Giáo trình nâng cao hiệu quả thông gió thoát nước khi khai thác xuống sâu phần 2 (dùng cho trình độ cao học)

107 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 t[.]

107

Chương 4 THIÊT KẾ THÔNG GIÓ MỎ L THIÊN 4.1 Khái quát chung

Thiết kế kỹ thuật khai thác mỏ bằng phương 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 phương pháp thông gió và các phương tiện chống bụi, khí gây ô nhiễm nhằm cải thiện điều kiện lao động,

an toàn cho người 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 thường trong mỏ

Việc đánh giá hiệu quả thông gió tự nhiên được 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 trường của địa phương 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 phương án đưa ra để lựa chọn Mỗi phương án đưa 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 phương 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 trưng của mỏ chú trọng đến hướng và vận tốc gió Xác định được lưu lượng 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 trường hợp có hoặc không sử dụng các

108

phương 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 thường có thể duy trì công việc quanh năm mà không cần dùng các phương tiện riêng để chống bụi và khí hoặc chỉ chống ở những khu vực sản xuất bị ô nhiễm bụi, khí cục bộ Trường hợp khu khai thác xuống sâu bầu không khí khu vực khai thác bị ô nhiễm phải dùng tất cả các phương tiện đồng bộ để chống bụi và khí Trường 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 phương tiện cần thiết để chống bụi và khí

Khi biết qua mỗi một thời kỳ phát triển mỏ lượng khí, bụi xâm nhập vào bầu khí quyển và lưu lượng gió vào mỏ người ta xác định được 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 hướng và vận tốc gió do thông gió tự nhiên không đảm bảo thành phần không khí bình thường Sau khi đánh giá các sơ đồ thông gió tự nhiên đạt và không đạt yêu cầu cũng như việc phải ngừng thông gió tự nhiên trong năm, kết hợp với những tài liệu về hướng 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 được 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 cường 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 hướng tăng cường 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 phương 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 được 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 như theo hiệu quả kinh tế của việc thông gió nhân tạo

109

Cuối cùng là đánh giá hiệu quả kinh tế của thông gió nhân tạo qua các giai đoạn Như vậy, thiết kế thông gió mỏ lộ thiên gồm các giai đoạn sau:

Đánh giá điều kiện môi trường vùng mỏ;

Lựa chọn công nghệ, thiết bị cơ giới hoá và kích thước hình học của khu khai thác theo yếu tố thông gió;

Xác định các thông số thông gió tự nhiên;

Xác định lượng khí độc, hại và bụi xâm nhập vào bầu không khí mỏ;

Xác định các thời kỳ yêu cầu phải tăng cường thông gió trong khu khai thác; Chọn các phương tiện tăng cường 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 lưu lượng 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 được 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 phương 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 được tạo ra khi năng lượng gió khá lớn trên mặt đất được 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 lượng gió dẫn đến sơ đồ thông gió “nhiệt” sẽ được 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

110

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

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 tượng này phía trên khu khai thác tạo ra một vùng như “cái mũ chụp OAO” của các lớp không khí làm vận tốc gió bị hãm từng phần Giản đồ tương tự cũng quan sát thấy cả khi sơ đồ tuần hoàn Mặt phẳng a-a giới hạn phần luồng gió mở rộng xuống dưới khu khai thác phần luồng gió này chịu sự biến dạng

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 như trên (hình 4.1)

Khi thông gió theo sơ đồ thông gió thuận hình 4.2, luồng gió trên mặt đất

đổi hướng 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 được lan truyền trong khu khai thác đến giới hạn của nó là bờ mỏ và đáy moong

A

a a

111

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 tương tự có thể lấy theo dạng:



cos

0

U

U ; m/s (4.1)

y

x



5,85

x, y - toạ độ

còn trên đoạn bc tăng lên do sự thu hẹp luồng

Lưu lượng gió thông gió khu khai thác: Với sự gần đúng cho phép có thể xem khu khai thác được thông gió bởi lưu lượng gió chuyển dịch giữa trục Ox và bề mặt khu khai thác (hình 4.2)

Giả thiết một phần tử lưu lượng gió đi qua một diện tích nằm trong một tiết diện xác định của luồng gió x = l = const và có kích thước dy theo phương thẳng đứng và một đơn vị theo chiều ngang, trong một đơn vị thời gian bằng:

q  U l dy, m3/s (4.3)

U - Vận tốc gió ở tâm diện tích, m/s

y

x

dy

Hl l

Ln

1

2 O

2

112

Lưu lượng gió chung qua mặt cắt x = l = const sẽ là:

1

H

O

1 cos

H o O

0,171 5,85

x

Sau khi thay biểu thức nhận được cho dy và sau khi thay giới hạn trên của tích

2 5,84 H

l

khuất gió), ta nhận được:

2 0,171 o cos

O





2

0 sin 171

,

Khi 1 = 150 thì 2 = /2:

x U

Các công thức (4.7), (4.8) đúng cho tất cả các mặt cắt của khu khai thác khi

hệ phụ thuộc vào toạ độ dọc:

x a U

U

B





Trị số đối với sơ đồ thông gió thuận theo V.S Nikitin bằng 0,725 hay:

725 , 0

0 

B

U U

113

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

trung bình bằng 0,75; do đó, từ công thức (4.7) nhận được:

Các công thức (4.5), (4.6), (4.11) và (4.12) xác định lưu lượng gió đi qua một tiết diện bất kỳ của khu khai thác, kích thước 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 thước lớn, ở đây chỉ có thể tập trung khí, bụi hàm lượng 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, thường 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

Sơ đồ chuyển dịch của luồng gió (hình 4.3): Do sự thay đổi hướng đường 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

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 dưới và chuyển dịch theo hướng ngược với hướng ban đầu tạo ra luồng tự do mới gọi là luồng loại 2

114

Với sơ đồ thông gió tuần hoàn trong khu khai thác có hai vùng riêng trong đó hướng chuyển dịch của các luồng gió khác nhau

Hình 4.3 Sơ đồ chuyển dịch luồng gió tuần hoàn trong khu khai thác

Vùng chủ động, hướng chuyển dịch luồng gió trong khu vực khai thác trùng với

2

19, 6

1,1 1, 6



Vùng xoáy với hướng gió chuyển dịch ngược lại (giữa vùng khuất gió và đường

OO1)

Giữa hai vùng này có một đoạn luồng gió chuyển dịch theo từng đợt và luôn thay đổi hướng

Đối với luồng gió tự do loại 1 lưu lượng gió của lõi không đổi, trong đó lưu lượng gió ở một mặt cắt bất kỳ bằng lưu lượng gió vào khu khai thác giữa các đường

4

86,8

6, 7 1,1







y

x

x 1

y 1

4

2 3

1

2 =15

3 =1 25

4 =7 20

o

o

o ' '

P

P 1

P 2

P 3

x pp3

x c

H

U B

A

B K

U o4

O

O 1 1

2

115

Luồng gió trong vùng chủ động (luồng tự do loại 1) có vận tốc giảm xuống theo

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

x

x PP  0 , 6 

Trong đó:

thác

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

B

u

u



7, 64



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:

1 01

( ) 1 ( )

u

1 1 1

y ax

1

116

Đối với luồng loại 2, hệ số cấu tạo cũng như đối với luồng loại 1, (a=0,131)

Vận tốc gió ở các tầng và đáy moong có ảnh hưởng rất lớn đến thông gió các vị

xuống khi góc dốc của bờ mỏ tăng Trên đoạn BK của bờ hứng gió vận tốc gió tăng lên

Trên đoạn BK của bờ hứng gió, vận tốc gió có thể xác định theo công thức:

2 (1 1,14 0,35 )

B

Ở bề mặt của bờ khuất gió vận tốc gió được xác định theo công thức:

0,39 U B ( 0, 27 )

h

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 thước bề mặt đối với chiều sâu của khu khai thác không vượt quá 6 Khi tỷ số này lớn, một phần khu khai thác sẽ được thông gió theo sơ đồ tuần hoàn, còn một phần theo sơ đồ thuận

Lưu lượng gió yêu cầu để thông gió khu khai thác: Từ những điểm đã nói trên, cũng như từ hình 4-3 thấy rằng lưu lượng gió chuyển dịch qua khu khai thác bằng lưu lượng gió chuyển dịch trong lõi lưu lượng không đổi nghĩa là chỉ khí, bụi xâm nhập

được tải ra khỏi khu khai thác Như vậy chỉ có lưu lượng gió đi qua một mặt cắt bất kỳ của lõi lưu lượng không đổi trong một đơn vị thời gian mới thực hiện được công việc thông gió khu khai thác và được xác định theo công thức:

117

0,0077 c cp B

của khu khai thác trùng với hướng gió

L - Kích thước ở mức mặt đất của khu khai thác theo hướng vuông góc với hướng gió, m

Lưu lượng gió này có thể xác định theo công thức khác:

Q  k h u , m3/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

Tính toán theo công thức (4.24) được bắt đầu từ vị trí biến dạng của luồng gió, thực tế được bắt đầu sớm hơn trước khi đến mép trên của bờ khuất gió (hình 4.3) Trị

2

4,6

c





Trong đó:

H - Chiều sâu của khu khai thác, m;

Việc tải khí, bụi ra khỏi khu khai thác: Như đã thấy việc tải khí bụi ra khỏi khu khai thác được thực hiện bởi lõi lưu lượng gió không đổi Sự xâm nhập khí, bụi vào lõi

của lõi lưu lượng 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, lượng bụi, khí xâm nhập vào bầu khí quyển trong quá trình khai thác bằng lượng tải ra khỏi khu khai thác với lưu lượng 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 được tải ra ngoài, phần