System odwadniania kopalń odkrywkowych składa się zazwyczaj z dwu podsystemów. Wokół terenu kopalni odkrywkowej wierci się studnie, w których instaluje się pompy głębinowe. Jest to tzw. bariera ochronna, której zadaniem jest obniżenie poziomu wód gruntowych w całej okolicy, tak aby wody te nie pojawiały się w wykopie kopalni. Jest to tzw. system odwadniania wgłębnego, który w tym referacie nie będzie omawiany. Oprócz niego w wykopie kopalni funkcjonuje system odwadniania powierzchniowego, którego zadaniem jest odprowadzenie z wyrobiska odkrywki wód deszczowych oraz resztkowych wód gruntowych, które omijają barierę pomp głębinowych i wyciekają z górotworu do odkrywki. Wody te zbierane są z terenu odkrywki przez system rowów odwadniających i kierowane do zbiorników pompowni. Pompownie te z reguły ulokowane są na półkach stałych odkrywki. Nadmiar wód opadowych, np. podczas opadów nawalnych, zbiera się w najniższym miejscu odkrywki, skąd po ustaniu opadów jest stopniowo przepompowywany do zbiorników pompowni głównych.
Pompownie te mogą być wyposażone w tradycyjne pompy stacjonarne. Rozwiązanie takie w warunkach odkrywki powoduje jednak pewne trudności eksploatacyjne. Po pierwsze, sytuacja w odkrywce jest zmienna, gdyż na skutek postępu w eksploatacji i związanego z typ „przesuwania się” wyrobiska lokalizacja pompowni musi ulegać zmianie. W przypadku tradycyjnych pompowni jest to związane ze znacznymi kosztami. Drugim problemem jest niestabilność skarp odkrywki, które pod wpływem intensywnych opadów lub nasilenia wypływu wód gruntowych wykazują tendencję do osuwania się grożąc zasypaniem pompowni.
Rys.1. Schemat systemu odwadniania z pompami stacjonarnymi i zatapialnymi.
Z powodu w/w niedogodności związanych z pompami stacjonarnymi opracowany został system odwadniania powierzchniowego odkrywek oparty o pompy zatapialne. Oprócz mniejszej wrażliwości na zagrożenie w postaci zalania, pompownie zatapialne wykazują inną cenną zaletę w postaci mniejszej zajmowanej powierzchni w porównaniu z pompami stacjonarnymi. Należy zdawać sobie sprawę, że każdy metr kwadratowy terenu w odkrywce jest cenny, gdyż wymaga usunięcia znad niego wielu ton nadkładu. Generalnie koszt budowy pompowni zatapialnych jest niższy w porównaniu z pompowniami wyposażonymi w pomy stacjonarne. Ponadto pompy zatapialne nie wymagają żadnej obsługi, nie wymagają odpowietrzania i zalewania przed uruchomieniem, co umożliwia budowę systemu odwadniania sterowanego zdalnie.
Wysokości podnoszenia pomp wymagane w systemach odwadniania powierzchniowego kopalń odkrywkowych z reguły nie przekraczają 200 m gdyż eksploatacja głębszych kopalń odkrywkowych jest nieopłacalna. Do wysokości podnoszenia rzędu 100 m można stosować pompy zatapialne jednostopniowe. Specjalnie w tym celu został opracowany typoszereg pomp OZ o nietypowej konstrukcji. Powszechnie spotyka się rozwiązanie konstrukcyjne zatapialnych pomp jednostopniowych polegające na zastosowaniu spirali zbiorczej i króćca tłocznego skierowanego w bok. W pompach OZ zastosowano odmienny układ. Silnik napędowy umieszczony jest poniżej pompy, a wlot do wirnika znajduje się od strony napędu poprzez użebrowaną szczelinę rozmieszczoną wokół obwodu pompy. Zastosowano kierownicę łopatkową, a króciec tłoczny pompy skierowany jest pionowo w górę.
Taki układ konstrukcyjny ma następujące zalety:
a) Silnik jest skutecznie chłodzony gdyż nie może dojść do jego wynurzenia.
b) Pompa nie zasysa silnie zanieczyszczonej wody z dna zbiornika lecz częściowo sklarowaną ciecz z wyższej warstwy
c) Uszczelnienie wału, składające się dwu uszczelnień mechanicznych pracujących w komorze olejowej nie jest narażone na ciśnienie tłoczenia lecz jedynie na ciśnienie hydrostatyczne co zmniejsza ryzyko nieszczelności
d) Łopatkowa kierownica odśrodkowa eliminuje występowanie znacznej siły promieniowej przy pracy poza punktem nominalnym, co w pompach ze spiralą tłoczną jest źródłem drgań końcówki wału sprzyjających awarii uszczelnienia.
Pompy OZ mogą być instalowane zarówno przez ustawienia na dnie zbiornika, jak i przez zawieszenie na króćcu tłocznym, czemu sprzyja symetryczne, osiowe położenie króćca. Ze względu na to, że wody powierzchniowe w kopalni odkrywkowej mogą zawierać znaczne ilości zanieczyszczeń stałych (piasek itp.) pompy OZ skonstruowane są na prędkości obrotowe 1500 obr/min, gdyż wyższe prędkości sprzyjałyby szybkiemu zużyciu na skutek erozji.
Rys. 2. Pompa zatapialna jednostopniowa typu OZ.
Zakres parametrów pomp OZ obejmuje wydajność do 1600 m3/h i wysokości podnoszenia do 100 m, co w pełni pokrywa zapotrzebowanie występujące w typowych kopalniach odkrywkowych. Dla głębszych odkrywek, gdzie wymagane wysokości podnoszenia przekraczają 100 m opracowano wielostopniowe pompy zatapialne OWZ pracujące w podobnym układzie konstrukcyjnym, tzn. pompa zabudowana jest pionowo nad silnikiem. Pompy te, w odróżnieniu od typowych pomp głębinowych, skonstruowane są z myślą o pracy na wodzie zanieczyszczonej i nie zawierają węzłów konstrukcyjnych wrażliwych na zanieczyszczenia, jak np. łożyska smarowane pompowaną cieczą. Zakres wydajności pomp OWZ sięga do 600 m3/h, a wysokości podnoszenia do 280 m.
Rys. 3. Pompy wielostopniowe zatapialne typu OWZ.
Jak wspomniano, w najniższym punkcie odkrywki gromadzić się może woda z opadów nawalnych, której nie są w stanie przejąć rowy odwadniające w trakcie intensywnych opadów. Woda zgromadzona w tym miejscu musi być wypompowana do zbiorników pompowni ulokowanych nieco powyżej, na skarpach. Ulokowanie jakiejkolwiek pompowni na terenie rozlewiska jest trudne, dlatego najlepszym rozwiązaniem okazuje się zastosowanie pomp pływających po powierzchni na pontonach i tłoczących wodę elastycznymi przewodami. Taki sposób instalacji pomp nie wymaga znacznych nakładów inwestycyjnych i umożliwia pompowanie w trudnych warunkach przy zmiennym poziomie wody w rozlewisku.
Rys. 4. Ponton z pompą typu ON.
W podsumowaniu należy stwierdzić, że zastosowanie w systemie odwadniania powierzchniowego pomp zatapialnych zamiast tradycyjnych pomp stacjonarnych przynosi następujące korzyści:
a) Mniejsze nakłady inwestycyjne na budowę pompowni, w tym mniejsze koszty jej przemieszczania w obrębie odkrywki w wyniku postępu robót górniczych.
b) Większe bezpieczeństwa pracy systemu gdyż pompy zatapialne nie są wrażliwe na zalanie.
c) Brak problemów ze ssaniem, możliwość pracy pompowni w znacznie większym zakresie zmian poziomu lustra cieczy.
d) Brak wymagań co do obsługi, możliwość automatyzacji i zdalnego sterowania.
Dr inż. Grzegorz Pakuła