Chlebo

Akademia Górniczo-Hutnicza

im. Stanisława Staszica

w Krakowie

Wydział Górnictwa i Geoinżynierii

Górnictwo i Geologia – Eksploatacja Złóż Surowców Mineralnych

Zagrożenia naturalne

(zajęcia projektowe)

Analiza i dobór profilaktyki zagrożeń naturalnych dla eksploatacji pokładu 349 ścianą nr 813 KWK „Murcki”.

Wykonali: Sylwia Sajdak

Peroński Dawid
EZSM, Rok IV, gr.3

Kraków 25.11,2013r.

Spis treści

  1. Wprowadzenie……………………………………………………………………………………………………………….…3

  2. Charakterystyka warunków geologiczno-górniczych w rozpatrywanym rejonie ściany nr 813 (2011)…………………………………………………………………………………………………………………………..….3

    1. Warunki geologiczne………………………………………………………………………………………………....3

    2. Warunki górnicze………………………………………………………………………………………………………6

  3. Analiza stanu występujących zagrożeń naturalnych…………………………………………………………...7

    1. Zagrożenie metanowe…………………………………………………………………………………………..……7

    2. Zagrożenie pożarowe………………………………………………………………………………………..……..10

    3. Zagrożenie pyłowe…………………………………………………………………………………………….….…14

  4. Dobór odpowiedniej profilaktyki dla występujących zagrożeń naturalnych………………………16

    1. Zagrożenie metanowe………………………………………………………………………………………….16

    2. Zagrożenie pożarowe………………………………………………………………………………………….…..23

    3. Zagrożenie pyłowe………………………………………………………………………………………………….26

  5. Podsumowanie………………………………………………………………………………………………………..…….27

  6. Literatura……………………………………………………………………………………………………………………….27

Załączniki

  1. Mapa przedstawiająca parcelę nr1 (2008) w pokładzie 349 KWK Murcki w skali 1:5000

  2. Profil geologiczny pokładu 349 w skali 1:100

Wprowadzenie

Omawiane złoże węgla kamiennego występuje na obszarze górniczym Kopalni Węgla Kamiennego „Murcki”, znajdującej się w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym, należącej do Katowickiego Holdingu Węglowego. Kopalnia prowadzi eksploatację pokładów warstw orzeskich na poziomach 416 m i 600 m systemem ścianowym podłużnym z zawałem stropu, w pokładach 349 i 351. Rozpatrywana parcela zaliczona jest zatem do warstw orzeskich, pokładu 349 i leży we wschodniej części obszaru górniczego KWK „Murcki”.

Występujące zagrożenia naturalne w rozpatrywanym pokładzie węgla:

  1. Charakterystyka warunków geologiczno-górniczych w rozpatrywanym rejonie ściany nr 813 (2008)

    1. Warunki geologiczne

  1. Usytuowanie ściany nr 813 oraz warunki zalegania pokładu

Rozpatrywana parcela eksploatacyjna znajduję się w pokładzie 349. Pokład zalega na głębokości średniej wynoszącej Hśr = 225 m. W rejonie ściany 813 przybliżona wartość azymutu rozciągłości wynosi 110˚, pokład zapada w kierunku południowo-zachodnim pod kątem ok. 5˚ (słabo nachylony). Miąższość średnia pokładu węgla kamiennego w rozpatrywanej parceli eksploatacyjnej, stwierdzona robotami badawczymi, wynosi 3,5 m z uwzględnieniem przerostu głównie w postaci łupku ilastego, a miejscami piaskowca, iłu oraz wapienia (1,75 m). Z uwagi na to jest on zaliczony do pokładów średnich. Parcela eksploatacyjna zalega pomiędzy rzędnymi – 203 m p.p.m. a -240 m p.p.m., stąd głębokość zalegania pokładu w rejonie planowanej eksploatacji, zawiera się w przedziale od ok. 453 m do 490 m.

  1. Charakter skał stropowych i spągowych oraz ich własności

W stropie pokładu zalega warstwa łupku ilastego o grubości 1,8 m (Rc=40 MPa), nad którą występuje warstwa piaskowca gruboziarnistego o grubości 4 m (Rc=70 MPa), powyżej warstwa łupku piaszczystego o grubości 2,5 m (Rc=50 MPa). Bezpośrednio w spągu pokładu zalega również łupek o grubości 6 m (Rc=75 MPa).

W oparciu o warstwy skał stropowych zalegające nad rozpatrywanym pokładem, ich wytrzymałości oraz na podstawie liczby wskaźnikowej „L” dokonaliśmy kwalifikacji stropu zawałowego.

Liczbę wskaźnikową „L”, dającą podstawę do prognozowania stateczności stropów oraz ich klasyfikacji, określa się równaniem:


L = 0, 064 * ((10Rc)1, 7 * k1 * k2 * k3

Gdzie:

Rc – laboratoryjna wytrzymałość na ściskanie skał, [MPa]

k1 – współczynnik efektywnego wykorzystania wytrzymałości w caliźnie

k2 – współczynnik reologicznych własności skał

k3 – współczynnik zmiany wytrzymałości wynikający z różnicy zawilgocenia skał w masywie i badanych próbek w odniesieniu do skał suchych

Na podstawie tabeli 2.2.1 odczytujemy wartości współczynników k1, k2, k3.

Tabela 2.2.1 Wartości współczynników k1, k2, k3

Rodzaj skały k1 k2 k3
piaskowiec 0,33 0,7 0,7 lub 0,8
łupek piaszczysty 0,42 0,6
łupek ilasty 0,5 0,6

Aby obliczyć wartość liczby wskaźnikowej „L”, należy dokonać obliczeń dla wszystkich warstw stropu, wg profilu skał stropowych.


L = 0, 0064 * (10*40)1, 7 * 0, 42 * 0, 6 * 0, 7 = 29, 94 [−]


L = 0, 0064 * (10*70)1, 7 * 0, 33 * 0, 7 * 0, 8 = 81, 20 [−]


L = 0, 0064 * (10*40)1, 7 * 0, 5 * 0, 6 * 0, 8 = 59, 52 [−]


$$L_{sr} = \frac{L_{1}*m_{1} + L_{2}*m_{2} + L_{3}*m_{3}}{m_{1} + m_{2} + m_{3}}$$

Gdzie:

m1, 2, 3 – miąższość poszczególnych warstw stropowych

L1, 2, 3 – liczby wskaźnikowe poszczególnych warstw stropowych


$$L_{sr} = \frac{29,94*1,8 + 81,20*4,0 + 59,52*2,5}{1,8 + 4,0 + 2,5} = \mathbf{63,55 \approx 64\ \lbrack - \rbrack}$$

W zależności od wartości liczby wskaźnikowej „Lśr” określiliśmy klasę stropu zawałowego oraz sposób zachowania się stropu zawałowego w danym rejonie eksploatacyjnym.

Tabela 2.1.2 Klasyfikacja skał stropowych wg liczby wskaźnikowej L
Klasa stropu zawałowego
1
2
3
4
5a
5b

Na podstawie przeprowadzonych obliczeń oraz porównaniu otrzymanych wyników z powyższą tabelą stwierdzamy z jakim rodzajem stropu mamy do czynienia.

W rozpatrywanym przypadku strop został zakwalifikowany do 4 klasy stropu zawałowego. Liczba wskaźnikowa stropu zawałowego wynosi 64, mieści się w przedziale 60 < L ≤ 130, co wskazuje na to, że mamy do czynienia ze stropem charakteryzującym się następującymi własnościami: stropy przy dolnej wartości L dobre, stopniowo coraz trwalsze, następnie bardzo dobre, stwarzające dobre warunki pracy, typowo zawałowe. W pobliżu górnej granicy L-przechodzą w stan zawału.

  1. Zaburzenia sedymentacyjne i tektoniczne

W sąsiedztwie rozpatrywanej parceli eksploatacyjnej przechodzą trzy uskoki. Jeden przechodzący przez eksploatowaną ścianę, przecinający przecinkę ścianową, do ok. 225 m wybiegu ściany 813, o zrzucie od h~1 m do h~3 m. Kolejne dwa uskoki również przechodzą przez przecinkę ścianową oraz usytuowane są w na granicy z chodnikiem podścianowym F-826, a ich zrzut kształtuje się w granicach od h~0,3 m do h~1,1 m. Chodnik podścianowy F-826 to również chodnik łączący ścianę 813 z wyeksploatowaną już i zrabowaną ścianą 812. Zatem w obrębie rozpatrywanej i założonej eksploatacji nie ma bliskiego sąsiedztwa innych eksploatowanych rejonów, co nie powoduje niekorzystnych oddziaływań związanych z oddziaływaniem krawędzi eksploatacyjnych. Jedyną przyczyną pogorszenia warunków górniczo-geologicznych oraz możliwością wystąpienia problemów podczas eksploatacji jest obecność licznych uskoków w pobliżu założonej parceli.

  1. Warunki górnicze

Przyjęliśmy, iż dana parcela eksploatowana jest systemem ubierkowym ścianowym podłużnym, z zawałem stropu, na całą grubość złoża, do granic obszaru górniczego (wraz z postępem frontu eksploatacji, drogi odstawy urobku zmniejszają się). Likwidacja zrobów będzie odbywać się poprzez zawał skał stropowych. Będzie to świadomy zabieg mający na celu wypełnienie pustki po wyeksploatowanej kopalinie poprzez odspojenie i opadnięcie stropu w ślad za postępującym przodkiem.

  1. Wybór systemu eksploatacji

Wybrana ściana nr 813 będzie eksploatowana systemem ubierkowym ścianowym podłużnym, z zawałem stropu, na całą grubość złoża, do granic obszaru górniczego

Uzasadnienie wyboru systemu eksploatacji:

Wybraliśmy system ubierkowy ścianowy podłużny ponieważ jest on przede wszystkim najbezpieczniejszym, najwygodniejszym i najprostszym systemem eksploatacji stosowanym w górnictwie podziemnym. Umożliwia on zastosowanie pełnej mechanizacji i automatyzacji procesu eksploatacji, stworzenie dużej koncentracji wydobycia w danym rejonie, co związane jest z możliwością optymalizacji (minimalizacji) kosztów produkcji, a także umożliwia czyste wybieranie złoża (90%). System ten może być stosowany na dużych głębokościach, w warunkach znacznych ciśnień, zapewnia on duże bezpieczeństwo robót oraz ogranicza występujące zagrożenia naturalne, takie jak zagrożenia metanowe i pożarowe, a przede wszystkim zagrożenia tąpaniami typu pokładowego.

Ponieważ kąt nachylenia pokładu wynosi 5, co oznacza że pokład może być eksploatowany systemem podłużnym, ponieważ jego nachylenie mieści się w granicach od 0 do 35. Poza tym urabianie kombajnem, załadunek i odstawa urobku w ścianie podłużnej są łatwiejsze niż w ścianach poprzecznych. Ponadto przesyp urobku na przenośnik podścianowy oraz przekładka przenośnika ścianowego nie stwarzają większych problemów. Dodatkowo przewietrzanie przestrzeni roboczej nachylonego wyrobiska ścianowego po wzniosie jest bardziej efektywne niż wyrobiska poziomego, a stateczność czoła ściany podłużnej jest lepsza niż prowadzonych po wzniosie ścian poprzecznych.

Z uwagi na to, ze obszarze eksploatowanego złoża występują w miarę korzystne warunki geologiczne i nie zachodzi potrzeba ochrony obiektów podziemnych i powierzchniowych może być prowadzona eksploatacja z zawałem stropu. Ponadto strop w rozpatrywanym przypadku został zaliczony do czwartej klasy stropu zawałowego, co wskazuje na może on dosyć łatwo przechodzić w stan zawału. Dodatkowo eksploatacja z zawałem stropu jest najtańszą technologią likwidacji przestrzeni poeksploatacyjnej.

Z uwagi na grubość pokładu 349, eksploatacja będzie prowadzona na całą grubość złoża, która wynosi 3,5 m, w uwzględnieniem przerostów. Natomiast wybieranie złoża odbywać będzie się do granic obszaru górniczego, ponieważ stwarza on możliwość wcześniejszego okonturowania pola ścianowego wyrobiskami przygotowawczymi, które pełnią również funkcję wyrobisk rozpoznawczych, a także pozwala on uniknąć niespodziewanych utrudnień w czasie eksploatacji.

  1. Parametry ściany oraz jej wyposażenie

Chodniki przyścianowe (chodnik podścianowy, chodnik nadścianowy) usytuowane są równolegle do rozciągłości. Eksploatacja będzie rozpoczynać się od przecinki ściany 813, której długość wynosi 250 m, co zarazem jest długością eksploatowanej ściany. Planowana wysokość urabiania w ścianie będzie wynosić 3,5 m, natomiast wybieg ściany będzie kształtował się w granicach od 625 do 660 m. Urabianie złoża odbywać się będzie za pomocą kombajnu ścianowego.

Wyrobiska przyścianowe uzbrojone będą w obudowę ŁP 10/V25/A, której przekrój poprzeczny odrzwi w świetle obudowy wynosi 17,56 m2, szerokość wyrobiska przy spągu jest równa 5500 mm, natomiast wysokość wyrobiska wynosi 3800 mm.

W samej ścianie natomiast swoją funkcję będzie pełnić obudowa zmechanizowaną ścianowa, zawałowa, z uwagi na dokonany wcześniej wybór systemu eksploatacji oraz zakres pracy obudowy w pokładzie o miąższości 3,5 m. Transport i odstawa urobku odbywać się będzie za pomocą przenośnika zgrzebłowego podścianowego a dalej za pomocą przenośnika taśmowego.

  1. Określenie rozruchu ściamy i wydobycia dobowego

Postęp dobowy ściany będzie wynosił 7 m/db. Eksploatacja została zaplanowana na rok 2008. System przewietrzania naszej parceli – na „U” wokół calizny węglowej. W rejonie naszej parceli nie występują inne eksploatowane pola.

  1. Analiza stanu występujących zagrożeń naturalnych

    1. Zagrożenia metanowe

Metan (CH4), jest gazem palnym, bez smaku i zapachu. Jest nietrujący i lżejszy od powietrza, a jego masa właściwa wynosi 0,72 kg/m3. Metan w pokładach węgla powstaje w czasie procesu uwęglania substancji organicznej, roślinnej. Może występować we wszystkich skałach, które zawierają produkty uwęglania, w tym przede wszystkim w pokładach węgla. Zawartość metanu w pokładach metanowych z reguły rośnie wraz z głębokością prowadzenia eksploatacji, metanośnością oraz malejąca przepuszczalnością skał. Uskoki natomiast umożliwiające migrację metanu i zamknięte nakładowymi warstwami nieprzepuszczalnymi mogą spowodować, że w partiach przyuskokowych pokładów wyżej leżących metanowość jest wyższa, aniżeli w podobnych partiach pokładów niżej zalegających. Metan dostaje się do wyrobisk górniczych w drodze:

Ze względu na naturalne wydzielanie się metanu do wyrobisk górniczych zakłady górnicze dzieli się na metanowe i niemetalowe. Niemetanowym zakładem górniczym jest taki zakład, w którym w żadnym z wyrobisk górniczych, nawet przy zaprzestaniu przewietrzania, koncentracja metanu w powietrzu nie przekracza 0,1%. Metanowym zakładem górniczym jest natomiast taki zakład, w którym chociażby w jednym z wyrobisk górniczych stwierdzono w powietrzu występowanie metanu o koncentracji przekraczającej 0,1%. Każdy udostępniony pokład węgla lub jego część, w której stwierdzono występowanie metanu pochodzenia naturalnego, zalicza się do odpowiedniej kategorii zagrożenia metanowego. W związku z tym wszystkie pokłady węgla lub ich części dzieli się w zależności od ilości wydzielonego metanu na cztery kategorie zagrożenia metanowego.

Kategorie zagrożenia metanowego:

Nagłym wypływem metanu jest zachodzące w krótkim okresie intensywne – niezwiązane ze skutkami zawału, tąpnięcia lub odgazowania urobionych skał albo węgla lub niezwiązane z zaburzeniami w przewietrzaniu wyrobiska – wydzielanie się metanu z górotworu, które może spowodować w wyrobisku lub jego części:

  1. nagromadzenie się metanu o wartości stężenia, która może spowodować jego wybuch, lub

  2. powstanie atmosfery niezdatnej do oddychania.

Wyrzutem metanu i skał jest dynamiczne przemieszczenie rozkruszonych skał lub kopaliny z calizny węglowej do wyrobiska przez energię metanu wydzielonego z górotworu w wyniku działania czynników geologiczno-górniczych, które może spowodować w wyrobisku lub jego części:

  1. zjawiska akustyczne;

  2. podmuch powietrza;

  3. uszkodzenie jego obudowy lub znajdujących się w nim maszyn i urządzeń;

  4. powstanie kawerny powyrzutowej, będącej pustką w jego stropie, spągu lub ociosie;

  5. zaburzenie w jego przewietrzaniu;

  6. nagromadzenie się metanu o wartości stężenia, która może spowodować jego wybuch;

  7. powstanie atmosfery niezdatnej do oddychania.

Równocześnie z zaliczeniem złoża lub jego części do poszczególnych kategorii zagrożenia metanowego OUG ustala granicę pól metanowych. Zgodnie z obowiązującymi przepisami, polem metanowym określa się pokład lub część pokładu wraz z zespołem tych wyrobisk górniczych, w których: stwierdzono występowanie metanu (łącznie z drogami odprowadzającymi powietrze z tych wyrobisk) oraz do których może nastąpić cofnięcie się gazów. Pole metanowe może zatem obejmować poziomy eksploatacyjne lub ich części, jak również roboty w partiach przygotowawczych. W metanowym zakładzie górniczym niemetalowa część złoża może być wydzielona tylko w razie przewietrzania jej niezależnym prądem powietrza, zapewniającym izolację tej części od pól metanowych.

Ponadto w zależności od nasycenia pokładów węgla metanem – ten gaz jest bowiem dominującym w złożach węgla przy niewielkich ilościach pozostałych gazów palnych, jak etan, propan, wodór – różny jest stopień zagrożenia wybuchem w wyrobiskach górniczych. W zależności od ilości wydzielającego się z górotworu do wyrobisk górniczych metanu oraz od wydatku powietrza (zdolności wentylacyjnej) w danym wyrobisku, dzieli się je na:

  1. wyrobiska (pomieszczenia) ze stopniem „a” niebezpieczeństwa wybuchu, w których nawet przy zaprzestaniu przewietrzaniu zawartość metanu w powietrzu nie może przekroczyć 0,5 %,

  2. wyrobiska (pomieszczenia) ze stopniem „b” niebezpieczeństwa wybuchu, w których w normalnych warunkach przewietrzania nie może dojść do przekroczenia zawartości metanu w przepływającym prądzie powietrza 1 %,

  3. wyrobiska (pomieszczenia) ze stopniem „c” niebezpieczeństwa wybuchu, w których nawet w normalnych warunkach przewietrzania istnieje możliwość wystąpienia zawartości metanu w powietrzu przepływającym przez to wyrobisko powyżej 1 %.

Zaliczenia pomieszczeń do poszczególnych stopni niebezpieczeństwa wybuchu metanu dokonuje OUG.

Metan może przemieszczać się w wyrobiskach z prądami przepływającego powietrza, tworząc z nim mieszaninę odpowiednią do ilości powietrza i ilości wydzielającego się z górotworu metanu. Przy małych ilościach powietrza, a przede wszystkim powolnym, laminarnym przepływie, metan nie wymiesza się z powietrzem i wówczas pod stropem wyrobisk może on gromadzić się w postaci cienkiej warstwy. Metan jako gaz lżejszy od powietrza, zbiera się w górnych częściach wyrobisk, pod stropem, w wyrwach i szczelinach, stwarzając zagrożenie wybuchu. Stężenie metanu w przystropowym nagromadzeniu może być różne, często nawet wybuchowe. Gdy pod stropem chodnika na większej jego długości utworzy się cienka warstwa metanu, wówczas warstewka ta nosi nazwę lontu metanowego. Lont ten przenosząc płomień może być przyczyną zapalenia mieszanki wybuchowej. Metan zmieszany w odpowiednim stosunku z powietrzem tworzy mieszankę wybuchową. Granice wybuchowości takiej mieszanki wynoszą od 5%-15% objętościowej zawartości CH4, przy czym najsilniejszy wybuch następuje, gdy w mieszaninie wybuchowej znajduje się objętościowo 9,5% metanu.

Prędkość powietrza w wyrobisku znajdującym się w polu metanowym powinna zatem zapewnić przepływ turbulentny powietrza. Przy laminarnym przepływie nawet minimalny wypływ metanu do wyrobiska spowodować może utworzenie groźnych miejscowych nagromadzeń metanu.

Efektem nawet dość słabego wydzielania się metanu ze źródeł punktowych, zwłaszcza ze szczelin stropowych oraz ze źródeł w spągu, jeśli poniżej zalegają metanośne warstwy węgla, są tak zwane przystropowe nagromadzenia metanu. Mogą one występować w pustkach za obudową oraz w wolnych przekrojach wyrobisk, bezpośrednio pod obudowanym stropem. Takie nagromadzenia metanu pod stropem znane są w górnictwie od dawna i okazują się w wielu przypadkach źródłem zapłonu lub wybuchu metanu lub metanu i pyłu węglowego w kopalniach węgla.

Najbardziej prawdopodobnymi miejscami powstania nagromadzenia metanu lub metanu i pyłu węglowego są:

Metan występujący w wolnym przekroju wyrobisk pod stropem wypełnia z natury rzeczy także i pustki za obudową. Nagromadzenia przystropowe metanu stanowią bardzo poważne, konkretne niebezpieczeństwo i nie jest to bynajmniej zagrożenie teoretyczne. Mogą one, mimo iż w wonnym przekroju wyrobisk nie stwierdza się metanu lub stwierdza się tylko jego ślady, powodować zarówno wybuch, jak i przeniesienie zapłonu nawet na duże odległości.

Cienkie przystropowe nagromadzenia metanu mogą spowodować wybuch metanu, ale mogą szybko przenosić jego płomień. Mogą być również niebezpieczne, kiedy połączą się z metanem zalegającym za obudową. Zapalone w dowolnym miejscy mogą doprowadzić płomień do nagromadzeń metanu za obudową, powodując jego zapłon i wybuch. Nie wyklucza się również połączeń ze zbiornikami metanu w zrobach, co zresztą potwierdziło się w praktyce górniczej w zaistniałych wybuchach.

Przy eksploatacji w warunkach zagrożenia metanowego zaleca:

  1. Eksploatacja powinna być prowadzona z góry na dół.

  2. Przy eksploatacji z zawałem stosować odmetanowaniem otworami drenażowymi.

  3. Preferuje się kierunek eksploatacji do granic pola eksploatacyjnego.

  4. Stosować urabianie maszynami płytkozabiorowymi (strugi, kombajny).

  5. Stosować metanometrię automatyczną.

  6. Przy stosowaniu podsadzki hydraulicznej należy uwzględnić ekonomię odmetanowania, które staje się zbędne.

  7. Rozważyć podebranie pokładu bardziej metanowego pokładem o mniejszym zagrożeniu.

  8. Stosowanie racjonalnej sposobu przewietrzania wyrobisk eksploatacyjnych (prąd powietrza

  9. powinien opływać caliznę – system U).

  10. Izolowanie zrobów metanowych.

Na podstawie opisanych wyżej klasyfikacji i omówieniu zagrożenia metanowego widać jak bardzo zróżnicowane mogą być warunki zagrożenia metanowego w kopalniach: od bardzo znikomego, aż do takiego, w którym bez zastosowania specjalnych środków zwalczania (wentylacyjne, odmetanowanie) prowadzenie robót górniczych byłoby niemożliwe. Od właściwej oceny zagrożenia metanowego, opracowanych prognoz tego zagrożenia, prowadzonych obserwacji i kontroli zagrożenia oraz podjętych środków profilaktycznych, zależy więc bezpieczeństwo kopalń, prowadzących eksploatację w pokładach węgla nasyconych metanem.

  1. Zagrożenia pożarowe

Przez pożar podziemny rozumie się wystąpienie w wyrobisku podziemnym otwartego ognia, żarzącej się lub palącej płomieniem otwartym substancji oraz utrzymywaniem się w powietrzu kopalnianym dymów lub utrzymywaniem się w przepływowym prądzie powietrza stężenie tlenku węgla (CO) powyżej 0,0026% (26 ppm).

Przy pożarach pochodzenia endogenicznego zagrożenie powstaje w przypadku eksploatacji pokładów skłonnych do samozapalenia. Oprócz specyficznych właściwości węgla do samozagrzewania (i samozapalenia), konieczne jest równoczesne występowanie następujących czynników:

Warunki sprzyjające powstawaniu pożaru:

  1. naturalne:

  1. górniczo-techniczne:

Przyczyną powstawania pożarów podziemnych może być zewnętrzne źródło ciepła o dostatecznie wysokiej temperaturze i działające dostatecznie długi okres czasu lub przemiany chemiczne i fizyczne doprowadzające do samozapalenia węgla.

Wybuch pożaru endogenicznego poprzedzony jest okresem inkubacyjnym, w czasie którego nie obserwuje się jeszcze wzrostu temperatury węgla ani powietrza i okresem samozagrzewania, występującym po osiągnięciu przez węgiel temperatury krytycznej
(od 60 do 80˚).

Przejawy pożaru endogenicznego:

W Rozporządzeniu Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 14 czerwca 2002 r. w sprawie zagrożeń naturalnych w zakładach górniczych nie zdefiniowano pojęcia pożaru endogenicznego. Rozporządzenie to nie uwzględnia zagrożenia pożarami endogenicznymi jako zagrożenia naturalnego. Zdefiniowane zostało tylko pojęcie pola pożarowego rozumianego jako podziemna część zakładu górniczego objęta pożarem, odizolowana od pozostałych części zakładu górniczego tamami pożarowymi.

Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych wydobywających węgiel kamienny prowadzi się rozpoznanie dotyczące możliwości samozapalenia się węgla. Sposób pobierania próbek w przeprowadzeniu badań samozapalności i oznaczenia wskaźnika samozapalności określony jest przez normę PN-G-04558:1993. W rozporządzeniu pojawiają się odniesienia do określonej grupy samozapalności węgla.

W warunkach laboratoryjnych określa się wskaźnik samozapalności Sza (˚C/min), określający szybkość wzrostu temperatury węgla w ciągu minuty w dokładnie określonych warunkach pomiaru. Natomiast samozapalność węgla w pokładzie charakteryzuje wskaźnik samozapalności Szb odpowiadający wskaźnikowi Sza w przeliczeniu na węgiel bezpopiołowy.

Tabela 3.2.1 Podział węgli według skłonności do samozapalenia

Wskaźnik samozapalności
Sza [oC/min]		 Energia aktywacji
A [kJ/mol]		 Grupa samozapalności Ocena skłonności węgla do samozapalenia
< 80 > 67 I Węgiel o bardzo małej skłonności do samozapalenia
46 ÷ 67 II Węgiel o małej skłonności do samo zapalenia
< 46 III Węgiel o średniej skłonności do samozapalenia
80 ÷ 100 > 42
≤ 42 IV Węgiel o dużej skłonności do samozapalenia
100 ÷ 120 > 34
≤ 34 V Węgiel o bardzo dużej skłonności do samozapalenia
> 120 Nie ma normy

T1 - temperatura 60-80˚C,

T2 – temperatura ok. 350˚C,

t1- okres inkubacji (przygotowawczy),

t2 - okres samozagrzewania,

1 – początek samozagrzewania,

2 – samozapalenie.

Rysunek 3.2.1 Proces samozapalenia węgla.

Pokład węgla w omawianej parceli został zaliczony do IV grupy samozapalności węgla, a więc jest to węgiel o dużej skłonności do samozapalenia. Wskaźnik samozapalności Sza wynosi 110˚C/min, energia aktywacji A=34÷42 kJ/mol. Okres inkubacji pożaru endogenicznego ściany nr 813 wynosi 30-42 dni.

Wpływ panujących w ścianie nr 813 czynników naturalnych:

Czynniki te określone są jednak na podstawie stwierdzenia, iż węgle wybierane przy podziale na warstwy przechodzą z niesamozapalnych do samozapalnych. Zatem decydującą rolę odgrywa tu sam system wybierania determinowany grubością pokładu a nie naturalna grubość pokładu.

Przy ocenie wielkości zagrożenia pożarowego oddziału wydobywczego stosuje się tzw. wskaźnik PS. Przy jego obliczeniu uwzględnia się maksymalny wynik Szb oraz wskaźnik Si stanowiący sumę wskaźników od S1 do S7.


$$PS = \text{Sz}^{b} + \sum_{i = 1}^{7}{S_{i}\ \ \ C/min}$$

W naszych obliczeniach przyjęliśmy, że w powyższym wzorze przyjmujemy wskaźnik Sza (zamiast wskaźnika Szb), który dla IV grupy samozapalności węgla wynosi minimum 80˚C/min, a w naszym projekcie 110˚C/min.

S1: System urabiania

S2: Czystość wybierania pokładu

S3: Kierunek wybierania pokładu

S4: Sposób izolacji zrobów

S5: Zawilgocenie węgla

S6: Ciśnienie i stopień spękania pokładu

S7: Intensywność przewietrzania wyrobisk w pokładzie


$$\text{PS} = \text{Sz}^{b} + \sum_{i = 1}^{7}S_{i} = 110 + \left( 5 - 10 + 10 + 5 + 10 - 5 + 10 \right) = 110 + 25 = 135\ \ C/\min$$

Oddział klasyfikuje się jako:

W projekcie omawiana parcela eksploatacyjna klasyfikuje się jako pożarowa
(przy PS > 120C/min).

Ponadto w eksploatowanym pokładzie prowadzi się ocenę zagrożenia pożarowego biorąc pod uwagę następujące symptomy:

W kopalniach węgla kamiennego szeregom procesów technologicznych związanych z eksploatacją kopaliny , drążeniem wyrobisk korytarzowych , transportem urobku towarzyszy niekorzystne zjawisko wytwarzania i emisji pyłu, zjawisko to jest źródłem zagrożenia pyłowego. Wytworzony pył unosi się w atmosferze kopalnianej i jest przemieszczany wraz z prądami powietrza, przy czym część pyłu osadza się na różnych powierzchniach np. spągu czy też urządzeniach.

Klasy zagrożenia wybuchem pyłu węglowego:

Ustalono dwie klasy zagrożenia wybuchem pyłu węglowego w zakładach górniczych wydobywających węgiel kamienny:

Klasa A zagrożenia pyłowego zalicza się pokłady lub ich części oraz wyrobiska górnicze, w których:

  1. nie występuje niebezpieczny pył węglowy lub

  2. w strefach zagrożenia nie ma odcinków wyrobisk dłuższych niż z niebezpiecznym pyłem węglowym, przy czym odległość pomiędzy tymi odcinkami nie może być mniejsza niż 100 m.

Klasa B zagrożenia pyłowego zalicza się pokłady lub ich części oraz wyrobiska górnicze, w których:

  1. występuje niebezpieczny pył węglowy lub

  2. w strefach zagrożenia są odcinki wyrobisk z niebezpiecznym pyłem węglowym dłuższe niż 30m.

Objaśnienia definicji:

  1. co najmniej 70 % części niepalnych stałych w polach niemetalowych,

  2. co najmniej 80 % części niepalnych stałych w polach metanowych,

  3. wodę przemijającą uniemożliwiającą przenoszenie wybuchu pyłu węglowego i całkowicie pozbawiającą ten pył kopalniany lotności.

Do wybuchu pyłu węglowego dochodzi kiedy:

Miejscami możliwego zapoczątkowania wybuchu pyłu węglowego są w szczególności:

Czynnikami wybuchu pyłu węglowego są:

Pokład 349 został zakwalifikowany do klasy „A” zagrożenia wybuchem pyłu węglowego.

  1. Dobór odpowiedniej profilaktyki dla występujących zagrożeń naturalnych

    1. Zagrożenie metanowe

Profilaktyka zagrożenia metanowego:

Pokład 349 zaliczony jest do IV kategorii zagrożenia metanowego, a wyrobiska w rejonie ściany 813 zaliczone są do pomieszczeń ze stopniem „c” niebezpieczeństwa wybuchu metanu. Metanonośność ściany 813 w pokładzie 349 wynosi 9 [m3CH4/Mgcsw] Prognoza metanowości dla ściany 813 w pokładzie 349 przewiduje dla wielkości wydobycia 1070,16 [Mg/dobę] wydzielanie metanu 5,3 [m3CH4/min].

Sposób przewietrzania ściany 813 w pokładzie 349

Ściana 813 przewietrzana będzie systemem na U do pola. Świeże powietrze doprowadzone zostanie z podszybia szybu wdechowego, chodnikiem podścianowym F-826. Po przewietrzeniu ściany 813 zużyte powietrze będzie transportowane chodnikiem nadścianowym F-828, dalej wyrobiskami aż do szybu wydechowego.

Układ przewietrzania na „U” od pola we współpracy z efektywnym odmetanowywaniem stosowany jest przy zagrożeniu metanowym kategorii IV. W systemie tym powietrze świeże jest prowadzone chodnikiem wzdłuż calizny węglowej. Po przewietrzaniu ściany powietrze zużyte jest również odprowadzane chodnikiem również wzdłuż calizny węglowej. Przy zastosowaniu tego systemu zakres robót przygotowawczych jest ograniczony oraz przez rozpoczęciem eksploatacji można rozpoznać pokład w polu eksploatowanej ściany. Podsumowując:

Zalety systemu przewietrzania na „U” do pola:

Wady systemu przewietrzania na „U” do pola:

W celu niedoprowadzenia do nagromadzenia się metanu w niebezpiecznym stężeniu wymagana ilość powietrza doprowadzanego w jednostce czasu do ściany musi spełniać warunek, w którym stężenie metanu nie może przekracza 1%. W przypadku ściany 813 mamy do czynienia do czynienia z metanowością bezwzględną na poziomie 5,3 [m3/min] zatem wydatek powietrza przepływającego przez wyrobiska ścianowe powinien wynosić co najmniej 530 [m3/min] aby nie doprowadzić do stężenia metanu przekraczającego 1%.

Jako, że jest to wyrobisko ścianowe zostało ona zakwalifikowane do stopnia „c” niebezpieczeństwa wybuchem, czyli takie w których w normalnych warunkach przewietrzania nagromadzenie metanu nie może przekroczyć 1%.

Odmetanowanie ściany 813 w pokładzie 349:

Przy systemie przewietrzania ściany na „U” od pola przy IV kategorii zagrożenia metanowego stosuję się odmetanowanie. Otwory drenażowe w tym systemie wiercone są w chodniku nadścianowym, w kierunku chodnika podścianowego przez caliznę oddzielającą chodniki. Ich zadaniem jest odprowadzenie metanu z miejsc jego największej koncentracji i wydzielania.

Odmetanowanie ściany 813 w pokładzie 349 zostało przedstawione na schemacie.

Kontrola zawartości metanu:

Rejon ściany zabezpieczony będzie czujnikami MM2p lub MM2 o pomiarze ciągłym w oparciu o system SMP zabudowany przy stropie w następujących miejscach:

Metanomierzami wyłączająco-rejestrującymi zabezpiecza się urządzenia elektryczne zainstalowane w ścianie oraz w wyrobiskach przyścianowych. W razie przekroczenia zawartości 2% metanu w powietrzu wypływającym ze ściany lub zawartości 1% metanu w powietrzu dopływającym do ściany, metanomierze powinny wyłączać spod napięcia urządzenia elektryczne zabudowane:

Dla zabezpieczenia przed tworzeniem się nagromadzeń metanu w rejonie skrzyżowania ściany z chodnikiem nadścianowym zastosowany będzie układ pomocniczych urządzeń wentylacyjnych takich jak przesłony wentylacyjne usuwające potencjalne nagromadzenia metanu pod stropem. Szereg przesłon zostanie zainstalowany w chodniku nadścianowym na długości 10 [m] w rejonie skrzyżowania ze ściana 813.

Zakład górniczy zobowiązany jest do analizy laboratoryjnej próbek powietrza dla określenia metanowości rzeczywistej. Próbki będą pobierane raz w miesiącu w następujących miejscach:

Dodatkowo przodowi zatrudnieni w polach metanowych kontrolują zawartość metanu pod stropem w 10-metrowym odcinku wyrobiska, w którym znajdują się stanowiska pracy, przed rozpoczęciem pracy na każdej zmianie i w czasie pracy co dwie godziny w:

Oprócz tego, pomiarów metanu przy stropie dokonują:

Zwalczanie iskier mechanicznych:

Aby zminimalizować ewentualne zdarzenie zainicjowania wybuchu metanu przez iskrę przy urabianiu za pomocą kombajnu stosowane będą:

Postępowanie w przypadku przekroczeń CH4:

W razie stwierdzenia pod stropem wyrobiska zawartości metanu powyżej 2%

W przypadku stwierdzenia, w wyniku przeprowadzonych pomiarów nad obudową, zawartości 5% metanu lub powyżej:

Metody prognozowania metanowości bezwzględnej w wyrobiskach eksploatacyjnych:

Wydzielanie metanu jest procesem polegającym na uwalaniu jego desorbowanych zasobów z górotworu do środowiska ściany. Kinetyka uwalniania się metanu zależna jest od postępu ściany i związanych z nim zanieczyszczeń i odprężeń struktury górotworu, które powodują despocję metanu z pokładów węgla oraz wypływ wolego metanu z makroporów i szczelin.

W procesie tym występują pewne prawidłowości:

Zgodnie z modelami wydzielania metanu w czasie wybierania ściany występują trzy okresy charakteryzujące przebieg jego wydzielania:

Rozkład automatycznej metanometrię przedstawiono na schemacie.

  1. Zagrożenia pożarowe

Z uwagi na to, iż współdziałanie podstawowych czynników determinujących rozwój procesu samozagrzewania węgla zależą od stosowanego systemu eksploatacji, profilaktyka zagrożenia pożarowego dla ściany nr 813 ma na celu:

Dla zapewnienia odpowiednich warunków bezpieczeństwa i higieny pracy oraz zabezpieczenia załogi przed powstaniem pożaru w oddziale, stosowana będzie następująca profilaktyka i prewencja:

Wczesne wykrywanie pożarów endogenicznych

W celu wykrycia procesów samozagrzewania się węgla i kontrolowania ich przebiegu, w rejonie ściany 1, na wyznaczonych stacjach pomiarowych wczesnego wykrywania pożarów endogenicznych będą pobierane próby powietrza i prowadzona będzie analiza składu powietrza. Oznacza się w nich: tlen, tlenek węgla, dwutlenek węgla, metan i azot. Na tej podstawie oblicza się przyrost tlenku węgla (%), wskaźnik ilości tlenku węgla Vco (l/min) oraz wskaźnik Grahama G i wpisuje do książki wczesnego wykrywania pożarów endogenicznych metodą tradycyjną. Wskaźnik Grahama jest to stosunek przyrostu stężenia tlenku węgla do ubytku tlenu wskutek jego adsorpcji. W sytuacji normalnej, przy niewystępującym zagrożeniu pożarowym wskaźnik G waha się między 0÷0,0025, natomiast w przypadku akcji przeciwpożarowej wskaźnik ten jest większy od 0,0300.

Czujniki i analizatory znajdują się na wlocie powietrza do parceli nr1, w rejonie przecinki śc.813 oraz przecinki śc.813 oraz na wylocie powietrza z parceli nr1. Próby powietrza do celów wczesnego wykrywania pożarów endogenicznych na stacjach będą pobierane z częstotliwością min. pięć razy w tygodniu (wg ustaleń kierownika działu wentylacji) i przekazywane do analizy laboratoryjnej.

Stosowanie systemu kontroli stężenia CO i O2 złożonego z analizatorów CO umieszczonych w podziemiach połączonych z dyspozytornią. W skład monitoringu wchodzą czujniki tlenku węgla oraz czujniki prędkości powietrza o pomiarze ciągłym i rejestracji z zadanymi progami alarmowania.

Umieszczenie rejonowych tam bezpieczeństwa budowanych z materiału ogniotrwałego na wlocie i wylocie rejonowego prądu powietrza. Ponadto zabezpieczenie ściany nr 813 tamami redukcyjnymi zlokalizowanymi w chodniku F-803.

Rozkład tam ogniotrwałych w ścianie 813 pokładu 349 przedstawiono na schemacie.

  1. Zagrożenie pyłowe

Zwalczanie zagrożenia wybuchem pyłu węglowego w zakładach górniczych reguluje

rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28.06.2002 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny

pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w

podziemnych zakładach górniczych.

Zgodnie z cytowanym rozporządzeniem zwalczanie zagrożenia wybuchem pyłu węglowego polega na:

Podczas eksploatacji ściany nr 813 w pokładzie 349 podstawowym środkiem zapobiegającym powstawaniu i rozprzestrzenianiu pyłu węglowego będzie zraszanie wodą na kombajnie ścianowym. W celu zwiększenia skuteczności zraszania w ścianie ważne stosowanie jest środków chemicznych, które powodują zmniejszenie napięcia powierzchniowego wody np. preparat CaBo. Ważnym zagadnieniem jest stosowanie zrzeszania na wszystkich przesypach na drodze urobku (na napędzie przenośnika ścianowego, podścianowego czy kruszarce kęsów).

W związku z faktem, iż podstawowym inicjałem wybuchu jest zapłon metanu należy kontrolować system przewietrzania, aby nie doszło do nagromadzeń CH4. Ponadto stosować tylko bezpieczny sprzęt elektryczny nie powodujący zapalenia metanu oraz racjonalnie planować i dobierać MW użyty przy robotach strzałowych.

Gromadzenie się niebezpiecznego pyłu węglowego należy ograniczyć przez:

Pył węglowy należy neutralizować z następującą częstotliwością:

- przed rozpoczęciem pracy na zmianie,

- w czasie pracy, gdy wystąpi osad pyłu węglowego,

- przed rozpoczęciem wykonywania robót strzałowych.

Oddział górniczy wydobywczy realizuje profilaktykę w zakresie zwalczania zagrożenia wybuchem pyłu węglowego. Sztygar oddziałowy oddziału górniczego odpowiada za wykonanie całości profilaktyki w zakresie zwalczania zagrożenia wybuchem pyłu węglowego z w/w częstotliwością. Sztygarzy zmianowi odpowiadają za wykonanie profilaktyki na zmianach. Każdorazowo fakt neutralizacji pyłu węglowego należy odnotować w oddziałowej książce raportowej oddziału wydobywczego ściany 813.

Dozór wyższy górniczy kontroluje zgodność zapisów w książce raportowej z w/w. częstotliwością prowadzenia profilaktyki w zakresie zwalczania zagrożenia wybuchem pyłu węglowego, co potwierdza odpowiednim wpisem w tej książce. W przypadku zmiany warunków wentylacyjno – pożarowych w rejonie ściany, Kierownik Działu Wentylacji – Główny Inżynier opracuje odrębny program działań profilaktycznych.

W wyrobisku zaliczonym do klasy A zagrożenia wybuchem pyłu węglowego można zastosować zapory przeciwwybuchowe rozstawne w sytuacji kiedy nie jest możliwe utrzymanie stref zabezpieczających. Kontrola stanu zapór przeciwwybuchowych będzie się odbywać nie rzadziej niż co 30 dni przez specjalne służby do zwalczania zagrożenia. Główne zapory przeciwwybuchowe buduje się na wylocie i wlocie każdego rejonu wentylacyjnego oraz we wszystkich pozostałych wyrobiskach łączących rejony wentylacyjne.

  1. Podsumowanie

    1. Wybór zagrożenia wiodącego

Wiodącym zagrożeniem jest zagrożenie metanowe, ponieważ jest najgroźniejsze w skutkach przede wszystkim pod względem zagrożeni życia ludzkiego.

Literatura

Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 20 czerwca 2012 r. w sprawie zagrożeń naturalnych w zakładach górniczych

Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych

N. Szlązak, Ocena stanu zagrożenia metanowego i temperaturowego w rejonie ścian eksploatacyjnych. Wydawnictwo AGH 2008 r.

N. Szlązak, Metody odmetanowania pokładów węgla. Wydawnictwo AGH 2012 r.

M. Żyła, Układ węgiel kamienny- metan w aspekcie desorpcji i odzyskiwania metanu z gazów kopalnianych. Wydawnictwo AGH 2000 r.

N. Szlązak, Wybrane problemy odmetanowania kopalń węgla kamiennego. Wydawnictwo AGH 1999 r.

B. Firganek, Zagrożenia naturalne w kopalniach. Sposoby kontrolowania, zapobiegania i kontroli. Wydawnictwo „Śląsk” 1983 r.

R, Ostrihansky, Eksploatacja podziemna złóż węgla kamiennego. Wydawnictwo Śląsk 1996 r.


Wyszukiwarka