Очистка водосборников от шлама

3.1 Актуальность проблемы

В настоящее время водоотливные установки являются мощными потребителями электроэнергии (до 25%) предприятий, следовательно от правильной и эффективной работы водоотлива зависит и финансовое благополучие предприятия. Как показывает практика эксплуатации водоотливных установок, продолжительность безотказной работы составляет всего лишь 1400…2000 часов, а КПД водоотливной установки равен показателю 0,42…0,46, при этом также наблюдается снижение КПД трубопроводной сети (КПД вместо 0,92 составляет 0,7..0,8). В результате снижения эксплуатационных показателей даже правильно спроектированная водоотливная установка в течение нескольких месяцев изменяет свои характеристики на 10-15%.

Очистка водосборников от шлама позволит увеличить ресурс работоспособности водоотливной установки в целом, посредством увеличения ресурса быстро изнашиваемых деталей, для которых работа на чистой воде является первоочередной необходимостью. На многих предприятиях вода, которая транспортируется самотеком по канавкам в водосборник, характеризуется наличием 10кг/м3 твердого вещества, что в свою очередь делает процесс очистки водосборников одним из главнейших в контексте успешного функционирования водоотливного хозяйства предприятия.

На практике для большинства насосов вода должна быть осветленной на входе в насос. Применение стандартных методов очистки водосборников оказывается неэффективным (30-70%) и огромное количество шлама поступает в насос и трубопровод. Зашламление водосборников уменьшает их аварийную приемную способность, увеличивает число включений насосов. На удаление шлама из водосборников ежегодно затрачивается 440тыч. чел.- смен и более 2,8 млн. грн. При этом зачастую традиционные методы являются весьма трудоемкими и неэффективными и сводятся к ручной очистке водосборников. Поэтому современные средства очистки водосборников направлены на снижение доли ручного труда и упрощение схем.

Известны способы очистки водосборников посредством отстоя ее в предварительных отстойниках. После предварительной очистки осуществляется перекачка осветленной воды в основной водосборник или на верхний горизонт с последующей откачкой на поверхность многосекционными насосами. В совокупности всех факторов очистка посредством данного метода является трудоемкой, громоздкой, разветвленной, энергозатратной. Основным агрегатом при такой схеме очистки являются гидроэлеваторы.

Современные методы очистки водосборников включают шламовые конвейеры, шламовые эрлифты, погружные насосы, гидроэлеваторы наряду с преимуществами они имеют и ряд известных недостатков.

Основными задачами, которые предъявляются к схемам очистки есть: упрощение схемы очистки, увеличение эффективности отделения твердого включения, уменьшения энергозатрат.

3.2 Водоотлив с заглубленными насосными камерами и наклонным самосмывающимся водосборником (автор Антонов Э.И.)

В настоящее время предложена новая технологическая схема шахтного водоотлива, в которой предусмотрены заглубленные насосные камеры и наклонные самосмывающиеся водосборники с уклоном не менее 0,01 в сторону приемных колодцев. При незаглубленных камерах необходимо сооружать дополнительную выработку, которая является промежуточной гидротранспортной линией между местом сбора общешахтного притока (нижней отметкой околоствольного двора) и приемным колодцем. Поэтому, отмечая в целом большую перспективность новой схемы, следует отметить, что она в основном предназначена для вновь строящихся сооружений водоотлива.

Рис. 3.1. Схема водоотливной установки в плане

Рис. 3.2. Разрез вдоль регулировочного водосборника

увеличить изображение
Рис. 3.3. Разрез вдоль аварийного водосборника (1 - приточный трубопровод; 2 - аварийная емкость; 3 - приемный колодец; 4 - приточный приямок; 5 - перемычка приточного приямка; 6 - гидроизоляционная перемычка; 7 - нормально открытая задвижка; 8 - регулировочная емкость; 9 - разделительная перемычка; 10 - переливная перемычка; 11 - соединительный трубопровод; 12 - нормально закрытая задвижка; 13 - выработка околоствольного двора; 14 - ходок; 15 - насос водоотлива; 16 - осветлитель;17 - гидроэлеватор)

В этом способе предлагается схема принципиальной особенностью которой является применение приточного трубопровода, устанавливаемого с уклоном к приемному колодцу в одной из ветвей водосборника. Входной участок трубопровода герметично заделан в перемычке приточного приямка. Выходной — в гидроизоляционной перемычке приемного колодца и снабжен нормально открытой задвижкой, через которую он сообщается с установленным в колодце малогабаритным осветлителем. Последний, должен быть оснащен средством для удаления шлама (например, гидроэлеватором) и полочными блоками, что позволяет эффективно осветлять воду.

Во второй ветви водосборника расположена переливная перемычка, с помощью которой образована примыкающая к колодцу горизонтальная регулировочная емкость. Размещенный с другой стороны участок аварийной емкости через соединительный трубопровод с нормально закрытой задвижкой сообщается с приемным колодцем. Между ветвями водосборника (в самом их начале) установлена разделительная перемычка.

В процессе работы установки общещахтный приток, скапливающийся в нижней точке околоствольного двора, поступает через приточный приямок и трубопровод в осветлитель приемного колодца. В осветлителе твердые частицы выпадают в бункерную часть, а осветленная вода переливается в приемные колодцы и далее — в регулировочную емкость водосборника.

При наполнении последнего до верхнего уровня (ВУ) включаются насосы водоотлива и осушают его до нижнего уровня (НУ). Одновременно с помощью гидроэлеватора шлам должен транспортироваться из бункера осветлителя в подземный шламонакопитель (или на поверхность). Аварийная емкость при этом остается свободной от воды.

В аварийных ситуациях регулировочная емкость наполняется до аварийного уровня (АУ), после чего жидкость начинает переливаться в аварийную емкость. При этом от осветлителя приток последовательно проходит через приемные колодцы и регулировочный водосборник, вместимость которого, как правило, должна быть рассчитана на прием не менее часового притока. За счет относительно большой длины транспортирования и малых скоростей потока, жидкость в комбинированном резервуаре очищается от не улавливаемых в осветлителе твердых мелкодисперсных частиц. Поэтому в аварийные емкости обеих ветвей водосборника будет поступать практически полностью осветленная жидкость, в связи с чем они не будут заиливаться и, следовательно, отпадает необходимость в их очистке. Оседающая же мелкодисперсная фракция, которая в процессе откачки будет скапливаться в приемных колодцах, удаляется насосами водоотлива на поверхность шахты и затем поступает в водоочистные сооружения.

После ликвидации аварийной ситуации вначале осушают регулировочную емкость, а затем открывают (одновременно или поочередно) нормально – закрытые задвижки и откачивают жидкость из аварийных емкостей до НУ, после чего эти задвижки снова закрывают.

Следует отметить, что эту схему можно применять и при других сочетаниях ее элементов. Например, иногда целесообразно отказаться от применения переливной перемычки — достаточно установить только разделительную перемычку. В этом случае одну из ветвей можно использовать в качестве регулировочной емкости, в связи с чем отпадает необходимость и в соединительном трубопроводе. В ряде случаев может оказаться более рациональным оборудовать приточными трубопроводами обе ветви водосборника. Тогда каждая из них поочередно будет выполнять функцию регулировочной и аварийной емкостей. Могут быть и другие варианты схемы.

При проектировании установки по предлагаемой схеме очень важно правильно определить основные параметры трубопровода и осветлителя, величину перепада по высоте между уровнем воды в приточном приямке и АУ.

Диаметр трубопровода должен обеспечивать возможность эффективной самоочистки трубопровода. Для этого скорость жидкости при минимальном притоке должна быть не меньше ее критической величины, которая зависит от содержания и гидравлической крупности твердого и, как правило, не более 0,7—1 м/с. При этом следует исходить из величины скорости при максимальном притоке.

В результате можно установить минимально допустимую величину перепада по высоте между уровнем воды в приточном приямке и АУ.

Анализ геометрических особенностей водосборных емкостей, проведенный по типовым проектам Южгипрошгхта, показал, что в большинстве случаев можно обеспечить достаточное значение i = 0.03— 0,01. Диаметр трубопровода в этом случае не будет превышать 500 мм, а практически легко достижимые значения i = 0.004—0,008 будут вполне приемлемыми.

Трубопровод должен быть установлен таким образом, чтобы был обеспечен его равномерный уклон (без перегибов) в сторону колодца. С целью увеличения i путем уменьшения L можно устанавливать его в более коротких ветвях водосборников.

В последние годы были разработаны и успешно прошли промышленные испытания многие высоко эффективные типы малогабаритных полочных осветлителей, применение которых позволяет по сравнению с обычными отстойниками повысить нагрузку по твердому в 50 и более раз. Например, с их помощью можно улавливать частицы твердого менее 50 мк, причем для притока 275 м3/ч занимаемая осветлителем площадь не превышает 5 м2. Учитывая, что площадь поперечного сечения типовых колодцев составляет примерно 10—15 м2, а число резервных насосов можно сокращать, на многих установках, особенно при относительно небольших притоках, осветлители можно размещать в колодцах без реконструкции установки. Если же требуется расширение установки в целом, то может оказаться целесообразной и проходка дополнительного колодца, который можно использовать полностью в качестве осветлителя. Таким образом, в каждом конкретном случае необходимо определять наиболее рациональный конструктивный вариант. Если приемные колодцы постепенно заиливаются мелкодисперсной фракцией, их целесообразно оборудовать периодически используемыми разрыхляющими насадками, подключенными к одному из насосов водоотлива.

Если установить осветлитель в колодце невозможно, то его можно разместить в начале водосборника. Тогда переливную перемычку устанавливают таким образом, чтобы регулировочная емкость размещалась на начальном участке ветви водосборника, между осветлителем и аварийной емкостью, и сообщалась с колодцами горизонтальным приточным трубопроводом, размещенным в последней. В этом случае приток поступает непосредственно в осветлитель, а осветленная вода переливается в регулировочный водосборник и по приточному трубопроводу поступает в приемный колодец.

Таким образом, в обоих вариантах схемы в установку дополнительно вводятся приточный трубопровод, осветлитель, перемычки, что потребует, незначительного объема работ. В то же время при таких решениях водосборники не зашламляются и для этого не требуется изменять их уклоны и сооружать дополнительные нетиповые выработки, т. е. традиционное объемно-планировочное решение водоотлива полностью сохраняется. Поэтому предлагаемые технологические схемы, обеспечивающие простое разделение водосборника на регулировочную и аварийную емкости, можно применять на действующих шахтах.

Эффективность можно значительно повысить за счет более высокого качества осветления воды, что позволит отказаться от применения на поверхности шахт отстойников, сооружаемых перед фильтровальными станциями.

3.3 Водоотливная установка со шламовым гидроэлеватором (НИИГМ им. М.М.Федорова автор Э.И.Антонов)

Данная схема отличается повышенной надежностью и эффективностью водоотливной установки.

Рис. 3.4. Водоотливная установка со шламовым гидроэлеватором

Шахтная водоотливная установка включает насосную камеру 1 с насосами 2, снабженными каждый напорным 3 с задвижкой 4 и всасывающим 5 трубопроводами, Последний подключен к приемному колодцу 6, связанному с водосборником 7, на входе в который выполнен предварительный отстойник 8. В колодце 6 расположен шламовый гидроэлеватор 9 со всасом 10 и трубопроводом 11 рабочей жидкости, который подключен к трубопроводу 3 через задвижку 12. Слив 13 напорного трубопровода 14 гидроэлеватора 9 с задвижкой 15 размещен в начале водосборника 7, а между колодцем 6 и водосборником 7 установлена перемычка 16 с перепускной задвижкой 17. Установка работает следующим образом после очередного осушения водосборника 7 до отметки нижнего уровня (НУ) водосборник 7 вновь наполняется общешахтным притоком грунтовых вод до отметки верхнего уровня (ВУ), после этого включается насос 2 водоотлива и удаляет воду на поверхность с очередным понижением уровня до (НУ), после накопления в водосборнике 7 массы шлама при некотором уровне воды в нем, например, при (ВУ), производят его очистку. При этом включают такое количество насосов водоотлива, при котором одновременно обеспечивалась бы и откачка воды на поверхность, для выполнения очистки открывают задвижки 12 и 15, вследствие этого часть жидкости из нагнетательного трубопровода 3 по трубопроводу 11 поступает в сопло гидроэлеватора 9, последний вступает в работу и всасывает жидкость из колодца 6, а образовавшийся поток по трубопроводу 14 вводят в начальную часть водосборника 7. После удаления твердых включений из водосборника задвижку 12 закрывают с отключением гидроэлеватора 9 и установка продолжает работать в обычном режиме. При таком конструктивном решении установки напорный трубопровод эксплуатируется при низком давлении и без погружения в массу шлама, что повышает надежность его работы и эффективность всего процесса водоотлива практически при любой длине водосборника.

3.4 Очистка водосборника от шлама при помощи турбогидронасоса с гидроциклоном

В последнее время наличие указанных недостатков в традиционных схемах очистки привело к появлению новой схемы (рис.3.5).

увеличить изображение
Рис. 3.5. Схема очистного устройства водосборника от шлама

Как видно из предложенной схемы она состоит из насоса с гидравлической турбиной 7, встроенной в отводную магистраль 2 многосекционного насоса 1 и расположенной автономно во вспомогательном водосборнике шламонакопителе.

Центробежный насос 1 из водосборника осветленной воды 4 перекачивает жидкость с помощью всасывающего трубопровода 3. От нагнетательного трубопровода 2 насоса отходит трубопровод 6, подающий жидкость, которая приводит в движение турбогидронасос 7. Турбогидронасос из шламонакопителя 5 откачивает шлам через нагнетательный трубопровод 11 на гидроциклон 10. Чистая жидкость в турбогидронасосе, не смешиваюсь со шламом, после приведения в движение турбогидронасоса, сбрасывается в водосборник 4. В гидроциклоне 10 происходит разделение шлама: очищенная вода по трубопроводу 9 сбрасывается в водосборник 4, а твердое разгружается в транспортное средство 12 (вагонетка или конвейер).

На рис.3.6 изображена конструкция турбогидронасоса.

Рис. 3.6. Конструкция турбогидронасоса

При этом турбогидронасос работает следующим образом. Поток жидкости из напорного трубопровода центробежного насоса двигаясь по трубе 13 попадает в турбинный узел 14, где вращаясь ротор 15, закрепленный на подшипниковых опорах 16. Ротор 15 посредством полумуфт 17 соединен с ротором 18, закрепленным на подшипниковых опорах 19, находящимся в насосном узле 20. Турбинный узел отделенный от насосного узла пакерной зоной 21. Рабочие колеса в турбинном узле засасывают шлам через фильтр 22 и, не перемешиваясь, поток шлама с потоком осветленной воды выпадают в обсадную трубу 23, откуда он поступает на гидроциклон. Смешивание шлама с жидкостью происходит посредством винта 24.

Применение данной схемы позволит снизить степень загрязнения откачиваемой воды непосредственно в технологическом цикле, уменьшатся энергозатраты и улучшится качество условий труда.

Установки оборудованные гидроциклонами имеют ряд неоценимых преимуществ: простота конструкции, как следствие высокая надежность, отсутствие движущихся частей, простота обслуживания позволят применять их во многих технологических процессах связанных с осветлением шахтных вод, уменьшением гидроабразивного износа, снизить зашламляемость трубопроводов.

Все вышеперечисленные способы не могут быть эффективны без дальнейших исследований:

• эксперементального подтверждения процессов осветления шахтных вод на основе теоретических предпосылок;
• качественного состава шахтных вод, так как они сложны по своему грануло -метрическому составу и тяжело поддаются эксперементальному исследованию;
• проведения исследований на натуральных образцах шахтных вод.

Необходимо установить следующие теоретические зависимости:

• эффективность очистки шахтных вод в зависимости от грануло – метрического состава, свойств (реологических) пород которые содержатся в пульпе, концентрации;
• исследовать кинематику гидроциклонной очистки шахтных вод.

В довершение следует заметить, что современные технологии промышленность направлены на создание схем и оборудования блочно – компактной конструкции. Предлагаемая описанная схема отличается высокой производительностью. Гидроциклоны как нельзя лучше удовлетворяют этим требованиям: просты в конструкции, обслуживание, легко группируются в блоки и батареи.

Ключевые термины:

Шлам — отходы продукта, составляющие пылевые и мелочные его части, получаемые в виде осадка при промывке какого-либо рудного материала.

Гидроциклон — аппарат, предназначенный для обесшламливания, сгущения шламов и продуктов флотации, осветления оборотных вод, классификации рудной пульпы в стадиях тонкого измельчения в замкнутом цикле с шаровыми мельницами и обогащения тонких фракций угля и руд в водной среде и тяжелых суспензиях в центробежном поле, создаваемом в результате вращения пульпы.

Контрольные вопросы

1. Для чего необходима очистка водосборников от шлама?
2. Какие последствия работы водоотливной установки с зашламленным водосборником?
3. Перечислите способы очистки водосборников?
4. Как происходит очистка в водоотливной установке с турбогидронасосом и гидроэлеватором?
5. Какие преимущества водоотливной установки с турбогидронасосом?

Краткие итоги

• Рассмотрели основные способы очистки водосборников от шлама
• Ознакомились с преимуществами и недостатками представленных способов