OBLICZANIE ZAPOTRZEBOWANIA POWIETRZA DLA CAŁOŚCI

KOPALNI I POSZCZEGULNYCH ŚCIAN

DANE WYJŚCIOWE DO PROJEKTU

1. Określenie struktury obłożenia ludźmi na poszczególnych zmianach.

I zmiana - 40% zatrudnionych ogółem

II zmiana - 30% zatrudnionych ogółem

III zmiana - 30% zatrudnionych ogółem

2. Dane

n - liczba porządkowa = 4

W_d - normatywna wydajność dobowa [Mg/1 osobę]

T_{d br} - wydobycie dobowe brutto ze ścian [MG/dobę]

b - obłożenie na najliczniejszej zmianie - przyjmujemy: b = 40%

W_d = 5 [Mg/1osobę]

T_{d br} = 10000 + 200 ∙ n = 10000 + 200 ∙ 4 = 10800 [Mg/dobę]

3. Postęp ściany ρ [m/dobę]

D - 3 = 4,9

D - 4 = 3,1

D - 6 = 3,9

4. Zanieczyszczenie pokładu węgla w granicach 15%

5. Metanowość złoża wynosi 7,0 [m³/t_csw]

6. Przekrój wnęki ścianowej charakteryzują następujące parametry:

- współczynnik zmniejszenia przekroju f = 1,00

- miąższość pokładu m [m]

- szerokość przy stropie l_st = 5,0 m

- szerokość przy spągu l_sp = 5,5 m

OKREŚLENIE NIEZBĘDNEJ ILOŚCI POWIETRZA

1. Określenie ilości powietrza ze względu na liczbę ludzi zatrudnionych na najliczniejszej zmianie.

Dla wykonania obliczeń korzystamy z wzoru

Q = η · N

gdzie:

η - wielkość wydatku powietrza przypadającego na 1 osobę pracującą pod ziemią [ m³/min], przyjmujemy, że a = 8 m³/min

N - liczba ludzi pracująca na najliczniejszej zmianie

N =

gdzie:

W_d - normatywna wydajność dobowa W_d = 5 [Mg/1osobę]

T_{d br} - wydobycie dobowe brutto ze ścian T_{d br} =10800 [Mg/dobę]

b - obłożenie na najliczniejszej zmianie - przyjmujemy: b = 40% =,04

N =
864[osoby]

Całkowita wielkość wydobycia T_{d br} jest sumą wielkości wydobycia z poszczególnych ścian, o parametrach zamieszczonych w tabeli:

Lp.	Nazwa ściany	Długość	Miąższość	Głębokość zalegania
1	D - 4	280	3,0	897
2	D - 6	245	2,9	870
3	D - 3	260	2,3	900

Podstawiając do wzoru

T_i = L · m · p · γ

otrzymujemy:

T_D-3 = 260 · 2,3 · 4,9 · 1,3 = 3800 [Mg/dobę]

T_D-4 = 280 · 3,0 · 3,9 · 1,3 = 3600 [Mg/dobę]

T_D-6 = 245 · 2,9 · 3,1 · 1,3 = 3400 [Mg/dobę]

gdzie:

γ - ciężar objętościowy węgla [Mg/m³]

RAZEM: Σ T_{d br} =10800 [Mg/dobę]

Obliczam niezbędną ilość powietrza

Q₁ = η · N = 4 · 864 = 3456 [ m³/min]

2. Obliczenie niezbędnej ilości powietrza ze względu na kategorie zagrożenia

metanowego .

Z wzoru:

Q₂ =
a_i ⋅ T_i [m³/min]

gdzie :

a_i - jest najmniejszym wydatkiem powietrza przypadającym 1 Mg wydobycia netto ze

ścian o różnym stopniu wydzielania metanu. [m³_CH4/Mg_CSW]

T_i - wydobycie dobowe poszczególnych ścian [Mg/dobę]

Q_i - dla III kategorii zagrożenia metanowego przyjmujemy 10

a_i = 0,15 ⋅ q_i

gdzie:

a_i = 0,15 ⋅ 10 = 1,5

Ostatecznie ustalamy niezbędną ilość powietrza ze względu na zagrożenie metanowe - Q₂.

Q_2i = T_ni ⋅ a_i [m³/min]

Q_2i = 10800 ⋅ 1,5 = 16200

∑ Q₂ = 16200 [m³/min]

RAZEM: Σ Q₂ = 16200 [Mg/dobę]

3. Zapotrzebowanie powietrza przez wzgląd na warunki klimatyczne.

Q_3­­ = ∑(k_i⋅T_i)

gdzie :

k_i- jest współczynnikiem określającym najmniejszy wydatek powietrza przypadający na

1 Mg wydobycia netto ze ścian zlokalizowanych na różnych głębokościach.

Lp.	Głębokość Eksploatacji	Współczynnik ki
1	< 400 m	< 1,0
2	400 m - 600 m	1,20- 1,5
3	600 m - 800 m	1,5 - 2,5
4	800 m - 1000 m	2,5 - 4,0
5	> 1000 m	> 4,0

Korzystając z powyższej tabeli przyjmujemy odpowiednie współczynniki k_i dla kolejnych

ścian i odpowiadających im głębokości.

Nazwa ściany	Głębokość zalegania	współczynnik ki
D - 4	897 m	2,9
D - 6	870 m	2,9
D - 3	900 m	2,9

Wielkość wydatku powietrza obliczone ze względu na warunki temperaturowe kształtuje się na następującym poziomie :

Q_{3i =} k_i ⋅ T_ni [m­­^3­­/min]

Q_3D-4= 2,9 ⋅ 3600 = 10440 m­­^3­­/min

Q_3D-6= 2,9 ⋅ 3400 = 9860 m­­^3­­/min

Q_3D-3= 2,9 ⋅ 3800 = 11020 m­­^3­­/min

∑Q₃^­­­= 31320 m­­^3­­/min

Po odliczeniu 15% strat na szybie wielkość wydatku powietrza wynosi 26622 [m­­^3­­/min]

4. Określenie całkowitej ilości powietrza dla kopalni.

Q_c= Q₃= 26622 [m­­^3­­/min]

5. Określenie stężenia powietrza na poszczególnych ścianach.

Ze względu na prędkość przepływającego powietrza

gdzie:

f - współczynnik zmniejszenia przekroju, f = 1,00

F - przekrój wyrobiska, który obliczamy wg wzorów:

F_D-4 = 0,5 (5+5,5) · 3,0 = 15,75 [m²]

F_D-6 = 0,5 (5+5,5) · 2,9 = 15,23[m²]

F_D-3 = 0,5 (5+5,5) · 2,3 = 12,08[m²]

Prędkość powietrza przepływającego w poszczególnych ścianach będzie się kształtowała następująco:

Jak wynika z przeprowadzonych wyliczeń prędkość ta jest większa od prędkości normowej podawanej przez przepisy górnicze równej 5 m/s .

6. Sieci wentylacyjne.

Sieci wentylacyjne można zapisać na kilka sposobów. Możemy robić to za pomocą schematów :

1. poglądowego

2. przestrzennego

3. kanonicznego

4. macierzowego

5. ilościowego

6. potencjalnego

7. pożarowego

W wykonanym ćwiczeniu pierwszym etapem było sporządzenie schematu poglądowego kopalni , naniesienie na kartę trzech czynnych pod względem eksploatacji ścian, dla których w kolejnej części projektu byłoby rozwiązanie sieci wentylacyjnej .

Każde z wyrobisk określono nazwą i podano jego położenie ( koty niwelacyjne ). Następnie wykonaliśmy schemat przestrzenny kopalni . Zasady kreślenia tego schematu są usytuowane w odpowiedniej normie .

Przy wykreśleniu schematu przestrzennego należało pamiętać o tym że :

1. szyby i szybiki wykonujemy liniami pionowymi,

2. wyrobiska drążone w kamieniu czyli wyrobiska udostępniające nachylone pod kątem 30^o , lub jako wyrobiska poziome,

3. wyrobiska w kamieniu biegnące prostopadle do rozciągłości wykonuje się pod kątem 30^o,

4. wyrobiska biegnące równolegle do rozciągłości wykonujemy poziomo,

5. wyrobiska wykonane w pokładzie prostopadłe do rozciągłości wykonuje się pod kątem 60^o,

6. wyrobiska łączące różne poziomy wykonujemy pod kątem 45^o.

Schemat przestrzenny (Rys.1) - nie jest rysunkiem w skali. Rysujemy go w układzie O-X-Y-Z.

- O-X - obrazuje kierunek linii rozciągłości pokładu ( chodnik i przekopy po rozciągłości),

- O-Y - obrazuje kierunek linii prostopadłej do rozciągłości

( przecznice ),

- O-Z - obrazuje kierunek linii pionowej do rozciągłości.

Na schemacie przestrzennym wszystkim węzłom nadano numer, a ponadto uwzględniono kierunek przepływu powietrza .

Schemat kanoniczny (Rys.2)

Następnie należało wykonać schemat kanoniczny. Czyli schemat usytuowania poszczególnych bocznic w sieci wentylacji, przy czym należy pamiętać aby ilość bocznic i węzłów w schemacie kanonicznym jak i przestrzennym była jednakowa.

Lp.	Nazwa	Węzeł	Węzeł	Długość	Rodzaj	Pole	Opór
		wyrobiska	wlotowy	wylotowy	wyrobiska	obudowy	przekroju	metrowego
								wyrobiska
					[m]		[m^2]	[Ns^2/m^7]
1	Szyb S 1-2	1	2	950	murowa	50,3	0,000001
2	Obiazdowy	2	3	160	ŁP 19	36,71	0,0000081
3	Przekop - 1	3	4	1660	ŁP 19	36,71	0,000004
4	Przekop - 2	3	9	140	ŁP 19	36,71	0,000004
5	Przekop - 3	9	14	540	ŁP 19	36,71	0,000004
6	Ściana D - 3	4	5	260	Zmech.	15,06	0,00003
7	Chodnik	5	6	1090	ŁP 15	27,61	0,000012
								nadścianowy 3N
8	Polowy 4	6	7	140	ŁP 15	27,61	0,0000081
9	Równoległy	7	8	370	ŁP 15	27,61	0,0000081
10	Ch. wentylacyjny	8	18	90	ŁP 19	36,71	0,0000081
11	Ch. wentylacyjny	18	19	2650	ŁP 19	36,71	0,0000081
12	Ch. Wschodni - 1	19	20	130	ŁP 19	36,71	0,0000081
13	Ch. Wschodni - 2	20	21	220	ŁP 19	36,71	0,0000081
14	Chodnik 1fB	9	10	380	Zmech.	17,36	0,00003
15	Chodnik 2fB	10	11	110	ŁP 15	27,61	0,000012
16	Ch. podścianowy 7a	11	12	690	ŁP 15	27,61	0,000012
17	Ściana D - 6	12	13	245	Zmech.	36,71	0,00003
18	Ch. nadścianowy 7b	13	18	1600	ŁP 19	36,71	0,0000055
19	Ch. podścianowy 4/II	14	15	1820	ŁP 19	36,71	0,000004
20	Ściana D - 4	15	16	280	Zmech.	36,71	0,00003
21	Ch. Nadścianowy 5/II	16	17	1290	ŁP 19	36,71	0,000004
22	Ch. Odstawczy	17	8	670	ŁP 15	27,61	0,000012
23	Szyb S 1-3	21	22	780	murowa	50,3	0,000001

Lp.	Opór	Wydatek		Prędkość	Strata	W1	W2	W3
		wyrobiska	powietrza		przepływu	naporu
		[Ns^2/m^8]	[m^3/min]	[m^3/s]	[m/s]	[Nm/m^3]
1	0,00095	26622	380,31	7,56	137,41	137,41	137,41	137,41
2	0,001296	26622	380,31	10,36	187,45	187,45	187,45	187,45
3	0,00664	9367	133,81	3,65	118,90	118,90
4	0,00056	17255	246,50	6,71	34,03		34,03	34,03
5	0,00216	8874	126,77	3,45	34,71		34,71
6	0,0078	4683,5	66,91	4,99	34,92	34,92
7	0,01308	9367	133,81	4,85	234,21	234,21
8	0,001134	9367	133,81	4,85	20,31	20,31
9	0,002997	9367	133,81	4,85	53,67	53,67
10	0,000729	18241	260,59	7,10	49,50	49,50	49,50
11	0,021465	26622	380,31	10,36	3104,68	3104,68	3104,68	3104,68
12	0,001053	26622	380,31	10,36	152,30	152,30	152,30	152,30
13	0,001782	26622	380,31	10,36	257,75	257,75	257,75	257,75
14	0,0114	8381	119,73	6,90	163,42			163,42
15	0,00132	8381	119,73	4,34	18,92			18,92
16	0,00828	8381	119,73	4,34	118,69			118,69
17	0,00735	4190,5	59,86	1,63	26,34			26,34
18	0,0088	8381	119,73	3,26	126,15			126,15
19	0,00728	8874	126,77	3,45	117,00		117,00
20	0,0084	4437	63,39	1,73	33,75		33,75
21	0,00516	8874	126,77	3,45	82,93		82,93
22	0,00804	8874	126,77	4,59	129,21		129,21
23	0,00078	26622	380,31	7,56	112,82	112,82	112,82	112,82
						4463,91	4433,53	4439,95

IV Dobór wentylatora

Na podstawie następujących danych tj:

Q - całkowita wielkość wydatku powietrza wynosi: 510,25 [m³/s]

W - suma straty naporu po najtrudniejszej drodze wynosi: 4463,91 [N/m²]

dobieram wentylator typu: WPK - 5,3 o obrotach n = 375 [obr./min] oraz wyliczam wielkość otworu równoznacznego równego
9,10 [m²]

gdzie R zostało wyliczone ze wzoru:

Symbol po nazwie wentylatora oznacza średnicę zewnętrzną wirnika, podaną w metrach.

Wirnik tego wentylatora jest napędzany poprzez podatne sprzęgło silnikiem asynchronicznym lub synchronicznym. Wirnik ma profilowane łopatki, wykonane z wysokowytrzymałej stali węglowej. Obudowa w części dolnej jest żelbetowa, w górnej blaszana. Dyfuzor - zależnie od wielkości wentylatora - buduje się blaszany lub żelbetowy. Wylot dyfuzora może być zamknięty za pomocą klapy rewersyjnej przy równoczesnym otwarciu kanału do szybu. Wentylator ma na wlocie kierownice osiowe, umożliwiające ekonomiczną regulację parametrów pracy.

Nominalne parametry wentylatora:

- wydajność Q = 580 [m³/s]

- spiętrzenie całkowite Δh_c = 6000 [Pa]

- liczba obrotów n = 375 [obr/min]

- sprawność całkowita went.
= 0,89

Lp.	Strata naporu	Spiętrzenie wentylatora	Strata naporu na Tamie regulacyjnej	Opór na tamie wentylacyjnej	Wielkości
W1	4463,91	4463,91	0	0,01715	kg/m^7
W2­	4433,53			30,38		0,01703
W­3	4439,95			23,96		0,01705

V Charakterystyka wentylatora

Całkowita depresja wentylatora jest równa sumie spadków naporu na najtrudniejszej drodze niezależnej.

Podstawiając różne wartości natężenia przepływu powietrza Q do poniższego wzoru można wykreślić krzywą otworu równoznacznego. Krzywa ta jest charakterystyką sieci kopalni. Nanosząc charakterystykę sieci wentylacyjnej określoną otworem równoznacznym na charakterystyki różnych wentylatorów, dobiera się wentylator główny w taki sposób, aby punkt pracy wentylatora znajdował się w pobliżu jego maksymalnej sprawności. Wydajność i depresję wentylatora odczytuje się jako współrzędne punktu przecięcia się charakterystyki depresji z charakterystyką kopalni.

Q	100	200	300	400	500	600
W	171,5	686,0	1543,5	2744,0	4287,5	6174,0

VI Pożary podziemne w kopalniach

Za pożar podziemny uważam pojawienie się w kopalni otwartego ognia tj. żarzącego się lub palącego się płomieniem materiału palnego, lub pojawienie się w powietrzu kopalnianym wszelkich objawów tlenku węgla, węglowodorów, lub dymu.

Zależnie od przyczyny powstania pożarów rozróżnia się dwa rodzaje pożarów:

• Pożary egzogeniczne - powstałe wskutek przyczyn zewnętrznych

• Pożary endogeniczne - powstałe wskutek samozapalenia się węgla

W miarę rozwoju pożaru wzrasta temperatura w jego ognisku, temperatura skał otaczających i temperatura powietrza przepływającego przez ognisko pożaru, wskutek czego wytworzona zostaje dodatkowa depresja cieplna, zwana depresją pożaru.

Najgroźniejszymi zaburzeniami w sieci wentylacyjnej, występującymi w czasie pożarów podziemnych i znanymi z praktyki kopalnianej są:

• odwracanie się prądów powietrza

• wtórne ogniska pożarowe

• wybuchy gazów pożarowych

• cofanie się dymów

Jeżeli pożar powstaje we wznoszącym się prądzie powietrza, prąd główny nie ulega odwróceniu, natomiast ulegają odwróceniu prądy boczne.

1. Depresja pożaru podziemnego powstałego w grupowym prądzie świeżego powietrza między węzłami 3 - 9.

Najważniejszym czynnikiem ciągu naturalnego, czyli tzw. depresji naturalnej, są przemiany termodynamiczne zachodzące w czasie ruchu powietrza w kopalni. Wielkość depresji cieplnej, a więc tej przeważającej części depresji naturalnej, która jest wywołana przemianami termodynamicznymi, łatwo jest wyznaczyć dla obiegu zamkniętego na podstawie pomiarów temperatury i ciśnienia powietrza w różnych punktach kopalni. Jeżeli powstanie pożar, jego wpływ na rozkład ciśnienia w poszczególnych punktach kopalni będzie stosunkowo nieduży, natomiast podniesie się temperatura na drodze przepływu gazów pożarowych. Zwiększenie depresji cieplnej kopalni, wywołane powstaniem w niej pożaru, nazywa się depresją pożaru lub czasem depresją ognia.

Wielkość depresji cieplnej pożaru na drodze wznoszącej się, w której powstał pożar lub którą płyną gorące gazy pożarowe, można w przybliżeniu obliczyć wzorem:

gdzie:

przyrost temperatury w miejscu pożaru

- temperatura bezwzględna powietrza przed powstaniem pożaru

z - różnica poziomów miejsca pożaru i końcowego punktu drogi nachylonej lub różnica wysokości pomiędzy początkowym i końcowym punktem drogi nachylonej

ciężar właściwy powietrza w wyrobisku przed powstaniem pożaru

Obliczenia dla pożaru przy danych:

700

= 295

z = 170 [m]

1,2

= 143,52 ≈ 144 [mm H₂O]

Lp

Nazwa

Węzeł

Węzeł

Zaburzenia w czasie pracy

Zabezpieczenia przed zaburzeniami

Wstępny plan

zadymienie

odwrócenie

wtórne

wybuchy

odwrócenia

wtórne

wybuchy

zabezpieczenia

wyrobiska

wlotowy

wylotowy

ogniska

ogniska

pożaru

pożarowe

pożarowe

1

szyb

1

2

2-3-4-5-6-7-8-18-19-20-21-22

1-zatrzymać wentylator lub wentylatory, pod których

wdechowy

działaniem znajduje się prąd powietrza płynący

szybem wdechowym

2-zamknąć przyszybowe tamy bezpieczeństwa na

wszystkich poziomach

3-zapewnić swobodny odpływ dymów (po odwróceniu

się prądu) przez podciągnięcie klatki powyżej zrębu

szybu i ewentualne otwarcie drzwi w chodniku

wyjściowym z szybu, znajdującym się poniżej zrębu

4-zamknięcie tamy TG - 3

2

szyb

21

22

22

1-zatrzymać wentylator na szybie wydechowym i

wydechowy

stworzyć warunki dla swobodnego odpływu gazów

pożarowych przez otwarcie klap szybowych na

zrębie tego szybu

2-zamknąć wszystkie tamy przez które powietrze

dopływa do szybu wydechowego

3-zamknięcie zasuwy na kanale wentylacyjnym, w

celu zabezpieczenia wentylatora przed skraplaniem

się na jego łopatkach pary wodnej i węglowodorów

zawartych w gazach pożarowych, które mogą się

zapalić i uszkodzić wentylator

4-przystąpić do aktywnego gaszenia

3

objazdowy

3

9

9-10-11-

4-5-6-7-

8-18

8-18

TG - 2

TG - 2

wyłączyć

1-odwrucenie wentylacji przy równoczesnej

12-13-18-

8-18

dopływ

stabilizacji sieci i prowadzeniu dalszej akcji od

19-20-21-22

prądu do

strony szybu wydechowego, który w tej sytuacji

skrzyżowania

spełnia zadanie szybu wdechowego

18

2-zatrzymanie wentylatora, pod działaniem którego

płynie powietrze w grupowym prądzie, gdzie powstał

pożar i zamknięcie wszystkich tam, przez które

płyną lub mogłyby płynąć dymy do oddziałów

3-skierowanie dymów do szybu wydechowego

najbliższą wydzieloną drogą odgałęziającą się od

grupowego prądu powietrza z miejscem pożaru, przy

zachowaniu dotychczasowej pracy wentylatorów

4

Ch.odstawczy

8

18-

18-19-20-21-22

10-11-12-13-19

18

18

TG-3

TG-3

TG-3

1-Wyprowadzić załogę z zagrożonego rejonu drogą

21-20-19-18-17-16-15-14-2 i do szybu wydechowego

2-Wyłączyć dopływ prądu do rejonu

3-Przystąpić do aktywnego gaszenia z jednoczesnym

wprowadzaniem zastępów ratowniczych

5

ściana D-6

12

13

13-18-19-20-21-22

8-17-16-15-14-9-18-8-7-6-5

18

18

TG-2

TG-2

TG-2

1-Wyprowadzić załogę z zagrożonego rejonu drogą

6-7-13-12-11-10-9-8-3-2 i do szybu wydechowego

2-Wyłączyć dopływ prądu do rejonu

3-Przystąpić do aktywnego gaszenia

z jednoczesnym wprowadzaniem zastępów

ratowniczych

12

14

14

---