Насосы для шахт и рудников

Шахтный водоотлив начинается с абразива, а не с расхода

Насос для шахты подбирают по количеству породы в воде, и только потом по кубометрам в час. Одна и та же подача 100 м³/ч на чистой воде и на воде с угольным штыбом изнашивает проточную часть с разной скоростью — разница измеряется не процентами, а кратностью. Серия FANCY KBS собрана именно под второй случай: рабочее колесо и перемешивающий механизм отлиты из хромистого сплава, корпус — чугун с катафорезным покрытием, вал — нержавеющая сталь 420, уплотнение механическое по схеме SiC/SiC/SS304. Пять моделей ряда дают подачу 60–200 м³/ч при напоре 10–24 м, мощности 4–22 кВт и частоте вращения 1450 об/мин.

Тихоходность здесь не экономия на двигателе, а конструктивное решение. Энергия удара частицы о лопатку растёт вместе со скоростью потока, поэтому насос на 1450 об/мин живёт в абразиве заметно дольше быстроходного. Для сравнения: младшая шламовая серия FANCY KBD с тем же агитатором работает на 2900 об/мин, и её область — стройплощадки и отстойники, где среда мягче, чем в руднике.

Дальше выбор сужается по узлу шахтного водоотлива. Главный водоотливной комплекс, участковый зумпф, проходческий забой и перекачная камера — это четыре разные рабочие точки, и попытка закрыть их одной моделью заканчивается либо перегрузкой двигателя, либо недобором напора. Ниже разобран каждый из этих узлов, названы конкретные модели серии KBS и указано, где заканчивается её область применения.

Главный водоотливной комплекс шахты: что закрывает KBS, а что нет

Главный водоотлив поднимает воду из водосборника на поверхность по вертикальному ставу, и напор здесь измеряется сотнями метров. Серия FANCY KBS такой подъём одним насосом не делает — это нужно сказать прямо. Номинальный напор ряда составляет 10–24 м, а при нулевой подаче самая напорная модель 200KBS422 даёт 32 м. Подъём на отметку 100 м потребовал бы не менее пяти последовательных ступеней по 24 м, и это ещё без учёта потерь в трубопроводе.

Место KBS в схеме главного водоотливного комплекса другое и вполне конкретное: сбор воды по выработкам и подача её в главный водосборник, откуда воду забирают секционные многоступенчатые агрегаты насосной камеры. В этой роли важнее не напор, а способность работать на среде с породой, не забиваясь и не стираясь за сезон.

Потери в вертикальном ставе шахты выше справочных, и причина известна каждому механику: на стенках трубы откладывается твёрдая фаза, сечение уменьшается, сопротивление растёт. Запас по напору при подборе берут именно на это. Насос, поставленный впритык, через сезон перестаёт добивать до слива, хотя формально исправна и паспорт её не подводил.

Участковые зумпфы шахты: агитатор поднимает то, что осело

Вода в выработке собирается в участковом зумпфе вместе с породной мелочью, и за смену простоя эта мелочь ложится плотным слоем. Насос без перемешивающего механизма выкачивает осветлённую воду сверху — зумпф формально осушен, а твёрдая фаза осталась на дне. У серии FANCY KBS под рабочим колесом стоит агитатор из хромистого сплава: вращаясь на 1450 об/мин, он взмучивает осадок вокруг всасывающего отверстия и подаёт его в проточную часть вместе с водой.

Практический эффект считают не в процентах КПД, а в человеко-часах. Выборка уплотнившегося шлама из зумпфа вручную или малой механизацией — самая дорогая операция во всей схеме шахтного водоотлива, и агитатор её просто отменяет. Для участковых зумпфов средней производительности подходят 80KBS44 на 60 м³/ч и 100KBS46 на 90 м³/ч при напоре 10 м, для крупных — 150KBS49 на 100 м³/ч и 15 м.

Есть и обратная сторона, о которой честно предупреждает завод: агитатор не добавляет подачи. Он меняет состав того, что приходит на вход насоса, то есть делает среду плотнее. Поэтому типоразмер в шахте подбирают по плотности пульпы и содержанию твёрдой фазы, а не по расходу чистой воды из справочника.

Проходческий забой: насос в шахте переносят вслед за проходкой

На действующем забое вода идёт с буровой мелочью, и насос здесь стоит не стационарно — его переносят по мере продвижения проходки. Масса и габарит становятся рабочими характеристиками наравне с напором. Серия FANCY KBS по массе распределена так: 80KBS44 — 119 кг, 100KBS46 — 151 кг, 150KBS49 — 183 кг, 200KBS415 — 278 кг, 200KBS422 — 434 кг.

Габариты корпуса задают, пройдёт ли насос в люк и в саму ёмкость. Высота двух младших моделей — 730 мм, у 150KBS49 — 776 мм, у 200KBS415 — 980 мм, у 200KBS422 — 1200 мм. Диаметр корпуса растёт от 326 до 528 мм. Транспортная упаковка младшей модели — 885×385×395 мм, старшей — 740×570×1460 мм; эти цифры нужны заранее, если насос спускают клетью.

Для забоя обычно берут 80KBS44 или 100KBS46: до 151 кг агрегат перемещается вдвоём с талью, подключается коротким рукавом и не требует отдельного фундамента. Завод отмечает у серии верхний выпуск воды и полувстроенную компоновку — насос компактен по диаметру и встаёт в тесную ёмкость, где длинный насос просто не разместится.

Перекачные камеры по горизонтам шахты: каждую ступень считают отдельно

Подъём воды по горизонтам делят на ступени, и каждую перекачную камеру рассчитывают как самостоятельную установку. Суммарную высоту нельзя делить механически: на каждой ступени свои потери в трубопроводе, свой приток из промежуточных выработок и своя длина става. Ошибка здесь стоит дороже обычной — она проявляется не сразу, а при максимальном притоке, когда резерва времени уже нет.

Для ступени в 15–24 м в шахте подходят 150KBS49 и 200KBS422. Первая даёт 100 м³/ч при напоре 15 м и держит максимум КПД 76,9 % в точке около 95 м³/ч и 15,5 м. Вторая рассчитана на 200 м³/ч при 24 м, а её максимальный КПД 80,0 % приходится на 195 м³/ч и 24,4 м — то есть паспортная точка практически совпадает с оптимумом кривой. Это удобно: агрегат работает там, где спроектирован, а не на краю характеристики.

Когда ступень короткая, но воды много, разумнее ставить 200KBS415: 200 м³/ч при 16,2 м, максимум КПД 81,2 % в точке 214 м³/ч и 15,7 м — лучший показатель во всём ряду. Разница между 200KBS415 и 200KBS422 не в подаче, а в напоре и мощности: 15 кВт против 22 кВт при одном и том же патрубке 200 мм.

Водосборник и приток: как считают расход шахтной водоотливной установки

Расход водоотливной установки считают по притоку, а не по объёму водосборника. Водосборник сглаживает пик, но не отменяет его: если приток в шахте больше суммарной подачи насосов, уровень воды поднимается до тех пор, пока не встанет работа. Поэтому в расчёт закладывают максимальный приток в паводок, а не среднегодовой — разница между этими величинами в шахте бывает многократной.

Число агрегатов в насосной камере определяется той же логикой. Рабочие насосы должны перекрывать максимальный приток, резервные — подхватить нагрузку при отказе или выводе в ремонт любой из рабочих. Серия FANCY KBS позволяет собрать такую группу из одинаковых типоразмеров: пять моделей ряда 4–22 кВт взаимозаменяемы по принципу работы и различаются только рабочей точкой, а патрубки 80, 100, 150 и 200 мм подбираются под уже проложенный трубопровод.

Уровень в водосборнике контролируют поплавками или гидростатическим датчиком давления, и автоматика чередует агрегаты по моточасам. Смысл чередования прикладной: два насоса, работающие поочерёдно, изнашиваются равномерно, и плановая замена колеса приходится на них примерно в одно время. Схема без чередования даёт перекос — один насос выработан, второй почти новый.

Рабочее колесо и агитатор из хромистого сплава: почему в руднике чугун не живёт

Абразивный износ зависит от соотношения твёрдости металла и твёрдости частиц. Кварцевый песок по шкале Мооса имеет твёрдость около 7, серый чугун заметно мягче — частица снимает металл слой за слоем, и колесо теряет геометрию раньше, чем изнашивается что-либо ещё. Рабочее колесо серии FANCY KBS полуоткрытого типа отлито из хромистого сплава, из него же выполнен перемешивающий механизм. Это две детали, которые в руднике принимают удар на себя.

Корпус при этом остался чугунным с катафорезным покрытием, и логика тут расчётливая: корпус не работает в зоне максимальных скоростей потока, поэтому платить за спецсплав всего насоса незачем. Ремонт сводится к замене колеса и агитатора, корпус остаётся в строю дольше. Такое разделение материалов и делает серию KBS ремонтопригодной в условиях, где сложный ремонт под землёй невозможен.

Полуоткрытое колесо выбрано не случайно. У закрытого колеса передний диск создаёт узкие каналы, которые в шахтной воде с породой зарастают быстрее; полуоткрытое пропускает твёрдую фазу свободнее и меньше склонно к залипанию при пуске после простоя. Платой становится чувствительность к зазору: по мере износа зазор между лопатками и корпусом растёт, и часть жидкости возвращается обратно — напор падает раньше подачи.

Кривые Q-H пяти моделей KBS: рабочая точка шахтного водоотлива

Кривая Q-H показывает не одну цифру, а весь диапазон, в котором агрегат вообще может работать. Методы, по которым такие характеристики снимают, задаёт ГОСТ 6134-2007 «Насосы динамические. Методы испытаний»; кривые моделей KBS в каталоге построены по данным системы подбора завода FANCY, и у части моделей ряд приведён к гладкой характеристике с отклонением от паспортных точек не более 5 %.

Крайние точки кривой полезнее середины. При нулевой подаче, то есть на закрытую задвижку, 80KBS44 даёт 15,0 м, 100KBS46 — 17,0 м, 150KBS49 — 21,5 м, 200KBS415 — 22,0 м, 200KBS422 — 32,0 м. Это потолок напора: выше насос воду не поднимет ни при каких условиях. На другом конце характеристики подача максимальна, а напор почти нулевой — у 200KBS415 и 200KBS422 кривая доходит до 370 м³/ч при напоре 2,1 и 1,5 м.

Работать на правом краю кривой в шахте нельзя, и вот почему. Потребляемая мощность у погружного шламового насоса растёт вместе с подачей: у 200KBS422 она увеличивается с 11,0 кВт при нулевой подаче до 22,1 кВт в конце характеристики — то есть достигает мощности двигателя уже на чистой воде. Добавьте плотность пульпы, и двигатель уходит в перегрузку. Точно так же ведёт себя 150KBS49: от 3,26 до 8,01 кВт при двигателе 9 кВт.

Плотность пульпы в шахте: сколько мощности съедает порода

Паспортная характеристика снята на чистой воде — это норма для всех производителей, и её нужно правильно пересчитывать. Напор, выраженный в метрах столба жидкости, от плотности не зависит: колесо разгоняет любую среду до одной и той же высоты подъёма. А вот мощность на валу растёт пропорционально плотности, потому что поднимать приходится более тяжёлый килограмм.

Считаем на конкретных моделях серии KBS для пульпы плотностью 1,3 т/м³, типичной для шахтной воды с породной мелочью. В точке максимального КПД 150KBS49 потребляет 5,2 кВт на чистой воде — на такой пульпе выйдет около 6,8 кВт при двигателе 9 кВт, запас приемлемый. У 200KBS415 те же 11,2 кВт превращаются в 14,6 кВт при двигателе 15 кВт. А у 200KBS422 расчёт даёт 21,1 кВт против 22 кВт паспортной мощности — запас меньше 5 %.

Отсюда простое правило подбора для рудника: чем плотнее среда, тем левее по кривой должна стоять рабочая точка. Сдвиг влево уменьшает подачу, но и потребляемую мощность тоже — двигатель остаётся в своём режиме. Плотность и содержание твёрдой фазы стоит называть при заказе: без этих данных подбор ведётся по чистой воде и даёт ошибку именно там, где её цена высока.

Диаметр патрубка и скорость в трубопроводе шахтного водоотлива

Диаметр напорного трубопровода подбирают по скорости потока, а не по удобству монтажа. У серии FANCY KBS патрубки выпускаются на 80, 100, 150 и 200 мм. При номинальной подаче скорость в самом патрубке получается такой: 3,3 м/с у 80KBS44, 3,2 м/с у 100KBS46, 1,6 м/с у 150KBS49, 1,8 м/с у 200KBS415 и 200KBS422. Расчёт элементарный — подача, делённая на площадь сечения.

Нижняя граница скорости для пульпы важнее верхней. Если поток замедлить, твёрдая фаза перестаёт удерживаться во взвешенном состоянии и начинает осаждаться на дне трубопровода; сечение зарастает, сопротивление растёт, и через несколько недель установка теряет подачу без единой поломки. Именно поэтому переход на трубу большего диаметра, чем патрубок насоса, в шахте делают только с проверкой скорости на фактическом расходе.

Верхняя граница тоже существует. Высокая скорость усиливает износ отводов и тройников — там, где поток меняет направление, частица бьёт в стенку под углом и выедает металл локально. В шахтном ставе первыми изнашиваются именно колена, а не прямые участки, и при ревизии смотреть надо на них.

Двигатель, термозащита и кабель насоса для шахты

Электрическая часть погружного агрегата в шахте отказывает не реже гидравлической, и относиться к ней надо соответственно. Три младшие модели серии KBS — 80KBS44 на 4 кВт, 100KBS46 на 6 кВт и 150KBS49 на 9 кВт — по документации завода имеют встроенную термозащиту: заводское описание относит её к исполнениям мощностью менее 11 кВт. У 200KBS415 на 15 кВт и 200KBS422 на 22 кВт защиту от перегрузки должен обеспечивать пусковой аппарат в щите.

Все пять позиций серии KBS в прайсе завода указаны в трёхфазном исполнении — однофазных вариантов в ряду нет, что для мощностей 4–22 кВт естественно. Двигатель погружного насоса охлаждается перекачиваемой средой, и завод отмечает у серии хороший отвод тепла с возможностью работы над поверхностью воды за счёт полувстроенной компоновки. В шахте это пригождается, когда уровень в зумпфе просаживается ниже корпуса быстрее, чем срабатывает автоматика.

Степень защиты оболочки нормируется ГОСТ 14254-2015 «Степени защиты, обеспечиваемые оболочками (Код IP)». Брать её по аналогии с соседней серией нельзя — значение смотрят в паспорте конкретного типоразмера. Само по себе исполнение насоса не решает вопрос допуска оборудования в выработку: он определяется требованиями промышленной безопасности к электрооборудованию шахты, а для угольных шахт — ещё и категорией по газу.

Уплотнение, вал и корпус: что в шахте изнашивается первым

Механическое уплотнение в шламовом насосе — граница между абразивом и масляной камерой, и её ресурс определяет межремонтный интервал агрегата. У серии FANCY KBS применено уплотнение по схеме SiC/SiC/SS304: пара трения карбид кремния по карбиду кремния, обойма из стали AISI 304. Карбид кремния в этой паре выбран из-за твёрдости — мягкая графитовая пара на воде с породой стирается кратно быстрее.

Вал выполнен из нержавеющей стали 420. Это мартенситная нержавеющая сталь, которая держит нагрузку и одновременно не корродирует в шахтной воде — а вода в руднике часто минерализована сильнее поверхностной. Корпус насоса чугунный, с катафорезным покрытием, нанесённым электрофорезом; покрытие защищает наружную поверхность от коррозии при длительном стоянии в затопленной выработке.

Порядок износа в шахте обычно такой: первым теряет геометрию рабочее колесо, следом растёт зазор и падает напор, затем начинает подтекать уплотнение. Корпус и вал переживают несколько комплектов проточной части. Ревизию агрегата разумно привязывать не к календарю, а к падению фактической подачи: когда время откачки зумпфа заметно выросло при том же притоке, колесо уже требует осмотра.

Чем KBS отличается от KBD, L и винтовых насосов на шахтном водоотливе

Внутри линейки FANCY выбор для шахты идёт между двумя шламовыми сериями. FANCY KBD перекрывает подачу 15–60 м³/ч и напор 11–20,5 м при мощности 1,5–3,7 кВт, массе 41–70 кг и патрубках 50–100 мм, работая на 2900 об/мин. FANCY KBS — это 60–200 м³/ч и 10–24 м при 4–22 кВт, массе 119–434 кг и 1450 об/мин. Принцип у серий общий: агитатор под колесом плюс проточная часть из хромистого сплава. Разница в производительности и в ресурсе на абразиве, где тихоходность KBS даёт преимущество.

Дренажная серия FANCY L устроена иначе — осевое колесо, подача 90–300 м³/ч при напоре всего 3,5–5,6 м и мощности 2,2–11 кВт. Модели L-200, L-250 и L-300 выполнены с корпусом и двигателем из нержавеющей стали AISI 304, L-63 — чугунный. Эти насосы перекачивают большой объём на малую высоту и годятся для слабозагрязнённой воды, но проточная часть у них не рассчитана на постоянную работу в породной мелочи.

Стоит сказать и о том, чего в линейке нет. Винтовые насосы объёмного типа применяют там, где шлам густой и вязкий, а подача нужна равномерная и малая — например, при перекачке сгущённого осадка. У FANCY в шламовом сегменте винтовых насосов нет: KBS и KBD — центробежные, они разгоняют среду колесом, а не вытесняют её винтовой парой. Для шахтного водоотлива с текучей пульпой это правильный выбор, для сгущённого продукта обогащения нужна другая техника.

Какую серию FANCY ставить в шахте и руднике

Материал проточной части и наличие агитатора сужают выбор до одной серии, а типоразмер внутри неё определяется рабочей точкой — притоком и высотой подъёма на конкретном участке. Диапазоны в таблице даны по паспортным данным завода, а не по расчётной оценке.

Для участкового водоотлива и зумпфов шахты берут KBS; для малого притока в тупиковой выработке достаточно KBD; для откачки большого объёма чистой воды на несколько метров подходит L. Полный ряд с ценами и кривыми лежит в разделе шламовых насосов и погружных насосов. Смежные подборки — для карьеров и горно-обогатительных комбинатов: значительная часть оборудования на этих объектах совпадает с шахтным напрямую.

Поставщик серий FANCY — компания «МВК-СПБ», Санкт-Петербург. Наличие конкретного типоразмера, срок поставки и условия отгрузки в регион уточняйте до заказа: по шламовым сериям позиции возят под задачу, и сроки зависят от типоразмера.

Типичные ошибки при подборе насосов для шахт и рудников

Первая ошибка — ставить в шахтный зумпф обычный дренажный насос с чугунным колесом. На воде с породой такое колесо теряет геометрию за один сезон, а потом ещё полгода работает «вхолостую», давая половину паспортной подачи; экономия на цене агрегата оборачивается простоем участка. Колесо и агитатор из хромистого сплава в серии KBS стоят дороже ровно по этой причине.

Вторая — считать мощность по чистой воде. Пример уже приводился: 200KBS422 в точке максимального КПД берёт 16,2 кВт на воде и около 21,1 кВт на пульпе плотностью 1,3 т/м³ при двигателе 22 кВт. Если добавить к этому работу правее оптимума, двигатель уйдёт в перегрузку на штатном, а не на аварийном режиме.

Третья — брать напор без запаса на зарастание става. Потери в шахтном трубопроводе растут со временем, и агрегат, выбранный точно по расчёту, перестаёт добивать до слива задолго до выработки ресурса. Четвёртая — экономить на агитаторе там, где в выработке копится осадок: без взмучивания пуск после простоя идёт «в грунт», и разбирать уплотнившийся шлам приходится вручную.

Пятая ошибка касается документов. Водоотлив шахты поднадзорен Ростехнадзору: для угольных шахт действуют федеральные нормы и правила «Правила безопасности в угольных шахтах», для рудников — «Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твёрдых полезных ископаемых». Требования к схеме водоотлива, резерву агрегатов и электрооборудованию выработки смотрят по ним, а не по каталогу производителя насосов. Если сомневаетесь в подборе типоразмера под конкретный приток и высоту подъёма — присылайте исходные данные, подберём модель по кривой.