Metody poprawy warunków klimatycznych zwi¹zane ze wzrostem zagro enia cieplnego w kopalniach

Transkrypt

1 GOSPODARKA SUROWCAMI MINERALNYMI Tom Zeszyt 1/2 JAN DRENDA* Metody poprawy warunków klimatycznych zwi¹zane ze wzrostem zagro enia cieplnego w kopalniach 1. Zagro enie cieplne w polskich kopalniach wêgla Podstawowymi czynnikami powoduj¹cymi wzrost temperatury powietrza w kopalniach i zwi¹zane z tym zagro enie cieplne, zwane te zagro eniem temperaturowym, s¹ zwiêkszaj¹ca siê g³êbokoœæ eksploatacji i wzrost instalowanej mocy urz¹dzeñ mechanicznych. Z raportu G³ównego Instytutu Górnictwa o stanie podstawowych zagro eñ naturalnych w 2006 roku [15] wynika, e w 22 kopalniach wystêpuj¹ wyrobiska w których temperatura powietrza przekracza 28 C, co stanowi oko³o 70% wszystkich polskich kopalñ wêgla kamiennego. Jest rzecz¹ oczywist¹, e liczba kopalñ w których temperatura powietrza w wyrobiskach przekroczy 28 C bêdzie siê zwiêkszaæ poniewa wzrastaæ bêdzie udzia³ wydobycia z poziomów g³êbszych. Ju obecnie w piêciu kopalniach dziewiêcioma œcianami prowadzone s¹ roboty eksploatacyjne na g³êbokoœci ponad 1000 [1, 15]. W miarê wzrostu g³êbokoœci eksploatacji wzrasta temperatura pierwotna ska³, a tym samym zwiêksza siê iloœæ ciep³a dop³ywaj¹ca do powietrza na skutek ró nicy temperatur pomiêdzy powietrzem a górotworem. Przep³yw ciep³a z górotworu do powietrza powoduje wzrost temperatury powietrza i w wielu wypadkach zagro enie cieplne. Aktualnie najwy sze temperatury pierwotne górotworu na poziomach m w kopalniach Bielszowice, Wujek, Halemba i Borynia wynosz¹ œrednio od 41 do 42,8 C [15]. Na planowanym na niektórych kopalniach poziomie eksploatacyjnym 1200 m temperatura pierwotna ska³ osi¹gnie wartoœæ 50 C. Wzrost g³êbokoœci poziomów kopalni spowoduje przyrost temperatury powietrza œwie- ego prowadzonego szybem wdechowym w skutek kompresji. Zgodnie ze stopniem aeroter- * Prof. dr hab. in., Politechnika Œl¹ska, Gliwice; Jan.Drenda@polsl.pl

2 216 micznym temperatura powietrza wzrasta co 100 m o 1 C. Mo na siê wiêc spodziewaæ na g³êbokich podszybiach szybów wdechowych, e temperatura powietrza osi¹gnie lub przekroczy wartoœæ 28 C. Moc zainstalowanych maszyn i urz¹dzeñ w przodkach wp³ywa w istotny sposób na przyrost temperatury. Wed³ug badañ GIG oko³o 10% mocy urz¹dzenia zamieniane jest na ciep³o [14], które podwy sza temperaturê powietrza w zale noœci od jego wydatku masowego. Przewidywany w przysz³ych latach ogólny wzrost mocy urz¹dzeñ w oddzia³ach eksploatacyjnych wp³ynie na pogorszenie warunków klimatycznych 2. Klimatyzacja Z pocz¹tkiem lat dziewiêædziesi¹tych ubieg³ego wieku nastêpuje stopniowy i znacz¹cy wzrost stosowania klimatyzacji w polskich kopalniach wynikaj¹cy ze wzrastaj¹c¹ liczb¹ maszyn klimatyzacyjnych i mocy ch³odniczej. Wed³ug statystyki prowadzonej przez GIG oraz z danych TERMOSPECU [13, 15] w roku 1998 liczba urz¹dzeñ ch³odniczych w klimatyzacji lokalnej i wielkoœæ zainstalowanej mocy ch³odniczej w kopalniach GOP wynosi³a odpowiednio 98 i 27,22 MW, natomiast w 2006 roku 162 i 48,5 MW. Nast¹pi³ wiêc wzrost 1,7-krotny liczby ch³odziarek lokalnych oraz 1,8-krotny wzrost mocy ch³odniczej. Ca³kowita moc ch³odnicza dla klimatyzacji centralnej i grupowej stosowanej w kopalniach Jastrzêbskiej Spó³ki Wêglowej w roku 2006 wynosi³a 14 MW. Stosowana w polskich kopalniach klimatyzacja znacznie poprawi³a warunki pracy w przodkach œcianowych i korytarzowych. Klimatyzacja, polegaj¹ca g³ównie na och³odzeniu powietrza, czyli obni eniu jego temperatury, jest najskuteczniejszym sposobem poprawy warunków klimatycznych, sposobem który przynosi najlepsze efekty. Wymaga jednak sporych nak³adów inwestycyjnych oraz kosztów eksploatacji. W przysz³ych latach, w miarê przewidywanego wzrostu zagro enia cieplnego w kopalniach podziemnych, klimatyzacja nadal bêdzie spe³nia³a podstawow¹ rolê w jego zwalczaniu. Wydaje siê, e dla kopalñ g³êbokich wiêksze znaczenie bêdzie mia³a klimatyzacji centralna i grupowa. Przyczyn¹ tego jest to, e w tych sposobach klimatyzacji, ciep³o skraplania freonu w skraplaczu jest odprowadzane do powietrza na powierzchni w ch³odniach kominowych (klimatyzacja centralna) lub ch³odnicach wyparnych usytuowanych bezpoœrednio przy szybie wydechowym (klimatyzacje grupowa). W klimatyzacji lokalnej zarówno ch³odziarki (ziêbiarki) o dzia³aniu bezpoœrednim i poœrednim wymagaj¹ stosowania wyparnych ch³odnic wody, które umieszczone w wyrobiskach z zu ytym pr¹dem powietrza mog¹ znacznie podnieœæ jego temperaturê i wilgotnoœæ i uczyniæ te wyrobiska niebezpiecznymi dla przebywania i pracy za³ogi. Wymagane bêd¹ wiêc kana³y cieplne dla odprowadzania wraz z powietrzem zu ytym ciep³a skraplania do szybu wentylacyjnego. System centralny i grupowy nie stwarza takiego zagro enia, poniewa w przodkach rejonów wentylacyjnych, wystêpuj¹ tylko ch³odnice powietrza, które ch³odzê i osuszaj¹ powietrze. Systemy te jednak wymagaj¹ prowadzenia d³ugich ruroci¹gów izolowanych pomiêdzy ch³odnic¹ powietrza a agregatem ch³odniczym (ziêbiark¹).

3 Inne sposoby poprawy warunków klimatycznych Oprócz ch³odzenia powietrza, poprawê warunków klimatycznych w przodkach i innych miejscach pracy mo na uzyskaæ poprzez: zwiêkszenie prêdkoœci przep³ywu powietrza, zmniejszenie zawartoœci wilgoci w powietrzu, zmniejszenie œredniej temperatury promieniowania otoczenia, zmniejszenie wydatku energetycznego pracowników stosowanie planowych przerw w pracy w ka dej godzinie roboczodniówki. Wzrost prêdkoœci powietrza przynosi dobre efekty poprawy warunków klimatycznych zw³aszcza w przodkach lub wyrobiskach o du ej wilgotnoœci powietrza jakie wystêpuj¹ w kopalniach wêgla. Znaczn¹ poprawê warunków klimatycznych w tych miejscach pracy mo na osi¹gn¹æ stosuj¹c lokalne nawiewy powietrza wentylatorami swobodnymi lub strumienicami [2, 7, 10]. Zmniejszenie zawartoœci wilgoci w powietrzu czyli wilgotnoœci w³aœciwej ma du e znaczenie klimatyczne, poniewa pozwala bezpiecznie pracowaæ w wysokich temperaturach powietrza, wy szych od obecnie obowi¹zuj¹cej temperatury 33 C. Przyk³adowo, je eli w nieruchomym powietrzu nasyconym dla cz³owieka nieubranego, zaaklimatyzowanego wykonuj¹cego pracê umiarkowan¹ graniczn¹ bezpieczn¹ temperatur¹ jest t s = 30 C, to dla wilgotnoœci 80% graniczna bezpieczna temperatura powietrza wyniesie t s = 32,6 C, dla wilgotnoœci 60% t s = 35 C, natomiast dla wilgotnoœci 40%, t s = 39 C.W tych œrodowiskach warunki klimatyczne oddzia³ywuj¹ce na cz³owieka bêd¹ identyczne, poniewa sta³y bêdzie wskaÿnik dyskomfortu cieplnego [2, 3, 4, 8, 10, 11]. Gdybyœmy chcieli oceniæ bezpieczeñstwo cieplne pracowników wykonuj¹cych pracê lekk¹, to wartoœci graniczne temperatur by³yby nastêpuj¹ce: Dla = 100% t s = 32 C; = 80% t s = 34,6 C; = 60% t s = 37,6 C; = 60% t s = 42 C Warto zatem obni aæ zawartoœæ wilgoci w powietrzu na przyk³ad och³adzaj¹c go z wykropleniem pary wodnej. Przy mniejszej wilgotnoœci wzglêdnej pracowaæ mo na w wy - szych temperaturach powietrza. Poprawê warunków klimatycznych mo na uzyskaæ równie obni aj¹c œredni¹ temperaturê promieniowania cieplnego otoczenia. Stan taki mo na uzyskaæ poprzez monta powierzchni ch³odz¹cych w wyrobisku [2, 5, 9]. Obni aj¹c œredni¹ temperaturê promieniowania o 10 C uzyskamy poprawê warunków klimatycznych identyczn¹ jak przy obni eniu temperatury powietrza o 3 C. Zmniejszenie wydatku energetycznego pracowników jest równie sposobem na poprawê warunków klimatycznych. Wydatek energetyczny pracownika, czyli iloœæ ciep³a metabolizmu wytworzona w jednostce czasu, musi byæ wydzielona do otoczenia. Im mniej wydziela cz³owiek ciep³a metabolizmu do otoczenia, tym mniejsze jest obci¹ enie termiczne jego organizmu. Zmniejszenie wydatku energetycznego pracownika mo na uzyskaæ przez wprowadzenie planowych przerw w pracy w ka dej godzinie roboczodniówki [2, 6].

4 Przepisy klimatyczne Polskie przepisy klimatyczne [16] oparte o temperaturê termometru suchego i katastopnie wilgotne wymagaj¹ zmiany. Zmianie powinna ulec przede wszystkim graniczna temperatura pracy w œrodowiskach gor¹cych 33 C. Z jednej strony jest ona zbyt rygorystyczna, a z drugiej zbyt liberalna. Zbyt rygorystyczn¹ jest dla œrodowisk o wilgotnoœci wzglêdnej powietrza poni ej 80%, natomiast zbyt ³agodna dla wilgotnoœci powy ej 80%. Dla du ych wilgotnoœci wzglêdnych powietrza powy ej 80% i ma³ych jego prêdkoœci, temperatura 33 C dopuszcza pracê umiarkowan¹, a nawet pracê lekk¹ w warunkach zagro enia cieplnego. Dla mniejszych wilgotnoœci powietrza temperatura ta blokuje pracê w wyrobiskach, w których jest ona bezpieczna dla wy szych temperatur powietrza. Ta forma przepisów klimatycznych blokuje równie stosowanie metod poprawy warunków klimatycznych, które nie s¹ oparte o klimatyzacjê, czyli ch³odzenie powietrza. Nie mo na wiêc korzystaæ z poprawy warunków klimatycznych przez zwiêkszenie prêdkoœci powietrza, zmniejszenie jego wilgotnoœci wzglêdnej i w³aœciwej, zmniejszenie œredniej temperatury promieniowania otoczenia i wydatku energetycznego pracowników. Konieczne jest zatem uwzglêdnienie w normie wskaÿników klimatu lub wskaÿnika dyskomfortu cieplnego. WskaŸnik dyskomfortu cieplnego [2, 3, 4] jest parametrem uwzglêdniaj¹cym wszystkie czynniki wp³ywaj¹ce na warunki klimatyczne. WskaŸniki klimatu uwzglêdniaj¹ jedynie parametry fizyczne (temperaturê, wilgotnoœæ, prêdkoœæ przep³ywu. W przepisach klimatycznych w górnictwie niemieckim [17] ju od 25 lat przyjêto efektywn¹ temperaturê amerykañsk¹ jako wskaÿnik okreœlaj¹cy mo liwoœci i czas pracy w gor¹cych œrodowiskach kopalñ. WskaŸnik ten uwzglêdnia temperaturê powietrza, wilgotnoœæ i prêdkoœæ przep³ywu. Odczytuje siê go z nomogramu równie zawartego w przepisach. W przepisach polskich parametrami gwarantuj¹cymi bezpieczeñstwo klimatyczne mog³yby byæ wskaÿnik dyskomfortu cieplnego lub temperatura zastêpcza œl¹ska [11], któr¹ wyznacza siê ze wzoru i która dla wartoœci powy ej 28 C posiada przebieg zmiennoœci prawie identyczny jak efektywna temperatura amerykañska. Publikacja zosta³a opracowana w ramach projektu nr WKP_1/1.4.5/2/2006/9/12/590/2006/U pt.: Scenariusze rozwoju technologicznego przemys³u wydobywczego wêgla kamiennego, wspó³finansowanego z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. LITERATURA [1] B u c h w a l d P., 2007 Polskie górnictwo w I dekadzie XXI wieku wyzwania i zagro enia. Polski Kongres Górniczy, Polityka Energetyczna t. 10, z. spec., Wyd. IGSMiE, Kraków. [2] D r e n d a J., 1993 Dyskomfort cieplny w œrodowiskach pracy kopalñ g³êbokich. Zeszyty Naukowe Politechniki Œl¹skiej, seria Górnictwo z. 213, Gliwice. [3] D r e n d a J., 2001 Evaluation of the efficiency of means adopted to improve the climatic conditions in deep mines. 7 th International Mine Ventilation Congress, Cracow, Poland.

5 219 [4] D r e n d a J., 1997 Ocena klimatycznych warunków pracy górników. Miêdzynarodowa Konferencja Naukowa pt. Szko³a Eksploatacji Podziemnej. Wyd. PAN CPPGSMiE, Kraków. [5] D r e n d a J., 2003 Mo liwoœci poprawy warunków klimatycznych w pomieszczeniach przez obni enie œredniej temperatury promieniowania otoczenia. Zastosowanie mechaniki p³ynów w in ynierii i ochronie œrodowiska. Ósme ogólnopolskie sympozjum, Gliwice-Wis³a. [6] D r e n d a J., 2004 Planowe przerwy w pracy jako œrodek poprawy warunków klimatycznych w przodkach górniczych. Konferencja Naukowa 3. Szko³a Aerologii Górniczej, Kraków. [7] D r e n d a J., 2006 Schemat klimatyczny kopalni. Kwartalnik Górnictwo i Geologia, Wyd. Politechniki Œl¹skiej, z. 1, Gliwice, str Pkt 3. [8] D r e n d a J., 2006 Wp³yw zawartoœci wilgoci w powietrzu na efektywnoœæ procesów jego ch³odzenia. Konferencja Naukowa 4. Szko³a Aerologii Górniczej, Kraków, s Wyd.: CeiAG EMAG. [9] D r e n d a J., 2005 S³ota K.; Sposób i efekty poprawy warunków klimatycznych w wyrobiskach korytarzowych kopalñ przez obni enie œredniej temperatury promieniowania cieplnego otoczenia. 10 Sesja Miêdzynarodowego Biura Termofizyki Górniczej, Gliwice, [10] D r e n d a J., 2007 Ocena bezpieczeñstwa klimatycznego górników w gor¹cych œrodowiskach kopalñ g³êbokich, Polsce. Polski Kongres Górnczy. Sesja 6. Prace Naukowe GIG, Kwartalnik Górnictwo i Œrodowisko nr II/2007, Katowice. [11] D r e n d a J., 2007 Temperatura zastêpcza œl¹ska TŒ, jako wskaÿnik mikroklimatu w œrodowiskach pracy. Wyd. WUG, Katowice. [12] F r y c z A., 1980 Klimatyzacja kopalñ Wyd. Œl¹sk, Katowice. [13] uska P., Nawrat St., Szl¹zak N., 2007 Stan i perspektywy klimatyzacji kopalñ podziemnych w Polsce. Polski Kongres Górnczy. Sesja 6. Prace Naukowe GIG, Kwartalnik Górnictwo i Œrodowisko nr II/2007, Katowice. [14] W a c ³ a w i k J., C y g a n k i e w i c z J., K n e c h t e l J., 1995 Warunki klimatyczne w kopalniach g³êbokich. Poradnik. Biblioteka Szko³y Eksploatacji Podziemnej, Kraków. [15] Raport roczny o stanie podstawowych zagro eñ naturalnych i technicznych w górnictwie wêgla kamiennego. Praca pod redakcj¹ Prof. W³. Konopko, GIG, Katowice [16] Przepisy bezpieczeñstwa i higieny pracy. Rozporz¹dzenie Ministra Gospodarki z dnia r., znowelizowane w 2006 r. [17] Klima-Bergverordnung-KlimaBerg, Juni METODY POPRAWY WARUNKÓW KLIMATYCZNYCH ZWI ZANE ZE WZROSTEM ZAGRO ENIA CIEPLNEGO W KOPALNIACH S³owa kluczowe Klimat, klimatyzacja kopalñ, klimatyczne warunki pracy Streszczenie Podstawowymi czynnikami powoduj¹cymi wzrost temperatury powietrza w kopalniach i zwi¹zane z tym zagro enie cieplne s¹ zwiêkszaj¹ca siê g³êbokoœæ eksploatacji i wzrost instalowanej mocy urz¹dzeñ mechanicznych. Aktualnie w 70% polskich kopalñ wêgla temperatura powietrza przekracza 28 C. W piêciu kopalniach g³êbokoœæ eksploatacji osi¹gnê³a ju 1000 i 1050 m. Temperatura pierwotna ska³ na tak du ych g³êbokoœciach wynosi 41 42,5 C, natomiast dla planowanej g³êbokoœci 1200 m osi¹gnie ju wartoœæ 50 C. Klimatyczne warunki pracy w g³êbokich polskich kopalniach wêgla s¹ bardzo trudne i wymagaj¹ stosowania metod ich poprawy. Najskuteczniejszym sposobem obni enia wysokiej temperatury powietrza w wyrobiskach jest klimatyzacja. W ostatnich 8 latach nast¹pi³ gwa³towny wzrost zarówno iloœci, jak równie mocy maszyn ch³odz¹cych. Liczba ch³odziarek wzros³a z 98 w roku 1998 do 162 w 2006 r., a moc ch³odz¹ca z 27,22 MW do 48,5 MW.

6 220 Dobre rezultaty zwi¹zane z popraw¹ klimatycznych warunków pracy przynosz¹ równie inne metody, jak: zwiêkszenie prêdkoœci przep³ywu powietrza, zmniejszenie zawartoœci wilgoci w powietrzu, zmniejszenie œredniej temperatury promieniowania otoczenia, zmniejszenie wydatku energetycznego pracownika przerwy w pracy. Stosowanie wymienionych metod poprawy warunków, poza klimatyzacj¹, jest utrudnione z powodu przepisów klimatycznych obowi¹zuj¹cych w polskim górnictwie. Sztywna w przepisach temperatura powietrza 33 C, powy ej której praca jest zabroniona za wyj¹tkiem akcji ratowniczej, nie zezwala na pracê w wy szych temperaturach chocia praca przy odpowiedniej wilgotnoœci powietrza i prêdkoœci przep³ywu by³aby bezpieczna. Sugeruje siê natychmiastow¹ zmianê starych przepisów klimatycznych. Jako wielkoœci mikroklimatu i warunków klimatycznych, które mog³yby byæ u yte dla oceny zagro enia klimatycznego s¹ wskaÿnik dyskomfortu cieplnego lub temperatura zastêpcza œl¹ska TŒ. IMPROVMENT OF MICROCLIMATIC CONDITIONS IN DEEP MINES AS A WAY OF MANAGING THE INCREASING TERMAL HAZARD Key words Climate (microclimate), airconditioning of mines, climatic work condition Abstract The main factors leading to temperature increase and therefore to thermal hazard in the mines are: the exploatation depth and the mining machinery. At the moment, in 70% polish coal mines the air temperature has exceeded 28 C. In 5 mines the exploatation depths have already reached m. The rock temperature at such depths is C. For the planned depth of 1200 m it will reach the value of 50 C. The microclimatic working conditions in the deep polish coal mines are very difficult. Thus efficient methods of managing termal hazard need to be applied. The most effective method of decreasing high temperature is the air conditioning. During the last 8 years there has been a sudden increase of the quantity and the power level of cooling machines. The quantity of the cooling machinery in polish coal mines has grown from 98 in 1998 to 162 in 2006; and the power of cooling from MW to 48.5 MW. Other methods of improving the microclimatic conditions in mines are: increasing the air movement velocity, lowering the level of humidity in the air, decreasing average heat radiation temperature of the environment, lowering energy expances of the mine worker using breaks in work. Introducing all these methods is difficult because of the policies and procedures in polish mine industry. The border temperature over which working is forbidden (except rescue interventions) is 33 C. Actually if the air movement velocity and the air humidity are appropriate, working in higher temperatires is safe. Therefore adjusting the climatic regulations is needed. Discomfort Coefficient or Substitute Silesian Temperature TŒ are suggested as better parameters for thermal hazard assessment in mines.