Управление эффективностью применения разгрузочных устройств секционных насосов

Н.П. Овчинников¹, И.В. Зырянов^2
1 Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова, г. Якутск, Российская Федерация
² Мирнинский политехнический институт (филиал) Северо-Восточного Федерального университета им. М.К. Аммосова, г. Мирный, Российская Федерация
Russian Mining Industry №4S / 2025 p. 54-57

Резюме: Подземная разработка месторождений твердых полезных ископаемых неизбежно сопровождается проникновением воды в горные выработки, что требует обязательного применения водоотливных комплексов. В системах водоотлива подземных горнодобывающих предприятий Российской Федерации с середины 2000-х годов широко применяются однопоточные секционные насосы серий НЦС и НЦСК, обладающие повышенной износостойкостью и способностью перекачивать воду с жесткими физико-химическими характеристиками. Однако эксплуатация насосов серии НЦСК на кимберлитовых рудниках Западной Якутии при перекачивании высокоабразивных и агрессивных водопритоков показала, что их проектные межремонтные периоды оказались слишком завышенными в сравнении с фактическими показателями долговечности. Наименее надежным элементом в конструкции секционных насосов является разгрузочное устройство (гидравлическая пята), на долю которого приходится до 90% всех отказов при работе с агрессивными и абразивными средами. Цель исследования заключается в разработке комплекса мероприятий по повышению эффективности применения разгрузочных устройств в отношении насосов, эксплуатируемых в сложных горно-геологических условиях. По результатам выполненных исследований разработана математическая модель для расчета долговечности гидравлических пят при функционировании насосного оборудования в условиях откачки высокоабразивных и агрессивных водопритоков. Даны рекомендации по проведению дефектаций изношенных пят и обоснованию их стратегии эксплуатации.

Ключевые слова: водоотлив, водоприток, насосное оборудование, секционные насосы, водоотливная установка, гидравлическая пята

Для цитирования: Овчинников Н.П., Зырянов И.В. Управление эффективностью применения разгрузочных устройств секционных насосов. Горная промышленность. 2025;(4S):55–58. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2025-4S-54-57

Информация о статье

Поступила в редакцию: 20.06.2025

Поступила после рецензирования: 13.08.2025

Принята к публикации: 18.08.2025

Информация об авторах

Овчинников Николай Петрович – кандидат технических наук, доцент, директор Горного института, Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова, г. Якутск, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Зырянов Игорь Владимирович – доктор технических наук, профессор кафедры горного дела, Мирнинский политехнический институт (филиал) Северо-Восточного Федерального университета им. М.К. Аммосова, г. Мирный, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Введение

Подземный способ разработки месторождений твердых полезных ископаемых сопровождается поступлением воды в горные выработки рудника (шахты), что ограничивает возможность их добычи без соблюдения специальных мероприятий по водоотливу [1–4].

Среди насосного оборудования наибольшее применение в системах водоотлива подземных горнодобывающих предприятий страны получили однопоточные секционные насосы [5–7]. С середины 2000-х годов на многих рудниках и шахтах стали активно использовать однопоточные секционные насосы серий НЦС и НЦСК, способные в соответствии с ТУ 3631-008-56634509-2010 перекачивать воду с более жесткими физико-химическими характеристиками, чем их аналоги (серии ЦНС и ЦНСК). Кроме того, важным эксплуатационным преимуществом данных насосов является повышенная износостойкость деталей, что позволяет их по праву считать оптимальным вариантом водоотливного оборудования в среднесрочной перспективе.

В то же время опыт эксплуатации насосов НЦСК на кимберлитовых рудниках Западной Якутии показал, что их фактические показатели долговечности оказались в 2–4 раза ниже гарантийных наработок при перекачивании сильнозагрязненных высокоминерализованных водопритоков, что негативно отразилось на надежности функционирования системы водоотведения. Принимая во внимание тот факт, что в ближайшие десятилетия кратно возрастет количество разрабатываемых подземным способом рудных месторождений со сложными горно-геологическими характеристиками (согласно Стратегии развития минерально-сырьевой базы РФ до 2035 года), обеспечение эффективной работы секционных насосов в условиях откачки водопритоков с особо жесткими физико-химическими свойствами является актуальной научной проблемой, имеющей важное значение для устойчивого развития горнодобывающей отрасли РФ.

В соответствии с теорией и практикой водоотлива [8; 9] наименее надежным элементом в конструкции секционного насоса является гидравлическая пята (разгрузочное устройство). В условиях высокоабразивных и агрессивных водопритоков на долю устройства может приходиться до 90% всех отказов насосного оборудования.

Целью настоящего исследования является разработка комплекса мер, направленных на повышение эффективности применения разгрузочных устройств применительно к насосному оборудованию, эксплуатируемому на месторождениях со сложными горно-геологическими характеристиками в динамике развития горных работ.

Материалы и методы

Для оценки надежности функционирования гидравлической пяты секционного насоса при различных вариациях эксплуатационных и технологических параметров водоотливной установки, работающей в сложных горно-геологических условиях, предложена следующая математическая модель:

t_g = k_izn · k_sdv · (- 0,47H + 858,9), (1)

где t_g – средняя наработка пяты на отказ, ч; k_izn – поправочный коэффициент, отражающий интенсивность механического износа контактных поверхностей разгрузочного устройства в переходных и установившихся режимах работы насосного оборудования при перекачивании абразивных сред; k_sdv – поправочный коэффициент, учитывающий рост осевой силы вследствие снижения подачи; H – паспортный напор секционного насоса, м. Результаты проверки модели (1) на адекватность подтверждают высокую степень достоверности полученных с помощью нее расчетных значений наработки tg в сравнении с фактическими (рис. 1). Максимальная погрешность модели составляет 10%.

 Рис. 1 Расчетные (1) и фактические (2) значения средней наработки гидравлических пят насосов НЦСК 180-700 на отказ tg в различных условиях эксплуатации (рудник «Мир»): 1 – ksdv = 1, kizn = 1; 2 – ksdv = 1, kizn = 0,95; 3 – ksdv = 1, kizn = 0,9

Fig. 1 The calculated (1) and actual (2) values of the average time before failure tg of the NCSK 180-700 hydraulic pumps under various operating conditions (the Mir mine): 1 – ksdv = 1, kizn = 1; 2 – ksdv = 1, kizn = 0,95; 3 – ksdv = 1, kizn = 0,9

Как видно из проведенных исследований, наиболее значимое влияние на долговечность разгрузочного устройства оказывает развиваемый секционным насосом напор.

Для снижения скорости износа контактных поверхностей разгрузочных устройств высоконапорные насосы (независимо от их производительности) целесообразно оснащать электродвигателями с плавным запуском. Практика эксплуатации водоотливных установок свидетельствует, что при отказе гидравлической пяты необходимо экстренно выполнить останов насосного агрегата во избежание механических разрушений роторных и корпусных элементов насоса, обусловленных недопустимым осевым смещением вала в сторону всасывания (≥ 2,8 мм) [9–12].

Надежным диагностическим признаком ухудшения силовой устойчивости ротора многоступенчатого насоса служит увеличение утечек через гидравлическую пяту, что непосредственно отражается на вибрационном состоянии его трубы разгрузки, предназначенной для отвода рабочей жидкости из устройства во всасывающую линию оборудования. Как видно из результатов виброконтроля трубы разгрузки секционного насоса JSH-200 (рудник «Удачный»), среднеквадратичное значение виброскорости в ее контрольной точке замера повышается по мере увеличения наработки гидравлической пяты tg0 (рис. 2) [9]. При виброскорости vtrub (6 мм/c), превышающей номинальный показатель vtrub* в 1,19 раза, техническое состояние насоса оценивалось как предаварийное.

Рис. 2 Соотношение фактической виброскорости трубы разгрузки vtrub и номинального показателя vtrub* в зависимости от наработки гидравлической пяты tg0

Fig. 2 The correlation between the actual vibration velocity of the discharge pipe vtrub and the nominal vtrub* value depending on the time before failure of the balancing ring tg0

Таким образом, доказано, что повышение вибрации трубы разгрузки свидетельствует об ухудшении силовой устойчивости ротора секционного насоса. При дефектации изношенных разгрузочных устройств особое внимание уделяется внешнему состоянию торцевых поверхностей их деталей. В то же время опыт эксплуатации водоотливного оборудовапятния в условиях высокоабразивных и агрессивных водопритоков (главный водоотлив рудника «Удачный») свидетельствует, что увеличенная щель между поверхностями кольца (подпятника) и цилиндра разгрузочного диска гидравлической пяты также негативно отражается на работоспособности секционных насосов.

Рис. 3 Зависимости наработки гидравлической пяты на отказ tg0 (а) и подачи насосов Q (б) от размера цилиндрической щели s

Fig. 3 The dependence of the time before failure of the balancing ring tg0 (а) and the pump flow Q (б) on the size of the cylindrical gap s

Как видно из результатов статистических исследований (рис. 3: а, б), размер цилиндрической щели s сильно влияет на наработку гидравлической пяты на отказ tg0 и подачу секционных насосов Q [13]. Увеличение щели связано с уменьшением наружного диаметра цилиндра разгрузочного диска вследствие интенсивного износа.

Учитывая опыт эксплуатации водоотливного оборудования рудника «Удачный», технологический регламент проведения дефектации изношенных гидравлических пят обязательно должен предусматривать замер наружного диаметра цилиндра разгрузочного диска. При эксплуатации водоотливного оборудования широко используется практика восстановления гидравлических пят после их обширного механического износа.

Ремонт изношенной пяты обходится в 2–3 раза дешевле, чем стоимость оригинального комплекта. В то же время в плане износостойкости восстановленные детали заметно уступают новым изделиям.

Затраты Z_g при различных стратегиях их эксплуатации (в рамках выполнения текущих ремонтов насосного оборудования) определяются следующими выражениями:

– без восстановления несущей способности изношенной пяты (стратегия №1)

(2)

– при одно- и двукратном восстановлении работоспособности пяты (стратегии №2 и №3)

(3)

(4)

где T_summ – суммарная наработка насосного оборудования за календарный год, ч; t_gz – наработка заводской пяты секционного насоса до отказа, ч. Результаты выполненных расчетов затрат Z_g свидетельствуют, что при эксплуатации секционных насосов в условиях высокоабразивных и агрессивных водопритоков вышедшие из строя заводские разгрузочные устройства целесообразно восстанавливать не более одного раза (рис. 4).

Рис. 4 Затраты на приобретение новых и восстановление изношенных гидравлических пят Zg при их стратегиях эксплуатации №1 (1), №2 (2) и №3 (3) соответственно

Fig. 4 The costs of purchasing new and repairing worn balancing rings Zg for their operating strategies No.1 (1), No.2 (2), and No.3 (3), respectively

Реализация предложенного комплекса мер по повышению эффективности применения разгрузочных устройств позволит обеспечить стабильную работу секционных насосов в системах водоотлива при одновременном снижении эксплуатационных расходов на водоотведение, что имеет особое значение при отработке месторождений со сложными горно-геологическими характеристиками.

Заключение

1. Разработана математическая модель долговечности разгрузочного устройства применительно к секционным насосам водоотливных установок, функционирующих в сложных горно-геологических условиях эксплуатации.

2. Доказана возможность оперативного диагностирования потери силовой устойчивости ротора секционного насоса в осевом направлении посредством анализа вибрационных характеристик его трубы разгрузки.

3. Установлено, что технологический регламент проведения дефектации изношенных гидравлических пят обязательно должен предусматривать замер наружного диаметра цилиндра разгрузочного диска.

4. С точки зрения оптимизации эксплуатационных затрат на откачку высокоабразивных и агрессивных водопритоков отказавшие заводские гидравлические пяты насосного оборудования целесообразно восстанавливать не более одного раза.

Список литературы

1. Guzy A., Malinowska A.A. Assessment of the impact of the spatial extent of land subsidence and aquifer system drainage induced by underground mining. Sustainability. 2020;12(19):7871. https://doi.org/10.3390/su12197871

2. Guzy A., Witkowski W.T. Land subsidence estimation for aquifer drainage induced by underground mining. Energies. 2021;14(15):4658. https://doi.org/10.3390/en1415465858

3. Rybnikova L.S., Rybnikov P.A., Smirnov A.Yu. Flooding of open pit and underground mines in the Chelyabinsk coal field: consequences, problems and solutions. Journal of Mining Science. 2023;59(3):497–504. https://doi.org/10.1134/s1062739123030171

4. Buckley R.S., Spagnuolo E.K. Techno-economic assessment of underground mine dewatering systems. In: Andrieux P., Cumming-Potvin D. (eds). Deep Mining 2024: Proceedings of the 10th International Conference on Deep and High Stress Mining, Australian Centre for Geomechanics. Perth; 2024, pp. 1481–1494. https://doi.org/10.36487/ACG_repo/2465_97

5. Бражник О.И., Руденко А.А. Результаты опытно-промышленных испытаний секционного насоса GP-200/11X500-M. Горная промышленность. 2020;(6):53–55. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2020-6-53-55Brazhnik O.I., Rudenko A.A. Pilot test results of GP-200/11X500-M stage chamber pump. Russian Mining Industry. 2020;(6):53–55. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2020-6-53-55

6. Gabbasov B.M., Kurochkin A.I., Mazhitov A.M., Kornilov S.N. Investigating external and internal working processes of mining machines when operating on “Unclarified” water in underground conditions. Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy. Gornyy Zhurnal. 2021;(6):13–23. https://doi.org/10.21440/0536-1028-2021-6-13-23

7. Зотов В.В., Мнацаканян В.У., Базлин М.М., Лакшинский В.С., Дятлова Е.В. Повышение ресурса рабочих колес центробежных насосов шахтного водоотлива. Горная промышленность. 2024;(2):143–146. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-2-143-146Zotov V.V., Mnatsakanyan V.U., Bazlin M.M., Lakshinsky V.S., Dyatlova E.V. Extending the service life of centrifugal dewatering pump impellers in mines. Russian Mining Industry. 2024;(2):143–146. (In Russ.) https://doi.org/10.30686/1609-9192-2024-2-143-146

8. Долганов А.В., Ислентьев А.О., Торопов Э.Ю., Чураков Е.О. Анализ эффективности разгрузочных устройств шахтных центробежных секционных насосов. Известия Уральского государственного горного университета. 2014;(2):31–35. Режим доступа: https://iuggu.ru/download/2014-2-Dolganov.pdf (дата обращения: 01.07.2025).Dolganov A.V., Islentyev A.O., Toropov E.Yu., Churakov E.O. Analysis of effectiveness of dumping devices of mine centrifugal sectional pumps. News of the Ural State Mining University. 2014;(2):31–35. (In Russ.) Available at: https://iuggu.ru/download/2014-2-Dolganov.pdf (accessed: 01.07.2025).

9. Овчинников Н.П. О контроле за техническим состоянием узла гидравлической пяты секционного насоса. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2023;(10):56–73. https://doi.org/10.25018/0236_1493_2023_10_0_56Ovchinnikov N.P. Technical control of multistage pump balance ring. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2023;(10):56–73. (In Russ.) https://doi.org/10.25018/0236_1493_2023_10_0_56

10. Тимохин Ю.В., Паламарчук Т.Н. Результаты исследований осевой силы ротора и параметров автоматических уравновешивающих устройств центробежных секционных насосов. Сборник научных трудов Донецкого института железнодорожного транспорта. 2017;(45):32–42.Timohin J.W., Palamarchuk T.N. The research results of the axial forces of the rotor and automatic settings. Sbornik nauchnykh trudov Donetskogo instituta zheleznodorozhnogo transporta. 2017;(45):32–42. (In Russ.)

11. Тимухин С.А., Долганов А.В., Попов Ю.В., Чураков Е.О., Ислентьев А.О., Торопов Э.Ю. О разработке шахтных центробежных секционных двухпоточных насосов. Известия Уральского государственного горного университета. 2014;(2):41–44.Timukhin S.A., Dolganov A.V., Popov Yu.V., Churakov E.O., Islentyev A.O., Toropov E.Yu. On the development of the mine sectional centrifugal dual-stream pumps. News of the Ural State Mining University. 2014;(2):41–44. (In Russ.)

12. Тимухин С.А., Чураков Е.О., Ислентьев А.О. Оценка напряженно-деформированного состояния валов шахтных секционных насосов. Известия Уральского государственного горного университета. 2017;(2):75–77. Timukhin S.A., Churakov E.O., Islent’ev A.O. Evaluation of the stress-strain state of shafts of mine section pumps. News of the Ural State Mining University. 2017;(2):75–77. (In Russ.)

13. Овчинников Н.П. Об одной из причин нарушения надежной и безопасной работы рудничной водоотливной установки. Безопасность труда в промышленности. 2022;(2):76–80. https://doi.org/10.24000/0409-2961-2022-2-76-80Ovchinnikov N.P. On one of the reasons for the violation of the reliable and safe operation of the mine drainage system. Occupational Safety in Industry. 2022;(2):76–80. (In Russ.) https://doi.org/10.24000/0409-2961-2022-2-76-80