Temat:

Rozwój pożaru w wyrobiskach

górniczych

Wentylacja i pożary III

Politechnika Wrocławska

Wydział Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii

Wykonała:

Prowadzący:

Justyna Serwik

dr inż.

Franciszek Rosiek
Nr indeksu 126619
e-mail:

[e-mail]

Rok IV semestr 8
Specjalność: GI

1.

Ogólna charakterystyka pożaru podziemnego

1.1.

Pożary endogeniczne

1.2.

Pożary egzogeniczne

2.

Zjawiska towarzyszące pożarom podziemnym

2.1.

Oznaki endogenicznego pożaru podziemnego

2.2.

Depresja pożaru podziemnego i miejsca jej

występowania
3.

Zaburzenia w sieci wentylacyjnej w czasie pożarów

podziemnych
3.1. Odwracanie się prądów
3.2. Wtórne ogniska pożarów
3.3. Wybuchy w czasie pożarów podziemnych
3.4. Inne przyczyny zadymienia kopalni
4.

Podsumowanie

5.

Literatura

Spis treści

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].

Ogólna charakterystyka pożaru

podziemnego

Rys. 1. Trzy elementy powodujące wybuch gazów

kopalnianych [1]

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].

Ogólna charakterystyka pożaru

podziemnego

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].

Ogólna charakterystyka pożaru

podziemnego

W zależności od przyczyny powstania pożaru wyróżnia

się [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].

Gazy pożarowe składają się w dużej mierze z składników

duszących i trujących. Stanowią one bezpośrednie

zagrożenie dla ludzi znajdujących się w wyrobiskach,

zwłaszcza 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].

Pożary endogeniczne

Przyczyny powstawania pożarów endogenicznych [7]:

• skłonność węgla do samozapalenia,

•

zastosowanie

nieodpowiedniego

systemu

eksploatacji,

• nieodpowiednie przewietrzanie kopalni

Pożary endogeniczne należą do najczęstszych pożarów

w

polskim

przemyśle

węglowym,

zjawisko

samozapalenia węgla jest wywołane utlenianiem się

węgla

powietrzem

w

temperaturze

otoczenia.

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 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].

Pożary endogeniczne

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. 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 [1,

5].

Pożary endogeniczne

W procesie samozapalenia węgla można wyróżnić

okresy [1, 5]:

• okres przygotowawczy, zwany również inkubacyjnym

–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].

Pożary egzogeniczne

Pożary egzogeniczne 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

Pożary egzogeniczne - 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,

8]. 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. 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 [5, 7].
Ze względu na rozwijającą się mechanizację kopalń

wyeliminowanie

spawania

i

cięcia

metali

w

wyrobiskach górniczych jest niemożliwe i stanowi

zawsze potencjalne zagrożenie pożarowe. Roboty takie

muszą być wykonywane przy zachowaniu ostrożności i

przy rygorystycznym przestrzeganiu zarządzeń i

przepisów [5].

Pożary egzogeniczne - 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. 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 oraz oleje łatwo palne,

uzwojenie silników, a także pył węglowy znajdujący się

na przewodach lub urządzeniach ogrzanych do

wysokiej temperatury [4, 5].
Zwarcie

w

przewodach

powstaje

wskutek

ich

uszkodzenia (np. przy spadaniu brył skalnych, przy

zaciskaniu lub zawaleniu wyrobisk, przy uderzeniu

narzędziami górniczymi i inne). Często w kopalniach

zmechanizowanych

przyczyną

uszkodzenia

kabli

doprowadzających prąd do maszyn przodkowych jest

dostanie się kabla pod maszynę w czasie jej pracy lub

w czasie manewrowania nią. W zelektryfikowanych

kopalniach metanowych może nastąpić zapalenie gazu

nagromadzonego pod pułapem wyrobisk z trakcją

elektryczną [4, 5].

Pożary egzogeniczne - Pożary wskutek wadliwego

działania urządzeń elektrycznych i

mechanicznych

Pożar może powstać wskutek wadliwego działania

urządzeń mechanicznych np. zatarcie się łożysk

krążników lub bębnów zwrotnych przenośników

taśmowych lub ich zaklinowanie bryłami skalnymi czy

uszkodzoną taśmą. Ciepło wytworzone wskutek tarcia

taśmy

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 [4, 5].
Skutecznym środkiem zapobiegania pożarom 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

ogranicza

skutki

ewentualnie

powstałych pożarów [4, 5].

Pożary egzogeniczne - 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].

Pożary egzogeniczne - 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 [4, 5, 7]. Przyczyną tych

pożarów jest mało intensywne przewietrzanie

wyrobisk górniczych, niedostateczne zroszenie i

nieusunięcie nagromadzonego w wyrobiskach pyłu

[4].
Źródłem 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,

• zostanie użyty niewłaściwy lub zbyt duża ilość MW.
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].

Pożary egzogeniczne - Pożary wskutek robót

strzelniczych

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
MW pył siarczkowy utlenia się. 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.
Dużą rolę odgrywa również starannie wykonana
przybitka otworów strzałowych [5].

Pożary egzogeniczne - Pożary wskutek robót

strzelniczych

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,
• nieprzewidzianego wypływu metanu 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].

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.

Zjawiska towarzyszące pożarom podziemnym -

Oznaki endogenicznego pożaru podziemnego

W powstaniu i rozwoju pożaru endogenicznego można

wyróżnić 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].

Zjawiska towarzyszące pożarom podziemnym -

Oznaki endogenicznego pożaru podziemnego

W

warunkach

normalnych,

gdy

jeszcze

okres

samozagrzewania nie nastąpił, zachodzi określona dla
każdej

części

kopalni

współzależność

między

przyrostem CO

2

a zmniejszeniem zawartości tlenu, przy

czym zwykle przyrost CO2 w kopalni jest mniejszy od
ilości pochłoniętego tlenu. Procentowy stosunek
przyrostu dwutlenku węgla (+CO

2

) do ubytku tlenu (-

O

2

) nosi nazwę współczynnika respiracyjnego [5]:

(1)

Samozagrzewanie

węgla

charakteryzuje

się

zwiększeniem wartości współczynnika respiracyjnego,
ponieważ w procesie utleniania ilość tworzącego się
CO

2

jest taka sama, jak ilość pochłoniętego O

2

. W

warunkach normalnych współczynnik respiracyjny
wynosi najczęściej = 3040, a 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) [5].









2

2

1

O

CO

100

RQ













Zjawiska towarzyszące pożarom podziemnym -

Oznaki endogenicznego pożaru podziemnego

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 CO

2

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),









2

2

O

CO

100

RQ













Zjawiska towarzyszące pożarom podziemnym -

Oznaki endogenicznego pożaru podziemnego

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. 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]:

Zjawiska towarzyszące pożarom podziemnym -

Oznaki endogenicznego pożaru podziemnego

Tabela 2. Zmiana składu powietrza otaczającego lub opływającego

w czasie utleniania próbki węgla (wg W. Olpińskiego) [5]

Procentowa zawartość poszczególnych składników w
gazach pożaro wych 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].

Składnik

Zawartość składników w

powietrzu, %

w temperaturze, C

30

45

80

120

Tlen (O

2

)

19,5

19,0

12,0

2,0-0,5

Dwutlenek węgla
(CO

2

)

0,2

0,3

2,0

5,0-

11,0

Tlenek węgla (CO)

0,003

0,002

0,3

1,5-3,0

Zjawiska towarzyszące pożarom podziemnym -

Oznaki endogenicznego pożaru

podziemnego

Czas, jaki upływa od okresu samozagrzewania węgla do

okresu właściwego pożaru 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].

Zjawiska towarzyszące pożarom podziemnym -

Oznaki endogenicznego pożaru

podziemnego

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].

Zjawiska towarzyszące pożarom podziemnym -

Oznaki endogenicznego pożaru

podziemnego

• 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, a gdy temperatura rudy przekroczy 353363 K

(8090C) w bardzo krótkim czasie może dojść do otwartego stadium

pożaru. 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]

• Jednocześnie z analizą wody kopalnianej można w kopalni prowadzić

badania temperaturowe, co pozwoli na lepszą ocenę stopnia zagrożenia

kopalń pożarami endogenicznymi [8].

Miejsce pobrania

wody

Stężenie w wodzie kopalnianej [g/l]

H

2

SO

4

SO

4

Cu

Fe

Pole niezaognione

0,25

0,44

0,024

0,087

Pole zaognione

5,92

52,94

8,310

32,700

Zjawiska towarzyszące pożarom podziemnym -

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].

Depresja pożaru podziemnego i miejsca jej

występowania – 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 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 (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.

Depresja pożaru podziemnego i miejsca jej

występowania – Całkowita depresja

pożaru

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 hn (mm H

2

O) 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].

n

n

'

h

h







(3)

Depresja pożaru podziemnego i miejsca jej

występowania – Całkowita depresja

pożaru

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

Depresja pożaru podziemnego i miejsca jej

występowania – Całkowita depresja

pożaru

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].

Depresja pożaru podziemnego i miejsca jej

występowania – Całkowita depresja

pożaru

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 pożaru podziemnego i miejsca jej

występowania – Całkowita depresja

pożaru

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].

Depresja pożaru podziemnego i miejsca jej

występowania – Lokalna depresja pożaru

Pojęcie lokalnej depresji cieplnej występującej na pewnym odcinku drogi powietrznej, wprowadził W. Budryk i przyjął hipotezę, że gdyby w wyrobisku kopalnianym ciepło nie było ani doprowadzane, ani też odbierane z powietrza,

wówczas na 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.

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

Depresja pożaru podziemnego i miejsca jej

występowania – Lokalna depresja pożaru

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 1-2-2

0

(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 2

0

-2-

3-3

0

(dodatnie), a działanie jej jest równoznaczne z umieszczeniem między punktami 2 i 3 wentylatora o depresji h

202330

i kierunku działania

zgodnym z ruchem powietrza. Na odcinku 3-4 wielkość depresji cieplnej określa pole 3

0

-3-4-4

0

(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].

Depresja pożaru podziemnego i miejsca jej

występowania – Lokalna depresja pożaru

W przypadku powstania pożaru zmienia się lokalna depresja cieplna. 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. 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 [1, 5, 7, 8].

Depresja pożaru podziemnego i miejsca jej

występowania – Temperatura gazów

Temperatura gazów pożarowych 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]:

Depresja pożaru podziemnego i miejsca jej

występowania – Temperatura gazów

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)

pm

p

pp

p

s

ps

s

m

c

T

c

m

T

c

m

T













(4)

p

p

s

s

m

T

m

T

m

T









Depresja pożaru podziemnego i miejsca jej

występowania – Temperatura gazów

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].

Zaburzenia w sieci wentylacyjnej w czasie

pożarów podziemnych

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,
H

2

, CH

4

, 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.

Zaburzenia w sieci wentylacyjnej w czasie

pożarów podziemnych – 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

Zaburzenia w sieci wentylacyjnej w czasie

pożarów podziemnych – Odwracanie się

prądów

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].

Zaburzenia w sieci wentylacyjnej w czasie

pożarów podziemnych – Odwracanie się

prądów

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].

Zaburzenia w sieci wentylacyjnej w czasie

pożarów podziemnych – Odwracanie się

prądów

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].
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].

Rys. 8 (z lewej). Praca
trzech wentylatorów w
bocznicach
równoległych [5]
Rys. 9 (z prawej).
Zgodny

kierunek

działania

depresji

kilku wentylatorów [5]

Zaburzenia w sieci wentylacyjnej w czasie

pożarów podziemnych – Odwracanie się

prądów

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].

Zaburzenia w sieci wentylacyjnej w czasie

pożarów podziemnych – Odwracanie się

prądów

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].

Zaburzenia w sieci wentylacyjnej w czasie

pożarów podziemnych – Odwracanie się

prądów

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].

Zaburzenia w sieci wentylacyjnej w czasie

pożarów podziemnych – Wtórne ogniska

pożarów

Gazy pożarowe palącego się węgla płynące od ogniska
pożaru, palą się długimi 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, 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].

Zaburzenia w sieci wentylacyjnej w czasie

pożarów podziemnych – Wtórne ogniska

pożarów

Rys. 12. Powstawanie wtórnego ogniska pożaru [5]
krzywa czerwona – temperatura gazów pożarowych, krzywa

niebieska – zawartość tlenu w gazach pożarowych

Zaburzenia w sieci wentylacyjnej w czasie

pożarów podziemnych – Wtórne ogniska

pożarów

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]. W

przypadku zaistnienia pożaru w kopalni w
prądzie wznoszącym się należy 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 TZ tamuje się prądy boczne,
którymi dopływa powietrze świeże do dróg
przepływu gazów pożarowych (tamy T1, T2 i
T3 - rys. 13), najbliżej ogniska pożaru (tj.
kolejno prądy 4-10, 3-11 i 8-12 na rys. 13) [5].

Rys. 13. Miejsca powstawania wtórnych
ognisk pożaru

Zaburzenia w sieci wentylacyjnej w czasie

pożarów podziemnych – Wtórne ogniska

pożarów

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].

Zaburzenia w sieci wentylacyjnej w czasie

pożarów podziemnych – Wtórne ogniska

pożarów

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].

Zaburzenia w sieci wentylacyjnej w czasie

pożarów podziemnych – Wybuchy w czasie

pożarów podziemnych

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

• gazy palne lub rozpylone drobne

cząstki palne w odpowiednim stężeniu,

• dostateczna ilość tlenu,
• 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].

Wybuchy w czasie pożarów podziemnych -

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].

Wybuchy w czasie pożarów podziemnych -

Wybuchowość mieszanin gazów palnych z

powietrzem

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

zawartoś

ć

[%]

Uwagi

nazwa

Wzór

chemiczn

y

1

Tlen

O

2

1,020,0

2

Metan

CH

4

0,280,0

Gazy

palne

3

Tlenek

węgla

CO

0,0017,0

4

Wodór

H

2

02,0

5

Węglowodo

ry

C

x

H

y

02,0

6

Dwutlenek

węgla

CO

2

0,420,0

Gazy

niepa

lne

7

Azot

N

2

10,085,0

Wybuchy w czasie pożarów podziemnych -

Wybuchowość mieszanin gazów palnych z

powietrzem

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 bezpieczeń stwa muszą być rozszerzone
granice wybuchowości mieszanin. Jest to pewnego rodza ju
współczynnik bezpieczeństwa przyjęty podobnie jak przy obliczaniu
konstrukcji budowlanych czy też elementów maszyn [5].

Wybuchy w czasie pożarów podziemnych -

Wybuchowość mieszanin gazów palnych z

powietrzem

Tabela

5.

Granice

wybuchowości

gazów

pożarowych zmieszanych z powietrzem [5, 7]

Lp.

Składnik

Granica wybuchowości

nazwa

Wzór

chemiczny

dolna d

i

górna g

i

1

Metan

CH

4

5,0

14,0

2

Tlenek
węgla

CO

13,0

72,0

3

Wodór

H

2

4,0

72,0

4

Węglowod
ory

C

x

H

y

2,0

14,7

5

Siarkowod
ór

H

2

S

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 BO2 w mieszaninie gazów
palnych, poniżej której nie następuje jej wybuch, można obliczyć wg Bałtajtisa
wzorem [5]:

gdzie
b

1

, b

2

… b

n

– bezpieczna zawartość tlenu dla poszczególnych składników

palnych mieszaniny,
c

1

, c

2

… c

n

– procentowa zawartość poszczególnych składników palnych

mieszaniny.

Bezpieczną zawartość tlenu b

1

dla poszczególnych składników palnych można

obliczyć wg Pilca wzorem [5]:

gdzie
b

i

- bezpieczna zawartość tlenu dla danego składnika (np. CH

4

, CO, H

2

, C

x

H

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.

Wybuchy w czasie pożarów podziemnych -

Wybuchowość mieszanin gazów palnych z

powietrzem

%

c

c

b

c

c

c

c

b

c

b

c

b

B

n

i

1

i

i

n

i

1

i

i

i

n

2

1

n

n

2

2

1

1

O

2

































(6)

%

2

O

4

H

C

d

b

i

1



















(7)

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 (CO

2

) i azotu (N

2

),

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]:

O

2

: N

2

= 1 : 3,79

(8)

czyli N

2

= 3,79 O

2

Wybuchy w czasie pożarów podziemnych -

Wybuchowość mieszanin gazów palnych z

powietrzem

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].

Wybuchowość mieszanin gazów palnych z

powietrzem - Wybuchowość mieszaniny

powietrza z metanem

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].

Wybuchowość mieszanin gazów palnych z

powietrzem - Wybuchowość mieszaniny

powietrza z metanem

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].

Wybuchowość mieszanin gazów palnych z

powietrzem - Wybuchowość mieszaniny

powietrza z metanem

Rys. 16. Wybuchowość metanu z uwzględnieniem zobojętniającego wpływu N

2

i CO

2

(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, CH4k = 5,93):

Wybuchowość mieszanin gazów palnych z

powietrzem - Wybuchowość mieszaniny

powietrza z metanem

k

p

nGO

w 

6

0033

,

6

93

,

5

6

,

35

w







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 CH

4

z powietrzem zawartość

nGO musi być co najmniej sześciokrotnie wyższa, aby
mieszanina ta była niewybuchowa, nawet przy rozrzedzeniu
jej powietrzem [5].

Wybuchowość mieszanin gazów palnych z

powietrzem - Wybuchowość mieszaniny

powietrza z metanem

p

w

nGO





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].

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

Wybuchowość mieszanin gazów palnych z

powietrzem - Wybuchowość mieszaniny

powietrza z metanem

Lp

.

Składnik

Zawartość

składnika w

punkcie

krytycznym

p

k

[%]

Konieczna

zawartość

gazów

obojętnych

nGO [%]

Współczyn

nik

zobojętnien

ia w

nazwa

Wzór

chemic

zny

1

Metan

CH

4

5,93

35,6

6,00

2

Tlenek węgla

CO

13,78

57,2

4,15

3

Wodór

H

2

4,30

71,2

16,55

4

Węglowodory

ciężkie

C

x

H

y

3,10

47,7

15,40

Dolna granica wybuchowości A

d

mieszaniny powietrza z

dwoma składnikami palnymi może być określana równaniem
[5]:

gdzie:
p – zawartość gazu palnego, %,
d – dolna granica wybuchowości tego gazu, %,
1 i 2 – indeksy odnoszące się odpowiednio do poszczególnych
składników palnych mieszaniny.

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

4

– 3 %, CO – 5,2 %, powietrze 100 - (3+5,2) = 91,8 %

(punkt P)
lub
CH

4

– 4 %, CO - 2,6 %, powietrze 100 – (4+2,6) = 93,4%

(punkt R).

Wybuchowość mieszanin gazów palnych z

powietrzem - Wybuchowość mieszaniny

powietrza z dwoma składnikami palnymi

1

d

p

d

p

A

2

2

1

1

d







(11)

Oznaczając przez:
p

kt

- zawartość składnika palnego w punkcie krytycznym,

gi - 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)

Wybuchowość mieszanin gazów palnych z

powietrzem - Wybuchowość mieszaniny

powietrza z dwoma składnikami palnymi

1

p

p

p

p

A

2

k

2

1

k

1

k







1

g

p

g

p

A

2

2

1

1

g







2

k

2

1

k

1

k

p

w

p

w

nGO









Wybuchowość mieszanin gazów palnych z

powietrzem - Wybuchowość mieszaniny

powietrza z dwoma składnikami palnymi

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

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].

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)

Wybuchowość mieszanin gazów palnych

z powietrzem - Wybuchowość

mieszaniny powietrza z czterema

składnikami palnymi

1

d

p

d

p

d

p

d

p

K

4

4

3

3

2

2

1

1

d











1

p

p

p

p

p

p

p

p

K

4

k

4

3

k

3

2

k

2

1

k

1

k











1

p

w

p

w

p

w

p

w

K

nGO

4

4

3

3

2

2

1

1

n





















1

g

p

g

p

g

p

g

p

K

4

4

3

3

2

2

1

1

g











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].

Wybuchowość mieszanin gazów palnych

z powietrzem - Wybuchowość

mieszaniny powietrza z czterema

składnikami palnymi

Wybuchy w czasie pożarów podziemnych -

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].

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].

Rys. 18. Wybuch gazów pożarowych w zetknięciu ze źródłem

wysokiej temperatury [5]

Wybuchy w czasie pożarów podziemnych -

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. 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) [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

Wybuchy w czasie pożarów podziemnych -

Wybuchy w ognisku pożaru

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].

Wybuchy w czasie pożarów podziemnych -

Wybuchy w ognisku pożaru

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].

Wybuchy w czasie pożarów podziemnych -

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].

Wybuchy w czasie pożarów podziemnych -

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].

Zaburzenia w sieci wentylacyjnej w czasie

pożarów podziemnych – 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].

Inne przyczyny zadymienia kopalni - 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].

Inne przyczyny zadymienia kopalni - Cofanie

się dymów

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].

Rys. 20. Cofanie się dymów wskutek zwiększenia objętości gazów w

czasie pożaru podziemnego [5]

Inne przyczyny zadymienia kopalni – 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].

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].

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.