5. Charakterystyka zagrożeń naturalnych i ich zwalczanie.

I. ZAGROŻENIE TĄPANIAMI

ZAGROŻENIE TĄPANIAMI - jest to możliwość nagłego i gwałtownego zniszczenia struktury skał wokół wyrobiska górniczego z równoczesnym wyrzuceniem ich do wybranej przestrzeni.

Zjawisko tąpań polega na dynamicznym zmiażdżeniu calizny węglowej, spowodowanym przekroczeniem naprężeń krytycznych węgla. Tąpanie połączone jest
z przemieszczaniem się mas węglowych do wyrobisk górniczych, ich częściowym zasypaniem i zniszczeniem. Zagrożenie tąpaniami należy uznać za jedno z najbardziej groźnych dla bezpieczeństwa pracy w górnictwie.

Warunkiem możliwie bezpiecznego prowadzenia robót górniczych w pokładach zagrożonych tąpaniami jest stosowanie w nich odpowiednio rozbudowanego systemu przewidywania (prognozy) tąpań. Obejmuje ono:

• metody wiercenia otworów kontrolujących stan zagrożenia,

• system obserwacji zjawisk zachodzących w przodkach,

• określanie energetycznego wskaźnika skłonności węgla do tąpań,

• metody sejsmoakustyczne i sejsmologiczne.

• Prognozowanie tąpań sprowadza się do:

• właściwej oceny stanu zagrożenia tąpaniami, opartej na znajomości właściwości fizykomechanicznych skał, analizie zespołu warunków geologicznych,

• przewidywania sytuacji górniczych, w których należy liczyć się w warunkach pokładów tąpiących z wystąpieniem podwyższonego zagrożenia,

• prowadzenia systemu obserwacji umożliwiającej na czas otrzymanie sygnału uprzedzającego o nadchodzącym tąpnięciu.

Tąpnięcie jest nagłym wyzwoleniem energii zachodzącym w chwili przekroczenia wytrzymałości węgla.

Bardzo ważną rolę w zjawisku tąpań odgrywają właściwości fizykomechaniczne; np. zwiększone zawilgocenie wodą połączone ze stosunkowo dużą porowatością skał zmniejsza wytrzymałość skal o kilkanaście, a nawet kilkadziesiąt %. Szczególnie istotna, z uwagi na fakt obciążeń od skał nadległych, jest wytrzymałość na ściskanie R_c. Również parametrem decydującym o wytrzymałości skał jest występowanie w nich płaszczyzn zmniejszonej spoistości, zwanych inaczej płaszczyznami łupliwości.

Bardzo ważną cechą, która musi być uwzględniana przy ocenie zagrożenia tąpaniami, jest zdolność skał do odkształcenia bez pęknięć, które nazywa się plastycznością skał. Plastyczność skał w trójosiowym układzie naprężeń jest wyraźnie wyższa od plastyczności występującej przy poddawaniu skały obciążeniom jednoosiowym. Skały znajdujące się w strefie wyrobisk górniczych tracą swój charakter plastyczny (brak trójosiowego układu obciążeń) i tym samym łatwiej ulegają skruszeniu. Zdolność odkształcenia skał węglowych bez pęknięć w zależności od stworzonych ciśnień (2*10⁷ do 10⁸ Pa) waha się od 0,63 do 2,22%, łupku ilastego - od 0,16 do 0,71%, a piaskowca - od 0,19 do 0,57%.

Zbliżoną właściwością skał także bardzo istotną w przewidywaniu tąpań - jest ich sprężystość, czyli zdolność powrotu skały do wyjściowego kształtu po usunięciu działania siły: ściskającej, rozrywającej, ścinającej, gnącej itp., działającej statycznie lub dynamicznie.

Skały węglowe drobnoziarniste i jednorodne (np. węgle sapropelowe, klaryty) wykazują podwyższoną skłonność do tąpań. Węgle mało zwięzłe (np. fuzyty) trudniej wywołują tąpnięcia.

Niewątpliwie pierwszorzędne znaczenie w zagrożeniu tąpaniami ma głębokość prowadzenia robót i związany z tym naturalny wzrost ciśnień. Zagrożenie tąpaniami rośnie
z głębokością i ten czynnik naturalny może być uważany, jeśli nie za decydujący, to przynajmniej za bardzo ważny w prognozie zagrożenia tąpaniami. Statystyka wskazuje także na wyraźny wzrost zagrożenia z grubością pokładu. Wg Patteiskiego prawdopodobieństwo tąpnięcia rośnie z kwadratem grubości pokładu. Kolejnym elementem prognozy zagrożenia tąpaniami jest właściwa ocena sytuacji eksploatacyjnej przy uwzględnieniu zaszłości, które złożyły się na zaistniały stan sprawy.

Bardzo wysokie zagrożenie tąpaniami występuje przy prowadzeniu frontu w kierunku przestrzeni uprzednio wybranej i zawężeniu tym samym pozostawionego filaru. Z tego powodu, w przypadku np. frontów ścianowych zbliżających się dwuskrzydłowo ku sobie (zmniejszenie dzielącego ich filaru) należy liczyć się ze zwielokrotnionym niebezpieczeństwem tąpnięcia. Także w przypadku prowadzenia robót wybierkowych od pola należy liczyć się z podwyższonym zagrożeniem tąpaniami (większa ilość robót chodnikowych).

Z uwagi na niewątpliwą współzależność między wstrząsami (lokalnymi trzęsieniami ziemi), a tąpnięciami, w prognozie tąpań należy tę zależność odpowiednio uwzględnić.

Oprócz wstrząsów tąpania mogą także wywołać:

• występowanie szczątkowych naprężeń, powstałych w wyniku pierwotnego działania sił tektonicznych; koncentrujących się w nieckach, w nasunięciach, w strefach zaburzeń,

• występowanie naprężeń wywołanych prowadzeniem robót górniczych,

• wykonywanie robót strzelniczych,

• Nakładanie się kilku przyczyn jednocześnie.

Walka z tąpaniami obejmuje:

1. Stosowanie odpowiednich systemów rozcinki, eksploatacji i właściwej obudowy wyrobisk

2. Odprężanie pokładu przez wcześniejszą eksploatację mniej zagrożonego pokładu sąsiadującego

3. Stosowanie specjalnych metod unikania lub zmniejszania skutków tąpań.

Ad.1 Przy doborze właściwego systemu eksploatacji podstawowym warunkiem jej prowadzenia jest uniknięcie pęknięć stropu zasadniczego. Strop zasadniczy tworzą warstwy sztywne i mocne - zalegające nad stropem bezpośrednim lub nad samym pokładem przy braku stropu bezpośredniego.

Czynnikiem decydującym przy doborze systemu eksploatacji są więc własności skał stropowych (klasy I - IV omówione wcześniej).

Należy do minimum ograniczać roboty przygotowawcze - a więc preferuje się systemy ścianowe o kierunku prowadzenia do pola. Przy wybieraniu pokładu piętrami do góry
- bezpieczniejsze są ściany podłużne, ponieważ ściany poprzeczne z natury są prowadzone ku zrobom. Oczywiście podstawowym warunkiem bezpiecznej eksploatacji pokładów tąpiących jest czyste wybieranie, bez pozostawienia wszelkiego rodzaju `wysp węglowych', które z natury rzeczy stają się ośrodkami podwyższonych, groźnych zagrożeń.

Bardzo wysokie zagrożenie tąpaniami występuje w wyrobiskach chodnikowych - z tego powodu należy szczególną uwagę zwracać na ich prawidłowe sytuowanie. Wyrobiska te nie mogą być prowadzone w ogóle w sąsiedztwie krawędzi zrobów (w odległości od 10 do 40 m). W strefie krawędzi resztek pozostawionych w pokładach, chodniki można sytuować prostopadle do nich, ewentualnie skośnie. W wyrobiskach chodnikowych zagrożonych tąpaniami należy jak najczęściej stosować obudowę stalową, łukową z okładziną elastyczną, np. w postaci siatki stalowej ochronnej. Dodatni wpływ na ograniczenie zasięgu tąpań ma wykonanie `płaszcza' podsadzki kamiennej wokół wyrobiska.

Ad.2 Metodę odprężania pokładu stosuje się powszechnie w pokładach III stopnia zagrożenia tąpaniami (poza sytuacjami, w których pokłady sąsiednie nie nadają się do eksploatacji). Odprężanie ma na celu zmniejszenie naprężeń skał i zapobieganie w ten sposób możliwości tąpnięcia.

Z wiązki pokładów za odprężający (wybierany z wyprzedzeniem) powinno przyjąć się pokład najmniej zagrażający tąpaniami. Skuteczne odprężanie można uzyskać, gdy pokład odprężający zalega na głębokości nie większej niż 100 m pod pokładem zagrożonym tąpaniami lub 30 do 50 m nad tym pokładem. Kąty zasięgu odprężania wynoszą:

Nachylenie pokładu,°	Kąty wpływów, °
		w kierunku rozciągłości pokładu	w kierunku wzniosu pokładu	w kierunku upadu pokładu
do 30 ponad 30	65 65	60 50	65 25

Optymalne efekty odprężania uzyskuje się przy stosowaniu w pokładach odprężających zawału stropu.

Ad.3 Przez metody specjalne aktywnego zmniejszania (likwidowania) zagrożeń występujących w pokładach tąpiących rozumieć należy m.in.:

• strzelanie wstrząsowe mające na celu odprężanie górotworu,

• nawadnianie pokładów pod wysokim ciśnieniem,

• podwrębianie ociosów wyrobiska chodnikowego.

Metody specjalne maja na celu zmniejszenie mocy wyładowania energii zakumulowanej w górotworze (tąpnięcie) ewentualnie zapobieżenie tąpnięciu.

Strzelanie wstrząsowe polega na wykonywaniu długich otworów strzałowych ładowanych MW (wzdłuż ładunku dla uniknięcia efektu kanałowego umieszczony jest lont pentrytowy). Ilość MW powinna być możliwie duża, aby zapewnić właściwy efekt odprężający górotwór. Oczywiście w wyniku strzelania może nastąpić tąpnięcie, ma ono jednak charakter kontrolowany i przebiega pod nieobecność ludzi w wyrobisku.

Nawadnianie pokładów pod dużym ciśnieniem (do 10⁷ Pa) poprzez rozproszenie nagromadzonej energii zapobiega tąpnięciom ewentualnie zmniejsza ich zasięg. Dobór głębokości otworów nawadniających (od 4 do 12 m) oraz ich rozmieszczania (odstęp od 3 do 6 m) zależy od warunków występujących w wyrobiskach. Otwory nawadniające stosuje się zarówno w wyrobiskach ścianowych jak i chodnikowych. Należy zwrócić uwagę na podwyższony stan zagrożenia występujący w czasie odwiercania długich otworów. Zaleca się zdalne prowadzenie tych prac.

Bardzo skuteczne może okazać się w wielu przypadkach zagrożeń spągowych tapaniami podwrębianie ociosów wyrobiska chodnikowego wykonywane w odległości kilkunastu metrów od przodka na głębokość od 0,5 do 1 m. Wręb taki sytuowany jest bezpośrednio przy spągu wyrobiska.

II. ZAGROŻENIE POŻAROWE

W kopalniach węgla kamiennego bardzo łatwo pod ziemią może dojść do powstania pożaru, przy czym może to być pożar:

1. egzogenicznego wywołany przez czynnik zewnętrzny (otwarte światło, wybuch gazów, roboty strzelnicze, zatarcie urządzeń mechanicznych, iskry mechaniczne lub elektryczne itd.,),

endogenicznego dla powstania którego czynnikiem decydującym są palne właściwości samego złoża, surowca (węgla).

W górnictwie węglowym przeważają pożary pochodzenia endogenicznego, jednakże notuje się wyraźny wzrost pożarów egzogenicznych, a przyczyną jest wprowadzenie elektryfikacji oraz intensywnej mechanizacji procesów technologicznych.

Pożary pochodzenia egzogenicznego mogą być spowodowane różnymi przyczynami, np. zetknięciem się materiału palnego z otwartym płomieniem; ma się tu do czynienia najczęściej z ludzką nieostrożnością. Zagrożenie pożarowe występuje szczególnie przy pracach spawalniczych, często także przyczyna pożarów było palenie papierosów i porzucanie niedopałków w nagromadzeniach pyłu węglowego, z którym oczywiście należy liczyć się w kopalni właściwie wszędzie. Jednak w górnictwie polskim obowiązuje zakaz stosowania otwartego światła i palenia papierosów. Roboty spawalnicze prowadzone są za pisemną zgodą kierownika robót górniczych. W polach niemetanowych możliwe jest uzyskanie zezwolenia na wykonywanie powtarzających się prac cięcia, spawania lub lutowania, pod warunkiem ich prowadzenia w pomieszczeniu przewietrzanym niezależnym prądem powietrza i wykonanym z niepalnych materiałów. W polach metanowych wolno prowadzić spawanie po uprzednim upewnieniu się, że nie występuje w wyrobisku koncentracja CH4 powyżej 0,5%.

W czasie pracy sprężarek tłokowych zabronione jest wykonywanie robót spawalniczych w pobliżu samej sprężarki i w bezpośrednim sąsiedztwie rurociągów powietrza sprężonego.

Przeciążenie przewodników prądu elektrycznego, nagrzanie silników, powstanie łuku elektrycznego, iskrzenie w urządzeniach elektrycznych - może z łatwością stanowić inicjał pożaru. Szczególnie groźne jest zwarcie w przewodach i urządzeniach elektrycznych, mogących wystąpić w przypadku ich mechanicznego uszkodzenia (np. oderwanie bryły skalnej i zniszczenie osłony) lub chemicznego oddziaływania agresywnych wód dołowych niszczących kable, przewody czy urządzenia elektryczne. Znaczną poprawę osiągnięto dzięki wycofaniu z kopalń transformatorów oraz wyłączników olejowych i zastąpieniu ich urządzeniami bezolejowymi. Podstawą jednak zabezpieczeń przeciwpożarowych są rozbudowane systemy automatycznych zabezpieczeń.

Szczególnie groźne żródła stanowią wybuchy metanu lub pyłu węglowego.

Pożary endogeniczne w kopalniach węgla

Na podstawie przeprowadzonych badań ustalono, że przyczyną samonagrzewania i następującego w rezultacie tego samozapalenia węgla jest jego utlenianie się wskutek absorbowania przez węgiel tlenu z powietrza, który następnie wchodzi w reakcję chemiczną z substancją węglową, w wyniku czego następuje wydzielanie ciepła.

Podstawowymi czynnikami warunkującymi proces samozapalenia węgla są:

• dostateczna aktywność chemiczna obiektu samozapalającego w stosunku do tlenu,

• istnienie warunków zapewniających dostęp tlenu do tego obiektu,

• zwiększenie temperatury obiektu do punktu krytycznego w wyniku akumulacji ciepła powstającego przy jego utlenianiu.

Samozapalenie jest możliwe tylko w tym przypadku, gdy następuje filtracja powietrza poprzez skupisko węgla. Opływanie zewnętrzne skupiska węgla przez powietrze nie powoduje jego samozapalenia. Dlatego powietrze może oddziaływać na proces utleniania skupisk węgla tylko w tym przypadku, kiedy przenika ono przez skupisko i tworzą się strumienie powietrza: wchodzący i wychodzący. Pod wpływem powietrza przenikającego do wnętrza skupiska zachodzi wytwarzanie ciepła, zaś strumień powietrza wychodzącego unosi ciepło. Jeśli przy tym bilans ciepła zostaje zachwiany w stronę jego zwiększania się, to samozapalenie jest nieuchronne.

Dlatego w problemie walki z samozapaleniem węgla wielkie znaczenie ma zależność pomiędzy parametrami skupisk węgla i dopływającego go powietrza. Tworząc bilans cieplny można z dużą dokładnością określić, przy jakiej prędkości powietrza przenikającego przez skupisko węgla będzie następowało jego chłodzenie, a nie samonagrzewanie.

Przy ocenie samozapalności, oprócz geometrycznych parametrów usypiska węgla, należy uwzględniać również jego parametry chemiczne, którymi są: pojemność cieplna materiału, szybkość jego samonagrzewania, ilość ciepła generowanego w wyniku sorpcji tlenu. Im większa część generowanego ciepła idzie na nagrzewanie materiału, tym większe niebezpieczeństwo zapalenia.

W kopalniach węgla skłonność do samozapalenia przejawiają
nie tylko pokłady węgla, lecz również argillity i inne materiały.

Samozapalność argillitu jest związana z zawartością w nim substancji węglowej znajdującej się zwykle w stadium węgla brunatnego. Duża aktywność substancji węglowej argillitu jest w znacznym stopniu neutralizowana zawartymi w nim domieszkami mineralnymi i wilgocią; aktywność argillitu zmniejsza się z upływem czasu, zwiększa się jednak wraz z jego rozdrobnieniem i ze wzrostem temperatury.

Samozapalność torfu, drewna, tkanin bawełnianych i innych związana jest z procesem utleniania biochemicznego zachodzącego z pomocą mikrobów. Stwierdzono, że niektóre bakterie mogą wykorzystać nie tylko tlen molekularny, lecz również tlen znajdujący się w stanie związków chemicznych. Na przykład w złożach ropy naftowej jest mocno rozwinięte utlenianie węglowodorów na bazie tlenu zawartego w siarczanach.

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

— dopływu powietrza (tlenu) do miejsca zagrzewania,

— możliwości akumulacji ciepła wydzielającego się w czasie
reakcji utleniania.

Oba te czynniki zależne są od warunków górniczych, tj. systemu eksploatacji, ilości powietrza, warunków przewietrzania, usytuowania miejsca zapłonu w sieci wyrobisk górniczych itp. Pożary tego rodzaju mają przebieg bardziej spokojny od egzogenicznych, co niestety nie oznacza, że są łatwe do opanowania, szczególnie gdy są to pożary w starych zrobach. 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°C). Występuje wówczas gwałtowny przyrost temperatury, aż do temperatury zapłonu.

Jeżeli jednak uda się podczas samozagrzewania węgla zmienić korzystnie warunki zewnętrzne (np. poprawić warunki odprowadzania ciepła), to istnieje możliwość przejścia w okres ponownego ochłodzenia węgla, zwany „zwietrzeniem". Mimo istnienia wielu teorii samozapalenia węgla, nie wyjaśniono dotychczas jednoznacznie przyczyn rozpoczęcia procesu samonagrzewania, mimo że można uznać, iż sama teoria utleniania substancji węglowej i samo przyspieszającego się procesu utleniania (już po osiągnięciu temperatury krytycznej) jest słuszna. W górnictwie polskim według badań W. Olpińskiego — za samozapalne uważa się węgle o zawartości siarki pirytowej powyżej 1,5%.

Nie ulega przy tym wątpliwości, że obecność pirytu ;w węglu sprzyja jego samozapalności . Podobnie istnieje zbieżność poglądów co do podstawowego znaczenia zdolności węgla do sorbowania tlenu (adsorpcja powierzchniowa i chemisorpcja) w procesie wydzielania się ciepła. Zdolności sorpcyjne węgli oraz wilgoć higroskopijna niewątpliwie przyśpieszają utlenianie.

Wydaje się także bardzo prawdopodobny wpływ procesów elektrochemicznych na przebieg reakcji utleniania węgli. Poznanie stopnia skłonności węgla do samozapalenia jest bardzo istotne w ustalaniu zasad profilaktyki przeciwpożarowej. Dotyczy to np. ustalania wymiarów pól eksploatacyjnych (np. kop. Siersza), umożliwiających wyrabianie węgla w okresie zapewniającym nie powstanie ogniska.

Węgle dzieli się na:

— mało skłonne do samozapalenia (grupa I samozapalności węgla) — Sz^b = l do 80,

— średnio skłonne do samozapalenia (grupa II samozapalności) — Sz^b = 81 do 100.

— o dużej skłonności do samozapalenia (grupa III samozapalności) Sz^b = 101 do 120,

— o bardzo dużej skłonności do samozapalenia (grupa IV samozapalności) Sz^b > 120.

Przy ocenie wielkości zagrożenia pożarowego oddziału wydobywczego stosuje się tzw. wskaźnik PS. Przy jego obliczeniu uwzględnia się maksymalny wynik Sz^b oraz wskaźnik Si stanowiący sumę wskaźników od S₁ do S₇ przyjmowanych według tabl. 7.3

Oddział kwalifikuje się jako:

• niepożarowy — przy PS < 20°C/min i nie stwierdzeniu w oddziale żadnego pożaru w ciągu dwóch lat przed klasyfikacją,

• zagrożony — przy PS > 120°C/min i przy nie stwierdzaniu w oddziale żadnego pożaru w ciągu dwóch lat przed klasyfikacją lub jeśli niezależnie od wskaźnika PS w oddziale istnieją czynne pola pożarowe,

• pożarowy niezależnie od wskaźnika PS, jeśli w oddziale zaistniał w ciągu ostatnich dwóch lat przed przeprowadzeniem klasyfikacji pożar endogeniczny.

Oprócz wspomnianych sposobów oceny i kontroli zagrożenia pożarowego przy wykrywaniu ognisk pożarowych należy brać pod uwagę pojawienia się następujących symptomów:

• charakterystycznego zapachu produktów suchej destylacji węgla,

• wyraźnego podwyższenia temperatury powietrza i wyczuwalnych ręką zmian temperatury ociosu,

• wzrostu wilgotności powietrza i „pocenia" się ociosów wyrobisk.

Podstawą do systematycznego nadzoru nad bezpieczeństwem jest system czujników do wczesnego wykrywania pożarów endogenicznych, które opisano w dalszej części rozdziału.

Dla aparatury kontrolno-pomiarowej jest także istotne wystąpienie zagrożeń wybuchowych w czasie samego pożaru, przy czym najważniejsze są w tym przypadku różne kombinacje (proporcje) gazów wybuchowych, takich jak CH₄, CO, H₂, C_mH_n.

Prognozowanie pożarów endogenicznych i podstawowe sposoby walki z samozapalnością węgla

Prognozowanie samozapalności pokładów węgla oparte jest na badaniach czynników naturalnych i górniczo-technicznych warunkujących możliwość jej występowania. Do czynników naturalnych należą cechy geologiczne złoża i aktywność chemiczna utleniających się węgli. Do czynników górniczo-technicznych należą głównie stosowane systemy wybierania, sposoby kierowania stropem, schematy i intensywność wentylacji wyrobisk górniczych.

Według aktywności chemicznej, węgle dzielą się na:

1. wysoko aktywne — węgle brunatne;

2. średnio aktywne — węgle kamienne

3. mało aktywne — antracyt.

W związku z odgazowaniem węgla i zwiększeniem jego porowatości, wynikającej z oddziaływania ciśnienia górotworu, węgiel w obszarach zaburzeń tektonicznych i w pokładach płytko zalegających jest bardziej podatny na samozapalenie, niż na większych głębokościach i w obszarach nienaruszonych. Im bardziej gazonośne są węgle (CH₄, CO₂), tym mniej są one wrażliwe na samozapalanie.

Jako wskaźnik aktywności chemicznej węgla wykorzystuje się prędkość pochłaniania tlenu (ml/(g-h)) przy temperaturze 25°C dla klasy o uziarnieniu od 3 do l mm i od 30 do 10 mm. Dla węgli brunatnych wskaźnik ten waha się w granicach od 0,10 do 0,15mj/(g-h), dla węgli kamiennych od 0,03 do 0,05 ml/(g-h), dla antracytu od 0,016 do 0,082 ml/(g-h).

Wybuch pożaru podziemnego powoduje stan wysokiego zagrożenia dla kopalni i jej załogi. Konieczne jest możliwie szybkie rozpoznanie pożaru, określenie jego miejsca, pochodzenia i intensywności rozprzestrzeniania się. Prawidłowe przystąpienie do akcji
przeciwpożarowej umożliwia zmniejszenie potencjalnego zagrożenia i ograniczenie zasięgu strat.

Do środków służących do aktywnego gaszenia pożarów kopalnianych należy zaliczyć:

— piasek i pył kamienny,

— system rurociągów przeciwpożarowych zasilanych wodą w ilości minimum 400 l/min pod ciśnieniem 0,1 do 1,2 MPa wraz z osprzętem,

— gaśnice pianowe, śniegowe lub proszkowe i agregaty gaśnicze.

Podstawą do prawidłowej organizacji akcji są odpowiednio wyposażone podziemne komory przeciwpożarowe oraz specjalne pociągi. Należy jednak zwrócić uwagę na szczególnie szybki rozwój nowoczesnych metod gaszenia pożarów, jak: wprowadzenie do akcji agregatów gaśniczych gazów inertnych (np. GAG) lub piany postępującej. Podstawą racjonalnej akcji pożarowej jest odpowiednio zaplanowana i zrealizowana strategia pożarowa, której elementem jest m.in. pasywne gaszenie pożaru przez otamowanie przestrzeni pożarowej. Wykorzystuje się przy niej znajomość procesów pożarowych
i wpływu nowego źródła depresji na zmiany w sieci wentylacyjnej kopalni. Pożar powoduje m.in. oczywiste zmiany w postaci zadymienia części wyrobisk kopalnianych, możliwość cofnięcia się prądu.5). głównego kopalni odwracania się prądów bocznych.

W celu uniknięcia wybuchu gazów pożarowych w czasie aktywnego zwalczania pożaru należy:

— wyznaczyć strefę zagrożenia gazowego, której zadymienie jest możliwe; strefa powinna być odpowiednio zabezpieczona przed możliwością wybuchu — wyłączyć należy urządzenia elektryczne, wzmocnić zapory przeciwwybuchowe, zastosować dopylanie stref pyłu kamiennego itp.,

— eliminować możliwość powstawania ognisk wtórnych,

—ograniczyć powstawanie lokalnych nagromadzeń gazów wybuchowych (uwaga na wyrwy w stropie i pustki za obudową),

— kontrolować skład gazów pożarowych.

Jak wykazała praktyka, duże zagrożenie pożarowe występować może od pozostawionego w zrobach węgla. Przy skłonności węgla do samozapalenia łatwo tworzy się wówczas ognisko pożaru endogenicznego.

Za podstawową metodę opanowania tego zagrożenia uważać należy:

— czyste wybieranie,

— izolację zrobów,

— inertyzację węgla pozostawionego (mimo wszystko) w zrobach.

Odpowiednie manipulowanie systemem tam pomaga w uniknięciu nadmiernego zadymienia kopalni w przypadku pożaru i stanowi podstawową operację zabezpieczającą załogę górniczą przed skutkami pożaru.

Podstawowym celem tej „manipulacji" jest zapewnienie utrzymania przepływu głównego prądu powietrza (przepływu na odcinku: szyb wdechowy—ognisko pożaru—szyb wentylacyjny) przy ustabilizowaniu prądów w pozostałych bocznicach. Ognisko pożaru działa przy tym zawsze jako źródło dodatkowej depresji. Przy wznoszącym prądzie powietrza depresja ta jest zgodna z depresją wentylatorów głównych. Zapewnia to utrzymanie przepływu głównego prądu, stwarza jednak możliwość odwrócenia prądów bocznych.

Przy schodzącym prądzie powietrza odwróceniu ulega prąd w bocznicy, w której powstał pożar — co powoduje, że dym płynie wówczas prądem głównym w kierunku przeciwnym działaniu wentylatora. W miarę rozwoju pożaru dym będzie przemieszczał się do coraz dalszych prądów bocznych (nie ulegających odwróceniu, ale zadymieniu), aż do odwrócenia całego prądu głównego. W takiej sytuacji powietrze będzie wpływało do kopalni w kierunku przeciwnym do działania wentylatora głównego. Zabezpieczenie kopalni przed zadymieniem będzie więc polegało przede wszystkim na zapewnieniu utrzymania kierunku głównego prądu
powietrza (szyb wdechowy—pole pożarowe—szyb wydechowy) przy — w warunkach prądów wznoszących — wyeliminowaniu lub przynajmniej ograniczeniu wpływu ogniska pożarowego na bocznice wentylacyjne. Uzyskuje się to zmniejszając opory elementu zewnętrznego, przez co należy rozumieć otwarcie tam i usunięcie przeszkód wentylacyjnych w części zewnętrznej prądu głównego i postawienie tamy stabilizacyjnej przed ogniskiem po-
żaru. Jeżeli zastosowany system środków aktywnego gaszenia pożaru nie dał oczekiwanych rezultatów, należy przystąpić do izolacji pola pożarowego. Izolację pola pożarowego przeprowadza się poprzez postawienie szczelnej tamy od strony dopływu powietrza świeżego do ogniska pożaru. Jeżeli temperatura gazów przy wylocie z wyrobisk objętych pożarem umożliwia równoczesne stawianie tamy izolacyjnej w tym wyrobisku, zaleca się jej wykonanie. Dodać przy tym należy, że przepisy górnicze wielu krajów wymagają równoczesnego zamykania tam izolujących pożar na wlocie i wylocie. Umieszczane są one na ogół w znacznej odległości od ognia; pomiędzy tamami a ogniem ustawia się (na wypadek wybuchu) zapory przeciwwybuchowe, np. z pyłem kamiennym, wodą lub chemicznym środkiem gaszącym.

III. ZAGROŻENIE WYBUCHEM PYŁU WĘGLOWEGO

Zapylenie powietrza w kopalni wynika z czynników technologicznych (sposoby i intensywność prowadzenia robót górniczych) oraz z niektórych właściwości naturalnych eksploatowanych pokładów węglowych (skłonność do pylenia). Rzeczywiste zapylenie powietrza w wyrobiskach zależy od efektywności stosowanych w kopalni sposobów i środków walki z pyłem. Przy braku środków walki z pyłem zapylenie powietrza w wyrobiskach górniczych może osiągnąć bardzo duże wartości (od 4000 do 5000 mg/m³).

Dla liczbowego scharakteryzowania stanu zapylenia wyrobiskwykorzystuje się następujące wielkości:

n — stężenie wagowe (masowe) pyłu zawieszonego w powietrzu, mg/m³,

N — intensywność wagowa (masowa) pylenia przy pracy maszyn wydobywczych lub chodnikowych, a także przy innych procesach technologicznych w kopalni, g/min,
i — stężenie obliczeniowe (według liczby cząstek) pyłu, szt./m³ lub szt./cm³,

J — intensywność obliczeniowa pylenia, szt./min,

M — pylenie jednostkowe, g/t,

Q — ilość powietrza przewietrzającego dany punkt wyrobiska, m³/min,

A — wydajność maszyn wydobywczych lub chodnikowych w odniesieniu do urobionej masy, t/min.

Prognozowanie warunków zapylenia w wyrobiskach górniczych

Stopień zapylenia wyrobisk górniczych zależy od czynników naturalnych: własności fizykomechanicznych urabianej masy; wilgotności i struktury; sposobu urabiania skały i węgla; parametrów konstrukcyjnych maszyn górniczych i organów skrawających sposobu i intensywności wentylacji wyrobiska itd.

Prognozowanie warunków zapylenia wyrobisk ma znaczenie dla znalezienia skutecznych sposobów walki z pyłem, a także określenia parametrów konstrukcyjnych maszyn urabiających
ścianowych i chodnikowych w celu zminimalizowania pylenia.

Znane są metody wyprzedzającej oceny zapylenia powietrza dla podstawowych procesów technologicznych w kopalniach: przy wierceniu, przy robotach strzelniczych, przy kruszeniu węgla i skał w wyniku urabiania kombajnem w przodkach wydobywczych i przygotowawczych, przy ładowaniu urobku, przy przesuwaniu obudowy zmechanizowanej.

Pojęcia podstawowe

Największe katastrofy górnicze spowodowane były wybuchami pyłu węglowego. Szczególnie częstym inicjałem wybuchu pyłu węglowego są wybuchy metanu. Na przykład największa katastrofa górnicza na świecie — wybuch metanu, a później i pyłu węglowego w kop. Honkeiko w Mandżurii w 1942 r. pochłonęła 1527 ofiar.

Z wybuchami pyłu węglowego łączą się następujące pojęcia podstawowe i definicje.

Za pył węglowy mogący wziąć udział w wybuchu należy uważać pył przechodzący przez sito o oczku l mm.

Wybuchowym pyłem węgłowym jest pył zawierający >10% części lotnych, tj. gazów wydzielających się przy suchej destylacji węgla.

Granice wybuchowości pyłu węglowego oznaczają przedział w którym wzbity w powietrze pył węglowy tworzy ośrodek wybuchowy. Przedział ten wynosi od 50 do 1000 g/m³. Najsilniejszy(stechiometryczny) wybuch pyłu ma miejsce przy 250 do 350 g/m³. Granice wybuchowości pyłu węglowego można odpowiednio przesuwać przez dodawanie do ośrodka metanu lub innego gazu wybuchowego.

Temperatura zapłonu pyłu węglowego wynosi dla węgli polskich 550°C. Rozumie się przez nią temperaturę powodującą zapłon wzbitego obłoku pyłu węglowego.

Stopień i wskaźnik wybuchowości pyłu węglowego. Przez stopień wybuchowości pyłu węglowego S_w rozumieć należy procent części niepalnych stałych w pyle, przy którym nie występuje zjawisko przeniesienia wybuchu. Przez wskaźnik wybuchowości rozumie się ilość pyłu kamiennego, który należy dosypać do l kg pyłu węglowego, aby zabezpieczyć go przed możliwością przenoszenia wybuchu.

Mechanizm wybuchu pyłu węglowego przedstawiany jest następująco. W wyniku podmuchu wzbity zostaje w powietrze obłok pyłu węglowego w ilości odpowiadającej przedziałowi wybuchowości. Ogrzanie wzbitego pyłu węglowego do temperatury zapłonu powoduje wydzielanie części lotnych, a następnie ich wybuch spowodowany osiągniętą w wyrobisku temperaturą zapłonu.

Wielkość zapylenia wyrobiska określa się grawimetrycznie (masą pyłu w jednostce objętości) lub konimetrycznie (liczba ziaren pyłu w jednostce objętości).

Klasyfikacja pokładów pod względem zagrożenia wybuchowego

Przez pokład klasy pyłowości A rozumie się:
- pokład, w którego wyrobiskach nie występują strefy z niebezpiecznym pyłem węglowym;

- pokład, w którego wyrobiskach występują strefy z niebezpiecznym pyłem węglowym, ale są krótsze od 30 m (ewentualny wybuch nie mógłby się rozwinąć);
- pokład, w którego wyrobiskach występują strefy z niebezpiecznym pyłem węglowym dłuższe od ,30 m, ale nie stwierdza się ich w strefach I; przez strefy I rozumie się przyprzodkowe partie wyrobiska, znajdujące się od miejsc możliwego zapoczątkowania wybuchu w odległości mniejszej od:

w polach niemetanowych — 300 m
w polach metanowych — 500 m

Przez pokład klasy pyłowości B rozumie się pokład mający strefy z niebezpiecznym pyłem węglowym dłuższe od 30 m i znajdujące się w strefach I.

Za miejsce możliwego zapoczątkowania wybuchu uznaje się:

— miejsca wykonywania robót strzelniczych,

— miejsca stwierdzonych nagromadzeń metanu w ilości 1% i więcej,

— czynne pola pożarowe,

— wyrobiska o nachyleniu > 10° z czynnym przewozem kołowym, w których znajdują się kable elektryczne.

Mechanizm wybuchu pyłu węglowego

Odróżnia się trzy fazy wybuchu:

— działanie podmuchu — powoduje nierównomierne i turlalentne stężenie obłoku; od energii inicjału zależy wielkość obłoku, stężenie i rodzaj;

— działanie płomienia — czynnik termiczny odgazowuje węglowy w sąsiedztwie płomienia; wydzielające się z niego eslotne tworzą z tlenem mieszaninę wybuchową; produkty spalsrozprężają się powodując powstanie obłoku wtórnego; obłok spala się dla węgli górnośląskich od temperatury > 500 do 600°|im większy stopień uwęglenia, tym wyższa temperatura zapłon np. dla antracytu wynosi ona 950 do 1400°C;

— powstanie czadów powybuchowych — stężenie CO dochodzi do kilkunastu procent.

Czynnikami wybuchu pyłu węglowego są:

— jakość pyłu węglowego pod względem chemicznym i fizycznym,

— ilość pyłu węglowego zalegająca wyrobiska górnicze,

— charakterystyka obłoku pierwotnego,

— inicjał wybuchu,

— obecność metanu w powietrzu,

— zasięg zapylenia wyrobisk pyłem węglowym,

— warunki wyrobisk (temperatura i wilgotność powietrza).

Jakość pyłu węglowego pod wzglądem chemicznym i fizycznym. Wpływ na wybuchowość pyłu węglowego mają: rodzaj węgla, zawartość części niepalnych w mieszaninie pyłu, zawartość wilgoci przemijającej i higroskopijnej oraz stopień rozdrobnienia pyłu.

Ilość pyłu węglowego znajdującego się w powietrzu mieści się w granicach od 50 do 1000 g/m³

Charakterystyka obłoku pierwotnego. O rozwoju wybuchu pyłu węglowego decyduje charakterystyka obłoku pierwotnego, na którą składają się jego: stężenie, temperatura, energia.

Im bardziej turbulentny jest ruch pyłu węglowego w obłoku, tym szybsze zjawisko zapoczątkowania i rozwoju wybuchu pyłu węglowego. Na burzliwość ruchu cząstek pyłowych w obłoku pyłu węglowego wpływają inicjał, nierównomierność kształtu wyrobiska oraz opory wyrobiska.

W zależności od stężenia obłoku pierwotnego, zawartości w nim części palnych oraz wytworzonego ruchu cząsteczek, obłok ma lub nie ma wystarczającej energii do wzniesienia w powietrze następnych obłoków wtórnych.

Inicjał wybuchu. W działaniu inicjału odgrywają rolę dwa zasadnicze czynniki:

— czynnik wznoszący obłok pyłu węglowego (podmuch),

— czynnik zapalający obłok pyłu węglowego (płomień).

Od wielkości i zsynchronizowania tych czynników zależy zdolność zapoczątkowania wybuchu pyłu węglowego przez inicjał.

Ogólnie wyróżnić można dwa typy inicjałów wybuchu pyłu węglowego:

— wzniesienie obłoku pierwotnego pyłu węglowego i jego palenie spowodowane tą samą przyczyną; jest to najniebezpieczniejszy przypadek pod względem wybuchowym,

— wzniesienie obłoku pierwotnego i jego zapalenie spowodowane jest innymi przyczynami.

Od energii dynamicznej inicjału zależy: wielkość powstałego obłoku pierwotnego, stężenie obłoku, rodzaj ruchu cząstek w obłoku.

Najsilniejsze inicjały to wybuch pyłu węglowego rozwijającego się na odcinku wyrobiska większym niż 15 m wskutek braku elementarnych zabezpieczeń oraz wybuch stechiometrycznej mieszaniny metanu.

Obecność metanu w powietrzu. W warunkach kopalnianych należy przyjąć, że obecność metanu w powietrzu zawsze sprzyja powstaniu wybuchu pyłu węglowego.

Zasięg zapylenia wyrobisk pylem węglowym. Im większe zapylenie i im dłuższy odcinek wyrobiska zapylonego, tym groźniejszy będzie rozwój wybuchu i bardziej katastrofalne jego skutki.

Warunki wyrobisk. Najczęściej dochodzi do zapoczątkowania wybuchów pyłu węglowego w wyrobiskach wąskich (chodnikowych, o małych przekrojach, zabierkach). Można to tłumaczyćwiększa energią jednostkową podmuchu w wyrobiskach wąskich.

W wyrobiskach szerokich (duże zabierki, ściany) prawdopodobieństwo zainicjowania wybuchu pyłu węglowego jest bardzo małe.

Skrzyżowanie wyrobisk wpływa na przebieg wybuchu następująco:

— z chwilą dojścia płomienia do skrzyżowania wyrobisk ciśnienie gazów spada (działanie hamujące),

— rozprężenie gazów może się odbywać w dodatkowych kierunkach, co ułatwia przejście wybuchu (wzrost prędkości),

— gdy płomień przejdzie poza skrzyżowanie, gazy znajdujące się za płomieniem (w odległości ok. 50 do 100 m), rozprężając się gwałtownie, wpływają hamująco na bieg czoła płomienia,

— zimne gazy dochodzące do skrzyżowania hamują bieg płomienia przez jego chłodzenie,

— w przypadku wyczerpania się tlenu w powietrzu chodnika, w którym rozwija się wybuch pyłu węglowego, skrzyżowanie dostarcza nowych ilości tlenu, co z kolei wzmaga zasięg
(przebiegu wybuchu.

Należy więc liczyć się ze zwiększeniem siły wybuchu na skrzyżowaniach wyrobisk górniczych.

Podstawowe linie obrony przeciw wybuchom pyłu węglowego

Całość zabezpieczeń przeciw wybuchom pyłu węglowego mają usystematyzować tzw. podstawowe linie obrony. Są one następujące:
- pierwsza linia obrotny — zwalczanie pyłu w miejscu powstania, - druga linia obrony — zwalczanie zapoczątkowania wybuchu,
- trzecia linia obrony — przeciwdziałanie rozwojowi wybuchu,
- czwarta linia obrony — ograniczenie zasięgu wybuchu.
Pierwsza linia obrony jest realizowana przez:

—stosowanie właściwej techniki strzelniczej,

— właściwy dobór urządzeń zraszających dla zespołów urabiających,

— właściwy dobór środków odstawy i przewozu,

— systematyczne usuwanie pyłu w miejscu jego powstania,

— pozbawianie lotności pyłu węglowego.

Przez właściwą technikę strzelniczą rozumie się stosowanie racjonalnej metryki strzałowej przodków, opartej na strzelaninach wzorcowych, właściwej przybitki oraz ładunków materiałów wybuchowych zgodnych z przepisami pod względem jakości i ilości.

Drugą linią obrony — reprezentują środki służące do zwalczania inicjałów wybuchu. Podstawowe inicjały to zapłon metanu i roboty strzelnicze.

Kierunki walki z metanem są następujące:

— odpowiednio skuteczna wentylacja niedopuszczająca do powstania niebezpiecznych nagromadzeń CH₄,

— kontrola stężenia metanu,

— stosowanie bezpiecznego sprzętu elektrycznego nie mogącego spowodować zapalenia metanu,

— usunięcie z wyrobisk zagrożonych występowaniem metanu wszystkich urządzeń i przedmiotów mogących spowodować jego wybuch, jak np. urządzeń elektrycznych z obudową zwykłą itd.,

— szeroka akcja uświadamiająca, podwyższająca skutecznie poziom wiedzy załogi o zagrożeniu metanowym.

Środki zapobiegania zainicjowaniu wybuchu pyłu węglowego przez roboty strzelnicze można podzielić na pośrednie i bezpośrednie. Bezpośrednie to: używanie właściwych i we właściwej ilości stosowanych materiałów wybuchowych, środków zapalczych i zapalarek. Pośrednie — zabezpieczenie pyłu węglowego, właściwy dobór metryk strzałowych, dobra przybitka.

Trzecia linia obrony polega na stworzeniu na drodze zaistniałego już wybuchu zespołu środków przeciwdziałających. W tym celu stosuje się we wszystkich kierunkach od miejsca ewentualnego rozwoju wybuchu strefy zabezpieczające opylane pyłem kamiennym lub zraszane wodą.

Czwartą linią obrony stanowią zapory przeciwwybuchowe pyłowe lub wodne. Zadaniem zapór jest zahamowanie rozwijającego się wybuchu pyłu węglowego w miejscu ich ustawienia. Pył kamienny (lub woda) z półek zapory, zmieszany z obłokiem wzbitego podmuchem pyłu węglowego, tworzy na drodze wybuchu ośrodek niewybuchowy i przerywa płomień wybuchu. Zapora, aby skutecznie działała, musi być usytuowana w odległości 60 do 200 m od chronionego przodku. W górnictwie polskim obowiązuje stosowanie zapór przeciw wybuchowych w pokładach klasy B zagrożenia wybuchami pył węglowego. W pokładach niemetanowych na zaporze powinno znajdować się 200 kg pyłu na m² przekroju wyrobiska, w których ustawiona jest zapora, w metanowych zaś — odpowiednio 400 k|. Zapory główne „zamykają" wloty i wyloty z rejonu wentylacyjnego, a więc służą ograniczeniu wybuchu i zapewniają nie przerzucenie się wybuchu do innych rejonów kopalni. Zapory pomocnicze (o identycznych parametrach technicznych co wentylacyjne) oddzielają poszczególne przodki od innych wyrobisk rejonu.

W szczególnie niebezpiecznych przypadkach zapory pomocnicze stosowane są na całej długości zabezpieczanych wyrobisk z zachowaniem 200-metrowych odległości pomiędzy poszczególnymi zaporami. Za takie sytuacje uważa się:

— wyrobiska z wentylacją odrębną w polach metanowych,

— wyrobiska, w których utrzymuje się koncentracja metanu powyżej 1%,

— wyrobiska w prądach wydechowych ze stopniem ,,b” lub ,,c” zagrożenia wybuchem metanu, jeśli są w nich czynne urządzenia elektryczne lub kable,

— wyrobiska o nachyleniu powyżej 10°, w których odbywa się przewóz linowy.

W kilku krajach zamiast zwykłych zapór przeciwwybuchowych pyłowych lub wodnych stosuje się zapory pyłowe automatyczne, które „rozładowują" się w wyniku zadziałania mechanizmu sprężynowego uruchamianego czujnikiem fotoelektrycznym
reagującym na dodatkowe źródło światła, którym jest płomień wybuchu pyłu węglowego. W Rosji przeprowadzono z pozytywnym wynikiem badania nad stosowaniem zapór pianowych. Badania nad automatycznymi zaporami prowadzone są także w górnictwie polskim. Konieczność stosowania zapór automatycznych wynika z nieskuteczności zapór zwykłych przy ich ustawieniu od przodku w odległości mniejszej od 60 m. Zapory automatyczne są
skuteczne już w odległości 20 m od przodku.

Pył węglowy w wyrobiskach kopalni jest zabezpieczony przed wybuchem w sposób naturalny przez naturalne zawilgocenie. Nie przewiduje się stosowania zabezpieczeń przeciwko wybuchowi pyłu węglowego.

W przypadku stwierdzenia krótkich stref z lotnym pyłem węglowym zastosuje się zraszanie lub usuwanie pyłu. W celu zmniejszenia zapylenia w ścianie w czasie urabiania kombajnem stosowane będzie zraszanie. Ponadto kombajn wyposażony będzie w blokadę wodną uniemożliwiającą uruchomienie kombajnu bez odpowiedniego ciśnienia wody.

Bibliografia:

1. J. Antoniak T. Opolski: „Maszyny do eksploatacji podziemnej."

2. Norma PN-G-50041 - Obudowy ścianowe zmechanizowane

3. Norma BN-73/0414-06 - Wyrobiska korytarzowe

4. Henryk Przybyła, Antoni Chmiela.: „Projektowanie rozwiązań technologiczno organizacyjnych stosowanych w wyrobiskach ścianowych”

5. Narma PN-73/G-15003 - Obudowy ŁP

6. Leksykon Górniczy Wydawnictwo „Ślask”

7. J. Smużyński - „Obudowy zmechanizowane”

8. W. Warchamin - „Ścianowe kombajny węglowe”

9. K. Krauze - „Urabianie kombajnami ścianowymi”

10. S .Piechota - „Podstawowe zasady i technologie wybierania kopalin stałych”

11. J.Pawiński, J .Roszkowski, J. Strzeminski - „Przewietrzanie kopalń”

17

---