1. WSTĘP

Podziemna eksploatacja węgla kamiennego w Polsce jest prowadzona w trud­nych warunkach górniczo-geologicznych powodujących liczne zagrożenia załóg górniczych. Do największych zagrożeń górniczych należą pożary podziemne, gdyż wielokrotnie były powodem tragicznych katastrof górniczych. Główne zagrożenie wynikające z powstania pożaru podziemnego jest związane z szybkim rozprze­strzenianiem się gazów i dymów w wyrobiskach kopalnianych. Gazy te zazwyczaj nie ulegają dostatecznemu rozrzedzeniu, jak w warunkach powierzchniowych na otwartej przestrzeni, dlatego mogą zaskoczyć załogę i spowodować jej zatrucie lub uduszenie, nawet w dużej odległości od ognia pożaru. Pożar kopalniany, w zależności od miejsca jego powstania, czasu wykrycia oraz prędkości rozwoju i intensywności jego zwalczania, może spowodować duże straty materialne, np. może zaistnieć konieczność otamowania lub unieruchomienia nawet całej kopal­ni [1, 2, 10, 20].

Warunkiem koniecznym powstania pożaru jest jednoczesne wystąpienie trzech czynników, tj.: materiału palnego, źródła wysokiej temperatury trwającej przez dostatecznie długi okres oraz odpowiedniego stężenia tlenu w miejscu formowa­nia się ogniska pożaru. Materiałami palnymi w kopalniach są m. in.: węgiel, łupki palne, niektóre rudy siarczkowe, drewno, guma, oleje, itp.

Zapalenie materiału palnego może nastąpić w wyniku działania zewnętrzne­go źródła ciepła o dostatecznie wysokiej temperaturze i w dostatecznie długim okresie działania lub w skutek egzotermicznych przemian fizykochemicznych do­prowadzających do samozapalenia materiału palnego, zwłaszcza węgla. W związ­ku z tym w górnictwie podziemnym wyróżnia się dwa rodzaje pożarów: egzoge­niczne, tzn, pożary, które powstały z przyczyn zewnętrznych i endogeniczne, tzn. pożary, które powstały z przyczyn wewnętrznych, tj. wskutek samozapalenia.

Pożary endogeniczne należą do najczęstszych pożarów w kopalniach węgla kamiennego, co wiąże się z łatwą palnością węgla oraz jego dużą skłonnością do samozapalenia. Jak wykazała praktyka, pożar endogeniczny może powstać na­wet w pokładzie o małej skłonności do samozapalenia przy stosowaniu nieodpo­wiedniego systemu eksploatacji lub niewłaściwego przewietrzania wyrobisk gór­niczych. Przy właściwie prowadzonych robotach górniczych i odpowiednim prze­wietrzaniu kopalni oraz oddziałów produkcyjnych można uniknąć pożaru nawet w pokładach bardzo skłonnych do samozapalenia.

Pożary endogeniczne charakteryzują się zazwyczaj spokojnym przebiegiem, przy czym na ogół wcześnie pojawiają się oznaki zewnętrzne takich pożarów, które umożliwiają ich wykrycie i podjęcie odpowiednich środków zmierzających do ich likwidacji. Udział pożarów endogenicznych w ogólnej liczbie pożarów po­wstających w kopalniach węgla wynosi około 70 -:- 80%.

Pożary endogeniczne, wskutek niedostępności ogniska, zazwyczaj są tru­dniejsze do ugaszenia aniżeli pożary egzogeniczne, często powodują duże straty materialne m. in. związane z utratą drogich urządzeń wyposażenia oddziałów eksploatacyjnych oraz zasobów węgla przygotowanych do eksploatacji. Aktualnie w kopalniach węgla stale prowadzi się znaczną ilość bardzo kosztownych prze­ciwpożarowych akcji profilaktycznych mających na celu niedopuszczenie do roz­winięcia się pożarów endogenicznych. Ponadto pożary endogeniczne stwarzają duże zagrożenie dla załogi dołowej ze względu na występowanie w produktach spalania gazów szkodliwych dla zdrowia, a w szczególności tlenku węgla. W związ­ku z tym, jest w pełni uzasadnione, a nawet konieczne, poszukiwanie nowych, bardziej skutecznych metod oceny zagrożenia pożarami endogenicznymi kopalń węgla kamiennego oraz opracowanie nowych metod zapobiegania tym pożarom. Dlatego też w ramach niniejszej publikacji (projekt badawczy nr 9T12AO3209) przeprowadzono badania nad kompleksową oceną i likwidacją zagrożeń pożara­mi endogenicznymi w kopalniach węgla kamiennego. W szczególności opraco­wano metody oceny zagrożenia pożarowego oddziałów wydobywczych, zawało­wych zrobów ścianowych oraz metody badania ewolucji pożaru w otamowanej przestrzeni. Ponadto w oparciu o badania statystyczne zaproponowano nowy spo­sób prognozowania wymienionego zagrożenia. Korzystając z praktyki górniczej oraz przesłanek teoretycznych zaproponowano skuteczną metodę zapobiegania wszystkim rodzajom pożarów endogenicznych.

2. CHARAKTERYSTYKA POWSTAWANIA I PRZEBIEGU POŻARÓW PODZIEMNYCH

W kopalniach podziemnych, jak to już wspomniano, wyróżnia się dwa rodza­je pożarów, tzw. pożary egzogeniczne, które powstają z przyczyn zewnętrznych oraz pożary endogeniczne, które powstają wskutek samozapalenia węgla.

Wszystkie pożary egzogeniczne należą do pożarów otwartych, przy czym ze względu na przyczyny powstania dzieli się je na pożary: wywołane otwartym płomieniem, wadliwym działaniem urządzeń elektrycznych lub mechanicznych, wybuchami gazów lub pyłu węglowego oraz wadliwym wykonywaniem robót strzel­niczych.

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

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

Pożary endogeniczne należą do najczęstszych pożarów w kopalni węgla ka­miennego, co wiąże się z łatwą palnością węgla oraz z jego skłonnością do sa­mozapalenia.

Pożary endogeniczne powstają również w innych kopalniach, eksploatują­cych złoża kopalin palnych, bądź też gdy w określonych miejscach kopalń eksplo­atujących złoża niepalne zostały nagromadzone materiały skłonne do samoza­palenia.

W czasie pożaru podziemnego w powietrzu kopalnianym pojawiają się gazy nie występujące w powietrzu atmosferycznym. Gazami tymi są: tlenek węgla, metan, wodór oraz tzw. węglowodory alifatyczne (aromatyczne). W czasie pożaru wytwarza się również znaczna ilość dwutlenku węgla. Podczas pożaru w kopal­niach węgla zawierających piryt może też powstać dwutlenek siarki.

Do normalnego funkcjonowania organizmu ludzkiego, stężenie tlenu w po­wietrzu kopalnianym nie powinno być mniejsze od 19% (objętościowo). W powie­trzu o zawartości tlenu 13% nie można już wykonywać najlżejszej pracy i istnieje poważne niebezpieczeństwo śmierci w skutek uduszenia.

W czasie pożarów podziemnych może dojść do niebezpiecznego zmniejsze­nia tlenu w powietrzu kopalnianym. Tlen bowiem zostaje podczas procesu pale­nia częściowo zużyty, przy czym, jak wiadomo, wydziela się dwutlenek węgla i tlenek węgla.

Dwutlenek węgla przy małych koncentracjach jest nieszkodliwy dla zdrowia.

W większych stężeniach (powyżej 1 %) przyspiesza oddychanie, powyżej nato­miast 8% zwykle powoduje utratę przytomności, a nawet śmierć.

Najgroźniejszym dla zdrowia ludzkiego składnikiem gazów pożarowych jest tlenek węgla. Trujące działanie tlenku węgla polega na tym, że wiąże się on inten­sywnie z hemoglobiną, która normalnie łączy się nietrwale z tlenem rozprowadza­jąc go po organizmie. Tlenek węgla natomiast łączy się stosunkowo trwale z he­moglobiną i uniemożliwia krwi przenoszenie tlenu.

Jako niebezpieczne dla zdrowia i życia ludzkiego jest uważane stężenie tlen­ku węgla w powietrzu wynoszące 0,02%. Przy stężeniu tlenku węgla 0,15% do 0,2% po jednej godzinie następuje ciężkie zatrucie, przy 0,5% CO śmierć nastę­puje po 20 + 30 minutach. W przypadku stężenia CO wynoszącego 1 % śmierć następuje po kilku oddechach.

Polskie przepisy górnicze zezwalają na normalną pracę przy stężeniach CO do 0,0026%.

W czasie pożarów rud siarczkowych w gazach pożarowych mogą wystąpić znaczne stężenia dwutlenku siarki (8°2)' Gaz ten przy zetknięciu z błonami ślu­zowymi dróg oddechowych przechodzi w kwas siarkowy, który niszczy tkankę. Przy stężeniu 0,05% jest niebezpieczny dla życia nawet przy krótkotrwałym od­działywaniu. Dopuszczalne stężenie 8°2 w powietrzu kopalnianym wynosi 0,00075%.

W czasie pożaru rud siarczkowych może również wydzielić się siarkowodór (H28). Gaz ten przedostaje się do krwi, działa na układ nerwowy i wywołuje ogól­ne zatrucie, wskutek którego może nastąpić paraliż ośrodka oddechowego. Dopuszczalne stężenie H2S w powietrzu kopalnianym wynosi 0,0007%, a przy stężeniu 0,08-0,1% życiu człowieka grozi poważne niebezpieczeństwo. Proces samozagrzewania i samozapalenia węgla może mieć miejsce wówczas, gdy równocześnie występują:

- rozdrobniony węgiel skłonny do niskotemperaturowego utleniania,

- dopływ powietrza do nagromadzonego węgla,

- akumulacja ciepła wydzielającego się w czasie reakcji utleniania węgla.

Pierwszy z wymienionych czynników jest związany z właściwościami substancji węglowej, dwa pozostałe zależą od warunków górniczo-geologicznych, zwłaszcza od stosowanego systemu eksploatacji, sposobu przewietrzania kopal­ni, frontu eksploatacyjnego itp. Pożar endogeniczny może powstać nawet w po­kładzie o małej skłonności do samozapalenia przy stosowaniu nieodpowiednie­go systemu eksploatacji lub niewłaściwego przewietrzania wyrobisk górniczych.

W czasie formowania ognisk pożarów endogenicznych, na ogół wcześniej pojawiają się oznaki zewnętrzne takich pożarów, które umożliwiają wczesne ich wykrycie i podjęcie odpowiednich środków zmierzających do ich likwidacji.

Pożary endogeniczne, wskutek niedostępności ognisk, są zazwyczaj trudniejsze do ugaszenia aniżeli pożary egzogeniczne.

Badania naukowe [1,2,10,20] oraz obserwacje prowadzone w kopalniach

węgla wykazały, że w procesie samozapalenia węgla można, ogólnie rzecz biorąc, wyróżnić dwa charakterystyczne okresy (rys. 2.1):

- przygotowawczy, zwany również inkubacyjnym,

- samozagrzewania się węgla, które może doprowadzić do jego samozapalenia.

W okresie inkubacyjnym nie obserwuje się praktycznie wzrostu temperatury węgla. W drugim okresie, zwanym okresem samozagrzewania się węgla, tempe­ratura węgla systematycznie zwiększa się.

Po osiągnięciu przez węgiel temperatury" krytycznej, za którą uważa się tem­peraturę w przedziale od 60 do 80oe, następuje zazwyczaj szybki wzrost tempe­ratury węgla, aż do temperatury zapłonu T_z. Gdy temperatura węgla nie osiągnie temperatury krytycznej lub gdy po jej osiągnięciu występują warunki sprzyjające odprowadzaniu ciepła, wówczas następuje przerwanie procesu samozagrzewa­nia i rozpoczyna się okres ochładzania. Dalszy dopływ powietrza do ochłodzone­go węgla prowadzi do jego zwietrzenia. Węgiel zwietrzały nie ulega już samoza­paleniu.

Szczegółowy model powstawania pożaru endogenicznego przedstawił H. Bystroń w pracy pl.: "Stan pożaru, zapalenie i wybuch gazów podczas aktywnego i pasywnego gaszenia" [ 4 ]. Według wymienionej pracy w procesie powstawania pożaru endogenicznego można wyróżnić następujące fazy (rys. 2.2):

a) Faza inkubacyjna 1-2-3 liczona od temperatury pierwotnej górotworu t określonej np. za pomocą wzoru:

(2.1 )

gdzie:

H - głębokość formującego się ogniska pożarowego, m,

σ - stopień geotermiczny, m/oC.

Faza ta przebiega poprzez temperaturę t2 = 40°C w tzw. punkcie niebezpiecznym 2 - do temperatury t3 = 60°C punktu krytycznego 3, w którym stężenie tlenku wę­gla osiąga wartość 0,001 % obj. (10 ppm). Jeżeli w węglu przechodzącym przez punkt niebezpieczny 2 nie występuje kumulacja ciepła, to następuje ochłodzenie węgla i dalszy proces inkubacji zostaje przerwany.

b) Pierwsza faza zaparowania 3-4 jest liczona od temperatury t3= 60°C do tempe­ratury t4 = 80°C punktu zwrotnego 4, w którym tlenek węgla osiąga 0,002% obj. (20 ppm).

c) Druga faza zaparowania 4-5-6 od t4 = 80°C - poprzez zawartość CO = 0,0026% obj. (26 ppm) punkt 5, tzw. zagrożenia pożarowego, do t6 = 180°C, tj. punktu piro­lizy 6, w którym zawartość CO = 0,005% obj. (50 ppm).

d) Pierwsza faza przejściowa 6-7 od t6 = 180°C do temperatury t7 = 280°C punktu zapłonu przy zawartości CO = 0,02% obj. (200 ppm).

e) Druga faza przejściowa 7-8 od t7 = 280°C do temperatury ta = 300°C punktu zapalenia 8 o zawartości CO = 0,035% obj. (350 ppm),w którym samozapaleniem kończy się proces samozagrzewania węgla i rozpoczyna się pożar. Temperatura ta punktu 8 jest nazywana minimalną temperaturą pożaru.

f) Faza palenia 8-9-10 od ta = 300°C punktu 8 poprzez temperaturę tg w punkcie 9 nie w pełni rozwiniętego pożaru, aż do temperatury t10= 12000C punktu 10 w pełni rozwiniętego pożaru. Temperaturę t10' twórca przedstawionego modelu H. Bystroń, nazywa maksymalną temperaturą rozwiniętego pożaru.

Na rys. 2.2 wyróżniono także fazę gaszenia 9-11-12, fazę wznowionego samozagrzewania 11-13, punkt 13 ponownego zapalenia, fazę wznowionego pale­nia 13-14, punkt 14 niepełnego rozwoju wznowionego pożaru i fazę wznowionego gaszenia 14-15.

Pod względem lokalizacji pożary endogeniczne można podzielić na: - pożary w szczelinowatej caliźnie węglowej,

- pożary w zrobach,

- pożary w miejscach większych skupisk węgla.

Pożary w szczelinowatej caliźnie węglowej powstają wtedy, gdy w spękanej lub rozgniecionej caliźnie węglowej powstałe szczeliny są wypełnione miałem i py­łem węglowym oraz wówczas gdy przepływa nimi określona ilość powietrza. W szczególności szczeliny takie powstają w pozostawionych nogach węglowych, nie wybranych resztkach pokładu, w pozostawionych łatach węglowych w stropie lub spągu pokładu, w filarach ochronnych pozostawionych wzdłuż wyrobisk gór­niczych, w czole zatrzymanych przodków węglowych, w wyższych warstwach gru­bego pokładu wybieranego warstwami w kolejności z dołu do góry, w pokładach podebranych itp.

Pożary w zrobach powstają najczęściej przy eksploatacji pokładów węglo­wych z zawałem stropu wtedy, gdy pozostawia się w zrobach resztki węgla lub do zrobów przedostaje się węgiel z pokładów wyżej (blisko) zalegających lub z prze­rostów węgla w warstwach stropowych, jeżeli węgiel ten zostaje objęty strefą za­wału. Pożary takie mogą również powstać wówczas, gdy eksploatację grubego pokładu prowadzi się na warstwy z dołu do góry przy nieszczelnym podsadzeniu warstw niższych. Jest oczywiste, że do powstania pożaru w zrobach dochodzi tylko wtedy, gdy przy obecności węgla przez zroby te ma miejsce bardziej lub mniej intensywny przepływ powietrza.

Pożary w miejscach większych skupisk węglowych zdarzają się najczęściej w wyrobiskach, w których nastąpiło odspojenie się węgla ze stropu lub ociosów wskutek zawału lub tąpnięcia. Pożar taki może również powstać w urobku pozo­stawionym w ścianie, w zabierce, chodniku itp., jeśli wyrobiskami tymi płynie po­wietrze kopalniane.

---