mgr inż. Wiesław Babicz,
dr inż. Emil Broś,
doc. Dr inż. Jan Lasa *,
mgr inż. Stanisław Nawrat,
mgr inż. Franciszek Sachs,
mgr inż. Jerzy Stobiński **,
mgr inż. Ireneusz Śliwka *
Zastosowanie znaczników elektroujemnych w
badaniach identyfikacyjnych sieci
wentylacyjnych kopalń podziemnych
* Instytut Fizyki Jądrowej, Kraków
** Zrzeszenie Kopalń Węgla Kamiennego, Jastrzębie.
Artykuł opiniował prof. dr inż. H. Gil.
- 2 -
Treść
Przedstawiono nowy sposób metrologii po raz pierwszy zastosowany w
górnictwie polskim, polegający na śledzeniu ruchu powietrza i gazów znaczonych
związkami elektroujemnymi w sieci wentylacyjnej w zrobach kopalni. Załączono
przykłady zastosowania nowej metody do identyfikacji sieci wentylacyjnej wraz z
ich jakościową i praktyczną analizą. Wysunięto wnioski co do zastosowania
metody ułatwiającej prowadzenie właściwej prewencji metanowej i pożarowej w
kopalniach podziemnych.
Przegląd Górniczy nr 6/1983
- 3 -
1. Wprowadzenie
W aerologii górniczej [1] stosowany jest podział na:
�� wyrobiska wentylacyjne czynne, w których zapewnia się określone przepisami
warunki wentylacyjno-klimatyczne umożliwiające pracę ludzi,
�� wyrobiska wentylacyjne nieczynne, które zostały zaizolowane (np. zroby
poeksploatacyjne, wyrobiska czasowo nie wykorzystywane).
Zasadniczo stosowane obecnie pojęcia sieci wentylacyjnej ogranicza się
tylko do bocznic  wyrobisk wentylacyjnie czynnych, czego dowodem są
sporządzane obecnie kopalniane schematy przestrzenne, kanoniczne i
potencjalne.
W rzeczywistości zaizolowane wentylacyjnie nieczynne wyrobiska górnicze i
zroby poeksploatacyjne biorą udział w przewietrzaniu kopalń wskutek migracji
powietrza z wyrobisk czynnych wentylacyjnie do zrobów (straty powietrza) i
migracji gazów ze zrobów do wyrobisk wentylacyjnie czynnych (wypływy metanu
i innych gazów).
Rozmiar migracji powietrza i gazów w zrobach poeksploatacyjnych zależy
zasadniczo od pola potencjału aerodynamicznego, od szczelności ich izolacji
zewnętrznej (górotwór i tamy) oraz od szczelności zrobów i jest wprawdzie
niewielki w stosunku do objętości strumienia powietrza w bocznicach sieci
wentylacyjnej, ale jest przyczyną wielu zagrożeń wentylacyjnych, które w
konsekwencji krępują swobodę eksploatacji.
Kontrola migracji powietrza i gazów ze zrobów i szczelin, z uwagi na ich
niedostępność dla ludzi oraz trudności stosowania tradycyjnych technik
pomiarowych, ograniczała się dotychczas tylko do strony jakościowej oraz
ewentualnie do badania pośredniego tendencji kierunku migracji gazów i
powietrza (co dla struktur złożonych nie zawsze daje się określić w sposób
jednoznaczny). Pomiary pośrednie (np. z bilansu) ilości powietrza migrującego
przez zroby, zwłaszcza rozległe, są obarczone znacznymi błędami pomiarowymi
lub są technicznie niewykonalne. Dla właściwego prowadzenia prewencji
wentylacyjnej w związku z zagrożeniami metanowymi i pożarowymi w
kopalniach, zwłaszcza węgla kamiennego, bardzo ważną sprawą jest
jednoznaczne określenie kierunków i prędkości przepływów powietrza i gazów w
wyrobiskach i zrobach.
Zagadnienia te przyczyniły się do opracowania i zastosowania po raz
pierwszy w polskim górnictwie metody metrologii, polegającej na śledzeniu
ruchów powietrza i gazów znaczonymi związkami elektroujemnymi w
wyrobiskach i zrobach kopalnianych. W górnictwie światowym metody te są
znane i stosowane co najmniej od 20 lat [7, 8, 9, 10, 11, 12].
Poszczególne metody różnią się między sobą przede wszystkim pod
względem rodzaju i ilości dozowanego znacznika, sposobu jego iniekcji i detekcji,
a także progu jego wykrywalności.
2. Metrologia znacznikowa
Metrologia znacznikowa pozwala w sposób jednoznaczny zidentyfikować
parametry i strukturę badanego obiektu sieci wentylacyjnej. W badaniach
Przegląd Górniczy nr 6/1983
- 4 -
znacznikowych można wyróżnić następujące etapy realizacji:
�� zdeterminowanie badanego obiektu,
�� iniekcja znacznika,
�� pobieranie próbek znakowanego medium,
�� detekcja znacznika,
�� opracowanie wyników analiz chromatograficznych,
�� interpretacja wyników.
2.1. Zdeterminowanie badanego obiektu
Badanym obiektem mogą być części lub całe kopalniane sieci wentylacyjne.
Dla danego obiektu określa się na podstawie analizy mierniczej, geologicznej,
górniczej i wentylacyjnej możliwe połączenia wentylacyjne wyrobiskami, zrobami,
otworami odmetanowania lub szczelinami w tamach i górotworze.
Ze schematu potencjalnego determinuje się wejście lub wejścia do
badanego obiektu (wloty wentylacyjne) oraz wyjścia lub wyjścia z badanego
obiektu (wyloty wentylacyjne).
2.2. Iniekcja znacznika
Znacznikowanie powietrza i gazów w danym miejscu sieci wentylacyjnej
polega na wprowadzeniu (iniekcji) w określonym czasie t0 na wejściu do
badanego obiektu próbki gazów nie występujących w atmosferze kopalnianej i
nieszkodliwych dla ludzkiego zdrowia.
Z uwagi na chromatograficzny sposób detekcji znacznika oraz wymagania
nieszkodliwości dla ludzkiego zdrowia do znacznikowania używa się obecnie
związków elektroujemnych (wykazujących tendencję do przyłączania
elektronów), a najczęściej:
�� sześciofluorku siarki SF6  bezbarwnego nietrującego gazu, bez zapachu, o
dużej odporności chemicznej, trudno rozpuszczalnego w wodzie, nie
reagującego z tlenem [2], freonu-10 (CCL4), freonu-11 (CCl3F) lub freonu-12
(CCl2F2), mało trującego i niepalnego gazowego związku [2].
Własności fizykochemiczne tych znaczników przedstawiono w tablicy 1 [6].
Tablica 1
Właściwości fizykochemiczne znaczników [6]
Symbol chemiczny znacznika
Parametr Jednostka
SF6 F10 F11 F12
Masa
- 146,0 153,8 137,4 120,9
atomowa
Temperatura
0
C -63,8 76,7 23,7 -29,8
wrzenia
Temperatura
0
C 45,56 283,14 197,78 112,04
krytyczna
Przegląd Górniczy nr 6/1983
- 5 -
Temperatura
0
C -50,8 -22,9 -111,0 -155,0
krzepnięcia
Ciśnienie
MPa 3,815 4,647 4,46 4,19
krytyczne
Gęstość w
warunkach kg/m3 6,6 1,58 5,167 31,5
normalnych
W ogólnym przypadku iniekcji znacznika można dokonać w sposób:
�� impulsowy, przez jednokrotny lub wielokrotny akt iniekcji,
�� ciągły, przez określony, skończony przedział czasu .
Dotychczas stosowana jest iniekcja impulsowa. Znacznik może być
doprowadzany z pipet szklanych lub metalowych, a także bezpośrednio z butli
ciśnieniowej, przy czym jego wpływ może być dyfuzyjny lub wymuszony, np.
pompką, sprężonym gazem lub depresją panującą w wyrobisku.
Objętość iniekowanego znacznika jest bardzo mała i zdeterminowana
dolnym progiem wykrywalności chromatografu z detektorem wychwytu
elektronów, wynoszącym 10-12 kg znacznika/m3 próbki badanej.
Minimalną masę znacznika, jaka powinna być zainiekowana do badanego
obiektu, można obliczyć dla iniekcji impulsowej ze wzoru
mmin =� 100 �� Ct ��V
gdzie:
min - minimalna masa znacznika [kg],
Ct - najniższa zawartość naturalna znacznika w badanym gazie,
występująca w miejscu pobierania próbek (tzw. najniższy poziom
tła),[kg/m3],
V - objętość badanego obiektu, [m3].
Dla iniekcji ciągłej natomiast, minimalne stężenie Ci podawane dla obiektu
wynosi
Qz +� Q
Ci =� 100 �� C �� kg / m3
Qz
gdzie:
Qz - wydatek objętościowy iniekowanego znacznika, [m3/s],
Q - wydatek objętościowy powietrza lub gazu przepływającego przez
miejsce inekcji, [m3/s],
Z tablicy 2 wynika, że naturalny ziemski poziom stężenia znaczników w
powietrzu atmosferycznym jest wyższy od dolnego progu wykrywalności
chromatografów z detektorem wychwytu elektronów i w wyniku stosowanych
procesów technicznych stale rośnie. Dane w tablicy 2 dotyczą roku 1976, można
Przegląd Górniczy nr 6/1983
- 6 -
zatem przyjąć szacunkowo, że wzrost ten jest od 1980r. co najmniej dwukrotny i
dlatego wartość Ct należy powiększyć o 100%.
Tablica 2
Porównanie dolnego progu wykrywalności znaczników przez chromatograf
w stosunku do stężenia znaczników w atmosferze ziemskiej [4]
Symbol chemiczny znacznika
Parametr Jednostka
SF6 F10 F11 F12
Minimum
stężenia
wykrywane 10-12kg/m3 0,13 6,8 6,1 27,0
chromato-
grafem
Poziom tła
ziemskiego
10-12kg/m3 1,0 775 634 972
wg danych z
1976r.
Praktycznie ustalono, że dla iniekcji dyskretnej, jednokrotnej objętość próbki
znacznika powinna wynosić 0,01�10-3�15�10-3 m3 w warunkach normalnych i być
tym większa, im większa jest objętość badanego obiektu.
2.3. Pobieranie próbek
Pobieranie próbek powietrza i gazów na wyjściu lub wyjściach z badanego
obiektu dokonuje się przy użyciu pipet suchych ciśnieniowych lub plastykowych
strzykawek lekarskich w czasie określonym w harmonogramie opracowanym do
tego celu i uwzględniającym specyfikę obiektu oraz szacowane prędkości i
przepływ w przypadku dużych prędkości co 2�5min, a dla małych i bardzo
małych co 1�24 (48) godz.
Pobieranie próbek może być bezpośrednie z wyrobiska lub zza tamy, a
także zdalnie za pomocą systemu węży (rurek) i pompki z miejsc odległych
zagrożonych, np. w czasie pożaru. Dla każdej próbki powietrza i gazu powinno
być jednocześnie zarejestrowane miejsce pobrania, numer pipety oraz czas
absolutny pobrania.
2.4. Detekcja znacznika
Detekcję znacznika w pobranych próbkach powietrza i gazów przeprowadza
się za pomocą chromatografu z detektorem wychwytu elektronów, a stężenia
znacznika rejestrowane są automatycznie. Chromatograf zlokalizowany jest
zazwyczaj w laboratorium, jednak w przypadkach awaryjnych (np. pożar) może
być umieszczony na dole kopalni, dzięki czemu ulega przyspieszeniu obieg
informacji o stężeniu znacznika.
Przegląd Górniczy nr 6/1983
- 7 -
Schemat układu pomiarowego chromatografu przeznaczonego do analizy
znacznika w badanym powietrzu i gazie przedstawia rys.1. Chromatograf zwany
dalej analizatorem związków elektroujemnych [3] składa się z obiegu gazu
nośnego, obiegu gazu badanego i układu pomiarowego. Gaz nośny od wlotu 1
płynie przez zespół zaworów elektromagnetycznych 5, dozownik 8, kolumnę
chromatograficzną K13, kolektor wychwytu elektronów 9 do wylotu 2. Detektor
zasilany jest przez generator 10 napięciem impulsowym, a jego sygnał mierzony
jest elektrometrem 11 i rejestrowany rejestratorem 12.
Rys.1. Schemat ideowy analizatora związków elektroujemnych
1,2  wlot i wylot gazu nośnego; 3,4  wlot i wylot gazu badanego; ZE  zawory elektromagnetyczne;
Vd  pętla dozująca; EP  elektroniczny programer dozowania próbki; D  dozownik strzykawkowy;
K  kolumna chromatograficzna; DC-77  kulometryczny detektor wychwytu elektronów, model DC-77;
GI  generator impulsów; E  elektrometr; R  rejestrator
Wprowadzone przez wlot 3 badane powietrze płynie przez zespół zaworów
elektromagnetycznych 5 do pętli dozującej 6, a po jej wypełnieniu nadmiar
powietrza jest odprowadzany wylotem 4 i wypełnia pętlę dozującą 6. Po
uruchomieniu układu programującego 7 powietrze z pętli dozującej 6 zostaje
wprowadzone w strumień gazu nośnego i przeniesione przez kolumnę
chromatograficzną 13. W wyniku rozdziału składników próbki w kolumnie
chromatograficznej w detektorze się kolejno poszczególne składniki próbki,
zapisywane kolejno na rejestratorze w postaci pików. Kolejność pojawiania się
składnika próbki na wyjściu kolumny jest jego cechą charakterystyczną i służy do
jego identyfikacji, pole powierzchni pod pikiem składnika na rejestratorze jest
natomiast w pewnym przedziale proporcjonalne do stężenia składnika w próbce.
Podstawowe dane techniczne analizatora:
�� objętość próbki dozowanej  5 � 10-6 m3,
�� gaz nośny  azot lub argon + 10% metanu,
�� wydatek gazu nośnego  (0,5�1) � 10-6 m3/s,
Przegląd Górniczy nr 6/1983
- 8 -
�� detektor  kulometryczny detektor wychwytu elektronów, model DC-77 ze
z
ródłem promieniotwórczym 3 H/Sc o aktywności Ci,
�� poziom wykrywalności  10-12 kg/m3 dla SF6,
�� kolumna chromatograficzna  1m długości, 4mm wewnętrznej średnicy
(wypełniona silikażelem).
Do oznaczania stężenia SF6 w znaczonym powietrzu i gazie łączy się z
wlotem 3 analizatora suchą pipetę, z której badane powietrze lub gaz wypuszcza
się przez pętlę dozującą 4. Po tym etapie i uruchomieniu programera 11
następuje analiza próbki. Kolumna jest tak dobrana, aby na chromatografie
otrzymać oprócz piku tlenu z pobranej próbki tylko pik dla SF6. Czas analizy
jednej próbki trwa od 6 do 10 min.
2.5. Opracowanie wyników analiz chromatograficznych
Na podstawie chromatografów poszczególnych próbek powietrza i gazów
sporządza się wykres zmian pól powierzchni pików stwierdzonego znacznika
jako funkcji stężenia znacznika i czasu.
Powierzchnię piku oblicza się pośrednio, mnożąc wysokość piku przez
szerokość w połowie jego wysokości lub bezpośrednio korzystając z
odpowiedniego integratora elektronowego. Pomiary ilościowe przeprowadza się
mnożąc otrzymaną powierzchnię piku przez odpowiedni współczynnik,
wynikający z kalibracji analizatora. W przypadku znacznika SF6 i
wycechowanego detektora można obliczyć masę znacznika wg wzoru
m =� 7,2 ��10-�7 �� In �� t1 / 2
gdzie:
m.  masa SF6, [kg],
In  wytrzymałość piku A,
t1/2  szerokość piku w połowie jego wysokości S.
2.6. Interpretacja wyników eksperymentu znacznikowego
Obiekty podlegające identyfikacji mogą być proste (jedno wejście i jedno
wyjście) lub złożone (wiele wejść i wiele wyjść), bądz
kombinowane (jedno
wejście i wiele wyjść oraz wiele wejść i jedno wyjście). Stosunkowo łatwiej podać
interpretację fizyczną wynikom pomiarowym z eksperymentu znacznikowego dla
obiektów prostych. W praktyce wentylacyjnej najczęściej spotyka się jednak
obiekty złożone, dla których najkorzystniejsza jest iniekcja impulsowa
jednokrotna.
2.6.1. Interpretacja wyników dla iniekcji impulsowej
Pobieranie próbek powietrza na wyjściu odbywa się dyskretnie, w związku z
czym zależność (funkcja) zmian stężenia znacznika od czasu jest nieciągła.
Metodą interpretacji można tej funkcji nadać formę ciągłą, stanowiącą oczywiście
pewne przybliżenie.
Przegląd Górniczy nr 6/1983
- 9 -
Dla obiektu prostego (rys.2), przy iniekcji impulsowej, zmianę stężenia
znacznika w zależności od czasu można opisać wg Krefta i Zubera równaniem
[5]
2
�� ł�
mi PeV Pe Q �� t V
ć�1-� ��
(1)
C(�t)� =� exp -� -�
ę� �� �� ś�
Q �� t 4p�Q �� t 4 V Q �� t
Ł� ł�
ę� ś�
�� ��
gdzie:
mi - masa znacznika iniekowanego w chwili t = 0,
V - objętość obiektu,
Q - wydatek przepływu znacznika,
t - czas względny,
Pe - liczba Peckleta,
przy czym
W �� L
Pe =�
(2)
D
gdzie:
W  prędkość przepływu wzdłużna znacznika,
L  odległość między punktem iniekcji i detekcji,
D  współczynnik dyfuzji wzdłużnej.
1
Rys.2 przedstawia także wykres funkcji C(t) dla stałego parametru
Pe w
Q �� t .
funkcji czasu znormalizowanego
V
Rys.2. wykres funkcji stężenia znacznika C(t) w zależności od czasu
Q �� t
znormalizowanego
V
Przegląd Górniczy nr 6/1983
- 10 -
Dla zmiennych wartości Pe można otrzymać rodzinę charakterystyk C(t).
Z funkcji odpowiedzi C(t) można wyznaczyć jej charakterystyki statystyczne:
ć� - średni czas przebywania znacznika
Ą�
�� tC(�t)�dt
V L
0
(3)
t� =� =� =�
Ą�
Q W
�� C(�t)�dt
0
� 2 -wariancję
Ą�
2
�� t C(�t)�dt
2
2 2
(4)
s� =� 0 Ą� -�1 =� t�
Pe
2
t� �� C(�t)�dt
0
Funkcja odpowiedzi C(t), dana z doświadczenia, jest często w formie
dyskretnej jako skończony ciąg punktów doświadczalnych.
W celu odwzorowania przebiegu doświadczalnego formułą matematyczną
należy dopasować model matematyczny do danych doświadczalnych,
przeprowadzając tę procedurę na maszynie cyfrowej.
W obliczeniach inżynierskich często nie trzeba znać bardzo dokładnych
wartości ć� i Pe, wtedy parametry te można wyznaczyć z pewnym błędem wprost
z danych doświadczalnych, przy czym błąd wynika ze skończonej ilości danych
pomiarowych; i tak:
ć� - średni czas przebywania znacznika
n
�� tiCiD�t
V L
t =� 0 (5)
t� =� @� =�
n
Q W
�� CiD�t
t =�1
Przegląd Górniczy nr 6/1983
- 11 -
� 2 -wariancję
n
2
�� t1 CiD�t
2
2 2
(6)
s� =� t=�0 n -�1 @� t�
Pe
2
t� �� CiD�t
t=�0
gdzie:
ti = i�"t,
Ci = C(ti),
"t, - przedział czasu miedzy kolejnymi punktami eksperymentalnymi,
n  liczba danych pomiarowych funkcji C(t).
2
Po wyznaczeniu ć� i � , rozwiązując równania (3) i (4) lub (5) i (6) oraz
znając dodatkowo wartość V lub L, można wyznaczyć objętość strumienia gazu
Q lub jego prędkość W.
Dla obiektu prostego parametry W i Q będą oznaczać wprost średnie
prędkości i objętości strumienia gazu pomiędzy przekrojami detekcji i iniekcji, dla
obiektu złożonego natomiast lub kombinowanego parametry te będą
prędkościami i objętościami strumienia gazu określonymi dla danego kierunku.
2.6.2. Interpretacja wyników dla iniekcji ciągłej
W wielu zagadnieniach wymagana jest znajomość zmian wydatku
przepływu powietrza i gazów przez badany obiekt prosty w zależności od czasu,
zwłaszcza podczas prowadzenia akcji pożarowej i wymaganej stabilizacji
ilościowej powietrza w polach metanowych. Miernikiem zmian ilości powietrza
może być stężenie znacznika, przy czym iniekcja na wejściu powinna być ciągła i
o stałym wydatku masowym znacznika.
Przedstawiony na rys.3 obiekt prosty charakteryzuje się zmiennym w czasie
t wydatkiem masowym przepływu powietrza mp oraz stałym wydatkiem
masowym mz iniekowanego znacznika w sposób ciągły, wobec czego stężenie
znacznika Cz(t) na wyjściu będzie dla pewnego stanu ustalonego określone
zdolnością
(� )�(�t)�
Cz (�t)� =� f m z,mp (7)
Przedstawiony na rys.3 wykres funkcji C(t) opisany został przez A. Krefta i
A. Zubera [5] równaniem, którego ze względu na skomplikowany charakter w
niniejszym artykule nie zamieszczamy.
Przegląd Górniczy nr 6/1983
- 12 -
Rys.3. Wykres funkcji stężenia znacznika C(t) w zależności od czasu t i zmian
wydatku masowego powietrza mp(t) dla iniekcji ciągłej
Z wykresu funkcji C(t) widać ponadto, że zmiany wydatku masowego
powietrza powodują zmiany stężenia znacznika dla stanu ustalonego w czasie
t>t1.
Znając dla stanu ustalonego (przedział czasowy t1-t2) wydatek masowy
powietrza mp oraz stężenia znacznika Cz , można obliczyć z proporcji wydatek
powietrza mt w chwili t>t1
Cz �� mp
mt =� (8)
Czt
gdzie:
Czt  stężenie znacznika w czasie t>t1 pod warunkiem, że Czt = const. i
mp = const.
2.6.3. Bilans masowy
W pomiarach znacznikowych bardzo ważną sprawą jest sprawdzenie
bilansu masowego według wzoru
n m
(9)
��m =� ��m
di wj
i =�0 j =�1
gdzie:
mdi  masa iniekowanego znacznika w i-tym wejściu,
n  liczba wejść do badanego obiektu,
Przegląd Górniczy nr 6/1983
- 13 -
mwj  masa mierzonego znacznika w j-tym wyjściu,
m  liczba wyjść z badanego obiektu.
Całkowitą masę znacznika mw dla pojedynczego wyjścia można obliczyć
wzorami:
- dla funkcji m(t) ciągłej
Ą�
mw =� �� m(�t)�dt (10)
0
gdzie: m(t)  funkcja zmian wydatku masowego znacznika w czasie t,
- dla funkcji m(t) dyskretnej
n
(11)
mw =� �� mi �� D�t
i=�1
gdzie:
mi  wydatek masowy znacznika mierzonego w przedziale czasowym "t,
"t  przedział czasowy.
Najczęściej dla badanego obiektu wyznacza się jedno wejście, w którym
przeprowadza się iniekcję masy znacznika md, wobec czego:
jeżeli
m
md =� �� mwj
(12)
j=�1
to oznacza, że zostały zbadane wszystkie wyjścia z danego obiektu,
jeżeli
m
md >� �� mwj (13)
j=�1
Przegląd Górniczy nr 6/1983
- 14 -
to oznacza, że nie zostały zbadane wszystkie wyjścia z danego obiektu i istnieją
dodatkowe odpływy.
3. Przykłady zastosowania
Metoda badania migracji powietrza po raz pierwszy została zastosowana w
kopalni  Manifest Lipcowy w Jastrzębiu.
3.1. Badania migracji powietrza i gazów w rejonie ściany F-5 w pokładzie 359/1
Ściana F-5 wysokości ok. 2m prowadzona była od pola, powietrze
doprowadzano chodnikiem podścianowym F-3 wzdłuż zrobów zwałowych ściany
F-3 w tym samym pokładzie. Celem zastosowania metody było zbadanie, czy
istnieje migracja powietrza przez zroby zawałowe ściany F-3 w kierunku tamy
izolacyjnej TI-857 klocowej (stan tamy-dobry).
Na rys.4, obrazującym przedmiotowy rejon, pokazano miejsce iniekcji
znacznika i miejsca pobierania próbek powietrza.
Rys.4. Schemat wyrobisk górniczych w pokładzie 359/1
kopalni  Manifest Lipcowy
Przegląd Górniczy nr 6/1983
- 15 -
Opis znacznikowania:
�� rodzaj znacznika  SF6 w ilości 1x10-3 m2,
�� miejsce iniekcji  chodnik podścianowy ściany F-5 (wlot do ściany),
�� miejsce pobierania próbek powietrza spoza tamy TI-857 (D2) oraz na wylocie
z rejonu (D1),
�� czas iniekcji  godz. 10 27.
Tablice 3 i 4 przedstawiają pola pików znacznika będące frakcją stężenia
P = f(C) określone analizami chromatograficznymi próbek powietrza, pobranych
w pipetach ciśnieniowych.
Tablica 3
Zestawienie wyników detekcji SP6 w próbkach powietrz pobranych w
chodniku nadścianowym F-5 w pokładzie 359/1 ( w punkcie D1  Rys.4 )
Pole piku
Czas absolutny Czas względny
Nr pipety P=f (C,t )
godz.,min. min
Px10-6m2
10.27 Iniekcja SP6 0
10.30 204 0 3
10.32 201 0 5
10.43 196 0 7
10.36 200 0 9
10.38 206 11 11
10.40 208 43 13
10.42 209 90 15
10.44 202 161 17
10.46 194 219 19
10.48 191 271 21
10.50 189 230 23
10.52 188 186 25
10.54 176 145 27
10.56 170 85 28
10.58 173 37 30
11.00 150 12 32
11.10 135 5 33
11.12 149 2 35
Tablica 4
Zestawienie wyników detekcji SP6 w próbkach powietrza pobranych z rurki
pomiarowej spoza tamy izolacyjnej w chodniku nadścianowym F-3 w
pokładzie 359/1 ( w punkcie D2  Rys.4 )
Pole piku
Czas absolutny Czas względny
Nr pipety P=f (C,t )
godz.,min. min.
Px10-6m2
10.27 Iniekcja SP6 0
Przegląd Górniczy nr 6/1983
- 16 -
10.30 2 0 3
11.00 8 9 33
11.30 9 12 63
12.00 1 180 93
12.30 4 70 123
13.00 10 73 153
13.30 12 50 183
15.00 2938 8 273
15.30 2940 7 303
16.00 2947 4 333
16.30 2951 4 363
17.00 2948 4 393
18.00 5 3 453
19.00 6 2 513
20.00 196 2 573
21.00 199 1 633
23.00 192 0 753
Rys. 5 przedstawia zmianę stężenia P = f(C) w czasie na wylocie z rejonu
ściany w przekroju D1, a rys. 6 zmianę stężenia znacznika P = f(C) w czasie za
tamą izolacyjną TI-857 w punkcie D2.
Rys.5. Wykres zmian stężenia SF6 w chodniku podścianowym F-3 w pokładzie
359/1 (punkt D1)
Rys.6. Wykres zmian stężenia SF6 za tamą TI-857 (punkt D2)
Przegląd Górniczy nr 6/1983
- 17 -
Ze względu na pierwotne założenia tylko analizy jakościowej obiektu,
sprawa identyfikacji ilościowej jest niepełna, tym niemniej z uzyskanych
chromatografów oraz z rys.4, 5 i 6 wynika, że:
�� średnia prędkość przepływu powietrza w na odcinku od wlotu do ściany
(miejsce iniekcji) do wylotu z rejonu (miejsce pobierania próbek) wynosi dla
ć� = tp max
L 920(�m)� m
w =� =� =� 0,73
tp max 21(�min)� s
�� droga przepływu znacznika ma kontakt z przestrzeniami zrobów, o czym
świadczy niesymetryczność funkcji P(C) = f(t),
�� istnieje migracja powietrza i gazów przez zroby ściany F-3 pokładu 359/1
(stwierdzenie znacznika),
�� w zrobach ściany F-3 w pokładzie 359/1 istnieją dwa zasadnicze kanały
migracji gazów, o czym świadczą dwa lokalne maksima funkcji P(C) = f(t),
�� zroby zawałowe ściany F-3 w pokładzie 359/1 są nieszczelne (oprócz
kanałów), o czym świadczy niesymetryczność funkcji P(C) = f(t),
�� zasadniczym kanałem migracji powietrza w zrobach ściany F-3 w pokładzie
359/1 są dowierzchnie F-3 i F-3a długości ok. 150m, a dla czasu przejścia
znacznika t� @� t dla pierwszego lokalnego maksimum P(Cmax)
pomniejszonego o czas przejścia znacznika od wlotu ściany F-3 w pokładzie
359/1 są dowierzchnie F-3 i F-3a obliczyć prędkość średnią w
150m m
w =� =� 0,034
93min-� 21min s
�� drugim kanałem jest nie zlikwidowany chodnik nadścianowy ściany F-3 w
pokładzie 359/1.
3.2. Badanie migracji powietrza i gazów w rejonie ściany F-5 w pokładzie 360/3
Ściana F-5 w pokładzie 360/3 wysokości ok. 2m prowadzona była z
zawałem stropu od pola pod zrobami zawałowymi ściany F-3 w pokładzie 360/1
przy odległości pionowej między pokładami ok. 20m.
Sposób przewietrzania pokazano na rys.7. Celem zastosowania metody
było zbadanie, czy występujące zagrożenie metanowe w ścianie F-5 pokładu
360/3 jest skutkiem migracji gazów ze zrobów zawałowych pokładu 360/1 oraz w
jakim stopniu uszczelnione są zroby w pokładzie 360/1.
Przegląd Górniczy nr 6/1983
- 18 -
Rys.7. Schemat wyrobisk w pokładach 360/1 i 360/3 kopalni  Manifest Lipcowy
Opis znacznikowania:
�� rodzaj czynnika  SF6 w ilości 1x10-3 m3,
�� miejsce iniekcji  za tamą TI-778 izolującą chodnik podścianowy ściany F-5 w
pokładzie 360/1,
�� miejsce pobierania próbek powietrza  chodnik nadścianowy ściany F-5 w
pokładzie 360/3 (D1) oraz spoza tamy TI-777 izolującej chodnik nadścianowy
ściany F-5 w pokładzie 360/1 (D1),
�� czas iniekcji  godz. 800.
Ze względu na założenie tylko jakościowej identyfikacji obiektu obliczenia
ilościowe pominięto i na podstawie opracowanego z chromatografów (tablica 5)
wykresu funkcji P(C) = f(t) (rys.8) można stwierdzić, że dla danego stanu i pola
potencjału aerodynamicznego:
�� zachodzi migracja gazów w zrobach zawałowych ściany F-5 w pokładzie
360/1,
�� istniejące zagrożenie metanowe w ścianie F-5 w pokładzie 360/3 było
wynikiem migracji gazów ze zrobów zawałowych ściany F-5 w pokładzie
360/1 do czynnej ściany F-5 w pokładzie 360/3.
Przegląd Górniczy nr 6/1983
- 19 -
Tablica 5
Zestawienie wyników detekcji SP6 w próbkach powietrza pobranych w
chodniku nadścianowym F-5 pokładu 360/3 ( w punkcie D1  Rys.2 ) oraz z
rurki pomiarowej spoza tamy TI-777 Izolującej chodnik nadścianowy F-5
pokładu 360/1 ( w punkcie D2  Rys.2 )
Pomiar w punkcie D1 Pomiar w punkcie D2
Czas
Czas
względny
Pole piku Pole piku
absolutny
(min)
Nr pipety P=f (C,t ) Nr pipety P=f (C,t )
Px10-6m2 Px10-6m2
8.00 Iniekcja SP6 0
8.43 3 0 7 0 43
8.50 5 0 6 0 50
9.30 1 0 2944 4 90
9.40 2 0 180 10 100
10.10 14 0 10 14 130
10.25 2938 1 24 60 145
11.08 174 3 191 101 188
11.25 194 5 130 172 205
12.00 125 32 199 179 240
Rys.8. Wykres zmian stężeń SF6
1  w chodniku nadścianowym F-5 pokładu 360/3 (punkt D1), 2  za tamą TI-777 w pokładzie 360/1
(punkt D2)
Przegląd Górniczy nr 6/1983
- 20 -
4. Stwierdzenia i wnioski
1) Ze względu na to, że zaizolowane  wentylacyjnie nieczynne  wyrobiska
górnicze i zroby poeksploatacyjne biorą udział w procesie przewietrzania
kopalni, wpływając jakościowo na skład powietrza w wyrobiskach
wentylacyjnie czynnych, a także z uwagi na zagrożenie gazami
wybuchowymi, trującymi i duszącymi oraz pożarami endogenicznymi,
wszechstronną kontrolą jakościowo-ilościową powinna być objęta cała
kopalniana sieć wentylacyjna (poszczególne wyrobiska, zroby, otwory
odmetanowania, połączenia szczelinowe, itp.).
Celowe jest także ewidencjonowanie zrobów i wyrobisk wentylacyjnie
nieczynnych w sposób uproszczony na schematach przewietrzania
przestrzennych i potencjalnych.
2) Zastosowana po raz pierwszy w polskim górnictwie metrologia znacznikowa,
polegająca na śledzeniu w czasoprzestrzeni ruchu mas powietrza i gazów
oznaczonych związkami elektroujemnymi, w powiązaniu ze schematami
potencjalnymi pozwala w sposób jednoznaczny przeprowadzić identyfikację
struktury i parametrów kopalnianej sieci wentylacyjnej i zrobów.
3) Znacznikowa identyfikacja badanych obiektów kopalnianej sieci wentylacyjnej
może być:
�� jakościowa, określająca w sposób jednoznaczny istnienie lub nieistnienie
przepływów (migracji) powietrza i gazów w badanym dla stanu ustalonego,
�� ilościowa, określająca parametry wentylacyjne badanego obiektu dla stanu
ustalonego,
�� strukturalna, pozwalająca w sposób jednoznaczny zrekonstruować geometrię
zrobowej sieci wentylacyjnej, która w czasie eksploatacji ulega ciągłym
deformacjom losowym.
4) Wykorzystanie metrologii znacznikowej może być bardzo szerokie przy
rozwiązywaniu wielu skomplikowanych zagadnień wentylacyjnych w
kopalniach, a w szczególności do :
�� pomiaru prędkości powietrza i gazów w wyrobiskach górniczych, zrobach
poeksploatacyjnych, połączeniach szczelinowych i otworach wentylacyjnych i
odmetanowania,
�� badania szczelności górotworu i zrobów,
�� badania szczelności tam izolacyjnych,
�� kontroli i pomiaru zmian wydatku powietrza w czasie, np. do kontroli
stabilizacji ilościowej powietrza przy prowadzeniu akcji pożarowych,
zwłaszcza w polach metanowych.
5) Metrologia znacznikowa jest prosta technicznie, ale w zastosowaniu
skomplikowana interpretacyjnie.
6) Metodę znacznikową zastosowano w kopalniach:
��  Moszczenica  do określenia migracji powietrza i gazów przez zaizolowane
pole pożarowe,
��  Jankowice  do zbadania szczelności filaru oporowego między chodnikami,
��  Jastrzebie  do zbadania szczelności korka podsadzkowego w polu
pożarowym,
��  XXX-lecia PRL  do określenia migracji powietrza i gazów w zagniecionym
chodniku,
Przegląd Górniczy nr 6/1983
- 21 -
��  Borynia  do zbadania migracji powietrza i gazów między zrobami pokładów
sąsiednich,
��  Pokój  do zbadania zasięgu migracji powietrza i gazów w zrobach wiązki
pokładów kontaktującej się z polem pożarowym.
W opracowaniu zagadnień teoretycznych pomocą służył nam prof. dr hab.
inż. A. Zuber z Międzyresortowego Instytutu Techniki i Fizyki Jądrowej w
Krakowie, za co składamy mu gorące podziękowanie.
Przegląd Górniczy nr 6/1983
- 22 -
Literatura
1. Praca zbiorowa: Poradnik Górnika, tom 3. Katowice 1974. Wydawnictwo
Śląsk.
2. Praca zbiorowa: Encyklopedia Techniki  Chemia. W-wa 1966. Wydawnictwo
Naukowo-Techniczne.
3. Lasa J., Rosiek J., Wciślak L.: Chemia analityczna. 1976. Z.24, 819.
4. Singh H. B., Sales L. J., Cavanegh L. A.: Distribution, Surces and Sinks of
Atmospheric Halogenated Componds, Journal of the Air Pollution Central
Association, 1977, vol.27, nr 4.
5. Kreft A., Zuber A.:Chemical and Engineering Science, 1978, vol.33.
6. Praca zbiorowa: Poradnik fizykochemiczny, W-wa 1974, Wydawnictwo
Naukowo Techniczne.
7. Thimson E. D., Bielicki R. J., Kissell F. N.: Using Sulfur Hexafluoride as a
Gaseous Tracer to Stady Ventilation in Mines, Bu Mines R I 7916, 1974.
8. Thimson E. D., Kissell F. N.: Tracer Gas as Aid in Mine Ventilation Analisys,
Bu Mines R I 1977, 1974.
9. Vinson R. P.,Kissell F. N.:Three Coal Sulfur Hexafluoride Tracer Gas, Bu
Mines R I 8142, 1976.
10.Matta P. R., Thimson E. D., Kissell F. N.:Jet Fan Effectiveness as Measured
with SF6 Tracer Gas, Bu Mines R I 8310, 1978.
11.Martin H.: Das Aufreten von Wetterverlusten und M�glichkeiten ihrer
Verhinderung, Freiberger Fh, nr 32, 1964.
Przegląd Górniczy nr 6/1983