Akademia Górniczo - Hutnicza

im. Stanisława Staszica

w Krakowie

Sprawozdanie z zajęć laboratoryjnych z aerologii górniczej

Wyznaczanie współczynnika szczelności lutnociągu

Wykonał:

Tomasz Kulczycki

Paweł Krawczyk

Wydział Górniczy

G i G rok III

gr. 2

Wyznaczanie współczynnika szczelności lutnociągu.

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z problemami przewietrzania wyrobisk

ślepych w kopalniach. Wyrobiska ślepe w trakcie drążenia, przewietrzane są za pomocą lutniociągu i wentylatora wymuszającego w nim przepływ powietrza. Zadaniem instalacji lutniociągowej jest doprowadzenie do miejsca pracy odpowiedniej ilości powietrza. Ilość ta powinna zapewnić rozrzedzanie i wymieszanie gazów wydzielających się ze skał oraz gazów postrzałowych do koncentracji nie stwarzającej zagrożenia, jak również zapewnić utrzymanie w wyrobisku właściwych warunków klimatycznych. W każdym lutniociągu, niezależnie od stosowanego sposobu (wentylacja ssąca, tłocząca, kombinowana) występują straty powietrza wskutek jego przepływu przez nieszczelności, połączeń poszczególnych segmentów lutni.

Istnieje wiele metod umożliwiających określenie wielkości strat powietrza w lutniociągach. Jednym z istotnych czynników decydujących o wielkości strat powietrza w lutniociągach jest szczelność charakteryzowana współczynnikiem szczelności lutniociągu.

r - opór jednostkowy lutniociągu

L - długość lutniociągu

k - współczynnik szczelności lutniociągu

a - odczytany z bezwymiarowego wykresu względny współczynnik strat powietrza w zależności od długości lutniociągu, oporu jednostkowego lutni i współczynnika jego nieszczelności.

Średnia prędkość przepływu powietrza v_śr:

[m/s]

gdzie:

Δp_d - ciśnienie dynamiczne [Pa]

ρ - gęstość powietrza [kg/m³]

Wydatek objętościowy przepływu powietrza Q:

[m³/s]

Ciśnienie całkowite w punkcie pomiarowym Δp_c:

Δp_c = Δp_st+Δp_d [Pa]

Δp_st - ciśnienie statyczne [Pa]

współczynnik strat powietrza p:

gdzie:

Q_w - wydatek powietrza na odcinku pomiarowym p_o,

Q_o - wydatek powietrza na odcinku pomiarowym kolejno p₁, p₂, p₃, p₄.

2. Wprowadzenie.

1. Sposoby przewietrzania lutnociągami.

Rozróżnia się przewietrzanie tłoczące, ssące i kombinowane (ssące i tłoczące).

Zaletami przewietrzania tłoczącego są:

• korzystniejsze cieplne warunki pracy w przodku, większe natężenie chłodzenia,

• mniejsze straty powietrza,

• intensywniejsze usuwanie gazów z przodku.

Wadą przewietrzania tłoczącego jest odpływ zużytego powietrza przez wyrobisko, co przedłuża czas przewietrzania wyrobiska jako całości. Wada ta uwidacznia się szczególnie w wyrobiskach metanowych i wznoszących się, gdyż metan, jako lżejszy od powietrza, trudno schodzi w dół i gromadzi się pod stropem, gdzie intensywność przewietrzania jest mała.

Jeżeli chodzi o przewietrzanie wyrobiska jako całości, a nie tylko przestrzeni przyprzodkowej, to znacznie skuteczniejsze jest przewietrzanie ssące. Usuwa ono bowiem szkodliwe domieszki (gazy odstrzałowe lub wydzielające się w przodku) w stanie bardziej skoncentrowanym. potrzeba więc znacznie krótszego czasu i mniejszej ilości powietrza na rozrzedzenie gazów do tanu bezpiecznego.

Gdy chodzi o warunki pracy w przodku i usunięcie z niego szkodliwych gazów w możliwie najkrótszym czasie, wówczas należy zastosować przewietrzanie tłoczące. Jeżeli zaś chodzi o stworzenie możliwie najkorzystniejszych warunków w całym wyrobisku ślepym, to lepsze jest ssące. W celu wykorzystania korzystnych stron obu sposobów przewietrzania stosuje się sposoby kombinowane.

Wentylację kombinowaną, tj. początkowo po odstrzeleniu w przodku ssącą, a następnie tłoczącą uzyskać można przez:

• zmianą kierunku obrotów wirnika wentylatorów osiowych,

• zastosowanie urządzenia rewersyjnego,

• zastosowanie dwóch wentylatorów oraz manewrowanie odpowiednimi zasuwami Z1 i Z2.

Wentylator lutniowy, niezależnie od sposobu przewietrzania lokalnego, powinien być zainstalowany w odległości 8 do 15 m od wyrobiska przewietrzanego odrębnie (wyprowadzenie do prądu obiegowego). Natomiast odległość końca lutnociągu od czoła przodka wyrobiska ślepego nie powinna być większa od 10 m w polach niemetanowych i 6 m w polach metanowych przy wentylacji ssącej i odpowiednio 10 i 8 m przy wentylacji tłoczącej.

Do przewietrzania lokalnego stosuje się lutnie metalowe o średnicach 400, 500 i 600, 800 i 1000 mm oraz lutnie elastyczne o średnicach od 400 do 1000 mm. Długość pojedynczych lutni metalowych wynosi 2,0 lub 2,5 m, a elastycznych 10 do 15 m.

1. Straty powietrza. Czynniki wpływające na wielkość strat.

Zadaniem urządzenia lutniowego jest doprowadzanie do miejsca pracy (przodku drążonego wyrobiska) odpowiedniej ilości powietrza. Ta obliczona odpowiednia ilość powietrza powinna zapewnić rozrzedzenie i wymieszanie gazów wydzielających się ze skał oraz zapewnić utrzymanie właściwych warunków klimatycznych. W każdym lutnociągu, niezależnie od stosowanego sposobu wentylacji (ssąca, tłocząca, kombinowana), występują straty powietrza wskutek jego wypływu przez nieszczelności połączeń poszczególnych segmentów lutni.

Przy dodatniej różnicy ciśnień w lutnociągu p i w wyrobisku p₀, tzn. przy p-p₀ > 0, powietrze dopływa z wyrobiska do lutni. W obu przypadkach ilość powietrza przepływającego przez wentylator V_w musi być sumą wymaganej ilości powietrza w przodku V₀ i ilości V_s wypływającej przez nieszczelności na całej długości lutnociągu V_w=V₀+V_s.

W praktyce górniczej stwierdzono niejednokrotnie, że w niektórych warunkach straty V_s mogą - nawet kilkakrotnie - przewyższają ilości powietrza V₀ dopływającego do przodku.

Znaczenie strat w przewietrzaniu lutniowym wzrasta niewspółmiernie przy lutnociągach długich, które stają się coraz bardziej nieodzowne w górnictwie podziemnym. Fakt ten i względy ekonomiczne stanowią bodziec do podejmowanie coraz to nowszych wysiłków zmierzających określenia ich wielkości.

Z doświadczenia wiadomo, że wielkość strat powietrza w lutnociągach zależy od:

• długości lutnociągu,

• rodzaju, stanu oraz liczby złączy lutni,

• materiału uszczelniającego i sposobu wykonania uszczelnienia,

• średnicy lutnociągu,

• materiału, z jakiego wykonane są lutnie.

Ponadto wpływ na ilość przepływającego powietrza lutnociągiem nieszczelny wywierają:

• opór wyrobiska (strata naporu w wyrobisku),

• opór wlotu powietrza do lutnociągu,

• zmiana ilości ruchu wywołana dopływem masy przez nieszczelność przewodu (rodzaj wentylacji: ssąca, tłocząca),

• sposób rozmieszczenia wentylatorów wzdłuż lutnociągu.

Ilościowe określenie wpływu poszczególnych czynników na wielkość strat powietrza, a co z tym się wiąże, na ilość przepływającego powietrza przez wentylator i jego depresję jest zagadnieniem złożonym. Ta złożoność problemów skłania czasem niektórych autorów zajmujących się tymi zagadnieniami do podawania pewnych prostych zasad określenia wielkości strat powietrza i wymaganej depresji wentylatora lutniowego, zasad opartych na pewnych subiektywnym wyczuciu i częściowo doświadczeniu praktycznym.

Źródło: „Przewietrzanie kopalń”, praca zbiorowa.

3. Obliczenia.

Dane:

t_s= 22

t_w= 17,9

p= 994hPa

z powyższych danych gęstość powietrza wynosi:

ρ=1,15 kg/m³

3.1.Zestawienie pomierzonych parametrów wentylacji lutniowej.

	Odcinek	p1-p0	p2-p0	p3-p0	p4-p0
Ciśnienie	p0	185,41	220,73	211,90	220,73
Dynamiczne	p1	67,10	44,15	38,85	28,25
	p2		86,52	49,44	35,32
	p3			79,46	38,85
	p4				68,87
Ciśnienie	p0	77,47	72,97	92,70	88,29
Statyczne	p1	81,23	54,74	60,04	30,02
	p2		125,37	165,99	42,38
	p3			123,61	178,35
	p4				351,39

3.2.Zestawienie obliczonych parametrów wentylacji lutniowej.

lp	wymiar	odcinek	p1-p0	p2-p0	p3-p0	p4-p0
		p0	14,54	15,87	15,55	15,87
		p1	8,75	7,10	6,66	5,68
1	v śr	p2		9,94	7,51	6,35
		p3			9,52	6,66
		p4				8,86
		p0	0,014	0,015	0,015	0,015
		p1	0,008	0,007	0,006	0,005
2	Q	p2		0,010	0,007	0,006
		p3			0,009	0,006
		p4				0,009
		p0	262,88	293,70	304,60	309,02
		p1	148,33	98,88	98,88	58,27
3	Dpc	p2		211,90	215,43	77,70
		p3			203,07	217,19
		p4				420,26
		p0
		p1	0,60	0,45	0,43	0,36
4	p	p2		0,63	0,48	0,40
		p3			0,61	0,42
		p4				0,56
		p0
		p1	0,34	0,39	0,44	0,45
5	a	p2		0,34	0,34	0,45
		p3			0,56	0,83
		p4				0,85
		p0
		p1	0,40	0,17	0,11	0,08
6	k	p2		0,14	0,08	0,08
		p3			0,16	0,19
		p4				0,20
7	k średnie		0,40	0,16	0,12	0,13

4. Wnioski

Badania szczelności lutniociągu wykazały, że wraz ze wzrostem długości lutniociągu wzrasta współczynnik szczelności lutniociągu k, natomiast wartość ciśnienia w nim spada. Można więc przyjąć, że zgodnie z dokonanymi wyliczeniami wzrost współczynnika szczelności powoduje wzrost strat w lutniociągu.

Wyliczenia odnosiły się do wentylacji tłoczącej. Wynika z tego, że powietrze na stanowisku pomiarowym miało mniejsze ciśnienie od tego w lutniociągu więc straty polegały na wypływie z przewodów.

Pomiary wydatku powietrza na wylocie do tego zmierzonego na wlocie dał nam obraz zmian współczynnika strat p. W wyniku tego ustaliliśmy, że zgodnie z przypuszczeniami powietrze wydobywało się na zewnątrz i kolejno do końca 1 odcinka pomiarowego dotarło 95% wtłoczonego powietrza, do końca 2 odcinka 85%, do końca 3 odcinka 75% a do końca 4 odcinka już tylko 56%. Jest to poważny problem, że tak niewielka część dostaje się do końca wyrobiska gdyż w praktyce wymusza to stosowanie dużych wydajności wentylatorów do przewietrzania (co powoduje zwiększenie jeszcze strat) lub zestawów wentylatorów. Wszystko to wiąże się ze wzrostem kosztów i hałasu w przewietrzanym wyrobisku.

Obrazem strat w lutniociągu jest również wyliczone ciśnienie całkowite w kolejnych punktach pomiarowych. Dla kolejnych punktów przedstawia się ono następująco:

• punkt 1 - 1137,96

• punkt 2 - 619,8

• punkt 3 - 320,23

• punkt 4 - 176,3

Wynika z tego, że część powietrza wydostała się z lutniociągu przez nieszczelności samych rur jak i połączeń.

W górnictwie najważniejszym współczynnikiem jest współczynnik k. Dąży się do zmniejszenia go w celu uzyskania jak najszczelniejszego lutniociągu. Od efektywności przewietrzania w dużej mierze zależy komfort pracy oraz bezpieczeństwo. Dostarczenie odpowiedniej ilości powietrza powoduje rozrzedzenie gazów wydostających się ze skał oraz powstałych w wyniku strzelania.

---