Projektowanie wentylacji lutniowej przy drążeniu
chodników kombajnem w kopalniach rud miedzi
Dariusz Obracaj
Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii, Kraków, e-mail: Dariusz Obracaj, obracaj@agh.edu.pl
Streszczenie
W artykule przedstawiono zasady projektowania wentylacji lutniowej w kopalniach rud miedzi. Omówiono zasady obliczania wymaganego strumienia powietrza w wyrobiskach przewietrza-nych za pomocą lutniociągów w kopalniach rud miedzi. Przedstawiono sposób wyznaczenia wydajności i spiętrzenia wentylatora lutniowego współpracującego z lutniociągiem nieszczel-nym. Przedstawiono przykład projektowy wentylacji lutniowej z wykorzystaniem programu komputerowego AGHWEN 4.0.
Słowa kluczowe: wentylacja kopalń, wentylacja odrębna, oprogramowanie
Auxiliary ventilation design during driven of headings
by roadheader in copper ore mines
Abstract
The principles of design of auxiliary ventilation in copper ore mines are discussed. The principles of calculating the required airflow in dead-end headings in copper ore mines were presented. The method of determining the air quantity and total pressure of duct fan cooperating with a leaky ducting was presented. An example of auxiliary ventilation design using the AGHWEN 4.0 software was presented.
Key words: mine ventilation, auxiliary ventilation, software
Wstęp
Podczas projektowania wentylacji odrębnej oblicza się wymagany strumień objęto-ściowy powietrza doprowadzanego do przodka drążonego wyrobiska oraz dobiera i określa rodzaj i sposób zabudowy lutni, wentylatorów lutniowych oraz pozostałych elementów wentylacji lutniowej. W kopalniach podziemnych wykorzystuje się syste-my wentylacji ssącej, tłoczącej lub kombinowanej [3, 6, 10, 12]. W warunkach pol-skich kopalń rud miedzi najczęściej wykorzystuje się wentylację tłoczącą, ale zdarza-ją się również przypadki zastosowania wentylacji ssącej.
Projektowanie wentylacji odrębnej sprowadza się do obliczenia wymaganej ilości powietrza w przodku wyrobiska dla jego maksymalnego wybiegu i obliczeniu wy-maganej wydajności oraz sprężu wentylatora lutniowego przy uwzględnieniu lut-niociągu nieszczelnego [2, 3, 4]. W kopalniach rud miedzi niezbędne jest uwzględ-nienie wymaganego strumienia powietrza przede wszystkim z uwagi na
rozrze-dzenie gazów szkodliwych wydzielanych z maszyn samojezdnych [1, 7, 12, 13]. Przy drążeniu wyrobisk za pomocą kombajnu istotnego znaczenia nabiera również dobór parametrów wentylacji lutniowej w aspekcie konieczności odpylania powie-trza.
Strumień powietrza, który należy doprowadzić do przodka, powinien w zasadzie zapewnić załodze wymagany komfort pracy uzależniony od składu chemicznego, temperatury, wilgotności i prędkości przepływu powietrza. W praktyce chodzi o roz-rzedzenie do wartości dopuszczalnych gazów, tworzących się podczas drążenia wyrobiska podziemnego (bądź też wydzielających się z górotworu), oraz ich usunię-cie w żądanym czasie. Strumień powietrza w przodku wyrobiska powinien również zapewniać skuteczne odpylanie. Z uwagi na coraz większą głębokość prowadzenia robót górniczych znaczenia nabiera również prognoza warunków klimatycznych w wyrobisku oraz dobór urządzeń chłodniczych.
1. Określenie wymaganego strumienia powietrza w przodku wyrobiska ślepego
Strumień powietrza, który należy dostarczyć do przodka wyrobiska ślepego, musi zapewniać:
minimalną, dopuszczalną przepisami górniczymi prędkość przepływu powie-trza w przekroju poprzecznym wyrobiska;
dopuszczalne stężenie gazów w wyrobisku, które wydzielają się z górotwo-ru;
rozrzedzenie gazów odstrzałowych przy drążeniu wyrobiska za pomocą ma-teriałów wybuchowych,
rozrzedzenie gazów spalinowych przy stosowaniu Samojezdnych Ciężkich Maszyn Górniczych (SCMG).
Przy projektowaniu wentylacji lutniowej przyjmuje się największą wartość stru-mienia powietrza, wynikającą z podanych powyżej kryteriów. Strumień powietrza musi również zapewniać takie warunki pracy w przodku wyrobiska ślepego, aby oprócz składu gazów również temperatura i wilgotność powietrza spełniały wymaga-ne warunki mikroklimatu, oznaczawymaga-ne za pomocą wskaźnika temperatury zastępczej klimatu.
Wymagany strumień powietrza Qmin, z uwagi na minimalną prędkość przepływu,
jest iloczynem tej prędkości i przekroju poprzecznego wyrobiska. Zalecane jest przyjmowanie współczynnika korekcyjnego na poziomie 1,5 [1] dla robót przygoto-wawczych. Dla pozostałych kryteriów zasady obliczeń strumienia powietrza w drą-żonych wyrobiskach ślepych w warunkach kopalń rud miedzi zostały przedstawione w dalszej części artykułu.
1.1. Wymagany strumień powietrza dla rozrzedzenia gazów wydzielających się z górotworu
Wymagany strumień powietrza doprowadzanego do przodka z uwagi na prognozo-waną ilość wydzielającego się gazu z górotworu QG (m
3
/s) obliczany jest według następującej zależności:
K
C
C
C
K
q
Q
G G 0 max max100
(1) gdzie:qG – strumień objętości gazów wydzielających się z górotworu do wyrobiska,
m3/s;
Cmax – dopuszczalne stężenie gazu w powietrzu kopalnianym, %;
C0 – stężenie gazu w prądzie opływowym powietrza, %;
K – współczynnik uwzględniający szczytowe wydzielanie gazu, najczęściej przyjmowany jest K=1,5.
Jeżeli znana jest prognoza wydzielania lub emanacji gazów szkodliwych z góro-tworu należy zsumować wymagany strumień powietrza dla każdego z określanych gazów.
1.2. Wymagany strumień powietrza dla rozrzedzenia gazów odstrzałowych przy robotach górniczych z wykorzystaniem MW
W literaturze fachowej, szereg autorów podaje wzory na obliczenie koniecznego strumienia powietrza dla przewietrzania ślepego wyrobiska ze względu na zużycie MW [1, 4, 5]. We wzorach tych występuje wielkość ładunku odpalanego jednorazo-wo oraz współczynniki przeliczeniowe, określające strumień wydzielających się ga-zów odstrzałowych w zależności od rodzaju MW.
Strumień powietrza QMW (m
3
/s) konieczny dla przewietrzania ślepego wyrobiska ze względu na stosowanie MW (gazy odstrzałowe) oblicza się ze wzoru:
– dla wentylacji tłoczącej:
F
L
m
k
t
F
Q
zaw MW l przew MW 2 2 maxln
3
1
exp
13
,
0
(2) lub 3 2 2 max13
,
0
F
L
m
k
t
F
Q
zaw MW l przew MW
(3) gdzie: F – przekrój wyrobiska, m2;tprzew – czas przewietrzania po robotach strzelniczych, min;
kzaw – współczynnik zawilgocenia wyrobiska:
kzaw=0,8 – skały suche;
kzaw=0,6 – skały mokre;
kzaw=0,3 – skały wodonośne;
mMWmax – maksymalny ładunek MW zużyty jednorazowo do odstrzału
urob-ku w przodurob-ku, kg;
L – długość wyrobiska, m;
i – względny współczynnik strat powietrza w lutniociągu (przyjmuje
W długim wyrobisku ślepym w pewnej krytycznej odległości od czoła przodka na-stępuje zmniejszenie się stężenia gazów postrzałowych w powietrzu płynącym tym wyrobiskiem do granic obowiązujących przepisami. Tę odległość przyjęto nazywać odległością graniczną Lgr [4, 5].
Jeżeli L < Lgr, co w przypadku robót przygotowawczych w kopalniach rud miedzi
często jest spełnione, to we wzorach (2) i (3) zakłada się odległość graniczną, obli-czaną wg wzoru: dop CO gs MW dyf gr
C
F
k
m
k
L
100
max (4) gdzie:kgs – wskaźnik ilości gazów odstrzałowych w przeliczeniu na tlenek węgla,
przyjmowany może być w zależności od zwięzłości skał w zakresie od 0,04 do 0,065 m3/kg [5];
CCOdop – dopuszczalne stężenie chwilowe CO, %, zazwyczaj przyjmuje się wartość
NDSCh tlenku węgla;
pozostałe oznaczenia jak we wzorze (3) – dla wentylacji ssącej:
od MW przew MW
L
F
m
t
Q
0
,
3
max (5)gdzie Lod – długość strefy odrzutu gazów po odstrzale ładunku MW (Lod=mMWmax+15),
pozostałe oznaczenia jak we wzorze (3).
1.3. Wymagany strumień powietrza z uwagi na stosowanie maszyn z silnikiem spalinowym
W górnictwie światowym szczególną uwagę poświęca się spalinom z silników Diesla i sposobom wentylacyjnego rozrzedzania składników spalin do wartości dopuszczal-nych w powietrzu kopalnianym. W spalinach wyróżnia się składniki gazowe, parę wodną i cząstki stałe (DPM). Silniki wydzielają również ciepło do powietrza wentyla-cyjnego.
Wymagany strumień powietrza z uwagi na konieczność rozrzedzenia gazów spa-linowych zależny jest od strumienia gazów spaspa-linowych i zawartości poszczególnych składników w tych spalinach. Z uwagi na szkodliwość składników spalin sumuje się wymagany strumień powietrza dla poszczególnych składników. Dodatkowo przy emisji substancji szkodliwych do powietrza uwzględnia się współczynnik bezpie-czeństwa, związany z nierównomiernością wydzielania, efektywnością rozrzedzania spalin, czy szkodliwością substancji. W górnictwie podziemnym ogólną zależność na rozrzedzenie składników spalinowych przedstawia się w następującej postaci:
n i iMAC i D s DC
C
q
k
Q
1 (6)ks – współczynnik nierównomierności wydzielania, przyjmuje się najczęściej
ks=1,5;
qD – strumień objętości spalin wydzielanych z rury wydechowej maszyny, m3/s;
przeliczone w zależności od prędkości obrotowej silnika, ppm;
CiMAC – dopuszczalne wartości stężenia i-tego składnika gazów toksycznych
w powietrzu kopalnianym, ppm.
W USA i Kanadzie stosuje się wskaźnik zapotrzebowania powietrza jako sumę stężeń gazów i cząstek stałych w odniesieniu do maksymalnych, dopuszczalnych stężeń poszczególnych wskaźników, który wyrazić można wzorem:
2
DPM
3
NO
2
,
1
2
DPM
3
SO
5
,
1
2
DPM
5
,
2
NO
50
CO
2 2EQI
(7)W liczniku występują stężenia gazów toksycznych i części stałych (DPM) w spali-nach, a w mianownikach dopuszczalne stężenia tych gazów, które zależą od przepi-sów obowiązujących w danym kraju. Stężenia gazów podawane są w jednostkach udziału milionowej części składnika w mieszaninie gazowej.
Wydzielanie gazów spalinowych sprawdza się przy różnym stopniu obciążenia silnika [7]. Odpowiedni przepływ powietrza dla wyrobiska to taki, który zmniejszyłby wartość EQI do wartości „3”, w celu ustalenia dopuszczalnego poziomu wentylacji:
3
EQI
q
Q
D
D (8)Istotą wyznaczania wymaganego strumienia powietrza dla rozrzedzenia spalin są stężenia składników toksycznych w spalinach, przeliczone w zależności od prędko-ści obrotowej silnika. Jeżeli pomiary wydzielania gazów spalinowych nie uwzględnia-ją różnych wartości obciążenia silnika, to wartości wymaganego strumienia objętości powietrza są zwykle zwiększane wskaźnikiem obciążenia maszyny, a więc nierów-nomiernością wydzielania. Końcowa wartość wymaganego strumienia powietrza odpowiada wartości największej przy określonym stopniu obciążenia silnika.
Wymagania odnośnie do składników spalin z silników wysokoprężnych zmieniają się bardzo szybko, w celu eliminacji ich szkodliwości. Istotą jest zmniejszanie emisji cząstek stałych (DPM), węglowodorów i tlenków azotu (NOx). Osiąga się to poprzez stosowanie katalizatorów w maszynach z silnikami Diesla. W Unii Europejskiej i w USA obowiązują normy oznaczone odpowiednio jako EU Stage IV i Teir 4 dla spalin z silników Diesla. Silniki według tych standardów osiągają równowagę pomię-dzy zmniejszeniem emisji DPM i NOx. Nie mniej jednak, jak wykazują badania, po-jawiają się skutki uboczne poprzez zwiększone utlenianie NO do NO2 [7]. Dlatego w USA obniżono wartość najwyższego dopuszczalnego stężenia NO2 z 3 ppm do 0,2 ppm. W Unii Europejskiej w latach 2019-2020 wejdą przepisy o stosowaniu silni-ków EU STAGE V, w których dopuszczalne stężenia składnisilni-ków spalin będą jeszcze bardziej zredukowane.
W przypadku wyrobisk ślepych z wentylacją odrębną znaczenie ma również licz-ba i czas przebywania maszyn w wyrobisku. Wymagany strumień objętościowy po-wietrza dla pojedynczej maszyny z silnikiem spalinowym QD w takim przypadku
obli-czany jest z zależności:
n i iMAC iopł i s DC
C
C
vt
L
q
Q
12
1
(9)gdzie:
qs – strumień gazów spalinowych emitowanych do powietrza kopalnianego
przez jedną maszynę, m3/s;
L – maksymalna długość wyrobiska ślepego, m;
v – prędkość jazdy maszyny, m/s;
t – czas przebywania maszyny w wyrobisku, s;
Ciopł – dopuszczalne wartości stężenia i-tego składnika gazów toksycznych
w powietrzu kopalnianym, ppm.
Pozostałe obliczenia jak w poprzednich wzorach.
Obliczanie wymaganego strumienia powietrza z uwagi na mierzoną wartość strumienia objętości spalin wydzielających się z rury wydechowej maszyny z silni-kiem Diesla dla różnych stanów jej obciążenia jest uciążliwe. Dlatego w przypadku bardziej ogólnych obliczeń lub kiedy nie ma możliwości zastosowania urządzeń po-miarowych emisji spalin wykorzystuje się uśredniony wskaźnik ilości powietrza w odniesieniu do mocy silnika spalinowego. Wymagany strumień powietrza w zależ-ności od średniej mocy silników w różnych krajach podano w tabeli 1.
Tabela 1. Wymagany strumień powietrza dla rozrzedzenia spalin z silników spalinowych w górnictwie podziemnym innych krajów
*– Mine Safety and Health Administration (MSHA)
W USA (MSHA) zaleca się dla silników ze standardem EPA Tier IV, aby wyma-gany strumień powietrza potrzebny do rozcieńczania zanieczyszczeń gazowych mieścił się w zakresie 0,022-0,028 m3/s (średnio 0,025 m3/s) na 1 kW mocy maszy-ny oraz 0,009-0,011 m3/s (średnio 0,01 m3/s) na 1 kW dla rozrzedzenia części sta-łych (DPM). Wartości te zawierają 10-proc. współczynnik bezpieczeństwa powyżej średniej wartości, zmierzonej dla silników spełniających warunki Tier IV.
Kraj Wymagany strumień
powietrza Komentarz
Australia – Nowa Południowa Walia
0,06 m3/s na 1 kW maksy-malnej mocy, ale nie mniej niż 3,5 m3/s
w powietrzu dopływającym do maszyny
Australia Zachodnia (Qeensland)
0,05 m3/s na 1 kW, ale nie
mniej niż 2,5m3/s jeśli NOx<1000 ppm 0,06 m3/s na 1 kW, ale nie
mniej niż 2,5m3/s jeśli NOx>1000 ppm lub CO>1500 ppm Canada 0,045-0,092 m3/s na 1 kW
w zależności od prowincji, ale najczęściej nie dopuszcza się mniejszych wartości niż 0,06 m3/s dla 1 KW Chile 0,063 m3/s na 1 kW według 2,83 m 3 /s na 1 koń mechaniczny efektywnej mocy Chiny 0,067 m3/s na 1 kW –
RPA 0,063 m3/s na 1 kW wypracowane na podstawie „najlepszych praktyk”
Oprócz emisji składników gazowych i cząstek stałych, w USA zwraca się również uwagę na emisję ciepła do powietrza kopalnianego. Zaleca się przyjmować strumień powietrza z uwagi na asymilację ciepła od maszyn z silnikami spalinowymi dla śred-nich warunków obciążenia silników i również średśred-nich warunków środowiskowych (temperatury i wilgotności powietrza) na poziomie 0,075 m3/s na 1 kW mocy silnika [8].
W wielu krajach, oprócz wyznaczania wymaganego strumienia powietrza dla roz-rzedzenia składników gazowych cząstek stałych w spalinach, wyznacza sie również wymagany strumień dla odprowadzenia ciepła pochodzącego od silników. Dla nowo projektowanych wyrobisk lub pól eksploatacyjnych przyjmuje się zazwyczaj strumień powietrza w ilości 0,1 m3/s na 1 kW mocy silnika dla rozrzedzenia zarówno gazów i cząstek stałych, jak i odprowadzenia ciepła.
W kopalniach LGOM-u na szeroką skalę wykorzystuje się maszyny samojezdne z napędem Diesla i stosuje się głównie wskaźnik ilości powietrza w zależności od mocy maszyny samojezdnej. Wskaźnik ilości powietrza przyjmuje się najczęściej 0,083 m3/s na 1 KM mocy silnika, tj. około 0,11 m3/s na 1 KW. Niezbędną ilość po-wietrza QSCMG ze względu na moc i liczbę samojezdnych, ciężkich maszyn
górni-czych (SCMG) oblicza się wg zależności:
SCMG cp SCMG pow SCMG SCMG
M
k
w
Q
, m3/s (10) gdzie: MSCMG – moc pracujących SCMG, KM;kpowSCMG – wskaźnik ilości powietrza dla SCMG, (m
3
/s)/(KM);
wcpSCMG – współczynnik czasu pracy SCMG zależny od harmonogramu pracy ma
szyn w wyrobisku.
1.4. Wymagany strumień powietrza względu na wielkość wydobycia rudy
Zapotrzebowanie powietrza w oddziale, w którym pracuje większa liczba maszyn urabiających i odstawczych z silnikami Diesla, może być określane za pomocą prze-licznika wymaganego strumienia powietrza do rozrzedzania gazów i cząstek stałych odniesionego do wartości wydobycia rudy.
K.C. Wallace [13] podaje wskaźniki ilości powietrza występujące w kopalniach rud w USA, które mieszczą się w zakresie 0,3-22 tony powietrza na tonę rudy, czyli od 0,165 m3/min do 12,5 m3/min na 1 tonę wydobycia dobowego w zależności od rodzaju kopalni, struktury sieci wentylacyjnej, liczby maszyn spalinowych itp.
W polskich kopalniach rud miedzi zapotrzebowanie ilości powietrza w oddziałach wydobywczych określane jest również poprzez wskaźnik ilości powietrza (strumienia objętości), w zależności od wielości wydobycia. Niezbędną ilość powietrza ze wzglę-du na wielkość wydobycia rudy oblicza się wg zależności:
w d w
W
k
Q
(11) gdzie: Wd – wydobycie dobowe, t/d;kw – branżowy wskaźnik ilości powietrza ze względu na wielkość wydobycia
Wydobycie dobowe można określić wg zależności: sr obj sr sr d
F
z
c
W
, (12) gdzie:F – przekrój poprzeczny wyrobiska, m2;
zsr – średni zabiór jednego cyklu urabiania, m;
csr – średnia liczba cykli na dobę, cykl/dobę;
obj sr – średni ciężar objętościowy urobku, t/m
3 .
Wskaźnik zapotrzebowania powietrza z uwagi na wielkość wydobycia jest jednak wskaźnikiem orientacyjnym i dla wyrobisk ślepych może być odmienny niż dla wyro-bisk z wentylacja opływową. W polskich kopalniach rud miedzi może on być przyj-mowany z zakresu 2,5-7,5 m3/min na jedną tonę dobowego wydobycia rudy dla od-działu przygotowawczego [1]. Dla pojedynczego wyrobiska ślepego powinien jednak być określany według emisji spalin lub wskaźnika mocy maszyny samojezdnej.
1.5. Strumień powietrza z uwagi na wymagania urządzenia odpylającego
W przypadku drążenia wyrobisk za pomocą kombajnów wymagane jest odpylanie powietrza. W razie realizacji wentylacji tłoczącej konieczne jest stosowanie urządzeń odpylających w strefie przyprzodkowej, z zachowaniem kierunku przepływu powie-trza w strefie zazębiania w stronę wlotu wyrobiska. W strefie tej strumień powiepowie-trza powinien zapewniać co najmniej wymaganą, minimalną prędkość przepływu w prze-kroju poprzecznym wyrobiska. Strumień powietrza doprowadzanego do przodka (QOD) musi być większy od wydajności instalacji odpylającej o co najmniej 20%
w celu niedopuszczenia do recyrkulacji powietrza.
Dla wentylacji ssącej urządzenie odpylające zabudowywane jest w opływowym prądzie powietrza. W zależności od sposobu współpracy urządzenia odpylającego z lutniociągiem zasadniczym (zabudowa odpylacza przed lub za wentylatorem za-sadniczym z klapą napowietrzającą) wydajność urządzenia odpylającego może być taka sama lub większa niż wydajność wentylatora zasadniczego.
1.6. Ustalenie wymaganego strumienia powietrza w przodku wyrobisk ślepego
Dla wyrobiska ślepego należy ustalić wymagany strumień objętości powietrza do-prowadzanego do strefy przodkowej. Strumień ten powinien być strumieniem mak-symalnym z poszczególnych wymaganych warunków obliczeniowych:
Q
Q
GQ
MwQ
DQ
SCMGQ
wQ
OD
Q
0
max
min,
,
,
,
,
,
(13)Wyznaczony strumień powietrza niezbędny do doprowadzenia do strefy przod-kowej wyrobiska musi być powiększony o wielkość strat powietrza w lutniociągu nieszczelnym.
Wyznaczenie wielkości ucieczek powietrza dla danego lutniociągu jest zasadni-czym celem projektowania wentylacji odrębnej [9, 10, 11]. Dobór parametrów
wenty-latora sprowadza się do obliczeń wymaganego spiętrzenia i jego wydajności, z uwzględnieniem tych ucieczek powietrza.
Znając wymagany strumień powietrza w przodku wyrobiska ślepego oraz ucieczki powietrza wzdłuż lutniociągu należy przeprowadzić prognozę temperatury i wilgot-ności powietrza w wyrobisku. W tym celu wykorzystać można metodę podaną w pracy [11].
2. Współpraca wentylatora lutniowego z lutniociągiem nieszczelnym
J. Pawiński podał metodę rozwiązywania lutniociągów nieszczelnych [3, 4]. Jest ona oparta na rozwiązaniu układu równań, opisujących przepływ powietrza w lutniociągu nieszczelnym, przy założeniu, że wielkość ucieczek powietrza jest wprost proporcjo-nalna do różnicy ciśnień statycznych w lutniociągu i wyrobisku [3, 4]. W oparciu o tę metodę można określić wymagane parametry zasadniczego wentylatora lutniowego. Dla wyznaczonych parametrów można dobrać charakterystykę rzeczywistego wenty-latora lutniowego.
Istotą projektowania wentylacji lutniowej jest analityczne wyznaczenie punktu pracy wentylatora lutniowego. Analizując charakterystyki wentylatorów lutniowych – zarówno o napędzie elektrycznym, jak i pneumatycznym – dochodzi się do wnio-sku, że zależność spiętrzenia wytworzonego przez dany wentylator od jego wydatku można opisać wielomianem drugiego stopnia. W celu określenia punktu pracy wen-tylatora lutniowego rozwiązuje się układ równań:
2 3 1 3 5 2 3 2 2 21
4
w n i mi mi w z wp
p
R
Q
k
r
Q
R
h
(14)c
bQ
aQ
h
w
w2
w
(15) gdzie:a, b, c – współczynniki wielomianu charakterystyki wentylatora,zależneodrodzaju i budowy wentylatora lutniowego;
Qw – wydajność wentylatora w punkcie pracy, m
3 /s;
hw – spiętrzenie wentylatora w punkcie pracy, Pa;
k – współczynnik nieszczelności lutniociągu, m3/(sN0,5);
p – bezwymiarowy współczynnik strat powietrza określony w pracy [3];
pmi – bezwymiarowy współczynnik strat powietrza na odcinku od wentylatora
do miejsca lokalizacji i-tego oporu miejscowego w lutniociągu [3];
r – opór jednostkowy lutniociągu, Ns2/m9;
Rz – opór zastępczy lutniociągu nieszczelnego Ns
2 /m8;
Rmi – opór miejscowy przepływu, Ns
2 /m8.
Równanie (14) przedstawia charakterystykę lutniociągu nieszczelnego, a równa-nie (15) stanowi równarówna-nie aproksymacyjne spiętrzenia wentylatora w funkcji jego wydatku. Rozwiązując układ równań, wyznacza się wydajność wentylatora Qw przy
określonym oporze zastępczym lutniociągu Rz.
Współczynnik nieszczelności k określany może być poprzez przyjęcie jakości uszczelnienia lutniociągu, zgodnie z PN-G-43024:1999. W obliczeniach oporu
za-stępczego lutniociągu uwzględnia się dodatkowe, miejscowe opory elementów insta-lacji lutniowej, takich jak: zasobniki lutniowe, lutnie wirowe, kolana, opór wlotu i wylo-tu lutniociągu, opór zmiany średnicy lutni. Dla wentylacji ssącej należy uwzględnić również opór przepływu powietrza przez urządzenie odpylające, jeżeli projektuje się jego usytuowanie przed zasadniczym wentylatorem ssącym.
Dobór właściwego typu wentylatora lutniowego dla warunków panujących w wy-robisku ślepym opiera się na wyznaczeniu wartości strumienia powietrza dopływają-cego do przodka wyrobiska Qo wg zależności (13). Obliczona wydajność wentylatora
według zależności (14-15) musi być równa lub większa od strumienia powietrza Qo.
Powyższe zasady doboru parametrów wentylacji odrębnej zostały uwzględnione w opracowanym programie komputerowym AGHWEN 4.0. W programie tym uwzględniono opory jednostkowe lutniociągów oraz dodatkowe opory przepływu powietrza przez urządzenia odpylające i chłodnice powietrza oraz dodatkowe ele-menty wentylacji lutniowej (kolana, trójniki, zasuwy itp.). Na podstawie danych pro-jektowych wyrobiska ślepego, parametrów górniczo-geologicznych złoża, program oblicza wymagany strumień powietrza w przodku wyrobiska oraz umożliwia w łatwy sposób dobór wentylatora lutniowego. W dalszej części przedstawiony zostanie tok postępowania przy projektowaniu wentylacji odrębnej na podstawie przykładu pro-jektowego wyrobiska w kopalni rud miedzi.
3. Przykład projektu wentylacji odrębnej w kopalni rud miedzi z wykorzystaniem programu AGHWEN 4.0
3.1. Parametry projektowe drążonego wyrobiska i założenia projektowe wentylacji lutniowej
Projektowanie wentylacji odrębnej rozpoczyna się od zdefiniowania podstawowych parametrów geometrycznych projektowanego wyrobiska ślepego (długość, szero-kość, przekrój porzeczny) oraz sposobu drążenia wyrobiska. Przykład dotyczy pro-jektowanej pochylni EW o długości 360 m. Rozpływ powietrza w istniejących wyrobi-skach i projektowaną pochylnię przedstawiono na rys. 1. Wyrobisko drążone będzie prostolinijnie przy pomocy kombajnu chodnikowego MH-620 z postępem 5 m/dobę. Ładowanie urobku w przodku odbywać się będzie za pomocą przenośnika zgrze-błowego na wóz odstawczy CB4-P24K. Głowica kombajnu podczas urabiania oraz załadunek na wóz odstawczy zraszane będą wodą.
Przekrój poprzeczny wyrobiska w obudowie kotwowej wynosi 20 m2, a jego sze-rokość 5 m. Strumień objętościowy powietrza w prądzie opływowym wynosi 2000 m3/min. Temperatura i wilgotność względna powietrza wynoszą odpowiednio 26oC i 76%.
Rys. 1. Lokalizacja pochylni EW na mapie wyrobisk górniczych
Górotwór, w którym drążona będzie pochylnia EW, jest górotworem suchym, czyli o średnim dopływie wody, nieprzekraczającym 3 dm3/min. Temperatura pierwotna skał w rejonie projektowanego wyrobiska wynosi 30,6oC. Strefa przyprzodkowa wy-robiska wyposażona będzie w urządzenia elektryczne o następującej mocy:
sumaryczna moc urządzeń elektrycznych kombajnu: 550 kW;
moc transformatora na wlocie wyrobiska: 1000 VA;
współczynnik obciążenia maszyn i urządzeń elektrycznych: 0,95. Dla projektowanej pochylni EW dobiera się następujące parametry instalacji lutnio-wej:
system wentylacji odrębnej: ssący;
rodzaj lutniociągu: elastyczny, zbrojony;
długość lutniociągu: 395 m;
odległość lutni od czoła przodka: do 3 m;
odpylacz stacjonarny: HBKO1/600-14.
Dla powyższych założeń przeprowadzono obliczenia wentylacji lutniowej dla lutni elastycznych o średnicy 800 mm i sprawdzono parametry pracy dobranego wentyla-tora lutniowego. Na rys. 2 przedstawiono schemat projektowanej wentylacji lutnio-wej. W przypadku braku zapewnienia właściwych warunków wentylacyjnych ko-nieczna jest zmiana parametrów instalacji lutniowej lub wentylatora lutniowego.
Rys. 2. Schemat wentylacji lutniowej dla pochylni EW
3.2. Wyniki obliczeń parametrów wentylacji lutniowej
Na rysunkach 3 i 4 przedstawiono wyniki obliczeń wymaganego, minimalnego stru-mienia powietrza w przodku wyrobiska.
Rys. 3. Okno obliczeń wymaganego strumienia powietrza z uwagi na stosowanie SCMG
Rys. 4. Okno danych wejściowych do obliczania strumienia powietrza z uwagi na wielkość wydobycia rudy
W programie komputerowym AGHWEN 4.0 obliczany jest opór zastępczy lutnio-ciągu dla wszystkich elementów instalacji. Na podstawie obliczonego oporu zastęp-czego dobiera się charakterystykę wentylatora z utworzonej bazy wentylatorów lut-niowych. Dla każdego wentylatora w bazie danych wyznaczone zostały współczyn-niki aproksymacyjne wielomianu opisującego jego charakterystykę spiętrzeniową, zgodnie z zależnością (15).
Program umożliwia również prognozowanie warunków mikroklimatu (tempera-tury, wilgotności właściwej powietrza) wzdłuż wyrobiska i pozwala na wyznaczenie wskaźnika temperatury zastępczej klimatu. W programie oprócz parametrów geome-trycznych wyrobiska należy określić sposób i postęp drążenia wyrobiska, stopień zawodnienia skał, temperaturę pierwotną górotworu, parametry otaczającego góro-tworu oraz moc urządzeń elektrycznych w wyrobisku. Prognozy oparte są na zna-nych i wykorzystywazna-nych w górnictwie metodach [11].
Wyniki obliczeń wymaganej ilości powietrza w programie AGHWEN 4.0 przed-stawiono na rys. 5. Niezbędna ilość powietrza w przodku pochylni EW wynosi 553 m3/min.
Rys. 5. Okno wyników obliczeń wymaganej ilości powietrza w przodku wyrobiska Z uwagi na długość projektowanego lutniociągu, wynoszącą 395 m, przyjęto współczynnik strat powietrza odpowiadający wskaźnikowi określonemu na poziomie
„bardzo dobrej szczelności lutniociągu”, tj. dla współczynnika nieszczelności
k = 1,6·10-5 m3/(sN0,5). Na rys. 6 przedstawiono okno doboru lutniociągu elastyczne-go do wentylacji ssącej, a na rys. 7 dobór odpylacza stacjonarneelastyczne-go HBKO1/600-14.
Rys. 6. Okno doboru lutniociągu w projekcie wentylacji lutniowej
Rys. 7. Okno doboru odpylacza stacjonarnego w projekcie wentylacji lutniowej Na rys. 8 przedstawiono okno doboru wentylatorów do projektowanej wentylacji lutniowej. Dla lutniociągu o średnicy 800 mm i odpylacza stacjonarnego HBKO1/600-14 dobrano dwa wentylatory typu KoRFMANN ESN-9/450 współpracujące szeregowo. Wyniki obliczeń dobranego wentylatora z projektowanym lutniociągiem przedstawia rys. 9.
Rys. 8. Okno doboru wentylatora lutniowego w projekcie wentylacji lutniowej
Rys. 9. Okno wyników obliczeń współpracy wentylatora z lutniociągiem
Dla docelowej długości pochylni EW obliczeniowy wydatek powietrza w przodku wynosi ok. 606 m3/min przy wydajności wentylatora na poziomie 621 m3/min.
Program AGHWEN 4.0 umożliwia szybkie przeliczenie współpracy różnych wen-tylatorów z lutniociągami. Dla analizowanej pochylni EW można uzyskać w przodku wyrobiska 940 m3/min powietrza przy pracy wentylatorów 2xKoRFMANN-ESN-9/450 z lutniociągiem metalowym o średnicy 1000 mm.
W celu określenia prognozy temperatury w projektowanym wyrobisku uwzględ-niono parametry powietrza w prądzie opływowym. Parametry te przedstawiono na rys. 10. Na rys. 11 przestawiono przyjęte parametry temperatury pierwotnej górotwo-ru i moc napędów elektrycznych w przodku.
Rys. 10. Okno danych wejściowych parametrów powietrza w opływie
Rys. 11. Okno danych wejściowych parametrów górotworu i urządzeń elektrycznych Wyniki obliczeń rozkładu temperatury według termometru suchego w sposób gra-ficzny przedstawiono na rys. 12. Wyniki obliczeń wykazują, że w przypadku tempe-ratury w opływowym prądzie powietrza na poziomie 25oC, temperatura w przodku wyrobiska wynosić będzie 28,7oC. Wskaźnik temperatury zastępczej tzk w przodku
wyrobiska to 25,6oC.
Program AGHWEN 4.0 umożliwia przedstawienie wyników projektu wentylacji lutniowej w formie raportu (rys. 13).
Rys. 12. Okno wyniki obliczeń rozkładu temperatury w wyrobisku i lutniociągu
Wnioski
W projektowaniu wentylacji odrębnej w pierwszej kolejności istotne jest wyznaczanie wymaganej, minimalnej wartości strumienia objętościowego powietrza, doprowadza-nego do przodka drążodoprowadza-nego wyrobiska. Z uwagi na malejącą sprawność wentylacji lutniowej wraz z jej długością, projekt wentylacji odrębnej wykonywany jest dla doce-lowej długości wyrobiska. Właściwy dobór elementów lutniociągów ma duże znacze-nie dla poprawności działania wentylacji, szczególznacze-nie w przypadku jej współpracy z urządzeniem odpylającym.
Wykorzystując program komputerowy AGHWEN 4.0 można w bardzo krótkim czasie ustalić optymalne parametry wentylacji odrębnej, z uwagi na wymagane wa-runki przewietrzania wyrobiska. Program umożliwia również przeprowadzenie pro-gnozy warunków klimatycznych w wyrobisku, z uwzględnieniem schładzania powietrza.
Bibliografia
[1] Madeja-Strumińska B., Strumiński A., 2004, Optymalizacja wymuszonych rozpływów powietrza w warunkach skrępowanych oraz ocena wybranych zagrożeń w kopalniach podziemnych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław.
[2] Pawiński J., 1968, Straty powietrza w lutniociągach w świetle przepływów z wymianą masy, Archiwum Górnictwa, t. 12, z. 3.
[3] Pawiński J., Roszkowski J., 1965, Ruch powietrza w przewodach z uwzględnieniem strat, Archiwum Górnictwa, t. 10, z. 4.
[4] Pawiński J., Roszkowski J., Strzemiński J., 1995, Przewietrzanie kopalń. Katowice, Wyd. Śląsk.
[5] Poradnik Górnika, tom 4, Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1982.
[6] Rozporządzenie Ministra Energii z dnia 23 listopada 2016 r. w sprawie szczegółowych wymagań dotyczących prowadzenia ruchu podziemnych zakładów górniczych (DzU 2017, poz. 1118, z dnia 09.06.2017 r.).
[7] Stachulak J., Gangal M., Allen C., 2014, The effect of diesel oxidation catalysts on NO2 emissions from mining vehicles. Proceedings of 10th International Mine Ventilation Con-gress, IMVC2014, The Mine Ventilation Society of South Africa.
[8] Stinnette J.D., De Souza E., 2013, Establishing total airflow requirements for under-ground metal/non-metal mines with Tier IV diesel equipment, 23rd, World Mining Con-gress, Montreal.
[9] Szlązak N., Obracaj D., Borowski M., 2001, Optymalny dobór parametrów wentylacji lutniowej dla wyrobisk korytarzowych przy wykorzystaniu programu komputerowego AGHWEN, Górnictwo, Kwartalnik AGH, z. 3, rok 25, Kraków.
[10] Szlązak N., Obracaj D., Borowski M., 2003, Systemy przewietrzania ślepych wyrobisk ślepych w kopalniach węgla kamiennego, Przegląd Górniczy, nr 7-8.
[11] Szlązak N., Obracaj D., Borowski M. 2008, Prognozowanie temperatury i wilgotności powietrza w wyrobiskach z wentylacją odrębną i urządzeniami chłodniczymi bezpośred-niego działania za pomocą programu komputerowego AGHWEN-3.1., Wiadomości Gór-nicze; r. 59 [nr] 2, s. 86-92.
[12] Szlązak N., Szlazak J., Tor A., Obracaj D., Borowski M. 2003, Ventilation systems in dead-end headings with coal dust and methane hazard. 30th International Conference of Safety in Mines Research Institutes, Johannesburg, 5-9 October 2003.
[13] Wallace K.G., 2001, General operation characteristics and industry practices of mien ventilation systems. Proceedings of the 7th International Mine Ventilation Congress, Kra-kow, Poland.
