4. Możliwości poprawy warunków klimatyzacyjnych

klimatycznych w kopalniach bez stosowania specjalnych urządzeń

Uzyskanie w kopalniach poprawy komfortu pracy łub niedo­.puszczenie do pogorszenia się dobrych warunków klimatycznych, bez stosowania specjalnych maszyn i urządzeń, jest podstawowym ; kierunkiem działania w technice klimatyzacji kopalń.

Spełnienie jednak wymienionych warunków nie zawsze jest

możliwe i nie w każdym przypadku ekonomicznie uzasadnione.

W praktyce górniczej poprawę warunków wentylacyjnych

można zwykle osiągnąć przez:

a) zwiększenie ilości powietrza w kopalniach,

b) zwiększenie prędkości przepływu powietrza w miejscach pracy ludzi,

„ c) zmniejszenie wilgotności powietrza kopalnianego,

d) prawidłowe rozcięcie kopalni,

e) zastosowanie odpowiednich systemów eksploatacji,

f) zmianę systemów wentylacji.

W górnictwie w przypadku stwierdzenia pogorszenia się wa­runków klimatycznych rozpoczyna się zmierzającą do ich popra­wy działalność techniczną zazwyczaj od pierwszych trzech czyn­ności (wymienione pod a), b) i c)). Później, w drugim etapie wal-ki o poprawę komfortu pracy, stosuje się środki wymienione w punkcie f), e) i d) (w tej właśnie kolejności). Stan taki podyk­towany jest naturalną skalą trudności w realizacji programu po­prawy warunków klimatycznych w kopalniach.

Uzyskanie poprawy warunków klimatycznych dzięki realizacji poczynań technicznych wymienionych pod a), b) i c) nie wymaga w zasadzie przeprowadzenia zasadniczych zmian w układzie sieci wyrobisk kopalni, a tym samym jest dość łatwe do zrealizowa­ma.

Realizacja natomiast zamierzeń technicznych wymienionych

w punktach f), e) i d) jest połączona przeważnie z dużymi zmia­nami w samej budowie kopalni i nie, jest prosta w wykonaniu przy pełnym wydobyciu i podczas ruchu kopalni. Gdy wyczerpią się, te możliwości i nie nastąpi dostateczna poprawa warunków

~„ I

klimatycznych w kopalniach, trzeba zastosować metody sztucz— 127

nego chłodzenia i osuszania powietrza. Z reguły jednak zastoso­wanie maszyn i urządzeń klimatyzacyjnych poprzedzone jest dzia­łalnością techniczną, powodującą poprawę warunków klimatycz­nych sposobami wymienionymi od a) do f).

4.1. METODA INWENTARYZACJI PRZYCZYN

POWODUJĄCYCH ZAGROŻENIE KLIMATYCZNE

W KOPALNIACH

W rozdziale 1.3 podano, w jaki sposób należy określać warun­-
„ ki klimatyczne w kopalniach, oraz zaproponowano wprowadzenie

na okres przejsciowy u nas w Polsce obowiązku inwentaryzowa­ma przodków, w których temperatury powietrza mierzone termo­metrem suchym przekroczą 26 „ winny podlegać .nie tylko te przodki, w których temperatura po-

wietrza przekracza 28 Praktycznie w każdej kopalni rŃożna by zawsze uzyskać infor­mację o zagrożonych klimatycznie przodkach, co już umożliwia­łoby wstępną ich klasyfikację pod względem problemu zwalcza­nia wysokich temperatur powietrza. chcąc jednak wyrobić sobie pogląd obiektywny na to, co jest istotną przyczyną zagrożeń kli­matycznych w danym przodku, należy przeprowaclzić rzetelną inwentaryzację przyczyn powodujących te zagrożenia. W tym celu trzeba stwierdzić, jakie ilości powietrza I z jaką prędkością płyną od szybu wdechowego do przodków zagrożonych klima­tycznie, oraz za pomocą suchego i wilgotnego termometru zmie­rzyć w ustalonych miejscach temperatury powietrza wlotowego.

Na rys. 4.1 pokazano fragment schematu przewietrzania z za­znaćzonymi miejscami, w których należy przeprowadzić pomiary

wydatków prądu powietrza i temperatur mierzonych termome­„ trem suchym t~ i wilgotnym t~. Temperatury powietrza należy

młerzyc we wszystkich węzłach, idąc od szybu wdechowego aż do przodków zagroż.onych klimatycznie, oraz przed i za wyraź­nymi źródłami ciepła (transformatory, rozdzielnie elektryczne itp.), na podszybiach i nadszybiach szybów i szybików, na początku

i końcu wyrobisk prowadzonych po upadach. W czasie wykonywa­nia pomiarów należy poczynić obserwacje dotyczące zawodnienia

wyrobisk oraz stwierdzić, czy wydatki prądów powierza są stabilne.

128

„[

Należy również ustalić miejsce pracy maszyn wzdłuż całej drugi powietrza świeżego aż do przodku. Jest to szczególnie istotau w przypadku, gdy transport urobku odbywa się na taśm~wh w drogach powietrza świeżego. Po przeprowadzeniu wsponmiu­nych pomiarów i obserwacji należy z wykresu i—x Molliera obli-czyć w każdym punkcie pomiarowym wartości i, x₁ pamiĘta~~c o tym, by w zależności od ciśnienia powietrza stosować ud po­

wiedni wykres i—x. Taki tok postępowania powinien być sw~u­-
wany zawsze w tym przypadku, gdy zagrożenie klimatyczne wy­-
stępuje w przodku przewietrzanym prądem opływowym. W przy­-
padku gdy zagrożenie klimatyczne występuje w przodku prze­-
wietrzanym wentylacją odrębną, należy przede wszystkim prze­-
prowadzić obserwację i pomiary wzdłuż wyrobiska przewietrza­-
nego odrębnie. Pomiarami należy objąć temperaturę powietrza
mierzoną termometrem suchym t~ oraz wilgotnym t~ w opływu-
„ wym prądzie powietrza świeżego przed początkiem lutniociągu.
w środku przekroju poprzecznego chodnika w odległości dwóch
„ metrów od czoła przodku, w odległości trzech metrów od końca
wylotu lutni wstecz, również w środku przekroju poprzecznego
„chodnika, na wylocie z lutniociągu i w środku przekroju poprzecz­-
nego chodnika w odległości 10 m od prądu opływowego, dodatko­-
wo w tej samej odległości zmierzyć temperaturę termometrem
suchym t~ w lutni.

10 g

8

„

Rys. 4.1. Schemat drogi powietrza świeżego do rejonu zagrożonego

k]imatycznie

Niezależnie od pomiarów temperatur należy zmierzyć pręd­kości przepływu powietrza w celu ustalenia ilości powietrza w na­stępujących miejscach:

— na wylocie z lutni,

— w odległości trzech metrów wstecz od końca lutniociągu,

— w odległości 10 m od opływowego prądu powietrza w prze­kroju chodnika,

— w prądzie opływowym.

9 Kiirnaty~acja kopalń 129

(

Dodatkowo należy ustalić:

-— długość i rodzaj lutni,

—moc wentylatorów,
. — moc innych urządzeń elektrycznych w chodniku z zazna­

czeniem na szkicu ich lokalizacji.

Na rys. 4.2 pokazano szkic wyrobiska przewietrzanego odręb­nie z naniesieniem miejsc, w których należy wykonywać pomiary.

„i

li

li

Rys. 4.2. Szkic wyrobiska przewie-
„ „ trzanego odrębnie z naniesieniem

miejsc, w których należy wykonać

pomiary t~, t,,, IV

W kazdym przypadku trzeba ustalić głębokość, na jakiej pro­~wadzcny jest przodek i zmierzyć temperaturę skał w otworze

wywiercanym w ociosie prostopadle do uławicenia na głębokość

~ .1

dwóch metrów w węgłu, a trzech w skale.

Wp rzypadku gdy w prądzie opływowym, z którego prowadzi

się roboty przygotowawcze lub udostępniające, temperatura po­wietrza i jego wilgotność jest już wysoka, trzeba przeprowadzić dodatkc\yo inwentaryzację przyczyn powodujących taki stan rze­

? czy — rgpdnie z podanymi wytycznymi w tym względzie.

4

4.1.1. Sposób analizowania danych w oparciu o wykresy i—x Molliera, uzyskanych przy inwentaryzacji przyczyn

powodujących zagrożenia klimatyczne w kopalniach

. . Po zestawieniu wszystkich danych uzyskanych przy inwenta­-
ryzacji przyczyn powodujących zagrożenia klimatyczne oraz po
wykonaniu niezbędnych przeliczeń można przystąpić do analizy

.4 uzyskanych danych. Przede wszystkim analizować należy stabil­(„

ność i wielkość wydatków prądów opływowych na całej drodze

powietrza świeżego, a w następnej kolejności zniiany parametrów

„ powietrza świeżego, zachodzące wzdłuż całej drogi. Zmiany para­-
metrów termodynamicznych powietrza nanosi się na wykres i—x

„ 130

9

Y­

/

..- X

30 20

4

3h 5

3

20 „10 „

„ — —

„)

„10 -~

Rys. 4.3. Rozkład temperatury mierzonej termometrem suchym t.( wił­gotncści właściwej r wzdłuż drogi powietrza świeżego, pokazanej na rys. 4.1

(rys. 44). Kierunek prostej łączącej dwa kolejne punkty parnia-.

„. rowe pozwala na ustalenie, jaka przemiana występuje na tym od­-
cinku. Przy prowadzeniu tej analizy pomocne jest jednoczesne.
analizowanie lokalnych źródeł ciepła rozmieszczonych „wzdłuż ca-.
lej drogi (rys. 4.l, rys. 4.3). Na rys. 4.4 można prześledzić kilka
charakterystycznych przemian parametrów powietrza na paszcze-.
gólnych odcinkach drogi powietrza od szybu do ściany. Na od­-
cinku 3a—3b powietrze ogrzewa się bez zmiany zawartości wody
w powietrzu. W wielu przypadkach na drodze przepływu powie-

-x trza może następować ogrzanie powietrza (wzrost t₅) bez zmiany
zawartości w nim pary wodnej. Nie zachodzi więc proces paro­

wania, a ciepło przenoszone zostaje do powietrza wyłącznie przez

konwekcję i przewodzenie. W praktyce zjawisko takie jest często

„ obserwowane w szczelnych lutniach albo na odcinkach wybitnie.
suchych przekopów lub chodników. Przyrost entalpii właściwej
w powietrzu wynosi wtedy

T Ai = At₅c~

ponieważ pozostałe człony równania (2.21) pozostają wielkością

„OW I stałą.

ra- Przy szczelności lutniociągów, w których zabudowana

—x [ je st „większa liczba wentylatorów, można opierać się na założeniu

Ax kontrolując na początku i końcu lutniociągu zawar-~

131

tość pary wodnej w powietrzu. Jeżeli x ~ const, to znaczy, że lutniociąg nie jest szczelny i występują straty powietrza.

Na tym samym rys. 4.4 na odcinku drogi 5—Ga występuje” zjawisko nawilżania powietrza bez zmiany jego temperatury. Jest to często spotykany przypadek w praktyce. Zawartość pary wod­nej w powietrzu wzrasta (wskutek odparowania wilgoci z otacza­jących skał), a temperatura powietrza pozostaJe bez zmian.

Ciepło potrzebne do procesu parowania pobrane zostaje ze skał otaczających wyrobisko, wskutek tego następuje więc ich ochło­dzenie, ale temperatura powietrza nie ulega zmianie. Charakter przemian termodynamicznych powietrza płynącego od szybu wde­chowego do rejonu, w którym występują zagrożenia klimatyczne (rys. 4.4), trzeba analizować nie tylko na odcinku rniędzywęzło­wym, ale jednocześnie, I w oparciu o schemat całej drogi rozwa­żyć, czy dana przemiana na tym właśnie odcinku jest korzystna czy też nie (rys. 4.1 i rys. 4.3).

Opisana poprzednio przemiana, dotycząca nawilżenia powie­trza bez zmiany jego temperatury, może być korzystna w określo­nych warunkach w strefie samej ściany, gdy temperatura dolo­towa będzie już wysoka, bliska 28 Inaczej jednak musi przebiegać analiza takiej przemiany gdy-. by zaistniała ona w rejonie szybu wdechowego, np. w wyrobisku wybitnie mokrym. Przeprowadzając analizę danych, uzyskanych przy inwentaryzacji przyczyn powodujących zagrozenia klima­tyczne w kopalniach, należy zawsze analizę przemiany na danym odcinku drogi powietrza konfrontować ze schematem całej drogi (rys. 41) I z informacjami o rozlokowaniu lokalnych źródeł ciepła wzdłuż tej drogi oraz ze stanem jej zawodnienia.

Kolejną charakterystyczną przemianą jest przemiana adiaba­tyczna, czyli taka, w której powietrze zostaje nawilżone wzdłuż drogi 7—8 (rys. 44), ale bez doprowadzenia ciepła. Przemiana ta została szczegółowo przedstawiona na rys. 3.4. Podczas prze­miany adiabatycznej powietrze zostaje nawilżone bez doprowadze­nia ciepła. Przypadek taki może zachodzić wtedy, gdy do powie­trza doprowadzona zostaje woda bardzo rozdrobniona, w postaci mgły.

Ciepło potrzebne do odparowania wody w powietrzu zostaje

odebrane samemu powietrzu i tym samym obniża się jego tempe­ratura. Zjawisko to jest więc z punktu widzenia klimatyzacji

niezmiernie pożądane. Przez sporządzenie bilansu cieplnego można jednoznacznie ocenić przebieg zjawisk nawilżania lub osuszania powietrza, tzn. określić, czy ich .przebieg jest korzystny dla po­133

I

„

prawy warunków klimatycznych. Jeżeli powietrze zostaje nawil­żone sztucznie tak pomyślnie, że odparowanie następuje tylko dzięki ciepłu odebranemu powietrzu, to jego entalpia nie ulega zmianie i proces chłodzenia przebiega prawidłowo.

Przy zbyt intensywnym nawilżaniu nastąpi wykraplanie się pary wodnej lub nawilżenie otaczających skał, wtedy zaś ciepło zostanie odebrane od skał i bilans cieplny nie będzie już zerowy. W głębokich kopalniach, jeżeli uda się doprowadzić powietrze

o małej zawartości wody (x) do rejonu zagrożonego klimatycz­nie, istnieje wtedy praktyczna możliwość nawilżenia powietrza wodą czystą, rozpyloną w powietrzu. Następuje wówczas obniżenie temperatury L₈ powietrza, co może w bardzo istotny sposób po­prawić warunki klimatyczne .w przodku zagrożonym klimatycznie.

Takie rozwiązania znalazły zastosowanie m.in. w głębokich kopal­niach złota w Afryce Południowej. Jeżeli jednak na odcinku drogi 7—8 (rys. 4.4) ilość wody doprowadzanej do wyrobiska będzie bar­dzo duża, to nastąpi nawilżanie powietrza połączone z jego ochło­dzeniem. Taka przemiana występuje na odcinku drogi 4—5 (rys.

4.4). Ta przemiana została szczegółowo przedstawiona na rys. 3.4. W wyrobiskach bardziej wilgotnych ilość ciepła potrzebna do

odparowania wody w danych warunkach ciśnienia i temperatury jest tak znaczna, że zostaje ona odebrana nie „~tylko skałom, ale I powietrzu. Powietrze doprowadzone do takiego odcinka prze­kopu czy chodnika musi mieć jednak małą wilgotność względną. W takim przypadku powietrze zostaje nawilżone i jednocześnie ochłodzone (rys. 3,3). W kopalniach najczęściej zachodzą zjawiska jednoczesnego nawilżania i ogrzewania powietrza, co z punktu widzenia klimatyzacyjnego nie jest pożądane. Jeżeli rozpatrywa­ne na drodze przepływu powietrza w wyrobisku punkty nie są zbyt oddalone od siebie, to można przyjąć, że przemiana opisująca nawilżenie przy jednoczesnym ogrzaniu powietrza ma przebieg liniowy. W praktyce jednak tak nie jest dlatego, że temperatury powierzchni skał w wyrobisku są różne na różnych jego odcin­kach. Z praktyki wiemy, że zawodnienie skał w górotworze jest nierównomierne, co może powodować, że na różnych odcinkach wyrobiska powietrze bywa różnie nawilżane. Tak więc na drodze przepływu powietrza w rejonie przodków górniczych moŹe zacho­dzić zarówno proces nawilżania, jak i przepływ ciepła na drodze

przewodzenia i konwekcji. Na rys. 3.2 pokazano szczegółowo taką „przemianę, a na rys. 4.4 przemiana taka zachodzi na wielu od­cinkach, jak 1—2, 2—3 I innych.

Z przytoczonych rozważań przemian termodynamicznych, za­chodzących wzdłuż drogi przepływu powietrza przez kopalnię, wynika, że najkorzystniej jest doprowadzić powietrze do przod­ków, przy zachowaniu możliwie stałej zawartości wody w powie­trzu. W obrębie przodków górniczych mogą wtedy wystąpić ko­134

Tzystne warunki klimatyczne. Gdy temperatura mierzona na ter­mometrze suchym L₈ będzie wysoka przy niskiej wilgotności względnej q, wówczas można łatwo obniżyć temperaturę powie­trza, stosując rozpylanie wody I zwiększając tym samym wii­gotność, zgodnie z przemianą adiabatyczną. Przeprowadzona

w opisany skrótowo sposób analiza danych uzyskanych przy in­xyentaryzacj i przyczyn, powodujących zagrożenia klimatyczne w kopalniach, powinna umożliwić wykrycie tych przyczyn, które determinują warunki klimatyczne w badanym rejonie. Niektóre z nich można szybko wyeliminować. Do takich należą: osuszenie wyrobiska na drogach powietrza świeżego, regulacja ilości prze­pływającego w nich powietrza oraz podniesienie stopnia stabil­ności wydatków prądów powietrza. Trudniej jest wpłynąć na eli­minację lub zmnicjszcnie oddziaływania lokalnych źródeł ciepła.

Sposób, w jaki można wpłynąć na poprawę trudnych warun­ków klimatycznych, oddziałując na wykryte przy analizie przy­czyny powodujące te zagrożenia, zostanie omówiony w dalszej czę­ści tego rozdziału.

4.2. ZWIĘKSZENIE ILOŚCI POWIETRZA
W WYROBISKACH GORNICZYCH

Przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy oraz bezpieczeństwa pożaroy,~ego w podziemnych zakładach górniczych, zawarte w roz­porządzeniu Prezesa Rady Ministrów z dnia 1 VII 1969 r., okreś­lają minimalne ilości powietrza, jakie powinny być doprowadza­ne do wszystkich podziemnych wyrobisk zakładu górniczego.

Ilość powietrza xy przeliczeniu na jednostkę najliczniejszej zmiany nie powinna być mniejsza niż 6 mNajmniejsza ilość powietrza dostarczonego do kopalni powin­na wynosić w zależności od jej głębokości:

1 m1,0 do 1,5 m~Jt/d — w kopalniach o głębokości od 400 do 600 m,

1,5 do 2,5 m~itJd — w kopalniach o głębokości od 600 do 800 m,

2,5 do 4,0 rn

135

Jak wykazano w poprzednich rozdziałach, ilość ciepła, jaka jest odprowadzana z kopalni przez powietrze, wzrasta wraz z głę­bokością wybieronia. Ponieważ coraz mniejsze są możliwości od­prowadzenia cicpla z k6paini na większych głębokościach (rys. 3.8),

przeto ilość powietrza dopływającego do przodków musi wzrastać

ze wzrostem głębokości wybierania. Tylko tak pojęta regulacja
ilości powietrza w kopalni może zapewnić poprawę lub utrzyma­-
nie w normie odpowiednich warunków klimatycznych. Ponieważ
„ w naszych kopalniach ilości powietrza doprowadzanego do przod­-
ków są ciągle jeszcze male, przeto można się spodziewać, że zwięk­

szefie ilości powietrza xy przodkach musi spowodować obniżenie

się temperator, połączone ze spadkiem jego wilgotności względ­nej, co razem wzięte powinno wyraźnie poprawić warunki kuma-

tyczne. Wniosek ten potwierdzają zresztą odpowiednie doświad­czenia, przeprowadzone w naszych kopalniach przez instytuty

i placówki naukowe, oraz wyniki obserwacji dokonanych w in­nych krajach. Obniżenie temperatury powietrza przez zwiększe­„ „ nie jego ilości jest jednak skuteczne tylko do pewnej granicy.

Przy dalszym wzroście ilości przepływającego powietrza spadek

t

emperatury jest już nieznaczny, jak to widać z rys. 4.5 170; 195].

Rys. 4.5. Wplyw ilości po­wietrza doprowadzonego do ściany na temperaturę po­wietrza przy wyjściu ze ściany E195]

Ze względu na niewielką ilość powietrza dopływającego do przodków naszych kopalń, obniżenie temperatury powietrza przez zwiększenie jego ilości jest w naszych warunkach sposobem sku­tecznym. Wprawdzie, jak to już wspomniano, eksploatację węgla w Polsce prowadzi się obecnie na jeszcze stosunkowo niewielkich głębokościach, w związku z czym w zasadzie nie notuje się w przodkach wybierkowych większych trudności klimatycznych. Niemniej w budowie są już poziomy głębokie, gdzie eksploatacja może natrafić na trudności klimatyczne związane zarówno z wyż­szą temperaturą skał i złoża, mechanicznym urabianiem i ładowa­niem, jak I ze zmniejszonym stopniem geotermicznym.

136

³⁶r

1

1

~oD

!(a.d przeptywajac8po powietrza przez śc/ar,ę m~r”mrn

Ponieważ jednym z czynników decydujących o cieplnych wa­runkach pracy jest prędkość i ilość przepływającego powietrza

w miejscu pracy ludzi, przeto przeprowadzono wyrywkową anali­zę prędkości i ilości przepływającego powietrza xy przodkach

o największej koncentracji wydobycia, czyli w ścianach.

W kopalniach nowych i rekonstruowanych lub na nowych po­ziomach kopaiń starych eksploatację pro ~adzi się obecnie prawie \yylącznie systemami ścianowymi. Systemy ścianowe umożliwia­ją również osiąganie wysokiej koncentracji wydobycia, do której dązy się obecnie na całym świecie.

Ilość powietrza doprowadzanego do ścian, jak i prędkość po­wietrza płynącego wzdłuż frontu ściany węglowej, nie jest obecnie systematycznie i prawidłowo mierzona. Pomiary dokonywane są w chodnikach podstawowych, często w dość znacznych odległoś­ciach od samych przodków. Efektem takiego usytuowani.a stacji lub punktów pomiarowych było „stwierdzenie zbyt dużych ilości powietrza w stosunku do ilości powietrza rzeczywiście doprowa­dzanych do ścian. Różnice te są szczególnie widoczne przy syste­mach ścianowych podłużnych z zawałem i przy eksploatacji pro­wadzonej do granic.

Dla potwierdzenia wymienionej tezy dokonano wyrywkowych obserwacji w 45 ścianach zawałowych prowadzonych do granic i od granic na głębokościach od 200 do 650 m. Pomiary przepro-. wadzono w kopalniach Zagłębia Górnośląskieg.o systematycznie (co 7 dni) przez dwa miesiące w roku 1967.

Wyniki pomiarów okazały się interesujące z następujących po­wodów:

— we wszystkich przypadkach stwierdzo.no okresowe zmiany ilości powietrza faktycznie doprowadzonego do ścian w gra-.

nicach od 20 do 100%,

— ilości powietrza w ścianach były małe — tak w przeliczeniu na jednostkę wentylacyjną, jak i na tonę wydobycia,

— prędkości przepływu powietrza w ścianach były bardzo małe (w granicach od 0,2 do 1,5 mjs),

— ilość powietrza doprowadzanego do ścian nie pozostawała. w żadnym stosunku do głębokości wybierania, a była zależ­na wyłącznie od lokalnych warunków (ilość powietrza do­prowadzonego do kopalni, odległość ściany od szybu wde­chowego itp.),

— warunki klimatyczne we wszy~tkich badanych ścianach by­ły zadowalające, co należy przypisać małej głębokości wy­bierania i w związku z tym, niskim temperaturom skał i węgla.

W pierwszym wydaniu książki przytoczono wyniki pomiarów

i obserwacji przeprowadzonych w 91 ścianach w dwóch z.jedno­czeniach węglowych na Górnym ~ląsku. Celem przeprowadzonych

wtedy badań było stwierdzenie, jak kształtują się średnie wskaź­niki wydobycia, ilości powietrza w ścianach i wielkości wskaźnika m

Tablica 4.1. Zestawienie zbiorcze wyników pomiarów wydatków powietrza wykonanych

w 91 ścianach w roku 1967 wraz z zestawieniem wydobycia i w zależ­ności od poziomów, z których prowadzone były ściany

Poziom, m

Wyszczególnienie ______
200 300 400 500 600 700 800 900

Łiczbaścian 13 11 12 19 20 5 9 2 T
Średni wydatek powie- r „ „

trza, m Średnie wydobycie, t/d 340 348 355 517 423 466 f 446 464

Średni wskaźnik wen- „

tylacyjny, mobserwacji w roku 1967”i 1977. Na rys. 4.7 i 4.9 przedstawiono te same krzywe, co na rys. 4.6 i 4.8 z tą różnicą, że przyjęto wyniki średnie wyliczone dla ścian na poziomie 200 m za 100%, a następ-

- nie odniesiono wszystkie wyniki ze ścian na innych poziomach do poziomu 200 m, oznaczając przez A% odchyłkę \yskaźnika sku­teczności przewietrzania, ilość powietrza i wydobycia od tych wyników.

Tablica 4.2. Zestawienie zbiorcze wyników pomiarów wydatków powietrza wykona-. nych w kopalniach węgla na Górnym Śląsku w roku 1977 wraz z zesta­wieniem wydobycia i w zależności od poziomów, z których prowadzone były ściany

Poziom m
Wyszczególnicnię —
200 300~400500]600”700~80O 900

Liczba ścian .... I 24 39 84 98 134 93 53 7
Średni wydatek powiej
trza, m Średnie wydobycie, t/d 763 687 665 793 744 838 1040 842
Średni wskaźnik wenty- „
lacyjny, m „ „

138

P

I

„—r

O

N

Rys. 4.8. Graficzne zestawienie wyników pomiarów wydobycia, ilości po­wietrza i wskaźnika skutee7ności przewietrzania ścian prowadzonych w Górnośląskim Okręgu Węglowym w 1977 r. w zależności od glębokości wybierania

Z analizy danych zawartych w tabl. 4.1 oraz na rys. 4.6 i 4.7

wynikały następujące wnioski:

— średnia wielkość wydobycia uzyskiwanego z jednej ściany rośnie wyraźnie z głębokością wybięrania,

— średnia ilość powietrza na froncie ściany również rośnie z głębokością, ale bardzo nieznacznie,

— wskaźńik skuteczności przewietrzania wyrażony W mUzyskane informacje o warunkach przewietrzania ścian były

niezadowalające. Jak wynikało z poprzednich rozważań, z punktu

widzenia potrzeb klimatyzacyjnych należy dążyć do zwiększenia

ilośc,i powietrza na tonę wydobycia w przodkach w miarę wzrostu

głębokości wybierania, a tymczasem w praktyce obserwuje się

J 140

Oc J..

L

„
„
\. „ .„

„

N

/

.„

/

I

A

X

X

300 400 500 900

Gtbębokość wybierania, m

-„

zjawisko wręcz odwrotne. Główną przyczyną takiego stanu prze— \yietrzania naszych kopalń były same sieci wentylacyjne, bardzo skomplikowane, z dużą ilością krótkich spięć.

Analiza danych zawartych w tabl. 4.1, 4.2 oraz na rys. 4.7

J 4.9 pozwala na wyciągnięcie następujących wniosków:

— średnia ilość powietrza doprowadzanego do ścian w m700 m,

— średnia wielkość wydobycia jest duża i rośnie z głębokością zalegania ścian do głębokości 800 m,

— wskaźnik skuteczności przewietrzania wyrażony w mCiekawy jest fakt wynikający z analizy rys. 4.6, 4.7, 4.8 I 4.9. Po pierwsze zdecydowanie wzrosły ilości powietrza przeprowadza­nego w ogóle przez ściany w ostatnim dziesięcioleciu 1967—1977. Wzrosło również i wydobycie uzyskiwane z jednej ściany, a także wskaźnik intensywności przewietrzania wyrażony w m

141

I

400 500

Śt~”ębokość wybierania, m

Rys. 4.9. Graficzne zestawienie wyników pomiarów i obserwacji dokona­nych na ścianach Górnośląskiego Okręgu Węglowego w roku 1977 w od­niesieniu do głębokości wybierania

Odchyłki:

I — wskaźnika skuteczności przewietrzania, m”ItId, 2 — ilości powietrza, m”/rnin, 3 —wydobycia, itd w odniesieniu do wartości średniej wyliczonej dla ścian na poziomie

200 m

Wzrost wskaźnika intensywności przewietrzania następuje rów­nież wraz z głębokością zalegania ścian. Ale wyciąganie wniosków z tego faktu prowadzi tylko do stwierdzenia, że wskaźnik ten w odniesieniu do ścian jest ograniczony przepustowością wenty­lacyjną ściany związaną z przekrojem poprzecznym ściany i p~ręd­kością powietrza w ścianie. Stwierdzić można, że ilości powietrza przeprowadzonego przez ściany są już znaczne, co z punktu wi­dzenia zapewnienia możliwie dobrych warunków pracy w ścia­nach jest istotnie ważne. Trzeba jednak wyraźnie powiedzieć, że w związku z tym praktycznie w naszych kopalniach możliwości poprawy warunków klimatycznych w ścianach na drodze zwięk­szenia ilości powietrza doprowadzanego do ścian maleją tam (rys. 4.l), gdzie już dziś doprowadza się do ścian dużo powietrza. Dzisiaj trzeba już rozważać możliwość zwiększania ilości doprowadzanego powietrza do rejonu ścian w aspekcie przewietrzania całego rejonu. Można tu wiele zdziałać stosując nowoczesne systemy rozcinki pola typu H czy Y, niemniej nadal należy w kopalniach podejmować różne działania techniczne w celu skierowania do rejonów wen­tylacyjnych możliwie dużych ilości powietrza.

Z danych zawartych w tabl. 4.3 wynika, że ilości powietrza doprowadzanego do kopalń stale wzrastają, ale ilości powietrza doprowadzanego do oddziałów wydobywczych spadły z 64% w roku 1975 do 58% w 1978. Biorąc pod uwagę fakt ciągłej mechanizacji I koncentracji robót górniczych, stan ten może niepokoić, bowiem wskazuje na wzrost strat zewnętrznych i wewnętrznych powie­trza, który w dużym stopniu może obniżyć efekty skuteczności przewietrzania.

Łata

Wyszczególnienie

1970 1975 I 1978

Ilość powietrza doprowadzona do kopalń,

tys. m Ilość powietrza doprowadzana do od­-
działów wydobywczych, tys. m Wydatki głównych wentylatorów, tys. I
m Ilość powietrza doprowadzanego do od­-
działów wydobywczych w stosunku do
ilości doprowadzanej do kopalń, % 60 64 58

Zagadnienie wzrostu ilości powietrza w robotach przygoto­wawczych i udostępniających jest stale aktualne i tu można w spo­sób bardzo wyraźny uzyskać poprawę warunków klimatycznych w przodkach, przechodząc na większe średnice lutni i uzyskując większe ilości powietrza w przodkach.

142

Tablica 4.3. Zestawienie danych o przewietrzaniu kopalń węgla GZW za lata 1970—1978

.

I

~a

.„

Przewietrzanie odrębne przodków jest ciągle stosunkowo mało skuteczne w porównaniu ze stosowanymi w wyrobiskach koryta­rzowych technologiami. Tak więc zwiększenie ilości powietrza doprowadzanego do rejonów wydobywczych i wyrobisk przewie­trzanych odrębnie jest nadal nakazem chwili dla kopalń, które nic przewidują możliwości wprowadzania sztucznych metod poprawy warunków klimatycznych.

Poprawa warunków przewietrzania ścian przez skierowanie do nich większych ilości powietrza jest jedną z pierwszych czynności, jakie należy wykonać dla poprawy warunków klimatycznych. Wy­daje się konieczne, aby dla nowych kopalń i dla nowych głębokich poziomów wprowadzana była zasada projektowania specjalnego poziomu wentylacyjnego podłączonego wprost do szybu wydecho­wego, gdyż tylko takie rozwiązanie może zapewnić dostarczenie dużych ilości powietrza na znaczne głębokości oraz ułatwić regu­lację tych ilości powietrza na poszczególnych poziomach. Na przy­kład w okręgu Campine w Belgii wydobycie osiąga się z dwóch

„ czy nawet trzech poziomów głębokich, ale każdy z nich ma odpo­wiedni przekop wentylacyjny, podłączony do tego samego szybu wydechowego. Regulację ilości powietrza na poziomach przepro­wadza się tam dzięki zastosowaniu dużych wentylatorów zainsta­lowanych w rejonie szybu wydechowego na poziomach wentyla­cyjnych. Kopalnie są tylko dwuszybowe. W naszych warunkach należy raczej dążyć do podłączenia jednego poziomu do jednego szybu wentylacyjnego, w przypadku gdy kopalnie mają kilka szybów.

900

L

J

I

.~ 700

~ 600

500

~00

700 800 900 1000 7100

Gttbokońć kopu/i~i h~ rn

Rys. 4.11. Krzywa obrazująca zależ­ności ilości powietrza w ścianach od głębokości ich zalegania w kopal­niach okręgu Campine (Belgia)

144

Na rys. 4.10 pokazano uproszczony schemat przestrzeimy jed­nej z głębokich kopalń w okręgu Campine w Belgii, kopalni Aindr~

Dumcnt. W kopalni tej ilość powietrza doprowadzanego do przod­ków eksploatacyjnych na poszczególnych poziomach rośnie zdecy­dowanie z głębokością wybierania, co ilustruje rys. 4.11.

„ Wydobycie osiągane z jednej ściany jest natomiast prawie rów­ne. Jest to wynikiem zastosowania pełnej mechanizacji urabiania tak na poziomach plytszych, jak i głębszych oraz jednakowych warunków geologicznych.

Dane zawarte w tabl. 4.2 wskazują na to, że także w kopal­niach węgla na ~ląsku ilości powietrza doprowadzanego do ścian

rosną z głębokością.

4.3. ZWIĘKSZENIE PRĘDKOŚCI PRZEPŁYWU

. POWIETRZA W MIEJSCACH PRACY LUDZI

Zwiększenie w kopalni ilości powietrza powoduje przeważnie wzrost prędkości przepływu, szczególnie wtedy, gdy przekroje wyrobisk górniczych nie uległy zmianie. Jak wiadomo, zwiększe­nie prędkości przepływu powietrza wplywa wyraźnie na poprawę warunków klimatycznych z dwóch powodów, a mianowicie:

— zwiększa możliwości wymiany ciepła pomiędzy ciałem lud.z­kim a „otaczającym je powietrzem,

— zmniejsza możliwości nagrzewania się powietrza od skał w drodze do przodku.

W przodkach prędkość powietrza nie może przekraczać 5 m/s,

gdy tymczasem w praktyce prędkości te są znacznie mniejsze.

W innych wyrobiskach prędkości są bardziej zbliżone do gór­nych granic dozwolonych przepisami, niemniej istnieją i tu prze­ważnie znaczne rezerwy. Ogólnym kierunkiem działania powinno być utrzymywanie prędkości przepływu powietrza zbliżonych do dozwolonych przepisami w wyrobiskach takich jak szyby, szybiki, przekopy, wytyczne oraz chodniki podstawowe. Natomiast w sa­mych przodkach należy dążyć do tego, aby prędkości powietrza nie były mniejsze od 2 m/s w przypadku wyrobisk przewietrza­nych prądami opływowymi. W przodkach ślepych, przewietrza­nych odrębnie, trzeba — ze względu na niemożność dostarczenia do przodków tak dużych ilości powietrza lutniami — prędkość tę obniżyć do 0,15+0,25 m/s. Tak w jednym, jak Y drugim przypad­ku, podane liczby określają wartości minimalne.

W praktyce górniczej wystąpi szereg zagadnien technicznych,

mających wpływ na osiągnięcie proponowanych warunków, np.

10 K1imatyzac~a kopalń 145

przy przewietrzaniu chodników ślepych będzie to zagadnienie

sprawności wentylacji odrębnej, a w przypadku przewietrzania przodków prądem opływowym, będzie to problem odpowiedniego przekroju wyrobisk i odpowiedniej ilości dostarczanego powietrza.

Przeprowadzone przez autora obserwacje w kilku głębokich kopalniach belgijskich wykazały, że w większości ścian prędkości powietrza wynoszą około 2 mis. Przekroje poprzeczne otwarcia scany wynoszą od 2 do 5 mNa rys. 4.12 przedstawiono zależność ilości powietrza w ścianie

od jej przekroju przy stałej prędkości przepływu powietrza w 2

mis. Analiza tego wykresu pozwała wysunąć stwierdzenie, że

w Belgii można uzyskać w ścianach postulowaną prędkość powie— trza ok. 2 m/s przy stosunkowo niewielkich ilościach powietrza

(240 do 600 m

Rys. 4.12. Zależności ilości powietrza

w ścianie od jej przekroju przy sta­~ej prędkości przepływu powietrza

w = 2 mis

(Odcinek A—B Odpowiada średniemu przekrojowi otwarcia ścian W kopalniach belgijskich, odcinek B—C odpowiada śred­niemu przekrojowi otwarcia ścian W ko­palniach polskich)

Sytuacja w polskim górnictwie jest obecnie zupełnie inna, tak ze względu na wielkość otwarcia ścian, jak i ilości powietrza do.­prowadzanego do nich. Przekroje otwarcia ścian w kopalniach gór­nośląskich wynoszą przeważnie około 12 m480 m//min. Przy założeniu, że maksymalna prędkość powietrza w ścianie nie powinna być mniejsza od w = 1,5 mis, a maksymal­na ilość doprowadzanego powietrza od ściany może •praktycznie wynosić 18 m

146

E

A

I

ISL

~ J

C

~0

S

C

N

„.-

0~.

N

0~

I/ośc powietrza w ścianie y,m~s

1.•

Oznacza to, że z chwilą osiągnięcia większych głębokości wybie­rania konieczna będzie zmiana systemu eksploatacji. Obecnie w ścianach poprzecznych z podsadzką hydrauliczną obserwuje się duże zmiany wielkości poprzecznego przekroju otwarcia w okre­sie jednego cyklu podsadzkowego, które mają już teraz wyraźny wpływ na warunki klimatyczne w ścianie. Należy nadmienić, że urabianie w tych przodkach przeważnie nie jest zmechanizowane. W ścianach zawałowych zagadnienie jest prostsze, gdyż ściany te mają mniejszy poprzeczny przekrój otwarcia, nie przekraczający w naszych warunkach 12 m„ sprawa mechanizacji urabiania, połączona z możliwym przyspie­szeniem postępu frontu.

C

L

Rys. 4.13. Krzywa zależności prędkości powietrza

w ścianach od przekroju otwarcia ścian przy nie-
„ zmiennej ilości powietrza

e — krzywa dla V S m~Is

b— krzywa dla V 10 m~Js c — krzywa dla V = 12 m”/a

— krzywa dla V = 14 m Uj f — krzywa dla V = 18 m”Js

2 Z dotychczasowych rozważań i doświadczeń dotyczących za­-
gadnień ilości i prędkości powietrza w przodkach eksploatacyjnych

b można wyciągnąć następujące wnioski: .

1. Ze względu na warunki klimatyczne w ścianach prowadzo­-
uje nych na znacznych głębokościach należy zapewnić taką

ilość powietrza w ścianie, by prędkość powietrza wynosiła

minimum 2 m/s.

147

f

Prędkość powietrza wgmjs

2. Uwzględniając prędkości p.odane w pkt 1, należy przyjąć, że minimalna ilość powietrza doprowadzanego do ściany po-winna wynosić około 480 m3. Uwzględniając założenia podane w punktach 1. i 2. należy przyjąć, że maksymalny przekrój poprzeczny otwarcia ścia­ny może wynosić 9 do 12 m4. Należy projektować wzrost ilości powietrza na froncie eks­ploatacyjnym proporcjonalnie do głębokości.

W nowoczesnym górnictwie, tam gdzie powietrze nie jest ska­żone gazami toksycznymi lub wybuchowymi, wprowadza się do­datkowo urządzenia wentylacyjne służące do lokalnego zwiększe­nia prędkości przepływu powietrza w miejscu pracy ludzi. Chodzi o zwiększenie wymiany ciepła między ludzkim ciałem a powie­trzem. Szerokie zastosowanie znalazły tu wentylatory swobodne,

ejektory i zwykłe dysze. W górnictwie solnym i rud z uwagi na

duże gabaryty wyrobisk górniczych stosuje się na szeroką skalę

właśnie wentylatory swobodne. W ZSRR taMe wentylatory są

„ często wyposażone w specjalne podwozie dla umożliwienia łatwe­go ich przemieszczania w komorach czy chodnikach. Również w polskim górnictwie miedziowym wentylatory swobodne są sto­sowane w rejonie przodków na szeroką skalę. Nadmienić należy,

„ że zwiększenie prędkości przepływu powietrza powoduje nie tylko

zwiększenie wymiany ciepła między ciałem ludzkim a przepływa­jącym powietrzem, ale również powoduje wyraźne obniżenie tak zwanej temperatury efektywnej, co zostało udowodnione w pra­cach [182, 1221.

4.4. ZMNIEJSZENIE WILGOTNOŚCI POWIETRZA KOPALNIANEGO

W rozdziale 3.2. omówiono czynniki wpływające na stan nawIl­żenia powietrza kopalnianego. Wykazano również niekorzystny wpływ nadmiernej ilości pary wodnej w powietrzu na warunki klimatyczne. Obecnie podane zostaną sposoby i wskazane środki, którymi można zmniejszać nawilżenie powietrz.a w kopalniach. Najprostszym sposobem szybkiegó obniżenia wilgotności względ­nej powietrza w rejonie przodków jest zwiększenie ilości powie­trza dopływającego do nich. Zmniejszenie nawilżenia powietrza uzyskuje się tu dzięki temu, że nie zmieniają się czynniki powo­dujące nawilżenie powietrza. Często dodatkowym efektem zwięk­szenia ilości przepływającego powietrza jest spadek temperatury,

obserwowany jednak znacznie później. W warunkach kopalń poi-

I ~ skich znaczną rolę spelnia woda wydzielająca się z ociosów głów-

: .nych dróg powietrza świeżego (w szczególności rur szybów wde­148

„ chowych), woda podsadzkowa i wody ściekowe. Ujęcie i odprowa­-
dzenie tej wody przewodami zanikniętymi, czyli wyeliminowanie
możliwości bezpośredniego kontaktu wody z powietrzem, powinno
stać się więc podstawowym kierunkiem działania dla uzyskania
poprawy warunków klimatycznych w naszych kopalniach. Przede

wszystkim należy osuszyć szyby wdechowe, co jest czynnością konieczną również i ze względu na ochronę urządzeń szybowych przed korozją. Osuszanie kopalń jest konieczne również wówczas, gdy przewiduje się uruchamianie w nich maszyn klimatyzacyj­nych; maszyny klimatyzacyjne pracują bowiem o wiele skutecz­niej w przodkach, w których powietrze jest suche.

Należy również zwrócić uwagę na ilość wody, rozpryskiwanej przez zraszacze zainstalowane na wysypach i przesypach. Te, zda­wałoby się, nieznaczne ilości wody mogą jednak, jak wykazały doświadczenia, w sposób wyraźny pogarszać warunki klimatyczne w kopalniach głębokich. Konstrukcja zraszaczy powinna więc być opracowana pod kątem zużycia minimalnych ilości wody przy za-Iozeruu maksymalnych efektów zwilżania i wytrącania z atmos­fery drobnych lotnych pyłów. Odprowadzanie wód złożowych

otwartymi ściekami w wyrobiskach, którymi prowadzi się duże

ilości powietrza świeżego, powinno być całkowicie zabronione.

Skierowanie wód w rejony szybów peryferyjnych wydecho­wych, które wyeliminowałyby możliwość kontaktu wody z powie­trzem, jest o tyle trudne, że przekopy i chodniki główne mają na­chylenie w kierunku od pola do szybu wdechowego, między innymi dla uł.atwienia transportu urobku. Wymagałoby to więc istotnych zmian w zasadach projektowania kopalń i byłoby możliwe do osią­gnięcia tylko w nowo budowanych obiektach kopalnianych. Realne wydaje się ujmowanie wody w rurociągi i zapobieganie tym spo­sobem możliwościom bezpośredniego kontaktu wody z powietrzem.

Wkopalniachmetanowych,wktórychilościzużywanejenergii

pówietrza sprężonego są ciągle duże, należy zwrócić uwagę na od­powiednie ochładzanie powietrza sprężonego po jego sprężeniu.

Dobrze ochłodzone powietrze sprężone jest suche i po wykonaniu

pracy w odbiornikach energii poprawia tym samym warunki kli­matyczne w bezpośrednim otoczeniu tych odbiorników.

W polskich kopalniach głębinowych wilgotność względna po­wietrza jest wysoka, wynosi około 80 do 90% w strefach powie­trza świeżego. Zmniejszenie tej wilgotności do około 60%, co jest zresztą całkowicie realne, byłoby dużym osiągnięciem w poprawie warunków klimatycznych w naszych kopalniach.

W ostatnich łatach dobre wyniki w zmniejszaniu wilgotności powietrza na drogach dolotowych powietrza świeżego osiągnięto we Francji i RFN dzięki stosowaniu osłon nad taśmami, którymi transportuje się urobek ze ścian w kierunku pod prąd powietrza

świeżego. Urobek oddaje wilgoć do powietrza bardzo łatwo i szyb-

149

ko, co potwierdziły liczne badania przeprowadzone w kraju i za granicą. W kopalniach miedzi wdrożono z powodzeniem specjalny system przewietrzania robót przygotowawczych prowadzonych jednocześnie kilkoma równoległymi przodkami. Jednoczesne pro­wadzenie czterech albo nawet pięciu chodników w złożu jest podyk­towane chęcią wykorzystania ciężkich maszyn samojezdnych. Przyjęto zasadę (rys. 4.14), by do przodków prowadzić powietrze

III

Rys. 4.14. Układ wyrobisk drążonych w złożu rudy (LGOM) w fazie

okonturowania pnia ekspJoatax~yinego

świeże tylko jednym chodnikiem i aby na tej drodze zakazać sto­sowania ciężkich wozów samojezdnych omożliwie suchą. Odprowadzenie powietrza może odbywać się dwo-

.„ ma wyrobiskami. Transport urobku projektuje s.ię wyłącznie
w jednej z dróg powietrza zużytego. Takie rozwiązanie wentylacji
robót przygotowawczych pozwała na prowadzenie ich na znacz­

:1 „

nych głębokościach bez stosowania urządzeń klimatyzacyjnych.

W przodkach przewietrzanych odrębnie zmiana systemu wenty­lacji z ssącej na tłoczącą zwykle poprawia warunki pracy w przod­ku prowadzonym w skałach o temperaturach wyższychod 28

4.5. PRAWIDŁOWE ROZdĘCIE KOPALŃ

Do tej pory decydujące znaczenie przy podejmowaniu decyzji

; .. dotyczących sposobu rozdęcia kopalń przeważnie miały takie pa­-
ram etry‚ jak budowa geologiczna złoża oraz zasobność złoża, na­-
chylenie pokładów, względy ekonomiczne takie jak: odstawa

urobku, ilość robót kamiennych itd. Przy projektowaniu jednak
nowych poziomów głębokich kopalń istniejących albo nowych
głębokich kopalń trzeba wziąć pod uwagę dodatkowy, nowy czyn-
„ „ nik, jakim jest różna przewodność cieplna skał występujących na
poszczególnych poziomach i zależna od niej ich temperatura a tak-

150

że zawodnienie. Przy projektowaniu nowych poziomów w istnie­jących kopalniach sprawa jest o tyle prosta, że można stosunkowo łatwo zmierzyć temperatury skał na istniejących starych pozio­mach, określić wartości współczynnika przewodności cieplnej czy zawodnienia górotworu. W przypadku kopalń nowych, budowa­nych w nieznanym bliżej rejonie, należy opierać się na danych, uzyskanych w okresie badania złoża za pomocą głębokich otwo­row.

Przy rozcinaniu i udostępnianiu kopalń głębokich należy:

— dążyć do tego, aby każdy z głębokich poziomów mial swój przekop wentylacyiny, podłączony wprost do jedneg.o z szy­bów wydechowych;

— unikać odprowadzania powietrza zużytego z poziomów głę­bokich poprzez dowierzchnie w pokładach na stare, wyżej

leżące poziomy wentylacyjne;

— trzymać się zasady, że powietrze ma być prowadzone do przodku i odprowadzone drogą możliwie najkrótszą;

— przecznice i przekopy zakładać, jeżeli to możliwe, .w skałach o jak naj niższych temperaturach;

— zmniejszyć do minimum liczbę wyrobisk, doprowadzają­cych świeże powietrze do przodków;

— w projektach eksploatacji uwzględnić możliwie „duży sto­pień koncentracji robót, łącznie z założeniem maksymalnej

zmianowości ;

— rezerwę wydobycia przewidywać wyłącznie w zmianowości

na kilku ścianach z jednoczesnym wykluczeniem rezerwy

frontu nie obłożonego w ogóle.

W zasadzie udostępnienie złoża powinno być wykonane w opar-

citu o szkielet kamienny.

Czas trwania wyrobisk prowadzonych w złożu powinien być

krótki.

Bardzo pomocne przy projektowaniu rozcinki jest uzyskanie możliwie dokładnych informacji o temperaturach skał, które czę­sto są różne na tej samej głębokości, w „zależności od układu warstw złożowych i ich geologicznej struktury, oraz znajomość współczynnika przewodności cieplnej skał; uzyskany obraz tem­peratur wykreslony w postaci mapy izolinii temperatur skał na danym poziomie może zdecydować o sposobie rozcięcia nowego

poziomu. Należy starać się zakładać przecznice i przekopy w ska­łach o najniższych temperaturach, mimo że wówczas często trzeba zwiększać ogólną długość wyrobisk chodnikowych kamiennych udostępniających. Postępowanie takie oplaca się z tego względu, że przy póżniejszej eksploatacji poziomu zmniejszone będą trud-

„ nosci, wynikające z nadmiernego ogrzewania się głównego prądu

powietrza już w drogach dolotowych. W Zagłębiu Ruhry przy za­kładaniu nowych głębokich poziomów w istniejących kopalniach

151

w dwóch przypadkach zmieniono pierwotny projekt rozcinki, de­cydując się na poprowadzenie przekopów w innych skałach o niż­szych temperaturach. Zmiany te dały pozytywne wyniki i obecnie warunki klimatyczne w wyrobiskach wykonywanych w samym

„ złożu (pokładzie) są znacznie lepsze, niż w wyrobiskach udostęp­nionych na tych samych głębokościach w sąsiednich kopalniach przy identycznej intensywności przewietrzania. Podobne efekty jak w Belgii osiągnięto przy projektowaniu i budowie głębokich kopalń złoża w RPA.

W przypadku projektowania nowej, od razu głębokiej kopal-

„. ni, co nie jest często spotykane w praktyce, należy projekt rozcin- „ki i udostępnienia wykonać w kilku wariantach, a następnie prze­prowadzić obliczenia prognostyczne w celu ustalenia temperatur

powietrza w różnych partiach złoża przy różnych modelach roz­cinki. Ten aspekt projektowania nie był do tej pory brany pod

uwagę przy opracowywaniu tak zwanych projektów koncepcyj-nych udostępnienia i rozcięcia kopalni głębokiej. Jest to zagad­nienie niezmiernie ważne, które może decydować o tym, czy daną „kopalnię da się prowadzić bez stosowania klimatyzacji czy tez nie.

„ Ustalenie w oparciu o przeliczenia prognostyczne dokonane przy
użyciu ETO, czy w drodze zwiększenia ilości powietrza doprowa­-
dzanego do kopalni można zapewnić w okresie jej eksploatacji

zawsze poprawne warunki klimatyczne czy też nie, decydować

powinno o ilości szybów i przekrojach użytecznych głównych dróg

wentylacyjnych i transportowych. Jeżeli okaże się, że bez sztucz­nego ochładzania powietrza nie będzie można zapewnić popraw­nych warunków klimatycznych w kopalniach, to można podjąć decyzję o ogromnym znaczeniu, a mianowicie ustalić ilość powie­trza dla kopalni tylko w odniesieniu do zagrożeń metanowych tak :

wybuchowych, jak i toksycznych. W przypadku gdy projektowana kopalnia nie ma być metanowa, może to oznaczać znaczne zmniej­szeni~ wymaganej dla kopalni ilości powietrza. Nie oznacza to

jednak, że koszty będą wtedy mniejsze. Biorąc to pod uwagę, trze­ba przeprowa.dzić również odpowiednie przeliczenie. Postępowa­nie takie powinno jednak w konsekwencji zapewnić poprawne warunki klimatyczne w nowo projektowanych głębokich kopal­niach tak w okresie ich budowy, jak i rozwiniętej eksploatacji.

4.6. SYSTEMY EKSPLOATACJI

Możliwości właściwego przewietrzania miejsc pracy oraz za­w dużym stopniu zależne od samego systemu eksploatacji. Na

pewnienie w przodkach dobrych warunków klimatycznych są

podstawie przytoczonych w poprzednich rozdziałach rozważań,

dotyczących kształtowania się warunków klimatycznych w kopal- „

152

niach głębokich oraz wpływu tych ostatnich na organizm ludzki, proponuje się następujące założenia c.o do wyboru systemów eks­ploatacji dla kopalń głębokich:

— wprowadzić pełną mechanizację urabiania w celu zwiększe­nia wydobycia z przodku, jak i odsunięcia ludzi od urabia­nej calizny;

— urabianie skoncentrować na możliwie małej liczbie przod­ków;

— projektować takie ilości powietrza, które zagwarantują prędkości powietrza w rejonie frontu urabiania minimum

2 mis;

— sieć wentylacyjna, zwłaszcza od strony powietrza świeżego, „powinna być możliwie mało rozgałęziona, z niewielką liczbą

bocznic zamykanych tamami. -

Niezależnie od wymienionych założeń, obowiązują tu również wytyczne podane w rozdziale 4.5. Sugerują one niedwuznacznie stosowanie ścianowych systemów wybierania, które to systemy -dominują na obszarach górniczych Zagłębia Górnośląskiego. Dla­te.go postanowiono zająć się bliżej wyłącznie systemami ścianowy­mi i wykazać, w jakim stopniu na wybór takiego czy innego sy­stemu wybierania mają wpływ względy polepszenia warunków klimatycznych w przodku eksploatacyjnym. Za wyborem syste­mów ubierkowych dla przyszłych kopalń głębokich przemawiają również takie względy, jak łatwość kierowania stropem, mecha­nicznego urabiania i ładowania, koncentracja wydobycia i mini­malna ilość robót przygotowawczych.

4.6.1. Czynniki wpływające na wybór systemu eksploatacji

Na podstawie długoletniej praktyki górniczej przyjął się w pol­skim górnictwie węglowym pogląd, że na wybór systemu eksploa­tacji wpływają przede wszystkim następujące czynniki [36, 123k

150, 164, 191, 196, 202, 205, 212, 229]:

— grubość pokładu,

— kąt nachylenia pokładu,

— wła~n.ości skał otaczających złoże,

— struktura pokładu,

— rodzaj i stopień zmechanizowania robót,

— obecność wartości-owych obiektów na powierzchni,

— występowanie warstw wodonośnych w sąsiedztwie pokładu,

— występowanie ciśnień i tąpań,

— występowanie nagłych wyrzutów gazów i węgla, meta-nowość pokładu,

— skłonność pokładu do samoza.palenia się,

— ewentualne podebranie pokładu.

53

Już z przytoczonego zestawienia widać, że do tej pory zagad­nienie wentylacji i klimatyzacji w rejonie samego frontu eksploa-. tacji nie było problemem, mogącym decydować o wyborze takiego czy innego systemu wybierania. Należy nadmienić, że pominięcie w rozważaniach nad wyborem systemu eksploatacji zagadnień wentylacyjno-klimatyzacyjnych było uzasadnione z uwagi na fakt prowadzenia robót górniczych na nieznacznych głębokościach. Jak już powiedziano, trudności klimatyczne pojawiają się zwykle do­piero wtedy, gdy temperatura skał przewyższa temperaturę 35 Oc, przy założenii.i, że trudności klimatyczne spowodowane są obiek­tywnymi przyczynami, a nie błędami technicznymi (wadliwe roz­cięcie, mała ilość powietrza).

Opierając się dalej na znanych z pomiaru temperaturach skał

. oraz wielkościach stopnia geotermicznego i znając wartość wspól­„ czynnika przewodności cieplnej skał dla Zagłębia Górnośląskiego,

można będzie ustalić głębokości, od których począwszy wystąpią obiektywne trudności klimatyczne. Już obecnie można powiedzieć (na podstawie uzyskanych informacji z Pionu Górniczego GIG), że trudności klimatyczne występują na obszarach niektórych ko­palń już na głębokości od 800 do 900 m, przeważnie jednak na

głębokości od 900 do 1000 m. Z przeprowadzonych badań wynika,

„ że temperatury skał w różnych punktach na tej samej głębokości

L mogą się bardzo znacznie różnić od siebie, mimo stosunkowo nie­wielkich odległości między tymi punktami.

Tablica 4.4. Zestawienie przodków w kop~ilniach węgla GZW, w których w roku 1977

„ zaistniały trudne warunki klimatyczne

Rok 1977

wyrobiska

ściana zabierki chodniki

Tempera- . kaniicnrie

tura „

obło-

„liczba obłożenie liczba żenie „ liczba obłożenie liczba obłożenie

24+26 129 3224 3 74 197 1220 47 278

26428 . 42 1631 2 20 105 694 17 - 191

28 4 178 „ 18 149

W tablicy 4.4 podano liczbę przodków, jakie były prowadzone w roku 1977 na obszarze niecki Zagłębia Górnośląskiego o trud­nych warunkach klimatycznych. Z analizy przytoczonych w tej tablicy -danych wynika, że zarówno liczba wyrobisk korytarzo­wych, jak i ścian, w których są trudne warunki klimatyczne, a w niektórych już zagrożenia klimatyczne, jest znaczna. Ilość ta, „w porównaniu z danymi z roku 1967, wykazuje wyraźną tenden­cję wzrostu, mimo że — jak już wspomniano — ilości powietrza

154

doprowadzane do kopalń i przodków wzrosły wyraźnie. Stan ten jest dowodem na to, że wzrost stopnia zmechanizowania robót, jak i wzrost temperatury skał już teraz wywiera znaczny wpływ na kształtowanie się warunków klimatycznych w przodkaęh. W tab­licy 4.4 podano również przodki, w których notowanó temperatury

„ od 24 do 26 Nadmienić należy, że w przypadkach, o których mowa, trud­ności klimatyczne spowodowane były lub są przeważnie przyczy­nami nieobiektywnymi. Warunki cieplne w tych przypadkach można poprawie bez stosowania klimatyzacji, ciekawy jest fakt, że w licznych opracowaniach, tak polskich, jak i zagranicznych, autorzy [29, 82, 106, 123, 143, 161, 232, 262] analizując możliwości eksploatacji na znacznych głębokościach zgodnie postulują syste­my ścianowe, mimo że dochodzą do tego wniosku, analizując wy­łącznie 12 wymienionych uprzednio czynników, mających wpływ na wybór systemu eksploatacji. Zagadnienie wentylacji i klima­tyzacji traktują marginesowo, zwracając jedynie uwagę na konie­czność projektowania większych ilości powietrza, doprowadzanego do przodków w miarę wzrostu głębokości wybierania.

4.6.2. Analiza możliwości odprowadzenia ciepła w przodkach ścianowych i zabierkowych

Zasadniczy wpływ na możliwości odprowadzania ciepła „w ścia­nach czy zabierkach, z otaczających je skał do przepływającego powietrza, ma ilość doprowadzanego świeżego powietrza, przy za­łożeniu, że parametry powietrza (ta, t~, x) doprowadzanego do przodków są identyczne w obu dyskutowanych przypadkach. Ilość oddawanego ciepła przez skały otaczające wyrobisko eksploata­cyjne jest zależna od temperatury tych skał i ich przewodności cieplnej.

Największe ilości ciepła są oddawane powietrzu przez odsło­nięte powierzchnie urabianego złoża. Mniejsze ilości ciepła odda-

wane są powietrzu przez powierzchnie odsłoniętego stropu, spągu czy zawału. Wynika to z różnych wartości temperatur tych po­wierzchni na skutek różnej przewodności cieplnej skał i złoża.

Na rys. 4.15 pokazano schematycznie kierunki przenikania cie­pła z ociosów, stropu, spągu i pola zawałowego w systemie ścia­nowy~m „podłużnym, przy czym q₁ jest zdecydowanie większe od q₃, q₄ czy ą~ w przeliczeniu na jednostkę powierzchni.

155

.!-

A

Rys. 4.15. System ścianowy podłużny

Qi, ą2, ~3, Q4 — kierunki przenikania Cia­pła

Na rys. 4.16 pokazano system jankowicki, który jest kombina­cją systemu ubierkowego z zabierkowym, tzn. że eksploatację pro­wadzi się wprawdzie zabierkami, ale stropem kieruje się jak w systemie ubierkowym. Przewietrzanie ubierek jest w tym ~y­stcmie stosunkowo najlepsze z powodu skierowania dużej i~ości powietrza w kierunku prostopadłym do płaszczyzny urabia­nej, niemniej warunki pracy są różne w zależności od usytuowania zabierki.

Rys. 4,16. Przewietrzanie w systemie jankowickim

W zabierkach (rys. 4.16) oznaczonych liczbami 1, 3 i 4 warunki pracy będą o wiele lepsze niż w zabierkach oznaczonych liczbami 2 i 5, a kierunek urabiania w zabierkach 2 i 5 jest inny niż kieru­nek przepływu powietrza i znajdują się one po stronie zawietrznej. Niezależnie od wymienionej przyczyny, we wszystkich zabierkach intensywność przewietrzania urabianego frontu przepływającą

156

!

II

P

I

.„

Kierunek przepi~ywu poeietrza Świeżego

— Kierunek przepćyyw xwietrzg zuz~tego

strugą powietrza jest mniejsza niż w systemie ubierkowym z po­wodu zmniejszenia się prędkości przepływu powietrza w strefie zabierki (zwiększony przekrój) oraz powstających zawsze zawiro­wań strugi powietrza.

Na rys. 4.17 pokazano schemat zabierki w klasycznym systemie eksploatacji pokładu krótkimi zabierkami. W tym przypadku po­wierzchnia oznaczona na rysunku przez A będzie znacznie gorzej chłodzona niż xy systemie ubierkowym z powodu zmniejszenia chłodzącego działania strugi powietrza (znacznie mniejsza pręd­kość i mniejsza ilość powietrza w przodku) oraz z powodu koniecz­ności przejmowania przez powietrze większych ilości ciepła, prze­nikającego z ociosóy~” zabierki. Człowiek pracujący w zabierce jest otoczony z trzech stron calizną węglową, która oddaje zwykle najwięcej ciepła do powietrza, co również wplywa znacznie na pogorszenie warunków klimatycznych w zabierce.

Rys. 4.17. System krótkich zabierek

Gl, Gl, Q4 — kierunek przenikania ciepła

Należy zwrócić uwagę na fakt, że w praktyce górniczej prowa­dzi się większą liczbę przodków chodnikowych niż zabierek, a utrzymanie w nich pozytywnych warunków klimatycznych jest jeszcze bardziej kłopotliwe niż w zabierkach. Rozprowadzenie po­wietrza wewnątrz pola wymaga tu bowiem budowy szeregu tam wentylacyjnych oraz zmusza do rozdzielania prądu rejonowego na kilka prądów wewnątrzoddzialowych o stosunkowo małych wy­datkach. W rezultacie zwiększa się znacznie powierzchnię ogrzew­czą dróg dolotowych powietrza, przy jednoczesnym zmniejszeniu prędkości przepływu i wydatku powietrza, co powoduje przyspie­szenie procesu ogrzewania się powietrza zanim dotrze ono do sa­mego przodku.

157

Jak już wspomniano, warunkiem koniecznym, podyktowanym względami klimatycznymi, jest utrzymanie w miejscu pracy ludzi

prędkości powietrza w granicach 2 mis, a nawet więcej.

W systemach zabierkowych utrzymanie takiej prędkości po­wietrza przy ociosie przodku jest praktycznie nieosiągalne z na-

stępujących powodów:

— kierunek przepływu powietrza przez zabierkę jest prosto­padły do czoła przodku, wzdłuż którego pracują ludzie,

— obieg powietrza jest przeważnie wymuszony aż do czasu przebicia okna,

— wymuszenie obiegu powietrza może być spowodowane pra­cą wentylatorów zabudowanych w lutniach,

— wydajność wentylatorów i lutni jest ograniczona,

— w zabierce rozkład prędkości powietrza płynącego wzdiuz ociosu przodku nie będzie równomierny, jeżeli nie zastosuje

się wentylacji ssąco-tłoczącej oraz specjalnych kształtek na

końcu lutniociągu tłoczącego,

— zainstalowanie w strefie przodku dwóch lub więcej lutnio­ciągów zaopatrzonych .dodatkowo w kształtki wylotowe jest

praktycznie niemożliwe.

Wprawdzie przy systemach poprzecznych z długimi zabierka­mi z podsadzką hydrauliczną przodki są przewietrzane opływo­wym prądem powietrza, ale wtedy powstają przy ociosie lub. w jego sąsiedztwie wiry, które wybitnie pogarszają warunki kli­matyczne w miejscu pracy ludzi. Przy systemie filarowym zabier­kowym istnieje możliwość uzyskania względnie dobrych warun­ków klimatycznych dopiero z chwilą przebicia okna, czyli od mo­mentu, kiedy zabierka przewietrzana zostaje opływowym prądem

powietrza. Kierunek powietrza będzie od tej chwili równoległy do

frontu roboczego, którym jest teraz tzw. noga. Ten sposób prze­

„. wietrzania zabierki jest najkorzystniejszy z punktu widzenia kli­-
matycznego, ponieważ umożliwia pełne wykorzystanie chłodzące­-
go działania dużej ilości powietrza, przepływającego ze znaczną
prędkością. Nie bez znaczenia jest zmniejszenie promieniowania
ciepła, którego źródłem jest urabiana calizna. Wymiana ciepła po­

„ między ciałem człowieka a otaczającym go powietrzem będzie więc zawsze lepsza tam, gdzie istnieje możliwość przepływu przez wy­rob.isko dużych ilości powietrza. Taka możliwość istnieje w gór­nictwie wyłącznie przy zastosowaniu systemów ubierkowych.

Na podstawie obowiązujących w polskim górnictwie węglo­wym norm dokonano przykładowo następującego przeliczenia:

Zalożenia:

grubość pokładu h = 2 m, nachylenie pokładu do 200, długość ściany

„ równa długości pochyłej piętra dla systemu zabierkowego wynosI I
= 200 m, postęp ściany = 1,3 rrsld.

158

Pytanie: jakie wydajności przodkowe można osiągnąć eksploatując pokład:

a. systemem ścianowym podłużnym z zawałem stropu z urabianiem robotą strzelniczą (rys. 4.18 i 4.19),

b. systemem zabierkowym z zawałem stropu z urabianiem robotą

strzelniczą (rys. 4.18 i 4.19).

Jak wynika z obliczeń (których tok pominięto), przy podanych zało­żeniach można osiągnąć wydobycie równe 936 t/d ze ściany podłużnej, pro­wadzonej z zawałem stropu. Dla uzyskania tego samego wydobycia przy zastosowaniu systemu zabierkowego z zawałem stropu potrzeba aż 11 za­bierek, czynnych na każdej zmianie. Praktycznie, uwzględniając zabierki będące w likwidacji i niezbędną rezerwę, wymaga to takiej rozcinki pola, która umożliwiałaby prowadzenie 18 zabierek.

Rozprowadzenie powietrza w systemie zabierkowym wewnątrz poła wymaga stawiania szeregu tam i połączone być musi ze znacznymi strata-mi powietrza. Przewietrzanie poszczególnych zabierek do czasu przebicia okna może odbywać się tylko za pomocą lutni i wentylatorów.

Szerokość zabierki przyjęto 6 m, a wysokość pokładu równą grubości pokładu 2 m, czyli że wolny przekrój dla ruchu powietrza w zabierce wy­nosi 12 m

V₂ = 120,25 = 4 rn

Ilość powietrza, którą należy natomiast doprowadzić do ściany przy

założeniu, że prędkość powietrza wzdłuż frontu ściany będzie wynosiła 2

mis, a maksymalny przekrój poprzecznegę otwarcia ściany 8 sns, wyniesie

= 8”2 16 m

Warunki klimatyczne będą znacznie korzystniejsze przy syste­mie ścianowym ze względu na prędkość powietrza i kierunek .jeg.o

przepływu, równoległy do urabianej calizny. Ilość powietrza, jaką należałoby skierować do oddziału, w którym eksploatacja ma być prowadzona systemem zabierkowym z zawałem stropu, powinna być co najmniej dwukrotnie większa od ilości potrzebnej do prze­wietrzania Ściany, a to ze względu na nieuniknione straty wewnę­trzne. Nawet w tym przypadku warunki klimatyczne w zabier­kach będą zawsze gorsze od warunków, jakie byłyby w ścianie, m.in. z tego względu, że poszczególne zabierki nie mogą być prak­tycznie przewietrzane wyłącznie prądem świeżego powietrza, ale częściowo zużytego. Rozprowadzenie powietrza w polu (rys. 4.18 i 4.19) jest też praktycznie niemożliwe do przeprowadzenia przy uwzględnieniu zakładanej koncentracji wydobycia. Dla porówna­nia przyjęto, że zarówno przy systemie ścianowym, jak i zabier­kowym jest tylko jeden punkt załadowczy.

Wpływ kąta nachylenia pokładu na długość ściany przy nie­zmiennej ilości ciepła odprowadzanego ze ściany

159