Wskaźniki ilości powietrza dla kopalń LGOM

Na podstawie doświadczeń w trakcie dotychczasowej eksploatacji złóż rud miedzi ustalono wskaźniki wentylacyjne na Mg wydobycia, których wielkości dla poszczególnych kopalń są następujące:

• kopalnia Lubin k = 0,050 m³/s/Mg/dobę,

• kopalnia Polkowice k = 0,050 m³/s/Mg/dobę,

• kopalnia Rudna poz. 1100 k = 0,058 m³/s/Mg/dobę,

• kopalnia Rudna poniżej poz. 1100 k = 0,066 m³/s/Mg/dobę,

• kopalnia Sieroszowice poz. 1100 k = 0,058 m³/s/Mg/dobę,

• kopalnia Sieroszowice poniżej poz. 1100 k = 0,058 m³/s/Mg/dobę.

Rys. 10. Zależność wskaźnika ilości powietrza od głębokości eksploatacji w kopalni rudy miedzi

Strumienie objętości powietrza dostarczone według przedstawionych powyżej wskaźników zapewniają możliwości utrzymania warunków klimatycz­nych zgodnie z normami obowiązującymi przy robotach eksploatacyjnych do głębokości 1100 m. W rejonach, w których roboty inwestycyjne (stacje wentylatorowe, drogi i urządzenia wentylacyjne) nie zostały jeszcze zre­alizowane, występują przejściowe trudności w utrzymaniu odpowiednich wa­runków klimatycznych. Wskaźnik ilości powietrza na tonę dobowego wydoby­cia w kopalniach głębokich jest zdeterminowany parametrami termicznymi złoża, które z kolei są uzależnione od głębokości eksploatacji. Na ry­sunku 10 przedstawiono zależność wskaźnika ilości powietrza od głębokości przy założeniu, że temperatura w przodkach nie przekroczy 301,15 K (28 °C) na termometrze suchym. Aktualnie w kopalniach LGOM są osiągane następujące wskaźniki ilości powietrza na tonę dobowego wydoby­cia:

• kopalnia Lubin 0,045 m³/s/Mg/dobę,

• kopalnia Polkowice 0,048 m³/s/Mg/dobę,

• kopalnia Rudna 0,066 m³/s/Mg/dobę,

• kopalnia Sieroszowice 0,058 m³/s/Mg/dobę.

W kopalniach rud miedzi w LGOM, ze względu na dużą liczbę maszyn z silnikami spalinowymi, powinno się stosować wskaźniki ilości powietrza dla rozrzedzenia spalin. Według przepisów obowiązujących w angielskich kopalniach na 1 KM zainstalowanej mocy silników spalinowych należy do­prowadzić wciągu 1 sekundy 0,070 m³ powietrza świeżego, natomiast według przepisów austriackich aż 0,1 m³. W polskim górnictwie na razie brak norm w tym zakresie. Niezbędny strumień objętości powie­trza świeżego dla rozrzedzenia szkodliwych gazów spalinowych możemy wyliczyć ze wzoru:

(4.1)

gdzie:

q - ilość wydzielanych spalin, m³/s/l KM,

s₁, s₂,..., s_n - zawartość szkodliwych składników w gazach spalinowych,

,
,...,
- dopuszczalne zawartości gazów szkodliwych, % (według przepisów),

przy czym [
] = m³/s/1KM.

Dla kopalń rud miedzi należy przyjmować jako konieczny strumień ob­jętości powietrza do rozrzedzenia gazów spalinowych
= 0,083 m³/s/1KM.

7.1.2. Wpływ maszyn samojezdnych i robót strzałowych na atmosferę kopalnianą

Maszyny spalinowe

Maszyny górnicze z napędem spalinowym pracujące w kopalniach LGOM są wyposażone wyłącznie w silniki wysokoprężne. Charakter spalania w silnikach dieslowskich powoduje, że gazy spalinowe zawierają znacznie mniejsze ilości składników niż gazy spalinowe z silników benzynowych z zapłonem iskrowym. Podczas idealnej pracy silnika spalinowego jedynymi produktami spalania paliwa winny być dwutlenek węgla i para wodna. Wsku­tek niepełnego spalania spaliny najczęściej zawierają jeszcze tlenek węgla, tlenki azotu i nie spalone węglowodory. Na zawartość szkodliwych substancji w gazach spalinowych silników wysokoprężnych ma wpływ obciążenie silnika oraz wartość wskaźników mocy, przy czym dużym obciążeniom odpowiadają zwykle duże wartości mocy.

Tabela 9. Wielkość emisji tlenków azotu z oddziału w zależności od strumieni objętości powietrza, mocy pracujących maszyn oraz wydobycia

Lp.	Numer Oddziału	Strumień objętości powietrza w oddziale po zbilansowaniu m^3/s	Wielkość emisji tlenków azotu w oddziale dm^3/s	Całkowita moc maszyny Nc kW/zm	Wydobycie na zmianę Mg/zm
1	G-1	74,2	0,1038	959	1044
2	G-1	71,2	0,2991	998	1080
3	G-2	79,2	0,1425	714	736
4	G-2	82,0	0,1640	780	707
5	G-3	68,0	0,1088	751	753
6	G-3	63,4	0,0888	714	785
'7	G-4	121,0	0,2299	1322	1410
8	G-4	119,0	0,1994	1203	1391
9	G-4	132,0	0,2640	1222	1345
10	G-5	89,5	0,1880	884	853
11	G-5	91,6	0,1008	856	895
12	G-6	72,0	0,1440	658	594
13	G-6	86,5	0,1730	668	608
14	G-7	77,0	0,1155	780	631
15	G-7	67,0	0,1809	656	652
16	G-11	72,5	0,1160	856	855
17	G-11	53,0	0,0795	856	820
18	G-12	52,5	0,1155	741	844
19	G-12	38,3	0,0689	836	827
20	G-13	91,6	0,1924	1288	1239
21	G-15	39,0	0,1209	804	604
22	G-15	33,4	0,0501	753	634
23	G-15	36,6	0,0549	678	603
24	G-22	67,8	0,0949	856	671
25	G-22	66,7	0,1334	753	703
26	G-22	57,5	0,1552	856	715
27	G-21	56,5	0,1413	664	750
28	G-21	53,5	0,1979	721	750
29	G-21	50,0	0,1400	490	600
30	G-21	55,2	0,1325	490	650
31	G-14	50,0	0,0750	330	150
32	G-14	52,0	0,0520	330	200
33	G-14	57,4	0,0688	348	200
34	G-14	52,3	0,0785	348	200
35	G-24	48,4	0,2565	824	750
36	G-24	49,0	0,2156	792	750
37	G-24	49,2	0,1724	721'	600
38	G-23	40,4	0,1535	433	450
39	G-23	35,3	0,0847	433	350
40	G-23	38,7	0,0658	330	350

Badania emisji tlenków azotu w poszczególnych oddziałach kopalń rud miedzi przeprowadzono w ZBiPM Cuprum. Wielkość tej emisji wyznaczono z pomierzonych parame­trów powietrza na wlocie oraz na wylocie z oddziałów. Ze względu na małe różnice gęstości powietrza przyjęto założenie, że wydatki masowe i objętościowe powietrza na wlocie i na wylocie z rejonów są sobie równe.

Na podstawie pobieranych prób powietrza określono stężenie tlenków azotu w wyrobiskach z prądami świeżego i zużytego powietrza. Ilość (wy­datek objętościowy) płynących tlenków azotu w wyrobisku obliczono mnożąc wydatek objętościowy powietrza po zbilansowaniu przez stężenie tlenków azotu:

(7.1)

gdzie:
- wydatek objętościowy tlenków azotu płynących w wyrobisku,

- wydatek objętościowy powietrza po zbilansowaniu w wyrobisku,

c - stężenie tlenków azotu w wyrobisku.

Całkowity wydatek objętościowy tlenków azotu w powietrzu obliczono oddzielnie dla wyrobisk wlotowych i wylotowych. Wielkość emisji tlenków azotu w oddziale, przedstawiona jako wydatek objętościowy tlenków azotu w oddziale, stanowi różnicę między całkowitym wydatkiem objętościowym tlenków azotu na wylocie i na wlocie do oddziału. Wyznaczone wielkości emisji tlenków azotu przedstawiono w tabeli 9.

Badaniami objęto równiej emisję gazów toksycznych z maszyn spalino­wych bezpośrednio za płuczką. Wyniki pomiarów stężeń objętościowych CO, NO oraz NO₂ w gazach spalinowych maszyn ŁK-1, ŁK-2 oraz WO przedsta­wiono w tabeli 10.

Samojezdne maszyny górnicze z silnikami spalinowymi mogą być wyposażone w układ oczyszczania spalin w celu neutralizacji toksycznych składników spalin. Układ oczyszczania jest, jak zwykle, dwustopniowy:

1. Pierwszy, to dopalacz katalityczny, w którym w podwyższonej tem­peraturze następuje proces dopalania tlenków węgla, węglowodorów i al­dehydów. Temperatura katalizatora nie powinna być niższa niż 523,15 K (250 °C), ponieważ najefektywniejszy proces katalityczny zachodzi zwykle w temperaturze 573,15 K (300 °C). W kopalniach LGOM są stosowane dopala­cze katalityczne typu MG-120 do silników SW-400 i MG-200 do silników SW-­680.

2.Drugim stopniem układu wydechowego jest płuczka wodna, przez którą przechodzą spaliny, obniżające swoją temperaturę w wyniku kontaktu z wodą. W płuczce następuje również absorbowanie tlenu przez bezwodnik siarkowy oraz wytrącanie się cząstek stałych spalin.

Tabela 10. Wyniki pomiarów stężeń CO, NO, NO₂ w gazach spalinowych maszyn ŁK-1, ŁK-2 oraz WO

Lp.	Czas pracy silnika	Stężenia objętościowe			Uwagi
				CO		NO	NO2
		min	ppm	ppm		ppm
1	2	614	300	3		ŁK-1, nagrzewany, praca pod pełnym obciążeniem, próbki gazów pobierane z płuczki
2	3	618	444	1
3	4	622	400	2
4	10	85	435	3
5	15	141	400	3
6	20	255	420	2
7	0	380	318	4		ŁK-2, nagrzewany, praca pod pełnym obciążeniem, próbki gazów pobierane z płuczki
8	5	220	318	5
9	10	219	326	8
10	15	243	304	8
11	20	250	340	8
12	25	270	287	8
13	0	622	670	3		WO, nagrzewany, praca pod pełnym obciążeniem, próbki pobierane z płuczki
14	5	535	700	2
15	10	636	630	3
16	15	610	545	3
17	20	480	470	3
18	25	325	450	3

Przeprowadzone przez ZBiPM Cuprum badania wykazały, że stężenia emitowanych tlenków azotu maleją wraz ze wzrostem obrotów silnika, nato­miast stężenia tlenku węgla zmieniają się nieregularnie, osiągając mak­symalną wartość przy 1600 obrotach na minutę. Analiza wyników stężeń gazów toksycznych emitowanych z silników SW-400 dla prób pobiera­nych przed dopalaczem i za dopalaczem wykazała aktywne działanie dopala­czy w zakresie redukcji tlenku węgla. Nie stwierdzono efektywnych rezul­tatów w zmniejszeniu emisji tlenków azotu zarówno po zastosowaniu różnych typów dopalaczy, jak i dodatków do paliw.

Roboty strzałowe

Poszczególne składniki toksyczne, powstające podczas robót strzało­wych, zachowują się różnie w środowisku, do którego są emitowane. Tlenek węgla nie podlega dalszym przemianom chemicznym i jest usuwany z atmos­fery kopalnianej za pomocą odpowiedniej wentylacji, tlenek azotu stop­niowo utlenia się do dwutlenku, który łączy się z wodą, występującą w wyrobisku, tworzy mieszaninę kwasu azotowego i azotawego. Mieszanina ta jest trudna do usunięcia z atmosfery kopalnianej środkami wentylacyjny­mi, osiadając na powierzchni górotworu lub rozpuszczając się w wodach kopalnianych.

Część gazów postrzałowych, związana z urobkiem, stopniowo przecho­dzi do atmosfery kopalnianej, przy czym proces ten zachodzi znacznie szybciej podczas ładowania oraz rozładunku odstrzelonego urobku.

Podczas zraszania wodą odstrzelonego urobku tylko dwutlenek azotu, jako dobrze rozpuszczalny w wodzie, jest w tej operacji usuwany z urob­ku. Natomiast tlenek azotu, jako trudno rozpuszczalny w wodzie, pozosta­je w urobku i przechodzi stopniowo do atmosfery drogą dyfuzji.

Składniki toksyczne gazów postrzałowych, zaabsorbowane przez ota­czający górotwór desorbują się z niego bardzo wolno, stwarzając w ten sposób ciągłe zagrożenie dla załóg górniczych.

Dotychczas stosowane sposoby obliczania strumieni objętości powiet­rza niezbędnego do rozcieńczania i wymywania gazów postrzałowych z wyro­bisk górniczych są mało przydatne do ustalania zapotrzebowania na powietrze w oddziałach wydobywczych kopalń LGOM.

W ZBiPM Cuprum do obliczania zapotrzebowania na powietrze do odprowadzenia gazów postrzałowych, przechodzących natychmiast po wykonaniu robót strzałowych do opływowego prądu powietrza, zastosowano następującą zależność:

(7.2)

lub w postaci uproszczonej

(7.3)

gdzie:

A - pole przekroju poprzecznego chodnika wentylacyjnego, m²,

L - długość chodnika wentylacyjnego, m,

- czas przewietrzania, s,

M - ilość odstrzelonego materiału wybuchowego, kg.

Obliczony za pomocą równania (7.2) strumień objętości powietrza niezbędny do odprowadzenia gazów postrzałowych po odstrzeleniu 500 kg MW (materiał wybuchowy) w oddziale wydobywczym, w którym chodnik wentyla­cyjny ma długość 600 m i pole przekroju poprzecznego 16 m², przy założonym czasie przewietrzania 1800 s wynosi 12,43 m³/s. Taki strumień objętości powietrza zapewniłby 2,33-krotną wymianę powietrza w chodniku w czasie 1800 s przewietrzania.

Pomiary stężeń tlenku węgla i tlenków azotu nad odstrzelonym urob­kiem w kopalniach rud miedzi w LGOM wykazywały utrzymywanie się ich pod­wyższonych stężeń nawet po 6 godzinach od przeprowadzenia robót strzałowych. Przyczyną tego niekorzystnego zjawiska są duże gabaryty wy­robisk i ich zagęszczenie w rejonie eksploatacji, co powoduje niedosta­teczną wymianę powietrza za pomocą prądu opływowego w wyrobiskach ślepych. W jednym z oddziałów kopalni Polkowice po 6 godzinach od prze­prowadzenia robót strzałowych wykonano pomiary stężeń składników toksy­cznych, występujących w odstrzelonym urobku na głębokości około 1 m. Po­miary te wykazały, że zawartość tlenku węgla i tlenków azotu na wspom­nianej głębokości wynosiła odpowiednio 0,0128 oraz 0,0038%.

Jednym ze sposobów zmniejszenia zawartości tlenków azotu i tlenku węgla w gazach postrzałowych, powstających podczas rozkładu stosowanego powszechnie w kopalniach LGOM saletrolu A, jest zastosowanie tlenków żelaza oraz węgla o różnym stopniu granulacji.

Przeprowadzone doświadczenia wykazały, że zawartość tlenku węgla w gazach postrzałowych, powstających podczas rozkładu saletrolu A o zawar­tości 13,04% dynamitu 503 zmienia się w zależności od warunków przepro­wadzania eksperymentu od 7,12 dm³/kg MW przy średnicy rury stalowej 100 mm i grubości ścianki 14 mm do 11,59 dm³/kg MW, gdy mieszanina była umieszczona w rurze o średnicy wewnętrznej 54 mm i grubości ścianki 11 mm. Zawartość tlenków azotu w tych gazach wynosiła odpowiednio od 15,42 dm³/kg MW do 8,05 dm³/kg MW. Wynika z tego, że podczas urabiania za pomocą saletrolu A górotworu o niższej zwięzłości skał należy się li­czyć ze wzrostem zawartości tlenków azotu, przy obniżeniu koncentracji tlenku węgla.

Badania wpływu tlenku żelazowego Fe₂O₃ i koksu hutniczego na zawar­tość w gazach postrzałowych tlenków azotu i tlenku węgla wykazały, że tlenek żelazowy bardzo skutecznie obniża zawartość tlenku węgla i tlen­ków azotu w gazach postrzałowych. Mieszanina złożona z 8% tlenku żelazo­wego, 80% granulitu A i 11,53% dynamitu 503 wydziela podczas rozkładu 2,3 dm³ tlenku azotu/kg MW i 1,1 dm³ tlenku węgla/kg MW, podczas gdy ta­ka sama ilość mieszaniny granulit A-dynamit 503, ale bez tlenku żelazo­wego, wydzieliła po rozkładzie 7,12 dm³ tlenku węgla/kg MW i 15,42 dm³ tlenku azotu/kg MW (20].

Ponieważ zmniejszeniu zawartości składników toksycznych w gazach postrzałowych, pochodzących z rozkładu materiału wybuchowego z domieszką tlenku żelazowego towarzyszy obniżenie energii rozkładu badanych próbek do około 54%, jako czynnik podwyższający energię rozkładu materiału wy­buchowego zastosowano sproszkowany glin. Mieszanina o zawartości 72,15% saletrolu A, 11,73% dynamitu 503, 14,42% tlenku żelazowego i 2,59% spro­szkowanego glinu wydzieliła podczas rozkładu 3,42 dm³ tlenków azotu/kg MW oraz 4,23 dm³ tlenku węgla/kg MW. W tych samych warunkach mieszanina saletrolu A z dynamitem wydzieliła po rozkładzie 9,13 dm³ tlenków azotu/kg MW oraz 9,4 dm³ tlenku węgla/kg MW. Z porównania wielkości energii rozkładu próbek materiału wybuchowego w tych doświadczeniach wy­nika, że jeżeli energię mieszaniny saletrol A-dynamit 503 przyjmiemy za 100%, to dla próbki materiału wybuchowego z zawartością tlenku żelazowe­go i sproszkowanego glinu wynosi ona 93%.

7

---