URZĄDZENIA WENTYLACYJNE

Urządzenia wentylacyjne w kopalniach obejmują wentylatory głównego przewietrzania zains­talowane na stacjach jedno- i wielowentylatorowych oraz urządzenia pomocnicze instalowane na dole kopalni i na jej powierzchni. Wentylatory główne wywołują ustabilizowany przepływ powietrza przez kopalnię, natomiast urządzenia wentylacyjne pomocnicze służą głównie do rozprowadzenia żądanych ilości powietrza przez wyrobiska górnicze.

Urządzenia wentylacyjne pomocnicze ze względu na przeznaczenie dzieli się na:

a) urządzenia uniemożliwiające lub utrudniające przepływ powietrza w wyrobiskach gór­niczych: tamy wentylacyjne, zamknięcia zrębów szybów wentylacyjnych, włazy do kanałów wentylacyjnych,

b) urządzenia ułatwiające przepływ powietrza w wyrobiskach górniczych: kanały wentyla­cyjne i dyfuzory, urządzenia do rewersji wentylacji kopalni, mosty wentylacyjne, wentylatory pomocnicze i swobodne oraz urządzenia do wentylacji miejscowej (wentylatory lutniowe i lutniociągi).

Do urządzeń wentylacyjnych zalicza się też często nagrzewnice powietrza zlokalizowane na zrębach szybów wdechowych.

W rozdziale tym przedstawione zostaną pomocnicze urządzenia wentylacyjne. Wentylatory głównego przewietrzania i urządzenia do wentylacji miejscowej (lokalnej) stanowią bowiem temat osobnych rozdziałów.

I. Tamy wentylacyjne

Tamami wentylacyjnymi nazywamy przegrody zbudowane w poprzek wyrobisk górniczych przeznaczone bądź to do oddzielenia prądów powietrza, bądź do odizolowania wyrobisk wentylacyjnie czynnych od wyrobisk wentylacyjnie nieczynnych (np. zrobów), bądź też do regulacji rozpływu powietrza w bocznicach kopalnianej sieci wentylacyjnej.

Jeśli zachodzi konieczność podłużnego przegrodzenia wyrobiska na dwa przedziały, to tego typu urządzenie wentylacyjne nazywamy przegrodą wentylacyjną. Przegrody wentylacyjne stosuje się jednak w praktyce górniczej stosunkowo rzadko.

Zasady projektowania i wykonywania tam wentylacyjnych stosowanych w kopalniach podziemnych podano w Polskiej Normie PN-65/G-60101. W normie tej dla poszczególnych typów tam wentylacyjnych określono rodzaje materiałów budowlanych, części składowe tamy, dobór otworu komunikacyjnego i drzwi oraz sposób wykonania tam.

Ze względu na przeznaczenie tamy wentylacyjne dzielą się na:

- tamy izolacyjne,

- tamy oddzielające,

- tamy regulacyjne.

Ze względu na konstrukcję rozróżnia się:

- tamy głuche (pełne),

- tamy z drzwiami,

- tamy przesuwne.

Z uwagi na materiał zastosowany do budowy tam rozróżnia się:

- tamy drewniane (kloce, deski, kopalniaki),

- tamy murowe (z cegły, betonitów, betonu),

- tamy stalowe,

- tamy gipsowe i z korków podsadzkowych,

- tamy płócienne.

Tamy wentylacyjne należy budować w zwięzłym i nie spękanym górotworze. W spągu, stropie i ociosach w wybranym miejscu dla tamy należy wykonać wrąb do nienaruszonej calizny; wrąb ten powinno się wykonać bez użycia materiałów wybuchowych. Ścianę tamy należy wykonać w taki sposób, aby przylegała ona szczelnie do dna wrębów uprzednio wykonanych poza obudową wyrobiska.

W przypadku gdy zachodzi konieczność postawienia tamy w górotworze spękanym, konieczne jest uszczelnienie spągu, stropu i ociosów wyrobiska w sąsiedztwie tamy, np. przez wtłoczenie w szczeliny górotworu mleczka cementowego lub wapiennego.

6.1.1. Tamy izolacyjne

Tamy izolacyjne służą do odizolowania wyrobisk wentylacyjnie nieczynnych (np. zrobów lub czasowo zatrzymanych robót górniczych) od wyrobisk wentylacyjnie czynnych.

Dla uniknięcia powstania pożarów endogenicznych w zrobach otamowanych tamami izolacyjnymi oraz dla uniknięcia wypływu gazów z tych zrobów, tamy izolacyjne powinny być praktycznie szczelne. Dlatego też tamy te wykonuje się zawsze jako tamy pełne.

Dla umożliwienia pobrania próbek powietrza z otamowanego pola pożarowego oraz pomiaru temperatury i ciśnienia powietrza poza tamą izolacyjną, w tamie tej powinna być zabudowana co najmniej jedna rurka metalowa z odpowiednim zaworem.

W przypadku, gdy tama izolacyjna jest potrzebna na krótki okres czasu oraz gdy w miejscu zabudowania tamy ciśnienie górotworu jest małe, wówczas wystarczy zbudować tamę desko­wą. Deski o nie obrzynanych bokach łączy się na zakładkę (rys.I.59), przybijając je z góry na dół do specjalnie w tym celu postawionych dwóch lub więcej stojaków, oddalonych od siebie od 0,8 do 1,2 m. Przybite deski uszczelnia się (rapuje) gliną i bieli gęstym mlekiem wapiennym.

Jeżeli przewidywany czas trwania tamy izolacyjnej jest krótki a ciśnienie górotworu jest tak duże, że nie pozwala na stosowanie tam deskowych, to buduje się tamę ze stojaków, zwaną tamą organową (rys.I.60). Po wykonaniu odpowiednio głębokiego wrębu stawia się w poprzek chodnika szereg stojaków jeden obok drugiego, przy czym szczeliny między tymi stojakami uszczelnia się klinami z drewna i zalepia gliną (rapuje). Po postawieniu tamy organowej bieli się ją mlekiem wapiennym.

Rys. I.59. Tama deskowa Rys. I.60. Tama organowa

W miejscach występowania dużych ciśnień górotworu buduje się zazwyczaj tamy klocowe (rys. I.61). Tamy te wykonuje się z okrąglaków o długości od 0,5 do 1,2 m, układanych równolegle do osi wyrobiska, najlepiej na zaprawie wapiennej lub glinie.

Strona zewnętrzna tamy klocowej powinna być równa i pionowa oraz dobrze orapowana i obielona.

Rys. I.61. Tama klocowa.

Rys. I.62. Korek podsadzkowy

W kopalniach stosujących podsadzkę hydrauliczną często jako tamy izolacyjne wykonuje się tzw. korki podsadzkowe (rys. I.62). Zaletą korków podsadzkowych jest ich duża wytrzy­małość mechaniczna, ognioodporność oraz szybkość budowy. Wykonanie korka podsadz­kowego polega na zbudowaniu dwóch tam podsadzkowych w odległości od siebie od 5 do 25 m oraz na dokładnym podsadzeniu przestrzeni ograniczonej tymi tamami.

Rys. I.63. Tama murowa

Murowe tamy izolacyjne (rys. I.63) wykonane z cegieł lub betonu zapewniają bardzo szczelne otamowanie wyrobisk kopalnianych. Tamy murowe buduje się w wyrobiskach nie narażonych na zbyt duże ciśnienie górotworu.

W każdej tamie murowej musi być zabudowana co najmniej jedna rurka do pobierania próbek gazów spoza tamy oraz w razie potrzeby również rura (syfon) do odprowadzenia wody spoza tamy.

W przypadku konieczności wykonania tamy murowej w wyrobisku narażonym na duże ciśnienia górotworu, dla uniknięcia uszkodzenia tamy, zamurowuje się w niej jedną lub kilka warstw wkładek drewnianych (rys. I.65), najlepiej prostokątnych, np. ze starych prowadników szybowych lub podkładów kolejowych. W tym przypadku stosuje się również tamy murowo-klocowe (rys. I.66).

Rys.I.65. Tama murowa z wkładkami drewnianymi

Wskazane jest, aby deski i kloce, z których buduje się jakiekolwiek tamy, były impregnowane antypirogenem, mającym zarazem własności grzybobójcze.

Rys.I.66. Tama murowo-klocowa

6.1.2. Tamy oddzielające

Tamy oddzielające są przeznaczone do odgradzania prądów powietrza, zazwyczaj prądów powietrza świeżego od prądów powietrza zużytego. Ze względów bezpieczeństwa, jak i ekonomiki wentylacji kopalń, tamy oddzielające powinny być dobrze uszczelnione. Dlatego też tamy takie powinny być tamami pełnymi, tj. tamami bez drzwi.

Tamy oddzielające grupowe prądy powietrza świeżego od grupowych prądów powietrza zużytego należy budować z materiałów niepalnych takich, jak cegła, beton itp.

Również w rejonach o długich drogach równoległych powietrza świeżego i powietrza zużytego oraz w rejonach podpoziomowych należy budować tamy oddzielające z materiałów niepalnych.

Tamy oddzielające pełne wykonuje się podobnie jak tamy izolacyjne z tą różnicą, że nie zakłada się w nich rurek do pobierania próbek powietrza.

W zależności od ciśnienia górotworu i czasu istnienia, tamy oddzielające buduje się jako deskowe, organowe, klocowe lub murowane. Niekiedy jako tamy oddzielające (pełne) stosuje się również korki podsadzkowe.

Tamy oddzielające z drzwiami wykonuje się wtedy, gdy przez te tamy prowadzi droga ucieczkowa dla załogi lub droga normalnego ruchu załogi, przewozu urobku lub materiałów.

W celu uniknięcia zaburzeń w rozpływie powietrza w kopalni w przypadku otwarcia drzwi w tamach oddzielających (w czasie przechodzenia przez nie ludzi lub w czasie przejazdu pociągów) buduje się zazwyczaj dwie lub więcej takich tam w układzie szeregowym. Liczba tam powinna być tym większa, im większy jest spadek potencjału aerodynamicznego w tych tamach oraz im większe jest prawdopodobieństwo ucieczek powietrza przez nie dające się zlikwidować szczeliny w skałach w sąsiedztwie tych tam.

Dwie lub więcej tam z drzwiami zabudowanych w układzie szeregowym w wyrobisku nazywa się śluzą wentylacyjną. Odstęp między tymi tamami zwanymi śluzowymi powinien być tak dobrany, aby przy przejściu ludzi albo przy transporcie urobku lub materiału przez te tamy co najmniej jedna z nich była stale zamknięta. Odstęp ten powinien odpowiadać lokalnym warunkom ruchowym (np. długości pociągu przejeżdżającego przez śluzę, długości szyn transportowanych przez śluzę, itp.) i nie powinien być mniejszy od 5 m.

Obowiązujące przepisy bhp wymagają, aby drzwi w tamach oddzielających zamykały się samoczynnie. W tym celu drzwi w tamach oddzielających przeznaczonych do przejścia ludzi zawiesza się pod kątem od 4 do 8° do pionu (rys. I.67) lub też stosuje się różnego rodzaju urządzenia mechaniczne do samoczynnego zamykania drzwi, najczęściej sprężyny (rys. I.68).

Rys.I.67. Tama z drzwiami nachylonymi Rys.I.68. Fragment tamy z drzwiami zamykanymi za pomocą sprężyny

Otwieranie drzwi odbywa się ręcznie lub automatycznie. Do automatycznego uruchamiania drzwi stosuje się najczęściej układ dźwigien, umożliwiających mechaniczne sterowanie drzwiami przez przejeżdżające lokomotywy lub wozy (rys.I.69).

Obecnie coraz częściej drzwi w tamach oddzielających zabudowanych w drogach przewo­zowych sterowane są elektrycznie za pomocą silników uruchamianych pod wpływem odpowiedniego sygnału, nadawanego przez przejeżdżające lokomotywy lub wozy kopalniane. Ponadto do napędu drzwi tam oddzielających stosuje się powietrze sprężone i napędy elektro-hydrauliczne.

W śluzach wentylacyjnych oddzielających prądy o dużym spadku potencjału aerodynamicz­nego na drzwi działają duże siły, co bardzo utrudnia a nawet uniemożliwia ich otwarcie. Dlatego też dla ułatwienia przejścia ludzi przez takie śluzy zabudowuje się w drzwiach odpowiednie zasuwy (rys.I.70).

Rys.I.69. Tama z drzwiami zamykanymi Rys.I.70. Drzwi z zasuwą ułatwiającą otwarcie automatycznie tamy

6.1.3. Tamy regulacyjne

Tamami regulacyjnymi nazywa się dławiące tamy wentylacyjne z oknem regulacyjnym, którego pole można zmieniać za pomocą przesuwnej lub obrotowej zasuwy regulacyjnej.

Tamy takie przeznaczone są do regulacji rozpływu powietrza w kopalnianych sieciach wentylacyjnych.

Tamy regulacyjne buduje się zazwyczaj jako tamy pojedyncze z drzwiami (rys.I.71), a rzadziej jako tamy bez drzwi (rys.I.72).

Rys. I.71. Tama regulacyjna z drzwiami Rys. I.72. Tama regulacyjna bez drzwi

Zgodnie z obowiązującymi przepisami bhp, tamy regulacyjne powinno się zabudowywać na początku niezależnych prądów powietrza. Zabronione jest stosowanie tam regulacyjnych w grupowych prądach zarówno powietrza świeżego, jak i powietrza zużytego.

Tamy regulacyjne wykonuje się zazwyczaj jako tamy deskowe. W przypadku gdy tamy regulacyjne są zarazem tamami bezpieczeństwa, buduje się je z materiału niepalnego. W wyrobiskach z tamami regulacyjnymi, przez które odbywa się intensywny ruch załogi, urobku lub materiałów, należy wykonać co najmniej dwie tamy regulacyjne w układzie szeregowym, tworzące pewnego rodzaju kaskadę regulacyjną. Kaskadę taką wskazane jest także stosować w przypadku konieczności wykonania tamy regulacyjnej w wyrobiskach wykonanych w pokładach skłonnych do samozapalenia oraz w wyrobiskach w spękanym górotworze.

Opór (kg/m⁷) tamy regulacyjnej można wyznaczyć stosując przybliżony wzór

(I.158)

gdzie

- pole okna regulacyjnego, m²,

A - pole przekroju poprzecznego wyrobiska w miejscu zabudowania tamy regulacyjnej, m².

Gdy znany jest opór tamy regulacyjnej, można wyznaczyć powierzchnię okna regulacyjnego korzystając z wzoru

(I.159)

Obecnie w kopalniach zagranicznych do regulacji rozpływu powietrza stosuje się tzw. zasłony powietrzne. Zasłony te polegają na skierowaniu w poprzek wyrobiska strumienia powietrza wypływającego z dużą prędkością z nawiewów podłączonych do odpowiedniego wentylatora zabudowanego w tym wyrobisku. Stwierdzono, że stosowanie regulacji rozpływu powietrza za pomocą zasłon powietrznych jest celowe przede wszystkim w wyrobiskach, w których odbywa się intensywny transport urobku lub materiałów.

6.2 Straty powietrza przez tamy

Wielokrotne i starannie przeprowadzone badania wskazują, że przesączenie powietrza przez tamy (również izolacyjne) odbywa się w zasadzie według zależności
. Wobec tego opór danej tamy można obliczyć, korzystając ze wzoru

(10.3)

W tym celu należy zmierzyć mikromanometrem różnicę ciśnień na tamie i strumień objętości powietrza płynącego przez tamę. Duże trudności napotyka się jednak w tym przypadku podczas pomiaru strumienia objętości powietrza. Na przykład strumień objętości powietrza płynący przez tamy izolacyjne jest znikomy i w związku z tym podczas pomiaru popełnia się bardzo duży błąd.

Dokładniejsze jest oznaczenie strumienia objętości powietrza płynącego przez tamę z pewnych zależności empirycznych, ustalonych na podstawie wielu pomiarów.

W celu określenia strumienia objętości powietrza przepływającego przez szczelną tamę wentylacyjną stosuje się następujący wzór

(10.5)

gdzie

k - współczynnik przepuszczalności powietrza,

B - obwód tamy, m,

- różnica ciśnień (spadek potencjału) na tamie, Pa,

b - grubość tamy, m.

Wielkość współczynnika przepuszczalności powietrza dla różnych typów tam zestawiono w tabl.10.6.

Tablica 10.6. Wielkości współczynnika k dla różnych typów tam

Jeżeli znana jest powierzchnia tamy A, to w celu określenia ilości przepływającego przez nią powietrza należy posługiwać się wzorem

m³/s (10.6)

gdzie oznacza współczynnik zależny od powierzchni tamy. Wielkość tego współczynnika pokazano na rys.10.18.

Rys.10.18. Wykres zależności współczynnika od powierzchni tamy

6.3. Zamknięcia zrębów szybów wentylacyjnych

Zamknięcia zrębów szybów wentylacyjnych stosuje się w celu uniknięcia tzw. krótkiego spięcia wentylacyjnego pomiędzy atmosferą zewnętrzną a kanałem wentylatora głównego.

Wybór sposobu uszczelnienia zrębu szybu wentylacyjnego zależy od przeznaczenia tego szybu oraz od lokalnych warunków ruchowych.

Szyby wentylacyjne bez urządzeń wyciągowych powinno się zamykać jedną lub kilkoma tamami (klapami) z drzwiami zabudowanymi pomiędzy zrębem szybu a kanałem wentylatora głównego. W kopalniach silnie metanowych lub zagrożonych wyrzutami gazów i skał nie używa się głuchego (pełnego) zamknięcia zrębu szybu wentylacyjnego (np. tamami betonowymi bez klap). Klapy bowiem są pewnego rodzaju zaworem bezpieczeństwa. Mają one za zadanie ochronić wentylatory główne przed uszkodzeniem lub zniszczeniem w razie wybuchu metanu lub wyrzutu gazów i skał. Dlatego też klapy te powinny być stalowe, szczelne, lecz niezbyt małe i niezbyt ciężkie oraz zamknięte jedynie pod wpływem siły ciężkości i spiętrzenia wentylatora głównego.

Rys. I.73. Zamknięcie zrębu szybu wentylacyjnego

a) - za pomocą klap,

b) - za pomocą budynku depresyjnego ze śluzą wentylacyjną,

c) - przy stosowaniu uszczelnienia trzonu wieży szybowej.

Szyby wentylacyjne z urządzeniem wyciągowym, a więc w których odbywa się transport ludzi, urobku lub materiałów, zamyka się w zależności od spiętrzenia wentylatorów głównych:

- klapami podnoszonymi przez klatkę lub skip (rys.I.73a),

- za pomocą budynku depresyjnego (rys.I.73b) przy większych spiętrzeniach wentylatorów,

- za pomocą odpowiedniego uszczelnienia trzonu wieży szybowej (rys.I.73c) przy większych spiętrzeniach wentylatorów,

- klapami podnoszonymi oraz budynkiem depresyjnym.

Przy bardzo dużych spiętrzeniach wentylatorów głównych stosuje się zazwyczaj kombinację tych sposobów zamknięcia zrębów szybów wentylacyjnych, najczęściej równocześnie klapy podnoszone i budynek depresyjny. Zgodnie z obowiązującymi przepisami bhp straty zewnętrzne powietrza zachodzące w zamknięciach zrębów szybów wentylacyjnych nie powinny przekraczać 20% wydajności wentylatora głównego.

6.4. Wejścia śluzowe do kanałów wentylacyjnych

Wejścia śluzowe do kanałów wentylacyjnych są przeznaczone do przejścia ludzi z powierzchni kopalni do kanałów wentylatorów głównych. Zasady projektowania wejść śluzowych podano w Normie Branżowej BN-68/8901-01, a zasady projektowania włazów zamknięć do wejść śluzowych podaje norma BN-66/8913-11.

Zgodnie z normą rozróżnia się dwa typy wejść śluzowych, a mianowicie:

- wejścia poziome do kanałów wentylacyjnych usytuowanych na powierzchni terenu,

- wejścia pionowe do kanałów wentylacyjnych usytuowanych pod powierzchnią terenu.

Wejście śluzowe poziome do kanału wentylacyjnego przedstawiono na rys.I.74.

Rys. I.74. Wejście śluzowe poziome do kanału wentylacyjnego

Typ wejścia śluzowego zależy od warunków lokalnych i liczby kanałów.

6.5. Kanały wentylatorów głównych

Wentylatory główne przy szybach wentylacyjnych zabudowuje się bardzo rzadko bezpośrednio w osi szybu, a najczęściej w pewnej odległości od szybu. Wówczas dla połączenia wentylatora głównego z szybem wentylacyjnym zachodzi konieczność wykonania odpowiednich kanałów wentylacyjnych dla wentylatorów czynnych oraz dla wentylatorów rezerwowych. Na rys.I.76 przedstawiono różne typy kanałów wentylacyjnych stosowanych w kopalniach polskich.

Rys.I.76. Przykłady kanałów wentylacyjnych stosowanych w kopalniach polskich

Przez kanał przepływa całkowita ilość powietrza odprowadzanego przy wentylacji ssącej lub doprowadzanego przy wentylacji tłoczącej do sieci (podsieci) wentylacyjnej.

Dlatego też wymaga się, aby opór kanałów był jak najmniejszy. Dotyczy to szczególnie kanałów wentylacyjnych w kopalniach silnie metanowych lub głębokich, przez które przepływają duże ilości powietrza.

Przy wykonywaniu kanału wentylacyjnego przy danym szybie należy przestrzegać następujących zasad:

1) pole poprzecznego przekroju kanału powinno być dostatecznie duże tzn. aby prędkość powietrza w tym kanale nie przekraczała 15 m/s nawet w przypadku pełnego wykorzystania przepustowości wentylacyjnej szybu,

2) połączenie kanału z szybem powinno być wykonane w postaci łagodnego zakrętu lub pod kątem rozwartym przy stopniowym przejściu z jednego przekroju do drugiego; również zakręty w samym kanale powinny być łagodne, a ich liczba powinna być jak najmniejsza,

3) długość kanału powinna być mała przy czym ze względu na możliwość wybuchu metanu lub pyłu w kopalni nie zaleca się umieszczać wentylatora bliżej niż 7,5 m od szybu wentylacyjnego,

4) kształt przekroju kanału powinien być kołowy lub zbliżony do kołowego,

5) oś kanału i oś wentylatora promieniowego jednostronnie ssącego lub osiowego powinny znajdować się w jednej płaszczyźnie, a w przypadku wentylatora promieniowego dwustronnie ssącego - osie te powinny być prostopadłe względem siebie.

Opory kanałów w przekrojach poprzecznych większych od 10 m² wynoszą od 0,005 do 0,02 kg/m⁷, a o przekrojach poprzecznych mniejszych od 10 m² wynoszą od 0,02 do 0,1 kg/m⁷.

Zaleca się, aby dysypacja energii w kanałach nie przekraczała 100 do 200 J/m³.

Przykłady rozwiązań stacji wentylatorowych jedno-, dwu- i trójwentylatorowej przedstawiono na rys. 17.18, 17.19 i 17.20.

6.6. Urządzenia do rewersji wentylacji głównej

Obowiązujące przepisy bhp wymagają, aby wentylatory główne były wyposażone w urządzenia umożliwiające rewersję wentylacji głównej, czyli zmianę kierunku wszystkich prądów powietrza w kopalni. W zależności od typu i konstrukcji wentylatorów głównych rewersję wentylacji można wykonać:

- przez zmianę kierunku obrotów wirnika wentylatora osiowego,

- za pomocą urządzenia do rewersji wentylacji złożonego z kanału rewersyjnego i z tam zasuw rewersyjnych.

Między wydajnością,
wentylatora osiowego przy pracy rewersyjnej a wydajnością tego wentylatora
przy pracy normalnej zachodzi związek

(I.160)

Dla osiowych wentylatorów rewersyjnych o symetrycznych łopatkach wirnika współczyn­nik k = 1.

Dla wentylatorów osiowych z niesymetrycznymi łopatkami wirnika współczynnik k może być bliski zera.

Nowsze badania wykazały, że wartość współczynnika k zależy w dużym stopniu od kąta nastawienia łopatek kierowniczych. Stosując elastyczne łopatki kierownicze mające własność dostosowania swego ustawienia do kierunku obrotów wirnika, uzyskano dla wentylatora z niesymetrycznymi łopatkami wirnika k = 0,72.

Dla uzyskania rewersji wentylacji przy stosowaniu wentylatorów osiowych o małym współczynniku k lub wentylatorów promieniowych, należy wykonać kanał rewersyjny z odpowiednim układem zasuw rewersyjnych. Na rys.I.77 pokazano rozwiązanie i sposób uruchomienia urządzeń do rewersji wentylacji dla jednego wentylatora głównego, a na rys. I.78 dla dwóch wentylatorów głównych.

Rys.I.77. Stacja jednowentylatorowa

a) o działaniu ssącym b) o działaniu tłoczącym

Rys.I.78. Stacja dwuwentylatorowa

a) o działaniu ssącym b) o działaniu tłoczącym

6.7. Mosty wentylacyjne

Mostami wentylacyjnymi, zwanymi również pomostami nazywa się urządzenie umożliwia­jące oddzielenie różnych prądów powietrza w miejscach skrzyżowań wyrobisk, którymi te prądy płyną.

D1a uniknięcia ucieczek powietrza mosty wentylacyjne powinno się wykonywać bez drzwi. Gdy drzwi w moście wentylacyjnym są konieczne ze względów ruchowych lub dla stworzenia możliwości ucieczki załogi wtedy powinno się budować z jednej strony mostu śluzę, złożoną z dwóch tam z drzwiami samoczynnie zamykającymi się w przeciwne strony.

W przypadku długiego czasu istnienia mostu wentylacyjnego, jak również w razie gdy przez most przepływa więcej niż 20 m³/s powietrza zaleca się wykonanie mostu wentylacyjnego w postaci chodnika objazdowego w górotworze nie spękanym. Most taki może być wykonany zarówno bez drzwi (rys. I.79a), jak i z drzwiami (rys.I.79b).

Rys. I.79. Most wentylacyjny (chodnik objazdowy)

a) - bez drzwi. b) - z drzwiami

Na skrzyżowaniach rejonowych lub grupowych prądów powietrza wykonuje się murowane lub betonowe mosty wentylacyjne bądź to bez drzwi (rys.I.80a), bądź też z drzwiami (rys.I.80b).

Bardzo proste w budowie są mosty wentylacyjne z rur stalowych (rys. I.81). Do budowy takich mostów na skrzyżowaniu prądów rejonowych lub grupowych powinno się stosować rury stalowe o grubości ścianki co najmniej 5 mm, a wewnątrz rejonów wentylacyjnych można stosować lutnie wentylacyjne.

Rys. I.80. Most wentylacyjny betonowy

a) bez drzwi b) z drzwiami

Rys. I.81. Most wentylacyjny z rur stalowych

Pole przekroju poprzecznego tych rur lub lutni nie powinno być mniejsze niż 0,5 m². Z uwagi na dość duży opór mostów wentylacyjnych z rur, mosty te należy stosować przy przepływie stosunkowo niedużych ilości powietrza.

Obowiązujące przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy wymagają aby mosty wentylacyjne były wykonane z materiału ognioodpornego, przy czym wymaganie to nie dotyczy mostów budowanych wewnątrz rejonów wentylacyjnych.

Ze względów bezpieczeństwa oraz ekonomiki wentylacji wskazane jest, aby liczba mostów wentylacyjnych w kopalniach była jak najmniejsza.

6.7. Wentylatory pomocnicze

Wentylatorami pomocniczymi, zwanymi również wentylatorami wtórnymi, są wentylatory zabudowane w tamach wentylacyjnych, współpracujące z wentylatorami głównymi.

Wentylatory pomocnicze stosuje się do regulacji rozpływu powietrza w kopalniach. Wentylatory te mają na celu zazwyczaj doraźne zwiększenie ilości powietrza w rejonach wentylacyjnych, w których chwilowo nie ma możliwości uzyskania żądanej intensywności przewietrzania i to ani przez zwiększenie parametrów punktu pracy wentylatora głównego, ani przez odpowiednią zmianę sieci wentylacyjnej kopalni, ani też przez usunięcie wąskich gardeł wentylacyjnych.

W kopalniach polskich jako wentylatory pomocnicze stosuje się najczęściej wentylatory osiowe, a w nielicznych przypadkach wentylatory promieniowe.

W wyrobiskach, w których odbywa się tylko ruch ludzi, wentylatory pomocnicze zainstalowane są zazwyczaj w krótkich (od 5 do 10 m) lutniociągach zabudowanych w tamach śluzowych (rys. I.82a), przy czym często stosuje się stację wentylatorów pomocniczych w układzie równoległym.

Niekiedy wentylator pomocniczy zabudowuje się w pojedynczej tamie pełnej, a dla ludzi wykonuje się osobne przejście otamowane tamami śluzowymi (rys. I.82b).

W wyrobiskach, w których odbywa się przewóz lub odstawa urobku przenośnikami, wskazane jest umieszczać wentylator pomocniczy w chodniku równoległym (rys. I.82c).

Wentylatory pomocnicze powinno się zabudowywać w wyrobiskach kamiennych lub co najwyżej kamienno-węglowych, w górotworze nie spękanym.

Rys. I.82. Przykłady zabudowania wentylatorów pomocniczych

Wentylatora pomocniczego nie należy lokalizować w wyrobiskach sąsiadujących ze zrobami lub polami pożarowymi lub w mostach wentylacyjnych. Należy je instalować w prądzie powietrza świeżego.

W przypadku konieczności zabudowania wentylatora pomocniczego w prądzie powietrza zużytego - silnik tego wentylatora należy przewietrzać niezależnym prądem powietrza świeżego.

Wskazane jest, aby tamy śluzowe przy wentylatorze pomocniczym otwierały się samoczynnie w razie zatrzymania się tego wentylatora.

6.7. Wentylatory swobodne

Wentylator swobodny, tzn. wentylator zabudowany w wyrobisku górniczym bez tamy, wytwarza swobodny strumień powietrza. Ściśle biorąc strumień swobodny występuje wówczas, gdy nie jest on ograniczony żadnymi powierzchniami ścian (przegród) i sąsiednimi strumieniami. Strumieniem ograniczonym natomiast nazywamy taki strumień, którego przepływ jest ograniczony, np. ociosami wyrobiska górniczego bądź sąsiednimi strumieniami.

Gdy ośrodek do którego strumień wpływa jest w bezruchu i zawiera taki sam płyn jak strumień, wówczas strumień taki jest nazywany zatopionym. Jeżeli strumień wpływa do ośrodka poruszającego się zgodnie z nim, to nazywa się go strumieniem unoszonym.

W czasie ruchu strumienia swobodnego, wytwarzanego przez wentylator na styku strumienia swobodnego i strumienia powietrza płynącego wyro­biskiem, powstaje turbulentna warstwa graniczna. Podczas ruchu burzliwe­go cząsteczki powietrza poruszają się z prędkością zgodną z głównym kie­runkiem ruchu strumienia i wykonują równocześnie ruchy fluktuacyjne po­przeczne w stosunku do kierunku głównego, wywołując wymianę masy i pędu. Cząsteczki wychodzące wskutek swoich ruchów poprzecznych poza granicę pierwotnej zasadniczej masy strumienia, przenosząc w graniczne warstwy strumienia powietrza płynącego wyrobiskiem górniczym pewną ilość pędu, pociągają cząsteczki tego powietrza w kierunku strumienia. Na miejsce cząsteczek, które opuściły masę strumienia, napływają cząsteczki z ob­szaru powietrza płynącego wyrobiskiem, które działają hamująco na ruch zewnętrznej granicznej warstwy strumienia. Grubość granicznej warstwy nieustannie wzrasta, przede wszystkim wskutek przyłączenia się do niej cząstek otaczającego powietrza. Wobec tego warstwa graniczna staje się coraz grubsza, jądro zaś maleje, aż w końcu zanika (rys.5.1).

Część strumienia od jego początku do przekroju, w którym następuje zanik jądra, stanowi strefę początkową strumienia. W strefie tej pręd­kość osiowa jest stała i równa prędkości osiowej w otworze wylotowym wentylatora swobodnego. Po strefie początkowej następuje strefa przejś­ciowa, a po niej rozpoczyna się strefa zasadnicza (główna), która ciąg­nie się aż do zaniku strumienia. W strefie przejściowej i głównej pręd­kość osiowa stale maleje. W strumieniu swobodnym ciśnienie statyczne po­zostaje stałe i jest równe ciśnieniu panującemu w środowisku otaczają­cym. Zewnętrzny kształt strumienia swobodnego zależy od tego, czy jest to strumień zatopiony, czy tez strumień unoszony.

Długość strefy początkowej jest mała, równa wartości około czterech średnic otworu wylotowego wentylatora swobodnego. Strefa przejściowa jest w przybliżeniu równa połowie długości strefy początkowej.

Długość strefy przejściowej jest zatem niewielka w porównaniu z długoś­cią całego strumienia i w wentylatorach swobodnych nie odgrywa ona więk­szej roli.

W wyrobiskach górniczych największe znaczenie ma strefa główna (za­sadnicza). Jeśli w tej strefie strumień jest nieograniczony, to rozkład prędkości powietrza można opisać równaniem [1]

(1)

gdzie:

- prędkość powietrza w danym punkcie przekroju, m/s,

- prędkość powietrza w wyrobisku (strumienia otaczającego), m/s,

- maksymalna prędkość powietrza w dowolnym przekroju (w osi strumienia), m/s,

y - odległość punktu od osi strumienia, m,

b - połowa średnicy strumienia swobodnego lub grubość turbu­lentnej warstwy

granicznej, m.

W wyrobisku górniczym strumienie generowane przez wentylatory swo­bodne mają ograniczony charakter. Charakteryzują się one, w odróżnieniu od strumieni swobodnych nieograniczonych, przede wszystkim:

- wolniejszym spadkiem prędkości osiowej powietrza, a więc większym zasięgiem strumienia,

- mniejszą zdolnością zasysania powietrza z otoczenia.

Z doświadczeń wynika, że strumień powietrza wytwarzany przez wenty­lator swobodny w wyrobisku górniczym zachowuje się jak strumień swobod­ny, jeśli jego przekrój jest mały w stosunku do powierzchni poprzecznego przekroju wyrobiska.

Przyjmuje się, że ściany pomieszczenia nie wpływają na ograniczenie strumienia dopóty, dopóki przekrój poprzeczny strumienia nie osiągnie 25% powierzchni przekroju pomieszczenia. Jeśli przekrój strumienia zajmuje 25% powierzchni poprzecznego przekroju po­mieszczenia, to jest on określany jako pierwszy krytyczny przekrój stru­mienia. Po przekroczeniu tej wielkości przekroju strumienia zmniejsza się zasysanie powietrza z otoczenia i zanika charakterystyczna dla strumienia swobodnego stałość pędu.

Strumień osiągający przekrój poprzeczny wynoszący ok. 40% powierz­chni poprzecznego przekroju pomieszczenia, przestaje się powiększać. Jest to drugi krytyczny przekrój strumienia, od którego strumień zaczyna zanikać i zmniejsza się jego pęd, natężenie przepływu, osiowa prędkość i powierzchnia przekroju poprzecznego.

Podane uwagi odnoszą się wprawdzie do strumieni zatopionych, jednak w przypadku strumieni unoszonych o małych prędkościach ośrodka zachodzą podobne zjawiska.

Jeżeli prędkość początkowa strumienia wytworzonego przez wentylator swobodny jest znacznie większa od prędkości powietrza w wyrobisku gór­niczym, to występują zaburzenia w rozwoju strumienia swobodnego. Zabu­rzenia te wiążą się najczęściej z istnieniem ociosów wyrobiska, oporu aerodynamicznego wyrobiska i części sieci wentylacyjnej.

Jak wykazały badania, jeśli strumień swobodny wpływa do przewo­du o bardzo małym oporze aerodynamicznym, to kształt strumienia, aż do chwili osiągnięcia ścianek przewodu, jest taki sam, jak strumienia nie­ograniczonego. Ścianki przewodu powodują tylko zanik zewnętrznej części strumienia swobodnego (rys.5.2). Wynika z tego, że istnienie ociosów w wyrobisku górniczym tylko w niewielkim stopniu jest przyczyną zaburzeń rozwoju strumienia swobodnego.

Największe zaburzenia występują w końcowej części strumienia wytwo­rzonego przez wentylator swobodny. Jedynie strefa początkowa, bezpośred­nio za wentylatorem, jest w zasadzie zgodna z przebiegiem teoretycznym nieograniczonego strumienia swobodnego. W dalszej odległości od wenty­latora następuje szy5kie zmniejszanie się prędkości powietrza płynącego wyrobiskiem obok strumienia swobodnego, aż do zupełnego jego zatrzyma­nia. Zachodzi to w takim przekroju wyrobiska, w którym ilość powietrza płynącego w strumieniu swobodnym

osiągnie wielkość równą całkowitej ilości powietrza płynącego wyrobiskiem. Dalszy wzrost masy strumienia swobodnego jest możliwy tylko wówczas, gdy w części strumienia powietrza płynącego wyrobiskiem wystąpi przepływ powrotny. W miarę zmniejszania się całkowitej ilości powietrza płynącego wyrobiskiem, powiększa się za­sięg strefy, w której występuje przepływ powrotny.

Zasięg wymienionych zaburzeń jest uzależniony od wielkości strumienia powietrza płynącego wyrobiskiem
i wydatku wentylatora
. Na rysunkach 5.3, 5.4 i 5.5 pokazano zakres zaburzeń odpowiednio dla przypadków, gdy:
>
,
=
i
<
.

Rodzaje wentylatorów stosowanych jako swobodne

1. Wentylatory WLE

2. Wentylatory PWS

3. Wentylatory WOO

Charakterystyki wentylatorów swobodnych

Dla wyprowadzenia równania charakterystyki wentylatora swobodnego wychodzi się z zasady zachowania energii, przy czym przyjmuje się model strumienia swobodnego przedstawiony schematycznie na rys. 7.2.

1

32

---