Marcin Danis
WPŁYW PRZEWIETRZANIA NA WARUNKI KLIMATYCZNE
Do niedawna przy podejmowaniu decyzji na temat rozcięcia kopalni przy jej projektowaniu podstawowe znaczenie miały kryteria geologiczne i eksploatacyjne. Przy projektowaniu głębokich kopalń w skałach o wysokiej temperaturze pierwotnej i rekonstrukcji kopalń i otwieraniu nowych poziomów konieczne staje się uwzględnianie warunków klimatycznych.
Najskuteczniejszym środkiem zwalczania zagrożeń klimatycznych i toksycznych oraz związanych z możliwością wybuchu metanu jest intensywny przepływ dużej ilości powietrza przez wyrobiska. Struktura sieci wentylacyjnej powinna umożliwić doprowadzenie do wyrobisk eksploatacyjnych dużych ilości powietrza. Poprawę komfortu pracy w wyrobiskach głębokich kopalń można uzyskać środkami wentylacyjnymi oraz przez podjęcie innych działań, które mają ograniczyć wzrost temperatury i wilgotności powietrza kopalnianego. Biorąc pod uwagę wysokie koszty chłodzenia powietrza kopalnianego służby wentylacyjne powinny dążyć do uzyskania możliwie korzystnych cieplnych warunków pracy bez stosowania maszyn chłodniczych i urządzeń klimatyzacyjnych.
Do racjonalnych środków służących poprawie cieplnych warunków pracy bez stosowania klimatyzacji należą:
· wybór racjonalnych z punktu widzenia wymiany ciepła schematów rozcięcia kopalni, przewietrzania i kolejności wybierania pól eksploatacyjnych,
· wybór racjonalnego wydatku powietrza w kopalni, jego rozdziału i prędkości przepływu,
· wybór korzystnych z punktu widzenia wymiany ciepła wariantów systemów eksploatacji, wymiarów wyrobisk,
· zmniejszenie wydajności cieplnej lokalnych źródeł ciepła,
· zmniejszenie ucieczek powietrza.
1.ROCJONALNE SCHMATY ROZCIĘCIA KOPALNI, PRZEWIETRZANIE I KOLEJNOŚĆ
WYBIERANIA PÓL EKSPLOATACYJNYCH
Ilość ciepła odprowadzana od masywu skalnego do powietrza przepływającego przez wyrobiska kopalniane zależy między innymi od wielkości pola powierzchni wymiany ciepła, które jest równe polu powierzchni odpowiednich wyrobisk. Wielkość ta zależy od długości i obwodu wszystkich wyrobisk, poczynając od podszybia aż do przodka. Im mniejsze jest pole tej powierzchni, tym mniejszego należy oczekiwać nagrzania powietrza ciepłem od ochładzających się skał oraz ciepłem od procesów utleniania.
Geometryczna struktura kopalnianej sieci wentylacyjnej obejmuje przestrzenne rozmieszczenie głównych wyrobisk udostępniających (szuby i przekopy) oraz lokalizację głównych wentylatorów w sieci.
a) układ głównych wyrobisk udostępniających głębokiej kopalni; Istotną cechą tej struktury jest rozmieszczenie pojedynczych szybów w trzech liniach. Na linii środkowej zlokalizowane są szyby wdechowe, które jednocześnie są szybami wydobywczymi. Z wentylacyjnego punktu widzenia jest to bardzo korzystny wariant struktury kopalnianej (rys.3.22.[1] ).
b) układ głównych wyrobisk udostępniających głębokiej kopalni; Schemat przestrzenny przewietrzania z peryferyjnym rozmieszczeniem szybów wentylacyjnych. W strukturze tej szyby wdechowe zgrupowane są w jeden zespół wydobywczy ( rys.3.23., rys.3.24. [1] ).
c) układ głównych wyrobisk udostępniających głębokiej kopalni; Schemat przestrzenny przewietrzania z zastosowaniem podziemnych wentylatorów dla docelowego wydobycia. Bezpośrednio po zgłębieniu szybów do złoża możliwe jest podjęcie na dość szeroką skalę robót korytarzowych dzięki dużej ilości powietrza, jaką zapewnia układ wyrobisk. W etapie docelowym następuje zmiana funkcji niektórych szybów. Wszystkie szyby peryferyjne stają się szybami wdechowymi, natomiast centralne szyby wydobywcze szybami wydechowymi. Wentylatory podziemne powinny być w zasadzie zainstalowane w prądach powietrza zużytego, gdyż uniknie się podgrzewania świeżego powietrza przez same wentylatory. Taka lokalizacja wymaga jednak śluzowania dróg transportu urobku do szybów wydobywczych ( rys. 3.25. [1] ).
Podziemny układ wielowentylatorowy ma pewne zalety i wady w zestawieniu z klasycznym dla polskiego górnictwa układem wentylatorów na powierzchni.
Lokalizacja stacji wentylatorów na powierzchni niewątpliwie zapewnia:
· prostszą i tańszą instalację wentylatora i układu zasilania,
· łatwiejszy dostęp dla przeprowadzenia napraw w ruchu normalnym i w przypadku awarii, prostszą i bezpieczniejszą kontrolę pracy wentylatora,
· mniejsze prawdopodobieństwo uszkodzenia wentylatora w razie pożaru,
· mniejszą niekontrolowaną recyrkulację powietrza wewnątrz sieci wentylacyjnej.
Podziemna lokalizacja wentylatorów ma następujące zalety:
· wszystkie wyloty (wloty) szybów są wolne od zamknięć i urządzeń wentylacyjnych, co pozwala na swobodne wykorzystanie szybów do wydobycia oraz do innych celów,
· niepotrzebna jest budowa oddzielnych kanałów wentylacyjnych, dzięki czemu unika się strat energii na pokonanie oporów ruchu powietrza w tych kanałach,
· nie występują zewnętrzne straty powietrza.
Podziemny układ wielowentylatorowy, w którym możliwe są zarówno połączenia szeregowe, jak i równoległe wentylatorów, ma dodatkowe zalety:
· zapewnia bardziej intensywne i efektywne przewietrzanie rejonów odległych od szybów,
· pozwala uzyskać dowolną wielkość spiętrzenia i wydatku przy ograniczonych wielkościach spiętrzenia i wydatku pojedynczych wentylatorów,
· stwarza możliwość stosunkowo łatwej rozbudowy sieci przez instalowanie nowych wentylatorów,
· w przypadku awarii jednego wentylatora przewietrzanie jest zmniejszane, a nie zatrzymane,
· podziemny układ wentylatorów może stwarzać korzystne warunki do przeprowadzania rewersji prądu powietrza w poszczególnych częściach kopalni.
Poprawę warunków klimatycznych w wyrobiskach eksploatacyjnych i przygotowawczych można uzyskać przez zmianę kierunku przepływu powietrza z wznoszącego na schodzący. Przewietrzanie prądem wznoszącym jest korzystniejsze z punktu widzenia stabilności ruchu powietrza i gazów podczas pożaru podziemnego. W tym drugim przypadku droga świeżego powietrza znajduje się na wyższym poziomie, więc w skałach o niższej tem. pierwotnej. W przypadku przewietrzania prądem schodzącym, prócz efektu niższej temperatury pierwotnej skał, urobek transportowany jest w wyrobiskach se zużytym powietrzem.
1.1. WPŁYW KOLEJNOŚCI WYBIERANIA POLA EKSPLOATACYJNEGO NA
TEMPERATURĘ POWIETRZA KOPALNIANEGO
Temperatura powietrza w wyrobiskach kopalnianych zależy od okresu przewietrzania. Czas przewietrzania wyrobisk przygotowawczych zależy od kolejności drążenia tych wyrobisk i od kolejności wybierania złoża w eksploatowanym polu.
Przy wybieraniu pola górniczego od granic długość dróg wentylacyjnych w pierwszym okresie przewietrzania jest znaczna. Zależy ona przede wszystkim od wymiarów całego pola nadania i od schematy rozcięcia kopalni. Czas istnienia wyrobiska przygotowawczego w takim przypadku jest zwykle krótki. W związku z tym temperatura powietrza wpływającego do przodka jest wyższa w porównaniu z przypadkiem wybierania od granic. Przy dalszej eksploatacji złoża i zbliżaniu się frontu przodków do pól mniej oddalonych od szybów różnica w wartościach temperatury powietrza kopalnianego w obu analizowanych przypadkach kolejności wybierania złoża jest nieznaczna. Większy wpływ na wartość tem. powietrza wywierają ucieczki powietrza, które w dużym stopniu zależą od przyjętej kolejności wybierania złoża. W przypadku eksploatacji od granic ucieczki powietrza w obrębie pola eksploatacyjnego występują w bardzo ograniczonym stopniu. Natomiast przy wybieraniu do granic mogą osiągać 20-30 % ogólnej ilości powietrza wpływającej w rejon robót. Ucieczki powietrza mogą przyczyniać się do przenoszenia ciepła ze zrobów do prądu powietrza.
1.2. WPŁYW WYDATKU PRZEPŁYWAJĄCEGO POWIETRZA
Ze wzrostem strumienia powietrza przepływającego przez wyrobisko powiększa się pojemność cieplna płynącej strugi i przy tej samej ilości ciepła dopływającej od otoczenia następuje mniejszy przyrost tem.
Jednocześnie, w związku ze wzrostem prędkości przepływu powietrza, zwiększa się wartość współczynnika przejmowania ciepła i powiększa się strumień ciepła przenoszony od ochładzających się skał do powietrza kopalnianego. Zmiana wartości współczynnika przejmowania ciepła może mieć widoczny wpływ na temperaturę powietrza w wyrobiskach o krótkim okresie istnienia. Przy dużych liczbach Fouriera bezwymiarowe strumienie cieplne, określone przy różnych liczbach Biota, mają zbliżone wartości.
Wielu autorów rozważa tzw. optymalną prędkość przepływu prądu świeżego powietrza. Definicję tej wielkości formułuje się na podstawie wpływu tej prędkości na tem. powietrza kopalnianego.
2. KRYTERIA PRZYJMOWANE PRZY PROJEKTOWANIU KLIMATYZACJI
Przez właściwe warunki klimatyczne w wyrobiskach górniczych rozumie się taką kombinację temperatury, prędkości i wilgotności powietrza, w wyniku której osiąga się minimum wymagań podyktowanych względami fizjologii i psychologii pracy oraz odpowiednimi przepisami bhp. Do czynników wpływających na temperaturę oraz wilgotność powietrza w kopalni można zaliczyć: temperaturę skał, ciśnienie powietrza, temperaturę urobku, procesy utleniania, przemianę energii w maszynach, stosowanie powietrza sprężonego. Można przyjąć w przybliżeniu, że w kopalniach głębokich na bilans ciepła ma wpływ w 50 % górotwór jako źródło ciepła, w 25 % procesy utleniania węgla oraz w 25 % inne czynniki.
Wstępną ocenę stopnia zagrożenia cieplnego w kopalniach węgla można określić stosując jako kryterium poziomy krytyczne lub wskaźnik klimatyczny.
Przeprowadzone badania wykazały, że w polskich kopalniach węgla można rozróżnić trzy poziomy krytyczne określone temperaturą pierwotną masywu skalnego tpg : I poziom krytyczny, gdy tem. pierwotna masywu skalnego tpg= 300C, II poziom krytyczny, gdy tpg=350C i trzeci poziom krytyczny, gdy tpg=400C.
Na głębokościach powyżej I poziomu krytycznego mogą wystąpić trudne warunki klimatyczne w wyrobiskach eksploatacyjnych i przygotowawczych, przy czym poprawę tych warunków można uzyskać przez intensywną wentylację główną, jak i odrębną. Na głębokościach między I a II poziomem krytycznym należy liczyć się z trudnymi warunkami klimatycznymi w wyrobiskach eksploatacyjnych i przygotowawczych, przy czym poprawę tych warunków można uzyskać przez intensywną wentylację główną, jak i odrębną, łącznie ze stosowaniem niektórych środków pasywnego zwalczania wysokich tem. tj.(bez korzystania z urządzeń chłodniczych i osuszania powietrza).Na głębokościach między II a III poziomem krytycznym należy liczyć się z trudnymi warunkami klimatycznymi w wyrobiskach eksploatacyjnych, które można będzie poprawić stosując intensywną wentylację łącznie ze środkami pasywnego zwalczania wysokich temperatur. Gdy eksploatacja odbywa się poniżej III poziomu krytycznego, należy nie tylko stosować intensywną wentylację główną, lecz także wszystkie środki zwalczania wysokich tem., łącznie ze środkami aktywnymi, tj. stosowaniem urządzeń chłodniczych.
Innym kryterium ocen stopnia zagrożenia cieplnego w kopalniach węgla kamiennego jest wskaźnik klimatyczny określany wzorem
gdzie:
tpg - tem. pierwotna masywu skalnego na danym poziomie,
td - dopuszczalna tem. powietrza w miejscu pracy załogi bez stosowania skróconego czasu
pracy, td = 280C,
tp - tem. powietrza w podszybiu danego poziomu.
Kryteria oceny stopnia zagrożenia cieplnego na podstawie wskaźnika klimatycznego K zdefiniowane są następująco:
K < 0 nie ma zagrożenia cieplnego,
0 < K < 0.8 istnieje niewielkie zagrożenie cieplne, któremu można zapobiec przestrzegając główne
zasady racjonalnej wentylacji,
0.8 < K < 1.5 dla uniknięcia zagrożenia cieplnego należy dążyć do takiego udostępniania i rozcięcia
pokładów oraz ich eksploatacji, aby powietrze świeże uległo możliwie najmniejszemu
nagrzaniu,
K > 1.5 konieczne stosowanie skróconego czasu pracy, użycie urządzeń chłodzących.
3. PROJEKTOWANIE UDOSTĘPNIANIA I ROZCINKI ZŁOŻA W ASPEKCIE
ZMNIEJSZENIA ZAGROŻENIA CIEPLNEGO
Obecnie szereg kopalń prowadzi eksploatację na głębokościach, gdzie tem. masywu skalnego wynosi 30-420C, a tem. powietrza do 360C przy wilgotności względnej 85-95 %. Konieczne jest podjęcie środków mających na celu zwalczanie zagrożenia cieplnego:
n wykonanie szybów wdechowych i głównych przekopów udostępniających o dużych przekrojach,
n drążenie przecznic i przekopów w skałach o najniższych tem.,
n skrócenie dróg doprowadzających i odprowadzających powietrze z przodków eksploatacyjnych,
n lokalizowanie nowych szybów w miejscach zapewniających możliwie najkrótsze drogi powietrza świeżego,
n zmniejszenie do minimum liczby wyrobisk, którymi doprowadzane jest powietrze świeże do wyrobisk eksploatowanych,
n wyeliminowanie odstawy urobku z wyrobisk, którymi doprowadzane jest świeże powietrze do wyrobisk eksploatowanych,
n unikanie odprowadzania powietrza zużytego z wyrobisk ślepych z dodatkowymi źródłami ciepła do wyrobisk z opływowym prądem powietrza świeżego, płynącym do miejsca pracy,
n unikanie szeregowego przewietrzania ścian,
n lokalizowanie urządzeń elektromechanicznych w prądach wylotowych,
n stosowanie wentylacji schodzącej,
n stosowanie max. koncentracji wydobycia z frontu eksploatacyjnego,
n izolowanie zrobów eksploatacyjnych.
4. OPTYMALIZACJA ROZPŁYWU POWIETRZA W KOPALNIACH O TRUDNYCH
WARUNKACH KLIMATYCZNYCH
Podczas przepływu powietrza przez wyrobiska kopalniane na skutek procesów wymiany energii i masy z otoczeniem, następują zmiany jego parametrów. Czynnikami kształtującymi parametry klimatyczne powietrza kopalnianego są przede wszystkim:
n zmiany entalpii powietrza w wyniku sprężania lub rozprężania w polu sił ciężkości ,
n wymiana ciepła między skałami a przepływającym powietrzem,
n wymiana wilgoci i zmiany stanu skupienia wilgoci w powietrzu,
n ciepło wydzielane z maszyn na skutek tarcia oraz z urządzeń elektrycznych zainstalowanych w wyrobisku,
n ciepło wywiązujące się podczas reakcji utleniania węgla oraz innych skał,
n wymiana ciepła i masy z rurociągami i mechanizmami napędzanymi sprężonym powietrzem,
n ciepło oddawane powietrzu przez transportowane skały.
Prócz wyżej wymienionych źródeł ciepła, mogą istnieć dalsze, dodatnie lub ujemne, jednak na ogół o mniejszym wpływie na nagrzewanie powietrza kopalnianego od wymienionych wyżej. Są to np.: ciepło wydzielane z organizmów ludzi, ciepło wydzielane podczas gnicia obudowy drewnianej, utajone ciepło desorpcji metanu lub dwutlenku węgla.
Jeśli proces parowania odbywa się kosztem entalpii powietrza, to przyrost jego wilgotności od wartości X1 do X2 spowoduje obniżenie tem. powietrza o
dT
dT - obniżenie tem., 0C
r - utajone ciepło parowania wody, równe 2500 J/g ,
Cp - ciepło właściwe powietrza przy stałym ciśnieniu, równe ok. 1005 J/kg,
X1, X2 - wilgotność właściwa powietrza, przed i po odparowaniu wody g/kg,
Ilość ciepła oddawana przez urobek na odcinku wyrobiska o jednostkowej długości i w jednostce czasujest proporcjonalna do różnicy tem. i pola powierzchni kontaktu
Qu= au P(Tu - T) , W/m.
Qu - strumień ciepła od ochładzającego się urobku na jednostkę długości wyrobiska,
au - wsp. Proporcjonalności, m2/k,
P - obwód wyrobiska, m.,
Tu - tem. urobku, 0C,
T - tem. powietrza, 0C,
Wzrost tem. powietrza wywołany pracą urządzeń o mocy N jest równy
dT,0C
dT - przyrost tem. powietrza spowodowany dopływem ciepła od urządzeń mechanicznych, 0C,
N - moc tego urządzenia, W,
...
Jussy_S