docSpis treści t. 1 - Wydawnictwo AGH
download 
Reklamacja Transkrypt
Spis treści t. 1 - Wydawnictwo AGH
Spis treci Przedmowa ......................................................................................................... 9 1. Powietrze i zanieczyszczenia powietrza ......................................................... 1.1. Pojêcie stê¿enia substancji ......................................................................... 1.1.1. Jednostki miar stê¿eñ zanieczyszczeñ powietrza ........................... 1.2. Podstawowe funkcje oraz sk³ad powietrza czystego i suchego ................ 1.2.1. G³ówne funkcje powietrza .............................................................. 1.2.2. G³ówne sk³adniki ............................................................................. 1.3. Pobieranie próbek gazów ........................................................................... 1.3.1. Metoda aspiracyjna .......................................................................... 1.3.2. Metoda izolacyjna ............................................................................ 1.4. Szkodliwe oddzia³ywanie zanieczyszczeñ powietrza ............................... 1.5. Charakterystyka metod pomiarów zanieczyszczeñ powietrza .................. 1.5.1. Podzia³ metod pomiarów zanieczyszczeñ powietrza ..................... 1.5.2. Metody analizy chemicznej ............................................................. 1.5.3. Metody elektrochemiczne (elektrometryczne) ............................... 1.5.4. Metody fizyczne .............................................................................. 1.5.5. Metody optyczne (spetrometryczne) ............................................... 1.5.6. Chromatografia ................................................................................ 1.6. Niektóre sk³adniki i substancje zanieczyszczaj¹ce powietrze .................. 1.6.1. Tlenki wêgla CO i CO2 ................................................................... 1.6.2. Tlenki siarki SO2 i SO3 ................................................................... 1.6.3. Tlenki azotu NOx ............................................................................. 1.6.4. Alkohol metylowy ........................................................................... 1.6.5. Amoniak ........................................................................................... 1.6.6. Benzen i toluen ................................................................................ 1.6.7. Chlorowodór .................................................................................... 1.6.8. Cyjanowodór .................................................................................... 1.6.9. Aldehydy .......................................................................................... 1.6.10. Izocyjany ........................................................................................ 1.6.11. Aceton ............................................................................................ 1.6.12. Ksyleny .......................................................................................... 1.6.13. Wêglowodory ................................................................................ 1.6.14. Freony i halony .............................................................................. 1.6.15. Substancje toksyczne wydzielane z silników wysokoprê¿nych .......................................................... Literatura ............................................................................................................ 13 13 14 18 18 19 21 21 23 24 25 25 27 28 33 35 41 48 48 55 56 59 59 60 60 60 61 62 62 62 62 63 2. Aeromechaniczne podstawy wentylacji kopalñ ............................................ 2.1. Uwagi ogólne o przewietrzaniu kopalñ ..................................................... 66 66 63 64 3 4 2.2. Parametry opisuj¹ce przep³yw p³ynów ...................................................... 2.2.1. Wielkoci opisuj¹ce w³aciwoci p³ynów ....................................... 2.2.2. Parametry fizyczne opisuj¹ce przep³yw .......................................... 2.2.3. Równania ci¹g³oci i ruchu p³ynu w przep³ywach jednowymiarowych ................................................ 2.2.4. Laminarny i turbulentny przep³yw przez ruroci¹g, straty liniowe .................................................................................... 2.3. Opór aerodynamiczny wyrobiska .............................................................. 2.3.1. Pojêcie oporu wyrobiska ................................................................. 2.3.2. Opory liniowe .................................................................................. 2.3.3. Opory miejscowe ............................................................................. 2.4. Teoria podobieñstwa w zagadnieniach wentylacji .................................... 2.4.1. Podobieñstwo zjawisk fizycznych .................................................. 2.4.2. Analiza wymiarowa ......................................................................... 2.4.3. Analiza rzêdu wielkoci sk³adników w uk³adzie równañ opisuj¹cych przep³yw ...................................... Literatura ............................................................................................................ 67 67 70 119 121 3. Pomiar cinienia i ró¿nicy cinieñ .................................................................. 3.1. Przyrz¹dy do pomiaru cinienia oraz ró¿nicy cinieñ ............................... 3.2. Pomiar straty naporu w przewodzie nachylonym ..................................... Literatura ............................................................................................................ 122 122 139 142 4. Pomiar prêdkoci przep³ywu, strumieni objêtoci i masy ........................... 4.1. Pomiar objêtoci i gêstoci p³ynów ........................................................... 4.2. Pomiary prêdkoci przep³ywu gazów ........................................................ 4.3. Pomiar strumienia objêtoci ....................................................................... Literatura ............................................................................................................ 143 143 146 152 155 5. Energia i przemiany termodynamiczne ......................................................... 5.1. Przedmiot termodynamiki .......................................................................... 5.1.1. Pojêcia wstêpne ............................................................................... 5.1.2. Uk³ad termodynamiczny ................................................................. 5.1.3. W³asnoci gazów doskona³ych i pó³doskona³ych .......................... 5.2. Zasady termodynamiki ............................................................................... 5.2.1. Pierwsza zasada termodynamiki ..................................................... 5.2.2. Druga zasada termodynamiki .......................................................... 5.3. Przemiany termodynamiczne gazu doskona³ego ....................................... 5.4. Przemiany przep³ywaj¹cego p³ynu (powietrza) ........................................ 5.4.1. Pierwsza zasada termodynamiki dla przep³ywaj¹cego p³ynu ........ 5.4.2. Pojêcie pracy maksymalnej ............................................................. 5.4.3. Egzergia ........................................................................................... 5.4.4. Prawo Gouya-Stodoli ...................................................................... 5.4.5. Równoæ temperatur uk³adu i otoczenia ......................................... Literatura ............................................................................................................ 157 157 157 157 159 164 164 168 170 181 181 185 187 189 191 191 72 77 91 91 94 96 114 114 116 6. Pomiar temperatury ......................................................................................... 6.1. Temperatura i metody jej pomiaru ............................................................. 6.2. Termometry nieelektryczne ........................................................................ 6.3. Termometry elektryczne ............................................................................. 6.4. Pirometry ..................................................................................................... 6.5. Wzorcowanie termometrów, uwagi o pomiarach temperatury ................. Literatura ............................................................................................................ 193 193 195 198 208 214 216 7. Psychrometria, pomiar wilgotnoci powietrza ............................................. 7.1. Parametry psychrometryczne powietrza .................................................... 7.2. Przemiany powietrza wilgotnego ............................................................... 7.3. Pomiar wilgotnoci powietrza .................................................................... Literatura ............................................................................................................ 217 217 227 243 248 8. Wymiana ciep³a ................................................................................................ 8.1. Rodzaje wymiany ciep³a ............................................................................ 8.2. Przewodnictwo cieplne .............................................................................. 8.2.1. Bilans ciep³a ..................................................................................... 8.2.2. Przewodnictwo cieplne w stanie ustalonym ................................... 8.2.3. Przewodnictwo cieplne w stanie nieustalonym .............................. 8.3. Przejmowanie ciep³a ................................................................................... 8.4. Promieniowanie cieplne ............................................................................. 8.5. Wymiana ciep³a przy skraplaniu i wrzeniu ................................................ 8.6. Wymienniki ciep³a ...................................................................................... 8.7. Wymiana ciep³a na zwil¿onej powierzchni ............................................... Literatura ............................................................................................................ 250 250 251 251 257 261 262 266 270 272 278 281 9. Struktura i rozwi¹zywanie sieci wentylacyjnej kopalni .............................. 9.1. Mapy, plany i schematy wentylacyjne ....................................................... 9.2. Opory po³¹czeñ szeregowych i równoleg³ych ........................................... 9.3. Sieci normalne i przek¹tne proste .............................................................. 9.3.1. Sieæ normalna .................................................................................. 9.3.2. Sieæ przek¹tna prosta ....................................................................... 9.4. Sposoby zapisu sieci wentylacyjnych ........................................................ 9.5. Obliczanie sieci wentylacyjnych ................................................................ 9.6. Zdjêcie depresyjne i schemat potencjalny Bystronia ................................ 9.6.1. Zdjêcie depresyjne ........................................................................... 9.6.2. Potencja³ aerodynamiczny wed³ug H. Bystronia ............................ Literatura ............................................................................................................ 282 282 285 286 286 288 291 296 307 307 309 318 10. Depresja naturalna ........................................................................................... 10.1. Pojêcie depresji naturalnej ....................................................................... 10.2. Parametry powietrza w elementach sieci wentylacyjnej ......................... 10.3. Cykl wentylacyjny (oczko wentylacyjne) ............................................... 10.4. Wp³yw wilgotnoci ................................................................................... 10.5. Depresja cieplna kopalni, przyk³ad obliczeñ .......................................... Literatura ............................................................................................................ 319 319 322 331 339 341 345 5 11. Wentylatory ....................................................................................................... 11.1. Charakterystyka wentylatorów ................................................................ 11.2. Zasada dzia³ania wentylatorów promieniowych (odrodkowych) ......... 11.3. Zasada dzia³ania wentylatorów osiowych ............................................... 11.4. Bezwymiarowe wskaniki charakterystyk wentylatora .......................... 11.5. Wp³yw prêdkoci obrotowej, zmiany wymiarów i gêstoci powietrza na parametry pracy wentylatorów ............................................................ 11.6. Moc wentylatorów, straty energii i sprawnoæ ........................................ 11.7. Wspólna praca kilku wentylatorów w kopalnianych sieciach wentylacyjnych ............................................... 11.7.1. Elementy sieci wentylacyjnej ..................................................... 11.7.2. Wspó³praca wentylatorów po³¹czonych szeregowo .................. 11.7.3. Wspó³praca wentylatorów po³¹czonych równolegle ................. 11.8. Statecznoæ pracy wentylatorów .............................................................. 11.9. Sposoby regulacji wentylatorów .............................................................. 11.10. Urz¹dzenia stacji wentylatora ................................................................ 11.11. Wentylator swobodny ............................................................................. 11.12. Ha³as urz¹dzeñ wentylacyjnych ............................................................ Literatura ............................................................................................................ 347 347 350 354 358 12. Przewietrzanie odrêbne i recyrkulacja .......................................................... 12.1. Przep³yw powietrza w lutnioci¹gu ........................................................... 12.2. Temperatura powierza w wyrobiskach lepych, przewietrzanych odrêbnie ........................................................................ 12.3. Lutnia wirowa ........................................................................................... 12.4. Recyrkulacja ............................................................................................. Literatura ............................................................................................................ 389 389 13. Stany nieustalone przep³ywu powietrza ........................................................ 13.1. Procesy i zjawiska wywo³uj¹ce stany nieustalone parametrów wentylacyjnych .................................................................... 13.2. Przep³ywy nieustalone w wyrobiskach kopalnianych i w sieci wentylacyjnej ............................................................................. 13.2.1. Ogólne równania opisuj¹ce przep³yw powietrza w wyrobiskach korytarzowych ................................................... 13.2.2. Zatrzymanie i uruchomienie wentylatora w sieci jednooczkowej (jednocyklowej) .................................... 13.2.3. Przep³ywy nieustalone w sieci wyrobisk kopalnianych ............ 13.3. Wp³yw przewietrzania na stê¿enie metanu ............................................. 13.4. Zmiany stê¿enia gazów spalinowych w wyrobiskach kopalnianych ................................................................... 13.5. Stany nieustalone w zrobach, wynikaj¹ce ze zmian cinienia atmosferycznego .................................... 13.6. Przyk³ad zjawiska gazodynamicznego spowodowanego wstrz¹sem i t¹pniêciem ................................................ Literatura ............................................................................................................ 6 360 362 364 364 366 370 374 378 382 386 386 387 395 399 400 404 405 405 406 406 407 410 416 421 424 428 432 14. Metan i zagro¿enie metanowe ......................................................................... 14.1. W³asnoci metanu ..................................................................................... 14.2. Wystêpowanie metanu w ska³ach ............................................................ 14.3. Ruch metanu w ska³ach wêglowych ........................................................ 14.3.1. Prawo Darcy’ego i równanie filtracji metanu ............................ 14.3.2. Uwalnianie metanu z wêgla ........................................................ 14.3.3. Okrelenie zawartoci gazu w ska³ach ....................................... 14.4. Wyrzuty ska³ i gazów w kopalniach wêgla ............................................. 14.5. Sposoby ograniczania zagro¿eñ metanowych ......................................... 14.6. Odmetanowanie ........................................................................................ 14.7. Zagro¿enie gazowe na powierzchni likwidowanych kopalñ .................. 14.8. Metanomierze i eksplozymetry, monitorowanie zagro¿enia metanowego ................................................. Literatura ............................................................................................................ 434 434 435 443 443 450 451 453 455 464 477 15. Zapylenie powietrza ......................................................................................... 15.1. Pojêcie py³u i zapylenia ........................................................................... 15.2. Dzia³anie py³u na organizm cz³owieka .................................................... 15.3. Ruch ziaren py³u w powietrzu ................................................................. 15.4. W³aciwoci py³ów i ich okrelenie ........................................................ 15.5. Metody pomiaru zapylenia powietrza ..................................................... 15.5.1. Stê¿enie py³u w powietrzu .......................................................... 15.5.2. Klasyfikacja py³omierzy ............................................................. 15.6. Zapylenie powietrza kopalnianego .......................................................... Literatura ............................................................................................................ 486 486 490 496 508 516 516 517 528 533 478 484 7 8 Przedmowa Wentylacja kopalñ obejmuje zagadnienia przewietrzania i klimatyzacji, zwalczania po¿arów i wybuchów podziemnych. Przewietrzanie i klimatyzacja kopalñ okrelaj¹ zespó³ rodków oraz czynnoci, które maj¹ zapewniæ sk³ad oraz w³aciwoci powietrza gwarantuj¹ce ochronê zdrowia i ¿ycia, zadowalaj¹ce samopoczucie oraz wysok¹ sprawnoæ fizyczn¹ i psychiczn¹ w miejscach pracy i przebywania ludzi. Sk³ad powietrza kopalnianego zale¿y od sk³adu powietrza atmosferycznego dop³ywaj¹cego do kopalni oraz od przebiegu procesów powoduj¹cych zmiany stê¿eñ sk³adników powietrza w wyrobiskach. Rozwój wentylacji kopalñ jest cile uwarunkowany kierunkami i skal¹ rozwoju górnictwa. Wspó³czenie charakteryzuje siê ono wzrostem g³êbokoci wybierania, d¹¿eniem do jak najwiêkszej koncentracji wydobycia oraz sta³ym rozwojem mechanizacji i automatyzacji procesów produkcyjnych. Czynniki te powoduj¹ pogorszenie warunków naturalnych i technicznych. Stwarzaj¹ trudne do rozwi¹zania problemy zwi¹zane ze wzrostem iloci gazów wydzielaj¹cych siê ze ska³, pochodz¹cych z silników spalinowych oraz powstaj¹cych przy odpalaniu ³adunków wybuchowych. Nastêpuje zwiêkszenie iloci ciep³a przenoszonego od ska³, silników, maszyn i urz¹dzeñ o du¿ej mocy, zlokalizowanych na niewielkiej przestrzeni wyrobisk kopalnianych. Wzrost zapylenia powietrza kopalnianego jest wynikiem mechanizacji procesów urabiania, ³adowania i transportu urobku. Przewietrzanie kopalni komplikuje siê w stanach awaryjnych: w przypadku po¿aru podziemnego, wybuchu lub wyrzutu gazów i ska³. Z zagro¿eniami tymi wi¹¿¹ siê zagadnienia zapobiegania ich powstawaniu, zabezpieczania za³óg i maj¹tku kopalni, w przypadku powstania po¿aru, wybuchu lub wyrzutu oraz likwidacji ich skutków. Wydane za granic¹ w latach 80. i 90. ubieg³ego stulecia podrêczniki charakteryzuj¹ siê bardziej wszechstronnym rozpatrywaniem zagadnieñ wentylacyjnych od pozycji wczeniejszych. Chodzi tu przede wszystkim o monografie: J. Burrows (red.) 1982: Environmental Engineering in South African Mines. Mine Ventilation Society of South Africa, Cape Town. M.J. McPherson 1992: Subsurface Ventilation and Environmental Engineering. Chapman & Hall, London. H.L. Hartman, J.M. Mutmansky, R.V. Ramani, Y.J. Wang 1997: Mine Ventilation and Air Conditioning. John Wiley & Sons, inc., New York. Podkrelenie w tytu³ach zagadnieñ in¿ynierii rodowiska wyra¿a siê znacznym wp³ywem na omawiane zagadnienia wentylacji kopalñ wielu nie górniczych dziedzin wiedzy, nie tylko technicznych. £¹czne omawianie problemów obejmuj¹cych pozornie 9 odleg³e zagadnienia wynika z faktu, ¿e maj¹ one wspólne podstawy aeromechaniczne, termodynamiczne, fizykochemiczne i aerometryczne. Prócz wymienionych dziedzin nauk technicznych w rozwi¹zywaniu zagadnieñ zwi¹zanych z oddzia³ywaniem otoczenia, w tym przede wszystkim powietrza na organizm cz³owieka przebywaj¹cego w wyrobiskach górniczych, korzysta siê z nauk medycznych: g³ównie toksykologii i fizjologii. Obecnoæ zagadnieñ in¿ynierii rodowiska nie odrywa uwagi od trudnych zagadnieñ przewietrzania i klimatyzacji oraz po¿arów i wybuchów w kopalniach podziemnych, a pozwala na ich bardziej ogólne i gruntowne poznanie. Autor wprowadzi³ wa¿ne z punktu widzenia wentylacji kopalñ zagadnienia in¿ynierii rodowiska. Mo¿e jednak nie w takim zakresie, by mia³o to znaleæ wyraz w tytule pracy. Zastosowana metodyka wi¹¿e siê z szerszym ni¿ w aerologii górniczej podejciem zarówno do teorii wentylacji kopalñ jak te¿ do zagadnieñ czysto praktycznych. Warunkiem skutecznoci dzia³añ zapewniaj¹cych po¿¹dany sk³ad i w³aciwoci powietrza, zapobie¿enie niepo¿¹danym i niebezpiecznym zjawiskom w powietrzu kopalnianym oraz zwalczanie zagro¿eñ nimi spowodowanych jest dok³adne poznanie procesów bêd¹cych przedmiotem wentylacji i klimatyzacji kopalñ oraz po¿arów i wybuchów podziemnych. Zamiarem autora by³o zebranie niezbêdnych informacji w dziedzinie wentylacji kopalñ oraz in¿ynierii rodowiska, w zakresie dotycz¹cym sk³adu i w³asnoci powietrza kopalnianego. Podrêcznik adresowany jest przede wszystkim do studentów wydzia³ów górniczych oraz do in¿ynierów s³u¿b wentylacyjnych kopalñ podziemnych. Omawiaj¹c prace polskich specjalistów autor stara³ siê zachowaæ daleko posuniêt¹ zgodnoæ z najwa¿niejszymi publikacjami oryginalnymi. W pracy umieszczono wiele rozwi¹zanych przyk³adów. Dok³adnoæ obliczeñ w wentylacji kopalñ i zagadnieniach pokrewnych jest ograniczona, co wi¹¿e siê z technik¹ pomiarow¹ w trudnym rodowisku kopalnianym i z uproszczeniami w modelach rozpatrywanych procesów. Jednak w zwi¹zku z wykorzystywaniem do wielu obliczeñ komputera, a niekiedy stosowaniem metody kolejnych przybli¿eñ, wymagaj¹cej wysokiej dok³adnoci samych wyliczeñ numerycznych, podano wiêksz¹ liczbê cyfr, które nale¿y traktowaæ jako znacz¹ce w sensie numerycznym. Do licznych trudnoci, na jakie napotka³ autor, nale¿y brak w polskim rodowisku specjalistów jednolitych definicji wa¿nych pojêæ dotycz¹cych przep³ywu powietrza w wyrobiskach kopalnianych. Innym zagadnieniem s¹ czêste zmiany przepisów zwi¹zanych z zasadami prowadzenia robót górniczych i bezpieczeñstwem pracy w górnictwie. D¹¿enie do zachowania przez pewien czas aktualnoci tekstu, który w zamiarze autora ma byæ pomoc¹ dydaktyczn¹, zmusza do unikania odnoszenia siê do konkretnych sformu³owañ przepisów. Przygotowuj¹c materia³y dydaktyczne i redaguj¹c niniejsz¹ ksi¹¿kê autor korzysta³ z wiedzy i dowiadczenia wielu osób pracuj¹cymi w uczelniach, w kopalniach i w zapleczu naukowym i technicznym górnictwa. Prowadzone dyskusje przyczyni³y siê do usuniêcia zauwa¿onych b³êdów i g³êbszego ujêcia wielu zagadnieñ. Dziêki 10 wnikliwym opiniom i krytycznym uwagom szczegó³owym Panów Recenzentów Józefa Su³kowskiego i Wac³awa Trutwina treæ ksi¹¿ki na pewno zyska³a na wartoci. Pomocy o ró¿nym charakterze udzielili równie¿: Wies³aw Augustyn, Jerzy Berger, Marek Borowski, Marian Branny, Jan Drenda, Kazimierz Jeleñ, Stanis³aw Fortuna, Kazimierz Lebecki, Jolanta Marciniak-Kowalska, Jerzy Markiewicz, Anna M³ynarczykowska, Jerzy Niewodniczañski, Emil Nowak, Dariusz Obracaj, Jan Skowronek, Krzysztof Soroko, Andrzej Strumiñski, Nikodem Szl¹zak, Tadeusz Szponder, Stanis³aw Trenczek, Micha³ Waligórski, Stanis³aw Wasilewski i inni. Autor sk³ada wszystkim serdeczne podziêkowanie. 11 12
