OBLICZANIE POTRZEBNEJ ILOŚCI POWIETRZA

Ilość powietrza doprowadzana do kopalni powinna być taka, aby we wszystkich czynnych wyrobiskach górniczych nie nastąpiło stężenie gazów przekraczające wartości dopuszczalnych (z wyjątkiem stężeń chwilowych np. w czasie robót strzelniczych), a także żeby temperatura powietrza nie przekraczała wartości dopuszczalnych i zawartość tlenu objętościowo w tym powietrzu nie była mniejsza niż 19%. Prędkości powietrza w poszczególnych rodzajach wyrobisk są określone przepisami, jednakże należy przestrzegać, aby w kopalniach niemetanowych prędkość prądu powietrza wynosiła minimum 0,15 m/s, a w kopalniach metanowych 0,3 m/s, w wyrobiskach z elektryczną trakcją przewodową, w polach metanowych nie mniejsza niż 1 m/s.

Minimalną ilość powietrza w wyrobiskach górniczych różnych krajów świata wyznacza się różnymi metodami. W Polsce, gdzie kopalnie osiągają znaczne głębokości przekraczające już niekiedy 1000 m oraz gdzie mamy do czynienia z coraz większą liczbą kopalń metanowych, dominującymi czynnikami wpływającymi na potrzebną ilość powietrza dla kopalń jest właściwa prognoza temperatury i metanowości.

Według przepisów całkowita ilość powietrza doprowadzana do wszystkich podziemnych wyrobisk zakładu górniczego powinna być taka, aby zapewnione było utrzymanie wymaganego składu powietrza oraz jego temperatury. Wydatek powietrza w przeliczeniu na jednostkę najliczniejszej zmiany nie powinien być mniejszy niż 0,1 m³/s. Stąd już wynika pierwszy sposób wyznaczania minimalnej ilości powietrza dla kopalń

m³/s (11.2)

gdzie N oznacza liczbę ludzi na najliczniej obłożonej zmianie.

Obliczanie ilości powietrza na podstawie zmiany jego składu

Ilość powietrza wpływająca do kopalni powinna zabezpieczyć rozrzedzenie wszystkich szkodliwych domieszek do wartości dopuszczalnych. Jeżeli ilość tych domieszek wydzielających się w jednostce czasu oznaczy się przez C g/min lub w m³/min, a ich koncentrację w powietrzu dopływającym przez C₁, dopuszczalną zaś koncentrację w powietrzu odpływającym przez C₂ to potrzebna ilość powietrza

m³/min (11.3)

W kopalniach wskutek strat do miejsc pracy dopływają znacznie mniejsze ilości powietrza. Licząc się z 50% strat powietrza, nawet w kopalniach dobrze przewietrzanych, należy przy obliczaniu wydatku powietrza potrzebnego do odpowiedniego rozrzedzenia gazów szkodliwych przyjmować współczynnik pewności k nie mniejszy od 2. A zatem potrzebna ilość powietrza może być obliczona za pomocą wzoru

(11.4)

Zależność (11.3) można wyprowadzić także z równania wymiany powietrza w wyrobisku górniczym

(1.1)

gdzie:

- strumień objętości powietrza w przekroju dopływu (d) wyrobiska, m³/s,

- ilość wydzielającego się w wyrobisku górniczym gazu zanieczyszczającego powietrze w określonej jednostce czasu, m³/s,

- objętość wyrobiska, m³,

- stężenie gazu zanieczyszczającego powietrze w przekroju dopływu (d) wyrobiska,

- czas przewietrzania wyrobiska, s,

- średnie stężenie gazu zanieczyszczającego powietrze w tym wyrobisku w czasie .

Po odpowiednim przekształceniu i scałkowaniu równania uzyskuje się zależność

(1.2)

Stałą C wyznacza się z warunku początkowego (= 0, r = ), dla którego otrzymuje się

(1.3)

gdzie oznacza średnie stężenie gazu zanieczyszczającego powietrze w wyrobisku dla = 0.

Po połączeniu zależności (1.2) i (1.3) uzyskuje się szczególne rozwiązanie równania (1.1), a mianowicie

(1.4)

Jeżeli wyrobisko jest przewietrzane w sposób ciągły (bez przerwy), to można przyjąć czas , dla którego prawa strona równania (1.4) zmierza do zera. Wówczas na podstawie lewej strony wzoru (1.4) można napisać zależność

(1.5)

Średnie stężenie r gazu zanieczyszczającego powietrze w wyrobisku nie może przekroczyć stężenia dopuszczonego przepisami górniczymi.

Jeżeli więc = (stężenie graniczne), to z (1.5) uzyskuje się

(1.6)

Po wprowadzeniu do wzoru (1.6) oznaczenia

(1.7)

gdzie:

- stężenie gazu zanieczyszczającego powietrze w przekroju dopływu (d) wyrobiska,

%,

- graniczne (dopuszczalne) stężenie gazu zanieczyszczającego powietrze w wyrobisku, %,

uzyskujemy

(1.8)

Wzór (1.8) nadaje się do stosowania w kopalniach w dowolnych wyrobiskach górniczych, w których można zmierzyć stężenie określonych gazów zanieczyszczających powietrze kopalniane. Wzór ten może być stosowany w praktyce, do wyznaczania koniecznych strumieni objętości powietrza w wyrobiskach przygotowawczych i eksploatacyjnych w warunkach zagrożenia metanowego lub podczas występowania dwutlenku węgla, po uwzględnieniu w nim współczynnika nierównomierności wydzielania się gazu do projektowanego wyrobiska.

Obliczanie potrzebnej ilości powietrza z uwagi na ilości pochłoniętego tlenu

Oznaczając przez:

n₁ - zawartość tlenu w powietrzu atmosferycznym równą 21%,

n₂ - najmniejszą dopuszczalną zawartość tlenu, %,

- ubytek O₂ na tonę wydobycia (na dobę), m³/t,

T - wydobycie kopalni, t/dobę,

- wydatek powietrza przepływającego przez kopalnię, m³/min,

otrzymuje się ilość tlenu pochłanianego w ciągu 1 min

(11.5)

Ponadto

Po podstawieniu tych wartości do (11.4) otrzyma się

(11.6)

Obliczanie potrzebnej ilości powietrza z uwagi na zawartość gazów szkodliwych

Jeżeli oznaczy się przez procentowe stężenie gazów szkodliwych w powietrzu dopływającym, przez procentowe dopuszczalne stężenie danego gazu oraz przez ilość wydzielającego się gazu w m³/t wydobycia, to zgodnie z (11.6) otrzyma się

(11.7)

Obliczanie ilości powietrza na podstawie zużycia materiałów wybuchowych

Oznaczając przez:

a - zużycie materiałów wybuchowych na 1 t wydobycia, g/t,

m - rozchód materiałów wybuchowych w okresie najintensywniejszego strzelania (w stosunku do całkowitego rozchodu), %,

otrzyma się rozchód materiałów wybuchowych w okresie strzelania

kg

Jeśli przez b, dm³/kg, oznaczy się równoznaczną ilość gazów trujących wytwarzanych z 1 kg materiału wybuchowego, to ogólna ilość równoznaczna gazów w okresie strzelania będzie

m³.

Przy strzelaniu oprócz CO₂ powstają inne gazy trujące, takie jak CO, H₂S, SO₂, NO₂ i inne. Dopuszczalna zawartość CO wynosi 0,0026%, jednakże przy krótkotrwałym przebywaniu można dopuścić koncentrację 0,015%.

Związki siarki są około pięcio-, a związki azotu około dziesięciokrotnie bardziej trujące niż CO. Znając ilość i skład gazów pozostałych można wyznaczyć ilość gazów trujących na podstawie równoznacznej ilości CO (b dm³ na 1 kg materiału wybuchowego).

Jeżeli skład gazów nie jest znany, można przyjmować b = 100.

Oznaczając ponadto przez:

K - żądany współczynnik rozrzedzenia trujących gazów przy krótkotrwałym przebywaniu, dopuszczalna zawartość CO wynosi C = 0,015/100 = 0,00015, a więc K = 1/0.0026 = 384,6

- czas przewietrzania wyrobiska po strzelaniu, który zwykle przyjmuje się dla robót przygotowawczych 15 min, eksploatacyjnych do 60 min,

k - współczynnik ucieczek powietrza,

otrzyma się

(11.8)

Zależność (11.8) daje wyniki około dwa razy większe, nie uwzględnia ona zagadnień dyfuzji gazów i innych zjawisk, niemniej jednak dla kopalni jako całości otrzymuje się wyniki zadowalające.

Obliczanie ilości powietrza na podstawie normy

Polska norma PN-63/G-05162 zaleca następujący sposób obliczania potrzebnej ilości powietrza dla kopalń:

Dla kopalń o przeciętnych warunkach ze względu na liczbę załogi w podziemiach kopalń

gdzie:

a - wydatek powietrza przypadający na 1 człowieka, m³/min,

N - liczba ludzi na najliczniejszej zmianie w ciągu doby.

Wydatek powietrza a należy przyjmować 10 m³/min w kopalniach o głębokości powyżej 120 m, przy czym w kopalniach istniejących dopuszcza się 7 min oraz 5 m³/min w kopalniach o głębokości do 120 m.

Ze względu na wielkość wydobycia wymaganą ilość powietrza oblicza się ze wzoru

(11.9)

gdzie:

b₁, b₂, ..., b_n - najmniejszy wydatek powietrza przypadający na 1 t wydobycia netto z poszczególnych pokładów lub ich części o różnym stopniu zagrożenia metanowego; wartości te podano w tabl. 11.1,

T₁, T₂, ..., T_n - wydobycie węgla netto z poszczególnych pokładów lub ich części o różnym stopniu zagrożenia metanowego, t/dobę.

Tablica 11.1

Najmniejszy wydatek powietrza przypadający na 1 tonę wydobycia węgla netto b, m^3/min	Zastosowanie (w normie, zgodnie z przepisami z 1955roku, operuje się pojęciem kopalnia gazowa i niegazowa)
- 1,0	Kopalnie niemetanowe Kopalnie metanowe z pokładami lub częściami pokładów należącymi do I kategorii zagrożenia metanowego
1,5	Kopalnie metanowe z pokładami lub częściami pokładów należącymi do II kategorii zagrożenia metanowego
0,15 W gdzie przez W oznaczono metan wydzielający się do atmosfery kopalnia­nej (bez metanu odprowadzanego ruro­cią­ga­mi odmetanowania), m^3/t. wydobycia węgla netto; należy przyjmo­wać W ≥ 10	Kopalnie metanowe z pokładami lub częściami pokładów należącymi do III i IV kategorii zagrożenia meta- nowego

Ze względu na ilość powietrza w miejscach pracy całkowity wydatek należy tak ustalić, aby do każdego miejsca pracy można było doprowadzić co najmniej 3 m³/min powietrza świeżego na jednego człowieka zatrudnionego w danym miejscu.

Ze względu na stężenie metanu całkowity wydatek powinien być taki, aby stężenie metanu w powietrzu w prądzie wylotowym z rejonów wentylacyjnych nie przekraczało 1%.

Ze względu na temperaturę wydatek całkowity należy tak ustalić, aby w prądzie wylotowym z wyrobisk eksploatacyjnych temperatura powietrza na termometrze suchym nie była wyższa niż 28°C, a na wilgotnym nie wyższa niż 25°C.

Przy projektowaniu nowych kopalń lub poziomów całkowity wydatek z uwagi na temperaturę powietrza należy obliczyć wg wzoru

; m³/s (11.9a)

gdzie k₁, k₂, ..., k_n oznacza najmniejszy wydatek powietrza przypadający na 1 tonę wydobycia węgla netto z poszczególnych części kopalni o różnej głębokości; wartości k_n podano w tabl. 11.2.

Tablica 11.2

Najmniejszy wydatek powietrza przypada­­jący na 1 tonę wydobycia węgla netto k, m^3/min	1,0	1,0 + 1,5	1,5 + 2,5	2,5 + 4,0
Zastosowanie: kopalnie o głębokości, m	< 400	400÷600	600 ÷ 800	800 ÷ 1000

Jako ostateczną wielkość wydatku należy przyjąć największą wartość otrzymaną z obliczeń.

Norma zaleca, aby dla kopalń o warunkach specjalnych, np. wyrzuty gazów, niski stopień geotermiczny, wydatek powietrza przyjmować na podstawie porównania danych otrzymanych z kopalń o zbliżonych warunkach, z tym zastrzeżeniem, że nie będzie on niższy od obliczonego podanymi zależnościami.

Jak to już wspomniano, przepisy BHP wymagają, aby ilość powietrza w przeliczeniu na jednostkę najliczniejszej zmiany nie była mniejsza niż 6 m³/min.

Przepisy te wymagają ponadto, aby prędkość powietrza w wyrobiskach, w których pracują ludzie, nie przekraczała 5 m/s w ścianach i zabierkach, 8 m/s w wyrobiskach korytarzowych, 12 m/s w szybach i szybikach zjazdowych, 10 m/s przy prowadzeniu w szybie lub szybiku robót lub gdy przechodzą ludzie przedziałem drabinowym.

Należy jeszcze dodać, że w przypadku stosowania metanometrii automatycznej zawartość metanu w powietrzu w rejonowych prądach powietrza zużytego może wynosić do 1,5%.

W literaturze polskiej oraz zagranicznej można znaleźć bardzo dużo zależności pozwalających na wyznaczanie potrzebnej ilości powietrza zarówno dla kopalni, jak i dla poszczególnych rodzajów wyrobisk.

Nadmienić należy, że norma PN-63/G-05162 nie uwzględnia koncentracji produkcji, w związku z czym strumień objętości powietrza ze względu na głębokość eksploatacji w zależności od wydobycia można obliczać w m³/s z zależności (11.9a) uwzględniając wskaźniki k_n przedstawione w tablicy I.17.

Tablica I.17. Najmniejszy strumień objętości powietrza w zależności od głębokości kopalni (poziomu) i koncentracji wydobycia

Głębokość	Oddziały w kopalni lub poziomy ze ścianami o wydobyciu dobowym, t
kopalni
(poziomu),	do 500	1000	2000	od 3000
H, m	Najmniejszy strumień objętości powietrza przypadający na tonę wydobycia netto ze ścian kopalni lub poziomu, kn m^3/s na tonę wydobycia dobowego
do 400	0.017	0.013	0.011	0.010
400÷600	0.017÷0.025	0.0130.020	0.0110.017	0.0100.013
600800	0.0250.042	0.0200.033	0.0170.027	0.0130.020
8001000	0.0420.067	0.033 0.053	0.027 0.042	0.020 0,030
1000200	0670.100	0.0530.080	0.0420.062	0.0300.047

Dla ścian kopalni lub poziomu o wydobyciu 5001000, 10002000 i 20003000 t/d najmniejsze natężenie przepływu powietrza przypadające na tonę wydobycia netto należy przyjmować przez interpolację wartości podanych w tablicy.

Obliczanie potrzebnej ilości powietrza dla wyrobisk przygotowawczych

Dla przewietrzania przyprzodkowej części wyrobiska, do której wydzielają się gazy, potrzebną ilość powietrza oblicza się z zależności

m³/min (11.10)

dla całego wyrobiska

m³/min (11.11)

gdzie

- maksymalna dopuszczalna koncentracja CH_4,

- koncentracja CH₄ w powietrzu wpływającym do wyrobiska,

- maksymalne ilości gazu wydzielającego się odpowiednio w przodku i wzdłuż całego wyrobiska, m³/min.

W przypadku wykonywania robót strzelniczych potrzebną ilość powietrza oblicza się ze wzoru

m³/min (11.12)

gdzie

F - powierzchnia poprzecznego przekroju wyrobiska, m²,

- czas przewietrzania po strzelaniu, min,

- ilość jednorazowo odstrzelonego materiału wybuchowego, kg,

- ilość CO równoznaczna ilości gazów trujących wytworzonych z 1 kg materiału wybuchowego, dm³/kg,

- współczynnik zawodnienia wyrobiska; przyjmuje się odpowiednio:

= 0,8 dla szybów suchych (przypływ do 1 m3/h) głębokości do 200 m, wyrobisk poziomych i nachylonych drążonych w skałach suchych,

= 0,6 dla szybów zawodnionych (przypływ do 6 m³/h) głębokość > 200 m, wyrobisk poziomych nachylonych częściowo, drążonych w skałach zawodnionych (wilgotne wyrobiska),

= 0,3 dla szybów zawodnionych (dopływ 5 do 15 m³/h), wyrobisk poziomych lub przy stosowaniu wodnych zasłon,

= 0,15 dla szybów zawodnionych (przypływ > 15 m³/h),

- współczynnik ucieczek powietrza,

- długość wyrobiska przygotowawczego, m.

Dla wyrobisk o znacznych długościach należy określić krytyczną długość według zależności

m

gdzie oznacza współczynnik turbulentnej dyfuzji; należy przyjmować 1.2.

Według PI. Mustela

(11.13)

gdzie oznacza objętość przewietrzanego wyrobiska, m³.

Ostatnią zależność zaleca się stosować dla wyrobisk o przekroju 10 do 15m² i długości 1,5 km.

Przy przewietrzaniu wyrobisk o znacznym przekroju (tuneli) ilość powietrza można obliczyć wzorem J.B.Mosteganowa

(11.14)

Przy stosowaniu wentylacji ssącej potrzebną ilość powietrza wyznaczyć można ze wzoru A.I. Ksenofontowej

(11.15)

gdzie F oznacza poprzeczny przekrój wyrobiska, m².

W tym przypadku musi być spełniony warunek, że odległość końca lutni od przodku nie jest większa od .

Przy kombinowanym sposobie przewietrzania jednym wentylatorem jego wydajność powinna wynosić

gdzie

- objętość pomiędzy tamą a przodkiem, m³,

- długość lutniociągu ssącego, m,

- czas przewietrzania, min,

- przekrój lutniociągu, m².

Przy dwóch wentylatorach i przy obecności tamy, ilość powietrza odsysana z otamowanej przestrzeni powinna wynosić

Dla wyrobisk o dużych przekrojach po wykonaniu robót strzelniczych, potrzebną ilość powietrza, którą należy doprowadzić do przodku, oblicza się ze wzoru

(11.17)

gdzie c oznacza dopuszczalną zawartość CO = 0,002%

(11.18)

Dla bardzo długich wyrobisk do wzoru (11.17) zamiast wstawia się

Przy kombinowanym sposobie przewietrzania wyrobisk o znacznym przekroju (tuneli) początkowo sposobem tłoczącym, a następnie ssącym, przy czym czas przewietrzania tłoczącego powinien wynosić 1/3 ogólnego czasu przewietrzania.

Ilość powietrza określa się ze wzoru J.B. Mosteganowa

gdzie oznacza objętość strefy przyprzodkowej wynoszącej 40 m od czoła przodku, m³.

Czas przewietrzania ssącego wynosi

(11.19)

ogólny czas przewietrzania

Do przewietrzania wyrobisk drążonych w warunkach dużej metanowości kopalni, potrzebną ilość powietrza obliczyć można ze wzoru

(11.20)

gdzie

- ilość metanu wydzielająca się w przodku, m³/min,

- współczynnik uwzględniający szczytowe wydzielanie się metanu; przyjmuje się 1,5,

- maksymalna koncentracja CH₄ dopuszczalna przepisami,

- koncentracja CH₄ w powietrzu wpływającym do wyrobiska, %,

lub z prostej zależności

(11.21)

Obliczanie potrzebnej ilości powietrza dla ścian

Potrzebną ilość powietrza dla ścian w nowo projektowanych kopalniach lub poziomach wyznaczyć można z zależności

(11.22)

gdzie

- względna prognozowana metanowość ściany, m³/t,

- współczynnik nierównomierności wydzielania się metanu w ścianie określany doświadczalnie; przyjmuje się = 1,4 do 1,6 dla pokładów cienkich, przy czym wartość wyższa odnosi się do antracytów zaś niższa dla pozostałych pokładów,

A - projektowane wydobycie węgla ze ściany, t/dobę.

Potrzebną ilość powietrza ze względu na stosowanie materiałów wybuchowych oblicza się wzorem

(11.23)

- czas przewietrzania wyrobiska, min,

B - ilość równocześnie odstrzelonego materiału wybuchowego, kg,

V - objętość przewietrzanej ściany, m³.

Potrzebną ilość powietrza dla ścian w polach metanowych obliczyć można z zależności

(11.24)

gdzie oznacza bezwzględną metanowość wyrobisk, m³/min.

Dla ścian istniejących

(11.25)

Przy zmianie wydobycia potrzebną ilość powietrza wyznacza się mnożąc wielkość przez stosunek A_p/A gdzie A jest aktualną wielkością wydobycia, zaś A_p wielkością projektowaną.

Określenie niezbędnych ilości powietrza dla przewietrzania komór

Zagadnienie przewietrzania komór stanowi jeden z trudniejszych problemów aerologii górniczej albowiem dotychczasowe sposoby wyznaczania potrzebnej ilości powietrza, które zapewniałyby wymaganą przepisami pięciokrotną jego wymianę w ciągu godziny przy zachowaniu minimalnej prędkości, są trudne, a czasem wogóle technicznie nie do zrealizowania.

Dotyczy to np. komór w kopalni soli Kłodawa, gdzie w polach metanowych tej kopalni objętość komory przekracza dziesiątki tysięcy m³.

Przy urabianiu w komorach stosuje się w zasadzie materiały wybuchowe, co powoduje powstawanie znacznych ilości gazów odstrzałowych, które należy rozrzedzić i usunąć w z góry zadanym czasie. Aczkolwiek komory są przewietrzane prądami niezależnymi, to jednak występuje tu problem polegający na tym, aby prócz doprowadzenia odpowiedniej ilości powietrza wymóc odpowiedni profil prędkości w całej komorze.

Ruch powietrza w komorze może wykazywać cechy przepływu z recyrkulacją, a więc możliwością tworzenia się obszarów "martwych" (o bardzo małej prędkości przepływu), co w konsekwencji prowadzi do przewietrzania tych obszarów drogą dyfuzji molekularnej, wielokrotnie wolniejszej od dyfuzji turbulentnej. Przeciwdziałać temu zjawisku nie zawsze można drogą zwiększania wydatku przepływu w komorze, a także przez odpowiednie usytuowanie wyrobisk doprowadzających i odprowadzających powietrze z komór.

Problem znajomości pól prędkości i koncentracji gazów w przestrzeniach o znacznych wymiarach nie został dotąd dostatecznie dokładnie rozpoznany tak od strony teoretycznej, jak i eksperymentalnej, mimo wielu badań modelowych i opracowań teoretycznych na bazie teorii swobodnego strumienia. Zakłada się w niej, że powietrze wpływające do komory wytwarza w niej swobodną strugę, która zajmuje tylko pewną część objętości komory, co spowodowało wprowadzenie pojęcia tak zwanych wtórnych prądów w części komory nie zajętej swobodną strugą. Jednym z podstawowych typów turbulentnych strumieni ze swobodną turbulencją są turbulentne strugi swobodne.

Strugę nazywa się swobodną, jeżeli nie jest ograniczona trwałymi ściankami i rozprzestrzenia się w ośrodku wypełnionym płynem o tych samych własnościach fizycznych, przy czym swobodna struga może być laminarna lub turbulentna.

W zależności od wymiarów geometrycznych wyrobiska doprowadzającego powietrze do komory oraz wymiarów tej ostatniej może ona być przewietrzana działaniem płaskiej lub okrągłej turbulentnej strugi swobodnej. Gdy wysokość wyrobiska, przez które dopływa powietrze do komory, jest równa jej wysokości, a szerokość mała w porównaniu z szerokością komory, wówczas komora będzie przewietrzana strugą płaską. Jeśli wysokość i szerokość wyrobiska, którym dopływa powietrze, są nieznaczne w porównaniu z wymiarami komory, to struga będzie okrągła. Teorię swobodnych strug opracował G.N. Abramowicz. Została ona także wykorzystana do zagadnień aerologii górniczej.

W przypadkach swobodnych strug wytworzonych w komorze W.N. Voronin, dla zobrazowania recyrkulacyjnego przepływu powietrza, wprowadził pojęcie tzw. turbulentnego źródła drugiego rodzaju, przy czym w zależności od konfiguracji komory wyróżnia strugi ograniczone i nieograniczone. Teoria ta daje możliwość określenia osiowej prędkości natężenia przepływu oraz jądra stałej masy w strudze powrotnej.

Intensywność przewietrzania komory zależy m.in. od zasięgu strugi swobodnej, który można określić z zależności

(11.26)

gdzie

- maksymalna długość komory, m,

a - współczynnik struktury strugi; dla płaskiej strugi a = 0,09÷0,12, a dla strugi okrągłej a = 0,06÷0,08.

W literaturze są sugestie, aby wielkość obliczoną tym wzorem zwiększyć o około 30%.

Jeżeli w powietrzu dopływającym do komory nie ma gazów szkodliwych, a w komorze nie ma źródła wydzielania takich gazów, to konieczną ilość powietrza dla jej przewietrzania określić można ze wzoru

(11.27)

gdzie

,

F - pole poprzecznego przekroju komory, m²,

L - długość komory, m,

- czas przewietrzania po strzelaniu, min,

- początkowa koncentracja gazów, %,

c - koncentracja dopuszczalna gazów, %,

m - współczynnik turbulentnej dyfuzji, wyrażający stosunek średniej koncentracji gazu w poprzecznym przekroju jądra stałej masy do koncentracji gazów na granicy swobodnej strugi.

W przypadku długich wyrobisk komorowych, przewyższających maksymalne zasięgi swobodnej strugi, powstają ograniczone turbulentne strumienie. W tych przypadkach Miedwiedjew proponuje inny model przewietrzania komory i w konsekwencji rozważań podaje następujący wzór na wyznaczenie potrzebnej ilości powietrza dla przewietrzania komory

(11.28)

gdzie

,

- długość strefy odrzutu gazów odstrzałowych, m,

m - współczynnik zależny od liczby Reynoldsa, jak wykazały badania, współczynnik można uważać za stały i przyjmować = 0,6.

Długość strefy odrzutu gazów (strefy zagazowanej w komorze) określić można z zależności

(11.29)

gdzie

- ilość odstrzelonego MW, kg,

- gęstość skał, t/m³,

- długość otworu strzałowego, m,

F - poprzeczny przekrój komory, m².

Innym ze sposobów wyznaczenia potrzebnej ilość powietrza do przewietrzania komór jest metoda oparta na liczbie Reynoldsa. W pracy [43] określając liczbę Reynoldsa w granicach 30 000 do 60 000 przyjęto, że minimalną intensywność przewietrzania wyrobisk górniczych kopalń metanowych i niemetanowych ale głębokich charakteryzuje liczba Reynoldsa 60 000, a wyrobisk kopalń niemetanowych i płytkich liczba 30 000.

Wychodząc z zależności na liczbę Reynoldsa, otrzyma się wzór określający minimalną ilość powietrza

(11.30)

gdzie

-współczynnik kinematycznej lepkości powietrza, m2/s; przyjmuje się = 1510^-6 m²/s,

f - liczba kształtu, charakteryzująca kształt pola F przekroju poprzecznego, zawarta w przedziale od 0,9 do 1,1,

Re - liczba Reynoldsa,

F - pole poprzecznego przekroju wyrobiska, m².

Przyjmując we wzorze (11.30) liczbę Reynoldsa Re = 30 000, liczbę kształtu f = 1, współczynnik lepkości kinematycznej = 1510^-6 m²/s, otrzymuje się następującą zależność na wydatek powietrza w wyrobiskach kopalń niemetanowych i płytkich

(11.31)

Przyjmując liczbę Re = 60 000 i pozostałe dane jak poprzednio, otrzyma się zależność na ilość powietrza potrzebną dla minimalnej intensywności przewietrzania pojedynczych wyrobisk w kopalniach metanowych lub niemetanowych o znacznej głębokości

(11.32)

Podane zależności pozwalają wyznaczyć niezbędne ilości powietrza również dla komór o znacznych przekrojach, jak np. w kopalni soli w Kłodawie.

Jeżeli chodzi o przepisy górnicze, to wydatek powietrza doprowadzany do komór z transformatorami olejowymi, rozdzielniami z wyłącznikami pełnoolejowymi, smarami, olejami i innymi materiałami łatwo palnymi, powinien być taki, aby zapewniona była co najmniej pięciokrotna jego wymiana w ciągu godziny. A więc dla pojedynczej komory o objętości mamy

(11.33)

Potrzebną ilość powietrza dla komór, w których zainstalowane są pracujące urządzenia elektryczne, wyznacza się z zależności

(11.34)

gdzie

N - moc zainstalowanych urządzeń,

- współczynnik sprawności silników,

= 0,8 - współczynnik obciążenia urządzeń.

W literaturze [19] cytuje się zależność dla warunku, aby temperatura powietrza wypływającego z komory nie przekraczała 26°C. Ma ona następującą postać

(11.35)

gdzie

- moc i-tego silnika, kW,

- sprawność i-tego silnika,

- współczynnik obciążenia urządzeń,

- temperatura powietrza wpływającego do komory w najbardziej ciepłym miesiącu, °C.

Jeżeli ilość ciepła odprowadzanego z komory przez powietrze wilgotne oznaczy się przez q, to

(11.36)

gdzie

- strumień masy powietrza, kg/s,

x - wilgotność właściwa powietrza, kg/kg,

- entalpia powietrza wypływającego z komory, kJ/kg,

- entalpia powietrza wpływającego do komory, kJ/kg.

Należy mieć na uwadze, że przy obliczaniu entalpii powietrza wypływającego z komory należy przyjmować temperatury t = 28°C.

Jeżeli znamy ilość wydzielającego się ciepła, to można wyznaczyć strumień masy powietrza ze wzoru

(11.37)

Określenie niezbędnych strumieni objętości powietrza dla pól eksploatacyjnych i całej kopalni

Dla określonych pól eksploatacyjnych strumień objętości powietrza świeżego, niezbędnego do przewietrzania robót górniczych, wyznacza się ze wzoru

(11.10)

gdzie:

- strumień objętości powietrza niezbędny do prawidłowego przewietrzania i-tego rejonu wentylacyjnego, obejmującego oddział eksploatacyjny, m³/s,

przy czym

(11.11)

- strumień objętości powietrza niezbędny do prawidłowego przewietrzania n-tego przodka eksploatacyjnego w i-tym rejonie wentylacyjnym, obejmującym oddział eksploatacyjny, m³/s,

- strumień objętości powietrza niezbędny do przewietrzania j-tej komory funkcyjnej lub innego wyrobiska przewietrzanego prądem niezależnym, m³/s,

- liczba ujmująca straty powietrza w i-tym rejonie wentylacyjnym,

- liczba ujmująca straty powietrza w grupowych drogach powietrza świeżego.

Liczby strat powietrza i należy przyjmować indywidualnie dla każdej kopalni, poziomu wydobywczego, pola eksploatacyjnego oraz poszczególnych rejonów wentylacyjnych z uwzględnieniem struktury sieci wentylacyjnej, systemu eksploatacyjnego itp.

Liczbę strat powietrza w rejonach eksploatacyjnych można przyjmować:

- podczas eksploatacji systemem ścianowym z zawałem stropu lub podsadzką pneumatyczną od 1,2 do 1,4,

- podczas eksploatacji systemem ścianowym poprzecznym z podsadzką hydrauliczną od 1,3 do 1,5,

- podczas eksploatacji systemem ścianowym poprzecznym na warstwy z podsadzką hydrauliczną od 1,3 do 1,6.

Liczba ujmująca straty powietrza w grupowych drogach powietrza świeżego jest podana wzorem

(11.12)

gdzie:

- liczba ujmująca straty powietrza w zależności od liczby projektowanych poziomów wydobywczych,

- liczba ujmująca straty powietrza w zależności od liczby rejonów (oddziałów) eksploatacyjnych,

- liczba ujmująca straty powietrza w zależności od rozmieszczenia szybów wdechowych i wydechowych.

Według przeprowadzonych badań można przyjmować:

= 0 - dla jednego poziomu wydobywczego,

= 0,1 - dla dwóch poziomów wydobywczych,

= 0,15 - dla trzech poziomów wydobywczych,

= 0,15 - gdy eksploatacja odbywa się w 1÷4 rejonach eksploatacyjnych,

= 0,2 - gdy eksploatację prowadzi się w 5÷10 rejonach eksploatacyjnych,

= 0,3 - gdy w kopalni jest więcej niż 10 rejonów eksploatacyjnych,

= 0,2 - gdy jest centralne usytuowanie pary szybów wdechowego i wydechowego,

= 0,15 - gdy jest mieszane (centralne i peryferyjne) rozmieszczenie szybów,

= 0,1 - gdy jest peryferyjne rozmieszczenie szybów,

= 0 - gdy każdy rejon ma odrębny szyb wentylacyjny.

Wydajność wentylatora głównego określa się ze wzoru

(11.13)

gdzie:

- liczba charakteryzująca przyrost strumienia objętości powietrza, wzięta z przedziału 1,05 ÷ 1,15,

- strumień objętości powietrza sprężonego, doprowadzonego do urządzeń o napędzie pneumatycznym na dole kopalni, m³/s,

- straty zewnętrzne powietrza na zamknięciach zrębów szybów wydechowych, m³/s,

Straty zewnętrzne powietrza zależą w większości od dysypacji energii zachodzącej w uszczelnieniu zrębu szybu wydechowego i od rodzaju zamknięcia szybu. Zazwyczaj w projektach wentylacyjnych przyjmuje się, że straty zewnętrzne powietrza są zawarte w przedziale 10÷20% wydajności wentylatora głównego.

Strumień objętości powietrza sprężonego, doprowadzanego do kopalni, wyznacza się na podstawie bilansu zapotrzebowania tego powietrza do napędu zaprojektowanych urządzeń pneumatycznych na dole kopalni.

Przy wyznaczaniu, w oparciu o wzory (11.10) i (11.13) strumieni objętości powietrza, niezbędnych do właściwego przewietrzenia pól eksploatacyjnych i całej kopalni, należy do obliczeń dla poszczególnych rejonów przyjmować największe ze strumieni uzyskanych przy uwzględnieniu następujących czynników:

- rozrzedzenie do dopuszczalnych stężeń gazów pochodzenia naturalnego i powstałych w wyniku procesów technologicznych,

- wielkość wydobycia, która pośrednio uwzględnia zdolność węgla do utleniania się lub - w przypadku kopalni o stałej gazowości - jego gazowość,

- liczbę zatrudnionych na najliczniejszej zmianie roboczej,

- głębokość eksploatacji (temperaturę),

- warunki klimatyczne,

natomiast dla komór przy uwzględnieniu:

- pięciokrotnej wymiany powietrza w ciągu godziny,

- właściwego, zgodnego z przepisami, składu powietrza,

- rozrzedzenia wodoru do 0,5% w komorze ładowania akumulatorów,

- mniejszego od 15°C przyrostu temperatury powietrza w komorze elektromaszynowej i w innym pomieszczeniu, przy nieprzekroczeniu temperatury 35°C powietrza na wylocie z tych komór, mierzonej termometrem suchym.

Nadmienić należy, że cytowana w tym rozdziale norma PN-63/G-05162 została unieważniona w połowie 1995r, jednak z uwagi na brak nowej normy zawarte w niej zalecenia mogą być pomocne do określania niezbędnych ilości powietrza w kopalni.

---