Sposoby odwzorowania kopalnianych sieci wentylacyjnych

Wszystkie wyrobiska wykonane w kopalni, niezbędne do prawidłowego przygotowania złoża do eksploatacji oraz prowadzenia robót wybierkowych, tworzą układ, który nazywa się siecią wyrobisk.

Każde wyrobisko wchodzące w skład sieci wyrobisk musi być przewietrzane, dlatego też sieć wyrobisk utożsamia się z siecią wentylacyjną.

Występują wprawdzie w kopalni wyrobiska nie przewietrzane, które nie powinny być zaliczane do sieci wentylacyjnej, ale praktycznie występuje w nich pewien minimalny przepływ powietrza, który usprawiedliwia to utożsamienie. Można również założyć, że stan wynikający z braku przepływu powietrza w wyrobisku jest wyjątkowym (granicznym) stanem jego przewietrzania.

Sieć wentylacyjna kopalni składa się z bocznic, oporów miejscowych, wentylatorów itp. elementów sieci wentylacyjnej.

W praktyce kopalniana sieć wentylacyjna jest bardzo złożonym układem wspomnianych elementów. W wielu sieciach wentylacyjnych kopalń liczba bocznic i węzłów przekracza kilkaset.

Aby umożliwić korzystanie z osiągnięć teorii przewietrzania kopalń oraz praktycznego panowania nad rozpływem powietrza w sieci wentylacyjnej, trzeba dysponować odpowiednim modelem tej sieci.

W praktyce kopalnianej korzysta się z modeli graficznych, a ostatnio również z modeli cyfrowych tych sieci.

Strukturę sieci wentylacyjnej kopalni można zapisać graficznie lub cyfrowo.

Sieć kopalnianą odwzorowuje się graficznie na planach pokładowych, a także w postaci schematów wentylacyjnych.

Dla prowadzenia prac związanych z przewietrzaniem i klimatyzacją wyrobisk, profilaktyką przeciwpożarową i zwalczaniem pożarów podziemnych służby wentylacyjne kopalni przygotowują dokumentację, która znajduje się w biurze inżyniera wentylacji.

Ze względu na wagę tych zagadnień dla bezpieczeństwa ludzi dokumentacja ta jest uzupełniana i aktualizowana na bieżąco.

Do ważniejszych dokumentów należą:

• plany (mapy) pokładowe,

• poglądowy plan przewietrzania,

• schemat przestrzenny przewietrzania,

• schemat kanoniczny przewietrzania,

• schemat ilościowy przewietrzania,

• schemat potencjalny (zdjęcie depresyjne) przewietrzania.

1. Plany (mapy) pokładowe

Plany (mapy) pokładowe przedstawiają wykonany w pewnej skali rzut wyrobisk na płaszczyznę poziomą (lub także pionową w przypadku wyrobisk silnie nachylonych).

Oprócz wyrobisk naniesionych przez geodetów, służba wentylacyjna na planach przedstawia kierunki przepływu powietrza, urządzenia wentylacyjne i przeciwpożarowe. Na plany (mapy) pokładowe nanosi się urządzenia wentylacyjne takie, jak tamy, mosty, wentylatory naziemne i podziemne, wentylatory i lutniociągi przewietrzania lokalnego itp. Nanosi się także urządzenia przeciwpożarowe np. rurociągi wodne przeciwpożarowe i podsadzkowe, hydranty, gaśnice, pociągi przeciwpożarowe i inne środki przeciwpożarowe, środki łączności, punkty sanitarne, a także miejsca nagromadzenia palnych materiałów lub urządzeń.

2. Poglądowy plan przewietrzania

Na podstawie planów (map) pokładowych sporządza się w miarę potrzeb poglądowy plan przewietrzania. Jest on rzutem na płaszczyznę poziomą wszystkich wyrobisk, przez które przepływa powietrze, wykonanym w pewnej skali. Wykonanie tego planu najdogodniej rozpocząć od najniżej zalegającego pokładu, kreśląc wszystkie drogi powietrza kolorem wybranym dla tego pokładu. Następnie kalkę przykłada się do planu następnego pokładu zalegającego bezpośrednio nad poprzednim. Kalkę orientuje się na podstawie siatki współrzędnych lub odległych od siebie charakterystycznych wyrobisk. Nowymi kolorami rysuje się wyrobiska kolejnych pokładów.

Rys.1. Przekrój kopalni (uproszczenie) i rzut pionowy wyrobisk

Rys.2. Poglądowy plan przewietrzania

3. Schemat przestrzenny przewietrzania

Na podstawie planu poglądowego lub częściej w oparciu o plany (mapy) pokładowe kreśli się schemat przestrzenny przewietrzania. Schemat ten ma przedstawiać przestrzenny obraz wszystkich czynnych wyrobisk w kopalni. Ze schematu przestrzennego sieci ma wynikać wznoszący lub schodzący charakter prądów powietrznych w kopalni. Sposób wykonania tego schematu należy dostosować do lokalnych warunków geologiczno-górniczych panujących w kopalni. Ze względu na przejrzystość i prostotę schemat przestrzenny kreśli się według uproszczonej izometrii: szyby i szybiki kreśli się pionowymi liniami podwójnymi - zwykle kolorem czarnym, przekopy wydrążone w kierunku równoległym do rozciągłości kreśli się liniami poziomymi - zwykle kolorem czarnym lub żółtym, przecznice biegnące w kierunku prostopadłym do rozciągłości kreśli się linią nachyloną do poziomu pod kątem 30°, wyrobiska w pokładzie, narysowane kolorem danego pokładu, kreśli się poziomo w przypadku chodników po rozciągłości lub pod kątem 60° dla wyrobisk wydrążonych po wzniosie lub upadzie.

Punkty węzłowe i inne charakterystyczne miejsca numeruje się, starając się stosować zasadę, by powietrze płynęło od węzłów o numerach niższych do węzłów o numerach wyższych.

Niejednokrotnie kopalniana sieć wentylacyjna jest tak skomplikowana, że schemat przestrzenny sieci narysowany zgodnie z tymi zasadami jest nieczytelny. Wówczas wykonuje się uproszczony schemat, przedstawiając niektóre części sieci w formie kółek z odpowiednimi napisami (np. oddziały wydobywcze).

W przypadku przecinania się na płaszczyźnie rysunku wyrobisk, które w rzeczywistości nie mają połączeń między sobą stosuje się zasadę, by wyrobiska mniej ważne np. przekopy i przecznice względem szybu w miejscu przecięcia były rysowane półkolem jako obejście. Wyrobiska główne oraz wyrobiska wybierkowe powinny być na schemacie opisane. Na schemacie powinny być również naniesione, podobnie jak na mapie pokładowej, kierunki rozpływu powietrza, urządzenia wentylacyjne, zabezpieczenie przeciwpożarowe itp. Znaki umowne, które wykorzystujemy na schematach wentylacyjnych podane są w PN/G-09004.

4. Schemat kanoniczny przewietrzania

Na podstawie schematu przestrzennego kreśli się schemat kanoniczny, który jest nieskalibrowanym obrazem topologicznym sieci wentylacyjnej.

Schemat kanoniczny kopalnianej sieci wentylacyjnej orientuje o sposobie rozprowadzenia powietrza i służy do wszelkich obliczeń wentylacyjnych. Przy jego pomocy można też badać charakter bocznic w sieci wentylacyjnej, tzn. ich normalność bądź przekątność.

Rysowanie schematu kanonicznego nie nastręcza trudności gdy w sieci wentylacyjnej występuje mała liczba szybów i można w niej wydzielić w miarę niezależne podsieci związane z poszczególnymi szybami wentylacyjnymi.

Rozróżnia się schematy kanoniczne otwarte i zamknięte. Schemat zamknięty uzyskuje się ze schematu otwartego przez uwzględnienie w nim, że atmosfera zewnętrzna stanowi bocznicę o nieskończenie dużym przekroju i oporze równym zero, łączącą dyfuzor wentylatora głównego ze zrębem szybu wdechowego. Twórcą schematu otwartego był H. Czeczott, natomiast schematu zamkniętego (kołowego) W. Budryk.

Rys. A. Fazy rysowania schematu kanonicznego

Rys. B. Sposoby rysowania schematu kanonicznego przy różnej liczbie szybów

Schemat kanoniczny otwarty i zamknięty

Rys. C. Schemat kanoniczny otwarty

Rys. D. Schemat kanoniczny zamknięty

Schematy kanoniczne sieci płaskiej i niepłaskiej

Rys. E. Schemat kanoniczny sieci płaskiej

Rys. F. Schemat kanoniczny sieci niepłaskiej

Rys.8.3. Schemat kanoniczny dla sieci z rys 8.2

Odwikływanie schematów kanonicznych

Aby ułatwić posługiwanie się schematem kanonicznym sieci wentylacyjnej, należy doprowadzić go do jak najprostszej postaci, w której jest widoczny charakter każdego prądu. Uzyskuje się to, stosując przy przekształcaniu powikłanego schematu kanonicznego sieci sposób zewnętrznych węzłów i zewnętrznych bocznic oraz przegrupowanie bocznic wewnętrznych. Taki schemat kanoniczny sieci nazywa się jednoznacznym.

Jednoznaczny schemat kanoniczny

H. Bystroń podaje sposoby kreślenia jednoznacznych i niepowikłanych schematów kanonicznych, uściślając w ten sposób zasady podane przez twórców schematów kanonicznych - H. Czeczotta i W. Budryka.

Pod pojęciem jednoznaczności schematów rozumie się obiektywny obraz sieci wentylacyjnej powstały przy konsekwentnym przestrzeganiu umów odnośnie do oznaczeń charakteru poszczególnych bocznic.

Schemat powikłany z kolei, to schemat zawierający bocznice krzyżujące się, czego można uniknąć po dokonaniu pewnych przekształceń schematu. Jest to ważne, gdyż schemat kanoniczny powikłany uniemożliwia jednoznaczne przedstawienie sieci.

H. Bystroń podaje dwa uzupełniające się sposoby odwikływania schematów kanonicznych:

- sposób zewnętrznych węzłów i zewnętrznych bocznic,

- przegrupowanie wewnętrznych bocznic.

Obydwa te sposoby stosuje się przy przekształceniu schematu kanonicznego sieci dopóty, dopóki z powikłanego wieloznacznego schematu kanonicznego nie uzyska się możliwie najprostszego jednoznacznego schematu kanonicznego, który nazywać się będzie odwikłanym. Nie zostało jednak sformułowane ścisłe kryterium uzyskiwania najprostszego schematu uznawanego jako odwikłany.

Jeśli schemat kanoniczny w rzeczywistości nie zawiera bocznic krzyżujących się, to jego powikłanie po kilku przekształceniach znika i proces przekształcania kończy się w sposób naturalny.

Natomiast w przypadku schematu zwierającego ostatecznie bocznice krzyżujące się nie osiąga się pewności, kiedy przekształcenie należy zakończyć.

W praktyce dochodzi się do schematów, w których dalsze przekształcenia usuwają jedne skrzyżowania bocznic, a tworzą inne. W przypadku kilku skrzyżowań bocznic można próbować wielu możliwych przekształceń, ale przy większej ich liczbie przekształcenia schematu stają się zbyt pracochłonne

Chcąc automatyzować kreślenie schematów kanonicznych można wykorzystać do tego celu metodę J. Miękusa wyznaczania warstw węzłów w sieci.

W metodzie tej wymaga się żeby sieć wentylacyjna spełniała wymogi tzw. grafów acyklicznych w sensie dróg. Oznacza to, że w sieci nie występuje cykl wewnętrzny ze zgodną orientacją tworzących go bocznic.

Rys. G. Schemat przestrzenny sieci wentylacyjnej przykładowej kopalni

Rys. H. Schemat kanoniczny przykładowej kopalni z podziałem węzłów na warstwy

Przepływ powietrza przez sieć wymuszany jest przede wszystkim dzięki pracy wentylatorów głównych. W polskich kopalniach węgla przepisy wymagają, by wentylatory te były zainstalowane na powierzchni przy szybach wydechowych. W tej sytuacji cykl wewnętrzny, w którym wszystkie bocznice posiadają kierunek przepływu zgodny (lub niezgodny) z orientacją tego cyklu, może wystąpić w sieci wyłącznie wskutek pojawienia się depresji naturalnych lub pożarowych. W kopalniach LGOM tego typu cykle mogą wystąpić ponadto z uwagi na stosowanie na dole kopalni wentylatorów pomocniczych i dużej liczby wentylatorów swobodnych.

Upraszczanie schematów kanonicznych

Systemy przewietrzania

• proste i złożone,

• normalne i przekątne

Wprowadzenie schematu kanonicznego pozwoliło wykorzystać w wentylacji kopalń szeregu pojęć z teorii grafów. Schemat ten odpowiada grafowi liniowemu, spójnemu, zorientowanemu z wlotem i wylotem. Schemat kanoniczny sieci wentylacyjnej jest grafem płaskim, gdy daje się przedstawić na rysunku w taki sposób, że bocznice nie mają innych wspólnych punktów (przecięć) prócz węzłów. Gdy warunek ten nie jest spełniony, graf jest przestrzenny i na schemacie kanonicznym wystąpią przecięcia, które należy zastąpić obejściami. Należy dążyć do tego, żeby liczba przecięć była na schemacie kanonicznym jak najmniejsza. Proces przekształcania schematu kanonicznego sieci wentylacyjnej, polegający między innymi na minimalizacji liczby przecięć nazywa się odwikływaniem schematu kanonicznego.

5. Schemat ilościowy przewietrzania

Schemat ilościowy sporządza się w celu przejrzystego przedstawienia ilości powietrza przepływającego przez poszczególne bocznice oraz uwidocznienia np. ucieczek powietrza na urządzeniach wentylacyjnych. Jest on odmianą schematu kanonicznego, w którym grubość linii obrazujących bocznice jest proporcjonalna do występującego w nich strumienia objętości powietrza.

6. Schemat potencjalny przewietrzania

Schemat potencjalny sieci wentylacyjnej jest skalibrowanym obrazem topologicznym tej sieci.

Sporządza się go w oparciu o schematy przestrzenny i kanoniczny oraz wartości potencjału powietrza w węzłach i charakterystycznych przekrojach bocznic sieci.

W celu jego sporządzenia rysuje się linie ekwipotencjalne (jednakowego potencjału) i przyporządkowuje im węzły schematu kanonicznego zgodnie z posiadanym przez nie potencjałem powietrza.

Przyjmuje się przy tym, że potencjał powietrza w głównym węźle wlotowym do sieci jest równy zero.

Rozróżnia się następujące schematy potencjalne:

• niekumulacyjny,

• kumulacyjny.

W głębokich silnie metanowych kopalniach najbardziej przydatne okazały się kumulacyjne schematy potencjalne, tzn. schematy potencjalne, na których naniesione są wartości depresji naturalnych w niepoziomych bocznicach sieci wentylacyjnej.

Schemat potencjalny przedstawia pole potencjału powietrza oraz rozkład spadków potencjału powietrza w bocznicach sieci wentylacyjnej i można z jego pomocą opracowywać wiele zagadnień z zakresu bezpieczeństwa i ekonomiki sieci wentylacyjnej, takich jak np. badanie stabilności kierunków prądów powietrza w czasie działania lub postoju wentylatorów głównych, badanie racjonalności rozkładu spadków potencjału powietrza w sieci itp.

Rys. I. Schemat kanoniczny sieci wentylacyjnej kopalni C

Rys. J. Niekumulacyjny schemat potencjalny sieci wentylacyjnej kopalni C

Rys. K. Kumulacyjny schemat potencjalny sieci wentylacyjnej kopalni C

9

---