CHƯƠNG 4: KHÍ HẬU MỎ HẦM LÒ 4. KHÁI NIỆM CHUNG Vi khí hậu là trạng thái lý học của không khí trong khoảng không gian thu hẹp gồm các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm và vận tốc chuyển động không khí. Điều kiện vi khí hậu trong mỏ đối với con người có thể coi là bình thường nếu như không khí mỏ, một mặt sạch về thành phần hóa học, mặt khác phải có tác dụng nhiệt phù hợp, nghĩa là phải đảm bảo sự trao đổi bình thường về nhiệt giữa cơ thể con người và môi trường xung quanh. Về mặt vệ sinh, vi khí hậu có thể ảnh hưởng đến sức khỏe, bệnh tật của công nhân.
Làm việc lâu trong điều kiện vi khí hậu lạnh và ẩm có thể mắc bệnh thấp khớp, viêm đường hô hấp, viêm phổi và làm cho bệnh lao nặng hơn. Vi khí hậu lạnh và khô làm cho rối loạn vận mạch thêm trầm trọng, làm giảm tiết niêm mạc, nứt nẻ da. Vi khí hậu nóng ẩm làm giảm khả năng bay hơi mồ hôi, gây rối loạn thăng bằng nhiệt, làm mệt mỏi xuất hiện thêm sớm, nó tạo điều kiện cho vi sinh vật phát triển, gây các bệnh ngoài da. Vì vậy, để đảm bảo điều kiện làm việc bình thường của con người trong mỏ, chúng ta cần phải nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng đến khí hậu ở mỏ.
Những yếu tố xác định khí hậu ở mỏ hầm lò là: nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ gió. Nói chung, điều kiện vi khí hậu trong mỏ hầm lò rất khác với mặt đất vì khí trời đi vào mỏ khi chuyển động qua những đường lò thì nhiệt độ và độ ẩm sẽ thay đổi nhiều. Cụ thể là nhiệt độ không khí luôn tăng và độ ẩm cũng luôn tăng. Vì vậy có thể con người luôn phải điều tiết khi đi từ nơi này qua nơi khác để tạo ra sự thích nghi mới.
NHIỆT ĐỘ KHÔNG KHÍ TRONG MỎ HẦM LÒ Ở những mỏ không sâu (50-100 m) hoặc ở những đường lò ngắn, nhiệt độ của không khí chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ của không khí trên mặt đất. Nói chung nhiệt độ không khí trong mỏ hầm lò thay đổi (ngày đêm và hàng năm) phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Những yếu tố quan trọng bao gồm: - Áp suất không khí tăng theo chiều sâu. - Nhiệt độ của đất đá trong mỏ.
- Các quá trình biến đổi hóa học trong mỏ. Ảnh hưởng của áp suất không khí khi xuống sâu Càng xuống sâu áp suất không khí càng tăng, tất nhiên tuân theo các quá trình biến đổi nhiệt động học. Một chất khí có tỷ nhiệt cố định thì nó tuân theo định luật biến đổi nhiệt động học sau: P.1) Vì: v = 1/γ nên ta có thể viết: p(1/γ)n = const.2) 75 - Quá trình đẳng áp: n = 0 (izobara). - Quá trình đẳng nhiệt: n = 1 (izotermă).
- Quá trình đoạn nhiệt: n = Cp/Cv = 1,4 (adinbatic). - Quá trình đẳng tích: n = ±∞ (izocoră). Để loại trừ biến số γ trong công thức (3.2) có thể dùng phương trình trạng thái chất khí: Pv = P.3) trong đó: R là hằng số khí, đối với không khí khô thì R = 29,27. Từ công thức (4.5) Trong đó: P1 và T1 là nhiệt độ và áp suất không khí ở độ cao Z1 ; P2 và T2 là nhiệt độ không khí và áp suất ở độ cao Z2.
Từ định luật khí tĩnh học ta biết: dP = -γdz hay dz = -dP/γ (4.6) Lấy tích phân trong khoảng (z1 - z2) ta có: = =R (4.7) Từ công thức 3.5 ta suy ra: T = T1(P/P1)(n-1)/n (4.9) Lấy tích phân vế phải và sau khi rút gọn phương trình 4.12 là công thức tính sự tăng nhiệt độ khi xuống sâu, do ảnh hưởng của sự tăng áp suất khí tĩnh. Gọi grd là Gradien nhiệt độ của không khí theo chiều sâu, thứ nguyên của nó là m/0C : 76 [grd] = [z]/[T] = m/oC Nếu coi quá trình biến đổi nhiệt động học ở trong hầm lò là quá trình đoạn nhiệt n = 1,4 thì grd = 103 m/oC, nghĩa là cứ xuống sâu 103m, nhiệt độ không khí tăng 1oC. Với các mỏ nông thì con số trên không đáng chú ý, nhưng đối với mỏ xuống sâu thì lại là vấn đề hết sức nghiêm trọng. Trên thế giới có những mỏ rất sâu, ví dụ: mỏ vàng Nam Phi 3000 – 3600m, mỏ vàng Urêhan (Ấn Độ) 2950m, mỏ vàng Caraun (Nam Phi) 2830m, mỏ quặng Môrobelho (Brazin) 2460.
Với chiều sâu như trên, nhiệt độ có thể tăng trên 20oC. Ảnh hưởng của nhiệt độ đất đá Nhiệt độ ngoài thường chỉ ảnh hưởng đến nhiệt độ của lớp đất đá trên mặt lớp này dày khoảng 25 - 30m. Trong miền này nhiệt độ của đất đá thay đổi theo nhiệt độ ở ngoài trời. Sau miền này là miền đẳng nhiệt, ở độ sâu này nhiệt độ của đất đá quanh năm không thay đổi và bằng nhiệt độ trung bình của địa phương.
Dưới lớp đất đá này nhiệt độ tăng dân theo chiều sâu: Sự tăng nhiệt độ hầu như tuân theo định luật bậc nhất, có thể tính nhiệt độ đất đá dưới sâu theo công thức sau: Tx = T0 + , oC (4.13) trong đó: Tx - Nhiệt độ cần tìm ở độ sâu Hx > H0. T0 - Nhiệt độ ở mức đẳng nhiệt có độ sâu H0. grd - Gradien địa nhiệt của địa phương, m/oC. Gradien địa nhiệt gần bằng gradien nhiệt độ và nó thay đổi theo từng loại mỏ, từng loại đất đá, ngoài ra còn phụ thuộc vào tính chất của vùng khoáng sản (ví dụ ruộng mỏ quặng có grd lớn hơn grd ở vùng mỏ than).1 cho trị số grd của một số vùng.
Sau khi khảo sát grd ở các vùng khác nhau, ở Ba Lan đã tổng kết như sau: - Mỏ than khói: grd = 15m/oC. - Mỏ than đá: grd = 30 – 35m/oC. - Mỏ quặng: grd = 40 – 45m/oC. Trị số Gradien địa nhiệt ở một số vùng Vùng Than Grd Vùng mỏ quặng Grd Bể than Nước m/0C Mỏ Loại Nước m/0C quặng PasdeCalais Pháp 15-27 Iachimov Ur Tiệp 22-35 Ruhr Tây Đức 28 Kalgoorlie Au Úc 33-34 Chaderoi Bỉ 32-50 Coolgardie Donbas Liên Xô 30-33 Morovelho Au Brazin 75 (cũ) 77 Silezia Orange Superizară Ba Lan 33-35 Transvaal Au Nam Phi 89-139 Anh 22-65 Przybram Pb Tiệp 59-79 ValeoJiului Rumani 33 Lacul Nam Tư 10 Superior Cu Mỹ 123 Qua các số liệu trên ta thấy rằng ở mỏ quặng nhiệt độ đất đá khi xuống sâu tăng chậm hơn ở mỏ than.
Nhiệt độ của không khí khi đi vào mỏ có sự thay đổi và sự thay đổi đó là kết quả quá trình trao đổi nhiệt giữa không khí qua mỏ và đất đá xung quanh lò, trên đường gió chuyển dịch. Sự trao đổi nhiệt giữa đất đá và không khí phụ thuộc vào thời gian và không gian. Về mùa hè vì nhiệt độ của không khí ở bên ngoài cao hơn nhiệt độ của đất đá, nên khi vào mỏ, không khí truyền nhiệt cho đất đá, do đó lạnh dần làm cho ta có cảm giác mát hơn ở ngoài mặt đất, đến một độ sâu nhất định không khí bắt đầu thu nhiệt của đất đá và nóng dần lên. Về mùa đông, nhiệt độ không khí bên ngoài thấp hơn nhiệt độ đất đá, khi vào mỏ không khí thu nhiệt của đất đá và nóng dần lên.
Nhiệt độ của đất đá trong một đường lò có thể tính tương đối chính xác theo những công thức của Stốc và Chéc - níc. - Đối với những lò bằng, với chiều dài x mét.14) Đối với giếng đứng: t = tm + [độ] (4.15) trong đó: t0 - Nhiệt độ ban đầu của đất đá, oC ta - Nhiệt độ của không khí khi đi vào mỏ, oC tm - Nhiệt độ trung bình hàng năm, oC H - Chiều sâu của giếng, m grd - Gradien địa nhiệt, m/oC. Trị số của hệ số C có thể tính theo công thức: C= (4.16) trong đó: α - Hệ số dẫn nhiệt (xem bảng 3.2) P - Chu vi đường lò, m G - Lượng gió qua lò trong 1 đơn vị thời gian tính bằng kg/s CP - Tỷ nhiệt đẳng áp của không khí. Ảnh hưởng của nhiệt độ ngoài trời và cường độ gió 78 Như trên ta thấy chỉ có mỏ nông (50-100m) và đoạn lò bằng không dài nhiệt độ không khí trong mỏ mới chịu ảnh hưởng nhiệt độ bên ngoài trời.
Còn ở mỏ sâu và chiều dài đường lò bằng khá hơn thì hầu như không chịu ảnh hưởng. Từ miếng giếng (hoặc lò bằng) đến nơi nhiệt độ không phụ thuộc bên ngoài có khoảng cách khoảng 1200 - 1500m. Ở những mỏ sâu, nhiệt độ của không khí nói chung thấp hơn nhiệt độ của đất đá, từ đó suy ra rằng khi tốc độ gió càng lớn, sự chênh lệch nhiệt độ giữa đất đá và không khí cũng càng lớn, nghĩa là không khí dịch chuyển làm lạnh vách lò, kết quả là tạo ra quanh tiết diện lò một “vành làm lạnh”. Vành làm lạnh có vai trò quan trọng trong việc trao đổi nhiệt giữa đất đá và không khí qua mỏ.
Qua theo dõi ở mỏ Rua (Tây Đức) thấy rằng: những ngày đầu tiên mới đào lò, vành làm lạnh tiến triển khác nhanh (5cm/ngày) sau đó chậm dần. Sau 1-2 năm thì hầu như hoàn toàn dừng lại ở chiều sâu 12-20m đối với sa thạch, 8-10m đối với diệp thạch sét và 3-5m trong than. Cách miệng gió vào 1200 -1500m nhiệt độ không khí chỉ thấp hơn nhiệt độ đất đá khoảng 2-3oC và phạm vi làm lạnh còn rất nhỏ. Ảnh hưởng của các nhân tố khác Ngoài các nhân tố nói trên còn một số nhân tố khá quan trọng trong việc làm tăng nhiệt độ trong hầm lò như: quá trình ôxy than, quá trình mục nát gỗ chống lò, quá trình phong hóa đất đá và quặng trong mỏ, máy móc làm việc (động cơ điện, động cơ nhiệt, đèn điện), người thở và đốt đèn đất.
Lêhman đã điều tra ở mỏ than Rua, ở độ sâu 1000m, với sản lượng 2000 tấn/ngày, lượng gió cung cấp 167m3/s, cho ra bảng tỷ lệ tỏa nhiệt như ở bảng 3. Tỷ lệ tỏa nhiệt trong mỏ Nguồn nhiệt % Nguồn nhiệt % Nhiệt từ đá 50 Máy móc 3,3 Ôxy hóa than 30 Đá sụt 0,5 Nước ngầm 12 Nổ mìn 0,13 Người 4 Đèn điện 0,07 Bảng 4. Hệ số dẫn nhiệt theo Batzel Kiểu chống lò Theo tốc độ gió Không chống đổ bê tông α = 3,5 + 7.v0,8 Khung sắt xây cuốn tròn gỗ α = 2,5 + 6,5v0,6 Trong điều kiện mỏ nông nếu không đảm bảo thông gió tốt, quản lý các lò cũ 79 kém, không bịt các họng sao đi qua làm mất gió thì sự tỏa nhiệt do quá trình ôxy hóa than, mục nát gỗ chống lò,. sẽ chiếm vai trò lớn trong việc làm nóng bầu không khí.
ĐỘ ẨM CỦA KHÔNG KHÍ TRONG HẦM LÒ 4.