Kamil Baczyński

Temat referatu: MOŻLIWOŚCI ZWALCZANIA WYSOKICH TEMPERATUR

W WYROBISKACH GÓRNICZYCH.

WSTĘP

Do niedawna przy podejmowaniu decyzji na temat rozcięcia kopalni przy jej projektowaniu podstawowe znaczenie miały kryteria geologiczne i eksploatacyjne. Przy projektowaniu głębokich kopalń w skałach o wysokiej temperaturze pierwotnej oraz przy rozbudowie i rekonstrukcji istniejących kopalń i otwieraniu nowych poziomów konieczne staje się uwzględnienie warunków klimatycznych.

W warunkach głębokich kopalń węgla i rud najpoważniejszymi i najtrudniejszymi do zwalczania zagrożeniami są stale działające zagrożenia klimatyczne takie jak wysoka temperatura i wilgotność powietrza a także zagrożenia toksyczne gazami odstrzałowymi i spalinowymi.

Najskuteczniejszym środkiem zwalczania zagrożeń klimatycznych (wysoka temperatura) jest intensywny przepływ dużej ilości powietrza przez wyrobiska. Warunki klimatyczne mogą być kształtowane przez stosowanie urządzeń chłodniczych. Jednak sztuczne schładzanie powietrza jest niezmiernie kosztowne i technicznie skomplikowane.

Struktura sieci wentylacyjnej powinna umożliwić doprowadzenie do wyrobisk eksploatacyjnych dużych ilości powietrza. Nie oznacza to, że przez całą kopalnię musi przepływać stale taka sama ilość powietrza. W wielu przypadkach zachodzi konieczność czynnego regulowania ilości powietrza, w zależności od tego, czy na danej zmianie prowadzi się w danym rejonie roboty wybierkowe czy tylko przygotowawcze i remontowe.

Poprawę komfortu pracy w wyrobiskach głębokich kopalń można uzyskać środkami wentylacyjnymi oraz przez podjęcie innych działań, które mają ograniczyć wzrost temperatury i wilgotności powietrza kopalnianego.

Do racjonalnych środków służących zwalczaniu wysokich temperatur w wyrobiskach górniczych należą:

• wybór racjonalnych z punktu wymiany ciepła schematów rozcięcia kopalni, przewietrzania i kolejności wybierania pól eksploatacyjnych,

• wybór racjonalnego wydatku powietrza w kopalni, jego rozdziału i prędkości przepływu,

• wybór korzystnych z punktu wymiany ciepła wariantów systemów eksploatacji, wymiarów wyrobisk,

• zmniejszenie wydajności cieplnej lokalnych źródeł ciepła,

• zmniejszenie ucieczek powietrza.

WPŁYW KOLEJNOŚCI WYBIERANIA POLA EKSPLOATACYJNEGO NA TEMPERATURĘ POWIETRZA KOPALNIANEGO

Temperatura powietrza w wyrobiskach kopalnianych zależy od okresu przewietrzania. Czas przewietrzania wyrobisk przygotowawczych zależy od kolejności drążenia tych wyrobisk i od kolejności wybierania złoża w eksploatowanym polu.

Przy wybieraniu pola górniczego od granic długość dróg wentylacyjnych w pierwszym okresie przewietrzania jest znaczna. Zależy ona przede wszystkim od wymiarów całego pola nadania i od schematu rozcięcia kopalni. Czas istnienia wyrobiska przygotowawczego w takim przypadku jest zwykle krótki. W związku z tym temperatura powietrza wpływającego do przodka jest wyższa w porównaniu z przypadkiem wybierania do granic. Przy dalszej eksploatacji złoża i zbliżaniu się frontów przodków do pól mniej oddalonych od szybów różnica w wartościach temperatury powietrza kopalnianego w obu analizowanych przypadkach kolejności wybierania złoża jest nieznaczna. Większy wpływ na wartość temperatury powietrza wywierają ucieczki powietrza, które w dużym stopniu zależą od przyjętej kolejności wybierania złoża. W przypadku eksploatacji od granic ucieczki powietrza w obrębie pola eksploatacyjnego występują w bardzo ograniczonym stopniu. Natomiast przy wybieraniu do granic mogą osiągać 20-30% ogólnej ilości powietrza wpływającej w rejon robót. Ucieczki powietrza mogą przyczyniać się do przenoszenia ciepła ze zrobów do prądu powietrza.

RACJONALNE SCHEMATY ROZCIĘCIA KOPALNI, PRZEWIETRZANIE I KOLEJNOŚĆ WYBIERANIA PÓL EKSPLOATACYJNYCH

Ilość ciepła odprowadzona od masywu skalnego do powietrza przepływającego przez wyrobiska kopalniane zależy między innymi od wielkości pola powierzchni wymiany ciepła, które jest równe polu powierzchni odpowiednich wyrobisk. Wielkość ta zależy od długości i obwodu wszystkich wyrobisk, poczynając od podszybia aż do przodka. Im mniejsze jest pole tej powierzchni, tym mniejszego należy oczekiwać nagrzania powietrza ciepłem od ochładzających się skał oraz ciepłem od procesów utleniania.

Przy takich samych wymiarach pola nadania kopalni, a w szczególności przy takiej samej długości tego pola, w zależności od przyjętego sposobu udostępnienia i przewietrzania, odcinek drogi świeżego powietrza od podszybia do najbardziej oddalonego od szybu położenia przekopu równoległego do dłuższej krawędzi pola nadania, odpowiadającej kierunkowi rozciągłości złoża, może mieć różną długość.

Długości dróg świeżego powietrza przy centralnym i przy przekątnym rozmieszczeniu szybów są jednakowe. Z tego względu w dalszej analizie rozróżniane będą trzy schematy przewietrzania: centralny, skrzydłowy i kombinowany.

W celu porównania trzech podanych systemów przewietrzania obliczone zostały zmiany temperatury powietrza wywołane autokompresją i wymianą ciepła między skałami a powietrzem. Wartości tych temperatur zostały zestawione w tablicy 1. W obliczeniach nie uwzględniono lokalnych źródeł ciepła.

Przy obliczaniu wartości liczbowych podanych w tablicy przyjęto następujące dane: szyb wdechowy o średnicy 6 m i o głębokości 800, 1000, 1200 m, średnioroczna temperatura 8 C, amplituda sezonowych zmian temperatury powietrza atmosferycznego 10 C, gradient geotermiczny 0,0357 K/m, co odpowiada stopniowi geotermicznemu 28 m/K, współczynniki λ=2,5 W/(mK), a=1∗10^-6 m²/s, wydatek powietrza w szybie 200 m³/s, czas istnienia szybu 5 lat, przekop kierunkowy 3,5×4 m, czas istnienia przekopu 3 lata, wydatek powietrza w przekopie kierunkowym - 70 m³/s.

TABLICA 1 TEMPERATURY POWIETRZA PRZY RÓŻNYCH SCHEMATACH PRZEWIETRZANIA

DŁUGOŚĆ KRAWĘDZI OBSZARU GÓRNICZEGO km		SCHEMAT PRZEWIETRZANIA
		CENTRALNY								SKRZYDŁOWY					KOMBINOWANY
		TEMPERATURA POWIETRZA
		Tśr			Tmax		Tmin			Tśr	Tmax		Tmin		Tśr	Tmax					Tmin
POZIOM 800 m
5 7,5 10 12,5 15	19,56 21,55 22,98 24,29 25,46					25,81 26,19 26,65 27,20 27,77		14,11 16,91 19,31 21,38 23,15		18,20 19,10 19,96 20,77 21,55		25,58 25,67 25,81 25,97 26,18		10,82 12,53 14,11 15,57 16,92	17,57 18,20 18,80 19,39 19,96		25,53 25,58 25,62 25,71 25,81				9,60 10,82 11,98 13,07 14,11
POZIOM 1000 m
5 7,5 10 12,5 15		24,65 26,47 28,12 29,62 30,96				30,40 31,03 31,73 32,48 33,23		18,90 21,91 24,51 26,76 28,70		22,63 23,67 24,65 25,58 26,47		29,88 30,12 30,40 30,70 31,02		15,38 17,22 18,90 20,47 21,92	21,91 22,63 23,33 24,00 24,65			29,74 29,88 30,04 30,21 30,40			13,80 15,38 16,62 17,79 18,90
POZIOM 12000 m
5 7,5 10 12,5 15			26,09 28,46 30,60 32,55 34,29	31,73 32,92 34,14 35,36 36,51					20,45 23,99 27,06 29,74 32,07	23,47 24,81 26,09 27,31 28,46		30,59 31,14 31,73 32,33 32,93		16,35 18,48 20,45 22,29 23,99	22,54 23,47 24,37 25,25 26,09				30,23 30,59 30,95 31,35 31,73	14,85 16,35 17,79 19,15 20,45

W celu porównania wartości temperatur zostały również wykonane obliczenia dla wydatku powietrza o połowę mniejszego, to jest dla 100 m³/s w szybie i 35 m³/s w przekopie kierunkowym. Obliczenia przeprowadzono dla długości krawędzi obszaru nadania równej 10 km.

Z danych zestawionych w tablicy 3 wynika, że w końcowym przekroju przekopu kierunkowego przy tych samych wydatkach temperatura powietrza przy skrzydłowym przewietrzaniu jest niższa o 2-4°C, a przy kombinowanym o 2-8°C w porównaniu z centralnym rozmieszczeniem szybów.

Zmniejszenie wydatku powietrza powoduje znaczny wzrost temperatury średniej i zmniejszenie amplitudy sezonowych wahań temperatury kopalnianej.

Poprawę warunków klimatycznych w wyrobiskach eksploatacyjnych i przygotowawczych można uzyskać przez zmianę kierunku przepływu powietrza z wznoszącego na schodzący (tzw. przewietrzanie homotropowe). Przewietrzanie prądem wznoszącym jest korzystniejsze z punktu widzenia stabilności ruchu powietrza i gazów podczas pożaru podziemnego. Okoliczność ta może mieć rozstrzygające znaczenie przy określaniu kierunku prądu powietrza. W tym drugim przypadku droga świeżego powietrza znajduje się na wyższym poziomie, a więc w skałach o niższej temperaturze pierwotnej. W przypadku przewietrzania prądem schodzącym, prócz efektu niższej temperatury pierwotnej skał, urobek transportowany jest w wyrobiskach ze zużytym powietrzem. Na podstawie odpowiednich obliczeń prognostycznych opartych na bilansie cieplnym można porównać warunki klimatyczne panujące przy różnych kierunkach przepływu powietrza. Przy temperaturze powietrza wpływającego do grupowego prądu powietrza równej w różnych miesiącach roku od 8 do 22°C, w zależności od wydatku przepływającego powietrza i długości drogi świeżego powietrza, temperatura w końcowym odcinku przekopu jest niższa o 1-4°C w przypadku przewietrzania homotropowego w porównaniu z przewietrzaniem prądem wznoszącym. Przy takiej samej temperaturze powietrza kopalnianego wpływającego z przekopu głównego do przekopu polowego o długości 500 m, przy wydatku powietrza 20 m³/s temperatura powietrza jest niższa o około 1°C w przypadku przewietrzania homotropowego. W kopalniach eksploatujących nachylone pokłady, w zależności od kąta nachylenia wyrobiska, prędkości ruchu powietrza, długości drogi świeżego powietrza i głębokości robót temperatura powietrza na wlocie do wyrobiska eksploatacyjnego jest niższa o 1-4 °C w przypadku przewietrzania homotropowego w porównaniu z wentylacją wznoszącą.

TABLICA 2 TEMPERATURY POWIETRZA PRZY RÓŻNYCH WYDATKACH

WYDATEK SZYB / PRZEKOP		SCHEMAT PRZEWIETRZANIA
		CENTRALNY								SKRZYDŁOWY					KOMBINOWANY
		TEMPERATURA POWIETRZA
		Tśr			Tmax		Tmin			Tśr	Tmax		Tmin		Tśr	Tmax					Tmin
POZIOM 800 m
200/70 100/35	22,98 27,60					26,65 28,95		19,31 26,25		19,96 23,15		25,81 26,57		14,17 19,73	18,80 21,22		25,62 25,88				11,98 16,56
POZIOM 1000 m
200/70 100/35		28,12 32,56				31,73 33,86		24,51 31,26		24,65 27,04		30,40 30,34		18,90 23,74	23,33 24,65			30,04 29,15			16,62 20,15
POZIOM 12000 m
200/70 100/35			30,60 37,56	34,14 38,82					27,06 36,30	26,09 30,97		31,73 34,15		20,45 27,79	24,37 28,12				30,95 32,46	17,79 23,78

WPŁYW WYDATKU PRZEPŁYWAJĄCEGO POWIETRZA

Ze wzrostem strumienia powietrza przepływającego przez wyrobisko powiększa się pojemność cieplna płynącej strugi i przy tej samej ilości ciepła dopływającej od otoczenia następuje mniejszy przyrost temperatury. Jednocześnie, w związku ze wzrostem prędkości przepływu powietrza, zwiększa się wartość współczynnika przejmowania ciepła i powiększa się strumień ciepła przenoszony od ochładzających się skał do powietrza kopalnianego. Zmiana wartości współczynnika przejmowania ciepła może mieć widoczny wpływ na temperaturę powietrza w wyrobiskach o krótkim okresie istnienia. Przy dużych liczbach Fouriera bezwymiarowe strumienie cieplne, określone przy różnych liczbach Biota, mają zbliżone wartości. Na wydatek powietrza przepływającego przez wyrobiska kopalni podziemnej mają wpływ nie tylko warunki klimatyczne, lecz także składniki gazowe, które należy rozcieńczyć do koncentracji nie stwarzających niebezpiecznych stanów. W górnictwie węglowym takim składnikiem zwykle jest metan, a w kopalniach rud metali toksyczne gazy wydzielane w maszynach napędzanych silnikami spalinowymi oraz gazy wydzielające się podczas urabiania skał za pomocą materiałów wybuchowych.

Wielu autorów rozważa tzw. optymalną prędkość przepływu prądu powietrza świeżego. Definicję tej wielkości formułuje się na podstawie wpływu tej prędkości na temperaturę powietrza kopalnianego.

W celu przeanalizowania wpływu wielkości wydatku przepływającego powietrza na wartość temperatury przy różnych rozcięciach złoża obliczone zostały średnie wartości i amplitudy sezonowych zmian temperatury powietrza na podszybiach i w wylotowym przekroju przekopu kierunkowego.

Przyjęto, że przez szyb wdechowy wpływa do kopalni 50, 100, 200 lub 300 m³/s. Założono, że do rozpatrywanego przekopu kierunkowego wpływa 1/3 danego wydatku powietrza. Pozostałe dane przyjęto takie jak przy wyznaczaniu wartości do tablicy 1. Wyniki obliczeń przeprowadzonych dla poszczególnych poziomów podano w tablicy 3.

TABLICA 3 TEMPERATURA POWIETRZA NA WYLOCIE PRZEKOPU KIERUNKOWEGO

WYDATEK POWIETRZA W SZYBIE		TEMPERATURA ŚREDNIA+- AMPLITUDA SEZONOWYCH ZMIAN NA WYLOCIE Z PRZEKOPU W ODLEGŁOŚCI
		PODSZYBIE		1667 m	2500 m	5000 m
POZIOM 800 m
50 100 200 300	16,99+-7,52 16,50+-8,67 16,25+-9,31 16,17+-9,54			25,43+-2,04 21,43+-4,52 18,92+-6,72 18,00+-7,67	28,16+-1,07 23,42+-3,26 20,12+-5,71 18,85+-6,89		32,95+-0,15 27,95+-1,23 23,25+-3,51 21,18+-4,97
POZIOM 1000 m
50 100 200 300		19,53+-7,00 18,78+-8,37 18,40+-9,15 18,26+-9,42		29,95+-1,90 24,90+-4,36 21,73+-6,60 20,54+-7,58	33,33+-0,99 27,37+-3,15 23,22+-5,61 21,60+-6,80			39,25+-,014 33,00+-1,19 27,12+-3,44 24,51+-4,91
POZIOM 1200 m
50 100 200 300			22,19+-6,52 21,12+-8,07 20,57+-8,99 20,38+-9,31	34,54+-1,77 28,42+-4,21 24,55+-6,49 23,11+-7,49	38,54+-0,92 31,37+-3,04 26,34+-5,51 24,38+-6,72	45,56+-,013 38,08+-1,14 31,01+-3,38 27,86+-4,86

LOKALNE ŹRÓDŁA CIEPŁA W WYROBISKACH KOPALNIANYCH

Prócz ciepła od skał i autokompresji, czynnikami kształtującymi parametry powietrza w wyrobiskach kopalnianych są tzw. lokalne źródła ciepła. Zalicza się do nich:

• transportowany urobek,

• napędy oraz urządzenia mechaniczne i elektryczne,

• utleniające się skały,

• desorpcję metanu,

• rurociągi,

• parującą w wyrobisku wodę.

W szczególnych przypadkach mogą występować jeszcze inne miejscowe źródła ciepła.

Urobek może być transportowany za pomocą różnych środków technicznych i przez różne wyrobiska. Niekorzystne warunki klimatyczne związane są z transportem urobku taśmociągami, w prądzie świeżego powietrza. Ilość ciepła przekazywana od urobku do powietrza zależy przede wszystkim od masy transportowanych skał oraz od różnicy temperatur urobku i powietrza.

Porównując wyniki przeprowadzonych w niemieckich kopalniach węgla pomiarów przyrostów temperatury powietrza wywołanych dopływem ciepła od transportowanego urobku z wartościami otrzymanymi z bilansu ciepła możemy stwierdzić że, ciepło przekazywane jest do otoczenia w 15 % w sposób jawny, zaś 85 % poprzez parowanie wilgoci.

Napędy, urządzenia mechaniczne i elektryczne przekazują do powietrza ciepło, którego wielkość zależy przede wszystkim od ich mocy, sprawności mechanicznej, sposobu transformacji dostarczonej energii w inne jej postacie oraz od nierównomierności obciążenia urządzenia w czasie pracy.

Moc pobrana przez silnik jest zbliżona do jego mocy użytecznej w przypadku właściwie dobranego silnika elektrycznego. Natomiast w przypadku stosowania silnika Diesela moc mierzona wartością opałową paliwa jest parokrotnie wyższa od mocy użytecznej silnika. Na ogół maszyny napędzane silnikami Diesela przekazują do otoczenia ok. 3 razy więcej ciepła niż napędy elektryczne o tej samej mocy użytecznej.

Przeważająca część energii przekazywanej przez napęd poprzez procesy tarcia przechodzi w ciepło. Tak jest w przypadku poziomego przenośnika. Podczas pracy transportera przenoszącego urobek pod górę część energii napędzającej urządzenie zostaje zamieniona na energię potencjalną. Maszyny urabiające tworzą nowe powierzchnie rozdrabniając skały. W związku z tym część energii napędu tych maszyn zostaje zużyta na energię powierzchniową. Jej wielkość jest trudna do oszacowania.

30 % ciepła wydzielanego na skutek pracy maszyn jest wynoszone poza wyrobisko wraz z transportowanym urobkiem. Pozostała część jest przekazywana do powietrza w 10-25 % w sposób jawny oraz 90-75 % w sposób niejawny.

W transformatorach na ciepło zamienia się 1,5-5 % energii, w kablach i przewodach 4-10 %. Oświetlenie wyrobisk ma mały wpływ na temperaturę powietrza.

Utlenianie węgla w caliźnie i podczas transportu, pyłu węglowego znajdującego się w powietrzu lub osiadłego na ścianach wyrobiska, jak również utlenianie innych ciał organicznych oraz rud siarczkowych, ma pewien wpływ na warunki klimatyczne.

LITERATURA:

1. WARUNKI KLIMATYCZNE W KOPALNIACH GŁĘBOKICH-Józef Wacławik, Janusz Cygankiewicz, Józef Knechtel,

2. KLIMATYZACJA KOPALŃ-A. Frycz.

---