Специальная часть проекта

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 QН=370 м3/ч; максимальный приток — QМ=440 м3/ч. Вода с повышенной кислотностью.

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 QН=370 м3/ч; максимальный приток — QМ=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.

QР=24*QН/16=24*370/16=555 м3/ч Геометрический напор

HГ=H+HВС+HП;

где HВС — ориентировочная геометрическая высота всасывания, м.

HП — превышение труб над уровнем устья ствола шахты.

Тогда.

HГ=495+3+2=500 м Ориентировочный напор насоса определим по формуле:

HОР=1,1*HГ=1,1*500=550 м Предусматривается установка 4-х насосов ЦНС 300−600, имеющих в оптимальном режиме подачу QОПТ=600 м3/ч (при работе двух насосов одновременно по параллельной схеме) и напор HОПТ=600 м, при напоре на одно рабочее колесо HК=60 м. Напор одного рабочего колеса при нулевой подаче HК. О=67 м.

Необходимое число последовательно соединённых рабочих колёс одного насоса:

ZК=HОР/HК=550/60=9,16.

Принимаем ZК=10.

Напор насоса при нулевой подаче.

H0=ZК*HК.О=10*67=670 м Проверка по условию устойчивой работы:

HГ < 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 7.1 — Схема шахтного водоотливного трубопровода.

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

Длину напорного трубопровода определим из выражения:

lн = НГ/sin б+l1+l2+l3;

где б — 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);

lн =500/sin 220+30+20+20=1341,5+30+20+20=1411,5 м Таким образом длина напорного трубопровода lН=1412 м; его арматура: одна задвижка, один обратный клапан, девять колен и один тройник.

Оптимальный диаметр напорного трубопровода определим по формуле:

dОПТ=k*0,0131*Q0,476;

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

Тогда.

dОПТ=1*0,0131*6000,476=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:

д=100*(k1*D*p+(б1+б2)*T)/(100-kС);

где k1 — для стали 20: k1=2,27;

D — наружный диаметр трубы, м;

p — давление в нижней части колонны труб, МПа.

б1 — скорость коррозионного износа наружной поверхности труб (при ведении взрывных работ в шахте б1 =0,25 мм/год);

б2 — скорость коррозионного износа внутренней поверхности труб (для воды с повышенной кислотностью, как в нашем случае б2=0,4);

T — срок службы трубопровода, лет;

kС — коэффициент, учитывающий минусовый допуск толщины стенки, %.

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

Подставим числовые значения и определим толщину стенок труб:

д=100*(2,27*0,299*6+(0,25+0,4)*10)/(100−12,5)=12,08 мм Принимаем толщину стенки д=12 мм.

Таким образом, окончательно принимаем для напорного трубопровода трубы бесшовные горячедеформированные (ГОСТ 8732−78) с внутренним диаметром dН=275 мм и толщиной стенки д=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 dП=301 мм.

Скорость воды в подводящем трубопроводе по формуле:

UП=4*Q/(р*dП2)=4*300/(3600*3,14*0,3012)=1,17 м/с То же в напорном трубопроводе:

UН=4*Q/(р*dН2)=4*600/(3600*3,14*0,2752)=2.8 м/с Коэффициент гидравлического трения в подводящем трубопроводе определяется по формуле:

лП=0,021/dП0,3=0,021/0,3010,3=0,0301.

То же в напорном трубопроводе:

лН=0,021/dН0,3=0,021/0,2750,3=0,0309.

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

УhП=(лП*lП/dП+?оП)*uН2/(2*g);

где ?оП — суммарное значение коэффициентов местных сопротивлений в зависимости от типа арматуры и фасонных частей трубопровода принимают по приведённым ниже данным.

Таким образом:

УhП=(0,0301*13/0,301+4,5+0,6*3)*1,172/(2*9,81)=0,53?1 м То же в напорном трубопроводе.

УhН=(лН*lН/dН+?оН)*uН2/(2*g);

УhН=(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=HГ+Уh=500+71=571 м Характеристика трубопровода строится в соответствии с формулой:

H=HГ+R*Q2;

где R — постоянная сети;

Постоянная сети R определяется из выражения:

R=H-HГ/Q2=Уh/Q2=71/6002=0,197.

Следовательно:

H=500+0,197*Q2.

Результаты расчётов по этому выражению приведены ниже:

Определение рабочего режима насосов При параллельном соединении центробежных насосов суммарная характеристика их получается суммированием абсцисс характеристик каждого насоса, а рабочий режим — точкой пересечения суммарной характеристики с характеристикой трубопровода, причём подача параллельно соединённых насосов будет всегда меньше суммы подачи этих же насосов при их самостоятельной работе на тот же трубопровод.

Рисунок 7.2 — Рабочий режим соединённых параллельно насосов ЦНС 300−600.

При параллельном соединении двух одинаковых насосов, расположенных в одном пункте, подача и напор будут больше этих показателей каждого самостоятельно работающего насоса на один и тот же трубопровод.

На рисунке 7.2 показана характеристика двух параллельно соединённых насосов ЦНС 300−600 и характеристика трубопровода, построенная по приведённым в подразделе 4.2.2 данным. По точке пересечения этих характеристик устанавливаем рабочий режим насоса:

QР=640 м3/ч; HР=580 м; з=0,73; HВДОП=4 м. Режим находится на рабочей части характеристики.

К.п.д. трубопровода определим по формуле:

зГ=HГ/H=500/580=0,86.

Проверка производительности Для надёжности откачки воды подача каждого насосного агрегата, согласно ПБ [3], должна обеспечить откачку максимального суточного притока не более, чем за 20 часов. В связи с этим, потребная минимальная подача насоса должна определяться из выражения:

QМИН=QМ/20, м3/ч где QМ — максимальный суточный приток, м3/сут.

Тогда.

QМИН=440*24/20=528 м3/ч В рабочей точке фактическая подача насоса должна быть больше (или равна) минимальной .

QР > QМИН.

640 м3/ч > 528 м3/ч Условие выполняется.

Проверка на отсутствие коавитации Проверка на отсутствие кавитации производится по условию:

НВАК < НВАК.ДОП.,.

где НВАК = НВС+?НВСдействительная вакуумметрическая высота всасывания насоса, м .

Принимаем высоту всасывающего трубопровода HВС=3 м НВАК =3+0,5=3,5 м.

3,5 < 4.

Условие выполняется.

Определение размеров водосборника В соответствии с ПБ (п. 7.1.1.) главные, вспомогательные и участковые водоотливные установки должны иметь водосборники, состоящие минимум из двух ветвей .

Суммарная емкость водосборников главного водоотлива согласно ПБ должна расчитываться на прием 4-х часового максимального притока шахты в случае аварии (прекращение подачи электроэнергии, выхода из строя всех имеющихся нагнетательных трубопроводов).

W = 4*QМАКС=4*440?1760 м3 .

Для вспомогательных и участковых водоотливов емкость водосборника должна быть равна 2 — х часовому притоку .

В случае требования энергосбыта выполнять график суточной нагрузки энергопотребителя емкость водосборника.

WВ = W + WСТ ,.

где WСТ — емкость части водосборника, принимающего приток воды в период стоянок по требованию энергосбыта, м3;

tСТ = 2 ч — время, в течении которого запрещается включение насоса .

WСТ = QМАКС* tСТ=440*2=880 м3.

Тогда.

WВ =1760+880=2640 м3.

Суммарную длину горных выработок водосборника определим из выражения.

?lВОД=WВ/SТ;

где Sт — типовое сечение горной варыботки, м3 (Sт = 11,6 м 2).

Тогда.

?lВОД=2640/11,6?228 м В связи с тем, что водосборник представляет собой систему горизонтальных и наклонных выработок большой протяженности, механизация его непосредственной очистки связана с большими трудностями, так как любое устройство, предназначенное для этого, в процессе работы должно перемещаться по всей выработке. Гораздо эффективнее механизация очистки шахтных водосборников решается путем использования стационарно расположенного оборудования. Однако для этого необходимо обеспечить осаждение твердых частиц из воды в одном месте. С этой целью перед водосборником сооружается предварительный отстойник, имеющий небольшие размеры. В нем осаждается значительная часть твердых частиц, поступающих с водой.

Очистка предварительного отстойника осуществляется значительно проще, чем всего водосборника, так как его длина обычно не превышает 10 м. Ниже приводится расчет предварительного отстойника.

Обычно предварительный отстойник имеет форму усеченной пирамиды. Ширина зеркала воды в нем может быть принята на 20 — 30% меньше ширины выработки, где он сооружается .

Задавшись шириной отстойника В, определяют его остальные параметры.

Средняя скорость движения воды в отстойнике.

uОТ=0,278*QМАКС/(В*h);

где QМАКС — максимальный часовой приток воды, м3/ч ;

h — глубина проточного слоя, равная глубине протока воды в подводящей канавке, м (принимать h = 0,2 …0,4 м).

Тогда.

uОТ=0,278*440/(2*0,3)=203,87 мм/с Наиболее опасным для насосов являются частицы крупностью более 0,1 мм, поэтому для осаждения этих частиц проектируют предварительные отстойники, при этом скорость движения воды в отстойнике должна быть не более 0,13 м/с. Количество параллельных ветвей отстойника.

nв= uот/130= 203,87/130=1,568.

Округляем nв до большего целого значения. Принимаем nв=2. Фактическая скорость воды.

uот ф = uот/nв= 203,87/2=102 мм/с .

Исходя из данных условий, определяют минимальную длину предварительного отстойника.

L0=б*uОТ.СР*h/(v0 — w)=1,4*102*0,3/(9,6−4,08)=7,76 м где uот ср — фактическая скорость воды в проточной части отстойника, мм/с ;

vо — гидравлическая крупность частиц размером 0,1 — 0,2 мм, которую можно принимать равной 9,6 мм/с при этой скорости ;

б = 1,4 — коэффициент, учитывающий наличие в гидросмеси частиц различной крупности ;

w — вертикальная составляющая скорости :

при u < 90 мм/сw = 0,01*uот ф.

при u=(90 … 130) мм/с w = (0,03 — 0,05)*uот ф.

Так как u=103,3, то.

w=0,04*102=4,08.

Объем нижней части отстойника, предназначенный для сбора шлама, определяется по количеству твердого, выпадающего из воды в течении суток:

WН = 1,5qТ QМ ,.

где WН — емкость нижней части отстойника, м3 ;

qт — объемная концентрация твердого в шахтной воде, которую для расчетов можно принимать равной qт = 0,0015 — 0,005 (принимать qт = 0,002).

QМ — максимальный суточный приток, м3/сут .

WН = 1,5*qТ* QМ =1,5*0,002*440*24=31,68 м³.