной водопроводной воды, насколько разнообразен её химический состав, наличие примесей и твердых включений. Шахтная вода представляет собой не просто воду, а двухфазную систему, состоящую из минерализованной воды и твердых частиц различной крупности. Основной источник пополнения – атмосферные осадки. В процессе проникновения воды в горную выработку она минерализуется, изменяет свою жесткость и показатели pH. Множество различных примесей, обломков пород, угольная пыль и мелкие частицы попадают в воду. Именно такая загрязненная вода, представляющая собой шахтную воду, попадет в водосборники, а затем в насосное оборудование и в трубопроводную систему.

Наличие различных водных объектов на поверхности обуславливает увеличение притоков, особенно в осенне-весенний период. В ходе наблюдений было выявлено, что в период интенсивного таяния снегов и выпадения осадков водоприток может увеличиваться в 1,5 – 2 раза, однако, данный максимальный водоприток наблюдается недолго и обычно не превышает период 30 суток. Максимальный водоприток особенно сильно отличается от нормального в случае расположения разработки на небольшой глубине и тесной связи с поверхностными водами. Происхождение шахтных вод характеризует их химический состав и физические свойства.

При дальнейшем рассмотрении шахтной воды можно увидеть, как различные её показатели и составляющие элементы влияют на эффективность и надежность работы оборудования шахтных водоотливных систем.

Содержание взвешенных частиц в воде изменяется в широких пределах: от 20 до 5000 мг/л [56]. На большинстве шахт концентрация взвешенных частиц не превышает 1000 мг/л. Это связано с тем, что шахтные воды подвергаются постоянному загрязнению в процессе добычи полезного ископаемого. Загрязнение шахтных и карьерных вод происходит в основном мелкодисперсными взвешенными частицами добываемого полезного ископаемого и вмещающих пород, которые образуются при бурении взрывных скважин и шпуров, дроблении пород взрывным способом, работе проходческих и очистных комбайнов, погрузочных и транспортных работах. В связи с высоким уровнем механизации горных работ происходит загрязнение шахтных и карьерных вод нефтепродуктами. В результате гниения деревянных крепей и других конструкций происходит бактериальное загрязнение шахтных и карь Таблица 1.4 - Крупность частиц механических примесей в шахтных водах некоторых угольных бассейнов [55] Бассейн Донецкий Печорский Попадая в насосное оборудование, шахтная вода пагубно влияет на работу механизмов. Механические примеси способствуют быстрому изнашиванию лопаток, колес, корпуса насоса, оказывая абразивное воздействие. При истирании рабочих колес увеличивается зазор между корпусом и ротором.

Таким образом, повышаются утечки жидкости, и снижается объемный КПД, повышается, гидравлические сопротивления и снижается напор насоса. Также наблюдается повышенный износ щелевых уплотнений насоса шейки вала.

Работа насоса в таких режимах небезопасна, может привести к авариям и остановкам работы системы. Эксплуатация насосов на шахтной воде с содержанием механических примесей значительно сокращает межремонтные сроки, безаварийность и надежность работы оборудования. Износ насосного оборудования вызывает ухудшение его рабочих характеристик и повышает затраты на перекачку 1 м3 воды.

Быстроизнашивающиеся детали насосов ЦНС из чугуна и стали имеют гарантийную наработку 5000 ч. При работе на загрязненной шахтной воде с содержанием твердых частиц свыше 0,5% по массе и размером до 0,2 мм срок гарантийной наработки снижается до 2500 ч. При изнашивании происходит снижение номинального напора на 8-10% [56].

Также наличие частиц влияет на механические и гидравлические показатели КПД работы насосов. Увеличиваются гидравлические сопротивления как внутри самого насоса, так и во всей трубопроводной системе, в которой могут образовываться отложения механических частиц в местах колен, арматуры, в нижних участках уклонов. При снижении скорости течения потока ниже критической отложения могут образовываться и на линейных участках.

Полный КПД насоса где h г,h о,h м - гидравлический, объемный и механический КПД соответственно. Содержание механических примесей влияет на каждый отдельный показатель КПД, соответственно их влияние на полный КПД не может быть переоценено. В свою очередь снижение КПД ведет к повышению мощности на валу насоса и всей системы. Потребление электроэнергии увеличивается, снижая, таким образом, энергоэффективность работы системы.

Изменение КПД работы системы влечет за собой изменение всех рабочих характеристик насосов и, следовательно, смещение рабочих точек системы.

В работе [59, 60] сравниваются рабочие характеристики насоса и трубопровода при работе на чистой и шахтной воде. Гранулометрический состав рассматриваемой в работе твердой составляющей шахтной воды (Таблица 1.5) представляет собой в основном шламовые частицы диаметром меньше мм.

Таблица 1.5 - Гранулометрический состав взвешенных твердых При объемном содержании твердых частиц 10 % гидравлические сопротивления при транспортировании шахтной воды возрастают на 11%. Изменение рабочих характеристик системы приведены на рисунке 1.8. Данные были получены при расчете системы шахтного водоотлива со следующими исходными данными:

- объемное содержание твердой фазы в шахтной воде – 10%;

- расчетный диаметр трубопровода D = 89 мм;

- скорость течения шахтной воды V = 2,90 м/с - объемный расход шахтной воды 65 м3/ч;

- плотность твердой фазы – 2400 кг/м3;

- плотность жидкой фазы – 1000 кг/м3;

- плотность шахтной воды – 1070 кг/м3.

Рисунок 1.8 - Характеристики трубопровода и насоса Таким образом, при 10% содержании твердых частиц наблюдается значительное повышение избыточного напора, повышение мощности работы насоса и соответственно электродвигателя. Из приведенных в работе характеристик можно сделать следующие выводы:

1) При перекачивании шахтной воды с учетом наличия в ней твердых частиц изменяются рабочие характеристики насоса и трубопровода на значения, которыми нельзя пренебрегать;

2) При перекачивании шахтной воды рабочая точка системы смещается, повышается напор и подача насоса по сравнению с чистой водой, что значительно сказывается на эффективности работы подобранного оборудования;

3) При проектировании систем шахтного водоотлива необходимо учитывать наличие в ней твердых механических примесей для более точного выбора оборудования и расчета оптимальных рабочих характеристик.

Наличие механических примесей является неединственным фактором, отличающим шахтную воду от водопроводной воды и влияющим на работу системы шахтного водоотлива. Минерализация, жесткость, температура, водородный показатель также влияют на работу и подбор оборудования.

Определенные серии центробежных секционных насосов предусматриваются для использования в небольшом диапазоне свойств шахтной воды.

Большинство шахтных насосов ограничены возможностью перекачивания шахтной воды с содержанием механических примесей не более 40 г/л и крупностью частиц не более 1 мм. Для большего содержания частиц и большей крупности частиц необходимо применять специальные грязевые серии центробежных насосов ЦНСГ.

Большинство насосов предусмотрены для перекачки нейтральной шахтной воды. В условиях медных рудников водородный показатель шахтных вод может достигать значения 50 г/л). Большинство шахтных вод относятся к пресным и солоноватым [66]. По мере увеличения общей минерализации растет концентрация ионов SO42, Cl и Na, а при их преобладании шахтная вода становится агрессивной, что осложняет эксплуатацию шахтных насосов [56].

Состав шахтной воды может изменяться в зависимости от глубины.

Данные полученные в результате химического и спектрального полуколичественного анализов шахтных вод шахт Донецко—Макеевского района, выполненные ПО «Укруглегеология» (таблица1.6). Значения минерализации имеют тенденцию к увеличению с глубиной.

Таблица 1.6 - Значения показателей химического состава шахтных вод на разных интервалах глубин шахт Донецко—Макеевского района им. Бажанова им. Калинина им. Скочинского Состав шахтной воды изменяется также в зависимости и от времени года. Из приведенных данных видно, что состав шахтной воды, её физикохимические свойства величины очень непостоянные. Они могут меняться в зависимости от глубины, времени года, добываемого полезного ископаемого.

Поэтому каждый проект шахтного водоотлива должен включать в себя тщательные геологические и гидрогеологические инженерные изыскания. Правильная оценка качества шахтной воды поможет избежать непредвиденных остановок и поломок оборудования, продлит межремонтный ресурс. Также необходим периодический мониторинг состава шахтных вод в течение эксплуатационного периода работы шахтных водоотливных установок, который позволит своевременно принять необходимые меры по замене оборудования или смены работы его режима, включить дополнительные мероприятия по очистке шахтных вод.

Требования к воде, использующейся в различных отраслях промышленности и производствах, существенно различаются. Они отражены в соответствующих ГОСТах, технических условиях (ТУ), технологических инструкциях (ТИ) и других нормативных документах. Разброс требований чрезвычайно широк: от удаления только взвешенных частиц до воды сверхчистой по всем компонентам.

Очищенные от взвешенных веществ, кондиционированные обеззараженные шахтные воды могут направляться для удовлетворения собственных нужд шахт (для замены питьевой воды при пылеподавлении в забоях шахт, в котельных, компрессорных установках, вакуумных системах дегазации, системах горячего водоснабжения); так же для смежных промышленных предприятий (в системах охлаждения конденсатов турбин ТЭЦ и ГРЭС, компрессоров кислородных станций, металлургических и других тепловыделяющих агрегатов, для приготовления подпиточной воды водогрейных и паровых котлов тепловых электростанций, промышленных и бытовых котельных).

Очищенные шахтные воды используются в процессе угледобычи для нужд комплексного обеспыливания, включающего нагнетание воды в пласт с целью его дегазации и предотвращения внезапных выбросов газа и пыли, а также интенсивного пылевыделения в процессе разработки; для устройства водяных заслонов на входящей и исходящей струях забоев, пластов и крыльев шахт; для орошения забоя при работе очистных и подготовительных комбайнов, а также транспортных средств; при бурении дегазационных скважин и шпуров с промывкой; на обмывку стенок основных и вспомогательных выработок для предупреждения и локализации взрыва угольной пыли и др.

Кроме того, значительный объем технической воды необходим поверхностным комплексам шахт и обогатительным фабрикам, а также при гидродобыче и гидротранспорте полезного ископаемого [46].

В соответствии с СанПиН 2.2.3.570-96 для целей пылеподавления должна использоваться вода питьевого качества в соответствии с требованиями ГОСТа "Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством", а при отсутствии или недостатке воды питьевого качества по согласованию с органами Госсанэпиднадзора может быть использована вода других источников, не содержащая вредных неустранимых примесей, при условии ее предварительной очистки и обеззараживания. Источники технического водоснабжения на обогатительных фабриках должны быть согласованы с органами Госсанэпиднадзора. Техническая и питьевая вода должна не реже 2-х раз в год (летом и зимой) подвергаться химико-бактериологическому анализу.

Способы очистки шахтных вод обусловливаются их физикохимическими и технологическими свойствами, а также климатическими и геологическими условиями месторождений. На практике широко применяются методы механической (безреагентной) очистки шахтных вод, физикохимической, химической (реагентной), электрохимической и другие.

Исходя из требований, предъявляемых к качеству воды, способов её утилизации и дальнейшего применения, безреагентная очистка осуществляется методами отстаивания в отстойниках, фильтрования через слой зернистого материала, сетки и ткани. В данном случае происходит очистка шахтной воды от механических примесей и крупнодисперсных частиц.

Реагентную очистку применяют при необходимости более полного удаления взвешенных веществ из шахтной воды. Она осуществляется с помощью различных химических соединений или путем использования электрохимических процессов. Для достижения требуемой степени очистки перед отстаиванием и фильтрованием шахтная вода обрабатывается коагулянтами.

Для интенсификации осветления применяют высокомолекулярные флокулянты [5].

Использование регенерационных методов позволяет не только очищать шахтную воду, но и извлекать из нее различные ценные примеси. Возврат в производство извлеченных примесей уменьшает потери ценных компонентов минерального сырья, реагентов и вспомогательных материалов, и самой воды и часто делает процесс очистки рентабельным.

Очистные сооружения могут располагаться как на поверхности, так и под землей в специальных камерах. В большинстве случаев подземное расположение сооружений по очистке шахтных вод под землей обусловлено нерентабельностью их подъема на поверхность при малых водопритоках меньше 50 м3/ч. В данном случае шахтная вода очищается и используется на технические нужды шахты без подъема на поверхность.

На шахтах Украины широко применялась подземная установка безреагентной очистки маломутных шахтных вод рисунок 1.3 [46].

Рисунок 1.3 - Схема установки для механической и бактериологической очистки шахтных вод в подземных условиях: 1 – фильтр грубой очистки; 2 – отостойник; 3 – напорные фильтры; 4 – дозатор; 5 – растворный узел; 6 – электролизер.

Установка включает фильтр грубой очистки, емкость для первичного отстаивания. После отстаивания вода поступает на напорные песчаные фильтры, затем обрабатывается раствором гипохлорита натрия и подается на технические нужды. Подобные установки эксплуатируются более чем на шахтах. Недостатком данной схемы является отсутствие реагентной обработки воды с отстаиванием перед фильтрованием, таким образом, исключается нормальная работа фильтров, возможен проскок взвеси [5].

В общем случае порядок мероприятий, входящих в комплекс полной очистки шахтных вод можно представить в виде четырех этапов:

- осветление;

- обеззараживание;

- деминерализация;

- нейтрализация.

На первом этапе очистки шахтных вод используются механические методы, такие как процеживание, осветление, фильтрование, выделение твердой фазы под действием центробежных сил. Таким образом, происходит предварительная очистки, вода освобождается от механических примесей – происходит её осветление.

Следующий этап - это физические, химические и биологические методы очистки воды. При химических методах применяют различные реагенты для изменения химического состава загрязнителей или формы их нахождения в стоках (коагулирование, флокулирование, нейтрализация, обезвреживание, обеззараживание).

Физические методы – это извлечение и обезвреживание вредных примесей путем изменения агрегатного состояния воды, воздействия ультразвуком, магнитным полем, ультрафиолетом. Биологические методы предназначены для очистки воды, содержащей загрязнения биогенного органического происхождения. Все эти методы применяются для укрупнения коллоидных мелкодисперсных примесей и перевода растворенных загрязнителей в нерастворимые формы для последующего их извлечения с применением методов механической очистки.

Не всегда есть возможность и необходимость проводить все четыре этапа очистки непосредственно на глубине. Шахтные воды могут отличаться по своему составу даже в пределах одного месторождения, что делает подбор оборудования для эффективной очистки невозможным.

Все шахтные воды содержат взвешенные частицы, поэтому очистка от взвешенных частиц необходима на любом месторождении. От качества очистки от механических примесей зависит стабильность, надежность, энергоэффективность работы оборудования, длительность безаварийной эксплуатации. Очень важно данный этап очистки производить именно на глубине, для того чтобы снизить нагрузку на работу водоотливного комплекса.

В первый этап очистки обычно включают отстаивание, осветление в слое взвешенного осадка и фильтрование. Первоначальную очистку шахтных вод от механических примесей производят в самой шахте в водосборниках, выполняющих функции отстойника, аварийной и регулировочной емкостей, обеспечивая, таким образом, надежность и бесперебойность работы системы.

По ПБ емкость водосборника рассчитывается на не менее чем 4–часовой водоприток. В водосборниках оседает 50-60% взвешенных веществ крупностью более 100 мкм. Менее крупные частицы попадают в насосное оборудование и подаются на поверхность для дальнейшей очистки.

Наибольшая эффективность предварительной очистки достигается при длительном отстаивании, но в условиях шахты такой возможности нет. Поэтому целесообразно использовать горизонтальные отстойники.

Размеры отстойников определяются выражениями [11] где B и L – ширина и длина отстойника, м; K – коэффициент, учитывающий наличие частиц различной крупности; vcp - средняя скорость движения воды по отстойнику, м/с; u1 - скорость осаждения частиц, м/с; Q – расчетная производительность/ Скорость осаждения зависит от физических свойств шахтной воды и твердых частиц. Скорость осаждения отдельной сферической частицы описывается уравнением Стокса где d - диаметр частицы, - разность плотностей твердой и жидкой фаз, динамическая вязкость жидкой фазы, g - ускорение свободного падения.

Формула Стокса применима лишь к строго ламинарному режиму движения частицы, когда число Рейнольдса Re < 1,6. Таким образом, для наиболее эффективного осаждения необходимо соблюдать минимальную скорость движения потока. Чем меньше число Рейнольдса, тем эффективнее осаждение. Но при этом снижается общая производительность отстойника, что сильно сказывается на его размерах. В шахтных условиях нет возможности размещения отстойников большого объема. Поэтому скорость движения не позволяет достичь максимальной эффективности очистки.

Продолжительность пребывания шахтной воды в отстойнике должна быть равна или больше времени осаждения частицы. Если используется отстойник с площадью поперечного сечения F и рабочей высотой h, то рабочий объем отстойника будет равен a время осаждения твердых частиц Тогда часовая производительность будет равна Следовательно, для увеличения производительности отстойника надо увеличить поверхность, на которую оседает осадок, для этого можно применять наклонные пластины.

Наиболее компактными и эффективными являются тонкослойные отстойники, обеспечивающие надежное гидростатическое уплотнение осадка и высокую удельную нагрузку.

Эффективная очистка шахтных вод от механических примесей в самой шахте под землей позволит снизить затраты электроэнергии на перекачивание воды, которая в шахтных условиях является гидросмесью, шахтными водоотливными насосами. Это произойдет за счет снижения гидравлических сопротивлений потока при течении по трубопроводу, так как количество твердой составляющей смеси при этом значительно уменьшается. Полученный после очистки шахтных вод шлам может быть использован для закладки выработанного пространства.

В работах В.М. Попова обращается пристальное внимание на неоспоримые преимущества схем глубокой очистки шахтных вод, благодаря которым, снижается гидроабразивный износ оборудования, увеличиваются межремонтные сроки. На 8-10% сокращается потребление электроэнергии, улучшается экологическая обстановка в регионе добычи полезного ископаемого.

Шахтный водоотлив является неотъемлемой составляющей горнодобывающего комплекса, обеспечивающий возможность ведения горных работ.

Шахтный водоотлив, за счёт большой мощности устанавливаемого насосного оборудования, является одним из самых энергоемких процессов при добыче полезного ископаемого. На многих обводненных шахтах с коэффициентом водообильности больше единицы количество перекачиваемой шахтной воды, больше количества добываемого полезного ископаемого. В связи с этим основной целью и задачей исследования является повышение энергетической эффективности работы насосного оборудования шахтного водоотлива.

В ходе анализа была получена зависимость удельной энергоемкости от коэффициента водообильности и развиваемого насосами давления. При выражении давления через удельные потери напора можно сделать вывод, что удельная энергоемкость систем шахтного водоотлива в основном определяется потерями напора, развиваемого насосными установками. Следовательно, основной задачей является снижение данной величины. В свою очередь при определении потерь напора, шахтную воду необходимо рассматривать как гидравлическую смесь воды с различными механическими примесями и взвешенными частицами. В ходе анализа была выявлено значительное различие результатов гидравлических расчетов течения шахтной воды как гидравлической смеси и как обычной воды с повышенной плотностью. Данные расхождения сильно сказываются на расчетных значениях мощности, что вводит погрешность в процесс подбора оборудования (насосов, электродвигателей). Одной из задач исследования является разработка методики расчета, отвечающей действительным свойствам и характеристикам шахтной воды.

Разрабатываемая методика даст возможность наиболее точно подбирать оборудование комплексов шахтного водоотлива, таким образом, повышая энергоэффективность работы всего комплекса.

Из полученных результатов гидравлического расчета можно сделать вывод, что наличие твердой составляющей в шахтной воде оказывает сильное влияние на коэффициент гидравлического сопротивления и мощность насосного оборудования. Существующие методы очистки шахтной воды непосредственно в горных выработках не позволяют достичь необходимого качества. Шахтные водосборники и отстойники очищают шахтную воду лишь от самых крупных частиц, при этом требуя периодической очистки от заиления.

Существующие и применяемые методы расчета систем шахтного водоотлива в основном не учитывают присутствия в шахтной воде механических частиц. В связи с этим, шахтные насосы работают на повышенных напорах.

Различные мероприятия по оптимизации работы шахтного водоотлива не приводят к существенному улучшению напорных характеристик и эксплуатационной надежности шахтных водоотливных систем. Основным источником загрязненной шахтной воды являются участковые водоотливные установки, в работе которых не предусмотрены технологические операции по очистке шахтной воды.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности насосных установок систем шахтного водоотлива за счет снижения их энергопотребления на основе комплексной очистки шахтной воды от механических примесей на участковых выработках.

Для дальнейшего совершенствования систем шахтного водоотлива, и достижения поставленной цели повышения эксплуатационной и энергетической эффективности насосных установок необходимо решить следующие задачи:

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

2. 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.

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

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

Поставленная цель и задачи исследования позволят достигнуть максимального повышения энергетической эффективности работы шахтных водоотливных насосов при минимальных капиталовложениях.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ШАХТНЫХ

НАСОСОВ В СИСТЕМАХ ВОДООТЛИВА

Шахтные водоотливные установки оборудуются центробежными насосами, наиболее надежными в работе по сравнению с другими типами насосов и позволяющими использовать для привода высокооборотные электродвигатели. Конструктивная схема одноступенчатого центробежного насоса приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Схема одноступенчатого центробежного насоса Работа водоотливных центробежных насосов, характеризуется рядом основных параметров, определяющих их энергетическую эффективность в конкретном технологическом процессе:

1. Подача, то есть количество жидкости, перекачиваемое насосом в единицу времени.

2. Напор – удельная механическая энергия, т.е. энергия, отнесенная к единице веса, перекачиваемой среды.

Изменение энергии, то есть разность удельных энергий, получаемых единицей веса жидкости от входа в насос до выхода из насоса, происходит за счет энергии, получаемой от внешнего источника (двигателя).

В соответствии с уравнением Бернулли удельная энергия на входе в насос:

на выходе из насоса – Напор насоса 2.1 Приведение характеристик шахтного насоса к условиям работы на Шахтная вода в системах водоотлива содержит твердые частицы, которые влияют на энергетические характеристики насоса. Для определения характера влияния твердых частиц при движении шахтной воды в проходных каналах рабочего колеса насоса используем теорию турбомашин Эйлера. Поток шахтной воды состоит из двух потоков: поток чистой воды с расходом Q0 и поток твердых частиц с расходом Qтв. Будем учитывать, что скорость на входе шахтной воды в рабочее колесо направлена радиально. На выходе из рабочего колеса касательные составляющие скорости чистой воды и твердых частиц равны с2u0 и c2uтв. Схема составляющих скорости потока шахтной воды на выходе из рабочего колеса приведена на рисунке 2.2.

В рабочем колесе происходит изменение количества движения потоков чистой жидкости и твердых частиц. Изменение момента количества движения потока от выхода до входа рабочее колесо с радиусом R будет равно Силы давления на входе в рабочее колесо и на его выходе, действующие на массу шахтной воды направлены радиально и момента вокруг оси вращения рабочего колеса не создают.

Рисунок 2.2 – Распределение составляющих скорости потока Шахтной воды с твердыми частицами на выходе из рабочего колеса центробежного насоса: Fк - сила Кориолиса; Fц - центростремительная сила Силами, действующими на массу жидкости, и создающими момент относительно оси рабочего колеса, являются гидродинамические давления, которые возникают при обтекании лопаток потоком жидкости. Момент на валу насоса равен сумме моментов гидродинамических давлений на лопатках рабочего колеса, т.е.

Умножив (2.2.1) на угловую скорость вращения рабочего колеса (вала насоса), получим мощность, затрачиваемую для сохранения режима движения шахтной воды в каналах рабочего колеса Так как произведение R есть окружная скорость потока u 2 на выходе из рабочего колеса (см. рисунок 2.1), то для мощности будем иметь Преобразуем (2.4), для чего прибавим и вычтем из левой части формулы величину Qтв тв с2 u0 u 2 и после преобразований получим Сумма в круглых скобках (2.5) есть полный массовый расход шахтной воды, включающий расход чистой воды и расход твердой компоненты, т.е.

дых частиц в потоке шахтной воды, т.е.

Кроме того, известно, что мощность развиваемая насосом, можно рассчитать по формуле где P - давление, создаваемое насосом, Па.

Для случая перекачки шахтной воды формула теоретической мощности запишется в виде следующего выражения Из сравнения (2.6) и (2.7), следует Для чистой жидкости, не содержащей твердые частицы, теоретический напор, который создавал бы насос на таком же режиме, будет равен то есть формулу (2.8) можно переписать Следовательно, на одинаковых режимах работы насоса, напор, развиваемый насосом при работе на шахтной воде, будет меньше напора при работе насоса на чистой жидкости 2.1.1 Влияние твердых частиц на кинематические характеристики потока шахтной воды в каналах рабочего колеса На поток твердых частиц в каналах рабочего колеса действуют центростремительные и кориолисовы ускорения, рисунок 2.1. Вдоль линий тока твердых и жидких частиц кориолисовы силы работы не производят. Поэтому работа объемных сил, действующих на единичную массу вдоль бесконечно малого отрезка относительной траектории частицы, будет равна где - угловая скорость вращения рабочего колеса, r - радиус расположения частицы от оси вращения.

Работа объемных сил, действующих на массу чистой шахтной воды Q0 0, протекающей в каналах рабочего колеса равна интегралу То же для потока твердых частиц Работа, связанная с действием разности давлений на массы чистой воды и твердых частиц, в каналах рабочего колеса, равна где Р2 и Р1 давления на выходе и на входе рабочего колеса.

Изменение кинетической энергии единичных масс твердых частиц и чистой жидкости будет равно где w20, w2 тв - относительные скорости чистой жидкости и твердых частиц на выходе из рабочего колеса; Т 0, Т тв - потери энергии при движении чистой жидкости и твердых частиц.

Сопоставим равенства (2.13) и (2.13.1) Для случая работа сил трения незначительна по сравнению с работой объемных сил, можно записать После преобразований отношение скоростей получим в следующем виде Из формулы можно сделать вывод, что в идеальном случае относительная скорость твердых частиц на выходе из колеса будет большей, чем скорость жидкости. Из треугольника скоростей на выходе видно, что увеличение относительной скорости приводит к уменьшению касательной составс2 u тв Качественный анализ движения твердых частиц в потоке шахтной воды, что внутри рабочего колеса создается поток твердых частиц, движущийся относительно струй чистой жидкости. Возникает эффект скольжения твердых частиц относительно чистой жидкости и действуют силы трения, действующие на твердые частицы.

Далее можно установить влияние крупности твердых частиц на отношение скоростей твердых частиц и чистой жидкости из следующих соображений. На частицу действуют силы трения и массовые силы. Силы трения пропорциональны квадрату диаметра частицы d 2 и квадрату разности скоростей частицы и чистой жидкости u 2, т.е.

Массовые силы (центростремительные) пропорциональны массе частицы, т.е. диаметру частицы в кубе d 3, квадрату окружной скорости v 2 и обратно пропорциональны радиус-вектору частицы R :

Если считать, что режимы движения шахтной воды в каналах рабочего колеса подобны, то можно принять условие постоянства отношения действующих сил и скоростей. Для подобных потоков радиус-векторы частиц будут относиться как диаметры колес D. Следовательно, можно записать Отношение диаметра твердых частиц шахтной воды к диаметру рабочего колеса насоса характеризует отношение сил трения к силам инерции, действующим на твердую частицу при ее движении в каналах рабочего колеса насоса. Чем больше относительный размер твердых частиц, т.е. отношение, тем больше влияние инерционных сил и, следовательно, тем меньше от сил трения, а следовательно, тем ближе величина отношения к единице.

Качественный анализ характера движения твердых частиц в каналах рабочего колеса позволяет сделать вывод о величине мощности, потребляемой насосов при работе на шахтной воде. Рассмотрим структуру формулы (2.11). Если задаться удельным весом шахтной воды шв = 1100 Н/м3 и прис2 u тв нять отношение = 0.8, т.е. касательные составляющие скорости твердых частиц на 20% меньше составляющих скорости частиц жидкости, то получим, что отношение теоретических напоров для шахтной воды и чистой жидН т.шв кости будет равно = 0.94. Из этого примера следует, что влияние крупН т. ности твердых частиц на величине теоретического напора сказывается незначительно. Поэтому можно принять, что при работе насоса на шахтной воде, развиваемый теоретический напор будет практически равен напору насоса, работающего на чистой воде.

Мощность насоса, как известно, равна Так как теоретические напоры примерно одинаковы, то мощности насоса относятся как объемные веса перекачиваемых шахтных вод. При известной мощности шахтного насоса при работе его на чистой воде с удельным весом 0, мощность, потребляемая насосной установкой при работе на шахтной воде с удельным весом шв, будет равна 2.1.2 Напор шахтного насоса в условиях работы на шахтной воде, Напор, развиваемый любым насосом, равен теоретическому напору, определяемого геометрией проходных каналов рабочего колеса за вычетом гидравлических потерь в этих каналах. Для условий работы насоса на шахтной воде, содержащей твердые частицы, напор будет равен где hw.шв - гидравлические потери в каналах проточной части насоса при работе на шахтной воде.

Как известно гидравлические потери включают в себя потери на трение hw.тр и потери в местных сопротивлениях. Вероятно, можно предположить, что потери в местных сопротивлениях при работе насоса на загрязненной шахтной воде будут равны местным сопротивлениям при работе насоса на чистой воде.

Потери на трение при работе на шахтной воде, содержащей твердые частицы, состоят из потерь на трение чистой воды и потерь от присутствия твердых частиц. Представим эту зависимость в виде следующей формулы где hw.шв - гидравлические потери на трение при работе на шахтной воде удельным весом шв, м; hw.0 - то же, при работе на чистой воде, м; Сv - объемная концентрация твердых частиц в шахтной воде; - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств твердых частиц.

Напор насоса при работе на чистой воде равен Напор при работе на шахтной воде равен В формулах (2.16.2) и (2.17) hw. м0 и hw. мшв - местные потери при работе на чистой воде и на шахтной воде, соответственно.

Так как теоретические напоры насоса при работе на чистой воде и на шахтной воде практически одинаковы Н т.0 Н т.шв и гидравлические потери в обоих случаях равны между собой hw. м0 hw. мшв, то потери на трение будут равны Напор, развиваемый насосом при подаче шахтной воды, в соответствии с (2.17), будет равен Для относительного напора насоса получим следующее выражение или, после преобразований Неизвестной величиной в формуле (2.19) является коэффициент. В [77] показано, что этот коэффициент зависит от множества факторов: средней скорости потока смеси v, характерного линейного размера потока l, разности плотности твердых частиц и воды; ускорения поля массовых сил X, размера твердых частиц d, гидравлической крупности твердых частиц. Такую зависимость можно представить в виде следующей функции Величину коэффициента, записывают в виде следующей формулы где r3 - наружный радиус отвода насоса, Dг - гидравлический диаметр отвода насоса, который можно принять за характерный линейный размер l.

Формула относительного напора (2.19) получает следующий вид где r - средний радиус отвода насоса, r2 - здесь радиус рабочего колеса.

Анализ формулы (2.20) показывает, что она приводится к виду:

Как показывают исследования коэффициент в формуле (2.21) зависит от числа Рейнольдса и в большинстве случаев, когда Re 1200000 коэффициент 0,6.

В итоге можно предложить следующую последовательность действий в случае приведения характеристик шахтного насоса к условиям работы на шахтной воде.

Для заданной мощности шахтного насоса N 0 и его напора H 0 при работе на воде. Требуется определить мощность насоса N шв и развиваемый им напор при перекачивании шахтной воды с удельным весом шв.

1. Мощность, потребляемая насосом при подаче шахтной воды по формуле (2.15) 2. Напор в метрах столба шахтной воды, развиваемый насосом по форН шв здесь величина Н 0 выражается в метрах столба чистой воды.

Коэффициент определяется по формуле где, u 2 - окружная скорость колеса.

В качестве выводов отметим следующее.

1. При работе шахтных насосов на загрязненной шахтной воде напор, развиваемый насосом, снижается по сравнению с работой этого насоса на чистой осветленной воде. Уменьшение развиваемого насоса пропорционально относительной плотности шахтной воды, величина которой зависит от содержания твердых частиц в объеме перекачиваемой шахтной воды.

2. Теоретический напор, развиваемый насосом, практически не зависит от степени замутнения шахтной воды механическими твердыми частицами и практически равен теоретическому напору насоса при работе его на чистой жидкости.

3. Мощность привода насоса работающего на шахтной воде повышается пропорционально относительной плотности перекачиваемой шахтной воды, которая зависит от содержания твердых частиц в объеме перекачиваемой шахтной воды.

4. Энергетическая эффективность шахтных насосов, работающих на шахтной воде, содержащей частицы твердого материала, снижается пропорционально содержанию частиц в перекачиваемой шахтной воде.

2.2 Общий баланс энергии взвесенесущего потока Основой гидравлики взвесенесущих потоков является теория турбулентности и связанные с ней пульсационные явления, способствующие с одной стороны взвешиванию твердой компоненты в потоке жидкости, а с другой диссипации (рассеянию) механической энергии потока. О. Рейнольдс, в своей теории турбулентности, разделяет такое движение на два характерных вида, определяемые соответственно, осредненными значениями параметров и пульсационными их значениями. Такое же подразделение справедливо, вероятно, и для взвесенесущих потоков турбулентных потоков, в которых значения скоростей, давлений и концентрации будет также пульсирующим. Отсюда следует вывод, что для жидкой и твердой составляющих потоков, а также для всего потока в целом можно составить уравнения энергобаланса осредненного движения, пульсационного движения и всего потока.

В соответствии с такой моделью работа внешних сил, отнесенная к единице выделенного объема дисперсоида в единицу времени затрачивается с одной стороны в каждой отдельной точке этого объема и, с другой, переходит вследствие турбулентной пульсации из этих отдельных точек в их окрестности. При этом должен соблюдаться баланс приложенной к дисперсоиду механической энергии где E - работа внешних сил, отнесенная к единице объема смеси, D - часть внешней работы (энергии), расходуемая в некоторой точке объема жидкости, T - часть общей внешней работы, определяемая пульсационными характеристиками и являющаяся внутренней энергией потока, т.к. не связана с притоком энергии через границы потока.

где предел D означает, что поток рассматривается по всей своей высоте, определяемой диаметром трубопровода.

Таким образом, для осредненных значений параметров жидкой смеси по отношению ко всему потоку пульсационная составляющая не учитывается и поэтому подводимая к потоку извне энергия расходуется на диссипационную составляющую. За источник энергии, подводимой к потоку, принимаем изменение потенциальной энергии жидкой и твердой составляющих, т.е.

где s v x - осредненное значение расхода твердой фазы, v x - расход жидкости (через единицу площади поперечного сечения потока).

Так как Е D, то получаем, что диссипация энергии в равномерном установившемся однородном по длине (при постоянной концентрации s ) потоке смеси определяется выражением Диссипация энергии, определяемая формулой (2.25) включает часть этой энергии D0 расходуемой на поток чистой жидкости и движущейся со средним единичным расходом v0 v x s v x :

Разность диссипаций будет равна:

Отнесем эту величину к единице веса жидкости и получим где s С p - средняя, расходная концентрация твердой фазы.

В последней формуле фактически i относится ко всему потоку смеси, т.е. i iсм и тогда получаем окончательную формулу баланса энергии в единицу времени, в потоке где i D icм C p - дополнительная энергия, расходуемая потоком смеcм си на взвешивание твердой фазы в несущей жидкости.

График изменения потерь энергии для чистой воды, потока твердых частиц и смеси в целом, в зависимости от величины концентрации твердых частиц, представленный в логарифмических координатах, приведен на рисунке 2.3. Из графика следует, что с увеличением концентрации твердых частиц, определяющее значение потерь энергии получает ее часть, расходуемая на взвешивание твердого, что косвенно подтверждает справедливость рассматриваемой диссипационной модели.

Рисунок 2.3 - Графики изменения потерь напора для суспензий при изменении концентрации твердых частиц Как следует из формулы (2.28) дополнительные потери напора определяются частью общей энергии, подводимой к потоку, величина которой зависит только от механических свойств твердой фазы (плотности, концентрации). Значение расходуемой части общей энергии D в основном определяется гранулометрическим составом твердых частиц и их геометрической формой.

Для такой модели баланса энергии в потоке взвесенесущей жидкости будет справедлива следующая формула для дополнительных потерь энергии, расходуемой на взвешивание твердых частиц где K тв - обобщающий коэффициент пропорциональности, зависящий от механических характеристик твердых частиц, ств С p - среднее значение концентрации твердой фазы, n - характеризует степень влияния концентрации твердой фазы на величину энергии, расходуемой на взвешивание твердых частиц.