Das Hauptziel der Grubenbelüftung ist die Bereitstellung ausreichender Luftmengen an allen Arbeitsplätzen und Fahrwegen in einem untertägigen Bergwerk, um die auf andere Weise nicht beherrschbaren Schadstoffe auf ein akzeptables Maß zu verdünnen. Wo die Tiefen- und Gesteinstemperaturen so hoch sind, dass die Lufttemperaturen zu hoch sind, können mechanische Kühlsysteme verwendet werden, um die vorteilhaften Wirkungen der Belüftung zu ergänzen.

Die Grubenatmosphäre

Die Zusammensetzung der gasförmigen Hülle, die die Erde umgibt, variiert von Ort zu Ort um weniger als 0.01 %, und die Zusammensetzung „trockener“ Luft wird üblicherweise mit 78.09 % Stickstoff, 20.95 % Sauerstoff, 0.93 % Argon und 0.03 % Kohlendioxid angenommen. Auch Wasserdampf ist je nach Lufttemperatur und -druck sowie der Verfügbarkeit freier Wasserflächen in unterschiedlichen Mengen vorhanden. Wenn Ventilationsluft durch ein Bergwerk strömt, kann sich die Wasserdampfkonzentration erheblich ändern, und diese Variation ist Gegenstand einer separaten Untersuchung der Psychrometrie. Um den Zustand einer Mischung aus Wasserdampf und trockener Luft an einem bestimmten Punkt zu definieren, sind die drei messbaren unabhängigen Eigenschaften Luftdruck, Trockenkugel- und Feuchtkugeltemperatur erforderlich.

Lüftungsanforderungen

Die durch die Verdünnungslüftung zu kontrollierenden Schadstoffe sind hauptsächlich Gase und Staub, obwohl ionisierende Strahlungen in Verbindung mit natürlich vorkommendem Radon Probleme bereiten können, insbesondere in Uranminen und dort, wo die Uran-Hintergrundkonzentrationen des Wirts- oder angrenzenden Gesteins erhöht sind. Die für die Verdünnungskontrolle erforderliche Luftmenge hängt sowohl von der Stärke der Schadstoffquelle als auch von der Wirksamkeit anderer Kontrollmaßnahmen ab, wie z. B. Wasser zur Staubunterdrückung oder Methanableitungssysteme in Kohlebergwerken. Der minimale Verdünnungsluftdurchsatz wird durch die Verunreinigung bestimmt, die die größte Verdünnungsmenge erfordert, unter gebührender Berücksichtigung der möglichen additiven Wirkungen von Mischungen und Synergien, bei denen eine Verunreinigung die Wirkung einer anderen verstärken kann. Dieser Wert könnte durch eine minimale Luftgeschwindigkeitsanforderung außer Kraft gesetzt werden, die typischerweise 0.25 m/s beträgt und sich erhöht, wenn die Lufttemperaturen ebenfalls steigen.

Dieselbetriebene Gerätebelüftung

In mechanisierten Bergwerken mit dieselbetriebenen mobilen Geräten und in Ermangelung einer kontinuierlichen Gasüberwachung wird die Abgasverdünnung verwendet, um den Mindestbedarf an Belüftungsluft dort zu bestimmen, wo sie betrieben werden. Die benötigte Luftmenge liegt normalerweise zwischen 0.03 und 0.06 m³/s pro kW Nennleistung am Betriebspunkt abhängig von der Art des Motors und ob eine Abgasreinigung eingesetzt wird. Kontinuierliche Entwicklungen sowohl in der Kraftstoff- als auch in der Motortechnologie sorgen für niedrigere Motoremissionen, während Katalysatoren, Nasswäscher und Keramikfilter die Austrittskonzentrationen von Kohlenmonoxid/Aldehyden, Stickoxiden bzw. Dieselpartikeln weiter reduzieren können. Dies trägt dazu bei, immer strengere Grenzwerte für Schadstoffe einzuhalten, ohne die Abgasverdünnungsraten wesentlich zu erhöhen. Die minimal mögliche Verdünnungsgrenze von 0.02 m³/s pro kW wird durch die Kohlendioxidemissionen bestimmt, die proportional zur Motorleistung und unbeeinflusst von der Abgaskonditionierung sind.

Dieselmotoren haben einen Wirkungsgrad von etwa einem Drittel bei der Umwandlung der im Kraftstoff verfügbaren Energie in nutzbare Energie, und der größte Teil davon wird dann zur Überwindung von Reibung verwendet, was zu einer Wärmeabgabe führt, die etwa dreimal so hoch ist wie die Leistungsabgabe. Selbst beim Transport von Steinen auf einem Gefälle in einem Lastwagen beträgt die verrichtete Nutzarbeit nur etwa 10 % der im Kraftstoff verfügbaren Energie. Höhere Dieselmotorleistungen werden in größeren mobilen Geräten verwendet, die für einen sicheren Betrieb größere Ausgrabungen erfordern. Unter Berücksichtigung normaler Fahrzeugabstände und einer typischen Dieselabgas-Verdünnungsrate von
0.04 m³/s pro kW betragen die minimalen Luftgeschwindigkeiten bei Dieselmotoren im Durchschnitt etwa 0.5 m/s.

Belüftung verschiedener Abbauverfahren

Obwohl die Festlegung allgemeiner Anforderungen an die Luftmenge nicht angemessen ist, wenn detaillierte Informationen zur Bergwerks- und Belüftungsplanung verfügbar oder möglich sind, unterstützen sie die Kriterien, die für die Auslegung verwendet werden. Abweichungen von den Normalwerten sind in der Regel erklärbar und begründbar, zB in Bergwerken mit Hitze- oder Radonproblemen. Die allgemeine Beziehung ist:

Minenmenge = at + β

wobei t die jährliche Produktionsrate in Millionen Tonnen pro Jahr (Mtpa) ist, α ein variabler Luftmengenfaktor ist, der direkt mit der Produktionsrate zusammenhängt, und β die konstante Luftmenge ist, die zum Belüften der Mineninfrastruktur wie dem Erzhandhabungssystem erforderlich ist. Typische Werte von α sind in Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1. Auslegungsfaktoren der Luftmenge

Die konstante Luftmenge β hängt hauptsächlich vom Erzbehandlungssystem und bis zu einem gewissen Grad von der Gesamtproduktionsrate der Mine ab. Für Minen, in denen Gestein durch ein Gefälle mit dieselbetriebenen LKW-Transporten transportiert wird oder das abgebaute Gestein nicht zerkleinert wird, ist ein geeigneter Wert von β 50 m³/s. Diese erhöht sich typischerweise auf 100 m³/s beim Einsatz von Untertagebrechern und Förderanlagen mit Untertage-Wartungsbereichen. Wenn das Erzhandhabungssystem umfangreicher wird (dh unter Verwendung von Förderern oder anderen Erztransfersystemen), kann β weiter um bis zu 50 % zunehmen. Bei sehr großen Bergwerken mit Mehrfachschachtanlagen ist die konstante Luftmenge β ebenfalls ein Vielfaches der Anzahl der benötigten Schachtanlagen.

Kühlanforderungen

Gestalten Sie die thermischen Bedingungen

Die Bereitstellung geeigneter thermischer Bedingungen zur Minimierung der Gefahren und nachteiligen Auswirkungen von Hitzestress kann zusätzlich zu der zur Kontrolle von Schadstoffen erforderlichen Belüftung eine mechanische Kühlung erfordern. Obwohl die aufgebrachte Hitzebelastung eine komplexe Funktion von klimatischen Variablen und physiologischen Reaktionen darauf ist, haben in praktischer Hinsicht im Bergbau die Luftgeschwindigkeit und die Feuchtkugeltemperatur den größten Einfluss. Dies verdeutlichen die kleidungskorrigierten Luftkühlleistungen (W/m²) in Tabelle 2 angegeben. Unter Tage wird angenommen, dass die Strahlungstemperatur gleich der Trockenkugeltemperatur und 10 °C höher als die Feuchtkugeltemperatur ist. Der barometrische Druck und das Kleidungsregime sind typisch für Arbeiten unter Tage (dh 110 kPa und 0.52 Kleidungseinheiten).

Tabelle 2. Kleidungskorrigierte Luftkühlleistungen (W/m²)

Eine Luftgeschwindigkeit von 0.1 m/s spiegelt den Effekt der natürlichen Konvektion wider (dh überhaupt kein wahrnehmbarer Luftstrom). Eine Luftgeschwindigkeit von 0.25 m/s ist das im Bergbau normalerweise zulässige Minimum, und 0.5 m/s wären erforderlich, wenn die Feuchtkugeltemperatur 25 °C übersteigt. In Bezug auf das Erreichen des thermischen Gleichgewichts beträgt die aus typischen Arbeitsgeschwindigkeiten resultierende Stoffwechselwärme: Ruhe, 50 W/m²; leichte Arbeiten, 115 bis 125 W/m², mittlere Arbeit, 150 bis 175 W/m²; und harte Arbeit, 200 bis 300 W/m². Aus einer detaillierten Optimierungsstudie würden die Konstruktionsbedingungen für eine bestimmte Minenanwendung bestimmt. Im Allgemeinen liegen optimale Feuchtkugeltemperaturen zwischen 27.5 °C und 28.5 °C, wobei die niedrigeren Temperaturen für weniger mechanisierte Operationen gelten. Bei einer Feuchtkugeltemperatur von über 30.0 °C nimmt die Arbeitsleistung ab und das Risiko hitzebedingter Erkrankungen steigt deutlich, und bei einer Feuchtkugeltemperatur von über 32.5 °C sollte die Arbeit normalerweise nicht fortgesetzt werden.

Meine Wärmelasten

Die Grubenkältelast ist die Grubenwärmelast abzüglich der Kühlleistung der Ventilationsluft. Die Wärmelast des Bergwerks umfasst die Auswirkungen der Autokompression der Luft in den Einlassluftwegen (die Umwandlung von potentieller Energie in Enthalpie, wenn die Luft in das Bergwerk hinabströmt), den Wärmefluss in das Bergwerk aus dem umgebenden Gestein, die Wärme, die aus dem Bergwerk entfernt wird Gesteinsbruch oder jegliches Spaltenwasser, bevor sie aus den Einläufen oder Arbeitsabschnitten der Mine entfernt werden, und die Wärme, die aus dem Betrieb von Geräten entsteht, die beim Erzbrechen und beim Transport verwendet werden. Die Kühlleistung der Ventilationsluft hängt sowohl von den thermischen Umgebungsbedingungen an den Arbeitsplätzen als auch von den tatsächlichen klimatischen Bedingungen an der Oberfläche ab.

Obwohl die relativen Beiträge jeder Wärmequelle zur Gesamtmenge standortspezifisch sind, ist die Autokompression normalerweise der Hauptbeitrag zwischen 35 und 50 % der Gesamtmenge. Wenn die Abbautiefe zunimmt, kann die Autokompression dazu führen, dass die Kühlkapazität der Luft negativ wird, und die Wirkung der Zufuhr von mehr Luft besteht darin, die Kühllast der Mine zu erhöhen. In diesem Fall sollte die bereitgestellte Belüftungsmenge das Minimum sein, das mit der Einhaltung der Schadstoffkontrolle vereinbar ist, und es sind zunehmende Kühlmengen erforderlich, um produktive und sichere Arbeitsbedingungen zu schaffen. Ab welcher Abbautiefe eine Kühlung erforderlich wird, hängt in erster Linie von den klimatischen Bedingungen an der Oberfläche, der Strecke ab, die die Luft durch die Ansaugluftwege zurücklegt, bevor sie verwendet wird, und dem Umfang, in dem große Geräte (diesel- oder elektrisch betrieben) verwendet werden.

Primäre Lüftungssysteme

Netzwerke

Primäre Belüftungssysteme oder -netze befassen sich mit der Sicherstellung des Luftstroms durch miteinander verbundene Grubenöffnungen. Das gesamte Belüftungsnetz hat Verbindungsstellen, an denen sich drei oder mehr Luftwege treffen, Abzweigungen, die Luftwege zwischen Verbindungsstellen sind, und Maschen, die geschlossene Pfade sind, die durch das Netzwerk verlaufen. Obwohl die meisten Grubenbelüftungsnetze mit Hunderten oder sogar Tausenden von Verzweigungen verzweigt sind, ist die Anzahl der Haupteinlass- (Zweig zwischen der Oberfläche und den Grubenanlagen) und Rück- oder Auslassluftwege (Zweig zwischen den Anlagen und der Oberfläche) normalerweise auf weniger als zehn begrenzt.

Bei einer großen Anzahl von Abzweigungen in einem Netzwerk ist die Bestimmung eines Strömungsmusters und die Ermittlung des Gesamtdruckverlusts nicht einfach. Obwohl viele in einfacher Reihen- oder Parallelanordnung vorliegen, die algebraisch und präzise gelöst werden können, wird es einige zusammengesetzte Abschnitte geben, die iterative Verfahren mit Konvergenz auf eine akzeptable Toleranz erfordern. Analoge Computer wurden erfolgreich für die Netzwerkanalyse verwendet; Diese wurden jedoch durch weniger zeitaufwändige digitale Methoden ersetzt, die auf der Hardy-Cross-Approximationstechnik basieren, die zur Lösung von Wasserströmungsnetzen entwickelt wurde.

Atemwegswiderstand und Schockverluste

Der Luftströmungswiderstand eines Tunnels oder einer Minenöffnung ist eine Funktion seiner Größe und Oberflächenrauhigkeit, und der resultierende Druckverlust hängt von diesem Widerstand und dem Quadrat der Luftgeschwindigkeit ab. Durch Zufuhr von Energie in das System kann ein Druck erzeugt werden, der dann den Druckverlust überwindet. Dies kann auf natürliche Weise erfolgen, wenn die Energie durch Wärme aus dem Gestein und anderen Quellen bereitgestellt wird (natürliche Belüftung). Obwohl dies früher die Hauptlüftungsmethode war, werden nur 2 bis 3 % der Energie umgewandelt, und in heißen Sommern kann das Gestein die angesaugte Luft tatsächlich kühlen, was zu Strömungsumkehrungen führt. In modernen Bergwerken wird normalerweise ein Ventilator verwendet, um dem Luftstrom Energie zuzuführen, der dann den Druckverlust überwindet, obwohl die Auswirkungen der natürlichen Belüftung ihn je nach Jahreszeit entweder unterstützen oder verzögern können.

Wenn Luft über eine Oberfläche strömt, bleiben die Luftmoleküle unmittelbar neben der Oberfläche stehen und die benachbarten gleiten über die ruhenden mit einem Widerstand, der von der Viskosität der Luft abhängt. Es entsteht ein Geschwindigkeitsgradient, bei dem die Geschwindigkeit mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche zunimmt. Die als Ergebnis dieses Phänomens erzeugte Grenzschicht und die ebenfalls gebildete laminare Unterschicht, wenn sich die Grenzschicht entwickelt, haben einen tiefgreifenden Einfluss auf die Energie, die erforderlich ist, um die Strömung zu fördern. Im Allgemeinen ist die Rauhigkeit der Oberfläche der Atemwege in Minen groß genug, damit sich die „Unebenheiten“ durch die Grenzunterschicht erstrecken. Der Atemweg ist dann hydraulisch rauh und der Widerstand ist eine Funktion der relativen Rauhigkeit, dh des Verhältnisses der Rauhigkeitshöhe zum Durchmesser des Atemwegs.

Die meisten Atemwege, die mit herkömmlichen Bohr- und Sprengtechniken abgebaut wurden, haben Rauhigkeitshöhen zwischen 100 und 200 mm, und selbst in sehr „blockigem“ Boden würde die durchschnittliche Rauhigkeitshöhe 300 mm nicht überschreiten. Beim Vortrieb von Atemwegen mit Bohrmaschinen liegt die Rauhigkeitshöhe zwischen 5 und 10 mm und gilt noch als hydraulisch rau. Die Rauhigkeit der Atemwege kann durch Auskleiden verringert werden, obwohl die Begründung eher in der Bodenunterstützung liegt als in einer Verringerung der zum Zirkulieren der Ventilationsluft erforderlichen Leistung. Beispielsweise wäre ein großer, mit Beton ausgekleideter Schacht mit einer Rauheit von 1 mm übergangsweise rau und die Reynolds-Zahl, die das Verhältnis von Trägheits- zu viskosen Kräften ist, würde auch den Luftströmungswiderstand beeinflussen.

In der Praxis führen die Schwierigkeiten bei der glatten Betonauskleidung eines so großen Schachts von oben nach unten während des Abteufens zu erhöhter Rauheit und Widerständen, die etwa 50 % höher sind als die glatten Werte.

Mit einer begrenzten Anzahl von Ansaug- und Rückluftwegen zwischen den Abbaustätten und der Oberfläche tritt ein großer Teil (70 bis 90 %) des gesamten Druckverlusts der Mine in ihnen auf. Atemwegsdruckverluste hängen auch davon ab, ob es Unterbrechungen gibt, die Schockverluste verursachen, wie Krümmungen, Kontraktionen, Ausdehnungen oder irgendwelche Obstruktionen in den Atemwegen. Die Verluste, die sich aus diesen Diskontinuitäten wie Biegungen in und aus Atemwegen ergeben, können, ausgedrückt als Verluste, die bei einer äquivalenten Länge eines geraden Atemwegs entstehen würden, einen erheblichen Teil des Gesamtbetrags ausmachen und müssen besonders sorgfältig bewertet werden bei Betrachtung der Haupteinlässe und -auslässe. Die Verluste in Diskontinuitäten hängen vom Ausmaß der Grenzschichtablösung ab; dies wird minimiert, indem plötzliche Flächenänderungen vermieden werden.

Widerstand der Atemwege mit Obstruktionen

Die Auswirkung einer Obstruktion auf Druckverluste hängt von ihrem Luftwiderstandsbeiwert und dem Füllkoeffizienten ab, der das Verhältnis der Blockadefläche des Objekts zur Querschnittsfläche des Atemwegs ist. Die durch Hindernisse verursachten Verluste können reduziert werden, indem die Grenzschichtablösung und das Ausmaß eines turbulenten Nachlaufs minimiert werden, indem das Objekt stromlinienförmig gemacht wird. Luftwiderstandsbeiwerte werden durch ihre Form und Anordnung in der Welle beeinflusst; Vergleichswerte wären: I-Balken, 2.7; quadratisch, 2.0; Zylinder, 1.2; längliches Sechseck, 0.6; und vollständig stromlinienförmig, 0.4.

Selbst bei kleinen Füllkoeffizienten und niedrigen Luftwiderstandsbeiwerten ist die kumulative Wirkung auf die Druckverluste erheblich, wenn die Behinderung regelmäßig wiederholt wird, wie z. B. bei den Balken, die Förderkammern in einem Schacht trennen. Beispielsweise wäre der Widerstand eines Schachts, der mit halbstromlinienförmigen, langgestreckten Sechskantträgern und einem Füllkoeffizienten von 0.08 ausgestattet ist, etwa viermal so hoch wie der eines mit Beton ausgekleideten Schachts allein. Obwohl die Materialkosten der leichter erhältlichen rechteckigen hohlen Baustahlprofile höher sind als die von I-Trägern, liegen die Luftwiderstandsbeiwerte bei etwa einem Drittel und rechtfertigen problemlos ihre Anwendung.

Haupt- und Booster-Fans

Sowohl Axial- als auch Zentrifugalventilatoren werden zur Luftumwälzung in Grubenbelüftungssystemen eingesetzt, wobei Ventilatorwirkungsgrade von über 80 % erreichbar sind. Die Wahl zwischen Axial- oder Zentrifugallüftern für Hauptgebläse hängt von Kosten, Größe, Druck, Robustheit, Effizienz und jeder Leistungsvariation ab. In Bergwerken, in denen ein Lüfterausfall zu gefährlichen Methanansammlungen führen kann, wird zusätzliche Lüfterkapazität installiert, um die Kontinuität der Belüftung zu gewährleisten. Wo dies nicht so kritisch ist und bei einer Installation mit zwei Lüftern, werden etwa zwei Drittel des Minenluftstroms fortgesetzt, wenn ein Lüfter stoppt. Über den Atemwegen installierte vertikale Axialventilatoren sind kostengünstig, aber auf etwa 300 m begrenzt³/s. Bei größeren Luftmengen sind mehrere Ventilatoren erforderlich, die mit einem Kanal und einem Bogen an die Abluft angeschlossen werden.

Um die höchsten Wirkungsgrade zu vernünftigen Kosten zu erzielen, werden Axialventilatoren für Niederdruckanwendungen (weniger als 1.0 kPa) und Zentrifugalventilatoren für Hochdrucksysteme (größer als 3.0 kPa) verwendet. Jede Auswahl ist für mittlere Drücke geeignet. Wo Robustheit erforderlich ist, wie z. B. bei Abgasen mit Luftgeschwindigkeiten über dem kritischen Bereich, und Wassertröpfchen nach oben und aus dem System getragen werden, bietet ein Zentrifugallüfter eine zuverlässigere Wahl. Der kritische Luftgeschwindigkeitsbereich liegt zwischen 7.5 m/s und 12.5 m/s, wo die Wassertröpfchen je nach Größe in der Schwebe bleiben können. Innerhalb dieses Bereichs kann sich die Menge an suspendiertem Wasser aufbauen und den Systemdruck erhöhen, bis der Lüfter stehen bleibt. Dies ist der Bereich, in dem ein Teil der Luft um die Flügel rezirkuliert und der Lüfterbetrieb instabil wird. Obwohl dies für keinen Lüftertyp wünschenswert ist, ist die Möglichkeit eines Schaufelversagens eines Zentrifugallüfters in diesem Bereich der Strömungsschwankung erheblich geringer als ein Axialschaufelversagen.

Es kommt selten vor, dass ein Hauptgebläse während der gesamten Lebensdauer der Mine am gleichen Betriebspunkt betrieben werden muss, und es sind wirksame Verfahren zum Variieren der Gebläseleistung wünschenswert. Obwohl eine variable Drehzahl sowohl für Axial- als auch für Zentrifugalventilatoren den effizientesten Betrieb ergibt, sind die Kosten, insbesondere für große Ventilatoren, hoch. Die Leistung eines Axiallüfters kann durch Verstellen des Schaufelwinkels variiert werden, und zwar entweder bei stehendem Lüfter oder zu deutlich höheren Kosten bei rotierendem Lüfter. Indem der in einen Lüfter eintretenden Luft mit verstellbaren Einlassschaufeln ein Drall verliehen wird, kann die Leistung eines Zentrifugallüfters während des Betriebs variiert werden.

Der Wirkungsgrad des Radialventilators abseits des Auslegungspunktes fällt schneller ab als der eines Axialventilators und wenn über einen weiten Bereich von Betriebspunkten eine hohe Leistung gefordert wird und die Drücke geeignet sind, wird der Axialventilator gewählt.

Lüftungssysteme

Die Position des Hauptventilators im Gesamtsystem ist normalerweise auf der Oberfläche am Abluftweg. Die Hauptgründe dafür sind die Einfachheit, bei der der Einlass oft ein Förderschacht und der Auslass ein separater Luftweg für einen einzigen Zweck ist, und die Minimierung der Wärmebelastung durch Ausschluss von Lüftern aus den Einlassluftwegen. Ventilatoren können an Förderschächten entweder im Treib- oder Absaugmodus installiert werden, indem ein abgedichteter Förderrahmen bereitgestellt wird. Wo jedoch auch Arbeiter, Materialien oder Gestein in den Schacht eintreten oder ihn verlassen, besteht die Möglichkeit eines Luftlecks.

Push-Pull-Systeme, bei denen sowohl Ansaug- als auch Abluftventilatoren installiert sind, werden verwendet, um entweder den maximalen Druck im System durch Teilen zu reduzieren oder um eine sehr kleine Druckdifferenz zwischen den Arbeiten und der Oberfläche bereitzustellen. Dies ist in Bergwerken relevant, die Höhlenforschungsmethoden verwenden, wo eine Leckage durch den Höhlenbereich unerwünscht sein kann. Bei großen Druckunterschieden kann es, obwohl die Luftleckage durch eine Hohlraumzone normalerweise gering ist, zu Wärme-, Strahlungs- oder Oxidationsproblemen an den Arbeitsplätzen kommen.

Unterirdische Booster-Gebläse sind aus Platzgründen fast immer axial strömend und werden verwendet, um die Strömung in den tieferen oder weiter entfernten Abschnitten einer Mine zu verstärken. Ihr Hauptnachteil ist die Möglichkeit der Rezirkulation zwischen dem Auspuff des Booster-Lüfters und den Ansaugluftwegen. Indem die kleineren Luftströme nur dort verstärkt werden, wo sie erforderlich sind, können sie zu einem niedrigeren Hauptgebläsedruck für den vollen Minenluftstrom und einer daraus resultierenden Reduzierung der erforderlichen Gesamtgebläseleistung führen.

Sekundärbelüftung

Hilfssysteme

Sekundärlüftungssysteme sind dort erforderlich, wo eine Durchlüftung nicht möglich ist, wie z. B. in Erschließungsschächten. Es sind vier Anordnungen möglich, von denen jede ihre eigenen Vor- und Nachteile hat.

Das Zwangssystem führt dazu, dass die kühlste und frischeste Luft das Gesicht erreicht, und ermöglicht die Verwendung billigerer flexibler Kanäle. Die hohe Geschwindigkeit der aus dem Ende des Versorgungskanals austretenden Luft erzeugt einen Strahl, der zusätzliche Luft mitreißt und dabei hilft, die Oberfläche von Verunreinigungen zu fegen und eine akzeptable Oberflächengeschwindigkeit bereitzustellen. Sein Hauptnachteil besteht darin, dass der Rest des Vortriebs mit Luft belüftet wird, die mit Gasen und Staub kontaminiert ist, die durch den Abbau im Streb entstehen. Dies ist insbesondere nach Sprengungen ein Problem, wo die sicheren Wiedereintrittszeiten verlängert werden.

An anstrengendes System ermöglicht die Entfernung aller Oberflächenverunreinigungen und hält den Rest des Kopfes in der Ansaugluft. Die Nachteile bestehen darin, dass der Wärmefluss aus dem umgebenden Gestein und die Verdunstung von Feuchtigkeit zu höheren Lufttemperaturen bei der Ortsbrust führen; Arbeiten im Vortrieb zurück von der Ortsbrust, wie z. B. das Entfernen von Gestein mit dieselbetriebenen Geräten, kontaminieren die Ansaugluft; es wird kein Luftstrahl erzeugt, der über das Gesicht fegt; und es ist ein kostspieligerer Kanal erforderlich, der einen Unterdruck aushalten kann.

In einem Abgasüberschneidungssystem Das Problem, das Gesicht mit einem Luftstrahl zu reinigen, wird durch die Installation eines kleineren Lüfters und Kanals (der Überlappung) überwunden. Nachteilig ist neben dem Mehraufwand, dass die Überlappung mit der Strebfläche vorgeschoben werden muss.

In einer Umkehrsystem, wird der Zwangsbelüftungsmodus verwendet, außer während des Sprengens und der Wiedereintrittszeit nach dem Sprengen, wenn der Luftstrom umgekehrt wird. Seine Hauptanwendung ist das Abteufen von Schächten, wo die Wiedereintrittszeiten für tiefe Schächte unerschwinglich sein können, wenn ein reines Zwangssystem verwendet wird. Die Luftumkehr kann entweder durch Verwendung von Dämpfern am Lüftereinlass und -auslass oder durch Ausnutzung einer Eigenschaft von Axiallüftern erreicht werden, bei der eine Änderung der Drehrichtung der Flügel zu einer Strömungsumkehr mit etwa 60 % der normalen Strömung führt geliefert.

Ventilatoren und Kanäle

Die zur Sekundärbelüftung eingesetzten Ventilatoren sind fast ausschließlich Axialventilatoren. Um die hohen Drücke zu erreichen, die erforderlich sind, damit die Luft durch lange Kanallängen strömen kann, können mehrere Ventilatoren mit entweder gegenläufigen oder gleichläufigen Laufradanordnungen verwendet werden. Luftleckagen sind das größte Problem in Hilfsgebläse- und Kanalsystemen, insbesondere über große Entfernungen. Aus galvanisiertem Stahl oder Fiberglas hergestellte starre Kanäle haben, wenn sie mit Dichtungen installiert werden, eine ausreichend geringe Leckage und können verwendet werden, um Stränge mit einer Länge von bis zu mehreren Kilometern zu entwickeln.

Flexrohre sind wesentlich günstiger in der Anschaffung und einfacher zu montieren; Leckagen an den Kupplungen und die Leichtigkeit, mit der sie durch Kontakt mit mobilen Geräten gerissen werden, führen jedoch zu viel höheren Luftverlusten. Praktische Entwicklungsgrenzen bei der Verwendung von flexiblen Rohren übersteigen selten 1.0 km, obwohl sie durch die Verwendung größerer Rohrlängen und die Gewährleistung ausreichender Abstände zwischen dem Rohr und mobilen Geräten erweitert werden können.

Lüftungssteuerung

Sowohl Durchgangsventilation als auch zusätzliche Ventilator- und Kanalsysteme werden verwendet, um Ventilationsluft an Stellen zu liefern, an denen Personal arbeiten kann. Lüftungssteuerungen werden verwendet, um die Luft zum Arbeitsplatz zu leiten und den Kurzschluss oder Luftverlust zwischen Ansaug- und Abluftwegen zu minimieren.

Ein Schott wird verwendet, um den Luftstrom durch einen Verbindungstunnel zu stoppen. Die Konstruktionsmaterialien hängen von der Druckdifferenz ab und davon, ob sie Stoßwellen durch Sprengungen ausgesetzt sind. Flexible Vorhänge, die an den umgebenden Felsoberflächen angebracht sind, eignen sich für Niederdruckanwendungen, wie z. B. die Trennung der Einlass- und Rückluftwege in einem Raum-und-Säulen-Paneel, das mit einem kontinuierlichen Miner abgebaut wird. Holz- und Betonschotte sind für Anwendungen mit höherem Druck geeignet und können eine schwere Gummiklappe enthalten, die sich öffnen lässt, um Explosionsschäden zu minimieren.

Eine Lüftungstür ist dort erforderlich, wo Fußgänger- oder Fahrzeugdurchgang erforderlich ist. Die Konstruktionsmaterialien, der Öffnungsmechanismus und der Automatisierungsgrad werden durch die Druckdifferenz und die Häufigkeit des Öffnens und Schließens beeinflusst. Für Hochdruckanwendungen können zwei oder sogar drei Türen installiert werden, um Luftschleusen zu schaffen und Leckagen und den Verlust von Ansaugluft zu reduzieren. Um das Öffnen von Luftschleusentüren zu unterstützen, enthalten sie normalerweise einen kleinen Schiebeabschnitt, der zuerst geöffnet wird, um einen Druckausgleich auf beiden Seiten der zu öffnenden Tür zu ermöglichen.

Ein Regler wird dort eingesetzt, wo die durch einen Tunnel strömende Luftmenge eher reduziert als vollständig gestoppt werden soll und auch dort, wo kein Zugang erforderlich ist. Der Regler ist eine variable Blende und durch Veränderung der Fläche kann auch die durchströmende Luftmenge verändert werden. Ein Fallbrett ist eine der einfachsten Arten, bei der ein Betonrahmen Kanäle trägt, in die Holzbretter gelegt (fallen gelassen) und der offene Bereich variiert werden können. Andere Typen, wie Schmetterlingsjalousien, können automatisiert und ferngesteuert werden. Auf den oberen Ebenen in einigen offenen Stoppsystemen kann ein seltener Zugang durch die Regler erforderlich sein, und horizontal versteifte, flexible Platten können einfach angehoben oder abgesenkt werden, um einen Zugang zu ermöglichen und gleichzeitig Explosionsschäden zu minimieren. Sogar Schutthaufen wurden verwendet, um den Widerstand in Abschnitten einer Ebene zu erhöhen, in denen vorübergehend kein Bergbau stattfindet.

Kälte- und Kühlsysteme

Das erste Minenkühlsystem wurde 1919 in Morro Velho, Brasilien, installiert. Seit diesem Datum ist das Wachstum der weltweiten Kapazität linear bei etwa 3 Megawatt Kälte (MWR) pro Jahr bis 1965, als die Gesamtkapazität etwa 100 MWR erreichte . Seit 1965 ist das Kapazitätswachstum exponentiell, mit einer Verdopplung alle sechs oder sieben Jahre. Die Entwicklung der Minenkühlung wurde sowohl von der Klimaanlagenindustrie als auch von den Schwierigkeiten beim Umgang mit einem dynamischen Bergbausystem beeinflusst, bei dem die Verschmutzung von Wärmetauscheroberflächen tiefgreifende Auswirkungen auf die bereitgestellte Kühlmenge haben kann.

Zunächst wurden die Kälteanlagen über Tage installiert und die Grubenansaugluft gekühlt. Mit zunehmender Entfernung unter Tage von der Anlage an der Oberfläche wurde die Kühlwirkung verringert und die Kälteanlagen wurden unterirdisch näher an die Abbaustätten verlegt.

Einschränkungen in der unterirdischen Wärmeabfuhrkapazität und die Einfachheit von Oberflächenanlagen haben zu einer Rückkehr zum Standort an der Oberfläche geführt. Allerdings wird neben der Kühlung der Ansaugluft nun auch gekühltes Wasser unterirdisch zugeführt. Dieses kann in Luftkühlgeräten neben den Arbeitsbereichen oder als Betriebswasser bei Bohrern und zur Staubunterdrückung verwendet werden.

Ausrüstung von Kühlanlagen

Dampfkompressionskälteanlagen werden ausschließlich für Minen eingesetzt, und das zentrale Element der Übertageanlage ist der Kompressor. Einzelne Anlagenkapazitäten können zwischen 5 MWR und über 100 MWR variieren und erfordern im Allgemeinen mehrere Kompressorsysteme, die entweder Zentrifugal- oder Verdrängungsschneckendesign sind. Ammoniak ist normalerweise das Kältemittel, das für eine Oberflächenanlage ausgewählt wird, und ein geeigneter Halogenkohlenstoff wird unterirdisch verwendet.

Die zum Kondensieren des Kühlmittels nach dem Komprimieren erforderliche Wärme wird an die Atmosphäre abgeführt, und um die zum Bereitstellen der Minenkühlung erforderliche Leistung zu minimieren, wird diese so gering wie möglich gehalten. Die Feuchtkugeltemperatur ist immer kleiner oder gleich der Trockenkugeltemperatur, und folglich werden ausnahmslos Nasswärmeabweisungssysteme ausgewählt. Das Kältemittel kann in einem Rohrbündel- oder Plattenwärmetauscher unter Verwendung von Wasser kondensiert und die Wärme extrahiert und dann in einem Kühlturm an die Atmosphäre abgegeben werden. Alternativ können die beiden Prozesse kombiniert werden, indem ein Verdunstungskondensator verwendet wird, in dem das Kältemittel in Rohren zirkuliert, über die Luft gesaugt und Wasser versprüht wird. Wenn die Kälteanlage unterirdisch installiert ist, wird die Abluft der Grube zur Wärmeabgabe verwendet, es sei denn, das Kondensatorwasser wird an die Oberfläche gepumpt. Der Betrieb der unterirdischen Anlage ist durch die verfügbare Luftmenge und höhere unterirdische Feuchtkugeltemperaturen im Vergleich zu denen an der Oberfläche begrenzt.

Nachdem das kondensierte Kältemittel durch ein Expansionsventil geleitet wurde, wird die Verdampfung des Niedrigtemperatur-Flüssigkeits- und Gasgemischs in einem weiteren Wärmetauscher abgeschlossen, der kühlt und das gekühlte Wasser bereitstellt. Dieses dient wiederum sowohl zur Kühlung der angesaugten Luft als auch als kaltes Brauchwasser für die Mine. Der Kontakt zwischen Wasser, Ventilationsluft und dem Bergwerk verringert die Wasserqualität und erhöht die Verschmutzung des Wärmetauschers. Dies erhöht den Widerstand gegen den Wärmestrom. Wenn möglich, wird dieser Effekt minimiert, indem Geräte mit großen wasserseitigen Oberflächen ausgewählt werden, die leicht zu reinigen sind. An der Oberfläche und im Untergrund werden Sprühkammern und Kühltürme verwendet, um einen effektiveren direkten Kontaktwärmeaustausch zwischen der zu kühlenden Luft und dem gekühlten Wasser bereitzustellen. Kühlschlangen, die die Luft- und Wasserströme trennen, verstopfen mit Staub und Dieselpartikeln und ihre Wirksamkeit lässt schnell nach.

Energierückgewinnungssysteme können verwendet werden, um die Kosten für das Zurückpumpen des Wassers aus der Mine auszugleichen, und Peltonräder sind für diese Anwendung gut geeignet. Die Verwendung von kaltem Wasser als Brauchwasser hat dazu beigetragen, dass überall dort, wo Bergbau betrieben wird, Kühlung zur Verfügung steht; seine Verwendung hat die Effektivität von Minenkühlsystemen erheblich verbessert.

Eissysteme und Punktkühler

Die Kühlleistung von 1.0 l/s unterirdisch zugeführtem Kaltwasser beträgt 100 bis 120 kWR. In Bergwerken, in denen große Mengen an Kälte in Tiefen von mehr als 2,500 m unter Tage benötigt werden, können die Kosten für die Zirkulation des gekühlten Wassers es rechtfertigen, es durch Eis zu ersetzen. Berücksichtigt man die latente Schmelzwärme des Eises, erhöht sich die Kühlleistung um jeweils 1.0 l/s etwa um das Vierfache und reduziert so die Wassermasse, die aus der Mine zurück an die Oberfläche gepumpt werden muss. Die Verringerung der Pumpleistung, die sich aus der Verwendung von Eis zum Transport der Kälte ergibt, gleicht die erhöhte Leistung der Kälteanlage aus, die zur Erzeugung des Eises erforderlich ist, und die Undurchführbarkeit der Energierückgewinnung.

Die Erschließung ist in der Regel die Bergbautätigkeit mit den höchsten Wärmelasten im Verhältnis zur zur Belüftung verfügbaren Luftmenge. Dies führt häufig zu deutlich höheren Baustellentemperaturen als bei anderen Bergbauaktivitäten in derselben Mine. Wo die Anwendung von Kälte für eine Mine ein Grenzproblem darstellt, können Punktkühler, die speziell auf die Erschließungsbelüftung ausgerichtet sind, ihre allgemeine Anwendung verschieben. Ein Punktkühler ist im Wesentlichen eine unterirdische Miniatur-Kühlanlage, bei der die Wärme in die Rückluft aus der Erschließung abgegeben wird und typischerweise 250 bis 500 kWR Kühlung bereitstellt.

Überwachung und Notfälle

Lüftungsuntersuchungen, die Luftstrom-, Schadstoff- und Temperaturmessungen umfassen, werden routinemäßig durchgeführt, um sowohl gesetzliche Anforderungen zu erfüllen als auch eine kontinuierliche Messung der Wirksamkeit der verwendeten Lüftungssteuerungsmethoden bereitzustellen. Soweit praktikabel, werden wichtige Parameter wie der Betrieb des Hauptlüfters kontinuierlich überwacht. Ein gewisses Maß an automatischer Steuerung ist möglich, wenn eine kritische Verunreinigung kontinuierlich überwacht wird und wenn ein voreingestellter Grenzwert überschritten wird, Korrekturmaßnahmen veranlasst werden können.

Detailliertere Erhebungen des barometrischen Drucks und der Temperaturen werden seltener durchgeführt und dienen zur Bestätigung von Atemwegswiderständen und zur Unterstützung bei der Planung von Erweiterungen bestehender Operationen. Diese Informationen können verwendet werden, um die Netzwerksimulationswiderstände anzupassen und die tatsächliche Luftstromverteilung widerzuspiegeln. Kühlsysteme können auch modelliert und Durchfluss- und Temperaturmessungen analysiert werden, um die tatsächliche Geräteleistung zu bestimmen und Änderungen zu überwachen.

Zu den Notfällen, die das Belüftungssystem beeinträchtigen oder von ihm beeinträchtigt werden können, gehören Grubenbrände, plötzliche Gasausbrüche und Stromausfälle. Brände und Ausbrüche werden an anderer Stelle in diesem Kapitel behandelt, und Stromausfälle sind nur in tiefen Minen ein Problem, wo die Lufttemperatur auf gefährliche Werte ansteigen kann. Es ist üblich, unter diesen Bedingungen einen dieselbetriebenen Backup-Lüfter vorzusehen, um einen geringen Luftstrom durch die Mine zu gewährleisten. Im Allgemeinen ist es bei einem Notfall wie einem Feuer unter Tage besser, die Belüftung nicht zu stören, während sich Personal, das mit den normalen Strömungsmustern vertraut ist, noch unter der Erde befindet.

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