ZAGROŻENIA GÓRNICZE

Opracowano na podstawie:

KONCENTRACJA WYDOBYCIA A ZAGROŻENIA GÓRNICZE

Praca zbiorowa pod redakcją Józefa Dubińskiego

Główny Instytut Górnictwa Katowice 1999

1. Zagrożenie gazowe

Zagrożenie gazowe jest związane przede wszystkim z obecnością metanu w górotworze i jego uwalnianiem się w wyniku prowadzonej działalności górniczej. Zjawisko to stwarza potencjalną możliwość zaistnienia wybuchu. Statystyka katastrof górniczych spowodowanych wybuchami metanu lub metanu i pyłu węglowego jest najtragiczniejszą w historii światowego górnictwa podziemnego. W przypadku polskich kopalń węgla kamiennego zagrożenie to jest jednym z najbardziej powszechnych. Największą metanowość bezwzględną od lat mają kopalnie Brzeszcze i Pniówek -odpowiednio 205m³/min i 240m³/minJ

Podstawowym sposobem zwalczania zagrożenia metanowego jest odmetanowanie, które stosuje 17 kopalń o najwyższym zagrożeniu. Ponadto, istotne jest stosowanie ciągłego, automatycznego monitoringu (metanometria o pomiarze ciągłym).

2. Zagrożenie pożarowe

Zagrożenie pożarowe, z uwagi na rozprzestrzeniające się gazy i dymy, może stwarzać niebezpieczeństwo dla dużej liczby pracowników. W ostatnich latach obserwuje się korzystną tendencję do zmniejszania się liczby pożarów. Dominują pożary endogeniczne, powstające najczęściej jako efekt samozapalenia się węgla pozostawionego w zrobach ścian zawałowych, rejony stref uskokowych, warstwa węgla pozostawiana w stropie, pokłady pozabilansowe, itp.

Skłonność do samozapalenia występuje najczęściej w węglach najniżej uwęglonych, przy odpowiedniej ich strukturze i budowie petrograficznej

Pożary są likwidowane przez gaszenie wodą i środkami gaśniczymi, otamowanie pola pożarowego oraz podsadzanie podsadzką hydrauliczną. Zgodnie z nowoczesnymi technologiami stosowany może być azot do inertyzacji przestrzeni pożarowej (urządzenie HPLC będące na wyposażeniu Centralnej Stacji Ratownictwa Górniczego) oraz środki mineralne i chemiczne do budowy tam przeciwwybuchowych i wykonywania robót izolacyjno-uszczelniających. W Głównym Instytucie Górnictwa opracowano metodę chromatograficzną, polegającą na oznaczaniu śladowych zawartości węglowodorów nienasyconych (etylen, propylen, acetylen) i wodoru.

3. Zagrożenie pyłowe

Zagrożenie pyłowe w podziemnym górnictwie węgla kamiennego rozpatrywane jest jako:

• zagrożenie wybuchem pyłu węglowego,

• zagrożenie pyłami szkodliwymi dla zdrowia.

Pierwsza z form tego zagrożenia powoduje zdarzenia wybitnie katastrofogenne. W sytuacji zaistnienia zjawiska wybuchu może ono stanowić znaczne zagrożenie dla życia pracowników oraz powodować ogromne straty materialne. Zagrożenie to w polskich kopalniach węgla kamiennego występuje powszechnie. Można stwierdzić, że wzrost mechanizacji urabiania i ładowania urobku przy równocześnie intensywnym przewietrzaniu, koniecznym do zwalczania zagrożenia metanowego i utrzymania odpowiednich warunków klimatycznych powoduje wzrost potencjalnego zagrożenia pyłowego. Dlatego tak ważne jest zapobieganie powstawaniu zagrożenia już u jego źródła.

Druga z form zagrożenia pyłowego występuje w środowisku, w którym pracownicy są narażeni na wdychanie substancji szkodliwych, w tym zwłaszcza krzemionki. Zagrożenie to prowadzi do pylicy płuc

Podstawowym zabiegiem profilaktycznym ograniczającym zapylenie jest stosowanie urządzeń zraszających na kombajnach ścianowych i urządzeń odpylających w kombajnach chodnikowych. W przypadku zagrożenia pylicowego profilaktyka polega na niedopuszczeniu do przekroczenia dopuszczalnej dawki pyłu w płucach oraz stosowaniu specjalistycznych ochron osobistych na stanowiskach pracy.

4. Zagrożenie sejsmiczne i tąpaniami

Zagrożenie związane z występowaniem sejsmiczności indukowanej działalnością górniczą i jej dynamicznych przejawów w wyrobiskach górniczych, w postaci odprężeń i tąpań, występuje od wielu dziesięcioleci w polskich kopalniach węgla kamiennego. Ze względu na katastrofogenny charakter zagrożenie to należy do najgroźniejszych zagrożeń naturalnych w światowym górnictwie podziemnym. W warunkach GZW ma ono również cechy zagrożenia powszechnego; w 1998 roku występowało w 34 spośród 51 czynnych kopalń. Wydobycie z pokładów zagrożonych tąpaniami stanowiło około 30% ogólnego wydobycia, w tym 10% z pokładów o najwyższym III stopniu zagrożenia tąpaniami.

Potencjalny stan zagrożenia tąpaniami w kopalniach GZW jest nadal bardzo duży, wynikający z:

• dużej średniej głębokości eksploatacji (ponad 700m),

• wysokiego stopnia naruszenia struktury wstrząsogennych warstw stropowych,

• eksploatacji resztkowych parcel,

• ograniczenia robót przygotowawczych.

Geneza wysokoenergetycznych zjawisk sejsmicznych w GZW wskazuje na ich bezpośredni związek z rozwojem procesów deformacyjnych w mocnych i grubych warstwach skał stropowych.

Mniejszą rolę w wystąpieniu zjawiska tąpnięcia odgrywa pokład węglowy i jego struktura. Prowadzone w latach ubiegłych badania nad naturalną skłonnością pokładów węgla do tąpań wykazały, że słabe zróżnicowanie litotypowej budowy pokładu węgla, przy równocześnie dużej zawartości substancji mineralnej, może sprzyjać gromadzeniu się energii sprężystej, także w samym pokładzie, i nagłemu jej wyzwalaniu się. Istotna jest także wytrzymałość węgla, przy czym najbardziej wytrzymałe mechanicznie są węgle półmatowe - jednolity durytowy, mniej wytrzymały - durytowy ziarnisty. Znacznie mniej wytrzymałe są węgle błyszczące - witrytowe i klarytowe oraz półbłyszczące.

Ogólnie rozumiana profilaktyka tąpaniowa obejmuje niezwykle bogaty zakres metod oceny i prognozy stanu zagrożenia (przede wszystkim optymalnego projektowania) oraz technik i technologii aktywnego zwalczania zagrożenia. W bardzo dużym stopniu w polskim górnictwie węglowym wykorzystywane są metody geofizyczne. Celem aktywnych sposobów zwalczania zagrożenia jest bądź kontrolowane wyzwolenie energii sejsmicznej, bądź taka zmiana struktury pokładu węgla i skał otaczających, aby ograniczyć możliwość akumulowania w nich nadmiernych ilości energii sprężystej. Jedną z metod zwalczania tąpań jest nowoczesna, w skali światowej, technika szczelinowania skał stropowych.

5. Zagrożenie wodne

Przez zagrożenie wodne rozumiana jest możliwość wdarcia się wody lub mieszaniny wody z luźnym materiałem skalnym do wyrobisk górniczych. Podstawowymi źródłami zagrożenia wodnego w kopalniach węgla kamiennego są podziemne i powierzchniowe zbiorniki wodne oraz zawodnione warstwy górotworu. Wyróżnia się źródła o nieograniczonej (grupa I) i ograniczonej (grupa II) swobodzie ruchu wody. W przypadku źródeł grupy I opory hydrauliczne dla ruchu wody są bardzo małe i może się ona swobodnie przemieszczać; stąd dopływ wody od strony zbiornika do miejsca wdarcia jest praktycznie nieograniczony, a natężenie wypływu może osiągać rząd kilkuset metrów sześciennych na minutę. W przypadku źródeł grupy II ruch wody jest ograniczony przepuszczalnością ośrodka. Wdarcia wody do wyrobisk górniczych ze zbiorników tego typu nie mają tak gwałtownego charakteru i nie zagrażają bezpośrednio życiu ludzkiemu, mogą jednak poważnie utrudniać prowadzenie robót górniczych.

6. Zagrożenie klimatyczne

Zagrożenie klimatyczne wynika z niekorzystnego wpływu temperatury i wilgotności powietrza na organizm ludzki.. Oddziałuje ono wyraźnie na warunki środowiska pracy. Miarą stanu tego zagrożenia jest temperatura powietrza mierzona termometrem suchym oraz intensywność chłodzenia mierzona katatermometrem wilgotnym.

W praktyce w wyrobiskach wyróżnia się:

• temperaturę niższą od 28°C - normalny czas pracy,

• temperaturę wyższą niż 28°C, ale niższą niż 33°C lub intensywność chłodzenia powietrza mniejszą od 11 katastopni - czas pracy skrócony do 6 godzin,

• temperaturę wyższą od 33°C - praca zabroniona.

Miarą zagrożenia może być także odniesiona do całej kopalni temperatura pierwotna skał na najgłębszym poziomie eksploatacyjnym. W zależności od temperatury występującej w wyrobiskach górniczych polskie kopalnie węgla kamiennego są podzielone na cztery grupy: ponad 40°C - grupa I, 35°÷40°C -grupa II, 30°÷35°C - grupa III, poniżej 30°C - grupa IV.

7. Zagrożenie radiacyjne

Zagrożenie radiacyjne w podziemnych wyrobiskach górniczych jest zagrożeniem naturalnym spowodowanym w górotworze obecnością radionuklidów, które zostają uwolnione w wyniku prowadzonych robót górniczych. Źródła promieniowania stanowią:

• krótkożyciowe produkty rozpadu radonu, występujące w powietrzu kopalnianym,

• wody dołowe o podwyższonej zawartości izotopów radu,

• osady dołowe wytrącane z tych wód,

• górotwór emitujący promieniowanie gamma.

Dawka promieniowania jaką mogą otrzymać górnicy zatrudnieni w wyrobiskach podziemnych zależy od rodzaju źródła. Zagrożenie radiacyjne występuje w niektórych kopalniach Nadwiślańskiej, Jastrzębskiej i Rybnickiej Spółki Węglowej. Wyróżnia się w nich dwie klasy wyrobisk dołowych:

• do klasy A należą wyrobiska, w których wartość rocznego efektywnego równoważnika dawki mieści się w zakresie 5÷20 milisiwertów,

• do klasy B należą wyrobiska, w których wartość rocznego efektywnego równoważnika dawki jest większa od 20 milisiwertów.

W wyrobiskach zagrożonych radiacyjnie należy wprowadzić takie metody organizacji pracy i zwalczania zagrożenia, aby roczny efektywny równoważnik dawki dla osób pracujących w tych wyrobiskach nie przekroczył wartości 50 milisiwertów, a w ciągu kolejnych 5 lat wartości 100 milisiwertów. W tym celu zdefiniowano następujące dwa poziomy rocznego efektywnego równoważnika dawki, a mianowicie:

• inspekcyjny, wynoszący 2 milisiwerty rocznie, którego przekroczenie nakłada na zakład obowiązek szczegółowej kontroli warunków miejsca pracy,

• interwencyjny, wynoszący 5 milisiwertów rocznie, którego przekroczenie nakłada obowiązek prowadzenia działań prewencyjnych w celu obniżenia lub likwidacji zagrożenia na stanowiskach pracy.

Podstawowe działania profilaktyczne zależą od formy występowania źródła zagrożenia. W przypadku radonu i jego pochodnych dominują metody wentylacyjne, a także polegające na izolowaniu przestrzeni zrobowej od czynnych wyrobisk. W przypadku wód radonośnych wdrożone są nowe technologie ich oczyszczania z radu. Działania te sprawiają, że poziom tego zagrożenia ulega obniżeniu.

8. Zagrożenie zawałowe

Zagrożenie zawałowe jest związane z możliwością obrywania się lub opadu skał, szczególnie stropowych do wyrobisk górniczych. W kopalniach węgla kamiennego w ostatnich latach zagrożenie zawałami uległo wyraźnemu zmniejszeniu. Jest to wynikiem stosowania coraz doskonalszych rozwiązań konstrukcyjnych zmechanizowanych obudów ścianowych oraz coraz doskonalszych obudów w wyrobiskach korytarzowych (np. obudów odgałęzień, skrzyżowań ściana-chodnik, itp.

9. Zagrożenia skojarzone

Przez zagrożenia skojarzone rozumiane jest występowanie w tym samym miejscu i czasie różnych zagrożeń górniczych, które mogą wzajemnie oddziaływać. Ta wzajemna interakcja poszczególnych zagrożeń składowych może prowadzić do zaistnienia efektów nieproporcjonalnych do tych jakie powoduje pojedyncze zagrożenie. Dotyczy to ich przejawów, inicjowania i intensywności.

Doświadczenia wykazują, że najczęściej występują łącznie zagrożenia tąpaniami, metanowe i pożarowe. Pewne znaczenie odgrywa także zagrożenie pyłowe i w znacznie mniejszym stopniu wodne. Liczba zdarzeń o charakterze zagrożeń skojarzonych wykazuje tendencję wzrostową i można podać co najmniej kilka charakterystycznych przypadków tego typu z ostatnich lat. Według przeprowadzonego rozeznania zagrożenia skojarzone o największej intensywności mogą wystąpić w pokładach grupy rudzkiej i siodłowej.

Istotnym problemem w obszarze występowania zagrożeń skojarzonych jest efekt kolizyjności pewnych działań profilaktycznych właściwych dla danego zagrożenia. Dlatego powinny być one odpowiednio dobierane i dostosowane przede wszystkim do poziomu zagrożenia dominującego.

ZAGROŻENIE METANOWE

1. Ogólna charakterystyka zagrożenia; miejsca występowania, intensywność

Wzrost koncentracji wydobycia w polskich kopalniach węgla kamiennego przyczynia się do znaczącego wzrostu metanowości bezwzględnej rejonów eksploatacyjnych. Pomimo, że nastąpił dalszy znaczący postęp w rozpoznawaniu i zwalczaniu tego zagrożenia, obserwuje się jego narastanie w wielu obszarach górniczych kopalń węgla. Spowodowane jest ono prowadzeniem eksploatacji na coraz większych głębokościach i wzrostem metanonośności oraz ciśnienia gazu, przy malejącej przepuszczalności pokładów węglowych wobec metanu. Ta zmiana własności gazowych pokładów ma również wpływ na radykalny wzrost trudności uzyskania dobrych wyników w podejmowanych działaniach profilaktycznych, w rym w odmetanowaniu, przy prowadzeniu robót górniczych. W szczególności własności gazowe pokładów zalegających na znacznych głębokościach uniemożliwiają prowadzenie odmetanowania wyprzedzającego. Charakterystyczny jest często spostrzegany fakt wzrostu metanonośności pokładów niewspółmiernie wysoki w stosunku do wzrostu głębokości eksploatacji [2].

Na stopień zagrożenia wybuchem podczas prowadzenia robót górniczych duży wpływ mają formy występowania metanu w górotworze oraz kinetyka wydzielania się i przemieszczania metanu ze złoża oraz górotworu do wyrobisk. Wielkość wydzielania metanu do wyrobisk rejonów ścian jest proporcjonalna do wzrostu koncentracji wydobycia [1,3].

Najistotniejszym czynnikiem wpływającym na stan zagrożenia metanowego w wyrobiskach, w szczególności przy dużym natężeniu wydobycia, jest wielkość wydzielania metanu określana przez metanowość bezwzględną [4]. Wielkość ta powinna determinować dobór środków profilaktyki metanowej, w tym właściwy system eksploatacji, sposób przewietrzania, odmetanowanie, monitoring zagrożeń oraz pozostałe środki zabezpieczające.

Wydzielanie metanu podczas wybierania ściany następuje z różnych źródeł, których lokalizacja oraz wielkość dopływu decydują o kształtowaniu się zagrożenia oraz doborze profilaktyki [9]. Do źródeł wydzielania metanu zaliczyć należy:

• urobiony węgiel,

• odsłonięty ocios ściany,

• warstwy węgla i pokłady podbierane,

• warstwy węgla i pokłady nadbierane,

• zroby przyległe do wyrobisk środowiska ściany oraz znajdujące się w strefie odprężeń stropowych i spągowych (rys.1),

• gazonośne warstwy skał porowatych i przepuszczalnych (piaskowców) zalegające w strefie odprężeń,

• inne źródła dopływu metanu (np. drążone wyrobiska korytarzowe).

2. Wpływ koncentracji wydobycia na kształtowanie się zagrożenia metanowego

Podstawowymi działaniami, które determinują wzrost koncentracji wydobycia są:

• wzrost długości ściany,

• wzrost dobowego postępu ściany.

Działania te mają niekorzystny wpływ na kształtowanie się zagrożenia metanowego ponieważ:

• wzrost długości ściany powoduje zwiększenie pionowego zasięgu odprężeń stropowych i spągowych w wyniku czego zwiększa się liczba pokładów poddanych procesowi odgazowania i wynikająca z tego objętość odgazowywanego węgla,

• wzrost postępu ściany wpływa proporcjonalnie na wzrost wydzielania metanu zarówno z pokładu wybieranego, jak i z pokładów odprężanych zalegających w stropie i spągu.

Zasięg desorpcji warstw stropowych i spągowych zależy bezpośrednio od długości ściany i nachylenia pokładów i jest określony wzorami [5]:

=
oraz

gdzie:

L_s - długość ściany, m,

G_g, G_d- współczynniki zależne od nachylenia.

Kształt geometryczny strefy desorpcji pokazano na rysunku 2.

W miarę wydłużania ściany wzrasta zatem zasięg odgazowania warstw stropowych i spągowych, co wpływa bezpośrednio na wzrost wydzielania metanu z tych warstw (rys. 3).

Powyższe pozwala stwierdzić, że zarówno wzrost długości ścian, jak i radykalny wzrost postępu dobowego wpływa niekorzystnie na poziom zagrożenia metanowego, którego miarą jest metanowość bezwzględna ściany. Wzrost metanowości bezwzględnej przy wprowadzaniu koncentracji wydobycia jest zasadniczym czynnikiem determinującym bezpieczeństwo wobec możliwości zaistnienia wybuchu metanu.

3. Zwalczanie zagrożenia metanowego

Podstawowymi działaniami profilaktycznymi w zakresie zwalczania zagrożenia metanowego są [4]:

• zapewnienie odpowiedniej ilości powietrza w wyrobiskach środowiska ściany,

• prowadzenie odmetanowania o efektywności wystarczającej dla skutecznego obniżenia poziomu wydzielania metanu do wyrobisk środowiska ściany.

W przypadku prowadzenia ścian o wysokiej metanowości bezwzględnej działania te powinny być prowadzone równocześnie.

3.l. Przewietrzanie ścian o wysokiej koncentracji wydobycia.

Na stan bezpieczeństwa wobec zagrożenia metanowego ma wpływ przede wszystkim zastosowany system przewietrzania, a także wydatek powietrza w ścianie i pozostałych wyrobiskach. Zdecydowanie najmniej korzystnym systemem, w warunkach występowania wysokiej metanowości, jest przewietrzanie zwrotne na „U" - po caliźnie. Stosowanie takiego przewietrzania powoduje przybliżanie się strefy metanowej w zrobach do wyrobiska ścianowego i wydzielanie największych ilości metanu bezpośrednio w rejonie wylotu ściany (rys. 4). Jednocześnie system ten jest korzystny z uwagi na możliwość osiągania wysokiego natężenia wydobycia oraz uwarunkowania ekonomiczne eksploatacji.

Z uwagi na kształtowanie bezpieczeństwa wobec metanu korzystniejsze są systemy przewietrzania, polegające na odprowadzaniu zużytego powietrza ze ściany wzdłuż zrobów, przynajmniej na pewnym odcinku. Systemy takie (rys. 5, 6, 7) powodują „rozłożenie” wypływu metanu do wyrobisk na większej długości, ograniczenie intensywnego wypływu metanu do pewnych stałych miejsc oraz odsunięcie strefy metanowej w zrobach od ściany, co zmniejsza w sposób znaczący możliwość kontaktu metanu z potencjalnymi źródłami inicjału. Z kolei systemy te nie są korzystne z uwagi na maksymalizację natężenia wydobycia oraz ekonomiczne uwarunkowania eksploatacji.

Przytoczone przykłady pozwalają na rozróżnienie zasadniczych dwóch systemów przewietrzania - bez doświeżania i z doświeżaniem prądu powietrza wypływającego ze ściany.

3.2. Odmetanowanie wyrobisk eksploatacyjnych

Odmetanowanie górotworu w ścianach silnie metanowych o wysokiej koncentracji wydobycia stanowi podstawowy środek profilaktyki metanowej. Często jednakże efektywność odmetanowania nie jest wystarczająca w stosunku do wielkości wydzielania metanu do wyrobisk środowiska ściany.

Należy zaznaczyć, że odmetanowanie górotworu podczas eksploatacji osiąga najlepsze efekty jeżeli jest prowadzone w odległości 50÷100m za frontem ściany. Na efektywność odmetanowania wpływa zatem możliwość utrzymania pracujących otworów drenażowych na długości zrobów ścianowych. Dostępność tych otworów jest sprawą drugorzędną [5].

Przy systemie eksploatacji od pola z bieżącą likwidacją wyrobisk przyścianowych efektywne prowadzenie odmetanowania staje się niemożliwe. W przypadku otworów spągowych pojawiają się trudności związane z brakiem możliwości odprowadzania wody z otworów, w rezultacie czego pojawia się zjawisko wzmożonej kolmatacji ścianek (zamykanie makroporów przez zawiesinę zwiercin). Ponieważ zwykle efektywność odmetanowania skał spągowych jest wyższa niż stropowych celowe byłoby prowadzenie odmetanowania skał nadbieranych, ścianą z wyrobisk wykonanych na niższych poziomach. Ze zjawisk tych wynika powszechnie uzyskiwana niska efektywność odmetanowania, która w ścianach nie przekracza z reguły 40%. Przy wybieraniu ścian o dużej koncentracji wydobycia i o dużej metanowości bezwzględnej efektywność taka może okazać się niewystarczająca dla zapewnienia bezpieczeństwa, w aspekcie faktycznego zagrożenia metanowego. W szczególnych przypadkach, gdy efektywność odmetanowania uzyskiwana za pomocą drenażu otworowego jest zbyt niska, należy rozważać możliwość prowadzenia drenażu nadległego lub podległego za pomocą specjalnie do tego celu wykonywanych wyrobisk korytarzowych lub wykorzystania istniejących.

Na rysunkach 8, 9, 10, 11, 12, pokazano sposoby odmetanowania wyrobisk eksploatacyjnych stosowane w różnych systemach eksploatacji i o różnej możliwej do uzyskania efektywności odmetanowania. Rysunek 13 przedstawia sposób odmetanowania warstw nadbieranych z wyrobiska na niższym poziomie.

Obowiązujące przepisy [15] stanowią, że stężenie metanu w gazie, ujmowanym przez urządzenia odmetanowania, nie może być mniejsze niż 30%. W szczególnych przypadkach stężenie na poszczególnych ujęciach może wynosić co najmniej 20% pod warunkiem, że stężenie w zbiorczym rurociągu odmetanowania nie będzie niższe niż 30%. W niektórych przypadkach, szczególnie przy prowadzeniu ścian o dużych postępach, warunek ten jest trudny do zachowania. Wynika to z braku zgodności czasu odprężania kolejnych warstw metanonośnych z czasem desorpcji metanu z tych warstw. Zjawisko to powodować może obniżanie się koncentracji metanu w gazie zrobowym w stopniu uniemożliwiającym stosowanie efektywnego odmetanowania. W takim przypadku niezbędne jest stosowanie tzw. odmetanowania niskoprocentowego prowadzonego za pomocą urządzeń inżektorowych. Urządzenia takie mogą być lokalizowane w miejscach intensywnych wypływów metanu do wyrobisk. Odmetanowanie „niskoprocentowe" nie pozwala jednak na przesyłanie ujętego metanu do urządzeń odmetanowania centralnego i za jego pośrednictwem na powierzchnię. Ujmowany w ten sposób metan powinien być uwzględniany w bilansie metanowo--wentylacyjnym sporządzanym dla środowiska ściany. Ze względów bezpieczeństwa elektryfikacja wyrobisk, w których zabudowane są urządzenia inżektorowe powinna być wykluczona.

W przypadku wybierania ścian o wysokiej koncentracji systemami od pola i trudności w uzyskaniu odpowiedniej efektywności odmetanowania korzystnym działaniem będzie wytworzenie takiej różnicy potencjałów aerodynamicznych, która spowoduje przepływ gazów zrobowych w kierunku od wyrobiska ścianowego do wyrobisk wentylacyjnych. Wykorzystując w tym celu urządzenia inżektorowe, a także bazując na rozkładzie potencjału aerodynamicznego uzyskać można sterowane wypływy metanu do wyrobisk wentylacyjnych. Do tych celów służyć też może (pod warunkiem występowania odpowiedniego stężenia metanu) sieć rurociągów odmetanowania. Na rysunku 14 pokazano przykład zastosowania lokalnego źródła depresji do wytworzenia korzystnego kierunku przepływu gazów zrobowych w celu odsunięcia strefy metanowej w zrobach od pola roboczego ściany.

3.3. Monitoring stanu zagrożenia metanowego

Obowiązujące przepisy bezpieczeństwa nakładają obowiązek stosowania metanometrii automatycznej o skróconym czasie repetycji pomiarów lub o pomiarze ciągłym dla nowo budowanych central oraz w przypadkach, gdy zagrożenie metanowe występuje w układzie skojarzonym z dużym zagrożeniem tąpaniami. W przepisach tych określono warunki co do liczby i lokalizacji zabudowy czujników metanometrycznych oraz przepływu powietrza. W ścianach o wysokiej koncentracji wydobycia, prowadzonych w warunkach dużego zagrożenia metanowego, spełnienie tylko wymagań przepisów okazuje się niewystarczające. W przypadku takich ścian konieczne jest ciągłe monitorowanie stanu parametrów bezpieczeństwa i produkcji, w aspekcie wpływu natężenia produkcji i jej parametrów na stan zagrożenia metanowego, stanu przewietrzania odmetanowania oraz kontroli pozostałych zagrożeń. Konfiguracja takich systemów monitorowania stanu bezpieczeństwa i produkcji powinna uwzględniać:

• pomiar zawartości metanu w miejscach jego wpływania i wypływania do wyrobisk,

• pomiar zawartości metanu w miejscach możliwego powstania zagrożenia, w tym zagrożenia powstania wysokich stężeń metanu pod przenośnikiem ścianowym,

• pomiar zawartości metanu w rurociągach odmetanowania,

• w miarę możliwości i konieczności, automatyczne sterowanie sieci odmetanowania w zależności od stężenia metanu w rurociągu i wyrobiskach,

• pomiar prędkości (wydatku) powietrza w wyrobiskach i stężeń metanu wynikających ze zmian przepływu powietrza,

• wpływ prędkości kombajnu na zmiany stężenia metanu w powietrzu,

• stan zamknięcia tam wentylacyjnych, które mają wpływ na intensywność przewietrzania wyrobisk, a także na zmiany rozkładu potencjału aerodynamicznego w środowisku ściany,

• pomiar zawartości innych gazów, jeżeli występuje możliwość powstania zagrożenia (np. tlenu, tlenku węgla),

• pomiar temperatury powietrza w wyrobiskach, jeżeli występuje zagrożenie termiczne.

System monitorowania parametrów bezpieczeństwa i produkcji powinien uwzględniać sposób ostrzegania i powiadamiania załogi o zaistniałym zagrożeniu.

Aktualny stan technicznego wyposażenia kopalń oraz rozwiązania oferowane przez producentów pozwalają na pełną realizację systemów monitoringu w przedstawionym wyżej zakresie.

4. Czynniki zmniejszające niekorzystne oddziaływanie zagrożenia metanowego

Przedstawione czynniki kształtujące zagrożenie metanowe w ścianach o wysokiej koncentracji wydobycia rzutują na bezpieczne warunki ich wybierania. Eksploatacja na coraz większych głębokościach spowoduje, że w wielu kopalniach Górnośląskiego Zagłębia Węglowego ściany będą prowadzone w pokładach silnie nasyconych metanem, powodując tym samym wzrost zagrożenia metanowego [2, 9]. Obecnie obserwuje się znaczący wzrost wydzielania metanu w kopalniach dotychczas uznanych za słabo metanowe, które nie są przygotowane w wystarczającym stopniu do prowadzenia odmetanowania, a także nie są wyposażone w urządzenia monitoringu z pomiarem ciągłym.

Dla zachowania bezpieczeństwa w warunkach dużego zagrożenia metanowego, przy stosowaniu wysokiego natężenia wydobycia, niezbędne jest spełnienie trzech podstawowych warunków:

• zapewnienie dostatecznie intensywnego przewietrzania wyrobisk środowiska ściany,

• zapewnienie efektywności odmetanowania dostosowanej do występującej metanowości bezwzględnej,

• wprowadzenie jednoczesnego monitorowania stanu zagrożenia i parametrów produkcji.

Podstawę do podjęcia decyzji o wielkości wydobycia i stosowaniu środków profilaktyki metanowej stanowi prognoza metanowości bezwzględnej. Każda metoda prognozowania oparta jest na wynikach badań metanonośności pokładów oraz na jak najdokładniejszej znajomości zależności geologicznych.

Duże znaczenie dla bezpieczeństwa metanowego ma konfiguracja i zasięg strefy metanowej w zrobach, co jest zależne od przyjętego systemu eksploatacji sposobu przewietrzania. W ścianach o wysokiej koncentracji wydobycia, przy dużym zagrożeniu metanowym, nie powinny być stosowane systemy, w których strefa metanowa w zrobach położona jest bezpośrednio w sąsiedztwie pola roboczego ściany. Z uwagi na zagrożenie wybuchem metanu do najbardziej zagrożonych należy system poprzeczny po wzniosie oraz system podłużny z przewietrzaniem obu systemów na „U" (po caliźnie węglowej). W szczególności przy dużym zagrożeniu metanowym nie powinien być stosowany system poprzeczny po wzniosie pokładu. Systemy, w których powietrze zużyte odprowadzane jest wzdłuż zrobów eksploatowanej ściany (przynajmniej na pewnym odcinku) charakteryzują się odsunięciem strefy metanowej w zrobach od pola roboczego ściany.

Dla ścian o wysokiej koncentracji wydobycia i dużym zagrożeniu metanowym polecane są takie systemy eksploatacji, które pozwalają na efektywne ujmowanie metanu w odległości od 50 do 100m za frontem ściany. Należą do nich: system podłużny z obcięciem przy chodniku wentylacyjnym oraz system z dwoma równoległymi chodnikami wentylacyjnymi. Dobre wyniki w warunkach niezbyt wysokiej metanowości daje system podłużny z przewietrzaniem homotropowym i doświeżaniem prądu powietrza zużytego pod warunkiem zachowania odpowiednich gabarytów chodnika utrzymywanego przy zrobach. W szczególności, przy ekstremalnej metanowości, zalecany może być system podłużny z drenażem nadległym, który zapewnia uzyskanie ponadprzeciętnej efektywności odmetanowania.

W warunkach wysokiego wydzielania metanu z warstw spągowych zalecane jest prowadzenie odmetanowania z wyrobisk wykonanych na niższych poziomach.

W niniejszym rozdziale nie analizowano możliwości prowadzenia odmetanowania otworami wiertniczymi wykonywanymi z powierzchni z uwagi na całkowitą nieopłacalność ekonomiczną takiego przedsięwzięcia.

W przypadkach, w których z różnych względów (np. pożarowych) konieczne jest przewietrzanie ściany sposobem na „U” (po caliźnie węglowej) z zastosowaniem pomocniczych urządzeń wentylacyjnych i nie ma możliwości bezpiecznego wentylacyjnego zwalczania zagrożenia metanowego lub przy niekorzystnym bilansie wentylacyjno-metanowym w wyrobiskach środowiska ściany, należy dostosować postęp eksploatacyjny (a tym samym wydobycie ze ściany) do wielkości wydzielania metanu pozwalającego na bezpieczne prowadzenie robót górniczych.

ZAGROŻENIE POŻAROWE

1. Czynniki wpływające na zagrożenie pokładów pożarami endogenicznymi

Proces samozapalenia węgla w kopalni uzależniony jest od:

• skłonności węgla do utleniania,

• czynników geologicznych,

• czynników górniczych.

2. Okres inkubacji pożaru endogenicznego a postęp ściany

W warunkach sprzyjających akumulacji ciepła, wytwarzanego w procesie niskotemperaturowego utleniania węgla, dochodzi do samozagrzewania, a następnie do samozapalenia węgla. Warunki takie występują w zrobach ścian zawałowych lub w szczelinach filarów węglowych, w sąsiedztwie wyrobisk chodnikowych, zwłaszcza w strefach zaburzeń tektonicznych, a także w stropie węglowym nad tymi wyrobiskami.

Długość okresu inkubacji (powstawania) pożaru endogenicznego dla węgla pozostawionego w zrobach ścian zawałowych zależy od skłonności węgla do utleniania, przenikania powietrza do zrobów i warunków akumulacji ciepła utleniania w zrobach. Czas ten wynoszący od 5 tygodni do około 5 miesięcy jest z reguły bardzo krótki w stosunku do czasu eksploatacji pokładu w określonym polu wybierkowym ściany. Zatem generalną zasadą prewencji pożarowej w polach wybierkowych ścian jest niedopuszczenie do zapoczątkowania procesu samozagrzewania węgla w zrobach zawałowych lub utrudnienie jego przebiegu.

Postęp ściany zawałowej powinien być na tyle duży, aby węgiel pozostawiony w zrobach, znajdował się w strefie niepełnego zawału za frontem ściany przez czas nie dłuższy od okresu inkubacji pożaru. Także czas wytransportowania obudowy, maszyn i urządzeń z likwidowanej ściany po zakończonej eksploatacji pokładu nie powinien przekraczać wyznaczonego okresu inkubacji pożaru.

Okres inkubacji pożaru endogenicznego jest wyznaczany następującymi metodami:

• metodą pośrednią - wskaźnikową, z wykorzystaniem wskaźników samozapalności węgla (Sz^a), energii aktywacji utleniania węgla (A) i temperatury początkowej utleniania węgla (t),

• metodą bezpośrednią, kalorymetryczną.

Znając zatem okres inkubacji pożaru, wyznaczony metodą kalorymetryczną, dla węgla z eksploatowanego pokładu można, na podstawie analizy prób powietrza pobranych ze zrobów w czasie prowadzenia ściany w tym pokładzie, określić temperaturę utleniającego się węgla w zrobach. W ten sposób można nie dopuścić do osiągnięcia przez ten węgiel temperatury krytycznej, przystępując odpowiednio wcześniej do działań prewencyjnych.

3. Zabezpieczanie ścian zawałowych o wysokiej koncentracji produkcji i przed pożarami endogenicznymi

Jak wspomniano, skoncentrowana eksploatacja górnicza powoduje powiększanie powierzchni rozdrobnionego węgla, która narażona jest na sorpcję tlenu, a tym samym na rozwój procesu utleniania się węgla. W konsekwencji może to prowadzić do samozagrzewania, a następnie samozapalenia się węgla. Stąd problem zabezpieczenia ścian o wysokiej koncentracji wydobycia jest niezwykłe istotny w czasie prowadzenia ścian zawałowych, od miejsca ich uruchomienia do miejsca likwidacji. Dlatego w tym czasie należy stosować:

1. ograniczenie strat węgla w zrobach,

2. zapobieganie przenikaniu powietrza przez zroby,

3. utrzymywanie dużego postępu ściany,

4. kontrolę zagrożenia pożarowego.

• 1.A. W celu ograniczenia strat węgla w zrobach ścian zawałowych należy dostosowywać wysokość obudów zmechanizowanych do grubości pokładów. W przypadku zwiększenia się grubości pokładu, należy nie urobioną warstwę węgla pozostawiać przy spągu pokładu, a nie pod stropem. Należy dostosowywać typ obudowy zmechanizowanej do parametrów wytrzymałościowych skał stropowych, aby zapewniała ona dobre utrzymanie wyrobiska ścianowego bez konieczności przypinania warstwy węgla. Odpowiednio dobrana obudowa, zmniejsza straty węgla w zrobach oraz zapewnia uzyskiwanie dużych postępów ściany (nie mniejszych od 60 metrów na miesiąc).

B. W przypadku wybierania pokładu grubego warstwami z zawałem stropu, z pozostawianiem między warstwowych półek węglowych należy ograniczyć grubość przypinanej półki do wyznaczonej minimalnej jej grubości. W czasie eksploatacji pokładu grubość półki należy kontrolować. W celu uniknięcia pozostawiania półek węglowych w pokładach grubych należy dążyć do rekonsolidacji gruzowiska zawałowego w warstwie górnej przed przystąpieniem do wybierania warstwy dolnej. Rekonsolidację można przeprowadzać w sposób naturalny przez podawanie do gruzowiska zawałowego wody, jeżeli skały zawałowe zawierają około 60% części ilastych. Rekonsolidację też można przeprowadzać przez podawanie do zrobów materiałów wiążących, np. mieszaniny złożonej z pyłu dymnicowego, odpadów z cementowni i wody. W celu ograniczenia strat eksploatacyjnych pokłady grube należy dzielić na jak najmniejszą liczbę warstw. Pokłady o grubości do 4,5 m powinny być wybierane na całą grubość.

• 2.A. W prewencji pożarowej istotne znaczenie ma racjonalne rozprowadzanie powietrza w polach ścian zawałowych, a więc takie przy którym przenikanie powietrza do zrobów będzie skutecznie ograniczone. Dlatego kierunek wybierania ścian zawałowych powinien być taki, aby co najmniej jeden z chodników przyścianowych można było rabować, podsadzać lub tamować za frontem ściany. Możliwość taka istnieje przy kierunku prowadzenia ścian od granicy pola wybierkowego. Duże przepływy powietrza przez ścianę (powyżej 1000 m³/min) stosowane dla rozrzedzenia metanu w pokładach silnie metanowych, powodują niekontrolowane ucieczki powietrza przez zroby zawałowe, co jest niekorzystne z punktu widzenia prewencji pożarowej.

B. W celu zmniejszenia przenikania powietrza do zrobów należy stosować uszczelnianie chodników przyścianowych oraz przemulać zroby mieszaninami podsadzkowymi z pyłu dymnicowego, piasku lub odpadów poflotacyjnych.

Należy nadmienić, że uszczelnianie zrobów zawałowych przez lokowanie w nich wodnej mieszaniny pyłu dymnicowego stosowane jest w polskich kopalniach od 1967 roku. Do zrobów ścian zawałowych oprócz pyłu dymnicowego podaje się również odpad poflotacyjny z zakładów przeróbczych oraz odpadową słoną wodę mającą własności antypirogenne. Obecnie we wszystkich kopalniach Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A. funkcjonują instalacje wytwarzające wodną mieszaninę pyłu dymnicowego lub odpadu poflotacyjnego i dostarczające ją rurociągami do zrobów. W 1998 roku w ten sposób w zrobach i wyrobiskach kopalń jastrzębskich ulokowano łącznie 636 tyś. ton pyłu dymnicowego z elektrowni i 241 tyś. ton odpadu poflotacyjnego.

Taki sposób uszczelniania zrobów zawałowych i wyrobisk jest stosowany w większości polskich kopalń. W przepisach górniczych zawarty jest wymóg doprowadzania do każdej uruchamianej ściany zawałowej instalacji do podawania podsadzki hydraulicznej lub pyłu dymnicowego do zrobów, jeżeli przewiduje się przypinanie warstw węgla lub pozostawianie w zrobach węgla [5].

C. W pokładach o małym nachylaniu (do 10°) należy preferować prowadzenie ścian zawałowych po wzniosie pokładu. Wtedy podczas likwidacji obydwu wyrobisk przyścianowych za frontem ściany następuje wypełnianie zrobów gazami inertnymi (CÓ₂, N₂, CH₄), w odległości 60÷100m od przodka ściany, w których na skutek obniżenia zawartości tlenu utrudnione jest utlenianie węgla. Także w ścianach prowadzonych po wzniosie pokładu łatwiejsze jest pod względem technologicznym przemulanie zrobów, a w przypadku zagrożenia pożarowego zatopienie zrobów wodą.

• 3. Z koncentracją wydobycia związany jest bezpośrednio postęp frontu ścianowego. Podkreślano już, że postęp ściany zawałowej powinien być na tyle duży, aby węgiel pozostawiony w zrobach znajdował się w strefie niepełnego zawaha przez czas nie dłuższy od okresu inkubacji pożaru endogenicznego. Można zatem, określić minimalną wielkość postępu, niezbędną do spełnienia warunku odpowiedniego w czasie kształtowania się rozwoju zawału wysokiego za frontem ściany, który doszczelnia zroby zawałowe. Z tego względu duże postępy ścian zawałowych (5÷15m/dobę) uzyskiwane w wyniku mechanizacji i automatyzacji procesów wydobywczych są korzystne z uwagi na zapobieganie pożarom. W ścianach zawałowych na odcinkach zrobów, na których postęp ściany wynosił 60÷100m/miesiąc nie stwierdzono zagrożeń pożarowych, gdyż czas eksploatacji był krótszy od okresu inkubacji pożaru.

• 4. Pola wybierkowe ścian o wysokiej koncentracji produkcji powinny być objęte kontrolą wczesnego wykrywania pożarów za pomocą systemów CO-metrii automatycznej i nowej metody GIG oznaczania śladowych zawartości węglowodorów nienasyconych i wodoru w zrobach, na podstawie uprzednio wyznaczonego w kalorymetrze okresu inkubacji pożaru dla węgla pozostawianego w zrobach [2, 3, 5]. Dla kontroli rejonu ściany zawałowej należy przewidzieć co najmniej dwa punkty próbobiorcze (wlotowy i wylotowy) zlokalizowane na początku chodników przyścianowych w prądach powietrza przepływowego i co najmniej jeden punkt próbobiorczy w zrobach ściany usytuowany przy chodniku wentylacyjnym. W czasie kontroli należy obserwować zmiany stężeń produktów utleniania węgla (CO, CO₂, C₂H₄, C₃H₆ i H₂) oraz zmiany wskaźników pożarowych (Δ CO, Vco, 100 G).

W przypadku wzrostu stężeń gazów i przekroczenia przez wskaźniki pożarowe wartości krytycznych należy bezzwłocznie przystąpić do działań prewencyjnych, tj. przemulania zrobów mieszaninami inertnymi, ograniczania ilości powietrza przepływającego przez ścianę, zwiększenia postępu ściany, uszczelnienia chodników przyścianowych od strony zrobów, zmniejszenia oddziaływania wentylatorów głównych na zroby, podawania do zrobów azotu, wody itp.

Kontrolę ściany zawałowej należy prowadzić od chwili jej uruchomienia do czasu wyłączenia ściany z ruchu (tj. wytransportowania wyposażenia technicznego ze ściany i otamowania jej zrobów).

LITERATURA

1. Borowski J.: Zależność gazowości ścian od wielkości wydobycia. Prace GIG, Komunikat nr 472. Katowice, GIG 1969.

2. Cybulski K., Krause E., Łukowicz K: Wpływ koncentracji wydobycia nakształtowanie się zagrożenia metanowego w wyrobiskach środowiska ściany. Materiały na I Szkołę Aerologii Górniczej, Zakopane, październik 1999. Kraków, Komitet Górnictwa PAN 1999.

1. Cybulski W., Myszor H,: Próba określenia ogólnej zależności wydzielania metanu od wielkości wydobycia. Archiwum Górnictwa 1974, z. 2.

2. Frycz A., Kozłowski B.: Przewietrzanie kopalń metanowych. Katowice, Wyd. „Śląsk" 1979

3. Grębski Z., Kozłowski B.: Odmetanowanie górotworu w kopalniach. Katowice, Wyd. „Śląsk" 1982.

4. Kalisz J., Kozłowski B., Niesobski W.; Maksymalne wydzielanie się metanu w chodnikach i ścianach oraz metody jego prognozowania. Prace GIG, Komunikat nr 515. Katowice, GIG 1971.

5. Kozłowski B.: Prognozowanie zagrożenia metanowego w kopalniach węgla kamiennego. Katowice, Wyd. „Śląsk"1972.

6. Kozłowski B., Kalisz J.: Wytyczne stosowania metody KD Barbara prognozowania metanowości ścian z uwzględnieniem współczynników korygujących uzyskanych w oparciu o porównawczą analizę wyników prognoz ze stanem faktycznym. Dokumentacja pracy GIG. Mikołów 1976 (nie publikowana).

7. Krause E., Łukowicz K.: Prognoza metanowości bezwzględnej dla ścian o wysokiej koncentracji wydobycia. Materiały konferencyjne: Najnowsze osiągnięcia w zakresie przewietrzania kopalń oraz zwalczanie zagrożeń pożarowych, gazowych i klimatycznych. Katowice, GIG 1999.

8. Łunarzewski L.: Predłction of gaś capture from active gaś resources for coalbed methane utilisation. Conference of Coalbed Methane Utilisation. Katowice, GIG 1994.

9. .Myszor H.: Możliwości intensyfikacji wydobycia ze ścian z uwagi na zagrożenie metanowe. Prace GIG, Seria dodatkowa. Katowice, GIG 1976.

12. Myszor H.: O zależności wydzielania się metanu od robót prowadzonych w ścianie. Przegląd Górniczy 1971 Nr 2.

13. Myszor H.: Prognozowanie zdolności wydobywczych ścian z uwagi na zagrożenie metanowe. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie 1997 Nr 4.

14. Myszor H: Wydzielanie się metanu ze ścian o dużym wydobyciu. Przegląd Górniczy 1974 Nr 5.

15. Analiza warunków geologiczno-górniczych mających wpływ na zaistniałe pożary endogeniczne w latach 1991-1990. Dokumentacja nr 1.9.3/0109030F6. Katowice, GIG 1991 (nie publikowana).

16. Prawo Geologiczne i Górnicze - Ustawa z dnia 4 lutego 1994 roku. Dz.U. Nr 27, póz. 96.

ZAGROŻENIE PYŁOWE

1. Wpływ koncentracji wydobycia na zagrożenie pyłowe

Ilość tworzącego się pyłu węglowego zależy od rodzaju węgla i procesu technologicznego. Pył tworzy się podczas urabiania i transportu urobku. Głównymi źródłami zapylenia są:

• praca kombajnów ścianowych i chodnikowych,

• ruch obudowy,

• transport urobku, w tym przesypy.

Obecnie przyjmuje się, że około 2÷3% urobku przekształca się w pył.

Koncentracja wydobycia zmienia rozkład źródeł emisji pyłu w kopalni. Zamiast kilkunastu ścian emitujących pył, pozostają dwie lub trzy. Zmniejsza się też liczba wyrobisk chodnikowych. Nie zmienia się jednak całkowita ilość wytwarzanego pyłu. Bez skutecznych systemów zwalczania nie byłoby możliwości prowadzenia eksploatacji, nie tylko z powodu przekroczenia dopuszczalnych wartości stężeń pyłu w powietrzu i nagromadzenia pyłów osiadłych, ale z powodu tak prozaicznego, jak ograniczenie widoczności na stanowiskach pracy. Takie zjawisko towarzyszyło wprowadzaniu pierwszych kombajnów chodnikowych.

Przenoszenie pyłu od źródeł jego powstawania na cały obszar kopalni odbywa się poprzez wentylacyjny ruch powietrza. Można przewidywać, że zwiększone ilości powietrza podawane do ścian i przodków chodnikowych spowodują, że zagrożenie pyłowe obejmie całą kopalnię, a nie tylko miejsca, w których są urabiane skały.

Badania wykazały, że drugim równorzędnym, oprócz urabiania, źródłem zapylenia w ścianach jest przesuwanie obudowy. Zwalczanie zapylenia wytwarzanego w czasie przesuwania obudowy jest problemem złożonym i nie zostało opanowane w górnictwie światowym, pomimo prób stosowania różnych instalacji i systemów.

2. Zagrożenie wybuchem pyłu węglowego w ścianach wysoko produkcyjnych

Wzrost emisji pyłu w ścianach wysoko produkcyjnych w stosunku do ścian tradycyjnych w naturalny sposób powoduje zwiększenie ilości pyłu osiadającego w wyrobiskach przyścianowych. Zwiększa to niebezpieczeństwo wybuchu pyłu węglowego w rejonach ścian. O niebezpieczeństwie wybuchu pyłu węglowego decydują dwa czynniki występujące równocześnie:

• istnienie inicjału wybuchu,

• obecność w wyrobiskach pyłu, który pod wpływem działania inicjału może tworzyć palące się obłoki i w efekcie powodować przenoszenie wybuchu pyłu węglowego.

• Nie można dać prostej odpowiedzi na pytanie czy koncentracja wydobycia ma pozytywny wpływ na zagrożenie pyłowe. Można natomiast znaleźć przykłady zarówno jej negatywnego, jak i pozytywnego wpływu. W przyszłości po wprowadzeniu skutecznych systemów zwalczania emisji pyłów, koncentracja okaże się czynnikiem jednoznacznie pozytywnym. Wynika to ze zmniejszenia liczby ścian wydobywczych i robót chodnikowych, a więc ograniczenia liczby źródeł zapylenia. Koncentracja wydobycia może umożliwić zgrupowanie środków do zwalczania emisji pyłów, a tym samym poprawić skuteczność zwalczania zapylenia.

• Zagrożenie pyłowe zarówno w aspekcie zagrożenia wybuchem, jak i zagrożenia pyłami szkodliwymi dla zdrowia nie jest czynnikiem decydującym o możliwości eksploatacji ściany wysoko produkcyjnej. Istnieją przykłady takich ścian, w których warunki pyłowe są znacznie lepsze niż w ścianach tradycyjnych. Istnieją też przykłady odwrotne. Oznacza to, że zapewnienie zgodnych z przepisami warunków pracy pod względem zagrożenia pyłowego wymaga doboru adekwatnych systemów zwalczania zapylenia. Zaleca się, aby około 10% ogólnej mocy zainstalowanej w ścianie było użytkowane dla celów zwalczania zapylenia.

• Istnieje pilna potrzeba rozwiązania problemów zabezpieczeń przeciwwybuchowych w rejonach ścian wysoko produkcyjnych. Obecnie prawie wszystkie kopalnie mają poważne trudności z dotrzymaniem wymagań przepisów dotyczących zawartości części niepalnych. Trudności te dotyczą ścian wysoko produkcyjnych, jak i tradycyjnych. Skala trudności w ścianach wysoko produkcyjnych jest jednak nieporównanie większa. Dotyczy to w szczególności ścian prowadzonych w pokładach metanowych, w których prawdopodobieństwo powstania zapłonu metanu, a co za tym idzie zainicjowania wybuchu pyłu węglowego, wzrasta.

ZAGROŻENIE TĄPANIAMI

1. Czynniki warunkujące zagrożenie tąpaniami

O zagrożeniu tąpaniami wyrobisk górniczych decydują przede wszystkim:

• ciśnienie górotworu,

• budowa i własności skał otaczających,

• budowa i własności złoża (pokładu),

• uwarunkowania technologiczne.

Z badań i praktyki górniczej wynika, że ciśnienie górotworu uwarunkowane jest:

• głębokością prowadzenia robót górniczych,

• ciężarem objętościowym skał nadległych,

• zaburzeniami tektonicznymi,

• zaszłościami eksploatacyjnymi.

Zagrożenie tąpaniami wyrobisk górniczych (nie pokładów!) warunkowane jest wieloma czynnikami geologiczno-górniczymi i technologicznymi. Najważniejsze z nich to:

• duża wartość ciśnienia górotworu, będącego rezultatem głębokości prowadzenia robót górniczych, zaszłości eksploatacyjnych, zaburzeń tektonicznych, itp.,

• własności mechaniczne pokładu i skał otaczających, przy czym wraz ze zwiększeniem ich wytrzymałości zwiększa się obiektywnie istniejące zagrożenie tąpaniami,

• całokształt technologii prowadzenia robót górniczych i utrzymania wyrobisk.

Najskuteczniejszą profilaktykę tąpaniową, a równocześnie zdecydowanie najtańszą - stanowi właściwy projekt eksploatacji. Dalsze miejsca zajmuje technologia prowadzenia robót górniczych i aktywna (doraźna) profilaktyka tąpaniową wraz z monitoringiem zmian stanu zagrożenia.

Najwięcej kontrowersji budzi dobór prędkości postępu ścian w warunkach zagrożenia tąpaniami. Ani dociekania teoretyczne, ani empiryczne nie dały jednoznacznej odpowiedzi. Sądzić należy, że wynika to z faktu przyjmowania prędkości postępu frontu w odniesieniu do doby, tygodnia bądź miesiąca, w oderwaniu od technologii urabiania. Biorąc natomiast pod uwagę fakt, że deformacja stropu i pokładu, a wiec i zmiana w nich stanu naprężenia zależy od głębokości zabioru, prędkości i częstości jego wykonywania - przyjmowanie prędkości postępu ściany w skali doby czy dłuższego czasu nie może dać miarodajnych informacji dla oceny wpływu prędkości postępu ściany na zagrożenie tąpaniami.

Stosowanie materiałów wybuchowych do urabiania w kopalniach miedzi jest jedną z metod prowokowania tąpnięć podczas nieobecności ludzi w przodku, a więc stanowi specyficznie rozumianą profilaktykę tąpaniową, generującą zdecydowaną większość wysokoenergetycznych wstrząsów górotworu.

W górnictwie węglowym profilaktykę taką - ze względu na koszt wyposażenia przodków - zalecać można wyłącznie w przypadkach szczególnych, kiedy zawodzą inne metody.

Stosując płytkie zabiory, a często po sobie następujące - uzyskuje się stosunkowo łagodne, powolne zmiany warunków naprężeniowo - deformacyjnych zarówno w pokładzie, jak i w skałach otaczających. Głębokie zabiory i duże prędkości ich wykonania natomiast prowadzą do gwałtownych, prowokujących zmian stanów naprężeniowo - deformacyjnych w pokładzie i jego otoczeniu. Z powyższego wynika, że większy wpływ na zmianę stanu zagrożenia tąpaniami wywiera technologia urabiania niż prędkość postępu przodku, określana w skali doby czy tygodnia.

Należy podkreślić, że przy intensywnej eksploatacji czas pozostawiany na profilaktykę tąpaniową zostaje ograniczony. Prowadzi to do ograniczenia jej zakresu lub pogorszenia jakości jej wykonania. Powyższe może mieć istotne znaczenie dla rzeczywiście występującego stanu zagrożenia tąpaniami.

Tablica 1. Sposób oceny stanu zagrożenia tąpaniami wyrobisk górniczych

Charakterystyka górotworu	Charakterystyka pokładu	Ciśnienie w pokładzie	Ocena stanu zagrożenia tąpaniami wyrobiska przy wartości energii niszczącej En
	Górotwór nie generuje średnio i wysokoenergetycznych wstrząsów	Pokład słabo skłonny do tąpań R ≤ 16 MPa	pz < 0,25 Cn 0,25Cn<pz< 0,50 Cn 0,50Cn< pz≤ Cn	a a b	Górotwór nie emituje energii
		Pokład skłonny do tąpań R > 16 MPa	pz ≤ 0,25 Ct 0,25Ct < pz < 0,50 Ct 0,50Ct < pz ≤ Ct	a b c
	Górotwór generuje wstrząsy średnio i wysokoenergetyczne	Pokład słabo skłonny do tąpań Rc ≤ 16 MPa	pz ≤ 0,25 Cn 0,25Cn<pz≤0,50Cn 0,50 Cn<pz≤Cn	a b c	a b c	b c d	c d NB
		Pokład skłonny do tąpań R > 16 MPa	pz ≤ 0,25 Ct 0,25Ct < pz ≤ 0,50 Ct 0,50 Ct < pz ≤ Ct	a b c	b c d	c d NB	d NB NB

Tablica 2. Definicje stanu zagrożenia tąpaniami wyrobisk

Oznaczenie stanu zagrożenia	Stan zagrożenia tąpnięciem	Definicja
a	Wyrobisko nie zagrożone tąpaniami	Ciśnienie statyczne lub też suma ciśnienia statycznego i ciśnienia dynamicznego są mniejsze od ciśnienia kryterialnego, powodującego dynamiczne zniszczenie struktury pokładu
b	Wyrobisko słabo zagrożone tąpaniami	Ciśnienie statyczne lub też suma ciśnienia statycznego i ciśnienia dynamicznego mogą zbliżyć się do granicy ciśnienia kryterialnego dla chodników bez profilaktyki tąpaniowej
c	Wyrobisko średnio zagrożone tąpaniami	Ciśnienie statyczne lub też suma ciśnienia statycznego i ciśnienia dynamicznego mogą zbliżyć się do ciśnienia kryteriałnego dla chodników z profilaktyką tąpaniową
d	Wyrobisko silnie zagrożone tąpaniami	Ciśnienie statyczne lub też suma ciśnienia statycznego i dynamicznego mogą przekroczyć wartość ciśnienia kryterialnego dla chodników ze standardowo prowadzoną profilaktyką tąpaniową
NB	Warunki niebezpieczne	Nie można wykluczyć tąpnięcia. Wymagane są specjalne techniki wykonywania i utrzymywania wyrobisk lub też może być zasadne zaniechanie wykonywania lub utrzymywania wyrobiska

ZAGROŻENIE WODNE

Przez zagrożenie wodne rozumie się możliwość wdarcia lub niekontrolowanego dopływu wody (solanki, ługów) albo wody z luźnym materiałem do wyrobisk górniczych oraz do strefy spękań wokół tych wyrobisk, stwarzającego niebezpieczeństwo dla ruchu zakładu górniczego lub jego pracowników. Syntetyczny podział źródeł zagrożenia wodnego ujmuje tablica 9.1. Podział ten ma istotne znaczenie przy projektowaniu filarów bezpieczeństwa oddzielających wyrobiska górnicze od źródeł zagrożenia wodnego.

Tablica 1. Podział źródeł zagrożenia wodnego

Grupa	Źródło zagrożenia wodnego
I	zbiorniki i cieki powierzchniowe zatopione zroby kopalniane
II	uskoki i szczeliny wodonośne warstwy wodonośne nie zlikwidowane otwory wiertnicze

Do I grupy źródeł zagrożenia należą zbiorniki i cieki powierzchniowe oraz zbiorniki wodne w wyrobiskach górniczych. W zbiornikach wód powierzchniowych, jak stawy, osadniki, cieki oraz w zatopionych zrobach opory hydrauliczne są bardzo małe, wskutek czego woda może się w nich swobodnie przemieszczać. W wypadku wdarcia się wody z takiego zbiornika do wyrobiska górniczego natężenie wypływu zależy jedynie od przepustowości samego połączenia zaistniałego między zbiornikiem a wyrobiskiem. Dopływ wody od strony zbiornika do miejsca wdarcia jest praktycznie nieograniczony, a natężenia wypływu mogą osiągać rząd kilkuset metrów sześciennych na minutę.

Źródła zagrożenia zaliczone do I grupy powstają w wyniku działalności człowieka i mogą być skutecznie lokalizowane i kontrolowane. Koncentracja wydobycia może mieć korzystny wpływ na rozmieszczenie zbiorników wodnych w zrobach. W przypadku bowiem rozproszonej eksploatacji możliwe jest pozostawianie zbiorników wodnych w podpoziomowych zrobach w różnych partiach kopalni, co bardzo utrudnia eksploatację i może stanowić zagrożenie, szczególnie dla robót górniczych prowadzonych na niższych poziomach.

Do II grupy źródeł zagrożenia należą warstwy i szczeliny wodonośne oraz nie zlikwidowane lub źle zlikwidowane otwory wiertnicze, które mogą kontaktować się ze zbiornikami wodnymi. Ruch wody jest tu limitowany przepuszczalnością ośrodka, w którym woda się znajduje. Wdarcia wody do wyrobisk górniczych ze zbiorników tego typu nieraz poważnie utrudniają prowadzenie robót górniczych, nie mają jednak tak gwałtownego charakteru, aby zagrażać bezpośrednio życiu ludzkiemu.

Źródła zagrożenia zaliczone do II grupy związane są z naturalnym zawodnieniem górotworu. Uskoki i szczeliny wodonośne, jak również nie zlikwidowane otwory wiertnicze są wtedy groźne, gdy przecinają nie zdrenowane warstwy wodonośne, z których mogą być zasilane. Szczególnie niebezpieczne są zawodnione szczeliny uskokowe przecinające warstwy słabo zwięzłych, rozmywalnych piaskowców warstw łaziskich i libiąskich. Otwarcie takiej szczeliny wyrobiskiem górniczym powoduje wypływ wody z luźnym materiałem skalnym wymywanym z górotworu, który z czasem się powiększa, przechodząc w groźne wdarcie. Powstaje wówczas w stropie wyrobiska pustka, która następnie, wskutek kolejnych obwałów, przemieszcza się ku górze, powodując powstanie groźnego zapadliska na powierzchni terenu.

Zabezpieczenie kopalni przed zagrożeniem wodnym polega na wyprzedzającym rozpoznaniu lokalizacji i charakteru źródeł zagrożenia oraz na podejmowaniu odpowiednich działań mających na celu jego ograniczenie. Działania te mogą polegać na odgradzaniu źródeł zagrożenia przez pozostawianie odpowiednich filarów bezpieczeństwa lub budowę tam wodnych albo na likwidacji źródeł zagrożenia przez odwadnianie zbiorników wodnych w zrobach, lub zdrenowanie zagrażających eksploatacji poziomów wodonośnych. Zakres robót zarówno rozpoznawczych, jak i zabezpieczających jest w dużym stopniu zależny od rozproszenia lub koncentracji eksploatacji i towarzyszących jej robót górniczych,

Otwory badawcze wierci się zazwyczaj z wyrobiska chodnikowego lub ze specjalnej wnęki w przypadku zbliżania się przodka chodnika do uskoku wodonośnego, lub w przypadku prowadzenia wyrobiska w pobliżu stropu karbonu pod zawodnionymi warstwami nadkładowymi. Otwory badawcze i wyprzedzające umożliwiają badania zawodnienia górotworu przed czołem wyrobiska i w jego otoczeniu oraz określanie własności geomechanicznych przewiercanych skał.

Koncentracja robót górniczych pozwala na ograniczenie przestrzeni objętej robotami rozpoznawczymi, a w konsekwencji na zwiększenie ich zagęszczenia i tym samym pewności i dokładności rozpoznania. W przypadku rozproszenia robót górniczych często zachodzi konieczność prowadzenia wyrobisk górniczych w partiach nie rozpoznanych, w nie zdrenowanym górotworze, co stawia trudne do pełnej realizacji zadania w zakresie wyprzedzającego rozpoznania górotworu i lokalizacji ewentualnych źródeł zagrożenia wodnego.

Najpewniejszym sposobem zabezpieczenia kopalni przed zagrożeniem wodnym jest likwidacja zagrażających zbiorników wodnych. Zbiorniki wodne w zrobach kopalnianych likwiduje się przez grawitacyjne, kontrolowane odprowadzanie wody do niżej usytuowanych czynnych wyrobisk górniczych a następnie do rząpia głównego odwadniania kopalni. W tym celu z niżej usytuowanych wyrobisk wierci się do zbiornika specjalne otwory spływowe. Podobnie odwadnia się warstwy wodonośne zalegające na stropie karbonu, jeżeli mogą one stanowić zagrożenie wodne dla prowadzonych robót górniczych.

Koncentracja robót górniczych jest również korzystna w przypadku konieczności odgrodzenia się od źródła zagrożenia wodnego za pomocą filarów bezpieczeństwa lub tam wodnych. W przypadku rozproszonego wydobycia każdy rejon robót musi być chroniony osobnym filarem bezpieczeństwa, natomiast w przypadku skoncentrowanego wydobycia jeden filar może okazać się wystarczający.

Reasumując można stwierdzić, że koncentracja wydobycia powoduje zmniejszenie zagrożenia wodnego w kopalniach węgla kamiennego a równocześnie umożliwia bardziej skuteczne przeciwdziałanie temu zagrożeniu.

ZAGROŻENIE KLIMATYCZNE

Na warunki klimatyczne w wyrobisku górniczym wpływają zarówno ciepło i wilgoć płynące z górotworu, jak i ciepło pochodzące od urządzeń energomechanicznych. Im wyższa temperatura pierwotna skał tym więcej ciepła przedostaje się z nich do powietrza kopalnianego.

Drugim, oprócz masywu skalnego, 'poważnym źródłem ciepła są pracujące urządzenia urabiające i odstawcze wraz z transportowanym urobkiem.

Reasumując można powiedzieć, że wzrost koncentracji wydobycia pozytywnie wymusza dostosowanie kopalnianej sieci wentylacyjnej do mniejszej liczby rejonów wydobywczych, a tym samym stwarza możliwość wzrostu intensywności przewietrzania. Równocześnie jednak wzrost wydobycia z jednej ściany związany jest zazwyczaj ze wzrostem mocy zainstalowanych maszyn i urządzeń ciągu technologicznego, a tym samym powoduje to wzrost strumieni ciepła i wilgoci wnikających do powietrza kopalnianego. W praktyce zdarza się, że wzrost intensywności przewietrzania nie kompensuje skutków wzrostu strumienia ciepła i wilgoci. Zatem nie jest jednoznaczna zależność zagrożenia klimatycznego od koncentracji wydobycia.

-25-

---