Józef KABIESZ

Główny Instytut Górnictwa, Katowice

Dobór profilaktyki w warunkach występowania naturalnych zagrożeń skojarzonych

Streszczenie

Eksploatacja pokładów węgla w GZW prowadzona jest w złożonych warunkach geologiczno - górniczych. Złożoność tą tworzy między innymi współwystępowanie w kopalniach wielu naturalnych zagrożeń górniczych. Dla ich zwalczania stosowane są indywidualne dla poszczególnych zagrożeń metody prewencji, których skutki często nie są obojętne dla zagrożeń współwystępujących. Mogą one negatywnie wpływać na efektywność innych metod profilaktycznych lub ograniczać zakresy ich wykorzystywania. Istnieje w związku z tym problem optymalizacji doboru metod profilaktycznych i związana z tym ocena ich oddziaływań. Zadanie to może być w sposób efektywny rozwiązane przez wykorzystanie uniwersalnej oceny stanu zagrożeń skojarzonych wspomaganych komputerowymi technikami obliczeniowymi.

• Wprowadzenie

Ogólny rozwój nauki i techniki obejmuje wszystkie dziedziny działalności człowieka, w tym także górnictwo, a w nim zagadnienia zwalczania zagrożeń naturalnych występujących w kopalniach. Z pewnym uproszczeniem można przyjąć, że stosownie do aktualnego stanu wiedzy oraz techniki w znacznym stopniu zostały wyczerpane proste możliwości profilaktyk tych zagrożeń. Zdarzające się stale wypadki i katastrofy zmuszają jednak do nieustannego poszukiwania nowych rozwiązań dla poprawy bezpieczeństwa pracy górników. Poszukiwania te obejmują wszystkie główne aspekty tych zagadnień:

• szczegółową genezę zagrożeń,

• formy ich występowania wraz z ich oddziaływaniem na siebie,

• wyrafinowane metody wykrywania, oceny i prognozy ich stanów,

• zaawansowane technicznie metody zwalczania,

• optymalizacja organizacji prewencji, w tym także doboru profilaktyk.

Można przykładowo podać, że w ostatnich latach wynikiem takiego podejścia do prewencji górniczych zagrożeń naturalnych było opracowanie w Polsce sposobu dynamicznej prognozy metanowości pokładów węgla kamiennego (Krause, Łukowicz, Cybulski 2001), zasad kontroli stanu zagrożenia metanowego w pokładach tąpiących (Krause, Łukowicz 1999), prognoza zagrożenia pożarami (Cygankiewicz, Buchwald 1999), metoda ukierunkowanego szczelinowania skał (Konopko, Kabiesz i inni 1997) czy metoda oceny stanu zagrożeń skojarzonych oraz optymalizacji doboru profilaktyk (Kabiesz 2002). Z wyliczenia tego wynika, że liczącym się elementem profilaktyki zagrożeń górniczych zaczynają być wzajemne związki między zagrożeniami oraz wynikające z tego ograniczenia w stosowaniu profilaktyk. Prowadzenie robót górniczych w warunkach występowania zagrożeń naturalnych jest uwarunkowane koniecznością stosowania metod prewencji likwidującej lub ograniczającej negatywne skutki tych zagrożeń. Rodzaj i zakres stosowania odpowiednich metod profilaktycznych jest zależny przede wszystkim od nasilenia rzeczywistego lub prognozowanego występowania tych skutków. Odpowiednie przepisy prawne (Rozporządzenie MSWiA 2002, Rozporządzenie MG 2002) regulują podstawowe zasady zwalczania każdego z zagrożeń traktując je generalnie jako indywidualne wyizolowane przypadki.

Ograniczenia efektywności profilaktyk wynikające ze współwystępowania wielu zagrożeń i konieczności równoczesnego stosowania wielu ich rodzajów mogą stanowić barierę dla ciągłości i wydajności produkcji. W tych warunkach dobór najmniej kolizyjnych zespołów profilaktyk może mieć duże znaczenie zarówno w wymiarze bezpieczeństwa pracy jak i uzyskiwanych efektów ekonomicznych. Osiągnięcie takiego celu wymaga jednak rozwiązania co najmniej następujących zagadnień:

• identyfikacji i zdefiniowania wzajemnych oddziaływań między zagrożeniami (pojęcie tzw. zagrożeń skojarzonych),

• opracowania sposobu oceny wpływu każdej metody profilaktycznej na wszystkie współwystępujące naturalne zagrożenia górnicze,

• opracowania sposobu wyboru optymalnych w danych warunkach zespołów profilaktyk.

Próba analizy tych aspektów stosowania profilaktyk jest przedmiotem niniejszych rozważań.

• Występowanie zagrożeń w kopalniach

Naturalne zagrożenia górnicze źródła swojego pochodzenia mają związane z górotworem, wyrobiskami górniczymi oraz kopalnianą atmosferą, a w szczególności z ich specyficznymi cechami fizyko-chemicznymi i mechanicznymi. Z tego punktu widzenia zagrożenia te można systematyzować według miejsca ich genezy (Kłeczek 1998):

• litosferyczne,

• atmosferyczne,

• technosferyczne.

Jeżeli uwzględnimy w dalszych rozważaniach najczęściej występujące w kopalniach zagrożenia, tj.:

• pożarami endogenicznymi,

• metanem,

• wybuchem pyłu węglowego,

• tąpaniami,

• wodne,

to możliwe jest bardziej precyzyjne scharakteryzowanie warunków ich występowania.

Zagrożenie pożarami endogenicznymi

Występuje przede wszystkim w kopalniach węgla, a podstawowymi czynnikami niezbędnymi do jego powstania jest naturalna skłonność węgla do samozapalenia oraz kontakt tlenu z jego powierzchnią. Pierwszy czynnik jest zależny od złożonych własności fizyko-chemicznych węgla determinowanych przez jego skład chemiczny i mineralogiczny. Drugi czynnik jest wprost zależny od struktury węgla, a szczególnie od jego szczelinowatości i porowatości. Niewątpliwie na zaistnienie pożaru endogenicznego wpływają także inne czynniki, np. czas kontaktu węgla z tlenem, sposób i parametry wentylacji, wilgotność, ilość nagromadzonego węgla itp., które można generalnie zaliczyć do czynników technicznych, zależnych od i tworzonych przez człowieka.

Zagrożenie metanem

Warunkiem występowania tego zagrożenia jest występowanie w atmosferze kopalnianej metanu oraz zaistnienie inicjału zapłonu jego mieszaniny z tlenem. Pierwotnym źródłem metanu jest zwykle pokład węgla (górotwór), metan stanowi składnik jego budowy. Dla przejścia cząsteczek metanu z górotworu do wyrobisk górniczych niezbędne jest istnienie dróg ich migracji ze skał do atmosfery. Drogi te to strukturalne nieciągłości budowy skał i warstw skalnych, czyli najczęściej spękania oraz pory. Mogą to być także w niektórych przypadkach sztucznie wytworzone przestrzenie, np. otwory wiertnicze, wyrobiska itp.

Inicjał zapłonu może być naturalny (np. iskrzenie skał, pożar endogeniczny) lub sztuczny (zwarcie elektryczne, prace spawalnicze, iskry pochodzenia mechanicznego).

Zagrożenie wybuchem pyłu węglowego

Dla zaistnienia wybuchu pyłu węglowego niezbędne jest jednoczesne wystąpienie trzech czynników:

• obecność niebezpiecznego pyłu węglowego w wyrobisku,

• jego wymieszanie z powietrzem (tlenem),

• inicjał zapłonu.

Powstanie pyłu jest zwykle procesem mechanicznego jego rozdrabniania najczęściej w procesach technologicznych, w tym także jako uboczny efekt stosowania niektórych metod profilaktycznych. Podobne genezy mogą mieć również dwa pozostałe czynniki, chociaż trudno wykluczyć przypadki ich naturalnego pochodzenia.

Wzbicie pyłu w obłok, będące warunkiem wytworzenia wybuchowej mieszaniny, może być skutkiem wentylowania wyrobisk, występowania gwałtownych podmuchów powietrza (jako skutek zawałów, zapłonów i wybuchów metanu, wstrząsów, robót strzałowych), wznoszenia pyłu na przesypach, wysypach, przy urabianiu calizny itp.

Inicjały zapłonu pyłu węglowego mogą być takie same jak dla metanu z tym, że często jest to spalający się lub wybuchający metan.

Zagrożenie tąpaniami

Jest to zagrożenie nietypowe, o zdecydowanie bardziej złożonych źródłach i przyczynach jego powstawania. Do najistotniejszych czynników warunkujących jego występowanie, niekoniecznie niezbędnych w komplecie niżej wymienionym, zaliczyć należy:

• wstrząsogenność górotworu,

• skłonność skał do tąpań,

• stan wytężenia skał.

Zasadniczo te trzy czynniki są manifestacją pewnych cech i stanów górotworu zależnych od ich podstawowych własności oraz pierwotnych sił występujących w przyrodzie.

Wstrząsogenność górotworu związana z działalnością górniczą to przede wszystkim specyficzna jego budowa stratygraficzna, tektoniczna i litologiczna oraz własności wytrzymałościowymi skał (wytrzymałość i sprężystość oraz makro i mikrostruktura). Z punktu widzenia praktycznych możliwości stosowania oraz efektywności profilaktyk największe znaczenie posiada struktura oraz wytrzymałość skał.

Skłonność skał do tąpań oznacza ich zdolność do akumulowania i gwałtownego wyzwalania w procesie rozpadu energii sprężystej (Zarządzenie MSWiA 2002). Cecha ta jest zależna przede wszystkim od własności wytrzymałościowych skały oraz rodzaju i sposobu jej obciążania. Własności wytrzymałościowe skał determinowane są przez rodzaj minerałów je tworzących (w przypadku węgla kamiennego są to mikrolitotypy i macerały) oraz teksturę i strukturę. Podstawowe zależności między tymi cechami skał oraz wynikające z tego konsekwencje dla potencjalnej skłonności do tąpań są ogólnie znane.

Na możliwość wystąpienia dynamicznego rozpadu skały wpływa także rodzaj obciążenia skał oraz ich stan wytężenia. Oprócz własności wytrzymałościowych skał najważniejszą rolę odgrywa wtedy siła ciężkości (ciężar skał nadległych) i czynniki zaburzające naturalny jej rozkład.

Zagrożenie wodne

Możliwość jego zaistnienia wynika z dwóch podstawowych warunków:

• występowania zbiorników wodnych lub/i poziomów wodonośnych jako pierwotnego lub wtórnego składnika budowy górotworu,

• występowania hydraulicznego połączenia wyrobisk górniczych ze zbiornikiem wody lub poziomem wodonośnym.

Pierwszy warunek jest oczywisty; bez medium stwarzającego zagrożenie nie jest możliwe występowanie tego zagrożenia. Drugi warunek decyduje o występowaniu potencjalnego lub realnego zagrożenia, a także o jego nasileniu. Połączenia hydrauliczne to przede wszystkim występujące w górotworze nieciągłości budowy skał i warstw skalnych (uskoki, kawerny, zroby, szczeliny, pory). One decydują często o pojemności zbiorników i poziomów wodonośnych, zasięgach i wydajności dróg przepływu wody oraz możliwości ich izolowania i likwidacji. W niektórych sytuacjach znaczenie może posiadać rozpuszczalność skał w wodzie.

Można przyjąć, że dla omawianych zagrożeń najbardziej istotnymi czynnikami warunkującymi ich występowanie są:

• strukturalna budowa górotworu (kawerny, spękania, szczeliny, pory) - zagrożenie pożarowe, metanowe, wodne i tąpaniami,

• skład mineralogiczny i petrograficzny budowy górotworu (występowanie w górotworze metanu, wody) - zagrożenie pożarowe, metanowe, wodne i tąpaniami,

• własności fizyko-chemiczne skał (skłonność węgla do samozapalenia, rozpuszczalność skał, wybuchowość pyłu, zdolności sorpcyjne skał, skłonność do iskrzenia) - zagrożenie metanowe, pyłowe, pożarowe,

• własności mechaniczne skał (sprężystość, wytrzymałość, sztywność skał, skłonność do dynamicznego rozpadu itp.) - zagrożenie tąpaniami, wodne, pyłowe,

• sposób, rodzaj i wartość obciążenia skał (głębokość zalegania złoża, występowanie innych obciążeń; w tym dynamicznych, wielokierunkowość działania sił) - zagrożenie tąpaniami, metanem, wodne i pożarami.

Nasilenie występowania danego czynnika może wpływać, poza nielicznymi wyjątkami, na poszczególne zagrożenia w sposób zróżnicowany, a często wręcz przeciwny. Przykładowo silnie rozwinięta szczelinowatość i porowatość skał jest okolicznością sprzyjającą występowaniu zagrożenia pożarowego, metanowego i wodnego oraz ograniczającą zagrożenie tąpaniami. W syntetycznej formie zależności takie przedstawiono w tabeli 1, gdzie pokazano wpływ wymienionych wyżej czynników na intensywność występowania analizowanych zagrożeń.

• Związki między zagrożeniami górniczymi

Występowanie naturalnych zagrożeń w kopalniach jest zjawiskiem powszechnym. Wynika to z:

• rozprzestrzenienia w przyrodzie naturalnych czynników wywołujących powstawanie zagrożeń,

• skutków technicznej działalności człowieka sprzyjających ich ujawnianiu się.

Czynniki te tworzą złożone układy skutkujące istnieniem wielu odmiennych zagrożeń, które w kopalniach mogą stanowić i stanowią poważny problem natury badawczej, technicznej i organizacyjnej. Specyficzne warunki kopalniane spowodowane:

• dominującym geomechanicznym wpływem górotworu na otoczenie,

• ograniczoną przestrzenią wyrobisk górniczych,

• wymuszoną, ograniczoną ich wentylacją,

• natężeniem technicznego wyposażenia wyrobisk

powodują powstawanie charakterystycznych tylko dla podziemnych kopalń zjawisk, jakościowo i ilościowo odmiennych od innych środowisk pracy. Ta specyfika skutkuje występowaniem nieprzewidywalnych katastrof górniczych. W historii rozwoju górnictwa i związanych z nim nauk wypracowano określone standardy prewencji spotykanych zagrożeń, których dominującą cechą jest odrębne traktowanie każdego z nich. Na takim założeniu opiera się prawie cała wiedza i praktyka związana z opisem, prognozą i zwalczaniem zagrożeń. Wiele doświadczeń ruchowych oraz pojedyncze publikacje sugerują jednak bardziej złożoną sytuację, w której istnieją przesłanki o bardziej subtelnych zależnościach i zjawiskach zachodzących między zagrożeniami (tzw. „zagrożenia skojarzone”). Przejawia się to w występowaniu nietypowo wysokich stanów niektórych współwystępujących zagrożeń oraz stwierdzaniu negatywnego oddziaływania metod prewencji jednego zagrożenia na stany innych zagrożeń, a także ograniczeniu zakresu i skuteczności stosowania w pewnych sytuacjach niektórych metod profilaktycznych.

Dotychczasowe wyniki badań i analiz oddziaływań górniczych zagrożeń naturalnych na siebie obejmowały najczęściej zagrożenia o dużym fizyko - chemicznym podobieństwie. Ich analiza wykazała występowanie pewnych prawidłowości polegających na tym, że inicjatorem katastrofy jest najczęściej najłatwiej zapalna (wybuchowa) mieszanina metanu z powietrzem. Jest ona źródłem bardzo wysokiej temperatury i fali podmuchu. W następnej kolejności wybucha wzniecony w obłok pył węglowy, a proces ten może być wielokrotnie powtarzany aż do wyczerpania się tlenu lub lotnego pyłu. Czasem, w sprzyjających warunkach może dochodzić do zapalenia materiału palnego (węgla) i powstania pożaru egzogenicznego. W warunkach ograniczonej dostępności tlenu produktami spalania węgla mogą być takie gazy jak: metan, tlenek węgla, wodór, węglowodory, siarkowodór. W momencie kontaktu tych gazów ze świeżym powietrzem może wystąpić ich wybuch. Możliwa jest również odwrotna kolejność następstwa zdarzeń polegająca na tym, że źródłem wybuchu metanu był pożar.

W ciąg wzajemnie powiązanych ze sobą zdarzeń mogą wchodzić również inne niż wyżej wymienione czynniki. Szczególną rolę w katastrofach kopalnianych mogą odgrywać zjawiska dynamiczne (wstrząsy, tąpnięcia, zawały), wyzwalające katastroficzne formy innych zagrożeń (Kabiesz, Konopko 1997). Gwałtowne przemieszczania się skał, maszyn i wyposażenia wyrobisk górniczych mogą być źródłem inicjałów zapłonu metanu i/lub pyłu węglowego. Związana z takimi zjawiskami destrukcja górotworu może wyzwalać ujawnianie się zagrożenia metanowego lub wodnego.

Skutki współwystępowania naturalnych zagrożeń górniczych nie muszą przyjmować form katastrof. Znane są na przykład przykłady intensywnego wydzielania się metanu (bez jego wybuchu czy zapalenia) w wyniku występowania wstrząsów sejsmicznych i tąpań.

Poniżej przedstawiono kilka takich przykładów z ostatnich lat w polskich kopalniach węgla kamiennego:

W literaturze i praktyce światowego górnictwa nie są znane uniwersalne rozwiązania z zakresu prewencji zagrożeń skojarzonych.

Tablica 3. Przykłady współzależności przejawów zagrożeń naturalnych w KWK

Kopalnia	Data	Pokład	Rodzaj zdarzenia
Katowice-Kleofas	1999.02.05	620	zapalenie metanu w zrobach, pożar
Śląsk	1999.05.21	502	wstrząs, wydzielenie się około 11050 m^3 metanu
Śląsk	1999.08.25	502	wstrząs, wydzielenie się około 170 m^3 metanu
Śląsk	1999.11.06	502	wstrząs, wydzielenie się około 630 m^3 metanu
Wesoła	1999.03.12	501	zapalenie metanu w ścianie od iskier powstających w trakcie zawału stropu, pożar
Katowice-Kleofas	2000.06.30	620	zapalenie metanu, pożar; 2 osoby ranne
Śląsk	2002.01.25	502	tąpnięcie, zametanowanie, pożar; 1 osoba ranna
Budryk	2002.07.17	358/1	zapalenie metanu prawdopodobnie od iskier powstających w trakcie zawału stropu, pożar; koszt likwidacji pożaru - około 3 mln zł
Pniówek	2002.09.05	361	zapalenie metanu, pożar; 1 ofiara śmiertelna, 5 osób rannych, koszt likwidacji pożaru - około 4,5 mln zł
Rydułtowy	2002.03.23	703/1	zapalenie i wybuch metanu, wybuch pyłu węglowego, pożar; 3 ofiary śmiertelne, 7 osób rannych
Bielszowice	200302.24	405/2	pożar endogeniczny, zapalenie metanu; 17 osób rannych
Brzeszcze	2003.04.01	364	zapalenie metanu, pożar; 1 ofiara śmiertelna, 11 osób rannych

Na podstawie analizy takich zdarzeń można stwierdzić, że oddziaływania mogą występować bezpośrednio między zagrożeniami, lub też pośrednio, kiedy ich stany i formy występowania są kształtowane poprzez pośrednie związki przyczynowo - skutkowe - rysunek 2.

Z oddziaływaniami bezpośrednimi mamy do czynienia wtedy, gdy określony parametr charakterystyczny dla danego zagrożenia wprost kształtuje stan innego zagrożenia. Typową taką sytuacją jest np. inicjowanie wybuchów pyłu węglowego przez skutki wybuchu metanu (fala podmuchu, wysoka temperatura) lub inicjowanie wybuchu metanu przez skutki tąpań (zaciskanie zrobów, z których wypychany i zapalany jest metan).

Oddziaływania pośrednie polegają na zmianie pewnych, czasem bezpośrednio nie związanych z zagrożeniami, własności środowiska pracy, które z kolei wpływają na parametry kształtujące stany innych zagrożeń. Związki takie występują np. w trakcie zawałów i tąpań, kiedy to ulegają zniszczeniu wyrobiska górnicze zmieniając warunki wentylacji. Konsekwencją tego mogą być zmiany stanu zagrożenia pożarowego i metanowego.

Najczęściej występującymi rodzajami wzajemnych związków przyczynowo - skutkowych są:

• ujawnianie występowania innego zagrożenia, dotychczas nie istniejącego lub istniejącego w formie utajonej,

• zmiany intensywności występowania innego zagrożenia,

• inicjowanie katastroficznych form wystąpienia innego zagrożenia,

• ograniczanie efektywności stosowania prewencji innego zagrożenia.

Istota tych zjawisk oraz ich systematyka pozwala na podanie ogólnej definicji zagrożeń skojarzonych (Kabiesz 2001): przez zagrożenia skojarzone rozumie się te zagrożenia naturalne, które współistniejąc wzajemnie wpływają na inicjację, intensywność oraz przejawy swojego występowania.

• Kolizyjność profilaktyk

Zagadnienie współwystępowania zagrożeń górniczych wiąże się ściśle z zagadnieniem doboru ich profilaktyk oraz tzw. kolizyjnością ich skutków. Kolizyjność profilaktyk należy rozumieć jako niepożądane, z punktu widzenia bezpieczeństwa pracy, skutki ich zastosowania. Takie stwierdzenie wydaje się absurdalne; wszystkie metody profilaktyczne zostały stworzone i są stosowane dla poprawy bezpieczeństwa pracy. Stan taki rzeczywiście istnieje w sytuacjach prostych i jednoznacznych, gdy zagrożenia występują pojedynczo, a przyczyny ich powstawania nie są zbyt złożone. Absurdalność ta znika jednak w sytuacjach bardziej złożonych, gdy skutki zastosowanej profilaktyki (profilaktyk) zmieniają własności górotworu, atmosfery, obudowy itp. wpływając na zagrożenia współwystępujące. Może się wtedy zdarzyć, że skutki te, korzystnie wpływając na stan danego zagrożenia, powodują pojawienie się zagrożenia innego, zwiększają intensywność występowania innych zagrożeń lub/i ograniczają możliwości skutecznego stosowania innych metod profilaktycznych. Usystematyzować je można w dwie ogólne grupy konfliktów:

• niekorzystnych zmian stanów zagrożeń współwystępujących,

• ograniczenia zakresów i skuteczności stosowania innych profilaktyk.

Występowanie tych konfliktów jest uzależnione od charakteru wpływu, zmienianych stosowaną profilaktyką, własności środowiska pracy na inne zagrożenie lub/i możliwości stosowania innych profilaktyk. Przy zmianach korzystnych dla zwalczanego zagrożenia i zagrożeń współwystępujących lub innych profilaktyk konflikty te nie występują. Można wręcz wtedy mówić o uniwersalności danej profilaktyki, co winno być uwzględniane przy planowaniu i realizacji prewencji innych zagrożeń. Przykładem takiej zależności może być ograniczenie prędkości postępu frontu ściany realizowane dla zmniejszenia zagrożenia tąpaniami korzystne także dla zagrożenia metanowego, lub np. nawadnianie pokładu węgla dla zmniejszenia jego naturalnej skłonności do tąpań obniżające jednocześnie zagrożenie pożarowe i pyłowe. Bardziej znaczące konsekwencje mogą przynosić niekorzystne z punktu widzenia zagrożeń współwystępujących i innych profilaktyk zmiany własności środowiska wywoływane stosowanymi przedsięwzięciami profilaktycznymi. Zjawiska takie mogą występować wtedy, gdy wytwarzane zmiany odmiennie wpływają na różne zagrożenia lub skuteczność różnych profilaktyk. Na przykład zwiększanie intensywności szczelinowatości górotworu posiada zazwyczaj korzystny wpływ na zagrożenie tąpaniami, natomiast niekorzystny dla zagrożenia pożarowego, zawałowego i wodnego - rysunek 3. Może ono ograniczać możliwości stosowania profilaktyk tych zagrożeń (np. izolacji pożaru, izolacji zbiorników wodnych) lub je poprawiać (np. zwiększać efektywność odmetanowania). Obserwuje się także bardziej subtelne zależności, ograniczające się do jednego, zwalczanego zagrożenia. Szczelinowanie górotworu jest generalnie korzystne dla ograniczania zagrożenia tąpaniami, jednak przy przekroczeniu pewnego poziomu jego intensywności może dla tego zagrożenia okazać się niekorzystne.

Z opisanej wyżej sytuacji wynika, że stosowanie w takich warunkach metod zwalczania poszczególnych zagrożeń powinno być związane z optymalizacją ich doboru. Kryteriami tej optymalizacji powinno być:

• zapewnienie największego bezpieczeństwa pracy,

• obniżenie stanu zagrożenia najbardziej niebezpiecznego (wiodącego),

• ustalenie kolejności realizacji profilaktyk.

• Dobór profilaktyk

Podstawą doboru najmniej kolizyjnych metod profilaktycznych musi być ocena ich wpływu na stany wszystkich współwystępujących zagrożeń. Ogólne postacie zależności przedstawionych na rysunku 3 można tworzyć dla wszystkich metod profilaktycznych względem wszystkich zagrożeń. Dla ich praktycznej użyteczności niezbędna jest jednak znajomość szczegółowych postaci zależności:

SZ_i = f(x_j) (1)

gdzie:

SZ_i - stan i-tego zagrożenia,

x_j - nasilenie występowania j-tej cechy wpływającej na stan i-tego zagrożenia.

Zależności takie w ścisłej postaci są znane jedynie w wyjątkowych przypadkach, ograniczających się do sytuacji bezpośrednich związków między konkretnymi, mierzalnymi wielkościami fizyko - chemicznymi. Typowym przykładem jest zależność między stężeniem metanu w powietrzu a jego wybuchowością. Jeżeli jednak będziemy próbowali dodatkowo wiązać np. zmiany szczelinowatości skał z wydzielaniem metanu do wyrobisk, to związek ten będzie już znacznie trudniejszy do ścisłego określenia. Poza tym zawsze istnieje jeszcze etap kolejny, wiążący wybuchowość mieszaniny powietrza z metanem ze stanem zagrożenia wybuchem, w którym muszą być uwzględniane dodatkowe czynniki związane np. z ryzykiem zaistnienia inicjału wybuchu. Dla innego rodzaju czynników i zagrożeń postacie tych zależności są znacznie słabiej poznane. W efekcie więc prawie zawsze mamy do czynienia z ilościowo - jakościowymi formułami łączącymi opisowe kryteria z konkretnymi wartościami wielkości fizycznych lub umownych. Taki stan utrudnia lub wręcz uniemożliwia bezpośrednie porównywanie ocen oddziaływania profilaktyk. W przeszłości podejmowane były próby jakościowej (Konopko, Kabiesz, Cygankiewicz 1994) i ilościowej (Kabiesz i in. 1996) oceny wpływu wybranych profilaktyk na zagrożenia górnicze. Próby te ograniczały się do umownej werbalnej (tablica 4) lub liczbowej oceny takich wpływów. Były to jednak próby mało przydatne, trudne do wykorzystania w wielu sytuacjach. Występowały podstawowe trudności z wyborem konkretnych wartości współczynników wag wpływu profilaktyk na zagrożenia.

Tablica 3. Zestawienie wybranych metod zwalczania zagrożeń naturalnych wraz z oceną ich uniwersalności (Konopko i in. 1994)

Metoda profilaktyczna

Zagrożenie

tąpaniami

pożarami

metanem

pyłem

klimatyczne

wodne

obwa łami

wyrzutami

Odprężanie pokładów

podebranie

+

-

±

*

*

-

-

+

nadebranie

+

±

±

*

*

*

*

*

Kierowanie stropem

zawał

±

-

-

*

-

-

±

*

podsadzka

±

+

+

*

±

+

-

*

Intensywność eksploatacji

duża prędkość postępu przodków

±

+

-

-

-

-

+

-

duża koncentracja

-

-

-

-

-

-

-

-

Pozostawianie filarów

bezpieczeństwa

-

±

*

*

*

+

±

*

ochronnego

-

-

*

*

*

+

±

*

Urabianie

MW

+

-

-

+

*

-

±

±

maszynami

-

+

±

-

±

+

+

±

Strzelania odprężające w pokładzie

+

-

±

-

*

-

-

+

Strzelania w stropie (w górotworze)

+

*

±

*

*

-

-

+

Wiercenia odprężające

+

-

-

*

*

*

-

±

Nawadnianie pokładu węgla

+

+

+

+

-

*

-

+

Nawadnianie górotworu

+

+

*

+

*

*

-

+

Ukierunkowane szczelinowanie skał

+

*

±

*

*

*

*

*

Odwadnianie zrobów

*

-

-

*

*

+

+

*

Odwadnianie górotworu

-

-

±

*

+

+

+

*

Uszczelnianie zrobów

*

+

±

*

+

*

*

*

Podsadzanie wyrobisk

+

+

+

+

+

+

+

+

Tamowanie wyrobisk

tamy wodne

*

+

+

+

+

+

*

*

tamy izolacyjne

*

+

+

*

+

*

*

*

korek podsadzkowy

*

+

+

*

+

+

*

*

Duża intensywność przewietrzania

*

±

+

-

+

*

*

*

Wyrównywanie potencjałów aerodynamicznych

*

+

+

*

*

*

*

*

Odmetanowanie złoża

*

±

+

*

*

*

*

+

Pozostawianie półek węglowych

*

-

*

*

*

*

*

*

Obudowa zmechanizowana ścian

+

+

±

*

*

*

+

*

Wzmacnianie obudowy

+

+

*

*

*

+

+

*

+

korzystne,

-

niekorzystne,

±

w zależności od sytuacji,

* obojętne

1. Rozmyty model oddziaływania profilaktyk

Przeciętnie uzdolniony człowiek potrafi zapamiętać jedynie 5 do 9 charakterystycznych stanów obiektu będących odpowiednikami liczb, a analizować ich wzajemne relacje w jeszcze bardziej ograniczonym wymiarze. Ten obiektywny fakt jest prawdopodobnie najważniejszą przyczyną występujących trudności wiarygodnej oceny wpływu profilaktyk na stany współwystępujących zagrożeń. Zachodzi wobec tego fundamentalne pytanie „w jaki sposób przy tak ograniczonych możliwościach człowiek może panować nad złożonymi systemami, a w szczególności otaczającą go przyrodą?”. Prawdopodobnie umożliwiają mu to reguły przybliżonego wnioskowania, wielowartościowa logika oraz nie tylko deterministyczne zasady pracy mózgu. W swoim codziennym postępowaniu ludzie często nie posługują się logiką dwuwartościową (prawda, fałsz), lecz używają jeszcze pojęcia możliwości. Do oceny stanu obiektu ludzie nie potrzebują liczb. Wystarczają im oceny lingwistyczne typu: dużo, mało, bezpiecznie, więcej, szybciej itp., które umożliwiają sterowanie bardzo skomplikowanymi urządzeniami (chociażby np. prowadzenie samochodu w dużym natężeniu ruchu drogowego) czy też intuicyjny opis i przewidywanie zachowania się złożonych systemów.

Ścisłe reguły posługiwania się lingwistycznymi pojęciami (ocenami) są domeną tzw. logiki rozmytej, której zasady sformułował Lotfi A. Zadeh (Zadeh 1965, Zadeh 1979). Jej rozwój oraz coraz szersze zastosowanie należy tłumaczyć możliwościami poprawnego rozwiązywania zagadnień nieliniowych oraz bardzo złożonych, często nie zdefiniowanych zagadnień liniowych. W logice tej możliwe jest uwzględnianie oraz obiektywne ścisłe przekształcanie opinii ludzkich wyrażanych w formie werbalnej. Stosując jej zasady możliwe jest stworzenie rozmytego modelu zagrożeń skojarzonych (Wanat, Kabiesz 2000), z którego własności wynika możliwość tworzenia charakterystyk oddziaływania na zagrożenia profilaktyk, ich oceny oraz optymalizacji ich doboru.

Jeżeli przyjmiemy, że zagrożenie jako pojęcie rozmyte „składa się” z nazwy zagrożenia oraz oceny jego stanu to możliwe jest przedstawienie pojęcia zagrożeń skojarzonych w postaci:

(2)

gdzie:

ZS - rozmyte pojęcie „zagrożenia skojarzone”,

Z_i - nazwa i-tego zagrożenia,

SZ_i - wartość funkcji przynależności i-tego zagrożenia (wartość oceny stanu i-tego zagrożenia).

Każde z zagrożeń jako zmienne lingwistyczne posiadają hierarchię określoną przez zbiory ich wartości rozmytych (wartość: zagrożenie zerowe, bardzo małe, małe, średnie, duże i bardzo duże). Przyjęto, że zmienne lingwistyczne określające hierarchię posiadają funkcję przynależności w postaci linii prostych (ramion trójkąta równoramiennego), wobec czego można przedstawić je tak jak na rysunku 3. Na takich modelach stan zagrożenia jest określony przez konkretną wartość x funkcji przynależności. W praktyce oznacza to konieczność nazwania i zdefiniowania charakteru oddziaływań między zagrożeniami. W lingwistycznym sposobie ich definicji werbalnie określa się relację zachodzącą miedzy kryterialnymi wzorcami wewnętrznej hierarchii zagrożeń a modyfikatorami przekształcającymi je w inne wzorce. Określa się, iż w wyniku danego oddziaływania np. zagrożenie małe staje się zagrożeniem średnim, a zagrożenie średnie dużym itd. Dla innego oddziaływania może występować sytuacja odwrotna; zagrożenie bardzo duże staje się średnim, a zagrożenie duże małym. Matematyczny opis takich przekształceń jest dosyć złożony i posługiwanie się wprost nim dla tworzenia wzorców zagrożeń oraz definiowania ich przekształceń stałoby w sprzeczności z przyjętą zasadą wykorzystywania doświadczenia oraz intuicji ekspertów. Stworzono wobec tego możliwość realizacji tych zadań w postaci programu komputerowego, w którym w odpowiednim oknie dialogowym deklaruje się odpowiednie relacje zachodzące między zagrożeniami oraz profilaktykami - rysunek 4.

Po zdefiniowaniu wszystkich oddziaływań możliwe jest dokonanie symulacji dla wszystkich możliwych wariantów zastosowania profilaktyk i wybór najkorzystniejszego z nich. W praktyce często jedno z zagrożeń jest dominującym, wobec czego kryteria optymalizacji doboru profilaktyk muszą ten fakt uwzględniać. Można sformułować następujące ogólne kryteria doboru profilaktyk:

• zapewnienie największego bezpieczeństwa pracy,

• 
  obniżenie stanu zagrożenia najbardziej niebezpiecznego (dominującego),

• możliwość wyboru optymalnej liczby i rodzajów profilaktyk z deklarowanego ich zestawu.

• możliwość dokonania optymalizacji kolejności wykonywania profilaktyk.

Zapewnienie największego bezpieczeństwa pracy należy utożsamiać z najniższą z możliwych wartości ocen stanu zagrożeń skojarzonych.

Obniżenie stanu zagrożenia dominującego może oznaczać, że stany innych współwystępujących zagrożeń nie muszą ulec obniżeniu, a w niektórych przypadkach dopuszczalne jest nawet ich zwiększenie. Pomocniczym kryterium oceny przy analizie takich sytuacji może być minimalizacja ryzyka zawodowego. Decyzje takie muszą być podejmowane indywidualnie dla każdego przypadku doboru profilaktyk.

W realnych warunkach występują pozytywne i negatywne skutki stosowania profilaktyk w odniesieniu do możliwości wykorzystania i skuteczności innych profilaktyk. Wynika z tego wniosek o znaczeniu kolejności realizacji profilaktyk oraz potrzebie jej optymalizacji. W logice rozmytej można wykorzystywać do tego celu brak przemienności dodawania, a w szczególności sumowania skutków zastosowania poszczególnych profilaktyk.

• Podsumowanie

Stosowanie metod prewencji naturalnych zagrożeń górniczych w przypadku współwystępowania wielu z nich jest zagadnieniem złożonym i trudnym. W praktyce często spotykane są przypadki negatywnego wpływu skutków zastosowania danej metody na stany innych zagrożeń oraz możliwości zastosowania i efektywności innych profilaktyk. Problemy te są jedynie wycinkowo sygnalizowane w obowiązujących przepisach prawnych, stosunkowo rzadko poruszane w publikacjach, a w praktyce subiektywnie rozwiązywane na drodze eksperckich decyzji dla każdego indywidualnego przypadku. Sytuacja ta jest spowodowana samą istotą zagrożeń i wpływu na nie metod prewencji; ich złożonością, niekiedy dużymi trudnościami w uzyskiwaniu ścisłych danych, bardzo dużym udziałem „czynnika ludzkiego” w ich kreowaniu, losowością w skutkach stosowanych aktywnych metod profilaktycznych itp.

Realne występowanie konfliktów profilaktyk wynika z bieżących obserwacji ruchowych oraz sugerują to wyniki analizy niektórych katastroficznych zdarzeń występujących w kopalniach.

W ostatnich latach opracowano teoretyczne podstawy opisu zagrożeń skojarzonych oraz stworzono uniwersalne narzędzia dla tworzenia charakterystyk oddziaływania skutków profilaktyk na stany poszczególnych współwystępujących zagrożeń, ich sumowania oraz optymalizacji doboru metod profilaktycznych. Stwarza to podstawy dla bardziej efektywnego stosowania prewencji zagrożeń, szczególnie w sytuacjach najbardziej złożonych i trudnych - wymaga jednak dalszych prac i analiz.

Literatura

Cygankiewicz J., Buchwald P. 1999. Ocena rozwoju ogniska samozagrzewania. Ratownictwo Górnicze, Nr 1.

Kabiesz J. Konopko W. i inni. 1996: Sposób kompleksowej oceny stanu zagrożenia tąpaniami, pożarami i metanem. Dokumentacja pracy naukowo - badawczej GIG o symbolu I. 1.2.4., Katowice, (niepublikowana).

Kabiesz J., Konopko W. 1997. Problemy skojarzonych zagrożeń górniczych w polskich kopalniach węgla kamiennego. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, nr 5.

Kabiesz J. 2001. Zagrożenia skojarzone. W monografii pt. Strategia poprawy bezpieczeństwa pracy w kopalniach węgla kamiennego. Praca zbiorowa pod redakcją W. Konopko, GIG, Katowice.

Kabiesz J. 2002. Charakterystyka skojarzonych zagrożeń górniczych w aspekcie ich oceny oraz doboru metod prewencji. Prace Naukowe GIG. Nr 849. Katowice.

Kłeczek Z. 1998. Tąpania jako nagłe zagrożenia litosferyczne. Materiały sympozjum nt. „Nowoczesne układy diagnostyki i monitoringu w zmechanizowanych systemach ścianowych.” Wisła, 22 październik 1998, KOMAG, Katowice.

Konopko W., Kabiesz J., Cygankiewicz L. 1994. Wstrząsy i tąpania jako inicjatory zagrożenia metanowego. Przegląd Górniczy, Nr 2, Katowice.

Konopko W., Kabiesz J., Merta G., Makówka J., Szubert S., Zehnal J. 1997. Ukierunkowane hydroszczelinowanie skał i możliwości jego wykorzystania. Prace Naukowe GIG N^o 824, Katowice.

Krause G., Łukowicz K. 1999. Zasady doboru i rozmieszczenia czujników metanometrii i anemometrii automatycznej w warunkach równoczesnego występowania zagrożenia metanowego i ekstremalnego zagrożenia tąpaniami. Prace Naukowe GIG, Seria: Konferencje, N^o 32, Katowice.

Krause G., Łukowicz K., Cybulski K. 2001. Forecast absolute methane emissions of mining areas. Proceedings of the 7^th international mine ventilation congress. June 17 - 22, Kraków, Poland.

Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 14 czerwca 2002 r. w sprawie zagrożeń naturalnych w zakładach górniczych. Dziennik Ustaw 02.94.841

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. Dziennik Ustaw 02.139.1169.

Wanat K., Kabiesz J. 2000. Model zagrożeń skojarzonych. Prace Naukowe GIG. Seria: Konferencje N^o 36, Katowice.

Zadeh A.. 1965. Fuzzy sets. Inf. Control, vol. 8.

Zadeh A.. 1979. A theory of approximate reasoning. Machine Intelligence, vol. 9.

Dane osobowe:

dr hab. inż. Józef Kabiesz

Główny Instytut Górnictwa

pl. Gwarków 1

40-166 Katowice

tel. [phone]

e-mail: [e-mail]

11

Tabela 1. Charakterystyczne cechy górotworu wpływające na występowanie i stany naturalnych zagrożeń górniczych

Zagrożenie	Czynniki warunkujące występowanie i stany zagrożeń
		Struktura skał i warstw skalnych	Skład bu-dowy gó-rotworu	Własności fizyko - che-miczne skał	Własności mechaniczne skał	Sposób, rodzaj i wartość obciążeń skał
Pożarowe
Metanowe
Tąpaniami
Pyłowe
Wodne

Pola zaciemnione określają występowanie zależności

Rys. 1. Schemat przyczynowo - skutkowego następstwa zdarzeń katastrof górniczych

Rys. 2. Oddziaływania między zagrożeniami

Rys. 3. Kolizyjność skutków profilaktyki

Rys. 4. Przykładowa rozmyta charakterystyka oddziaływania wybranej profilaktyki na zagrożenie metanowe

Rys. 3. Rozmyty wzorzec zagrożeń

---