книги / Расчет шахтных водоотливных и вентиляторных установок

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Г.Д. Трифанов, А.К. Муравский, С.В. Воробель

РАСЧЁТ ШАХТНЫХ ВОДООТЛИВНЫХ И ВЕНТИЛЯТОРНЫХ УСТАНОВОК

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2019

УДК 622.53+622.44]-043.61(075.8) Т69

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор Н.И. Алыменко (Горный институт УрО РАН, г. Пермь); канд. техн. наук, доцент М.С. Озорнин (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Трифанов, Г.Д.

Т69 Расчёт шахтных водоотливных и вентиляторных установок : учебно-метод. пособие / Г.Д. Трифанов, А.К. Муравский, С.В. Воробель. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн.

ун-та, 2019. – 71 с.

ISBN 978-5-398-02108-0

Изложены методики расчёта шахтных водоотливных и вентиляторных установок горных предприятий. Приведены требования нормативных документов к водоотливным и вентиляторным установкам, справочные материалы по выбору электромеханического оборудования.

Предназначено для студентов технических вузов специальности 21.05.04 «Горное дело» специализации «Горные машины и оборудование» по курсу «Шахтные водоотливные и вентиляторные установки», а также для инженерно-технических работников горнодобывающих предприятий.

УДК 622.53+622.44]-043.61(075.8)

2

3

4

ВВЕДЕНИЕ

История горной промышленности неразрывно связана с проблемами осушения шахтных полей. Водоотливные и вентиляторные установки на горных предприятиях являются важнейшими звеньями при ведении горных работ. От их работы зависят эффективность работы рудника, безопасность персонала, условия труда горняков.

Расчёт главной водоотливной установки шахты позволяет решить задачу выбора основного оборудования, в частности, насосов, трубопроводов, электродвигателей, пускорегулирующий и запорной арматуры. При расчёте определяются и анализируются режимы работы насосов, находится энергопотребление главной водоотливной установки.

Расчёт вентиляторов главного проветривания шахты позволяет решить задачу выбора вентилятора главного проветривания и определить его регулировочные параметры, обеспечивающие необходимый режим проветривания горных выработок. При расчёте определяются параметры рабочего режима вентилятора, резерв производительности, расчётная мощность на валу вентилятора. Производится выбор вентилятора, электродвигателя и находится среднегодовой расход электроэнергии.

Расчёты выполняются для различных вариантов технического исполнения и режимов работы главной водоотливной и вентиляторной установок, что является основанием для выбора наиболее рационального решения [1–5].

Проектирование водоотливных и вентиляторных установок ведется в соответствии c нормами и правилами [6–9].

5

1. РАСЧЁТ ГЛАВНОЙ ВОДООТЛИВНОЙ УСТАНОВКИ ШАХТЫ

1.1. Требования к главным водоотливным установкам шахты

Главные водоотливные установки шахты с притоком воды более 50 м3/ч должны быть оснащены тремя и более насосными агрегатами. Один из этих насосных агрегатов является рабочим, второй – резервным и включается в работу по откачке воды при повышенных водопритоках (горячий резерв), а третий насосный агрегат может находиться в ремонте (холодный резерв).

Производительность рабочих насосных агрегатов главных водоотливных установок должна обеспечивать откачку нормального суточного водопритока не более чем за 20 ч. Общая производительность рабочих насосов и насосов горячего резерва должна обеспечивать откачку максимального суточного водопритока не более чем за 20 ч.

Главная водоотливная установка шахты должна быть оснащена двумя и более трубопроводами. Один из этих трубопроводов является рабочим, второй – резервным. Один резервный трубопровод принимается при числе рабочих трубопроводов до трех. При числе рабочих трубопроводов более трех главная водоотливная установка шахты оборудуется двумя резервными трубопроводами.

Рабочие трубопроводы водоотливной установки шахты должны быть рассчитаны на полную производительность насосных агрегатов.

Коммутационная гидравлическая схема главной водоотливной установки должна позволять переключать насосные агрегаты на любой из нагнетательных трубопроводов.

Оборудование водоотлива может иметь обычное для нейтральных вод исполнение при величинах водородного показателя более 6. Если величина рН менее 5, то насосные агрегаты, трубопроводы, арматура должны быть предназначены для работы с кислой средой.

6

Главные водоотливные установки шахты должны быть оснащены средствами автоматизации, дистанционного управления и контроля, обеспечивающими их плановую работу без постоянного присутствия обслуживающего персонала.

Для контроля давления и расхода водоотливные установки должны быть оборудованы манометром и расходомером.

После монтажа и при эксплуатации трубопроводы главных водоотливных установок один раз в пять лет испытывают на их герметичность при давлении, в 1,25 раза превышающем давление, создаваемое насосными агрегатами при откачке жидкости.

Фактический режим работы главной водоотливной установки шахты должен быть устойчивым, бескавитационным и экономичным.

1.2. Исходные данные и порядок расчёта главной водоотливной установки шахты

Исходными данными для расчёта главной водоотливной установки являются:

1)нормальный суточный приток воды в шахту Qн, м3/сут;

2)максимальный суточный приток воды в шахту Qmax, м3/сут;

3)глубина шахтного ствола Нш, м;

4)длина трубопровода на поверхности l1, м;

5)водородный показатель воды pH;

6)плотность откачиваемой шахтной воды ρ, кг/м3.

Расчёт главной водоотливной установки ведется в следующей последовательности:

1)расчёт исходных параметров для выбора оборудования водоотливной установки;

2)расчёт и выбор трубопроводов водоотливной установки;

3)выбор насосов водоотливной установки и схемы их соеди-

нения;

4)выбор коммутационной гидравлической схемы водоотливной установки;

7

5)расчёт напорной характеристики внешней сети водоотливной установки;

6)определение и анализ рабочего режима водоотливной уста-

новки;

7)выбор электродвигателя водоотливной установки;

8)определение энергопотребления водоотливной установки.

1.3.Расчёт исходных параметров для выбора оборудования главной водоотливной установки шахты

Расчётная производительность насосной станции:

– по нормальному притоку воды (м3/ч):

Qр = Qн ; Tн

– по максимальному притоку воды (м3/ч):

Qр.max = Qmax ,

Tн

где Тн – нормативное число часов для откачки суточных притоков воды [6], Тн = 20 ч.

Экономически целесообразная скорость движения воды по на-

гнетательным трубопроводам отображает разумный компромисс между затратами на электроэнергию, возрастающими при уменьшении диаметра нагнетательного трубопровода, и капитальными затратами на строительство нагнетательных трубопроводов, которые растут с увеличением его диаметра. Экономически целесообразная скорость определяется путем технико-экономического сравнения различных вариантов.

Экономически целесообразная скорость движения воды с достаточной для практических целей точностью может быть определена (м/с) по формуле

vэк = 0,544 Qр .

8

Скорость движения воды по нагнетательным трубопроводам главных водоотливных установок не должна превышать 3 м/с, что определяется нормами технологического проектирования горнодобывающих предприятий

Если скорость vэк, рассчитанная по эмпирической формуле, превышает 3 м/с, то её принимают в диапазоне 2,5–2,8 м/с.

Расчётный диаметр нагнетательного трубопровода главной водоотливной установки (м) определяется как

Расчётная геодезическая высота подъема воды (м):

Hг = Hш + Hвс +hп,

где Hвс – приблизительная высота всасывания насосных агрегатов, Hвс = 4…5 м; hп – высота подъема воды над поверхностью шахты, hп = 0,5…2 м.

Расчётная протяженность трубопроводов главной водоот-

ливной установки (м) определяется по формуле

Lр = Hш + Lв +lтх +lнк +l1,

где Lв – длина всасывающего трубопровода, Lв = 8…12 м; lтх – длина трубопровода в трубном ходке, lтх = 15…20 м; lнк – длина трубопровода в насосной камере главной водоотливной установки, lнк = 20…30 м.

Расчётный напор насосов главной водоотливной установки (м):

где Σξр – сумма коэффициентов местных гидравлических сопротивлений трубопроводов водоотливной установки. При расчёте предварительно принимают Σξр = 25…30 и уточняют после выбора насосов

9

по коммутационной гидравлической схеме главной водоотливной установки шахты; λр – расчётный коэффициент линейных гидравлических сопротивлений трубопровода,

λр = 0,0195 .

3 Dр

1.4. Расчёт и выбор трубопроводов главной водоотливной установки шахты

Расчётное давление воды в нагнетательном трубопрово-

де (МПа):

pр =10−6 ρgHр,

где ρ – плотность откачиваемой шахтной воды; g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2.

Минимальная толщина стенки труб нагнетательного трубопровода по условиям прочности (мм):

δ =1875 pp Dp ,

0 σв

где σв – временное сопротивление разрыву материала труб, МПа (приложение 1).

Расчётная толщина стенок труб главной водоотливной уста-

новки (мм):

= 10…15 лет; kд – коэффициент, учитывающий минусовый допуск толщины стенок труб при их прокате, kд = 10…15 %.

10