книги / Рудничные вентиляторные и водоотливные установки

вентиляционный режим этого участка (Çlf hCB). Давление вспомога­ тельного вентилятора h2CB; давление, теряемое вентилятором глав­ ного проветривания на участке СВ равно h1CB. Абсцисса точки пересечения прямой hlQB = const и приведенной характеристики вентилятора Г соответствует расходу воздуха Ç, поступающего

Рис. 50. Определение рабочего режима главного поверхностного и вспомогательного подземного вентиляторов

в шахту. Ордината точки пересечения прямой Q = const с индиви­ дуальной характеристикой вентилятора главного проветривания 1 есть давление, создаваемое вентилятором главного проветривания h.

§ 4. Эффективность совместной работы турбомашин

Эффективность совместной работы турбомашин можно оценивать как по изменению параметров (подачи, напора), так и по удель­ ному расходу электроэнергии. Если совместная работа турбомашин носит эпизодический характер, т. е. турбомашины включаются крат­ ковременно с целью экстренного увеличения подачи жидкости (на­ пример, при усиленном притоке шахтных вод, при временном значи­ тельном газовыделении и т. д.), то эффективность следует оценивать по подаче. Следует иметь в виду, что в данном случае увеличивается

удельный расход электроэнергии Ъ (98). При особой необходимости можно идти на некоторый экономический ущерб.

J Если турбомашины подбирают для продолжительной совмест­ ной работы (например, при диагональной схеме проветривания шахт), то оценку эффективности их работы следует производить на основе технико-экономического анализа с учетом капитальных и эксплуата­ ционных расходов.

Рис. 51 • К выбору способа включения турбо­ машин при совместной работе

Для оценки эффективности совместной работы турбомашин по

подаче служит коэффициент эффективности q
		(103)
где Qc — суммарная подача совместно	включенных	турбомашин;
Q — подача каждой турбомапшны при одиночной		работе.
Эффективность параллельной работы	турбомашин	зависит от

формы напорных характеристик. Наилучшие условия обеспечивают­ ся тогда, когда характеристики оказываются монотонно падающими. В этом случае максимальный напор, развиваемый турбомашиной, будет при нулевой подаче. Значительное влияние на коэффициент эффективности q оказывает сопротивление внешней сети.

С увеличением сопротивления внешней сети R 0 коэффициент эффективности уменьшается. При параллельной работе вентиляторов зависимость q от R 0 имеет следующий вид [15]:

(104)

где т — число параллельно включенных вентиляторов; А и В — постоянные для каждой конкретной схемы проветривания.

Последовательное включение турбомашин эффективно при боль­ шом сопротивлении внешней сети. При последовательном включении наряду с повышением давления увеличивается также подача.

Вопрос о способе включения турбомашин при совместной их работе обычно решается графически. В качестве примера рассмотрим определение вентиляционных режимов при проходке глубокого ствола [5]. На рис. 51 показаны напорные характеристики I и I I двух одинаковых центробежных вентиляторов, характеристики воз­ духопроводов ОА' и ОА" соответственно для начального и конеч­ ного периодов проходки. Суммарные напорные характеристики соответственно при параллельном (I + II)' и последовательном (I + II) " включении вентиляторов показаны штрих-пунктиром. Не­ трудно видеть (рис. 51), что в том случае, когда характеристика внеш­ ней сети проходит правее точки К , то более эффективным является параллельное включение, а в противном случае — последовательное включение.

Совместная работа турбомапшн относится к числу сложных вопросов теории и практики эксплуатации турбомашин и подробно рассматривается в специальной литературе [15].

Раздел третий

РУДНИЧНЫЕ ВОДООТЛИВНЫЕ УСТАНОВКИ

Г л а в а I

ОСНОВЫ ШАХТНОГО ВОДООТЛИВА

§ 1. Водообильность шахт и качество шахтных вод

При разработке месторождений полезных ископаемых вода проникает в горные выработки. Степень обводненности месторо­ ждений зависит от свойств горных пород и условий их геологического залегания, количества выпадающих атмосферных осадков, наличия поверхностных и подземных водоемов. На величину притока шахт­ ных вод оказывают влияние также способы разработки месторожде­ ний полезных ископаемых [26].

Различают три основные группы подземных вод: почвенные, грунтовые и межпластовые.

Почвенные воды питаются главным образом за счет атмосферных осадков. Они проникают в шахту через выработанные поля верхних горизонтов.

Грунтовые воды располагаются на первом от поверхности водо­ непроницаемом слое и залегают на различных глубинах. Так, напри­ мер, в Подмосковном каменноугольном бассейне они близки к поверх­ ности и имеют выходы у пониженных мест междуречья. В Донецком каменноугольном бассейне грунтовые воды залегают на сравнительно больших глубинах — до 100 м и более.

Межпластовые воды отделяются от поверхности водонепроницае­ мым слоем, поэтому они обычно получают питание на выходах этих пластов. Эти воды, как правило, более минерализованы, так как они проходят значительно больший путь в горных породах, нежели грунтовые воды.

На количество подземных вод, попадающих в рудник, существен­ ное влияние оказывают условия залегания водоносных пород, а так­ же свойства пород кровли и почвы. Наиболее трещиноватыми гор­ ными породами являются известняки, доломиты, кристаллические сланцы и песчаники. Основным источником питания подземных вод большинства шахтных полей являются атмосферные воды.

Обводненность шахт оценивается величиной коэффициента водообильности — отношения веса откачиваемой воды к весу добытого за этот же период полезного ископаемого. По наиболее обводненным шахтам коэффициент водообильности доходит до 20—25 (Подмосков­ ный, Кизеловский и другие бассейны), в Донбассе — до 3.

Наименьший коэффициент водообильности (0,38) имеют шахты Карагандинского бассейна, который расположен в районе с малым количеством атмосферных осадков.

Для рудных месторождений коэффициент водообильности опреде­ ляется как отношение годового притока (в кубических метрах) к объему добытой за это же время руды (в кубических метрах). Величина коэффициента водообильности зависит от веса полезного ископаемого, который может меняться в зависимости от технологии добычи. Поэтому при проектировании новых шахт оценка притока по коэффициенту водообильности, принятого для данного района, может быть произведена с недостаточной степенью точности.

Более совершенным показателем водообильности является пред­ ложенный Г. Н. Шевелевым коэффициент удельной обводненности горных выработок, который представляет собой отношение средне­ часового притока воды по шахте (в кубических метрах) к общей длине поддерживаемых выработок (в километрах). Этот коэффи­ циент более полно отражает гидрогеологические особенности шахт­ ного поля.

Величина притока воды в шахту в течение года не остается посто­ янной. Поэтому различают нормальные и максимальные притоки. Максимальные притоки бывают в весеннее, а иногда в осеннее время. Степень увеличения притоков в весеннее время зависит от многих факторов, среди которых важное значение имеют глубина шахты, климат данного района и горнотехнические условия. По данным А. В. Докукина [16], весной приток увеличивается на шахтах глу­ биной до 40 м в 3—10 раз, на шахтах глубиной до 100 м в 2—4 раза и на шахтах глубиной свыше 100 м возрастает в 1,3—2 раза. Интен­ сивность весеннего снеготаяния различна в отдельных районах нашей страны. Так, например, в Донбассе этот процесс протекает гораздо быстрее, чем в Кизеловском бассейне. На шахтах, разраба­ тывающих крутопадающие пласты или мощные пологие пласты, имеющие выходы на поверхность, опасность проникновения весен­ них вод особенно велика.

Притоки шахтных вод могут быть в значительной степени сни­ жены проведением специальных мероприятий: своевременным осуше­ нием водоносных горизонтов, предохранением водоупорного слоя и т. д. Описание этих мероприятий приводится в специальной лите­ ратуре [8, 44].

Шахтные воды содержат химические вбщества и механические примеси, которые вредно влияют на оборудование водоотливных установок. Подземная вода, проникая в горные выработки, обога­ щается различными веществами, которые могут находиться в пей во взвешенном, коллоидальном и растворенном состоянии. Поэтому относительный вес шахтной воды равен 1,015—1,025.

По химическому составу различают кислотные, щелочные и ней­ тральные шахтные воды. Как известно, концентрация ионов

в растворе характеризует его химические свойства. Для оценки химических свойств воды используют так называемый водородный показатель pH (табл. 1), который представляет собой отрица­ тельный логарифм концентрации ионов водорода [16]

рЯ = - 1 ё [Я+].

				Т а б л и ц а 1
Физико-химические свойства шахтных вод в зависимости
	от водородного показателя
Шахтная вода			Значение pH
	0 - 3	4 — 6	7	8 - 1 0	И - 14
Степень кислот­	Сильно	Слабо	Нейт­	Слабо	Сильно
ности	кислотная	кислотная	ральная	щелочная	щелочная
Внешние признаки	Мутная,	Мутная,	Мутная	Чистая, прозрачная,
	цвет креп­	желтая		приятна;1	на вкус
	кого чая

Физико-химические свойства шахтных вод в значительной сте­ пени зависят от горногеологических условий месторождений полез­ ных ископаемых. Так, например, кислотные рудничные воды воз­ никают в очистном пространстве в процессе ведения горных работ. При соприкосновении пирита с рудничной водой происходит обра­ зование свободной серной кислоты и сульфатов железа. Химическая реакция протекает в соответствии со следующим уравнением:

4FeS2 2Н20 - f - 1502 = 2Fe2(S04)3 -J- 2H2S04.

Обстоятельное исследование закономерностей появления кислот­ ных шахтных вод и методов борьбы с ними выполнено проф. А. В. До­ кукиным [16], по данным которого, из 910 угольных шахт сильно кислотные воды имеются на 80 шахтах, в том числе на 45 шахтах Донбасса и на 35 шахтах Кизеловского бассейна.

Наиболее агрессивными свойствами по отношению к металлу обладают сильно кислотные воды. Для обеспечения надежной работы водоотливных установок в условиях откачки сильно кислотных вод необходимы специальные мероприятия — нейтрализация кислотных рудничных вод, использование кислотоупорных насосов, футеровка трубопровода и др. Вопросы эти детально рассмотрены в § 4 главы III настоящего раздела.

Шахтная вода отличается также жесткостью. Различают жест­ кость временную и постоянную. Временная жесткость определяется содержанием углекислых солей кальция и магния (СаСОэ, MgC03 и др.) и легко устраняется кипячением воды.

Постоянная жесткость определяется содержанием других солей кальция и магния (CaS04î MgCl2 и др.), снижение которой дости­ гается специальной обработкой. Жесткость шахтной воды достигает значительной величины — до 175 мг-экв/л. Поэтому без специальной обработки она не может быть использована для питьевых или тех­ нических целей.

В воде содержатся твердые частицы, значительная часть которых обладает абразивными свойствами, что приводит к быстрому износу деталей насосов. На ряде шахт содержание твердых примесей в шахт­ ных водах достигает 3 г/л и более. Для предотвращения попадания абразивных твердых частиц в водоотливную установку применяют отстойники.

Важнейшей задачей шахтного водоотлива является создание технических средств для откачки загрязненной воды без предвари­ тельного осветления, что значительно упростит водоотливное хозяй­ ство.

§	2. Водоотлив на шахтах и основные требования
к	рудничным водоотливным установкам

Осушение шахтных полей может осуществляться спуском воды по наклонным выработкам в открытые русла (водоотлив самотеком) или подъемом воды на поверхность с помощью специальных водо­ отливных средств, что в большинстве случаев встречается на прак­ тике [26].

Водоотлив самотеком, или безнапорный водоотлив, возможен в тех случаях, когда рельеф местности позволяет проходить штольни при подземной разработке или каналы при открытой разработке полезных ископаемых.

В случае водоотлива с подъемом воды (напорный водоотлив) шахтная вода собирается в специальных водосборниках, откуда насосами транспортируется на поверхность.

Различают главные, вспомогательные и проходческие водоотлив­ ные установки.

Главная водоотливная установка (рис. 52) откачивает на поверх­ ность весь приток воды в шахту. Иногда водоотливная установка обслуживает несколько шахт, в этом случае она называется централь­ ной. Вспомогательные водоотливные установки оборудуют на участ­ ках, уклонах, зумпфах; они перекачивают воду в водосборник глав­ ной или центральной водоотливной установки. Основными требова­ ниями, предъявляемыми к водоотливным установкам, являются обеспечение полной безопасности ведения горных работ и высокие технико-экономические показатели их работы. Основные положения, выполнение которых обеспечит надежную и бесперебойную работу водоотливных установок, следующие [50]:

1) нормальный суточный приток должен быть откачан одним насосом не более чем за 20 ч;

2) число насосных агрегатов главных водоотливных установок шахт и установок капитальных уклонов с притоком воды более 50 мъ!ч должно быть не менее трех (один рабочий, второй подсмен­ ный, третий резервный);

Рис. 52. Схема шахтного водоотлива:

1 — водосборники главной водоотливной установки; 2 — водосборник вспомо­ гательной водоотливной установки; з, 4, 5 — соответственно вспомогательная, главная и проходческая водоотливная установки

3)если максимальный приток превышает нормальный более чем

в2 раза, то число насосных агрегатов должно быть таким, чтобы максимальный приток был откачан всеми насосами, кроме резерв­ ного, за 20 ч;

4)должны быть предусмотрены специальные мероприятия при откачке кислотных вод;

5)насосы, которыми оборудуют установки, должны иметь высо­ кий к. п. д. и широкую область промышленного использования;

6)главная водоотливная установка должна иметь не менее двух нагнетательных ставов: один рабочий, второй резервный;

7)должны быть выполнены основные требования техники безопас­ ности;

8)управление насосными агрегатами должно быть автоматиче­ ским или дистанционным.

Данные о типах и параметрах насосов для водоотлива могут быть получены на основании изучения потребных водоотливных режимов

[43]. Поле водоотливных режимов современных

шахт

(рис. 53)

требует

для своего покрытия

насосы с подачей 30—40 м3/ч

и напором до

500 м вод. cm,

Ô00

(районы

Приморский,

Вос­

точный,

Караганды); с пода­

600

чей 40—100 м3/ч и напором

F

до 700 м

вод,

cm, (Донбасс);

т

с подачей 100—200 м3/ч и на­

пором до 900 м вод, cm,

200

(Донбасс);

с

подачей

200—

400 м3/ч

и

напором

до

0

/00 200

300

400

500

600

Q,fl3/ v

1200 м вод,

cm. (Донбасс)

и

Рис. 53. Поля

режимов

шахтных

водоот­

подачей 400—1000 м3/ч

и на­

ливов

действующих, новых и реконструи­

пором до 600 м вод. cm. (Ке­

руемых

шахт

меровский

район, Кизелов-

ский бассейн, шахты Забайкалья). В отдельных случаях для обвод­ ненных месторождений требуются подачи 2000—3000 м3/ч и более.

Исходя из потребных водоотливных режимов можно сделать вывод, что наиболее рациональным типом насосов для оборудования стационарных водоотливных установок являются центробежные насосы. Максимальный напор, создаваемый одной ступенью центро­ бежного насоса, в основном определяется его экономичностью и усло­ виями прочности рабочих колес и в современных конструкциях не превосходит 110—150 м вод. cm. Поэтому для шахтного водоотлива используются главным образом многоступенчатые центробежные насосы.

Скорость вращения отечественных шахтных центробежных насо­ сов 1500 и 3000 об/мин. В СССР и за рубежом ведутся научно-иссле­ довательские работы с целью выяснения возможности перехода на большие скорости вращения (свыше 3000 об/мин). Увеличение скорости вращения приводит к уменьшению веса и габаритов насо­ сов. Однако при этом быстрее изнашиваются детали насосов и ухуд­ шаются условия всасывания. Несмотря на отмеченные недостатки, переход на большие скорости вращения следует считать прогрессив­ ным направлением в современном насосостроении.

Г л а в а II ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ НАСОСЫ

§ 1. Основные типы лопастных насосов и их классификация

Центробежный насос простейшего типа К (рис. 54) состоит из следующих основных конструктивных элементов: рабочего колеса 2 и корпуса 5, предназначенного для объединения всех элементов конструкции насоса и для подвода и отвода жидкости. С помощью уплотнения 1 значительно уменьшаются утечки жидкости из области повышенного давления в область всасывания.

Рабочее колесо закреплено на валу 4Укоторый опирается на под­ шипники 5. Валы насоса и двигателя соединяются упругой муфтой 6.

Рис. 54. Консольный одноступенчатый центробежный насос

Станиной служат опорная стойка, к которой с помощью шпилек присоединен спиральный корпус. Вращение вала — против часовой стрелки, если смотреть со стороны муфты.

Центробежные насосы типа К изготовляются производитель­ ностью от 20 до 300 мъ!ч и напором от 15 до 90 л вод. cm.

Одноступенчатые центробежные насосы используют для оборудо­ вания вспомогательного водоотлива, а также для заливки главных насосов перед пуском их в работу.

Для получения больших напоров применяют многоступенчатые насосы (см. рис. 69). Все колеса многоступенчатого насоса посажены на общий вал, образуя единый ротор машины.