Politechnika Wrocławska Wrocław 3 lutego 2000

Wydział Górniczy

Rozwiązanie klimatyzacji, robót przygotowawczych i eksploatacyjnych stosowane aktualnie w kopalniach KGHM

Wykonał:

Andrzej Kasprzyk

Rok akademicki 1999/2000

PROJEKTY KONCEPCYJNE KLIMATYZOWANIA ODDZIAŁÓW WYDOBYWCZYCH Z ZASTOSOWANIEM STACJONARNYCH URZĄDZEŃ KLIMATYZACYJNYCH I STANOWISKOWYCH KABIN KLIMATYZOWANYCH

Proponowany w niniejszym rozdziale sposób zabudowy przed frontem eksploatacyjnym stacjonarnych urządzeń chłodniczych (ziębiarek wodnych) i zespołów oziębiających powietrze, uwzględnia doświadczenia ruchowe uzyskane podczas pomiarów w oddziale G-11, takie jak:

• zespoły oziębiające powietrze należy lokalizować bezpośrednio przed wlotem powietrza na pasy tak, aby ochłodzone powietrze miało możliwie najkrótszą drogę do rejonu robót,

• należy wydzielić jedną z dwóch przecinek udostępniających oddział wyłącznie do celów klimatyzacji, w której zostaną zabudowane oziębiacze powietrza i która zostanie zamknięta dla maszyn samojezdnych,

• należy wyregulować rozpływ powietrza doprowadzanego do przewietrzania oddziału w taki sposób, aby cały strumień powietrza płynącego przecinką z oziębiaczami podlegał ochłodzeniu.

Proponuje się, aby urządzenie chłodnicze o wymaganej dla danego oddziału wydajności chłodniczej oraz zespół oziębiaczy powietrza zostały zabudowane zgodnie z projektem koncepcyjnym przedstawionym na rys 1, 2, 3 lub 4. Pierwszy z zamieszczonych rysunków (rys 1) przedstawia schemat lokalizacji po przebudowie zespołu oziębiaczy powietrza do nowej przecinki, natomiast rys. 2 przedstawia przykładowy stan robót górniczych w oddziale bezpośrednio przed przebudową zespołu oziębiaczy. Rysunek 5 przedstawia natomiast projekt koncepcyjny zabudowy zespołów oziębiaczy w przecince doprowadzającej powietrze do oddziału.

W proponowanym rozwiązaniu technicznym instalacji chłodniczej zimna woda o temperaturze +3°C z urządzenia chłodniczego izolowanym przewodem rurowym doprowadzona zostanie do zespołu oziębiaczy powietrza. Poszczególne oziębiacze powietrza będą indywidualnie, równolegle zasilane wodą chłodniczą z rurociągu zasilającego, natomiast do połączenia króćców zasilających w każdym oziębiaczu z głównym rurociągiem zasilającym wykorzystane zostaną przewody elastyczne. Po przejęciu ciepła od powietrza kopalnianego woda chłodnicza o temperaturze około 18°C zostanie przewodami elastycznymi z każdego oziębiacza doprowadzona do głównego rurociągu powrotnego, prowadzącego do parowacza ziębiarki (urządzenia chłodniczego). Na trasie rurociągu powrotnego wody chłodniczej pomiędzy oziębiaczami i urządzeniem chłodniczym zostanie zabudowana pompa wody o odpowiedniej wydajności. Rurociąg powrotny nie będzie izolowany, zaś do jego wykonania proponuje się sztywne rury stalowe lub przewody elastyczne.

Do doprowadzenia i odprowadzenia wody chłodniczej wykorzystane zostaną:

• rury i kształtki preizolowane typu PE-PU-ST o średnicach wewnętrznych rur tworzywowych od 73,6mm do 184mm, produkowanych przez firmę Elplast+ w Jasrtrzębiu Zdroju. W ww. elementach rurą przewodową jest rura z polietylenu dużej gęstości, klasy PE-100, materiał izolacyjny stanowi poliuretan o współczynniku przewodzenia ciepła 0,021 W/mK, zaś rurą osłonową jest rura stalowa przewodowa lub osłona wykonana z blachy stalowej ocynkowanej lub nieocynkowanej,

• rury z polietylenu klasy PE-100, o nazwie handlowej Borealis HE 2494, o średnicach wewnętrznych od 29,3mm do 363,6mm, produkowanych przez firmę NTI z Głogowa.

Dla oddziału wydobywczego przewietrzanego strumieniem powietrza 7500m³/min, niezbędna moc chłodnicza wynosi 1400kW, wydajność chłodnicza brutto oziębiaczy wynosi 1550kW, zaś wydajność chłodnicza ziębiarki równa jest 1700kW. W projekcie koncepcyjnym, dla przewietrzania oddziału z wskaźnikiem ilości powietrza 2,5 m³/min na Mg/dobę, proponuje się zastosowanie sześciu oziębiaczy powietrza. Wydajność nominalna każdego oziębiacza powinna wynosić 270kW, natomiast rzeczywista wydajność chłodnicza wynosi 258kW. Uwzględniając wydajność chłodniczą ziębiarki oraz obniżenie temperatury wody chłodniczej w parowaczu od 19°C do 3°C, ilość wody cyrkulującej pomiędzy ziębiarką i zespołem oziębiaczy wynosi ok. 91m³/h. Każdy z sześciu oziębiaczy zostanie zatem zasilany wodą w ilości około 15 m³/h, której temperatura, wskutek przejęcia ciepła od powietrza, wzrośnie o około 14,5°C. Średnica wewnętrzna głównych rurociągów wody chłodniczej nie może być mniejsza niż 140 mm.

W powyższym wariancie klimatyzacji istnieje również możliwość zastosowania trzech dwuwentylatorowych oziębiaczy powietrza o nominalnej wydajności 500kW każdy, lub dwóch oziębiaczy trójwentylatorowych o nominalnej wydajności 750kW każdy.

Przy założeniu, że ilość powietrza, przepływającego przez każdy z sześciu oziębiaczy 270kW, wyniesie 600m³/min, rozpływ powietrza w przecinkach doprowadzających powietrze świeże do oddziału powinien zostać ustalony następująco:

• w przecince z zespołem oziębiaczy strumień powietrza V = 3600 m³/min podlega ochłodzeniu i odwilżeniu od stanu początkowego ts/t_w = 30°C/25°C do stanu końcowego t_s/t_w, = 21,8°C/19,8°C, tj. o Δt = 8,2°C,

• w przecince bez zespołów klimatyzacyjnych (gdzie odbywa się odstawa urobku) strumień powietrza V = 3900 m³/min o temperaturze ts/t_w = 30°C/25°C dopływa na pasy oddziału.

Uzyskanie pożądanego rozkładu temperatury powietrza na pasach jest konsekwencją właściwie przyjętej intensywności przewietrzania poszczególnych pasów. Intensywność przewietrzania oddziału eksploatacyjnego można ograniczyć lub rozszerzyć strefę przewietrzania frontu można zmniejszyć lub zwiększyć poprzez odpowiednie zastosowanie regulatorów rozpływu powietrza. Jako regulatory rozpływu powietrza można zastosować tamy wentylacyjne (np. poprzez podsypanie części wyrobiska urobkiem) i wentylatory swobodne. Dla określenia najkorzystniejszego rozkładu temperatury powietrza wykonano w ramach niniejszego projektu koncepcyjnego obliczenia prognostyczne i wyznaczono rozkład temperatury powietrza:

• na pasie pierwszym (przyfrontowym), przewietrzanym powietrzem dopływającym z przecinki, gdzie zostały zabudowane oziębiacze powietrza,

• na pasie ostatnim (czwartym, przyzawałowym), przewietrzanym powietrzem nieochłodzonym.

Obliczenia prognostyczne przeprowadzono dla następującego rozłożenia strumienia powietrza:

• na pas przyfrontowy: 1900 m³/min, 2150 m³/min, 2400 m³/min, 1600 m/min, 1400 m³/min i 1000 m3/min,

• na pas przyzawałowy odpowiednio: 1900 m³/min, 1600 m³/min, 1400 m³/min, 2150 m³/min, 2400 m³/min i 2800 m³/min.

W obu wariantach całkowicie ochłodzone powietrze kierowane było do pasa przyfrontowego (do pasa I) a powietrze nieochłodzone do pasa przyzawałowego (do pasa IV). Pasami środkowymi (pasem II i III) płynęło zmieszane powietrze ochłodzone z nieochłodzonym. Rozkłady prognozowanej temperatury powietrza wzdłuż pasów przyfrontowego i przyzawałowego przedstawiono na rys. 6.

Całkowite zmieszanie powietrza ochłodzonego z nieochłodzonym na wlocie do oddziału i równomierny jego rozdział na wszystkie cztery pasy wewnątrz oddziału spowoduje identyczny rozkład temperatur powietrza we wszystkich czterech pasach. Temperatura powietrza na pasach będzie się kształtowała od 26,0°C (a początku frontu) do 32,3°C (na końcu frontu). W przeprowadzonej poniżej analizie rozpatrywano rozkłady temperatury powietrza ochłodzonego (w pasie przyfrontowym) i powietrza nieochłodzonego (w pasie przyzawałowym) w zależności od wielkości ich strumieni, w porównaniu z rozkładem temperatury całkowicie zmieszanych i równomiernie rozdzielonych na pasy strumieni powietrza (nazywanym dalej rozkładem temperatury na pasach uzyskanym przy schładzaniu całej ilości powietrza na wlotowego).

Przewietrzanie pasa przyfrontowego strumieniem powietrza - 2400 m³/min ochłodzonym do temperatury 21,8°C spowoduje rozkład temperatury powietrza na pasie od wartości 21,8°C do 29,2°C. Temperatura na początku frontu będzie niższa o 4,2°C w porównaniu do uzyskanej przy schładzaniu całej ilości powietrza wlotowego a na końcu frontu będzie niższa o 3,0°C w porównaniu do temperatury uzyskanej przy schładzaniu całej ilości powietrza wlotowego. Równocześnie na pasie przyzawałowym temperatura powietrza kształtować się będzie w przedziale od 30,0°C do 35,2°C (pas przyzawałowy będzie wówczas przewietrzany strumieniem powietrza 1400 m³/min) i będzie wyższa od temperatury uzyskanej przy schładzaniu całej ilości powietrza wlotowego o odpowiednio 4,0°C na początku pasa i o 3,0°C na końcu pasa.

Przewietrzanie pasa przyfrontowego strumieniem powietrza 1000 m³/min ochłodzonym do temperatury 21,8°C spowoduje rozkład temperatury powietrza na pasie od wartości 21,8°C do 32,2°C. Temperatura powietrza na początku frontu będzie niższa o 4,2°C w porównaniu do temperatury uzyskanej przy schładzaniu całej ilości powietrza wlotowego a na końcu frontu będzie równa temperaturze uzyskanej przy schładzaniu całej ilości powietrza wlotowego. Równocześnie temperatura na pasie przyzawałowym kształtować się będzie w przedziale od 30°C do 33,5°C (zakłada się, że pas przyzawałowy będzie przewietrzany strumieniem powietrza 2800 m³/min) i będzie wyższa od temperatury uzyskanej przy schładzaniu całej ilości powietrza wlotowego 0 4,0°C na początku pasa i o 1,3°C na końcu pasa. Wartości temperatur powietrza na pasach środkowych będą się zawierać w przedziale od wartości temperatury w pasie przyfrontowym do wartości temperatury w pasie przyzawałowym.

Dla drugiego rozpatrywanego wariantu, w którym analizuje się oddział przewietrzany strumieniem powietrza 6000 m³/min (wówczas wskaźnik ilości powietrza wynosi 2,0 m³/min na Mg/dobę) wartości mocy chłodniczych oziębiaczy i wydajności chłodniczych ziębiarek wynoszą:

• moc chłodnicza netto Q = 1900kW,

• moc chłodnicza brutto (chłodnicza zespołu oziębiaczy powietrza) Q = 2100 kW,

• wydajność chłodnicza ziębiarki (urządzenia chłodniczego) Q = 2300kW.

W projekcie koncepcyjnym dla takiego wariantu przewietrzania w oddziale proponuje się zastosowanie ośmiu oziębiaczy powietrza. Wydajność nominalna każdego oziębiacza powinna wynosić 270kW, natomiast rzeczywista wydajność chłodnicza wynosi 263kW. Uwzględniając wydajność chłodniczą ziębiarki oraz obniżenie temperatury wody chłodniczej w parowaczu od 19°C do 3°C, ilość wody cyrkulującej pomiędzy ziębiarką i zespołem oziębiaczy wynosi w tym przypadku ok. 124 m³/h. Każdy z ośmiu oziębiaczy zostanie zatem zasilany wodą w ilości około 16 m³/h, której temperatura wskutek przekazania ciepła od powietrza wzrośnie o około 14,6°C. Średnica wewnętrzna rurociągów doprowadzających i odprowadzających wodę chłodniczą nie może być mniejsza niż 170 mm.

W powyższym wariancie klimatyzacji istnieje również możliwość zastosowania trzech trójwentylatorowych oziębiaczy powietrza o nominalnej wydajności 750 kW każdy, lub dwóch oziębiaczy czterowentylatorowych o nominalnej wydajności 1000kW każdy.

Przy założeniu, że ilość powietrza, przepływającego przez każdy z ośmiu oziębiaczy 270kW, wynosi 500m³/min, rozpływ powietrza w przecinkach doprowadzających powietrze świeże do oddziału powinien zostać ustalony następująco:

• w przecince z zespołem oziębiaczy strumień powietrza V = 4000 m³/min podlega ochłodzeniu i odwilżeniu od stanu początkowego t_s<t_w, = 30°C/25°C do stanu końcowego t_s/t_w, = 19,8°C/18,3°C tj. o Δt = 11,2°C,

• w przecince bez zespołów klimatyzacyjnych (gdzie odbywa się odstawa urobku) strumień powietrza V = 3900 m³/min o temperaturze t_s/t_w = 30°C/25°C dopływa na pasy oddziału.

Obliczenia prognostyczne w projekcie koncepcyjnym dla przedmiotowego wariantu przeprowadzono dla następującego rozłożenia strumienia powietrza:

• na pas przyfrontowy: 1900 m³/min, 2150 m³/min, 2400 m³/min, 1600 m³/min, 1400 m³/min i 1000 m³/min,

• na pas przyzawałowy odpowiednio: 1900 m³/min, 1600 m³/min, 1400 m³/min, 2150 m³/min, 2400 m³/min i 2800 m³/min.

W obu wariantach całkowicie ochłodzone powietrze kierowane było do pasa przyfrontowego (do pasa I) a powietrze nieochłodzone do pasa przyzawałowego (do pasa IV). Pasami środkowymi (pasem II i III) płynęło zmieszane powietrze ochłodzone z nieochłodzonym. Rozkłady prognozowanej temperatury powietrza wzdłuż pasów przyfrontowego i przyzawałowego przedstawiono na rys. 7.

W analizowanym wariancie wentylacyjno-klimatyzacyjnym oddziału chłodzenie całej ilości powietrza wlotowego i równomierny jego rozdział na pasy (po 1500 m³/min na pas) ukształtuje temperaturę powietrza na pasach w zakresie od 23,3°C do 32,3°C. Przewietrzanie pasa przyfrontowego strumieniem powietrza 1900 m³/min ochłodzonego do temperatury 19,8°C spowoduje rozkład temperatury powietrza na pasie od 19,8°C do 28,6°C. Temperatura na początku pasa będzie niższa o 3,5°C a na końcu pasa o 3,8°C w porównaniu do temperatur uzyskanych przy schładzaniu całej ilości powietrza wlotowego. Równocześnie na pasie przyzawałowym temperatura powietrza kształtować się będzie w przedziale od 30,0°C do 36,3°C (pas przyzawałowy będzie przewietrzały strumieniem powietrza 1100 m³/min), czyli będzie wyższa od temperatur uzyskanych przy schładzaniu całej ilości powietrza wlotowego 0 odpowiednio 6,7°C i 3,9°C. Przewietrzanie pasa przyfrontowego strumieniem powietrza 800 m³/min ochłodzonego do temperatury 19,8°C spowoduje rozkład temperatury powietrza na pasie od wartości 19,8°C do 32,4°C. Temperatura powietrza ,na początku pasa będzie niższa o 3,5°C od temperatury uzyskanej przy schładzaniu całej ilości powietrza wlotowego a na końcu pasa będzie równa temperaturze uzyskanej przy schładzaniu całej ilości powietrza wlotowego. Równocześnie na pasie przyzawałowym temperatura powietrza kształtować się będzie w przedziale od 29,0°C do 33,5°C (pas przyzawałowy będzie przewietrzany strumieniem powietrza 2200 m³/min) i będzie wyższa od temperatury uzyskanej przy schładzaniu całej ilości powietrza wlotowego o 5,7°C na początku pasa i o 1,1°C na końcu pasa.

Przedstawione na zamieszczonych rozkłady temperatury powietrza wyznaczono przy założeniu, że wszystkie przodki komorowe przesuwają się równomiernie, linia zawału przesuwa się równomiernie po kolejnych pasach, i że nie występuje mieszanie oraz wymiana ciepła i masy pomiędzy strumieniami powietrza na poszczególnych pasach. W rzeczywistości front oddziału eksploatacyjnego tworzy złożoną sieć krótkich bocznic o zmiennym wydatku powietrza i węzłów, w których następuje proces wymiany ciepła i mieszanie strumieni powietrza. Dlatego też w warunkach rzeczywistego oddziału wydobywczego na pasach przy linii frontu temperatura powietrza może osiągnąć wyższe wartości od zaprognozowanych, natomiast na pasach przy linii zawału temperatura może osiągnąć wartości niższe od zaprognozowanych, nawet o 1°C.

W dalszej części przedstawiono kolejny wariant klimatyzacji z stacjonarnymi urządzeniami chłodniczymi poza frontem eksploatacyjnym, w którym rozważa się możliwość obniżenie temperatury powietrza w pasie przyfrontowym wykorzystując przesyłanie ochłodzonego powietrza lutniociągami o długości 70 m i 140 m z oziębiaczy powietrza na pas przyfrontowy. w obliczeniach dla lutniociągu o długości 70 m założono sprawność η = 60% a dla lutniociągu o długości 140 m sprawność η = 35%. Projekt koncepcyjny takiego rozwiązania technicznego pokazany jest na rys. 3.

Na rys. 8 przedstawiono rozkład temperatury powietrza na pasie przyfrontowym gdzie w początkowym odcinku pasa zainstalowane są dwa lutniociągi: pierwszy na długości 70 m a drugi na długości 140 m. Zakłada się, że do pasa dopływa 700 m³/min ochłodzonego powietrza o temperaturze 21,8°C wolnym przekrojem wyrobiska oraz 1200 m³/min ochłodzonego powietrza lutniociągami o identycznej temperaturze początkowej. Tak więc sumaryczna ilość powietrza płynącego wyrobiskiem oraz lutniociągami w każdym przekroju pasa przyfrontowego wynosiła 1900 m³/min. Otrzymany rozkład temperatury powietrza na pasie jest mniej korzystny od rozkładu uzyskanego dla stałego strumienia powietrza na pasie przyfrontowym 1900 m³/min i temperaturze początkowej 21,8°C. W przekroju pasa przed wylotem pierwszego lutniociągu temperatura powietrza w wyrobisku wynosi 24,6°C i jest wyższa od temperatury uzyskanej dla stałego strumienia powietrza w wyrobisku o 0,8°C. Po zmieszaniu z powietrzem wypływającym z pierwszego lutniociągu temperatura powietrza w wyrobisku wyniesie 23,8°C i jest równa temperaturze uzyskanej dla stałego strumienia powietrza. W przekroju wyrobiska przed wylotem drugiego lutniociągu temperatura powietrza w wyrobisku wynosi 25,9°C i jest wyższa od temperatury uzyskanej dla stałego strumienia powietrza o 0,3°C. Po zmieszaniu z powietrzem wypływającym z drugiego lutniociągu temperatura powietrza w wyrobisku wyniesie 25,5°C i jest niższa zaledwie o 0,1°C od temperatury uzyskanej dla stałego strumienia powietrza. Na końcu pasa przyfrontowego temperatura powietrza w wyrobisku dla przypadku z zainstalowanymi na wlocie lutniociągami wynosi 29,8°C (jak przy przewietrzaniu pasa stałym strumieniem powietrza). Na rys. 9 przedstawiono przykład rozkładu temperatury powietrza na pasie przyfrontowym, gdy w początkowym odcinku pasa zainstalowane są dwa lutniociągi (jak w poprzednim przykładzie) natomiast do pasa wolnym przekrojem dopływa strumień powietrza 1900 m³/min, i ta wielkość strumienia powietrza utrzymywana jest na całej długości pasa. Nadmiar powietrza na pasie przyfrontowym, spowodowany wypływami przez nieszczelności i z wylotów z lutniociągów, na odcinku z lutniami jest kierowany do pasa II. Otrzymany rozkład temperatury powietrza na pasie jest korzystniejszy niż rozkład uzyskany dla stałego strumienia powietrza na pasie przyfrontowym wynoszącym 1900 m³/min i temperatury początkowej 21,8°C. Na odcinku pasa przed wylotem pierwszego lutniociągu temperatury powietrza w wyrobisku są identyczne jak temperatury uzyskane dla stałego strumienia powietrza w wyrobisku. Na odcinku pasa między wylotami lutniociągów temperatura powietrza w wyrobisku mieści się w zakresie od 23,4°C do 25,2°C i jest niższa od temperatury uzyskanej dla stałego strumienia powietrza o 0,4°C. W przekrojach wyrobiska za wylotem z drugiego lutniociągu aż do końca pasa temperatura powietrza zawiera się w przedziale od 24,8°C do 29,4°C i jest niższa od temperatury powietrza uzyskanej dla stałego strumienia powietrza o 0,8°C w przekroju wyrobiska za wylotem dłuższego lutniociągu i 0,4°C na końcu pasa.

Rysunek 10 przedstawia rozkład temperatury powietrza w pasie przyfrontowym gdy w końcowym odcinku pasa zainstalowane są dwa lutniociągi o długości 70 m i 140 m tłoczące ochłodzone powietrze w ilości 600 m³/min każdy o temperaturze początkowej 21,8°C na końcowy odcinek pasa przyzawałowego. Na pas przyfrontowy dopływa powietrze ochłodzone o temperaturze 21,8°C w ilości 1000 m³/min. Otrzymany rozkład temperatury powietrza na pasie jest znacznie korzystniejszy w porównaniu do rozkładu uzyskanego dla stałego strumienia powietrza w pasie przyfrontowym 1000 m³/min i temperatury początkowej 21,8°C. Na odcinku pasa między wylotami z lutniociągów temperatura powietrza w wyrobisku zawiera się w zakresie od 27,8°C (za wylotem z drugiego lutniociągu) do 28,8°C (przed wylotem z krótkiego lutniociągu) i jest niższa od temperatury uzyskanej dla stałego strumienia powietrza o odpowiednio 1,0°C i 1,8°C. Na odcinku pasa od wylotu krótkiego lutniociągu do końca pasa temperatura powietrza w wyrobisku mieściła się w zakresie od 27,1°C do 27,6°C i była niższa od temperatury uzyskanej dla stałego strumienia powietrza odpowiednio 0 3,5°C i 4,6°C. Przesyłanie ochłodzonego świeżego powietrza lutniociągami na pas przyfrontowy od strony wylotu powietrza z oddziału wymaga jednak spełnienia następujących warunków:

• zainstalowana niezbędna dla oddziału wydobywczego moc chłodnicza musi zostać rozdzielona; zabudowany zostanie jeden zespół ziębiarki z oziębiaczami powietrza na wlocie oraz drugi zespół ziębiarki z oziębiaczami w rejonie wylotu,

• równolegle z chodnikami powietrza zużytego z oddziału musi być prowadzone wyrobisko z powietrzem świeżym, z którego zostanie zaczerpnięte powietrze ochładzane przez oziębiacze zabudowane przy wylocie z oddziału i które w dalszej kolejności zostanie dostarczone lutniociągami na pas przyfrontowy.

Uwzględniając niezbędne wielkości mocy chłodniczych ziębiarek, w projekcie koncepcyjnym zakłada się wykorzystanie urządzeń typu KM 2000 firmy GFW dla oddziałów przewietrzanych powietrzem w ilości 7500 m³/min, lub typu KM 3000 firmy GFW dla oddziałów przewietrzanych powietrzem w ilości 6000 m³/min. Odległość pomiędzy urządzeniami chłodniczymi i oziębiaczami powietrza nie powinna przekroczyć 500 m.

W projekcie koncepcyjnym oddziałowej klimatyzacji stacjonarnej z urządzeniami chłodniczymi dużej mocy proponuje się dodatkowo małe urządzenia chłodnicze na stanowiskach pracy (pojedynczych lub grupowych stanowiskach pracy) oraz na stanowiskach pracy w prądzie powietrza zużytego.

W przyjętym do rozważań oddziale uwzględniono następujące stanowiska pracy:

• operatorzy ładowarek, pojazdów ładująco-odstawczych i wozów odstawczych ­7 stanowisk,

• operatorzy wozów kotwiących i wiercących - 5 stanowisk,

• operatorzy wozów strzałowych - 2 stanowiska,

• operatorzy maszyn pomocniczych (m.in. obrywak, spych) - 2 stanowiska,

• górnicy wykonujący prace w przodku bez użycia SMG - 1 grupa stanowisk,

• górnicy-konserwatorzy urządzeń i instalacji na pasach - 1 grupa stanowisk,

• górnicy-konserwatorzy urządzeń i instalacji w wyrobiskach powietrza zużytego ­2 grupy stanowisk,

• operatorzy urządzeń do rozbijania brył skalnych - 2 stanowiska.

W charakterze dodatkowych małych urządzeń chłodniczych - poza ziębiarką z zespołem oziębiaczy na wlocie do oddziału - będą w tym przypadku zastosowane:

• małe urządzenia ziębnicze przy kabinach klimatyzowanych na wszystkich samojezdnych maszynach górniczych,

• dwa chłodzone powietrzem przewoźne urządzenia chłodnicze 150 kW,

• wypoczynkowa kabina klimatyzowana na wylocie z oddziału,

• dwa przewoźne urządzenia klimatyzacyjne 150 kW ustawione w wyrobisku powietrza zużytego w rejonie wykonywanych prac (np. naprawy lub konserwacji urządzeń górniczych),

• kabiny klimatyzowane na stanowiskach operatorów urządzeń do rozbijania brył skalnych.

Przykładowy projekt koncepcyjny rozmieszczenia sprzętu klimatyzacyjnego w powyższym wariancie pokazano na rys. od 1 do 4.

W oparciu o przeprowadzone obliczenia oszacowano, że w wariancie z chłodzeniem na wlocie i dodatkowymi urządzeniami chłodniczymi, niezbędna moc chłodnicza zespołu oziębiaczy na wlocie, umożliwiająca utrzymanie temperatury powietrza tylko na pasach do 33°C, jest o około 15 - 25% niższa od mocy chłodniczej skoncentrowanej na wlocie, niezbędnej dla osiągnięcia temperatury 33°C na wszystkich stanowiskach pracy. Natomiast na poziomie około 300 - 350 kW szacowana jest łączna moc chłodnicza urządzeń dodatkowych (przewoźne urządzenia klimatyzacyjne, kabiny klimatyzowane na SMG) w oddziale.

Na podstawie przeprowadzonych wyżej obliczeń prognostycznych można stwierdzić, że klimatyzacja oddziału wydobywczego, w której zastosowana zostanie ziębiarka wodna o właściwej wydajności chłodniczej i zespół wodnych oziębiaczy powietrza blisko wlotu do oddziału, zapewni utrzymanie właściwych warunków klimatycznych na pasach oddziału. Dla przyjętych w projekcie koncepcyjnym warunków przewietrzania oddziału i przyjętych mocy chłodniczych średnia temperatura powietrza w oddziale nie przekroczy 33°C, zaś przy sukcesywnym dokonywaniu przekładek zespołów oziębiających da kolejnych przecinek, wraz z postępem frontu, temperatura powietrza na końcu pasa przyfrontowego będzie się kształtować na poziomie pomiędzy 29°C i 31°C. Trudniejsze warunki klimatyczne mogą wystąpić na końcu pasa przy zawale. Korzystne efekty klimatyczne osiągnie się także wskutek podziału niezbędnej dla oddziału mocy chłodniczej, kiedy ok. 25%-30% mocy chłodniczej zainstaluje się z urządzeniem chłodniczym w rejonie wylotu z oddziału. Powietrze ochłodzone lutniociągami powinno wówczas zostać doprowadzone na pas przyfrontowy. Doprowadzenie lutniociągami ochłodzonego powietrza np. z czterech oziębiaczy powietrza o nominalnej wydajności chłodniczej 270kW każdy, na pas przyfrontowy powinno zostać zrealizowane zawsze w przypadku gdy front eksploatacyjny wyprzedzi przecinkę doprowadzającą do oddziału ochłodzone powietrze.

W istniejących zagłębiach górniczych na świecie, a w tym również w kopalniach węgla kamiennego w Polsce, rozwój techniki klimatyzacyjnej i sposobów ochładzania powietrza kopalnianego przebiegał w kilku etapach. Polegały one na:

• stosowaniu lokalnych urządzeń chłodniczych o wydajności ziębienia ok. 300 kW,

• stosowaniu ww. środków technicznych i lokalnych ziębiarek wodnych o wydajności rzędu 3000 kW,

• instalowaniu centralnej klimatyzacji w wersji naziemnej lub podziemnej.

Typowym sposobem wykorzystania dyspozycyjnej mocy chłodniczej w znanych rozwiązaniach klimatyzacji górniczej jest schładzanie całej ilości powietrza na wlocie do oddziałów lub rejonów robót, aczkolwiek stosowane są także rozwiązania urządzeń chłodniczych dla kilkustopniowego schładzania powietrza wzdłuż frontu eksploatacyjnego, np. ściany.

W oddziałach produkcyjnych w kopalniach KGHM Polska Miedź SA, prowadzących eksploatację systemem filarowo-komorowym, front eksploatacyjny charakteryzuje się występowaniem wielu lokalnych źródeł ciepła, którymi są maszyny i urządzenia elektromechaniczne pracujące w eksploatowanych komorach, a także występowaniem ruchomych źródeł ciepła, pochodzących od maszyn z napędem spalinowym, przemieszczających się po pasach eksploatacyjnych. Stosowanie w takich warunkach rozwiązań ze schładzaniem powietrza w urządzeniach stacjonarnych zabudowanych na wlocie do oddziału może nie być efektywne. Wykonane obliczenia wykazały, że dla jednego oddziału wydobywczego o wielkości produkcji ok. 3000 Mg/dobę moc chłodnicza netto niezbędna teoretycznie dla zapewnienia na stanowiskach pracy w oddziale temperatury powietrza poniżej 33°C wyniesie w granicach od 1,5 MW do 2,5 MW.

Pomiary i badania parametrów klimatycznych powietrza w oddziałach wydobywczych wykazują, że szczególnie trudne warunki cieplne panują na stanowiskach operatorów wozów odstawczych, ładowarek kopalnianych, wozów wiercących i kotwiących, wozów do obrywki, samojezdnych wozów odwadniających, samojezdnych wozów strzelniczych oraz spychów. Na wymienionych stanowiskach pracy istotnym składnikiem niekorzystnego bilansu cieplnego jest niejednokrotnie strumień ciepła promieniowania i konwekcji, pochodzący od zespołów układu napędowego maszyny górniczej. Tak duże zyski ciepła wpływają na dodatkowy wzrost temperatury powietrza na stanowiskach pracy w stosunku do temperatury powietrza otaczającego stanowisko pracy. Ponadto niewielkie średnie prędkości przepływu powietrza w miejscach gdzie odbywa się praca z wykorzystaniem maszyn samojezdnych dodatkowo pogarszają warunki klimatyczne na operatorskich stanowiskach pracy.

W bezpośrednim sąsiedztwie oddziałów wydobywczych znajdują się również stanowiska operatorów urządzeń do rozbijania brył skalnych typu "Roxon" oraz stanowiska operatorów napędów przenośników taśmowych. Przedmiotowe stanowiska zlokalizowane są z reguły w prądzie powietrza zużytego, w którym temperatura powietrza może przekraczać 33°C. Ochładzania powietrza wymagają także, zlokalizowane w pobliżu oddziału wydobywczego, stanowiska pracy, np. w komorze-rozdzielni elektrycznej oraz stanowiska pracy przy serwisowaniu i naprawach urządzeń i instalacji zlokalizowanych w prądzie powietrza zużytego (np. przy naprawach instalacji elektrycznej lub przenośników taśmowych).

Uwzględniając fakt, że w kopalniach rud miedzi w Polsce technologia wybierania złoża charakteryzuje się występowaniem licznych operatorskich stanowisk pracy, zlokalizowanych na maszynach samojezdnych i przy pulpitach sterowniczych urządzeń stacjonarnych, za celowe wydaje się stosowanie techniki klimatyzacji stanowiskowej. Polega ona na nawiewie do kabiny, zabudowanej na stanowisku pracy, ochłodzonego i oczyszczonego powietrza po odpowiedniej obróbce termiczno-filtracyjnej w małym urządzeniu chłodniczym.

Konstrukcje i działanie urządzeń klimatyzacji stanowiskowej

W kopalniach KGHM Polska Miedź SA stosowane są obecnie następujące urządzenia techniki klimatyzacyjnej, opracowane przez CBPM Cuprum w okresie od 1992r:

• kabiny klimatyzowane typu UKR-3 i UKR-3b na stanowiskach operatorów napędów przenośników taśmowych i stanowiskach operatorów urządzeń do rozbijania brył skalnych,

• urządzenie klimatyzacyjne typu UKK-1 ochładzające powietrze nawiewane na otwarte (nieosłonięte) stanowisko operatora dwumiejscowego samojezdnego wozu kotwiącego SWK,

• urządzenia klimatyzacyjne UKW-1 i UKM-1 ochładzające powietrze nawiewane do zamkniętych kabin operatorów samojezdnych wozów wiercących SWW, samojezdnych wozów kotwiących SWK i ładowarek kopalnianych ŁK,

• urządzenie klimatyzacyjne UKL-2 ochładzające powietrze nawiewane do zamkniętej kabiny operatora niskiej ładowarki kopalnianej,

• urządzenia klimatyzacyjne UKWO-1 ochładzające powietrze nawiewane do zamkniętych kabin operatorów samojezdnych wozów strzelniczych SWS i wozów odstawczych WO.

Ponadto w eksploatacji w oddziałach maszyn ciężkich w kopalniach rud miedzi znajdują się ładowarki kopalniane z klimatyzacją TORO firmy Tamrock i ładowarki WAGNER firmy Atlas Copco. W ruchu doświadczalnym są także urządzenia klimatyzacyjne typu ACDSK firmy Klimawent, zabudowane przy kabinach operatorów urządzeń stacjonarnych.

Klimatyzowaną kabinę typu UKR-3b, dostosowaną do zabudowy np. na stanowisku górnika - operatora urządzenia do rozbijania brył skalnych, przedstawiono na rysunku 1. W skład zestawu wchodzi:

• kabina operatora,

• urządzenie klimatyzacyjne,

• zestaw zasilająco-sterowniczy.

Kabina zestawu UKR-3b posiada wymiary podstawy 1,1 m x 1,6 m i wysokość 2,1 m. Dostęp do wnętrza kabiny umożliwiają dwoje drzwi w obu bocznych ścianach kabiny, otwierane na zewnątrz. Oszklenie kabiny - na ścianie czołowej, w drzwiach i dodatkowo w ścianach bocznych obok drzwi - wykonane jest ze szkła klejonego. Materiałem izolującym cieplnie i akustycznie w kabinie jest niepalna wełna mineralna. W dachu kabiny znajduje się otwór doprowadzający ochłodzone powietrze oraz zabudowany jest anemostat w celu zapewnienia dostarczenia schłodzonego powietrza do wnętrza kabiny.

Urządzenie klimatyzacyjne, w którym następuje filtrowanie i ochładzanie powietrza nawiewanego do wnętrza kabiny, stanowi zespół połączonych funkcjonalnie elementów chłodniczych, zabudowanych w odpowiednio wytrzymałej obudowie. Wytwarzanie energii chłodniczej następuje w rezultacie sprężarkowego obiegu chłodniczego z czynnikiem ekologicznym. Zasysanie powietrza przez wentylatory urządzenia klimatyzacyjnego następuje w części z atmosfery kopalnianej i w części przez recyrkulację z kabiny, przy czym strumień powietrza kopalnianego przed ochłodzeniem jest filtrowany na włókninowych filtrach pyłowych.

Elektryczny zespół zasilająco-sterowniczy, przystosowany do zasilania napięciem prądu przemiennego 500 V, przeznaczony jest do:

• zasilania napięciem prądu przemiennego 500 V i napięciem prądu stałego 24 V wszystkich napędów w urządzeniu klimatyzacyjnym,

• umożliwienia załączania i zatrzymywania urządzenia klimatyzacyjnego dla uzyskania określonej opcji pracy, osiągania założonych parametrów i dla zabezpieczenia przed stanami awaryjnymi,

• umożliwienia sygnalizacji działania,

Elektryczny zestaw zasilająco-sterowniczy może być zabudowany wewnątrz konstrukcji urządzenia klimatyzacyjnego lub poza urządzeniem.

Dla produkowanych w Boart Lena samojezdnych wozów wiercących SWW-8H, z zamknięta kabiną operatora, zastosowano urządzenie klimatyzacyjne typu UKW-1. Przeznaczeniem tego urządzenia, pokazanego na rysunku 2, jest zasysanie powietrza kopalnianego na filtry pyłowe i zasysanie powietrza recyrkulacyjnego z kabiny, jak również schłodzenie całego strumienia powietrza oraz dostarczenie go przewodem elastycznym do wnętrza kabiny operatora wozu wiercącego. W urządzeniu klimatyzacyjny UKW-1, jak również w urządzeniach UKM-1, UKWO-1 i UKL-2 stanowiących modernizacje konstrukcyjne dostosowane do zabudowy na innych typach samojezdnych maszyn górniczych, realizowany jest sprężarkowy obieg chłodniczy. Napęd wentylatorów w wymienionych typach urządzeń klimatyzacyjnych na maszynach samojezdnych następuje z instalacji elektrycznej 24 V, natomiast sprężarka chłodnicza napędzana jest bezpośrednio od silnika hydraulicznego, zasilanego olejem z siłowego układu hydraulicznego maszyny. W samojezdnych maszynach przodkowych, przeznaczonych do wykonywania określonych czynności technologicznych w przodku w czasie postoju (np. kotwienie, wiercenie, ładowanie otworów strzałowych), przewidziana jest w układzie klimatyzacji dodatkowa pompa hydrauliczna, napędzana od silnika elektrycznego 500 V.

Przykład zabudowy urządzeń klimatyzacyjnych, opracowanych i wykonanych w Cuprum, na ładowarkach kopalnianych z zamkniętą kabiną operatora pokazano na rysunku 3.

Natomiast rysunek 4 przedstawia urządzenie klimatyzacyjne na samojezdnym wozie strzelniczym. W tym przypadku urządzenie schładza powietrze i doprowadza do zamkniętej kabiny operatora lub w obręb nieosłoniętego stanowiska pracy górników strzałowych na podeście roboczym. Przełączanie trybu pracy "nawiew do kabiny - nawiew na podest roboczy" odbywa się poprzez ręczne przesterowanie przepustnicy powietrza w rozdzielaczu umieszczonym obok urządzenia klimatyzacyjnego. W rezultacie podczas przejazdu i manewrowania maszyną operator pracuje w zamkniętej klimatyzowanej kabinie, natomiast podczas pracy w przodku i ładowania otworów strzałowych praca górników wykonujących określone czynności z podestu roboczego odbywa się przy kilkupunktowym nawiewie schłodzonego powietrza.

Urządzenia klimatyzacyjne, opracowane i wytworzone w Cuprum, są zabudowane i pracują na następujących samojezdnych maszynach górniczych:

• na ładowarkach kopalnianych produkcji FM Fadroma,

• na niskiej ładowarce kopalnianej produkcji DFM Zanam,

• na samojezdnych wozach kotwiących produkcji DFM Zanam,

• na samojezdnych wozach wiercących produkcji Boart Lena,

• na samojezdnym wozie strzelniczym produkcji ZM Lena,

• na wozie odstawczym produkcji ZM Legmet.

Podstawowymi parametrami działania urządzeń techniki klimatyzacji stanowiskowej są:

• strumień ochładzanego powietrza, nawiewanego do kabiny - na stanowisko pracy,

• obniżenie, w stosunku do atmosfery kopalnianej, temperatury powietrza w kabinie lub na wylocie z nawiewników,

• wydajność chłodnicza urządzenia klimatyzacyjnego.

Przeprowadzone pomiary przy kabinach stacjonarnych urządzeń górniczych wykazały, że urządzenia klimatyzacyjne typu UKR-3b umożliwiły obniżenie temperatury powietrza w kabinie o 4-8 °C, przy nawiewie do kabiny powietrza w ilości od 6 m³/min do 13 m³/min. Powyższy zakres wartości strumienia ochłodzonego powietrza wynikał z różnego stopnia czystości filtrów w chwili pomiarów oraz z różnych odległości urządzenia klimatyzacyjnego od wlotu powietrza do kabiny. W każdym przypadku działania kabin klimatyzowanych odczuwane były zdecydowanie korzystniejsze parametry mikroklimatu w kabinie niż w wyrobisku kopalnianym. Zarejestrowana w trakcie pomiarów wydajność chłodnicza urządzeń UKR-3b i UKR-3 kształtowała się w przedziale od 2,75 kW do 3,65 kW.

Efekty działania urządzeń techniki klimatyzacyjnej na maszynach samojezdnych zależą natomiast, jak stwierdzono podczas pomiarów powierzchniowych i dołowych, od parametrów napędu sprężarki, będącej podstawowym elementem determinującym wielkość wytworzonej przez urządzenie klimatyzacyjne energii chłodniczej. W rozwiązaniach napędu sprężarek w urządzeniach serii UKW, UKM, UKL i UKWO od pompy hydraulicznej, zmieniającej wydajność hydrauliczną wraz z prędkością obrotową silnika spalinowego, uzyskiwana jest prędkość obrotowa silnika hydraulicznego i sprężarki w zakresie od 600 obr/min przy wolnych obrotach silnika spalinowego do ok. 2000 obr/min przy obrotach maksymalnych. Średnia wartość spadku temperatury powietrza na wylocie z nawiewników w kabinach operatorów maszyn samojezdnych wynosiła:

• od 13°C do 8,5°C przy niskich obrotach głównego silnika spalinowego,

• od 14,5°C do 9,5°C przy średnich obrotach głównego silnika spalinowego,

• od 15,5°C do 10,5°C przy wysokich obrotach głównego silnika spalinowego.

Średnie obniżenie temperatury powietrza w kabinach klimatyzowanych maszyn samojezdnych z zabudowanymi urządzeniami klimatyzacyjnymi produkcji Cuprum kształtowało się w przedziale od 3°C do 6,5°C, także w warunkach gdy samojezdne maszyny przodkowe pracowały z zatrzymanymi silnikami spalinowymi i były podłączone do kopalnianej sieci elektroenergetycznej 500 V. Przedstawiony wyżej zakres uzyskiwanego obniżenia temperatury powietrza, zarówno w nawiewnikach jak i w całej objętości kabiny, wynikał z różnych sposobów nawiewu powierza do kabiny, różnego sposobu ukształtowania i zlokalizowania nawiewników, zmiennej prędkości obrotowej silnika napędzającego sprężarkę oraz różnych parametrów klimatycznych powietrza kopalnianego w rejonie pracy maszyny samojezdnej z urządzeniem klimatyzacyjnym. Zarejestrowane parametry klimatyczne i efekty działania urządzenia klimatyzacyjnego na SMG uzyskiwane były przy wielkości strumienia ochładzanego powietrza w zakresie od 340 m3/h do 500 m3/h i przy wydajności chłodniczej urządzeń klimatyzacyjnych w zakresie od 2,6 do 3,7 kW.

Badania w zakresie efektywności schładzania powietrza w obrębie stanowiska pracy górników strzałowych w zespole roboczym SWS wykazały, że średnie obniżenie temperatury powietrza (średnia arytmetyczna z pięciu punktów pomiarowych) wyniosło w nieosłoniętej przestrzeni klimatyzowanej od 3°C do 5,5°C przy nawiewie ochłodzonego powietrza z prędkością 1,2 - 1,7 m/s. Jednocześnie stwierdzono, że na wylotach z dysz nawiewnych przy podeście zespołu roboczego temperatura powietrza schłodzonego była obniżona nawet o 15°C w stosunku do temperatury powietrza kopalnianego.

W trakcie przeprowadzonych pomiarów i badań stwierdzono, że uzyskiwane wskutek działania urządzeń klimatyzacyjnych parametry cieplne zdecydowanie poprawiają warunki pracy na stanowiskach operatorskich, poprawiają subiektywne odczucie komfortu cieplnego, zaś ilości powietrza nawiewanego do wnętrza kabin zapewniają odpowiednią wymianę powietrza jak i możliwość rozrzedzenia gazu czynnika chłodniczego w przypadku ewentualnej awarii urządzeń klimatyzacyjnych.

Podsumowanie - perspektywy stosowania klimatyzacji stanowiskowej

Znaczenie i ranga techniki klimatyzacji stanowiskowej przedstawiona zostanie poniżej na przykładzie oddziału wydobywczego o wielkości produkcji 3000 - 3500 Mg/dobę, w którym pracują maszyny o napędzie spalinowym o łącznej mocy 1400 kW i urządzenia elektroenergetyczne o łącznej mocy 1,9 MVA. Średnio na zmianie roboczej występują następujące stanowiska pracy:

• przy robotach przodkowych: 24 stanowiska, w tym 16 stanowisk operatorów maszyn samojezdnych i 8 stanowisk pozostałych,

• przy robotach na froncie eksploatacyjnym: 3 stanowiska,

• przy robotach remontowych i konserwacyjnych: 6 stanowisk,

• dozór: 2 stanowiska

Ponadto w bezpośrednim sąsiedztwie oddziału wydobywczego znajdują się dwie kraty przesypowe z urządzeniami do rozbijania brył skalnych oraz dwa stanowiska operatorów napędów przenośników taśmowych.

Dla zapewnienia właściwych warunków klimatycznych na wszystkich stanowiskach pracy w oddziale oraz na wymienionych wyżej stanowiskach w prądzie powietrza zużytego w pobliżu oddziału, może zostać skutecznie wykorzystany skojarzony system klimatyzacji, w którym zastosowane będą następujące urządzenia klimatyzacyjne:

• stacjonarny zespół oziębiaczy powietrza o mocy chłodniczej około 1,5 MW, zabudowany przed wlotem na oddział, ochładzający cały strumień powietrza wlotowego do takiej temperatury, aby na pasach oddziału utrzymana została temperatura powietrza nie wyższa niż 33 °C,

• małe urządzenia chłodnicze i kabiny klimatyzowane na wszystkich stanowiskach operatorów maszyn samojezdnych,

• małe urządzenia chłodnicze i kabiny klimatyzowane na stanowiskach operatorów urządzeń do rozbijania brył skalnych,

• małe urządzenia chłodnicze i kabiny klimatyzowane (jednoosobowe) na stanowiskach operatorów napędów przenośników taśmowych,

• wypoczynkowo-regeneracyjne kabiny klimatyzowane, dla 8 - 10 osób, instalowane na wlocie i wylocie z oddziału,

• przewoźne urządzenia klimatyzacyjne o wydajności chłodniczej około 150 kW, przeznaczone do ochładzania powietrza kierowanego lutniociągami do rejonu grupującego kilka stanowisk pracy (np. stanowiska brygad wykonujących: prace w przodku bez wykorzystania SMG, prace konserwacyjne lub montażowe na jednym z pasów oddziału, prace w rozdzielni elektrycznej, dokonującej naprawy lub konserwacji urządzenia względnie instalacji w wyrobisku powietrza zużytego).

W powyższym sposobie skojarzenia klimatyzacji stacjonarnej z klimatyzacją stanowiskową moc chłodnicza jednostek stacjonarnych może zostać ograniczona o około 30 ­35 %. Szacuje się, że zastosowanie małych urządzeń chłodniczych o łącznej wydajności chłodniczej ok. 60 kW na poszczególnych stanowiskach pracy, może ograniczyć niezbędną do zastosowania moc chłodnicza maszyn klimatyzacyjnych na wlocie o ok. 600 kW. Efektywność przedstawionego sposobu związana jest ze schłodzeniem dużych ilości powietrza tylko do stanu zapewniającego utrzymanie właściwych warunków klimatycznych na pasach i dalszym chłodzeniem już niewielkich ilości powietrza na pojedynczych stanowiskach pracy.

Przy wyborze właściwego systemu, klimatyzacji wyrobisk górniczych kopalń KGHM Polska Miedź SA najistotniejszym czynnikiem wyboru będzie kryterium ekonomiczne, jednakże sposób klimatyzacji stanowiskowej wydaje się bezkonkurencyjnym ogniwem w każdym systemie klimatyzacji.

URZADZENIA KLIMATYZACYJNE TYPU UKW-1, UKM-1 i UKL-2

Urządzenia klimatyzacyjne UKW-1, UKNI-1 lub UKL2 przeznaczone są do filtrowania i ochładzania powietrza kierowanego następnie elastycznym przewodem nawiewnym do kabiny operatora samojezdnej maszyny górniczej. Wykonane są one w zwartej i wytrzymałej formie kompaktowej. Ochłodzenie powietrze następuje w efekcie realizacji sprężarkowego obiegu chłodniczego z czytnikiem chłodniczym R-134a. Przedmiotowe urządzenia klimatyzacyjne napędzane są z hydraulicznego układu siłowego maszyny samojezdnej i z instalacji elektrycznej 24V DC. Elektryczny zespół sterowniczo-sygnalizacyjny zabudowany jest w dwóch osobnych skrzynkach, instalowanych na maszynie samojezdnej i w kabinie operatora.

Gotowość urządzenia do działania uzyskuje się po jego zainstalowaniu na maszynie, podłączeniu przewodów hydraulicznych, połączeniu urządzenia i skrzynek elektrycznych wiązkami przewodów, doprowadzeniu przewodu zasilającego 24V DC i po założeniu elastycznych przewodów wentylacyjnych.

Podstawowe dane techniczne urządzeń UKW-1, UKM-1 i UKL-2:

• nominalna wydajność chłodnicza-3,0 kW,

• nominalny strumień ochłodzonego powietrza- 500 m³ /h

• zasilanie hydrauliczne: olej hydrauliczny o ciśnieniu pmax-16 Mpa, w ilości od 40 dm³/min do 85 dm³/min,

• napięcie zasilania-24V DC, pobór prądu 13A.

URZĄDZENIA KLIMATYZACYJNE TYPU UKR-2 i UKR-3

Urządzenia klimatyzacyjne UKR-2 lub UKR-3 przeznaczone są do ochładzania i filtrowania powietrza kierowanego przewodem nawiewnym do kabiny operatora stacjonarnego urządzenia górniczego, np. urządzenia do rozbijania brył skalnych. Wykonane są one w zwartej i wytrzymałej formie kompaktowej. Ochłodzenie powietrza następuje w efekcie realizacji sprężarkowego obiegu chłodniczego z czynnikiem chłodniczym R-134a. Przedmiotowe urządzenie klimatyzacyjne zasilane są z elektrycznej instalacji kopalnianej 5OOV 50Hz.

W urządzeniu klimatyzacyjnym UKR-2 zastosowany jest kompletny agregat sprężarkowo-skraplający w wersji dostępnej w handlu, natomiast urządzenie UKR-3 złożone jest z niezależnych podzespołów, produkowanych przez renomowane firmy światowe.

Elektryczny zespól sterowniczo-sygnalizacyjny w urządzeniu UKR-2 zabudowany jest w dwóch osobnych skrzynkach, instalowanych na kabinie lub na ociosie oraz w kabinie operatora. Natomiast w urządzeniu UKR-3 osprzęt elektryczny zabudowany został w jednej obudowie razem z częścią chłodniczą i wentylacją.

Gotowość urządzenia do działania uzyskuje się po jego ustawieniu na platformie lub wyrównanym spągu obok kabiny, połączeniu urządzenia i skrzynek elektrycznych wiązkami przewodów (tylko w przypadku urządzenia UKR- 2), doprowadzeniu przewodu zasilającego 5OOV 50 Hz i założeniu elastycznych przewodów wentylacyjnych.

Podstawowe dane techniczne urządzenia UKR-2 i UKR-3

• nominalna wydajność chłodnicza-3,5 kW,

• nominalny strumień ochłodzonego powietrza 550m3/h napięcie zasilania-500 V, 5 Hz

• moc zainstalowanych napędów - 1,8 kW

• wymiary urządzenia UKR-2: dług. x szer. x wys.-710mm x 520 mm x 740 mm

• wymiary urządzenia UKR-3: dług. x szer. x wys.-740 mm x 740 mm x 1050 mm

URZADZENIE KLIMATYZACYJNE TYPU UKR-3b

Urządzenie klimatyzacyjne UKR-3b przeznaczone jest do filtrowania i ochładzania powietrza kierowanego następnie elastycznym przewodem nawiewnym do kabiny operatora stacjonarnego urządzenia górniczego, np. urządzenia do rozbijania brył skalnych. Wykonane jest ono w zwartej i wytrzymałej formie kompaktowej. Ochłodzenie powietrza następuje w efekcie realizacji sprężarkowego obiegu chłodniczego z czynnikiem chłodniczym R-134a. Przedmiotowe urządzenie klimatyzacyjne zasilane jest z instalacji kopalnianej 500 V 50 Hz. Elektryczny zespól sterowniczo-sygnalizacyjny zabudowany jest w dwóch osobnych skrzynkach, instalowanych na kabinie lub na ociosie oaz w kabinie operatora.

Gotowość urządzenia do działania uzyskuje się po jego zabudowie na dachu kabiny (lub platformie obok kabiny), połączeniu urządzenia i skrzynek elektrycznych wiązkami przewodów, doprowadzeniu przewodu zasilającego 500 V 50 Hz i założeniu elastycznych przewodów wentylacyjnych.

Podstawowe dane techniczne urządzenia UKR-3b:

• nominalna wydajność chłodnicza - 3,5 kW

• nominalny strumień ochłodzonego powietrza - 550 m³/h,

• napięcie zasilania - 500 V, 50Hz,

• moc zainstalowanych napędów - 1,8 kW,

• wymiary urządzenia: długość x szerokość x wysokość -910 mm x 720 mm x 310 mm

OPRACOWANIE PROPOZYCJI OPTYMALNYCH PARAMETRÓW SYSTEMU EKSPLOATACJI

Najczęściej stosowanym sposobem klimatyzacji robót górniczych jest chłodzenie powietrza na wlocie do rejonu wydobywczego, mimo że rozmieszczenie oziębiaczy powietrza wzdłuż frontu eksploatacyjnego wymaga mniejszej mocy chłodniczej. Wprowadzenie urządzeń chłodniczych do obszaru robót stwarza różnego rodzaju trudności techniczne, zakłócające organizację pracy w stosunku do stanu panującego w wyrobiskach bez klimatyzacji. Konieczne stają się pewne modyfikacje organizacji pracy oddziału wydobywczego w celu ustalenia nowych zasad ruchu ciężkich maszyn samojezdnych z tych wyrobisk, w których znajdują się wodne chłodnice powietrza.

Największy wpływ na warunki klimatyczne w poziomym wyrobisku eksploatacyjnym ma ciepło od skał oraz lokalne źródła ciepła:

• urządzenia urabiające, transportujące, a w szczególności maszyny samojezdne napędzane silnikami spalinowymi a także wentylatory, pompy,

• skały urobione oraz transportowane w wyrobiskach,

• parująca w wyrobiskach wilgoć.

Z uwagi na ciepło wymieniane między skałami a przepływającym powietrzem korzystne jest utrzymanie małego pola powierzchni kontaktu między powietrzem a skałami. Sprzyja temu przepływ powietrza świeżego w jak najmniejszej liczbie pasów wielonitkowych wyrobisk korytarzowych, mała szerokość i długość pola, "wyprostowany front eksploatacyjny". Wymiary tych wyrobisk muszą jednak zapewnić uzyskanie odpowiedniego wydobycia. W razie prowadzenia powietrza przez dwa pasy (a nie trzy) i zmniejszenia wydatku o około 30 potrzebna moc chłodnicza zmniejszy się o około 20 %.

Również moc urządzeń z napędem elektrycznym powinna być ograniczona. Wiąże się to między innymi ze zmniejszeniem liczby wentylatorów swobodnych oraz z umieszczeniem przenośników i innych maszyn poza drogami dopływu powietrza świeżego do wyrobisk eksploatacyjnych.

Chłodzenie powietrza w jednym miejscu, czyli na wlocie do oddziału, nie wymaga wprowadzania istotnych modyfikacji organizacji pracy. Należy ustalić zasady ruchu maszyn samojezdnych w sąsiedztwie oziębiaczy powietrza. W każdym przypadku umieszczenia chłodnic powietrza na wlocie do pola czy też na wlocie oraz w jednym lub dwu miejscach wzdłuż frontu eksploatacyjnego, powstaje konieczność zabezpieczenia urządzeń przed uszkodzeniem i zniszczeniem ze strony maszyn samojezdnych, robót strzelniczych, deformacji skał związanych z systemem eksploatacji złoża. W związku z tym można wcześniej wykonać przecinkę w jednym lub dwóch filarach w celu przygotowania miejsca do zlokalizowania chłodnic powietrza. Ruch maszyn samojezdnych obok tej przecinki powinien być ograniczony, jednak nie musi być wyłączony. Dotyczy to w szczególności odcinków z lutniociągami prowadzącymi zimne powietrze od chłodnicy powietrza do przecinki przy froncie eksploatacyjnym. Wylot z lutni prowadzącej ochłodzone powietrze nie powinien w żaden sposób ograniczać korzystania z tej przecinki. Miejsce lokalizacji urządzeń klimatyzacyjnych należy odpowiednio oznakować a operatorów maszyn samojezdnych i inne służby uprzedzić o konieczności zachowania szczególnej ostrożności. Lutniociągi powinny być podwieszone w sposób nie kolidujący z innymi funkcjami wyrobisk.

Proponowany z uwagi na warunki klimatyczne, dwuskrzydłowy system eksploatacji pola polega na jednoczesnym prowadzeniu dwóch krótkich (150 - 200 m) frontów eksploatacyjnych wzdłuż wiązki trzech chodników międzyfrontowych. Chodniki międzyfrontowe muszą być wcześniej wydrążone na całej długości lub szerokości pola eksploatacyjnego wybiegu frontów eksploatacyjnych. Odległości pomiędzy chodnikiem i przecinkami w wiązce wyrobisk międzyfrontowych powinny być takie same jak w chodnikach przyfrontowych czyli powinny tworzyć filary n wymiarach (40x40 m).

Filary chodników międzyfrontowych będą dzielone i wybierane w obrębie czół frontów eksploatacyjnych. Szkic eksploatacji komorowo-filarowej krótkimi frontami przedstawia rysunek 11.

Taki system eksploatacji pozwala na zastosowanie innego sposobu przewietrzania frontów eksploatacyjnych. Świeże powietrze dostarczane będzie trzema chodnikami międzyfrontowymi, skąd rozdzieli się na dwa przyległe krótkie fronty i po ich niezależnym przewietrzeniu odprowadzane będzie wiązkami trzech chodników przyfrontowych.

Możliwe są również modyfikacje rozcinki i przewietrzania dwóch krótkich frontów dwuskrzydłowego systemu eksploatacji. Na rys. 12 pokazane są ogólne szkice prowadzenia frontów eksploatacyjnych i ich przewietrzania (front eksploatacyjny jest uproszczony tutaj do jednej pogrubionej bocznicy).

Klimatyzacja dwóch krótkich frontów eksploatacyjnych polegałaby albo na chłodzeniu całkowitej ilości powietrza dopływającego do frontów chodnikami międzyfrontowymi (rysunek 12 a, c, d, f, g) lub przyfrontowymi (rysunek 12 b, e) albo na chłodzeniu powietrza metodą sektorową na wlocie i w środku obydwu frontów. Każdy krótki front byłby więc podzielony na dwa sektory o długości 75 = 100 m w zależności od długości frontów.

Dla sposobów przewietrzania, w których świeże powietrze doprowadzane byłoby chodnikami międzyfrontowymi, maszyna klimatyzacyjna o mocy 1500 kW dla całkowitego wydatku objętościowego powietrza równego 7500 m³/min i 2000 kW dla wydatku 6000 m³/min umieszczona byłaby w jednym z chodników międzyfrontowych a jej całkowita moc chłodząca dzielona byłaby na dwie części, zasilając chłodnice na obydwu frontach.

W przypadku modeli przewietrzania innego typu, w których powietrze świeże dopływa wiązkami chodników przyfrontowych a zużyte chodnikami między frontowymi (rys. 12 b, e, h) wymagane byłyby dwie maszyny klimatyzacyjne w każdej wiązce chodników przyfrontowych: odpowiednio o mocy 750 kW dla wydatku 3750 m^a/min i mocy 1000 kW dla wydatku 3000 m^a/min.

Chłodnice powietrza rozmieszczone mogłyby być na wlocie do frontu lub na wlocie i w środku frontów eksploatacyjnych. Umiejscowienie chłodnic i projekt prowadzenia rurociągów wodnych z chłodnic do parownika maszyny klimatyzacyjnej byłby podobny jak dla frontu oddziału G-11.

Dwuskrzydłowy system eksploatacji i wentylacji (pokazany jest na rys. 11) w przypadku dużych głębokości złoża, t.j. ponad 1000 m, wymagać będzie stosowania klimatyzacji. W rozdziale zamieszczono wyniki obliczeń prognostycznych i wykresy zmian parametrów klimatycznych powietrza w jednym ze skrzydeł frontu eksploatacyjnego z klimatyzacją i bez klimatyzacji.

Front eksploatacyjny jednego skrzydła systemu posiada długość 150 m. i jest podzielony na dwa sektory po 75 m. Przed przystąpieniem do obliczeń prognostycznych temperatury powietrza jednego ze skrzydeł frontu, wprowadzono następujące założenia:

• głębokość eksploatacji 1160 m, temperatura pierwotna górotworu 43°C,

• wydobycie 1500 t/dobę (z jednego skrzydła frontu),

• całkowita moc strumienia cieplnego wydzielanego z maszyn i urządzeń samojezdnych wynosi 600 kW.

W obliczeniach prognostycznych również wprowadzono dwa stany wentylacyjno-klimatyzacyjne A i B.

Dla stanu A przyjęto dodatkowe założenia:

• całkowity wydatek powietrza wpływającego do skrzydła frontu 3000 m³/min,

• sumaryczna moc chłodnicza doprowadzona do jednego skrzydła frontu wynosi 950kW przy chłodzeniu powietrza na wlocie frontu i 700 kW przy chłodzeniu powierza w sektorach frontu.

Dla stanu B:

• całkowity wydatek powietrza wpływającego do skrzydła frontu 3750 m³/min,

• sumaryczna moc chłodnicza wynosi 700 kW przy chłodzeniu powietrza na wlocie frontu i 500 kW przy chłodzeniu sektorowym.

W obliczeniach wariantowych temperatur i wilgotności powietrza w skrzydle frontu

rozpatrywano:

• równomierne rozłożenie maszyn samojezdnych w dwóch sektorach;

• skupienie ich w jednym z sektorów;

• klimatyzację z wykorzystaniem pełnej mocy chłodzącej na wlocie do skrzydła frontu

• klimatyzację sektorową (dwa sektory).

Rozpatrywano następujące warianty obliczeń:

Wariant KA-1

W wariancie tym przyjęto równomierne rozmieszczenie maszyn samojezdnych (SMG) w dwóch sektorach jednego skrzydła frontu o mocy cieplnej 2x300 kW oraz umieszczenie chłodnic powietrza na wlocie do skrzydła frontu czyli na początku I sektora o mocy całkowitej 950 kW.

Szkic wariantu KA-1

Wyniki obliczeń prognostycznych temperatury i wilgotności powietrza z uwzględnieniem klimatyzacji na wlocie skrzydła frontu i bez klimatyzacji pokazano w formie graficznej i tabelarycznej (rys. 13).

Wariant KA-2

W wariancie tym przyjęto koncentrację samojezdnych maszyn górniczych (SMG) w I sektorze oraz chłodzenie powietrza na wlocie do I sektora.

Szkic wariantu KA-2

Wyniki obliczeń prognostycznych temperatury i wilgotności powietrza z uwzględnieniem klimatyzacji na wlocie skrzydła frontu i bez klimatyzacji pokazano w formie graficznej i tabelarycznej (rys 14).

Wariant KB-1

W wariancie tym moc cieplną maszyn i urządzeń rozłożono równomiernie w dwóch sektorach po 300kW. Moc chłodniczą o wartości 700kW umieszczono na wlocie do I sektora.

Szkic wariantu KB-1

Wyniki obliczeń prognostycznych temperatury i wilgotności powietrza z uwzględnieniem klimatyzacji na wlocie skrzydła frontu i bez klimatyzacji pokazano w formie graficznej i tabelarycznej (rys. 15).

Wariant KB-2

W wariancie tym przyjęto koncentrację samojezdnych maszyn górniczych (SMG) w I sektorze oraz chłodzenie powietrza na wlocie do I sektora.

Szkic wariantu KB-2

Wyniki obliczeń prognostycznych temperatury i wilgotności powietrza z uwzględnieniem klimatyzacji na wlocie skrzydła frontu i bez klimatyzacji pokazano w formie graficznej i tabelarycznej (rys. 16).

Wariant KB-3

W wariancie tym przyjęto koncentrację samojezdnych maszyn górniczych (SMG) w sektorze II oraz chłodzenie powietrza na wlocie do I sektora.

Szkic wariantu KB-3

Wyniki obliczeń prognostycznych temperatury i wilgotności powietrza z uwzględnieniem klimatyzacji na wlocie skrzydła frontu i bez klimatyzacji pokazano w formie graficznej i tabelarycznej (rys. 17).

Proponuje się także ograniczenie dopływu ciepła do powietrza kopalnianego, wynikające z zastosowania samojezdnych maszyn górniczych z napędem elektrycznym.

Wartość opałowa paliwa w silnikach spalinowych jest około 3 krotnie wyższa od ich mocy użytecznej. Silnik Diesla zużywa około 0,254 kg paliwa na godzinę pracy i na 1kW mocy, a wartość opałowa oleju napędowego wynosi 45,6 MJ/kg lub 34MJ/l. Podany strumień energii w postaci ciepła przechodzi do otoczenia. Na ogół 1/3 ciepła wydziela się z rozgrzanego silnika, 1/3 ze spalinami. Natomiast energia użyteczna przechodzi w ciepło w procesach tarcia.

Napęd spalinowy przekazuje do otoczenia około 3 razy więcej ciepła niż napęd elektryczny o takiej samej mocy użytecznej. Z powyższego wynika, że należy ograniczać stosowanie silników spalinowych w przypadku trudnych warunków klimatycznych i korzystać z napędu elektrycznego. W związku z tym należy podjąć działania mające na celu określenie możliwości przynajmniej częściowej wymiany urządzeń z napędem spalinowym na urządzenia z napędem elektrycznym. Dostępne obecnie na rynku maszyny z napędem elektrycznym są zasilane w dwojaki sposób:

• z baterii akumulatorów

• poprzez kabel zasilający

Zasilanie ładowarek pracujących na froncie eksploatacyjnym kablem elektrycznym może powodować utrudnienia w ruchu maszyn. Ponadto, znaczna koncentracja maszyn do wybierania i odstawy urobku stwarza duże ryzyko powstawania uszkodzeń kabli zasilających. Większe możliwości zastosowania maszyn elektrycznych z kablem zasilającym istnieją podczas drążenia wyrobisk chodnikowych, gdzie łatwiej jest tak zorganizować ruch maszyn, ab nie powstawały wymienione trudności.

Niedogodności wynikające z zasilania maszyn kablem elektrycznym można wyeliminować stosując zasilanie z baterii akumulatorów. Pojemność akumulatorów stosowanych w maszynach górniczych wystarcza na pracę tych maszyn przez całą zmianę. Wymiany baterii akumulatorów można by dokonywać na międzyzmianach. Wymaga to jednak zorganizowania systemu ładowania i wymiany baterii w wyrobiskach (komorach maszyn ciężkich) kopalni.

Oprócz zmniejszenia dopływu ciepła do powietrza innym korzystnym efektem ograniczenia stosowania napędu spalinowego będzie zmniejszenie emisji tlenków azotu i pozostałych szkodliwych składników spalin do atmosfery kopalnianej.

N₁=950 kW

Q_I=300 kW

Q_II=300 kW

5

3

1

N₁=950 kW

Q_I=600 kW

5

3

1

N₁=700 kW

Q_I=300 kW

Q_II=300 kW

5

3

1

N₁=700 kW

Q_I=600 kW

5

3

1

N₁=700 kW

Q_II=600 kW

5

3

1

---