Повышение эффективности эксплуатации водоотливных установок медноколчеданных рудников (стр. 2 )

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/(м2∙ч):

, (1)

где Δm – 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 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 ρ - 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 ΔΗкс в КС между сечениями I-I; II-II, (см. рис. 9) запишем выражение баланса количества движения:

, (3)

где υс; υ1; υ2 – 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 ΔНкс, 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 ξвх - коэффициент сопротивления входного участка в КС;

υ1max - максимальная скорость транспортируемого потока на входе в КС.

Коэффициент кавитации σ 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 , 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 . 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
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	ΔНкс=337 м
Диаметр КС	dкс=35,9 мм
Площадь поперечного сечения КС	fкс=0, 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 , получены уравнения, устанавливающие количественные зависимости удельного гидроабразивного износа элементов проточной части ЦНС(К) 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 и руда».

Основные научные результаты диссертации опубликованы

в следующих работах:

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных

журналах, входящих в перечень ВАК

1. Долганов состояние рудничного водоотлива при отработке медно-колчеданных месторождений Южного Урала // Горный информационно-аналитический бюллетень. – М.: МГГУ, 2009. – № 2. – С. 12-15.

2. Долганов электропотребления водоотливных установок подземных рудников медно-колчеданных месторождений Южного Урала // Горное оборудование и электромеханика– № 2. – С. 39-41.

Статьи, опубликованные в других изданиях:

3. , Долганов 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. , , Великанов водоотлив при отработке Учалинского месторождения // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. науч. тр. – Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГГУ», 2008. – С. 54-58.

5. , Великанов 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 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. , , Савельев исследования абразивного износа центробежных насосов // Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. – С. 195-203.

8. Долганов 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

0

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Отпечатано с оригинал-макета

в лаборатории множительной техники издательства УГГУ