Norbert Ośmiałowski

1. Wpływ przewietrzania na warunki klimatyczne

Do niedawna przy podejmowaniu decyzji na temat rozcięcia kopalni przy jej projektowaniu podstawowe znaczenie miały kryteria geologiczne i eksploatacyjne (zasoby i ich jakość, budowa geologiczna złoża, w nachylenie pokładów, długość wyrobisk, transport urobku itd.). projektowaniu głębokich kopalń w skałach o wysokiej temperaturze pierwotnej oraz przy rozbudowie i rekonstrukcji istniejących kopalń i otwieraniu nowych poziomów konieczne staje się uwzględnienie war klimatycznych.

W warunkach głębokich kopalń węgla i rud najpoważniejszymi i najtrudniejszymi do zwalczania zagrożeniami są stale działające zagrożenia klimatyczne (wysoka temperatura i wilgotność powietrza), a także zagrożenia toksyczne gazami odstrzałowymi i spalinowymi. W kopalniach węgla występują także zagrożenia związane z możliwością wybuchów metanu i pyłu węgłowego, nagłych wyrzutów skal i lub pożarów endogenicznych kopaliny użytecznej. W kopalniach występuje również zagrożenia związane z możliwością powstania pożarów materiałów lub urządzeń palnych. Wynika stąd że struktura sieci wentylacyjnej kopalni węgla kamiennego lub rudy powinna być kształtowana z myślą o zwalczaniu zagrożeń, jakie mogą wystąpić w powietrzu kopalnianym.

Najskuteczniejszym środkiem zwalczania zagrożeń klimatycznych i toksy­cznych oraz związanych z możliwością wybuchu metanu 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. Mogą one mieć znaczenie w regulowaniu komfortu pracy w przodkach wyrobisk eksploatacyjnych, a także w drążonych ślepych wyrobiskach udostępniających i przygotowawczych.

Struktura sieci wentylacyjnej powinna umożliwić doprowadzenie do wyrobisk eksploatacyjnych dużych ilości powietrza. Nie oznacza to, ze 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.

Biorąc pod uwagę wysokie koszty chłodzenia powietrza kopalnianego służby wentylacyjne powinny dążyć do uzyskania możliwie korzystnych cieplnych warunków pracy bez stosowania maszyn chłodniczych i urządzeń klimatyzacyjnych.

Także w przypadku chłodzenia powietrza w wyrobiskach kopalnianych konieczne jest podejmowanie odpowiednich działań i środków, które zapewnią możliwie małe nagrzanie nawilżenie powietrza i dzięki temu przyczynią się do niższych kosztów klimatyzacji.

Do racjonalnych środków służących poprawie cieplnych warunków pracy bez stosowania klimatyzacji należą:

• wybór racjonalnych z punktu widzenia wymiany ciepła schematów rozdęcia kopalni, przewietrzania i kolejności wybierania pół eksploata­cyjnych,

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

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

• zmniejszenie wydajności cieplnej lokalnych źródeł ciepła,

• zmniejszenie ucieczek powietrza.

1.1. Racjonalne schematy rozcięcia kopalni, przewietrzanie i kolejność wybierania pól eksploatacyjnych

Ilość ciepła odprowadzana 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 skal oraz ciepłem od procesów utleniania.

Złoża kopalin zalegających na dużych głębokościach są eksploatowane przy użyciu środków zapewniających duże wydobycie w poszczególnych przodkach. Jednocześnie pola nadania kopalń powinny być dostatecznie duże w celu zapewnienia odpowiednio długiego okresu istnienia kopalni. Z uwagi na wysokie koszty inwestycyjne dąży się do ograniczenia liczby szybów udostępniających złoże. W związku z tym długości dróg powietrza mogą być znaczne i mogą charakteryzować się dużą zmiennością długości w okresie wybierania poszczególnych partii złoża.

Geometryczna struktura kopalnianej sieci wentylacyjnej obejmuje prze­strzenne rozmieszczenie głównych wyrobisk udostępniających (szyby i prze­kopy) oraz lokalizację głównych wentylatorów w sieci.

Na rysunku 1 przedstawiono układ głównych wyrobisk udostępniających głębokiej kopalni o dużym wydobyciu. Istotną cechą tej struktury jest rozmie­szczenie pojedynczych szybów w trzech liniach. Na linii środkowej zlokalizowane są szyby wdechowe, które jednocześnie są szybami wydobywczymi. Z wenty­lacyjnego punktu widzenia jest to korzystny wariant struktury kopalnianej. W praktyce trudno jednak przyjąć rozproszony układ głównych szybów wydo­bywczych i dlatego grupuje się w jednym miejscu dwa lub więcej szybów wdechowych, które stanowią tzw. zespół wydobywczy. Na rysunkach 2 i 3 przedstawiony jest schemat przestrzenny przewietrzania z peryferyjnym roz­mieszczeniem szybów wentylacyjnych. W strukturze tej szyby wdechowe zgru­powane są w jeden zespół wydobywczy. W przypadku kopalń rud należy także brać pod uwagę struktury sieci wentylacyjnej kopalni, w której przewietrzanie jest tłoczące lub wentylatory rozmieszczone są w wyrobiskach podziemnych.

Na rysunku 4 przedstawiony jest schemat przestrzenny przewietrzania kopalni rudy z zastosowaniem podziemnych wentylatorów dla docelowego wydobycia. Układ ten może być budowany w taki sposób, że każdy zespół szybów stanowi w okresie prowadzenia inwestycji samodzielną jednostkę wentylacyjną i transportową (rys. 4). Bezpośrednio po zgłębieniu szybów do złoża możliwe jest pojęcie na dość szeroką skalę robót korytarzowych dzięki dużej ilości powietrza, jaką zapewnia układ wyrobisk. Jednocześnie podwójny układ szybów stwarza odpowiednie warunki bezpieczeństwa dla ludzi pracujących na dole. Podstawowe znaczenie mają roboty zmierzające z dwóch stron do uzyskania połączenia między zespołem centralnym szybów wydobywczych a szybami peryferyjnymi. W etapie docelowym następuje zmiana funkcji niektórych szybów. Wszystkie szyby peryferyjne stają się szybami wdechowymi,

natomiast centralne szyby wydobywcze szybami wy­dechowymi. Wentylatory podziemne powinny być w zasadzie zainstalowane w prądach powietrza zużytego, gdyż uniknie się podgrzewania świeżego powietrza przez same wentylatory. Taka lokalizacja wymaga jednak śluzo­wania dróg transportu urobku do szybów wydobywczych.

Podziemny układ wielowentylatorowy ma pewne zalety i wady w zestawieniu z klasycznym dla polskiego górnictwa układem wentylatorów na powierzchni.

Lokalizacja stacji wentylatorów na powierzchni niewątpliwie zapewnia:

• prostszą i tańszą instalację wentylatora i układu zasilania,

• łatwiejszy dostęp dla przeprowadzenia napraw w ruchu normalnym i w przypadku awarii, prostszą i bezpieczniejszą kontrolę pracy wentylatora,

• mniejsze prawdopodobieństwo uszkodzenia wentylatora w razie pożaru,

• mniejszą niekontrolowaną recyrkulację powietrza wewnątrz sieci wen­tylacyjnej.

Podziemna lokalizacja wentylatorów ma następujące zalety:

• wszystkie wyloty (wloty) szybów są wolne od zamknięć i urządzeń wentylacyjnych, co pozwała na swobodne wykorzystanie szybów do wydobycia oraz do innych celów,

• niepotrzebna jest budowa oddzielnych kanałów wentylacyjnych, dzięki cze­mu unika się strat energii na pokonanie oporów ruchu powietrza w tych kanałach,

• 
  nie występują zewnętrzne straty powietrza.

Podziemny układ wielowentylatorowy, w którym możliwe są zarówno połączenia szeregowe, jak i równoległe wentylatorów, ma dodatkowe zalety:

• zapewnia bardziej intensywne i efektywne przewietrzanie rejonów odległych od szybów,

• pozwała uzyskać dowolną wielkość spiętrzenia i wydatku przepływu przy ograniczonych wielkościach spiętrzenia i wydatku pojedynczych wentylatorów,

• stwarza możliwość stosukowo łatwej rozbudowy sieci przez instalowanie nowych wentylatorów,

• w przypadku awarii jednego wentylatora przewietrzanie jest zmniejszane, a nie zatrzymywane,

• podziemny układ wentylatorów może stwarzać korzystne warunki do przeprowadzenia rewersji prądu powietrza w poszczególnych częściach kopalni.

Zapewnienie sprawnej pracy wielowentyłatorowego podziemnego systemu sta­wia większe wymagania odnośnie do właściwego doboru poszczególnych wenty­latorów oraz kontroli warunków ich pracy i współpracy. Jednak przy zachowaniu pewnych środków ostrożności oraz zastosowaniu techniki zdalnej kontroli i ste­rowania system ten stwarza warunki do przewietrzania głębokich kopalń rud.

Przy takich samych wymiarach poła 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 (tab. 1)

W tablicy 1 podana jest jedynie długość odcinka drogi świeżego powietrza równoległego do rozciągłości złoża. Całkowita długość drogi musi uwzględniać wyrobiska wydrążone w kierunku nachylenia złoża, po upadzie lub po wzniosie, które we wszystkich systemach przewietrzania są jakie same.

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.

Przy rozmieszczeniu szybów odpowiadającym skrzydłowemu i kombino­wanemu systemowi przewietrzania obszar górniczy daje się podzielić na dwie lub trzy „niezależne” części. Długość drogi świeżego powietrza w tym przypadku odpowiednio zmniejsza się, dwa lub trzy razy w porównaniu z centralnym schematem przewietrzania.

W celu porównania podanych trzech systemów przewietrzania obliczone zostały zmiany temperatury powietrza wywołane autokompresją i wymianą ciepła między skałami a powietrzem. Wartości tych temperatur zostały zestawione w tablicy 2. 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 i 1200 m, średnioroczna temperatura i amplituda sezonowych zmian tem­peratury powietrza atmosferycznego odpowiednio 8 i 10⁰C, gradient geo­termiczny 0.0357 K/m co odpowiada stopniowi geotermicznemu 28 m/K,

współczynniki  = 2.5 W/(mK), a =1 x 10^-6 m²/s, wydatek powietrza w szybie 200 m³/s, czas istnienia szybu 5 lat, przekop kierunkowy 3.5 x 4 m, czas istnienia przekopu 3 łata, wydatek powietrza w przekopie kierunkowym — 70 m³/s.

W celu porównania wartości temperatur średnich, maksymalnych i mi­nimalnych wykonane zostały 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. Odpowiada to średniej długości spośród wartości zestawionych w tablicy 3

Z danych zestawionych w tablicy 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.

Analizując dane zestawione w tablicy 3 można stwierdzić, że korzyści wynikające ze skrzydłowego i kombinowanego rozmieszczenia szybów, mie­rzone wartością temperatury średniej lub maksymalnej na wylocie z przekopu kierunkowego, wzrastają z głębokością.

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 skal, 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 22⁰C, 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 ok. 1⁰C 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 wentylacji homotropowej w porównaniu z wentylacją wznoszącą.

1.2 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 frontu 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.

1.3 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 świeżego powietrza. 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 m /s. Założono, że do rozpatrywanego przekopu kierunkowego wpływa 1/3 danego wydatku powietrza. Pozostałe dane przyjęto takie jak przy wyznaczaniu wartości do tablicy 3. Wyniki obliczeń przeprowadzonych dla poszczególnych poziomów podano w tablicy 4.

Tablica 1. Największe długości przekopów kierunkowych przy różnych rozcięciach złoża w km

Długość krawędzi pola nadania	System przewietrzania
		centralny	Przekątny	skrzydłowy	kombinowany
5	2,5	2,5	1,25	0,83
7,5	3,75	3,75	1,88	1,25
10	5	5	2,5	1,67
12,5	6,25	6,25	3,13	2,08
15	7,5	7,5	3,75	2,5

Tablica 2. Temperatury powietrza przy różnych schematach przewietrzania

Długość krawędzi obszaru górniczego km	Schemat przewietrzania
		centralny			skrzydłowy			kombinowany
		Temperatura powietrza
		Tsr	Tmax	Tmin	Tsr	Tmax	Tmin	Tsr	Tmax	Tmin
Poziom 800 m.
5	19,56	25,81	14,11	18,20	25,58	10,82	17,57	25,53	9,60
7,5	21,55	26,19	16,91	19,10	25,67	12,53	18,20	25,58	10,82
10	22,98	26,65	19,31	19,96	25,81	14,11	18,80	25,62	11,98
12,5	24,29	27,20	21,38	20,77	25,97	15,57	19,39	25,71	13,07
15	25,46	27,77	23,15	21,55	26,18	16,92	19,96	25,81	14,11
Poziom 1000 m.
5	24,65	30,40	18,90	22,63	29,88	15,38	21,91	29,74	13,8
7,5	26,47	31,03	21,91	23,67	30,12	17,22	22,63	29,88	15,38
10	28,12	31,73	24,51	24,65	30,40	18,90	23,33	30,04	16,62
12,5	29,62	32,48	26,76	25,58	30,70	20,47	24,00	30,21	17,79
15	30,96	33,23	28,70	26,47	31,02	21,92	24,65	30,40	18,90
Poziom 1200 m.
5	26,09	31,73	20,45	23,47	30,59	16,35	22,54	30,23	14,85
7,5	28,46	32,92	23,99	24,81	31,14	18,48	23,47	30,59	16,35
10	30,60	34,14	27,06	26,09	31,73	20,45	24,37	30,95	17,79
12,5	32,55	35,36	29,74	27,31	32,33	22,29	25,25	31,35	19,15
15	34,29	36,51	32,07	28,46	32,93	23,99	26,09	31,73	20,45

Tablica 3. Temperatury powietrza przy różnych wydatkach

Wydatek Szyb/przekop	System przewietrzania
		Centralny			skrzydłowy			kombinowany
Poziom 800 m
200/70	22,98	26,65	19,31	19,96	25,81	14,17	18,80	25,62	11,98
100/35	27,60	28,95	26,25	23,15	26,57	19,73	21,22	25,88	16,56
Poziom 1000 m
200/70	28,12	31,73	24,51	24,65	30,40	18,90	23,33	30,04	16,62
100/35	32,56	33,86	31,26	27,04	30,34	23,74	24,65	29,15	20,15
Poziom 1200 m
200/70	30,60	34,14	27,06	26,09	31,73	20,45	24,37	30,95	17,79
100/35	37,56	38,82	36,30	30,97	34,15	27,79	28,12	32,46	23,78

Tablica 4 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	16,99±7,52	25,43±2,04			28,16±1,07	32,95±0,15
100	16,50±8,67	21,43±4,52			23,42±3,26	27,95±1,23
200	16,25±9,31	18,92±6,72			20,12±5,71	23,25±3,51
300	16,17±9,54	18,00±7,67			18,85±6,89	21,18±4,97
Poziom 1000 m
50	19,53±7,0	29,95±1,90			33,33±0,99	39,25±0,14
100	18,78±8,37	24,90±4,36			27,37±3,15	33,00±1,19
200	18,40±9,15	21,73±6,60			23,22±5,61	27,12±3,44
300	18,26±9,42	20,54±7,58			21,60±6,80	24,51±4,91
Poziom 1200 m
50	22,19±6,52	34,54±1,77			38,54±0,92	45,56±0,13
100	21,12±8,08	28,42±4,21±			31,37±3,04	38,08±1,14
200	20,57±8,99	24,55±6,49			26,34±5,51	31,01±3,38
300	20,38±9,31	23,11±7,49			24,38±6,72	27,86±4,86

LITERATURA

Józef Wacławik, Janusz Cyrankiewicz, Józef Knethel: Warunki klimatyczne w kopalniach głębokich

---