автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Разработка технологической схемы водоотливной установки с самоочищающимися водосборниками

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ УССР

ДОНЕЦКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

КИМ Чохр Хак

УДК 622.532

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ВОДООТЛИВНОЙ УСТАНОВКИ С САМООЧИЩАЮЩИМИСЯ ВОДОСБОРНИКАМИ

(КНДР)

Специальность 05.05.06 — «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ДОНЕЦК— 1990

Работа выполнена в Донецком ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте.

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор Гейер В. Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Болотских Н. С.; кандидат технических наук, доцент Яценко А. Ф.

Ведущее предприятие — производственное объединение по добыче угля «Донецкуголь». ^¿О

Защита диссертации состоится 25 января 1990 г. в_часов

на заседании специализированного совета К 068.20.01 в Донецком политехническом институте по адресу: 340000, г. Донецк, ул. Артема, 58.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донецкого политехнического института.

Автореферат разослан «_» января 1990 года.

Ученый секретарь специализированного совета канд. техн. наук, доцент

СИДОРЕНКО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальн£сть_теш. Угольная промышленность является ве-ущей отраслью народного хозяйства в КНДР. "Уголь - настоя-ий хлеб промышленности", который нужен для теплоэнергетики, имической промышленности, металлургии и др.

В основных направлениях развития угольной промышленности НДР в 3-ей семилетке ( 1987-1993 г. ) поставлена задача -беспечение добычи угля 120 млн. тонн в год.

Для выполнения этой задачи необходимо осуществить рекон-трукцию угольной промышленности на базе новейших достижений ауки и техники.

В настоящее время угольные шахты КНДР являются предприя-иями с высокой механизацией и автоматизацией основных техно-огических процессов. Однако на них еще сохранились работы, вязанные с затратами ручного труда, в частности, при эксплуа-ации шахтного водоотлива.

Около 200 шахт КНДР обеспечивают добычу угля, который еобходим для разных отраслей народного хозяйства. Приток во-,ы в шахтах КНДР вследствие различных гидрогеологических и кли-итических условий колеблется в широких пределах и составляет

о

¡04-500 м /ч. На большинстве шахт КНДР шахтные воды несут с собой начительное количество твердых частиц, примерно 1+5 г/л. ¡следствии этого водосборники заиливаются и требуют система-оческой очистки от твердого. Из-за несовершенства водоотливных. :хем в настоящее время этим непроизводительным трудом занято в 'од примерно 100 тысяч человеко-смен. Поэтому создание водоот-швных установок с механизированной очисткой водосборных емкос-"ей является актуальной задачей для шахт КНДР.

Цаль работы - установление основных закономерностей '3

рабочего процесса и разработка технологической схемы водоотливной установки с самоочищающимися водосборниками, применение которой снизит затраты ручного неквалифицированного труда при эксплуатации и капитальные затраты при строительстве.

^дея_работд - применение совмещенных регулировочной и аварийной самоочищающихся емкостей водосборника.

На£чыы£ положения, разработанные лично автором и новизна работы заключаются в следующем:

- экспериментально получено значение скорости воды для смыва твердого в зависимости от угла выработки

определен угол выработки, обеспечивающий удаление твердого материала, в зависимости от подачи перекачного средства

- предложен метод расчета водоотливной установки с гидроэлеватором с использованием экспериментально полученной зависимости коэффициента расхода насадка;

- получены зависимости для определения обобщенных, безразмерных и относительных параметров основных узлов установки, представленных кан функции числа часов работы установки в сутки;

- предложен алгоритм управления насосной установкой, составленной на базе полученных временных зависимостей.

Достоверность научных положений и шво&ов обоснована!

Работа содержит результаты теоретических и экспериментальных исследований. В основу теоретических исследований положены фундаментальные законы гидравлики. Экспериментальные исследования проведены на лабораторной установке с использованием средств измерения контролируемых параметров. Результаты

сследований обработаны на ЭШ "ДВК-3" с использованием стан-.артных программ. Объем экспериментов достато .ен для того, что-ы с вероятностью 0,96 отклонение результатов не превышало 10 %. 'акая точность удовлетворительна в данном случае. Основные раз->аботки диссертации будут внедрены на шахте "Гочам" КНДР.

ашчетие_раб£ты. Научное значение работы заключается в усыновлении угла 'наклона выработки водосборника, обеспечивающего ■деление твердого материала, установлении зависимости для опре-.еления коэффициента расхода насадка гидроэлеватора, получении ¡ависимостей для определения относительных параметров основных •злов установки СНУО, представленных как функции числа часов ее «боты в сутки.

Практическое значение работы:

- разработана новая технологическая схема водоотливной ус-ановки с совмещенными аварийней и регулировочной самоочищаю-;имися емкостями, что обеспечивает сокращение капитальных зат- ■ 1ат на строительство и снижение доли ручного тяжелого труда

:о очистке водосборника;

- разработан алгоритм расчета на ЭШ насосной установки перекачным гидроэлеватором;

- предложена методика инженерного расчета водоотливной становки СНУО и пример для условий шахты "Гочам" КНДР;

- произведен расчет экономической эффективности от при-кнения разработанной водоотливной установки в условиях шахт

НДР.

Результаты разработки водоотливных установок с совмещен-ыми водосборными емкостями СНУО приняты ко внедрению на уголь-ых предприятиях Корейской Народной Демократической Респуб-ики. '

Настоящая работа выполнена по плану научно-исследовательс-

ких работ Минвуза УССР, Мицуглепрома СССР и является составной частью исследований, выполняемых Донецким политехническим институтом по проблеме сокращения тяжелого ручного труда при обслуживании водоотливных установок угольных шахт.

Апдобацид работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение: на отчетной научно-тех нической всесоюзной, конференции по вопросам развития стационарных угольных шахт, посвященной ЮСКлетию оо дня рождения академика АН УССР Пака B.C., проведенной 18-19 октября 1988 г. в г. Донецке; на заседании кафедры "Рудничные гидропневматические установки и гидравлика" ДЛИ г. Донецк, май 1989 г.; на расширенном заседании кафедры "Рудничные гидропневматические уотановки и гидравлика" ДЛИ, г. Донецк, октябрь 1989 г.

Цу£ликации. По теме диссертации опубликована одна научная статья.

Объем и £.т£укт£ра работЫд. Днсрертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и содержит 156 страниц машинописного текста, список литературы из 65 наименований, 25 рисунков, 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

На шахте "1Ъчам" КНДР в течение месяца в рабочей ветви

горизонтального водосборника отлагается примерно 70 тонн шла-

з

ма. Емкость одной ветви водосборника, равная 600 м , обеспечивает нормальную работу водоотлива в течение 3 месяцев. После чего рабочая ветвь водосборника, заполненная практически на 40 % объема твердым материалом, отделяется от водозаборного колодца и очидается. На очистку водосборника задалжи-вается 60+70 человеко-смен, при этом удаляется 200 тонн шлама.

Вертикальный водосборник позволяет снизить затраты ручного труда по очистке, так как твердый материал собирается на галой площади, что позволяет механизировать процесс. Но глуби-ш большая и поэтому перерасход электроэнергии. Эта схема яв-кется рациональной для участковых водоотливных установок при фитоках не более 50 м^/ч. Идея схемы водоотливных установок . : вертикальным водосборником получила дальнейшее развитие в )азработанной в ДЛИ схеме НУ0-1. Применение предварительного >тстойншга позволяет выделить из воды частицы твердых кр п-юстью более 0,1 мм, содержание которых в воде, поступающей ! предварительный отстойник, составляет до 80 % от всего твер-юго материала. Применение предварительного отстойника значительно снижает затраты ручного труда по очистке емкости, кроме того, схема НУ0-1 применяется при любых притоках воды. Од-шко, опыт внедрения НУО-1 показал, что требуют проведения зна-гательных объемов горных работ.

Исходя из этого и с учетом сформулированной в работе це- ' ш, поставлены следующие задачи:

- установить основные зависимости для технологической :хемы СНУО; '

- на основе технико-экономического анализа выбрать ра-[иональные перекачные средства;

- разработать методику определения оптимальных парамет-юв насосной установки, работающей совместно с перекачными ¡редствами, с использованием ЭВМ;

- экспериментально определить угол наклона выработки, юдосборника, при котором обеспечивается очйстка от твердого гатериала.

Разработанная технологическая схема ( Рис. I ), снизит юлю ручного тяжелого неквалифицированного труда при эксплу.а-

тации и капитальные затраты.

В сравнении с НУО-1, предлагаемая схема СНУО отличается тал, что с целью сокращения капитальных затрат на строительные работы в ней совмещены аварийная и регулировочная емкости.

Схема НУО-1 и СНУО выполняют одинаковые технологические функции. Шахтная вода проходя через предварительный отстойник . 4 ( рис. I ) освобождается от твердого крупностью более 0,1 мм. Частично осветленная вода поступает по канавке 16 в приемный колодец 2 и заполнив его переливается в водосборную регулировочную емкость. При достижении воды верхнего уровня в регулировочной емкости, насос начинает откачивать воду на поверхность. Одновременно при открытии задвижки 13, гидроэлеватор 7 перекачивает воду из регулировочной емкости в приемный колодец. После освобождения от воды регулировочной емкости и приемного колодца.насос останавливается. Вода начинает наполнять приёмный колода; и процесс повторяется.

При расчете водосборников необходимо различать строитель-' ный объем - объем породы, вынимаемой для обеспечения необходимой емкости водосборника. Строительный объем подсчитывается по зависимости

( I )

где & - сечение выработки водосборника в свету, м^; 0 - диаметр вертикального ь -лодца, м.

,3,

Заполняемая часть строительного объема водосборника

где - высота выработки водосборника, м.

Проведенный анализ показал, что глубина колодца /г и угол наклона выработки сС влияют на относительное снижение объема строительных работ, подсчитываемое по зависимости

. (з,

Определяющее влияние на относительное снижение объейа строительных работ оказывает глубина колодца.

Поэтому, с точки зрения снижения капитальных затрат целесообразно строить водосборники с большой глубиной колодца.

Следует отметить, что при прочих равных условиях, объе-Ш1 строительных работ для установок, выполняемых по схеме ' НУО-1 больше, чем для установок СНУО. Это связано с тем, что в схеме НУО-1 проводятся две раздельные выработки. Однако с увеличением глубины колодца возрастает стоимость электроэнергии на перекачку воды из водосборника. Но абсолютные затраты на электроэнергию более чем на порядок ниже абсолютных затрат на горше выработки.

В качестве перекачных средств можно использовать серийно выпускаемые центробежные погружные насосы для загрязненных вод ГНОМ или гидроэлеваторы.

Проведенный анализ выбора перекачных средств показал, что они по расходу электроэнергии имеют незначительную разность. Гидроэлеватор оказывается более технически рациональным и экономически выгодным, так как простота конструкции, отсутствие вращающихся и трущихся поверхностей обеспечивают надежную и длительную его работу на загрязненной воде. Необходимо также отметить простоту обслуживания, монтажа и ремонта гидроэлева-

гора..

Необходимая подача переначного устройства определяется

ю формуле

ОпУ= <?*- опр=(4,

:де Ьн ~ относительное время работы наооса^А =

Подача насоса о гдцроэлеватором определяется по зависимо ти

- С?/гр- ¿/У + ( 5 )

где (Упр^н - подача в сеть, м3/ч;

(^р - расход рабочей воды гидроэлеватора. Для того, чтобы уточнить расчет гидроэлеватора'был экспериментально определен коэффициент расхода насадка. Коэффи-шент расхода насадка зависит от конструкции и качества изготовления гидроэлеватора. Проведенные исследования позволили • разработать рекомендации по конструкции насадка.

Для уточнения коэффициента расхода насадка лроведено-юследование. Бели выбраны два насадка с диаметрами 14 мм,

¿и- 7»8 мм. Для насадка с О'н = 14 мм относительная длина доставила - -¿М. - 4, а для насадка с с/н= 7,8 относитель-

е* „

гая длина составила - —г- = 7.

й/н

Уравнение было получено в результате математичеокой обработки экспериментальных данных. Обработка данных была прове-;ена на ЭЦВМ "Наири-К" с использованием стандартных программ.

На рисунке 2 приведены зависимости ^Нн 'У• (ривые I и 2 построены по уравнению

Л^¿734.-0./3 £рЯем-0.М .

и

Полученное уравнение позволяет определить коэффициент раохода наоадна в диапазоне изменения числа Рейнольдса от З.Ю5 до 6.105.

сц$г

№

о,?

10

Ао

$о

Рис. 2. Определение коэффициента расхода насадков гвдроелеватора

Результаты эксперимента показали, что относительная длина насадка существенно влияет на коэффициент его расхода.

могут достигать 10+15 $ подводимой к гидроэлеватору, целесообразно несколько увеличивать угол конусности насадка для уменьшения относительной длины.

Для обеспечения полного удаления ила и надежности работы

гидроэлеватора в схеме водоотливной установки предусматривается всасывающее устройство, которое обеспечивает равномерное, дозированное поступление твердого материала в подводящую трубу гидроэлеваторо. В результате анализа литературных источнике

Поэтому о целью снижения потерь мощности в насадке, которые

принята схема и зависимости для расчета основных параметров всасывающего устройства, разработанного в ДНИ.

, На основании проведенного анализа способов заливки насоса выбран способ заливки с помощьв бакового аккумулятора как наиболее простой и надежный.

Для выполнения основных функций автоматического управления насосной установкой разработан алгоритм управления. Процесс управления автоматизированными водоотливными установками осуществляется по времени.

Время заполнения емкости можно подсчитывать по зависимости

¿зп = У'+У'

Опр (6)

где Мг - объем приемного володца, м3.

Пусковое время насосной установки определяется суммой и и ь3.

£ пу ( 7 )

Пусковое время насоса с баковым аккумулятором

вн К* '

где Wf - объем бакового аккумулятора, м?;,

Ке

- коэффициент запаса бакового аккумулятора.

Время начала работы гидроэлеватора может быть выражено зависимостью

/ -/ -А У* ^ V

Э —¿£>3 + —=.--=-- , -«

где ¿оз - время открывания задвижки;

- объем трубопровода для подвода рабочей воды о? задвижки до гидроэлеватора, мЗ;

13

У/,'- овъем напорного трубопровода гидроэлеватора, м3.

Зная пусковое время определяется расстояние между датчиками уровней аварийного и пускового ( рис. I ):

= (8)

где £ - сумма площадей колодца и регулировочной емкости; - коэффициент запаса.

Определение расстояния между датчиками аварийного и регулировочного уровней обеспечивает надежную эксплуатацию насосной установки при совмещенных водосборниках.

Выполненные на экспериментальной установке наблюдения послужили основой для установления безразмерных комплексов и обобщенных относительных параметров, служащих для выбора значений основных узлов водоотливных установок.

Определение критического уклона наклона выработки, при котором происходит смыв твердого, было проведено экспериментально.

Схема экспериментальной установки, созданной в лабораторных условиях, приведена на рис. 3. Экспериментальное исследование проводилось в следующей последовательности. Выставлялась требуемая величина угла наклона лотка 2, на днище которого помещалась горная масса заданного ситового состава. Сито--вая характеристика крупности твердого материала воды шахты "Гочам" КНДР показывает, что количество твердых частиц крупностью менее 0,1 мм со°тавляет до 30 % от общего объема твердого, поступающего в водосборник. Включался насоо постепенно открывалась задвижка 4 и наблюдалось состояние твердых частиц в лотке. Скорость воды в лотке при помощи задвижки увеличивалась до тех пор пока не начинается смыв твердого. Расход воды фиксрровэлся в тот момент, когда начинался смыв твердых частиц.

Рис. 3. Схема экспериментальной установки для определения угла наклона выработки: I - бак; 2 - лоток; 3 - насоо£ 4 - задвижки

Затем изменялся угол наклона лотка и процесс измерения повторялся.

На рис. 4. приведена зависимость V—/ (IJ ,

где - скорость движения воды в водосборнике, н/с; ¿ - уклон выработки. Обработка экспериментальных данных была проведена на ЭШ "ДВК-3" с использованием стандартных программ и получено уравнение вида:'

( 9 )

Т/с 0.2 0/5 О,Г 0,05

\ №

V

\ с

о X '■тми. рдаии в

О/ 0,2 0.5 ¿}4 I

Рис. 4. Зависимость критической скорости от уклона выработки

Результаты экспериментальных исследований позволяют определять угол наклона выработки, обеспечивающий смыв слоя твердого материала при известной подаче переначного средства.

На-рис. 5. приведена зависимость для

случая, кохда толщина слоя ила 0,015 м и ширина выработки 2 м.

Ив экспериментальных исследований подучены следу плие вияоды:

- каОлвдення на модельной установке подтвердили порядок Функционирования насосной установив по схеме СНУО;

- получено значение скорости воды для омшэд твердого в зависимости от уклона ичрзоотки ( Рис- 4 ).,

Рис. 5. Зависимость угла выработки от подачи гвдроэлеватора при сечении 0,03 м^

- при известном сечении выработки водосборника и подаче перекачного устройства определяется угол наклона почвы, обеспечивающий смыв твердого материала ( Рис. 5 ).

Среднеквадратическая ошибка экспериментальных исследований составляет 2,3

Используя блок-схему программы расчета водоотливной установки с гидроэлеватором определеня параметра насосной установки и гидроэлеватора.

Разработана методика инженерного расчета водоотливной установки СНУО в качестве примера условий шахты "Гочам" КЦЦР.

Исходными данными, которые вводятся в ЭВМ для условий шахты "Гочам" КНДР являются;

Нг = 150 м;

вар « 100 м3/ч;

и ЖЯ 20 ч;

К 7 м;

С^сгв с 8°

геометрическая высота подъема часовой приток воды время работы насоса в сутки высота приемного колодца угол наклона ствола Результаты расчета на ЭШ получены: выбран насос ЦНС 180;

необходимая подача гидроэлеватора =20 и3/ч.

Коэффициент напора =0,04; коэффициент подачи ^ * 5,94; диаметр насадка «= 0,005 м; диаметр

камеры <3/г в 0,024 м.

В условиях шахт "Гочам" оптимальными являются: число колес 2 и 5 и диаметр трубопровода (/ = 0,150 м. Объем регулировочной емкости определяется по графику

и составляет \[р « 100 М3. Объем аварийней емкости определяется нормативными документами а 400 м .

Используя экспериментальные результаты для обеспечения смыва, угол наклона выработки равен II0 ( Рис. 5 ).

Полученные результаты использованы при проектировании водоотливной установки по схеме СНУ0 на шахтах КНДР.

Расчет годового экономического эффекта определяется по зависимости

Зг =[сс<-С^-Е« (А-г '-ЬДА

где С< и С г ' - затраты на производство и реализацию единицы, производимой с помощью базовой и новой техники при данном технологическом процессе, р/ед.;

X/ и Кг - Сдельные капитальные икояения на единицу

продукции, производимой с помощью базовой и новой техники при данном технологическом процессе, р/ед; - нормативный коэф-

фициент экономической эффективности дополнительных капитальных вложений (0,15); - годовой приток шахтной воды; Экое -косвенный экономический эффект.

Ожидаемый годовой экономический эффект составляет 54252 рубля.

Основные результаты и выводы

В диссертации дано новое решение актуальной научной задачи для шахт КНДР, состоящее в установлении основных закономерностей рабочего процесса водоотливной установки с самоочищающимися водосборниками, что дает возможность снизить затраты ручного неквалифицированного труда при эксплуатации и капитальные затраты при строительстве.

Конкретно получены следующие результаты, имеющие научное и практическое значение:

1. Экспериментально определен угол наклона выработки, при котором обеспечивается смыв твердого материала, что позволяет спроектировать самоочищающийся водосборник.

2. Разработанная новая технологическая схема СИУО существенно уменьшает объем горных работ по сравнению с водоотливной ус-, тановкой НУО-1, что позволит сократить срок строительства и снизить капитальные затраты. Эти преимущества позволяют рекомендовать к широкому использованию разработанную схему СНУО.для участково- ' го и главного водоотливов шахт КНДР.

3. Получены зависимости для проектирования водоотливной установки по схеме СНУО: объем регулировочной емкости, необходимая подача' перекачного устройства выражены через время работы насоса в сутки и приток шахтной воды.

4. Нй основании проведенного анализа в качестве перекачного средства наиболее технически рациональным является гидроэлеватор.

5. Экспериментально уточнен коэффициент расхода насадка гидроэлеватора, который принят в разработанном алгоритме. Разработанный алгоритм расчета на ЭВМ водоотливной установки с гидроэлеватором обеспечивает наиболее достоверное определение основных параметров установки СНУО.

6. Разработанные временные функциональные зависимости обеспечивают надежную эксплуатацию насосной установки при совмещенном регулировочном и аварийном водосборниках.

7. На основании технологического процессе и временных функций предложен алгоритм управления СНУО.

6.-На базе.опыта эксплуатации водоотливных установок шахт Донецкого бассейна произведен расчет экономической эффективности установки, выполненной по разработанной схеме. Реализация предложений диссертанта по совершенствованию технологии и организации водоотлива в условиях шахты "Ночам" КНДР позволила получить годовой экономический эффект 54252 руб. ,

Основные положения диссертации опубликованы в работе:

I. Гейер В.Г., Ким Чохр Хак. Автоматизированная водоотливная установка, не требующая очистки водосборных емкостей -6 с. - Рукопись деп. в ЦНИЭИУголь № 4801 - уп от 25.01.89 г.

1од(1. в печать® ОШ. Формат 60ХМ'/к. Бумага оЯертОЧК&Я. Офсетная печать, сл. печ. л. 1,1 & . Усл. кр.-отт. 1,33 • Уч.-нзд. л. , Тираж 1X0 экз.

аказ М • Бесплатно.

Донецкий политехнический институт, 340000, Донецк, ул. Артема, 68.

ДМПП, 340050, Донецк, ул. Артема, 96