Kraków 15.06.2010 r.

Akademia Górniczo – Hutnicza

Im. Stanisława Staszica

WENTYLACJA I POŻARY

Temat: Projekt przewietrzania sieci wentylacyjnej kopalni

Anna Biernat

Górnictwo i Geologia

Rok III

Gr I

Obliczanie niezbędnej ilości powietrza w kopalni.

Założenia do obliczeń projektowych:

Dla wykonania obliczeń zakłada się:

• zanieczyszczenie węgla, %, (przyjmujemy - 20% roboty eksploatacyjne, 30% - roboty

przygotowawcze),

• W_e –metanonośność pokładu eksploatowanego, m³ CH₄/Mg c.s.w, (przyjmujemy: II KZM - pierwszy pokład, III KZM - drugi pokład, III (przyjmujemy: II KZM - pierwszy pokład, III KZM - drugi pokład, III KZM –trzeci pokład),

–ściana D-1: 3 m³ CH₄/Mg c.s.w.

–ściana D-12: 6 m³ CH₄/Mg c.s.w.

–ściana D-4: 6 m³ CH₄/Mg c.s.w.

–drążony chodnik D-10: 3 m³ CH₄/Mg c.s.w.

–drążony chodnik D-7: 6 m³ c.s.w.

• postęp ścian, (przyjmujemy w przedziale 60-120 m/m-c),

• współczynnik nierównomierności wydzielania metanu: c=1,65

• gęstość węgla: ρ=1,35 Mg/m3

• przekrój wnęki ścianowej trapez: podstawa dłuższa niższa 4,5 [m]; podstawa wyższa 3,0[m]; współczynnik zmniejszenia przekroju ściany f=0,9

Parametr	Symbol	Ściana D-1	Ściana D-12	Ściana D-4
Długość	L [m]	240	150	170
Wysokość	h [m]	2	2,5	1,5
Pole przekroju	A [m2]	6,75	8,44	5,06
Postęp	p [m/mc]	90	100	100
Wydobycie brutto	Ab [Mg/db]	2700	2300	1500
Wydobycie netto	An [Mg/db]	2200	1800	1200

1. Obliczanie niezbędnej ilości powietrza w poszczególnych miejscach jego zapotrzebowania.

• Warunek 1: Obliczanie niezbędnej ilości powietrza ze względu na minimalną dopuszczalną prędkość powietrza.

V  =  60  *  A  *  w_min

gdzie:

V- ilość powietrza, m³/min.

A -pole przekroju użytecznego wyrobiska, m²,

w_min -prędkość minimalna powietrza wymagana przepisami, m/s.

Ściana D-1

$$V\ = \ 60\ *\ 6,75\ *\ 0,3 = 121,5\ \lbrack\frac{m^{3}}{\min}\rbrack$$

Ściana D-12

$$V\ = \ 60\ *\ 8,44\ *\ 0,3 = 151,92\ \lbrack\frac{m^{3}}{\min}\rbrack$$

Ściana D-4

$$V\ = \ 60\ *5,06\ *\ 0,3 = 91,08\ \lbrack\frac{m^{3}}{\min}\rbrack$$

• Warunek 2: Dla wyznaczania niezbędnej ilości powietrza w wyrobiskach wybierkowych celowe jest korzystanie z optymalnej prędkości powietrza, równej dla tych wyrobisk 2,0 m/s.

$$V\ = \ 60\ *\ A\ *\ 2\ \lbrack\frac{m^{3}}{\min}\rbrack$$

Ściana D-1

$$V\ = \ 60\ *\ 6,75\ *2 = 810\ \lbrack\frac{m^{3}}{\min}\rbrack$$

Ściana D-12

$$V\ = \ 60\ *\ 8,44\ *\ 2 = 1012,8\ \lbrack\frac{m^{3}}{\min}\rbrack$$

Ściana D-4

$$V\ = \ 60\ *5,06\ *\ 2 = 607,2\ \lbrack\frac{m^{3}}{\min}\rbrack$$

• Warunek 3: Niezbędną, ilość powietrza ze względu na występowanie zagrożenia metanowego (począwszy od II kategorii zagrożenia metanowego) dla wyrobisk z opływowym prądem powietrza należy wyznaczać na podstawie prognozy metanowości bezwzględnej. Na podstawie wyników takiej prognozy można wyznaczyć potrzebną ilość powietrza dla określonego wyrobiska, korzystając z zależności:

$$V = c*\frac{100*V_{\text{CH}_{4}}}{k_{\max} - k}\ \lbrack\frac{m^{3}}{\min}\rbrack$$

gdzie :

k_max -maksymalna procentowa zawartość metanu w wylotowym prądzie powietrza z tego wyrobiska, %CH₄;

k –procentowa zawartość metanu w prądzie powietrza dopływającym do tego

wyrobiska, %CH₄;

V_CH4 – prognozowana metanowość bezwzględna, m³/min;

c - współczynnik nierównomierności wydzielania się metanu w ścianie; c = 1,65.

gdzie:

W_e -metanonośność pokładu eksploatowanego, m³ CH₄/Mg csw.

m_e –miąższość pokładu eksploatowanego, m,

m_i –miąższość pokładów wyżej i niżej zalegających od pokładu eksploatowanego, m,

W_i –metanonośność pokładów wyżej i niżej zalegających od pokładu eksploatowanego, m³ CH₄/Mg csw,

η_i -stopień odgazowania pokładów wyżej i niżej zalegających od pokładu eksploatowanego, (krzywa odgazowania)

A_n -wydobycie węgla netto z pokładu eksploatowanego (dla którego są wykonywane obliczenia), Mg/db.

Ściana D-1

$$V_{\text{CH}_{4}} = \left( 0,8*3 + \frac{2,5*6*0,6}{2} + \frac{2*3*0,5}{2} \right)*\frac{2200}{1440} = 12,8\ \lbrack\frac{m^{3}}{\min}\rbrack$$

$$V = 1,65*\frac{100*12,8}{2 - 0,5} = 1411\ \lbrack\frac{m^{3}}{\min}\rbrack$$

Ściana D-12

$$V_{\text{CH}_{4}} = \left( 0,8*6 + \frac{1,5*6*0,2}{2,5} + \frac{2*3*0,65}{2,5} \right)*\frac{1800}{1440} = 8,85\ \lbrack\frac{m^{3}}{\min}\rbrack$$

$$V = 1,65*\frac{100*37,9}{2 - 0,5} = 974\ \lbrack\frac{m^{3}}{\min}\rbrack$$

Ściana D-4

$$V_{\text{CH}_{4}} = \left( 0,8*6 + \frac{2*6*0,55}{1,5} + \frac{2,5*6*0,6}{1,5} \right)*\frac{1200}{1440} = 11\ \lbrack\frac{m^{3}}{\min}\rbrack$$

$$V = 1,65*\frac{100*32,7}{2 - 0,5} = 1210\ \lbrack\frac{m^{3}}{\min}\rbrack$$

$$\sum_{}^{}{\mathbf{V}_{\mathbf{e}}\mathbf{= 1411 + 1013 + 1210 = 3634\ \lbrack}\frac{\mathbf{m}^{\mathbf{3}}}{\mathbf{\min}}\mathbf{\rbrack}}$$

1. Obliczanie niezbędnej ilości powietrza w komorach funkcyjnych, przewietrzanych niezależnym prądem powietrza.

Niezbędne ilości powietrza dla komór funkcyjnych (z wyjątkiem komór ładowania akumulatorów) należy obliczać uwzględniając wymóg przepisów dotyczący potrzeby co najmniej dziesięciokrotnej wymiany powietrza w ciągu godziny, stosując wzór :

$$V_{\text{kf}} = \ 0,1*\ V_{k}\ \lbrack\frac{m3}{\min}\rbrack$$

gdzie:

V_k - jest objętością komory funkcyjnej, w metrach sześciennych.

Wartość V niezależnie od wyniku obliczeń powinna być nie mniejsza niż 50 m3/min.

Założyć liczbę komór funkcyjnych (n=4-6)

Przyjmuje 4 komory o wymiarach:

• długość: 30 m

• szerokość: 5 m

• wysokość: 4 m

Obliczyć objętość: V_k  = 30 * 5 * 4 = 600 [m³]

Ilość powietrza na komorę

$$V_{i} = 0,1*V_{k} = 60\ \lbrack\frac{m^{3}}{\min}\rbrack$$

Ilość powietrza dla wszystkich komór

$$V_{\text{kf}} = n*V_{i} = 240\ \lbrack\frac{m^{3}}{\min}\rbrack$$

1. Obliczanie niezbędnej ilości powietrza w wyrobiskach technologicznych otamowanych tamami rozdzielającymi.

Opór R_w0 wyrobiska technologicznego otamowanego tamami rozdzielającymi przyjmuję układ tam rozdzielających, obejmującego dwie tamy połączone szeregowo dla tam murowanych z drzwiami R_wo= 20÷25 kg/m⁷.

Ilość powietrza w wyrobiskach otamowanych:

Dla wyrobisk otamowanych w bocznicach: 2-3, 4-5, 4-14, 14-15, 14-25, 2-19, 19-21, 19-11 przyjmuje się tamy murowane z drzwiami o oporze R_wo= 25 kg/m⁷ i spadku naporu 600 Pa.

Według nomogramu odczytuje się ilość powietrza: V_wt= 5 m³/sec ≈ 300 m³/min.

Razem zapotrzebowanie:

1. Obliczenie ilości powietrza w wyrobiskach korytarzowych przewietrzanych niezależnymi prądami powietrza (obliczanie wentylacji lutniowej dla drążonego ślepego wyrobiska).

• Chodnik D-10

II kategoria zagrożenia metanowego więc: 3

Intensywność wydzielania metanu z calizny:
Miąższość pokładu w chodniku: m=2 m

Postęp chodnika: p= 8 m/d

Wydobycie brutto z chodnika:

Wydobycie netto z chodnika:

Metanonośność bezwzględna z prognozy KD Barbara:

Długość wyrobiska - przy danym postępie wyrobisko drążone było m-ca czyli przyjmujemy 2 miesiące. Dla takiego czasu współczynnik . Kolejny dzień drążenia wyrobiska .

• Chodnik D-7

III kategoria zagrożenia metanowego więc: 6

Intensywność wydzielania metanu z calizny:
Miąższość pokładu w chodniku: m=2,5 m

Postęp chodnika: p= 7 m/d

Wydobycie brutto z chodnika:

Wydobycie netto z chodnika:

Metanonośność bezwzględna z prognozy KD Barbara:

Długość wyrobiska - przy danym postępie wyrobisko drążone było m-ca czyli przyjmujemy 3 miesiące. Dla takiego czasu współczynnik . Kolejny dzień drążenia wyrobiska .

Obliczenie ilości powietrza dla wentylacji lutniowej:

• Chodnik D-7 drążony jest w obudowie ŁP8/V25/A o powierzchni przekroju poprzecznego

Przyjęto średnicę lutniociągu równą 800mm, i oporze jednostkowym równym oraz dostatecznym uszczelnieniu – współczynnik szczelności

- niezbędna ilość powietrza w przodku z uwagi na zagrożenie metanowe

• Chodnik D-10 drążony jest w obudowie ŁP8/V25/A o powierzchni przekroju poprzecznego

Przyjęto średnicę lutniociągu równą 800mm, i oporze jednostkowym równym oraz dostatecznym uszczelnieniu – współczynnik szczelności

- niezbędna ilość powietrza w przodku z uwagi na zagrożenie metanowe

6. Obliczenie niezbędnej ilości powietrza w kopalni

• Niezbędną ilość powietrza doprowadzonego do kopalni obliczamy bilansując niezbędne ilości powietrza w miejscach jego zapotrzebowania według wzoru:

gdzie:

- suma niezbędnych ilości powietrza w wyrobiskach eksploatacyjnych, m³/min,

- suma niezbędnych ilości powietrza w komorach funkcyjnych, m³/min,

- suma niezbędnych ilości powietrza świeżego w wyrobiskach technologicznych otamowanych tamami rozdzielającymi, m³/min,

- suma niezbędnych ilości powietrza w wyrobiskach korytarzowych przewietrzanych niezależnymi prądami powietrza (w tym niezależne prądy dla przewietrzania drążonych wyrobisk), m³/min.

• Ilość powietrza w kanale wentylacyjnym, równą wydajności wentylatora przy określonym szybie wydechowym, oblicza się jako sumy ilości powietrza wypływającego z dołu kopalni i strat zewnętrznych powietrza

Całkowitą ilość powietrza wypływającego z kopalni jest równa ilości powietrza przepływającego przez wentylator głównego przewietrzania

Przyjmuje się w projekcie, szyb wyłącznie wentylacyjny z głuchym zamknięciem szybu.

Ze stratą naporu na uszczelnieniu równą 20000 Pa. Wartość strat na zrębie szybu, odczytuje się z diagramu i wynosi ona:

Ilość powietrza w kanale wentylacyjnym:

Sprawdzenie ilości powierza ze względu na zagrożenie metanowe i dopuszczalną prędkość powietrza.

Warunek 1) Ze względu na dopuszczalną prędkość powietrza

gdzie:

- prędkość powietrza

- współczynnik zmniejszenia przekroju

- przekrój poprzeczny wyrobiska

- ilość powietrza doprowadzona do ściany

• Ściana D-1

• Ściana D-12

• Ściana D-4

Warunek 2) Ze względu na dopuszczalne stężenie metanu

gdzie:

- współczynnik nierównomierności wydzielania metanu

- prognozowana ilość wydzielającego się na ścianie metanu

- ilość powietrza doprowadzonego do ściany

- stężenie metanu w prądzie powietrza doprowadzanym do ściany %

• Ściana D-1

• Ściana D-12

• Ściana D-4

Zapis struktury sieci wentylacyjnej.

Obliczanie aerodynamicznych oporów wyrobisk wykonuje się dwoma metodami.

W oparciu o opory 100 – metrowych odcinków wyrobisk.

gdzie:

opór aerodynamiczny wyrobiska

opór wyrobiska

długość wyrobiska

Z wykorzystaniem aerodynamicznego współczynnika oporu wyrobiska.

gdzie:

aerodynamiczny współczynnik wyrobiska

obwód wyrobiska

przekrój wyrobiska

Dla ścian z obudową zmechanizowaną

Obliczenie spadków naporu dla poszczególnych bocznic.

Q - ilość powietrza w bocznicy

R_w - opór bocznicy

Obliczenie współczynnika przepustowości

Współczynnik przepustowości wyraża stosunek obliczonej prędkości powietrza w bocznicy do prędkości dopuszczalnej. Współczynnik przepustowości nie może przekraczać jedności, w przeciwnym razie oznaczać to będzie, że została przekroczona prędkość dopuszczalna w danej bocznicy.

Zapis struktury sieci wentylacyjnej
Lp.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45

Regulacja rozpływu powietrza w sieci wentylacyjnej.

Ilość dróg niezależnych (N)dla których będzie przeprowadzana regulacja powietrza obliczamy z zależności:

N=B-W+1

Gdzie : B - ilość bocznic w sieci wentylacyjnej

W – ilość węzłów w sieci wentylacyjnej

N=37-33+1=5 [drogi]

Spadek naporu na drodze niezależnej.

gdzie:

R_wi – opór danej bocznicy należącej do drogi niezależnej, kg/m⁷

V_i – ilość powietrza w danej bocznicy należącej do drogi niezależnej, m³/s

- strata ciśnienia przyjmowana w zależności od metody regulacji, Pa

Znając wielkości oporów tam regulacyjnych i depresję wentylatora napisać można N niezależnych równań typu, z których wynika, że straty naporu na poszczególnych drogach (od wlotu powietrza do wylotu przez wentylator) są równe depresji wentylatora.

Prądami niezależnymi są takie prądy, które odgałęziają się od grupowych prądów powietrza świeżego i po przewietrzeniu wyrobisk eksploatacyjnych lub innych (komory materiałów wybuchowych, komory pomp, transformatorów itp.) łączą się w prądy grupowe powietrza zużytego.

Tamy umieszcza się na początku prądów niezależnych. Depresję wentylatora przyjmuje się za równą stracie naporu na najtrudniejszej drodze dla przepływu powietrza. Na tej drodze nie buduje się tamy.

Dobór regulatorów rozpływu powietrza

Regulację dodatnią rozpływu powietrza dokonuje się poprzez zabudowę na wlocie do oddziału wydobywczego tamy regulacyjnej. Spadek naporu na regulatorze obliczany wg zależności:

gdzie:

Δpw - spiętrzenie wentylatora głównego (równe stracie naporu na drodze najtrudniejszej) [Pa],

Δpci - spadek naporu na liczonej drodze niezależnej [Pa].

	Δpc
droga I Śc D-4	902,56
droga II Śc D-1	1812,63
droga III przodek D-1	576,74
droga IV Śc D-12	1604,39
droga V KF	297,57

Opór tamy regulacyjnej przy regulacji dodatniej obliczamy z zależności:

gdzie:

V_TRi – strumień powietrza płynącego wyrobiskiem, w którym zabudowano tamę regulacyjną [m3/min].

Dysponując oporem tamy regulacyjnej, wyznaczamy powierzchnię okna regulacyjnego A₀ korzystając ze wzoru :

A_i – przekrój wyrobiska , w którym zabudowano tamę regulacyjną, m²

Droga niezależna	Przez Śc D-4	Przez Śc D-1	Przez przodek D-1	Przez Śc D-12	Przez KF
Wyrobisko z tamą regulacyjną	Przekop	Pochylnia D-1	Pochylnia D-1	Przekop północny	Przekop do KF
[Pa]	854,97	0,00	1345,74	267,82	1821,63
[m^2]	22	18	18	22	14,7
[m^3/s]	24,1	27,45	47,98	20,98	4
[kg/m^7]	1,47	0,00	0,58	0,61	29,76
[m^2]	1,04	16,7	1,59	1,52	0,24

Dobór wentylatora do sieci wentylacyjnej.

Po obliczeniu spadków naporu na drogach niezależnych w sieci wentylacyjnej można określić punkt pracy wentylatora poprzez podanie całkowitego spiętrzenia (Δpw) oraz ilości powietrza przepływającego przez wentylator (Vw). Spiętrzenie wentylatora głównego przyjmuje się równe spadkowi naporu na drodze najtrudniejszej, gdzie występują największe opory przepływu powietrza w przypadku zastosowania tzw. regulacji dodatniej.

Dobieram wentylator dla następujących parametrów:

Otwór równoznaczny kopalni:

Opór całkowity kopalni:

Dobrany wentylator to WPK-3.0, n = 300 [obr/min]