Ocena stopnia zagrożenia temperaturowego w kopalniach węgla

1.Wstęp

Głównymi czynnikami kształtującymi warunki klimatyczne w wyrobiskach górniczych są:

• temperatura powietrza t,

• wilgotność ,

• prędkość w.

Na temperaturę powietrza w kopalni i jego wilgotność wpływa:

• głębokość eksploatacji i związane z nią sprężenie powietrza w szybach wdechowych,

• przepływ ciepła z górotworu do powietrza,

• wilgotność skał i nawilżanie powietrza w wyrobiskach wodami dołowymi i technologicznymi,

• ciepło pochodzące z utleniania węgla i innych dodatkowych źródeł ciepła, którymi są między innymi wszelkiego rodzaju urządzenia elektromechaniczne.

W wyrobiskach górniczych głębokich kopalń węgla kamiennego na bilans ciepła składają się w:

• 50% ciepło dopływające z górotworu,

• 25% utlenianie węgla,

• 25% inne dodatkowe źródła ciepła.

Obecnie szereg kopalń węgla kamiennego prowadzi eksploatację na dużych głębokościach, na których pierwotna temperatura górotworu wynosi od 28 do 43°C.

Temperatura powietrza w przodkach tych kopalń może osiągnąć temperaturę 28 do 35° C przy wilgotności względnej 85 do 95%, jeśli nie zostaną podjęte odpowiednie środki prewencyjne.

2.Wstępna ocena zagrożenia klimatycznego

Stopień zagrożenia klimatycznego można określić korzystając z poziomów krytycznych lub wskaźnika klimatycznego. Dla określenia stopnia zagrożenia klimatycznego konieczna jest znajomość temperatury pierwotnej górotworu, w którym prowadzone będą wyrobiska górnicze.

W związku z tym wszystkie kopalnie czynne i projektowane powinny posiadać mapy izolini temperatur pierwotnych skał dla poziomów głębszych niż 700 m.

2.1. Poziomy krytyczne

Przeprowadzone badania wykazały, że w polskich kopalniach można wyróżnić trzy poziomy krytyczne z uwagi na temperaturę pierwotną skał.

I poziom krytyczny t_pg = 30°C

II poziom krytyczny t_pg = 35°C

III poziom krytyczny t_pg = 40°C

- stopień geotermiczny; = 33 m/°C w środkowej Europie

Na głębokości powyżej I poziomu krytycznego mogą występować trudne warunki klimatyczne w wyrobiskach eksploatacyjnych i przygotowawczych, przy czym poprawę tych warunków można uzyskać stosując dostatecznie intensywną wentylację główną, jak i odrębną.

Na głębokości między I a II poziomem krytycznym w wyrobiskach eksploatacyjnych i przygotowawczych należy się liczyć z trudnymi warunkami klimatycznymi, które można poprawić stosując dostatecznie intensywną wentylację główną, jak i odrębną, łącznie ze stosowaniem niektórych innych środków pasywnego zwalczania wysokich temperatur np.:

- izolacja,

- skracanie dróg przepływu powietrza,

- ujmowanie wody, itp..

Na głębokościach pomiędzy II a III-cim poziomem krytycznym występują bardzo trudne warunki klimatyczne, które można poprawić stosując w zasadzie intensywną wentylację łącznie ze wszystkimi innymi środkami pasywnego zwalczania wysokich temperatur.

W drążonych wyrobiskach przygotowawczych stosowanie intensywnej wentylacji może okazać się niewystarczające. Wówczas należy dążyć do skracania ich wybiegów. Jeśli skracanie okaże się niewystarczające to konieczne będzie stosowanie środków aktywnych, tj. urządzeń chłodniczych o wydajnościach dobranych na podstawie obliczeń prognostycznych temperatur powietrza.

W przypadku gdy roboty górnicze prowadzone są poniżej III poziomu krytycznego, wówczas należy nie tylko stosować intensywną wentylację główną łącznie ze wszystkimi środkami pasywnymi zwalczania wysokich temperatur powietrza ale i maszyny klimatyzacyjne.

2.2. Wskaźnik klimatyczny

Wskaźnik klimatyczny dla oceny stopnia zagrożenia temperaturowego na poszczególnych poziomach eksploatacyjnych określony jest wzorem:

gdzie:

t_pg - temperatura pierwotna górotworu na danym poziomie,

t_d - dopuszczalna temperatura powietrza w miejscu pracy załogi bez stosowania

skróconego czasu pracy, t_d=28°C

t_p - temperatura powietrza na podszybiu danego poziomu wydobywczego.

Kryteria stopnia zagrożenia temperaturowego oparte na wskaźniku klimatycznym K zdefiniowane są następująco:

K < 0 - nie ma zagrożenia temperaturowego,

0 < K 0.8 - istnieje niewielkie zagrożenie temperaturowe, któremu można zapobiec przestrzegając głównych zasad racjonalnej wentylacji,

0.8 < K 1.5 - istnieje zagrożenie temperaturowe, któremu można zapobiec przez takie zaprojektowanie udostępnienia i rozcięcia pokładów oraz ich eksploatację, aby powietrze świeże dopływające do wyrobisk eksploatacyjnych ulegało możliwie najmniejszemu nagrzewaniu,

K > 1.5 - istnieje znaczne zagrożenie temperaturowe, któremu można zapobiec przez stosowanie innych środków techniczno-organizacyjnych mających na celu zmniejszenie zagrożenia /np. stosowanie skróconego czasu pracy lub urządzeń chłodniczych /.

Dla wyznaczenia wskaźnika K konieczna jest znajomość temperatury powietrza na podszybiu danego poziomu. W kopalniach istniejących wartość tej temperatury otrzymuje się z bezpośrednich pomiarów. Natomiast dla kopalń projektowanych konieczne jest wykonanie obliczeń prognostycznych temperatury powietrza w oparciu o projekt wentylacji kopalni.

3. Możliwość poprawy warunków klimatycznych w kopalniach

W istniejącej kopalni poprawę uzyskuje się przez:

- zwiększenia strumienia objętości powietrza,

- zwiększenie prędkości w wyrobiskach eksploatacyjnych do 2 m/s,

- zmniejszenie wilgotności () we wszystkich drogach powietrza świeżego,

- skrócenie dróg powietrza świeżego,

- wyeliminowanie dodatkowych źródeł ciepła,

- wyeliminowanie szeregowego przewietrzania wyrobisk.

W kopalniach projektowanych i modernizowanych należy stosować następujące środki i sposoby mające na celu zabezpieczenie warunków klimatycznych:

a) projektować duże powierzchnie przekrojów dla szybów wdechowych i głównych przekopów udostępniających.

b) dla nowych szybów przeanalizować ich lokalizację pod kątem najkrótszych dróg powietrza świeżego do przyszłych pól eksploatacyjnych.

c) zmniejszyć do minimum liczbę wyrobisk doprowadzających powietrze świeże do przodków, żeby prędkość powietrza była bliska lub równa prędkości dopuszczalnej.

d) wykonywać hydroizolację szybów wdechowych i wyrobisk z grupowymi prądami powietrza świeżego, w których występować może duży wypływ wody.

e) projektować ujęcie wody wypływającej z górotworu oraz wody technologicznej.

Woda ujęta w miejscach wypływu winna być odprowadzona ściekami krytymi lub

rurociągami.

f) stosować chłodzenie powietrza sprężonego na powierzchni, a w miarę możliwości

projektować instalacje rurociągów powietrza sprężonego w szybach wydechowych

i wyrobiskach z prądami powietrza zużytego.

g) wyeliminować odstawę urobku z wyrobisk, którymi doprowadzone jest powietrze świeże do wyrobisk eksploatacyjnych, co można osiągnąć przez stosowanie niezależnego przewietrzania wyrobisk odstawczych lub transport urobku w wyrobiskach z prądem powietrza zużytego.

h) rozwiązywać zraszanie na wysypach i przesypach taśmociągów przy możliwie najmniejszym zużyciu wody; dotyczy to zwłaszcza taśmociągów zlokalizowanych w wyrobiskach z prądami powietrza świeżego płynącymi do miejsc pracy.

i) unikać odprowadzenia powietrza zużytego z wyrobisk ślepych i innych wyrobisk z dodatkowymi źródłami ciepła do wyrobisk z opływowym prądem powietrza świeżego płynącymi do miejsc pracy.

j) projektując przewietrzanie, jak również opracowując prognozę temperatury powietrza dla drążonego wyrobiska korytarzowego, należy przestrzegać następujących zaleceń:

- wyrobiska ślepe należy przewietrzać przy stosowaniu wentylacji tłoczącej lub tłocząco-ssącej,

- należy stosować wszystkie środki dla uzyskania możliwie niewysokich temperatur powierza w prądzie opływowym, z którego powietrze pobierane jest do wyrobiska ślepego,

• celowe jest stosowanie lutni o możliwie dużych średnicach, przy czym wydajność wentylatora (lub zespołu wentylatorów) działającego na początku lutniociągu nie powinna być większa od:

6 m³/s dla lutniociągu o średnicy D = 0.6 m

7 m³/s dla lutniociągu o średnicy D = 0.8 m

8 m³/s dla lutniociągu o średnicy D = 1.0 m

- przy doborze wentylatora lutniowego w aspekcie klimatycznym należy uwzględnić jego charakterystykę temperaturową, przy czym nie powinno się stosować szeregowych połączeń wentylatorów lutniowych,

- w górotworze o temperaturze pierwotnej wynoszącej do około 30°C można stosować lutniociągi o średnicy D = 0.6 m w wyrobiskach o poprzecznym do około 12 m², przy czym długość wyrobiska nie powinna być większa od 500 m. W wyrobiskach o polu przekroju poprzecznym większym od 12 m² albo dłuższym od 500 m należy stosować lutniociągi o średnicy D = 0.8 m lub D = 1.0 m, przy czym długość wyrobisk nie powinna przekraczać 1000 m i 1500 m. Dla większych długości wyrobisk należy stosować tzw. wentylację Y lub podwójne lutniociągi.

- w kopalniach, w których na poziomach wydobywczych temperatura pierwotna masywu skalnego wynosi 35°C i więcej, należy dążyć do stosowania krótkich lutniociągów, 200 do 300 m. Możliwość stosowania takich lutniociągów można uzyskać przez:

- drążenie wyrobisk na "zbicie",

- prowadzenie wyrobisk systemem chodników równoległych,

- tworzenie tzw. oczek wentylacyjnych z prądami opływowymi powietrza.

Dla tworzenia oczek wentylacyjnych można stosować nie tylko

wyrobiska górnicze, lecz także otwory wiertnicze o możliwie dużej

średnicy.

k) w czasie drążenia wyrobisk korytarzowych dochodzi się w określonych przypadkach do warunków, w których uprzednio środki nie zapewniają prawidłowych warunków klimatycznych w tych wyrobiskach. Dlatego też konieczne jest wykonanie obliczeń prognostycznych można dopiero dać odpowiedź na pytanie, jakie należy przedsięwziąć środki, aby w danym wyrobisku zapewnione były warunki klimatyczne dopuszczone obowiązującymi przepisami.

l) przy projektowaniu rozcinki i przewietrzaniu rejonów eksploatacyjnych uzasadnione jest uwzględnienie następujących środków pasywnego zwalczania zagrożenia temperaturowego:

- w rejonach, które zlokalizowane są poniżej I poziomu krytycznego, gdzie temperatura pierwotna masywu skalnego jest większa od 30°C należy dążyć do wyeliminowania wszystkich dodatkowych źródeł ciepła z grupowych prądów powietrza świeżego doprowadzonego do ścian, jak również tak projektować oddział produkcyjny, by możliwe było stosowanie intensywnego przewietrzania oddziału,

- należy eliminować odstawę urobku z wyrobisk, którymi doprowadzane jest powietrze świeże. Eliminacji tej dokonać można przez zlokalizowanie odstawy w wyrobiskach, którymi płynie powietrze zużyte lub przez stosowanie niezależnego przewietrzania wyrobisk odstawczych,

- należy dążyć do lokalizacji urządzeń elektromechanicznych np. pomp do urządzeń hydraulicznych na wylotach ze ścian zamiast na ich wlotach. Szczególnie ma to duże znaczenie dla ścian zmechanizowanych,

- należy odprowadzić powietrze zużyte z wyrobisk ślepych i innych wyrobisk z dodatkowymi źródłami ciepła, stosując lutniociąg łączący te wyrobiska z wyrobiskiem z opływowym prądem powietrza nie płynącym do miejsc pracy, jak np. do ściany,

- kierunki przemieszczenia frontów ścianowych należy tak dobierać, aby nie występował przepływ powietrza przez zroby zawałowe ani też nie zachodziło wynoszenie ciepła ze zrobów do miejsc pracy załogi,

- w przypadku gdy istnieje konieczność stosowania eksploatacji do pola, należy wykonywać szczelne pasy podsadzkowe lub np. z anhydrytu wzdłuż chodników przyścianowych,

- nadmierne nawilżanie prądów powietrza świeżego należy likwidować przez stosowanie racjonalnego zraszania oraz ujęcie wody w miejscach jej wypływu i odprowadzenie jej krytymi ściekami lub rurociągami,

- dla nie dopuszczenia do nagrzania i nawilżania powietrza świeżego należy unikać szeregowego przewietrzania ścian.

Podjęte przedsięwzięcia muszą być poparte obliczeniami prognostycznymi temperatury powietrza. Prognozowanie temperatury powietrza pozwoli określić temperaturę powietrza w projektowanym wyrobisku. Na podstawie tych obliczeń można podjąć decyzję o przyjęciu do realizacji danego sposobu rozprowadzenia powietrza względnie ustalić potrzebę stosowania urządzeń chłodniczych i określić wymagane moce tych urządzeń.

Strefa neutralna z = 30m t_{g ≅ 8°C}

Strefa neutralna z ≈ 30m t_g ≅ 8°C

---