Czym jest wentylator kopalniany? Podstawy wentylacyjnych wentylatorów kopalń

Co to jest wentylator kopalniany?

wentylator kopalniany, nazywany także wentylatorem wentylacyjnym kopalni, to duży wentylator przemysłowy służący do tłoczenia świeżego powietrza przez podziemne wyrobiska kopalni lub tunel. Jego głównym zadaniem jest dostarczenie odpowiedniej ilości czystego powietrza, rozcieńczenie i usunięcie pyłu oraz szkodliwych gazów, kontrola temperatury i wilgotności oraz utrzymanie bezpiecznych warunków pracy dla załogi.

Bez właściwie zaprojektowanej i kontrolowanej wentylacji w kopalniach podziemnych szybko mogą gromadzić się metan, spaliny diesla, gazy postrzałowe oraz pył respirabilny, co zwiększa ryzyko wybuchów, zatruć i przewlekłych chorób układu oddechowego.

Dlaczego wentylatory kopalniane są niezbędne w górnictwie

Nowoczesne kopalnie podziemne opierają się na kompletnym systemie wentylacji, który obejmuje:

• Główne chodniki wlotowe i chodniki powrotne

• Szyby oraz wyrobiska wznoszące i połączeniowe

• Tamy wentylacyjne, drzwi, regulatory oraz przewody wentylacyjne

• A także jeden lub kilka dużych wentylatorów kopalnianych napędzających przepływ powietrza

        Rysunek: Uproszczony system wentylacji kopalni podziemnej z szybem wlotowym, wentylatorem głównym na powierzchni, wentylatorami lokalnymi w przodkach oraz powrotem powietrza szybem wylotowym.

Wentylatory kopalniane są „silnikiem” tego systemu. One:

• Tłoczą lub zasysają świeże powietrze z powierzchni do wyrobisk

• Rozcieńczają metan, CO, NOx, SO₂ i inne gazy do poziomów bezpiecznych

• Kontrolują stężenie pyłu w rejonie przodka i w punktach załadunku

• Odprowadzają ciepło i wilgoć generowane przez górotwór, maszyny oraz eksploatację na dużych głębokościach

• Utrzymują prędkość przepływu powietrza, aby zanieczyszczenia nie „zawisały” w martwych strefach

Dlatego dobrze zaprojektowany układ wentylatorów jest jednym z kluczowych elementów zarządzania bezpieczeństwem w kopalni.

Główne typy wentylatorów kopalnianych

W inżynierii wentylacji kopalń wentylatory grupuje się zwykle według funkcji i miejsca instalacji, a nie według marki.

1. Wentylatory główne (pierwotne)

Rysunek: Stacja wentylatora głównego na powierzchni, zapewniająca przepływ powietrza w wyrobiskach podziemnych oraz w rejonach odkrywkowych.   

Wentylatory główne to duże wentylatory o wysokiej wydajności, montowane na powierzchni — zazwyczaj w pobliżu szybu głównego lub sztolni. Generują większość sprężu i strumienia powietrza dla całego obwodu wentylacyjnego kopalni.

Cechy typowe:

• Montaż na powierzchni w wentylatorni lub w obiekcie żelbetowym

• Często układ praca + rezerwa (duty + standby) dla niezawodności

• Tłumiki, dyfuzory i stożki wlotowe w celu poprawy sprawności

• Napęd silnikami dużej mocy, często z regulacją prędkości (VFD)

2. Wentylatory wzmacniające

Rysunek: Podziemny wentylator wzmacniający zamontowany w chodniku w celu zwiększenia sprężu i doprowadzenia powietrza do odległych rejonów.

Wentylatory wzmacniające to duże wentylatory instalowane pod ziemią szeregowo z wentylatorem głównym. Stosuje się je w kopalniach głębokich lub o wysokich oporach, aby zwiększyć spręż w części sieci wentylacyjnej i ułatwić doprowadzenie powietrza do odległych rejonów.

Ponieważ wentylatory wzmacniające zmieniają rozkład ciśnień, ich dobór i sterowanie muszą spełniać rygorystyczne wymagania bezpieczeństwa, aby uniknąć nieoczekiwanych odwróceń przepływu lub niebezpiecznej akumulacji gazów.

3. Wentylatory pomocnicze i lokalne

Rysunek: Wentylator pomocniczy z elastycznym lutniociągiem dostarczający świeże powietrze bezpośrednio do przodka robót przygotowawczych.

Wentylatory pomocnicze oraz wentylatory lokalne to mniejsze jednostki służące do wentylowania wyrobisk przygotowawczych, przodków wydobywczych i ślepych wyrobisk, które nie znajdują się bezpośrednio w głównym strumieniu powietrza.

Zwykle:

• Stoją przy wlocie do przodka lub w chodniku doprowadzającym

• Są podłączone do lutniociągów/przewodów wentylacyjnych (sztywnych lub elastycznych)

• Dostarczają świeże powietrze bezpośrednio do miejsca pracy i rozcieńczają pył oraz spaliny powstające przy wierceniu, strzelaniu i załadunku

W kopalniach węgla spotyka się również wentylatory lokalne w wykonaniu przeciwwybuchowym połączone z lutniociągami o dużej długości do wentylacji ścian eksploatacyjnych i wyrobisk przygotowawczych.

Wentylatory osiowe a odśrodkowe w górnictwie

Z punktu widzenia aerodynamiki większość wentylatorów kopalnianych należy do dwóch rodzin.

Wentylatory osiowe

• Powietrze wpływa i wypływa równolegle do wału wentylatora

• Duży strumień powietrza przy stosunkowo niskim do średniego sprężu

• Konstrukcja kompaktowa, zwykle z cylindryczną obudową i łopatami nastawnymi

• Bardzo powszechne jako wentylatory główne, wzmacniające i pomocnicze w kopalniach metali oraz węgla

Wentylatory osiowe dobrze sprawdzają się w:

• Długich wyrobiskach o umiarkowanych oporach

• Zastosowaniach, w których kluczowa jest sprawność i regulacja kąta łopat

• Wentylacji odwracalnej (w niektórych konstrukcjach), przydatnej np. do awaryjnego oddymiania

Wentylatory odśrodkowe

• Powietrze wpływa w pobliżu środka wirnika i wypływa promieniowo, zawracając o 90° wewnątrz obudowy

• Zapewniają mniejszy przepływ, ale wyższy spręż niż wentylatory osiowe

• Często stosowane tam, gdzie kopalnia ma bardzo wysokie opory sieci lub wymagana jest wyjątkowo solidna konstrukcja

Wentylatory odśrodkowe mogą być dobrym wyborem dla:

• Głębokich kopalń o wysokim ciśnieniu statycznym

• Szybów i wyrobisk z dużymi spadkami ciśnienia

• Zastosowań wymagających masywnych obudów i pracy w warunkach ciężkich

W praktyce wybór między wentylatorami osiowymi a odśrodkowymi zależy od:

• Wymaganego strumienia powietrza (m³/s lub CFM)

• Całkowitego ciśnienia (Pa lub kPa)

• Krzywej oporów sieci (w tym oporu Atkinsona)

• Ograniczeń hałasu, celów sprawności i dostępnego miejsca montażu

Kluczowe parametry techniczne wentylatora kopalnianego

Projektując lub dobierając wentylator kopalniany, inżynierowie koncentrują się na kilku podstawowych parametrach:

• Wydatek powietrza (Q)
  Objętościowy strumień powietrza, zwykle w m³/s lub m³/h (w niektórych krajach także CFM).

• Ciśnienie całkowite / spręż statyczny (Pt, Ps)
  Przyrost ciśnienia wytwarzany przez wentylator w celu pokonania oporów szybów, chodników, lutniociągów oraz strat na nieszczelnościach tam. Najczęściej w Pa lub kPa.

• Sprawność (η)
  Stosunek mocy użytecznej strumienia powietrza do mocy na wale. Wyższa sprawność obniża koszty energii w całym cyklu życia kopalni.

Rysunek: Mapa charakterystyk osiowego wentylatora kopalnianego przedstawiająca zależność sprężu statycznego od wydatku, izolinie sprawności oraz linie kątów nastawy łopat.

• Charakterystyka wentylatora
  Zależność między wydatkiem powietrza a ciśnieniem dla danej prędkości obrotowej. Punkt przecięcia z krzywą oporów sieci wyznacza punkt pracy.

• Moc i prędkość
  Moc silnika (kW lub HP) oraz prędkość obrotowa wentylatora (rpm) muszą odpowiadać zadaniu wentylacyjnemu, kosztom energii i sposobowi rozruchu (direct-online, soft-starter, VFD).

• Hałas i drgania
  Istotne zarówno dla komfortu pracy, jak i bezpieczeństwa konstrukcji; ograniczane m.in. tłumikami, złączami elastycznymi i podstawami wibroizolacyjnymi.

Bezpieczeństwo i ochrona przeciwwybuchowa

Ponieważ wentylatory kopalniane bezpośrednio wpływają na atmosferę w wyrobiskach, podlegają rygorystycznym normom i wytycznym bezpieczeństwa.

Kluczowe obszary obejmują:

• Ochrona przeciwwybuchowa
  W kopalniach gazowych (np. węgla) oraz w części kopalń rud wentylatory główne i pomocnicze mogą wymagać konstrukcji przeciwwybuchowej oraz silników w wykonaniu Ex, aby wyeliminować źródła zapłonu w atmosferach potencjalnie wybuchowych.

• Niezawodność i redundancja
  Układ praca/rezerwa, automatyczne przełączenie oraz zasilanie awaryjne pomagają utrzymać przepływ powietrza nawet przy awarii wentylatora lub linii zasilającej.

• Monitorowanie i sterowanie
  Nowoczesne kopalnie stosują czujniki i systemy automatyki do ciągłego monitorowania m.in.:

• Prędkości wentylatora, prądu silnika i drgań

• Różnicy ciśnień na wentylatorze

• Strumienia powietrza, stężeń gazów i temperatury w chodnikach wlotowych oraz powrotnych

• Procedury rozruchu i zatrzymania
  Zmiana pracy wentylatora może znacząco zmienić rozdział przepływu; przepisy zwykle wymagają oceny ryzyka i procedur operacyjnych dla planowanych wyłączeń wentylatorów.

Typowe zastosowania wentylatorów kopalnianych

Wentylatory kopalniane znajdują zastosowanie w niemal każdym rodzaju robót podziemnych:

• Kopalnie węgla – wentylatory główne i wzmacniające do wentylacji całej kopalni; wentylatory lokalne w wykonaniu przeciwwybuchowym do wentylacji ścian eksploatacyjnych i wyrobisk przygotowawczych.

• Kopalnie rud i surowców niemetalicznych – duże osiowe wentylatory główne dla systemów rampowych i szybowych oraz wentylatory pomocnicze dla pochylni, zjazdów i komór wydobywczych.

• Tunele i roboty inżynieryjne – wentylatory osiowe i lutniociągi do tuneli drogowych, kolejowych i hydrotechnicznych, często podobnie jak w wentylacji pomocniczej w górnictwie.

• Odpylanie i usuwanie spalin – łączne stosowanie wentylacji oraz instalacji wodnych/odpylaczy w celu ograniczenia pyłu respirabilnego i cząstek z silników diesla.

Właściwy dobór i lokalizacja wentylatorów mogą istotnie obniżyć zużycie energii, jednocześnie zapewniając wymaganą jakość powietrza w wyrobiskach.

Jak dobrać wentylator kopalniany (z punktu widzenia inżyniera)

Profesjonalny proces doboru zwykle obejmuje:

1. Określ zapotrzebowanie wentylacyjne

• Wymagany strumień powietrza dla każdego rejonu oraz dla całej kopalni

• Wymagania minimalne przepisów (na osobę, na sprzęt dieslowski, na przodek)

2. Zbuduj lub zaktualizuj model sieci wentylacyjnej

• Długości wyrobisk, przekroje oraz opór Atkinsona

• Tamy wentylacyjne, regulatory, drzwi, drogi nieszczelności

3. Dobierz typ wentylatora i konfigurację

• Osiowy czy odśrodkowy

• Jeden wentylator, dwa wentylatory równolegle lub szeregowo

• Układ praca/rezerwa, ewentualne wentylatory wzmacniające

4. Sprawdź punkty pracy i charakterystyki

• Zapewnij stabilną pracę blisko maksimum sprawności

• Potwierdź zapas na przyszłą rozbudowę wydobycia

5. Zweryfikuj bezpieczeństwo, hałas i zgodność z normami

• Wymagania przeciwwybuchowe (jeśli dotyczy)

• Lokalne przepisy i wytyczne dotyczące wentylacji

6. Zaplanuj monitoring i sterowanie

• Stosowanie przemienników częstotliwości (VFD) do korekty przepływu i oszczędności energii

• Integracja z SCADA kopalni lub systemami sterowania wentylacją