Dimanche, Mars 13 2011 16: 18

Ventilation et refroidissement dans les mines souterraines

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L'objectif principal de la ventilation des mines est de fournir des quantités suffisantes d'air à tous les lieux de travail et voies de circulation d'une mine souterraine pour diluer à un niveau acceptable les contaminants qui ne peuvent être contrôlés par aucun autre moyen. Lorsque la profondeur et les températures de la roche sont telles que les températures de l'air sont excessives, des systèmes de réfrigération mécanique peuvent être utilisés pour compléter les effets bénéfiques de la ventilation.

L'ambiance de la mine

La composition de l'enveloppe gazeuse entourant la terre varie de moins de 0.01 % d'un endroit à l'autre et la constitution de l'air « sec » est généralement prise comme suit : 78.09 % d'azote, 20.95 % d'oxygène, 0.93 % d'argon et 0.03 % de dioxyde de carbone. La vapeur d'eau est également présente en quantités variables selon la température et la pression de l'air et la disponibilité de surfaces d'eau libres. Au fur et à mesure que l'air de ventilation circule dans une mine, la concentration de vapeur d'eau peut changer de manière significative et cette variation fait l'objet d'une étude distincte de la psychrométrie. Pour définir l'état d'un mélange de vapeur d'eau et d'air sec en un point particulier, il faut les trois propriétés indépendantes mesurables de la pression barométrique, des températures de bulbe sec et de bulbe humide.

Exigences de ventilation

Les contaminants à contrôler par la ventilation par dilution sont principalement des gaz et des poussières, bien que les rayonnements ionisants associés au radon d'origine naturelle puissent poser des problèmes, en particulier dans les mines d'uranium et lorsque les concentrations de fond en uranium des roches hôtes ou adjacentes sont élevées. La quantité d'air requise pour le contrôle de la dilution dépendra à la fois de la force de la source de contaminants et de l'efficacité d'autres mesures de contrôle telles que l'eau pour la suppression de la poussière ou les systèmes de drainage du méthane dans les mines de charbon. Le débit d'air de dilution minimal est déterminé par le contaminant nécessitant la plus grande quantité de dilution en tenant dûment compte des effets additifs possibles des mélanges et de la synergie où un contaminant peut augmenter l'effet d'un autre. Cette valeur pourrait être remplacée par une exigence de vitesse minimale de l'air qui est généralement de 0.25 m/s et qui augmente à mesure que la température de l'air augmente également.

Ventilation des équipements au diesel

Dans les mines mécanisées utilisant des équipements mobiles à moteur diesel et en l'absence de surveillance continue des gaz, la dilution des gaz d'échappement est utilisée pour déterminer les exigences minimales en air de ventilation là où elles fonctionnent. La quantité d'air nécessaire varie normalement entre 0.03 et 0.06 m3/s par kW de puissance nominale au point de fonctionnement en fonction du type de moteur et de l'utilisation ou non d'un conditionnement des gaz d'échappement. Les développements continus de la technologie des carburants et des moteurs réduisent les émissions des moteurs, tandis que les convertisseurs catalytiques, les épurateurs humides et les filtres céramiques peuvent réduire davantage les concentrations sortantes de monoxyde de carbone/aldéhydes, d'oxydes d'azote et de particules diesel respectivement. Cela permet de respecter des limites de plus en plus strictes en matière de contaminants sans augmenter de manière significative les taux de dilution des gaz d'échappement. La limite de dilution minimale possible de 0.02 m3/s par kW est déterminé par les émissions de dioxyde de carbone qui sont proportionnelles à la puissance du moteur et non affectées par le conditionnement des gaz d'échappement.

Les moteurs diesel sont environ un tiers efficaces pour convertir l'énergie disponible dans le carburant en puissance utile et la majeure partie de celle-ci est ensuite utilisée pour surmonter les frottements, ce qui entraîne une production de chaleur qui est environ trois fois la puissance de sortie. Même lors du transport de roches dans une pente dans un camion, le travail utile effectué ne représente qu'environ 10% de l'énergie disponible dans le carburant. Des puissances de moteur diesel plus élevées sont utilisées dans les équipements mobiles plus gros qui nécessitent des excavations plus importantes pour fonctionner en toute sécurité. En tenant compte des dégagements normaux du véhicule et d'un taux typique de dilution des gaz d'échappement diesel de
0.043/s par kW, les vitesses d'air minimales où les diesels fonctionnent sont en moyenne d'environ 0.5 m/s.

Ventilation des différentes méthodes de minage

Bien que l'établissement d'exigences générales de quantité d'air ne soit pas approprié lorsque des informations détaillées sur la planification de la mine et de la ventilation sont disponibles ou possibles, elles appuient les critères utilisés pour la conception. Les écarts par rapport aux valeurs normales peuvent généralement être expliqués et justifiés, par exemple, dans les mines présentant des problèmes de chaleur ou de radon. La relation générale est :

Quantité de mine = à + β

où t est le taux de production annuel en millions de tonnes par an (Mtpa), α est un facteur de quantité d'air variable qui est directement lié au taux de production et β est la quantité d'air constante nécessaire pour ventiler l'infrastructure de la mine, comme le système de manutention du minerai. Les valeurs typiques de α sont données dans le tableau 1.

Tableau 1. Facteurs de quantité d'air de conception

Méthode d'extraction

α (facteur de quantité d'air m3/s/Mtpa)

Bloc-foudre

50

Chambre et pilier (potasse)

75

Spéléologie de sous-niveau

120

Chantier à ciel ouvert
grande >.5 Mtpa
petit .5 Mtpa


160
240

Déblai et remblai mécanisé

320

Exploitation minière non mécanisée

400

 

La quantité d'air constante β dépend principalement du système de manutention du minerai et, dans une certaine mesure, du taux de production global de la mine. Pour les mines où la roche est transportée à travers une rampe à l'aide de camions à moteur diesel ou s'il n'y a pas de concassage de la roche extraite, une valeur appropriée de β est de 50 m3/s. Cela augmente généralement à 100 m3/s lors de l'utilisation de concasseurs souterrains et de sauts de levage avec des zones de maintenance souterraines. Au fur et à mesure que le système de manutention du minerai devient plus étendu (c'est-à-dire en utilisant des convoyeurs ou d'autres systèmes de transfert de minerai), β peut encore augmenter jusqu'à 50 %. Sur les très grandes mines où des systèmes de puits multiples sont utilisés, la quantité d'air constante β est également un multiple du nombre de systèmes de puits requis.

Exigences de refroidissement

Conditions thermiques de conception

La fourniture de conditions thermiques appropriées pour minimiser les dangers et les effets néfastes du stress thermique peut nécessiter un refroidissement mécanique en plus de la ventilation nécessaire pour contrôler les contaminants. Bien que le stress thermique appliqué soit une fonction complexe des variables climatiques et des réponses physiologiques à celles-ci, en termes pratiques d'exploitation minière, ce sont la vitesse de l'air et la température du bulbe humide qui ont la plus grande influence. Ceci est illustré par les puissances de refroidissement de l'air corrigées par les vêtements (W/m2) donnée dans le tableau 2. Sous terre, la température radiante est prise égale à la température de bulbe sec et supérieure de 10 °C à la température de bulbe humide. La pression barométrique et le régime vestimentaire sont typiques des travaux souterrains (c'est-à-dire 110 kPa et 0.52 unités vestimentaires).

Tableau 2. Puissances de refroidissement de l'air corrigées par les vêtements (W/m2)

Vitesse de l'air (m / s)

Température de bulbe humide (°C)

 

20.0

22.5

25.0

27.5

30.0

32.5

0.1

176

153

128

100

70

37

0.25

238

210

179

145

107

64

0.5

284

254

220

181

137

87

1.0

321

290

254

212

163

104

 

Une vitesse de l'air de 0.1 m/s reflète l'effet de la convection naturelle (c'est-à-dire aucun flux d'air perceptible). Une vitesse de l'air de 0.25 m/s est le minimum normalement autorisé dans l'exploitation minière et 0.5 m/s serait nécessaire lorsque la température de bulbe humide dépasse 25 °C. En ce qui concerne l'atteinte de l'équilibre thermique, la chaleur métabolique résultant des taux de travail typiques est : repos, 50 W/m2; travaux légers, 115 à 125 W/m2, travail moyen, 150 à 175 W/m2; et travail acharné, 200 à 300 W/m2. Les conditions de conception pour une application minière spécifique seraient déterminées à partir d'une étude d'optimisation détaillée. Généralement, les températures de bulbe humide optimales se situent entre 27.5 °C et 28.5 °C, les températures les plus basses s'appliquant aux opérations moins mécanisées. Les performances au travail diminuent et le risque de maladie liée à la chaleur augmente considérablement lorsque la température du bulbe humide dépasse 30.0 °C, et le travail ne devrait normalement pas continuer lorsque la température du bulbe humide est supérieure à 32.5 °C.

Charges thermiques des mines

La charge de réfrigération de la mine est la charge thermique de la mine moins la capacité de refroidissement de l'air de ventilation. La charge thermique de la mine comprend les effets de l'auto-compression de l'air dans les voies d'admission d'air (la conversion de l'énergie potentielle en enthalpie lorsque l'air descend dans la mine), le flux de chaleur dans la mine à partir de la roche environnante, la chaleur retirée de la roche brisée ou toute eau de fissure avant qu'elles ne soient retirées des prises d'eau ou des sections de travail de la mine, et la chaleur résultant du fonctionnement de tout équipement utilisé dans les processus de concassage et de transport du minerai. La capacité de refroidissement de l'air de ventilation dépend à la fois des conditions environnementales thermiques de conception dans les lieux de travail et des conditions climatiques réelles en surface.

Bien que les contributions relatives de chaque source de chaleur au total soient spécifiques au site, l'auto-compression est généralement le principal contributeur entre 35 et 50 % du total. Au fur et à mesure que la profondeur de l'exploitation minière augmente, l'auto-compression peut rendre la capacité de refroidissement de l'air négative et l'apport d'air supplémentaire a pour effet d'augmenter la charge de réfrigération de la mine. Dans ce cas, la quantité de ventilation fournie doit être le minimum compatible avec le contrôle des contaminants et des quantités croissantes de réfrigération sont nécessaires pour fournir des conditions de travail productives et sûres. La profondeur de l'exploitation minière à laquelle la réfrigération devient nécessaire dépendra principalement des conditions climatiques de surface, de la distance parcourue par l'air dans les voies d'admission d'air avant d'être utilisé et de la mesure dans laquelle les gros équipements (diesel ou électriques) sont utilisés.

Systèmes de ventilation primaires

Réseaux

Les systèmes ou réseaux de ventilation primaires visent à assurer la circulation de l'air à travers les ouvertures de mine interconnectées. Le réseau de ventilation global a des jonctions où trois ou plusieurs voies respiratoires se rencontrent, des branches qui sont des voies respiratoires entre les jonctions et des mailles qui sont des chemins fermés traversés à travers le réseau. Bien que la plupart des réseaux de ventilation des mines soient ramifiés avec des centaines, voire des milliers de branches, le nombre de voies principales d'aspiration (branche entre la surface et les chantiers miniers) et de retour ou d'échappement (branche entre les chantiers et la surface) est généralement limité à moins de dix.

Avec un grand nombre de branches dans un réseau, déterminer un modèle d'écoulement et établir la perte de charge globale n'est pas simple. Bien que beaucoup soient en série simple ou en arrangement parallèle qui peuvent être résolus algébriquement et avec précision, il y aura des sections composées nécessitant des méthodes itératives avec convergence vers une tolérance acceptable. Des ordinateurs analogiques ont été utilisés avec succès pour l'analyse de réseau; cependant, ceux-ci ont été remplacés par des méthodes numériques moins chronophages basées sur la technique d'approximation de Hardy Cross développée pour résoudre les réseaux d'écoulement d'eau.

Résistance des voies respiratoires et pertes de choc

La résistance au flux d'air d'un tunnel ou d'une ouverture de mine est fonction de sa taille et de la rugosité de sa surface et la perte de pression résultante dépend de cette résistance et du carré de la vitesse de l'air. En ajoutant de l'énergie au système, une pression peut être générée qui surmonte alors la perte de pression. Cela peut se produire naturellement lorsque l'énergie est fournie par la chaleur de la roche et d'autres sources (ventilation naturelle). Bien que cela ait été la principale méthode de ventilation, seulement 2 à 3% de l'énergie est convertie et, pendant les étés chauds, la roche peut en fait refroidir l'air d'admission, entraînant des inversions de flux. Dans les mines modernes, un ventilateur est normalement utilisé pour fournir de l'énergie au flux d'air qui surmonte ensuite la perte de pression, bien que les effets de la ventilation naturelle puissent l'aider ou la retarder selon la période de l'année.

Lorsque l'air circule sur une surface, les molécules d'air immédiatement à côté de la surface sont à l'arrêt et celles adjacentes glissent sur celles au repos avec une résistance qui dépend de la viscosité de l'air. Un gradient de vitesse est formé où la vitesse augmente avec l'augmentation de la distance de la surface. La couche limite créée à la suite de ce phénomène et la sous-couche laminaire également formée au fur et à mesure que la couche limite se développe ont un effet profond sur l'énergie nécessaire pour favoriser l'écoulement. Généralement, la rugosité de la surface des voies respiratoires de la mine est suffisamment importante pour que les « bosses » traversent la sous-couche limite. La voie aérienne est alors hydrauliquement rugueuse et la résistance est fonction de la rugosité relative, c'est-à-dire du rapport de la hauteur de rugosité au diamètre de la voie aérienne.

La plupart des voies aériennes exploitées par les techniques conventionnelles de forage et de dynamitage ont des hauteurs de rugosité comprises entre 100 et 200 mm et même dans un sol très «bloc», la hauteur de rugosité moyenne ne dépasserait pas 300 mm. Lorsque les voies respiratoires sont entraînées à l'aide de foreuses, la hauteur de rugosité est comprise entre 5 et 10 mm et est toujours considérée comme hydrauliquement rugueuse. La rugosité des voies respiratoires peut être réduite en les doublant, bien que la justification soit plus généralement un appui au sol plutôt qu'une réduction de la puissance nécessaire pour faire circuler l'air de ventilation. Par exemple, un grand puits revêtu de béton avec une rugosité de 1 mm serait transitoirement rugueux et le nombre de Reynolds, qui est le rapport des forces d'inertie aux forces visqueuses, affecterait également la résistance au flux d'air.

En pratique, les difficultés de revêtement en béton lisse d'un si grand puits de haut en bas au fur et à mesure de son fonçage entraînent une augmentation de la rugosité et des résistances environ 50% supérieures aux valeurs lisses.

Avec un nombre limité de voies d'admission et de retour d'air entre les chantiers et la surface, une grande partie (70 à 90 %) de la perte de charge totale de la mine s'y produit. Les pertes de pression des voies respiratoires dépendent également de la présence ou non de discontinuités provoquant des pertes de choc telles que des courbures, des contractions, des dilatations ou toute obstruction des voies respiratoires. Les pertes résultant de ces discontinuités telles que les coudes dans et hors des voies respiratoires, lorsqu'elles sont exprimées en termes de pertes qui seraient produites dans une longueur équivalente de voie aérienne droite, peuvent représenter une proportion importante du total et doivent être évaluées avec soin, en particulier lors de l'examen des prises d'air et des échappements principaux. Les pertes dans les discontinuités dépendent de la quantité de séparation de la couche limite ; ceci est minimisé en évitant les changements brusques de zone.

Résistance des voies respiratoires avec obstructions

L'effet d'une obstruction sur les pertes de pression dépend de son coefficient de traînée et du coefficient de remplissage, qui est le rapport de la zone de blocage de l'objet et de la section transversale des voies respiratoires. Les pertes causées par les obstructions peuvent être réduites en minimisant la séparation de la couche limite et l'étendue de tout sillage turbulent en rationalisant l'objet. Les coefficients de traînée sont affectés par leur forme et leur disposition dans le puits ; les valeurs comparatives seraient : I faisceau, 2.7 ; carré, 2.0 ; cylindre, 1.2 ; hexagone allongé, 0.6 ; et entièrement rationalisé, 0.4.

Même avec de petits coefficients de remplissage et de faibles coefficients de traînée, si l'obstruction se répète régulièrement, comme avec les poutres séparant les compartiments de levage dans un puits, l'effet cumulé sur les pertes de charge est important. Par exemple, la résistance d'un puits équipé de poutres hexagonales allongées semi-carénées et d'un coefficient de remplissage de 0.08 serait environ quatre fois supérieure à celle du puits revêtu de béton seul. Bien que les coûts des matériaux des sections creuses rectangulaires en acier de construction plus facilement disponibles soient supérieurs à ceux des poutres en I, les coefficients de traînée sont d'environ un tiers et justifient facilement leur application.

Ventilateurs principaux et booster

Des ventilateurs axiaux et centrifuges sont utilisés pour assurer la circulation de l'air dans les systèmes de ventilation des mines, avec des rendements de ventilateur de plus de 80 % pouvant être atteints. Le choix entre un flux axial ou centrifuge pour les ventilateurs de mine principaux dépend du coût, de la taille, de la pression, de la robustesse, de l'efficacité et de toute variation de performance. Dans les mines où une panne de ventilateur peut entraîner des accumulations dangereuses de méthane, une capacité de ventilateur supplémentaire est installée pour assurer la continuité de la ventilation. Lorsque ce n'est pas si critique et avec une installation à deux ventilateurs, environ les deux tiers du flux d'air de la mine continueront si un ventilateur s'arrête. Les ventilateurs axiaux verticaux installés au-dessus des voies respiratoires ont un faible coût mais sont limités à environ 300 m3/s. Pour de plus grandes quantités d'air, plusieurs ventilateurs sont nécessaires et ils sont reliés à l'échappement avec des conduits et un coude.

Pour obtenir les rendements les plus élevés à un coût raisonnable, les ventilateurs axiaux sont utilisés pour les applications à basse pression (moins de 1.0 kPa) et les ventilateurs centrifuges pour les systèmes à haute pression (supérieure à 3.0 kPa). L'une ou l'autre sélection convient aux pressions intermédiaires. Lorsque la robustesse est requise, comme avec des échappements avec des vitesses d'air supérieures à la plage critique, et que des gouttelettes d'eau sont transportées vers le haut et hors du système, un ventilateur centrifuge fournira une sélection plus fiable. La plage de vitesse critique de l'air se situe entre 7.5 m/s et 12.5 m/s où les gouttelettes d'eau peuvent rester en suspension en fonction de leur taille. Dans cette plage, la quantité d'eau en suspension peut s'accumuler et augmenter la pression du système jusqu'à ce que le ventilateur cale. C'est la région où une partie de l'air recircule autour des pales et le fonctionnement du ventilateur devient instable. Bien qu'elle ne soit souhaitable pour aucun type de ventilateur, la possibilité d'une défaillance d'aube de ventilateur centrifuge est nettement inférieure à celle d'une défaillance d'aube axiale dans cette région de fluctuation d'écoulement.

Il est rare qu'un ventilateur principal doive fonctionner au même point de fonctionnement pendant toute la durée de vie de la mine, et des méthodes efficaces de variation des performances du ventilateur sont souhaitables. Bien que la vitesse variable permette le fonctionnement le plus efficace pour les ventilateurs axiaux et centrifuges, les coûts, en particulier pour les gros ventilateurs, sont élevés. Les performances d'un ventilateur à flux axial peuvent être modifiées en ajustant l'angle des pales et cela peut être effectué soit lorsque le ventilateur est à l'arrêt, soit, à un coût nettement plus élevé, lorsqu'il est en rotation. En conférant un tourbillon à l'air entrant dans un ventilateur à l'aide d'aubes d'admission variables, les performances d'un ventilateur centrifuge peuvent être modifiées pendant son fonctionnement.

L'efficacité du ventilateur centrifuge loin de son point de conception chute plus rapidement que celle d'un ventilateur à flux axial et, si un rendement élevé est requis sur une large plage de points de fonctionnement et que les pressions sont appropriées, le ventilateur à flux axial est sélectionné.

Systèmes de ventilation

La position du ventilateur principal dans l'ensemble du système est normalement en surface au niveau des voies d'évacuation d'air. Les principales raisons en sont la simplicité où l'admission est souvent un arbre de levage et l'échappement est une voie d'air à usage unique séparée et la minimisation de la charge thermique en excluant les ventilateurs des voies d'air d'admission. Les ventilateurs peuvent être installés sur les puits de levage en mode forçage ou évacuation en fournissant un chevalement étanche. Cependant, là où des travailleurs, des matériaux ou des roches entrent ou sortent également du puits, il existe un risque de fuite d'air.

Les systèmes push-pull où les ventilateurs d'admission et d'extraction sont installés sont utilisés soit pour réduire la pression maximale dans le système en partageant, soit pour fournir une très petite différence de pression entre les chantiers et la surface. Ceci est pertinent dans les mines utilisant des méthodes de foudroyage où les fuites à travers la zone creusée peuvent être indésirables. Avec de grandes différences de pression, bien que les fuites d'air à travers une zone effondrée soient normalement faibles, elles peuvent introduire des problèmes de chaleur, de rayonnement ou d'oxydation dans les lieux de travail.

Les ventilateurs de suralimentation souterrains, en raison des limitations d'espace, sont presque toujours à écoulement axial et ils sont utilisés pour augmenter le débit dans les sections plus profondes ou plus éloignées d'une mine. Leur principal inconvénient est la possibilité de recirculation entre l'échappement du ventilateur de suralimentation et les voies d'admission. En ne fournissant qu'un coup de pouce aux débits d'air plus petits là où ils sont nécessaires, ils peuvent entraîner une pression du ventilateur principal inférieure pour le débit d'air complet de la mine et une réduction conséquente de la puissance totale du ventilateur requise.

Ventilation secondaire

Systèmes auxiliaires

Des systèmes de ventilation secondaire sont nécessaires là où la ventilation traversante n'est pas possible, comme dans les rubriques de développement. Quatre arrangements sont possibles, chacun ayant ses propres avantages et inconvénients.

La système de forçage permet à l'air le plus frais et le plus frais d'atteindre le visage et permet d'utiliser un conduit flexible moins cher. La vitesse élevée de l'air sortant de l'extrémité du conduit d'alimentation crée un jet qui entraîne de l'air supplémentaire et aide à balayer la face des contaminants et à fournir une vitesse frontale acceptable. Son principal inconvénient est que le reste de la rubrique est ventilé avec de l'air contaminé par les gaz et poussières produits par les opérations minières en front de taille. C'est particulièrement un problème après le dynamitage, où les temps de rentrée en toute sécurité sont augmentés.

An système d'épuisement permet d'éliminer tous les contaminants du visage et maintient le reste du cap dans l'air d'admission. Les inconvénients sont que le flux de chaleur provenant de la roche environnante et l'évaporation de l'humidité entraîneront des températures d'air de livraison plus élevées; les opérations en recul du front de taille, telles que l'enlèvement de pierres à l'aide d'un équipement à moteur diesel, contamineront l'air d'admission ; il n'y a pas de jet d'air produit pour balayer le visage ; et un conduit plus coûteux qui est capable de supporter une pression négative est nécessaire.

Dans une système de chevauchement des gaz d'échappement le problème de nettoyer le visage avec un jet d'air est surmonté en installant un ventilateur et un conduit plus petits (le chevauchement). En plus du coût supplémentaire, un inconvénient est que le chevauchement doit être avancé avec le visage.

Dans un système d'inversion, le mode de ventilation forcée est utilisé, sauf pendant le tir et la période de rentrée après tir, lorsque le flux d'air est inversé. Son application principale est le fonçage de puits, où les temps de rentrée pour les puits profonds peuvent être prohibitifs si un système de forçage uniquement était utilisé. L'inversion de l'air peut être obtenue soit en utilisant des registres à l'entrée et à la sortie du ventilateur, soit en profitant d'une caractéristique des ventilateurs à flux axial, où le changement du sens de rotation des pales entraîne une inversion du flux avec environ 60 % du flux normal étant livré.

Ventilateurs et conduits

Les ventilateurs utilisés pour la ventilation secondaire sont presque exclusivement à flux axial. Pour obtenir les hautes pressions nécessaires pour faire circuler l'air à travers de grandes longueurs de conduit, plusieurs ventilateurs avec des agencements de roue contrarotative ou corotative peuvent être utilisés. Les fuites d'air sont le problème le plus important dans les systèmes de ventilateurs auxiliaires et de conduits, en particulier sur de longues distances. Les conduits rigides fabriqués à partir d'acier galvanisé ou de fibre de verre, lorsqu'ils sont installés avec des joints d'étanchéité, présentent des fuites convenablement faibles et peuvent être utilisés pour développer des têtes jusqu'à plusieurs kilomètres de longueur.

Les conduits flexibles sont considérablement moins chers à l'achat et plus faciles à installer. cependant, les fuites au niveau des raccords et la facilité avec laquelle ils s'arrachent au contact des équipements mobiles entraînent des pertes d'air beaucoup plus importantes. Les limites pratiques de développement à l'aide de conduits flexibles dépassent rarement 1.0 km, bien qu'elles puissent être étendues en utilisant des longueurs de conduit plus longues et en garantissant des dégagements suffisants entre le conduit et l'équipement mobile.

Commandes de ventilation

Les systèmes de ventilation traversante et auxiliaire et de conduits sont utilisés pour fournir de l'air de ventilation aux endroits où le personnel peut travailler. Les commandes de ventilation sont utilisées pour diriger l'air vers le lieu de travail et pour minimiser les courts-circuits ou les pertes d'air entre les voies d'admission et d'évacuation.

Une cloison est utilisée pour empêcher l'air de circuler dans un tunnel de liaison. Les matériaux de construction dépendront de la différence de pression et s'il sera soumis aux ondes de choc du dynamitage. Les rideaux flexibles attachés aux surfaces rocheuses environnantes conviennent aux applications à basse pression telles que la séparation des voies d'air d'admission et de retour dans un panneau à chambres et piliers exploité avec un mineur continu. Les cloisons en bois et en béton conviennent aux applications à haute pression et peuvent incorporer un volet en caoutchouc lourd qui peut s'ouvrir pour minimiser les dommages causés par le souffle.

Une porte de ventilation est nécessaire là où le passage des piétons ou des véhicules est requis. Les matériaux de construction, le mécanisme d'ouverture et le degré d'automatisation sont influencés par la différence de pression et la fréquence d'ouverture et de fermeture. Pour les applications à haute pression, deux ou même trois portes peuvent être installées pour créer des sas et réduire les fuites et les pertes d'air d'admission. Pour faciliter l'ouverture des portes de sas, elles contiennent généralement une petite section coulissante qui s'ouvre en premier pour permettre l'égalisation de la pression des deux côtés de la porte à ouvrir.

Un régulateur est utilisé lorsque la quantité d'air circulant dans un tunnel doit être réduite plutôt qu'arrêtée complètement et également lorsque l'accès n'est pas requis. Le régulateur est un orifice variable et en changeant la zone, la quantité d'air qui le traverse peut également être modifiée. Une planche de chute est l'un des types les plus simples où un cadre en béton supporte des canaux dans lesquels des planches de bois peuvent être placées (lâchées) et la zone ouverte variée. D'autres types, comme les persiennes papillon, peuvent être automatisés et contrôlés à distance. Aux niveaux supérieurs de certains systèmes d'abattage à ciel ouvert, un accès peu fréquent à travers les régulateurs peut être nécessaire et des panneaux flexibles renforcés horizontalement peuvent être simplement relevés ou abaissés pour fournir un accès tout en minimisant les dommages causés par le souffle. Même des tas de roches brisées ont été utilisés pour augmenter la résistance dans des sections d'un niveau où il n'y a temporairement aucune activité minière.

Systèmes de réfrigération et de refroidissement

Le premier système de réfrigération de la mine a été installé à Morro Velho, au Brésil, en 1919. Depuis cette date, la croissance de la capacité mondiale a été linéaire à environ 3 mégawatts de réfrigération (MWR) par an jusqu'en 1965, lorsque la capacité totale a atteint environ 100 MWR. . Depuis 1965, la croissance de la capacité a été exponentielle, avec un doublement tous les six ou sept ans. Le développement de la réfrigération des mines a été influencé à la fois par l'industrie de la climatisation et les difficultés à gérer un système minier dynamique dans lequel l'encrassement des surfaces des échangeurs de chaleur peut avoir des effets profonds sur la quantité de refroidissement fournie.

Initialement, les centrales frigorifiques étaient installées en surface et l'air d'admission de la mine était refroidi. Au fur et à mesure que la distance sous terre par rapport à l'usine de surface augmentait, l'effet de refroidissement était réduit et les usines de réfrigération étaient déplacées sous terre plus près des chantiers.

Les limites de la capacité de rejet de chaleur souterraine et la simplicité des usines de surface ont entraîné un retour à l'emplacement en surface. Cependant, outre le refroidissement de l'air d'admission, l'eau réfrigérée est désormais également fournie sous terre. Cela peut être utilisé dans les dispositifs de refroidissement par air adjacents aux zones de travail ou comme eau de service utilisée dans les perceuses et pour la suppression de la poussière.

Équipement de l'usine de réfrigération

Les systèmes de réfrigération à compression de vapeur sont exclusivement utilisés pour les mines, et l'élément central de l'installation de surface est le compresseur. Les capacités des centrales individuelles peuvent varier entre 5 MWR et plus de 100 MWR et nécessitent généralement plusieurs systèmes de compresseurs de conception centrifuge ou à vis volumétrique. L'ammoniac est normalement le réfrigérant sélectionné pour une usine de surface et un halocarbure approprié est utilisé sous terre.

La chaleur nécessaire pour condenser le réfrigérant après compression est rejetée dans l'atmosphère et, pour minimiser la puissance nécessaire pour assurer le refroidissement de la mine, elle est maintenue aussi faible que possible. La température de bulbe humide est toujours inférieure ou égale à la température de bulbe sec et, par conséquent, des systèmes de rejet de chaleur humide sont invariablement sélectionnés. Le réfrigérant peut être condensé dans un échangeur de chaleur à calandre et à tubes ou à plaques et châssis en utilisant de l'eau et la chaleur extraite puis rejetée dans l'atmosphère dans une tour de refroidissement. Alternativement, les deux processus peuvent être combinés en utilisant un condenseur évaporatif où le réfrigérant circule dans des tubes sur lesquels l'air est aspiré et l'eau est pulvérisée. Si l'installation de réfrigération est installée sous terre, l'air extrait de la mine est utilisé pour rejeter la chaleur à moins que l'eau du condenseur ne soit pompée à la surface. Le fonctionnement de l'usine souterraine est limité par la quantité d'air disponible et les températures de bulbe humide souterraines plus élevées par rapport à celles de la surface.

Après avoir fait passer le réfrigérant condensé à travers un détendeur, l'évaporation du mélange de liquide et de gaz à basse température est complétée dans un autre échangeur de chaleur qui refroidit et fournit l'eau réfrigérée. À son tour, celui-ci est utilisé à la fois pour refroidir l'air d'admission et comme eau de service froide fournie à la mine. Le contact entre l'eau, l'air de ventilation et la mine réduit la qualité de l'eau et augmente l'encrassement des échangeurs de chaleur. Cela augmente la résistance au flux de chaleur. Dans la mesure du possible, cet effet est minimisé en sélectionnant des équipements ayant de grandes surfaces côté eau faciles à nettoyer. En surface et sous terre, des chambres de pulvérisation et des tours de refroidissement sont utilisées pour fournir un échange de chaleur par contact direct plus efficace entre l'air refroidi et l'eau refroidie. Les serpentins de refroidissement qui séparent les flux d'air et d'eau se bouchent avec de la poussière et des particules diesel et leur efficacité décline rapidement.

Les systèmes de récupération d'énergie peuvent être utilisés pour compenser les coûts de pompage de l'eau hors de la mine et les roues Pelton sont bien adaptées à cette application. L'utilisation d'eau froide comme eau de service a contribué à garantir que le refroidissement est disponible partout où il y a une activité minière ; son utilisation a considérablement amélioré l'efficacité des systèmes de refroidissement des mines.

Systèmes de glace et refroidisseurs ponctuels

La capacité de refroidissement de 1.0 l/s d'eau glacée fournie en sous-sol est de 100 à 120 kWR. Dans les mines où de grandes quantités de réfrigération sont requises sous terre à des profondeurs supérieures à 2,500 1.0 m, les coûts de circulation de l'eau réfrigérée peuvent justifier son remplacement par de la glace. Lorsque la chaleur latente de fusion de la glace est prise en compte, la capacité de refroidissement de chaque XNUMX l/s est augmentée d'environ quatre fois, réduisant ainsi la masse d'eau qui doit être pompée de la mine vers la surface. La réduction de la puissance de la pompe résultant de l'utilisation de la glace pour transporter la fraîcheur compense la puissance accrue de l'installation de réfrigération nécessaire pour produire la glace et l'impraticabilité de la récupération d'énergie.

Le développement est généralement l'activité minière avec les charges thermiques les plus élevées par rapport à la quantité d'air disponible pour la ventilation. Cela se traduit souvent par des températures de chantier nettement plus élevées que celles constatées avec d'autres activités minières dans la même mine. Lorsque l'application de la réfrigération est un problème limite pour une mine, les refroidisseurs localisés spécifiquement destinés à la ventilation du développement peuvent différer son application générale. Un refroidisseur localisé est essentiellement une installation de réfrigération souterraine miniature où la chaleur est rejetée dans l'air de retour du développement et fournit généralement 250 à 500 kWR de refroidissement.

Surveillance et urgences

Des enquêtes de ventilation qui comprennent des mesures de débit d'air, de contaminants et de température sont entreprises de façon routinière pour répondre à la fois aux exigences légales et pour fournir une mesure continue de l'efficacité des méthodes de contrôle de la ventilation utilisées. Dans la mesure du possible, des paramètres importants tels que le fonctionnement du ventilateur principal sont surveillés en permanence. Un certain degré de contrôle automatique est possible lorsqu'un contaminant critique est surveillé en permanence et, si une limite prédéfinie est dépassée, une action corrective peut être déclenchée.

Des relevés plus détaillés de la pression barométrique et des températures sont entrepris moins fréquemment et sont utilisés pour confirmer les résistances des voies respiratoires et pour aider à planifier les extensions des opérations existantes. Ces informations peuvent être utilisées pour ajuster les résistances de simulation du réseau et refléter la distribution réelle du débit d'air. Les systèmes de réfrigération peuvent également être modélisés et les mesures de débit et de température analysées pour déterminer les performances réelles de l'équipement et surveiller tout changement.

Les urgences qui peuvent affecter ou être affectées par le système de ventilation sont les incendies de mine, les explosions soudaines de gaz et les pannes de courant. Les incendies et les explosions sont traités ailleurs dans ce chapitre et les pannes de courant ne sont un problème que dans les mines profondes où la température de l'air peut atteindre des niveaux dangereux. Il est courant de fournir un ventilateur de secours alimenté au diesel pour assurer un petit débit d'air à travers la mine dans ces conditions. En règle générale, lorsqu'une urgence telle qu'un incendie se produit sous terre, il est préférable de ne pas interférer avec la ventilation pendant que le personnel qui connaît les schémas d'écoulement normaux est toujours sous terre.

 

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Table des matières

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