Zastostosowanie schematu potencjalnego i dysypacji mocy do analizy bezpieczeństwa oraz ekonomiczności sieci wentylacyjnej

Bezpieczeństwo sieci wentylacyjnej jest ważnym dla praktyki górniczej elementem BHP w kopalniach podziemnych. Oznacza ono taki stan sieci wentyla­cyjnej, który zapewnia załodze wykonywanie pracy w warunkach nie zagraża­jących jej życiu ani zdrowiu, a obejmuje ogół środków i urządzeń służących do osiągnięcia tego stanu; zakłada się również usuwanie lub co najmniej ograni­czenie szkodliwości związanych z procesem produkcyjnym, spośród których naj­nie­bezpieczniejsze są zagrożenia ze strony pożarów podziemnych lub wybuchów metanu i pyłu węglowego.

Zasady bezpieczeństwa sieci wentylacyjnej, ujmowane w literaturze fachowej i w coraz to nowszych przepisach górniczych, są rozwijane od drugiej połowy XIX stulecia. Przez długi okres czasu w XIX wieku motorem rozwijania tych zasad były głównie katastrofy spowodowane pożarami lub wybuchami metanu i pyłu węglowego. Wiek XX, zwłaszcza druga jego połowa, cechują się prowadze­niem w kraju i za granicą intensywych badań naukowych nad bezpieczeństwem sieci wentylacyjnej.

Opierając się na teorii prądów przekątnych H. Czeczotta i teorii stabilizacji kierunków prądów W. Budryka, jak również na praktyce kopalń krajowych i zagranicznych można stwierdzić, że dla bezpieczeństwa sieci wentylacyjnej pod­sta­wowe znaczenie ma zagadnienie łatwości panowania nad kierunkami prądów powietrza. Zagadnienie to jest obecnie bardzo aktualne, a to w związku z koncentracją procesów produkcyjnych.

Zasady i przepisy bezpieczeństwa ze względu na pożary i wybuchy w kopalni, zwłaszcza silnie metanowej, przemawiają za stosowaniem możliwie dużej liczby rejonów wentylacyjnych. Natomiast zasady ekonomiki przemawiają za stosowa­niem koncentracji procesów produkcyjnych, co prowadzi do zmniejszenia liczby rejonów wentylacyjnych. Konieczne zatem jest podjęcie szeregu środków profi­lakty­cznych, do których należy zaliczyć stosowanie rejonowych prądów powietrza cechujących się określoną stabilnością kierunków.

Prace przeprowadzone w Głównym Instytucie Górnictwa doprowadziły do stwier­dzenia, że w zagadnieniu badania łatwości panowania nad kierunkami prą­dów powietrza podstawowe znaczenie ma schemat potencjalny sieci wentyla­cyjnej.

W ostatnich latach w związku z istniejącym w górnictwie dążeniem do koncentracji wydobycia, wzrosło zapotrzebowanie na powietrze w rejonach wentylacyjnych. Stan ten spowodował zwiększenie ilości powietrza płynącego w bocznicach sieci wentylcyjnej, a tym samym zwiększenie dysypacji mocy w tych bocznicach. Pociągnęło to za sobą potrzebę instalowania wentylatorów głównych o coraz większej mocy. Dlatego też coraz większe znaczenie praktyczne ma ekononika przewietrzania kopalni, dla której istotne jest zwalczanie wąskich przekrojów wentylacyjnych, tj. bocznic w których powstają zbyt duże dysypacje mocy.

Dysypacja mocy w sieci wentylacyjnej

Przez dysypację mocy rozumie się rozproszenie (straty) mocy w sieci wentyla­cyjnej. Znajomość wartości dysypacji mocy w poszczególnych elementach sieci wentylacyjnej pozwala analizować racjonalność jej rozkładu, a tym samym ekonomikę przewietrzania.

Dysypacja mocy N_f w bocznicy sieci wentylacyjnej dana jest wzorem:

N_f = l_fv V = δΦ_v V, (1)

gdzie:

- N_f - dysypacja mocy w bocznicy , W,

- l_fv - dysypacja energii w bocznicy , J/m³,

- V - strumień objętości powietrza w bocznicy, m³/s,

- δΦ_v - spadek potencjału aerodynamicznego, J/m³.

Kopalniane sieci wentylacyjne składają się zazwyczaj z dużej ilości bocznic. W związku z tym wyłaniają się trudności w badaniu tych sieci. Konieczny więc jest podział bocznic tych sieci na istotne i nieistotne.

Klasyfikacja prądów powietrza ze względu na wartość dysypacji mocy

Według M. Garncarz w górnictwie francuskim przeprowadza się k1asyfikację bocznic sieci wentylacyjnej przy korzystaniu z następujących kryteriów:

- bocznice mocne

N_f ≥ 1.2 kW, (2a)

- bocznice średnie

1.2 kW > N_f ≥ 0,13 kW, (2b)

- bocznice słabe

N_f < 0,13 kW. (2c)

Za bocznice nieistotne uważa się bocznice słabe oraz mniej ważne bocznice średnie. Według badań francuskich w kopalnianych sieciach wentylacyjnych występuje 25 do 45 % bocznic nieistotnych. Eliminacja bocznic nieistotnych upraszcza znacznie analizę aktualnego stanu wentylacji dla danej kopalni. Decydujące znaczenie dla stabilności prądów przekątnych i zależnych ma występująca w nich dysypacja mocy. Im większa dysypacja mocy występuje w takim prądzie, tym bardziej jest on stabilny.

W wyniku przeprowadzonych w Głównym Instytucie Górnictwa badań prądów zależnych opracowano klasyfikację tych prądów:

- mocny prąd zależny

N_f ≥ 1200 W (3a )

- średni prąd zależny

1200 W > N_f ≥ 600 W (3b)

- słaby prąd zależny

600 W > N_f ≥ 50 W (3c)

- bardzo słaby prąd zależny

N_f < 50 W. (3d )

Dalsze badania nad dysypacją mocy w sieciach wentylacyjnych pozwoliły rozszerzyć powyższą klasyfikację dla prądów zależnych na wszystkie bocznice sieci, przy czym kryteria takiej klasyfikacji są następujące:

- bardzo mocny prąd

N_f ≥ 6000 W (4a)

- mocny prąd

6000 W > N_f ≥ 1200 W (4b)

- średni prąd

1200 W > N_f ≥ 240 W (4c)

- słaby prąd

240 W > N_f ≥ 50 W (4d)

- bardzo słaby prąd

N_f < 50 W. (4e)

Według dotychczasowego rozeznania bardzo mocne i mocne prądy powietrzne można stosować w polach metanowych w wyrobiskach z trakcją elektryczną ze ślizgowym przewodem jezdnym oraz w pokładach o bardzo dużym lub dużym zagrożeniu wyrzutami gazów i skał. Średnie prądy powietrzne można stosować w polach metanowych przy nieużywaniu trakcji elektrycznej ze ślizgowym przewodem jezdnym, a także w pokładach o średnim i małym zagrożeniu wyrzutami gazów i skał. Słabe prądy powietrzne mogą być stosowane tylko w polach niemetanowych i nie zagrożonych wyrzutami gazów i skał. Bardzo słabych prądów powietrznych nie wolno tolerować w kopalnianych sieciach wentylacyjnych, gdyż takie prądy mogą w czasie pożaru stworzyć bardzo poważne zagrożenie dla załogi.

Stabilność kierunku prądu powietrza i rozkład spadków potencjału powietrza

Kopalniane sieci wentylacyjne powinny się cechować stabilnymi prądami powietrza. Stabilność kierunków prądów powietrza jest jednak ściśle związana ze strukturą sieci wentylacyjnej i rozkładem spadków potencjału powietrza zachodzących w poszczególnych bocznicach sieci wentylacyjnej. Dlatego na niebezpieczeństwo odwróceń prądów, szczególnie w czasie pożarów, narażone są kopalnie mające bardzo złożone przekątne sieci wentylacyjne, w których występują prądy powietrza cechujące się małymi spadkami potencjału. Do kopalń takich zalicza się także kopalnie LGOM.

Problem stabilności kierunków prądów powietrza ma podstawowe znaczenie dla bezpieczeństwa sieci wentylacyjnych współczesnych kopalń, zwłaszcza głębokich i silnie gazowych. Niebezpieczeństwo przekątnych sieci wentylacyj­nych, według H. Czeczotta, tkwi w tym, że prądy powietrza w bocznicach przekąt­nych nie mają trwałych kierunków. Sieć wentylacyjna powinna (według W. Budryka) cechować się łatwością stabilizowania kierunków prądów w przypadku pożaru. Łatwość tę ma sieć normalna, ale i sieć przekątna nie ma większych wad, jeśli każdy z rejonów wentylacyjnych ma niezależny prąd powietrzny o możliwie dużym stopniu stabilności kierunku.

W 1969 r. H. Bystroń, S. Jaroń, P. Markefka i A. Strumiński zdefiniowali: stopień, stosunek i liczbę stabilności kierunku prądu powietrza w bocznicy oczka zewnętrznego sieci aktywnej, które można ująć następującymi wzorami:

(5)

(6)

(7)

gdzie:

- stopień stabilności kierunku prądu powietrza w bocznicy β wchodzącej w skład oczka zewnętrznego λ,

- stosunek stabilności kierunku prądu powietrza w bocznicy β wchodzącej w skład oczka zewnętrznego λ,

- liczba stabilności kierunku prądu powietrza w bocznicy β wchodzącej w skład oczka zewnętrznego λ,

l_fvλβ - dysypacja energii w bocznicy β oczka zewnętrznego λ sieci aktywnej,

J /m³,

l_fvλ - suma dysypacji energii we wszystkich bocznicach oczka zewnętrznego λ sieci aktywnej, J/m³

l_nvλ - suma depresji naturalnych we wszyctkich bocznicach aktywnych oczka zewnętrznego λ sieci aktywnej, J/m³

l_tv0 - standardowe spiętrzenie całkowitej energii wentylatora głównego, wynoszące 785 J/m³ dla płytkiej, niemetanowej, słabo lub średnio metanowej kopalni, a 2354 J/m³ dla kopalni głębokiej lub silnie metanowej.

Im większy jest stopień stabilności danego prądu rejonowego tym większa jest zdolność tego prądu do zachowania tego samego kierunku i to zarówno w czasie normalnym, jak i w przypadku pożaru. Zdolność ta jest nazywana stabilnością prądu rejonowego lub stabilnością kierunku prądu rejonowego.

Ze względu na stabilność prądów rejonowych oraz ze względu na ekono­miczność wentylacji (zwalczanie wąskich przekrojów wentylacyjnych) rozkład spadków potencjału powietrza w sieci wentylacyjnej jest uważany za racjonalny, gdy spadki potencjału w rejonach wentylacyjnych są możliwie duże, a sumy spad­ków potencjału poza rejonami wentylacyjnymi - możliwie małe.

Kryterium to jest szeroko stosowane w polskich kopalniach, niemniej jest ono tylko jakościowe i przydatne w przypadku, gdy wentylacja kopalni budzi bardzo poważne zastrzeżenia, na przykład w razie nieutrzymywania głównych dróg wentylacyjnych w należytym stanie.

Kryterium jakościowe znajduje zastosowanie przy korzystaniu z niekumula­cyjnego schematu potencjalnego. Natomiast opierając się na kumulacyjnym schemacie potencjalnym oraz na stopniu, stosunku i liczbie stabilności, ujętych wzorami (5÷7), można przeanalizować racjonalność rozkładu dysypacji energii w danej sieci wentylacyjnej i łatwość panowania nad kierunkami prądów rejonowych.

Rozkład dysypacji energii w sieci wentylacyjnej jest racjonalny, jeśli dla prądów rejonowych spełniony jest warunek:

σ ≥ 0.25 czyli μ ≥ 0.20. (8)

Łatwość panowania nad kierunkami prądów rejonowych jest zapewniona, jeśli dla każdego z nich spełniony jest warunek:

ν ≥ 0.20. (9)

Ani stopień, ani stosunek, ani liczba stabilności, ujęte wzorami (5÷7), nie nadają się do badania bezpieczeństwa sieci wentylacyjnej, jeśli w badaniu tym należy uwzględnić wyłączanie wentylatorów głównych z ruchu.

W celu umożliwienia takiego badania H. Bystroń, korzystając z właściwości stopnia, stosunku i liczby stabilności oraz uwzględniając graficzne kryteria kierunków prądów i teorię kierunków przepływu powietrza przy pożarze w kopalni, podał w 1970r. wskaźnik χ_λβ stabilności kierunku prądu w bocznicy β oczka zewnętrznego λ sieci aktywnej zdefiniowany wzorem:

(10)

W przypadku gdy wentylacja jest naturalna, tj. gdy nie stosuje się wentyla­torów lub wentylatory są czasowo wyłączone z ruchu, wówczas do badania bezpieczeństwa sieci aktywnej stosuje się wzór:

(11)

Łatwość panowania nad kierunkiem rejonowego prądu powietrza w bocznicy β oczka λ sieci jest zapewniona, jeśli spełniony jest warunek (kryterium):

χ_λβ ≥ 0.10. (12)

Wskaźnik stabilności χ_λβ kierunku prądu ujęty wzorem (10) lub (11) oraz kryterium (12) dotyczy nie tylko rejonowych prądów powietrza, lecz także tzw. prądów zależnych.

W celu zbadania racjonalności rozkładu spadków potencjału aerodynamicz­nego w bocznicach grupowych sieci aktywnej konieczne jest stwierdzenie, czy obrana bocznica jest wąskim przekrojem wentylacyjnym. Zagadnienie to można rozwiązać przez określenie tzw. liczby bezpieczeństwa a_λβ prądu, która zdefiniowana jest wzorem

(13)

gdzie:

b_λ - liczba wszystkich bocznic wchodzących w skład oczka zewnętrznego λ sieci.

Bocznica grupowa będzie wąskim przekrojem wentylacyjnym wówczas, gdy liczba bezpieczeństwa prądu w tej bocznicy jest większa od 1, tzn. gdy zachodzi nierówność

> 1. (14)

Jeśli z przeprowadzonych badań wynika, że obrana bocznica grupowa jest wąskim przekrojem wentylacyjnym, to należy podjąć środki dla usunięcia tego wąskiego przekroju, przy czym należy dążyć do uzyskania liczby bezpieczeństwa z przedziału (0÷1).

Oprócz badania stabilności kierunków prądów rejono­wych i zależnych oraz badania racjonalności rozkładu spadków potencjału w prądach rejonowych i grupowych sieci aktywnej schemat potencjalny znajduje zastosowanie prakty­czne również w innych zagadnieniach, mających poważne znaczenie dla bezpie­czeń­stwa w kopalni, jak profilaktyka pożarów endogenicz­nych, przyspieszenie likwidacji pól pożarowych, zabezpieczenie bezpiecznej wspólnej pracy wentyla­torów w sieci wentylacyjnej, uniezależnienie kopalni od wahań ciśnienia powie­trza w atmosferze ziemskiej itp.

Dla sieci projektowanych sprawdza się czy zapewnione będzie bezpieczne wspólne działanie wentylatorów głównych działających w poszczególnych podsieciach.

Zgodnie z dotychczasowymi badaniami, uważa się wspólne działanie wentyla­torów w sieci wentylacyjnej za bezpieczne, jeśli wskaźnik bezpieczeństwa B spełnia kryterium:

(15)

gdzie:

- moduł (wartość bezwzględna) potencjału w węźle sieci, w którym następuje rozdział powietrza na dwie podsieci wentylacyjne, J/m³,

- spiętrzenie całkowite wentylatora głównego o spiętrzeniu mniejszym, N/m².

W badaniach bierze się pod uwagę wszystkie kombinacje par szybów wyde­cho­wych.

---