ما هي مروحة المناجم؟ المفاهيم الأساسية لتهوية المناجم

ما هي مروحة التعدين؟

مروحة التعدين،  وتُسمّى أيضًا  مروحة تهوية المنجم،  هي مروحة صناعية كبيرة تُستخدم لتحريك الهواء النقي عبر منجم أو نفق تحت الأرض.  تتمثل مهمتها الأساسية في توفير كمية كافية من الهواء النظيف، وتخفيف الغبار والغازات الضارة وإزالتها،  والتحكم في درجة الحرارة والرطوبة، والحفاظ على بيئة عمل آمنة للعاملين تحت الأرض.

من دون مراوح تهوية مصممة ومتحكم بها بشكل صحيح، قد تتراكم سريعًا في المناجم تحت الأرض غازات الميثان  وعوادم الديزل وغازات التفجير والغبار القابل للاستنشاق، ما يخلق مخاطر كبيرة مثل الانفجارات والتسمم  وأمراض الرئة على المدى الطويل.

لماذا تُعد مراوح التهوية أساسية في التعدين؟

تعتمد المناجم الحديثة تحت الأرض على نظام تهوية متكامل يشمل:

• مجارٍ رئيسية للهواء ومجارٍ لعودة الهواء

• آبارًا وفتحات رفع (raises)

• حواجز (stoppings) وأبوابًا ومنظمات (regulators) ومجاري هواء (ducting)

• بالإضافة إلى مروحة منجم كبيرة واحدة أو أكثر لدفع/سحب تدفق الهواء

الشكل: نظام تهوية مبسط لمنجم تحت الأرض يوضح عمود هواء الدخول، والمروحة الرئيسية على السطح،  والمراوح المحلية عند واجهات العمل، وعودة الهواء عبر عمود الرجوع.

مراوح التعدين هي “محرك” هذا النظام. فهي:

• تدفع أو تسحب الهواء النقي من السطح إلى داخل المنجم

• تخفّض تركيز الميثان وCO وNOx وSO₂ وغيرها إلى مستويات آمنة

• تتحكم في تركيز الغبار عند واجهات العمل ونقاط التحميل

• تزيل الحرارة والرطوبة الناتجتين عن الصخور والمعدات والتعدين العميق

• تحافظ على سرعة الهواء بحيث لا تبقى الملوثات “عالقة” في مناطق ركود الهواء

لذلك يُعد نظام المراوح المصمم جيدًا أحد أهم عناصر إدارة السلامة في المناجم.

الأنواع الرئيسية لمراوح التعدين

في هندسة تهوية المناجم، تُصنّف المراوح عادةً بحسب المهمة وموقع التركيب أكثر من تصنيفها بحسب العلامة التجارية.

1. المراوح الرئيسية (Primary)

الشكل: محطة مروحة تهوية رئيسية على السطح توفر تدفق الهواء للأعمال تحت الأرض وأعمال الحفر السطحي.

المراوح الرئيسية  (أو Primary) هي مراوح كبيرة عالية السعة تُركّب على السطح، عادةً قرب البئر الرئيسي أو المدخل.  وهي التي تولّد معظم فرق الضغط وتدفق الهواء للدائرة الكاملة لتهوية المنجم.

ميزات نموذجية:

• تُركّب على السطح داخل بيت مراوح أو هيكل خرساني

• غالبًا تُستخدم بتكوين تشغيل + احتياطي (duty + standby) لرفع الاعتمادية

• تُجهّز بكواتم صوت وناشرات (diffusers) وأقماع دخول لتحسين الكفاءة

• تعمل بمحركات عالية القدرة، وغالبًا مع مغيرات سرعة (VFD)

2. مراوح التعزيز (Booster)

الشكل: مروحة تعزيز داخل نفق منجمي لرفع الضغط ودفع الهواء نحو مناطق بعيدة داخل المنجم.

مراوح التعزيز هي مراوح كبيرة تُركّب تحت الأرض على التوالي (series) مع المروحة الرئيسية.  تُستخدم في المناجم العميقة أو عالية المقاومة لزيادة الضغط في جزء من شبكة التهوية،  ومساعدة الهواء على الوصول إلى قطاعات بعيدة.

وبسبب أن مراوح التعزيز تغيّر توزيع الضغط داخل الشبكة، يجب أن يخضع تصميمها والتحكم بها لقواعد سلامة  صارمة لتجنب انعكاسات غير متوقعة في اتجاه الهواء أو تراكمات خطرة للغازات.

3. المراوح المساعدة والمراوح المحلية

الشكل: مروحة تعدين مساعدة مع مجرى هواء مرن لتغذية واجهة التطوير بهواء نقي مباشرةً.

المراوح المساعدة  ومراوح التهوية المحلية هي مراوح أصغر تُستخدم لتهوية واجهات التطوير وواجهات الإنتاج والأنفاق المسدودة  التي لا يصلها تدفق الهواء الرئيسي مباشرةً.

عادةً ما تقوم بـ:

• التموضع قرب مدخل الواجهة أو داخل الممرات الداخلية

• الاتصال بمجاري هواء (صلبة أو مرنة)

• توفير هواء نقي مباشرةً لواجهة العمل وتخفيف الغبار والأبخرة الناتجة عن الحفر والتفجير والتحميل

في مناجم الفحم، سترى كذلك  مراوح محلية مقاومة للانفجار  مع مجاري هواء طويلة لتهوية الواجهات.

المراوح المحورية مقابل المراوح الطاردة المركزية في التعدين

من الناحية الأيروديناميكية، تنتمي معظم مراوح التعدين إلى عائلتين رئيسيتين.

مراوح التعدين المحورية (Axial-Flow)

• يدخل الهواء ويخرج موازيًا لمحور المروحة

• تدفق هواء كبير عند ضغط منخفض إلى متوسط

• تصميم مدمج، غالبًا بغلاف أسطواني وريش قابلة للضبط

• شائعة جدًا كمراوح رئيسية ومعززة ومساعدة في مناجم المعادن والفحم

تُعد المراوح المحورية مناسبة لـ:

• الممرات الهوائية الطويلة ذات المقاومة المتوسطة

• الحالات التي تكون فيها الكفاءة والتحكم بزاوية الريش مهمين

• التهوية القابلة للعكس (لبعض التصاميم) والمفيدة للتحكم بدخان الطوارئ

مراوح التعدين الطاردة المركزية (Centrifugal)

• يدخل الهواء قرب مركز الدافع ويخرج شعاعيًا، مع انعطاف 90° داخل الغلاف

• تدفق هواء أقل لكن ضغط أعلى مقارنة بالمراوح المحورية

• تُستخدم غالبًا عندما تكون مقاومة المنجم عالية جدًا أو عند الحاجة لبنية قوية

قد تكون خيارًا جيدًا لـ:

• المناجم العميقة ذات الضغط الساكن العالي

• الآبار والأنفاق ذات هبوط الضغط الكبير

• التطبيقات التي تتطلب معدات متينة وأغلفة ثقيلة

عمليًا، يعتمد الاختيار بين المراوح المحورية والطاردة المركزية على:

• التدفق المطلوب (m³/s أو CFM)

• الضغط الكلي (Pa أو kPa)

• منحنى مقاومة النظام (بما في ذلك مقاومة Atkinson)

• حدود الضجيج وأهداف الكفاءة ومساحة التركيب المتاحة

المعلمات الفنية الرئيسية لمروحة التعدين

عند تصميم أو اختيار مروحة تعدين، يركز المهندسون على عدة معلمات أساسية:

• التدفق (Q)
  حجم الهواء المُسلَّم، عادةً بوحدة m³/s أو m³/h (أو CFM في بعض الدول).

• الضغط الكلي / الضغط الساكن (Pt, Ps)
  فرق الضغط الذي تولده المروحة لتجاوز مقاومة الآبار والممرات ومجاري الهواء وتسربات الحواجز، وغالبًا يُعبَّر عنه بـ Pa أو kPa.

• الكفاءة (η)
  نسبة القدرة الهوائية إلى قدرة العمود. الكفاءة الأعلى تقلل تكلفة الطاقة طوال عمر المنجم.

الشكل: خريطة أداء لمروحة تعدين محورية تُظهر الضغط الساكن مقابل التدفق، وخطوط الكفاءة وزوايا ريش المروحة.

• منحنى المروحة (Fan curve)
  العلاقة بين التدفق والضغط عند سرعة مروحة معينة. تقاطع هذا المنحنى مع منحنى مقاومة النظام يعطي نقطة التشغيل.

• القدرة والسرعة
  قدرة المحرك (kW أو HP) وسرعة المروحة (rpm) يجب أن تتوافق مع واجب التهوية وكلفة الطاقة وطريقة الإقلاع (direct-online أو soft-starter أو VFD).

• الضجيج والاهتزاز
  مهمان لراحة العاملين والسلامة الإنشائية؛ وغالبًا يُتحكم بهما عبر كواتم الصوت والوصلات المرنة وقواعد العزل.

السلامة والحماية من الانفجار

لأن مراوح التعدين تؤثر مباشرةً في جوّ المنجم تحت الأرض، فهي مشمولة بمعايير وإرشادات سلامة صارمة.

تشمل الجوانب الرئيسية:

• الحماية من الانفجار
  في مناجم الفحم الغازية وبعض مناجم المعادن، قد تتطلب المراوح الرئيسية والمساعدة تصاميم مقاومة للانفجار ومحركات بتصنيف Ex لتجنب مصادر الاشتعال في الأجواء القابلة للانفجار.

• الاعتمادية والتكرار (Redundancy)
  تكوينات تشغيل/احتياطي، والتحويل التلقائي، وتغذية الطوارئ تساعد على استمرار تدفق الهواء حتى في حال تعطل مروحة أو خط طاقة.

• المراقبة والتحكم
  تستخدم المناجم الحديثة حساسات وأنظمة تحكم لمراقبة ما يلي بشكل مستمر:

• سرعة المروحة والتيار والاهتزاز

• فرق الضغط عبر المروحة

• التدفق وتركيز الغازات ودرجة الحرارة في الممرات الرئيسية ومسارات الرجوع

• إجراءات التشغيل والإيقاف
  قد يغيّر تعديل تشغيل المراوح توزيع الهواء بشكل كبير؛ لذلك تتطلب اللوائح عادةً تقييمات مخاطر وإجراءات تشغيل لانقطاعات المراوح المخططة.

الاستخدامات النموذجية لمراوح التعدين

تُستخدم مراوح التعدين في معظم أنواع العمليات تحت الأرض:

• مناجم الفحم — مراوح رئيسية ومعززة لتهوية المنجم بالكامل؛ ومراوح محلية مقاومة للانفجار للوجوه الطويلة وواجهات التطوير.

• مناجم المعادن واللامعادن — مراوح محورية رئيسية كبيرة لأنظمة المنحدرات والآبار، إضافةً إلى مراوح مساعدة للمنحدرات وواجهات الإنتاج.

• الأنفاق والأعمال المدنية — مراوح محورية مع مجاري هواء لأنفاق الطرق والسكك والمشاريع المائية، وغالبًا مشابهة لتهوية المناجم المساعدة.

• التحكم بالغبار والأبخرة — استخدام مشترك للتهوية مع الماء/مجمعات الغبار لتقليل الغبار القابل للاستنشاق وجسيمات الديزل.

إن الاختيار الصحيح للمروحة وموقعها يمكن أن يقلل استهلاك الطاقة بشكل ملحوظ مع الحفاظ على جودة الهواء المطلوبة تحت الأرض.

كيف تختار مروحة تعدين؟ (من منظور مهندس)

عادةً ما تتضمن عملية اختيار احترافية ما يلي:

1. تحديد طلب التهوية

• كمية الهواء المطلوبة لكل قطاع وللمنجم ككل

• الحدود الدنيا التنظيمية (لكل شخص/لكل معدّة ديزل/لكل واجهة)

2. بناء أو تحديث نموذج شبكة التهوية

• أطوال الممرات ومقاطعها ومقاومة Atkinson

• الحواجز والمنظمات والأبواب ومسارات التسرب

3. اختيار نوع المروحة وتكوينها

• محورية أم طاردة مركزية

• مروحة مفردة، أو مروحتان على التوازي/التوالي

• تشغيل/احتياطي، وإمكانية مراوح التعزيز

4. التحقق من نقاط التشغيل ومنحنيات المراوح

• ضمان تشغيل مستقر قريب من أعلى كفاءة

• التأكد من وجود هامش لتوسع الإنتاج مستقبلًا

5. التحقق من السلامة والضجيج والامتثال للمعايير

• متطلبات مقاومة الانفجار (عند الحاجة)

• لوائح وإرشادات التهوية المحلية

6. تخطيط المراقبة والتحكم

• استخدام VFD لضبط التدفق وتوفير الطاقة

• الدمج مع SCADA المنجم أو أنظمة التحكم بالتهوية