Водоотлив при строительстве и углубке стволов

13.1. Общие сведения о подземных водах

Различают следующие виды подземных вод: 1) водяной пар; 2) гигроскопическая вода; 3) пленочная вода; 4) капиллярная вода; 5) гравитационная вода; 6) лед.

Водяной пар обычно заполняет все поры породы и перемещается в них в сторону более низкого давления.

Гигроскопическая вода прочно удерживается в виде пленки на поверхности частиц породы с помощью адсорбционных сил и может передвигаться, переходя в пар.

Пленочная вода также удерживается на поверхности частиц породы, но только с помощью сил молекулярного притяжения. Эту воду невозможно удалить из породы ни дренажом, ни центрифугированием.

Капиллярная вода находится в капиллярах, образованных порами, и может перемещаться под действием сил тяжести и капиллярных сил. Этот вид воды может передавать гидростатическое давление.

Гравитационная вода находится в крупных порах и трещинах пород и перемещается под действием сил тяжести.

Вода в замерзшем состоянии (лед) обычно бывает в породах в зимний период, в районах вечной мерзлоты, а также при искусственном замораживании пород.

Шахтные воды обычно представляют собой подземные и поверхностные воды, проникающие в горные выработки. Они отличаются большой пестротой своего химического состава, почти всегда непригодны для питья и очень часто непригодны даже для технических целей. Эти воды обычно обладают высокой жесткостью, нередко содержат свободную серную кислоту.

Из-за насыщения различными веществами шахтная вода имеет плотность при 15°С в пределах 1015—1025 кг/м³. В ней во взвешенном состоянии находятся различные вещества. В коллоидном состоянии в шахтной воде находятся глинозем, кремнезем, оксид железа и различные органические вещества, а в растворенном состоянии — кислород, азот, углекислота, метан, сероводород, водород и другие газы.

По степени минерализации шахтные воды делят на три вида: маломинерализованные, до 0,5 г/л, загрязненные взвешенными веществами; умеренно минерализованные, до 1 г/л, загрязненные взвешенными веществами и имеющие pH = 2,8÷4; сильно минерализованные, свыше 1 г/л, загрязненные взвешенными веществами. Наименьшая минерализация воды в горных выработках наблюдается в весенние месяцы (март—май), а наибольшая — в сентябре и октябре. Кроме высокой минерализации шахтные воды обычно сильно загрязнены бактериально из-за органических отбросов.


Кислотность шахтной воды обычно определяют по степени концентрации водородных ионов Н+ или водородным показателем pH = —lg (Н⁺). Для нейтральной воды pH = 7, для кислотной pH<7 и для щелочной pH>7.

В шахтных водах обычно содержатся твердые частицы, обладающие абразивными свойствами, что отрицательно сказывается на работе соответствующего оборудования водоотлива. В зависимости от горно-геологических условий месторождений полезных ископаемых в значительной степени изменяются физико-химические свойства шахтных вод.

13.2. Определение притоков воды в стволы

Приток воды в вертикальный ствол при его строительстве (м³/сут) с достаточной для практических целей точностью можно рассчитать по следующим формулам:


где k — коэффициент фильтрации, м/сут; m — мощность водоносного пласта, м; S — понижение уровня подземных вод, м; H — пьезометрический напор (уровень) водоносного горизонта, м; R — радиус влияния, м; г — радиус ствола (вчерне), м. Радиус влияния можно определить по формулам:


где t — продолжительность непрерывной откачки воды из ствола, сут; μ — водоотдача пород (может быть принята для галечника и гравия равной 0,35—0,3, крупнозернистого песка 0,3— 0,25, среднезернистого 0,25—0,20, мелкозернистого 0,20—0,15, трещиноватых пород 0,001—0,0002, закарстованных пород 0,15—0,005, для глинистых песков величина μ на 0,05 меньше приведенных значений).


В случае одновременного строительства двух стволов приток воды (м³/сут) в каждый из них


где 2δ — расстояние между центрами двух стволов.

13.3. Способы и схемы водоулавливания и водоотлива при строительстве и углубке стволов шахт

Водоотлив при строительстве и углубке стволов в сравнении с постоянным шахтным водоотливом имеет следующие специфические особенности:

• непостоянство притока воды по мере подвигания забоя ствола;
• возрастание высоты откачки воды в процессе ведения работ;
• наличие притока к водоотливной установке воды, загрязненной твердыми минеральными частицами, из-за отсутствия водосборника;
• стесненность условий для работы в призабойном пространстве, что затрудняет размещение водоотливных средств;
• наличие капежа воды и высокая влажность атмосферы в стволе, что обслуживает необходимость применения электрооборудования в специальном исполнении;
• периодическое изменение места расположения водоотливных средств вслед за подвиганием забоя;
• необходимость быстрой откачки притока воды от забоя, например, после ведения взрывных работ, что обусловливает необходимость установки водоотливных средств большой подачи.

С учетом этих особенностей, а также условий проходки стволов, т. е. их глубины, водообильностн пересекаемых стволом горных пород, глубины залегания и мощности водоносных пластов, принятого способа проходки и технических характеристик имеющихся водоотливных средств выбирают необходимые способы и схемы водоотлива. На практике при проходке вертикальных стволов наиболее распространены следующие способы водоотлива:

• выдача воды породными бадьями;
• водоотлив с использованием подвесных насосов или забойных и подвесных насосов;
• водоотлив с применением проходческих эрлифтных установок, а также водоструйных насосов (гидроэлеваторов).

Иногда используют и другие способы, обычно представляющие собой комбинации перечисленных способов водоотлива.


При проведении наклонных стволов используют следующие способы водоотлива:

• выдачу воды в груженых скинах или вагонетках с породой при малых притоках воды;
• откачку воды с помощью различных насосов, в том числе и водоструйных

.
При проходке стволов до возведения постоянной крепи вода в забой поступает непосредственно из самих пород, а после ее возведения она нередко проникает через различные неплотности в крепи в виде отдельных струек и образует в конечном счете капеж, переходящий в ряде случаев в сильный ливень, усложняющий работу людей в забое. В таких условиях параллельно с организацией проходческого водоотлива организуют в стволах водоулавливание путем накопления просачивающейся воды в желобах или других устройствах, а также путем дренирования водоносных пород за крепью выработок.

К техническим средствам метода водоулавливания относят дренажные приспособления, желоба, водосборники и откачные станции.

Для дренирования водоносных пород при проходке стволов применяют спускные трубки, гравийные и каркасно-стержневые фильтры. Спускные трубки рекомендуют для дренирования водоносных трещиноватых крепких пород. Места для установки трубок определяют размещением трещин. Спускные трубки изготовляют из стальных труб диаметром от 32 до 55 мм в зависимости от дебита водоносной трещины.

Забивные фильтры рекомендуется применять для дренирования неустойчивых водоносных пород и угля, где требуется защищать дренажную скважину от обвалов. Они также могут быть использованы для дренирования рыхлых водоносных пород (пески, гравий, галечник).

Забивной фильтр состоит из стальной перфорированной трубы. Один конец фильтра имеет стальной конус, а другой — оголовок. В зависимости от расположения фильтров вода из них собирается коллектором или по трубам спускается непосредственно в водоулавливающее кольцо. Захватная часть фильтра перфорирована круглыми отверстиями или щелями. Диаметр и ширина щелей зависят от гранулометрического состава пород и дебита водоносного пласта.

Диаметр или ширина прямоугольных отверстий фильтров, применяемых в рыхлых породах, приведены в табл. 13.1, где d_ср — средний диаметр частиц водоносного песка; d₅₀ — диаметр частиц, содержание которых в породе составляет 50%.



Круглые отверстия располагают по трубе в шахматном порядке, расстояние между центрами отверстий обычно принимают равным от 2,5 до 3 диаметров отверстий.

Длина щелей равна десятикратной их ширине и находится в пределах 100—300 мм. Расстояние между щелями по окружности трубы выбирают из условий диаметра скважины и прочности фильтра, оно находится в пределах 1,4—10 ширин щели.

В трещиноватых породах забивные фильтры размещают в тех местах, где обнаружены обильные потоки воды, в рыхлых и обломочных водоносных породах — у почвы водоносного пласта.

Гравийные фильтры применяют для сбора воды из закрепного пространства, когда вода поступает из водоносного пласта по всей окружности ствола. Водоносные пласты при этом состоят из песчаников, мергеля или известняков, изрезанных мелкими водоносными трещинами, а также из рыхлых пород песка, гравия, щебня, насыпного грунта и т. п.

Гравийный фильтр (рис. 13.1) состоит из перфорированной трубы 1, закрепленной в металлическом патрубке 2. Ниже этого патрубка в закрепленном пространстве устраивают бетонную постель 3, на которую устанавливают деревянный короб 4 с отверстиями так, чтобы конец перфорированной трубы находился внутри короба. С боков и сверху короба насыпают слон гравия, а закрепленное пространство вокруг ствола забучивают щебнем. Отношение диаметра частиц гравийной обсыпки к диаметру частиц водоносной породы принимают обычно в пределах от 5:1 до 8:1. Чем больше толщина слоя гравийной обсыпки, тем эффективнее работа фильтра. Толщина слоя гравийной обсыпки должна быть не менее 50 мм.


Количество воды, просачивающейся через постоянную крепь ствола, зависит от вида и качества крепи, мощности водоносного пласта и пьезометрического напора. Значительную часть этой воды могут собрать водоулавливающие желоба.

Водоулавливающий желоб может быть изготовлен из стальных труб (рис. 13.2, а) диаметром 150 мм. Трубу изгибают в кольцо так, чтобы внутренний диаметр кольца соответствовал диаметру ствола в свету. Изогнутые трубы разрезают по длине на два отдельных кольцевых желоба. Желоб из труб применяют при проходке стволов с одновременным армированием, когда перемещение полка выше желоба не требуется.

Водоулавливающий желоб с откидным отражателем (рис. 13.2, б) изготовляют из листовой стали. При подъеме проходческого полка выше желоба отражатель откидывается в специальное углубление в крепи ствола.

При наличии водоносных пластов с ограниченным водопритоком используют водоулавлнвающие желоба, изготовленные из швеллеров (рис. 13.2, в).

В тех случаях, когда ствол армируют одновременно с возведением постоянной крепи, т. е. когда не предусматривается подъем полка выше желоба, возможно использование водоулавливающих желобов, устройство которых показано на рис. 13.2, г.

Бадьевой водоотлив. Наиболее простым способом проходческого водоотлива при проходке вертикальных стволов является выдача воды в бадьях, загруженных породой. При этом откачку воды от забоя и подачу ее в бадью осуществляют с помощью специальных забойных насосов. Вода в бадье размещается в полостях между кусками породы. Такой водоотлив наиболее эффективно применяется при притоках воды в забой до 8 м³/ч.

Производительность бадьевого водоотлива (м³/ч)


где μ₀ = 0,45÷0,55 — коэффициент, учитывающий содержание пустот в нагруженной породой бадье; γ = 0,9 — коэффициент заполнения бадьи; Q_б — вместимость бадьи, м³; n = 3600/Т — число подъемов в час; Т — продолжительность цикла подъема с учетом маневровых операций, с; k = 1,5 — коэффициент неравномерности работы подъема.

Производительность бадьевого водоотлива при μ₀ = 0,5 приведена в табл. 13.2.


Откачка воды с помощью забойных насосов. Для откачки воды, скопившейся в забое ствола, в бадьи или приемные баки подвесных проходческих насосов применяют переносные забойные насосы. По роду энергии забойные насосы могут быть пневматические и электрические.

Насос БН-15-4 состоит из турбинного пневмодвнгателя и насосной части, встроенной в один корпус. Конструкция насоса предусматривает возможность работы как при полном погружении в воду, так и при погружении только всасывающей сетки.

Насос Н-1м состоит из турбинного пневмодвигателя и насосного узла, встроенных в один корпус. Насосный узел состоит из рабочего колеса, корпуса со спиральным отводом в нижней части, раструба и .сетки всасывающей коробки.

Насос НПП-Im состоит из насосного узла, ротационного пневмодвигателя и арматуры со шлангами, один из которых служит для подачи сжатого воздуха, другой — для отвода воды. Для очистки сжатого воздуха перед поступлением его в пневмодвигатель в верхней части распределительной головки установлен сетчатый фильтр.

К забойным насосам относятся также насос «Малютка» с турбинным пневмодвигателем и насос ПН-00 с ротационным пневмодвигателем.

Техническая характеристика пневматических насосов приведена ниже.


Изготовнтель — Ясногорский машиностроительный завод.

Забойный диафрагменный насос «Байкал» предназначен для водоотлива загрязненной абразивными частицами воды. Насос имеет две диафрагмы, соединенные одним штоком, которые приводятся в движение сжатым воздухом. Распределение воздуха осуществляется золотником. Насос имеет эрлифтное устройство для увеличения высоты нагнетания и поплавковый механизм для автоматического включения и выключения его посредством клапана в зависимости от наличия воды. Отработанный воздух отводится через глушитель. Техническая характеристика насоса «Байкал» приведена ниже.


Изготовитель — Черемховский машиностроительный завод им. Карла Маркса.

К группе переносных забойных вертикальных шламовых насосов с электродвигателем относятся насосы типа НАП и насос НШЛ-1.

Насос типа НАП состоит из собственно насоса и вертикального электродвигателя. С насосом поставляют электроаппаратуру, гибкий напорный трубопровод и поплавковый датчик.

Переносной шламовый насос НШЛ-1 служит для перекачивания воды с содержанием до 30 % твердых частиц размером до 20 мм.

Техническая характеристика электрических насосов приведена ниже.


Забойные насосы замещения конструкции ВНИИОМШСа применяют для перекачки воды, загрязненной техническими примесями. К этому типу насосов относятся насосы СПУ-1, НПУ-2, НЗВ, НЗВ-2 и НПВ-1.У5.

Насос НПВ-1.У5 (рис. 13.3) состоит из следующих основных узлов: корпуса 1, клапанов всаса и нагнетания 2, механизма управления 3, всаса 4. Работа насосов осуществляется циклично, причем полный цикл включает заполнение корпуса насоса водой при помощи эжектора и подачу ее в нагнетательный трубопровод под действием сжатого воздуха.

Техническая характеристика насосов замещения приведена ниже.


Изготовитель — опытно-экспериментальная шахта ВНИИ ОМШСа.

Водоотлив с применением подвесных насосов применяют при притоках воды в забой ствола до 20 м³/ч. Различают водоотлив прямой — одноступенчатый, при котором вода из забоя ствола откачивается подвесным проходческим насосом непосредственно на земную поверхность, и с перекачкой — двухступенчатый (рис. 13.4), при котором вода из забоя сначала забойными насосами перекачивается в резервуары, располагаемые на некотором расстоянии от забоя, а затем эта вода откачивается на поверхность другими насосами.

При одноступенчатой схеме водоотлива подвесной насос вместе с напорным ставом труб подвешивают на канате и опускают вниз по мере подвигания забоя ствола. Один конец закрепляют на подшкивной площадке проходческого копра, другой — на барабане тихоходной лебедки. Обе ветви каната служат направляющими для хомутов, поддерживающих напорный став труб. Насос располагают над забоем на расстоянии, не превышающем его высоты всасывания. Напорный став собирают из стальных бесшовных труб, соединенных подвижными фланцами и болтами. Кабель для питания электродвигателя насоса закрепляют на направляющих хомутах.

Двухступенчатая схема водоотлива предусматривает подачу воды из забоя ствола небольшими, удобными для маневрирования, малогабаритными насосами в бак объемом 1,5—2 м³. Перед взрыванием забойные насосы поднимают на проходческий полок или на поверхность.

Для очистки бака от оседающих твердых частиц породы в его днище предусмотрен люк.

Широкое применение находит подвесной проходческий насос ППН-50-12 (рис. 13.5), предназначенный для откачки воды при проходке вертикальных стволов, а также при проходке уклонов с углом наклона не менее 75°. Насос относится к центробежным. Рабочие колеса открытого полу-осевого типа закреплены на вертикальном валу насосного узла и при вращении своими спиральными лопатками, расположенными на конических поверхностях, сообщают движение жидкости, заполняющей пространство между лопатками.

Компоновка узлов проходческих насосов BI1-2, ВП-3с, ППН-30X250 существенно не отличается от компоновки, принятой для насоса Г1ПН-50-12.

Техническая характеристика подвесных проходческих насосов приведена ниже.


Изготовитель — Черемховский завод им. Карла Маркса.

Обычно ствол оборудуют одним рабочим подвесным проходческим насосом, который по мере необходимости опускают вслед за подвиганием забоя. Второй насос того же типа (резервный) должен находиться у ствола или вблизи него на поверхности.

Водоотлив с применением перекачных насосных станций. В случае недостатка напора подвесного насоса для выдачи откачиваемой из ствола воды на поверхность в стволе приходится предусматривать специальные перекачные станции (рис. 13.6).

Камеры насосных станций размешают на расстоянии 180—220 м друг от друга. Установленные в перекачной камере насосы располагают ниже уровня воды в водосборнике, что обеспечивает заливку насосов перед каждым их пуском и создает предпосылки для применения простой схемы автоматизации их работы. Если поступление воды в водосборник перекачной насосной станции не превышает 10 м³/ч, то последние оснащают одним насосом подачей до 40 м³/ч. При поступлении воды в водосборник свыше 10 м³/ч в перекачной насосной станции устанавливают два насоса подачей до 100 м³/ч. При этом один из насосов является рабочим, а другой — резервным.

Обычно во временных перекачных насосных камерах устанавливают центробежные секционные насосы типа ЦНС подачей 38, 60, 105 и реже 180 м³/ч с соответствующим напором, обеспечивающим требуемую высоту перекачки.

Техническая характеристика насосов типа ЦНС, изготовляемых Ясногорским машиностроительным заводом, приведена в табл. 13.3.


Камеры перекачных насосных станций располагают около ствола. В той части камеры, которая примыкает к стволу, размещают водоотливное оборудование и пусковую аппаратуру, а в удаленной части — водосборник. В качестве временного водосборника могут быть установлены металлические баки, расположенные выше насоса. Число и объем баков зависят от часового поступления воды. Баки соединяются между собой патрубками. а общий коллектор присоединяется к всасывающему трубопроводу насоса.

Для обеспечения естественного проветривания потолок камеры должен иметь подъем 0,01—0,02 в сторону ствола.

Выход из камеры ограждают барьером высотой не менее 1 м.

Если перекачную насосную камеру проводят в устойчивых породах, то ширину ее принимают с таким расчетом, чтобы насосные агрегаты располагались параллельно, а при неустойчивых породах — последовательно. В последнем случае ширину камеры уменьшают, а необходимую площадь обеспечивают путем увеличения длины камеры.

Если перекачную насосную камеру располагают на большой глубине, то питание двигателей электроэнергией низкого напряжения с поверхности становится затруднительным. В этом случае вблизи насосной станции размещают электроподстанцию и с поверхности прокладывают по стволу высоковольтный кабель.

В том случае, когда перекачную насосную станцию оборудуют насосными агрегатами, требующими применения высоковольтного привода, их запуск осуществляют с помощью ячеек распределительного устройства УРВ-6. Если при этом требуется также обеспечить электроэнергией подвесной насос, то в камере устанавливают понизительный трансформатор 6/0,4 кВ.

ВНИИОМШСом разработаны схемы автоматизации проходческого водоотлива: АВ-7 — для перекачных камер с двумя насосами и АВ-5— для перекачных камер с одним насосом. Аппаратура схем АВ-7 и АВ-5, серийно изготовляемая Конотопским электромеханическим заводом «Красный металлист», обеспечивает автоматическое управление как подвесными, так и перекачными насосами, имеющими в качестве привода низковольтные короткозамкнутые электродвигатели мощностью до 120 кВт.

Водоотлив при одновременной проходке нескольких стволов. При одновременной проходке нескольких близко расположенных стволов перекачные насосные камеры устраивают у одного из стволов (рис. 13.7). В других стволах устраивают водоулавливающие устройства, воду из которых по специально пробуренным наклонным скважинам перепускают в водосборники перекачных насосных станций.

В том случае, когда стволы находятся на небольшом расстоянии друг от друга, можно производить спуск воды по опережающей скважине в один из них, полностью оснащаемый водоотливным оборудованием. Например, при проведении ствола А (рис. 13.8) вблизи ранее пройденного ствола Б можно производить спуск воды в его околоствольный двор. Для этого в стволе А бурят опережающую скважину и обсаживают ее перфорированными трубами диаметром около 400 мм. Нижний конец трубы выводят на заранее пройденную выработку, оборудованную средствами водоотлива. Новый ствол проходят,, таким образом, по осушенным породам, а пробуренную скважину можно также использовать для спуска в околоствольный двор мелких кусков породы при проходке ствола. По скважине пропускают канат, на котором в нескольких местах прикреплены скребки. В случае засорения скважины ее очищают этими скребками, передвигая канат по скважине.

На рис. 13.9 показана схема проходческого водоотлива при проходке трех близко расположенных стволов. Как видно из рисунка, при проходке пробуривают наклонные скважины. Вода в двух стволах улавливается и спускается по этим скважинам в зумпф третьего, ранее пройденного ствола, откуда откачивается на поверхность.

Водоотлив при армировании стволов и проведении околоствольных выработок. Обычно после проведения сбойки между стволами вспомогательный ствол армируют. Водоотлив в этот период осуществляют через вспомогательный 1 или главный ствол 2 (рис. 13.10).

В первом случае вода откачивается временными насосами, установленными в камере ожидания, по временному трубопроводу, проложенному по вспомогательному стволу.

Во втором случае вода из зумпфа вспомогательного ствола откачивается насосами по трубопроводу, проложенному по сбойке, в бак подвесного насоса 3 или непосредственно в зумпф главного ствола, откуда подвесным насосом подается на поверхность или в водосборник 4 перекачного горизонта.

Водоотлив в период проведения выработок околоствольного двора (рис. 13.11) организуют следующим образом. Вода из зумпфа главного ствола 1 насосами 2 откачивается по трубопроводу, проложенному по сбойке, в зумпф вспомогательного ствола 3 или во временный водосборник, откуда общий приток воды по вспомогательному стволу откачивается насосами 4 на поверхность или на перекачной горизонт. Откачку воды осуществляют по временному или постоянному ставу труб.

При проходке ствола с одновременным армированием трубопроводы монтируют с подвесного полка сверху вниз и крепит к расстрелам специальными хомутами.

Водоотлив при проходке наклонных стволов. На выбор способа водоотлива при проведении наклонных стволов влияют многие факторы, главными из которых являются приток воды, протяженность, площадь сечения и угол наклона ствола, принятый способ горнопроходческих работ. При незначительных притоках воды в забой (около 6 м³/ч) воду обычно откачивают в груженые скипы или вагонетки и вместе с породой выдают на поверхность. При больших притоках воду откачивают с помощью различных насосных установок.

При водоотливе с размещением насосов в наклонном стволе (рис. 13.12, а) предусматривают использование забойного насоса, находящегося на некотором расстоянии от забоя и перемещаемого периодически по почве вслед за его подвиганием. При этом перекачкой насос с электродвигателем, смонтированные на общей раме, располагают на почве выработки или на специальной тележке. Здесь же устанавливают металлический бак-водосборник, куда по трубам забойным насосом подается вода. Из бака эта вода перекачным насосом откачивается на поверхность или в водосборник, расположенный выше перекачной насосной станции. Бак должен быть установлен так, чтобы перекачной центробежный насос находился постоянно под заливом.

Насос и бак можно передвигать по почве на лыжах или специальной тележке, находящейся на втором (свободном) рельсовом пути, с помощью лебедок. При расположении перекачного насоса на передвижной тележке, перемещающейся по рельсовому пути, в качестве водосборника нередко используют породный скип. При углах наклона стволов свыше 35° в качестве перекачных насосов можно использовать вертикальные подвесные.

Основными достоинствами описанной схемы водоотлива являются: отсутствие дополнительных работ по содержанию специальных ниш или камер для размещения перекачного насоса с водосборным баком; возможность периодического перемещения водоотливного комплекса вслед за подвиганием забоя, что позволяет снизить напор забойного насоса и тем самым увеличить срок его работы.

Схему водоотлива с расположением перекачного насоса в нише (рис. 13.12, б) применяют в том случае, когда условия проходки не позволяют разместить насос вместе с баком в сечении выработки. При этом их размещают в камерах (нишах), сооружаемых в стенке выработки. Размеры ниши зависят от основных размеров используемого оборудования с учетом правил безопасной его эксплуатации. К основным недостаткам рассматриваемой схемы водоотлива следует отнести необходимость сооружения специальных камер (ниш), а также необходимость периодического демонтажа и переноски насосов и бака в процессе проведения ствола.

При одновременном проведении двух наклонных стволов возможно применение схемы водоотлива с размещением перс-качного насоса в сбойке (рис. 13.12, в) или в камере, примыкающей к стенке одного из стволов (рис. 13.12, г). В этих случаях на оба ствола сооружают одну перекачную камеру. Может также применяться комбинированная схема водоотлива (рис. 13.12, б), предусматривающая использование одновременно нескольких перечисленных схем.

В качестве забойных применяют насосы Н-1М, «Малютка», НЗВ, НПВ, НПЗ-2, ВНМ, ВН, В и ПВН.

Насос НПЗ-2 представляет собой спаренную конструкцию горизонтальных поршневых насосов двойного действия, соединенных с двумя пневматическими поршневыми двигателями общими штоками.

Техническая характеристика насоса НПЗ-2 приведена ниже.


Винтовые насосы типа ВН, ВНМ и В находят довольно широкое применение для забойного водоотлива при проведении наклонных стволов. Небольшие масса и габариты дают возможность легко транспортировать и устанавливать винтовые насосы в любом месте горной выработки без специальных фундаментов. Они допускают перекачку воды с содержанием взвешенных частиц до 15%.

Техническая характеристика винтовых насосов приведена в табл. 13.4.


При проходке наклонных стволов в качестве перекачных применяют насосы типа ЦНС, К и КМ.

Специальные способы и технические средства водоотлива при проходке стволов. При сооружении шахтных стволов для целей водоотлива используют и такие технические средства, как водоструйные насосы (гидроэлеваторы) и эрлифты (воздушные водоподъемники).

Водоструйные насосы представляют собой аппараты, действие которых основано на использовании кинетической энергии струи жидкости для перемещения другой жидкости или гидросмеси.

Водоотливная установка (рис. 13.13) при этом включает в себя насосную станцию, чаще всего располагаемую на поверхности у устья ствола, водосборник, нагнетательный и подающий трубопроводы и собственно водоструйный насос. Эту установку применяют при проходке вертикальных и наклонных стволов.

Основными достоинствами водоструйного насоса являются простота устройства, небольшая масса, удобство операций по его спуску и подъему. Недостатки: весьма низкий КПД (0,1—0,3), большой расход рабочей воды, сравнительно небольшая высота подъема воды (не более 100 м). Несмотря на недостатки водоструйные насосы находят широкое применение в шахтном строительстве.

На практике используются различные конструкции водоструйных насосов. Например, ВНИИОМШСом создан высоконапорный водоструйный насос ГВ-2.

Техническая характеристика водоструйного насоса ГВ-2 приведена ниже.


В технической характеристике даны рабочие параметры водоструйного насоса, соответствующие высоте подачи 100 м и высоте всасывания 5 м. Однако этот водоструйный насос может работать и в других условиях, тогда его параметры определяют расчетным путем по соответствующей методике.

При проходке наклонных стволов в сложных гидрогеологических условиях по слабоустойчивым породам для целей забойного водоотлива целесообразно также использовать водоструйные насосы, особенно в случаях применения временной деревянной крепи, так как в обводненных и слабоустойчивых породах очень часто борта канавки, подготовленной для укладки лежака при установке крепи, быстро оплывают, а сама канавка заносится песком. Для таких условии ВНИИОМШСом создан водоструйный насос Г-2.

Техническая характеристика водоструйного насоса Г-2 приведена ниже.


Схема водоотлива с использованием водоструйного насоса Г-2 при проведении наклонного ствола показана на рис. 13.14.

Эрлифты обеспечивают откачку воды при проходке стволов практически с любой глубины. Основными элементами эрлифтов являются водоподъемный и пневматический трубопроводы, смеситель и воздухоотделитель. Подачу сжатого воздуха осуществляют чаще всего от компрессорных станций. Эрлифты обладают рядом существенных достоинств: простотой устройства, изготовления, монтажа, обслуживания и ремонта; надежностью в работе (вследствие отсутствия движущихся частей); возможностью откачки воды, содержащей куски твердых включений; небольшими размерами; нахождением электромеханического оборудования на поверхности шахты.

Вместе с тем эрлифтам присущи такие недостатки, как необходимость в заглублении смесителя на 40—120 м; сравнительно высокая энергоемкость; низкий КПД, составляющий 0,25—0,35, что в 1,8—1,3 раза ниже, чем у насосных установок. Несмотря на все эти недостатки, применение эрлифтов в ряде случаев целесообразно и эффективно.

В зависимости от конкретных условий проходки ствола схемы применения эрлифтов могут быть различными. Так, на рис. 13.15 представлена схема откачки воды эрлифтом из водоулавливающего желоба. В этом случае требуемое погружение смесителя обеспечивается устройством в стволе U-образной петли. В общем же случае для подъема воды эрлифтом на какую-либо высоту h₀ его смеситель должен быть погружен в откачиваемую воду на глубину h. При этом отношение глубины погружения h к рабочей длине подъемной трубы H = h + h₀ называется относительным погружением, т. е. а = h/H. От этой величины в значительной мере зависят расход воздуха, производительность и КПД эрлифта.

При высоте подъема воды до 600 м можно обойтись одно-секционным эрлифтом, а при больших высотах приходится устанавливать многосекционные эрлифты.

На рис. 13.16 представлены возможные схемы применения эрлифтов для увеличения высоты нагнетания подвесных (рис. 13.16, а) центробежных (рис. 13.16, б и в) и водоструйных насосов (рис. 13.16, г). Последовательная работа подвесного насоса и эрлифта позволяет увеличивать высоту откачки воды при проведении ствола, благодаря чему удается уменьшить число ступеней перекачки и расходы на водоотлив.

13.4. Выбор основного оборудования водоотлива

При проектировании водоотлива основными исходными данными чаще всего являются величина притока и наибольшая высота откачки воды. На основании этих данных составляют схему водоотлива, выбирают насос и с помощью гидравлических расчетов определяют диаметры трубопроводов и уточняют режимы работы водоотливного комплекса.

Подачу насоса принимают в 1,5—2 раза больше ожидаемого притока, а его потребный напор подсчитывают по формуле


где H_г — геодезическая высота подъема воды; ∑h_тр, ∑h_м — суммарные гидравлические потерн по длине трубопровода и на местные сопротивления (колена, задвижки, клапаны и т. д.).

Мощность электродвигателя насоса


где Q_н — подача насоса; γ_в — плотность откачиваемой воды; η_н — КПД насоса (принимается но каталогу).
Гидравлический расчет трубопроводов заключается в определении их диаметров и потерь напора при известных расходах откачиваемой воды. Для определения диаметра трубопровода прежде всего задаются скоростью движения воды в нем. Целесообразно выбирать скорость, при которой сопротивления движению воды в трубах были бы невелики. При выборе скорости движения воды можно пользоваться данными Южгипрошахта.

Рекомендуемые скорости движения воды по трубопроводам приведены в табл. 13.5.


Внутренним диаметр трубопровода при этом может быть уточнен по формуле


Суммарные гидравлические потери по длине трубопровода


где i — гидравлический уклон, мм/м; l — длина трубопровода, м.

Суммарные гидравлические потери на местные сопротивления


где ξ' — коэффициент местного сопротивления; g — ускорение свободного падения.

13.5. Рекомендации по монтажу насосов в вертикальных стволах

При проходке вертикальных стволов подвесные насосы подвешивают на стальных некрутящихся канатах с помощью тихоходных проходческих лебедок с электрическим приводом. Эти лебедки допускают навивку каната на барабан в шесть-семь слоев при средней скорости навивки 0,1 м/с. Способы навески насоса в зависимости от конкретных условий могут быть различными: с закреплением неподвижной ветви каната под проходческим копром или в стволе, с применением промежуточных прицепных устройств или двухбарабанной лебедки. При навеске насоса с закреплением неподвижной ветви каната под копром насос фактически оказывается подвешенным на двух ветвях каната. С целью направления движения подвесного насоса с трубопроводом но канатам используют специальные хомуты, которые зажимают трубу и кабель, но свободно пропускают ветви каната. Такой способ навески позволяет опускать насос в ствол на глубину до 450 м.

При навеске насосов с закреплением конца неподвижной ветви каната в стволе можно опускать насос на глубину свыше 450 м. Для спуска насосов на глубину до 900 м целесообразно в стволе использовать промежуточное подвесное устройство, состоящее из грузового блока диаметром 440 мм и двух коушей, а на глубине до 950 м возможно использование двухбарабанных лебедок.