Повышение эффективности эксплуатации водоотливных установок медноколчеданных рудников
На правах рукописи
ДОЛГАНОВ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
ВОДООТЛИВНЫХ УСТАНОВОК
МЕДНОКОЛЧЕДАННЫХ РУДНИКОВ
Специальность: 05.05.06 - «Горные машины»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Екатеринбург - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Уральский государственный горный университет»
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор
Тимухин Сергей Андреевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Суслов Николай Максимович
кандидат технических наук, доцент
Холодников Юрий Васильевич
Ведущая организация – ОАО «Научно-исследовательский и проектный институт обогащения и механической обработки полезных ископаемых «Уралмеханобр» (г. Екатеринбург).
Защита диссертации состоится « 15 » марта 2012 г. в 1330 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.03 при ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу:
620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».
Автореферат разослан « 7 » февраля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, профессор Хазин М. Л.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Интенсивная разработка медноколчеданных рудников и внедрение высокопроизводительных, эффективных технологий привели к быстрому нарастанию глубины подземных рудников и появлению существенного объема абразивных механических примесей в шахтной воде, что поставило рудничный водоотлив перед сложной проблемой очистки водосборников от шламовых смесей. В этих условиях в общем балансе энергопотребления на долю водоотлива приходится 20-40 % расхода всей электроэнергии подземного горного предприятия, поэтому разработка рациональных схем организации водоотлива, увеличение межремонтных периодов работы водоотливных установок (ВУ) и снижение расходов электроэнергии позволят значительно повысить технико-экономические показатели водоотлива и снизить затраты на добычу одной тонны полезного ископаемого.
Опыт эксплуатации ВУ медноколчеданных рудников, оборудованных центробежными секционными кислотоупорными насосами типа ЦНС(К), показал, что их фактическая наработка до капремонта составляет 248-1000 часов, в то время как в «Руководстве по эксплуатации насосов ЦНС(К) 300-120…600.000 РЭ» указано 6500 часов, что объясняется наличием в откачиваемой шахтной, кислотной воде с рН 3-4 значительного объема высокоабразивных примесей горных руд и пород, не соответствующих требуемым заводом-изготовителем условиям эксплуатации насосного оборудования.
Поскольку энергоэффективный путь производства в современных условиях не имеет альтернативы, вопросы обеспечения энергосберегающих условий эксплуатации ВУ для конкретных технологических схем с учетом повышенного абразивного износа насосов и интенсивного заиливания водосборников, с целью снижения энергетических затрат и увеличения межремонтных периодов шахтных центробежных насосов, представляют собой актуальную научно-практическую задачу.
Цель работы состоит в повышении эффективности эксплуатации ВУ медноколчеданных рудников.
Идея работы заключается в том, что повышение эффективности эксплуатации рудничного водоотлива осуществляется посредством откачивания предварительно осветленных шахтных вод с выдачей осевшего шлама из отстойников водосборников высоконапорными гидроэлеваторными установками (ВГЭУ) на дневную поверхность или на промежуточные горизонты, через нагнетательные трубопроводы, минуя рабочие насосы.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Основой повышения эффективности эксплуатации рудничного водоотлива медноколчеданных рудников является выбор рационального способа очистки водосборных емкостей, осуществляемый на основе фактического удельного износа элементов проточной части центробежных насосов главного водоотлива и с учетом объемов шламовых смесей.
2. Снижение гидроабразивного износа элементов проточной части центробежных насосов типа ЦНС(К) в период их эксплуатации достигается включением в технологические схемы насосных станций главного водоотлива рудников высоконапорных гидроэлеваторных установок, предназначенных для периодической очистки отстойников водосборников от шламовых смесей с последующей их транспортировкой по нагнетательным трубопроводам главного водоотлива на дневную поверхность или на промежуточные горизонты при многоступенчатом водоотливе.
3. Применение предварительного осветления шахтных вод от шлама с последующей его подачей высоконапорными гидроэлеваторными установками через нагнетательные трубопроводы главных водоотливных установок обеспечивает многократное снижение количества механических примесей в 1 м3 шахтной воды, что является определяющим фактором повышения технического ресурса насосного агрегата и ведет к снижению суммарных затрат на содержание комплекса рудничного водоотлива.
Объект исследований: рудничные водоотливные установки.
Предмет исследований: взаимодействие элементов проточной части рудничной водоотливной установки с откачиваемой шахтной водой.
Научная новизна. Получены зависимости износостойкости основных элементов проточной части насосов типа ЦНС(К) от их наработки в условиях подземных медноколчеданных рудников.
Уточнены уравнения для определения параметров струйных насосов (гидроэлеваторов) в условиях включения их в технологические схемы насосных станций главного водоотлива шахт и рудников ВГЭУ, предназначенных для очистки водосборников от шламовых смесей.
Разработана методика расчета предварительного осветления шахтных вод от шлама с последующей его подачей ВГЭУ через нагнетательные трубопроводы главных ВУ.
Методы научных исследований. Для решения поставленных задач использовались анализ и обобщение ранее опубликованных исследований, экспериментальные исследования, шахтные испытания и натурные наблюдения, статистическая обработка и анализ результатов экспериментальных исследований, технико-экономическое обоснование принятых решений.
Достоверность научных положений, выводов и результатов исследования подтверждается корректным использованием теоретических и экспериментальных исследований, достаточным объемом проведенных экспериментов и удовлетворительной сходимостью аналитических исследований с результатами выполненных экспериментов и данными практики, использованием современных средств контроля параметров эксплуатации насосных установок, относительное расхождение которых не превышает 10 %.
Практическая значимость работы
1. На примере анализа работы насосов главного водоотлива Узельгинского (УзПР), Учалинского (УПР), Сибайского (СПР) подземных рудников ОАО «УГОК», Чебачьего (ЧПР) ООО «ВУР», Александринского (АПР) ОАО «АГРК», Гайского (ГПР) ОАО «ГГОК», Октябрьского (ОПР) ОАО «БГОК» и др. показано, что основной причиной снижения эффективности ВУ является гидроабразивный износ центробежных насосов, работающих в таких условиях.
2. Разработана методика выбора рационального способа осветления шахтных вод и гидравлической очистки водосборников от шлама, позволившая рационально расходовать ресурс деталей, повысить межремонтные периоды насосных установок типа ЦНС(К) и перейти к обоснованному назначению периодичности их ремонтов.
3. Снижение гидроабразивного износа ЦНС(К) за счет откачивания насосами осветленной шахтной воды приводит к снижению удельного расхода электроэнергии на водоотлив и повышению долговечности насосов.
4. Обоснованы номенклатура и объемы запасных частей насосов типа ЦНС(К), работающих в условиях медноколчеданных рудников.
Личный вклад автора состоит в проведении натурных экспериментальных исследований, анализе их результатов и разработке методики гидравлической очистки водосборников от шлама на основе применения высоконапорных гидроэлеваторных установок.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Разработана ВГЭУ с параметрами, обеспечивающими работу насосов главного водоотлива на осветленной воде и полное удаление шламов из водосборника гидравлическим способом, что повышает технико-экономические показатели ВУ, увеличивает их срок службы, снижает затраты на очистку водосборников от шлама.
Рекомендации, направленные на повышение эффективности эксплуатации рудничных ВУ, используются на УзПР и переданы для использования на Сибайском филиале (СФ) ОАО «УГОК» и ОАО «Верхнеуральская руда».
Результаты исследований используются при чтении дисциплины «Стационарные машины» на кафедре горных машин и транспортно-технологических комплексов (ГМиТТК) в Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова» (МГТУ им. Г.И. Носова) и в УГГУ.
Апробация работы: результаты, основные положения докладывались на Международной научно-технической конференции «Чтения памяти В. Р. Кубачека» (г. Екатеринбург, 2008, 2009, 2010 гг.), Международной научно-технической конференции «Добыча, обработка и применение природного камня» (г. Магнитогорск, 2009, 2010, 2011 гг.). На Международном симпозиуме «Неделя горняка» (г. Москва 2008, 2009, 2011 гг.); ежегодных научно-технических конференциях МГТУ (г. Магнитогорск 2008, 2009, 2010 гг.); на заседаниях научного семинара кафедры ГМиТТК и факультета ГТиТ МГТУ
(г. Магнитогорск, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.).
Публикации: по теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 статьи в ведущих рецензируемых журналах.
Объем и структура работы: диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 121 наименования, приложения и содержит 129 с. машинописного текста, 52 рисунка, 43 таблицы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, выбран объект исследования, сформулированы её цель, идея и научные положения, выносимые на защиту, кратко охарактеризовано значение работы.
В первой главе проведен анализ эксплуатации ЦНС(К) главного водоотлива в условиях УзПР, УПР, СПР ОАО «УГОК», ЧПР ООО «ВУР», АПР ОАО «АГРК», ГПР ОАО «ГГОК», ОПР ОАО «БГОК», в результате которого установлено, что фактическая наработка насосов до капитального ремонта составляет 248-1000 часов, а основными причинами преждевременного выхода из строя насосов и снижения эффективности их эксплуатации является гидроабразивный износ, обусловленный откачиванием недостаточно осветленных шахтных вод повышенной кислотности. Низкая их наработка объясняется несоответствием требуемых заводом-изготовителем и фактических условий эксплуатации ВУ.
Значительный вклад в решение проблемы обоснования и обеспечения эффективной эксплуатации ВУ с целью снижения затрат внесли многие российские ученые Федоров М.М., Герман А.П., Ломакин А.А., Веселов А.И., Борохович А.И., Гейер В.Г., Попов В.М., Картавый Н.Г., Рипп М.Г. и др. Выполненные ими исследования и разработки являются научной основой настоящей работы.
 |
| Рис. 1. Местный гидроабразивный износ рабочего колеса насоса типа ЦНС(К) 300-360 |
Источниками шламообразования на ПР являются: буровая мелочь, получаемая в процессе бурения горных пород при мокром пылеподавлении; часть закладочной смеси от промывки закладочных трубопроводов и, главным образом, просыпь горной массы из кузовов транспортных средств, измельчаемая колесами самоходных машин, и т.д. Наличие твердых частиц, обладающих абразивными свойствами, приводит к преждевременному износу рабочих колес (рис. 1), корпусов, направляющих аппаратов, увеличению зазоров в уплотнениях колес и между ступенями, а также к снижению производительности и КПД насосов, а следовательно, повышенному расходу электроэнергии. Все это максимально проявляется на медно-колчеданных рудниках с повышенной кислотностью (рН 3-4) и абразивностью шахтных вод.
Выполненные в работе исследования химического состава и физико-механических свойств шахтных вод в условиях УзПР представлены на рис. 2, 3, где приведен ситовой анализ шлама и фото этой же пробы шлама массой 6,8 г, полученный из
| Рис. 2. Ситовой анализ шлама | Рис. 3. Фото пробы шлама |
пробы воды в объеме 1 л, при проведении исследований гидроабразивного износа насосов, т.е. за час вместе с шахтной водой им перекачивается 2040 кг твердых, механических примесей.
В настоящее время проблема очистки водосборников остается практически не решенной из-за низкой механизации, ввиду сложности работ по очистке водосборников и высокой их трудоемкости, но, тем не менее, разработано и предложено большое число схем очистки. Например, на УзПР очистку производят один раз в год, продолжительность её составляет до 90 рабочих смен, а объем вывозимых шламов до 9000 м3.
На УПР и ГПР очистку водосборников и шламоотстойников производят погрузочно-доставочными машинами (ПДМ) с последующей транспортировкой шлама МоАЗами или локомотивом с шахтными вагонетками. Отвлечение этих машин на очистку водосборников приводит к снижению производительности рудника и, соответственно, к увеличению парка технологических машин.
В результате проведенного анализа литературных источников по вопросам водоотлива горных производств рекомендуется для борьбы с гидроабразивным изнашиванием насосного оборудования:
1) обеспечивать условия работы насосов, соответствующих требованиям их заводов-изготовителей;
2) изготовлять элементы насоса из материалов, обладающих повышенной коррозиестойкостью и износостойкостью, включая современные полимерные, углепластиковые, стеклопластиковые и другие композитные материалы;
3) применять раздельные схемы откачки неосветленных и осветленных вод.
На основании этого можно сделать вывод о том, что эффективная эксплуатация ВУ, увеличение срока их службы при длительном поддержании высоких значений КПД имеет место лишь при количественной оценке износа элементов проточной части насосов от абразивных сред, что позволит применить эффективный способ защиты ВУ от абразивного износа. При этом повышение эффективности рудничных ВУ возможно только при условии работы насосов на осветленной воде, содержащей не более 0,2 % механических примесей по объему и крупностью не более 0,2 мм, соответствующих требованиям заводов-изготовителей насосного оборудования.
В результате анализа существующих способов и средств очистки шахтных вод от шлама установлено, что требованиям, предъявляемым к ним, наиболее полно удовлетворяет водоструйный насос-гидроэлеватор (ГЭ), достоинством которого является надежность и полная откачка шлама из водосборника.
Значительный вклад в развитие теории и расширение практического использования ГЭ в различных отраслях промышленности внесено работами Л.Д. Бермана, Н.С. Болотских, Н.Н. Безуглова, В.Г. Гейера, П.Н. Каменева, Ю.Л. Кирилловского, Е.Я. Соколова и Н.М. Зингера, Л.Г. Подвидза, Б.З. Фридмана, Г.И. Кривченко и др. Анализ этих работ показал, что особые условия эксплуатации ГЭ на стационарном водоотливе, большие подачи и высоты нагнетания требуют уточнения существующих зависимостей, методов расчета и соответствующей апробации результатов. При этом остаются нерешенными вопросы обоснования оптимальных геометрических и режимных параметров, высоконапорных гидроэлеваторных установок (ГЭУ), эксплуатируемых в технологических схемах главного водоотлива.
Одним из основных показателей, позволяющих оценивать эффективность работы насосов, является удельный расход электроэнергии, минимальные значения которого соответствуют рациональным режимам работы ВУ.
К основным факторам, влияющим на уровень электропотребления насосных агрегатов, относятся подача насоса Q, напор H и плотность воды.
По результатам исследований, удельный расход электроэнергии wуд даже для однотипных насосов различается значительно (табл. 1) и зависит от конкретных значений Q, Нм и.
Таблица 1
Экспериментальные данные работы центробежных насосов в условиях УзПР
| Тип и наработка насосной установки., ч ЦНСК 300-360 №3 55 ЦНСК 300-360 №4 192 | wуд, кВтч/м3 | Q, м3/ч | Нм, м | , кг/м3 | N, кВт | ну | н | тр | дв | |
| 1,38 | 385 | 316,5 | 1008 | 531 | 0,64 | 0,7 | 0,96 | 0,95 | ||
| 1,42 | 378,5 | 319,9 | 1019 | 537,5 | 0,62 | 0,69 | 0,95 | 0,95 | ||
| 1,47 | 369 | 319,9 | 1022 | 541,1 | 0,60 | 0,67 | 0,95 | 0,95 | ||
| 1,53 | 358,5 | 325,5 | 1037 | 547,5 | 0,58 | 0,66 | 0,93 | 0,95 | ||
| 1,58 | 348,7 | 329,6 | 1050 | 552,1 | 0,58 | 0,67 | 0,92 | 0,95 | ||
| 1,41 | 348,6 | 337 | 1007 | 492 | 0,63 | 0,72 | 0,92 | 0,95 | ||
| 1,52 | 327,24 | 336 | 1018 | 497,3 | 0,59 | 0,68 | 0,91 | 0,95 | ||
| 1,59 | 311,14 | 336 | 1023 | 495,6 | 0,56 | 0,65 | 0,91 | 0,95 | ||
| 1,74 | 282,81 | 335 | 1038 | 493 | 0,52 | 0,61 | 0,9 | 0,95 | ||
| 1,9 | 260,86 | 332 | 1051 | 496,4 | 0,47 | 0,55 | 0,9 | 0,95 | ||
| ЦНСК 300-420 №4 100 | 1,9 | 227,56 | 375 | 1006 | 431,6 | 0,52 | 0,60 | 0,92 | 0,95 | |
| 1,93 | 225,6 | 376 | 1016 | 435,1 | 0,52 | 0,59 | 0,92 | 0,95 | ||
| 1,96 | 223,42 | 378 | 1029 | 437,8 | 0,52 | 0,60 | 0,91 | 0,95 | ||
| 2,01 | 216,8 | 378 | 1038 | 436 | 0,51 | 0,59 | 0,91 | 0,95 | ||
| 2,11 | 207,1 | 378 | 1052 | 436,9 | 0,49 | 0,57 | 0,91 | 0,95 | ||
| ЦНСК 300-420 №2 821 | 1,6 | 335,13 | 351 | 1009 | 533,7 | 0,62 | 0,67 | 0,98 | 0,95 | |
| 1,63 | 332,1 | 353 | 1019 | 541,5 | 0,61 | 0,66 | 0,97 | 0,95 | ||
| 1,66 | 330,78 | 355 | 1025 | 549,2 | 0,61 | 0,66 | 0,97 | 0,95 | ||
| 1,72 | 319,2 | 360 | 1042 | 548,4 | 0,59 | 0,65 | 0,96 | 0,95 | ||
| 1,8 | 305,03 | 363 | 1054 | 550,1 | 0,58 | 0,64 | 0,95 | 0,95 | ||
| ЦНСК 300-420 №1 1124,8 | 2,6 | 175,66 | 352 | 1005 | 456 | 0,38 | 0,41 | 0,98 | 0,95 | |
| 2,65 | 172,8 | 355 | 1018 | 458,7 | 0,37 | 0,40 | 0,97 | 0,95 | ||
| 2,71 | 169,8 | 354 | 1024 | 460,6 | 0,37 | 0,40 | 0,97 | 0,95 | ||
| 3,1 | 147,6 | 353 | 1042 | 462,4 | 0,32 | 0,35 | 0,97 | 0,95 | ||
| 3,8 | 122,45 | 358 | 1062 | 467 | 0,27 | 0,30 | 0,96 | 0,95 | ||
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выявить и исследовать факторы, влияющие на эффективность работы шахтного водоотлива при разработке медноколчеданных рудников с повышенным количеством абразивных примесей в шахтной воде.
2. Выявить количественную оценку износа элементов проточной части ЦНС(К) от наработки в условиях медноколчеданных рудников.
3. Разработать методику расчета ВГЭУ для условий рудничного стационарного водоотлива медноколчеданных рудников.
Во второй главе с целью установления закономерностей интенсивности гидроабразивного износа элементов ЦНС(К) 300-360…420 проведено экспериментальное исследование в условиях эксплуатации насосов в УзПР.
Для определения удельного износа элементов насосов производили их взвешивание до и после наработки, в периоды проведения текущих ремонтов в насосных камерах главного водоотлива УзПР и капитальных ремонтов на ремонтно-механическом заводе (РМЗ).
Удельный гидроабразивный износ J центробежного насоса зависит от многих факторов: гранулометрического состава твердых частиц и их механических свойств (твердость, абразивность, крупность и др.), плотности и агрессивности шахтной воды, подачи насоса и развиваемого им напора, площади изнашиваемой поверхности (площадь контакта твердых частиц с твердыми стенками деталей насоса) fизн., времени наработки t.
Удельный гидроабразивный износ J можно вычислить по формуле, г/(м2ч):
, (1)
где m – абсолютная убыль массы элементов проточной части насосов, зависит от вышеперечисленных факторов, а выявление зависимости от этих факторов требует проведения дальнейших исследований, г; fизн – площадь изнашиваемой поверхности, м2; t – время работы насоса, ч.
Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 4-7, где приведены графические зависимости удельного гидроабразивного износа J от наработки для основных элементов проточной части шахтных насосов типа ЦНС(К).
| Рис. 4. Зависимости удельного износа рабочих колес насосов ЦНС(К) 300-360 от наработки на отказ | Рис. 5. Зависимости удельного износа корпусов направляющих аппаратов насосов ЦНС(К) 300-360 от наработки на отказ | |
| Рис. 6. Зависимости удельного износа передних уплотнительных колец насосов ЦНС(К) 300-360 от наработки на отказ | Рис. 7. Зависимости удельного износа крышек всасывания, нагнетания и рубашки вала насосов ЦНС(К) 300-360 от наработки на отказ | |
Графики показывают:
- удельный износ рабочих колес по ступеням насосов различается незначительно;
- удельный износ корпусов направляющих аппаратов насосов в 2-2,5 раза выше износа рабочих колес;
- удельный износ крышек всасывания, нагнетания и рубашек вала, насосов в среднем в 4,55 раза выше износа рабочих колес;
- в насосах типа ЦНС(К), эксплуатирующихся в условиях УзПР, неравномерность удельного износа элементов проточной части насосов при их равной твердости поверхности деталей и свойств металла объясняется неравномерным контактом острогранных абразивных частиц с поверхностью при их проходе через насос, а так как при переходе этих частиц из одной секции в следующую и т.д. происходит частичное затупление острых граней абразива, то в дальнейшем частично снижается удельный износ его деталей, но с увеличением наработки гидроабразивный износ увеличивается.
Полученные экспериментальные зависимости удельного гидроабразивного износа элементов проточной части насосов соответствуют высокоабразивным примесям таких горных руд и пород, как: медная руда, дацитовые породы, спилиты и базальты и т.д., имеющих коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову 13…16 и находящихся в откачиваемой шахтной воде, обладающей агрессивными свойствами (табл. 2).
Таблица 2
Уравнения регрессии удельного износа основных
элементов проточной части насосов типа ЦНС(К)
| Наименование элемента насоса | Зависимость | Корреляционное отношение R2 |
| Рабочее колесо 1 |  | 0,97 |
| Рабочее колесо 6 |  | 0,95 |
| Корпус напр. аппарата 1 |  | 0,96 |
| Корпус напр. аппарата 6 |  | 0,95 |
| Переднее уплот. кольцо 1 |  | 0,91 |
| Переднее уплот. кольцо 6 |  | 0,96 |
| Крышка нагнетания |  | 0,97 |
| Крышка всасывания |  | 0,94 |
| Рубашка вала |  | 0,91 |
С целью обоснования и выбора наиболее рациональных способов и средств очистки шламовых емкостей разработана их классификационная схема, приведенная на рис. 8.
Рис. 8. Классификация способов и средств очистки шламовых емкостей
Классификация позволяет обоснованно выбирать способ очистки водосборника от шлама для обеспечения степени осветления перекачиваемых вод от механических примесей до значений, соответствующих требованиям заводов-изготовителей насосного оборудования.
| Рис. 9. Гидравлическая схема ВГЭУ | |
В настоящее время на ПР широко используются цикличные способы очистки (вагонетка, автосамосвал, ковш ПДМ и т.д.), хотя они мало приемлемы, так как шлам находится в разжиженном состоянии и его транспортировка не эффективна из-за утечек, приводящих к росту расходов на очистку из-за трудоемкости и использования большой доли ручного труда. Кроме того, из-за несвоевременности очистки водосборников эффект осветления вод уменьшается, что приводит к их интенсивному заиливанию и гидроабразивному износу насосов и необходимости их работы в период часов максимума энергосистемы.
Предлагаемая классификация позволила выбрать ВГЭУ для установки в технологических схемах главного водоотлива рудников, периодически откачивающих шламовые смеси из отстойников водосборников на дневную поверхность (или на промежуточные горизонты при многоступенчатом водоотливе) с целью очистки вод от шлама, так как непрерывная очистка водосборников является актуальной, что повышает эффективность ВУ.
Включение ВГЭУ, предназначенных для очистки водосборников от шламовых смесей, в технологические схемы насосных станций главного водоотлива шахт и рудников требует получения новых и уточнения существующих зависимостей для определения параметров струйных насосов (ГЭ). Для взаимосвязи параметров ГЭУ (рис. 9), подающей шламовые смеси через напорные трубопроводы рабочих насосов на дневную поверхность или на вышележащие горизонты (при многоступенчатом водоотливе), необходимо прежде всего обоснование общей подачи ГЭ, состоящей из подачи насоса Qс, создающего высоконапорную струю, поступающую в камеру смешения ГЭ через сопло, и подачи шламовых смесей, поступающих из отстойника водосборника Q. Так как расчет рациональных параметров напорных трубопроводов рабочих насосов насосных станций главных водоотливных установок ведется по номинальной подаче рабочих насосов Qн, то очевидно, что и общая подача ГЭУ должна быть соизмеримой с этой величиной или приближенно равной ей.
В условиях нашей задачи примем общую подачу ГЭ, м3/с:
, (2)
где Q - подача, поступающая в приемную камеру ГЭ из шламосборника (отстойника, водосборника водоотливной установки), м3/с, при этом примем, что - плотность жидкостей Q и Qс считаем примерно одинаковой и равной общей подаче 
.
Примем следующие конструктивные (геометрические и кинематические) допущения:
- камеру смешения (КС) принимаем цилиндрической формы;
- силы трения между жидкостью и стенками камеры не учитываются.
С учетом вышеприведенных условий и допущений найдем соотношения, определяющие рациональные параметры ГЭУ рудничной водоотливной станции. Рассмотрим параметры КС (площадь fкс, длина lкс) (см. рис. 9), так как в ней происходит преобразование энергии жидкости и она является основным элементом ГЭУ.
На основе принятого перепада напора кс в КС между сечениями I-I; II-II, (см. рис. 9) запишем выражение баланса количества движения:
, (3)
где с; 1; 2 – скорости соответственно на выходе из сопла, на входе в КС (сечения I-I), на выходе из КС (сечение II-II).
С учетом принятой формы поперечного сечения КС её диаметр dкс может быть определен по следующей формуле:
, (4)
где S - геометрический параметр, определяемый отношением площадей S=fкс /fc, причем всегда S > 1.
Для случаев, когда необходимо определение параметра Нкс, решение уравнения (3) может быть выполнено относительно этой величины, с предварительным принятием, что режимный параметр в условиях нашей задачи целесообразнее обозначить как отношение Qн/Qс=q1 в отличие от общепринятого подхода, при котором q=Q/Qс, так как в наших условиях ГЭ входит в технологическую схему водоотлива, а шламовые смеси транспортируются по нагнетательным трубопроводам главных ВУ со скоростью, соответствующей номинальной подаче насоса.
Согласование параметров шламовой ГЭУ с параметрами насосной станции водоотлива шахты требуется также для обеспечения безкавитационных режимов работы установки, поэтому представляет интерес оценка кавитационного запаса установки, который в общем случае возможно определить по выражению
, (5)
где вх - коэффициент сопротивления входного участка в КС;
1max - максимальная скорость транспортируемого потока на входе в КС.
Коэффициент кавитации для условий ГЭУ может быть записан как отношение
. (6)
После подстановки в это выражение (5) и преобразований получим
. (7)
Полученные уравнения необходимы для обоснования проектных параметров ГЭУ насосных станций. Доказано, что обеспечение расчетной работы самого ГЭ требует правильного подбора размеров и тщательности его изготовления, при этом существенное значение имеют такие элементы, как форма сопла, расстояние от сопла до КС, форма приемной камеры, форма диффузора и т.д.
Внедрение ГЭУ повышенной напорности в схемы рудничных водоотливных станций будет способствовать полной механизации трудоемкого процесса очистки водосборников от шламовых смесей при обеспечении долговечности работы шахтных насосов.
В третьей главе на основании проведенных исследований разработана методика «Расчет предварительного осветления шахтных вод от абразивных примесей с последующей подачей шлама ВГЭУ через нагнетательные трубопроводы главных водоотливных установок».
Для определения фактического электропотребления насосными установками проведены натурные экспериментальные исследования по определению удельного расхода электроэнергии на водоотлив насосами ЦНС(К) 300-360 при Нг=300 м и ЦНСК 300-420 при Нг=340 м, в условиях УзПР.
Определение подачи насоса выполнялось ультразвуковым методом, особенностью которого является то, что измерения проводятся с неизменной точностью даже в сильно загрязненной среде. Полученные в результате исследования зависимости приведены на рис. 10, а, б.
| а | б |
| Рис. 10. Зависимости подачи насосов от плотности перекачиваемой воды (а) и удельного расхода электроэнергии от подачи насоса (б) | |
Удельный расход электроэнергии определяли при различной плотности воды, режимы работы изменяли путем подачи небольшого количества сжатого воздуха из шахтной пневмосети в приемный колодец всасывающего трубопровода соответствующего насоса. Плотность воды для каждого режима работы насоса определялась в химлаборатории ОАО УГОК, для чего брались их пробы в соответствии с экспериментом. Расход электроэнергии замеряли при помощи самопищущего ваттметра (прибор «ФЛУК-192В»).
Из графика (см. рис. 10, а) видно, что с ростом наработки насоса и плотности воды из-за гидроабразивного износа насосов подача падает. На рис. 10, б приведены зависимости удельного расхода электроэнергии при существующем способе очистки водосборников и предлагаемом гидроэлеваторном, при этом обеспечивается минимальный гидроабразивный износ насосов, подача и плотность откачиваемой воды постоянны, а удельная электроэнергия снижается, т.е. энергетические показатели работы водоотлива по предлагаемому варианту очистки улучшаются.
В работе предложена схема главной ВУ с ВГЭУ с обоснованием её режимных и основных геометрических параметров.
Четвертая глава посвящена апробации полученных зависимостей по предложенной в работе методике с определением геометрических и режимных параметров, на примере расчета параметров ВГЭУ для стационарного водоотлива гор. 640 м, УзПР ОАО «УГОК». Основные параметры ВГЭ приведены в табл. 3.
Таблица 3
Основные параметры ВГЭ
| Показатель | Результат |
| Требуемый напор для подъема шламов на геодезическую высоту Нг=308м | Н'=337 м |
| Напор струйного насоса в 3,5 4 раза превышает напор рабочих насосов | Нc =1185,8 1355,2 м |
| Тип струйного насоса | ЦНСК 180-1422 |
| Отношение напора доп. насоса к высоте нагнетания шламовых смесей | Нс/Нг=1180/337=3,5 |
| Необходимое число колес струйного насоса | Z = 9 |
| Объем откачиваемых шламовых смесей Q | Q =Qн-Qc=300-180=120 м3/ч |
| Площадь сечения сопла fc и диаметр | fc=0,00034 м2; dc=0,0208 м |
| Перепад напора в камере смешения (КС) ГЭ | Нкс=337 м |
| Диаметр КС | dкс=35,9 мм |
| Площадь поперечного сечения КС | fкс=0,00101172 м2 |
| Рациональное отношение сечений n=fкс / fс | 2,969 |
| Длина свободной струи | lс1=105,5 мм |
| Диаметр свободной струи на lc =105,5 мм от выходного сечения сопла | dсв.стp=135,4 мм. |
| Длина входного участка КС | lс1=49,75 мм |
| Расстояние от входного сечения рабочего сопла до входного сечения КС | lс=155,25 мм |
| Длина цилиндрической КС | lкс= 267,2 мм |
| Длина диффузора с постоянным скоростным напором по длине | lД = 1066,65 мм |
Выполнен эксплуатационный расчет рудничных насосных установок главного водоотлива гор. 640 м и гор. 340 м УзПР. Характеристика внешней сети и фактические режимы работы насоса приведены на рис. 11.
| Рис. 11. Характеристика внешней сети и режимы работы насоса ЦНСК 300-360 |
Из рис.11 видно, что в условиях фактической эксплуатации ЦНСК 300-360 (шахтная вода со шламом) происходит износ элементов проточной части насоса и как следствие-снижение подачи, напора и КПД.
| Рис. 12. Параметры насоса ЦНСК 300-360 при наработке 749 ч |
По приведенным на рис. 12 параметрам насоса ЦНСК 300-360 видно, что при его работе в данных условиях наблюдается гидроабразивный износ элементов проточной части насоса, что приводит к снижению подачи, напора, КПД и росту расходуемой мощности насосом из-за перетоков воды внутри насоса.
По результатам работы произведен расчет расхода электроэнергии на водоотлив по существующему и предлагаемому способам очистки водосборников от шлама, выполнены расчеты суммарных затрат на очистку водосборников от шлама и расчеты по числу капитальных ремонтов насосов по вариантам, учтены затраты по заработной плате персонала водоотлива.
Результаты выполненных расчетов по ГЭУ сведены в табл. 4.
Таблица 4
Технико-экономическое сравнение затрат на водоотлив УзПР
| Наименование показателей | Величина показателя по вариантам, тыс. руб | |
| базовый (существующий) | предлагаемый | |
| 1. Капиталовложения на модернизацию водоотлива, всего: - технологическое оборудование - горно-проходческие работы | - - - | 9206 7150,0 2056,0 |
| 2. Эксплуатационные затраты, всего: - на электроэнергию водоотлива; - на очистку водосборников от шлама; - на оплата труда персонала водоотлива УзПР, ФОТ, с ЕСН (34 %); - на амортизацию дополнительного водоотливного оборудования; - на проведение капитальных ремонтов насосов; - на откачивание 1 м3 воды 3. Наработка до капитального ремонта насосов, ч | 25283,4 11851,9 6164,5 2808 - 4459 0,0055 584 | 13138,64 8429,96 946,23 2808 476,7 477,75 0,00291 4500 |
Ожидаемый экономический эффект при использовании ВГЭУ для очистки водосборников от шлама в условиях УзПР составит 812,65 тыс. руб/год на одну насосную установку.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований дано новое решение актуальной научно-практической задачи повышения эффективности эксплуатации ВУ медно-колчеданных рудников на основе откачивания предварительно осветленных шахтных вод с выдачей осевшего шлама из отстойников водосборников ВГЭУ через нагнетательные трубопроводы рабочих насосов.
Основные результаты работы сводятся к следующему:
1. Установлено, что с наличием абразивных частиц крупностью более 0,2 мм в шахтной воде удельный износ элементов насоса возрастает по полиноминальному закону.
2. По результатам исследований, проведенных в условиях УзПР ОАО УГОК, получены уравнения, устанавливающие количественные зависимости удельного гидроабразивного износа элементов проточной части ЦНС(К) 300-360-420 от наработки насосов и контакта абразива с их поверхностью.
3. Установлено, что основой повышения эффективности эксплуатации водоотлива медноколчеданных рудников является выбор способа очистки водосборных емкостей, осуществляемый на основе фактического удельного износа элементов проточной части центробежных насосов главного водоотлива.
4. Разработана стационарная водоотливная ГЭУ, обеспечивающая полную очистку водосборника от шлама и работу ЦНС(К) на осветленной воде.
5. Совершенствование технологии очистки водосборников и отстойников подземных рудников от шлама с подачей из ГЭУ в нагнетательный трубопровод насосной установки обеспечивает повышение эффективности эксплуатации рудничных ВУ, выразившееся для условий УзПР в снижении в 1,89 раза суммарных затрат на откачивание 1 м3 шахтной воды за счет снижения в 6,5 раз затрат на очистку водосборников, уменьшения удельного энергопотребления в 2,5-2,8 раза, снижения фактического суточного времени работы водоотлива, а также семикратного снижения количества капитальных ремонтов.
6. Установлено, что технический ресурс центробежных насосов типа ЦНС(К) является комплексным показателем состояния рудничной ВУ и может быть рассчитан по величине удельного гидроабразивного износа элементов проточной части насоса.
7. Ожидаемый экономический эффект при использовании ВГЭУ для очистки водосборников от шлама в условиях УзПР составит 812,65 тыс. руб/год на одну ВУ.
8. Рекомендации, направленные на повышение эффективности эксплуатации рудничных ВУ, используются на УзПР и переданы для использования на СФ ОАО «УГОК» и ОАО «Верхнеуральская руда».
Основные научные результаты диссертации опубликованы
в следующих работах:
Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных
журналах, входящих в перечень ВАК
1. Долганов А.В. Современное состояние рудничного водоотлива при отработке медно-колчеданных месторождений Южного Урала // Горный информационно-аналитический бюллетень. – М.: МГГУ, 2009. – № 2. – С. 12-15.
2. Долганов А.В. Анализ электропотребления водоотливных установок подземных рудников медно-колчеданных месторождений Южного Урала // Горное оборудование и электромеханика. - 2011. – № 2. – С. 39-41.
Статьи, опубликованные в других изданиях:
3. Олизаренко В.В., Долганов А.В. Влияние горно-геологических и технологических факторов на эффективность работы шахтного водоотлива // Материалы 66-й научно-технической конференции: сб. докл.- Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. –Т.1.- С. 169-172.
4. Олизаренко В.В., Долганов А.В., Великанов В.С. Рудничный водоотлив при отработке Учалинского месторождения // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. науч. тр. – Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГГУ», 2008. – С. 54-58.
5. Долганов А.В., Великанов В.С. Особенности износа деталей насосов при эксплуатации карьерного водоотлива//Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. – С. 125-131.
6. Долганов А.В. Влияние плотности шахтной воды на расход электроэнергии насосами главного водоотлива // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. науч. тр. – Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГГУ», 2009. – С. 43-45.
7. Долганов А.В., Великанов В.С., Савельев В.И. Экспериментальные исследования абразивного износа центробежных насосов // Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. – С. 195-203.
8. Долганов А.В. Разработка классификационной схемы способов очистки накопителей шламов и емкостей горных производств от твердого // Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2011. – С. 115-121.
Подписано в печать 20.01.2012 г.
Печать на ризографе. Бумага писчая. Формат 60х84 1/16.
Гарнитура Times New Roman. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ ___
Издательство УГГУ
620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30
ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»
Отпечатано с оригинал-макета
в лаборатории множительной техники издательства УГГУ
