L'obiettivo principale della ventilazione della miniera è la fornitura di quantità d'aria sufficienti a tutti i luoghi di lavoro e alle vie di corsa in una miniera sotterranea per diluire a un livello accettabile quei contaminanti che non possono essere controllati con altri mezzi. Dove le temperature della profondità e della roccia sono tali da rendere eccessive le temperature dell'aria, è possibile utilizzare sistemi di refrigerazione meccanica per integrare gli effetti benefici della ventilazione.

L'atmosfera della miniera

La composizione dell'involucro gassoso che circonda la terra varia di meno dello 0.01% da luogo a luogo e la costituzione dell'aria "secca" è generalmente considerata come 78.09% di azoto, 20.95% di ossigeno, 0.93% di argon e 0.03% di anidride carbonica. Il vapore acqueo è presente anche in quantità variabili a seconda della temperatura e della pressione dell'aria e della disponibilità di superfici d'acqua libere. Quando l'aria di ventilazione scorre attraverso una miniera, la concentrazione di vapore acqueo può cambiare in modo significativo e questa variazione è oggetto dello studio separato della psicrometria. Per definire lo stato di una miscela di vapore acqueo e aria secca in un punto particolare sono necessarie le tre proprietà indipendenti misurabili di pressione barometrica, temperatura a bulbo secco e temperatura a bulbo umido.

Requisiti di ventilazione

I contaminanti da controllare mediante ventilazione di diluizione sono principalmente gas e polvere, sebbene le radiazioni ionizzanti associate al radon presente in natura possano presentare problemi, specialmente nelle miniere di uranio e dove le concentrazioni di uranio di fondo dell'ospite o delle rocce adiacenti sono elevate. La quantità di aria necessaria per il controllo della diluizione dipenderà sia dalla forza della fonte contaminante che dall'efficacia di altre misure di controllo come l'acqua per l'abbattimento della polvere oi sistemi di drenaggio del metano nelle miniere di carbone. La portata minima dell'aria di diluizione è determinata dal contaminante che richiede la maggiore quantità di diluizione con la debita conoscenza dei possibili effetti additivi delle miscele e del sinergismo in cui un contaminante può aumentare l'effetto di un altro. L'override di questo valore potrebbe essere un requisito minimo di velocità dell'aria che è tipicamente di 0.25 m/se aumenta con l'aumentare anche della temperatura dell'aria.

Ventilazione dell'attrezzatura alimentata a diesel

Nelle miniere meccanizzate che utilizzano apparecchiature mobili alimentate a diesel e in assenza di monitoraggio continuo dei gas, la diluizione dei gas di scarico viene utilizzata per determinare i requisiti minimi di aria di ventilazione in cui operano. La quantità d'aria richiesta è normalmente compresa tra 0.03 e 0.06 m³/s per kW di potenza nominale nel punto di funzionamento a seconda del tipo di motore e dell'eventuale utilizzo di un condizionamento dei gas di scarico. I continui sviluppi nella tecnologia dei carburanti e dei motori stanno riducendo le emissioni del motore, mentre i convertitori catalitici, gli scrubber a umido ei filtri ceramici possono ridurre ulteriormente le concentrazioni in uscita rispettivamente di monossido di carbonio/aldeidi, ossidi di azoto e particolato diesel. Questo aiuta a soddisfare limiti di contaminanti sempre più rigorosi senza aumentare in modo significativo i tassi di diluizione dei gas di scarico. Il limite minimo di diluizione possibile di 0.02 m³/s per kW è determinato dalle emissioni di anidride carbonica che sono proporzionali alla potenza del motore e non sono influenzate dal condizionamento dei gas di scarico.

I motori diesel sono efficienti per circa un terzo nel convertire l'energia disponibile nel carburante in potenza utile e la maggior parte di questa viene quindi utilizzata per superare l'attrito con conseguente produzione di calore che è circa tre volte la potenza erogata. Anche quando si trasporta un camion in discesa, il lavoro utile svolto è solo il 10% circa dell'energia disponibile nel carburante. Potenze del motore diesel più elevate vengono utilizzate in attrezzature mobili più grandi che richiedono scavi più grandi per operare in sicurezza. Tenendo conto delle normali distanze del veicolo e di un tipico tasso di diluizione dei gas di scarico diesel di
0.04 m³/s per kW, le velocità minime dell'aria in cui operano i diesel sono in media di circa 0.5 m/s.

Ventilazione di diversi metodi di estrazione

Sebbene l'impostazione dei requisiti generali di quantità d'aria non sia appropriata laddove siano disponibili o possibili informazioni dettagliate sulla pianificazione della miniera e della ventilazione, esse supportano i criteri utilizzati per la progettazione. Le deviazioni dai valori normali possono generalmente essere spiegate e giustificate, ad esempio, nelle miniere con problemi di calore o radon. La relazione generale è:

La mia quantità = at + β

dove t è il tasso di produzione annuale in milioni di tonnellate all'anno (Mtpa), α è un fattore di quantità d'aria variabile che è direttamente correlato al tasso di produzione e β è la quantità d'aria costante necessaria per ventilare l'infrastruttura della miniera come il sistema di movimentazione del minerale. I valori tipici di α sono riportati nella tabella 1.

Tabella 1. Fattori di quantità d'aria di progetto

La quantità d'aria costante β dipende principalmente dal sistema di movimentazione del minerale e, in una certa misura, dal tasso di produzione complessivo della miniera. Per le miniere in cui la roccia viene trasportata attraverso un declivio utilizzando autocarri diesel o non vi è frantumazione della roccia estratta, un valore adeguato di β è 50 m³/S. Questo in genere aumenta a 100 m³/s quando si utilizzano frantoi interrati e cassonetti di sollevamento con aree di manutenzione sotterranee. Man mano che il sistema di movimentazione del minerale diventa più esteso (ad esempio, utilizzando nastri trasportatori o altri sistemi di trasferimento del minerale), β può aumentare ulteriormente fino al 50%. Nelle miniere molto grandi in cui vengono utilizzati sistemi a pozzi multipli, la quantità d'aria costante β è anche un multiplo del numero di sistemi a pozzi richiesti.

Requisiti di raffreddamento

Condizioni termiche di progetto

La fornitura di adeguate condizioni termiche per ridurre al minimo i pericoli e gli effetti negativi dello stress da calore può richiedere un raffreddamento meccanico oltre alla ventilazione necessaria per controllare i contaminanti. Sebbene lo stress termico applicato sia una funzione complessa delle variabili climatiche e delle risposte fisiologiche ad esse, in termini pratici di estrazione mineraria sono la velocità dell'aria e la temperatura del bulbo umido ad avere la maggiore influenza. Ciò è illustrato dalle potenze di raffreddamento dell'aria corrette per l'abbigliamento (W/m²) riportato in tabella 2. Nel sottosuolo la temperatura radiante è assunta uguale alla temperatura di bulbo secco e superiore di 10 °C alla temperatura di bulbo umido. La pressione barometrica e il regime di abbigliamento sono tipici per il lavoro sotterraneo (cioè 110 kPa e 0.52 unità di abbigliamento).

Tabella 2. Potenze di raffreddamento dell'aria corrette per l'abbigliamento (W/m²)

Una velocità dell'aria di 0.1 m/s riflette l'effetto della convezione naturale (cioè nessun flusso d'aria percepibile). Una velocità dell'aria di 0.25 m/s è la minima normalmente consentita nelle miniere e sarebbe necessaria una velocità di 0.5 m/s se la temperatura del bulbo umido supera i 25 °C. Per quanto riguarda il raggiungimento dell'equilibrio termico, il calore metabolico risultante dai ritmi di lavoro tipici è: riposo, 50 W/m²; lavori leggeri, da 115 a 125 W/m², lavoro medio, da 150 a 175 W/m²; e duro lavoro, da 200 a 300 W/m². Le condizioni di progettazione per una specifica applicazione mineraria sarebbero determinate da uno studio di ottimizzazione dettagliato. Generalmente, le temperature ottimali a bulbo umido sono comprese tra 27.5 °C e 28.5 °C con le temperature inferiori applicabili alle operazioni meno meccanizzate. Le prestazioni lavorative diminuiscono e il rischio di malattie legate al caldo aumenta significativamente quando la temperatura a bulbo umido supera i 30.0 °C e il lavoro normalmente non dovrebbe continuare quando la temperatura a bulbo umido è superiore a 32.5 °C.

I miei carichi di calore

Il carico di refrigerazione della miniera è il carico termico della miniera meno la capacità di raffreddamento dell'aria di ventilazione. Il carico termico della miniera include gli effetti dell'auto-compressione dell'aria nelle vie di aspirazione (la conversione dell'energia potenziale in entalpia mentre l'aria scorre nella miniera), il flusso di calore nella miniera dalla roccia circostante, il calore sottratto dalla rocce rotte o acqua di fenditura prima che vengano rimosse dalle prese o dalle sezioni di lavoro della miniera, e il calore derivante dal funzionamento di qualsiasi attrezzatura utilizzata nei processi di frantumazione e trasporto del minerale. La capacità frigorifera dell'aria di ventilazione dipende sia dalle condizioni ambientali termiche di progetto nei luoghi di lavoro, sia dalle effettive condizioni climatiche in superficie.

Sebbene i contributi relativi di ciascuna fonte di calore al totale siano specifici del sito, l'autocompressione è solitamente il contributo principale tra il 35 e il 50% del totale. Con l'aumentare della profondità dell'estrazione, l'autocompressione può far sì che la capacità di raffreddamento dell'aria diventi negativa e l'effetto di fornire più aria è quello di aumentare il carico di refrigerazione della miniera. In questo caso, la quantità di ventilazione fornita dovrebbe essere la minima compatibile con il rispetto del controllo dei contaminanti e sono necessarie quantità crescenti di refrigerazione per fornire condizioni di lavoro produttive e sicure. La profondità di estrazione a cui la refrigerazione diventa necessaria dipenderà principalmente dalle condizioni climatiche superficiali, dalla distanza percorsa dall'aria attraverso le vie aeree di aspirazione prima di essere utilizzata e dalla misura in cui vengono utilizzate grandi apparecchiature (diesel o elettriche).

Sistemi di ventilazione primaria

Reti

I sistemi o le reti di ventilazione primaria si occupano di garantire il flusso d'aria attraverso le aperture delle miniere interconnesse. La rete di ventilazione complessiva ha giunzioni in cui si incontrano tre o più vie aeree, diramazioni che sono vie aeree tra giunzioni e maglie che sono percorsi chiusi attraversati attraverso la rete. Sebbene la maggior parte delle reti di ventilazione delle miniere siano ramificate con centinaia o addirittura migliaia di diramazioni, il numero di vie aeree di aspirazione principali (diramazione tra la superficie e le lavorazioni della miniera) e di ritorno o di scarico (diramazione tra le lavorazioni e la superficie) è solitamente limitato a meno di dieci.

Con un gran numero di diramazioni in una rete, determinare un modello di flusso e stabilire la perdita di pressione complessiva non è semplice. Anche se molti sono in serie semplici o disposizioni parallele che possono essere risolte in modo algebrico e preciso, ci saranno alcune sezioni composte che richiedono metodi iterativi con convergenza a una tolleranza accettabile. I computer analogici sono stati utilizzati con successo per l'analisi della rete; tuttavia, questi sono stati sostituiti da metodi digitali meno dispendiosi in termini di tempo basati sulla tecnica di approssimazione di Hardy Cross sviluppata per risolvere reti di flusso d'acqua.

Resistenza delle vie aeree e perdite da shock

La resistenza al flusso d'aria di un tunnel o di una miniera è una funzione delle sue dimensioni e rugosità della superficie e la conseguente perdita di pressione dipende da questa resistenza e dal quadrato della velocità dell'aria. Aggiungendo energia al sistema, è possibile generare una pressione che quindi supera la perdita di pressione. Ciò può avvenire naturalmente dove l'energia è fornita dal calore della roccia e da altre fonti (ventilazione naturale). Sebbene questo fosse il metodo principale per fornire ventilazione, solo il 2-3% dell'energia viene convertita e, durante le calde estati, la roccia può effettivamente raffreddare l'aria in entrata con conseguenti inversioni di flusso. Nelle miniere moderne viene normalmente utilizzato un ventilatore per fornire energia al flusso d'aria che quindi supera la perdita di pressione sebbene gli effetti della ventilazione naturale possano favorirla o ritardarla a seconda del periodo dell'anno.

Quando l'aria scorre su una superficie, le molecole d'aria immediatamente vicine alla superficie sono ferme e quelle adiacenti scivolano su quelle a riposo con una resistenza che dipende dalla viscosità dell'aria. Si forma un gradiente di velocità dove la velocità aumenta con l'aumentare della distanza dalla superficie. Lo strato limite creato come risultato di questo fenomeno e il sottostrato laminare anch'esso formato con lo sviluppo dello strato limite hanno un profondo effetto sull'energia richiesta per promuovere il flusso. Generalmente, la rugosità della superficie delle vie aeree della miniera è abbastanza grande da consentire alle "protuberanze" di estendersi attraverso il sottostrato di confine. La via aerea è quindi idraulicamente ruvida e la resistenza è una funzione della rugosità relativa, cioè il rapporto tra l'altezza della rugosità e il diametro della via aerea.

La maggior parte delle vie aeree estratte con le tradizionali tecniche di perforazione ed esplosione hanno altezze di rugosità comprese tra 100 e 200 mm e anche in terreni molto "bloccati", l'altezza media di rugosità non supererebbe i 300 mm. Dove le vie aeree sono guidate utilizzando alesatrici, l'altezza della rugosità è compresa tra 5 e 10 mm ed è ancora considerata idraulicamente ruvida. La rugosità delle vie aeree può essere ridotta rivestendole, sebbene la giustificazione sia più solitamente il supporto a terra piuttosto che una riduzione della potenza richiesta per far circolare l'aria di ventilazione. Ad esempio, un grande pozzo rivestito di cemento con una rugosità di 1 mm sarebbe temporaneamente ruvido e il numero di Reynolds, che è il rapporto tra forze inerziali e viscose, influenzerebbe anche la resistenza al flusso d'aria.

In pratica, le difficoltà nel rivestimento in calcestruzzo liscio di un pozzo così grande dall'alto verso il basso mentre viene affondato si traducono in un aumento della rugosità e delle resistenze superiori di circa il 50% rispetto ai valori levigati.

Con un numero limitato di vie aeree di aspirazione e ritorno tra i lavori e la superficie, in esse si verifica una grande percentuale (dal 70 al 90%) della perdita di pressione totale della miniera. Le perdite di pressione delle vie aeree dipendono anche dalla presenza o meno di discontinuità che causano perdite da shock come curve, contrazioni, espansioni o eventuali ostruzioni nelle vie aeree. Le perdite risultanti da queste discontinuità come le curve dentro e fuori le vie aeree, se espresse in termini di perdite che sarebbero prodotte in una lunghezza equivalente di vie aeree diritte, possono essere una parte significativa del totale e devono essere valutate attentamente, in particolare quando si considerano le prese e gli scarichi principali. Le perdite nelle discontinuità dipendono dalla quantità di separazione dello strato limite; questo è ridotto al minimo evitando improvvisi cambiamenti nell'area.

Resistenza delle vie aeree con ostruzioni

L'effetto di un'ostruzione sulle perdite di carico dipende dal suo coefficiente di resistenza e dal coefficiente di riempimento, che è il rapporto tra l'area di blocco dell'oggetto e l'area della sezione trasversale delle vie aeree. Le perdite causate da ostruzioni possono essere ridotte riducendo al minimo la separazione dello strato limite e l'estensione di qualsiasi scia turbolenta razionalizzando l'oggetto. I coefficienti di resistenza sono influenzati dalla loro forma e disposizione nel pozzo; i valori comparativi sarebbero: I beam, 2.7; quadrato, 2.0; cilindro, 1.2; esagono allungato, 0.6; e completamente semplificato, 0.4.

Anche con piccoli coefficienti di riempimento e bassi coefficienti di resistenza aerodinamica, se l'ostruzione si ripete regolarmente, ad esempio con le travi che separano i compartimenti di sollevamento in un pozzo, l'effetto cumulativo sulle perdite di carico è significativo. Ad esempio, la resistenza di un pozzo dotato di travi esagonali allungate semi-aerodinamiche e un coefficiente di riempimento di 0.08 sarebbe circa quattro volte quella del solo pozzo rivestito in calcestruzzo. Sebbene i costi del materiale delle sezioni rettangolari in acciaio strutturale cavo più facilmente disponibili siano superiori a quelli delle travi a I, i coefficienti di resistenza aerodinamica sono circa un terzo e giustificano facilmente la loro applicazione.

Ventilatori principali e booster

Entrambi i ventilatori assiali e centrifughi vengono utilizzati per fornire la circolazione dell'aria nei sistemi di ventilazione delle miniere, con un'efficienza dei ventilatori superiore all'80%. La scelta tra flusso assiale o centrifugo per i ventilatori della miniera principale dipende dal costo, dalle dimensioni, dalla pressione, dalla robustezza, dall'efficienza e da qualsiasi variazione delle prestazioni. Nelle miniere in cui un guasto del ventilatore può causare pericolosi accumuli di metano, viene installata una capacità aggiuntiva del ventilatore per garantire la continuità della ventilazione. Dove questo non è così critico e con un'installazione a doppia ventola, circa due terzi del flusso d'aria della miniera continueranno se una ventola si ferma. I ventilatori a flusso assiale verticale installati sopra le vie aeree hanno costi contenuti ma sono limitati a circa 300 m³/S. Per maggiori quantità d'aria sono necessarie più ventole e queste sono collegate allo scarico con canalizzazione e curva.

Per ottenere le massime efficienze a costi ragionevoli, vengono utilizzati ventilatori a flusso assiale per applicazioni a bassa pressione (inferiore a 1.0 kPa) e ventilatori centrifughi per sistemi ad alta pressione (superiore a 3.0 kPa). Entrambe le selezioni sono adatte per le pressioni intermedie. Laddove è richiesta robustezza, ad esempio con scarichi con velocità dell'aria superiori all'intervallo critico e le gocce d'acqua vengono trasportate verso l'alto e verso l'esterno del sistema, un ventilatore centrifugo fornirà una selezione più affidabile. L'intervallo di velocità critica dell'aria è compreso tra 7.5 m/s e 12.5 m/s dove le gocce d'acqua possono rimanere in sospensione a seconda delle loro dimensioni. All'interno di questo intervallo, la quantità di acqua sospesa può accumularsi e aumentare la pressione del sistema fino allo stallo del ventilatore. Questa è la regione in cui parte dell'aria ricircola attorno alle pale e il funzionamento della ventola diventa instabile. Sebbene non desiderabile per nessun tipo di ventilatore, la possibilità di un guasto della pala del ventilatore centrifugo è significativamente minore di un guasto della pala assiale in questa regione di fluttuazione del flusso.

È raro che un ventilatore principale debba funzionare allo stesso punto di lavoro per tutta la durata della miniera e sono desiderabili metodi efficaci per variare le prestazioni del ventilatore. Sebbene la velocità variabile si traduca nel funzionamento più efficiente sia per i ventilatori assiali che per quelli centrifughi, i costi, in particolare per i ventilatori di grandi dimensioni, sono elevati. Le prestazioni di un ventilatore a flusso assiale possono essere variate regolando l'inclinazione delle pale e ciò può essere effettuato sia a ventilatore fermo che, con un costo decisamente più elevato, quando è in rotazione. Imprimendo un vortice all'aria che entra in un ventilatore utilizzando palette di ingresso variabili, le prestazioni di un ventilatore centrifugo possono essere variate mentre è in funzione.

L'efficienza del ventilatore centrifugo lontano dal suo punto di progetto diminuisce più rapidamente di quella di un ventilatore a flusso assiale e, se è richiesta una prestazione elevata in un'ampia gamma di punti operativi e le pressioni sono adeguate, viene scelto il ventilatore a flusso assiale.

Sistemi di ventilazione

La posizione della ventola principale nell'intero sistema è normalmente in superficie in corrispondenza delle vie aeree di scarico. Le ragioni principali di ciò sono la semplicità in cui l'aspirazione è spesso un pozzo di sollevamento e lo scarico è una via aerea monouso separata e la riduzione al minimo del carico termico escludendo i ventilatori dalle vie aeree di aspirazione. I ventilatori possono essere installati sugli alberi di sollevamento in modalità di forzatura o di scarico fornendo un telaio sigillato. Tuttavia, laddove anche lavoratori, materiali o roccia entrino o escano dal pozzo, esiste un potenziale rischio di perdite d'aria.

I sistemi push-pull in cui sono installati sia ventilatori di aspirazione che di scarico vengono utilizzati per ridurre la pressione massima nel sistema mediante condivisione o per fornire una differenza di pressione molto piccola tra le lavorazioni e la superficie. Ciò è pertinente nelle miniere che utilizzano metodi di speleologia in cui la perdita attraverso l'area scavata può essere indesiderabile. Con grandi differenze di pressione, sebbene la perdita d'aria attraverso una zona scavata sia normalmente piccola, può introdurre problemi di calore, radiazioni o ossidazione nei luoghi di lavoro.

I booster sotterranei, a causa dei limiti di spazio, sono quasi sempre a flusso assiale e vengono utilizzati per aumentare il flusso nelle sezioni più profonde o più distanti di una miniera. Il loro principale svantaggio è la possibilità di ricircolo tra lo scarico del ventilatore booster e le vie di aspirazione. Fornendo solo una spinta ai flussi d'aria più piccoli dove sono richiesti, possono comportare una minore pressione del ventilatore principale per l'intero flusso d'aria della miniera e una conseguente riduzione della potenza totale del ventilatore richiesta.

Ventilazione secondaria

Sistemi ausiliari

I sistemi di ventilazione secondaria sono richiesti dove la ventilazione passante non è possibile, come nelle intestazioni di sviluppo. Sono possibili quattro disposizioni, ognuna con i propri vantaggi e svantaggi.

I sistema di forzatura fa sì che l'aria più fresca e fresca raggiunga il viso e consente di utilizzare un condotto flessibile più economico. L'elevata velocità dell'aria che esce dall'estremità del condotto di alimentazione crea un getto che trascina aria addizionale e aiuta a spazzare via i contaminanti e fornire una velocità frontale accettabile. Il suo principale svantaggio è che il resto della testata è ventilato con aria contaminata dai gas e dalla polvere prodotti dalle operazioni minerarie in faccia. Questo è particolarmente un problema dopo l'esplosione, dove i tempi di rientro in sicurezza sono aumentati.

An sistema estenuante consente di rimuovere tutti i contaminanti dal viso e mantiene il resto della testata in aria aspirata. Gli svantaggi sono che il flusso di calore dalla roccia circostante e l'evaporazione dell'umidità si tradurrà in temperature dell'aria di mandata frontali più elevate; le operazioni di ritorno dalla parete, come la rimozione di massi con attrezzatura diesel, contamineranno l'aria aspirata; non viene prodotto alcun getto d'aria per spazzare il viso; ed è richiesto un condotto più costoso che sia in grado di sostenere una pressione negativa.

In un sistema di sovrapposizione dello scarico il problema di liberare il fronte con un getto d'aria viene superato installando un ventilatore e un condotto più piccoli (la sovrapposizione). Oltre al costo aggiuntivo, uno svantaggio è che la sovrapposizione deve essere avanzata con la faccia.

In un sistema di retromarcia, viene utilizzata la modalità di ventilazione forzata, eccetto durante il brillamento e il periodo di rientro dopo il brillamento, quando il flusso d'aria è invertito. La sua applicazione principale è nell'affondamento di pozzi, dove i tempi di rientro per pozzi profondi possono essere proibitivi se si utilizza un sistema di sola forzatura. L'inversione dell'aria può essere ottenuta utilizzando serrande all'ingresso e all'uscita del ventilatore o, sfruttando una caratteristica dei ventilatori a flusso assiale, dove cambiando il senso di rotazione delle pale si ottiene un'inversione del flusso con circa il 60% del flusso normale. consegnato.

Ventilatori e condotti

I ventilatori utilizzati per la ventilazione secondaria sono quasi esclusivamente a flusso assiale. Per ottenere le alte pressioni necessarie per far fluire l'aria attraverso lunghi tratti di condotto, è possibile utilizzare più ventilatori con girante controrotante o corotante. Le perdite d'aria sono il problema maggiore nei sistemi di ventilazione e canali ausiliari, in particolare su lunghe distanze. I condotti rigidi realizzati in acciaio zincato o in fibra di vetro, se installati con guarnizioni, presentano un trafilamento sufficientemente basso e possono essere utilizzati per sviluppare tratti fino a diversi chilometri di lunghezza.

I condotti flessibili sono notevolmente più economici da acquistare e più facili da installare; tuttavia, le perdite in corrispondenza degli innesti e la facilità con cui essi vengono strappati dal contatto con apparecchiature mobili comportano perdite d'aria molto più elevate. I limiti pratici di sviluppo utilizzando un condotto flessibile raramente superano 1.0 km, sebbene possano essere estesi utilizzando lunghezze di condotto maggiori e garantendo ampi spazi tra il condotto e l'attrezzatura mobile.

Controlli di ventilazione

Sia attraverso la ventilazione che attraverso i sistemi di ventilazione e condotti ausiliari vengono utilizzati per fornire aria di ventilazione ai luoghi in cui il personale può lavorare. I controlli di ventilazione vengono utilizzati per dirigere l'aria verso il luogo di lavoro e per ridurre al minimo i cortocircuiti o le perdite di aria tra le vie di aspirazione e di scarico.

Una paratia viene utilizzata per fermare il flusso d'aria attraverso un tunnel di collegamento. I materiali di costruzione dipenderanno dalla differenza di pressione e se sarà soggetto a onde d'urto dovute all'esplosione. Le tende flessibili attaccate alle superfici rocciose circostanti sono adatte per applicazioni a bassa pressione come la separazione delle vie aeree di aspirazione e di ritorno in un pannello di stanza e pilastro estratto con un minatore continuo. Le paratie in legno e cemento sono adatte per applicazioni a pressioni più elevate e possono incorporare un pesante lembo di gomma che può aprirsi per ridurre al minimo eventuali danni da esplosione.

Una porta di ventilazione è necessaria dove è richiesto il passaggio pedonale o veicolare. I materiali di costruzione, il meccanismo di apertura e il grado di automazione sono influenzati dalla differenza di pressione e dalla frequenza di apertura e chiusura. Per applicazioni ad alta pressione, è possibile installare due o anche tre porte per creare sacche d'aria e ridurre le perdite e la perdita di aria aspirata. Per facilitare l'apertura delle porte della camera d'aria, di solito contengono una piccola sezione scorrevole che viene aperta per prima per consentire l'equalizzazione della pressione su entrambi i lati della porta da aprire.

Un regolatore viene utilizzato quando la quantità di aria che scorre attraverso un tunnel deve essere ridotta piuttosto che arrestata completamente e anche dove non è richiesto l'accesso. Il regolatore è un orifizio variabile e modificando l'area è possibile modificare anche la quantità d'aria che lo attraversa. Un drop board è uno dei tipi più semplici in cui un telaio in cemento supporta canali in cui è possibile posizionare (lasciare cadere) assi di legno e variare l'area aperta. Altri tipi, come le feritoie a farfalla, possono essere automatizzate e controllate a distanza. Ai livelli superiori in alcuni sistemi di arresto aperti, può essere richiesto un accesso raro attraverso i regolatori e i pannelli flessibili irrigiditi orizzontalmente possono essere semplicemente sollevati o abbassati per fornire l'accesso riducendo al minimo i danni da esplosione. Anche cumuli di roccia frantumata sono stati utilizzati per aumentare la resistenza in sezioni di un livello dove temporaneamente non c'è attività mineraria.

Sistemi di refrigerazione e raffreddamento

Il primo sistema di refrigerazione in miniera è stato installato a Morro Velho, in Brasile, nel 1919. Da quella data, la crescita della capacità mondiale è stata lineare a circa 3 megawatt di refrigerazione (MWR) all'anno fino al 1965, quando la capacità totale ha raggiunto circa 100 MWR . Dal 1965 la crescita della capacità è stata esponenziale, con un raddoppio ogni sei o sette anni. Lo sviluppo della refrigerazione in miniera è stato influenzato sia dall'industria del condizionamento dell'aria che dalle difficoltà di gestire un sistema minerario dinamico in cui l'incrostazione delle superfici degli scambiatori di calore può avere effetti profondi sulla quantità di raffreddamento fornita.

Inizialmente gli impianti di refrigerazione erano installati in superficie e l'aria di aspirazione della miniera veniva raffreddata. All'aumentare della distanza nel sottosuolo dall'impianto di superficie, l'effetto di raffreddamento si è ridotto e gli impianti di refrigerazione sono stati spostati nel sottosuolo più vicino alle lavorazioni.

I limiti nella capacità di smaltimento del calore sotterraneo e la semplicità degli impianti di superficie hanno portato a un ritorno alla posizione in superficie. Tuttavia, oltre al raffreddamento dell'aria aspirata, ora l'acqua refrigerata viene fornita anche nel sottosuolo. Può essere utilizzato nei dispositivi di raffreddamento ad aria adiacenti alle aree di lavoro o come acqua di servizio utilizzata nelle trivelle e per l'abbattimento della polvere.

Attrezzature per impianti di refrigerazione

I sistemi di refrigerazione a compressione di vapore sono utilizzati esclusivamente per le miniere e l'elemento centrale dell'impianto di superficie è il compressore. Le capacità dei singoli impianti possono variare tra 5 MWR e oltre 100 MWR e generalmente richiedono più sistemi di compressione che sono di tipo centrifugo o a vite a spostamento positivo. Normalmente l'ammoniaca è il refrigerante selezionato per un impianto di superficie e nel sottosuolo viene utilizzato un alocarburo idoneo.

Il calore necessario per condensare il refrigerante dopo la compressione viene espulso nell'atmosfera e, per ridurre al minimo la potenza richiesta per fornire il raffreddamento della miniera, questo viene mantenuto il più basso possibile. La temperatura a bulbo umido è sempre inferiore o uguale alla temperatura a bulbo secco e di conseguenza vengono invariabilmente selezionati sistemi di reiezione del calore umido. Il refrigerante può essere condensato in uno scambiatore di calore a fascio tubiero oa piastre e telaio utilizzando acqua e il calore estratto e quindi espulso nell'atmosfera in una torre di raffreddamento. In alternativa, i due processi possono essere combinati utilizzando un condensatore evaporativo in cui il refrigerante circola in tubi sui quali viene aspirata aria e spruzzata acqua. Se l'impianto di refrigerazione è installato sottoterra, l'aria di scarico della miniera viene utilizzata per lo smaltimento del calore, a meno che l'acqua del condensatore non venga pompata in superficie. Il funzionamento dell'impianto sotterraneo è limitato dalla quantità di aria disponibile e dalle temperature a bulbo umido sotterranee più elevate rispetto a quelle in superficie.

Dopo aver fatto passare il refrigerante condensato attraverso una valvola di espansione, l'evaporazione della miscela di liquido e gas a bassa temperatura viene completata in un altro scambiatore di calore che raffredda e fornisce l'acqua refrigerata. A sua volta, questa viene utilizzata sia per raffreddare l'aria aspirata, sia come acqua fredda di servizio fornita alla miniera. Il contatto tra l'acqua, l'aria di ventilazione e la miniera riduce la qualità dell'acqua e aumenta il fouling dello scambiatore di calore. Ciò aumenta la resistenza al flusso di calore. Ove possibile, questo effetto viene ridotto al minimo selezionando apparecchiature con ampie superfici lato acqua facili da pulire. In superficie e nel sottosuolo, vengono utilizzate camere di nebulizzazione e torri di raffreddamento per fornire il più efficace scambio di calore a contatto diretto tra l'aria da raffreddare e l'acqua refrigerata. Le serpentine di raffreddamento che separano i flussi di aria e acqua si intasano di polvere e particolato diesel e la loro efficacia diminuisce rapidamente.

I sistemi di recupero dell'energia possono essere utilizzati per compensare i costi di pompaggio dell'acqua fuori dalla miniera e le ruote del pelton sono adatte a questa applicazione. L'utilizzo dell'acqua fredda come acqua di servizio ha contribuito a garantire la disponibilità del raffreddamento ovunque vi sia attività mineraria; il suo utilizzo ha notevolmente migliorato l'efficacia dei sistemi di raffreddamento delle miniere.

Sistemi di ghiaccio e raffreddatori spot

La capacità di raffreddamento di 1.0 l/s di acqua refrigerata fornita nel sottosuolo è compresa tra 100 e 120 kWR. Nelle miniere in cui sono richieste grandi quantità di refrigerazione sotterranea a profondità superiori a 2,500 m, i costi di circolazione dell'acqua refrigerata possono giustificare la sua sostituzione con ghiaccio. Quando si tiene conto del calore latente di fusione del ghiaccio, la capacità di raffreddamento di ogni 1.0 l/s viene aumentata di circa quattro volte, riducendo così la massa d'acqua che deve essere pompata dalla miniera in superficie. La riduzione della potenza della pompa derivante dall'utilizzo del ghiaccio per il trasporto del freddo compensa la maggiore potenza dell'impianto frigorifero necessaria per produrre il ghiaccio e l'impraticabilità del recupero energetico.

Lo sviluppo è solitamente l'attività mineraria con i carichi termici più elevati rispetto alla quantità di aria disponibile per la ventilazione. Ciò si traduce spesso in temperature del cantiere significativamente più elevate rispetto a quelle riscontrate con altre attività minerarie nella stessa miniera. Laddove l'applicazione della refrigerazione è un problema limite per una miniera, i raffreddatori spot specificamente mirati alla ventilazione dello sviluppo possono differire la sua applicazione generale. Uno spot cooler è essenzialmente un impianto di refrigerazione sotterraneo in miniatura in cui il calore viene espulso nell'aria di ritorno dallo sviluppo e in genere fornisce da 250 a 500 kWR di raffreddamento.

Monitoraggio ed Emergenze

Le indagini sulla ventilazione che includono misurazioni del flusso d'aria, dei contaminanti e della temperatura vengono effettuate regolarmente per soddisfare sia i requisiti di legge sia per fornire una misura continua dell'efficacia dei metodi di controllo della ventilazione utilizzati. Ove pratico, i parametri importanti come il funzionamento del ventilatore principale vengono monitorati continuamente. Un certo grado di controllo automatico è possibile quando un contaminante critico viene monitorato continuamente e, se viene superato un limite prestabilito, può essere richiesta un'azione correttiva.

Indagini più dettagliate della pressione barometrica e delle temperature vengono eseguite meno frequentemente e vengono utilizzate per confermare le resistenze delle vie aeree e per assistere nella pianificazione delle estensioni delle operazioni esistenti. Queste informazioni possono essere utilizzate per regolare le resistenze di simulazione della rete e riflettere l'effettiva distribuzione del flusso d'aria. È inoltre possibile modellare i sistemi di refrigerazione e analizzare le misurazioni di flusso e temperatura per determinare le prestazioni effettive delle apparecchiature e monitorare eventuali modifiche.

Le emergenze che possono influenzare o essere influenzate dal sistema di ventilazione sono gli incendi nelle miniere, le improvvise esplosioni di gas e le interruzioni di corrente. Gli incendi e le esplosioni sono trattati altrove in questo capitolo e le interruzioni di corrente sono solo un problema nelle miniere profonde dove le temperature dell'aria possono aumentare a livelli pericolosi. È comune fornire una ventola di riserva alimentata a diesel per garantire un piccolo flusso d'aria attraverso la miniera in queste condizioni. Generalmente, quando un'emergenza come un incendio si verifica nel sottosuolo, è meglio non interferire con la ventilazione mentre il personale che ha familiarità con i normali schemi di flusso è ancora sottoterra.

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