Wentylacja i przewietrzanie kopalń Dr inż. Jarosław Zubrzycki Instytut Nauk Technicznych i Lotnictwa
Powietrze atmosferyczne i kopalniane Powietrze atmosferyczne suche, to mieszanina gazów chemicznie obojętnych względem siebie, złożona z: - azotu N 2 około 78% objętości, - tlenu O 2 około 21% objętości, - dwutlenku węgla CO 2, gazów szlachetnych, pary wodnej i innych około 1% objętości. Powietrze kopalniane jest mieszaniną powietrza atmosferycznego i gazów wydzielających się w kopalni. We wszystkich dostępnych wyrobiskach i pomieszczeniach powietrze kopalniane powinno zawierać minimum 19 % tlenu a najwyższe dopuszczalne stężenia gazów szkodliwych dla człowieka nie mogą przekraczać wartości podanych w tabeli:
Skróty wymienione w tabeli oznaczają: NDS najwyższe dopuszczalne stężenie średnioważone NDSCh najwyższe dopuszczalne stężenie chwilowe w czasie nie dłuższym niż 30 minut w okresie zmiany roboczej. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29 listopada 2002 r. w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy określa najwyższe dopuszczalne stężenia dla czynników chemicznych i pyłów oraz najwyższe dopuszczalne natężenia dla czynników fizycznych.
Najwyższe dopuszczalne stężenie (NDS) to wartość średnia ważona stężenia, którego oddziaływanie na pracownika w ciągu 8 godzinnego dobowego i przeciętnego tygodniowego wymiaru czasu pracy, określonego w Kodeksie pracy, przez okres jego aktywności zawodowej nie powinno spowodować ujemnych zmian w jego stanie zdrowia oraz w stanie zdrowia jego przyszłych pokoleń. Najwyższe dopuszczalne stężenie chwilowe (NDSCh), to wartość średnia stężenia, które nie powinno spowodować ujemnych zmian w stanie zdrowia pracownika, jeżeli występuje w środowisku pracy nie dłużej niż 15 minut i nie częściej niż 2 razy w czasie zmiany roboczej, w odstępie czasu nie krótszym niż 1 godzina (tab. 2)
W razie stwierdzenia w wyrobisku, że skład powietrza nie odpowiada wymogom określonym powyżej, należy niezwłocznie wycofać ludzi z zagrożonych wyrobisk, wyłączyć sieć elektryczną, unieruchomić maszyny i inne urządzenia a wejście do tych wyrobisk zagrodzić, oraz zawiadomić najbliższą osobę dozoru ruchu.
Charakterystyka gazów kopalnianych Tlen o symbolu chemicznym O 2 jest gazem bezbarwnym, bez smaku i zapachu, niepalnym i niewybuchowym, lżejszym od powietrza, niezbędnym do życia każdego żywego organizmu. Tlen łączy się prawie ze wszystkimi pierwiastkami. Reakcjom tym towarzyszy zawsze wydzielanie się ciepła. W zależności od szybkości łączenia się tlenu z innymi substancjami rozróżnia się następujące reakcje chemiczne: utlenianie, czyli powolne łączenie się z tlenu z ciałami, palenie, czyli szybkie łączenie się tlenu z ciałem, wybuch, czyli gwałtowne łączenie się tlenu z ciałem.
Zbyt niska zawartość tlenu w powietrzu kopalnianym powoduje zaburzenia w procesie oddychania, utratę przytomności a w skrajnym przypadku nawet śmierć. Spadek zawartości tlenu w powietrzu kopalnianym spowodowany jest między innymi przez: oddychanie ludzi przebywających pod ziemią, procesy utleniania, wydzielanie się gazów z calizny i ze zrobów, wyrzut gazów i skał.
Azot N 2 jest gazem bezbarwnym bez smaku i zapachu, nieco lżejszym od powietrza. Jest to gaz obojętny dla procesów palenia i oddychania. Zawartość azotu w powietrzu kopalnianym wynosi od 77% do 81% objętości
Dwutlenek węgla (ditlenek węgla CO 2 ) jest gazem bezbarwnym, bez zapachu i smaku. Jest to gaz niepalny i nie wybuchowy, duszący. Dwutlenek węgla trudno miesza się z powietrzem a ponieważ jest znacznie cięższy od powietrza dlatego przy braku ruchu powietrza w wyrobisku zbiera się w jego najniższych częściach. Głównymi źródłami powstawania dwutlenku węgla w kopalniach są procesy utleniania wydzielania z węgla i skał. Ponadto dwutlenek węgla powstaje w czasie wykonywania robót strzałowych, podczas pożarów podziemnych, wybuchów metanu lub pyłu węglowego, oddychania ludzi.
Tlenek węgla (CO 2 ) jest gazem bezbarwnym, bez zapachu i smaku. Jest gazem nieco lżejszym od powietrza. Tlenek węgla jest gazem palnym a więc i wybuchowym (w przedziale 4% do 72%). Jest to gaz bardzo silnie trujący. Właściwości trujące tlenku węgla polegają na tym, że ma on zdolność łatwego i szybkiego łączenia się z hemoglobiną krwi. Przez połączenie tlenku węgla z hemoglobiną, które następuje około 300 razy łatwiej i szybciej niż łączenie się hemoglobiny z tlenem krew zostaje zamieniona karboksyhemoglobinę niezdolną już do wchłonięcia tlenu. Powoduje to początkowo obniżenie sprawności organizmu, a w miarę wzrostu może spowodować śmierć człowieka. Głównymi źródłami powstawania tlenku węgla w kopalni są: roboty strzałowe, pożary podziemne, wybuchy metanu lub pyłu węglowego oraz praca silników spalinowych.
Tlenki azotu NO x są gazami trującymi o gryzącym zapachu i barwie od żółtej do brunatnej. Tlenek azotu łatwo utlenia się do dwutlenku azotu, który jest gazem znacznie cięższym od powietrza. Szkodliwe oddziaływanie tlenków azotu na organizm ludzki objawia się zwykle od kaszlu, następnie występują zawroty głowy, utrata przytomności i śmierć. Objawy zatrucia występują często dopiero po kilkugodzinnym ich wdychaniu ale w sposób nagły. Tlenki azotu powstają w kopalni przy używaniu materiałów wybuchowych zawierających głównie glicerynę, zwłaszcza w warunkach nieprawidłowego strzelania, kiedy ładunek zamiast eksplodować tylko się wypala.
Dwutlenek siarki SO 2 jest gazem bezbarwnym o bardzo ostrym i drażniącym zapachu. Jest to gaz znacznie cięższy od powietrza, niepalny i niewybuchowy. Jest gazem bardzo trującym atakującym górne drogi oddechowe, wywołującym kaszel i nie dopuszcza tlenu do krwi. Tworzy się on podczas pożarów kopalnianych, podczas strzelania materiałami wybuchowymi zawierającymi siarkę oraz podczas strzelania w skałach zawierających siarczki. Może wydzielać się także ze skał wraz z metanem.
Siarkowodór H 2 S jest gazem bezbarwnym o przykrym zapachu zepsutych jaj. Jest gazem silnie trującym, cięższym od powietrza. Jest gazem palnym a więc i wybuchowym (w przedziale od 4,5% do 45%). Szkodliwe oddziaływanie na organizm ludzki polega na drażniącym działaniu na błony śluzowe, zatruwaniu krwi podobnie jak tlenek węgla. Głównymi źródłami wydzielania się siarkowodoru do powietrza kopalnianego są: skały (szczególnie pokłady soli kamiennej), rozkład substancji organicznych, pożary, rozkład materiałów wybuchowych.
Wodór H 2 jest gazem bezbarwnym bezwonnym, bez smaku, znacznie lżejszym od powietrza. Ze względu na oddziaływanie na organizm ludzki jest gazem obojętnym. Jest to gaz palny a więc i wybuchowy. W kopalni źródłem wydzielania się wodoru są: skały, pokłady soli potasowych, węgiel o średnim stopniu zmetamorfizowania oraz ładowanie baterii akumulatorów.
Metan jest gazem bezbarwnym, bez zapachu i smaku. Jest gazem znacznie lżejszym od powietrza. Przy bezruchu powietrza w wyrobisku gromadzi się w jego górnych częściach. Metan jest gazem obojętnym dla procesów oddychania. Jest gazem palnym a więc i wybuchowym. Temperatura wybuchu metanu wynosi w wolnej przestrzeni 2146,15 K (1875 C), dochodząc w przestrzeni zamkniętej do 2921,15 K (2650 C). Przy koncentracji do 5% metanu wypala się on spokojnie w zetknięciu ze źródłem termicznym, a po usunięciu czynnika termicznego spalanie zostanie przerwane.
W przedziale od 5% do15% występuje zjawisko wybuchu, a powyżej 15% mieszanina jest palna. Najłatwiej zapala się mieszanina metanu o koncentracji od 7% do 8%.Najsilniejszy wybuch ma miejsce przy 9,5% metanu i 19% tlenu. Taką koncentrację nazywamy stechiometryczną, wypala się przy niej cały tlen zawarty w powietrzu kopalnianym. Przy koncentracjach metanu powyżej wybuchowych metan pali się płomieniem, przy czym proces ten nie przerywa się także po usunięciu inicjału zapłonu. Minimalna energia iskry zapalającej metan wynosi 0,28 mj.
Można mówić o: - łagodnym spalaniu metanu, gdy prędkość rozprzestrzeniania się płomienia nie przekracza 0,5 m/s, - wybuchu metanu, czyli gwałtownemu wypaleniu się metanu, któremu towarzyszą wzrost ciśnienia gazów i fala wybuchowa, - eksplozji metanu przebiegającej bardzo szybko przy prędkości rozprzestrzeniania się płomienia kilku km/s, dochodzi do niej w długich wyrobiskach chodnikowych objętych wybuchem, - wypalaniu się metanu ma ono miejsce przy zapłonie mieszanin ponad wybuchowych, prędkość płomienia nie przekracza 10 m/s,
Pomiędzy momentem ogrzania środowiska metanowego i samym zapłonem istnieje tzw. opóźnienie zapłonu metanu. Opóźnienie to jest odwrotnie proporcjonalne do temperatury zapłonu i przedstawia się dla koncentracji 11% metanu następująco: dla 700 C 14 s, 750 C 3 s, 775 C 1,6 s, 825 C 0,67 s, 1170 C 0,002 s. Temperatura zapłonu metanu wynosi powyżej 600 C, czasami podawana jest jako 632 C.
Węglowodory występujące w kopalniach w czasie pożarów to: acetylen, etylen, propylen, butylen, benzen są to gazy o charakterystycznym zapachu nafty, oraz etan bez zapachu. Są to gazy palne i wybuchowe (2 15%).
Definicje wilgotności powietrza Powietrze atmosferyczne jest mieszaniną (roztworem) powietrza suchego oraz wody w stanie gazowym, lub ciekłym. Parametry powietrza wilgotnego odnosi się do powietrza suchego, którego masa podczas wielu przemian rozważanych w przewietrzaniu i klimatyzacji pozostaje stała. Zawartość pary wodnej przypadającej na jednostkę masy (objętości) nie może przekraczać pewnej wielkości maksymalnej, która zależy od temperatury.
Powietrze zawierające maksymalną w danej temperaturze ilość pary wodnej nazywa się powietrzem nasyconym. Dalsze doprowadzanie pary wodnej powoduje powstanie mgły w stanie ciekłym lub stałym.
Stan powietrza wilgotnego podaje wilgotność właściwa, zwana też zawartością wilgotności:
Masę pary wodnej, wyrażoną w jednostkach masy (kg), przypadającej na 1 m 3 powietrza, nazywa się wilgotnością bezwzględną i oznaczamy (ρ w ). Wilgotnością względną powietrza nazywa się ρ w stosunek wilgotności bezwzględnej do wilgotności w stanie nasycenia w danej temperaturze i przy danym ciśnieniu.
Wilgotność względna: φ = ρ w / ρ w gdzie: ρ w - wilgotność bezwzględna [kg/m 3 ], ρ w wilgotność w stanie nasycenia w danej temperaturze i przy danym ciśnieniu [kg/m 3 ] Tak więc, wilgotność względna powietrza to stosunek masy pary wodnej znajdującej się w danej objętości powietrza do masy pary wodnej potrzebnej do nasycenia takiej samej objętości powietrza w nie zmienionej temperaturze.
Pomiar wilgotności powietrza metodą psychrometryczną Wilgotność względną powietrza można wyznaczyć bezpośrednio przy użyciu higrometrów, które są na wyposażeniu kopalń (np. termohigrometr cyfrowy CTH 02). W praktyce kopalnianej zastosowanie znajduje w dalszym ciągu pośredni pomiar wilgotności powietrza za pomocą psychrometru Assmana.
Psychrometr Assmana: 1 termometr suchy, 2 termometr mokry, 3 ekran, 4 wentylator, 5 obudowa silnika
Warunki klimatyczne w kopalniach Zgodnie z obowiązującymi przepisami miarą zagrożenia klimatycznego jest w odniesieniu do istniejących miejsc pracy jest wartość temperatury mierzona termometrem suchym oraz intensywność chłodzenia powietrza mierzona katatermometrem wilgotnym. Temperatura powietrza w miejscu pracy nie powinna przekraczać 28 C przy wykonywania pomiarów termometrem suchym, a intensywność chłodzenia nie powinna być mniejsza od 11 katastopni wilgotnych (Kw).
Jeśli temperatura jest wyższa od 28 C a nie przekracza 33 C, lub intensywność jest mniejsza od 11 katastopni wilgotnych, stosuj się odpowiednie rozwiązania techniczne dla obniżenia temperatury powietrza lub ogranicza czas pracy do 6 godzin, liczony za zjazdem i wyjazdem, dla pracowników przebywających całą zmianę roboczą w miejscu pracy, gdzie parametry pracy są przekroczone. W przypadku gdy temperatura powietrza mierzona termometrem suchym przekracza 33 C, można ludzi zatrudniać ludzi tylko w akcji ratowniczej.
Prędkości powietrza w wyrobiskach górniczych Prędkość powietrza w wyrobiskach w polach metanowych, z wyjątkiem komór, nie może być mniejsza 0,3 m/s. W wyrobiskach z trakcją elektryczną przewodową w polach metanowych nie mniejsza niż 1m/s. Przy stosowaniu śluz wentylacyjnych w wyrobiskach w polach metanowych dopuszcza się mniejsze prędkości prądu powietrza niż określone powyżej, pod warunkiem zapewnienia wymaganego składu powietrza.
Prędkości prądu powietrza nie mogą przekraczać: 1. 5 m/s w wyrobiskach wybierkowych, 2. 8 m/s w wyrobiskach korytarzowych, 3. 12 m/s w szybach i szybikach podczas jazdy ludzi. Prędkość prądu powietrza w wyrobiskach korytarzowych, w których nie odbywa się regularny ruch ludzi, można zwiększyć do 10 m/s. Pomiary prędkości powietrza wykonuje się w wolnych przekrojach wyrobiska.
Kontrola przewietrzania i warunków klimatycznych w wyrobiskach górniczych W zakładach górniczych służby wentylacyjne kontrolują stan przewietrzania wyrobisk górniczych. Wyniki przewietrzania wpisywane są do Głównej książki przewietrzania. W tym celu na wlocie i wylocie z poszczególnych rejonów wentylacyjnych zakłada się stacje pomiarowe. Stacje pomiarowe wyznacza się również na stanowiskach pracy np. w przodkach, w rejonie ścian.
W głównej książce przewietrzania, każda stacja prowadzona jest na oddzielnej stronie i ma swój numer. Do książki tej wpisujemy: - nazwę stacji, lokalizację, - numer pomiaru i datę, - temperaturę powietrza wilgotnego (T w ) i temperaturę powietrza suchego (T s ), - wilgotność względną %, na stacji, - przekrój na stacji lub w miejscu pomiaru, - prędkość powietrza na stacji [m/s], - ilość powietrza na stacji [m 3 /s], - intensywność chłodzenia Kw, - wyniki analizy chemicznej powietrza: O 2, CO 2, CO, CH 4
Kopalniana sieć wentylacyjna i jej właściwości
Zasady rozprowadzania powietrza w kopalni Powietrze doprowadza się możliwie najkrótszą drogą do każdego poziomu wydobywczego, skąd prądami wznoszącymi odprowadza się w kierunku szybu wydechowego. Projektując wyrobiska górnicze należy tworzyć jak najmniej złożoną sieć wentylacyjną. W każdej sieci wentylacyjnej wydziela się rejony przewietrzane niezależnymi prądami powietrza. Jednym prądem powietrza może być przewietrzana grupa przodków pod warunkiem, że zawartość metanu w powietrzu doprowadzonym do każdego przodka nie przekracza 0,5%, a przy stosowaniu metanometrii automatycznej 1%.
Ściany przewietrza się niezależnymi prądami powietrza, z tym że długość ściany lub łączna długość ścian przewietrzanych jednym niezależnym prądem powietrza nie powinna być większa niż 400 m. W pokładach niemetalowych i I kategorii zagrożenia metanowego kierownik ruchu zakładu górniczego może zezwolić na okresowe przewietrzanie jednym niezależnym prądem powietrza ścian o łącznej długości powyżej 400m, pod warunkiem utrzymania między tymi ścianami dróg wyjścia w odstępach nie większych niż 250 m.
Dobre przewietrzanie wymaga doprowadzenia dostatecznie dużej ilości powietrza do całej kopalni i takiego jego rozdziału, aby każde wyrobisko otrzymało potrzebną jego ilość. Stąd wniosek, że prąd wchodzący do kopalni należy rozdzielić na szereg niezależnych gałęzi, na tzw. bocznice, przewietrzające małe grupy przodków, tworzące rejony wentylacyjne. Kopalniana sieć wentylacyjna jest układem złożonym zazwyczaj z kilkuset i więcej bocznic sieci, węzłów sieci, oporów miejscowych wentylatorów, nazywanych elementami sieci wentylacyjnej.
Węzły sieci wentylacyjnej a) rozdzielenie masy strumienia, b) łączenie mas strumieni Węzłem niezależnym sieci nazywamy miejsce w sieci wentylacyjnej, w którym występuje rozdzielenie lub łączenie mas strumieni powietrza
Przez bocznicę sieci wentylacyjnej rozumie się pojedyncze wyrobisko górnicze (lub połączenie szeregowe kilku wyrobisk górniczych) łączące dwa węzły niezależne sieci wentylacyjnej. Oporem lokalnym przepływu powietrza w sieci wentylacyjnej nazywamy pracę tarcia wywołaną: zmianą kierunku przepływu, tzw. opór skrętu, zmianą przekroju wyrobiska, obecnością odrzwi dławiących,
Wentylatorem górniczym nazywana jest maszyna służąca do sztucznego (mechanicznego) wywołania ruchu powietrza w kopalnianej sieci wentylacyjnej, Wymienione elementy sieci wentylacyjnej tworzą obwody zamknięte, zwane oczkami sieci wentylacyjnej. Oczko węzłowe sieci wentylacyjnej łączy się z pozostałymi jej oczkami.
Systemy przewietrzania można podzielić na: - systemy nierozgałęzione, składające się z prądów powietrza połączonych ze sobą szeregowo, tj. tak, że koniec jednego prądu jest początkiem następnego, - systemy rozgałęźne, które dzielą się na normalne i przekątne.
Najprostszym systemem normalnym (rys. a) składa się z prądów nierozgałęzionych i rozgałęzionych równoległych, połączonych ze sobą szeregowo. Bocznice (tj. drogi, którymi płyną prądy powietrza) równoległe prostego systemu normalnego zalicz się do klasy I. Każda bocznica klasy I może w dalszym ciągu rozgałęziać się na bocznicę klasy II, te zaś dalej mogą rozgałęziać się na bocznicę klasy III itd., przez co powstają systemy normalne złożone (rys. b). Cechą charakterystyczną systemów normalnych jest to, że wszystkie bocznice klasy poprzedniej, łączą się następnie w drugim punkcie tej klasy.
Systemami przekątnymi zwą się takie systemy rozgałęzione, w których istnieją bocznice łączące dwa punkty różnych bocznic. System normalny podwójny z jedną bocznicą przekątną (rys. a) nazywa się systemem przekątnym prostym. Wszystkie inne systemy przekątne noszą nazwę systemów przekątnych złożonych (rys. b, c).
Schemat przestrzenny i kanoniczny sieci wentylacyjnej oraz rodzaje prądów powietrza Mapy pokładowe umożliwiają sporządzenie schematu przestrzennego sieci wentylacyjnej. Schemat przestrzenny ma za zadanie przedstawić przestrzenny obraz wszystkich czynnych wyrobisk w kopalni. Ze schematu przestrzennego sieci ma jasno wynikać wznoszący czy schodzący charakter prądów powietrza w kopalni.
Schemat przestrzenny kopalnianej sieci wentylacyjnej
Schemat kanoniczny kopalnianej sieci wentylacyjnej jest nieskalibrowanym obrazem topologicznym tej sieci. Chcąc sporządzić ten schemat trzeba znać schemat przestrzenny sieci. Schemat kanoniczny sieci służy do badania charakteru bocznic w sieci wentylacyjnej, tzn. ich normalności czy też przekątności, oraz do wszelkich obliczeń wentylacyjnych. Dla ułatwienia posługiwania się schematem kanonicznym sieci wentylacyjnej wskazane jest doprowadzić go do najprostszej postaci, w której jest widoczny charakter każdego prądu.
Uzyskuje się to, stosując przy przekształcaniu powikłanego schematu kanonicznego sieci sposób zewnętrznych i wewnętrznych bocznic. Taki schemat kanoniczny sieci nazywa się jednoznacznym.
Schemat przestrzenny siei wentylacyjnej (rys. a) przekształca się na jednoznaczny schemat kanoniczny w ten sposób, że najpierw wyprostowuje się szyby 1 2 i 7 8 i wraz z resztą wyrobisk kreśli się na jednej płaszczyźnie (rys. b).