8. Специальная часть проекта

1. Общие сведения о проектируемом участке

В условиях шахты при максимальной глубине ведения горных работ равной 1250 м и форме шахтного поля, имеющего большую длину по падению, чем по простиранию целесообразно принять ступенчатую схему водоотлива, при которой вода будет откачиваться с нижележащего горизонта на вышележащий до откачки воды на поверхность.

Нормальный приток воды в шахте Q_Н=370 м³/ч; максимальный приток – Q_М=440 м³/ч. Вода с повышенной кислотностью.

2. Расчёт и выбор необходимого оборудования

Выбор насоса

В условиях шахты при максимальной глубине ведения горных работ равной 1250 м и форме шахтного поля, имеющего большую длину по падению, чем по простиранию целесообразно принять ступенчатую схему водоотлива, при которой вода будет откачиваться с нижележащего горизонта на вышележащий до откачки воды на поверхность.

Нормальный приток воды в шахте Q_Н=370 м³/ч; максимальный приток – Q_М=440 м³/ч. Вода с повышенной кислотностью.

Рассчитаем насосную установку, водосборник и трубопровод камеры главного водоотлива, откачивающую общешахтный приток воды с горизонта 495 м непосредственно на поверхность. Насосная камера главного водоотлива будет располагаться в комплексе околоствольного двора.

Требуемая расчётная подача насоса

Q_Р=24*Q_Н/16=24*370/16=555 м³/ч

Геометрический напор

H_Г=H+H_ВС+H_П;

где H_ВС – ориентировочная геометрическая высота всасывания, м

H_П – превышение труб над уровнем устья ствола шахты.

Тогда

H_Г=495+3+2=500 м

Ориентировочный напор насоса определим по формуле:

H_ОР=1,1*H_Г=1,1*500=550 м

Предусматривается установка 4-х насосов ЦНС 300-600, имеющих в оптимальном режиме подачу Q_ОПТ=600 м³/ч (при работе двух насосов одновременно по параллельной схеме) и напор H_ОПТ=600 м, при напоре на одно рабочее колесо H_К=60 м. Напор одного рабочего колеса при нулевой подаче H_К.О=67 м.

Необходимое число последовательно соединённых рабочих колёс одного насоса:

Z_К=H_ОР/H_К=550/60=9,16

Принимаем Z_К=10.

Напор насоса при нулевой подаче

H₀=Z_К*H_К.О=10*67=670 м

Проверка по условию устойчивой работы:

H_Г < 0,95*H₀=0,95*670=636,5 м,

500 < 636,5

Условие выполняется.

Расчёт трубопровода

Предусматриваем оборудование водоотливной установки двумя напорными трубопроводами. Составляем схему трубопровода.

В насосной камере трубопровод прокладывается по схеме

(рис. 4.2.1), предусматривающей наличие в стволе двух напорных ставов 1 и 2 (рабочий и резервный) закольцованных в насосной камере коллектором 3. Каждый из трёх насосов (№1, №2 и №3) имеет свой подводящий трубопровод 4. Напорные трубопроводы 5 насосов снабжены обратными клапанами 6 и подсоединены к коллектору. Посредством управляемых распределительных задвижек 7 насос может быть соединён с любым напорным ставом. По трубе 8 с помощью задвижек 9 можно выпустить воду в колодец 10 из ставов 1 и 2 в случае их ремонта. Крепление труб к стенкам камеры производится на закреплённых в этих стенках кронштейнах или балках.

Рисунок 8.1 – Схема шахтного водоотливного трубопровода

Длина подводящего трубопровода l_П=13 м, в его арматуру входят: приёмная сетка с клапаном и три колена.

Длину напорного трубопровода определим из выражения:

l_н = Н_Г/sin α+l₁+l₂+l_3\;

где α – угол наклона ствола шахты, ⁰

l₁ – длина труб в насосной камере от наиболее удалённого насоса до трубного ходка (для типовых камер l₁=20...30 м);

l₂ – длина труб в наклонном ходке (l₂=15...20 м);

l₃ – длина труб на поверхности от ствола до места слива, (берётся из проекта поверхности шахты до 150 м или, при его отсутствии, принимается равной 15...20 м);

l_н =500/sin 22⁰+30+20+20=1341,5+30+20+20=1411,5 м

Таким образом длина напорного трубопровода l_Н=1412 м; его арматура: одна задвижка, один обратный клапан, девять колен и один тройник.

Оптимальный диаметр напорного трубопровода определим по формуле:

d_ОПТ=k*0,0131*Q^0,476;

где k – коэффициент, зависящий от числа напорных трубопроводов (при двух трубопроводах k=1).

Тогда

d_ОПТ=1*0,0131*600^0,476=0,275 м

Принимаем трубы с наружным диаметром 299 мм [4, с.397].

При определении требуемой толщины стенки по формуле (4.44) принимаем срок службы трубопровода T=10 лет, материал труб – сталь 20, давление у напорного патрубка p=6 МПа.

Толщину стенки трубопровода определим по формуле:

δ=100*(k₁*D*p+(α₁+α₂)*T)/(100-k_С);

где k₁ – для стали 20: k₁=2,27;

D – наружный диаметр трубы, м;

p – давление в нижней части колонны труб, МПа

α₁ – скорость коррозионного износа наружной поверхности труб (при ведении взрывных работ в шахте α₁ =0,25 мм/год);

α₂ – скорость коррозионного износа внутренней поверхности труб (для воды с повышенной кислотностью, как в нашем случае α₂=0,4);

T – срок службы трубопровода, лет;

k_С – коэффициент, учитывающий минусовый допуск толщины стенки, %

По ГОСТ 8732–78 для труб обычной точности изготовления при толщине стенки до 15 мм: k_С=15 %, при толщине стенки от 15 до 30 мм: k_С=12,5 %.

Подставим числовые значения и определим толщину стенок труб:

δ=100*(2,27*0,299*6+(0,25+0,4)*10)/(100-12,5)=12,08 мм

Принимаем толщину стенки δ=12 мм.

Таким образом, окончательно принимаем для напорного трубопровода трубы бесшовные горячедеформированные (ГОСТ 8732–78) с внутренним диаметром d_Н=275 мм и толщиной стенки δ=12 мм.

Диаметр подводящего трубопровода для большей надёжности всасывания принимают на 25...50 мм больше напорного. Для подводящего трубопровода принимаем трубы с наружным диаметром 325 мм и внутренним диаметром d_П=301 мм.

Скорость воды в подводящем трубопроводе по формуле:

U_П=4*Q/(π*d_П²)=4*300/(3600*3,14*0,301²)=1,17 м/с

То же в напорном трубопроводе:

U_Н=4*Q/(π*d_Н²)=4*600/(3600*3,14*0,275²)=2.8 м/с

Коэффициент гидравлического трения в подводящем трубопроводе определяется по формуле:

λ_П=0,021/d_П^0,3=0,021/0,301^0,3=0,0301

То же в напорном трубопроводе:

λ_Н=0,021/d_Н^0,3=0,021/0,275^0,3=0,0309

Принимая значения коэффициентов местных сопротивлений, определяем суммарные потери напора в подводящем трубопроводе:

Σh_П=(λ_П*l_П/d_П+∑ξ_П)*u_Н²/(2*g);

где ∑ξ_П – суммарное значение коэффициентов местных сопротивлений в зависимости от типа арматуры и фасонных частей трубопровода принимают по приведённым ниже данным.

Таким образом:

Σh_П=(0,0301*13/0,301+4,5+0,6*3)*1,17²/(2*9,81)=0,53≈1 м

То же в напорном трубопроводе

Σh_Н=(λ_Н*l_Н/d_Н+∑ξ_Н)*u_Н²/(2*g);

Σh_Н=(0,0309*1411,5/0,275+0,26+10+0,6*9+1,5)*2,8²/(2*9,81)=70,23≈70 м

Напор насоса:

H=H_Г+Σh=500+71=571 м

Характеристика трубопровода строится в соответствии с формулой:

H=H_Г+R*Q²;

где R – постоянная сети;

Постоянная сети R определяется из выражения:

R=H-H_Г/Q²=Σh/Q²=71/600²=0,000197

Следовательно:

H=500+0,000197*Q²

Результаты расчётов по этому выражению приведены ниже:

	0	¼ Q	½ Q	¾ Q	Q	5/4 Q
Q, м3/ч	0	150	300	450	600	750
H, м	500	504	518	540	571	611