سیستمهای تهویه و هوارسانی در تونلهای معدنی با بهرهگیری از لولههای پلیاتیلن
در اعماق زمین، هوا ارزشمندترین منبع انسانی است. معادن زیرزمینی، چه در عمق صد متری و چه در تونلهای چند کیلومتری، بدون جریان پیوستهٔ هوای تازه بهسرعت به تلههای بیهوایی و گازهای سمی بدل میشوند. از سوی دیگر، گرمای تجهیزات، گرد و غبار ناشی از انفجار و تراشهسنگ، و نشت گازهایی چون متان و دیاکسیدکربن، هوای داخل تونل را تا مرز غیرقابل تنفس پیش میبرند. بنابراین، طراحی یک شبکهٔ تهویه که بتواند هم هوای تازه را درون مسیرهای پیچدرپیچ تونل بفرستد و هم آلایندهها را خارج کند، اولویت اول ایمنی هر معدن است. در دو دههٔ اخیر، لولههای پلیاتیلن (PE) بهعنوان رکن اصلی این شبکهها ظاهر شدهاند و جایگزین فلز، بتن و حتی PVC شدهاند. این نوشتار میکوشد تا با زبانی ساده ولی مستند، چرایی و چگونگی این گذار را توضیح دهد.
چرا تهویه در معادن متفاوت از ساختمانهای سطح زمین است؟
در ساختمانهای معمولی، تهویه عمدتاً برای تأمین اکسیژن تنفسی و کنترل دما طراحی میشود؛ اما در تونلهای معدن، سه عامل اضافی وارد معادله میشود:
الف) وجود گازهای قابل انفجار (متان، هیدروژن سولفید) که حداقل جرقه میتواند انفجار مهیب بسازد؛
ب) گرد و غبار سیلیسدار که بیماریهای ریوی مزمن را بهدنبال دارد؛
ج) طول مسیرهای طولانی (گاه تا بیش از ۱۰ کیلومتر) که افت فشار را به چالش میکشد.
بنابراین، سیستم باید هم «حجمی» باشد (حجم زیاد هوا را جابهجا کند)، هم «فشاری» (افت فشار را جبران کند)، و هم «ایمن» (نتواند الکترواستاتیک یا جرقه ایجاد کند). این سهگانه، لولههای پلیاتیلن را برجسته کرده است.
پلیاتیلن چیست و چه ویژگیهایی دارد؟
پلیاتیلن نوعی پلیمر thermoplastic است که از پلیمریزاسیون اتیلن بهدست میآید. درجهٔ چگالی آن (HDPE، MDPE، LDPE) تعیین میکند که چقدر در برابر فشار و ضربه مقاوم است. در تهویهٔ معادن، معمولاً HDPE با چگالی ۹۴۰–۹۶۰ کیلوگرم بر مترمکعب انتخاب میشود زیرا:
- مقاومت ضربهای بالا دارد و در برابر سقوط سنگهای ریزشیافته ترک نمیخورد؛
- خاصیت خودطفیلی (self-extinguishing) با افزودنیهای هالوژنفری دارد؛
- سطح داخلی صیقلی است (ضریب زبری Manning حدود ۰.۰۰۹) در نتیجه افت فشار اصطکاکی تا ۳۰ درصد کمتر از فولاد گالوانیزه؛
- سبک است (وزن مخصوص حدود ۰.۹۵)؛ بنابراین در تونلهای با سقف ناپایدار، نیاز به سازهٔ نگهدارندهٔ سنگین ندارد؛
- قابلیت جوشکاری اکستروژن (butt fusion) دارد؛ درز جوش بهاندازهٔ خود لوله مقاوم میشود و نشتی هوا تقریباً صفر میشود.
انواع سیستمهای تهویه و جایگاه لوله پلیاتیلن
الف) تهویهٔ دفعمحور (Exhaust): فنهای مکش در دهانهٔ خروجی تونل قرار دارند و لولههای پلیاتیلن نقالهٔ هوای آلودهاند. مزیت آن، کنترل متمرکز گازهای سبک (مثل متان) است.
ب) تهویهٔ تأمینمحور (Blowing): فنهای دمنده در ابتدای تونل، هوای تازه را درون لولههای پلیاتیلن معدنی بهسوی کارگاه انتهایی میرانند. این روش برای تونلهای در حال پیشروی مناسب است.
ج) تهویهٔ ترکیبی (Push-Pull): در تونلهای طولانیتر از ۳ کیلومتر، دو شبکهٔ جداگانه اجرا میشود؛ یکی برای دمش با لولههای ۸۰۰–۱۲۰۰ میلیمتری و دیگری برای مکش با لولههای ۶۰۰–۱۰۰۰ میلیمتری.
در هر سه حالت، اتصالات گسترده (flange) یا کوپلینگهای گرمجوش، باعث میشود لولهها در برابر ارتعاشات ناشی از انفجار مقاوم بمانند.
مراحل طراحی یک شبکهٔ پلیاتیلنی
گام ۱: تعیین دبی مورد نیاز (Q) بر مبنای تعداد کارگران، توان دیزلماشینهای درونتونل و حجم گازهای ناشی از انفجار. معمولاً برای هر نفر ۳–۴ مترمکعب در دقیقه در نظر گرفته میشود.
گام ۲: محاسبهٔ افت فشار کل (ΔP) شامل اصطکاک طولی، اتصالات، خمها و افت مکش ورودی. برای لولههای HDPE بهعلت صیقلیبودن، از فرمول Darcy-Weisbach با ضریب زبری کمتر استفاده میشود.
گام ۳: انتخاب قطر لوله پلی اتیلن؛ معادلهٔ تجربی میگوید سرعت هوا باید بین ۱۵ تا ۲۵ متر بر ثانیه باشد تا گرد و غبار را در خود معلق نگه دارد ولی از سایش دیوارهٔ لوله نکاهد.
گام ۴: انتخاب ضخامت دیواره (SDR = نسبت قطر خارجی به ضخامت). برای فشار منفی ۵۰۰ پاسکال، SDR ۱۷٫۶ کافی است؛ ولی اگر امکان فشار مثبت ۲۰۰۰ پاسکال وجود دارد، SDR ۱۱ انتخاب میشود.
گام ۵: کنترل نشتی؛ آزمون هوای فشردهٔ ۱٫۵ برابر فشار کاری بهمدت ۳۰ دقیقه انجام میشود؛ افت فشار نباید از ۵٪ تجاوز کند.
مزیتهای اقتصادی ,قیمت لوله های پلی اتیلن و زیستمحیطی
- کاهش مصرف برق: افت فشار کمتر به معنای توان فن پایینتر است؛ در یک تونل ۵ کیلومتری، صرفهجویی سالانهٔ برق به ۱۸۰ مگاواتساعت میرسد.
- بازیافت پذیری: لولهٔ HDPE را میتوان پس از پایان عمر معدن (حدود ۲۰ سال) خرد و دوباره گرانول کرد؛ چرخهٔ بازیافت تا ۹۰ درصد امکانپذیر است.
- کاهش انتشار CO۲: هر کیلوواتساعت برق کمتر consumed معادل ۰.۷ کیلوگرم CO۲ کمتر منتشر میشود؛ بنابراین، صرفهجویی یادشده معادل کاشت ۳۰۰۰ درخت است.
- ایمنی آتشسوزی: افزودنیهای میکرونیزهٔ آلومینا تریهیدرات (ATH) باعث میشود لوله در دمای ۳۰۰ درجه سانتیگراد خاکستر شده و قطره قطره نسوزد؛ در نتیجه، دود سمی کمتری تولید میشود.
چالشها و راهکارهای اجرایی
۱) انبساط حرارتی: در تونلهای عمیق، دمای هوا ممکن است از ۵ تا ۴۰ درجه نوسان کند؛ انبساط طولی ۱ میلیمتر به ازای هر متر لوله. برای جبران، از کوپلینگهای تلسکوپی یا خمهای U-shape هر ۵۰ متر استفاده میشود.
۲) سایش ذرات تیز: در معادن زغالسنگ، قطعات کوارتز میتوانند دیواره را خراش دهند؛ لایهٔ داخلی پلیالفین cross-linked (PEX) تا ۳ برابر مقاومت سایشی را افزایش میدهد.
۳) تخلیهٔ الکترواستاتیک: افزودن کربنبلک ۲ درصدی، مقاومت سطحی را به زیر ۱۰۶ اهم میرساند و احتمال جرقه را از بین میبرد.
۴) شکست ناگهانی در اثر ضربهٔ سنگ: لولههای دوجدارهٔ پلیاتیلن با هستهٔ فومی (PE foam core) انرژی ضربه را جذب میکنند و ترک پخش نمیشود.
مطالعهٔ موردی: معدن مس سرچشمه
در فاز توسعهٔ زیرزمینی ۱۳۰۰ متری، ۸ کیلومتر تونل اصلی حفر شد. مهندسان ابتدا از لولههای فولادی گالوانیزهٔ ۱۲۰۰ میلیمتری استفاده کردند ولی بعد از ۱۸ ماه، خوردگی در نقاطی که پاشش آب جهت مهگرفتگی انجام میشد، باعث سوراخشدگی و افت ۲۲ درصدی دبی شد. جایگزینی با لولهٔ HDPE SDR ۱۳.۶ ضخامت ۵۹ میلیمتر، نتایج زیر را داد:
- افت فشار کل از ۱۸۰۰ پاسکال به ۱۱۵۰ پاسکال کاهش یافت؛
- توان فن از ۲۵۰ کیلووات به ۱۶۰ کیلووات رسید؛
- هزینهٔ نصب (شامل جوشکاری میدان و حمل دستی درون تونل) ۳۵ درصد کمتر شد؛
- پس از ۶ سال، هیچگونه نشتی یا ترک ریزشی گزاره نشد.
نتیجهگیری
لولههای پلیاتیلن، صرفاً یک جایگزین سبکوزن برای فولاد نیستند؛ آنها پارادایمی نو در طراحی سیستمهای تهویهٔ معدن ایجاد کردهاند که در آن ایمنی، بهرهوری انرژی و دوستی با محیطزیست همزمان محقق میشود. با پیشرفت افزودنیهای نانویی (نظیر گرافنپلیالفین) و سیستمهای جوشکاری رباتیک، میتوان انتظار داشت که در آیندهٔ نزدیک، لولههای هوارسانی هوشمند، خود دچار ترک یا نشتی شوند، سنسورهای تعبیهشده در دیواره، موقعیت دقیق را به مرکز کنترل مخابره کنند و بدون توقف تولید، تعمیرات موضعی انجام شود. تا آن زمان، انتخاب HDPE با طراحی صحیح، سادهترین و مؤثرترین گام برای نفس کشیدن معادن است.
صنایع لوله پلیاتیلن ورنا آبلوله کرمان
****کیفیت ،رمز ماندگاریست ****
.