6.3. Схемы водоотлива и классификации водоотливных установок

Как видно из изложенного выше, конкретные задачи, выполняемые отдельными водоотливными установками дренажной системы горного предприятия, весьма различны. Это предопределяет разнообразие конструкций водоотливных установок, которые можно подразделить по двум основным призна­кам: назначению (значимости в единой дренажной системе шах­ты или карьера) и расположению основного оборудования отно­сительно осушаемого горного массива.

По назначению водоотливные установки подразделяют на главные (центральные), вспомогательные (участковые) и временные (проходческие).

Главные водоотливные установки предназначены для перехвата и откачки всего или большей части ожидаемого притока воды в горные выработки. При большой протяженности шахтных и карьерных полей может использоваться несколько главных водоотливных установок. Однако известны также примеры эффективного использования одной главной установки для откачки воды из дренажных систем группы близлежащих шахт.

Вспомогательные установки служат для местного водопонижения в отдельных забоях и для откачки воды с участков, расположенных ниже водосборника главной водоотливной установки или существенно удаленных от последней. Причем откачка воды может производиться или непосредственно на поверхность, или в водосборные сооружения главной водоотливной установки.

Временные установки используются на период проходки капитальных горных выработок строящегося предприятия или на период чрезвычайных ситуаций по водопритоку.

По расположению основного оборудования относительно осушаемого массива или способу сбора и откачки воды из него водоотливные установки можно подразделить на три группы: зумпфовые, скважинные и иглофилътровые.

Зумпфовые водоотливные установки (рис. 6.1), основное оборудование которых располагается вне осушаемого массива у водосборника относительно большой вместимости, являются наиболее распространенными на горных предприятиях. По ме­стоположению водосборника относительно дневной поверхно­сти зумпфовые водоотливные установки подразделяются на от­крытые и подземные, или шахтные. Первые применяются только для водоотлива на карьерах, а вторые — на шахтах и подземных рудниках, а также на карьерах при подземном спо­собе осушения карьерных полей.

Рис. 6.1. Схемы расположения насосов относительно приемного зумпфа.

В зависимости от расположения насосов относительно водосборника и уровня воды в последнем различают четыре типа зумпфовых водоотливных установок (см. рис. 6.1). Наиболее распространенными являются установки, в которых насосы рас­полагаются около водосборника выше уровня воды в приемном зумпфе (рис. 6.1, а). Насос 4 соединен с приемным зумпфом 1 посредством всасывающего трубопровода 3 и заборного наконечника 2, снабженного предохранительной сеткой, которая предотвращает попадание в насос крупных механических вклю­чений. При работе водоотливной установки вода перемещается по нагнетательному трубопроводу (ставу) 5 к водоотводному устройству 7 на поверхности, в которое она свободно изливается через сбросной наконечник 6.

Размещение насосов на высоте 4—5 м над уровнем воды в водосборнике и 1—1,5 м над почвой прилегающих к насосной камере горных выработок в определенной степени предохраняет насосную станцию от аварийного затопления и не требует спе­циальной гидроизоляции ее помещения. Однако для откачки во­ды с относительно большой глубины необходимы насосы с по­вышенной всасывающей способностью. У центробежных насо­сов, наиболее часто используемых на водоотливных установках, с увеличением номинальной производительности, как правило, уменьшается всасывающая способность. Кроме того, при таком расположении насосов необходима их предварительная заливка перед очередным пуском.

Откачка воды из затопленных шахт и открытых котлова­нов часто производится насосными станциями, располагае­мыми на плаву на специальных понтонах. По мере откачки воды и понижения ее уровня опускается и плавучая насосная станция. В таких случаях насосы соединяют с магистральным участком трубопровода при помощи гибких или шарнирно-поворотных труб.

Условия всасывания воды насосами значительно улучшаются при их расположении у водосборника ниже уровня воды в приемном зумпфе (рис. 6.1, б). Водоотливные установки с таким расположением насосов часто называют установками с заглубленными или погружными насосными станциями (ПНС). Помещение насосной станции в этом случае имеет специальную гидроизоляцию от водосборника 1 и близлежащих горных выработок.

Разновидностью предыдущего типа установок являются зумпфовые водоотливные установки с расположением насосов под водой или их погружением (рис. 6.1, в). При этом варианте используются специальные насосы с вертикальной ориентацией приводного вала. Крупные модели указанных насосов изготов­ляют с удлиненным приводным валом, обеспечивающим пере­дачу насосу 4 крутящего момента от двигателя 8, смонтированного над приемным зумпфом 1. Малые модели насосов, используемые на вспомогательных установках такого типа, имеют погружной электродвигатель, размещаемый вместе с насосом под водой в зумпфе на нагнетательном трубном ставе или на специальных подвесках (рис. 6.1, г).

Недостатком насосов погружного типа с удлиненным приводным валом является сложность их ремонтного обслуживания в стесненных условиях, в связи с чем в последнее время на во­доотливных установках подземного типа такое расположение насосов становится все более редким.

В зависимости от количества насосов в последовательном соединении водоотливные установки и системы водоотлива подразделяют на одноступенчатые и многоступенчатые (рис. 6.2). В первом случае (рис. 6.2, а) откачка воды из водосборника на поверхность обеспечивается одним насосным агрегатом. При многоступенчатых установках возможно размещение насосных агрегатов в одной насосной камере (рис. 6.2, б) или их рассредоточение по трассе трубопроводов. Причем рассредоточение может быть выполнено без разрыва сплошности потока воды (рис. 6.2, в) или с ее разрывом и применением промежуточного зумпфа-водосборника (рис. 6.2, г).

Рис. 6.2. Одноступенчатая (а) и многоступенчатые (б, в и г) схемы водоотлива.

Размещение последовательно соединенных насосов в одном помещении упрощает их обслуживание. Однако большинство применяемых в настоящее время насосов имеют ограничение по давлению на входе. Рассредоточение насосов улучшает условия работы их уплотнительных узлов. Применение промежуточного водосборника связано с дополнительными капитальными затратами. Вместе с тем его отсутствие приводит к более жесткой взаимозависимости последовательно соединенных насосных агрегатов и требует более внимательного обслуживания установки с необходимым соблюдением определенного режима пуска насосов.

В зависимости от местоположения в цепи аппаратов водоотливной установки насосы и насосные станции соответственно называют головными и перекачивающими. При больших водопритоках используют параллельное и смешанное со­единения насосов на головных и перекачивающих станциях водоотливных установок. При смешанном соединении в параллельную работу на общий нагнетательный трубопровод включается несколько пар последовательно соединенных насосов.

Рис. 6.3. Схемы скважинной (а) и иглофильтровой (б) водоотливных установок.

Скважинные водоотливные установки (рис. 6.3, а) применяются главным образом для предварительного понижения уровня подземных вод в горном массиве. На таких установках силовое насосное оборудование расположено непосредственно в осушаемом массиве, в котором пройдена скважина соответствующих размеров.

Сбор воды на скважинных установках перед ее откачкой на поверхность производится в водоносной толще горного массива посредством вертикальных скважин, пробуренных с поверхности. Обсадные трубы 2 скважины 1 на участке пересечения во­доносного горизонта заменены специальными фильтрами 5. Во­да через фильтр поступает в скважину, откуда насосом 4, смон­тированным на водоподъемном трубном ставе 6, откачивается в водоотводную канаву или трубный коллектор 8, в который по­дается вода от группы скважин. Насос погружен в воду, и его всасывающая магистраль формируется одним лишь заборным наконечником 3, Двигатель 7 насоса располагается на поверхно­сти, как это показано на рис. 6.3, а, или погружен в скважину вместе с насосом.

Наряду со специальным трубным ставом для подъема воды могут использоваться и обсадные трубы скважины. В последнем случае насос с двигателем и заборным наконечником подвешивается на специальном канате, а всасывающий и нагнетательный участки скважины разделяются при помощи специального гидроуплотнительного устройства.

Иглофильтровые водоотливные установки (см. рис. 6.3, б) в основном используются для предварительного водопонижения на небольших участках горных работ с ограниченной их глубиной. Основное силовое оборудование установки располагается на поверхности или в необводненной (осушенной) части горного массива, а сбор и подъем воды из скважины обеспечивается за счет разряжения, создаваемого у ее устья вакуум-насосным агрегатом. Таким образом, на иглофильтровых установках основная часть силового оборудования расположена вне осушаемого массива, а в скважину помещено только водозаборное устрой­ство.

Вакуумная магистраль 3 (рис. 6.3, б) насосного агрегата 4 соединена с коллектором 2, к которому подключено несколько иглофильтров 7, погруженных в горный массив. Кольцевая ма­гистраль 5 агрегата 4 замыкается через циркуляционный бак 6, обеспечивая непрерывную работу вакуум-насоса. В баке 6 про­исходит накопление воды и выделение воздуха, поступающего из скважины вместе с откачиваемой водой. Перелив бака отка­чивается насосом 7 по нагнетательному трубопроводу 8 к водо­отводным сооружениям.

На водоотливных установках с глубоким погружением иглофильтров разрежение создают у забоя скважины. Для этих целей используются водоструйные насосы, получающие энергию от силовых насосных агрегатов, установленных на поверхности или в горных выработках осушенной части горного массива.

По степени мобильности основного оборудования водоотливные установки подразделяются на стационарные, полустационарные и передвижные. К последним относят вспомогатель­ные установки, перемещаемые по мере продвижения забоев. Полустационарные установки изменяют свое местоположение периодически через относительно большие интервалы времени, по мере продвижения фронта горных работ в плане и по глубине разрабатываемого массива.

Способы преобразования энергии в насосах и их классификация

Насос, являясь основным силовым элементом водоотливной установки, предназначен для преобразования подводимой к нему энергии в гидравлическую энергию движущейся жидкости. В зависимости от вида подводимой и преобразуемой энергии на­сосы подразделяют на: тепловые, электрические (электрогидродинамические или электромагнитные, электроискровые и магнитострикционные) и механические.

На водоотливных установках в настоящее время применяются исключительно механические насосы, в которых механическая энергия твердого, жидкого или газообразного рабочего тела преобразуется в гидравлическую энергию транспортируе­мой жидкости. Поскольку насосы являются преобразователями энергии, в основу классификации механических насосов пола­гают энергетический признак, отражающий механизм передачи энергии от рабочего тела к транспортируемой жидкости, а также характер сил, преобладающих в этом преобразовательном меха­низме.

В процессе преобразования энергий в насосе на жидкость и в жидкости действуют в основном три вида сил: массовые, жидкостного трения и поверхностного давления. В зависимости от вида сил, преобладающих в рабочем процессе, механические насосы подразделяются на два класса: динамические и объемные (насосы давления).

К динамическим относятся насосы, в которых транспортируемая жидкость приобретает энергию под силовым воздейст­вием на нее в камере, постоянно сообщающейся с входным и выходным отверстиями насоса. Природой преобладающих сил в рабочем процессе динамических насосов является инерция или вязкость, а в большинстве случаев — инерция и вязкость одно­временно. По виду силового воздействия на жидкую среду в этом классе насосов выделяют две группы: лопастные насосы (турбомашины) и насосы трения.

Лопастные насосы. В этой группе насосов преобразование энергии и перемещение жидкости в проточных каналах осуще­ствляется за счет силового воздействия на нее вращающегося лопастного колеса. В зависимости от направления движения жидкости в межлопастных каналах по отношению к оси враще­ния лопастного рабочего колеса насосы этой группы подразде­ляют на три типа: центробежные (радиальные), диагональные (радиально-осевые) и осевые. К группе лопастных относят так­же вихревые насосы, рабочий процесс которых, как это будет подробно показано ниже, существенно отличается от упомяну­тых ранее трех типов лопастных.

Насосы трения. В насосах этой группы жидкая среда пе­ремещается под преимущественным воздействием сил трения, возникающих на контакте с движущимся рабочим телом. По ви­ду рабочего тела эти насосы подразделяются на следующие ти­пы: дисковые, черпаковые, вибрационные, шнековые, вихревые, свободновихревые, струйные (водоструйные и газоструйные) и эрлифты (воздушные подъемники). На горных предприятиях находят применение четыре последних типа насосов трения.

Объемными называют насосы, в которых жидкая среда пе­ремещается путем периодического изменения объема занимае­мой ею камеры, попеременно сообщающейся с входным и вы­ходным отверстиями насоса. В зависимости от формы движения рабочего органа этот класс насосов разделяют на две группы: возвратно-поступательные и ротационные (роторные) насосы.

Возвратно-поступательные насосы. Эта группа насосов имеет прямолинейное возвратно-поступательное движение ра­бочих органов независимо от характера движения ведущего зве­на. Для массовой подачи жидкостей и водогрунтовых смесей в условиях горных предприятий используются следующие типы возвратно-поступательных насосов: плунжерные, поршневые и диафрагменные.

В диафрагменном насосе роль вытеснителя выполняет одна из стенок рабочей камеры, изготовленная из резины. Вдавлива­ние резиновой диафрагмы в камеру и ее вытягивание осуществ­ляются периодически посредством толкателя с эксцентриковым приводом.

Ротационные насосы. В этой группе насосов изменение объема рабочих камер производится в процессе вращательного движения рабочего органа — ротора. Для подачи жидкостей в условиях горных предприятий используются три типа ротаци­онных насосов: винтовые, шланговые и пластинчатые.

На водоотливных установках горных предприятий в качест­ве основного силового оборудования преимущественное приме­нение получили лопастные насосы, имеющие мягкие напорные характеристики. Кроме того, лопастные насосы компактны, имеют небольшие габариты при относительно больших подачах и напорах, а также просты в эксплуатации.

Насосы трения имеют относительно жесткую по напору характеристику. Объемные насосы обладают, как правило, жест­кой по расходу напорной характеристикой. Развиваемое ими давление теоретически ничем не ограничено и зависит только от усилия, которое создается приводом на рабочем органе, а также от прочности конструкции насосов. Поэтому перекрытие нагне­тания при работающем объемном насосе является недопустимым.