CC BY
29
УДК 622.673.001
К ВОПРОСУ ОБОСНОВАНИЯ РАЦИОНАЛЬНОЙ ВЫСОТЫ СТУПЕНИ В МНОГОСТУПЕНЧАТЫХ СХЕМАХ ШАХТНОГО ВОДООТЛИВА
А. В. Угольников, Д. С. Стожков, С. В. Дмитриев
С понижением горных работ до глубины 1200-1600 м ступенчатость схем водоотлива может возрасти до 5-6. Следовательно, анализ и обоснование рациональной высоты ступени в таких схемах приобретают важное значение, особенно в условиях обводненных месторождений, при отработке которых расходы электроэнергии на водоотлив могут достигать половины общего расхода по шахте или руднику.
Ключевые слова: шахтный водоотлив; насосно-трубопроводная система; многоступенчатый водоотлив; рациональная высота ступени.
В практике проектирования и эксплуатации шахтного водоотлива глубоких горизонтов шахт и рудников все большее применение находят многоступенчатые схемы. Обусловлено это не только самим характером постепенного углубления горных работ, но и технической целесообразностью применения многоступенчатых схем, в которых не требуется высоконапорных насосов и арматуры, а электродвигатели имеют сравнительно небольшую мощность, что очень важно с точки зрения допустимой мощности короткого замыкания в системах подземного электроснабжения [1-4]. С понижением горных работ до глубины 1200-1600 м ступенчатость схем водоотлива может возрасти до 5-6. Следовательно, анализ и обоснование рациональной высоты ступени в таких схемах приобретает важное значение, особенно, в условиях обводненных месторождений, при отработке которых расходы электроэнергии на водоотлив могут достигать половины и более общего расхода по шахте или руднику (такой случай имеет место на шахтах ОАО «Севуралбокситруда»).
Уравнения баланса напоров на каждой ступени с числом К для приведенной на рис. 1 схемы могут быть записаны следующим образом:
[ лп1 + Яст (в)] - (2! - 2 2)+ни2 = *1-2 (в);
[*п2 + Нст (в)] - (22 - 2з ) + *П3 = *2-3 (в) ;
[*п.к + Нст (в)]-(2к-1 -2к)
+*п. к = *(к-1)-к (в) , (1)
где Нст(0 - напор насоса, принимаемый в условиях нашей задачи равным высоте ступени; Z - отметки глубин горизонтов (см. рис. 1); И,2 (0 - * _ к (0 - соответствующие по-
тери напора.
В данной системе уравнений неизвестными являются подпоры между ступенями (перед насосными агрегатами станций) Ип2. Ип3. ... и расход Qр воды по насосно-трубопроводной системе.
При почленном сложении уравнений получим следующее уравнение баланса напоров для всей рассматриваемой насосно-трубопроводной многоступенчатой системы:
[ *п, „ (в )]= к +
+ (гі -гк) + %-,)-, (в). (2)
где И И - подпоры перед первой ступенью и остаточный (избыточный) напор в конце трубопроводной системы. которые в условиях рассматриваемой задачи считаются известными.
Так как при почленном сложении всех уравнений (1) слагаемые И исключаются. то полученное уравнение (2) содержит пока одну неизвестную величину - расход 0р воды по всей многоступенчатой системе насосных станций. работающих по схеме из насоса в насос (рис. 1). При этом левая часть уравнения (2) представляет собой суммарную напорную характеристику Нст / (в) последовательно соединенных насосов всех ступеней. а правая часть представляет собой суммарную характеристику трубопровода. Следовательно. точка пересечения этих характеристик
(точка работы всей рассматриваемой насос- После определения величины Qр можно но-трубопроводной многоступенчатой систе- будет определить значения подпоров перед мы) является решением уравнения (2). насосами всех ступеней, а также значения
Н, Па
Рис. 1. Схема последовательной работы насосных агрегатов, расположенных на разных горизонтах:
а - схема водолива; б - Q-H, Q1-H1 - соответственно суммарная характеристика установки и насосов нижнего горизонта; Лі, Лпр - характеристика трубопровода нижнего горизонта и приведенная характеристика трубопровода всей установки
б
Q
давлений в линиях всасывания и нагнетания ступеней, что необходимо для оценки фактического кавитационного запаса насосов и для оценки достаточности выбранной толщины стенок трубопроводов.
Составление баланса напоров многоступенчатых схем с последовательным включением насосов необходимо также при решении вопросов рационализации числа ступеней, когда требуются значения подпоров кр на входе в насосные станции промежуточных ступеней, значения Н для каждой станции и общей избыточной напорности насосно-трубопроводной системы. При этом полный гидравлический расчет рассматриваемых схем водоотлива может быть осуществлен только
после того, как выбраны диаметры трубопроводов и число ступеней, определены места расположения насосных станций и выбрано насосно-силовое оборудование, решены вопросы оптимального разбиения общей высоты водоотлива по ступеням.
Решение этой задачи связано прежде всего с установлением зависимостей основных затрат на сооружение и поддержание всего насосно-трубопроводного каскада многоступенчатого шахтного водоотлива в функции высоты ступени. С учетом высоких цен на металл и того, что количество трубопроводных стволов, согласно Правилам безопасности, должно быть не менее двух, а на обводненных месторождениях обычно составляет 3-4,
38
Известия Уральского государственного горного университета
стоимость трубопроводов в общей сумме затрат на водоотлив может быть весьма значительной.
На шахтном водоотливе обычно применяются стальные бесшовные трубы с наружным диаметром от 89 до 530 мм и толщиной стенки от 2,5 до 20 мм. С увеличением высоты ступени Нст толщина стенок трубопроводов увеличивается, что ведет к увеличению затрат на сооружение или реконструкцию водоотливных установок, которые в общем виде могут быть представлены как
Стр Птр Пмрм/трHст ,
приобретение труб для одной ступени составляет
Сст Птр Пм /тррм H ст
- nKKn
к с тр м м
(H2 d н2)
, (4)
где Кк - коэффициент коррозии; К - коэффициент трубопроводного става.
Для любых конкретных условий все параметры в уравнении (4), кроме значения Нст, могут быть приняты постоянными, приводим его к виду, более удобному для анализа
(3)
Стр - АН ст - ВН с3т,
(5)
где рм - плотность материала труб; дм - цена единицы массы материала труб (с учетом транспортных и накладных расходов, ЕНС и взносов по обязательному страхованию от несчастных случаев); п - число трубопроводных ставов;/ - площадь поперечного сечения материала трубопровода.
Так как стоимость трубопроводов определяется их массой и ценой единицы этой массы (килограмма или тонны), то затраты на
где А, В - постоянные для конкретных условий (гидравлических и горнотехнических) подземного горного предприятия величины, учитывающие также число трубопроводных ставов в ступени,
A - Kс Птр gмPмdн
СТв СТв
Использование полученных зависимостей (1)-(5) может быть положено в основу определения рациональной высоты ступени Н по фактору затрат на трубопроводные ставы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Нечушкин Г. М. Состояние и проблемы водоотлива глубоких шахт // Водоотлив глубоких шахт. М.: Недра, 1967. С. 67-70.
2. Изюров В. В. Выбор оптимальной высоты ступени водоотлива для глубоких горизонтов шахт Кизеловского бассейна // Водоотлив глубоких шахт. М.: Недра, 1967. С. 79-81.
3. Мазуренко В. В. Исследование технологической схемы ступенчатого водоотлива глубоких шахт последовательного включенными насосами // Водоотлив глубоких шахт. М.: Недра, 1967. С. 84-87.
4. Попов В. М. Водоотлив с глубоких горизонтов в условиях Северо-Уральских бокситовых рудников // Вопросы горной электромеханики. М.: Недра, 1969. С. 55-62.
Поступила в редакцию 26 июня 2013 г.
Угольников Александр Владимирович - кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры электротехники. 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, Уральский государственный горный университет. E-mail: [email protected]
Стожков Дмитрий Сергеевич - ассистент кафедры электротехники. 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, Уральский государственный горный университет.
Дмитриев Сергей Владимирович - соискатель кафедры горной механики. 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, Уральский государственный горный университет.
