Ventilator minier: ce este, tipuri, parametri și selecție pentru aeraj sigur

Ce este un ventilator minier?

Ventilatorul minier, numit frecvent și ventilator de aeraj minier (sau ventilator pentru aeraj minier), este un ventilator industrial de mare capacitate folosit în minerit pentru a introduce aer proaspăt în subteran, a evacua gazele nocive și praful și a controla temperatura și umiditatea. În exploatările moderne de cărbune, mine metalifere și nemetalifere, precum și în lucrări de tunel și alte lucrări subterane, el rămâne unul dintre echipamentele-cheie care asigură presiunea și debitul necesare aerajului subteran.

Fără un sistem de ventilație proiectat și exploatat corect, în subteran se pot acumula rapid metan, monoxid de carbon, dioxid de carbon, oxizi de azot (NO_x), fum rezultat din lucrările de împușcare (detonări) și gaze de eșapament ale utilajelor diesel, iar praful și căldura nu mai sunt evacuate eficient. Consecințele pot include un risc crescut de explozie (în special din cauza metanului), asfixiere sau intoxicație, precum și degradarea condițiilor de muncă și creșterea riscului de boli profesionale.

1. De ce este ventilatorul minier esențial pentru siguranța în subteran?

Un sistem de ventilație minieră este, în practică, un ansamblu format din metoda de aeraj, rețeaua de aeraj și sursa de presiune: galerii de admisie și de retur, puțuri de aeraj, uși și regulatoare de aeraj, tubulatură/conducte de ventilație, precum și echipamentele de ventilație (ventilator principal, ventilatoare locale etc.). Împreună, acestea asigură introducerea aerului proaspăt, evacuarea aerului viciat și distribuția debitului către zonele de lucru.

Imagine: schemă simplificată a ventilației miniere. Ventilatorul principal este amplasat la suprafață, iar în subteran ventilatoarele de supraalimentare și ventilatoarele locale trimit aer către fronturile de lucru; aerul uzat revine prin galeriile și puțurile de retur.

Rolurile tipice ale ventilatorului minier în sistem includ:

• Asigurarea unui debit suficient de aer proaspăt pentru respirație și pentru răcirea echipamentelor;

• Diluarea metanului, a CO, a fumului rezultat din lucrările de împușcare (detonări) și a gazelor diesel până sub limitele admise de reglementări;

• Menținerea unei viteze a aerului care să transporte praful, fumul și căldura, reducând „zonele moarte” și stagnarea;

• Crearea unor condiții de curgere controlabile pentru sistemele de monitorizare (metan, CO etc.), facilitând ventilația la cerere și funcționarea eficientă din punct de vedere energetic.

Conform practicilor de siguranță și cerințelor de exploatare din industria minieră, operatorii trebuie să mențină un sistem de ventilație complet și fiabil, cu amplasare corectă a ventilatorului principal, a ventilatoarelor locale și a construcțiilor de ventilație, astfel încât întregul sistem să poată funcționa continuu și în siguranță în diverse regimuri de lucru.

2. Tipuri de ventilatoare miniere după rol și amplasare

În proiectare și exploatare, ventilatoarele miniere sunt cel mai des clasificate după rol și locul de instalare, nu doar după marcă sau model.

2.1 Ventilator principal (ventilator de aeraj principal)

Imagine: stație de ventilator principal la suprafață. Acesta furnizează debitul și presiunea necesare și reprezintă sursa de energie a întregii rețele de ventilație.

Ventilatorul principal este instalat, de regulă, la suprafață, în apropierea puțului de aeraj sau a portalului rampei, și asigură cea mai mare parte din presiunea și debitul pentru întreaga mină. În limbajul curent al exploatării, este „plămânul” minei și „inima” sistemului de ventilație.

Caracteristici uzuale ale ventilatorului principal:

• Montaj pe fundație din beton sau în clădirea stației de ventilatoare, cu elemente de racordare, difuzor și silențiatoare de zgomot;

• Configurații de tip în funcțiune + rezervă (de ex. 1+1 sau 2+1) pentru creșterea fiabilității;

• Motoare de putere mare și tensiune corespunzătoare, frecvent cu variator de frecvență pentru ventilație la cerere și economie de energie;

• Posibilitate de funcționare reversibilă (după cerințe), pentru schimbarea sensului de curgere în situații de urgență (de ex. incendiu, evacuare fum).

2.2 Ventilator de supraalimentare (ventilator în serie / de asistare)

Imagine: ventilator de supraalimentare amplasat în subteran. Prin conducte metalice, crește presiunea locală și împinge aerul către zone adânci sau cu rezistențe mari.

Ventilatorul de supraalimentare (numit și ventilator de asistare sau ventilator în serie) se montează în rețeaua de ventilație subterană și lucrează „în serie” cu ventilatorul principal. Este folosit mai ales în zone adânci sau cu pierderi de presiune ridicate, pentru a compensa limitele ventilatorului principal și a susține alimentarea cu aer a unui sector îndepărtat.

Deoarece acest tip de ventilator poate modifica repartizarea presiunilor în rețea, o proiectare sau exploatare necorespunzătoare poate produce dezechilibre de debit sau chiar inversări locale ale curgerii. De aceea, în practică se impun condiții stricte privind domeniul de utilizare, metodele de reglaj și monitorizarea de siguranță.

2.3 Ventilator local (ventilator de front / ventilator de galerie)

Imagine: ventilator local împreună cu tub flexibil, care duce aerul proaspăt direct la front, reducând praful, fumul rezultat din lucrările de împușcare (detonări) și gazele de eșapament diesel.

Ventilatorul local este un ventilator minier de dimensiuni mici sau medii, amplasat aproape de zona de lucru, utilizat pentru alimentarea cu aer a unei galerii oarbe, a frontului de înaintare, a unui abataj sau a unor încăperi tehnice. De regulă, lucrează împreună cu o tubulatură metalică sau flexibilă, pentru a duce aerul proaspăt exact acolo unde este necesar.

Ventilatoarele locale sunt foarte răspândite în:

• Fronturi de înaintare, abataje, galerii de exploatare și zone de lucru cu ventilație direcționată;

• Camere tehnice (pompe, stații electrice, depozite), pentru aer proaspăt sau evacuare locală;

• Zone cu praf intens și degajări de căldură, unde se cere control mai strict al microclimatului (concasoare, puncte de transfer etc.).

3. Ventilatoare miniere axiale și centrifugale

După direcția de curgere a aerului și construcția rotorului, ventilatoarele miniere se împart, în linii mari, în două familii: axiale și centrifugale.

3.1 Ventilator minier axial

• Aerul intră și iese în principal de-a lungul axei rotorului;

• Are eficiență bună în regimuri de presiune mică–medie și debit mare;

• Construcție compactă; deseori cu pale reglabile sau turație variabilă pentru adaptarea la schimbări de sarcină;

• Utilizat frecvent ca ventilator principal, ventilator local și ventilator pentru tuneluri în mine metalifere, nemetalifere și în anumite exploatări de cărbune.

Când este potrivit:

• Rețele cu trasee lungi și rezistențe moderate, unde se urmărește debit mare și eficiență ridicată;

• Exploatări care folosesc variator de frecvență sau reglaj al unghiului palelor pentru ventilație la cerere și reducerea consumului;

• Situații în care se cere și funcție de reversare a curgerii (ventilație principală sau evacuare fum în tunel).

3.2 Ventilator minier centrifugal

• Aerul intră axial și este deviat în rotor, fiind evacuat radial după o schimbare de direcție de aproximativ 90°;

• Potrivit, de regulă, pentru presiuni medii–mari și debite mai mici;

• Rotor robust și carcasă solidă, cu adaptare bună la aer încărcat cu praf și la sisteme cu rezistențe ridicate;

• Recomandat pentru mine adânci, rețele cu pierderi mari de presiune sau aplicații unde este necesară o presiune totală mai ridicată.

Alegerea între ventilator axial și centrifugal se face, în mod normal, prin evaluarea debitului necesar, rezistenței totale a rețelei, spațiului disponibil, limitelor de zgomot și obiectivelor de eficiență, apoi prin corelarea curbelor de performanță ale ventilatorului cu curba de rezistență a rețelei pentru a stabili punctul de funcționare.

4. Parametrii tehnici cheie ai unui ventilator minier

În proiectarea ventilației și în selecția ventilatorului, inginerii urmăresc în special:

• Debitul de aer Q: volumul de aer livrat în regim nominal, exprimat frecvent în m³/s sau m³/min.

• Presiunea totală / presiunea statică: diferența de presiune necesară pentru a învinge pierderile din rețea, în Pa sau kPa.

• Eficiența η: raportul dintre puterea utilă transmisă aerului și puterea la arbore; o eficiență mai bună reduce costurile energetice pe termen lung.

Imagine: curbe de performanță pentru un ventilator axial minier. Pe axa orizontală este debitul, pe verticală presiunea statică; sunt suprapuse izoliniile de eficiență și curbe pentru unghiuri/turații diferite, utile la stabilirea punctului de lucru împreună cu curba rețelei.

• Curba caracteristică a ventilatorului: variația presiunii și eficienței în funcție de debit, utilizată pentru determinarea punctului de lucru la intersecția cu curba rețelei.

• Puterea și turația: puterea motorului și turația ventilatorului trebuie corelate cu debitul, presiunea și metoda de pornire (pornire directă, soft-starter, variator).

• Zgomot și vibrații: reducerea lor prin amortizare, fundații, racorduri flexibile și atenuatoare, pentru protecția echipamentelor și a personalului.

5. Siguranță, protecție la explozie și cerințe de conformitate

Ventilatoarele miniere influențează direct calitatea aerului și siguranța în subteran, motiv pentru care exploatarea lor este guvernată de reguli de securitate în minerit și de proceduri stricte de operare.

Câteva puncte importante:

• Protecție la explozie și incendiu: în mine cu risc de atmosferă explozivă, ventilatorul principal și ventilatoarele locale folosesc, de regulă, motoare și echipamente electrice adecvate, plus măsuri de prevenire a aprinderii și a propagării flăcării.

• Fiabilitate și redundanță: ventilatorul principal se recomandă în configurații cu rezervă (de ex. 1+1), iar componentele critice pot fi monitorizate pentru avertizare timpurie.

• Monitorizare și control inteligent: tot mai des se folosesc măsurători online pentru debit, presiune, metan, CO și starea ventilatorului, împreună cu reglaj prin variator, pentru „ventilație la cerere” și consum optim.

• Opriri și reversare: oprirea ventilatorului principal, reversarea curgerii sau trecerea pe rezervă trebuie gestionate prin proceduri aprobate, pentru a evita dezechilibrele de rețea și acumularea de gaze.

6. Scenarii tipice de utilizare în minerit

Ventilatoarele miniere apar în aproape orice situație unde este necesară ventilație în subteran:

• Mine de cărbune: ventilatorul principal asigură ventilația generală, iar ventilatoarele locale deservesc fronturile, galeriile și zonele de producție;

• Mine metalifere și nemetalifere: ventilatoare axiale de putere mare pentru puțuri și rampe, plus ventilatoare locale pentru sectoare, camere și abataje;

• Tuneluri și lucrări subterane: ventilație în timpul execuției, adesea cu ventilatoare și tubulaturi similare celor folosite la fronturile miniere;

• Controlul prafului și al căldurii: împreună cu deprăfuire, pulverizare și răcire, pentru reducerea concentrației de praf și stabilizarea microclimatului.

7. Cum alege un inginer ventilatorul minier potrivit?

Din perspectiva practicii inginerești, un proces corect de selecție include, de obicei:

1. Stabilirea necesarului de ventilație: pe baza dimensiunii exploatării, a numărului de persoane, a echipamentelor și a cerințelor de siguranță, se calculează debitul total și debitele pe sectoare.

2. Modelarea rețelei de ventilație: se introduc lungimi, secțiuni, tipuri de susținere și pierderi în construcții, pentru a obține rezistențele ramurilor și curba rețelei.

3. Alegerea tipului și a schemei de amplasare: axial sau centrifugal, necesitatea unui ventilator de supraalimentare, modul de dispunere a ventilatoarelor locale și configurația de rezervă.

4. Verificarea punctului de funcționare: suprapunerea curbei ventilatorului peste curba rețelei pentru a confirma funcționarea în zona eficientă și cu rezervă de debit/presiune.

5. Îndeplinirea cerințelor de siguranță: verificarea nivelului de protecție, a limitelor de zgomot, a monitorizării și a procedurilor de oprire/reversare.

6. Optimizarea energetică: selecția motoarelor eficiente, a reglajului prin variator și a strategiilor de ventilație la cerere, pentru costuri reduse pe ciclul de viață.

8. Concluzie

În esență, ventilatorul minier nu este doar „un ventilator mare”, ci sursa de presiune a întregului sistem de aeraj: aduce aerul indispensabil, diluează gaze și praf, controlează microclimatul și susține siguranța și productivitatea exploatării.

Fie că vorbim despre ventilatorul principal de la suprafață, ventilatoarele de supraalimentare din rețea sau ventilatoarele locale de la front, atunci când sunt proiectate corect, selectate pe baza calculelor și întreținute constant, aceste echipamente pot funcționa stabil pe întreaga durată de viață a minei, contribuind la un minerit mai sigur, mai eficient și mai responsabil.