Насосы для водоотлива и освещение горных выработок

Освещение горных выработок. Все работы в подземных горных выработках производятся при искусственном освещении стационарного и переносного типов. Стационарное электрическое освещение с использованием ламп накаливания или люминесцентных светильников оборудуется в основных горных выработках. В соответствии с требованиями Правил безопасности установлены нормы минимальной освещенности (в люксах): в основных откаточных выработках — 5; в действующих забоях — 10-15; в подземных камерах — 75.

Переносные и индивидуальные светильники разнообразны: электрические, аккумуляторные, ацетиленовые, бензиновые.

Водоотлив. В процессе горнопроходческих работ выработки пересекают водоносные горизонты, трещинные структуры, карстовые полости, из которых поступает вода. Степень обводненности участка зависит от географического положения, климатических условий, глубины, литолого-петрографического состава пород, водопроницаемости их, гидрогеологической обстановки и др. Водоприток в горные выработки, измеряемый кубическими метрами в час или сутки, изменяется в широких пределах от единиц до нескольких тысяч кубических метров в час. Относительный водоприток характеризуется коэффициентом водообильности — отношением количества откаченной воды к количеству извлеченной за тот же срок породы (м³/т). Эта величина изменяется от долей кубометра на 1 т до 20 м³ и более.

Успешная проходка разведочных выработок возможна при правильной организации водоотлива. При небольшом притоке воды она удаляется вместе с породой в бадьях. При более обильном поступлении воды (более 5 л/мин) используют различные насосы. Особенностями водоотлива при проходке разведочных выработок являются: относительная кратковременность работ, потребность в легких насосах и системах, пригодность насосов для откачивания разных вод (агрессивных, минерализованных, рассолов, содержащих песок, и др.). Для этих целей применяют насосы различных типов и систем. Кроме этого насосы широко используются и при проходке скважин для их промывки и для эксплуатационных целей — добычи подземных вод, рассолов и др.

Поэтому ниже будут рассмотрены принципиальные схемы разных типов насосов с указанием областей их применения.

Конструкции насосов разнообразны, как и принципы их действия (рис. 4).

Штанговый насос простого действия (А) состоит из цилиндра с всасывающим клапаном в нижней части и помещенного на штангах поршня, также имеющего клапан. При подъеме поршня вода через всасывающий клапан поступает в цилиндр, при опускании всасывающий клапан закрывается и вода через нагнетательный клапан в поршне заполняет свободное пространство над поршнем. При подъеме поршня вода, находящаяся над ним, поднимается по нагнетательной трубе и изливается через выпускное отверстие. Насосы этого типа бывают ручные и механические, они используются для откачки чистой и загрязненной воды.

Горизонтальный поршневой насос двойного действия (Б). В его корпусе находятся всасывающее и нагнетательное отверстия, которые соединяются с соответствующими шлангами или трубами, располагается цилиндр с поршнем, шток которого выходит из корпуса насоса и посредством специального механизма соединяется с двигателем. Таким образом, в корпусе образуются три полости, соединенные между собой двумя парами клапанов — всасывающих и нагнетательных (см. рис. 4). При движении поршня вправо в левой части цилиндра образуется вакуум, который компенсируется открытием левого всасывающего клапана и поступлением через него воды из нижней полости корпуса и всасывающей трубы. Одновременно открывается правый нагнетательный клапан и вода, находящаяся в правой части цилиндра, выдавливается поршнем в верхнюю полость и поступает в нагнетательную трубу. При движении поршня назад, влево происходят аналогичные действия, но при этом открываются правый всасывающий и левый нагнетательный клапаны. Таким образом, при каждом движении поршня происходит и всасывание и нагнетание воды.

Во многих поршневых насосах вместо обычного поршня устанавливают плунжер (скалку), который имеет форму стакана с толстым дном и уплотнительные сальники. Обычно поршневые насосы бывают сдвоенными: состоят из двух цилиндров, смонтированных на общей раме и работающих попеременно (в одном происходит всасывание, в другом в это же время — нагнетание). Плунжерные насосы пригодны для перекачивания и загрязненной воды.

Сдвоенные поршневые насосы используются при промывке скважин, обеспечивая при довольно большой производительности (до 200 л/мин) необходимое для этих целей высокое давление до (4-5) 10⁶ Па.

Диафрагмовый насос (В) состоит из округлой коробки, разделенной на две части эластичной диафрагмой (кожаной или резиновой). Диафрагма соединена со стержнем, конец которого выходит из корпуса насоса и прикреплен либо к рукоятке, либо к механическому приводу. Движение стержня обеспечивает подъем и опускание диафрагмы: при подъеме под ней увеличивается объем и жидкость под действием атмосферного давления проходит через всасывающий клапан; при опускании диафрагмы поступившая в корпус жидкость вытесняется через нагнетательный клапан в нагнетательную трубу. Благодаря отсутствию трущихся частей насос может откачивать воду со значительным содержанием песка. Диафрагмовые насосы бывают ручные и с механическим приводом, применяются при проходке неглубоких шурфов, канав и др.

Крыльчатый насос (Е) представляет собой небольшой цилиндр, внутри которого расположены неподвижная вертикальная перегородка и подвижные крылья, способные поворачиваться на оси в одну и другую стороны. Таким образом, внутренний объем цилиндра разделен на четыре камеры (I, II, III, IV); противоположные соединены отверстиями, проходящими через металлическую ось насоса. Внизу имеется два всасывающих клапана, вверху — два нагнетательных. При повороте крыльев, например, по часовой стрелке, вода всасывается в I и III камеры вследствие увеличения их объема и выталкивается из II и IV. При повороте крыльев в обратную сторону вода выталкивается из наполнившихся I и III камер и всасывается во II и IV. В насосе одновременно работают все четыре камеры, поэтому он называется насосом четверного действия.

Известна и другая модификация крыльчатых насосов — двойного действия. В них камеры соединены попарно посредством клапанов, расположенных в крыльях. Поэтому схема действия насоса иная. При повороте крыльев по часовой стрелке вода всасывается в I камеру, выталкивается из II; а в правой части происходит лишь перемещение воды из IV камеры в III. При повороте крыльев в обратную сторону работают III и IV камеры, а в другой половине насоса вода перемещается из нижней (I) камеры в верхнюю (II).

Производительность крыльчатых насосов невелика — 20-40 л/мин. Они предназначены для откачки чистой воды без примеси песка.

Центробежный насос (Г) по конструкции напоминает вентилятор и представляет собой цилиндр, внутри которого помещается ось с насаженными на нее лопатками. При вращении этого рабочего колеса насоса, соединенного с электромотором, находящаяся в насосе жидкость центробежными силами отбрасывается к периферии и выталкивается в напорную трубу. Благодаря этому создается пониженное давление вблизи оси рабочего колеса, куда под действием атмосферного давления через всасывающий трубопровод поступает жидкость. В силу того что действие центробежной силы непрерывно, подача воды тоже происходит непрерывно, без толчков, как в поршневых насосах. Для повышения давления центробежные насосы выполняют с несколькими последовательно расположенными колесами (ступенями). Такие насосы называются многоступенчатыми или многотурбинными. Давление в зависимости от конструкции может достигать (1-2)10⁶ Па и более. Центробежные насосы широко используют для водоотлива при эксплуатационных и гидрогеологических работах.

Винтовой насос (3). В цилиндрической рабочей камере насоса расположен резиновый статор, в котором вращается ротор, имеющий форму однозаходной спирали. При этом между ротором и статором образуются свободные полости, куда засасывается перекачиваемая вода, перемещаемая далее к полости нагнетания. Во всасывающей части насоса образуется область пониженного давления, что обеспечивает всасывание воды. Насосы такой конструкции могут перекачивать не только чистую, но и загрязненную воду, характеризуются достаточно высокой производительностью.

Гидроэлеваторная установка служит для подъема воды с использованием напора, создаваемого другим насосом. Принцип работы гидроэлеватора состоит в следующем. Подающаяся под давлением вода в виде мощной струи выходит из сопла со скоростью 30-60 м/с, в результате чего во всасывающей трубе ниже сопла создается область пониженного давления, обеспечивающая подъем воды. В смесителе вода смешивается с водой, поступающей из сопла, смесь проходит через обратный конус и диффузор в нагнетательный трубопровод. Гидроэлеваторные установки просты, надежны, могут работать с загрязненной водой.

Насос эрлифт (Л) — устройство, обеспечивающее подъем жидкости или гидросмеси сжатым воздухом. Насос представляет собой конструкцию из двух труб, опущенных в жидкость. По трубе малого диаметра подается сжатый воздух, благодаря чему внутри насосной трубы образуется смесь жидкости и пузырьков воздуха. Этот столб смеси, более легкий, чем жидкость вне трубы, поднимается (по закону сообщающихся сосудов) вверх, где изливается из отверстия. Насос может подавать жидкость любой степени загрязнения. Глубина погружения насоса в жидкость должна составлять не менее половины высоты напора. Эрлифт применяется для откачки воды из горных выработок, затопленных шахт, при откачивании нефти из скважин и др.

Сведения об авторах и источниках:

Автор: В. В. Авдонин, и др.

Источник: Технические средства и методика разведки месторождений полезных ископаемых.

Данные публикации будут полезны для студентов инженерно-геологической и геохимической специальностей.