POWSTAWANIE I PRZEBIEG POŻARÓW PODZIEMNYCH

Pożary podziemne są zaliczane do największych zagrożeń górniczych, gdyż wielokrotnie były powodem tragicznych katastrof górniczych. Przez pożar podziemny 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 węgla powyżej 0,0026% .

Pojawienie się w powietrzu kopalnianym dymów lub tlenków węgla w stężeniu powyżej 0,0026% w wyniku stosowania dopuszczalnych procesów technologicznych (np. robót strzelniczych, prac spawalniczych, maszyn górniczych z napędem spalinowym lub wydzielanie się tlenku węgla w procesie urabiania) nie uważa się za pożar podziemny. Główne zagrożenie wynikające z powstawania pożaru podziemnego jest związane z szybkim rozprzestrzenianiem się gazów i dymów w wyrobiskach kopalnianych. Gazy te zazwyczaj nie ulegają dostatecznemu rozrzedzeniu, jak w warunkach powierzchniowych na otwartej przestrzeni, dlatego mogą zaskoczyć załogę spowodować jej zatrucie lub uduszenie, nawet w dużej odległości od ogniska 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.

Warunkiem koniecznym powstania pożaru jest jednoczesne wystąpienie trzech czynników, tj.: materiału palnego, źródła wysokiej temperatury trwającej przez dostatecznie długi okres oraz odpowiedniego stężenia tlenu w miejscu formowania się ogniska pożaru. Materiałami palnymi w kopalniach są m.in.: węgiel, łupki palne, niektóre rudy siarczkowe, drewno, smary, oleje, odpadki wełniane i bawełniane nasycone olejem służące do czyszczenia maszyn, gaz kopalniany itp.

Zapalenie materiałem może nastąpić w wyniku działania zewnętrznego źródła ciepła o dostatecznie wysokiej temperaturze i dostatecznie długim okresie działania lub wskutek egzotermicznych przemian fizykochemicznych

doprowadzających do samozapalenia materiału palnego, zwłaszcza węgla lub rud siarczkowych.

W górnictwie podziemnym wyróżnia się dwa rodzaje pożarów:

-egzogeniczne, tzn. pożary które powstały z przyczyn zewnętrznych,

-endogeniczne, tzn. pożary, które powstały z przyczyn wewnętrznych, tj. wskutek samozapalenia węgla lub rudy.

Podział ten ma znaczenie przede wszystkim ze względu na zapobieganie pożarom podziemnym.

Pożary podziemne dzieli się także na pożary otwarte, tj. pożary z otwartym płomieniem i pożary ukryte, tj. bez otwartego płomienia.

W powietrzu kopalnianym podczas pożarów ukrytych wystęują tylko gazy pożarowe, podczas pożarów otwartych natomiast występują również płomienie lub żarzenie się materiału palnego. Podział ten jest ważny przede wszystkim z punktu widzenia wyboru sposobu zwalczania danego pożaru. Pożary ukryte powstają wyłącznie wskutek samozapalenia węgla lub rudy.

3.1.Pożary egzogeniczne

Wszystkie pożary egzogeniczne należą do pożarów otwartych. Ze względu na przyczyny powstawania dzieli się je zazwyczaj na pożary: wywołane otwartym płomieniem, wadliwym działaniem urządzeń elektrycznych lub mechanicznych, wybuchami gazów lub pyłu oraz wadliwym prowadzeniem robót strzelniczych.

Pożary wywołane otwartym płomieniem są coraz rzadsze, co jest związane z wprowadzeniem światła zamkniętego i zakazu palenia tytoniu w podziemiach kopalni. Pożary te występują jednak jeszcze w kopalniach, przy czym zapalenie materiału palnego następuje zazwyczaj wskutek wadliwego wykonywania robót spawalniczych w wyrobiskach górniczych.

Przyczyną pożarów powstałych wskutek wadliwego działania urządzeń elektrycznych jest wydzielanie nadmiernej ilości ciepła, głównie wskutek ich przeciążenia. Przeciążenie to może być spowodowane niewłaściwym doborem kabli lub urządzeń elektrycznych do warunków pracy. Przyczyną pożaru może być także niewłaściwa instalacja urządzeń elektrycznych, np. niestaranne wykonanie złączy w mufach kablowych. Zdarzają się również pożary wywołane zwarciem w sieci elektrycznej.

Do najczęstszych przyczyn pomiarów powstających wskutek wadliwego działania urządzeń mechanicznych należy zatarcie się łożysk bębnów zwrotnych i napędowych przenośników taśmowych albo zaklinowanie taśmy przenośnika bryłami skalnymi. Groźne w skutkach może być również zapalenie się oleju lub jego par w niektórych urządzeniach mechanicznych.

W następstwie wybuchów gazów i pyłów węglowego w kopalniach węgla lub pyłu pirytowego w kopalniach rud siarczków mogą wystąpić pożary, których niebezpieczeństwo w kopalniach metanowych jest potęgowane możliwości powtarzania się wybuchów.

W kopalniach węgla tub pirytu występuje warunki, w których roboty strzelnicze mogą wywołać pożar, np.: odzieży, smarów lub innych palnych przedmiotów pozostawionych w przodku. W pewnych warunkach roboty strzelnicze mogą spowodować zapalenie metanu w przodku, wybuch pyłu węglowego, Co z kolei jest przyczyną pożaru.

Pożary egzogeniczne mogą powstać w każdej kopalni i w zasadzie w każdym jej miejscu. Zazwyczaj pojawiają się niespodziewanie, bez dłużej trwających oznak ostrzegawczych. Pożary te rozwijają się gwałtownie z wydzielaniem dużych ilości dymów, powodując wypalanie się obudowy wyrobisk górniczych, co jest przyczyną powstawania zawałów utrudniających dostęp do ogniska pożaru.

Niespodziewane powstanie pożaru egzogenicznego oraz gwałtowny jego rozwój może zaskoczyć załogę dołową. Liczba wypadków z ludźmi w czasie pożarów egzogenicznych jest na ogół większa niż w czasie pożarów endogenicznych.

3.2 Pożary endogeniczne.

Należą one do najczęstszych pożarów w kopalniach węgla kamiennego, co wiąże się z łatwą palnością węgla oraz z jego dużą skłonnością do samozapalenia. Pożary endogeniczne powstają również w kopalniach eksploatujących złoża kopalin palnych, bądź gdy w określonych miejscach kopalń zostały zgromadzone materiały skłonne do samozapalenia. Proces samozapalenia i samozagrzewania węgla może mieć miejsce jeżeli równocześnie występują

-rozdrobniony węgiel skłonny do niskotempera-turowego utleniania

-dopływ powietrza do nagromadzonego węgla

-akumulacja ciepła wydzielającego się w czasie reakcji utleniania węgla.

Pierwszy z wymienionych czynników związany jest z właściwościami substancji węglowej, dwa pozostałe zależą od warunków górniczo-geologicznych (np. stosowany system eksploatacji, sposób przewietrzania kopalni).

Przy właściwie prowadzonych robotach górniczych i odpowiednim przewietrzaniu kopalni oraz oddziałów produkcyjnych można uniknąć pożaru nawet w pokładach bardzo skłonnych do samozapalenia. Pożary te charakteryzują się spokojnym przebiegiem przy czym wcześniej pojawiają się oznaki zewnętrzne takich pożarów co umożliwia ich wykrycie i likwidację

Wskutek niedostępności ogniska są trudniejsze do ugaszenia aniżeli pożary egzogeniczne.

3.2.1 Proces samozapalenia węgla.

W procesie tym można wyróżnić dwa charakterystyczne okresy:

-przygotowawczy(inkubacyjny)

-samozagrzewania się węgla, które może doprowadzić do samo-zapalenia.

W okresie inkubacyjnym nie obserwujemy wzrostu temperatury węgla. W drugim okresie temper. węgla systematycznie się podnosi. Po osiągnięciu przez węgiel temper. krytycznej z przedziału 60-80 C, następuje szybki wzrost temper. aż do temper. zapłonu T_z. Gdy węgiel nie osiągnie temper. krytycznej lub gdy po jej osiągnięciu wystąpią warunki sprzyjające odprowadzeniu ciepła, to następuje przerwanie samozagrzewania i rozpoczyna się okres chłodzenia. Dalszy dopływ powietrza do ochłodzonego węgla prowadzi do jego zwietrzenia. RYS.

Obecnie wiadomo, że samozapalenie węgla jest spowodowane utlenianiem się węgla w temper. otoczenia, różne są natomiast poglądy na przyczyny zapoczątkowania procesu samoza-grzewania węgla i wzrostu temper. do 60 C. Dlatego też powstało wiele teorii i hipotez dotyczących tego zjawiska:

Teoria pirytowa przyjmowała, że wskutek działania tlenu i wody na piryt znajdujący się w węglu zachodzi reakcja utleniania pirytu wg wzoru

2FeS₂+7O₂+2H₂O→2FeSO₄+2H₂SO₄ +Q. Ciepło Q powoduje nagrzewanie substancji węglowej i jej zapalenie.

Teoria bakteryjna decydującą rolę odgrywa proces fermentacji w czasie, którego wydziela się ciepło co w efekcie prowadzi do zapalenia się węgla.

Teoria fenolowa przyjmuje, że samozagrzewanie węgla następuje wskutek energicznego pochłaniania tlenu znajdującego się w powietrzu przez nienasycone związki fenolowe zawarte w węglu przy równoczesnym wydzielaniu ciepła.

Teoria kompleksu węgiel-tlen przypisuje główną rolę zdolności węgla do adsorbowania tlenu z powietrza i związanym z tym wydzielaniem się ciepła np. fuzyt związek węgla posiada bardzo dużą zdolność adsorbowania tlenu, sam jednak nie ulega samozapaleniu tylko przekazuje tlen.

Temper. zapłonu węgla o zawartości 10% części lotnych to 350÷380 C.

30% 320÷360 C.

3.2.2 Czynniki wpływające na proces samozapalenia węgla.

Skłonność węgla do samozapalenia jest naturalną właściwością substancji węglowej i zależy od wielu czynników, zarówno naturalnych jak i technicznych.

Czynniki naturalne:

Metamorfizm węgla – stwierdzono, że im węgiel jest mniej uwęglony tym jest bardziej skłonny do samozapalenia (antracyt).

Skład petrograficzny węgla. Występują składniki posiadające skłonność do samozapalenia. Najtwardszą odmianą węgla jest duryt, który w czasie kruszenia rozpada się na grube ziarna. Witryt jest bardzo kruchy, spękany, a jego szczeliny są często wypełnione pirytem co powoduje, że jest ośrodkiem samozapalenia węgla. Fuzyt jest sypki, łatwo rozpada się na drobny pyłek, ze względu na wysoką tempera. zapłonu nie powoduje samozapalności, chyba, że znajduje się blisko witrytu. Stwierdzono, że pożary endogeniczne powstają w pokładach bogatych w witryt, w cienkich warstewkach miękkiego, silnie porowatego węgla występującego na kontakcie węgla ze skałami płonnymi.

Wilgoć. Pewna ilość ciepła musi być zużyta na odparowanie wody, wynikało by z tego, że wilgoć utrudnia samozapalenie. Obecność wilgoci ułatwia rozkład pirytu oraz przebieg innych reakcji chemicznych sprzyjając tym samozagrzewaniu węgla. Pewien stopień zawilgocenia węgla sprzyja procesowi samozapalenia, nadmiar wilgoci zmniejsza tą skłonność.

Grubość pokładu. Jakiekolwiek pożary wskutek samozapalenia powstają nawet w pokładach bardzo cienkich, niebezpieczeństwo endogeniczne pożarów w pokładach grubych jest znacznie większe. Dlatego też wszystkie grube pokłady powyżej 3m można traktować jako skłonne do samozapalenia.

Rozdrobnienie węgla. Największą zdolnością utleniania i samozapalenia odznacza się miał, a zwłaszcza pył węglowy, gdyż ma on olbrzymią powierzchnię zetknięcia się z tlenem. Po za tym temperatury zapłonu pyłu są znacznie mniejsze niż ziarn większych tego samego węgla.

Nachylenie pokładu. Wpływ upadu na samozapalność występuje w pokładach o dużym nachyleniu i w pokładach stromych. Jest to spowodowane występowaniem znacznych depresji, które przyśpieszają proces samozapalenia.

Rodzaj skał stropowych. Skłonność do samozapalenia pokładów węgla zalegających pod mocnymi skałami jest większa aniżeli pokładów zalegających pod skałami słabymi. Skały słabe rabuje się łatwiej niż mocne, szczelność gruzowiska w przypadku skał mocnych jest duża i przepływ powietrza jest dogodniejszy. W chodnikach pozostawia się filary ochronne i gdy mamy mocne skały stropowe to rozgniatają one filary i w ten sposób powstają szczeliny, w których płynie powietrze.

Czynniki techniczne:

Wpływ robót górniczych. Z systemem eksploatacji są związane: stopień czystości i czas wybierania pokładu, występujące ciśnienie górotworu oraz sposób przewietrzania. Przy eksploa-tacji pokładu węgla z zawałem stropu mogą powstać w skałach stropowych szczeliny łączące dół kopalni z powierzchnią lub z wyrobiskami wyższego pokładu. Przez tak powstałe szczeliny płynie powietrze co prowadzi do pożaru. Wpływ ma również czas przygotowania pola eksploatacyjnego do wybierania, kierunek i kolejność wybierania złoża, pozostawienie resztek nie wybranych pokładów w zrobach. Wcześniejsze wybieranie pokładu niższego,a zwłaszcza z zawałem, przyczynia się to do naruszenia pokładu wyższego, który może zapalić się pod wpływem przenikania powietrza do szczelin.

Wpływ przewietrzania. Dopływ powietrza do wyrobisk lub szczelin, w których znajduje się nagromadzony miał węglowy jest nieodzownym warunkiem samozapalenia węgla. Gdy nagromadzonego miału jest niedużo silny prąd powietrza może go ochłodzić, w przypadku większej ilości zwiększenie intensywności przewietrzania może doprowadzić do powstania pożaru. Samozagrzewanie ułatwia również doprowadzenie większej ilości powietrza do szczelin w caliźnie węglowej, gdyż prąd powietrza w szczelinach jest zbyt słaby, aby mógł działać chłodząco. Wynika z tego, że pożary wskutek samozapalenia węgla powstają w tych miejscach kopalni gdzie występuje intensywne przenikanie powietrza do zrobów, szczelin w caliźnie lub do rozkruszonego węgla.

3.2.3 Proces samozapalenia rud siarczkowych.

W kopalniach rud właściwości samozagrzewania i

samozapalenia wykazują siarczki żelaza(piryt, markazyt) oraz miedzi (chalkozyn, chalkopiryt). W polskich kopalniach pożary endogeniczne należą do rzadkości. Proces rud siarczkowych przebiega wolniej niż samozagrzewanie węgla, wiąże się to z większym przewodnictwem cieplnym siarczków oraz z łatwiejszym odprowadzeniem ciepła na zewnątrz. W celu wyjaśnienia procesu samozagrzewania pirytu wysunięto dwie hipotezy:

Utleniania pirytu. Przyczyną samozagrzewania rud siarczkowych jest proces utleniania siarczków. Proces utleniania pirytu przebiega w kilku stadiach, co można zapisać wzorem

4FeS₂+11O₂→8SO₂+2Fe₂O₃+Q

Im drobniejsze są ziarna pirytu i im większa jest szczelinowatość rudy, tym większa powierzchnia jest narażona na utlenianie i szybciej przebiega proces utleniania z wydzieleniem znacznej ilości ciepła. W przypadku kumulacji tego ciepła następuje szybki wzrost temperatury w miejscu utleniania pirytu, co może doprowadzić do powstania otwartego ognia.

Zwęglania obudowy pod działaniem wód kwaśnych. Tłumaczy ona powstanie pożarów tym, że obecność pyłu pirytowego powoduje tworzenie się wód kwaśnych, które mogą wywołać zwęglenie obudowy. Stopień zwęglenia zależy od stopnia zakwaszenia. W wyniku działania kwasu siarkowego na drewno obudowy powstaje węgiel drzewny, który w miarę wzrostu temperatury ulega samozapaleniu.

3.2.4 Czynniki wpływające na proces samozapalenia rud siarczkowych.

Stopień rozdrobnienia rud. Im mniejsze są ziarna rud siarczkowych tym przy niższej temper. Rozpoczyna się proces samozapalenia. np. przy średniej wielkości ziarn 0,2 mm temper. zapłonu wynosi 472 C im większe ziarna to temper. maleje. Można powiedzieć, że ruda w nie spękanej caliźnie nie ulega samozapaleniu, podniesienie temper. obserwuje się w miejscach pozostawionego urobku, w szczelinach rozgniecionych filarów, ociosów.

Wpływ zawartości siarki w rudzie. Im większa jest zawartość siarki w rudzie tym większa jest jej zdolność do utleniania. W Polsce obserwowano silne samozagrzewanie się iłów pirytonośnych pozostawionych w zrobach, gdzie zawartość pirytu wynosiła około 40%.

Wpływ wody. W pożarach rud siarcz-kowych duże znaczenie ma wilgoć. Stwierdzono katalityczne działanie wody na prędkość utleniania pirytu w kontakcie z wodą. Woda może wywierać działanie chłodzące tylko w razie jej nadmiaru, gdy odprowadza ona więcej ciepła, aniżeli wydzielają egzotermiczne reakcje. RYS.

Wpływ składu mineralogicznego. Skłonność rud siarczkowych do samozapalenia zależy w dużej mierze od składu mineralogicznego rud. W rudach często występują: chalkopiryt i

piryt, który jest bardziej skłonny do samozapalenia. Markazyt utlenia się intensywniej od pirytu ale tylko wówczas, gdy tworzy ziarna grubsze i dlatego, że posiada mniejszą twardość.

4.1. Ocena skłonności węgla do samozapalenia

Metoda W. Olpińskiego (wysokotemp.)-polega na ciągłym pomiarze temp. pastylki węgla wprowadzonej do strumienia powietrza o stałej temp. i wyznaczamy prędkość wzrostu temp. tej pastylki

Prędkość tę wyznacza się dla dwóch temp. w komorze reakcyjnej, tj. dla 237 i 190 ^OC.

W komorze tej bada się skłonność do samozapalenia, oblicza się wsk. Dla danych temp. Sz a później oblicza się energię aktywacji następnie odczytuje się skłonności.

Wsk. Samozapalno.	Energia aktywacji	Gr. samozapalno.	Skłon. W do samoza
Do 80	>67	I	B. mała
	46-67	II	Mała
	<46	III	Średnia
>80 - 100	>42
	<42	IV	Duża
>100 –120	>34
	<34	V	B. duża
>120	Nie normalizuje się

Metoda Z. Maciejasza badanie prędkości wzrostu temp. mieszaniny węgla i wodnego roztworu perhydrolu H₂O₂ , zwilżoną próbkę wkłada się do naczynia Dewara, w zależności od czasu trwania reakcji określa się skłonność do samozapalenia są trzy grupy:

-węgle b. skłonne do samozapalenia, T_max≥363K (t_max≥90^OC), τ_max≤2400 s τ_323÷363≤150 s (τ_50÷90≤2,5 min)

-węgle mało skłonne do samozapalenia, T_max≤363 K (t_max<90^OC),2400 s <τ_max< 4500 s (40 min<τ_max<75 min)

-węgiel nieskłonne do samozapalenia, T_max<363 K (t_max<90^OC), τ_max>4500 s (τ_max>75 min) T_323÷363>360 s (τ_50÷90>6 min)