Chapitre 4 - Systèmes de Ventilation Souterraine PDF [PDF]

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Systèmes de ventilation souterraine – Génie Minier

Chapitre 4 Systèmes de ventilation souterraine 4.1. INTRODUCTION Pratiquement chaque ouverture souterraine est unique par sa géométrie, son étendue, son environnement géologique, ses polluants environnementaux et les raisons de sa formation - naturelle ou artificielle. Les modèles correspondants de circulation d'air à travers ces ouvertures sont également très variables. Cependant, certaines caractéristiques sont suffisamment communes pour permettre d'identifier les classifications des systèmes et sous-systèmes de ventilation structurés. Dans ce chapitre, nous discuterons des caractéristiques essentielles des systèmes de ventilation souterraine, d'abord sur la base de mines complètes et de voies de circulation d'air principales. L'occasion est saisie de présenter certains des termes techniques utilisés par les ingénieurs en ventilation. Les termes choisis sont ceux qui sont couramment utilisés dans les pays miniers anglophones. Deuxièmement, nous examinerons les systèmes de district pour les zones plus localisées d'une mine. Celles-ci, en particulier, varient considérablement en fonction de la géométrie du gisement géologique exploité. Bien que l'on fasse référence à des méthodes d'extraction données, le traitement se concentrera ici sur des principes plutôt que sur des dispositions détaillées. Dans la plupart des pays, la législation minière nationale a un impact sur la configuration de la ventilation. Les concepteurs de systèmes doivent, au préalable, se familiariser avec la législation en vigueur. En l'absence de toute législation pertinente applicable à l'emplacement de la mine, ou lorsque l'ingénieur estime qu'elle est inadéquate, il est prudent d'utiliser les lois pertinentes d'un autre pays qui a une histoire bien développée de la législation minière. Troisièmement, les systèmes de ventilation auxiliaire seront examinés, ceux-ci traitant de la ventilation des chantiers aveugles. Le chapitre traite également des principes de la recirculation partielle contrôlée et de la ventilation des dépôts souterrains de déchets nucléaires ou d'autres matières stockées. 4.2. SYSTÈMES MINIERS 4.2.1 Principes généraux Le graphique 4.1 décrit les éléments essentiels d'un système de ventilation dans une mine souterraine ou une autre installation souterraine.

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Graphique 4.1. Éléments typiques d'un système de ventilation principal

downcast shaft upcast shaft main fan booster fan air crossing intake return doors stopping regulator working aera

puits descendant Puits ascendant ventilateur principal ventilateur d'appoint traversée aérienne admission retour portes barrage régulateur espace de travail

L'air frais pénètre dans le système par un ou plusieurs puits descendant, descenderie ou autres connexions à la surface. L'air circule le long des voies d’aérage d'admission vers les zones de travail ou les endroits où la majorité des polluants sont ajoutés à l'air. Ceux-ci comprennent la poussière et une combinaison de nombreux autres dangers potentiels, notamment les gaz toxiques ou inflammables, la chaleur, l'humidité et les radiations. L'air contaminé retourne à travers le système le long des voies d’aérage de retour. Dans la plupart des cas, la concentration de contaminants n'est pas autorisée à dépasser les seuils obligatoires imposés par la loi et sans danger pour l'entrée du personnel dans toutes les parties du système de ventilation, y compris les voies d’aérage de retour. Les voies d’aérage d'admission et de retour sont souvent appelées simplement entrées et retours respectivement. L'air de retour retourne finalement à la surface via un ou plusieurs puits ascendants, ou par des galeries inclinées ou de niveau. Ventilateurs Les principaux moyens de produire et de contrôler le débit d'air sont également illustrés à la figure 4.1. Les ventilateurs principaux, seuls ou en combinaison, gèrent tout l'air qui traverse l'ensemble du système. Ceux-ci sont généralement, mais pas nécessairement, situés à la surface, soit en évacuant l'air à travers le système comme indiqué sur la figure 4.1, soit, en variante, connectés à des puits Pr Tayeb SERRADJ – Ecole Nationale Supérieure des Mines et Métallurgie – Département Génie Minier

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Systèmes de ventilation souterraine – Génie Minier descendants ou à des prises principales et en forçant l'air dans et à travers le système. En raison des risques supplémentaires de gaz et de poussières qui peuvent tous deux être explosifs, la législation régissant la ventilation des mines de charbon est plus stricte que pour la plupart des autres installations souterraines. Dans de nombreux pays, les principaux ventilateurs des mines de charbon doivent, conformément à la loi, être placés en surface et peuvent également être soumis à d'autres restrictions, comme être situés hors de la ligne avec le puits ou la descenderie raccordés et équipés de "soufflage" "des panneaux pour aider à protéger le ventilateur en cas d'explosion d'une mine. Barrages et scellés Lors du développement d'une mine, des liens sont nécessairement établis entre les entrées et les retours. Lorsque ceux-ci ne sont plus nécessaires pour l'accès ou la ventilation, ils doivent être bloqués par des barrages afin d'éviter un court-circuit du flux d'air. Les barrages peuvent être construits en maçonnerie, en blocs de béton ou en panneaux de bois ignifugés. Des butées en acier préfabriquées peuvent également être utilisées. Les barrages doivent être bien clavetés dans le toit, le plancher et les côtés, en particulier si les strates sont faibles ou dans les mines de charbon sujettes à une combustion spontanée. Les fuites peuvent être réduites en enduisant la face haute pression de la butée d'un matériau d'étanchéité et en accordant une attention particulière au périmètre. Là encore, dans les couches faibles ou chimiquement actives, ces revêtements peuvent être étendus aux surfaces rocheuses à quelques mètres du barrage. Dans les cas où les voies d’aérage sont susceptibles de converger, des précautions doivent être prises pour protéger les barrages contre une défaillance ou une fissuration prématurée. Ces mesures peuvent varier de "patins d'écrasement" situés en haut de la butée à des panneaux coulissants ou déformables sur des butées préfabriquées. Dans tous les cas, les composants des barrages doivent être ignifuges et ne doivent pas produire de fumées toxiques lorsqu'ils sont chauffés. À titre de mesure à court terme, des rideaux en treillis résistant au feu peuvent être collés au toit, aux côtés et au sol pour fournir des barrières temporaires lorsque les différences de pression sont faibles, comme dans les endroits proches des zones de travail. Lorsque des zones abandonnées d'une mine doivent être isolées de l'infrastructure de ventilation actuelle, des scellés doivent être construits aux entrées des voies d’aérage de raccordement. S'il doit être antidéflagrant, il s'agit de deux barrages ou plus, espacés de 5 à 10 mètres, l'espace occupé étant occupé par du sable, de la poussière de pierre, des stériles de roche compactés non inflammables, des remblais à base de ciment ou d'autres matériaux manufacturés. Les poutres en acier, lacées entre le toit et le plancher, ajoutent une résistance structurelle. Le jointement des strates environnantes ajoute à l'intégrité du scellé dans les sols faibles. Dans les mines de charbon, la loi minière ou le respect prudent de la sécurité peuvent exiger que les joints soient antidéflagrants. Portes et sas Lorsque l'accès doit rester disponible entre une entrée et une voie de retour, un barrage peut être équipé d'une porte de ventilation. Dans sa forme la plus simple, il s'agit simplement d'une porte en bois ou en acier articulée de telle sorte qu'elle s'ouvre vers la pression d'air plus élevée. Cette fonction de fermeture automatique est complétée par un angle des charnières de sorte que la porte se soulève légèrement lorsqu'elle est ouverte et se ferme sous son propre poids. Il est également conseillé d'équiper les portes de verrous pour éviter leur ouverture en cas d'urgence lorsque le sens des différentiels de pression peut être inversé. Des bandes souples profilées fixées le long du bas de la porte aident à réduire les fuites, en particulier lorsque les voies d’aérage sont équipées d'une voie ferrée. Pr Tayeb SERRADJ – Ecole Nationale Supérieure des Mines et Métallurgie – Département Génie Minier

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Les portes de ventilation situées entre les entrées principales et les retours sont généralement construites en un ensemble de deux ou plus pour former un sas. Cela empêche les courts-circuits lorsqu'une porte est ouverte pour le passage des véhicules ou du personnel. La distance entre les portes devrait pouvoir accueillir le plus long train de véhicules requis pour passer par le sas. Pour les différences de pression plus élevées, plusieurs portes permettent également de partager la coupure de pression entre les portes. Les portes mécanisées, ouvertes par des moyens pneumatiques ou électriques sont particulièrement pratiques pour le passage de la circulation des véhicules ou lorsque la taille de la porte ou la pression de l'air rendrait le fonctionnement manuel difficile. Les portes actionnées mécaniquement peuvent, encore une fois, être à charnières latérales ou prendre la forme de dispositifs enroulables ou en accordéon. Ils peuvent être activés manuellement par une corde de traction ou une détection automatique d'un véhicule ou d'une personne qui s'approche. Les grandes portes peuvent être équipées d'ouvertures à charnière plus petites pour l'accès par le personnel. Les portes d'homme exposées aux différences de pression plus élevées peuvent être difficiles à ouvrir manuellement. Dans de tels cas, un panneau coulissant peut être installé afin de réduire temporairement cette différence de pression lorsque la porte est ouverte. Des dispositifs de verrouillage peuvent également être utilisés sur un sas pour empêcher l'ouverture simultanée de toutes les portes. Régulateurs Un régulateur passif est simplement une porte équipée d'un ou plusieurs orifices réglables. Son but est de réduire le débit d'air à une valeur souhaitée dans une voie d’aérage ou une section donnée de la mine. Le régulateur passif le plus élémentaire est un orifice rectangulaire découpé dans la porte et partiellement fermé par un panneau coulissant. Le débit d'air peut être modifié en ajustant manuellement la position du panneau coulissant. Une autre forme de régulateur est un conduit rigide traversant un sas. Celui-ci peut être équipé d'un registre, de volets ou d'une vanne papillon pour fournir un régulateur passif ou un ventilateur peut être situé dans le conduit pour produire un régulateur actif. Les régulateurs passifs peuvent être actionnés par des moteurs, soit pour faciliter leur réglage manuel, soit pour réagir automatiquement aux changements surveillés de la quantité ou de la qualité d'un débit d'air donné. Lorsque le débit d'air dans une section de la mine doit être augmenté à une ampleur supérieure à celle que l'on peut obtenir du système, cela peut être réalisé par une régulation active. Cela implique l'utilisation d'un ventilateur d'appoint (booster) pour améliorer le flux d'air à travers cette partie de la mine. Lorsque des ventilateurs d'appoint sont utilisés, ils doivent être conçus dans le système de manière à aider à contrôler les fuites sans provoquer de recirculation indésirable dans des situations normales ou d'urgence. Dans certains pays, la législation sur les mines de charbon interdit l'utilisation de ventilateurs d'appoint. Croisements d’aération Lorsque les voies d'admission et de retour doivent se croiser, les fuites entre les deux doivent être contrôlées en utilisant un passage d'air. La forme la plus robuste est une traversée d'air naturelle dans laquelle le niveau de l'une des voies d’aérage est élevé au-dessus de l'autre pour laisser un seuil de strates entre les deux, peut-être renforcé par des boulons de toit, des poutres ou des planches de bois. Une méthode plus courante consiste à couper les deux voies d’aérage pendant la construction, puis à surélever le toit de l'une d'entre elles et / ou à extraire du matériel supplémentaire du plancher de l'autre. Les deux courants d'air peuvent ensuite être séparés par des poutres Pr Tayeb SERRADJ – Ecole Nationale Supérieure des Mines et Métallurgie – Département Génie Minier

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Systèmes de ventilation souterraine – Génie Minier horizontales et des blocs de béton, ou une structure en acier avec coffrage en métal ou en bois. Des produits d'étanchéité peuvent être appliqués du côté haute pression. Le contrôle des gradients des voies aériennes à l'approche du passage à niveau d'air réduit les pertes dues aux chocs causées par tout changement soudain de la direction du flux d'air. Des portes d'homme peuvent être installées dans le passage d'air pour l'accès. Des croisements d'air entièrement fabriqués peuvent être achetés ou fabriqués localement. Ceux-ci peuvent prendre la forme d'un tunnel métallique rigidifié. De tels dispositifs peuvent offrir une résistance élevée au flux d'air et doivent être dimensionnés pour le débit qu'ils doivent traverser. Ils sont souvent employés pour les croisements de convoyeurs. Un autre type de croisement d'air utilisé principalement pour des débits plus faibles et qui ne nécessite aucune excavation supplémentaire consiste à faire passer l'un des courants d'air à travers un ou plusieurs conduits qui coupent un barrage de chaque côté de la jonction. Un avantage de cette technique est que le débit d'air canalisé peut être encore restreint par des régulateurs passifs ou augmenté par des ventilateurs dans les conduits. Dans tous les cas, les matériaux utilisés pour la construction des croisements d'air doivent être ignifugés et capables de maintenir leur intégrité en cas d'incendie. Ni l'aluminium ni aucun autre matériau à bas point de fusion ou combustible ne doit être utilisé dans un croisement d'air. 4.2.2 Emplacement des ventilateurs principaux Dans la majorité des mines du monde, les ventilateurs principaux sont situés en surface. Dans le cas des mines de charbon, cela peut être une exigence obligatoire. Un emplacement en surface facilite l'installation, les tests, l'accès et la maintenance tout en permettant une meilleure protection du ventilateur lors d'une situation d'urgence. L'emplacement des ventilateurs principaux sous terre peut être envisagé lorsque le bruit des ventilateurs doit être évité en surface ou lorsque des puits doivent être disponibles pour le levage et sans sas. Un problème associé aux ventilateurs principaux souterrains découle des portes, des sas et des voies de fuite supplémentaires qui existent alors dans le sous-sol. Lors de la conception de l'infrastructure de ventilation principale d'une mine, la décision principale consiste à connecter les ventilateurs principaux aux puits ascendants, c'est-à-dire à un système d'échappement ou, alternativement, à connecter les ventilateurs principaux au puits descendant afin de fournir un système soufflant. Ces choix sont illustrés à la figure 4.2 (a et b).

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a) Système aspirant (b) Système soufflant (c) Système aspirant soufflant Figure 4.2 Emplacements possibles des ventilateurs principaux Depuis le temps des fours à cuve du XIXe siècle, la cuve à décrochement est traditionnellement considérée comme associée aux moyens de réaliser la ventilation. La plupart des mines sont ventilées à l'aide du système aspirant. L'examen des alternatives continue de privilégier un système aspirant primaire dans la majorité des cas. Le choix peut être basé sur les quatre préoccupations suivantes. Contrôle du gaz La figure 4.2 montre que la pression de l'air dans le sous-sol est abaissée par le fonctionnement d'un ventilateur principal aspirant mais est augmentée par un ventilateur soufflant. La différence est rarement supérieure à quelques kilo pascals. Comme les gaz des strates sont généralement maintenus dans la matrice rocheuse à des pressions manométriques de 1 000 kPa ou plus, il est évident que le choix d'un système aspirant ou soufflant produisant quelques kilo pascals aura peu d'effet sur le taux de production de gaz à partir des strates. Malheureusement, une grande partie du gaz n'est pas émise directement dans le courant d'air de ventilation mais s'accumule dans les zones exploitées, les strates détendues ou dans les vides qui sont connectés, mais ne font pas partie du système de ventilation principal. Ces accumulations de gaz sont à une pression proche de l'équilibre avec les voies d’aérage adjacentes. Par conséquent, toute réduction de la pression barométrique dans le système de ventilation entraînera une expansion isotherme des gaz accumulés et produira une émission transitoire de ces gaz dans le système de ventilation. Cela se produit naturellement pendant les périodes de chute de pression barométrique à la surface. Dans certains pays, un enregistrement obligatoire des relevés barométriques de surface est mis à jour au début de chaque quart de travail dans les mines de charbon. Pendant une période de baisse de la pression barométrique, des émissions inhabituellement élevées de méthane ou d'air désoxygéné peuvent être attendues. Dans de tels moments, il n'est pas sage de s'asseoir pour le déjeuner devant un scellé ou barrage au-delà duquel se trouvent d'anciens travaux. Le fonctionnement en régime permanent des ventilateurs aspirants ou soufflants ne produira aucun changement de pression d'air dans le sous-sol. Cependant, considérons la situation de l'arrêt d'un ventilateur de soufflage. La pression barométrique dans tout le système de ventilation diminuera rapidement. Les accumulations de gaz de vide se dilateront et envahiront les chantiers au pire Pr Tayeb SERRADJ – Ecole Nationale Supérieure des Mines et Métallurgie – Département Génie Minier

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Systèmes de ventilation souterraine – Génie Minier moment possible, c'est-à-dire lorsque le débit d'air est considérablement diminué, provoquant une concentration maximale de gaz. Inversement, lorsqu'un ventilateur aspirant principal s'arrête, la pression d'air dans le système augmente, comprimant les accumulations de gaz. Par conséquent, aucun pic de concentration générale de gaz corporel ne se produit dans le courant d'air. Il est vrai que lorsque le ventilateur aspirant principal redémarre, la réduction soudaine de la pression barométrique provoquera alors une expansion et une émission de gaz accumulé. Cependant, cela se produit à un moment de ventilation complète et le pic de concentration de gaz sera beaucoup moins élevé que celui provoqué par l'arrêt d'un ventilateur soufflant. Un examen du contrôle des gaz de strates favorise un système aspirant primaire. Transport Le choix entre les principaux systèmes soufflants et aspirants doit tenir compte des itinéraires privilégiés pour le transport des minéraux, du personnel et des matériaux. Idéalement, les convoyeurs, locomotives ou autres modes de déplacement des roches fragmentées ne devraient pas être obligés de passer par les sas. Par conséquent, une conception de mine qui comporte des voies de transport de minéraux ou de roches dans les admissions principales et le levage de roches dans un puits descendant favorisera un système aspirant. Alternativement, s'il existe de bonnes raisons de transporter des minéraux dans les retours et le puits de refoulement, un système soufflant peut être préféré. Cela pourrait être nécessaire, par exemple, dans les mines d'évaporite produisant de la potasse ou de l'halite où la nature hygroscopique du minéral pourrait poser des problèmes de manipulation du minerai s'il est transporté dans l'humidité variable des voies d’aérage d'admission. Dans les mines de charbon américaines, les convoyeurs doivent normalement être situés dans des voies d’aérage "neutres", ventilés par de l'air qui ne passera pas sur les faces de travail ni ne reviendra des zones de travail. Ce système présente l'avantage que la fumée et les gaz produits par tout feu de convoyeur ne pollueront pas les faces de travail. Les principaux inconvénients sont le potentiel supplémentaire de fuite et les difficultés de contrôle de la quantité d'air le long des voies de convoyage. Entretien du ventilateur Un ventilateur aspirant fera passer de l'air qui transporte de la poussière, de la vapeur d'eau, peutêtre des gouttelettes d'eau liquide, et qui est généralement à une température plus élevée que celle de l'air entrant dans la mine. Les effets combinés de l'impact et de la corrosion sur les pales de la turbine sont beaucoup plus importants sur les ventilateurs principaux aspirants. Les ventilateurs soufflants gèrent de l'air relativement propre et nécessitent moins d'entretien pour n'importe quelle tâche. D'un autre côté, l'air corrosif qui passe à travers le sommet d'un puits de refoulement peut causer beaucoup de dégâts. Cela peut être évité en aspirant l'air hors du puits dans une dérive de ventilateur proche de la surface au moyen d'un ventilateur à basse pression et à volume élevé. Performance du ventilateur Un ventilateur soufflant gère normalement l'air qui est plus frais et plus dense que celui qui passe à travers un ventilateur aspirant. Pour tout débit massique donné, le ventilateur soufflant passera un débit plus faible à une pression réduite. La puissance requise correspondante est donc également inférieure pour un ventilateur soufflant. Cependant, l'effet n'est pas grand et il est peu probable qu'il ait une importance majeure.

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Systèmes de ventilation souterraine – Génie Minier Une influence contraire est que les ventilateurs soufflants doivent être équipés de grilles d'entrée pour empêcher la pénétration d'oiseaux ou d'autres objets solides. Ces grilles absorbent nécessairement l'énergie disponible et entraînent une chute de pression de friction supplémentaire. De plus, l'évasé en expansion installé sur un ventilateur aspirant principal récupère une partie de l'énergie cinétique qui serait autrement perdue dans l'atmosphère de surface. Lorsque l'air est comprimé à travers un ventilateur, sa température augmente. Si l'air ne contient pas de gouttelettes de liquide et qu'il y a un transfert de chaleur insignifiant à travers le boîtier du ventilateur, l'augmentation de température est donnée comme suit:

où η = efficacité isentropique du ventilateur (fractionnaire) T1 = température absolue à l'entrée (K) P1 = pression barométrique à l'entrée (Pa) et ∆P = augmentation de la pression absolue à travers le ventilateur (Pa) L'augmentation de la température par un ventilateur soufflant se traduira par une augmentation de la température moyenne dans les voies d’aérage d'admission. Cependant, l'échange de chaleur avec les strates est susceptible d'amortir l'effet avant que l'air n'atteigne les zones de travail. La figure 4.2 (c) montre une combinaison des principaux ventilateurs soufflant et aspirant, connus sous le nom de système push-pull. Une application principale d'un système push-pull principal est dans les mines de métaux pratiquant des techniques de foudroyage et où la zone de roche fragmentée a pénétré jusqu'à la surface. Le maintien d'une pression neutre sous terre par rapport à la surface minimise le degré de fuite d'air entre les chantiers et la surface. Ceci est particulièrement important si la roche caoutchouté est soumise à une combustion spontanée. Dans les climats froids, aspirer intentionnellement de l'air à travers des strates fragmentées peut aider à lisser les températures extrêmes de l'air d'admission entrant dans les chantiers. Dans le cas plus général des mines à plusieurs puits, l'utilisation de plusieurs ventilateurs principaux (qu'ils soient aspirants, soufflants ou combinés) offre la possibilité d'une meilleure distribution du flux d'air, un meilleur contrôle des pressions et des fuites d'air, une plus grande flexibilité et une réduction des coûts d'exploitation. D'un autre côté, ces avantages ne sont pas toujours réalisables car un système à plusieurs ventilateurs nécessite un réglage, un équilibrage et une planification particulièrement qualifiés. 4.2.3. Infrastructure des principales voies de ventilation. Bien que l'esquisse simplifiée de la figure 4.1 montre les entrées et les retours principaux ou de tronc sous forme de voies d’aérage simples, c'est rarement le cas dans la pratique, sauf pour les petites mines. Lors de la conception ou de l'examen de l'aménagement souterrain qui comprend un système de ventilation souterrain, les questions suivantes doivent être abordées: Résistance des mines Pour toute exigence de débit d'air total donnée, le coût de fonctionnement de la ventilation est proportionnel à la résistance offerte au passage de l'air. Cette résistance, à son tour, dépend de la taille et du nombre des ouvertures et de la manière dont elles sont interconnectées. Les problèmes de stabilité du sol, de vitesse de l'air et d'économie limitent la taille des voies de ventilation. Par conséquent, plusieurs entrées et retours principaux sont largement utilisés. Pr Tayeb SERRADJ – Ecole Nationale Supérieure des Mines et Métallurgie – Département Génie Minier

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La résistance des mines est considérablement réduite et les conditions environnementales améliorées en fournissant une séparation d'air séparée à chaque panneau de travail. Les avantages des circuits parallèles par rapport à la ventilation en série ont été réalisés au début du XIXe siècle. Contrôle des fuites L'efficacité volumétrique d'une mine est définie comme

où le `` flux d'air utilement utilisé '' est la somme des flux d'air atteignant les faces de travail et ceux utilisés pour ventiler des équipements tels que des ateliers, des équipements électriques, des pompes ou des stations de charge de batterie. L'efficacité volumétrique des mines peut varier de 75 à moins de 10%. Cette dernière valeur indique la quantité importante et souvent coûteuse de fuite d'air qui peut se produire dans une mine. Il est donc important de concevoir un système de ventilation souterrain afin de minimiser le potentiel de fuite et de maintenir le système afin de contrôler cette fuite. Dans la mesure du possible, les voies d’aérage d'admission et de retour, ou les groupes de voies d’aérage, doivent être séparés géographiquement ou par des piliers de barrière avec un minimum d'interconnexions. Une condition préalable est que toutes les portes, barrages, scellés et croisements d'air doivent être construits et entretenus à un bon niveau. Un barrage entre une entrée et un retour principaux qui ont été négligemment percés afin d'insérer un tuyau ou un câble, ou qui a été soumis à une convergence de la chaussée sans les réparations nécessaires peut être une source de fuite excessive. Malheureusement, s'il existe un grand nombre de barrage entre une admission et un retour adjacent, la fuite peut devenir intenable même lorsque chaque barrage individuel est de bonne qualité. Cela peut se produire dans des travaux qui ont été développés par des méthodes de chambre et pilier. La raison en est la diminution spectaculaire de la résistance effective au flux d'air lorsque les trajets d'écoulement sont connectés en parallèle. Pour n barrages construits entre deux voies d’aérage adjacentes, leur résistance (effective) combinée devient

où R est la résistance d'un seul barrage. La figure 4.3 montre la réduction spectaculaire de la résistance effective qui se produit lorsque le nombre de barrages augmente. Dans de tels cas, il devient important non seulement de maintenir des barrages de bonne qualité mais également de concevoir le système de manière à minimiser les écarts de pression entre les voies d’aérage.

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Graphique 4.3. Résistance équivalente d'ensembles de barrages entre une paire d'entrées adjacentes. R = Résistance d'un seul barrage La gestion de la pression d'air est un outil puissant pour contrôler les fuites et, par conséquent, l'efficacité, l'efficacité volumétrique et les coûts d'un système de ventilation. Il est particulièrement important pour les mines qui sont sujettes à une combustion spontanée. Idéalement, la résistance au flux d'air devrait être répartie équitablement entre les entrées et les retours. Dans la pratique, on observe souvent des voies d’aérage de retour de section plus petite que les entrées d'air et qui ont pu se détériorer car elles sont moins fréquemment utilisées pour les déplacements ou le transport. Cela augmentera les écarts de pression entre les entrées et les retours. De même, les obstructions locales causées par des chutes de toit, des matériaux empilés, des équipements ou des véhicules stationnés affecteront la distribution de la pression et peuvent aggraver les fuites. Les positions et les réglages des ventilateurs booster ou des régulateurs ont également une influence marquée sur les modèles de fuite et doivent être étudiés de manière approfondie par l'analyse du réseau pendant les procédures de conception. Direction du flux d'air Il y a deux considérations concernant la direction du courant d'air - premièrement en ce qui concerne le transport du matériau extrait. Un système antitropal est un système dans lequel le flux d'air et la roche transportée se déplacent dans des directions opposées. Inversement, un système homotropal est un système dans lequel le flux d'air et la roche fragmentée se déplacent dans la même direction. Cela implique le transport de minéraux dans les voies de ventilation de retour et est souvent associé à un système soufflant principal. Le système homotropal garantit que toute pollution générée par la roche fragmentée le long du chemin de transport passe directement hors de la mine sans affecter les faces de travail. Cette pollution peut comprendre de la poussière, de la chaleur, de l'humidité et des gaz provenant de la roche abattue ou de l'équipement. La vitesse relative plus élevée entre le matériau transporté et le flux d'air dans un système antitropal peut entraîner un entraînement plus important des particules de poussière dans le flux d'air. De plus, un système homotropal est préférable en cas d'incendie se produisant le long de la route de transport des minéraux. D'un autre côté, l'implantation d'un équipement électrique ou autre capable d'enflammer un mélange méthaneair dans une voie de retour peut être déconseillée ou même illégale pour les mines gazeuses. La deuxième préoccupation en matière de direction du flux d'air est l'inclinaison des voies d’aérage. Un système de ventilation montant implique que le flux d'air monte vers le haut à travers des travaux inclinés. Cela profite des effets de ventilation naturels causés par l'ajout de chaleur à l'air. Pr Tayeb SERRADJ – Ecole Nationale Supérieure des Mines et Métallurgie – Département Génie Minier

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Systèmes de ventilation souterraine – Génie Minier Dans les mines qui impliquent plusieurs connexions dans des chantiers inclinés, la ventilation ascendante peut être la seule technique capable de contrôler ou d'utiliser des effets de ventilation naturels. La ventilation descendante peut être utilisée sur des systèmes miniers plus compacts tels que les longues tailles et devient alors normalement un système homotropal avec de l'air et des minéraux transportés se déplaçant vers le bas. Cependant, cela peut entraîner des difficultés à contrôler les effets de flottabilité naturels du méthane dans les zones de stériles. L'avantage revendiqué pour la ventilation descendante est que parce que l'air pénètre dans les chantiers à une altitude plus élevée, il est alors plus frais et plus sec que s'il était d'abord acheminé vers l'extrémité inférieure des chantiers. Voies d’évacuation À l'exception des excavations aveugles, il devrait toujours y avoir au moins deux moyens d'évacuation de chaque lieu de travail dans une mine ou une installation souterraine. De préférence, il devrait y avoir deux voies d'admission distinctes désignées comme voies d'évacuation en cas d'incendie ou autre urgence. Dans ce contexte, le terme "séparé" signifie que ces voies d’aérage ont des sources d'air d'admission différentes et identifiables, de sorte qu'une source de pollution dans l'une d'entre elles n'affectera pas l'autre - que ce soit par des fuites ou une ventilation en série. Néanmoins, au moins une voie de retour d'air doit toujours rester ouverte et parcourable sans inconfort indu, pour permettre une situation d'urgence où la face de travail elle-même devient impossible à traverser. Les voies d'évacuation doivent être clairement indiquées sur les cartes et par des panneaux souterrains. Le personnel doit être familiarisé avec ces itinéraires par le biais de voyages réguliers ou d'exercices d'évacuation organisés. La législation minière peut imposer des tailles minimales pour les voies d'évacuation et la fréquence de leur inspection. Distance parcourue par le flux d'air et utilisation d'anciens chantiers Les itinéraires utilisés pour les flux principaux d'admission et de retour doivent être examinés du point de vue de la distance parcourue et du temps correspondant pris pour une traversée complète par voie de ventilation. Pour des températures de strates élevées, il est avantageux que l'air d'admission atteigne les chantiers le plus rapidement possible afin de minimiser les gains de chaleur et d'humidité. Cependant, cela est tempéré par les contraintes de vitesse de l'air et les coûts de fonctionnement de la ventilation. Dans les mines situées dans des climats froids, il peut être préférable d'encourager l'échauffement naturel de l'air d'admission en lui permettant de suivre un parcours détourné et lent afin de maximiser son exposition aux surfaces rocheuses. Une autre situation se produit lorsque les variations d'humidité ou de température de l'air provoquent des problèmes d'étalement (écoulement) des couches du toit ou des côtés des voies d’aérage ou des chantiers. Là encore, un cas peut être fait pour la climatisation naturelle obtenue en faisant passer l'air d'admission à travers un réseau de voies de ventilaion plus anciennes avant d'atteindre les zones de travail actuelles. L'utilisation d'anciens chantiers en tant que partie intégrante d'un système de ventilation peut entraîner des réductions significatives de la résistance des mines et, par conséquent, des coûts d'exploitation de la ventilation. De plus, l'air de retour traversant les zones abandonnées aidera à empêcher l'accumulation de gaz toxiques, asphyxiants ou inflammables. Cependant, l'utilisation de vieux travaux de cette manière doit être traitée avec prudence. Il est déconseillé de se fier à de tels itinéraires car ils peuvent être soumis à une fermeture soudaine en cas de chute de toit. Deuxièmement, les voies de ventilation d'admission et de retour doivent toujours être maintenues pour des raisons de sécurité et, troisièmement, les anciens ouvrages susceptibles à une combustion spontanée doivent être scellés et les écarts de pression les traversant réduits au minimum. Pr Tayeb SERRADJ – Ecole Nationale Supérieure des Mines et Métallurgie – Département Génie Minier

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D'un point de vue pratique où d'anciens travaux peuvent être utilisés en toute sécurité pour la circulation de l'air, il est donc judicieux de les utiliser. Cependant, lors des exercices de conception du système, il ne faut pas compter sur eux pour fournir des voies de circulation d'air continues, mais plutôt comme un avantage pour réduire les coûts de ventilation. Quoi qu'il en soit, au fur et à mesure du développement d'une mine, il devient conseillé de sceller les anciennes zones éloignées des chantiers actuels. Si cela n'est pas fait, la gestion et le contrôle globaux de la distribution du flux d'air deviendront de plus en plus difficiles.

Figure 4.4 Ventilation de tube en U 4.3. SYSTÈMES DE QUARTIER 4.3.1. Bases de la conception du système de quartier Les schémas de ventilation souterraine desservant un ou plusieurs quartiers d'une mine peuvent être divisés en deux grandes classifications: tube en U et ventilation à flux continu. Chacun d'eux prend une diversité de configurations physiques selon le type de mine et la disposition de la géologie locale. Comme illustré sur la figure 4.4, la caractéristique de base de la ventilation à tube en U est que l'air circule vers et à travers les chantiers, puis revient le long des voies de ventilation séparées des entrées par des barrages et des portes. Les dispositions des chambres et des piliers et les longues tailles qui avancent ont tendance à être de ce type. La figure 4.5 illustre l'autre système de ventilation à flux traversant. Dans cette disposition, les entrées et les retours principaux sont séparés géographiquement. Les voies d’aérage adjacentes sont soit toutes (ou principalement) des entrées ou des retours et, par conséquent, réduisent le nombre de voies de fuite. Il y a beaucoup moins de barrages et de croisements d'air, mais une régulation supplémentaire (régulateurs ou ventilateurs d'appoint) est nécessaire pour contrôler le flux d'air à travers la zone de travail. Des exemples pratiques de ventilation traversante sont les écoulements parallèles des puits descendants aux puits ascendants à travers les niveaux multiples d'une mine de métaux, ou le système de purge arrière d'une longue paroi en retrait. L'application la plus simple possible du système en U est pour un ensemble de dispositifs de développement doubles. En effet, la méthode du tube en U est la seule capable de ventiler les chantiers pilotes qui avancent dans une zone non minée. La ventilation traversante nécessite l'établissement préalable d'une ou de plusieurs connexions entre les voies principales d'admission et de retour. Une fois cela accompli, la ventilation traversante présente plusieurs avantages importants. Pr Tayeb SERRADJ – Ecole Nationale Supérieure des Mines et Métallurgie – Département Génie Minier

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Systèmes de ventilation souterraine – Génie Minier Premièrement, les fuites d'air de l'admission au retour sont considérablement réduites. Par conséquent, des flux d'air totaux inférieurs sont nécessaires pour fournir toute ventilation requise sur la face de travail. Deuxièmement, les voies d’aérage parallèles et, souvent, la distance de déplacement totale plus courte du flux d'air donnent une résistance de quartier plus faible - en particulier pour les travaux éloignés des puits principaux. Cela permet de réduire les pressions de ventilation. La combinaison de débits d'air totaux plus faibles et de pressions de ventilation plus faibles entraîne d'importantes réductions des coûts opérationnels de ventilation. De plus, les fonctions des ventilateurs resteront beaucoup plus stables dans un système à flux traversant que les exigences croissantes d'une configuration U tube évolutive.

Figure 4.5 Système de ventilation à flux traversant 4.3.2. Gisements stratifiés La grande majorité des mines souterraines qui extraient du charbon, des évaporites ou d'autres formes tabulaires de gisements minéraux le font normalement par l'une des deux techniques suivantes: l'extraction à longue taille ou à chambre et pilier. Bien que les dispositions réelles puissent varier de manière assez significative d'un pays à l'autre et selon les conditions géologiques, cette section met en évidence les modes correspondants de distribution du flux d'air qui peuvent être utilisés. Systèmes à longues tailles Les deux principales caractéristiques de l'exploitation minière à longue taille qui ont influencé la conception de leurs systèmes de ventilation sont, premièrement, le contrôle du méthane ou d'autres gaz qui s'accumulent dans les zones de stériles et, deuxièmement, le taux élevé de bris de roche sur les longues tailles fortement mécanisées qui provoque la production de poussière, de gaz, de chaleur et d'humidité. La figure 4.6 illustre certaines des dispositions de ventilation utilisées dans les quartiers à tailles longues. Les systèmes à entrée unique sont utilisés principalement dans les mines de charbon européennes. Les figures 4.6 (a et b) montrent l'application du principe U tube aux tailles longues qui Pr Tayeb SERRADJ – Ecole Nationale Supérieure des Mines et Métallurgie – Département Génie Minier

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Systèmes de ventilation souterraine – Génie Minier avancent et reculent respectivement. Avec le système avancé, la fuite d'une partie de l'air d'admission se produit à travers la zone des stériles, contrôlée par la résistance offerte par le matériau en bordure de voie et la distribution de la résistance et, par conséquent, la pression de l'air autour du quartier. Cela peut donner lieu à des problèmes d'incendies dans les mines sujettes à une combustion spontanée.

(a) Entrée unique progressant b) Entrée unique en retraite (c) Entrée simple battant en retraite avec purge dorsale (d) Retrait à double entrée avec purge arrière

(e) Système Y ; (f) Système Double-Z ; (g) Système W Figure 4.6 Classifications des systèmes de ventilation de quartier à longues tailles. Les gaz provenant des stériles peuvent également affluer sur le front de taille, entraînant des concentrations inacceptables vers l'extrémité de retour. La même difficulté peut survenir dans une moindre mesure lorsque le principe du tube en U est appliqué à une face en retrait, les voies d’aérage abandonnées étant arrêtées lorsque la face recule. Pr Tayeb SERRADJ – Ecole Nationale Supérieure des Mines et Métallurgie – Département Génie Minier

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La figure 4.6 (c) montre une longue taille à entrée unique avec le retour arrière (ou de purge) maintenu ouvert afin de contraindre la frange de gaz à revenir en toute sécurité dans la zone de stériles et, par conséquent, d'empêcher les bouffées de gaz résiduaires sur la face. Le système illustré en (c) est une combinaison de tube en U et de ventilation traversante. La figure 4.6 (d) illustre le système à longue taille le plus souvent utilisé dans les pays charbonniers qui ont une tradition d'exploitation de chambres et piliers comme les États-Unis, l'Australie ou l'Afrique du Sud. Deux entrées ou plus sont entraînées initialement à l'aide de l'extraction de chambres et piliers, celles-ci servant de limites latérales aux panneaux à longues taillesben retrait. Encore une fois, des purgeurs arrière sont utilisés pour contrôler les gaz résiduaires. Les figures 4.6 (e), (f) et (g) illustrent une classification des systèmes pour les faces à longues tailles où la fabrication de gaz à partir de la face elle-même est particulièrement lourde. Le système Y fournit une alimentation supplémentaire d'air frais à l'extrémité de retour du front de taille. Cela permet de maintenir les concentrations de gaz à des niveaux sûrs le long des voies de ventilation de retour arrière. La figure 4.5 (d) est, en fait, un système Y à double flux traversant. La disposition en double Z est également un système d'écoulement et réduit de moitié la longueur de la face ventilée par chaque flux d'air. Le système W accomplit le même but mais est basé sur le principe du tube en U. Les systèmes à double Z et W peuvent être appliqués aux faces qui avancent ou reculent, en fonction de la capacité du retour central à résister aux contraintes des strates du barrage avant et des zones de stériles. Encore une fois, dans les systèmes à double Z et W, les directions du flux d'air peuvent être inversées pour donner une seule admission et deux retours (ou deux ensembles de retours multiples). Cela peut être préférable si de fortes émissions de gaz sont ressenties sur les côtés des nervures solides. Systèmes de chambre et pilier La figure 4.7 montre deux méthodes de ventilation d'un panneau de développement de chambre et pilier; (a) un système bidirectionnel ou W dans lequel l'air d'admission passe par une ou plusieurs voies de ventilation centrales avec des voies de retour des deux côtés, et (b) un système unidirectionnel ou en U avec des admissions et des retours sur les côtés opposés du panneau. Dans les deux cas, il est démontré que le convoyeur occupe la voie centrale avec un rideau en treillis pour réguler le flux d'air à travers celui-ci. Il est encore courant dans les mines à chambre et pilier de diriger l'air autour des extrémités du front de taille au moyen de treillis de ligne épinglés au toit et au sol, mais suspendus de manière lâche dans les coupes transversales pour permettre le passage de l'équipement. Un avantage du système bidirectionnel est que l'air se divise à l'extrémité du panneau, chaque flux d'air ventilant les chambres opérationnelles séquentiellement sur une moitié du panneau uniquement. Inversement, dans le système unidirectionnel ou en tube en U, l'air circule en série autour de toutes les faces de travail à tour de rôle. Un deuxième avantage du système bidirectionnel provient du fait que l'émission de gaz en côte est susceptible d'être plus lourde dans les voies d’aérage externes. Cela peut devenir le facteur dominant dans les filons de charbon gazeux de perméabilité relativement élevée nécessitant le retour des voies d’aérage externes. Dans la plupart des pays charbonniers, la législation exige que la concentration de gaz dans les voies d’aérage d'admission soit maintenue à des niveaux très bas. Malheureusement, le système bidirectionnel souffre d'un inconvénient important. Le nombre de barrages à construire et le nombre de chemins de fuite créés entre les entrées et les retours sont tous deux doublés. Dans les panneaux à développement long, la quantité de fuite peut devenir excessive, ce qui permet à l'air insuffisant d'atteindre les dernières coupes transversales ouvertes. Dans de Pr Tayeb SERRADJ – Ecole Nationale Supérieure des Mines et Métallurgie – Département Génie Minier

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Systèmes de ventilation souterraine – Génie Minier telles circonstances, les tentatives d'augmenter la différence de pression entre les extrémités extérieures du panneau provoque la fuite et donnent un effet décevant sur les front de taille. Le système unidirectionnel a une efficacité volumétrique plus élevée en raison du nombre réduit de voies de fuite. Cependant, dans les deux cas, les treillis de ligne dans les chambres offrent une résistance élevée au flux d'air par rapport à une coupe transversale ouverte. Cela est particulièrement vrai dans le cas du système unidirectionnel où le flux d'air utile est nécessaire pour faire circuler tous ces réseaux de lignes à haute résistance en série.

(a) Système bidirectionnel (W) ;

(b) Unidirectionnel (système à tube en U).

Figure 4.7 Développement de chambres et piliers avec des treillis de lignes. Il en résulte une résistance élevée pour la section de face. L'imposition d'une résistance à la rupture de ligne dans les zones les plus reculées d'un système de ventilation de mine oblige plus d'air à être perdu dans les voies d’aérage de retour à tous les points de fuite dans l'ensemble du système. Une analogie peut être établie avec un tuyau qui fuit. Si l'extrémité du tuyau n'est pas obstruée, l'eau en sortira librement et ruissellera des points de fuite. Si, cependant, l'extrémité du tuyau est partiellement recouverte, son débit diminuera, mais de l'eau jaillira désormais des points de fuite. Le problème peut être surmonté en utilisant des ventilateurs et des conduits auxiliaires pour forcer l'air dans les chambres ou en évacuer l'air. La figure 4.8 illustre un panneau de chambre et pilier équipé d'une ventilation auxiliaire aspirante. Avec un tel système, les ventilateurs fournissent l'énergie pour surmonter la résistance au frottement dans les conduits. La résistance effective de toute la zone du front de taille devient nulle. Des écarts de pression plus faibles sont nécessaires entre les entrées et les retours pour tout flux d'air de front de taille donné et, par conséquent, il y a une perte d'air considérablement réduite par fuite. La puissance électrique absorbée par les ventilateurs auxiliaires est plus que compensée par les économies réalisées sur les fonctions principales des ventilateurs. Un autre avantage de l'utilisation de ventilateurs auxiliaires est que chaque chambre est alimentée par sa propre alimentation en air séparée et contrôlable. Cependant, les ventilateurs doivent être

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Systèmes de ventilation souterraine – Génie Minier dimensionnés ou les conduits régulés de telle sorte qu'aucune recirculation indésirable ne se produise. Le choix entre les systèmes de ventilation à gaines, de ventilation auxiliaires et les treillis de ligne dans les chambres et les piliers doit également tenir compte de la hauteur et de la largeur des voies d’aérage, de la taille et de la mobilité requise de l'équipement, de l'emplacement des conduits ou des treillis, de l'étendue de la pollution par la poussière. , gaz et chaleur, bruit des ventilateurs et visibilité dans les chantiers. Les treillis peuvent être permanents (béton ou bois) ou temporaires (tissu). Les installations temporaires sont également appelées rideaux

Figure 4.8 Panneau de développement de chambre et pilier en U avec ventilateurs auxiliaires aspirant (résistance de face zéro). Les systèmes illustrés à la figure 4.6 pour les longues tailles ont chacun leurs homologues dans l'exploitation des chambres et piliers. Un exemple de système de retrait en double Z (débit traversant) appliqué à une chambre et une section de pilier est illustré à la figure 4.9. Il existe cependant des différences importantes dans la stratégie de ventilation entre les deux méthodes d'extraction. Le plus grand nombre de voies d’aérage interconnectées et des fuites plus élevées ont pour résultat que les dispositions des chambres et piliers ont une résistance au flux d'air inférieure à celle des mines à longue taille. Il s'ensuit que les mines à chambre et pilier ont tendance à nécessiter des débits plus élevés à des pressions de ventilateur plus faibles que les systèmes à longues tailles. De même, en raison du nombre accru de voies de ventilation et de voies de fuite, il est particulièrement important de maintenir le contrôle des voies de distribution du flux d'air au fur et à mesure du développement des chambres et piliers. Il est essentiel de laisser des piliers de barrière entre les panneaux adjacents et de séparer les panneaux des voies de ventilation principales. Ces barrières sont importantes non seulement pour protéger l'intégrité de la mine en cas de défaillance Pr Tayeb SERRADJ – Ecole Nationale Supérieure des Mines et Métallurgie – Département Génie Minier

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Systèmes de ventilation souterraine – Génie Minier du pilier, mais également pour fournir des points de contrôle de la ventilation et pour permettre l'étanchéité du panneau en cas d'urgence ou lorsque l'exploitation est terminée.

Figure 4.9 Un quartier de chambres et piliers en retrait utilisant un système de ventilation à flux continu 4.3.3. Gisement de minerai Les gisements métallifères se rencontrent rarement dans des dépôts de géométrie régulière. Les zones de minéralisation apparaissent naturellement sous des formes variant des veines tortueuses aux dépôts massifs de forme irrégulière de métal finement disséminé et de concentration très variable. Les schémas miniers apparaissent nécessairement moins ordonnés que ceux des gisements stratifiés. De plus, la combinaison de la variation des teneurs et de la fluctuation des prix du marché entraîne un développement minier qui semble souvent chaotique. Les mêmes facteurs peuvent également nécessiter beaucoup plus de barrières ou de lieux de travail que ce qui serait habituel dans une mine de charbon moderne, avec peut-être seulement une fraction d'entre elles fonctionnant dans un même poste. Par conséquent, le système de ventilation doit être suffisamment flexible pour permettre au flux d'air d'être dirigé partout où il est nécessaire au quotidien. Les réseaux de ventilation pour les mines de métaux ont donc tendance à être plus complexes que pour les gisements stratifiés et sont généralement aussi tridimensionnels. La figure 4.10 illustre la stratégie de ventilation de nombreuses mines de métaux bien que, encore une fois, la géométrie réelle varie considérablement. L'air se déplace de façon à travers un puits ou une descenderie , à travers les niveaux, sous-niveaux et s'arrête vers des élévations de retour, des rampes ou un puits descendant. Le flux d'air à travers chacun des niveaux est contrôlé par des régulateurs ou des ventilateurs d'appoint. Pr Tayeb SERRADJ – Ecole Nationale Supérieure des Mines et Métallurgie – Département Génie Minier

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Systèmes de ventilation souterraine – Génie Minier Le mouvement de l'air d'un niveau à l'autre, que ce soit à travers des chantiers ou par des fuites à travers des passages de minerai ou d'anciens chantiers, a tendance à être montant afin d'utiliser les effets de ventilation naturelle et d'éviter la recirculation induite thermiquement et incontrôlée.

Figure 4.10 Section montrant le principe de la ventilation à travers l'écoulement appliqué à travers les niveaux d'une mine de métaux. Les systèmes de distribution de flux d'air pour les barrières individuelles sont également soumis à une grande variabilité en fonction de la géométrie et des variations de pente du gisement. Il existe cependant certains principes directeurs. Ceux-ci sont illustrées dans les figures 4.11 à 4.13 pour trois méthodes de barrière. Dans la majorité des cas, où un mouvement vertical contrôlé de l'air est requis, les systèmes de circulation d'air de chantier utilisent une ventilation ascendante à flux traversant. Bien que des ventilateurs et des conduits auxiliaires puissent être nécessaires aux points de soutirage individuels, tous les efforts devraient être faits pour utiliser le système de ventilation de la mine afin de maintenir un flux d'air continu à travers l'infrastructure principale du chantier. La ventilation en série entre les chantiers doit être minimisée afin que les fumées de dynamitage puissent être évacuées rapidement et efficacement.

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Main return to upcast shaft Vent raise Stope Broken ore or fill Ore pass or service raise From intake shaft Haulage level

Retour principal vers le puits de sortie Rehaussement Chantier Minerai abattu ou remblai Passage de minerai ou passage de service Du puits d'admission Niveau de transport

Figure 4.11 Système de ventilation simple pour les chantiers de chambre magasin ou de remblayage.

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Systèmes de ventilation souterraine – Génie Minier Figure 4.12 Système de ventilation pour les chantiers à chambre magasin de sous-niveau. Sill = limite ; Vent raise or ramp = rehaussement ou rampe ; Drawpoint = Points de soutirage

FLUX D'AIR FUITE

Figure 4.13 Système de ventilation typique pour une opération de bloc foudroyé. Les fuites à travers les passages de minerai créent un problème dans les mines de métaux car les passages de minerai peuvent souvent être vidés permettant une connexion directe entre les niveaux. Les flux d'air sortant des passages de minerai peuvent également produire des concentrations de poussières inacceptables. Les chutes de minerai fermées et les instructions pour maintenir en tout temps des roches dans les passes sont toutes deux bénéfiques mais difficiles à appliquer dans les activités nécessairement axées sur la production d'une mine en exploitation. La conception du système de ventilation et le fonctionnement des régulateurs et des ventilateurs booster devraient tenter d'éviter des différences de pression importantes entre les passages de minerai. Le maintien d'un passage de minerai à pression négative au moyen d'un système de ventilation / conduit filtré peut aider à contrôler la poussière aux points de déversement ou d'aspiration. L'attrition sur les côtés des passages de minerai augmente souvent leur section transversale et peut produire des surfaces assez lisses. Lorsqu'elles ne sont plus nécessaires pour le transport des roches, ces ouvertures peuvent être utilement utilisées lorsque la ventilation à faible résistance augmente. La figure 4.13 pour une opération de bloc foudroyé illustre une autre directive. Dans la mesure du possible, chaque niveau ou sous-niveau d'un chantier doit avoir son propre flux d'air entre les puits, les élévations de ventilation ou les rampes. Alors que les voies de fuite verticales doivent être prises Pr Tayeb SERRADJ – Ecole Nationale Supérieure des Mines et Métallurgie – Département Génie Minier

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Systèmes de ventilation souterraine – Génie Minier en compte lors des exercices de planification, le maintien d'un circuit identifiable à chaque niveau facilite la conception du système, la gestion et le contrôle de la ventilation en cas d'urgence. 4.4. SYSTÈMES AUXILIAIRES La ventilation auxiliaire fait référence aux systèmes qui sont utilisés pour fournir de l'air aux faces de travail des chantiers aveugles. La ventilation auxiliaire peut être classée en trois types de base, les cloisons (treillis) de canalisation, les systèmes de ventilation à gaine (conduit) et les ventilateurs "sans gaine". Idéalement, les systèmes auxiliaires ne devraient pas avoir d'impact sur la répartition des flux d'air autour de l'infrastructure de ventilation principale, permettant de planifier la ventilation auxiliaire indépendamment du réseau de ventilation complet de la mine. Malheureusement, cet idéal n'est pas toujours atteint, en particulier lorsque des réseaux de cloisons en lignes sont employés. 4.4.1. Cloisons (Treillis de ligne) et systèmes de conduits L'utilisation de cloisons de ligne a été introduite à la section 4.3.2 en ce qui concerne les chambres et piliers où elles sont le plus souvent employés. Il a été démontré qu'un inconvénient majeur des réseaux de cloisons de lignes est la résistance qu'elles ajoutent au réseau de ventilation de la mine aux points les plus sensibles, ce qui entraîne une augmentation des fuites dans tout le système. Cette résistance dépend principalement de la distance entre la cloison et le côté le plus proche des voies de ventilation, et de l'état du trajet d'écoulement derrière la cloison. Ceci est parfois obstrué par des débris provenant de côtés en pente, de treillis dentelés ou, même, d'éléments d'équipement mis hors de vue et de l'esprit, malgré les interdictions législatives de telles obstructions. Dans cette section, nous examinerons les autres avantages et inconvénients des cloisons. La figure 4.14 montre les réseaux de lignes utilisés dans les modes (a) de soufflage et (b) d'aspiration. Le tissu de cloison résistant aux flammes est épinglé entre le toit et le sol, et soutenu par un cadre à une position d'environ un quart à un tiers de la largeur des voies de ventilation du côté le plus proche. Cela permet l'accès aux mineurs en continu et à d'autres équipements. Même avec des cloisons en ligne soigneusement érigées, les fuites sont élevées avec souvent moins d'un tiers de l'air disponible lors de la dernière coupe transversale ouverte atteignant réellement le chantier d’abattage en cul de sac. Cela limite la longueur du chantier qui peut être ventilé par un treillis de ligne. La nécessité d'étendre les treillis de ligne sur la dernière coupe transversale "ouverte" empêche la visibilité de créer un danger lorsque des véhicules en mouvement sont impliqués. Les avantages des treillis de ligne sont que les coûts d'investissement sont faibles à court terme, ils ne nécessitent aucune puissance et ne produisent aucun bruit.

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Soufflant

Soufflant

Figure 4.14 Cloison utilisée pour la ventilation auxiliaire.

Soufflant

Aspirant (+ filtre)

Figure 415. Ventilateur et systèmes de conduits pour la ventilation auxiliaire.

La figure 4.15 montre les systèmes de soufflage et d'aspiration correspondants utilisant des ventilateurs auxiliaires et des conduits. Dans la plupart des cas, des ventilateurs axiaux en ligne sont utilisés, bien que les ventilateurs centrifuges soient plus silencieux et donnent des pressions plus élevées pour les culs de sac plus longs. Les avantages d'un ventilateur et d'un conduit auxiliaires sont qu'ils fournissent un effet de ventilation plus positif et contrôlé sur le visage, ils ne provoquent aucune résistance supplémentaire au système de ventilation de la mine ni aucune fuite consécutive dans tout le réseau et sont beaucoup moins susceptibles de fuir dans le se diriger. Pour les caps de plus de 30 mètres environ, les ventilateurs auxiliaires sont le seul moyen possible de produire les flux d'air requis. Un conduit d'évacuation permet également de filtrer l'air, un avantage pour le contrôle des poussières là où la ventilation en série est pratiquée. Les inconvénients concernent le coût d'investissement initial, le besoin d'énergie électrique au niveau des ventilateurs, l'espace requis pour les conduits et le bruit produit par les ventilateurs. Il faut veiller à ce que les caractéristiques pression-volume du ventilateur soient proportionnelles à la résistance offerte par le conduit et au débit d'air à passer. Ce dernier est déterminé en fonction du type et de l'ampleur des polluants à éliminer. La résistance du conduit est établie comme une combinaison des pertes de paroi à l'intérieur du conduit, des pertes par choc à n'importe quel coude ou changement de section et à la décharge. Les équations utilisées sont celles dérivées pour la résistance des voies de ventilation à la section 5.4. Exemple. Un débit d'air de 15 m3 / s doit être passé à travers un conduit en fibre de verre de 0,9 m de diamètre, 200 m de long, avec un coude droit. D'après la documentation du fabricant, le facteur de friction pour le conduit est de 0,0032 kg / m3. Calculez la pression totale à développer par le ventilateur et la puissance du ventilateur, en supposant une efficacité du ventilateur de 60% et une densité de l'air de 1,2 kg / m3. Pr Tayeb SERRADJ – Ecole Nationale Supérieure des Mines et Métallurgie – Département Génie Minier

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Solution

Déterminons d'abord les facteurs de perte de choc (X) pour le système à partir de l'annexe A5 (chapitre 5). Entrée: (Section A5.4) En l'absence de tout raccord d'entrée, le facteur de perte de choc est donné par Xin = 1,0. Cela est dû à la turbulence lorsque l'air pénètre dans le conduit et ne doit pas être confondu avec la conversion de la pression statique en pression de vitesse à l'entrée. Courbure: (Figure A5.1) Pour une courbure à angle droit nette, Xb = 1,2 Sortie: (Section A5.4) Ce n'est pas vraiment une perte de choc mais représente l'énergie cinétique de l'air fourni par le ventilateur et perdu dans l'atmosphère réceptrice. Xex = 1.0 Facteur de perte de choc total: Xsh = 1,0 + 1,2 + 1,0 = 3,2 Résistance équivalente aux pertes par choc:

Résistance du conduit:

Résistance totale:

Pression totale requise du ventilateur:

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La puissance requise du ventilateur est

où η = efficacité du ventilateur ou

4.4.2. Systèmes de soufflage, d'aspiration et de chevauchement. Les figures 4.14 et 4.15 illustrent les systèmes de ventilation de soufflage et d'aspiration des réseaux de ventilation et des systèmes de ventilation / conduits respectivement. Le choix entre les dispositions de soufflage et d'aspiration dépend principalement des polluants les plus préoccupants, les poussières, les gaz ou la chaleur. Le flux d'air à vitesse plus élevée émergeant de l'extrémité d'un conduit soufflant ou, dans une moindre mesure, d'une cloison de soufflage donne un effet récurant lorsque l'air balaye la face. Cela aide au mélange turbulent de tout méthane pouvant être émis par des roches fragmentées ou des surfaces nouvellement exposées. Il aide également à prévenir la formation de couches de méthane au niveau du toit. Dans les mines chaudes, le système soufflant fournit de l'air plus frais sur la face, même en tenant compte de l'énergie ajoutée par le ventilateur. De plus, comme le système est sous pression manométrique positive, le type de gaine flexible moins cher peut être utilisé. Ceci est également plus facile à transporter et permet de détecter plus facilement les fuites. L'inconvénient majeur d'un système soufflant est que les polluants ajoutés à l'air au niveau du front de taille affectent toute la longueur du cul de sac lorsque l'air revient, relativement lentement, le long de celui-ci. Lorsque la poussière est le principal danger, un système aspirant est préférable. L'air pollué est aspiré directement dans le conduit à l'extrémité frontale permettant à l'air frais de circuler sur toute la longueur du cul de sac. Cependant, l'absence d'effet de jet entraîne un mauvais mélange de l'air. En effet, à moins que l'extrémité du conduit ne soit maintenue près de la face, des poches locales de recirculation lente et incontrôlée peuvent se produire. Dans tous les cas, il est important que la canalisation ou la cloison soit régulièrement prolongée afin qu'elle reste à environ trois mètres du front de taille. Cette distance peut être prescrite par la législation. Un autre avantage d'un système aspirant canalisé est qu'un filtre à poussière peut être inclus dans le système. Dans ce cas, la perte de charge supplémentaire à travers le filtre doit être prise en compte dans le choix du ventilateur, et le filtre entretenu régulièrement afin que sa résistance ne devienne pas excessive. Les conduits aspirants doivent nécessairement utiliser les conduits rigides les plus chers ou les conduits flexibles renforcés. Si la vitesse de sortie d'un conduit aspirant est élevée, un Pr Tayeb SERRADJ – Ecole Nationale Supérieure des Mines et Métallurgie – Département Génie Minier

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Systèmes de ventilation souterraine – Génie Minier effet d'induction, semblable à un ventilateur d'appoint à basse pression, peut entraîner des conséquences inattendues, notamment une recirculation dans les entrées principales. Pour les longs cul de sac, la résistance du conduit peut devenir si grande que plusieurs ventilateurs connectés en série doivent être utilisés. Si ceux-ci sont regroupés en grappe à l'extrémité extérieure de la canalisation, la pression manométrique élevée (positive ou négative) aggravera les fuites. Il est préférable d'espacer les ventilateurs le long de la gaine afin d'éviter des pressions manométriques excessives. L'utilisation de diagrammes de gradient hydraulique aide à l'emplacement optimal des ventilateurs et à empêcher la recirculation incontrôlée de l'air de fuite. Plusieurs ventilateurs doivent être interconnectés électriquement et des moniteurs de débit d'air ou de pression doivent être utilisés pour détecter une coupure ou un blocage accidentel du conduit, auquel cas tous les ventilateurs au point de dommage doivent être éteints - encore une fois, pour éviter une recirculation incontrôlée. Il est clair que les systèmes soufflants et aspirants ont tous deux leurs avantages et leurs inconvénients. Des systèmes à deux voies ont été conçus pour passer du mode soufflant à aspirant pour les opérations minières cycliques. Ceux-ci peuvent utiliser un ventilateur axial réversible ou, en variante, à la fois un ventilateur souffflant et un ventilateur aspirant, dont un seul est actionné à la fois avec un réglage approprié des vannes ou des portes d'obturation dans l'agencement de conduit. Les méthodes les plus courantes pour combiner les avantages des conduits soufflant et aspirant sont les systèmes à chevauchement. Des exemples sont présentés sur la figure 4.16. La direction et la vitesse moyenne de l'air dans le cul de sac à l'intérieur de la zone de chevauchement dépendent clairement des flux d'air dans chacun des conduits. Ceux-ci doivent être conçus de telle sorte que le flux d'air général dans cette région ne devienne pas trop faible. Lorsque la loi le permet, la recirculation contrôlée peut être avantageusement utilisée dans les systèmes à chevauchement. Lorsque des mineurs continus ou des tunneliers sont employés, le ventilateur à chevauchement peut être monté sur la machine. Dans tous les cas, il est important que les ventilateurs soient interconnectés afin que le système de chevauchement ne puisse pas fonctionner lorsque le ventilateur de conduit principal est éteint.

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Systèmes de ventilation souterraine – Génie Minier (a) Système soufflant avec chevauchement aspirant

(b) Système aspirant avec chevauchement soufflant

Figure 4.16 Systèmes de chevauchement de ventilation auxiliaire 4.4.3. Moteurs à air En plus des systèmes canalisés de ventilation auxiliaire conventionnels, un certain nombre d'autres techniques peuvent être utilisées pour améliorer ou contrôler le mouvement de l'air dans les zones localisées d'une mine ou d'un tunnel. Les ventilateurs à réaction, parfois appelés ventilateurs sans conduit, à vortex ou à induction, sont des unités autonomes qui produisent un flux d'air de sortie à vitesse relativement élevée. Le jet d'air produit deux effets. Premièrement, la portée et l'intégrité du vortex d'air dépendent de la vitesse à la sortie du ventilateur, de la taille du cul de sac et du fait que les voies de ventilation sont un endroit aveugle ou font partie d'un système à flux traversant. Une ventilation satisfaisante et un mélange turbulent face à un grand cul de sac peuvent être obtenus à partir d'un ventilateur à réaction situé à 100 m à l'extérieur. Deuxièmement, un effet d'induction se produit aux limites extérieures du cône en expansion de l'air projeté. Cela entraîne un apport d'air supplémentaire de l'environnement produisant un flux vers l'avant supérieur au flux d'air à travers le ventilateur lui-même. La conversion de la pression de vitesse en pression statique lorsque le panache d'air décélère génère également une véritable pression de ventilation. Elle est rarement supérieure à une vingtaine de pascals, mais elle est suffisante pour créer des flux d'air importants dans les grandes voies de ventilation à faible résistance. L'effet d'induction empêche une recirculation excessive à condition que l'air d'admission entrant soit fourni à l'entrée du ventilateur. Les ventilateurs à réaction ont une application particulière dans les grandes chambres et piliers et peuvent également être utilisés en série pour favoriser la circulation de l'air dans les tunnels des véhicules. Un flux d'air peut également être généré par un jet d'eau donnant naissance à des ventilateurs de pulvérisation. L'inertie due au mouvement des gouttelettes d'eau est transmise à l'air par traînée visqueuse et induction turbulente. Les ventilateurs de pulvérisation peuvent être utilisés très efficacement pour contrôler le mouvement local de l'air autour des machines haveuses comme les mineurs continus. Cela aide à diluer rapidement le méthane et à détourner l'air chargé de poussière des postes de conduite. L'effet dépend de la forme, de la vitesse et de la finesse du spray. Bien que les pulvérisations de suppression de poussière provoquent également une induction d'air, il est généralement nécessaire d'ajouter des pulvérisations supplémentaires si elles doivent être utilisées pour le contrôle local du débit d'air. À condition que l'eau de service soit réfrigérée, les ventilateurs de pulvérisation sont également un moyen efficace de refroidir l'air dans une zone de travail. Les injecteurs d'air comprimé sont également des appareils à induction. L'air comprimé est fourni par un ou plusieurs jets pointant vers l'avant à l'intérieur d'un tube cylindrique ou profilé. Le meilleur effet est obtenu lorsque l'air comprimé est fourni à la gorge d'un venturi (Tube comportant un rétrécissement, utilisé pour la mesure des débits). Ces appareils sont bruyants et d'une efficacité bien inférieure à celle des ventilateurs. Cependant, ils ont un rôle à jouer dans les domaines où l'électricité n'est pas disponible. La loi minière peut interdire l'utilisation de l'air comprimé pour favoriser la circulation de l'air dans les mines gazeuses, car le débit d'air à grande vitesse à travers les jets peut provoquer l'accumulation d'une charge électrostatique au niveau de la buse. Cela produit la possibilité d'étincelles qui pourraient enflammer un mélange méthane-air. 4.5. RECIRCULATION PARTIELLE CONTRÔLÉE Pr Tayeb SERRADJ – Ecole Nationale Supérieure des Mines et Métallurgie – Département Génie Minier

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Systèmes de ventilation souterraine – Génie Minier 4.5.1. Contexte et principes de la recirculation partielle contrôlée L'idée de recirculer de l'air dans n'importe quelle partie d'une mine gazeuse a toujours été un anathème pour de nombreux ingénieurs des mines. La plupart des lois régissant les mines de charbon interdisent tout système ou appareil de ventilation qui fait recirculer l'air. Le contexte de cette législation est la crainte intuitive que la recirculation fasse monter les concentrations de polluants à des niveaux dangereux. Un examen rationnel de la recirculation contrôlée a été effectué par Leach, Slack et Bakke dans les années 1960 au Safety in Mines Research Establishment en Angleterre. Ces enquêteurs ont fait une déclaration très simple et évidente, mais qui avait, à l'époque, apparemment été niée ou ignorée dans le contexte de la recirculation de l'air. Ils ont fait valoir que la concentration générale de gaz corporel, C, laissant toute région ventilée d'une mine est donnée par

La valeur de C est tout à fait indépendante des voies d'écoulement de l'air dans la région, y compris la recirculation. Il est vrai, bien sûr, que si le débit d'air frais diminue alors que l'émission de gaz reste constante, la concentration de gaz augmentera. Cela se produirait, par exemple, si le conduit d'air desservant un longue galerie d’avancement gazeuse était disloqué alors qu'un ventilateur continuait de fonctionner. Cet exemple illustre un cas de recirculation incontrôlée. La définition d'un système de recirculation partielle contrôlée est celle dans laquelle une fraction contrôlée de l'air revenant d'une zone de travail est renvoyée dans l'admission tandis que, en même temps, le débit d'air traversant la région est surveillé pour garantir qu'il reste supérieur à une valeur minimale prédéterminée. Les avantages de la recirculation partielle contrôlée résident dans les conditions environnementales améliorées qu'elle peut fournir en ce qui concerne les gaz, la poussière et la chaleur, ainsi que de permettre à l'exploitation minière de se dérouler dans des zones d'une mine trop éloignées des connexions de surface pour être ventilées économiquement par des moyens conventionnels. Comme illustré à la section 4.5.2., Les concentrations générales de gaz corporels peuvent en fait être réduites par une recirculation contrôlée. De plus, les vitesses d'air plus élevées qui se produisent dans une zone de recirculation contribuent au mélange turbulent des émissions de gaz, réduisant la tendance à la stratification du méthane et diminuant la probabilité d'accumulation de mélanges explosifs de méthane et d'air. Comme pour le gaz, les concentrations de poussières respirables atteignent des niveaux maximaux prévisibles dans un système de recirculation contrôlée et peuvent être considérablement réduites par l'utilisation de filtres. Le plus grand volume d'air filtré permet d'éliminer plus de poussière. L'effet d'une recirculation contrôlée sur les conditions climatiques est plus difficile à prévoir. Cependant, à la fois la programmation de la simulation et les observations pratiques ont indiqué les améliorations de la puissance de refroidissement de l'air partiellement recirculé pour toute valeur donnée de ventilation traversante. Au fur et à mesure que les travaux s'éloignent des fonds de puits, le coût du passage de l'air le long des entrées et rallonges primaires augmente nécessairement. Lorsque de nouvelles connexions de surface plus proches des chantiers ne sont pas pratiques, peut-être parce que les chantiers se trouvent sous la mer ou en raison d'une grande profondeur, le coût de la ventilation conventionnelle deviendra finalement prohibitif - même lorsque des ventilateurs d'appoint sont utilisés. Une utilisation plus efficace de l'air grâce à une recirculation partielle contrôlée devient alors une proposition intéressante. Si, par exemple, la concentration de méthane revenant d'une face ventilée de façon conventionnelle est de 0,3% et que la limite obligatoire de sécurité est de 1,0%, le débit Pr Tayeb SERRADJ – Ecole Nationale Supérieure des Mines et Métallurgie – Département Génie Minier

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Systèmes de ventilation souterraine – Génie Minier traversant des voies de ventilation principales pourrait être réduit de moitié, donnant une concentration de méthane de 0,6% tout en maintenant ou en augmentant les vitesses au front de taille par recirculation contrôlée. Au cours des années 1970, le concept de recirculation partielle contrôlée a gagné en respectabilité et est maintenant pratiqué par plusieurs des industries minières du monde opérant, dans certains cas, par des dérogations autorisées à la législation existante. La plus grande dissuasion contre l'introduction d'une recirculation contrôlée a été le risque de retour des gaz de combustion d'un incendie vers les zones de travail. D'autres problèmes potentiels découlent de la prise en compte de phénomènes transitoires tels que le dynamitage ou des changements rapides de pression barométrique provoqués par le fonctionnement des portes ou des ventilateurs, et des pics d'émissions de gaz qui en résultent. L'introduction de systèmes de surveillance à sécurité intégrée avec surveillance informatique continue a révolutionné la situation. Ces systèmes d'autocontrôle impliquent la surveillance de la concentration des gaz, des différences de pression d'air et des débits d'air à des endroits stratégiques ainsi que des conditions de fonctionnement des ventilateurs et autres installations. Les ventilateurs peuvent être reliés électriquement pour éviter la recirculation incontrôlée. Si un paramètre surveillé tombe en dehors des limites prescrites, le système revient automatiquement à un circuit conventionnel sans recirculation. L'introduction d'une technologie de surveillance fiable a permis de réaliser les avantages d'une recirculation partielle contrôlée en toute sécurité. 4.5.2. Recirculation contrôlée dans les galeries d’avancement L'application la plus répandue de la recirculation contrôlée a été dans les galeries d’avancement. L'un des inconvénients des systèmes de chevauchement conventionnels illustrés à la figure 4.16 est la réduction de la vitesse générale de l'air corporel dans la zone de chevauchement. Cela peut être surmonté complètement en faisant en sorte que le ventilateur de chevauchement passe un débit d'air supérieur à celui disponible dans la galerie d’avancement, c'est-à-dire un système de recirculation contrôlée, accompagné du système de surveillance correspondant et des verrouillages électriques. Ceci est particulièrement avantageux lorsqu'il est appliqué au schéma illustré à la figure 4.16 (a), car de l'air filtré est alors disponible pour les opérateurs de machines ainsi que sur toute la longueur de la galerie d’avancement. La figure 4.17 montre deux exemples d'un système aspirant primaire configuré pour une recirculation contrôlée. Dans les deux cas, un débit d'air Qt (m3 / s) est disponible lors de la dernière coupe transversale ouverte et contient un débit de gaz de Gi (m3 / s). Un flux d'air de Qh passe la galerie d’avancement où s'ajoute une émission de gaz de Gh.

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a) Aspiration dans l'admission

a) Aspiration dans le retour

Figure 4.17 Systèmes de recirculation contrôlée pour les galeries d’avancement. Essayons de trouver les concentrations maximales générales de gaz corporel qui se produiront dans les systèmes. En se référant à la figure 4.17 (a) et en utilisant les emplacements A, B, C et D comme indices d'identification, la concentration fractionnelle de gaz, Cg, à la position D (sortie du système) doit être

(Voir l’équation (4.3). (Dans ces relations, on suppose que le débit de gaz est beaucoup plus petit que le débit d'air). Cependant, l'examen de la figure montre qu'il doit également s'agir de la concentration de gaz aux emplacements A et B. En particulier,

Mais le débit de gaz, G = concentration de gaz x débit d'air

Le débit de gaz dans le conduit, GC = GB + Gh, doit alors être

Par conséquent, la concentration de gaz dans le conduit, Pr Tayeb SERRADJ – Ecole Nationale Supérieure des Mines et Métallurgie – Département Génie Minier

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Il s'agit de la concentration générale de gaz corporel la plus élevée qui puisse se produire n'importe où dans le système illustré à la figure 4.17 (a). L'examen de l'équation (4.4) montre que si les débits de gaz, Gi et Gh, sont fixes et que l'alimentation en air frais, Qt, reste inchangée, la concentration maximale générale de gaz corporel, CgC, doit chuter à mesure que Qh augmente - c'est-à-dire, comme le degré de recirculation augmente. A la limite, à Qh très élevé, la concentration de gaz dans le conduit tend vers celle laissant le système en position D. Dans un système conventionnel sans recirculation, le débit d'air pris dans une galerie d’avancement est souvent limité à pas plus de la moitié de celui disponible lors de la dernière coupe transversale ouverte, c'est-à-dire Qh = 0,5 Qt. L'application de ces conditions à l'équation (4.4) donne

La recirculation commence lorsque Qh = Qt, donnant

CgC doit être inférieure à toutes les valeurs supérieures de Qh, c'est-à-dire des degrés de recirculation plus élevés. La comparaison des équations (4.5) et (4.6) montre que dans cette configuration, la concentration maximale générale de gaz corporel est toujours inférieure en utilisant une recirculation contrôlée qu'avec un système conventionnel. En ce qui concerne la figure 4.17 (b), l'analyse est encore plus simple. Dans ce cas, la concentration maximale de gaz (dans le conduit) doit être la même que celle sortant du système (Gi + h) / Qt à condition que Qh soit égal ou supérieur à Qt, c'est-à-dire qu'une recirculation contrôlée doit exister. Là encore, c'est toujours moins que ce qui serait réalisable avec un système classique sans recirculation. Une analyse similaire pour la concentration de poussière, Cd, sur le système montré sur la figure 4.17 mais sans filtre à poussière donne une expression analogue à celle du gaz.

Encore une fois, on peut voir que la concentration maximale diminue lorsque Qh augmente. Pour les poussières, il est plus pertinent d'indiquer la concentration en position B, c'est-à-dire dans la longueur principale de la galerie d’avancement: cela devient

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et est complètement indépendant du degré de recirculation. Si les filtres illustrés à la figure 4.17 (a) éliminent une fraction, η, de la poussière dans le conduit, il peut être démontré que les concentrations correspondantes deviennent

Ces équations montrent que lorsque des filtres sont utilisés, les concentrations de poussières chutent dans tout le système. Il a été supposé dans ces analyses qu'il n'y a pas de dépôt de poussière. Des relations similaires peuvent être dérivées pour d'autres configurations de recirculation contrôlée dans les galeries d’avancement. 4.5.3. Systèmes de quartier L'extension de la recirculation partielle contrôlée à des zones complètes d'une mine présente des avantages particuliers en diminuant les coûts de chauffage ou de refroidissement de l'air et pour les travaux éloignés des connexions de surface. Positions des ventilateurs La figure 4.18 montre des schémas simplifiés illustrant trois configurations d'emplacements de ventilateurs dans un système de recirculation de quartier. Dans chaque cas, la ventilation traversante dans le secteur est représentée par Qm avec Qc passant du retour à l'admission dans la coupe transversale de recirculation, pour donner un flux d'air amélioré de Qm + Qc dans les travaux. Le rapport F = Qc / (Qm + Qc) est appelé fraction de recirculation. Le ventilateur qui crée la recirculation développe une pression de pr tandis que les différences de pression appliquées à travers les extrémités extérieures pour les trois systèmes représentés sont respectivement po1, po2 et po3. La configuration la plus simple est illustrée à la figure 4.18 (a) avec le ventilateur de recirculation situé dans le croisement. Cela maintient les entrées et les retours libres pour les déplacements et sans obstruction par les sas. Placer le ventilateur dans cette position aura tendance à diminuer le débit, Qm. Par conséquent, si le débit total doit être maintenu, la pression différentielle appliquée doit être augmentée de

(sans recirculation) où Rm est la résistance combinée des conduites d'admission et de retour à : avec la recirculation illustrée à la figure 4.18 (a). Ces équations sont dérivées en additionnant les chutes de pression de frottement, p, autour de la trajectoire du réseau (indice m) et du Pr Tayeb SERRADJ – Ecole Nationale Supérieure des Mines et Métallurgie – Département Génie Minier

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Systèmes de ventilation souterraine – Génie Minier fonctionnement (indice w) - et en appliquant la loi carrée p = RQ2, où R = résistance des voies de ventilation (section 5.2).

(a) Ventilateur transversal

(b) Ventilateur en ligne

(c) Ventilateurs transversal et d'appoint combinés Q = débit d'air ; R = résistance ; G = débit de gaz ; p = pression de ventilation Figure 4.18. Schéma des systèmes de recirculation de quartier

De même, dans les trois cas (a), (b) et (c), la pression requise du ventilateur de recirculation est donnée en additionnant les chutes de pression de friction autour des chantiers et en coupe transversale

Dans le système (b), le ventilateur est situé dans l'entrée ou le retour par la coupe transversale de recirculation. Dans cette position, le ventilateur agit comme un ventilateur d'appoint de quartier et crée la recirculation contrôlée. Par conséquent, le débit, Qm, aura tendance à augmenter. Alternativement, si le débit doit rester constant, alors la différence de pression de sortie peut être réduite à

ou un régulateur peut être introduit dans l'un ou l'autre des réseaux. Le système (c) de la figure 4.18 combine un ventilateur d'appoint avec un ventilateur à coupe transversale et est la configuration préférée où la recirculation est utilisée en raison du fonctionnement éloigné des connexions de surface. Dans ce système, la pression de ventilation appliquée à travers le quartier peut être réduite de l'ampleur de la pression du ventilateur d'appoint pour maintenir un Qm constant, c'est-à-dire :

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Systèmes de ventilation souterraine – Génie Minier La puissance aérienne totale consommée dans les systèmes est donnée comme la somme des produits pQ pour toutes les voies de ventilation. Si les débits d'air correspondants et les résistances sont les mêmes dans chacun des trois systèmes, alors les puissances d'air totales requises doivent également être égales, indépendamment de l'emplacement des ventilateurs. Dans la pratique, les différences d'efficacité des ventilateurs entraîneront des variations de l'entrée électrique totale requise pour les moteurs de ventilateur. Cependant, cela peut avoir une importance mineure. Une considération majeure dans toutes les conceptions de recirculation partielle contrôlée est qu'en cas d'urgence ou d'arrêt de l'installation, le système doit être à sécurité intégrée et revenir à une configuration conventionnelle sans recirculation. Les débits d'air doivent alors rester suffisants pour permettre au personnel d'évacuer la zone en toute sécurité et pour que les mesures d'amélioration nécessaires soient prises. La détection de telles conditions est assurée par la surveillance des paramètres environnementaux et du fonctionnement des ventilateurs. Si le ventilateur à recirculation transversale du système (a) tombe en panne, les portes de la coupe transversale doivent se fermer automatiquement. La ventilation à travers le débit augmentera, réduisant la concentration générale de gaz corporel dans les voies de ventilation de retour. Cependant, la vitesse réduite de l'air dans la zone de travail augmentera la probabilité d'accumulation locale de gaz à celle d'un système classique sans recirculation. L'arrêt du ventilateur en ligne du système (b) est plus grave. Encore une fois, les portes de la coupe transversale doivent être fermées, mais le débit d'air diminuera, ce qui entraînera à la fois une diminution des flux d'air dans les fronts de taille et également des concentrations générales de gaz corporel plus élevées dans les retours. Cependant, ce système est capable d'un meilleur contrôle du flux d'air que le ventilateur transversal. Le degré de recirculation peut être modifié en modifiant la fonction de l'installation du ventilateur (vitesse du ventilateur, réglages des aubes ou nombre de ventilateurs en fonctionnement), en régulant le débit d'air dans l'admission ou le retour par la coupe transversale ou en ajustant un chemin de dérivation autour du ventilateur. Le système (c) offre le plus grand degré de flexibilité. L'arrêt du ventilateur transversal et la fermeture des portes correspondantes augmenteront le débit, Qm. Cependant, en cas de panne du ventilateur d'appoint, les verrouillages électriques devraient fermer le ventilateur transversal. Des débits d'air réduits dans tout le système sont maintenus par la différence de pression au-delà. Le réglage des deux ventilateurs permet un contrôle indépendant de la distribution du flux d'air beaucoup plus important que les systèmes (a) ou (b). Niveaux de pollution Bien que la concentration générale de gaz corporel quittant une zone soit indépendante de la distribution du flux d'air à l'intérieur de la zone - recirculation ou autre (section 4.5.1), tout flux d'air passant d'un retour à une voie d'air d'admission peut affecter la qualité ainsi que la quantité d'air dans cette admission. En se référant à la figure 4.18 (b), supposons que l'air d'admission entrant contienne un flux de gaz de Gi (m3 / s) et qu'une émission de gaz constante de Gw se produise dans les chantiers. Dérivons des expressions pour les concentrations générales de gaz corporel dans le retour du chantier (position 2) et l'admission (position 1). La concentration de retour doit être la même que celle sortant du quartier complet et dans la coupe transversale, en supposant aucune autre source d'émission de gaz: Pr Tayeb SERRADJ – Ecole Nationale Supérieure des Mines et Métallurgie – Département Génie Minier

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(voir l'équation (4.3)) Ceci est indépendant du degré de recirculation. Pour déterminer la concentration de gaz dans l'admission en position 1, considérons d'abord le débit de gaz passant à travers la coupe transversale (indice c)

de l'équation (4.15) Maintenant, le débit de gaz en position 1 est

La concentration correspondante est donnée en divisant par le débit d'air correspondant, Qm + Qc, donnant

Cependant, si nous définissons la fraction de recirculation comme

Alors l'équation (4.16) devient

Cela vérifie l'attente intuitive que lorsque le degré de recirculation, F, augmente, la concentration de gaz dans l'admission augmente également. Cependant, comme F n'est jamais supérieur à 1, et en comparant avec l'équation (4.15), nous pouvons voir que la concentration de gaz d'admission ou de chantier ne peut jamais être supérieure à la concentration de retour. Par conséquent, dans un système de recirculation de quartier, la concentration générale de gaz corporel à aucun endroit n'est supérieure à la concentration générale de retour avec ou sans recirculation. Les concentrations maximales de méthane autorisées dans les admissions de mines de charbon peuvent être prescrites par la loi à une faible valeur telle que 0,25%. La valeur de F doit être choisie de telle sorte que cette limite ne soit pas dépassée. Des analyses similaires peuvent être effectuées pour les concentrations de poussières. Dans ce cas, l’abandon et l'utilisation de filtres peuvent entraîner des réductions Pr Tayeb SERRADJ – Ecole Nationale Supérieure des Mines et Métallurgie – Département Génie Minier

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Systèmes de ventilation souterraine – Génie Minier importantes des concentrations de poussières dans un système de recirculation partielle contrôlée. Cependant, les vitesses d'air améliorées dans la zone de travail ne devraient pas dépasser quelque 4 m / s, car le réentraînement des particules décantées dans le flux d'air s'accélère rapidement à des vitesses plus élevées. Les conditions climatiques au sein d'un système de recirculation partielle contrôlée dépendent non seulement des flux d'air et des positions / fonctions des ventilateurs, mais également de la nature hautement interactive du transfert de chaleur entre les strates et les courants d'air de ventilation. L'emplacement, le type et la puissance des autres équipements mécanisés et la présence d'eau libre ont également des effets importants. Le seul moyen pratique de gérer le grand nombre de variables consiste à simuler les processus physiques en interaction à l'aide d'un programme informatique (chapitre 16). De telles analyses, ainsi que des observations pratiques, indiquent que les températures de bulbe humide et sec à tout moment peuvent augmenter ou diminuer lorsqu'une recirculation partielle contrôlée est initiée sans refroidissement par air. Les vitesses d'air accrues dans la zone de recirculation améliorent la puissance de refroidissement de l'air sur le corps humain pour n'importe quelle température et humidité données. Cependant, lorsqu'une recirculation contrôlée est pratiquée dans les mines chaudes, elle s'accompagne normalement d'un refroidissement de l'air recirculé. Ceci est moins coûteux et plus efficace que le refroidissement en vrac de l'air d'admission dans un système de ventilation conventionnel et des améliorations significatives des conditions climatiques peuvent être réalisées. Encore une fois, l'expérience pratique a montré que les débits d'air plus élevés dans une zone de recirculation améliorent l'efficacité de la capacité de réfrigération existante. 4.6. DÉPÔTS SOUTERRAINS 4.6.1. Types de dépôts L'espace souterrain est de plus en plus utilisé à des fins autres que l'extraction de minéraux ou pour le transport. Le coût élevé du terrain, le surpeuplement et les considérations esthétiques dans les zones urbaines encouragent l'utilisation du sous-sol pour les bureaux, la fabrication, l'entreposage, les installations de divertissement et bien d'autres fins. La sécurité et la stabilité d'une formation géologique bien choisie rendent l'espace souterrain particulièrement adapté au stockage de matériaux, allant des denrées alimentaires et des combustibles liquides ou gazeux aux déchets toxiques. La conception et l'exploitation de systèmes environnementaux dans de tels dépôts nécessitent les compétences combinées des ingénieurs en ventilation des mines et du personnel HVAC (chauffage, ventilation et climatisation). Les dépôts doivent être construits et exploités d'une manière qui préserve l'intégrité du matériel stocké et protège également le public contre les émissions ou les effluents dangereux. Les conceptions les plus exigeantes découlent peut-être du besoin perçu de stocker les déchets radioactifs dans des dépôts souterrains profonds. Il existe essentiellement deux types de déchets. Premièrement, il y a les déchets radioactifs transuraniens ou de faible activité tels que les vêtements contaminés, les produits de nettoyage ou d'autres articles consommables qui sont produits régulièrement par les établissements qui manipulent des matières radioactives. Ces déchets peuvent être comprimés dans des conteneurs qui peuvent être empilés dans des chambres excavées sous terre. Deuxièmement, il y a les déchets concentrés et hautement radioactifs produits par certains établissements de défense et comme les barres de combustible usé riches en plutonium des centrales nucléaires. Ces déchets peuvent être emballés dans des cylindres fortement blindés et résistants à la corrosion et placés dans des trous de forage d'environ un mètre de diamètre, forés à partir des voies aériennes souterraines dans la roche environnante. Pr Tayeb SERRADJ – Ecole Nationale Supérieure des Mines et Métallurgie – Département Génie Minier

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4.6.2. Circuits de ventilation dans les dépôts de déchets nucléaires La figure 4.19 illustre la structure de ventilation principale d'un dépôt de déchets nucléaires de haute activité. Comme dans les figures illustrant les circuits miniers présentés plus haut dans le chapitre, ce croquis est de nature conceptuelle et n'est pas destiné à représenter toutes les voies aériennes. Pendant l'exploitation d'un dépôt souterrain, deux activités doivent se dérouler en phase l'une avec l'autre. L'une est l'exploitation minière des chambres ou galeries où le matériau doit être placé, ainsi que l'excavation des voies de transport, des voies aériennes de ventilation et de toute l'infrastructure nécessaire dans une installation souterraine. C'est ce qu'on appelle simplement l'activité minière. Deuxièmement, les déchets dangereux doivent être transportés par les puits et les voies de ventilation concernés vers les chambres sélectionnées pour leur mise en place. En conséquence, ceci est connu comme l'activité de mise en place. Pour des raisons de sécurité environnementale, les circuits de ventilation des activités d'extraction et de mise en place dans un dépôt de déchets nucléaires doivent être séparés. De plus, toute fuite d'air à travers les portes ou les cloisons entre les deux systèmes doit toujours quitter la zone minière et se déverser dans la zone de mise en place - même en cas de panne d'un ventilateur. La figure 4.19 montre comment cela est réalisé. Le circuit minier fonctionne comme un système soufflant à écoulement traversant avec le (s) ventilateur (s) principal (s) situé (s) en haut du ou des puits de descente. D'autre part, le circuit de mise en place fonctionne comme un système aspirant à flux traversant avec les ventilateurs principaux situés au sommet des puits de rejet ascendant. Il convient de rappeler que dans la nomenclature des dépôts souterrains, le terme déchets désigne les déchets dangereux à mettre en place et non les stériles produits par les activités minières. Avec cette conception, tout rejet accidentel de radionucléides dans l'atmosphère souterraine est entièrement contenu dans le circuit de mise en place et ne contaminera pas les zones minières. Le puits ou la rampe de raccordement en surface utilisé pour le transport souterrain des déchets nucléaires n'est pas représenté sur la figure 4.19. Ce puits ne fera normalement pas partie du système de ventilation principal mais aura un débit d'air descendant limité qui passe directement dans un retour principal des déchets. Des dispositions similaires peuvent être prises pour les voies de transport souterrain des déchets, limitant ainsi la dispersion potentielle de la contamination radioactive en cas d'endommagement d'un conteneur de déchets pendant le transport. Des ateliers de maintenance et de réparation séparés sont prévus dans les circuits d'extraction et de mise en place. Lorsque les activités de mise en place sont terminées dans une chambre donnée, les extrémités de cette chambre peuvent être scellées. Dans le cas de déchets nucléaires de haute activité, cela peut faire en sorte que l'enveloppe de roche entourant les voies d’aérage atteigne des températures supérieures à 150 ° C, en fonction du taux d'émission de chaleur des déchets, de la distance des réservoirs des voies de ventilation, de la chaleur propriétés de la roche et induction thermique de la migration de l'eau et de la vapeur dans les strates. Si la dérive doit être rouverte pour être récupérée ou inspectée, une période de refroidissement considérable par air réfrigéré peut être nécessaire avant que du personnel non protégé puisse rentrer. Pour réduire le temps et les frais de la période de recharge, la chambre mise en place peut ne pas être complètement scellée mais laisser passer un débit d'air régulé suffisant pour maintenir la température de la surface de la roche à un niveau contrôlé.

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Systèmes de ventilation souterraine – Génie Minier 4.6.3. Fonctions de sécurité supplémentaires Avant de mettre en service un dépôt de déchets dangereux, il doit respecter les normes les plus strictes de sécurité et d'assurance qualité afin de protéger les travailleurs et le grand public contre la contamination chimique ou radioactive. Dans le cas d'un dépôt souterrain, les garanties de conception commencent par un examen approfondi de l'aptitude de la formation géologique à agir comme milieu de confinement naturel. Cela impliquera les propriétés physiques et chimiques de la roche, la présence et le taux de migration naturelle des eaux souterraines et la probabilité d'activité sismique. D'autres facteurs qui influencent le choix du site comprennent la densité de la population et l'acceptation par le public du transport de surface des déchets dangereux vers le site. En plus d'une surveillance électronique continue de la qualité de l'atmosphère à travers les principales voies de ventilation d'un dépôt de déchets nucléaires, les ventilateurs, les cloisons et les régulateurs doivent être surveillés pour s'assurer qu'ils fonctionnent dans les limites de conception et que les différences de pression sont maintenues dans la bonne direction de tout temps. Les régulateurs et les portes peuvent être équipés d'actionneurs électriques ou pneumatiques adaptés au fonctionnement local et à distance. Si la radioactivité en suspension dans l'air est détectée à tout moment et en tout endroit du circuit, l'air sortant du haut des puits de rejet ascendant est automatiquement détourné à travers des bancs de filtres à particules à haute efficacité (HEPA). Des précautions distinctes ou supplémentaires doivent également être prises pour protéger les bâtiments de surface et les sommets des puits contre les tornades, les inondations ou les retombées de l'activité volcanique. Bibliographie Burton, R.C., et al (1984) Recirculation of air in the ventilation and cooling of deep gold mines. Trans. 3rd. International Congress on Mine Ventilation. Harrogate, England. Dhar, N. and McPherson M.J. (1987) The effect of controlled recirculation on mine climate. Proc. 5th Ann. Workshop. Generic Mineral Tech. Center, Mine Systems Design and Ground Control Alabama, USA pp. 139 - 151. Hardcastle, S.G. (1985) Computer predicted airborne respirable dust concentrations in mine air recirculation systems. Proc. 2nd U.S. Mine Ventilation Symp. Reno. pp. 239-248. Leach, S.J. and Slack A. (1969) Recirculation of Mine Ventilation Systems. The Mining Engineer (U.K.) January, No. 100. Lee, R.D. and Longson, I. (1987) Controlled recirculation of mine air in working districts. Jnl. Mine Ventilation Soc. of South Africa Vol. 40 No. 2, Feb. Longson, I, Lee, R.D., and Lowndes, I.S. (1985) The feasibility of controlled air recirculation around operating longwall coal faces. Proc. 2nd U.S. Mine Ventilation Symp. Reno pp. 227237. Malcolm J. McPherson, 1993, Subsurface Ventilation and Environmental Engineering, SPRINGER-SCIENCE+BUSINESS MEDIA, B.V, Originally published by Chapman & Hall, USA, pp 905. Robinson, R. (1989) Use of booster fans and recirculation systems for environmental control in British coal mines. 4th U.S. Mine Ventilation Symposium. Berkeley, CA, USA pp. 235-242. Wallace, K.G et al (1986) Impact of using auxiliary fans on mine ventilation efficiency and cost. AIME meeting. New Orleans, March 1986. Wallace, K.G. (1988) Ventilation strategy for a prospective U.S. nuclear waste repository. 4th International Mine Ventilation Congress, Brisbane, Australia pp. 65-72. 4-33.

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