Оценка влияния твердой фазы шахтных вод на эффективность секционных насосов при разработке месторождений кимберлитовых руд

В период пандемии многие отечественные горнопромышленные компании переживают не лучшие времена в плане сбыта реализуемой продукции. Эти обстоятельства затронули и алмазодобывающую компанию «АЛРОСА» (далее – Компания), основные производственные мощности которой сосредоточены в Западной Якутии на территории Мирнинского района. В связи с временным падением спроса на технические и ювелирные алмазы в Компании в рамках обновленной стратегии по экономическому развитию активно внедряются различного рода технологические и технические решения по снижению себестоимости добычи и обогащения алмазосодержащего сырья.

Принятые нововведения в горно-обогатительных комбинатах в большой степени положительно сказались на финансовом положении Компании, но в то же время затраты по некоторым переделам горных работ не только не снизились, но и продолжают расти. К таким частным случаям можно отнести главный водоотлив подземного рудника «Удачный».

Существенная доля финансовых затрат на эксплуатацию насосного оборудования рассматриваемой водоотливной установки, представленного центробежными секционными насосами, приходится на следующие статьи расходов: выполнение капитальных ремонтов и электропотребление. Как видно из рис. 1, за последние шесть лет затраты по перечисленным статьям расходов S выросли более чем в 2 раза. В связи с этим весьма актуальными являются исследования по установлению причин такого роста затрат.

Существенному увеличению затрат мог способствовать заметный рост концентрации механических примесей в шахтных водах рудника, контакт с которыми активизирует процесс гидроабразивного изнашивания деталей проточной части, в первую очередь щелевых уплотнений рабочих колес (далее – щелевые уплотнения), в результате чего преждевременно ухудшаются рабочие параметры насосного оборудования [1, 2].

Негативное воздействие абразивного потока жидкости на насосное оборудование отмечается в более ранних исследованиях [3–5].

Хочется отметить, что достаточно высокая концентрация механических примесей в откачиваемых шахтных водах вызвана интенсивным загрязнением водоотливных трасc, по которым шахтная вода перемещается с горизонтов в водосборные горные выработки.

Основными источниками загрязнения являются просыпанная в процессе работы конвейерного транспорта горная масса и сгущенная ило-шламовая пульпа, проливаемая в процессе ее откатки погрузоч-но-доставочными машинами при чистке водосборников и осветляющих резервуаров, а также ее транспортировании на дневную поверхность подъемными установками.

В то же время в публикациях [6, 7] указывается, что при подземной разработке месторождений твердых полезных ископаемых секционные насосы часто выходят из строя в связи с обширным кавитационным разрушением деталей проточной части.

В работах [8, 9] отмечается, что для секционных насосов в случае достижения предельного радиального зазора в щелевых уплотнениях характерен процесс активизации адгезионного изнашивания корпусных и роторных деталей.

Рис. 1. Динамика изменения затрат на эксплуатацию насосного оборудования главной водоотливной установки подземного рудника «Удачный» по годам https://mst.misis.ru/

2022;7(2):150–160

Откачиваемые насосным оборудованием шахтные воды обладают в основном повышенной минерализацией и водородным показателем pH больше или меньше 7 [10].

В связи с этим при достаточной агрессивности шахтных вод к металлу для деталей проточной части секционных насосов может быть характерно развитие коррозии металла [11].

На основании анализа вышеприведенных работ констатируем, что снижение долговечности деталей проточной части секционных насосов подземных рудников и угольных шахт вызвано сложным многофакторным разрушением, представляющим собой комплексное воздействие на металл гидроабразивно-го, коррозионного, кавитационного и адгезионного видов изнашивания, где степень влияния каждого из представленных деградационных процессов зависит от гидрогеологических и горнотехнических условий конкретного разрабатываемого месторождения твердых полезных ископаемых.

Производственные службы предприятия ставят целью добиться значительного снижения содержания твердых частиц на выходе из водосборников главного водоотлива подземного рудника «Удачный» (с 17 до 4 г/л) и дальнейшего эффективного обезвоживания ило-шламовых отложений путем проходки дополнительных наклонных осветляющих резервуаров суммарным полезным объемом 7500 м3 (рис. 2). Однако сдерживающим фактором внедрения технических решений являются существенные капитальные затраты на их реализацию, приблизительно равные 340 млн рублей.

Рис. 2. Предлагаемая система главного водоотлива:

1 – осветляющий резервуар № 3; 2 – осветляющий резервуар № 4; 3 – водосборник № 1; 4 – водосборник № 2; 5 – проектный осветляющий резервуар № 5; 6 – проектный осветляющий резервуар № 6; 7 – перемычки;

8 – шламоотстойник

Целью настоящей работы является комплексная оценка влияния концентрации механических примесей в шахтных водах на эффективность секционных насосов главной водоотливной установки подземного рудника «Удачный» для технико-экономического обоснования проходки дополнительных наклонных осветляющих резервуаров.

Поставленная цель достигается путем проведения визуальных, аналитических, статистических и других методов исследований по установлению степени влияния концентрации механических примесей в шахтных водах на ряд эксплуатационных показателей секционных насосов подземных рудников Компании.

Объектом исследования являются секционные насосы водоотливных хозяйств подземных рудников Компании.

Методика исследований

Исследование износа щелевых уплотнений насосного оборудования главной водоотливной установки подземного рудника «Удачный», представленного секционными насосами моделей JSH-200 и НЦС(К) 350-1100

Результаты многочисленных обследований изношенных щелевых уплотнений свидетельствует, что они подвержены преимущественно гидроабразив-ному износу, о чем свидетельствуют своеобразные волны на внешних поверхностях поясков рабочих колес и внутренних поверхностях уплотнительных колец, образованные при вихревом движении потока загрязненной механическими примесями шахтной воды (рис. 3: а–в ) . Наиболее крупные механические примеси под углом, близким к нормали, ударяются об металл, вызывая его деформацию в виде вмятин и наплывов. Менее крупные механические частицы, двигаясь по касательной, срезают слой металла, в том числе образовавшиеся наплывы [12].

Установлено, что наибольшее разрушение металла при контакте с механическими примесями наблюдается в местах коррозии, которая развивается на поверхностях элементов щелевых уплотнений в виде локальных очагов (рис. 4). Дело все в том, что образовавшаяся на поверхностях деталей коррозионная пленка весьма чувствительна к истиранию механическими примесями [13].

В меньшей степени у отказавших щелевых уплотнений наблюдается адгезионное разрушение, которое проявляется в виде уменьшения толщины поясков рабочих колес и уплотнительных колец частично или по всей площади вследствие затирания деталей друг о друга (рис. 5: а, б ). Рассматриваемый вид изнашивания является закономерным результатом критического осевого сдвига ротора у обследованных секционных насосов, обусловленного неравномерным распределением давления в боковых пазухах ступеней в связи с достижением предельного износа щелевых уплотнений в условиях гидроабразивно-коррозионной рабочей среды. Стоит отметить, что наличие такого вида механического изнашивания у деталей проточной части секционных насосов обычно свидетельствует об аварийном состоянии насосного оборудования.

2022;7(2):150–160

а

б

Кавитационный износ щелевых уплотнений обследованного насосного оборудования практически не встречается, что объясняется его работой с подпором на всасывающей линии. Как известно, подпор обеспечивает давление на входе в насос выше атмосферного, тем самым затрудняя развитие кавитационных явлений.

По результатам выполненных визуальных осмотров отказавших щелевых уплотнений установлено, что превалирующим видом износа их поверхностей является гидроабразивный износ, который более интенсивно проявляется в местах образования коррозионной пленки.

Исследование износа секционных насосов подземных алмазодобывающих рудников

Периодичность капитальных ремонтов секционных насосов, зависящая от интенсивности гидро-абразивно-коррозионного изнашивания поверхностей щелевых уплотнений за заданный промежуток времени, обусловлена влиянием следующих факторов внутренней и внешней среды:

• Факторы, отвечающие за скорость движения абразивного потока – номинальные подача X ₁ и напор секционного насоса X ₂ , номинальное число оборотов электродвигателя X ₃ , номинальный диаметр пояска рабочего колеса X ₄ , номинальный радиальный зазор в щелевых уплотнениях X ₅;

в

Рис. 3. Гидроабразивный износ щелевых уплотнений рабочих колес:

а – пояски рабочих колес; б , в – уплотнительные кольца

Рис. 4. Коррозионная пленка на поверхности изношенного пояска рабочего колеса

Рис. 5. Адгезионный износ поясков и дисков рабочих колес

2022;7(2):150–160

• •    Факторы, отвечающие за физико-механические характеристики твердой фазы шахтных вод – усредненная концентрация механических примесей X ₆ , условный диаметр абразивной частицы X ₇ , ее твердость X ₈ и плотность X ₉ ;

• •    Факторы, отвечающие за сопротивление истиранию поверхностей деталей механическими примесями – номинальная твердость металла X ₁₀ , усредненная минерализация X ₁₁ и усредненный водородный показатель шахтных вод X ₁₂ .

Далее автором был выполнен отбор наиболее значимых факторов, исходя из анализа теоретических основ перекачивания жидкостей, гидрогеологических условий разработки подземным способом кимберлитовых руд и отказов обследованных секционных насосов.

Из первой группы факторов для дальнейшего изучения картины гидроабразивно-коррозионного изнашивания были отобраны факторы X ₁ и X ₂. Выбор в пользу фактора X ₁ объясняется тем, что он является наиболее известным параметром, характеризующим кинематику движения воды в проточной части насосного оборудования. Кроме этого, в соответствии с теорией гидротранспорта рассматриваемый фактор может быть рассмотрен в виде функции конструктивных параметров насосного оборудования, влияющих на скорость перекачиваемого потока, т.е. факторов X ₃… X ₅. Именно поэтому в дальнейших исследованиях не были учтены вышеприведенные три фактора. Исключение фактора X ₃ также объясняется тем, что его значение у преобладающей доли секционных насосов подземных рудников Компании одинаково и составляет по паспортной характеристике 1450 об/мин.

Отбор фактора X ₂ аргументируется результатами визуальных осмотров щелевых уплотнений обследованного насосного оборудования. В ходе визуальных осмотров секционных насосов было установлено, что в большинстве случаев гидроабразивный износ щелевых уплотнений ступеней практически не различается, при том что наибольшее негативное воздействие механические примеси в теории должны наносить деталям начальных ступеней из-за своей остроугольной формы, которая становится более окатанной по мере перемещения от первой ступени к последней. В то же время окатанные твердые частицы в конечных ступенях перемещаются при большем давлении жидкости по сравнению с остроугольными твердыми частицами в начальных ступенях. То есть воздействие на металл окатанной частицы в зонах большего давления ставится в противовес ее изначальной остроугольной форме.

Из второй группы факторов был отобран только фактор X ₆. Применительно к остальным физико-механическим характеристикам твердой фазы шахтных вод, откачиваемых из подземных кимберлитовых рудников (остальные факторы группы), их значения практически одинаковы между собой, что объясняет отсутствие этих факторов в дальнейших исследованиях.

Детали проточной части секционных насосов, работающих в системах водоотлива подземных рудников Компании, выполнены преимущественно в кор- розионностойком исполнении, что свидетельствует об идентичных эксплуатационных характеристиках, в том числе и прочностных свойств используемых при их отливке сталей. По этой причине был исключен фактор X10. Практика показывает, что откачиваемые из подземных алмазодобывающих рудников шахтные воды в плане своей химической активности к металлу являются слабощелочными или слабокислыми рассолами в зависимости от конкретного рудника. На основании вышеизложенного материала из третьей группы факторов были отобраны факторы X11 и X12.

Исходя из полученных результатов аналитических исследований констатируем, что средний ресурс секционных насосов между капитальными ремонтами T может быть представлен в функции отобранных следующих пяти факторов:

T = f ( X 1 , X 2 , X 6 , X 11 , X 12 ).                 (1)

Степень влияния каждого из отобранных факторов определяется по результатам статистических исследований.

Статистические исследования влияния отобранных факторов на периодичность капитальных ремонтов секционных насосов

Статистические исследования по установлению степени влияния отобранных факторов на показатель T выполнялись следующим образом. Средневзвешенные значения параметров (см. формулу (1)) заносились в программную среду MS Excel , в которой в последующем формировались зависимости корреляционных полей. Далее с помощью аппроксимации линейным трендом определялись уравнения линейной регрессии и их параметры достоверности (рис. 6: а–д ). Затем выполнялась проверка уравнений на адекватность на основе F- критерия Фишера с уровнем надежности g = 0,05 в пакете «Анализ данных».

Исходя из коэффициентов достоверности полученных регрессионных уравнений значение показателя T преимущественно обусловлено воздействием факторов X ₂ и X ₆. Указанные результаты корреляционно-регрессионного анализа являются адекватными, так как значения параметра F -значимость в обоих случаях составили 0,03. Таким образом, выполненными исследованиями подтверждено отрицательное влияние твердой фазы шахтных вод на периодичность капитальных ремонтов секционных насосов подземных рудников Компании.

Несмотря на не слишком высокие значения коэффициентов достоверности уравнений регрессий, где аргументами функций являются факторы X ₁₁ и X ₁₂, видно, что оба этих фактора тоже оказывают определенное влияние на межремонтный ресурс насосного оборудования подземных рудников Компании.

В то же время является интересным тот установленный факт, что средний ресурс секционных насосов до очередного капитального ремонта Tр, применяемых в системе главного водоотлива подземного рудника «Удачный», при более чем двукратном повышении фактора X6 (с 7 до 17 г/л) снизился до 1625 ч (рис. 7, а), хотя согласно расчетам по полученной по https://mst.misis.ru/

2022;7(2):150–160

T , ч

а

X 1 , м³/ч

X 1 , г/л

д                        X 8

Рис. 6. Зависимости среднего ресурса секционных насосов между капитальными ремонтами от номинальной подачи ( а ), номинального напора ( б ), усредненной концентрации механических примесей ( в ), усредненной минерализации ( г ) и усредненного водородного показателя шахтных вод ( д )

Рис. 7. Сравнение фактических ( а ) и расчетных ( б ) значений межремонтного ресурса в зависимости от концентрации механических примесей в шахтных водах

2022;7(2):150–160

результатам статистических исследований формуле (см. рис. 6, в ) прогнозное значение межремонтного ресурса при значении фактора X 6 = 14 г/л уже составляло менее 200 ч наработки (рис. 7, б ).

В связи с такой нестыковкой результатов исследований автором были проведены дополнительные исследования.

Причины различия фактических и расчетных значений среднего ресурса насосного оборудования до капитального ремонта в зависимости от концентрации механических примесей в шахтных водах Одним из критериев вывода секционного насоса в капитальный ремонт является значительное снижение его подачи (от 30 % и более от номинального значения) в результате увеличения размеров кольцевой щели.

В соответствии с результатами расчетов (рис. 8), выполненных по методике [14], радиальный зазор в щелевых уплотнениях h секционного насоса увеличивается более чем на 1 мм, т.е. достигает нижней гра- ницы предельных значений (начальный радиальный зазор в щелевых уплотнениях секционных насосов подземного рудника «Удачный» составляет приблизительно 0,65 мм): при наработке t в 2250 ч, при этом X6 = 7 г/л; при наработке t в 1750 ч, при этом X6 = 9 г/л; при наработке t в 1000 ч, при этом X6 = 16…17 г/л.

Установлено, что разница между практическими данными и результатами расчетов в плане межремонтного ресурса насосного оборудования особенно сильно проявляется при X ₆ = 16…17 г/л.

При выполнении тщательного анализа опыта эксплуатации насосного оборудования главной водоотливной установки подземного рудника «Удачный» было установлено, что фактическое значение показателя T _р недостаточно сильно уменьшилось при X ₆ = 16…17 г/л по причине его вывода в капитальный ремонт при достижении им более низкой подачи Q в сравнении с предыдущими годами (рис. 9, а ). Как видно из рис. 9, б , параметры Q и T _р сильно взаимосвязаны друг с другом, о чем свидетельствует полученный коэффициент достоверности.

T р , ч

t, ч при 7 г/л           при 9 г/л (    ~: при 16–17 г/л

Рис. 8. Радиальный зазор в щелевых уплотнениях в зависимости от наработки секционного насоса

Q , м³/ч 300

0 I________।________ ________।________________।________________।________________।________

2016    2017   2018    2019   2020    2021

Q , м³/ч б

Год

а

Рис. 9. Динамика изменения среднего ресурса секционного насоса до капитального ремонта и его подачи на момент вывода в капитальный ремонт по годам ( а ) и зависимость между данными параметрами ( б )

2022;7(2):150–160

Снижение подачи Q в период 2 0 19 – 2021 гг. аргументировалось в Компании недопущением значительного повышения количества выполняемых капитальных ремонтов насосного оборудования в связи с существенным повышением фактора X ₆. Согласно результатам корреляционно-регрессионного анализа вышеназванные параметры имеют тесную взаимосвязь (рис. 10).

Рис. 10. Зависимость подачи секционного насоса на момент вывода в капитальный ремонт от усредненной концентрации механических примесей в шахтных водах

Таким образом, межремонтный ресурс секционных насосов рассматриваемой водоотливной установки может быть рассчитан как линейная функция их подачи на момент вывода в капитальный ремонт Q , изменение которой с высокой степенью достоверности описывается эмпирическим выражением Q = –7,5 X ₆ + 326,67.

Оценка энергетической эффективности секционных насосов при откачке абразивного потока шахтной воды

Лабораторные исследования (рис. 11, а ), выполненные согласно методике [15], показали, что потребляемая мощность P центробежного одноступенчатого насоса при значительном падении подачи Q (на 26 %) из-за износа деталей проточной части снижается достаточно плавно – на 13 %. При этом из рис. 11, б видно, что такое снижение подачи Q сопровождается значительным падением напора H .

В свою очередь, снижение подачи секционного насоса рассматриваемой водоотливной установки на 20…23 % от ее номинального значения из-за интенсивного износа щелевых уплотнений приводит к падению потребляемой электроэнергии на 6,5 % (рис. 12, а ). Такое более плавное снижение потребляе-

Рис. 11. Зависимости потребляемой мощности ( а ) и напора ( б ) от подачи одноступенчатого насоса

Рис. 12. Зависимости потребляемой мощности ( а ) и напора ( б ) от подачи секционного насоса

2022;7(2):150–160

мой электроэнергии секционным насосом при разных подачах по сравнению с одноступенчатым насосом объясняется относительным постоянством величины напора (997...1008 м), что вызвано слабым износом лопаток рабочих колес, отвечающих за развиваемые им подачу и напор, в связи с малым размером перекачиваемых твердых частиц (рис. 12, б ). Основная доля механических примесей (80…85 %) представлена классом минус 0,05 мм.

Согласно [16] количество механических примесей ε , контактирующих с лопатками рабочего колеса центробежного насоса, напрямую зависит от их размера d :

ε=0,4

0,75

1+0,35⋅^{ρ тв} ⋅ ^D ∆ρ d

где ρ _тв – плотность механических примесей, Δ ρ – разность плотностей механических примесей и чистой воды, D – диаметр рабочего колеса, d – размер твердой частицы.

Другими словами, наиболее мелкие твердые частицы увлекаются потоком шахтной воды, не вступая при этом в контакт с лопатками рабочего колеса.

Таким образом, видно, что откачка шахтной воды секционными насосами с изношенными щелевыми уплотнениями займет значительно большее количество времени по сравнению с новым или отремонтированным насосом, при этом его потребляемая мощность слабо уменьшается, что в конечном итоге обязательно приведет к существенному суммарному повышению электропотребления. Все это свидетельствует о нецелесообразности длительной работы секционных насосов при малых подачах с точки зрения энергоэффективности.

Обсуждение результатов исследований

Выполненные исследования подтвердили негативное воздействие интенсивного гидроабразивного изнашивания щелевых уплотнений на работоспособность секционных насосов. Как видно из рис. 13, влияние фактора X6 на суммарные затраты по основным статьям расходов S (затраты на выполнение капитальных ремонтов и электропотребление) секционных насосов рассматриваемой водоотливной установки с высокой степенью достоверности описывается эмпирическим выражением S = 7,6835X6 + 49,577. В соответствии с этим выражением установлено, что снижение концентрации механических примесей в шахтных водах с 17 до 4 г/л позволит уменьшить годовые затраты на эксплуатацию насосного оборудования главной водоотливной установки рудника «Удачный» на 100 млн рублей.

С учетом такого ожидаемого экономического эффекта от снижения твердой фазы шахтных вод капитальные вложения на проходку двух проектных осветляющих резервуаров в размере 340 млн рублей будут возмещены (окуплены) менее чем через 3,5 года.

Заключение

На основании всего вышеизложенного материала сделаны следующие основные выводы:

• 1.    Межремонтный ресурс секционных насосов главной водоотливной установки подземного рудника «Удачный» может быть рассчитан как линейная функция их подачи на момент вывода в капитальный ремонт, изменение которой с высокой степенью достоверности описывается эмпирическим выражением Q = –7,5 X ₆ + 326,67, где X ₆ – усредненная концентрация механических примесей в шахтных водах.

• 2.    Снижение подачи секционного насоса на 20…23 % от номинального значения из-за интенсивного износа щелевых уплотнений приводит к падению потребляемой электроэнергии на 6,5 %. Такое медленное снижение потребляемой электроэнергии секционным насосом при разных подачах объясняется относительным постоянством величины напора (997...1008 м), что вызвано слабым износом лопаток рабочих колес вследствие малого размера основной доли перекачиваемых твердых частиц, представленных классом минус 0,05 мм.

• 3.    Расчетным путем установлено, что снижение концентрации механических примесей в шахтных водах с 17 до 4 г/л позволит уменьшить годовые затраты на эксплуатацию насосного оборудования главной водоотливной установки рудника «Удачный» на 100 млн рублей. Таким образом, окупаемость проходки двух проектных осветляющих резервуаров, обеспечивающих такое значительное снижение твердой фазы шахтных вод, составит менее 3,5 лет.

  

  Рис. 13. Зависимость суммарных затрат на выполнение капитальных ремонтов и электропотребление насосного оборудования от усредненной концентрации механических примесей в шахтных водах

  
  

2022;7(2):150–160

2022;7(2):150–160