WYKONAŁ:
Piotr Nowak
1. Wstęp
Warunki klimatyczne w wyrobiskach górniczych zależą od następujących czynników:
- temperatury powietrza,
- wilgotności powietrza,
- ciśnienia atmosferycznego powietrza,
- promieniowania cieplnego otoczenia.
Z kolei na wielkości wymienionych czynników w wyrobiskach górniczych wpływa cały szereg przyczyn, na które człowiek może oddziaływać tylko w pewnym stopniu. Decydujące znaczenie w uzyskaniu dobrych warunków klimatycznych w kopalniach mają trzy pierwsze czynniki, czyli temperatura, wilgotność i prędkość przepływu powietrza. W niniejszym referacie omówiona zostanie wilgotność powietrza oraz główne źródła oddziałujące na wymieniony czynnik.
2. Założenia dotyczące wymiany ciepła w wyrobiskach eksploatacyjnych.
Na rysunku 1 przedstawiony jest szkic ujmujący procesy transportu ciepła w wyrobisku kopalnianym.
Rys. 1 Szkic ilustrujący wymianę ciepła w wyrobisku
W przekroju poprzecznym wyrobiska występują różnice temperatur ścianek skalnych. W związku z tym, oprócz przewodnictwa i konwekcji, występuje także promieniowanie cieplne. Różnice temperatur występują głównie na skutek nierównomiernego ochładzania skał oraz parowania wilgoci ze spągu i obniżania w tym procesie temperatury skał. Omawiając i projektując teoretyczne metody prognozy kopalnianych warunków klimatycznych K.R. Vost dzieli je na uwzględniające i pomijające promieniowanie.
Podany przez A.M. Starfielda i A.J. Dicsona warunek brzegowy dla równania przewodnictwa cieplnego uwzględnia, że ruch ciepła przez powierzchnie skał odsłoniętych odbywa się drogą konwekcji, parowania wilgoci i promieniowania. Warunek brzegowy, obowiązuje na powierzchni skalnej x= 0, ma postać:
l dJ/dn = a(J - T) + frs(x“ – x) = a(J - T) + frb(e“ – e)
gdzie:
l- współczynnik przewodnictwa cieplnego skał, w/(mK),
a- współczynnik przejmowania ciepła, W/(m2K),
f- współczynnik stopnia zawilgocenia spągu
s- współczynnik przejmowania masy, kg/(m2s),
x“- wilgotność właściwa powietrza w stanie nasycenia, w temperaturze skalnej ścianki, kg/kg,
b- współczynnik wymiany masy, kg/(m2sPa),
e”- prężność pary wodnej w powietrzu w stanie nasycenia, w temperaturze ścianki skalnej, Pa,
e prężność pary wodnej w wyrobisku, Pa,
n- kierunek normalny do ścianki skalnej.
Zakłada się, że skały są ciałem ciągłym, warstwowo jednorodnym i izotropowym. Transport energii w skałach zachodzi jedynie drogą przewodnictwa cieplnego, a powierzchnie izotermiczne są równoległe do brzegu masywu skalnego. Wobec tego proces przenoszenia ciepła w skałach jest jedno wymiarowy i odbywa się wzdłuż osi Ox prostopadłej do izoterm, o początku na ściance masywu skalnego(rys. 2).
Rys. 2 Przekrój przez wyrobisko
Powietrze przepływa w kierunku linii Os biegnącej wzdłuż wyrobiska. Temperatura skał J zależy od zmiennych x i s oraz od czas t, zaś temperatura powietrza T jest funkcją zmiennej s:
J = J(x, s, t,) T = t(s)
Zakłada się, że temperatura pierwotna skał w obszarze rozważanego pola eksploatacyjnego jest stała i wynosi:
J(x, s, 0) = Jo = const.
Warunek brzegowy dla x = 0 przyjmuje się w postaci:
l dJ/dn = qk + qw
qk i qw- oznaczają gęstość strumienia ciepła transportowanego między ścianką skalną a powietrzem przepływającym w wyrobisku odpowiednio drogą konwekcji i parowania wilgoci.
3. Wilgotność powietrza kopalnianego a warunki klimatyczne w wyrobisku
Na wilgotność powietrza kopalnianego wpływa szereg czynników, jak np.:
a. wilgotność i temperatura powietrza atmosferycznego,
b. wilgotność oraz zdolność filtracyjna górotworu,
c. system odwadniania kopalni,
d. wydatek powietrza,
e. temperatura skał,
f. głębokość kopalni i związane z nią ciśnienie barometryczne,
g. procesy utlenienia,
h. inne zjawiska fizykochemiczne.
Cztery ostatnie czynniki, mające wpływ na wilgotność powietrza kopalnianego, są niezależne od woli człowieka, lecz wyłącznie od lokalnych warunków klimatycznych i geologicznych.. Na pozostałe czynniki można w mniejszy lub większym zakresie oddziaływać zwiększając lub zmniejszając tym samym stopień nawilżenia powietrza.
3.1 Wpływ wilgotności i temperatury powietrza atmosferycznego na wilgotność powietrza kopalni
Wilgotność bezwzględna powietrza atmosferycznego jest zmienna w czasie, zawsze większa w lecie niż w zimie. W okresie zimowym obserwuj się w kopalniach zawsze zmniejszenie zawartości pary wodnej w powietrzu, Wahania temperatury i wilgotności powietrza wpływają na kształtowanie się warunków klimatycznych w kopalni. Dla przykładu przytacza się dane dotyczące warunków klimatycznych dla zagłębi: Górnośląskiego, Campine w Belgii i Zagłębia Westfalii w Niemczech (tab. 1).
Lp.
Nazwa zagłębia
Ciśnienie
Średnia razem
Wilgotność względna powietrza
Temperatura powietrza
Entalpia właściwa powietrza
hPa
%
°C
kJ/kg
1
2
3
Górnośląskiego
Campine
Westfalii
979,0
1013,1
1012,7
78
83,5
71,1
7,8
9,4
10,05
22,7
25,84
26,3
Jak wynika z powyższej tabeli minimalna wartość średniej rocznej entalpii powietrza atmosferycznego jest notowana w Polsce (22,7 kJ/kg). Warunki klimatyczne są więc na terenie Zagłębia Górnośląskiego najkorzystniejsze, ponieważ powietrze świeże, wpływające do naszych kopalni, ma większą zdolność chłodzącą od powietrza doprowadzonego do kopalń Zagłębia Westfalii czy Campine. Najwyraźniej przytoczone poprzednio uwagi są uwidocznione na wykresach.
Rys. 3 Wykres wieloletnich średnich wilgotności względnych powietrza
Rys. 4 Wykres entalpii właściwej powietrza wilgotnego, oparty na średnich wieloletnich pomiarach temperatury wilgotności i ciśnienia.
Temperatur i wilgotność powietrza atmosferycznego w głównej mierze na proces parowania wody. Proces parowania wody znamionuje równocześnie wymiana ciepła i wilgoci. Zjawisko dyfuzji pary wodnej z powierzchni lustra wody do otaczającego powietrza opisuje zależność:
- gęstość strumienia pary wodnej, kg/m2s
- współczynnik przejmowania masy, m2
- stała gazowa pary wodnej, J/kgK
T- temperatura powietrza, K
p- ciśnienie pary wodnej w temperaturze wody, Pa
pw- ciśnienie pary wodnej w powietrzu,Pa
Natężenie parowania, przy niezmiennej temperaturze powierzchni i niezmiennej prędkości powietrza, zależy od temperatury i wilgotności powietrza wlotowego. Im mniejsze jest ciśnienie pary wodnej w powietrzu wlotowym, tym intensywniejsze jest parowanie. Z tego powodu w okresie zimowym następuje osuszenie wyrobisk na drogach świeżego powietrza. Natomiast w okresie letnim, ze względu na duże ciśnienie pary wodnej i wysoką temperaturę powietrza wlotowego, może dojść do wykraplania wody.
3.2 Wpływ głębokości kopalni na wilgotność powietrza
Powietrze płynące w wyrobiskach górniczych zmieniających wysokość niwelacyjną podlega różnym ciśnieniom atmosferycznym. Z kolei zmiana ciśnienia atmosferycznego wpływa bezpośrednio na gęstość powietrza oraz wilgotność właściwą. Gęstość powietrza wzrasta wraz ze wzrostem ciśnienia, a wilgotność maleje zgodnie z zależnością
pp- ciśnienie pary wodnej w powietrzu, Pa
p- ciśnienie atmosferyczne powietrza, Pa
Zdolność nawilżania powietrza maleje wraz z głębokością, w związku z czym entalpia właściwa powietrza także maleje. Wpływ głębokości wyrobisk na wartość entalpii właściwej przedstawia (rys. 4). Z rysunku poniżej wynika, że na głębokości 1600m zdolność chłodzenia powietrza spada przeszło dwukrotnie.
Rys.5 Wykres zależności entalpii właściwej zawartej w powietrzu wydechowym od głębokości kopalń przy stałych parametrach ts i tw
Wpływ głębokości położenia wyrobiska na przyrost wilgotności względnej Dj w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym, liczonej na 100 m długości wyrobiska, pokazano na (rys. 6).
Rys. 6 Wpływ głębokości zalegania wyrobiska na prz...
Jussy_S