Giáo trình Nâng cao hiệu quả thông gió thoát nước khi khai thác xuống sâu: Phần 2 (Dùng cho trình độ cao học)

Chia sẻ: Dương Hàn Thiên Băng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:81

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 2 của giáo trình" Nâng cao hiệu quả thông gió thoát nước khi khai thác xuống sâu (Dùng cho trình độ cao học)" tiếp tục cung cấp cho học viên những nội dung về: thiết kế thông gió mỏ lộ thiên; thoát nước mỏ; thoát nƣớc mỏ lộ thiên; công tác phòng ngừa bục nước mỏ hầm lò;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Nâng cao hiệu quả thông gió thoát nước khi khai thác xuống sâu: Phần 2 (Dùng cho trình độ cao học)

Chương 4 THIÊT KẾ THÔNG GIÓ MỎ L THIÊN 4.1. Khái quát chung Thiết kế kỹ thuật khai thác mỏ bằng phƣơng pháp lộ thiên cần phải có một phần riêng “Thiết kế thông gió cho các khu vực khai thác mỏ lộ thiên”. Mục tiêu của phần này là tiến hành đánh giá tình trạng bầu không khí mỏ, lựa chọn phƣơng pháp thông gió và các phƣơng tiện chống bụi, khí gây ô nhiễm nhằm cải thiện điều kiện lao động, an toàn cho ngƣời và trang thiết bị làm việc trong mỏ lộ thiên. Thiết kế thông gió mỏ lộ thiên gồm hai phần cơ bản: Đánh giá hiệu quả của thông gió tự nhiên mỏ lộ thiên; Thiết kế thông gió nhân tạo. Phần này có thể không cần nếu hiệu quả thông gió tự nhiên ở tất cả các thời kỳ khai thác đủ để duy trì thành phần không khí bình thƣờng trong mỏ. Việc đánh giá hiệu quả thông gió tự nhiên đƣợc tiến hành theo một trình tự nhất định đó là: Tập hợp và phân tích các tài liệu xác định điều kiện không khí trong các khu khai thác mỏ bao gồm: thông số về khí hậu trong vùng, về các điều kiện môi trƣờng của địa phƣơng và của mỏ, về công nghệ áp dụng và việc cơ giới hoá khai thác khoáng sản. Ở giai đoạn thiết kế ban đầu này có nhiều phƣơng án đƣa ra để lựa chọn. Mỗi phƣơng án đƣa ra đều có sự tham gia của vấn đề thông gió mỏ lộ thiên trong đó đặc biệt quan tâm là điều kiện vi khí hậu mỏ. Vấn đề ô nhiểm bầu không khí mỏ nhiều khi giữ vai trò quyết định cho việc lựa chọn phƣơng án khai thác mỏ. Tiếp theo là đánh giá các thông số thông gió tự nhiên của khu khai thác. Ở giai đoạn này phải xác định sơ đồ thông gió tự nhiên đối với các thời kỳ phát triển đặc trƣng của mỏ chú trọng đến hƣớng và vận tốc gió. Xác định đƣợc lƣu lƣợng gió yêu cầu cho các khu vực khai thác trong mỗi một thời kỳ phát triển mỏ và xác định điều kiện khi thông gió tự nhiên không còn hiệu quả. Sau khi đánh giá các thông số của sơ đồ thông gió tự nhiên đối với công nghệ áp dụng và việc cơ giới hoá khai thác, xác định mức độ khí độc, hại và bụi xâm nhập vào bầu khí quyển khu vực khai thác: Đối với trƣờng hợp có hoặc không sử dụng các 107
phƣơng tiện chống bụi, khí, khu vực có bầu khí quyển xấu nhất. Đối với những khu vực khai thác không sâu thành phần khí quyển bình thƣờng có thể duy trì công việc quanh năm mà không cần dùng các phƣơng tiện riêng để chống bụi và khí hoặc chỉ chống ở những khu vực sản xuất bị ô nhiễm bụi, khí cục bộ. Trƣờng hợp khu khai thác xuống sâu bầu không khí khu vực khai thác bị ô nhiễm phải dùng tất cả các phƣơng tiện đồng bộ để chống bụi và khí. Trƣờng hợp sau không nhất thiết phải xem xét ở các giai đoạn thiết kế ban đầu song ở các giai đoạn sau phải xác định các phƣơng tiện cần thiết để chống bụi và khí. Khi biết qua mỗi một thời kỳ phát triển mỏ lƣợng khí, bụi xâm nhập vào bầu khí quyển và lƣu lƣợng gió vào mỏ ngƣời ta xác định đƣợc mức độ ô nhiễm khí, bụi bầu không khí mỏ. Căn cứ số liệu về mức độ ô nhiễm khí, bụi các chuyên gia khai thác mỏ sẽ biết thời kỳ phát triển mỏ nào, khi hƣớng và vận tốc gió do thông gió tự nhiên không đảm bảo thành phần không khí bình thƣờng. Sau khi đánh giá các sơ đồ thông gió tự nhiên đạt và không đạt yêu cầu cũng nhƣ việc phải ngừng thông gió tự nhiên trong năm, kết hợp với những tài liệu về hƣớng và vận tốc gió, xác định các thời kỳ cần phải dùng thông gió nhân tạo. Việc đánh giá hiệu quả của thông gió tự nhiên mỏ lộ thiên đƣợc kết thúc ở giai đoạn này và chuyển sang thiết kế thông gió nhân tạo. Giai đoạn thứ nhất thiết kế thông gió nhân tạo khu khai thác là đánh giá khả năng tăng cƣờng sự trao đổi gió tự nhiên giữa không gian bên trong khu vực khai thác và trên mặt mỏ. Đồng thời tiến hành xem xét khả năng thay đổi công nghệ, trình tự khai thác, vấn đề cơ giới hóa để có thể cải thiện bầu khí quyển mỏ. Để tăng hiệu quả thông gió nhân tạo trong thiết kế cần sử dụng tối đa thông gió tự nhiên theo hƣớng tăng cƣờng mọi năng lực thông gió tự nhiên với việc sử dụng các biện pháp công nghệ cải thiện bầu khí quyển khu khai thác cũng tính toán chính xác phần tỷ lệ sử dụng phƣơng pháp thông gió này theo các thời kỳ trong năm. Căn cứ vào tính toán phần tỷ lệ các thành phần gây ô nhiễm, chọn quạt thông gió, vị trí đặt quạt và sơ đồ công tác liên hợp các quạt gió trong mỏ. Hiệu quả công tác của thiết bị thông gió đƣợc đánh giá theo thời gian mà chúng hao phí để làm sạch khí quyển khu khai thác từ mức độ ô nhiễm ban đầu đến mức độ cho phép, cũng nhƣ theo hiệu quả kinh tế của việc thông gió nhân tạo. 108
Cuối cùng là đánh giá hiệu quả kinh tế của thông gió nhân tạo qua các giai đoạn. Nhƣ vậy, thiết kế thông gió mỏ lộ thiên gồm các giai đoạn sau: Đánh giá điều kiện môi trƣờng vùng mỏ; Lựa chọn công nghệ, thiết bị cơ giới hoá và kích thƣớc hình học của khu khai thác theo yếu tố thông gió; Xác định các thông số thông gió tự nhiên; Xác định lƣợng khí độc, hại và bụi xâm nhập vào bầu không khí mỏ; Xác định các thời kỳ yêu cầu phải tăng cƣờng thông gió trong khu khai thác; Chọn các phƣơng tiện tăng cƣờng thông gió tự nhiên cho khu vực khai thác; Xác định các thời kỳ yêu cầu sử dụng thông gió nhân tạo, điều kiện và mức độ ô nhiễm bầu không khí trong khu vực khai thác; Xác định lƣu lƣợng gió để thông gió cho khu vực khai thác; Chọn quạt thông gió, vị trí đặt quạt và sơ đồ công tác liên hợp các quạt gió; Xác định số quạt gió công tác liên hợp; Đánh giá hiệu quả công tác của quạt gió; Đánh giá hiệu quả kinh tế của thông gió nhân tạo. Cuối cùng hiệu quả thông gió lộ thiên có thể xác định đƣợc từ kết quả tính toán lặp lại theo các sơ đồ thông gió hoặc theo các giai đoạn thông gió riêng. Thí dụ, nếu đánh giá hiệu quả của thông gió tự nhiên ở giai đoạn thứ năm không thoả mãn yêu cầu có thể tính lặp lại bắt đầu từ giai đoạn thứ ba, khi ấy phải hoàn thiện hơn các phƣơng tiện chống bụi và khí. Phần sau sẽ đề cập đến nội dung tính toán các giai đoạn thiết kế thông gió mỏ lộ thiên. 4.2. Các sơ đồ và phương pháp thông gió mỏ lộ thiên 4.2.1.Thông gió nhờ năng lượng gió Trong mục này xem xét hai sơ đồ thông gió: thuận và tuần hoàn đƣợc tạo ra khi năng lƣợng gió khá lớn trên mặt đất đƣợc biểu thị bằng vận tốc gió. Sơ đồ thông gió thuận hay tuần hoàn lúc này phụ thuộc vào dạng hình học của khu khai thác (các góc dốc của bờ mỏ). Việc giảm năng lƣợng gió dẫn đến sơ đồ thông gió “nhiệt” sẽ đƣợc đề cập ở phần sau. Khi tăng vận tốc gió trên mặt đất và không thay đổi dạng hình học khu khai thác sơ đồ thông gió tuần hoàn có thể chuyển thành sơ đồ thông gió thuận. 109
4.2.1.1. Sơ đồ thông gió thuận Điều kiện hình thành: Sơ đồ thông gió thuận hình thành khi vận tốc gió trên mặt đất lớn hơn 0,8  1 m/s và góc dốc của góc nghiêng sƣờn tầng bờ khuất gió 1≤ 150. Sơ đồ chuyển dịch của luồng gió : Luồng gió chuyển dịch giữa một mặt phẳng a-a nào đó so với mặt đất khi đến khu khai thác ở điểm O bắt đầu mở rộng theo chiều sâu sinh ra sự kìm hãm (hình 4.1) làm giảm vận tốc gió. Do hiện tƣợng này phía trên khu khai thác tạo ra một vùng nhƣ “cái mũ chụp OAO” của các lớp không khí làm vận tốc gió bị hãm từng phần. Giản đồ tƣơng tự cũng quan sát thấy cả khi sơ đồ tuần hoàn. Mặt phẳng a-a giới hạn phần luồng gió mở rộng xuống dƣới khu khai thác phần luồng gió này chịu sự biến dạng. A a a O O' Hình 4.1. Sự hãm luồng gió phía trên khu khai thác Sự dịch chuyển của luồng gió trong khu khai thác có thể biểu thị ở dạng sơ đồ nhƣ trên (hình 4.1). Khi thông gió theo sơ đồ thông gió thuận hình 4.2, luồng gió trên mặt đất chuyển dịch với vận tốc Ub, ở mép trên của bờ khuất gió (điểm O trên hình 4.2) thay đổi hƣớng của mình, bắt đầu mở rộng về phía khu khai thác và chiếm bờ khuất gió. Sau khi gặp bờ hứng gió, luồng gió bị uốn ngoặt lên trên và thu hẹp dòng. Nhờ góc dốc nhỏ của bờ khuất gió, ở bề mặt cứng ở điểm O không xảy ra sự cắt dòng mà luồng gió hữu hạn đƣợc lan truyền trong khu khai thác đến giới hạn của nó là bờ mỏ và đáy moong. Giới hạn của vùng vận tốc không đổi ở phía trên khu khai thác là 1, cao hơn đƣờng này vận tốc gió bằng vận tốc gió trên mặt đất. Đƣờng 1 tạo với mặt phẳng ngang một góc 2 400. Nhƣ vậy, giữa bề mặt cứng khu khai thác (bờ mỏ và moong) và các giới 110
hạn vùng vận tốc gió không đổi  xảy ra sự thay đổi vận tốc gió từ giá trị 0 ở bề mặt cứng đến UB trên đƣờng giới hạn 1. Ub dy Ub 1 O a b x c Hl 2 l Ln y 2 Hình 4.2. Sơ đồ thông gió thuận Sự phân bố vận tốc gió giữa trục Ox và bề mặt các tầng trong tiết diện khác nhau của luồng gió tƣơng tự có thể lấy theo dạng: U  U 0  cos  ; m/s (4.1) Uo- Vận tốc gió trên trục ox, m/s; x   5,85  ; rad (4.2) y x, y - toạ độ. Vận tốc gió Uo trên đoạn Oa giảm đi cùng với sự tăng x, do sự mở rộng luồng, còn trên đoạn bc tăng lên do sự thu hẹp luồng. Lƣu lƣợng gió thông gió khu khai thác: Với sự gần đúng cho phép có thể xem khu khai thác đƣợc thông gió bởi lƣu lƣợng gió chuyển dịch giữa trục Ox và bề mặt khu khai thác (hình 4.2). Giả thiết một phần tử lƣu lƣợng gió đi qua một diện tích nằm trong một tiết diện xác định của luồng gió x = l = const và có kích thƣớc dy theo phƣơng thẳng đứng và một đơn vị theo chiều ngang, trong một đơn vị thời gian bằng: q  U  l  dy , m /s 3 (4.3) U - Vận tốc gió ở tâm diện tích, m/s. 111
Lƣu lƣợng gió chung qua mặt cắt x = l = const sẽ là: H1 Q   U  dy , m /s 3 (4.4) O H1- chiều sâu khu khai thác ở mặt cắt x = l = const hay là H1 Q   U o  cos   dy , m /s 3 (4.5) O Khi chuyển từ biến số y và  nhờ công thức (4.2) khi x = const ta nhận đƣợc: x dy   d  0,171  x  d (4.6) 5,85 Sau khi thay biểu thức nhận đƣợc cho dy và sau khi thay giới hạn trên của tích H1 phân H1 bằng 2 = 5,84 H1/l 2  5,84  l (Trị số biến số  tƣơng ứng với bề mặt bờ khuất gió), ta nhận đƣợc: 2 Q  0,171  U o  x   cos   dy , hay là sau khi tích phân: O Q  0,171  U 0  x  sin 2 , m3/s (4.7) Khi 1 = 150 thì 2 = /2: Q  0,171  U 0  x , m3/s (4.8) Các công thức (4.7), (4.8) đúng cho tất cả các mặt cắt của khu khai thác khi x=const thoả mãn điều kiện 0 ≤ x ≤ L. L- chiều dài hình chiếu của bờ khuất gió trên mặt phẳng ngang, m. Giả thiết vận tốc gió Uo đã đƣợc cho trƣớc. Giữa vận tốc gió trên mặt đất Ub và vận tốc gió Uo trên trục Ox tồn tại mối quan hệ phụ thuộc vào toạ độ dọc: U0  ax (4.9) UB Trị số đối với sơ đồ thông gió thuận theo V.S Nikitin bằng 0,725 hay: U0  0,725 , m/s (4.10) UB 112
Theo số liệu của МГИ, đối với sơ đồ thông gió thuận, tỷ số này bằng 0,78; đối với sơ đồ tuần hoàn, tỷ lệ này thay đổi theo quan hệ gần với hàm mũ từ 1 ở mép trên đến 0,48 ở mép dƣới của bờ khuất gió. Đối với sơ đồ thông gió thuận tỷ số Uo/Ub lấy trung bình bằng 0,75; do đó, từ công thức (4.7) nhận đƣợc: 3 Q  0,128  U B  x ; m /s (4.11) Từ công thức (4.8), lƣu lƣợng gió thƣờng đƣợc tính đối với mặt cắt x = L: 3 Q  0,128  U B  L , m /s (4.12) Các công thức (4.5), (4.6), (4.11) và (4.12) xác định lƣu lƣợng gió đi qua một tiết diện bất kỳ của khu khai thác, kích thƣớc của tiết diện theo chiều cao bằng chiều sâu khu khai thác, còn theo chiều rộng bằng 1 đơn vị. Sự tải khí và bụi ra khỏi khu khai thác: Đối với sơ đồ thông gió thuận, trong khu khai thác không hình thành những vùng ô nhiễm có kích thƣớc lớn, ở đây chỉ có thể tập trung khí, bụi hàm lƣợng thấp. Với quan điểm tải khí, bụi, sơ đồ thông gió thuận là hiệu quả nhất. Khi mỏ thông gió bằng sơ đồ thông gió này sự ô nhiễm không khí chung không xảy ra, thƣờng chỉ quan sát thấy những vùng ô nhiễm không khí cục bộ quanh nguồn tạo khí, bụi phụ thuộc vào vận tốc gió. Góc dốc bờ mỏ nhỏ vận tốc gió tăng làm tăng hiệu quả tải khí, bụi. Góc dốc bờ mỏ lớn làm tăng mức độ mở rộng luồng gió kéo theo vận tốc gió giảm, giảm hiệu quả tải khí, bụi. 4.2.1.2. Sơ đồ thông gió tuần hoàn Điều kiện hình thành: Sơ đồ thông gió tuần hoàn xảy ra khi vận tốc gió trên mặt đất lớn hơn 0,81 m/s và góc nghiêng sƣờn tầng của bờ khuất gió 1>150. Sơ đồ chuyển dịch của luồng gió (hình 4.3): Do sự thay đổi hƣớng đƣờng giới hạn cứng của luồng gió ở điểm O và lực quán tính lớn của nó ở điểm này gây ra sự đứt dòng khỏi giới hạn cứng. Theo đó luồng gió trong không gian của khu khai thác chuyển dịch ở dạng tự do với các đƣờng giới hạn 1 và 2. Ở vị trí cao hơn đƣờng giới hạn 1, vận tốc gió bằng vận tốc gió trên mặt đất ub. Luồng gió tự do đi đến bờ hứng gió chia ra làm 2 phần. Phần thứ nhất chuyển dịch dọc theo các tầng lên trên thoát ra mặt đất, phần thứ 2 ngoặt xuống phía dƣới và chuyển dịch theo hƣớng ngƣợc với hƣớng ban đầu tạo ra luồng tự do mới gọi là luồng loại 2. 113
Với sơ đồ thông gió tuần hoàn trong khu khai thác có hai vùng riêng trong đó hƣớng chuyển dịch của các luồng gió khác nhau. A UB P 1 O 4 x K 3 2 o P1 2=15 o ' H 3=1 25 y o P2 2 y1 4 =7 20 ' B x1 1 Uo4 P3 O1 xpp3 xc Hình 4.3. Sơ đồ chuyển dịch luồng gió tuần hoàn trong khu khai thác Vùng chủ động, hƣớng chuyển dịch luồng gió trong khu vực khai thác trùng với hƣớng gió trên mặt đất. Giới hạn của luồng gió tạo với mặt ngang một góc 2 150 (đƣờng OO1), chính xác hơn góc này có thể xác định theo công thức: 86,8 62,5 2  19,6   , độ (4.13)   1,1   1,6  - Góc nghiêng sƣờn tầng của bờ khuất gió khu khai thác, độ. Vùng xoáy với hƣớng gió chuyển dịch ngƣợc lại (giữa vùng khuất gió và đƣờng OO1). Giữa hai vùng này có một đoạn luồng gió chuyển dịch theo từng đợt và luôn thay đổi hƣớng. Đối với luồng gió tự do loại 1 lƣu lƣợng gió của lõi không đổi, trong đó lƣu lƣợng gió ở một mặt cắt bất kỳ bằng lƣu lƣợng gió vào khu khai thác giữa các đƣờng thẳng OP và OP1 tạo với trục Ox những góc 3=1025’ và 4=7020’. Tiếp theo các giới hạn của lõi lƣu lƣợng không đổi đi theo các đƣờng PAK và P1BK. Góc 4 đƣợc xác định theo công thức sau và nằm trong giới hạn 7110: 86,8 4   6,7 , độ (4.14)   1,1 114
Luồng gió trong vùng chủ động (luồng tự do loại 1) có vận tốc giảm xuống theo chiều sâu. Trên đƣờng giới hạn của luồng 2, vận tốc dọc bằng 0 còn vận tốc ngang ở các vị trí khác, khác với 0. Luồng gió trong vùng xoáy (luồng tự do loại 2) đƣợc quan sát thấy mối quan hệ ngƣợc: vận tốc gió tăng khi chiều sâu tăng lên và đạt trị số cực đại ở moong khu khai thác. Trong giới hạn của đáy moong vận tốc cực đại của vùng xoáy nằm trên mặt cắt P- P3, vị trí của nó đƣợc xác định theo hoành độ: x PP3  0,6  x k (4.15) Trong đó: xc - Hoành độ của điểm O1 là giao điểm của đƣờng OO1 với bề mặt khu khai thác. Trƣờng vận tốc gió trong luồng loại 1 tƣơng tự từ điểm O đến mặt cắt PP2, còn trong luồng loại 2 nằm trong giới hạn của đáy moong. Sự phân bố vận tốc gió trong các mặt cắt của luồng loại 1 phù hợp với định luật lớp giới hạn của luồng phẳng song song không giới hạn. u  3  3 F ( )   0,0176  e  0,6623  e 2  cos(   )  0, 228  e 2  sin(   ) , (4.16) uB 2 2 Ub- Vận tốc gió trên mặt đất, m/s. y tg y    7,64  ; rad ( 4.17) ax a x x,y- Toạ độ của điểm có toạ độ dọc . a - hệ số cấu tạo luồng, xác định từ thực nghiệm. Khi sơ đồ thông gió tuần hoàn, với luồng loại 1, a = 0,131. Sự phân bố vận tốc trong các mặt cắt của luồng loại 2 ở đáy moong đƣợc xác định bởi biểu thức: u  F (1 )  1  F ( ) , m/s (4.18) u01 u01- vận tốcgió theo trục O1x1, m/s. y1 1  , rad (4.19) ax1   1, 48  1  2,04 , rad (4.20) 115
x1, y1 - Toạ độ của điểm có vận tốc gió dọc U trong hệ toạ độ của luồng loại 2. F(1) - hàm số, tƣơng tự với hàm số đƣợc diễn tả bởi công thức (4.18). Đối với luồng loại 2, hệ số cấu tạo cũng nhƣ đối với luồng loại 1, (a=0,131). Các trị số của hàm số F() và F(1) có thể tìm trong bảng. Vận tốc gió ở các tầng và đáy moong có ảnh hƣởng rất lớn đến thông gió các vị trí làm viêc trong khu khai thác: Ở bờ khuất gió không vƣợt quá 0,5Ub và bị giảm xuống khi góc dốc của bờ mỏ tăng. Trên đoạn BK của bờ hứng gió vận tốc gió tăng lên từ 0,1 Ub ở điểm B đến Ub ở điểm K. Ở các đoạn của bờ hứng gió BO1 và đáy moong O1P3, vận tốc gió tăng lên theo hƣớng từ điểm B đến điểm P3 và đạt cực đại ở điểm cuối cùng. Trên đoạn BK của bờ hứng gió, vận tốc gió có thể xác định theo công thức: u  uB  (1  1,14    0,35   2 ) , m/s (4.21) Công thức này đúng khi -1,43 ≤  ≤ 0. Ở bề mặt của bờ khuất gió vận tốc gió đƣợc xác định theo công thức: UB u  0,39   ( H1  0,27  x1 ) , m/s (4.22) h h - Chiều cao của luồng loại 2 trong mặt cắt đi qua điểm đƣợc chọn, m; H1- khoảng cách theo chiều thẳng đứng từ mặt đất đến giao điểm của đƣờng giới hạn luồng loại 2 OO1 với bề mặt khu khai thác, m; x1- Hoành độ của điểm chọn trong toạ độ x1O1y1, m. Công thức đúng khi 0,4xc ≤ x1 ≤ xc. Sơ đồ chuyển dịch luồng gió đã diễn tả ở trên xảy ra khi tỷ số kích thƣớc bề mặt đối với chiều sâu của khu khai thác không vƣợt quá 6. Khi tỷ số này lớn, một phần khu khai thác sẽ đƣợc thông gió theo sơ đồ tuần hoàn, còn một phần theo sơ đồ thuận. Lƣu lƣợng gió yêu cầu để thông gió khu khai thác: Từ những điểm đã nói trên, cũng nhƣ từ hình 4-3 thấy rằng lƣu lƣợng gió chuyển dịch qua khu khai thác bằng lƣu lƣợng gió chuyển dịch trong lõi lƣu lƣợng không đổi nghĩa là chỉ khí, bụi xâm nhập vào vùng lƣu lƣợng gió chuyển dịch chủ động giữa các đƣờng OPAK và OP1BK mới đƣợc tải ra khỏi khu khai thác. Nhƣ vậy chỉ có lƣu lƣợng gió đi qua một mặt cắt bất kỳ của lõi lƣu lƣợng không đổi trong một đơn vị thời gian mới thực hiện đƣợc công việc thông gió khu khai thác và đƣợc xác định theo công thức: 116
3 Q  0,0077  xc.cp  U B  L , m /s (4.23) xc.cp- Trị số trung bình của khoảng cách xc đối với một số mặt cắt vận tốc gió của khu khai thác trùng với hƣớng gió. L - Kích thƣớc ở mức mặt đất của khu khai thác theo hƣớng vuông góc với hƣớng gió, m. Lƣu lƣợng gió này có thể xác định theo công thức khác: 3 Q  k  hc  uB , m /s (4.24) k- Hệ số tính đến việc giảm vận tốc luồng gió khi đi đến mép trên bờ khuất gió của khu khai thác. Theo thực nghiệm trị số trung bình k=0,9. hc- Chiều dày của luồng gió tự do trên mép trên của bờ khuất gió, m. Tính toán theo công thức (4.24) đƣợc bắt đầu từ vị trí biến dạng của luồng gió, thực tế đƣợc bắt đầu sớm hơn trƣớc khi đến mép trên của bờ khuất gió (hình 4.3). Trị số hc có thể đo tại khu khai thác, hay đƣợc tính theo công thức: 4,6 hc  H  [  0,046] ; m (4.25) (  20)2  20 Trong đó: H - Chiều sâu của khu khai thác, m; - Góc dốc của bờ khuất gió, độ. Việc tải khí, bụi ra khỏi khu khai thác: Nhƣ đã thấy việc tải khí bụi ra khỏi khu khai thác đƣợc thực hiện bởi lõi lƣu lƣợng gió không đổi. Sự xâm nhập khí, bụi vào lõi này xảy ra ở giai đoạn đầu từ vùng P2OP1 của luồng loại 1. Dƣới đƣờng giới hạn OP1B của lõi lƣu lƣợng gió không đổi, khí, bụi xâm nhập vào bầu không khí khu khai thác nằm trong vùng chuyển dịch tuần hoàn. Khi độ thoát khí, bụi ổn định, lƣợng bụi, khí xâm nhập vào bầu khí quyển trong quá trình khai thác bằng lƣợng tải ra khỏi khu khai thác với lƣu lƣợng gió không đổi. Từ hình 4.4 thấy rằng với sơ đồ thông gió tuần hoàn phần lớn bề mặt công tác của khu khai thác (bờ khuất gió, đáy moong và một phần của bờ hứng gió) nằm trong vùng tác động của luồng gió tuần hoàn. Khi có tác động của nguồn khí, bụi bên ngoài vào khu khai thác thì chỉ một phần chúng đi vào luồng loại 1 và đƣợc tải ra ngoài, phần còn lại nằm trong vùng liên kết giữa đƣờng OP1B và OP2O1 nghĩa là lƣợng này đi qua 117
mặt cắt P1P2. Khi có thêm tác động của nguồn ô nhiễm bên trong nằm giới hạn OCP3O1B thì tất cả lƣợng bụi, khí đƣa vào từ bên ngoài và thoát ra từ bên trong sẽ xâm nhập vào vùng tuần hoàn. Lƣợng bụi, khí trong vùng tuần hoàn tập trung trong một đơn vị thời gian sẽ đƣợc tải đến lõi lƣu lƣợng gió không đổi và đƣợc tải ra khỏi khu khai thác bằng lƣợng khí, bụi hình thành trong một đơn vị thời gian trên đoạn COP3O1B. Sau đó lƣợng khí, bụi tập hợp trong vùng tuần hoàn sẽ giữ lại không đổi. h Hình 4.4. Sơ đồ phát triển luồng tự do trƣớc khi vào khu khai thác 4.2.1.3. Sơ đồ thông gió hỗn hợp Dạng hình học thực tế của khu khai thác khác rất nhiều so với hai sơ đồ đã nêu. Khi ấy có thể có trƣờng hợp một phần của khu khai thác đƣợc thông gió theo sơ đồ thuận còn phần khác theo sơ đồ tuần hoàn. Thí dụ: khi kích thƣớc của khu khai thác theo hƣớng gió đủ lớn việc thông gió mỏ có thể theo sơ đồ tuần hoàn, thuận (hình 4.5). Đối với sơ đồ này giới hạn dƣới của luồng loại 1 cắt đáy moong khu khai thác ở một điểm B nào đó, bên phải của điểm B (đoạn BCD) của khu khai thác đƣợc thông gió theo sơ đồ thông gió thuận. A O D C B Hình 4.5. Sơ đồ thông gió tuần hoàn thuận. 118
Phần khai thác ở phía trái mặt cắt A-B đƣợc thông gió tuần hoàn. Cũng có thể có những sơ đồ hỗn hợp khác: sơ đồ thông gió thuận, tuần hoàn: thí dụ (hình 4.6) Ở phía trên khu khai thác có một phần bờ khuất gió thoải hơn (AO) đƣợc thông gió theo sơ đồ thuận, phần còn lại theo sơ đồ tuần hoàn. O D A B C Hình 4.6. Sơ đồ thông gió thuận - tuần hoàn 4.2.2 Thông gió nhờ năng lượng nhiệt 4.2.2.1. Sơ đồ thông gió thuận Lực nhiệt có ảnh hƣởng rõ rệt đến thông gió khu khai thác khi vận tốc gió trên mặt đất dƣới 2 m/s. Vận tốc gió càng thấp ảnh hƣởng của lực nhiệt càng lớn. Sự chuyển dịch luồng gió đối lƣu hoặc đảo nghịch trong sơ đồ thông gió đối lƣu hoặc đảo nghịch phụ thuộc vào vị trị số Gradient nhiệt độ trong khu khai thác. Đối với sơ đồ thông gió đối lƣu: những lớp không khí nằm dƣới nóng hơn đƣợc nâng lên trên mang theo lƣợng khí, bụi xâm nhập vào bầu khí quyển khu khai thác. Đối vơi sơ đồ đảo nghịch: các lớp không khí lạnh chuyển dịch xuống dƣới mang lƣợng khí, bụi xuống phần sâu của khu khai thác lúc này thông gió không tải khí, bụi ra ngoài mà tập trung khí, bụi xuống phần dƣới của khu khai thác. Nếu tập trung ở mức độ cao dẫn đến việc phải ngừng công tác khai thác mỏ.. Điều kiện hình thành: Sơ đồ thông gió đối lƣu hình thành khi các bờ của khu khai thác bị đốt nóng và năng lƣợng của luồng gió trên mặt đất nhỏ. Nhiệt từ bờ mỏ đốt nóng không khí bên trên làm không khí bị đốt nóng chuyển dịch lên trên, dẫn đến việc không khí lạnh từ trên hạ xuống chiếm chỗ tạo nên luồng gió đi từ trên xuống. Nguyên nhân sự chuyển dịch đó là do nhiệt độ làm thay đổi khối lƣợng riêng lớp không khí trên một mặt phẳng ngang. 119
Sự đốt nóng chung các bờ mỏ gây ra sự chuyển dịch các luồng gió trong tất cả khu khai thác. Ngoài sự chuyển dịch đối lƣu trong khu khai thác còn thấy những luồng gió đối lƣu cục bộ sinh ra bởi mức độ nóng khác nhau: màu sắc đất đá, tính chất lý học khác nhau, nhiệt dƣới sâu, cƣờng độ các quá trình Oxi hoá trên bề mặt. Sơ đồ thông gió đối lƣu đƣợc hình thành khi tốc độ gió nhỏ hơn 0,70,8 m/s, tƣơng ứng với động năng của luồng gió trên mặt đất khoảng 0,04 kG.m/m3. Khi năng lƣợng của luồng gió (vận tốc gió) trên bề mặt giảm thì sự luồng gió chuyển dịch đối lƣu trong khu khai thác mạnh lên. Sơ đồ chuyển dịch luồng gió: Sơ đồ chuyển dịch luồng gió đối lƣu trong khu khai thác đƣợc biểu thị trên (hình 4.7). Hình 4.7. Sự chuyển dịch luồng gió khi thông gió đối lƣu Từ hình vẽ trên ta thấy khối lƣợng không khí nóng dâng lên trên dọc theo các tầng do bị nén bởi khối không khí lạnh hơn đang hạ xuống. Khi ấy thể tích không khí đƣợc nâng lên tăng theo chiều cao kể từ moong khu khai thác. Luông gió đối lƣu mạnh nhất ở vào các tầng cao nhất của khu khai thác. Vận tốc và chế độ chuyển dịch luồng gió : Do tăng khối không khí nâng lên trên dọc theo các bờ mỏ dẫn đến tăng vận tốc chuyển dịch của luồng gió hƣớng lên trên dọc theo các bờ mỏ theo chiều cao. Vận tốc gió cực đại đạt ở mép trên của bờ mỏ, có thể tới 1,5 m/s khi chiều sâu moong khai thác đến từ 100200m. Thành phần nằm ngang của vận tốc gió luồng đối lƣu có thể tính theo công thức: tg  tg  u  0,55  k1  g  sin   ( H  h)  ; m/s (4.26) t  0,01  t  H k1- Hệ số tính đến sự làm chậm luồng gió do ảnh hƣởng của các tầng; 120
g - Gia tốc trọng trƣờng, m/s2;  - Góc dốc của bờ mỏ, độ; h - Chiều sâu của bề mặt, trên đó xác định sự chuyển dịch của luồng gió đối lƣu, m; t - Nhiệt độ bề mặt bờ nghiêng sƣờn tầng khu khai thác ở chiều sâu h, oC; t - Gradient nhiệt độ thực tế, oC/m. Một trong những nguyên nhân cơ bản dẫn đến thông gió đối lƣu trong khu khai thác là sự đốt nóng các bờ mỏ nhờ năng lƣợng mặt trời. Sự chuyển dịch luồng gió đối lƣu xảy ra ban ngày khi bờ Bắc đƣợc đốt nóng nhiều hơn bờ Nam. Từ kết quả đó, lƣu lƣợng gió chuyển dịch dọc bờ Bắc lên mặt đất lớn hơn và vận tốc cao hơn so với bờ Nam. Khi có những nguồn nhiệt khác nhƣ : cháy mỏ, đốt nóng ngoại sinh các bờ mỏ .v.v... luồng gió đối lƣu có thể chuyển dịch suốt ngày đêm. Tải khí, bụi ra khỏi khu khai thác: Việc tải khí, bụi ra khỏi khu khai thác đƣợc nhờ luồng gió chuyển dịch lên dọc theo các bờ mỏ. Lƣợng khí, bụi trong luồng gió tăng lên khi gần với bề mặt khu khai thác. Các nguồn thoát khí, bụi ở bên trong mỏ (công tác khoan, máy xúc ...) ảnh hƣởng chủ yếu đến việc ô nhiễm khí quyển mỏ, đặc biệt từ mặt khuất gió và nơi có vận tốc gió nhỏ. Các nguồn bên ngoài không ảnh hƣởng đến ô nhiễm khí quyển mỏ. 4.2.2.2. Sơ đồ thông gió đảo nghịch Điều kiện hình thành: Sơ đồ thông gió đảo nghịch hình thành khi nhiệt độ bờ mỏ và năng lƣợng của luồng gió trên mặt đất nhỏ. Sự chuyển dịch đảo nghịch đặc biệt mạnh khi gradient nhiệt độ âm. Để sinh ra luồng gió đảo nghịch, vận tốc gió trên mặt đất không vƣợt quá 0,70,8 m/s. Nghĩa là động năng của luồng gió gió nhỏ hơn 0,04 KG.m/m3. Khi năng lƣợng của luồng gió nâng cao sẽ gây ảnh hƣởng đến trạng thái nhiệt động của luồng gió. Sơ đồ chuyển dịch luồng gió: Những lớp không khí nằm gần bờ mỏ đƣợc làm lạnh, nặng hơn bắt đầu chuyển dịch xuống dƣới đến đáy moong, các lớp nằm ở đáy moong nóng hơn sẽ chuyển dịch lên trên. Theo sự phát triển đảo nghịch, chiều sâu của lớp không khí lạnh ở phần dƣới khu khai thác sẽ tăng lên. Sau một thời gian tất cả công trƣờng của khu khai thác tràn ngập các khối không khí lạnh. 121
Trên (hình 4.8) biểu thị sơ đồ chuyển dịch luồng gió trong khu khai thác, khi một phần chiều sâu của nó tràn ngập không khí lạnh. Lớp không khí lạnh lấp đầy khu khai thác khi đảo nghịch gọi là lớp đảo nghịch (trên hình 4.8, chiều sâu của nó bằng h) còn giới hạn trên của nó gọi là mức đảo nghịch (mức a-a hình 4-8). h Hình 4.8. Sự chuyển dịch luồng gió khi thông gió đảo nghịch Vận tốc và chế độ chuyển dịch luồng gió: Theo sơ đồ thông gió đảo nghịch vận tốc gió cực đại của luồng gió ở trên bề mặt của bờ mỏ không vƣợt quá 1 m/s. Theo hƣớng của luồng đảo nghịch vận tốc gió sẽ giảm xuống, còn dƣới mức đảo nghịch, thực tế không khí không chuyển dịch. Vận tốc trung bình của luồng gió ở mặt dốc của bờ mỏ có thể xác định gần đúng theo công thức: Tk  T u  1,41  k2  H  g  ; m/s (4.27) T k2 - Hệ số thực nghiệm tính đến sự giảm tác động của trọng lực do đốt nóng đoạn nhiệt không khí, nén ép luồng gió đi xuống các tầng sâu hơn và ảnh hƣởng của ma sát các tầng đến luồng gió đi vào lớp không khí không chuyển dịch; H - Chiều cao từ mặt đất đến lớp không khí không chuyển dịch hay là đáy moong, m; g - Gia tốc trọng trƣờng, m/s2; T - Nhiệt độ tuyệt đối trung bình của không khí bao quanh khu khai thác, oK; Tk - Nhiệt độ tuyệt đối trung bình của luồng gió chuyển dịch đến khu khai thác, oK. Sự chuyển dịch đảo nghịch có thể kéo dài với thời gian khác nhau,trong vài giờ đến vài ngày và thƣờng xảy ra trong mùa lạnh. Chế độ chuyển dịch này gây khó khăn cho sự trao đổi không khí trong khu khai thác và có thể làm cho hàm lƣợng khí, bụi cao trong bầu không khí ở một khoảng cách xa nguồn tạo ra chúng. 122
Theo sơ đồ thông gió đảo nghịch, sự trao đổi không khí giữa lớp đảo nghịch và lớp khí quyển nằm trên cực kỳ bị hạn chế, vì vậy sự tải khí bụi ra khỏi khu khai thác thực tế không xảy ra. Kết quả là dƣới mức đảo nghịch điều kiện vệ sinh lao động không thuận lợi. Vì vậy một trong những nhiệm vụ cơ bản của việc thông gió khu khai thác là tìm các biện pháp phá vỡ dịch chuyển đảo nghịch và khôi phục sự trao đổi không khí trong khu khai thác. 4.2.2.3. Sơ đồ thông gió hỗn hợp Trên thực tế các sơ đồ thông gió khu khai thác không hoàn toàn giống những sơ đồ quan sát ở trên mà mang tính hỗn hợp. Khi vận tốc gió gió trên mặt đất từ 2  5 m/s, sự chuyển dịch luồng gió trong khu khai thác bị biến dạng do tác động hỗn hợp của năng lƣợng gió và lực nhiệt. Trong các khu khai thác sâu có thể thấy sự hỗn hợp của sơ đồ thông gió do tác động nhiệt và gió. Thực nghiệm đã chứng minh rằng, thậm chí khi gió trên bề mặt đất mạnh, luồng gió vào khu khai thác không vƣợt quá mức sâu 150200m. Dƣới mức này, năng lƣợng gió hầu nhƣ tác động rất yếu và không gây ảnh hƣởng đến sự hình thành các luồng gió mà luồng gió chỉ hình thành dƣới tác động của lực nhiệt. Ở phần sâu của khu khai thác, luồng gió có thể là đối lƣu hay đảo nghịch. Trên (hình 4.9) giới thiệu sơ đồ chuyển dịch không khí thuận - đối lƣu trong khu khai thác, khi đó phần trên của nó đƣợc thông gió nhờ năng lƣợng gió, còn phần dƣới nhờ năng lƣợng nhiệt. Theo sơ đồ này khí, bụi nhờ luồng gió đối lƣu đƣa đến vùng tác động của luồng gió thuận và sẽ đƣợc tải ra khỏi giới hạn khu khai thác. Hình 4.9. Sơ đồ thông gió thuận - đối lƣu 123
Cũng có thể có những sơ đồ hỗn hợp khác. Thí dụ nhƣ nếu một bờ mỏ đƣợc làm lạnh, còn bờ khác bị đốt nóng do một nguyên nhân nào đó, có thể có sơ đồ thông gió đối lƣu - đảo nghịch, nhƣ đã giới thiệu trên (hình 4.10). Hình 4.10. Sơ đồ thông gió đối lƣu - đảo nghịch 4.2.3. Thông gió nhân tạo Thông gió nhân tạo khu khai thác mỏ lộ thiên cần thiết khi lƣu lƣợng gió cấp cho khu khai thác không đủ để duy trì trạng thái khí quyển bình thƣờng về vệ sinh lao động. Các trƣờng hợp đó là: tập trung khí, bụi trong khu khai thác do giảm năng lƣợng gió trên mặt đất, xuất hiện gradient nhiệt độ theo chiều thẳng đứng nhỏ hơn gradient đoạn nhiệt, cƣờng độ thoát khí, bụi cao… Sự giảm năng lƣợng gió trên mặt đất là yếu tố cơ bản tạo khả năng tập trung khí, bụi trong khu khai thác. Khi vận tốc độ gió trên mặt đất nhỏ hơn 2m/s, sự trao đổi không khí giữa bầu khí quyển trong khu khai thác và trên mặt đất bị giảm rất lớn. Gradient nhiệt độ theo chiều thẳng đứng xác định cƣờng độ trao đổi không khí đối lƣu trong khu khai thác. Gradient đoạn nhiệt bằng 1o/100m chiều sâu thẳng đứng dẫn đến trạng thái cân bằng của khí quyển, là giới hạn giữa sự chuyển dịch luồng gió đối lƣu và trạng thái không có chuyển dịch. Trạng thái không gây ra sự chuyển dịch khi Gradient < 1o/100m. Để tăng cƣờng sự trao đổi không khí cần phải: - Chọn mặt bằng mỏ đúng hƣớng gió chủ đạo; - Chọn kích thƣớc khu khai thác hợp lý theo yếu tố thông gió; - Tạo trên bề mặt mỏ những công trình nhân tạo để nâng cao vận tốc gió và tăng cƣờng độ chảy rối của luồng gió; - Thay đổi màu sắc của đất đá trên bề mặt mỏ; Sử dụng nhiệt của đất đá khi xuống sâu mỏ. 124
Thông gió nhân tạo bao gồm: - Thông gió nhờ ống đẫn và đƣờng lò dẫn gió; - Thông gió nhờ luồng gió tự do. Sử dụng các phƣơng tiện thông gió nhân tạo chỉ cần thiết trong thời kỳ lặng gió và khi xảy ra sự chuyển dịch đảo nghịch. 4.2.3.1. Các công trình thông gió trên mặt mỏ Thông gió các khu vực khai thác có thể thực hiện tốt hơn khi bố trí trên mặt mỏ những bãi thải nhằm định hƣớng và tăng cƣờng độ chảy rối của luồng gió. Cùng mục đích này có thể sử dụng cả nhà cửa bố trí gần khu khai thác làm tƣờng gió (hình 4.11) cho phép tăng vận tốc gió trên khu khai thác từ 1020%. Kết quả khả quan khi chiều rộng l lớn, song chiều rộng đó phải lớn hơn chiều rộng của khu khai thác. Góc  tối ƣu giữa các công trình bằng khoảng 700. 1 2 3 l 1 Hình 4.11. Sơ đồ bố trí các tƣờng gió 4.2.3.2. Thông gió nhờ ống gió và đƣờng lò dẫn gió Trên (hình 4.12) giới thiệu sơ đồ thông gió khu khai thác bằng phƣơng pháp đẩy. Với phƣơng pháp thông gió đẩy gió sạch sẽ đến tiếp cận trực tiếp vùng ô nhiễm bảo đảm việc tải khí, bụi tƣơng đối nhanh. Phƣơng pháp này làm loãng khí, bụi và thổi lên các tầng cao hơn bay đến một vị trí khác không có ngƣời làm việc hoặc các khu vực ít ô nhiễm hơn. 125
Khi sử dụng phƣơng pháp hút, thời gian thông gió sẽ lâu hơn, song ƣu điểm của nó là hút trực tiếp không khí bẩn đƣa ra khỏi biên giới của khu khai thác, ngoài ra phƣơng pháp thông gió hút không thổi tung bụi lắng đọng ở bề mặt khu khai thác nhƣ khi thông gió đẩy. Nhìn chung các phƣơng pháp này ít hiệu quả, nên hiện nay rất ít sử dụng. Có thể sử dụng nó nhƣ là một biện pháp phụ. a) Nhờ ống; b) Nhờ đường lò. Hình 4.12. Sơ đồ thông gió bằng phƣơng pháp đẩy 4.2.3.3. Thông gió nhờ các luồng đẳng nhiệt Luồng gió tự do truyền lan trong khí quyển, có nhiệt độ không đổi và bằng nhiệt độ môi trƣờng xung quanh gọi là luồng đẳng nhiệt. Thực tế nhiệt độ không khí theo chiều dài của luồng đẳng nhiệt có một số thay đổi do sự đốt nóng ban đầu từ thiết bị thông gió và lại đƣợc làm nguội khi hỗn hợp thổi lên cao. Vì vậy từ “đẳng nhiệt” thực tế mang tính quy ƣớc. Luồng gió tự do đẳng nhiệt trong các khu khai thác đƣợc tạo ra bởi các quạt gió, chủ yếu nhờ cánh quạt máy bay. Hiện nay ngƣời ta hay sử dụng các loại cánh quạt và động cơ máy bay  - 18,  - 144, hay là các cánh quạt của máy bay công suất nhỏ và loại trực thăng  -,  - ... Vận tốc gió trên trục của luồng ở khoảng cách x cách tiết diện ban đầu có thể xác định theo công thức: 0, 48  uo.cp  o um  , m/s (4.28) ax  0,145 D uo.cp- Vận tốc gió trung bình ở tiết diện ban đầu, m/s; o- Hệ số tính đến sự phân bố không đều vận tốc gió ở tiết diện ban đầu; 126