Politechnika Wrocławska

Wydział Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii

Referat z przedmiotu

„Wentylacja i pożary III”

Temat: Rozwój pożaru w wyrobiskach górniczych

Wykonała: Justyna Serwik e-mail: [e-mail]

Prowadzący: Dr inż. Franciszek Rosiek

Spis treści

1. Ogólna charakterystyka pożaru podziemnego

Pod pojęciem pożaru podziemnego rozumie się występowanie w wyrobisku podziemnym otwartego ognia, tj. żarzącej lub palącej się płomieniem otwartym substancji, jak również utrzymywanie się w powietrzu kopalnianym dymów lub utrzymywanie się w przepływowym prądzie powietrza stężenia tlenku powyżej 0,0026% [1, 5, 8].

Warunkiem powstania pożaru jest jednoczesne wystąpienie kilku czynników [1, 5, 7, 8]

• materiał palny np węgiel, łupki, drewno, smary, oleje i inne,

• odpowiednie stężenie tlenu w miejscu formowania się ogniska pożaru

• źródło wysokiej temperatury

Powyższe trzy elementy występujące razem są zbiorem wystarczającym do wyzwolenia wybuchu, który może się przenieść na dane środowisko. Przy braku nawet jednego z tych czynników pożar nie może powstać ani się rozwijać [5, 7].

Rys. 1. Trzy elementy powodujące wybuch gazów kopalnianych [1]

Tabela 1. Elementy niezbędne do powstania wybuchu gazów kopalnianych [2]

Gaz	Temperatura zapłonu ^ºC	Granice wybuchowości %
Tlenek węgla (CO)	605	12,5 ÷ 74,0
Siarkowodór (H2S)	270	4,3 ÷ 45,5
Amoniak (NH3)	680	15,0 ÷ 28,0
Metan (CH4)	595	5,0 ÷ 15,0

Materiałem palnym w kopalniach jest m.in. [1, 5]:

• węgiel, łupki palne, niektóre rudy siarczkowe (piryt, chalkopiryt, markazyt),

• drewno (obudowa drewniana, tamy izolacyjne i regulacyjne),

• taśmy transportowe wykonane z materiałów palnych (gumowe),

• kable elektryczne,

• smary i oleje, przesiąknięte olejami odpadki wełniane i bawełniane (do czyszczenia maszyn tzw. pakuły),

• gazy palne (głównie metan),

• pył węglowy osiadający na obudowie wyrobisk i urządzeniach kopalnianych, ze uwagi na dużą powierzchnię, a tym samym łatwość zapalenia i możliwość szybkiego rozprzestrzeniania się ognia.

Zapalenie materiałów palnych może nastąpić na wskutek obecności zewnętrznego źródła wysokiej temperatury lub na wskutek przemian fizykochemicznych przebiegających z wydzieleniem ciepła (reakcje egzotermiczne), jakim ulegają same materiały palne [5].

W zależności od przyczyny powstania pożaru wyróżnia się dwa rodzaje pożarów [1, 4, 5, 7, 8]:

• pożary egzogeniczne - powstające na wskutek przyczyn zewnętrznych,

• pożary endogeniczne - powstające na wskutek samozapalenia się materiału palnego

W kopalniach węgla kamiennego występują zwykle pożary wskutek samozapalenia, jednak w związku z prawie całkowitą elektryfikacją i mechanizacją tych kopalń wzrasta liczba pożarów z przyczyn zewnętrznych. W kopalniach rud przeważają pożary wskutek przyczyn zewnętrznych (egzogeniczne) [5, 7].

Pożary podziemne są dużym zagrożeniem dla kopalni. Gazy pożarowe składają się w dużej mierze z składników duszących i trujących. Stanowią one bezpośrednie zagrożenie dla ludzi znajdujących się w wyrobiskach. Szczególnie duże zagrożenie dla załogi powstaje w przypadku zaistnienia zaburzeń w sieci wentylacyjnej wskutek pożaru podziemnego, kiedy dymy kierują się do oddziałów daleko położonych od miejsca pożaru i stanowią zaskoczenie dla zatrudnionych ludzi. Rozpływ gazów pożarowych po wyrobiskach powoduje również znaczne straty materialne w sprzęcie i urządzeniach, a także bardzo często straty przygotowanego frontu eksploatacyjnego i zmniejszenie zdolności wydobywczej kopalni [5].

1. Pożary endogeniczne

Pożary endogeniczne w kopalniach węgla są skutkami trzech przyczyn [7]:

• skłonności węgla do samozapalenia,

• zastosowanie nieodpowiedniego systemu eksploatacji,

• nieodpowiedniego przewietrzania kopalni

Pożary endogeniczne należą do najczęstszych pożarów w polskim przemyśle węglowym. Zjawisko samozapalenia węgla jest spowodowane utlenianiem się węgla powietrzem w temperaturze otoczenia. Utlenianie węgla przebiega zarówno w niskich, jak i w wysokich temperaturach. Jednocześnie zmniejsza się zawartość tlenu w powietrzu, a pojawiają się takie produkty jak: dwutlenek węgla, tlenek węgla, węglowodory aromatyczne (etan, propan, butan, etylen, propylen, acetylen). Dodatkowo procesowi temu towarzyszy efekt cieplny, który w warunkach sprzyjających akumulacji ciepła prowadzi do stopniowego wzrostu temperatury węgla i intensyfikacji jego utleniania. Gdy temperatura wzrośnie powyżej 60°C (temperatura krytyczna) szybkość utleniania się węgla jest bardzo duża, a przy wystarczającym dopływie powietrza może dojść do powstania pożaru [4]. Aby proces samozapalenia i samozagrzewania węgla mógł się rozwijać, muszą jednocześnie zaistnieć trzy czynniki, tj. [1, 4, 5]:

• obecność rozdrobnionego węgla skłonnego do niskotemperaturowego utleniania,

• dopływ powietrza do materiału,

• możliwość akumulacji ciepła wydzielającego się w czasie reakcji utleniania węgla.

Pierwszy z warunków związany jest z naturalnymi właściwościami substancji węglowej, pozostałe zależą od warunków górniczo-technicznych, tj. stosowanego systemu eksploatacji pokładu, sposobu przewietrzania kopalni i innych. W związku z tym, pożar maże powstać nawet w pokładzie o małej skłonności do samozapalenia przy stosowaniu nieodpowiedniego systemu eksploatacji lub przy niewłaściwym przewietrzaniu całej kopalni czy jej części. W porównaniu z pożarami wywołanymi przyczynami zewnętrznymi, pożary endogeniczne odznaczają się zazwyczaj bardziej spokojnym przebiegiem, ponieważ pojawiają się charakterystyczne oznaki zewnętrzne, które często mogą być wykryte we wczesnym stadium ich rozwoju. Jednak wskutek niedostępności ogniska pożary endogeniczne jest znacznie trudniej ugasić i mogą trwać one dłużej (kilka miesięcy, nawet do kilku lat, jeżeli do pola pożarowego dopływa świeże powietrze nie kontrolowanymi drogami) [1, 5].

W procesie samozapalenia węgla można wyróżnić dwa zasadnicze okresy, tj. [1, 5]:

• okres przygotowawczy, zwany również inkubacyjnym - na początku zetknięcia się węgla z powietrzem nie obserwuje się praktycznie wzrostu temperatury węgla ani jego otoczenia, utlenianie przebiega wolna, ale równocześnie węgiel ulega aktywacji. Jeśli wytwarzające się przy tym ciepło nie ulegnie rozproszeniu lub nie zostanie odprowadzone, następuje jego akumulacja, co prowadzi do stopniowego wzrostu temperatury węgla.

• okres samozagrzewania się węgla - po osiągnięciu przez węgiel temperatury krytycznej (60÷80°C) następuje szybki jej wzrost, co z kolei przyspiesza utlenianie, co może doprowadzić do samozapalenia węgla.

Duże ciśnienie, wysoka temperatura skał lub dopływającego powietrza, obecność pirytu i wilgoć sprzyjają rozwojowi procesu samozapalenia węgli. Gdy temperatura węgla nie osiągnie temperatury krytycznej {60 do 80°C) albo też nawet po jej osiągnięciu nastąpią zmiany warunków zewnętrznych sprzyjające odprowadzeniu ciepła, wtedy samozagrzewanie przechodzi powoli w okres ochłodzenia, a dalszy dopływ powietrza do zagrzanego węgla doprowadza go do stanu zwietrzenia. Węgiel zwietrzały nie ulega samozapaleniu [1, 5].

1. Pożary egzogeniczne

Pożary egzogeniczne mogą powstać w każdej kopalni i w każdym jej miejscu. Zwykle pojawiają się one niespodzianie, bez długotrwających oznak ostrzegawczych. Pożary te rozwijają się gwałtownie, a podczas ich trwania wydziela się duża ilość dymów zawierających duże ilości części stałych i pary wodnej. Niespodziewane powstanie pożarów egzogenicznych i ich gwałtowny rozwój mogą powodować zaskoczenie załogi, dlatego też są one bardziej niebezpieczne od pożarów endogenicznych [4, 5, 8].

Ze względu na przyczyny powstania pożary egzogeniczne dzieli się zazwyczaj na pożary [1, 4, 5, 7]:

• wywołane otwartym płomieniem i przez zaprószenie ognia,

• powstałe wskutek wadliwego działania urządzeń elektrycznych, mechanicznych lub też nieumiejętnego (nieostrożnego obchodzenia się z tymi urządzeniami

• wywołane wybuchami gazów (głównie metanu) lub pyłu węglowego,

• powstałe na wskutek robót strzelniczych

1. Pożary wywołane otwartym płomieniem i przez zaprószenie ognia

Pożary wywołane otwartym płomieniem są coraz rzadsze od czasu wprowadzenia światła zamkniętego i zakazu palenia tytoniu w podziemiach kopalni [1, 4, 5]. Mimo to pożary takie zdarzają się. Źródłem otwartego płomienia może być płomień palnika do spawania, zapalony lont prochowy, paląca się zapałka lub lampa acetylenowa. Przypadkowe zaprószenie ognia może nastąpić przy niewłaściwym wykonywaniu robót spawalniczych lub cięciu metali palnikami spawalniczymi, jak również od niedopałka papierosa. Szczególnie niebezpieczne jest porzucenie niedopałka papierosa w sąsiedztwie przesypów i wysypów oraz w pobliżu tam regulacyjnych lub śluzowych (miejsca dużego nagromadzenia pyłu węglowego). Porzucenie niedopałka papierosa w pobliżu tamy jest bardzo niebezpieczne - powietrze przepływające z dużą prędkością przez nieszczelności tamy przy spągu powoduje szybkie powtórne rozpalenie niezgaszonego niedopałka i zapalenie pyłu węglowego lub innego materiału palnego. Wskutek dostatecznego dopływu powietrza pożar rozwija się wtedy bardzo szybko [5, 7].

Ze względu na stale rozwijającą się mechanizację kopalń wyeliminowanie spawania i cięcia metali w wyrobiskach górniczych jest jednak niemożliwe i stanowi zawsze potencjalne zagrożenie pożarowe. Roboty takie muszą jednak być wykonywane przy zachowaniu jak najdalej idącej ostrożności i przy rygorystycznym przestrzeganiu zarządzeń i przepisów obowiązujących w tym zakresie, szczególnie, kiedy są one wykonywane w szybie lub w grupowych prądach świeżego powietrza [5].

Bardzo groźne dla kopalni są pożary wywołane rozmyślnym podpaleniem jako akt sabotażu. Są one zazwyczaj z góry obmyślone i starannie przygotowane w celu wyrządzenia jak największej szkody kopalni. Często dla wzniecenia pożaru używane są materiały łatwo palne lub środki chemiczne, które w czasie reakcji wydzielających znaczne ilości ciepła przy wysokiej temperaturze. Ponadto podpalacz działa w miejscu, gdzie nie są zatrudnieni ludzie, tak, że od chwili powstania pożaru do czasu jego zauważenia upływa dłuższy okres czasu, co stwarza bardzo poważne trudności w opanowaniu i likwidacji ognia, oraz utrudnia lub uniemożliwia ratowanie ludzi znajdujących się w strefie zagrożonej dymami [5, 7].

1. Pożary wskutek wadliwego działania urządzeń elektrycznych i mechanicznych

Wraz z postępem elektryfikacji kopalń wzrasta możliwość powstawania pożarów wywołanych wadliwym działaniem urządzeń elektrycznych lub niewłaściwą ich eksploatacją, nieumiejętną lub nieostrożną obsługą. Pożar może powstać w miejscu nagrzania do wysokiej temperatury przewodników prądu wskutek ich przeciążenia lub też nagrzania silników wskutek wadliwego działania urządzeń chłodzących silnik [4, 5, 7].

Inną przyczyną pożaru może być powstanie łuku elektrycznego lub iskrzenie w przewodach, wyłącznikach, silnikach, transformatorach i innych urządzeniach elektrycznych. Zapaleniu mogą ulegać przewody z izolacją palną {gumową, z palnych tworzyw sztucznych itp.) oraz oleje łatwo palne stosowane w niektórych typach transformatorów i wyłączników jak również uzwojenie silników, a także pył węglowy znajdujący się na przewodach lub urządzeniach ogrzanych do wysokiej temperatury [4, 5].

Zwarcie w przewodach powstaje zazwyczaj wskutek ich uszkodzenia, które może nastąpić przy spadaniu brył skalnych, przy zaciskaniu lub zawaleniu wyrobisk, przy uderzeniu narzędziami górniczymi, jak również wskutek niedbałego ułożenia przewodu, wadliwego wykonania połączeń, działania chemicznego wód agresywnych, przeciążenia przewodu itd. W kopalniach zmechanizowanych częstą przyczyną uszkodzenia kabli doprowadzających prąd do maszyn przodkowych (kombajnów, strugów itp.) jest dostanie się kabla pod maszynę w czasie jej pracy lub w czasie manewrowania nią (opuszczania). W zelektryfikowanych kopalniach metanowych może również nastąpić zapalenie metanu nagromadzonego pod pułapem wyrobisk z trakcją elektryczną. Jeżeli w wyrobisku, w którym znajdują się uszkodzone przewody nastąpi zawał wskutek oberwania się skał lub wskutek tąpnięcia to może on stać się przyczyną pożaru, gdy w zawalisku znajduje się węgiel lub metan [4, 5].

Pożar może również powstać w kopalni wskutek wadliwego działania urządzeń mechanicznych. Najczęstszą przyczyną jest zatarcie się łożysk krążników lub bębnów zwrotnych przenośników taśmowych lub ich zaklinowanie bryłami skalnymi czy uszkodzoną taśmą. Ciepło wytworzone wskutek tarcia taśmy o nieruchomy bęben zwrotny lub krążnik jest najczęściej przyczyną zapalenia nagromadzonego tam miału i pyłu węglowego, metanu lub nawet taśmy gumowej, skąd łatwo pożar przenosi się do dalszej części wyrobisk.

Bardzo groźne w skutkach może być również zapalenie się oleju lub jego par w przewodach tłocznych sprężarek powietrza. Wskutek wadliwego działania systemu oliwienia sprężarki olej przedostaje się do przewodów tłocznych, gdzie może nastąpić jego zapalenie od źródła wysokiej temperatury. Produkty spalania, zawierające zazwyczaj znaczne ilości tlenku węgla, wydzielają się wtedy do wyrobiska i mogą spowodować zatrucie ludzi [4, 5].

Skutecznym środkiem zapobiegania pożarom wywołanym urządzeniami elektrycznymi jest staranne układanie przewodów, racjonalna eksploatacja urządzeń elektrycznych i właściwa ich konserwacja oraz odpowiedni nadzór nad nimi [5].

Wycofanie z kopalni transformatorów i wyłączników olejowych, zastąpienie ich urządzeniami bezolejowymi zmniejsza potencjalne zagrożenie pożarowe. Zastosowanie automatycznych zabezpieczeń na wypadek pożaru, w stacjach transformatorowych i tam gdzie pracują urządzenia elektryczne (warsztaty, ładownie akumulatorów itp.) ogranicza skutki ewentualnie powstałych pożarów [4, 5].

1. Pożary wywołane wybuchami gazów lub pyłu węglowego

Wybuchy gazu kopalnianego obejmujące znaczny obszar kopalni mogą być powodem zapalenia materiałów palnych napotkanych na drodze przebiegu płomienia wybuchu [7]. W następstwie wybuchu gazów, pyłu węglowego bądź pyłu pirytowego (kopalnie rud) mogą wystąpić pożary, których niebezpieczeństwo w kopalniach metanowych jest potęgowane powtarzaniem się wybuchów. Dlatego też stosuje się na szeroką skalę profilaktykę wybuchów gazów i pyłu. Ma ona na celu niedopuszczenie do niebezpiecznych nagromadzeń gazów wybuchowych lub pyłu. Jednocześnie stosuje się środki mające na celu zlokalizowanie zaistniałego wybuchu [4].

1. Pożary wskutek robót strzelniczych

W kopalniach węgla lub pirytu występują warunki, w których roboty strzelnicze mogą wywołać pożar. Zdarza się, że po strzałach zapala się odzież, smar lub inne palne przedmioty. Czasem istnieją warunki, w których przy robotach strzelniczych może nastąpić wybuch pyłu, któremu towarzyszy pożar [4, 5, 7]. Przyczyną tych pożarów jest mało intensywne przewietrzanie wyrobisk górniczych, niedostateczne zroszenie i nieusunięcie nagromadzonego w wyrobiskach pyłu [4].

Jednym ze źródeł wysokiej temperatury °może być płomień materiału wybuchowego, który w czasie wykonywania robót strzelniczych zostanie wyrzucony z otworu strzałowego. Sytuacja taka może zajść, gdy w otworze strzałowym [5]:

• umieszczono niestarannie wykonaną lub za krótką przybitkę - dokładne i szczelne wykonanie przybitki pozwoli uniknąć pojawienia się płomienia w przodku w czasie strzelania.

• zostanie użyty niewłaściwy lub zbyt duża ilość materiału wybuchowego.

Podczas strzelania przodków niebezpieczna sytuacja występuje, gdy zapalnik włączony w obwód jest ostrym zapalnikiem czasowym (zwłocznym). Detonuje on już po odejściu kilku strzałów w przodku, przez co pył osadzony na spągu, ociosie czy obudowie podnosi się i utrzymuje w powietrzu. Taka mieszanina pyłu węglowego z powietrzem, przy odpowiedniej zawartości pyłu, może być mieszaniną wybuchową [5].

Przyczyną zapalenia suchego pyłu węglowego lub metanu mogą być iskry powstające w miejscach wadliwie wykonanych połączeń przewodów elektrycznych, prowadzonych od zapalarki do otworu strzałowego. Często pył pirytowy może ulec zapaleniu bez wybuchu. Pod wpływem płomienia materiału wybuchowego pył siarczkowy utlenia się (zawartość siarki zmniejsza się nawet o połowę i jednocześnie wydziela się dwutlenek siarki). Zapalenie może być wynikiem mniejszej lotności pyłu pirytowego od pyłu węglowego oraz większej na ogół jego wilgotności. Dla uniknięcia możliwości zapalenia lub wybuchu pyłu węglowego lub siarczkowego należy stosować środki zmniejszające jego ilość w przodku lub też dążyć do jego unieszkodliwienia, np. wiercenie otworów z przepłuczką wodną, zraszanie wyrobisk lub opylanie pyłem kamiennym. Dużą rolę odgrywa również starannie wykonana przybitka otworów strzałowych [5].

Zapalenie metanu może nastąpić wskutek [5]:

• niewłaściwego wykonywania robót strzelniczych,

• użycia niewłaściwego materiału wybuchowego

• wykonywania robót strzelniczych w miejscach niedozwolonych ze względu na występujące zagrożenie metanowe,

• nagłego, nieprzewidzianego wypływu metanu w postaci fontanny gazowej w czasie odpalania otworów.

Zapalenie metanu w przodku może szybko przenieść się na znaczną odległość od przodka i wywołać pożar lub wybuch w miejscach nagromadzenia się metanu. Zjawisko to jest bardzo niebezpieczne, zwłaszcza, że płomień może przenieść się poza zaporę pyłową znajdującą się w wyrobisku. Dlatego też konieczne jest doprowadzenie do przodka takiej ilości powietrza, która zapewni rozrzedzenie metanu poniżej zawartości dopuszczalnej przepisami oraz rygorystyczne przestrzeganie używania w robotach strzelniczych materiałów wybuchowych dopuszczonych w danych warunkach [5].

2. Zjawiska towarzyszące pożarom podziemnym

Pożarom podziemnym w każdym stadium rozwoju towarzyszą różne zjawiska, których nieznajomość może utrudnić prowadzenie akcji pożarowej. Skuteczna akcja pożarowa [5]:

• ułatwia odszukanie miejsca pożaru,

• umożliwia wybór właściwych środków dla zapewnienia bezpieczeństwa pracy ludzi zatrudnionych na dole w czasie pożaru tak w akcji jego zwalczania, jak i w innych rejonach kopalni,

• przyczynia się do przyspieszenia lokalizacji i likwidacji pożaru.

1. Oznaki endogenicznego pożaru podziemnego

W powstaniu i rozwoju pożaru endogenicznego można wyróżnić cztery stadia [7]:

• okres przygotowawczy,

• samozagrzewanie węgla,

• sucha destylacja i rozpalenie,

• palenie (pojawienie się otwartego ognia).

W okresie przygotowawczym (samonagrzewanie się węgla, zagrzanie taśmy przenośnikowej, drewna itp.) obserwuje się wzrost zawartości w powietrzu dwutlenku węgla, tlenku węgla oraz pary wodnej. Rośnie temperatura paliwa (drewno, węgiel, taśma), a jednocześnie maleje zawartość tlenu w powietrzu. Oznaki te przy dobrej wentylacji miejsca zapoczątkowania pożaru mogą być łatwo przeoczone. Dla wykrycia samozagrzewania węgla stosuje się metodę opartą na analizie powietrza. Metoda ta polega na ustaleniu składu powietrza w poszczególnych miejscach kopalni w warunkach normalnych i na obserwowaniu zmian tego składu [5, 6].

W warunkach normalnych, gdy jeszcze okres samozagrzewania nie nastąpił, zachodzi określona dla każdej części kopalni współzależność między przyrostem CO₂ a zmniejszeniem zawartości tlenu, przy czym zwykle przyrost CO₂ w kopalni jest mniejszy od ilości pochłoniętego tlenu. Procentowy stosunek przyrostu dwutlenku węgla (+CO₂) do ubytku tlenu (-O₂) nosi nazwę współczynnika respiracyjnego [5]:

(1)

Samozagrzewanie węgla charakteryzuje się zwiększeniem wartości współczynnika respiracyjnego, ponieważ w procesie utleniania ilość tworzącego się CO₂ jest taka sama, jak ilość pochłoniętego O₂. W warunkach normalnych współczynnik respiracyjny wynosi najczęściej
= 30÷40. Uzyskanie wartości
> 60 może być oznaką zapoczątkowania pożaru. Jeszcze bardziej pewną oznaką zapoczątkowania pożaru jest pojawienie się w powietrzu znikomych nawet ilości CO. Czasem się zdarza, iż został zapoczątkowany pożar, a współczynnik respiracyjny miał wartość normalną (30÷40). Początkowi samozagrzewania towarzyszy zawartość 0,002÷0,004% CO w powietrzu, jeżeli gaz ten nie jest produktem robót strzelniczych. Jeżeli procentowy stosunek
> 50 istnieje realne niebezpieczeństwo powstania pożaru [5]:

(2)

Zwiększona zawartość CO₂ i CO jest zauważalna już w temperaturze 20÷30°C czyli dużo wcześniej niż następuje wydzielanie się węglowodorów aromatycznych [5].

W okresie trwania pożaru następuje dalszy wzrost [5, 6]:

• dwutlenku węgla, tlenku węgla, pary wodnej i temperatury powietrza,

• objętości masy powietrza płynącego przez pożar,

• wzrost temperatury górotworu wokół ogniska pożaru,

• wzrost zapylenia powietrza (dymy),

W składzie powietrza pojawiają się węglowodory aromatyczne, które łatwo jest poznać z uwagi na ich charakterystyczny zapach zbliżony do zapachu nafty. Zapach ten jest najsilniej wyczuwalny w pewnej odległości od ogniska pożaru, niż w bezpośrednim sąsiedztwie, co tłumaczy się pewnym oziębieniem gazów i zachodzących w związku z tym reakcjami [5].

Powyższe oznaki umożliwiają wykrycie nie początkowego, lecz raczej daleko już rozwiniętego okresu samozagrzewania, który w każdej chwili może przejść w pożar otwarty [5]. Wzrost intensywności utleniania się węgla wraz ze wzrostem temperatury powoduje zmianę składu powietrza otaczającego lub opływającego partię utleniającego się węgla. Wyniki badań laboratoryjnych Olpińskiego na ten temat podano w poniższej tabeli [5]:

Tabela 2. Zmiana składu powietrza otaczającego lub opływającego w czasie utleniania próbki węgla (wg W. Olpińskiego) [5]

Składnik	Zawartość składników w powietrzu, % w temperaturze, °C
		30	45	80	120
Tlen (O2)	19,5	19,0	12,0	2,0-0,5
Dwutlenek węgla (CO2)	0,2	0,3	2,0	5,0-11,0
Tlenek węgla (CO)	0,003	0,002	0,3	1,5-3,0

Procentowa zawartość poszczególnych składników w gazach pożaro­wych w kopalni zależy od stopnia ich rozrzedzenia powietrzem, które przepływa przez ognisko pożaru. Zawartość tlenku węgla (CO) w gazach pożarowych w kopalni jest zwykle znacznie niższa od zawartości podanej w tabeli 2. Powstaje on dopiero przy wyższych temperaturach {powyżej 300°C) w przypadku niecałkowitego spalania węgla lub przy częściowej redukcji dwutlenku węgla w zetknięciu z rozżarzonym węglem. Redukcja przebiega jednak tylko w bardzo wysokiej temperaturze [5].

Czas, jaki upływa od okresu samozagrzewania węgla do okresu właściwego pożaru, bywa różny. Może trwać kilka dni lub nawet kilka tygodni bez znaczniejszego rozwoju, a czasami jednak w ciągu kilku godzin przechodzi w otwarty ogień. Jest to zależne od [5]:

• własności węgla,

• ilości powietrza dopływającego do ogniska pożaru,

• kierunku prądu powietrza (pożar we wznoszącym się prądzie rozwija się prędzej, niż w prądzie schodzącym).

W miarę rozwoju pożaru występuje coraz obfitsze wydzielanie dymu oraz zmiana jego barwy na coraz ciemniejszą. Zawartość CO₂, CO i węglowodorów w gazach pożarowych znacznie wzrasta. Na początku powstania pożaru w kopalni powietrze świeże i wytwarzane produkty gazowe płyną tą samą drogą, którą płynęło powietrze przed pożarem [5].

Dopływ ciepła i masy do powietrza powoduje zmianę gęstości powietrza i ciśnienia powietrza w bocznicy objętej pożarem oraz zmianę ciśnienia powietrza na drodze przepływu gazów pożarowych. W rezultacie może nastąpić zadymienie prądów bocznych lub odwrócenie kierunku przepływu powietrza [5, 6].

Pożar wywołuje tzw. depresję pożarową o kierunku zgodnym lub niezgodnym z kierunkiem przepływu powietrza. Efekt działania depresji pożarowej zgodnej z działaniem wentylatora głównego to wzrost wydatku powietrza płynącego przez pożar i przez kopalnie. Depresja o kierunku przeciwnym do działania wentylatora głównego powoduje zmniejszenie wydatku powietrza płynącego przez pożar, a często nawet jego odwrócenie [5, 6].

W przypadku rud siarczkowych oznaką pożaru jest zwykle rosnąca temperatura w otworach wierconych w caliźnie lub w zrobach. Temperatura ponad 333K (60°C) wskazuje na rozpoczęcie się pożaru endogenicznego. W momencie, gdy temperatura rudy przekroczy 353÷363 K (80÷90°C) w bardzo krótkim czasie może dojść do otwartego stadium pożaru. Dodatkowo w przypadku kopalń mokrych wskaźnikiem charakteryzującym stan zagrożenia od strony pożarów endogenicznych jest skład wody kopalnianej [8].

Skład wody kopalnianej przepływającej przez niezaognione i zaognione pole eksploatacyjne podaje tabela 3:

Tabela 3. Przykładowy skład wody przepływającej przez zroby w kopalniach rud siarczkowych [8]

Miejsce pobrania wody	Stężenie w wodzie kopalnianej [g/l]
		H2SO4	SO4	Cu	Fe
Pole niezaognione	0,25	0,44	0,024	0,087
Pole zaognione	5,92	52,94	8,310	32,700

Jednocześnie z analizą wody kopalnianej można w kopalni prowadzić badania temperaturowe, co pozwoli na lepszą ocenę stopnia zagrożenia kopalń pożarami endogenicznymi [8].

1. Depresja pożaru podziemnego i miejsca jej występowania

Przy ogólnych rozważaniach nad możliwością odwracania prądów w czasie pożarów przyjmuje się często, że największa depresja cieplna wywołana pożarem występuje w tej bocznicy, w której pożar powstał, nie biorąc przy tym pod uwagę wpływu dodatkowej depresji pożaru na dalszej drodze dymów. Często zdarza się, że depresja pożaru i największy jej wpływ na stan przewietrzania przejawia się nie w miejscu powstania ognia, lecz w dalszych, czasami odległych bocznicach wznoszących się lub schodzących, którymi płyną gazy pożarowe. Okoliczność ta powoduje, że kolejność odwracania się prądów w czasie pożaru może być zupełnie inna, aniżeli wynikałoby to z przyjęcia dodatkowego źródła depresji w miejscu ognia. Nawet przy identycznych schematach przewietrzania i przy takich samych oporach bocznic systemu, łatwość, a nawet i sama możliwość odwracania prądów zależy od takiego lub innego usytuowania wzniosów i upadów, czego często nie brano pod uwagę [5, 7].

1. Całkowita depresja pożaru

Najważniejszym czynnikiem depresji naturalnej są przemiany termodynamiczne zachodzące w czasie ruchu powietrza w kopalni. Wielkość depresji cieplnej, a więc tej przeważającej części depresji naturalnej, która jest wywołana przemianami termodynamicznymi, łatwo jest wyznaczyć dla obiegu zamkniętego na podstawie pomiarów temperatury i ciśnienia powietrza w różnych punktach kopalni [1, 5, 7].

Ruch powietrza na dowolnej drodze od wlotu szybu wdechowego do wylotu wydechowego można traktować jako ruch w obwodzie zamkniętym, gdyż wyloty obu tych szybów są połączone ze sobą atmosferą zewnętrzną. Dla oznaczenia wielkości depresji cieplnej przeprowadza się pomiary (rys. 2) ciśnienia barometrycznego p oraz temperatury T [1, 5, 7]:

• na nadszybiach i podszybiach,

• na dolnych i górnych zakrętach pochylń i upadowych,

• z obu stron tam regulacyjnych,

• przed i za wentylatorem,

• w punktach, gdzie zachodzą większe zmiany temperatury,

• przy łączeniu się prądów powietrza - również przed i za miejscem ich mieszania się.

Pomiary w wybranych punktach należy wykonywać możliwie szybko, najlepiej jednocześnie. Jeżeli pomiar trwa dłużej, należy uwzględnić zmiany ciśnienia atmosferycznego w tym czasie na podstawie wykresu barografu kopalnianego. Wyniki pomiarów nanosi się jako punkty na wykresie izoterm (rys. 2 b). Po połączeniu punktów liniami prostymi otrzymuje się pewne zamknięte pole, którego powierzchnia wyraża w odpowiedniej skali wielkość depresji cieplnej h_n (w metrach słupa powietrza). Aby przeliczyć tą wartość na milimetry słupa wody h_n (mm H₂O) mnoży się ją przez średni ciężar właściwy powietrza, który ustala się w przybliżeniu na podstawie odczytu (dla środka powierzchni cyklu S) na poziomej osi wykresu izoterm. Praca techniczna w cyklu lub jego części może być dodatnia (ruch powietrza odbywa się w kierunku wskazówek zegara) lub ujemny (ruch powietrza odbywa się w kierunku przeciwnym) [1, 5, 7].

(3)

Rys. 2. Wykres depresji cieplnej kopalni (h_n) w warunkach normalnych i depresji cieplnej pożaru (h_p) w czasie pożaru w prądzie wznoszącym [5]

a - punkty pomiarów w kopalni, b - wykres depresji cieplnej

Na wielkość depresji cieplnej ma wpływ różnica poziomów najwyższych i najniższych punktów obiegu oraz różnica temperatur prądu wychodzącego i wchodzącego. Wielkość depresji cieplnej zależy w dużym stopniu od temperatury powietrza zewnętrznego; jest ona większa w zimie i mniejsza w lecie. Jeżeli w punkcie P (rys. 2) powstanie pożar, jego wpływ na rozkład ciśnienia w poszczególnych punktach kopalni będzie stosunkowo nieduży zaczynając natomiast od punktu P na drodze przepływu gazów pożarowych podnosi się temperatura. Przejawi się to przesunięciem P, 5, 6, 7 i 8 w kierunku na prawo do położenia P', 5' , 6' , 7' i 8' . Wielkość depresji cieplnej całości kopalni przed pożarem wynosiła h_n, zaś w czasie pożaru wzrośnie do wartości h_n+h_p (h_p = pole zakreskowane na rys. 2). Zwiększenie h_p depresji cieplnej kopalni nazywamy zwykle depresją pożaru. [1, 5, 7].

W przypadku gdy kopalnia jest przewietrzana prądem schodzącym i w takim prądzie powstanie pożar to możliwe jest wystąpienie ujemnej wartości depresji pożaru, ponieważ całkowita depresja cieplna kopalni zmaleje. Wyznaczenie wielkości depresji cieplnej pożaru przedstawia rys. 3 [1, 5, 8].

Rys. 3. Wykres depresji cieplnej w czasie pożaru w prądzie schodzącym [5]

a - schemat rozmieszczenia punktów, b - wykres depresji cieplnej, I - depresja ujemna, II - przyrost depresji ujemnej po odwróceniu się prądu głównego 4-5, III - depresja dodatnia

Depresja ogniska pożaru w prądzie schodzącym 4-5 określona jest polem P-P'-5'-5-P i ma wartość ujemną. W taki przypadku całkowita depresja pożaru jest sumą algebraiczną depresji dodatniej (pole 6-6'-7'-8'-9'-10'-10-A-8-7-6) i ujemnej (pole P-P'-5'-5-P). Może się zdarzyć, że suma ta będzie ujemna, nastąpi wówczas odwrócenie kierunku przepływu powietrza w bocznicy schodzącej 4-5. Jest to odwrócenie prądu głównego, które w skutkach bywa zazwyczaj bardzo groźne i może doprowadzić do poważnych katastrof. Po odwróceniu się prądu 4-5 temperatura w punkcie 4 rośnie i punkt 4 na wykresie (rys. 3 b) przesuwa się do położenia 4'. Wielkość depresji cieplnej ujemnej wynosi wtedy 4-4'-P'-5'-6'-6-5-P-4 [1, 5, 8].

1. Lokalna depresja pożaru

Pojęcie lokalnej depresji cieplnej występującej na pewnym odcinku drogi powietrznej, wprowadził W. Budryk i przyjął on następującą hipotezę. Gdyby w wyrobisku kopalnianym ciepło nie było ani doprowadzane do powietrza, ani też odbierane od niego, wówczas na termodynamicznym wykresie pracy wszystkie punkty kopalni, w których przeprowadzony został pomiar ciśnienia i temperatury (rys. 4), leżałaby na jednej adiabacie 1-2₀-3₀-4₀, a wielkość depresji cieplnej równałaby się zeru. W przypadku gdy nastąpi wymiana cieplna na takiej drodze, odpowiednie punkty na wykresie odsuwają się od adiabaty przeprowadzonej przez początkowy punkt 1, występuje depresja cieplna, a jej wartość w odniesieniu do całej kopalni określa wielkość pola 1-2-3-4. Wielkość depresji cieplnej na odcinku 1-2 określa teraz ujemne pole 1-2-2₀ (ruch w tym polu ma kierunek przeciwny do kierunku ruchu wskazówek zegara).Wpływ tej depresji na ruch powietrza w kopalni będzie taki sam, jak w przypadku umieszczenia na odcinku 1-2 wentylatora o depresji mechanicznej tej samej wielkości (h_l220) i działaniu przeciwnym do kierunku ruchu powietrza. Na odcinku 2-3 wielkość lokalnej depresji cieplnej określa pole 2₀-2-3-3₀ (dodatnie), a działanie jej jest równoznaczne z umieszczeniem między punktami 2 i 3 wentylatora o depresji h₂₀₂₃₃₀ i kierunku działania zgodnym z ruchem powietrza. Na odcinku 3-4 wielkość depresji cieplnej określa pole 3₀-3-4-4₀ (dodatnie), a działanie jej jest takie same jak i wentylatora h_303440. Algebraiczna suma wszystkich tych depresji lokalnych daje depresję cieplną całej kopalni h_n określoną wielkością pola 1-2-3-4 [1, 5, 7, 8].

Rys. 4. Lokalne depresje cieplne w wyrobiskach kopalni [5]

W przypadku powstania pożaru zmienia się wartość całkowitej depresji cieplnej, a więc zmieniają się również lokalne depresje cieplne. Przyrost lokalnej depresji cieplnej wskutek pożaru określa lokalną depresję pożaru na odpowiednim odcinku przewodu. Suma algebraiczna lokalnych depresji musi się równać depresji całkowitej h_p (rys. 2 i 3). Ta całkowita depresja pożaru rozłoży się na poszczególne odcinki dróg powie­trznych w kopalni tak, jak to pokazują odpowiednie zakreskowane paski poziome (rys. 2). Wpływ pożaru przejawia się na całej drodze od jego ogniska (punkt P) aż do wylotu szybu wydechowego. Lokalne depresje pożaru (powierzchnie zakreskowanych pasków) są tym większe, im większa jest różnica poziomów końcowego i początkowego punktu poszczególnych odcinkach i im bliżej ognia znajdują się te odcinki (wyższa temperatura). Na odcinkach poziomych lokalna depresja pożaru jest bardzo mała (zbliżona do zera), na odcinkach wznoszących się - dodatnia, na schodzących - ujemna. Z tego wynika, że jeżeli pożar powstanie w poziomym prądzie powietrza to jego depresja i wpływ na stan powietrza w kopalni, jako całości, przejawia się dopiero na dalszej drodze dymów (na wznoszących lub schodzących odcinkach dróg powietrznych). Wpływ pożaru na przewietrzanie kopalni jest identyczny z umieszczeniem wentylatorów wtórnych w wyrobiskach wznoszących i schodzących, znajdujących się na drodze ogrzanych gazów (dymów). Wpływ pożaru zanika po ochłodzeniu się dymów do temperatury, jaka panowała w kopalni przed pożarem, a więc na odległości dostatecznie dużej od miejsca pożaru. Rozważania te są prawdziwe przy założeniu stałej temperatury w ognisku pożaru. W rzeczywistości depresja cieplna zmienia się wraz ze zmianą temperatury w ognisku pożaru i na drodze przepływu gazów oraz ze zmianą ciężaru właściwego przepływających gazów [1, 5, 7, 8].

2. Temperatura gazów

Temperatura gazów pożarowych ma bardzo duży wpływ na wielkość depresji pożaru. Wartość jej w poszczególnych punktach drogi przepływu gazów zależy od szeregu czynników, m.in. [5, 7]:

1. temperatura spalin w miejscu pożaru - przy całkowitym spalaniu węgla temperatura spalin wynosiłaby około 2500°C, przy spaleniu na tlenek węgla - ok. 1400°C. Podczas pożaru zachodzą też różne inne reakcje, a więc temperatura spalin w miejscu pożaru może być różna, przekracza ona jednak zwykle 1000°C.

2. odległość danego punktu od miejsca pożaru i ilość płynących do niego gazów - gazy pożarowe płynące do szyby wentylacyjnego, w miarę oddalania się od miejsca pożaru, ochładzają się. Szybsze ochłodzenie się gazów jest też wywołane zmniejszeniem dopływu powietrza do ogniska pożaru.

3. ilość i temperatura powietrza dopływającego bocznymi drogami między ogniskiem pożaru a danym punktem - Jeżeli spaliny o temperaturze T_s mieszają się z powietrzem o temperaturze T_p, to temperaturę mieszaniny tych gazów T_m można obliczyć wzorem [5]:

(4)

Gdzie:

c_ps - ciepło właściwe spalin,

c_pp - ciepło właściwe powietrza,

c_pm - ciepło właściwe mieszaniny

m_s, m_p - udziały wagowe spalin i powietrza w mieszaninie, przy czym rn_s+m_p = 1

Gdy c_ps = c_pp = c_pm, otrzymuje się:

(5)

Obniżenie temperatury gazów pożarowych przez doprowadzenie do nich prądu świeżego powietrza może obniżyć lokalną depresję pożaru tylko jeśli temperatura gazów jest niższa od temperatury ich zapłonu lub od temperatury zapłonu przedmiotów znajdujących się na drodze ich przepływu. W przeciwnym przypadku w miejscu dopływu powietrza do gazów może powstać wtórne ognisko pożaru [5].

Dlatego też najpewniejszym środkiem obniżającym lokalną depresję pożaru na drodze przepływu gazów pożarowych jest zmniejszenie ilości dopływającego powietrza do ognia. Innym środkiem mogą być tzw. zasłony wodne, w postaci rozpylonego strumienia wody, obejmujące cały przekrój wyrobiska [5].

3. Zaburzenia w sieci wentylacyjnej w czasie pożarów podziemnych

W pierwszej chwili powstania pożaru w kopalni powietrze świeże i gazy pożarowe płyną tymi samymi drogami i w tym samym kierunku, jak płynęło powietrze przed powstaniem pożaru. W miarę rozwoju pożaru wzrasta temperatura w jego ognisku, temperatura skał otaczających i temperatura powietrza przepływającego przez ognisko pożaru, wskutek czego wytwarzana jest dodatkowa depresja cieplna (depresja pożaru) [5].

Zaburzenia w dotychczasowym stanie przewietrzania kopalnia mogą być wywołane kilkoma czynnikami [5]:

• powstanie dodatkowego źródła depresji w sieci wentylacyjnej,

• wzrost temperatury i objętości powietrza płynącego od ogniska pożaru do szybu wydechowego,

• zawartość w powietrzu składników palnych (CO, H₂, CH₄, węglowodory, pył węglowy)

Najgroźniejsze zaburzenia w sieci wentylacyjnej występujące podczas pożaru to:

• odwracanie się prądów powietrza,

• wtórne ogniska pożaru,

• wybuchy gazów pożarowych

• cofanie się dymów.

1. Odwracanie się prądów

Odwrócenie prądu bocznego to zjawisko polegające na tym, że gazy pożarowe odgałęziają się od prądu głównego i przepływają całym przekrojem poprzecznym prądu bocznego w kierunku przeciwnym do normalnego kierunku (przed powstaniem pożaru) [1].

Jeżeli w systemie wentylacyjnym ruch powietrza odbywa się pod wpływem jednego tylko źródła depresji (np. wentylatora), to zgodnie ze znanymi zasadami przewietrzania kopalń, kierunek prądu w bocznicach normalnych jest ściśle określony i nie zależy on od wielkości oporów bocznic oraz wielkości depresji. Jeśli w sieci wentylacyjnej są również bocznice przekątne, np. a-b (rys. 5), wówczas nawet przy jednym wentylatorze W prąd powietrza w tych bocznicach może płynąć w jedną lub drugą stronę, zależnie od wielkości oporów bocznic systemu [5, 7].

Rys. 5. Kierunki prądów powietrza w sieci wentylacyjnej przewietrzanej jednym wentylatorem [5]

a - schemat kanoniczny, b - schemat kanoniczny zamknięty

W przypadku umieszczenia dwóch wentylatorów w różnych bocznicach systemu normalnego (rys. 6), kierunek prądów jest ściśle określony w tych bocznicach, w których działanie obu źródeł depresji jest zgodne, jak np. w bocznicach a, b, d, j, g, h, k, l (gruba linia), w bocznicach natomiast c i e działanie wentylatorów jest niezgodne. Na przykład w bocznicy c wentylator W1 dążyć będzie do skierowania ruchu od D do C, wentylator zaś W2 - odwrotnie - od C do D. Zależnie od tego, który z wentylatorów wywierał będzie większy wpływ, prąd będzie płynął w jedną lub drugą stronę. Będzie to zależało nie tylko od depresji wentylatorów, ale również od oporów bocznic. Jeżeli kierunek prądu jest zgodny z działaniem danego źródła depresji to jest to prąd prosty względem tego źródła, w przeciwnym razie prąd będzie odwrócony [5, 7].

Rys. 6 (z lewej). Kierunki prądów powietrza w sieci wentylacyjnej przewietrzanej dwoma wentylatorami o zgodnym kierunku działania ich depresji [5].

Rys. 7 (z prawej). Kierunki prądów powietrza w sieci wentylacyjnej przewietrzanej dwoma wentylatorami o niezgodnym kierunku działania ich depresji [5].

W pierwszym przypadku (rys. 6) prądy, w których umieszczone są źródła depresji, będą prądami prostymi względem obu tych źródeł. Tego rodzaju układ jest cechą zgodnego kierunku depresji obu wentylatorów. W przypadku drugim (rys. 7) ma się do czynienia z niezgodnym kierunkiem depresji wentylatorów. Przy zgodnym kierunku depresji dwóch wentylatorów (rys. 6) ściśle zdecydowany kierunek prądu mają obwody zamknięte C-E-a-F-W1-D-B-W2-A-C i C-E-b-F-W1-D-B-W2-A-C, w których znajdują się oba wentylatory. Obwody te nazywają się głównymi obwodami systemu (linia gruba), a prąd przez nie płynący to główny prąd. Wszystkie inne prądy (c, e) są prądami bocznymi [5, 7].

W przypadku sieci pokazanej na rys. 7 przewietrzanej dwoma wentylatorami prąd ma określony kierunek w bocznicach c i e, natomiast prądy w bocznicach a, b, d, f, g, h, k, l, mogą płynąć w jednym lub drugim kierunku. Z tego wynika, że kierunek depresji dwóch wentylatorów jest zgodny, gdy zdecydowany i ściśle określony kierunek ma prąd główny, w przypadku zaś niezgodnego kierunku depresji określony kierunek mają prądy boczne [5, 7].

W bocznicy, w której nie ma zdecydowanego kierunku prądu, prąd ten, zależnie od stosunku depresji obu wentylatorów, może płynąć w jedną lub drugą stronę lub może być zatrzymany. Stosunek depresji dwóch wentylatorów, przy którym następuje zatrzymanie prądu w bocznicy, nazywamy stosunkiem krytycznym. Jeśli w systemie pracują więcej niż dwa wentylatory w różnych równoległych bocznicach systemu (rys. 8), wówczas nie jest możliwe, ażeby wzajemne działanie wszystkich tych; depresji było zgodne w obwodzie zamkniętym [5, 7].

Rys. 8 (z lewej). Praca trzech wentylatorów w bocznicach równoległych [5]

Rys. 9 (z prawej). Zgodny kierunek działania depresji kilku wentylatorów [5]

Kierunek depresji kolejnych źródeł może być zgodny z depresją pierwszych dwóch tylko wtedy (rys. 9), gdy wszystkie źródła depresji umieszczone są w jednym wspólnym obwodzie (głównym) A-W1-B-W2-C-W3-D-W4 i działają zgodnie względem siebie [5].

Zjawiska odwracania się prądów bardzo komplikują wskutek występowania lokalnych depresji pożaru wzdłuż drogi przepływu dymów, a jednocześnie wskutek poważnego zwiększenia się ilości gazów w miejscu pożaru i jego sąsiedztwie [5, 7].

W przypadku powstania pożaru we wznoszącym prądzie powietrza i płynących dymów wznoszącymi drogami mamy do czynienia z depresją, która ma kierunek zgodny z kierunkiem działania wentylatora głównego. Przy zgodnym kierunku depresji pożaru h_w prąd główny w kopalni ma zdecydowany kierunek i nie ulega odwróceniu (rys. 10, linia gruba). Pozostałe prądy, odgałęzione od prądu głównego (linie cienkie na rys. 10) mogą być odwrócone (strzałki przerywane). W przypadku niezgodnego kierunku depresji pożaru z kierunkiem depresji wentylatora prąd. główny nie ma zdecydowanego kierunku i zależnie od wielkości depresji pożaru może on być odwrócony częściowo, np. na odcinku P-4, P-4-3 a1bo P-4-3-2, lub odwrócony całkowicie (na drodze P-4-3-2-1 rys. 11). Natomiast prądy boczne 4-5, 3-6 i 2-7 nie ulegają odwróceniu, ale zostają zadymione [5, 7].

Możliwość odwracania się prądów w prądzie schodzącym i wznoszącym się ilustrują poniższe rysunki [5]:

Rys. 10 (z lewej). Odwracanie prądów bocznych w czasie pożaru - prąd wznoszący się [5].

Rys. 11 (z prawej), Odwracanie prądu głównego w czasie pożaru - prąd schodzący [5].

Ze względu na możliwość odwrócenia się prądów wyróżnia się pożary podziemne [5, 7]:

1. pożary we wznoszącym się prądzie powietrza - kierunek depresji pożaru zgodny z kierunkiem depresji wentylatora, możliwość odwrócenia prądów bocznych,

2. pożary w schodzącym prądzie powietrza - wielkość niezgodnej depresji pożaru jest mniejsza od wpływu depresji wentylatora, możliwość częściowego odwrócenia prądu głównego lub jego zatrzymania,

3. pożary w schodzącym prądzie powietrza - wielkość niezgodnej depresji pożaru jest większa od wpływu depresji wentylatora, następuje całkowite odwrócenie prądu głównego.

Dodatkowo mogą zachodzić przypadki mieszane, gdy gorące gazy pożarowe płyną na przemian drogami wznoszącymi się i schodzącymi [5].

1. Wtórne ogniska pożarów

Gazy pożarowe palącego się węgla płynące od ogniska pożaru, palą się długimi (kilku- lub nawet kilkunastometrowymi) płomieniami, które w dalszym ciągu gasną bądź to wskutek wypalenia się składników palnych zawartych w tych gazach, lub też wskutek wyczerpania się tlenu potrzebnego do podtrzymania palenia. Zależnie od towarzyszących okoliczności, gazy pożarowe mogą zawierać w sobie składniki palne lub też nie zawierać tych składników. Wtórne ogniska pożaru mogą powstać w obydwu przypadkach, jeżeli tylko płynące gazy pożarowe mają odpowiednio wysoką temperaturę i mieszają się z tlenem powietrza. Jeżeli gazy pożarowe zawierają składniki palne, a nie zawierają dostatecznej ilości tlenu do ich zapalenia (rys. 12), to po doprowadzeniu do nich powietrza świeżego zawierającego tlen, przy wysokiej temperaturze tych gazów (wyższej od temperatury zapłonu), następuje ponowne ich zapalenie. Wówczas od zapalonych gazów może zapalić się drewniana obudowa, węgiel w ociosach chodnika oraz taśma i inne materiały palne. Jeżeli gazy pożarowe nie zawierają składników palnych, a temperatura ich jest wysoka, ogrzewają one na drodze przepływu obudowę, ściany wyrobisk, taśmy gumowe i inne materiały palne do temperatury wystarczającej, aby przy odpowiednim dopływie powietrza świeżego mogły one ulec zapaleniu [5, 7, 8].

Rys. 12. Powstawanie wtórnego ogniska pożaru [5]

krzywa czerwona - temperatura gazów pożarowych, krzywa niebieska - zawartość tlenu w gazach pożarowych

Wtórne ogniska pożaru P, który powstał np. w bocznicy 4-10 systemu wentylacyjnego przedstawionego na rysunku 13, mogą powstać w miejscach dopływu powietrza świeżego do dróg, którymi płyną gorące gazy pożarowe (np. ogniska P_w1, P_w2, P_w3) [1, 5].

Rys. 13. Miejsca powstawania wtórnych ognisk pożaru

Wtórne ogniska pożaru mogą powstać również na drodze przypływu gorących gazów pożarowych, do których dopływa powietrze świeże drogami nie kontrolowanymi, np. szczelinami łączącymi wyrobiska w tym samym lub sąsiadującym pokładzie. Zjawisko takie obserwowano w kopalniach eksploatujących grube pokłady, w których wykonano wyrobiska .chodnikowe w -.różnych warstwach, np. po spągu i pod stropem (rys. 14) [5].

Rys. 14. Wtórne ognisko pożaru w chodniku pod stropem pokładu grubego, powstałe wskutek dopływu powietrza szczelinami do tego chodnika [5].

W przypadku zaistnienia pożaru w kopalni w prądzie wznoszącym się należy przede wszystkim tamować główny prąd powietrza przez zamknięcie tamy zasadniczej TZ (rys. 13), dla zmniejszenia dopływu powietrza do ognia. Ogranicza się w ten sposób możliwość szybkiego rozwoju pożaru oraz zmniejsza się prędkość przepływu gazów pożarowych na drodze do szybu wydechowego. Zmniejszenie prędkości przepływu gazów pożarowych powoduje ich ochłodzenie na krótszej drodze. Po zamknięciu tamy zasadniczej TZ należy tamować wszystkie prądy boczne, którymi dopływa powietrze świeże do dróg przepływu gazów pożarowych (tamy T1, T2 i T3 - rys. 13). W pierwszej kolejności należy tamować prądy boczne, łączące się z drogą gazów pożarowych najbliżej ogniska pożaru (tj. kolejno prądy 4-10, 3-11 i 8-12 na rys. 13) [5].

Powstawanie wtórnych ognisk pożarowych w czasie pożaru stwarza poważne zagrożenie dla załogi i kopalni oraz znacznie utrudnia prowadzenie akcji przeciwpożarowej. Niebezpieczeństwo wtórnych ognisk pożaru polega również na tym, że na skrzyżowaniu objętym pożarem może powstać zawał, utrudniający tym samym odpływ gazów pożarowych do szybu wydechowego. Zawał na skrzyżowaniu we wylotowym prądzie powietrza jest równoznaczny z istnieniem w tym prądzie tamy, co powoduje zwiększenie oporu zewnętrznego systemu wentylacyjnego i sprzyja powstawaniu dodatkowych zaburzeń, jak np. odwracanie się prądów bocznych, cofanie się dymów, a nawet wybuch gazów pożarowych w ognisku pożaru [5].

1. Wybuchy w czasie pożarów podziemnych

Wybuch w kopalni może nastąpić wówczas, jeżeli w danej przestrzeni znajdują się [1, 5, 7]:

1. gazy palne lub rozpylone drobne cząstki palne w odpowiednim stężeniu,

2. dostateczna ilość tlenu,

3. źródło wysokiej temperatury.

W kopalniach węgla do składników palnych, które w normalnych warunkach mogą się znajdować w powietrzu, zalicza się: metan i pył węglowy. Dochodzą do nich w czasie pożaru produkty suchej destylacji węgla (metan, etylen, acetylen, wodór) oraz produkty niezupełnego jego spalania (węglowodory, wodór i tlenek węgla) [5, 7].

1. Wybuchowość mieszanin gazów palnych z powietrzem

Bardzo ważna rolę, przy ustalaniu planu akcji przeciwpożarowej, odgrywa możliwość oceny stopnia wybuchowości mieszaniny gazów pożarowych z powietrzem [5].

Gazy palne zmieszane z powietrzem mogą się spalać w wysokiej temperaturze, jeżeli ich zawartość jest nieznaczna. Kiedy mieszanina ochłodzi się i zawartość składników palnych w powietrzu przekroczy zawartość zwaną dolną granicą wybuchowości mieszaniny, ale nie przekroczy górnej granicy wybuchowości, wtedy mieszanina jest wybuchowa i w zetknięciu ze źródłem wysokiej temperatury następuje wybuch. Gorące gazy pożarowe nie tworzą mieszaniny wybuchowej, gdyż zapalają się przy zetknięciu się z powietrzem, jeżeli ich temperatura przekracza temperaturę ich zapalności. Mieszanina wybuchowa może powstać w kopalniach metanowych przy niedostatecznym przewietrzaniu wyrobisk lub w przypadku nagłego wydzielania się dużych ilości metanu (fontanna gazowa). Będzie to mieszanina jednego składnika palnego (metanu) z powietrzem. Określenie granic wybuchowości takiej mieszaniny jest stosunkowo łatwe. Znacznie bardziej komplikuje się oznaczenie granic wybuchowości mieszaniny kilku gazów palnych. W gazach pożarowych występują składniki palne (metan, tlenek węgla, wodór, węglowodory) i składniki niepalne (dwutlenek węgla i azotu). Zawartość poszczególnych składników może wahać się w zależności od palącego się materiału, jak również od przebiegu samego pożaru, a zwłaszcza od ilości powietrza dopływającego do ognia [5].

Granice możliwej zawartości poszczególnych składników w gazach pożarowych ustalone na podstawie wieloletnich obserwacji w kopalniach krajowych i zagranicznych przedstawia tabela 4 [5]:

Tabela 4. Granice możliwej zawartości poszczególnych składników w gazach pożarowych

Lp.	Składnik		Możliwa zawartość [%]	Uwagi
		nazwa			Wzór chemiczny
1	Tlen	O2	1,0÷20,0
2	Metan	CH4	0,2÷80,0	Gazy palne
3	Tlenek węgla	CO	0,001÷7,0
4	Wodór	H2	0÷2,0
5	Węglowodory	CxHy	0÷2,0
6	Dwutlenek węgla	CO2	0,4÷20,0		Gazy niepalne
7	Azot	N2	10,0÷85,0

Każda mieszanina gazów palnych i powietrza ma dolną i górną granicę wybuchowości. Granice te nie są stałe i zależą od wielu czynników, a przede wszystkim od [5]:

• temperatury, ciśnienia i wilgotności mieszaniny - w warunkach kopalnianych zmiana ciśnienia i wilgotności jest stosunkowo mała i zwykle jest pomijana,

• wymiarów (pojemności) wyrobiska, w którym znajduje się mieszanina wybuchowa - w pomieszczeniach o małej pojemności zmniejsza się obszar wybuchowości mieszaniny,

• rodzaju i czasu trwania inicjatora wybuchu (źródła wysokiej temperatury) - bardzo silnym inicjatorem jest łuk elektryczny. Czas trwania źródła wysokiej temperatury (inicjatora wybuchu) i czas zetknięcia się z nim mieszaniny wybuchowej decyduje o wybuchu mieszaniny (wolny przepływ mieszaniny wybuchowej przez ognisko pożaru stwarza duże niebezpieczeństwo wybuchu).

Dokładne ustalenie granic wybuchowości mieszaniny gazów palnych z powietrzem jest bardzo trudne ze względu na wpływ wielu czynników na wybuch. W warunkach kopalnianych trudność tę zwiększa jeszcze brak dokładnej znajomości składu gazów pożarowych oraz niejednorodność mieszaniny w przekroju wyrobiska. Ze względów bezpieczeń­stwa muszą być rozszerzone granice wybuchowości mieszanin. Jest to pewnego rodzaju współczynnik bezpieczeństwa przyjęty podobnie jak przy obliczaniu konstrukcji budowlanych czy też elementów maszyn [5].

Tabela 5. Granice wybuchowości gazów pożarowych zmieszanych z powietrzem [5, 7]

Lp.	Składnik		Granica wybuchowości
		nazwa	Wzór chemiczny	dolna di	górna gi
1	Metan	CH4	5,0	14,0
2	Tlenek węgla	CO	13,0	72,0
3	Wodór	H2	4,0	72,0
4	Węglowodory	CxHy	2,0	14,7
5	Siarkowodór	H2S	4,5	45,0
6	Etylen	C2H4	3,0	34,0
7	Acetylen	C2H2	2,5	81,0
8	Etan	C2H6	3,1	15,0
9	Propan	C3H8	2,2	7,4
10	Butan	C4H10	1,5	6,5

O wybuchowości mieszaniny decyduje składników palnych, jak również zawartość tlenu i gazów nie palnych (CO₂ i N₂), zobojętniających mieszaninę wybuchową. Aby mieszanina gazów była wybuchowa, musi zawierać pewną minimalną ilość tlenu, zależną od zawartości poszczególnych składników palnych. Bezpieczną granicę zawartości tlenu B_O2 w mieszaninie gazów palnych, poniżej której nie następuje jej wybuch, można obliczyć wg Bałtajtisa wzorem [5]:

(6)

gdzie

b₁, b₂ … b_n - bezpieczna zawartość tlenu dla poszczególnych składników palnych mieszaniny,

c₁, c₂ … c_n - procentowa zawartość poszczególnych składników palnych mieszaniny.

Bezpieczną zawartość tlenu b₁ dla poszczególnych składników palnych można obliczyć wg Pilca wzorem [5]:

(7)

gdzie

b_i - bezpieczna zawartość tlenu dla danego składnika (np. CH₄, CO, H₂, C_xH_y),

d_i - dolna granica wybuchowości danego gazu,

C - liczba atomów węgla w cząsteczce danego gazu,

H - liczba atomów wodoru w cząsteczce danego gazu,

O - liczba atomów tlenu w cząsteczce danego gazu.

Obliczona bezpieczna zawartość tlenu dla poszczególnych składników palnych, mogących występować w gazach pożarowych, poniżej której nie następuje wybuch, wynosi [5]:

• dla metanu - 10%,

• dla tlenku węgla - 6,5%,

• dla wodoru - 2%,

• dla węglowodorów - 7,5%.

Ważną rolę w mieszaninie gazów palnych z powietrzem odgrywa zawartość dwutlenku węgla i azotu, które mogą wpływać zobojętniająco podwyższając dolną granicę wybuchowości mieszaniny lub całkowitą neutralizację mieszaniny. Wzrost zawartości dwutlenku węgla i azotu pociąga za sobą ubytek tlenu w mieszaninie. Nadmiar gazów obojętnych nGD jest czynnikiem sprzyjającym gaszeniu pożaru i zapobiegającym lub hamującym tworzenie się mieszaniny wybuchowej. W ten sposób zwiększa się dodatkowo współczynnik bezpieczeństwa. Nadmiar gazów obojętnych to suma zawartości dwutlenku węgla (CO₂) i azotu (N₂), obliczonego jako różnica między ilością azotu stwierdzoną w mieszaninie a ilością azotu tworzącą z tlenem powietrze. Stosunek tlenu do azotu w powietrzu atmosferycznym wynosi [5]:

O₂ : N₂ = 1 : 3,79 (8)

czyli N₂ = 3,79 O₂

1. Wybuchowość mieszaniny powietrza z metanem

Do tej pory dla określenia wybuchowości mieszaniny metanu z powietrzem powszechnie stosowano wykres Cowarda (rys. 15), gdzie na osi odciętych podana jest zawartość metanu, a na osi rzędnych zawartość tlenu w mieszaninie. Jak widać z wykresu, mieszanina metanu i tlenu jest wybuchowa przy zawartości metanu około 5÷14 % i zawartości tlenu powyżej 12%. Różnica między wykresem Cowarda a bezpieczną zawartością tlenu obliczoną wg Pi1ca (wzór 7) dla mieszaniny tlenu i metanu wynika stąd, że wykres Cowarda podaje wartości ustalone laboratoryjnie, natomiast wzór Pi1ca wartości bezpieczne (ze współczynnikiem bezpieczeństwa wymaganym w warunkach kopalnianych). W warunkach kopalnianych z reguły występuje mieszanina niejednorodna, natomiast w warunkach laboratoryjnych mieszanina jednorodna [5].

Z wykresu (rys. 15) widać, że w miarę wzrostu zawartości metanu wzrasta także minimalna zawartość tlenu w powietrzu, niezbędna do powstania wybuchu np. przy zawartości 8% CH₄ wynosi ona ponad 13% O₂, a przy zawartości 11% CH₄ minimalna zawartość tlenu musi wynosić około 16 %. Wykres ten mimo swej dokładności nie uwzględnia wpływu nadmiaru gazów obojętnych (nGD) zobojętniającego mieszaninę [5].

Rys. 15. Wybuchowość mieszaniny metanu z tlenem zawartym w powietrzu wg Cowarda i Hartwella [5]

Wpływ nadmiaru gazów obojętnych uwzględniony został przez K. Drekopfa (rys. 16). Na osi odciętych podana jest zawartość nGO w mieszaninie gazów, a na osi rzędnych zawartość metanu. Ponadto na wykresie podano zawartość powietrza w mieszaninie obliczoną w sposób podany w ust. 3.3.1 (rys. 16 a), lub czystego tlenu (rys. 16 b). Prosta OK wyznacza dolną granicę wybuchowości mieszaniny, zaś prosta GK górną granicę wybuchowości. Pole trójkąta OKG obejmuje wszystkie możliwe składy mieszaniny wybuchowej [5].

Rys. 16. Wybuchowość metanu z uwzględnieniem zobojętniającego wpływu azotu i dwutlenku węgla (wg K. Drekopfa) [5].

a - w mieszaninie z powietrzem, b - w przeliczeniu na zawartość tlenu atmosferycznego

w mieszaninie

Z wykresów widać, że wzrostem nadmiaru gazów obojętnych zmniejsza się obszar wybuchowości mieszaniny - podwyższa się dolna i obniża górna granica wybuchowości. Wykres wskazuje również, że największa wymagana zawartość nGO dla zobojętnienia mieszaniny powietrza i metanu (punkt K przecięcia się linii wyznaczających dolną i górną granicę wybuchowości mieszaniny) wynosi 35,6% przy zawartości 5,93 % metanu (w przybliżeniu 6%). Ta zawartość składnika palnego nazywa się zawartością krytyczną p_k. Stosunek nGO do zawartości krytycznej p_k składnika palnego nazywa się współczynnikiem zobojętnienia w mieszaniny gazu palnego z powietrzem [5]:

(9)

Dla mieszaniny metanu z powietrzem wynosi on (nGO = 35,6, CH_4k = 5,93):

Jeśli więc w mieszaninie gazu palnego z powietrzem i nadmiarem gazów obojętnych zawartość procentowa nGO jest tyle razy wyższa od zawartości składnika palnego P, ile wynosi współczynnik zobo­jętnienia w, to mieszanina ,jest niewybuchowa nawet przy rozrzedzeniu jej powietrzem. Aby więc mieszanina była niewybuchowa, musi być spełniony warunek [5]:

(10)

Gdzie:

p - oznacza procentową zawartość składnika palnego w mieszaninie.

Oznacza to, że dla mieszaniny CH₄ z powietrzem zawartość nGO musi być co najmniej sześciokrotnie wyższa, aby mieszanina ta była niewybuchowa, nawet przy rozrzedzeniu jej powietrzem [5].

Tabela 6. Wartość parametrów dla zobojętnienia mieszaniny składników gazów pożarowych [5]

Lp.	Składnik		Zawartość składnika w punkcie krytycznym pk [%]	Konieczna zawartość gazów obojętnych nGO [%]	Współczynnik zobojętnienia w
		nazwa				Wzór chemiczny
1	Metan	CH4	5,93	35,6	6,00
2	Tlenek węgla	CO	13,78	57,2	4,15
3	Wodór	H2	4,30	71,2	16,55
4	Węglowodory ciężkie	CxHy	3,10	47,7	15,40

W tabeli 6 przedstawiono zawartość procentową poszczególnych składników palnych p_k w punkcie krytycznym w mieszaninie z powietrzem i odpowiadającą tej zawartości konieczną zawartość procentową nGO dla zobojętnienia mieszaniny oraz współczynnik zobojętnienia w, ustalone na podstawie podanych już zależności [5].

1. Wybuchowość mieszaniny powietrza z dwoma składnikami palnymi

Dolna granica wybuchowości A_d mieszaniny powietrza z dwoma składnikami palnymi może być określana równaniem [5]:

(11)

gdzie:

p - zawartość gazu palnego, %,

d - dolna granica wybuchowości tego gazu, %,

1 i 2 - indeksy odnoszące się odpowiednio do poszczególnych składników palnych mieszaniny.

Rys. 17. Graficzne rozwiązania równań (11), (12), (13), (14) [5].

Warunkowi temu odpowiadają np. mieszaniny powietrza, metanu i tlenku węgla o składzie (rys. 17):

1. CH₄ - 3 %, CO - 5,2 %, powietrze 100 - (3+5,2) = 91,8 % (punkt P)

lub

2. CH₄ - 4 %, CO - 2,6 %, powietrze 100 - (4+2,6) = 93,4% (punkt R).

Oznaczając przez:

p_kt - zawartość składnika palnego w punkcie krytycznym,

g_i - górną granicę wybuchowości składnika,

w_i - współczynnik zobojętnienia dla danego składnika (por. tabela 6.)

można napisać równania [5]:

• dla mieszaniny wybuchowej a składzie w punkcie krytycznym (wskaźnik krytycznego składu mieszaniny)

(12)

• dla mieszaniny wybuchowej a górnej granicy wybuchowości

(13)

Minimalna zawartość nadmiaru gazów obojętnych dla mieszanin o składzie krytycznym, przy której mieszanina staje się niewybuchowa, powinna wynosić [5]:

(14)

Wszystkie mieszaniny leżące poniżej linii AB są mieszaninami niewybuchowymi, natomiast mieszaniny leżące na linii AB są wybuchowe i odpowiadają składem dolnej granicy wybuchowości (np. punkty P i R). Prosta EF wyznacza zbiór mieszanin leżących na górnej granicy wybuchowości. Mieszaniny leżące powyżej prostej EF są mieszaninami niewybuchowymi. Ogólny wniosek jest taki, że mieszanina nie jest wybuchowa jeżeli leży poniżej dolnej granicy wybuchowości lub powyżej górnej granicy wybuchowości lub jeśli zawiera dostateczny nadmiar gazów obojętnych, zależny od składu mieszaniny, mimo że została przekroczona jej dolna granica wybuchowości [5].

1. Wybuchowość mieszaniny powietrza z czterema składnikami palnymi

Podobnie jak dla mieszaniny z jednym lub dwoma składnikami wybuchowymi można ustalić stopień wybuchowości mieszanin wieloskładnikowych. Mieszaniny czteroskładnikowe zazwyczaj spotyka się w czasie pożarów podziemnych w kopalniach węgla kamiennego. Wyróżnia się takie cechy mieszaniny powietrza z czterema składnikami palnymi[5]:

• dolną granicę wybuchowości mieszaniny:

(15)

• skład krytyczny mieszaniny:

(16)

• górna granica wybuchowości:

(17)

• wskaźnik zobojętnienia mieszaniny

(18)

Podane wskaźniki oceny wybuchowości mieszaniny powietrza z czterema składnikami palnymi mogą być również zastosowane, gdy w mieszaninie są tylko trzy składniki, ponieważ wtedy p₄ = 0. Ocena wybuchowości mieszanin gazowych podanym tutaj sposobem pokrywa się z praktyką, jednak dotyczy mieszanin jednorodnych, w których poszczególne składniki palne są dobrze wymieszane z powietrzem. W czasie pożaru podziemnego wymieszanie gazów pożarowych z powietrzem nie jest dokładne ze względu na różną prędkość powietrza w przekroju poprzecznym wyrobiska. Z tego też względu za mieszaniny niebezpieczne należy uważać mieszaniny, dla których wskaźnik A_d lub K_d osiągnął wartość 0,75, czyli 75% składu odpowiadającego dolnej granicy wybuchowości mieszaniny [5].

1. Wybuchy zainicjowane płomieniem, iskrą lub łukiem elektrycznym

Gazy pożarowe płynące od ogniska pożaru do szybu wydechowego ulegają ochłodzeniu i jeżeli skład chemiczny tych gazów odpowiada warunkom mieszaniny wybuchowej, gazy te w zetknięciu ze źródłem wysokiej temperatury powodują wybuch (rys. 18 bocznica 5-8) [5].

Rys. 18. Wybuch gazów pożarowych w zetknięciu ze źródłem wysokiej temperatury [5]

Źródłem wysokiej temperatury na drodze przepływu mieszaniny wybuchowej może być płomień .lampy benzynowej, wtórne ognisko pożaru, iskra lub łuk elektryczny powstały wskutek uszkodzenia kabla lub innego urządzenia. elektrycznego znajdującego się pod napięciem, płomień lub iskra z aparatu spawalniczego, jak również ogrzane do wysokiej temperatury części wadliwie działających urządzeń mechanicznych, bądź też uszkodzona rura wydechowa lokomotywy spalinowej [5].

1. Wybuchy w ognisku pożaru

Wybuch gazów pożarowych może nastąpić w ognisku pożaru np. wskutek odwrócenia się prądu bocznego 5-a-6 (rys. 19a) i skierowania się ochłodzonej mieszaniny wybuchowej do ogniska pożaru [5].

Rys. 19. Wybuch gazów pożarowych w ognisku pożaru P [5]

a - wskutek odwrócenia prądu bocznego 5-a-6 pod wpływem depresji pożaru h_w,

b - wskutek odwrócenia prądu bocznego 5-a-6 spowodowanego niewłaściwą lokalizacją tamy izolacyjnej T

Podobnie może się zdarzyć tamowania lub po otamowaniu od strony dopływu powietrza świeżego pożaru w prądzie wznoszącym się, jeżeli poza tamą T istnieje rozgałęzienie równoległe prądu głównego (rys. 19 b). W takim przypadku za tamą wszystkie prądy boczne ulegają odwróceniu - odwrócą się wszystkie prądy boczne nie otamowane lub otamowane nieszczelnie, jak również połączenia równoległe stanowiące nie kontrolowaną drogę powietrza, np. większe szczeliny w caliźnie, niedokładnie zlikwidowane zroby itp. Tama T powoduje również zmniejszenie dopływu powietrza do ognia, a tym samym przyczynia się do zwiększenia procentowej zawartości składników palnych w gazach pożarowych [5].

Wybuchy gazów pożarowych w ognisku pożaru mogą również nastąpić po zamknięciu pola pożarowego tamami od strony wlotu i wylotu. Im większy jest otamowany obszar, tym większa ilość prądów bocznych poza tamą może się odwrócić i tym większe jest prawdopodobieństwo wybuchu. Niebezpieczeństwo takie istnieje szczególnie w kopalniach metanowych, gdzie gazy pożarowe, płynąc odwróconymi bocznicami są wzbogacane w metan. W takich przypadkach wybuch w otamowanym polu pożarowym jest możliwy nawet po upływie znacznego okresu czasu od chwili otamowania pożaru [5].

Dość często zdarzają się wybuchy gazów pożarowych w czasie stawiania pierwszych tam od strony dopływu powietrza świeżego, jeżeli nawet prąd główny nie rozgałęzia się za tamą, lecz jeśli utrudniony jest swobodny odpływ gazów do szybu wydechowego. Przyczyną wybuchu może być wtedy zmniejszenie dopływu powietrza do ognia przy jednoczesnym wzroście zawartości składników palnych w gazach pożarowych [5].

Wybuchy gazów pożarowych w czasie aktywnego zwalczania ognia wodą lub podsadzką hydrauliczną są zwykle bardzo rzadkie i mogą nastąpić w przypadkach wyjątkowych, jak np. wskutek zgromadzenia się metanu lub mieszaniny wybuchowej gazów pożarowych w wyrwach w piętrze wyrobiska w bezpośrednim sąsiedztwie ognia [5].

1. Wybuchy w czasie zmiany ruchu wentylatora

Dla zachowania prostego kierunku prądów i niedopuszczenia do ich odwrócenia depresja h_z zewnętrznej części systemu, w skład której wchodzi przede wszystkim depresja h_m wentylatora przewietrzającego pole zaognione, powinna być możliwie duża. Zwiększenie liczby obrotów wentylatora będzie zjawiskiem pożądanym. Jednak grozi tu niebezpieczeństwo dalszego rozwoju ognia oraz wzmożone wydzielanie się metanu ze starych wyrobisk (przy wentylacji ssącej) w kopalniach metanowych, co może zwiększyć niebezpieczeństwo wybuchów. Głównym niebezpieczeństwem, przypisywanym zwiększeniu liczby obrotów wentylatora, w kopalni niemetanowej jest możliwość szybkiego rozprzestrzeniania się ognia. Niebezpieczeństwa tego zawsze można uniknąć, jeżeli tylko w pobliżu ognia, zbuduje się tamę zasadniczą - zmniejszającą dopływ powietrza do ogniska pożaru. Zmniejszenie depresji wentylatora lub jego zatrzymanie ułatwia odwrócenie prądów, a ponowne skierowanie do ognia dymów zmieszanych ze świeżym powietrzem może być bezpośrednim powodem wybuchu. Zatrzymanie więc wentylatora przewietrzającego pole pożarowe jest czynnością bardzo ryzykowną i nie powinno być stosowane. Wniosek ten nie odnosi się naturalnie do przypadków pożaru w szybie wdechowym lub w głównych drogach powietrza świeżego, kiedy dymy kierują się do miejsc pracy w kopalni [5].

1. Inne przyczyny zadymienia kopalni

Gazy pożarowe powstające podczas pożaru podziemnego odprowadzane są wyrobiskami do szybu wydechowego. Jeśli gazy pożarowe zachowują taki sam kierunek, jaki miało powietrze przed powstaniem pożaru, wówczas mamy do czynienia z zadymieniem bezpośrednim, którego nie sposób uniknąć [1].

Zadymienie kopalni może być też wywołane cofaniem się dymów i prądami wstecznymi [5].

1. Cofanie się dymów

W czasie pożaru odbywa się proces palenia węgla lub drewna, odgazowanie partii pokładów węgla sąsiadujących z ogniem oraz następuje duże podniesienie temperatury gazów. Wszystko to przyczynia się do znacznego zwiększenia objętości gazów płynących od miejsca pożaru w stosunku do objętości powietrza dopływającego do ognia. Wzrost objętości może przekraczać 70%. Nawet po odcięciu tamą dopływu powietrza do ognia może on dalej być podsycany przez powietrze zawarte w starych zrobach, bądź też przez powietrze zasysane do ogniska pożaru przez szczeliny w skałach z różnych wyrobisk tego samego lub innych pokładów. Jeżeli pożar powstanie w polu, z którego utrudniony jest odpływ gazów wskutek np. obecności tamy regulacyjnej T (rys. 20) lub zawału na drodze dymów do szybu wydechowego, to w niektórych przypadkach obserwuje się odwrócenie nawet wznoszącego się prądu AP (rys. 20) prowadzącego do ognia i zadymienie kopalni. W początkowym okresie może występować zjawisko prądów wstecznych na odcinku AP, kiedy dolną częścią przekraj u wyrobiska powietrze płynie do ognia, górną zaś częścią płynie dym w kierunku przeciwnym. Tego rodzaju odwrócenie prądu w kierunku przeciwnym do działania nie tylko wentylatora, lecz i depresji pożarowej nazywa się cofaniem się dymów [5, 7].

Rys. 20. Cofanie się dymów wskutek zwiększenia objętości gazów w czasie pożaru podziemnego [5]

Cofanie się dymów jest zjawiskiem znacznie rzadszym w czasie pożarów podziemnych, aniżeli zjawisko odwracania się prądów pod wpływem depresji pożarowej. Mimo to należy się z nim poważnie liczyć, zwłaszcza że przebieg obu tych zjawisk może być zupełnie odmienny, a wskutek tego załoga nastawiona na ewentualność odwrócenia prądów może być zaskoczona w razie cofania się dymów. Tak np. w przypadku pożaru w prądzie wznoszącym się (rys. 20) może odwrócić się prąd b, gdy tymczasem przy cofaniu się dymów odwraca się dolna część prądu a, dym zaś kieruje się do bocznicy b przy zachowaniu pierwotnego prostego kierunku przepływu w bocznicy b. W przypadku pożaru w prądzie schodzącym zjawiska odwracania prądów i cofania się dymów mają taki sam przebieg [5, 7].

1. Prądy wsteczne

Oprócz opisanych tu zjawisk zachodzących w kopalni w czasie pożarów spotykamy się również ze zjawiskiem prądów wstecznych. Polega ono na tym, że przekrojem wyrobiska odbywa się równocześnie przepływ w dwóch przeciwnych kierunkach. Dolną częścią wyrobiska płynie powietrze chłodne w tym samym kierunku, w którym płynęła przed powstaniem pożaru, zaś górą w kierunku przeciwnym płyną gorące gazy pożarowe. Zjawisko to jest związane z termicznymi warunkami panującymi w wyrobisku. Ze zjawiskiem prądów wstecznych można się spotkać bez powstania pożaru podziemnego np. w kopalniach soli, w których wyrobiska korytarzowe drąży się przez ługowanie soli natryskami wodnymi. W takich warunkach możliwe jest prowadzenie ślepych wyrobisk nawet na znacznych odległościach bez przewietrzania ich lutniami, gdyż prądy wsteczne powodują wymianę powietrza w wyrobisku [5, 7, 9].

4. Podsumowanie

Podziemna eksploatacja węgla kamiennego jest prowadzona w bardzo trudnych warunkach górniczo-geologicznych powodujących liczne zagrożenia załóg górniczych. Największym zagrożeniem górniczym są pożary podziemne i szybkie rozprzestrzenianie się gazów i dymów w wyrobiskach. Gazy te nie ulegają dostatecznemu rozrzedzeniu, jak w warunkach powierzchniowych na otwartej przestrzeni, dlatego mogą zaskoczyć załogę i spowodować jej zatrucie lub uduszenie, nawet w dużej odległości od ognia pożaru. Pożar kopalniany, w zależności od miejsca jego powstania, czasu wykrycia oraz prędkości rozwoju i intensywności jego zwalczania, może spowodować duże straty materialne, np. może zaistnieć konieczność otamowania lub unieruchomienia nawet całej kopalni [3].

Wczesne wykrywanie pożaru ma na celu stwierdzenie objawów pożaru w jego początkowym okresie rozwoju, zanim przejdzie on w ogień otwarty, trudny do zlokalizowania. Dzięki metodom wczesnego wykrywania możliwe jest nie tylko zapobieganie rozwojowi pożaru, ale przede wszystkim ochrona zdrowia i życia ludzi pracujących w kopalni [5].

5. Literatura

[1] Strumiński A.: „Zwalczanie pożarów w kopalniach głębinowych”, Wydawnictwo Śląsk sp. z o.o., Katowice 1996r.

[2] Nędza Z., Rosiek F.: „Wentylacja Kopalń cz. 1”, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1975r.

[3] Strumiński A., Madeja-Strumińska B.: „Ocena i likwidacja zagrożenia pożarami endogenicznymi w kopalniach węgla”, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 1997r.

[4] Poradnik górnika t.3.

[5] Kruk F., Maciejasz Z.: „Pożary podziemne w kopalniach część 1”, Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1977r.

[6] Frączek R.: „Aerologia górnicza - przykłady i zadania”, Gliwice 2005r.

[7] Budryk W.: „Pożary i wybuchy w kopalniach. Część 1: pożary podziemne”, Wydawnictwo Górniczo-Hutnicze, Stalinogród 1956r.

[8] Strumiński A.: „Pożary podziemne”, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1986r.

[9] Wacławik J., Roszczynialski W.: „Aerologia górnicza”, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1983r.

Rozwój pożaru w wyrobiskach górniczych

6

---