referat - Pirga Tomasz.doc

      Warunki klimatyczne w wyrobiskach eksploatacyjnych głębokich kopalń zależą głównie od:

Ø     temperatury i wilgotności powietrza wlotowego,

Ø     głębokości zalegania i temperatury pierwotnej skał,

Ø     zawilgocenia skał i wyrobiska,

Ø     systemu eksploatacji i czasu przewietrzania,

Ø     wydatku i sposobu rozprowadzenia powietrza,

Ø     wymiarów wyrobiska,

Ø     własności fizycznych skał,

Ø     mocy i czasu pracy maszyn i urządzeń oraz od wydajności innych źródeł ciepła,                            

     Często spotyka się w kopalniach głębokich takie sytuacje, że warunki klimatyczne są trudne, mimo zastosowania wszystkich dostępnych środków technicznych dla ich poprawy. Stosowanie chłodzenia powietrza za pomocą maszyn jest opóźnione albo nie może być zastosowane (brak sprzętu).

Można wtedy starać się o to, by ludziom tam zatrudnionym ulżyć w wykonywanych przez nich czynnościach dzięki zmianie narzędzi pracy i organizacji pracy. Jest to z resztą generalna zasada postępowania słuszna dla każdego przypadku, w którym zachodzi konieczność wykonywania pracy w trudnych warunkach klimatycznych.

Wpływ przewietrzania na warunki klimatyczne:

   Do  niedawna przy podejmowaniu decyzji na temat rozcięcia kopalni przy jej projektowaniu podstawowe znaczenie miały kryteria geologiczne i eksploatacyjne (zasoby i ich jakość, budowa geologiczna złoża, w tym nachylenie pokładów, długość wyrobisk, transport urobku itd.). Przy projektowaniu głębokich kopalń w skałach o wysokiej temperaturze pierwotnej oraz przy rozbudowie i rekonstrukcji istniejących kopalń i otwieraniu nowych poziomów konieczne staje się uwzględnienie warunków klimatycznych. W warunkach głębokich kopalń węgla i rud najpoważniejszymi i najtrudniejszymi do zwalczania zagrożeniami są stale działające zagrożenia klimatyczne (wysoka temperatura i wilgotność powietrza), a także zagrożenia toksyczne gazami odstrzałowymi i spalinowymi. W kopalniach węgla występują także zagrożenia związane z możliwością wystąpienia wybuchów metanu i pyłu węglowego, nagłych wyrzutów skal i gazu lub  pożarów endogenicznych kopaliny użytecznej. W kopalniach występują  również zagrożenia związane z możliwością powstania pożarów materiałów lub urządzeń palnych.

   Wynika stad, że struktura sieci wentylacyjnej kopalni węgla kamiennego lub rudy powinna   być kształtowana z myślą o zwalczaniu  zagrożeń, jakie mogą wystąpić w powietrzu kopalnianym. Najskuteczniejszym środkiem zwalczania zagrożeń klimatycznych i toksycznych oraz związanych z możliwością wybuchu metanu jest intensywny przepływ  dużej ilości powietrza przez wyrobiska. Warunki klimatyczne mogą być kształtowane  przez stosowanie urządzeń chłodniczych. Jednak sztuczne schładzanie  powietrza jest niezmiernie kosztowne i technicznie skomplikowane. Mogą one mieć znaczenie w regulowaniu komfortu pracy w przodkach wyrobisk eksploatacyjnych, a także w drążonych ślepych wyrobiskach udostępniających i przygotowawczych. Struktura sieci wentylacyjnej powinna umożliwić doprowadzenie do wyrobisk eksploatacyjnych dużych ilości powietrza. Nie oznacza to, przez całą kopalnie musi przepływać stale taka sama ilość powietrza. W wielu  przypadkach zachodzi konieczność czynnego regulowania ilości powietrza, w zależności od tego, czy na danej zmianie prowadzi się w danym rejonie roboty wybierkowe czy tylko przygotowawcze i remontowe.

Poprawę komfortu pracy w wyrobiskach głębokich kopalń można uzyskać środkami wentylacyjnymi oraz przez podjęcie innych działań, które maja 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.

   Także w przypadku chłodzenia powietrza w wyrobiskach kopalnianych konieczne jest podejmowanie odpowiednich działań i środków, które zapewnią możliwie małe nagrzanie i nawilżenie powietrza i dzięki temu przyczynią się do niższych kosztów klimatyzacji.

   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.

Racjonalne sposoby 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 skal oraz ciepłem od procesów utleniania.

   Złoża kopalin zalegających na dużych głębokościach są eksploatowane przy  użyciu środków zapewniających duże wydobycie w poszczególnych przodkach. Jednocześnie pola nadania kopalń powinny być dostatecznie duże w celu zapewnienia odpowiednio długiego okresu istnienia kopalni. Z uwagi na wysokie koszty inwestycyjne dąży się do ograniczenia liczby szybów  udostępniających złoże. W związku z tym długości dróg powietrza mogą być znaczne i mogą charakteryzować się dużą  zmiennością długości w okresie wybierania poszczególnych partii złoża. Geometryczna struktura kopalnianej sieci wentylacyjnej obejmuje przestrzenne rozmieszczenie głównych wyrobisk udostępniających  (szyby i przekopy) oraz lokalizacje głównych wentylatorów w sieci.

  Poprawę warunków klimatycznych w wyrobiskach eksploatacyjnych i przygotowawczych można uzyskać przez zmianę kierunku przepływu powietrza z wznoszącego na schodzący (tzw. przewietrzanie homotropowe). Przewietrzanie prądem wznoszącym jest korzystniejsze z punktu widzenia stabilności ruchu powietrza i gazów podczas pożaru podziemnego. Okoliczność ta może mieć rozstrzygające znaczenie przy określaniu kierunku prądu powietrza. W tym drugim przypadku droga świeżego powietrza znajduje się na wyższym poziomie, a wiec w skalach o niższej temperaturze pierwotnej. W przypadku przewietrzania prądem schodzącym, prócz efektu niższej temperatury pierwotnej skał, urobek transportowany jest w wyrobiskach ze zużytym powietrzem. Na podstawie odpowiednich obliczeń prognostycznych opartych na bilansie cieplnym można porównać warunki klimatyczne panujące przy różnych kierunkach przepływu powietrza. Przy temperaturze powietrza wpływającego do grupowego prądu powietrza równej w różnych miesiącach roku od 8 do 22 oC, w zależności od wydatku przepływającego powietrza i długości drogi świeżego powietrza, temperatura w końcowym odcinku przekopu jest niższa o1-4 oC w przypadku przewietrzania homotropowego w porównaniu z przewietrzaniem prądem wznoszącym. Przy takiej samej temperaturze powietrza kopalnianego wpływającego z przekopu głównego do przekopu polowego o długości 500 m, przy wydatku powietrza 20 m3/s temperatura powietrza jest niższa o ok. 10 oC w przypadku przewietrzania homotropowego. W kopalniach eksploatujących nachylone pokłady. w zależności od kąta nachylenia wyrobiska, prędkości ruchu powietrza , długości drogi świeżego powietrza i głębokości robót temperatura powietrza na wlocie do wyrobiska eksploatacyjnego jest niższa o 1÷ 4 °C w przypadku wentylacji homotropowej w porównaniu z wentylacja wznoszącą.

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 schematu 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 do 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 nie znaczna. Większy wpływ na wartość temperatury 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.

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 temperatury. 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. Na wydatek powietrza przepływającego przez wyrobiska kopalni podziemnej mają wpływ nie tylko warunki klimatyczne, lecz także składniki gazowe, które należy rozcieńczyć do koncentracji nie stwarzających niebezpiecznych stanów. W górnictwie węglowym takim składnikiem zwykle jest metan, a w kopalniach rud metali toksyczne gazy wydzielane w maszynach napędzanych silnikami spalinowymi oraz gazy wydzielające się podczas urabiania skał za pomocą materiałów wybuchowych.

   W  przypadku eksploatacji na dużych głębokościach wpływ na klimat kopalni pod ziemia wywierają zasadniczo cztery źródła ciepła określone odpowiednio przez ciepło górotworu, ciepło pracujących maszyn i urządzeń elektrycznych, ciepło surowego urobku oraz ciepło sprężania.

Wymienione geotermiczne i ruchowe źródła ciepła odznaczają się zwiększonym wydzielaniem się ciepła w miarę zwiększania się głębokości i koncentracji wydobycia. Charakterystyczną cecha zagadnienia ogrzewania się powietrza w przypadku eksploatacji na dużych głębokościach jest to, ze praktycznie biorąc nie można wywierać żadnego na ciepło górotworu i ciepło sprężania.

Również oddawanie ciepła przez maszyny i urządzenia elektryczne oraz surowy urobek można by jedynie zmniejszyć przez zastosowanie sposobów urabiania i transportu zużywających mniejsze ilości energii.

Przesłankę skutecznej klimatyzacji przodków eksploatacyjnych stanowi odpowiednie zwiększenie prądów powietrza. Jednakże przekrój poprzeczny ściany oraz maksymalnie dopuszczalna prędkość powietrza wyznaczają często granicę dla strumienia powietrza w ścianie. Jak wykazały przeprowadzone obliczenia w odniesieniu do temperatury górotworu wynoszącej  od 55 do 65 °C już w przypadku wydobycia netto ze ściany , wynoszącego 1500 t/d, i zwiększonego ponad wartość przeciętną prądu powietrza, wynoszącego 27m3/s , nie można utrzymać dopuszczalnej temperatury efektywnej  w ścianie i chodniku wylotowym bez zastosowania chłodzenia powietrza. Z tego względu w przypadku eksploatacji na dużych głębokościach zachodzi konieczność klimatyzacji za pomocą maszyn chłodniczych. 

(a)  w kopalniach, które prowadzą roboty górnicze w górotworze o temperaturze pierwotnej masywu skalnego nie przekraczającej 30°C można zapewnić prawidłowe warunki klimatyczne w wyrobiskach przygotowawczych i udostępniających stosując intensywną wentylację,

(b) w kopalniach, które prowadzą roboty górnicze w górotworze o temperaturze

pierwotnej masywu skalnego zawierającego się w granicach od 30oC do 35oC może występować zagrożenie temperaturowe w drążonych wyrobiskach korytarzowych i eksploatacyjnych, które można likwidować przez:

·        stosowanie krótkich wybiegów drążonych wyrobisk,

·        stosowanie odpowiednio intensywnej wentylacji,

·        eliminowanie źródeł ciepła z drogi powietrza świeżego,

(c)  w kopalniach, które prowadzą roboty górnicze w górotworze o temperaturze

     pierwotnej masywu skalnego zawierającego się w granicach od 35oC do 40oC

     występować będzie zagrożenie temperaturowe tak w drążonych  wyrobiskach

     korytarzowych, jak i eksploatacyjnych.

     W drążonych wyrobiskach korytarzowych o małych wybiegach można

     uzyskać prawidłowe warunki klimatyczne:

·        intensywną wentylacją

·        stosując w lutniociągach strumienie wodno-powietrzne

·        stosując zamiast wentylatorów lutniowych wentylatory pneumatyczne

     W wyrobiskach o długich wybiegach daleko zlokalizowanych od szybów

     wdechowych dla zapewnienia prawidłowych warunków klimatycznych

     konieczne będzie stosowanie urządzeń chłodniczych.

     W wyrobiskach eksploatacyjnych prawidłowe warunki klimatyczne można

     będzie uzyskać jeżeli stosowane będą następujące środki:

·        intensywna wentylacja,

·        eliminowanie dróg powietrza świeżego wszelkich źródeł ciepła ( odstawy i innych urządzeń elektro – mechanicznych ),

(d) w kopalniach, które prowadzą roboty górnicze w górotworze o temperaturze pierwotnej masywu skalnego większej od 40oC występować będzie duże zagrożenie temperaturowe w drążonych wyrobiskach korytarzowych i eksploatacyjnych, a w szczególności w tych wyrobiskach, które zlokalizowane będą daleko od szybów wdechowych.

Dla zapewnienia prawidłowych warunków klimatycznych w tych wyrobiskach konieczne będzie stosowanie urządzeń chłodniczych.

    Poprawa warunków klimatycznych w kopalniach może być osiągnięta również przez:

- zmianę wentylacji prądem wznoszącym na wentylację prądem schodzącym.

- skrócenie dróg przepływu powietrza świeżego połączone z usunięciem z nich transportu urobku. W polskim górnictwie węglowym, zgodnie z obowiązującymi przepisami. stosuje się przewietrzanie prądem wznoszącym za pomocą wentylatorów działających ssąco, umieszczonych w szybach wydechowych. Świeże  powietrze sprowadzane jest szybem wdechowym do najniższego poziomu kopalni, a następnie doprowadzane wyrobiskami wykonanymi w pokładach - do przodków. Transport urobku odbywa się prawie zawsze drogami, którymi płynie powietrze świeże. Kierowanie potoku urobku przeciw prądowi powietrza powoduje zwiększenie zapylenia wyrobisk oraz ogranicza  możliwość zwiększenia prędkości przepływu powietrza. Na drogach przepływu świeżego powietrza zainstalowanych jest około 90 % wszystkich urządzeń elektrycznych i mechanicznych, które wpływają bardzo poważnie na ogrzewanie strumienia powietrza. Rezultatem wspomnianych czynników, mających wpływ na podwyższenie temperatury powietrza w kopalni, jest nadmierne jego ogrzanie na drogach dolotowych. Ponieważ jednak polskie kopalnie są stosunkowo płytkie,  podwyższenie temperatury powietrza wdechowego nie jest tak duże, by uniemożliwiało bądź utrudniało pracę w przodkach. Jeżeli  takie zjawisko występuje, jest to przeważnie rezultatem błędnego rozprowadzenia powietrza w kopalni. Inaczej jednak przedstawiać się będzie zagadnienie, gdy kopalnie prowadzić będą eksploatację na głębokich poziomach. Wtedy okazać się może, że utrzymanie temperatury w przodkach poniżej 28 °C będzie niemożliwe z powodu zbyt wielkiego nagrzania się powietrza na drogach dolotowych.

  W krajach, w których problem klimatyzacji głębokich kopalń jest zagadnieniem aktualnym, proponuje się w celu poprawienia warunków wentylacyjnych zmianę sposobu przewietrzania kopalń przez przejście z wentylacji prądem wznoszącym na wentylację prądem schodzącym. Takie rozwiązanie problemu umożliwi wyeliminowanie z dróg przepływu świeżego powietrza  większości czynników mających wpływ na podwyższenie się jego temperatury.

      Na podstawie licznych doświadczeń i rozważań teoretycznych ustalono przesłanki przemawiające za zmianą sposobu wentylacji jako czynnika poprawiającego warunki klimatyczne. I tak:

1.          Temperatura skał na  płytszych poziomach, przez które sprowadzałoby się powietrze , jest zawsze niższa od temperatury skał na poziomach głębszych. Na przykład przy różnicy poziomów 150 m i stopniu geotermicznym w granicach od 25 do 30 m, różnica w temperaturze skał wyniesie od 5 do 6°C. Ponadto poziomy płytsze jako starsze, są już znacznie wychłodzone i prawie zawsze suche, toteż oddadzą mniej ciepła strumieniowi powietrza.

2.          Ciepło oddane powietrzu z urobku odprowadzone zostanie przy wentylacji prądem schodzącym do szybu wydechowego; nie będzie zatem wpływać na stosunki klimatyczne w przodkach.

3.          Ciepło oddane  przy przemianach energii w maszynach wpłynie na podniesienie temperatury powietrza  wydechowego.

4.          Ilość  ciepła otrzymywanego przy procesach utleniania na drogach przepływu świeżego powietrza będzie niewielka wobec braku zapylenia tych dróg oraz silnego zwietrzenia skał

      (ociosów) wyrobisk istniejących w złożu.

5.          Do przodków doprowadzane jest powietrze niezapylone.

6.          Istnieje możliwość zwiększenia prędkości powietrza w świeżych prądach powietrza.

    Przeprowadzone w praktyce doświadczenia potwierdzają w zasadzie skuteczność stosowania wentylacji prądem schodzącym dla poprawy warunków klimatycznych.

  Poprawę  warunków klimatycznych w kopalniach osiąga się też często dzięki skróceniu dróg przepływu powietrza świeżego, co jest jednak połączone zwykle z dużymi nakładami inwestycyjnymi.

   Poważny  wpływ na poprawę warunków klimatycznych w kopalniach ma skierowanie urobku drogami wentylacyjnymi lub specjalnie do tego celu wykonanymi chodnikami i pochylniami.

  Obowiązujące  przepisy w zasadzie zabraniają jednak odstawy urobku drogami wentylacyjnymi  ale  należy się liczyć ze zmianą tych przepisów. W projektach eksploatacyjnych należy więc przewidywać odstawę urobku drogami wentylacyjnymi lub  specjalnymi drogami przewozowymi , doprowadzając tym samym powietrze świeże wprost do przodków.

   Takie rozwiązanie transportu urobku eliminuje jednocześnie trzy źródła podwyższenia temperatur powietrza w kopalni w a mianowicie:

-    ciepło wytwarzane przy pracy maszyn,

-              ciepło wytwarzane przy procesach utleniania

-              ciepło oddawane powietrzu przez urobek

  Niezależnie od efektów cieplnych , rozwiązanie takie pozwoli na zwiększenie prędkości powietrza na drogach przepływu świeżego powietrza oraz zmniejszy zapylenie na drogach przewozowych przez uzgodnienie kierunku przepływu strugi wydobycia z kierunkiem przepływu powietrza. Stopień zagrożenia pożarowego , ze względu na skierowanie dymów wprost na szyb wydechowy z pominięciem przodków, również ulega zmniejszeniu.

   Podano trzy przykłady (rys. II.8) rozcięcia pola górniczego , które spełniają podane tu warunki. Projekt odstawy (rys.II.8.b) wymaga mniej robót przygotowawczych od podanego na rysunku II.8.a oraz powoduje zwiększenie prędkości przepływu powietrza na odcinku chodnika przewozowego do chodnika taśmowego, co w konsekwencji zmniejsza ogrzanie się powietrza na tej drodze.

     Wadą sposobu podanego na rys. II.8.b jest konieczność budowy i następnie utrzymanie pomostów nad pochylnią  taśmową. Transport materiałów w obu podanych przykładach można prowadzić, zależnie od warunków lokalnych, chodnikami wentylacyjnymi równolegle  z drogami odstawy urobku  albo chodnikami podścianowymi.

    W przypadku prowadzenia eksploatacji do pola i przy założeniu, że ze względu  na niemożność utrzymania drogi transportu w chodniku wentylacyjnym, utrzymywanym obustronnie w zawale, proponuje się powrót do rozcinania pola dwoma równoległymi chodnikami, jak to podano na rys. II.8.c . System eksploatacji do pola jest niekorzystny  z punktu widzenia  wentylacyjnego , niemniej jednak (ze względów techniczno-górniczych) musi być często stosowany. Wydaje się , że przy rozcięciu pola sposobem przedstawionym na rys.II.8.c. powinna nastąpić poprawa warunków klimatycznych w ścianach prowadzonych do pola.

Wadą przedstawionego sposobu jest:

...