Wentylacja kopalń podziemnych

Czym jest wentylacja kopalni podziemnej?

Wentylacja kopalni podziemnej, nazywana również przewietrzaniem wyrobisk, polega na planowym doprowadzaniu i rozdzielaniu powietrza w celu utrzymania właściwego składu atmosfery oraz odpowiednich warunków klimatycznych i pracy. Świeże powietrze kieruje się do czynnych wyrobisk i miejsc przebywania załogi. Powietrze zawierające zanieczyszczenia, nadmiar ciepła lub wilgoci odprowadza się wyznaczonymi drogami na powierzchnię. Określenie „powietrze zużyte” nie oznacza jego ponownego wykorzystania w obiegu.

Typowy układ obejmuje:

• połączenia z powierzchnią, takie jak szyby, wloty sztolni i upadowe, oraz wyrobiska podziemne, w tym szybiki, połączenia między poziomami i pozostałe drogi przepływu powietrza;

• drogi świeżego i zużytego powietrza;

• rozgałęzienia doprowadzające powietrze do rejonów eksploatacyjnych i robót przygotowawczych;

• tamy wentylacyjne i izolacyjne, drzwi, urządzenia regulacyjne, uszczelnienia oraz mosty wentylacyjne rozdzielające krzyżujące się prądy powietrza;

• lutniociągi do przewietrzania wyrobisk ślepych i miejscowych obszarów robót;

• urządzenia wentylacji głównej, wentylatory zwiększające ciśnienie w części sieci, jeżeli ich zastosowanie jest dopuszczalne, oraz urządzenia wentylacji odrębnej;

• aparaturę do pomiaru przepływu, ciśnienia, stężeń gazów, temperatury i wilgotności oraz monitorowania stanu urządzeń.

Elementy te trzeba oceniać łącznie. Pomiar wydajności na powierzchni nie pokazuje sam w sobie, ile powietrza dociera do odległego przodka. Decydują również opory poszczególnych dróg, nieszczelności, ustawienie urządzeń regulacyjnych i stan lutniociągu. W Polsce dział III rozporządzenia dotyczącego ruchu podziemnych zakładów górniczych obejmuje przewietrzanie, wentylatory główne, wentylację lutniową i dokumentowanie układu wentylacji. Przy stosowaniu przepisów należy sprawdzić tekst wraz z późniejszymi zmianami.^[1]

Rysunek 1. Uproszczony schemat wentylacji ssącej: świeże powietrze dopływa do poziomów i miejsc pracy, a powietrze zużyte jest odprowadzane do wentylatora głównego przewietrzania na powierzchni. Rysunek ma charakter poglądowy; rzeczywisty układ wyrobisk i urządzeń zależy od kopalni.

Jak działa kopalniana sieć wentylacyjna?

Powietrze przepływa przez kopalnię dzięki różnicy ciśnień między stroną doprowadzającą a odprowadzającą powietrze. Musi ona wystarczyć do pokonania oporów szybów, upadowych, chodników, wyrobisk łączących poziomy, lutniociągów, łuków, rozgałęzień, urządzeń regulacyjnych i połączeń powierzchniowych. W modelu sieci odcinki łączące węzły nazywa się bocznicami.

Uproszczony obieg można przedstawić w pięciu etapach:

1. Doprowadzenie powietrza do kopalni. Świeże powietrze jest zasysane lub wtłaczane przez szyb, wlot sztolni, upadową albo inne wyznaczone połączenie z powierzchnią.

2. Podział głównego strumienia. Powietrze rozdziela się między poziomy, rejony eksploatacyjne, warsztaty, drogi przemieszczania załogi, komory pomp i pozostałe miejsca zgodnie z ich zapotrzebowaniem.

3. Dopływ do czynnych miejsc pracy. Wyrobiska mające połączenie doprowadzające i odprowadzające powietrze przewietrza prąd opływowy. Wyrobiska ślepe i przodki drążonych wyrobisk zwykle wymagają wentylacji odrębnej z wentylatorem lutniowym i lutniociągiem.

4. Odprowadzenie zanieczyszczonego powietrza. Powietrze prowadzi się od obszarów mniej zanieczyszczonych ku źródłom emisji, a następnie do dróg powietrza zużytego. Jeżeli układ wyrobisk na to pozwala, unika się jego wcześniejszego przepływu przez inne miejsca pracy załogi, z uwzględnieniem wymagań obowiązujących w zakładzie.

5. Wylot na powierzchnię. Powietrze zużyte odpływa szybem wydechowym, wyrobiskiem wentylacyjnym, sztolnią lub przez stację wentylatorów na powierzchni.

Rzeczywista sieć rzadko jest pojedynczą prostą drogą. Tworzą ją bocznice połączone szeregowo i równolegle. Otwarcie drzwi, zmiana nastaw regulatora, połączenie nowych wyrobisk, otamowanie starych części kopalni lub powstanie nieszczelności zmieniają rozpływ. Wentylacja jest więc ciągłym zadaniem ruchowym, a nie instalacją wykonywaną raz na cały okres eksploatacji.

Wentylacja główna, rozpływ powietrza w rejonach, wentylacja odrębna i zwiększanie ciśnienia w sieci

Kopalniana sieć łączy przepływ przez całą kopalnię, rozdział powietrza na rejony oraz miejscowe przewietrzanie wyrobisk ślepych. Jeżeli jest to dopuszczalne, dodatkowy wentylator może zwiększać ciśnienie w wybranej części sieci. Pomiary i regulacja pozwalają sprawdzić, czy współpraca tych elementów zapewnia warunki przewidziane w dokumentacji wentylacyjnej.

Wentylacja główna

Wentylacja główna zapewnia przepływ między głównymi drogami świeżego i zużytego powietrza. Wymagany strumień oraz ciśnienie zależą od głębokości, systemu eksploatacji, przekrojów wyrobisk, parku maszynowego, emisji zanieczyszczeń, obciążenia cieplnego i dalszej rozbudowy. Szyby, główne wyrobiska, połączenia powierzchniowe i nieszczelności wpływają na punkt pracy, dlatego wentylator głównego przewietrzania dobiera się na podstawie analizy sieci. Po wyborze urządzenia należy ponownie sprawdzić jego współpracę z siecią w rzeczywistych warunkach zabudowy. Zasadę stabilnej współpracy wentylatora głównego z siecią wskazuje również polskie rozporządzenie.^[1]

Rozpływ powietrza między rejonami i bocznicami

Główny strumień rozdziela się na rejony wydobywcze i pomocnicze. Tamy regulacyjne oraz inne urządzenia dławiące zmieniają rozpływ przez zwiększenie oporu danej drogi, lecz nie wytwarzają dodatkowego powietrza. Nadmierne dławienie zwiększa straty ciśnienia i może ograniczać dopływ w innych rejonach. Warto porównać je z poprawą przekroju wyrobisk, uszczelnieniem, skróceniem drogi odprowadzania powietrza lub wykonaniem odpowiedniego połączenia równoległego.

Wentylacja odrębna i lutniowa

Wyrobisko ślepe nie ma pełnego połączenia umożliwiającego przepływ prądu opływowego. Zwykle przewietrza się je lutniociągiem. Układ musi mieć zapewniony dostateczny dopływ świeżego powietrza z sieci głównej, dostarczać wymagany strumień do przodka w układzie tłoczącym albo odsysać powietrze z jego otoczenia w układzie ssącym, bez recyrkulacji powietrza zużytego. Wentylację tłoczącą, ssącą i kombinowaną omówiono dalej; porównanie wyposażenia zawiera poradnik doboru wentylatorów kopalnianych.

Wentylatory zwiększające ciśnienie w części sieci

W tym artykule wentylator zwiększający ciśnienie w części sieci oznacza urządzenie wspomagające przepływ w wybranej bocznicy lub układzie bocznic. Nie jest to to samo co wentylator lutniowy przewietrzający przodek. Jego zastosowanie wymaga sprawdzenia dopuszczalności w danej kopalni i uwzględnienia w dokumentacji wentylacyjnej. Należy ocenić współpracę z wentylatorami głównymi, zmianę ciśnień w połączonych bocznicach, ryzyko recyrkulacji, ewentualną drogę obejściową, zachowanie po zatrzymaniu oraz układ sterowania i pomiarów. Określenie funkcji nie oznacza, że każdy wentylator nazywany pomocniczym ma takie zastosowanie.

Jak określa się wymagany strumień powietrza i ciśnienie?

Ocena wentylacji wymaga rozdzielenia dwóch pytań:

1. Jaki strumień powietrza jest potrzebny w każdym miejscu pracy i scenariuszu ruchowym?

2. Jaka różnica ciśnień zapewni ten przepływ na wybranych drogach?

Zapotrzebowanie wynika z zagrożeń i prowadzonych robót. Zależnie od kopalni uwzględnia się załogę, maszyny z silnikami wysokoprężnymi, wydzielanie gazów, gazy postrzałowe, pył, ciepło, wilgoć, ładownie akumulatorów, warsztaty i emisje technologiczne. Przepisy oraz dokumentacja ruchowa mogą dodatkowo wyznaczać minimalne ilości i prędkości powietrza. Warunek decydujący o doborze należy ustalić dla każdego rejonu i realnych kombinacji jednoczesnych robót, a nie tylko na podstawie sumarycznej wydajności wentylatorów.

Poniższe zależności porządkują dane przepływowe i ciśnieniowe. Nie zastępują modelu sieci zweryfikowanego pomiarami, oceny zagrożeń ani dokumentacji wymaganej dla konkretnego zakładu górniczego.

Strumień objętości i prędkość powietrza

Dla określonego przekroju drogi przepływu obowiązuje podstawowa zależność:

Q = A × v

• Q — strumień objętości powietrza, nazywany także wydatkiem powietrza, zwykle w m³/s; jest to objętość przepływająca w jednostce czasu.

• A — czynne pole przekroju poprzecznego dostępne dla przepływu, w m².

• v — średnia prędkość powietrza w tym przekroju, w m/s.

Zależność ta jest podstawą pomiarów wentylacyjnych. Pomiar prędkości bez wiarygodnego określenia pola przekroju nie daje miarodajnego strumienia objętości. Wynik pomiaru prędkości w jednym punkcie może nie odpowiadać średniej prędkości w nieregularnym przekroju. W metodyce i protokole trzeba określić sposób pomiaru, lokalizację przekroju, jego wymiary, stan techniczny przyrządu i informacje o jego wzorcowaniu oraz potrzebne poprawki.

Bilans powietrza w węzłach sieci

W stanie ustalonym, przy zbliżonej gęstości powietrza w porównywanych bocznicach, suma strumieni objętości dopływających do węzła powinna odpowiadać sumie strumieni odpływających. Zidentyfikowane przepływy przez nieszczelności uwzględnia się w bilansie, a pozostałą różnicę ocenia na tle niepewności pomiarów:

ΣQ_in ≈ ΣQ_out

Jeżeli gęstość znacząco różni się między przekrojami, należy wykonać bilans strumieni masy albo przeliczyć strumienie objętości na wspólne warunki odniesienia. Symbole in i out oznaczają odpowiednio dopływ do rozpatrywanego węzła i odpływ z niego.

Bilans jest przydatny przy doprowadzeniu powietrza na poziom, rozdziale na rejony, łączeniu prądów zużytego powietrza i przyłączeniu wentylacji odrębnej. Duża niewyjaśniona różnica może wskazywać nieszczelność, niezinwentaryzowane połączenie, niewłaściwy przekrój pomiarowy lub zestawienie pomiarów wykonanych przy różnych konfiguracjach sieci.

Opór aerodynamiczny i strata ciśnienia

W uproszczonym modelu bocznicy stratę ciśnienia opisuje się zależnością:

ΔP = R × Q²

• ΔP — strata ciśnienia w bocznicy, zwykle w Pa.

• R — zastępczy opór aerodynamiczny bocznicy, wyrażany na przykład w Pa/(m³/s)² lub N·s²/m⁸.

• Q — strumień objętości powietrza w bocznicy, zwykle w m³/s.

Zależność kwadratowa jest przybliżeniem dla przepływu turbulentnego przy określonej geometrii i gęstości powietrza. Zmiana przekroju, chropowatości, przeszkód, nastaw regulacyjnych lub gęstości powietrza wymaga ponownej oceny oporu.

Wartość R oznacza tu zastępczy opór całej rozpatrywanej bocznicy, a nie sam współczynnik tarcia. W literaturze wentylacyjnej występuje również określenie oporu Atkinsona. W tym zapisie R obejmuje wpływ gęstości dla podanych warunków. Nie można bez przeliczenia zamieniać go z oporem zdefiniowanym we wzorze, w którym gęstość występuje jako osobny czynnik. Zawsze trzeba podać jednostki i przyjętą konwencję.

Opór zastępczy uwzględnia długość, obwód i pole przekroju, chropowatość powierzchni wyrobiska i jego obudowy, przeszkody, łuki, rozgałęzienia, urządzenia regulacyjne i straty miejscowe. Zwężony albo uszkodzony przekrój może znacznie zwiększyć wymagane ciśnienie. Dlatego należy sprawdzić rzeczywisty przekrój czynny i stan wyrobiska, nie ograniczając się do wymiarów nominalnych z projektu.

Przy stałym oporze dwukrotny wzrost strumienia powietrza oznacza około czterokrotny wzrost straty ciśnienia. Teoretyczna moc przekazywana powietrzu, Q × ΔP, rośnie wtedy około ośmiokrotnie. Zależność nie uwzględnia jeszcze sprawności wentylatora, silnika i napędu, więc nie oznacza identycznego wzrostu rzeczywistej mocy elektrycznej. Usunięcie przewężenia lub właściwe połączenie równoległe może być korzystniejsze niż dalsze zwiększanie spiętrzenia wentylatora.

Ciśnienie, warunki odniesienia przepływu i gęstość powietrza

W danych projektu trzeba rozróżnić ciśnienie statyczne i całkowite oraz podać miejsca pomiaru. Dla różnicy ciśnień należy wskazać oba przekroje i rodzaj ciśnienia w każdym z nich. Spiętrzenie wentylatora, czyli wytwarzany przez niego przyrost ciśnienia, nie jest automatycznie tym samym co strata ciśnienia pojedynczej bocznicy. Porównanie wymaga zgodności definicji, lokalizacji pomiarów i gęstości odniesienia.

Strumień objętości należy opisać jako wartość w rzeczywistych warunkach dołowych albo przeliczoną na określony stan odniesienia. Przy tej samej prędkości obrotowej i odpowiadających sobie warunkach aerodynamicznych przyrost ciśnienia i moc przekazywana powietrzu zależą od gęstości. Porównując pomiary z charakterystykami i wynikami prób odbiorczych, uwzględnia się wysokość nad poziomem morza, temperaturę, wilgotność i ciśnienie barometryczne.

Przed porównaniem ujednolić warunki odniesienia danych

• wydajność wentylatora oraz strumień faktycznie dostarczany z wylotu lutniociągu tłoczącego albo odbierany przez wlot lutniociągu ssącego;

• ciśnienie statyczne i całkowite oraz różnicę ciśnień bez określenia przekrojów i rodzaju mierzonego ciśnienia;

• strumień objętości w warunkach rzeczywistych oraz przeliczony na warunki normalne lub inny stan odniesienia;

• wartości obliczone w modelu i pomiary przy innej konfiguracji sieci albo nastawach urządzeń.

Szeregowe i równoległe połączenia dróg przepływu

Jeżeli między odcinkami połączonymi szeregowo nie ma nieszczelności, a gęstość jest zbliżona, przez każdy z nich przepływa kolejno ten sam strumień objętości. Wtedy opory można sumować:

R_total = R_1 + R_2 + R_3 +...

W połączeniu równoległym powietrze rozdziela się na dwie lub więcej dróg. Poniższa zależność dotyczy bocznic łączących tę samą parę węzłów, bez dodatkowych źródeł ciśnienia w poszczególnych bocznicach i w których strata ciśnienia jest proporcjonalna do kwadratu strumienia objętości powietrza:

1 / sqrt(R_total) = 1 / sqrt(R_1) + 1 / sqrt(R_2) + 1 / sqrt(R_3) +...

Symbol sqrt(R) oznacza pierwiastek kwadratowy z oporu, a R_total — opór zastępczy rozpatrywanego układu.

Dwie otwarte i prawidłowo połączone drogi równoległe o jednakowym oporze mają opór zastępczy równy jednej czwartej oporu pojedynczej drogi. Dobrze zaplanowane połączenia mogą zmniejszyć wymagane ciśnienie i zwiększyć elastyczność rozpływu. Korzyść maleje, gdy jedna z dróg zostaje zwężona lub jej stan techniczny się pogarsza. Układ wprowadzający zanieczyszczenia do innego miejsca pracy może być niedopuszczalny niezależnie od korzyści obliczeniowych.

Nieszczelności i straty miejscowe

Nie całe powietrze poruszane przez układ główny dociera do docelowego miejsca pracy. Może przepływać przez nieszczelne drzwi, tamy, uszczelnienia, połączenia lutni i nieplanowane otwory. Dodatkowe straty ciśnienia powstają na regulatorach, nagłych zmianach przekroju, łukach, rozgałęzieniach, kratach, tłumikach i kształtkach przejściowych. Nieszczelność zmienia drogę przepływu; tarcie i opory miejscowe powodują straty energii. W lutniociągu ssącym powietrze z wyrobiska może być zasysane przez nieszczelności do środka.

W ocenie układu należy osobno ustalić:

• strumień powietrza dopływającego do kopalni;

• strumień dopływający do każdego rejonu;

• strumień rzeczywiście docierający do każdego czynnego miejsca pracy;

• strumień na wylocie lutniociągu tłoczącego lub wlocie lutniociągu ssącego;

• strumień odprowadzany zaplanowaną drogą powietrza zużytego.

Po ustaleniu wstępnego strumienia, ciśnienia, zakresu pracy i warunków zabudowy można porównać typy wentylatorów, modele, charakterystyki, silniki i sterowanie na stronie doboru wentylatorów kopalnianych. Następnie należy wprowadzić parametry wybranego urządzenia i rzeczywiste warunki instalacji do obliczeń sieci, korygując założenia, jeżeli jest to potrzebne.

Planowanie dopływu, przewietrzania miejsc pracy i odprowadzania powietrza

Od obszarów mniej zanieczyszczonych do źródeł emisji

Jeżeli pozwala na to układ wyrobisk, świeże powietrze powinno najpierw przepływać przez miejsca przebywania załogi i obszary mniej zanieczyszczone, a dopiero potem docierać do źródeł gazów, pyłu, spalin, gazów postrzałowych i ciepła. Powietrze zużyte odprowadza się bez ponownego wykorzystywania go do przewietrzania innych miejsc pracy. Takie prowadzenie prądów ogranicza dodatkowe narażenie i ułatwia rozpoznawanie nieprawidłowości.

Nie należy zakładać, że szeregowe przewietrzanie miejsc pracy jest zawsze dopuszczalne. Nawet jeżeli pozwalają na nie właściwe wymagania i uwzględnia je dokumentacja kopalni, trzeba ocenić przenoszenie zanieczyszczeń, ciepła i dymu oraz skutki awarii do kolejnych rejonów. Pożar lub uwolnienie gazu w rejonie wcześniejszym, licząc zgodnie z kierunkiem przepływu, może zagrozić rejonowi następnemu. Możliwość obliczenia sumy oporów nie oznacza zgody na taki sposób przewietrzania.

Zapobieganie zwarciom wentylacyjnym i recyrkulacji

Zwarcie wentylacyjne występuje, gdy powietrze omija przewidziane miejsce pracy i odpływa do drogi powietrza zużytego niezamierzonym połączeniem o małym oporze. Recyrkulacja oznacza powrót części powietrza zużytego do prądu świeżego lub na stronę ssawną wentylacji odrębnej. W obu przypadkach wydajność wentylatora może być duża, a dopływ świeżego powietrza do przodka zbyt mały. Zwarcie dotyczy tutaj układu dróg powietrznych, nie obwodu elektrycznego.

Typowe przyczyny to:

• pozostawione otwarte lub uszkodzone drzwi wentylacyjne;

• nieszczelności tam i uszczelnień;

• zabudowa wentylatora lutniowego w miejscu o niedostatecznym dopływie świeżego powietrza;

• niewystarczające oddzielenie miejsca wyrzutu powietrza zużytego od poboru świeżego powietrza dla wentylacji odrębnej;

• niewłaściwe położenie lub nastawa urządzenia regulującego rozpływ;

• nowe połączenie między wyrobiskiem doprowadzającym świeże powietrze a wyrobiskiem odprowadzającym powietrze zużyte;

• zmiana pracy wentylatorów powodująca zmianę rozkładu ciśnień w bocznicach.

Eksploatacja i utrzymanie urządzeń regulujących rozpływ

Tamy, drzwi, regulatory, mosty wentylacyjne, uszczelnienia i przegrody kierują prądami powietrza oraz oddzielają je od siebie. Ich stan jest równie istotny jak pierwotny projekt. Uszkodzona tama lub otwarte drzwi mogą zmienić rozpływ daleko poza miejscem usterki. Urządzenia należy kontrolować, oznaczać w dokumentacji wentylacyjnej i uwzględniać w procedurach zarządzania zmianami.

Szczególnej uwagi wymaga regulacja przez dławienie. Zwiększenie oporu danej bocznicy może zmniejszyć w niej przepływ i zmienić podział powietrza między inne drogi, lecz nie wytwarza dodatkowego powietrza. Wynik zależy od całej sieci i punktu pracy wentylatora. Większe zmiany nastaw trzeba ocenić obliczeniowo i potwierdzić pomiarami; zamknięcie regulatora nie musi poprawić przewietrzania wybranego rejonu.

Planowanie dalszego rozwoju wyrobisk

Sieć zmienia się wraz z postępem drążenia, uruchamianiem i zamykaniem pól eksploatacyjnych, zmianami tras transportu oraz wydłużaniem dróg powietrza zużytego. Układ wystarczający na obecnym etapie wydobycia może nie zapewniać potrzebnego przewietrzania po przyłączeniu kolejnego poziomu lub wydłużeniu lutniociągu.

Planowanie wentylacji powinno uwzględniać co najmniej:

• aktualny układ wyrobisk i stan ruchowy;

• kolejne etapy udostępniania, robót przygotowawczych i eksploatacji;

• najdłuższe przewidywane drogi dopływu świeżego oraz odpływu zużytego powietrza;

• przyszłe rozmieszczenie i wykorzystanie maszyn z napędem spalinowym lub elektrycznym;

• spodziewane warunki cieplne i wodne na większej głębokości;

• planowane zamknięcia, otamowania i zmiany dróg przepływu;

• scenariusze normalnego i ograniczonego wydobycia, robót strzałowych, utrzymania ruchu oraz sytuacji awaryjnych.

Wentylacja lutniowa przodków i wyrobisk ślepych

Wentylację odrębną trzeba ponownie oceniać w miarę postępu drążenia. Wydłużenie lutniociągu zwiększa jego opór oraz liczbę połączeń, w których mogą wystąpić nieszczelności. Straty ciśnienia i przepływy przez nieszczelności wpływają jednak na skuteczność układu w różny sposób. Lutniociąg jest przewodem złożonym z lutni, zabudowanym w wyrobisku; nie należy utożsamiać go z samym chodnikiem. Lutnie mogą mieć konstrukcję sztywną lub elastyczną, odpowiednią do przewidzianych warunków pracy.

Tarcie i przewężenia zwiększają ciśnienie potrzebne do uzyskania określonego strumienia powietrza. Przy niezmienionej prędkości obrotowej i kącie ustawienia łopatek zmiana oporu przesuwa punkt przecięcia charakterystyki wentylatora z charakterystyką sieci, a więc zmienia punkt pracy. Tarcie nie powoduje samo w sobie ubytku powietrza w szczelnym lutniociągu. Bez nieszczelności strumień masy pozostaje zachowany, choć strumień objętości może różnić się między przekrojami, jeżeli zmienia się gęstość powietrza.

Nieszczelności zmieniają relację między wydajnością wentylatora a strumieniem doprowadzanym do przodka lub odsysanym z jego otoczenia. W wentylacji tłoczącej część powietrza może wydostawać się z lutniociągu przed jego wylotem. W wentylacji ssącej powietrze z wyrobiska może napływać przez nieszczelności, dlatego przez wentylator przepływa go więcej niż przez wlot ssawny przy przodku. Recyrkulacja stanowi odrębny problem: może zmniejszać dopływ świeżego powietrza mimo dużej całkowitej wydajności wentylatora.

Ocena układu powinna obejmować:

• strumień świeżego powietrza dostępny z prądu opływowego dla wentylacji odrębnej;

• usytuowanie wentylatora i miejsca wyrzutu zanieczyszczonego powietrza względem dróg doprowadzających i odprowadzających powietrze;

• średnicę, długość, materiał, połączenia, łuki i stan techniczny lutniociągu;

• odległość wylotu lutniociągu tłoczącego albo wlotu lutniociągu ssącego od czoła przodka;

• rzeczywisty strumień zmierzony na odpowiednim wylocie lub wlocie lutniociągu, a nie tylko wydajność podaną na tabliczce znamionowej wentylatora;

• przepływ w wyrobisku poza lutniociągiem, zamykający miejscowy obieg świeżego i zużytego powietrza;

• zapylenie, wydzielanie i gromadzenie gazów, obciążenie cieplne oraz gazy i dymy postrzałowe;

• wpływ przemieszczania maszyn i przedłużania lutniociągu;

• blokady bezpieczeństwa, alarmy i postępowanie w razie przerwania lub niedostatecznej skuteczności przewietrzania.

W lutniociągu tłoczącym ciśnienie wewnętrzne jest zwykle wyższe od ciśnienia otaczającego powietrza w wyrobisku. W lutniociągu ssącym jest niższe, dlatego przewód musi wytrzymać tę różnicę bez zapadania się. Wentylacja kombinowana może być korzystna w określonych warunkach, ale wymaga wzajemnego dostosowania wydatków powietrza i rozmieszczenia lutniociągów. Sama zmiana kierunku obrotów silnika nie wystarcza, aby instalacja tłocząca mogła prawidłowo pracować jako ssąca. Charakterystyka aerodynamiczna wentylatora, konstrukcja lutni, przyłącza, sterowanie i droga odprowadzania powietrza muszą odpowiadać przewidzianemu sposobowi pracy.

Dobór urządzeń i warunki pracy przewodów omawia strona wentylatorów do wentylacji odrębnej kopalń. W § 191 ust. 1 polskiego rozporządzenia rozróżnia się przewietrzanie za pomocą lutniociągu w układzie ssącym, tłoczącym lub kombinowanym. Wymagania dotyczące zabudowy, dopływu świeżego powietrza i dopuszczalnych odstępstw należy sprawdzać dla konkretnego wyrobiska; nie można przenosić jednej konfiguracji do wszystkich kopalń.^[1]

Najważniejsze zadania i trudności wentylacji podziemnej

Gazy kopalniane i gazy postrzałowe

Zagrożenia gazowe zależą od złoża i warunków geologicznych. W podziemnych kopalniach węgla istotnym czynnikiem jest metan. W innych zakładach znaczenie mogą mieć produkty robót strzałowych, tlenek węgla, tlenki azotu, związki siarki, radon lub gazy powstające w procesach technologicznych. Dokumentacja wentylacyjna powinna wskazywać przewidywane źródła, intensywność wydzielania, miejsca kontroli, progi alarmowe, warunki usunięcia zanieczyszczeń i zasady ponownego wejścia załogi. Sam rodzaj wydobywanej kopaliny nie wyklucza zagrożenia gazem palnym.

Po robotach strzałowych samo uruchomienie wentylatora nie potwierdza bezpieczeństwa przodka. Czas usuwania gazów i dymów zależy od ich ilości i miejsca powstania, dostępnego strumienia powietrza, długości drogi odpływu, stref zastoju oraz stanu lutniociągu. Ponowne wejście i wznowienie pracy wymagają spełnienia procedur kopalni oraz odpowiednich pomiarów atmosfery. Nie wystarczy upływ z góry założonego czasu ani stwierdzenie, że wentylator się obraca.

Cząstki stałe spalin silników Diesla i składniki gazowe

Maszyny z silnikami Diesla emitują cząstki stałe spalin (DPM) oraz składniki gazowe, między innymi tlenek i dwutlenek węgla, tlenki azotu, związki siarki i węglowodory. Tam, gdzie ich używanie jest dopuszczalne, trzeba łączyć ograniczanie emisji u źródła z ograniczaniem narażenia załogi. Wentylacja jest częścią tego postępowania, a nie zamiennikiem pozostałych zabezpieczeń. Materiał CIOP-PIB dotyczący górnictwa i budownictwa podziemnego odróżnia pomiary węgla elementarnego od oceny składników gazowych; stężenie węgla elementarnego nie jest równoznaczne ze stężeniem całej frakcji cząstek stałych spalin.^[6]

Ograniczanie narażenia na DPM może obejmować łącznie:

• zapewnienie powietrza potrzebnego do rozcieńczania i odprowadzania spalin;

• silniki o mniejszej emisji oraz paliwo zgodne z wymaganiami producenta urządzenia;

• planową obsługę techniczną, konserwację i kontrolę emisji;

• odpowiednie filtry cząstek stałych lub inne układy oczyszczania spalin, dobrane do maszyny i warunków jej użytkowania;

• organizację ruchu pojazdów i ograniczanie niepotrzebnej pracy silników Diesla na biegu jałowym;

• harmonogramy pracy oraz ograniczanie liczby jednocześnie pracujących maszyn w rejonie;

• pomiary narażenia pracowników i kontrolę atmosfery kopalnianej.

Zwiększenie strumienia powietrza może zmniejszyć stężenia, ale może też zwiększać zużycie energii i nie usuwa przyczyn nadmiernej emisji z niesprawnej maszyny. Należy skoordynować przewietrzanie z ograniczaniem emisji u źródła. W danych pomiarowych trzeba podać oznaczany składnik i metodę pobierania próbek. Polska nowelizacja przepisów dotyczących najwyższych dopuszczalnych stężeń (NDS) z 18 lutego 2021 r. wprowadziła ocenę spalin jako węgla elementarnego i określiła przejściowe stosowanie wcześniejszego kryterium frakcji respirabilnej w górnictwie podziemnym i budowie tuneli do 20 lutego 2026 r. Tych dwóch podstaw pomiaru nie należy utożsamiać. Obliczenie ilości powietrza z mocy silnika nie zastępuje pomiaru narażenia.^[2]

Ograniczanie zapylenia i odpylanie

Przewietrzanie pomaga zmniejszać stężenie pyłu zawieszonego w powietrzu i odprowadzać go z wyrobisk, ale nie zapewnia samoistnego wychwytywania pyłu u źródła. Zbyt duża prędkość może ponownie unosić osiadły pył. Urabianie, wiercenie, kruszenie, załadunek, przesypywanie urobku i natryskiwanie betonu mogą wymagać dodatkowo zraszania, obudowania źródła emisji, płuczek, odpylaczy mokrych lub odciągów miejscowych.

Układ wychwytywania zanieczyszczeń należy projektować oddzielnie, uwzględniając strumień odciąganego powietrza, położenie ssawy lub obudowy, opór przewodów, instalację wodną albo filtracyjną oraz końcową drogę odprowadzenia powietrza. Urządzenia z tej grupy przedstawia poradnik dotyczący odpylania w kopalniach. Miejscowy odciąg pyłu i wentylacja całego przodka mają różne zadania i nie zastępują się automatycznie.

Ciepło i wilgotność w głębokich wyrobiskach

Obciążenie cieplne może pochodzić od górotworu, ciepłych wód, sprężania powietrza podczas przepływu w dół szybu, silników spalinowych, napędów elektrycznych, robót strzałowych i pracy ludzi. Wentylacja odprowadza część ciepła, lecz niekiedy potrzebne jest dodatkowe chłodzenie. Polski przykład stanowi opisana przez PeBeKa w czerwcu 2024 r. powierzchniowa stacja klimatyzacyjna przy szybie GG-1 w Kwielicach, dostarczająca chłód do kopalń rud miedzi. Opis ten dotyczy konkretnej instalacji oraz rozbudowy planowanej w chwili publikacji. Nie dowodzi, że każda kopalnia potrzebuje takiego samego układu. Nie jest to realizacja BOFENG FAN.^[5]

Większy strumień powietrza nie zawsze rozwiązuje problem cieplny. Jeżeli powietrze dopływające jest już gorące i wilgotne, dodatkowy przepływ może zapewniać niewielkie chłodzenie. Nadmierna prędkość powietrza może też ponownie unosić osiadły pył i utrudniać pracę lub przemieszczanie załogi. Analiza warunków klimatycznych powinna, stosownie do potrzeb, uwzględniać:

• temperaturę wskazywaną przez termometr suchy i wilgotny oraz pozostałe wielkości wymagane przez przyjętą metodę oceny zagrożenia klimatycznego;

• wilgotność i dopływ wody na drogach świeżego powietrza;

• ciepło przekazywane przez górotwór i wody podziemne;

• ciepło od maszyn i robót strzałowych;

• długość dróg wentylacyjnych oraz wzrost temperatury powietrza podczas jego sprężania w szybie wdechowym;

• chłodzenie miejscowe, grupowe lub centralne;

• organizację czasu pracy i odpoczynku oraz środki ograniczające narażenie na gorący mikroklimat.

Zmiany miejsca wydobycia i zapotrzebowania na powietrze

Zapotrzebowanie zmienia się wraz z ruchem maszyn i załogi, przechodzeniem na kolejne poziomy, robotami strzałowymi i postępem przodków. Stałe nastawy mogą powodować nadmierny dopływ do rejonów bez bieżących robót, a jednocześnie niedostateczne przewietrzanie czynnego przodka. Zmniejszanie przepływu bez wiarygodnych danych może jednak pozbawić układ potrzebnego zapasu bezpieczeństwa.

Trzeba zatem określić normalne i awaryjne stany pracy, dopuszczalne minimalne strumienie, wymagania dotyczące pomiarów oraz osoby upoważnione do zmiany nastaw i pracy wentylatorów. Brak robót w danym rejonie nie oznacza automatycznie, że przestaje on wymagać przewietrzania.

Zużycie energii i sprawność całego układu

Wentylacja może stanowić istotne ciągłe obciążenie elektryczne kopalni. Jej udział w zużyciu energii zależy od głębokości, układu wyrobisk, klimatu, systemu eksploatacji, maszyn oraz potrzeb chłodzenia. Wartości procentowych z innych państw lub pojedynczych badań nie należy przedstawiać jako wspólnego wskaźnika dla polskich kopalń. Możliwości oszczędzania ocenia się na podstawie pomiarów przepływu, energii i rzeczywistych warunków ruchowych danego zakładu.

Sprawność wentylatora nie jest równoznaczna z efektywnością całego systemu. Zbędne zużycie energii może wynikać z:

• nadmiernych oporów dróg świeżego i zużytego powietrza;

• niepotrzebnego dławienia przepływu i przewężeń;

• nieszczelności tam, drzwi lub lutniociągów;

• niekorzystnych warunków wlotu, połączeń i wylotu przy powierzchniowej stacji wentylatorów;

• dostarczania do nieczynnych rejonów powietrza w ilości większej, niż wymaga ich bezpieczne utrzymanie;

• niewłaściwych nastaw sterowania;

• pracy wentylatora niedostosowanej do wymaganego przepływu i ciśnienia w sieci.

Pomiary wentylacyjne i bieżące monitorowanie

Projekt i model obliczeniowy pozostają przewidywaniem, dopóki nie zostaną sprawdzone pomiarami w kopalni. Pomiary wentylacyjne określają rzeczywisty rozpływ i rozkład ciśnień przy danej konfiguracji sieci. Monitoring ciągły uzupełnia je o informacje o istotnych zmianach między kolejnymi seriami pomiarów.

Jakie wielkości należy mierzyć?

Prędkość powietrza i pole przekroju wyrobiska. Łącznie pozwalają wyznaczyć strumień w bocznicy lub miejscu pracy. Służą do oceny rozpływu, wykrywania niedoboru powietrza i aktualizacji modelu. Należy również określić sposób uzyskania prędkości średniej w całym przekroju.

Ciśnienie. Trzeba zapisać, czy mierzone jest ciśnienie statyczne, czy całkowite. Dla różnicy ciśnień podaje się oba przekroje i rodzaj ciśnienia w każdym z nich. Pomiary wykonane w warunkach zgodnych z pomiarem przepływu ułatwiają sprawdzenie punktu pracy wentylatora oraz poszukiwanie przewężeń, nieszczelności i zmian nastaw.

Stężenia gazów i zanieczyszczeń. Przyrządy i metody pobierania próbek dobiera się do rozpoznanych zagrożeń. Wyniki służą ocenie atmosfery i narażenia pracowników, ustalaniu alarmów, zabezpieczeń urządzeń oraz warunków ponownego wejścia do wyrobisk.

Temperatura i wilgotność. Umożliwiają ocenę zagrożenia klimatycznego i skuteczności chłodzenia. Porównanie miejsc pracy oraz stanów ruchowych pomaga rozdzielić wpływ głębokości, sezonu i zmian wydajności układu chłodzenia.

Stan pracy wentylatora. Rejestruje się pracę lub postój, prędkość obrotową, moc, drgania i temperaturę łożysk. Należy odróżnić moc mechaniczną na wale od mocy elektrycznej pobieranej z sieci zasilającej. Zestawienie tych danych ze zmianami sieci pomaga ustalić, czy przyczyną odchyleń jest pogorszenie stanu urządzenia albo awaria.

Położenie drzwi i nastawy urządzeń regulacyjnych. Rzeczywisty układ powinien odpowiadać dokumentacji wentylacyjnej. Zmiana otwarcia regulatora może wyjaśnić nieoczekiwany rozpływ w bocznicy nawet przy niezmienionej pracy wentylatora.

Instytut Mechaniki Górotworu PAN opisuje VentGraph jako narzędzie do analizy sieci, którego model sprawdza się przez porównanie obliczeń z pomiarami. Opis przewiduje również możliwość współpracy z monitoringiem atmosfery. Nie jest to dowód wdrożenia automatycznego VoD ani zastępstwo kontroli dołowej. Przyrządy, miejsca pomiaru, progi alarmowe i częstotliwość kontroli należy ustalać zgodnie z zagrożeniami, dokumentacją kopalni i obowiązującymi wymaganiami. Harmonogramu z innego państwa lub zakładu nie należy kopiować bez sprawdzenia jego zastosowania.^[3]

Zapewnienie jakości pomiarów

Źródłem błędów mogą być niewłaściwe przekroje pomiarowe, niedokładne wymiary wyrobiska, zaburzenia przepływu przy łukach lub drzwiach, brak informacji o wzorcowaniu przyrządów, zbyt mała liczba punktów pomiaru prędkości oraz nieudokumentowana konfiguracja sieci. Rejestr powinien zawierać datę, czas, miejsce, przekrój, metodę, przyrząd, stan ruchowy i pobliskie urządzenia lub przeszkody. Wzorcowanie przyrządu pomiarowego i kalibracja modelu sieci na podstawie pomiarów są odrębnymi czynnościami.

Weryfikacja modelu na podstawie pomiarów dołowych

Jeżeli zmierzony strumień powietrza różni się od wyniku obliczeń, podniesienie ciśnienia wentylatora nie musi być właściwą odpowiedzią. Przyczyną mogą być:

• błędnie przyjęte opory bocznic;

• położenie drzwi lub nastawy regulatorów inne niż założone w modelu;

• przepływy przez nieszczelne tamy lub do starych wyrobisk;

• zwężone albo uszkodzone drogi wentylacyjne;

• nieszczelności lub uszkodzenia połączeń lutniociągu;

• nowe połączenia wyrobisk nieuwzględnione w modelu;

• praca wentylatora lub układu regulacji inna niż przyjęta w obliczeniach.

Model trzeba kalibrować na podstawie pomiarów i aktualizować po istotnych zmianach układu wyrobisk. Nie należy dowolnie zmieniać oporów wyłącznie po to, aby dopasować liczby; najpierw trzeba sprawdzić rzeczywisty układ i stan pracy. W pracy Mariana Brannego z 2005 r. przedstawiono trójwymiarowe obliczenia pól prędkości i stężeń gazów w komorach o parametrach charakterystycznych dla kopalń rud miedzi oraz porównano wyniki z pomiarami. Jest to przykład weryfikacji lokalnego modelu przepływu, a nie kalibracji całej sieci bocznic. Badanie nie uzasadnia przenoszenia wyników bez weryfikacji ani rezygnacji z lutniociągu w dowolnym przodku.^[4]

Objawy nieprawidłowej pracy i pierwsze kontrole

Poniższe objawy są punktem wyjścia do rozpoznania przyczyny, a nie gotową diagnozą. Kontrole prowadzi się zgodnie z procedurami kopalni i przy odnotowanej konfiguracji sieci. Porównania przepływu i ciśnienia wymagają zgodnych nastaw wentylatora, przekrojów pomiarowych oraz warunków gęstości powietrza.

Warunki w przodku pogarszają się, choć wentylator pozornie pracuje normalnie.

Nieszczelne lutnie, uszkodzone połączenia, dłuższy przewód, zapadnięcie lub zwężenie lutni oraz niewłaściwe położenie jej końca mogą ograniczać strumień doprowadzany do przodka albo odsysany z jego otoczenia. Recyrkulacja może zmniejszać udział świeżego powietrza, mimo że całkowity przepływ przez wentylator pozostaje duży.

Porównaj strumień przez wentylator ze strumieniem na wylocie lutniociągu tłoczącego albo wlocie lutniociągu ssącego przy tym samym stanie pracy. Sprawdź przewód oraz obieg powietrza w wyrobisku. Nie traktuj całego strumienia odsysanego z przodka jako świeżego powietrza.

Przepływ w jednej bocznicy maleje bez planowanej zmiany pracy wentylatora.

Zmiana otwarcia drzwi lub regulatora, uszkodzenie tamy, nowe połączenie albo przeszkoda w wyrobisku mogą zmieniać ciśnienia i rozpływ. Przyczyna może występować w innej połączonej bocznicy, a nie bezpośrednio przy miejscu niedoboru powietrza.

Sprawdź położenie i nastawy urządzeń, prześledź drogę przepływu i powtórz pomiary strumienia oraz ciśnienia. Porównaj rzeczywistą sieć z aktualną dokumentacją wentylacyjną.

Ciśnienie wentylatora rośnie, a przepływ maleje.

Przy niezmienionych nastawach i pracy w stabilnej części charakterystyki może to wskazywać na wzrost oporów sieci. Sprawdź zapadnięcie lutni, zatkanie siatki ochronnej, uszkodzenie elementu przejściowego i zmniejszenie przekroju wyrobiska.

Potwierdź nastawy wentylatora, definicję ciśnienia i przekroje pomiarowe. Porównaj ciśnienia wzdłuż drogi i skontroluj odcinki oraz elementy, na których straty wzrosły.

Przepływ przez wentylator niespodziewanie rośnie, a ciśnienie maleje.

Przy porównywalnych nastawach otwarcie drzwi lub regulatora, duża nieszczelność albo zwarcie między drogami świeżego i zużytego powietrza mogą zmniejszyć opór zastępczy. Nie oznacza to, że wzrosła ilość świeżego powietrza rzeczywiście docierająca do załogi.

Wykonaj bilans powietrza. Sprawdź drzwi, tamy, uszczelnienia, regulatory i nowe połączenia. Ustal, którędy przepływa dodatkowe powietrze.

Po zmianie miejsca wydobycia rosną stężenia gazów lub DPM albo temperatura.

Rozkład zapotrzebowania mógł się zmienić bez odpowiedniej regulacji sieci. Sprawdź także harmonogramy maszyn, strumienie w bocznicach oraz zmiany jakości i miejsca pomiarów.

Potwierdź rzeczywiste miejsca pracy i rozmieszczenie urządzeń, skontroluj przyrządy lub wyniki analizy próbek i zmierz przepływ w rejonie objętym zmianą.

Duża rozbieżność między strumieniem obliczonym a zmierzonym utrzymuje się.

Przyczyną mogą być nieprawidłowa geometria lub opory, niezapisane nastawy i połączenia, nieszczelności, niewłaściwe przekroje pomiarowe albo zestawienie danych z różnych stanów ruchowych.

Powtórz pomiary przy zapisanej konfiguracji, porównaj dokumentację z rzeczywistymi wyrobiskami i ponownie skalibruj model przed zmianą wymagań stawianych wentylatorowi.

Wentylacja dostosowana do zapotrzebowania i sterowanie adaptacyjne

Wentylacja dostosowana do zapotrzebowania, określana również jako wentylacja na żądanie (Ventilation on Demand, VoD), zmienia strumień powietrza odpowiednio do rzeczywistych robót i warunków środowiska, zamiast utrzymywać wszystkie regulowane elementy na stałych nastawach. Danymi wejściowymi mogą być harmonogramy wydobycia, położenie pojazdów i załogi, stężenia gazów, temperatura, przepływy w bocznicach, ciśnienia, położenie drzwi oraz stan urządzeń.

Zakres wdrożenia można rozpatrywać na kolejnych poziomach:

1. Sterowanie według harmonogramu: wcześniej ustalone nastawy dla zmian roboczych, robót strzałowych, prac utrzymaniowych i przerw w produkcji.

2. Sterowanie reagujące na zdarzenia: zmiana przepływu po wjeździe maszyny do rejonu lub rozpoczęciu określonej pracy.

3. Regulacja ze sprzężeniem zwrotnym: dostosowanie nastaw do zmierzonych stężeń gazów, temperatury, ciśnienia lub strumienia powietrza.

4. Skoordynowane sterowanie siecią: wzajemne uzgodnienie pracy wentylatorów, regulatorów, drzwi i nastaw rejonowych w całej kopalni.

Skuteczność wdrożenia należy potwierdzić rzeczywistym dopływem powietrza do miejsc pracy i pomiarami zużycia energii, a nie samym przesłaniem polecenia do urządzenia. Porównując stan przed wdrożeniem i po nim, trzeba uwzględnić wielkość wydobycia, czas pracy, liczbę i obciążenie maszyn oraz warunki sezonowe i chłodzenie. Oszczędność obliczona w modelu nie jest gwarancją wyniku w kopalni. Efekt zależy od zmienności zapotrzebowania, możliwości regulacji sieci, wiarygodności danych z czujników, niezawodności łączności, prawidłowego rozruchu układu oraz wcześniejszego sposobu eksploatacji. Samo zdalne włączanie i wyłączanie wentylatora nie oznacza wdrożenia pełnego VoD.

VoD nie upoważnia do zmniejszania przepływu tylko dlatego, że w danym rejonie chwilowo nie prowadzi się robót. Trzeba zachować wymagane minimalne przewietrzanie i zabezpieczenia. W szczególności ogólna koncepcja regulacji nie uchyla wymagań ciągłej pracy wentylatorów lutniowych tam, gdzie przewidują je przepisy dla pól metanowych. Niezawodny układ wymaga:^[1]

• jednoznacznie określonych minimalnych strumieni powietrza i ograniczeń bezpieczeństwa;

• sprawdzonego rozmieszczenia czujników oraz przyrządów z udokumentowanym wzorcowaniem;

• bezpiecznych stanów zastępczych na wypadek awarii czujnika lub utraty łączności;

• blokad oraz ustalonych procedur reagowania na alarmy;

• modelu sieci lub sprawdzonej logiki sterowania uwzględniającej wpływ połączonych bocznic;

• uprawnień i procedur przejścia na sterowanie ręczne;

• pomiarowego potwierdzenia, że żądana zmiana przepływu rzeczywiście nastąpiła w wyrobiskach.

Przygotowanie na przerwy w wentylacji i zarządzanie zmianami

Rozpływ może szybko zmienić się po wyłączeniu wentylatora wskutek zadziałania zabezpieczenia, utracie zasilania, pożarze, uszkodzeniu tamy, przestawieniu regulatora, wykonaniu nowego połączenia lub uszkodzeniu lutniociągu. Skutki mogą wykraczać poza rejon, w którym wystąpiło zdarzenie.

Plan postępowania właściwy dla kopalni powinien obejmować:

• zatrzymanie wentylatorów głównego przewietrzania, wentylatorów zwiększających ciśnienie w sieci oraz wentylatorów lutniowych;

• utratę zasilania, funkcji sterowania, sygnałów pomiarowych lub łączności;

• alarmy zbyt małego ciśnienia lub niedostatecznego strumienia powietrza;

• alarmy gazowe, dymowe, temperaturowe i dotyczące innych zanieczyszczeń;

• wycofanie wszystkich osób z zagrożonego rejonu oraz zatrzymanie urządzeń i odizolowanie ich źródeł energii zgodnie z procedurami;

• ograniczenia oraz warunki ponownego uruchomienia maszyn;

• kontrolę wyrobisk i pomiary atmosfery przed ponownym wejściem załogi;

• tymczasowe rozwiązania wentylacyjne poddane wymaganej ocenie i zatwierdzeniu;

• dokumentowanie zdarzenia i zmian, ustalanie przyczyn oraz wymagane uzgodnienia.

W Polsce podstawę oceny stanowią przepisy właściwe dla podziemnego zakładu górniczego, dokumentacja ruchowa i wentylacyjna oraz procedury obowiązujące w kopalni. Rozporządzenie z 23 listopada 2016 r. należy czytać wraz z późniejszymi zmianami, a nie traktować samego pierwotnego tekstu jako kompletnego aktualnego zbioru wymagań. Powyższa lista nie zastępuje planu ratownictwa ani szczegółowych instrukcji postępowania. Polskich wymagań nie przenosi się automatycznie do projektów w innych państwach.^[1]

Praktyczna kolejność oceny systemu wentylacji

1. Określ etap rozwoju kopalni i scenariusze ruchowe. Zestaw istniejące wyrobiska, planowane udostępnianie, rejony wydobycia, harmonogramy pracy maszyn, cykle robót strzałowych, stan techniczny urządzeń, planowane prace konserwacyjne i przyszłą rozbudowę.

2. Rozpoznaj zagrożenia i kryteria zapotrzebowania na powietrze. Uwzględnij gazy, DPM, pył, produkty robót strzałowych, ciepło, wilgoć, pożary i emisje technologiczne. Sprawdź obowiązujące minimalne strumienie i prędkości, kryteria narażenia oraz wymagania konkretnego zakładu.

3. Odwzoruj sieć wentylacyjną. Zapisz drogi dopływu i odpływu, połączenia bocznic, tamy i regulatory, układy wentylacji odrębnej, otamowania, przepływy przez nieszczelności, wentylatory oraz przekroje pomiarowe.

4. Zmierz parametry istniejącego układu. Wykonaj pomiary przepływu, ciśnienia, składu powietrza i warunków klimatycznych przy znanym stanie ruchowym. W wentylacji lutniowej sprawdź odpowiednio strumień na wylocie układu tłoczącego lub na wlocie układu ssącego.

5. Zbuduj lub zaktualizuj model. Wyznacz opory bocznic z pomiarów ciśnienia i przepływu oraz skalibruj model. Nie opieraj się wyłącznie na wymiarach projektowych i założonej chropowatości ścian wyrobiska.

6. Porównaj warianty. Oceń poprawę przekrojów, uszczelnienie sieci, drogi równoległe, regulację, kolejność wydobycia, nastawy wentylatorów i przyszłe etapy rozwoju. Uzasadnij zapasy na nieszczelności, rozbudowę i niepewność obliczeń; nie dodawaj wielokrotnie nieopisanych narzutów procentowych.

7. Ustal wstępny zakres pracy i porównaj urządzenia. Określ odpowiadające sobie wartości strumienia i ciśnienia dla minimalnego, normalnego oraz maksymalnego zapotrzebowania, gęstość powietrza, zabudowę, sterowanie i warunki postępowania przy awarii. Po wyborze wentylatora ponownie sprawdź sieć z jego rzeczywistą charakterystyką i warunkami instalacji.

8. Przeprowadź rozruch i potwierdź parametry. Sprawdź działanie po zabudowie przez pomiary dołowe, testy alarmów i sterowania oraz wymagane próby odbiorcze w zakładzie producenta lub w miejscu instalacji. Dokumentacja projektu powinna określać metodę, tolerancje i właściwe wydanie stosowanej normy. Badanie samego wentylatora nie jest odbiorem całej sieci. Dodatkowe informacje można znaleźć na stronie poświęconej produkcji i kontroli jakości wentylatorów kopalnianych.

9. Utrzymuj układ i ponawiaj ocenę. Po istotnych zmianach aktualizuj dokumentację i model, analizuj przebieg wyników w czasie, kontroluj tamy oraz lutniociągi i wyjaśniaj odchylenia bez rozpoznanej przyczyny.

Różnice między rodzajami kopalń

Podziemne kopalnie węgla. Metan, pył węglowy, samozagrzewanie i samozapalenie oraz źródła zapłonu mogą decydować o wymaganiach wentylacyjnych. Rozdzielenie prądów, monitoring, dopuszczalność urządzeń, praca wentylatorów i zapobieganie recyrkulacji muszą odpowiadać zagrożeniom oraz przepisom dotyczącym danego zakładu.

Podziemne kopalnie rud metali. Typowe zagadnienia obejmują spaliny, gazy postrzałowe, pyły zawierające krzemionkę lub składniki rudy i dopływ ciepła na dużej głębokości. Długie upadowe oraz rozproszone pola wydobywcze wymagają wspólnego planowania oporów sieci, pracy maszyn, wentylacji przodków i udostępniania kolejnych poziomów.

Podziemne kopalnie kopalin niemetalicznych. Spaliny, pyły i gazy postrzałowe również pozostają istotne. Przy dużych przekrojach i eksploatacji komorowo-filarowej, w której pozostawia się filary podtrzymujące górotwór, szczególnej uwagi wymagają rozpływ w rozległych przestrzeniach, zwarcia wentylacyjne, dopasowanie dopływu do pracy maszyn i kontrola bocznic przy zmianie miejsc wydobycia.

Jest to porównanie ogólne. Ostateczny projekt wynika z geologii, systemu eksploatacji, głębokości, obowiązującego prawa i rzeczywistej oceny zagrożeń. Nazwa kopaliny nie stanowi podstawy do wykluczenia występowania gazów palnych ani innych szczególnych niebezpieczeństw.

Zakres kryteriów klimatycznych również trzeba rozróżniać. Polska nowelizacja z 22 sierpnia 2019 r. odmiennie ujmuje kopalnie węgla kamiennego, zakłady wydobywające inne kopaliny oraz szczególne warunki pracy w złożach soli. Wskazuje między innymi ocenę parametrów mikroklimatu i temperaturę zastępczą klimatu we właściwym zakresie stosowania. Nie jest to jeden uniwersalny próg temperatury dla każdego wyrobiska. Przepisy trzeba czytać z dalszymi zmianami i dokumentami, do których odsyłają; badania i opisy realizacji nie zastępują tych wymagań.^[7]

Dane do oceny sieci wentylacyjnej

Do wstępnej oceny warto przekazać następujące informacje, w zakresie, w jakim są dostępne:

• aktualny i planowany układ wyrobisk, z poziomami, szybami, wlotami sztolni, upadowymi, połączeniami między poziomami i głównymi drogami wentylacyjnymi;

• położenie dróg świeżego i zużytego powietrza oraz zamierzone kierunki przepływu;

• przekroje, długości i stan wyrobisk, w tym miejsca istotnych przewężeń;

• odpowiadające sobie wartości strumienia i ciśnienia dla minimalnego, normalnego i maksymalnego zapotrzebowania w obecnych oraz przyszłych stanach ruchowych;

• zmierzone strumienie i ciśnienia w głównych przekrojach oraz czynnych miejscach pracy, wraz z lokalizacją i stanem urządzeń podczas pomiaru;

• informację, czy przepływ podano dla warunków rzeczywistych, czy odniesienia, oraz czy ciśnienie jest statyczne, czy całkowite; dla różnicy ciśnień także oba miejsca pomiaru;

• gęstość powietrza lub warunki odniesienia użyte w obliczeniach, charakterystykach i próbach odbiorczych;

• głębokość kopalni, rzędną wysokościową terenu, temperaturę, wilgotność i warunki wodne;

• system eksploatacji, harmonogram drążenia i kolejne etapy rozbudowy;

• rodzaj, moc, liczbę, rozmieszczenie i harmonogramy pracy maszyn z silnikami Diesla;

• zagrożenia gazowe, pyłowe, związane z DPM, gazami postrzałowymi, ciepłem i emisjami procesowymi;

• średnicę, materiał, długość, łuki i szczelność lutniociągu oraz wymagany strumień w przodku;

• dane z tabliczek znamionowych istniejących wentylatorów, dostępne charakterystyki, prędkość obrotową lub ustawienie łopatek, pomiary ruchowe, sterowanie oraz układ urządzeń pracujących i rezerwowych;

• napięcie i częstotliwość zasilania, sposób rozruchu lub regulacji prędkości oraz wymagane interfejsy sterowania;

• drzwi, regulatory, tamy, uszczelnienia, drogi przepływu przez nieszczelności i pozostałe urządzenia regulacyjne;

• punkty monitoringu, progi alarmowe i dostępne przebiegi parametrów w czasie;

• właściwe przepisy, dokumentację wentylacyjną kopalni i kryteria odbioru projektu.

Niepełne dane nie wykluczają wstępnej konsultacji, ale ograniczają dokładność propozycji dotyczącej strumienia i ciśnienia. Pomiary w bocznicach oraz aktualna dokumentacja są zwykle bardziej przydatne niż sama moc silnika albo średnica wentylatora.

Najczęstsze pytania o wentylację kopalń podziemnych

Czym różni się system wentylacji od wentylatora kopalnianego?

System obejmuje całą sieć doprowadzania i odprowadzania powietrza, wyrobiska, tamy i regulatory, lutniociągi, pomiary, procedury oraz wentylatory. Wentylator wytwarza różnicę ciśnień napędzającą przepływ w tej sieci. Najpierw ustala się wstępne wymagania systemu, następnie dobiera urządzenie i ponownie sprawdza jego współpracę z siecią w rzeczywistych warunkach zabudowy.

Czym różni się wentylacja główna od wentylacji odrębnej?

Wentylacja główna zapewnia przepływ przez podstawowe drogi świeżego i zużytego powietrza. Wentylacja odrębna służy wyrobiskom ślepym i miejscom, do których nie dociera wystarczający prąd opływowy. W układzie lutniowym wymaga odpowiedniego dopływu świeżego powietrza z sieci głównej. Przy wentylacji ssącej świeże powietrze musi docierać do przodka drogą poza lutniociągiem. Wentylator zwiększający ciśnienie w części sieci pełni inną funkcję.

Dlaczego strumień powietrza przy przodku może być mniejszy niż przy wentylatorze?

W układzie tłoczącym nieszczelności zmniejszają ilość powietrza docierającą do wylotu lutniociągu. W układzie ssącym powietrze z wyrobiska może napływać do przewodu przez nieszczelności, więc przepływ przez wentylator bywa większy niż przez wlot przy przodku. Tarcie i przewężenia zmieniają punkt pracy, lecz same nie powodują ubytku powietrza w szczelnym przewodzie. Recyrkulacja może zmniejszać dopływ świeżego powietrza bez spadku całkowitej wydajności wentylatora. Porównanie wymaga jednoznacznych miejsc pomiaru i zgodnych warunków gęstości.

Czy zwiększenie prędkości obrotowej wentylatora zawsze usuwa niedobór powietrza?

Nie. Przyczyną mogą być przewężenia, uszkodzone tamy lub drzwi, nieszczelności, zwarcia wentylacyjne, recyrkulacja, niewłaściwy rozpływ lub źle dobrany lutniociąg. Podnoszenie ciśnienia bez rozpoznania sieci może zwiększyć pobór mocy i hałas przy niewielkiej poprawie przewietrzania przodka. Najpierw trzeba ustalić przyczynę niedoboru, a nie zakładać, że zawsze jest nią zbyt mały wentylator.

Jak często należy wykonywać pomiary wentylacyjne?

Częstotliwość zależy od przepisów, rodzaju kopalni, zagrożeń, dokumentacji wentylacyjnej i tempa zmian warunków. Oprócz wymaganych terminów trzeba ocenić potrzebę dodatkowych pomiarów po istotnej zmianie sieci, nieoczekiwanych wynikach, zmianie nastaw wentylatorów lub urządzeń regulacyjnych, wykonaniu nowego połączenia i znacznym postępie robót. Nie należy bez sprawdzenia przyjmować harmonogramu innego zakładu lub państwa.

Czy samo przewietrzanie wystarcza do opanowania ciepła w głębokiej kopalni?

Niekiedy tak, ale ciepło dopływające od górotworu, wód i maszyn oraz wzrost temperatury sprężanego powietrza mogą uniemożliwić utrzymanie wymaganych warunków przy istniejącym strumieniu. Wilgotność dodatkowo wpływa na oddawanie ciepła przez organizm. Konieczne mogą być chłodzenie miejscowe, woda lodowa, urządzenia chłodnicze, poprawa odwadniania lub klimatyzacja centralna, połączone z działaniami ograniczającymi zagrożenie klimatyczne.

Czy ten sam projekt można zastosować w kopalni węgla i rud metali?

Nie istnieje jeden układ odpowiedni dla każdej kopalni. W kopalniach węgla znaczenie mogą mieć przede wszystkim metan, pył węglowy, samozagrzewanie i samozapalenie oraz wymagania dotyczące urządzeń. W kopalniach rud i kopalin niemetalicznych istotne bywają DPM, gazy postrzałowe, pyły zawierające krzemionkę lub składniki rudy, ciepło i rozległe wyrobiska. Projekt należy oprzeć na rzeczywistych zagrożeniach i właściwych wymaganiach.

Podsumowanie

Skuteczność wentylacji ocenia się przez dopływ wymaganego powietrza do każdego czynnego miejsca pracy, a nie tylko przez całkowitą wydajność wentylatora. Najpierw określa się zapotrzebowanie, wykonuje pomiary i modeluje sieć, ogranicza zbędne opory oraz nieszczelności, a następnie wyznacza wstępny zakres przepływu i ciśnienia. Po doborze lub regulacji urządzeń ponownie sprawdza się współpracę wentylatora z siecią. Projektowanie wentylacji i dobór wentylatora są ze sobą powiązane, lecz nie są tym samym zadaniem.