Odwadnianie kopalń, w których wstrzymano eksploatację.

2015-03-240

Kategorie kopalń.

Kopalnie, w których wstrzymano eksploatację można podzielić na dwie kategorie:

  • kopalnie, w których przerwano eksploatację, lecz zachowano możliwość jej wznowienia w przyszłości,
  • kopalnie likwidowane w sposób nieodwracalny.

Do pierwszej grupy należą zakłady, w których eksploatacja jest w danej chwili ekonomicznie nieopłacalna, lecz dysponujące znacznymi zasobami surowca, dostęp do którego zachowuje się na wypadek zmiany uwarunkowań ekonomicznych. W takiej sytuacji odwadnianie powinno odbywać się metodą taką samą jak dla kopalni pracującej, a zatem przy użyciu pomp stacjonarnych zainstalowanych w tradycyjnej pompowni.

Nie wymaga to inwestycji, poza ewentualną wymianą samych pomp w celu przystosowania ich do pracy z optymalną sprawnością w zakresie wydajności zmniejszonych o dopływy technologiczne.

Decyzja o nieodwracalnej likwidacji kopalni nie budzi wątpliwości w przypadku wyczerpania zasobów, natomiast w innej sytuacji wymaga rozwagi. Jeśli już decyzja taka zapadnie, można ją technicznie zrealizować na kilka sposobów:

  • zasypanie szybu bez żadnego odwadniania (przypadek w artykule nie rozpatrywany),
  • zasypanie szybu z jednoczesnym potraktowaniem go jako ujęcie wody. Oznacza to pozostawienie studni o niewielkiej średnicy i zastosowanie pomp głębinowych,
  • zalanie szybu, przy czym poziom wody ulega znacznym wahaniom. W tym przypadku najłatwiej zastosować pompy głębinowe. Sytuacja, kiedy poziom wody w szybie zmienia się szybko w znacznym zakresie, w praktyce jest jednak mało prawdopodobna ze względu na znaczną pojemność zalanych wyrobisk. Poza tym. jeżeli już podejmuje się decyzję o odwadnianiu szybu, to po to, aby z pewnych względów kontrolować w nim poziom wody, a nie dopuścić do jego znacznych wahań,
  • zalanie szybu, przy czym ustalony jest maksymalny, dopuszczalny poziom.

Potrzeba kontroli poziomu wody może wynikać z zachowania wyżej położonych poziomów wydobywczych, bądź z konieczności zapobiegania penetracji wody do sąsiednich, czynnych wyrobisk przez połączenia znajdujące się powyżej określonego poziomu,a także z powodu ochrony przed zalaniem terenów, które uległy obniżeniu w wyniku wieloletniej eksploatacji górniczej. Sytuacja taka prawdopodobnie w praktyce wystąpi najczęściej. Możliwe jest wtedy zastosowanie kilku rozwiązań technicznych omawianych w artykule.

Czynniki decydujące o wyborze systemu odwadniania:

Uwarunkowania ekonomiczno-prawne.
O wyborze konkretnego rozwiązania decyduje wiele względów. Oto niektóre z nich:
• koszt prac likwidacyjnych i wartość terenu na powierzchni,
• sytuacja hydrogeologiczna, w tym szczególnie bezpieczeństwo sąsiednich czynnych kopalń oraz zagrożenie zalaniem
terenów na powierzchni, obniżonych w wyniku wieloletniej eksploatacji górniczej,
• możliwość i potrzeba wykorzystania wód kopalnianych do celów komunalnych
i wpływ likwidacji kopalni na ich jakość (możliwość skażenia substancjami toksycznymi znajdującymi się w zalewanych wyrobiskach),
• możliwość i potrzeba wykorzystania nieczynnych wyrobisk jako składowiska odpadów,
• kwestie prawne, w tym pytanie, jak z punktu widzenia przepisów górniczych jest traktowany zalewany szyb.

Decyzja o wyborze systemu odwadniania likwidowanej kopalni powinna być poprzedzona dyskusją obejmującą co najmniej powyższe aspekty, a nie ograniczoną do wycinków problemu.

Uwarunkowania z zakresu techniki pompowej.
Odwadnianie kopalń prowadzi się z reguły przy pomocy pomp odśrodkowych. Teoretycznie możliwe jest zastosowanie pomp wyporowych, np. przeponowych, które uzyskują wysokie sprawności energetyczne. Pompy wyporowe cechują się jednak dużymi gabarytami i masą, co stawia pod znakiem zapytania możliwość ich zabudowy i obsługi w szybie nieczynnej kopalni. Ponadto cena pomp wyporowych i nakłady na ich instalację są o wiele wyższe niż dla pomp odśrodkowych. Przy stosunkowo niewielkich wysokościach podnoszenia, z jakimi mamy do czynienia w nieczynnych kopalniach, ewentualne korzyści energetyczne nie uzasadniają tak znacznego wzrostu nakładów inwestycyjnych.

Z tych powodów w praktyce należy rozważać jedynie zastosowanie pomp odśrodkowych. W teorii pomp używa się pojęcia wyróżnika szybkobieżności, który ujmuje zależność pomiędzy prędkością obrotową, wydajnością i wysokością podnoszenia ze stopnia pompy odśrodkowej. Niższy wyróżnik oznacza niższą prędkość obrotową, niższą wydajność bądź wyższą wysokość podnoszenia ze stopnia.

Doświadczenia konstrukcyjne wskazują, że wartość wyróżnika określa optymalne proporcje i kształt wirnika pompy, a także możliwe do uzyskania sprawności. Optimum występuje dla tzw. pomp średniobieżnych, natomiast zarówno dla niższych, jak i wyższych od optymalnej wartości wyróżnika osiągane sprawności są gorsze.

W przypadku, gdy w pompowanej cieczy występują ciała stałe, stosuje się niższe wyróżniki szybkobieżności ze względu na trwałość, bowiem przy większych prędkościach obrotowych elementy pompy (szczególnie krawędzie wlotowe łopatek oraz pierścienie uszczelniają-ce) ulegają przyspieszonemu zużyciu. Dlatego, a także w celu uzyskania lepszych własności ssawnych, tradycyjne pompy głównego odwadniania, przystosowane do pompowania wody zanieczyszczonej, konstruowane są jako wolnobieżne, co oznacza obniżenie sprawności w stosunku do możliwego optimum. Z kolei pompy głębinowe konstruuje się tak, aby uzyskać minimalną średnicę zewnętrzną, gdyż pozwala to na minimalizację kosztów drążenia studni. Oznacza to przyjęcie wyróżnika szybkobieżności wyższego niż optymalny, wraz z wynikającym z tego obniżeniem sprawności. Ponadto, do napędu pomp głębinowych stosu¬je się silniki „mokre”, które mają sprawności niższe od tradycyjnych silników elektrycznych, co wynika, między innymi, z oporów, jakie napotyka wirnik w cieczy.

Wynika z tego, że z energetycznego punktu widzenia do odwadniania nieczynnych kopalń, gdzie nie występują w wodzie cząstki stałe, i gdzie nie ma ograniczenia średnicy pompy, należy stosować pompy o optymalnym wyróżniku szybkobieżności, cechujące się sprawnościami lepszymi zarówno od tradycyjnych pomp górniczych, jak i od pomp głębinowych.

Ponadto, trzeba wziąć pod uwagę straty energetyczne w rurociągach. Stosowanie pomp głębinowych opuszczanych na rurociągu z powierzchni powoduje konieczność ograniczenia średnicy rurociągu, ze względu na ciężar i koszt. Powoduje to zwiększenie strat przepływu w rurociągach, w porównaniu z innymi sposobami odwadniania, które pozwalają na wykorzystanie istniejących rurociągów o większych średnicach.

W celu zminimalizowania kosztów eksploatacji pompy stosowane do odwadniania likwidowanej kopalni powinny umożliwiać zautomatyzowaną pracę bez dozoru. Wyklucza to w zasadzie stosowanie takich rozwiązań jak uszczelnienia dławnicowe, tarcze odciążające lub łożyska ślizgowe smarowane olejem, gdyż wymagają one stosunkowo częstej regulacji i obsługi.

pow

Fot. 1. Pompa zasilająca zatapialna dużej wydajności.

 Inne uwarunkowania techniczne.

Pompowana woda podziemna, będzie wodą z minimalną zawartością zanieczyszczeń stałych, oraz o składzie chemicznym właściwym dla wód rozpatrywanej kopalni. Wartości dopływu w stosunku do kopalni pracującej zmniejszą się nie tylko o ilości wody technologicznej, lecz także stosownie do podniesienia poziomu wody w szybie.

Ze względu na przepisy bezpiecznego prowadzenia eksploatacji szybu (studni) należy przyjąć, że w szybie będą musiały być prowadzone rewizje kontrolne oraz że w szybie nie będą się mogły zbierać gazy wybuchowe i trujące w stężeniach zagrażających życiu ludzkiemu lub mogących spowodować wybuch. W związku z tym szyb będzie musiał być wyposażony w układy: wentylacyjny i kontrolujący stężenie gazów.

Konieczność przeprowadzenia rewizji kontrolnej szybu wymaga zabudowy stałego lub przenośnego urządzenia do jazdy ludzi. Na każdym odwadnianym szybie konieczne również będzie zabudowanie stałego lub przenośnego urządzenia do opuszczania układów pompowych (zespołów pompowych, rurociągów itp.). Rodzaj, a tym samym cena tych urządzeń będzie zależeć od przyjętego rozwiązania.

Analiza porównawcza możliwych sposobów odwadniania likwidowanych kopalń.
W praktyce wahania poziomu wody będą najczęściej nieznaczne. Możliwe będzie, zatem zastosowanie zarówno pomp głębinowych, jak i stacjonarnych napędzanych silnikami „suchymi”.

Odwadnianie pompami głębinowymi.
Zalety pomp głębinowych to niewrażliwość na niekontrolowane zmiany poziomu wody i bez- obsługowa praca. Natomiast do wad należą:
• nie najwyższe sprawności pomp i silników głębinowych,
• wysokie nakłady inwestycyjne (pompy, silniki i rurociągi),
• drogie części zamienne oraz wysokie koszty przeglądów i remontów maszyn importowanych w kompletach,
• skomplikowana budowa niektórych konstrukcji pomp głębinowych
oraz silników, co wydłuża czas przeglądów oraz remontów,
• utrudniony dostęp do serwisu.

Zabudowa pomp głębinowych polega na zawieszeniu ich na rurociągu tłocznym, zwykle opuszczanym w głąb szybu z powierzchni – rysunek 1.

Dodatkowe wady takiego rozwiązania to:
• duże ciężary opuszczanych i podnoszonych układów pompowych,
• utrudniony dostęp do sprzętu dźwigowego do opuszczania i podnoszenia układów pompowych oraz kabli zasilających i wysokie koszty z tym związane,
• duże straty energetyczne w rurociągach, które ze względu na koszt i ciężar mają mniejsze średnice niż rurociągi stacjonarne w szybie,
• wszelkie, nawet najdrobniejsze, prace obsługowe wymagają podniesienia pompy wraz z silnikiem na powierzchnię, co wiąże się z koniecznością demontażu całego rurociągu tłocznego, przewidywane trudności w demontażu rurociągów, w obecności rozpuszczonych substancji chemicznych w wodzie, utrudniające operację podnoszenia pomp do przeglądu,
• brak zamocowania rurociągu w szybie, co sprzyja powstawaniu drgań.

Wady z tej grupy można wyeliminować podwieszając pompy głębinowe na krótszych rurociągach pod pomostem w głębi szybu i wykorzystując istniejące rurociągi tłoczne – rysunek 2.

11111111

Rysunek 1.                              Rysunek 2.

 

Odwadnianie pompami stacjonarnymi.

Ponieważ w kopalni, w której wstrzymano eksploatację w wodzie nie będą występować w większych ilościach zanieczyszczenia mechaniczne, do odwadniania można zastosować pompy stacjonarne o optymalnym wyróżniku szybkobieżności i nowoczesnej konstrukcji pozwalającej na bezobsługową pracę.

Zalety pomp stacjonarnych to:
• najwyższe sprawności energetyczne,
• bezobsługowa praca,
• niskie ciężary zespołu pompowego dopuszczające stosowanie urządzeń transportowych o średnich udźwigach,
• przystępna cena pomp i silników (szczególnie w przypadku pomp i silników krajowych),
• prosta i niezawodna konstrukcja,
• dostępny i niezbyt kosztowny, krajowy serwis,
• niewielkie straty energetyczne w rurociągach,
• łatwy montaż i demontaż zespołów pompowych.

Pompy stacjonarne mogą występować w kil¬ku wariantach, przy czym wymienione wyżej zalety są wspólne dla każdego z nich.
Poniżej omówiono podstawowe warianty zabudowy pomp stacjonarnych, zwracając uwagę na związane z nimi wady.

Pompy wałowe.

Na pomoście w szybie można zainstalować pio­nowy agregat pompowy, w którym silnik zabu­dowany jest ponad pomostem, a pompa zanu­rzona w wodzie – rysunek 3. Całość podłączona jest do istniejącego w szybie rurociągu tłocznego.

Wadą pomp wałowych są koszty zakupu wyższe niż dla poziomych pomp stacjonarnych, (szczególnie dla większych długości wału pom­py), bardziej skomplikowane i kosztowne prze­glądy oraz remonty, a także mały zakres do­puszczalnego wahania poziomu wody, ograni­czony długością wału.

Na pomoście zabudowanym w szybie moż­na zainstalować pompę w układzie pionowym –    rysunek 4, o optymalnym wyróżniku szybkobieżności, pozwalającym na uzyskanie wysokich sprawności energetycznych. Zespół pompowy pracujący na pomoście zasilany jest przez pompę zatapialną, co eliminuje konieczność zalewania agregatu przed uruchomieniem, oraz pozwala na znaczne wahania poziomu wody. Pompa tłoczy wodę przez istniejący rurociąg.

Do wad takiego rozwiązania należy zaliczyć koszt silnika kołnierzowego, wyższy niż dla silnika poziomego oraz nieco niższą sprawność pompy zasilającej, która ponadto stanowi o jedno urządzenie więcej w łańcuchu nieza­wodnościowym.

Pompy stacjonarne poziome zbudowane na pomoście w szybie z pompą zasilająca (zatapialną). Jeżeli w szybie istnieje wystarczająca ilość miejsca, na pomoście można zainstalować pompę w układzie poziomym – rysunek 5, o optymalnym wyróżniku szybkobieżności, zasilaną przez pompę zatapialną i podłączoną do istniejącego rurociągu tłocznego.

Wadą jest to, że układ poziomy pomp wymaga więcej miejsca do montażu na pomoście (ograniczeniem są wymiary szybu). Zastosowanie pompy zasilającej ma dobre i złe strony jak w poprzednim przypadku.

3

Rysunek 3.                                              Rysunek 4.                                 Rysunek 5.                             Rysunek 6.

Pompy stacjonarne poziome zabudowane we wnęce przy szybie z pompą zasilająca (zatapialną).

Odmianą ostatniego wariantu może być zabu­dowanie poziomej pompy stacjonarnej we wnę­ce przy szybie – rysunek 6, zamiast na pomoście. Jest to szczególnie korzystne, jeśli wnęka taka istnieje. W przeciwnym przypadku wadą jest koszt jest wykonania.

W trzech ostatnich wariantach można zre­zygnować z zastosowania pompy zasilającej. Ogranicza to jednak zakres wahania poziomu wody do kilku metrów i utrudnia rozruch pom­py ze względu na konieczność zalania w przy­padku nieszczelności zaworu stopowego.

Odwadnianie z istniejącej pompowni głównej z pompami zatapialnymi zasilającymi chodniki wodne.

W przypadku, gdy powyżej oczekiwanego po­ziomu wody w zalanym szybie istnieje pom­pownia, można ją wykorzystać, podając wodę do chodników wodnych pompą zatapialną. Ewentualnie, pompę z istniejącej pompowni można przenieść do wnęki przy szybie, położonej w pobliżu oczekiwanego poziomu wody – rysu­nek 7.

Zaletą tego rozwiązania jest niski koszt in­westycyjny oraz zastosowanie pomp dostoso­wanych do pracy w trudnych warunkach gór­niczych. Wadą wykorzystania istniejących pomp jest to, że posiadają one sprawności energetyczne niższe niż pompy konstruowane z myślą o pom­powaniu wody czystej, a także to, że wymagają one obsługi w trakcie pracy oraz częstszych prze­glądów.

4

Rysunek 7.

Analiza techniczno-ekonomiczna.

Wymienione powyżej warianty nie wyczerpują wszystkich możliwości rozwiązania problemu odwadniania likwidowanych kopalń. Każdy indywidualny przypadek będzie się różnić, ze względu na parametry pompowania (dopływ i wysokość podnoszenia) oraz stan istniejącej infrastruktury. Zawsze będzie to jednak sytuacja jakościowo inna niż dla nowej inwestycji. Z oczy­wistych względów należy dążyć do wykorzysta­nia istniejących urządzeń, na przykład rurocią­gów bądź całych pompowni, co z jednej strony ogranicza nakłady inwestycyjne, a z drugiej obniża koszt prac likwidacyjnych.

Każdy przypadek przed podjęciem decyzji o wyborze sposobu odwadniania wymaga prze­prowadzenia analizy techniczno-ekonomicznej. Punktem wyjściowym powinno być ustalenie parametrów pompowania, co nie jest zagad­nieniem prostym, gdyż nie zawsze da się łatwo przewidzieć jak zmienią się dopływy wody po zaprzestaniu eksploatacji. Także wybór pozio­mu wody, jaki ma być utrzymywany w szybie wymaga przeanalizowania wielu czynników. Należy podkreślić, że utrzymywanie zdolności do odwadniania przy szerokiej zmienności parametrów nie zawsze jest celowe. Ewentualne krótkotrwałe zmiany dopływów, wynikające na przykład ze zwiększonych opadów atmosferycz­nych można kompensować zmianą liczby go­dzin pompowania na dobę. Natomiast, jeśli przewiduje się, że zmiana parametrów może nastąpić w perspektywie kilku lat, to ekono­micznie uzasadnione jest wykonanie w odpo­wiednim czasie modernizacji układu zamiast długotrwałego pompowania przy parametrach odbiegających od optymalnych.

Analiza ekonomiczna powinna uwzględniać trzy zasadnicze składniki:

  • koszt inwestycyjny,
  • koszt energii elektrycznej,
  • pozostałe koszty eksploatacji, głównie koszty obsługi i remontów.

Koszty ponoszone w kolejnych latach po­winny zostać zdyskontowane, co oznacza, że największy wpływ na wynik analizy posiadają koszty ponoszone w pierwszych kilku latach. Analiza techniczno-ekonomiczna może dać różne wyniki dla indywidualnych przypadków. Można jednak sformułować wnioski obowią­zujące w każdej sytuacji:

  • koszt inwestycyjny dla agregatów głębinowych jest zawsze wyższy niż dla pomp z silnikami „suchymi”, co wynika z bardziej złożonej budowy. W przypadku pomp głębinowych z importu nakłady inwestycyjne są szczególnie wysokie w porównaniu ze stacjonarnymi pompami krajowymi,
  • pompy głębinowe mają niższe sprawności energetyczne niż pompy stacjonarne   optymalnym wyróżniku szybkobieżności napędzane silnikami „suchymi”. Wobec tego zwiększone nakłady inwestycyjne na zakup pomp głębinowych nie zwrócą się z tytułu niższych kosztów energii elektrycznej, lecz przeciwnie, koszty te dla pomp głębinowych będą wyższe,
  • w zakresie pozostałych kosztów eksploatacji pompy głębinowe także nie wykazują przewagi nad pompami stacjonarnymi. Nowoczesne pompy stacjonarne mogą osiągać okresy między przeglądami remontami równie długie jak pompy głębinowe, natomiast koszt remontu pompy głębinowej i silnika do jej napędu jest zawsze wyższy niż koszt remontu pompy z silnikiem „suchym”,
  • dla pomp głębinowych opuszczanych na rurociągu ze zrębu szybu dużą niedogodnością jest to, że wszelkie, nawet najdrobniejsze prace obsługowe wymagają podnoszenia pompy na powierzchnię, co wiąże się z koniecznością kosztownego demontażu całego rurociągu tłocznego i kabli zasilających, koszty związane z utrzymywaniem infrastruktury szybu niewiele różnią się dla pomp głębinowych i stacjonarnych. W obu przypadkach wymagane jest przewietrzanie szybu. Pompy stacjonarne nie wymagają utrzymywania maszyn wyciągowych, które można zastąpić prostszymi urządzeniami do jazdy ludzi. Urządzenia takie powinny być stosowane także w przypadku stosowania pomp głębinowych, w celu umożliwienia inspekcji stanu szybu,
  • nie należy wykluczać wykorzystania do odwadniania kopalń likwidowanych istniejących dotychczas w kopalniach pomp głównego odwadniania. Rozwiązanie takie cechuje się bardzo niskimi nakładami inwestycyjnymi. Koszty eksploatacji istniejących pomp głównego odwadniania będą oczywiście wyższe od kosztów eksploatacji nowoczesnych pomp do wody czystej, ze względu na wymaganą obsługę i niższe sprawności. Może się jednak okazać, że w niektórych przypadkach będzie to rozwiązanie najtańsze.

Podsumowanie i wnioski.

Sposób postępowania z kopalniami, w których wstrzymano wydobycie jest problemem o po­ważnych skutkach finansowych. Ponieważ środ­ki na restrukturyzację górnictwa pochodzą w znacznej części z budżetu państwa, jest to także problem o znaczeniu ogólnonarodowym. Pod względem technicznym jest to problem multidyscyplinarny obejmujący wiele specjalno­ści związanych z górnictwem. Należy ubolewać, że przy próbach jego rozwiązania pomija się instytucje i firmy posiadające największe do­świadczenie w dziedzinie odwadniania kopalń.

Jak wykazano wyżej, technicznych sposo­bów odwadniania nieczynnych kopalń jest wiele. Preferowanie niektórych z nich na pod­stawie niejasnych kryteriów jest nieracjonalne. Należy przeprowadzić głęboką analizę, która umożliwi wypracowanie założeń dla właściwej praktyki. Dopiero na tej podstawie należy for­mułować specyfikacje przetargowe dla poszcze­gólnych instalacji, a nie narzucać z góry pewne rozwiązania bez należytego uzasadnienia tech­niczno-ekonomicznego.

Jeżeli w wyniku postulowanej powyżej ana­lizy powstaną i zostaną ogłoszone przejrzyste reguły wyboru optymalnych rozwiązań w zakre­sie odwadniania nieczynnych kopalń, to zarów­no POWEN, jak również inni krajowi produ­cenci, będą w stanie zaoferować konkretne pompy bądź spośród tych, które obecnie znaj­dują się w ofercie produkcyjnej albo w trakcie projektowania, bądź specjalnie skonstruowane przy uwzględnieniu sformułowanych wymagań.

mgr inż. Stanisław Perchał

dr inż. Grzegorz Pakuła

Artykuł został opublikowany w numerze 3 czasopisma „Pompy-Pompownie”  w roku 2000.