автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Разработка и обоснование способов повышения энергоэффективности насосного оборудования комплексов шахтного водоотлива

На правах рукописи

ГОРЕЛКИН Иван Михайлович

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ НАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ КОМПЛЕКСОВ ШАХТНОГО ВОДООТЛИВА

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014

005555589

005555589

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Александров Виктор Иванович

Официальные оппоненты:

Тимухин Сергей Андреевич - доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», кафедра горной механики, профессор

Чесноков Павел Сергеевич - кандидат технических наук, ЗАО «Механобр инжиниринг», главный инженер проекта

Ведущая организация - ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» Институт горного дела, геологии и геотехнологий

Защита диссертации состоится 30 сентября 2014 г. в 16 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-линия, д.2, ауд. 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте 1Шр:/Лул\лу.8р1т.ги

Автореферат разослан 11 июля 2014 года

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

ФОКИН Андрей Сергеевич

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Системы шахтного водоотлива являются неотъемлемым и наиболее энергоемким технологическим процессом при добыче полезного ископаемого, обеспечивающим безопасность и возможность работоспособности всей горной выработки. На многих обводненных шахтах с коэффициентом водообильности больше единицы количество перекачиваемой шахтной воды превышает количество добываемого полезного ископаемого. Одной из причин высокой энергоемкости шахтного водоотлива является загрязненность шахтной воды механическими примесями в виде угольной и породной просыпи, содержание которой достигает 10-20% по объему перекачиваемой жидкости.

Повышение энергетической эффективности систем шахтного водоотлива непосредственно связано с необходимостью применения на добычных горизонтах и участках гидромеханизированных устройств для удаления из шахтной воды твердой составляющей. Такая технология шахтного водоотлива позволяет уменьшить величину потребного напора насосных агрегатов, способствует повышению надежности эксплуатации оборудования и трубопроводов и их рабочего ресурса. Существующие методы очистки шахтной воды в системах главного водоотлива не позволяют достичь необходимого качества шахтной воды. Водосборники и отстойники, устанавливаемые в системах главного водоотлива, очищают шахтную воду лишь от самых крупных частиц, при этом требуют периодической очистки от заиления. Применяемые методики расчета систем шахтного водоотлива в основном не учитывают присутствия в шахтной воде механических частиц. В связи с этим, шахтные насосы работают на повышенных напорах.

Основным источником загрязненной шахтной воды являются участковые водоотливные установки, в работе которых не предусмотрены технологические операции по очистке шахтной воды.

Снижение энергопотребления в системах водоотлива угольных шахт и рудников является актуальной задачей и требует дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.

Цель работы - снижение энергопотребления на основе комплексной очистки шахтной воды от механических примесей на участковых выработках.

Идея работы - удаление из шахтной воды твердых частиц непосредственно на участковых системах шахтного водоотлива позволит снизить общий напор в трубопроводной системе, уменьшить энергопотребление шахтными насосными установками, что приведет к уменьшению нагрузки насосных установок в системах главного водоотлива.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методику расчета систем шахтного водоотлива и выбора насосного оборудования и трубопроводов с учетом свойств перекачиваемой шахтной воды, определяемых наличием в объеме воды механических твердых частиц различной крупности и концентрации.

2. Теоретически и экспериментально обосновать способы очистки шахтной воды от механических примесей непосредственно на участковых системах шахтного водоотлива.

3. Выполнить сравнительную оценку эксплуатационной и энергетической эффективности систем шахтного водоотлива существующих и разработанных по усовершенствованным методикам расчета.

4. Разработать рекомендации для внесения изменений в нормативную документацию по расчету и эксплуатации насосного оборудования в системах шахтного водоотлива.

Методы исследований - теоретические и экспериментальные исследования с применением классических уравнений гидромеханики, методов математической статистики и регрессионного анализа.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Математическая модель и алгоритм расчета систем шахтного водоотлива, устанавливающие функциональные зависимости напорных характеристик шахтных насосов от удельных потерь напора и реологических свойств шахтной воды (начальное напряжение сдвига, скорость сдвига, эффективная вязкость), как функции концентрации твердой фазы в перекачиваемом потоке шахтной воды.

2.Теоретическое обоснование способа снижения энергопотребления шахтными насосными установками применением гравитационных сгустителей-осветлителей пластинчатого типа на участковых выработках и горизонтах для очистки шахтной воды от взвешенных твердых частиц.

Научная новизна:

1.Разработана математическая модель и алгоритм расчета систем шахтного водоотлива с учетом реологических свойств шахтной воды и наличия в ней механических примесей.

2. Установлена зависимость энергоемкости процесса перекачки шахтной воды в системах шахтного водоотлива от концентрации твердой фазы и реологических характеристик потока.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются теоретическими исследованиями, результатами лабораторных экспериментов; сопоставлением теоретических и экспериментальных результатов, с применением методов математической статистики и регрессионного анализа. Сходимость теоретических и экспериментальных данных не менее 85-95%. На всех этапах экспериментальных работ определялись относительные погрешности и среднеквадратичные отклонения величин.

Практическая значимость работы:

- разработанный гидромеханизированный комплекс по очистке шахтных вод позволяет максимально эффективно разделять фазы загрязненной шахтной воды, что обеспечивает снижение энергопотребления насосными установками и повышает энергетическую эффективность шахтного водоотлива.

разработанная расчетная методика систем шахтного водоотлива, позволяет на стадии проектирования и в условиях эксплуатации прогнозировать энергопотребление шахтными насосными установками и оптимизировать расчетные параметры системы шахтного водоотлива по наименьшей величине энергоемкости процесса.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты докладывались и обсуждались:

- на конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение», Санкт-Петербург, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», апрель 2011,2012,2013;

- на межкафедральных семинарах Механического факультета Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Личный вклад соискателя: 1. Анализ состояния проблемы снижения энергопотребления

шахтными водоотливными установками.

2. Вывод теоретических зависимостей удельных потерь напора от реологических характеристик шахтной воды.

3. Обоснование способа снижения энергопотребления шахтными насосными установками.

4. Проведение экспериментальных исследований и обработка опытных данных.

Публикации: основные результаты диссертационной работы опубликованы в 4 публикациях, в том числе 3 публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения списка литературы из 95 наименований, содержит 32 рисунка и 23 таблицы и 2-х приложений, общим объемом 197 страниц печатного текста.

Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе приведен анализ современного состояния систем шахтного водоотлива, выявлены характерные особенности применяемых методов расчета. Установлены основные причины высокой энергоемкости процесса и завышенных напорных характеристик применяемых шахтных насосов

Во второй главе приведены теоретические исследования течения шахтной воды по трубопроводам. Предложена и рассмотрена гипотеза о зависимости энергетических характеристик шахтной воды от наличия взвешенных твердых частиц. Установлены функциональные зависимости определяющих реологических параметров от концентрации твердых частиц.

В третьей главе дана характеристика экспериментальных стендов, описана методика проведения экспериментов. Приведены результаты экспериментов с анализом опытных данных. Выполнена проверка адекватности полученных результатов и приведены данные по сходимости теоретических и экспериментальных результатов.

В четвертой главе разработана методика инженерного расчета систем шахтного водоотлива. Приведены сравнительные данные по напорным характеристика шахтных насосов, выбранных по применяемым расчетным методикам, и по предложенной методике. Разработан алгоритм и программа расчета систем шахтного водоотлива на основе учета реологических характеристик шахтной воды и

предварительного осветления исходного потока от механических примесей.

В заключении обобщены основные результаты диссертационной работы и предложены рекомендации для внесения в нормативную документацию по проектированию и эксплуатации систем шахтного водоотлива на шахтах и рудниках.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Математическая модель и алгоритм расчета систем шахтного водоотлива, устанавливающие функциональные зависимости напорных характеристик шахтных насосов от удельных потерь напора и реологических свойств шахтной воды (начальное напряжение сдвига, скорость сдвига, эффективная вязкость), как функции концентрации твердой фазы в перекачиваемом потоке шахтной воды.

Анализ состояния водоотлива на подземных шахтах и рудниках показал, что напоры шахтных насосов завышенные. Этой проблеме уделялось значительное внимание во многих исследованиях и основоположниками шахтного водоотлива (В.М.Попов, В.Г. Гейер и др.). Причиной является значительное содержание твердых частиц в перекачиваемой шахтной воде. Устройства для осаждения твердых частиц (в основном отстойники) применяются, как правило в системах главного водоотлива, тогда как основными источниками загрязненной шахтной воды являются участковые системы водоотлива, на которых не предусмотрены какие-либо очистительные устройства.

Энергетическую эффективность систем шахтного водоотлива можно определить по величине удельной энергоемкости, по формуле:

Е = ^ = ^ = КеРьёН = Кв?^Ьпр, (1)

rt.ll п.и

где Е - удельная энергоемкость, кВт-ч/т; Сп и - производительность шахты (участка) по горной массе, т/ч; Р- давление насосных установок, кПа; Кв - коэффициент водообильности; р/; - плотность

шахтной воды, кг/м3; - удельные потери напора в трубопроводе, м вод. ст./м; Ьпр - приведенная длина трубопроводов, м.

Формула (1) показывает, что действенным средством снижения удельной энергоемкости систем шахтного водоотлива является

уменьшение удельных потерь напора (/Л) при трубопроводном транспортировании шахтной воды, содержащей значительное количество твердых частиц. Применяемые расчетные методики не учитывают присутствия твердых частиц в перекачиваемой шахтной воде, а в расчетные формулы вводится параметр относительной плотности (1,02), что приводит к увеличению потерь напора лишь на 2% в сравнении с перекачкой чистой жидкости. Фактические же потери напора намного превышают расчетные значения. На рисунке 1 приведены расчетные и фактические значения напорных характеристик насоса и трубопровода

Рябовдехиряктернаикн __ _

Рисунок 1 - Расходно-напорные характеристики шахтного насоса при работе на шахтной воде и на чистой жидкости

Взвешенные в шахтной воде твердые частицы изменяют ее структуру и в зависимости от концентрации в той или иной степени проявляются реологические свойства, определяемые начальным напряжением сдвига, эффективной вязкостью, скоростью сдвига и другими реологическими параметрами. Для снижения влияния реологических параметров на величину удельных потерь напора необходимо производить очистку шахтной воды непосредственно в условиях участковых систем водоотлива

Энергетические характеристики шахтных центробежных насосов определяются кинематикой потока в проходных каналах рабочего колеса. Наличие твердой фазы в перекачиваемой жидкости влияет на величину теоретического напора насоса и приводит к увеличению потребляемой мощности в соответствии с формулами

Нт.шв о

/

с2 и \ — "

с2щ )

(1)

Nиш Нт швР швёОшв' (2)

где Нтшв,Ышв- теоретический напор и мощность насоса при работе на шахтной вод; Нт 0 - теоретический напор на чистой воде; с - массовая концентрация твердых частиц в шахтной воде; с9„ ,

^"те

с2и0 ~ касательные составляющие скорости выхода потока шахтной

воды с лопаток рабочего колеса; ршв, дшв - плотность и расход шахтной воды; g - ускорение силы тяжести.

Мощность насоса и развиваемый напор расходуются на преодоление сопротивлений движению шахтной воды в нагнетательном трубопроводе. В работе показано, что общий запас энергии определяется балансовым уравнением

Е = Б + Т, (3)

где Е - общий запас энергии потока шахтной воды; £) - часть энергии, расходуемая в некоторой точке объема; Т - часть энергии, расходуемая на взвешивание твердых части в пульсационном потоке.

Теоретический анализ формулы (3) приводит к обобщенной формуле потерь напора при течении шахтной воды

'шв=' о+Д*. (4)

гДе 'шв > 'о" потери напора (энергии) на перемещение шахтной воды и

чистой воды по трубопроводу; А/ = 5Ъ- ¡шв - дополнительные

Р те

потери напора, расходуемые на взвешивание твердых частиц в потоке шахтной воды.

На рисунке 2 приведен график составляющих уравнения (4), из которого следует, что потери энергии складываются из двух составляющих: на движение чистой жидкости и движение твердой фазы потока.

Для описания течения шахтной воды с мелкими частицами в работе была исходили из модели течения вязкопластичной жидкости, модели Шведова-Бингама, устанавливающей зависимость напряжений сдвига при течении жидкости от скорости сдвига,

0,01

= *0 + гЪф

аг

(5)

0,01 0.1 1 Концетрация, с м

Рисунок 2 - Потери напора при течении шахтной воды

Потери напора зависят от концентрации твердых частиц и от их крупности. Мелкие частицы твердого материала свободно взвешены в потоке шахтной, а дополнительные потери напора Д/ —> 0. В этом случае шахтную воду необходимо рассматривать, как однородную (гомогенную) жидкость с плотностью большей, чем плотность чистой волы.

Решение уравнения (5) относительно удельных потерь напора при течении шахтной воды приводит к выражению

• 32 1 Уср = 64 УсР (ф

'шв ~Яе ~ {\-о)-11е' 2gD,

где ст = — - относительное напряжение сдвига; Яе - число Рейнольдса; т

Уср - средняя скорость течения шахтной воды в трубопроводе. 64

Величина 7-г-= Ха - коэффициент гидравлических

сопротивлений. Полученная формула (6) отличается от классической формулы потерь напора Дарси-Вейсбаха наличием параметра а, учитывающим реологические свойства шахтной воды. Формула (6) получена из условия ламинарного режима течения, когда Яе < 2320.

Особенностью полученных расчетных формул является то, что все основные параметры являются функцией концентрации твердых частиц и следовательно потери напора при течении шахтной воды определяются функцией /шв

= /{с ов), где соб- объемная концентрация твердых частиц в шахтной воде. Для установления вида функций были выполнены экспериментальные исследования.

Математическая модель сводится к следующим основным уравнениям:

потери напора -

; _nRe[yi0exp{9,9mc0r)fc2n6ps

0.27g[co6(ps - Р„,)+ P>v]

2.57 Re4[\i0exp(9,933c06)4c06ps

относительное напряжение -

а =_c;f еле/? 4,8 9_

" с»7 ex/;4,89 + ^(9,933сой )Г

Vcp="

01\с2об{Р* -Рн^+Ри]5

диаметр трубопровода -

д=4бш,кб(р, -Рн) + Рн]. пЯе^0ехр{9,9ЪЪс05) средняя скорость потока -

л Не1 \ехр{9,9ЪЪса~ )]2

4й„в[с00-(р, -рн,)+Ри.]2 ' где р5 - плотность твердых частиц, кг/м3; ри, - плотность воды, кг/м3; ц0 - динамический коэффициент вязкости чистой воды; <2шв - расход шахтной воды, м3/с.

2. Теоретическое обоснование способа снижения энергопотребления шахтными насосными установками применением гравитационных сгустителей-осветлителей пластинчатого типа на участковых выработках и горизонтах для очистки шахтной воды от взвешенных твердых частиц.

Для снижения влияния твердых частиц на затраты энергии при течении шахтной воды в работе предложено применить специальное устройство - сгуститель-осветлитель пластинчатого типа. Был выполнен теоретический анализ работы пластинчатого сгустителя-осветлителя и разработана обобщенная методика расчета. Исходным параметром в расчетной методике является число Рейнольдса (Яе) потока шахтной воды в межпластинных каналах аппарата и число Фруда (Рг), характеризующее стабильность потока: Н„V- у2 ,

Яе = —< 400; Рг = —— <5-10, (7)

где Нр - расстояние между пластинами; ус - скорость потока смеси в каналах сгустителя-осветлителя; V - кинематическая вязкость шахтной воды, м2/с; - гидравлический радиус каналов; g - ускорение силы тяжести.

На основе разработанной методики разработан вариант оптимального по технологическим и конструктивным параметрам сгустителя-осветлителя и произведен расчет для заданного расхода шахтной воды и концентрации твердых частиц, рисунок 3.

Адекватность расчетных формул и методики расчета трубопроводного транспортирования шахтной воды проверялась по результатам экспериментальных исследований. Основной задачей экспериментальных работ было установление зависимости реологических характеристик шахтной воды от величины концентрации твердых частиц и опытное определение гидромеханических характеристик центробежного насоса, к которым относятся зависимости напора, мощности и КПД от расхода насоса при различных концентрациях твердых частиц в потоке шахтной воды. Опытные данные обрабатывались методами математической статистики и определялась область использования результатов и адекватность теоретических зависимостей. Для приготовления шахтной воды использовался осадок зумпфа главного водоотлива шахты Заполярная ОАО «Воркутауголь». Были приготовлены пять вариантов шахтной воды, различающиеся содержанием твердых частиц. Методом рассева на ротапе через набор стандартных сит определялся гранулометрический состав твердых частиц.

По результатам рассева строилась дифференциальная кривая гранулометрического состава твердых частиц, рисунок 4. Было

Рыгнут* | (> = одавм3,'е Сх=П.4кг<с

Рисунок 3 - Расчетная схема пластинчатого сгустителя-осветлителя шахтной воды

установлено, что твердые частицы представлены в основном мелкими классами крупности (-0,044 - 73,4%). Средневзвешенный диаметр частиц с/о = 0,038 мм.

С помощью пикнометра была определена плотность твердого материала [ртв =2400 кг / м 3 ). Был выполнен седиментационный анализ твердых частиц и построены седиментационные характеристики по времени осаждения твердых частиц в зависимости от концентрации, рисунок 5.

Рисунок 4 - Дифференциальная кривая Рисунок 5 - Седиментационные гранулометрического состава кривые твердой фазы в шахтной

твердой фазы шахтной воды воде

Из анализа седиментационных кривых следует, что шахтная вода с увеличением концентрации твердой фазы становится все более устойчивой к расслоению. С ростом концентрации все меньшая часть выпадает в осадок, скорость осаждения уменьшается, и твердые частицы более равномерно распределяются по объему смеси. В ходе экспериментов определялась средняя гидравлическая крупность твердых частиц с учетом влияния формы частиц. В результате получена расчетная формула гидравлической крупности

Ь Ъ -{Рте ~Ро)-'"2 ,,/„ ПГЛ

юд=«ф-®р=«ф--9 ц р-

Результаты экспериментов обрабатывались методом наименьших квадратов с получением уравнения регрессии. Реологические характеристики шахтной воды с различной концентрацией твердых частиц выполнялись на автоматическом универсальном ротационном вискозиметре Ш1ео1ез1 ЯК 4.1 (рисунок 6),

13

предназначенного для определения динамической вязкости и других реологических характеристик ньютоновских и неньютоновских жидкостей при различных скоростях сдвига. В процессе экспериментов определялась зависимость напряжения сдвига от градиента скорости сдвига для различных концентраций твердых частиц в объеме исследуемой смеси. Графические зависимости (рисунок 7) показывают, что исследованные смеси при течении в зазоре вискозиметра на всех концентрациях твердых частиц, проявляют свойства неньютоновских жидкостей и соответствуют линейному уравнению (5).

Рисунок 6 - Ротационный Рисунок 7 - Зависимость напря-

вискозиметр ЛЫ 4.1 жения сдвига от градиента

скорости для шахтной

Вязкость шахтной воды, определяемая как тангенс угла наклона кривой, описывается степенной функцией

г) = ц • екс°6 , Па'С, (11)

где ц = 1,017 • 10 ^ - динамический коэффициент вязкости чистой воды при температуре 17°С, Па к - показатель степени (для экспериментов на вискозиметре равнялся 0,04076); соб - объемная концентрация твердых частиц.

Из графиков (рисунок 7) видно, что продление кривых до пересечения с осью напряжений позволяет установить величину начального напряжения сдвига Т0.

Для определения энергетических характеристик процесса перекачки шахтной воды проводились эксперименты на специальном трубопроводном стенде, рисунок 8. Приготовленная шахтная

вода с заданной концентрацией твердых частиц перекачивалась по трубопроводу с помощью центробежного насоса ЦН20/18-У2 производительностью 20 м3/ч. Регулирование подачи производилось краном на входе в трубопровод. Из трубопровода жидкость поступала в измерительный бак для измерения расхода, а затем обратно в расходный бак объемом 200 л. Измерительный участок для двух диаметров трубопроводов составлял 2,2 м. Измерение давления производилось пьезометрами и манометром. Потребляемая электродвигателем энергия измерялась прибором с ваттметром, с амперметром и вольтметром.

Рисунок 8 - Общий вид экспериментального стенда: 1 - расходный бак, 2 - мерная емкость, 3 - насос НС 20/18,4 - задвижка, 5- трубопроводы

(Б = 40 и 50 мм), 6 - пьезометр Результаты экспериментов приведены на графиках зависимости потерь напора от скорости течения шахтной воды и концентрации твердых частиц, рисунок 9.

Рисунок 9 - Потери напора в функции средней скорости потока шахтной воды и концентрации твердых частиц

Результаты замеров потерь напора, приведенные в виде графиков на рисунке 9, позволяют определить реологические характеристики этих смесей, если учесть, что в общем виде напряжения сдвига пропорциональны потерям напора и диаметру трубопровода, а градиент скорости сдвига пропорционален средней скорости потока и обратно пропорционален диаметру трубопровода

На рисунке 10 приведены графики изменения напряжения сдвига в функции градиента скорости сдвига в ламинарной области течения для всех исследованных смесей и диаметров труб. Пунктир-

Рисунок 10 - Реологические характеристики шахтной воды по результатам экспериментов на трубах

Из графиков видно, что угол наклона кривых течения увеличивается с ростом концентрации. В области ламинарного режима экспериментальные точки напряжений сдвига, для смесей с равной концентрацией, ложатся на одну прямую для обоих трубопроводах. По результатам экспериментов были определены расчетные формулы для эффективной вязкости шахтной воды ■х\эф, начального

напряжения сдвига т0 и относительного напряжения сдвига ст = —

X

при изменении концентрации твердых частиц:

цэф =1,017-е9дас°%Па-с;

(12)

Результаты экспериментов позволили определить характер изменения коэффициента гидравлических сопротивлений, входящего в формулу (6) и величину потерь напора, рисунок 11.

16

■с

2,57 .

- ехр

2,17-10"

В

-10

0.6 ^ 0.5 I 0.4

0,64

I0'3 ^ 0.2 •3,

0.1

о

о

0 0.4 0.3 1.2 1.6 2 Средняя скорость потока, м с

0.6 0.6Э 0.75 О.Э4 0.92

Рисунок 11 - Изменение коэффициента гидравлических сопротивлений (а) и потерь напора по данным опыта и расчета (1,3- опытные данные, 2,4- теоретическая формула)

Экспериментальные исследования процесса осветления шахтной воды проводились на лабораторном образце пластинчатого сгустителя осветлителя. В ходе экспериментов измерялась высота сгущенного слоя в нижней части сгустителя-осветлителя через прозрачную вставку. По характеру изменения высоты сгущенного слоя определялась стабильность режима работы аппарата. Опытные данные по содержанию твердых частиц в сливе и разгрузке использовались для определения эффективной площади сгущения по исходному, сгущенному и сливному продуктам. Производились замеры исходного потока исследуемого состава шахтной воды. Содержание твердых частиц составляло около 15% по объему смеси Сисх. Производительность загрузочного насоса (поз. 13 на схеме, рисунок 12) составляла около 5 л/мин, что соответствовало 5-КГ3 м3/мин. или 0,3 м3/ч (0ЖХ)- Производительность системы по твердому материалу ( Ятв) составляла около 0,25-103 м3/мин (0,675 кг/мин).

На рисунке 12 приведена кривая изменения содержания твердых частиц в сливной воде при изменении концентрации твердого в сгущенном продукте лабораторного сгустителя. Графики построены по экспериментальным данным.

Эксперименты, выполненные на лабораторном гидравлическом стенде, дали возможность построить гидромеханические характеристики системы насос-трубопровод при транспортировании

шахтной воды с различной степенью загрязненности твердыми механическими примесями, рисунок 14.

2.9

Разгрузка

-Ч

1400 4

5

11?(1 ó о 32

А &

в- 5

843 га § 2Д

3 ■

р í

560 а £ 1Л

I а

« I

280 а. ч ^ 0.8

12 3 4

Концентрация в ригрузк».

Рисунок 12 - Изменение содержания твердых частиц в разгрузке сгустителя-осветлителя и в сливе при изменении концентрации сгущенного продукта

с„=« íT

I нж{0> [ ы Л.'.исз»

§ ! fWQ) i

щ

J....... /ГЦ

подача насоса, и-ч

Рисунок 13 - Гидромеханические характеристики грунтового насоса при работе на экспериментальных смесях (красные линии - работа насоса на воде; синяя линия - кривая регулирования при

Опытные и расчетные данные подтверждают гипотезу, что с увеличением концентрации твердой фазы величина мощности и фактически энергоемкости процесса шахтного водоотлива снижается. На графиках рисунка 14 видно, что при увеличении концентрации рабочая точка системы смещается в сторону меньших мощностей. Были получены экспериментальные формулы для напора насоса, его мощности, КПД и параметра, характеризующего эффективность выбранного типоразмера насоса.

В работе приведены конкретные примеры расчета системы шахтного водоотлива для шахты Заполярная ОАО «Воркутауголь» и рудника «Северный глубокий» (система главного водоотлива). Приведены обобщающие зависимости, описана математическая модель и алгоритм расчета систем шахтного водоотлива. Для участковых систем разработан гидромеханизированный комплекс для предварительного осветления шахтной воды и удаления из потока твердых частиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты выполненной диссертационной работы можно свести к следующим основным положениям:

1. Анализ состояния проблемы снижения энергопотребления шахтными водоотливными установками показал, что существует значительный резерв экономии электроэнергии за счет предварительной очистки шахтной воды от механических примесей непосредственно на добычных участках и горизонтах.

2. Существующие и применяемые методы расчета систем шахтного водоотлива в основном не учитывают присутствия в шахтной воде механических частиц. В связи с этим, шахтные насосы работают на повышенных напорах. Различные мероприятия по оптимизации работы шахтного водоотлива не приводят к существенному улучшению напорных характеристик и эксплуатационной надежности шахтных водоотливных систем. Основным источником загрязненной шахтной воды являются участковые водоотливные установки, в работе которых не предусмотрены технологические операции по очистке шахтной воды.

3. Теоретически и экспериментально установлено, что общий запас энергии потока шахтной воды, реализуемый шахтными насосными установками в системах водоотлива, включает две составляющие - энергию, расходуемую на транспортирование чистой жидкости, и энергию, затрачиваемую на взвешивание твердых частиц, что отражается на увеличении общего напора шахтных насосов, потребляемой мощности и снижает общий КПД системы.

4. В работе доказано, что для выделения твердых частиц из потока шахтной воды наиболее рациональным является применение разработанного в работе гидромеханизированного комплекса для осветления шахтной воды от механических примесей, устанавливаемого в участковых системах водоотлива. Повышение эффекта осветления обеспечивается за счет увеличения площади осаждения твердой фазы, образованной наклонными пластинами.

5. Было установлено и доказано, что шахтная вода с взвешенными твердыми частицами с массовой концентрацией от 5 до 15% есть реологическая жидкость с выраженными вязкопластичными свойствами, течение которой по трубопроводам систем шахтного водоотлива описывается реологическим уравнением Шведова-Бингама, параметры которого являются функциями концентрации твердой фазы.

Удельные потери напора при течении шахтной воды определяются уравнением Дарси-Вейсбаха, а коэффициент гидравлических сопротивлений зависит от числа Рейнольдса потока и относительного напряжения сдвига.

6. Результаты диссертационной работы предназначены для использования в проектных организациях (Гипрошахт, Гипроруда и др.), а также на действующих угольных шахтах и рудниках (шахты ОАО «Воркутауголь», рудник «Северный глубокий» Кольской горнометаллургической компании) при проектировании и реконструкции систем шахтного водоотлива.

7. Разработанный способ повышения энергоэффективности, применяемого в системах шахтного водоотлива насосного оборудования, путем разделения фаз шахтной воды в гравитационных сгустителях осветлителях тонкослойного типа, и основные зависимости энергоемкости процесса перекачки шахтной воды от концентрации твердой фазы и реологических характеристик потока, рекомендуются для внесения в нормативную документацию регламентирующую технологию шахтного водоотлива на угольных шахтах и рудниках.

Работы по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:

1. Горелкин И.М. Полимерные трубы в шахтном водоотливе // Горное оборудование и электромеханика. № 8,2012. С. 19 - 21;

2. Александров В. И., Авксентьев С. Ю., Горелкин И. М. Удельная энергоемкость гидравлического транспортирования продуктов переработки минерального сырья // Обогащение руд. №3, 2012. С. 39-42;

3. Александров В. И., Горелкин И. М. Гидравлический расчет трубопровода системы шахтного водоотлива с учетом потерь напора на транспортирование твердых частиц // Горное оборудование и электромеханика. № 7,2013. С. 44-47.

РИД Горного университета. 22.05.2014. 3.431. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2