AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA im. Stanisława Staszica Wydział Górnictwa i Geoinżynierii Katedra Górnictwa Podziemnego

Transkrypt

1 AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA im. Stanisława Staszica Wydział Górnictwa i Geoinżynierii Katedra Górnictwa Podziemnego Rozprawa doktorska PROGNOZOWANIE WARUNKÓW KLIMATYCZNYCH DLA ŚCIAN O WYSOKIEJ KONCENTRACJI WYDOBYCIA mgr inż. Mariusz Kapusta Promotor dr hab. inż. Jan Szlązak - Kraków

2 Spis treści USpis tabelu... 4 USpis rysunkówu... 5 U1. WstępU... 7 U2. Zakres, cel i teza pracyu... 9 U3. Sposoby opisu procesów wymiany ciepła w wyrobiskach ścianowychu U3.1. Rodzaje wymiany ciepłau U Wymiana ciepła przez przewodzenieu U Wymiana ciepła przez konwekcjeu U Wymiana ciepła przez promieniowanieu U4. Mikroklimat w podziemnych zakładach górniczychu U4.1. Charakterystyka zagrożeń termicznych.u U4.2. Aktualnie obowiązujące przepisy i normyu U4.3. Wskaźniki i ocena warunków pracyu U4.4. Oddziaływanie wysokich temperatur na organizm ludzki.u U5. Wybrane metody prognozowania zagrożenia temperaturowego oraz procesy wymiany ciepła i wilgociu U5.1. Czynniki kształtujące warunki cieplne w wyrobiskachu U5.2. Metoda prognozowania temperatury PTOU U5.3. Metoda prognozowania temperatury wg prof. WacławikaU U5.4. Metoda wymiany ciepła wg J.Voβ au U5.5. Metoda wymiany ciepła wg A.F.WoropajewaU U6. Pomiary warunków klimatycznych w wybranych wyrobiskachu U6.1. Prognozowanie zagrożenia klimatycznegou U Ściana S-3 w pokładzie 403/1U U Ściana K-9 w pokładzie 357/1U U Ściana B-1 w pokładzie 403/1U U Ściana 10B w pokładzie 416U U Ściana 02b w pokładzie 510U U6.2. Strumień przepływu ciepła i wilgociu U Zmiany wilgotnościu U Przyrost ciepłau U7. Określenie ilości ciepła w wyrobiskachu U7.1. Przyjęta metodyka pomiarowau U7.2. Rozpływ strumienia masowego powietrza w badanych wyrobiskach ścianowychu U7.3. Przyrost wilgoci w wyrobiskachu U7.4. Przyrost ciepła w ścianachu U7.5. Przyrost ciepła od zrobówu U7.6. Przyrost ciepła w wyrobiskach od urządzeń energomechanicznychu

3 U8. Zmodyfikowana metoda prognozowania temperatury Z-PTOU U8.1. Porównanie wyników pomiarów i prognoz metod dotychczas stosowanychu U8.2. Prognozowanie temperatury wg metody Z-PTOU U Podstawowe założenia modyfikacyjneu U Algorytm prognozowaniau U8.3. Weryfikacja metody Z-PTOU U Wyniki prognozy dla serii pomiarowych w badanych ścianachu U Wyniki prognozy wzdłuż długości badanych ścianu U8.5. Zastosowanie metody Z-PTO do prognozy rozkładu temperatury i zawartości wilgoci w ścianieu U9. Wnioski końcoweu U10. ZakończenieU ULiteraturaU

4 Prognozowanie warunków klimatycznych dla ścian o wysokiej koncentracji wydobycia 1BSpis tabel UTabela 1. Proponowany algorytm szacowania ryzyka zawodowego związany z cieplnymi warunkami pracy wg PN-N-18002U UTabela 2. Wartość współczynnika bu 30 UTabela 3. Parametry badanych wyrobisk ścianowychu UTabela 4. Parametry pięciu wybranych wyrobisku UTabela 5. Wyniki pomiarów i prognozy temperatur w ścianie S-3 w pokładzie 403/1U UTabela 6. Wyniki pomiarów i prognozy temperatur w ścianie K-9 w pokładzie 357/1U UTabela 7. Wyniki pomiarów i prognozy temperatur w ścianie B-1 w pokładzie 403/1U UTabela 8. Wyniki pomiarów i prognozy temperatur w ścianie 10B podczas pracy maszynu UTabela 9. Wyniki pomiarów i prognozy temperatur w ścianie 10B bez pracy maszynu UTabela 10. Wyniki pomiarów i prognozy temperatur w ścianie 02b w pokładzie 510U UTabela 11. Przyrost wilgoci w ścianach: K-3, K-9, B-1, 10B i 02bU UTabela 12. Przyrost ciepła w ścianach: K-3, K-9, B-1, 10B i 02bU UTabela 13. Parametry badanych ścianu UTabela 14. Wyniki pomiarów dla ścianu UTabela 15. Przyrost strumienia ciepła wzdłuż ścian przewietrzanych systemem na YU 80 UTabela 16. Przyrost strumienia ciepła wzdłuż ścian przewietrzanych systemem na UU 80 UTabela 17. Przyrost strumienia ciepła wzdłuż ściany od zrobówu UTabela 18. Wyniki obliczeń przyrost ciepła od zrobów dla ścian przewietrzanych systemem na UU 89 UTabela 19. Wyniki obliczeń przyrost ciepła od zrobów dla ścian przewietrzanych systemem na YU 92 UTabela 20. Przyrost ciepła w ścianachu UTabela 21. Dopływ strumienia ciepła w ścianach w trakcie pracy i postojuu UTabela 22. Parametry ścianu UTabela 23. Wyniki obliczeń udziału ciepła jawnegou UTabela 24. Wyniki obliczeń średniej wartości udziału ciepła jawnego w czasie pracy i postoju maszynu UTabela 25. Wyniki obliczeń średniej wartości udziału ciepła jawnego w czasie pracy i postoju maszynu UTabela 26. Zestawienie parametrów w badanych ścianachu UTabela 27. Zestawienie parametrów w badanych ścianachu

5 Prognozowanie warunków klimatycznych dla ścian o wysokiej koncentracji wydobycia 12BSpis rysunków URys.1. Prognozowane wartości temperatur metodami PTO i prof. WacławikaU URys.2. Schemat poglądowy rejonu ściany S-3 w czasie pomiaru temperatury powietrzau URys.3. Temperatury powietrza i prognozy temperatur w ścianie S-3 w pokładzie 403/1U URys.4. Schemat poglądowy rejonu ściany K-9 w czasie pomiaru temperatury powietrzau URys.5. Temperatury powietrza i prognozy temperatur w ścianie K-9 w pokładzie 357/1U URys.6. Schemat poglądowy rejonu ściany B-1 w czasie pomiaru temperatury powietrzau URys.7. Temperatury powietrza i prognozy temperatur w ścianie B-1 w pokładzie 403/1U URys.8. Temperatury powietrza i prognozy temperatur w ścianie 10B pokład 416 w czasie pracy maszyn w miesiącu majuu URys.9. Temperatury powietrza i prognozy temperatur w ścianie 10B pokład 416 w czasie pracy maszyn w czerwcuu URys.10. Temperatury powietrza i prognozy temperatur w ścianie 10B pokład 416 bez pracy maszynu URys.11. Temperatury powietrza i prognozy temperatur w ścianie 02b w pokładzie 510U URys. 12. Zmiany wilgotności właściwej w ścianie S-3U URys. 13. Zmiany wilgotności właściwej w ścianie K-9U URys. 14. Zmiany wilgotności właściwej w ścianie B-1U URys. 15. Zmiany wilgotności właściwej w ścianie 10B w czasie pracy maszynu URys. 16. Zmiany wilgotności właściwej w ścianie 10B bez pracy maszynu URys.17. Zmiany wilgotności właściwej w ścianie 02bU URys. 18. Przyrost strumienia ciepła w ścianie S-3U URys. 19. Przyrost strumienia ciepła w ścianie K-9U URys. 20. Przyrost strumienia ciepła w ścianie K-9U URys. 21. Przyrost strumienia ciepła w ścianie 10BU URys. 22. Przyrost strumienia ciepła w ścianie 02bU URys. 23. Schemat punktów pomiarowych w ścianieu URys. 24. Schemat poglądowy rejonu ściany 813U URys. 25. Schemat poglądowy rejonu ściany 9b-SU URys. 26. Schemat poglądowy rejonu ściany 5U 63 URys. 27. Schemat poglądowy ściany 401SU URys. 28. Rozmieszczenie źródeł ciepła w rejonie ścianu URys. 29. Rozkład zmiany strumienia masy powietrza wzdłuż frontu ściany 809U URys. 30. Rozkład zmiany strumienia masy powietrza wzdłuż frontu ściany 813U URys. 31. Rozkład zmiany strumienia masy powietrza wzdłuż frontu ściany 5U 69 URys. 32. Rozkład zmiany strumienia masy powietrza wzdłuż frontu ściany 9b-SU URys. 33. Rozkład zmiany strumienia masy powietrza wzdłuż frontu ściany 401SU URys. 34. Wyniki pomiarów i obliczeń rozpływu powietrza w ścianie 809U URys. 35. Wyniki pomiarów i obliczeń rozpływu powietrza w ścianie 813U URys. 36. Wyniki pomiarów i obliczeń rozpływu powietrza w ścianie 5U 71 URys. 37. Wyniki pomiarów i obliczeń rozpływu powietrza w ścianie 9b-SU URys. 38. Wyniki pomiarów i obliczeń rozpływu powietrza w ścianie 401SU URys. 39. Wyniki obliczeń rozpływu powietrza w chodniku nadścianowym ściany 809U URys. 40. Wyniki obliczeń rozpływu powietrza w chodniku nadścianowym ściany 813U URys. 41. Wyniki pomiarów przyrostu wilgoci wzdłuż ściany 809U URys. 42. Wyniki pomiarów przyrostu wilgoci wzdłuż ściany 813U URys. 43. Wyniki pomiarów przyrostu wilgoci wzdłuż ściany 5 w czasie pracy maszynu URys. 44. Wyniki pomiarów przyrostu wilgoci wzdłuż ściany 5 bez pracy maszynu URys. 45. Wyniki pomiarów przyrostu wilgoci wzdłuż ściany 9b-S w czasie pracy maszynu. 76 URys. 46. Wyniki pomiarów przyrostu wilgoci wzdłuż ściany 9b-S bez pracy maszynu

6 Prognozowanie warunków klimatycznych dla ścian o wysokiej koncentracji wydobycia URys. 47. Wyniki pomiarów przyrostu wilgoci wzdłuż ściany 401S w czasie pracy maszynu 77 URys. 48. Wyniki pomiarów przyrostu wilgoci wzdłuż ściany 401S bez pracy maszynu URys. 49. Jednostkowe stopień zawilżania powietrza na długości ściany.u URys. 50. Przyrost strumienia ciepła jawnego, utajonego i całkowitego wzdłuż ściany 809U URys. 51. Przyrost strumienia ciepła jawnego, utajonego i całkowitego wzdłuż ściany 813U URys. 52. Przyrost strumienia ciepła jawnego, utajonego i całkowitego wzdłuż ściany 5U 82 URys. 53. Przyrost strumienia ciepła jawnego, utajonego i całkowitego wzdłuż ściany 9b-SU URys. 54. Przyrost strumienia ciepła jawnego, utajonego i całkowitego wzdłuż ściany 401SU.. 83 URys. 55. Przyrost strumienia ciepła wzdłuż kanału ściany 5 i od zrobów.u URys. 56. Przyrost strumienia ciepła wzdłuż kanału ściany 9b-S i od zrobów.u URys. 57. Przyrost strumienia ciepła wzdłuż kanału ściany 401S i od zrobów.u URys. 58. Przyrost strumienia ciepła od zrobów dla ściany 5U 90 URys. 59. Przyrost strumienia ciepła od zrobów dla ściany 9b-SU URys. 60. Przyrost strumienia ciepła od zrobów dla ściany 401SU URys. 61. Przyrost strumienia ciepła od zrobów w chodniku nadścianowym ściany 809U URys. 62. Przyrost strumienia ciepła od zrobów w chodniku nadścianowy ściany 813U URys. 63. Pomiar i prognoza temperatury powietrza dla ściany 809U URys. 64. Pomiar i prognoza temperatury dla ściany 813U URys. 65. Pomiar i prognoza temperatury dla ściany 5U 100 URys. 66. Pomiar i prognoza temperatury dla ściany 9b-SU URys. 67. Pomiar i prognoza temperatury dla ściany 401SU URys. 68. Prognoza temperatury powietrza metodą Z-PTO dla ściany 809U URys. 69. Prognoza temperatury powietrza metodą Z-PTO dla ściany 813U URys. 70. Prognoza temperatury powietrza metodą Z-PTO dla ściany 5U 107 URys. 71. Prognoza temperatury powietrza metodą Z-PTO dla ściany 9b-SU URys. 72. Prognoza temperatury powietrza metodą Z-PTO dla ściany 401SU URys. 73. Arkusz pomiarowy do prognozowania temperatury i wilgotności w ścianie 5 metodą Z-PTOU URys. 74. Przebieg temperatury i wilgotności właściwej wzdłuż ściany 809 prognozowany metody Z-PTOU URys. 75. Przebieg temperatury i wilgotności właściwej wzdłuż ściany 813 prognozowany metody Z-PTOU URys. 76. Przebieg temperatury i wilgotności właściwej wzdłuż ściany 5 prognozowany metody Z-PTOU URys. 77. Przebieg temperatury i wilgotności właściwej wzdłuż ściany 9b-S prognozowany metody Z-PTOU URys. 78. Przebieg temperatury i wilgotności właściwej wzdłuż ściany 401S prognozowany metody Z-PTOU URys. 79. Wyniki pomiarów i obliczeń rozpływu powietrza w ścianie M-5U URys. 80. Przyrost strumienia ciepła wzdłuż ściany M-5 i od zrobówu URys. 81. Przebieg temperatury i wilgotności właściwej wzdłuż ściany M-5 prognozowany metody Z-PTOU

7 0B1. Wstęp Surowce naturalne pozyskiwane są z coraz głębiej zalegających pokładów a dynamiczny rozwój techniki pozwala na bezpieczną ich eksploatację. Wzrost głębokości ma szczególne znaczenie w przypadku zmian parametrów geotermicznych złóż, co ma bezpośredni wpływ na kształtowanie warunków mikroklimatu w wyrobiskach podziemnych. Tendencja eksploatacji węgla kamiennego z coraz głębiej zalegających pokładów jest obserwowana również w polskim górnictwie. Stanowiska pracy zlokalizowane w takim środowisku stwarzają zagrożenie narażenia pracownika na oddziaływanie czynników niebezpiecznych, szkodliwych i uciążliwych [4, 15]. Światowym liderem eksploatacji z głęboko zalegających pokładów jest Republika Południowej Afryki, w kopalniach której wydobywa się surowce z głębokości ok m. Parametrem opisującym zmianę temperatury Ziemi wraz ze wzrostem głębokości jest gradient geotermiczny natomiast odwrotność gradientu określająca co ile metrów w głąb ziemi temperatura wzrośnie o 1 C nazywana jest stopniem geotermicznym. Warto zwrócić uwagę, iż w okolicach Johannesburga stopień jest bardzo duży ( m/ C) a temperatury górotworu na tej głębokości dochodzą do 50 C. W Polsce dla Górnośląskiego Zagłębia Węglowego średni stopień geotermiczny wynosi około 33,2 m/1 C co powoduje, że na głębokościach 1000 m temperatura pierwotna górotworu wynosi ok. 40 C. W latach 90-tych w polskim górnictwie dokonały się gwałtowne zmiany. Głównym kryterium eksploatacji węgla stały się koszty wydobycia i związany z nimi rachunek ekonomiczny produkcji tego surowca. Zmniejszenie zdolności produkcyjnej kopalń, ograniczenie zatrudnienia przy jednoczesnym wzroście koncentracji wydobycia miały zapewnić tej branży stałą rentowność. Celem osiągnięcia założonych efektów stało się preferowanie eksploatacji ścian wysokowydajnych zlokalizowanych w pokładach o ściśle określonych parametrach. Pokłady, których miąższość przekraczała 1,5 m zaliczono do grupy zasobów przemysłowych, które stanowią część zasobów bilansowych złoża jako przedmiot ekonomicznie uzasadnionej eksploatacji. Taka definicja spowodowała, że wszystkie pozostałe zasoby złóż zostały zakwalifikowane do złóż nieprzemysłowych. W wyniku nieustannie prowadzonych reform i restrukturyzacji sektora podziemnego górnictwa węglowego do chwili obecnej obserwujemy spadek ilości kopalń. Na przestrzeni ostatnich 20 lat w Polsce zamknięto 40 kopalń odnotowując spadek z 71 kopalń w 1989 roku do 31 kopalń w 2009 [36]. Równocześnie nastąpił wzrost wydajności wydobycia węgla 7

8 w przeliczeniu na jednego pracownika w kopalni. Wzrost koncentracji wydobycia wiązał się ze stałym spadkiem zatrudnienia ale również z zastosowaniem coraz bardziej wydajnych kompleksów ścianowych. Takie działania doprowadziły do niemal całkowitej mechanizacji ścian w procesie produkcyjnym, ograniczając rolę górnika do minimum. Wydobycie węgla z pokładów o zasobach przemysłowych spowodowało, że kopalnie rozpoczęły eksploatacje w znacznie głębiej zalegających pokładach. Równocześnie zaobserwowano gwałtowne zwiększenie mocy urządzeń energomechanicznych w wysoko wydajnych kompleksach ścianowych, który spowodował znaczny wzrost temperatury i zmiany mikroklimatu na stanowiskach pracy [19]. Regulacja temperatury środkami wentylacyjnymi (zwiększanie ilości powietrza) przy tak ogromnych dopływach strumieni ciepła nie dawała oczekiwanych efektów. Przepisy górnicze jednoznacznie określają temperaturę mniejszą lub równą 28 C i intensywność chłodzenia powyżej 11 katastopni wilgotnych jako dopuszczalne warunki pracy dla pełno wymiarowej zmiany roboczej. W przypadku nie dotrzymania powyższych wartości przepisy zobowiązują pracodawcę do stosowania skróconego czasu pracy ograniczając go do 6 godzin [38]. Zastosowanie urządzeń chłodniczych wiąże się z wysokimi kosztami inwestycyjnymi i dlatego część kopalń podejmuje decyzje ograniczenia czasu pracy górników. Kopalnia Pniówek jako pierwsza w Polsce podjęła decyzje zaprojektowania i wdrożenia centralnej klimatyzacji w celu poprawy warunków pracy. Dla zapewnienia warunków klimatycznych pracownikom na poziomach 830 m i 1000 m zastosowano obecnie urządzenia chłodnicze o łącznej mocy 10 MW. Podobne inwestycje lecz o innej mocy zostały również zrealizowane w pozostałych kopalniach Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A. stosując innowacyjne rozwiązania technologiczne [30, 61]. Również inne kopalnie borykające się coraz częściej z pogarszającymi warunkami mikroklimatu wdrażają urządzenia chłodnicze. Często jednak mają kłopoty w utrzymaniu warunków mikroklimatu w całym rejonie eksploatacyjnym na poziomach określonych w przepisach. Problem wymiany ciepła jawnego i niejawnego w ścianie o wysokiej koncentracji wydobycia w chwili obecnej nie został do końca rozpoznany. Nawet zastosowanie maszyn klimatycznych o dużych mocach chłodniczych często nie daje pożądanych efektów, a prognozowane wartości temperatur znacząco odbiegają od tych mierzonych in situ [2, 77]. Tylko głęboka analiza parametrów powietrza, górotworu, warunków eksploatacji i urządzeń energomechanicznych stosowanych w ścianach może pozwolić na optymalne wykorzystanie urządzeń chłodniczych i regulacje mikroklimatu pracy parametrami termodynamicznymi powietrza. 8

9 1B2. Zakres, cel i teza pracy Powietrze atmosferyczne płynąc podziemnymi wyrobiskami górniczymi zmienia swoje parametry termodynamiczne. Wyrobiska górnicze stanowią sieć wentylacyjną kopalni, którą budują bocznice oraz węzły tworząc dynamiczny i skomplikowany układ przepływu powietrza. Kierunek przepływu powietrza wyznacza depresja wentylatorów głównych, pomocniczych oraz gęstość powietrza. W pracy scharakteryzowano procesy wymiany ciepła i wilgoci w wyrobisku, które pochodzą od górotworu i źródeł lokalnych. Zjawiska te zostały już dobrze rozpoznane i opisane pozwalając na prognozowanie temperatur w wyrobisku już na etapie projektowania eksploatacji pokładów [17]. Jednak skuteczność tych prognoz diametralnie spada z chwilą wzrostu koncentracji wydobycia węgla ze ściany jak również wzrostu mocy cieplnej pochodzącej od lokalnych źródeł ciepła. Istotnym więc stała się modyfikacja prognoz temperatury w oparciu o rozpoznanie procesów wymiany ciepła i wilgoci pomiędzy górotworem i lokalnymi źródłami ciepła a przepływającym powietrzem. Celem pracy jest opracowanie metody prognozowania temperatur oraz opis zjawisk i procesów wymiany ciepła w ścianach o wysokiej koncentracji wydobycia. Do realizacji założonego celu autor skupił się na opisie oraz analizie dotychczasowych metod prognozowania zagrożenia klimatycznego. W wyniku przeprowadzonych obliczeń można stwierdzić, iż stosowane obecnie metody prognoz z dużą dokładnością odzwierciedlają rzeczywiste wyniki termodynamiczne powietrza dla ścian o małym i średnim wydobyciu. Wraz ze wzrostem wydobycia prognozowane temperatury zaczynają znacznie odbiegać od temperatur rzeczywistych panujących w wyrobisku. Istotny wpływ na to mają parametry źródeł lokalnych. Na podstawie badań in situ przeprowadzonych dla różnych warunków geologiczno-górniczych oraz określeniu wartości lokalnych źródeł ciepła można próbować modyfikować metody prognozowania temperaturowego. W oparciu o pomiary i obliczenia w pracy zostaną udowodnione następujące tezy: 1. Istnieje zależność pomiędzy rozkładem temperatury wzdłuż frontu ściany a rozkładem strumienia powietrza wynikającym ze stosowanego systemu przewietrzania. 2. Przy dużej koncentracji wydobycia moc urządzeń elektrycznych zabudowanych w ścianach istotnie wpływa na zmianę temperatur. 9

10 2B3. Sposoby opisu procesów wymiany ciepła w wyrobiskach ścianowych Powietrze kopalniane płynąc przez szereg wyrobisk podziemnych zmienia swoje parametry termodynamiczne. Główny wpływ na zmianę tych parametrów odgrywają: zmiany ciśnień, autokompresja, prędkości przepływu powietrza, temperatury górotworu, moc urządzeń elektrycznych, dopływ innych gazów, zmiany zawartości pary wodnej. Wyrobisko górnicze wykonane w kopalni zaburza jej pierwotną równowagę geotermiczną. W caliźnie otaczającej wyrobisko powstaje gradient temperatury i wilgoci w wyniku czego przy przepływie powietrza wyrobiskiem zachodzi wymiana ciepła i wilgoci pomiędzy górotworem i wyrobiskiem. Istotną rolę w tym procesie odgrywają parametry powietrza na wlocie. Zachodzące zmiany parametrów powietrza są skomplikowane i ściśle związane z okresowymi zmianami temperatury i wilgotności powietrza wlotowego [70, 76]. W takim wyrobisku proces wymiany ciepła zachodzi na wskutek: parowania wilgoci, konwekcji, promieniowania. W wyrobiskach ścianowych charakteryzujących się trudnymi warunkami klimatycznymi istotnym problemem jest ogrzewanie i nawilżanie powietrza [18, 33]. Złożoność procesów wymiany ciepła i wilgoci jak również ciągłe zmiany parametrów fizycznych i chemicznych płynącego powietrza powodują indywidualne podejście do każdej ze ścian [32, 72]. Szczególną uwagę należy zwrócić na: nachylenie ściany (sprężanie lub rozprężanie powietrza), ucieczki powietrza przez zroby (wymiana ciepła i wilgoci), desorpcja gazów (np. metan), samozagrzewanie węgla (proces utleniania), parowanie wody w procesie zraszania (przyrost wilgoci), moce zainstalowanych maszyn (wymiana ciepła), liczebność załogi (wymiana ciepła i wilgoci). 10

11 Wymiana ciepła w wyrobisku ścianowym odbywa się w sposób jawny (przewodnictwo cieplne, konwekcja, promieniowanie) oraz niejawny poprzez parowanie wody (wilgoć). Zjawisko to występuje na wskutek różnicy temperatur górotworu i przepływającego powietrza. Parametry obu tych ośrodków nie są stabilne zależąc m.in. od czasu i dlatego proces przepływu ciepła jest procesem nieustalonym [9, 31]. Wartość strumienia ciepła przenoszonego od górotworu do przepływającego powietrza zależy m.in. od: temperatury powietrza w wyrobisku, temperatury pierwotnej górotworu, własności fizycznych skał i budowy geologicznej złoża (współczynnik przewodnictwa ciepła, pojemność cieplna i inne), kubatury wyrobiska, prędkości przepływu powietrza, chropowatości ścian wyrobiska, okresu przewietrzania. Ponadto, wpływ na zmianę parametrów termodynamicznych powietrza w ścianie mają tzw. lokalne źródła ciepła. Wartość strumienia ciepła przenoszonego od miejscowego źródła ciepła do przepływającego powietrza jest bardzo zróżnicowana. Do źródeł lokalnych ciepła zaliczamy: urządzenia i maszyny mechaniczne oraz elektryczne, transportowany urobek, desorpcję metanu, rurociągi, parującą w wyrobisku wodę, samozagrzewanie węgla, migrację powietrza przez zroby. 13B3.1. Rodzaje wymiany ciepła Wymiana ciepła to zjawisko występujące wówczas, gdy istnieje różnica temperatur wewnątrz pewnego układu lub między kilkoma układami mogącymi na siebie oddziaływać. Układ o temperaturze wyższej oddaje energię układowi o temperaturze niższej [62, 71]. Rozróżnia się cztery zasadnicze rodzaje wymiany ciepła: 11

12 Przewodzenie ciepła polega na przenoszeniu energii wewnątrz ośrodka materialnego, lub z jednego ośrodka do drugiego w warunkach bezpośredniego kontaktu ciał o różnych temperaturach. Jest to przekazywanie energii kinetycznej mikroskopowego ruchu cząsteczek (jonów, atomów). Konwekcja zachodzi wówczas gdy występuje ruch makroskopowych części płynu o różnych temperaturach i gęstościach. Konwekcja naturalna (swobodna) następuje wskutek różnicy gęstości płynu spowodowanej różnicą temperatury w ośrodku. Konwekcja wymuszona następuje wskutek wymuszenia przepływu ciepła przez pompę lub wentylator. Promieniowanie polega na przenoszeniu energii przez kwanty promieniowania elektromagnetycznego o określonym zakresie długości fal. W odróżnieniu do konwekcji i przewodzenia nie wymaga ono pośrednictwa ośrodka materialnego w przekazywaniu energii i może rozchodzić się w próżni. Parowanie (wody, potu) polega na przenoszeniu ciepła wytworzonego wewnątrz organizmu i powoduje utratę ciepła w organizmie. Wydzielanie ciepła następuje przez skórę (odparowanie potu) lub drogami oddechowymi (wydychanie pary wodnej). W pewnych warunkach związane jest ono z kondensacją pary na skórze i powoduje to przyrost ciepła. 14B Wymiana ciepła przez przewodzenie Pole temperatury ϑ = ϑ( x, y, z, τ ) jest polem skalarnym. Gdy w żadnym punkcie ciała nie ma źródła ciepła, pole temperatury jest bezźródłowe. Jeśli w rozpatrywanym obszarze zachodzi proces fizyczny lub chemiczny, w wyniku którego następuje zamiana energii w ciepło, pole temperatury jest źródłowe. W stacjonarnym polu temperatury izotermy nie zmieniają położenia w czasie. Gdy pole temperatur jest nieustalone, powierzchnie izotermiczne zmieniają położenie w czasie i każdej chwili τ może odpowiadać inny przebieg izoterm. W skalarnym polu można określić gradient temperatury ciała: r ϑ( x, y, z, τ ) grad ϑ( x, y, z, τ ) = i + x r ϑ( x, y, z, τ ) r ϑ( x, y, z, τ ) j + k (3.1) y z W danym punkcie x, y, z ośrodka i w chwili τ gradient temperatury należy interpretować jako wektor prostopadły do izotermy i zwrócony w stronę wzrostu temperatury. W ośrodku izotropowym ze względu na przewodnictwo cieplne linie prostopadłe do powierzchni 12

13 izotermicznych nazywają się adiabatami lub liniami strumienia cieplnego. Gęstością strumienia cieplnego w punkcie x, y, z i w chwili τ nazywa się wektor q r ( x, y, z, τ ), którego moduł jest równy granicy ilorazu strumienia ciepła izotermiczną i jej pola Δ F, gdy zmierza ono do zera: Δ Q & przewodzonego przez powierzchnię r ΔQ& q( x, y, z, τ ) = lim ΔF (3.2) ΔF 0 Wektor gęstości strumienia cieplnego q r w dowolnym punkcie ciała izotropowego jest prostopadły do powierzchni izotermicznych i zarazem równoległy do wektora gradientu temperatury. Każdemu skalarnemu polu temperatury ϑ( x, y, z, τ ) można przyporządkować wektorowe pole gęstości strumienia ciepła q r ( x, y, z, τ ). Proces przewodnictwa cieplnego w ciałach izotropowych opisuje prawo J. Fouriera o proporcjonalności wektorów gęstości strumienia cieplnego do gradientu temperatury: q r ( x, y, z, τ ) = - λ(x,y,z) grad ϑ( x, y, z, τ ), W/(m 2 K), (3.3) gdzie: λ - współczynnik przewodnictwa cieplnego, W/(m K). Znak minus we wzorze (3.3) wynika z przeciwnych zwrotów wektorów q r ( x, y, z, τ ) i grad ϑ( x, y, z, τ ) : gradient temperatury skał zwrócony jest w stronę wzrostu temperatury, natomiast wektor gęstości strumienia cieplnego q r od temperatur wyższych do niższych. Przy małych różnicach temperatur i w ciałach jednorodnych na ogół przyjmuje się, że współczynnik przewodnictwa cieplnego jest stały: λ = const. Bilans energii wewnątrz ciała stałego wyraża równanie różniczkowe przewodnictwa cieplnego. Równanie to otrzymuje się bilansując zachodzącą w jednostce czasu zmianę ilości ciepła zawartego w dowolnym obszarze przestrzennym oraz strumienia ciepła dopływającego drogą przewodnictwa (3.3) do tego obszaru przez jego brzeg F. W układzie współrzędnych prostokątnych x, y, z równanie przewodzenia ciepła ma postać: ϑ( x, y, z, τ ) = τ λ cρ 2 2 ϑ( x, y, z, τ ) ϑ( x, y, z, τ ) x y ϑ( x, y, z, τ ) 2 z 2 (3.4) gdzie: c ciepło właściwe ciała, J/(kgK), ρ gęstość, kg/m 3. 13

14 Stosunek współczynnika przewodnictwa cieplnego do iloczynu ciepła właściwego i gęstości ciała: λ a =, m 2 /s (3.5) cρ jest stałą materiałową, zwaną współczynnikiem przewodnictwa temperaturowego lub dyfuzyjności cieplnej. Wielkość ta charakteryzuje prędkość wyrównywania się temperatury w ośrodku podczas niestacjonarnego przewodzenia ciepła. Równanie różniczkowe (3.4) stanowi najogólniejszy związek między temperaturą ciała oraz współrzędnymi przestrzennymi i czasem, który musi być spełniony w polu temperatury ukształtowanym przez proces przewodnictwa cieplnego. Jest ono równaniem różniczkowym o pochodnych cząstkowych, typu parabolicznego. Równanie tego typu opisuje wiele procesów fizycznych, do których, prócz przewodzenia ciepła, należą między innymi dyfuzja, filtracja gazów i cieczy [14, 20]. W stanach ustalonego przewodzenia ciepła temperatura ciała jest funkcją położenia i nie zależy od czasu. Wtedy lewa strona równania przewodnictwa cieplnego (3.4) jest równa zeru, a równanie bilansu ciepła upraszcza się do postaci: 2 ϑ(x, y, z) + 2 x 2 ϑ(x, y, z) + 2 y 2 ϑ(x, y, z) 2 z = 0 (3.6) i nie zawiera współczynnika wyrównywania temperatury. Równanie przewodnictwa dla stanu ustalonego w postaci (3.6) jest typu eliptycznego [14]. 15B Wymiana ciepła przez konwekcje W wyrobisku górniczym wymiana ciepła następuje pomiędzy górotworem a przepływającym powietrzem. Wymiana ta odbywa się na drodze konwekcji, natomiast w cienkiej warstwie przyściennej na zasadzie przewodzenia [9, 31, 34]. Przejmowanie ciepła oparte jest na prawie Newtona : gdzie: q - gęstość strumienia ciepła, W/m 2 K, α - współczynnik przejmowania ciepła, W/m 2 K, υ g - temperatura górotworu, C, q = α ( υ g t p ) (3.7) 14

15 t p - temperatura powietrza, C. Aby obliczyć ilość ciepła dopływającą z górotworu do strumienia przepływającego powietrza należy uwzględnić pole powierzchni wymiany ciepła: gdzie: F pole powierzchni wymiany ciepła, m 2. Q = α (υ t ) F (3.8) g p Określenie współczynnika przejmowania ciepła jest zagadnieniem niezwykle trudnym. Na wartość tego współczynnika mają wpływ m.in. kształt wyrobiska, wielkość, chropowatość, powierzchnia, rodzaj płynu i inne parametry [12, 37]. Współczynnik przejmowania ciepła jest najczęściej wyznaczany z równań wiążących bezwymiarowe liczby kryterialne Nu = Nu (Re, Pr, Gr, Fo) (3.9) gdzie: α l Nu = - liczba Nusselta, liczba podobieństwa cieplnego, λ p Re = vl - liczba Reynoldsa, podobieństwo mechaniczne, ν v Pr = - liczba Prandtla, a 3 gl ΔT Gr = β - liczba Grashofa, 3 ν at Fo = - liczba Fouriera, liczba jednoczesności 2 l l - charakterystyczny wymiar liniowy, m, λ p - współczynnik przewodnictwa cieplnego płynu, W/m K, ν - kinematyczny współczynnik lepkości, m 2 /s, v - prędkość przepływu, m/s, β - współczynnik rozszerzalności cieplnej płynu, 1/K, ΔT różnica temperatur, K, g przyspieszenie ziemskie, m/s 2. 15

16 16B Wymiana ciepła przez promieniowanie Promieniowanie ciepła opisuje prawo Stefana Boltzmana i jest zdefiniowane jako energia oddawana przez ciało emitujące promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu około 0,4 μm do 800 μm. Fale od 0,4 μm 0,8 μm to światło widzialne, a dopiero przedział 0,8 μm 800 μm obejmuje wypromieniowaną energię cieplną [31, 42]. Ilość energii promieniowania E (emisja), którą wysyła ciało jest proporcjonalna do czwartej potęgi jego temperatury bezwzględnej i określona wzorem: 4 T E = C,W/m 2 (3.10) 100 gdzie: C - stała promieniowania Boltzmana 5,67, W/m 2 K 4, T temperatura absolutna, K. W wyrobiskach ścianowych promieniowanie cieplne ma charakter bardziej skomplikowany, gdyż wszystkie powierzchnie skalne (strop, ocios, spąg) wzajemnie wymieniają energię pomiędzy sobą. Strumień ciepła wypromieniowany przez i-tą powierzchnię wyrobiska o powierzchni A wynosi: = C 4 4 T T i j ε i, j Ai j (3.11) Q o, gdzie: C o stała promieniowania 5,67, W/m 2 K 4, ε i,j współczynnik emisyjności wzajemnej, A i pole powierzchni ciała promieniującego, m 2, T i,j temperatury powierzchni wyrobisk, K. Wymianę ciepła przez promieniowanie między powierzchnią skalną a powietrzem należy traktować jako gęstość strumienia ciepła promieniowania proporcjonalną do i-tej temperatury powierzchni skalnej ϑ i oraz powietrza T p wykorzystując radiacyjny współczynnik wnikania ciepła: α ri ε = ϑ ip i C o T p ϑi T p 100 gdzie: ε ip współczynnik emisyjności wzajemnej między i-tą powierzchnią a powietrzem. W wyrobiskach ścianowych wymiana ciepła na drodze promieniowania jest wielkością niewielką w całkowitym bilansie ciepła dla stosunkowo niskich temperatur powierzchni skalnych [22]. W związku z tym wielu autorów pomija strumień ciepła związany z promieniowaniem cieplnym (3.12)

17 3B4. Mikroklimat w podziemnych zakładach górniczych 17B4.1. Charakterystyka zagrożeń termicznych. Podstawowymi czynnikami powodującymi wzrost temperatury powietrza w kopalniach i związane z tym zagrożenie cieplne, zwane też zagrożeniem temperaturowym, są zwiększające się głębokości eksploatacji i wzrost instalowanej mocy urządzeń mechanicznych. Z raportu Głównego Instytutu Górnictwa o stanie podstawowych zagrożeń naturalnych w 2006 roku wynika, że w 22 kopalniach występują wyrobiska, w których temperatura powietrza przekracza 28 C, co stanowi około 70% wszystkich polskich kopalń węgla kamiennego. Jest rzeczą oczywistą, że liczba kopalń w których temperatura powietrza w wyrobiskach przekroczy 28 C będzie się zwiększać, ponieważ będzie wzrastał udział wydobycia węgla z pokładów głębiej zalegających [36]. W miarę wzrostu głębokości eksploatacji wzrasta temperatura pierwotna skał, a tym samym zwiększa się ilość ciepła dopływająca do powietrza na skutek różnicy temperatur pomiędzy powietrzem i górotworem. W wielu przypadkach powoduje to znaczny wzrost zagrożenia cieplnego. Aktualnie najwyższe temperatury pierwotne górotworu występują na poziomach m w kopalniach Bielszowice, Wujek, Halemba-Wirek, Borynia i wynoszą średnio 41,0 42,8 C [8]. W niedalekiej przyszłości najprawdopodobniej roboty górnicze będą prowadzone w górotworze, którego temperatura pierwotna będzie sięgała 50 C, a zagrożenie temperaturowe może okazać się jednym z podstawowych zagrożeń decydujących o bezpieczeństwie górników i możliwości prowadzenia robót [81]. Wzrost głębokości poziomów kopalń spowoduje przyrost temperatury powietrza świeżego sprowadzanego szybem wdechowym na skutek kompresji. W wyniku sprężania powietrza wpływającego do kopalni zgodnie z gradientem termicznym temperatura powietrza wzrasta co 100m o 1 C. Można więc zakładać, że na głębokich podszybiach szybów wdechowych temperatura osiągnie wysokie wartości. Moc zainstalowanych maszyn i urządzeń w przodkach wpływa w istotny sposób na przyrost temperatury. Według GIG około 10% mocy urządzeń zamieniane jest na ciepło, które podwyższa temperaturę powietrza w zależności od jego wydatku masowego. Przewidywany w kolejnych latach ogólny wzrost mocy urządzeń w oddziałach eksploatacyjnych wpłynie na pogorszenie warunków klimatycznych [7]. 17

18 Podsumowując, można stwierdzić, że wpływ na kształtowanie środowisk mikroklimatu i warunków cieplnych w podziemnych zakładach górniczych będą miały takie czynniki jak głębokość eksploatacji oraz ciepło pochodzące z urządzeń mechanicznych. Udział pozostałych czynników w ogólnym bilansie wymiany ciepła będzie się zmniejszał. 18B4.2. Aktualnie obowiązujące przepisy i normy Obciążenie termiczne (stres cieplny) człowieka stanowią przedmiot badań specjalistów w zakresie fizjologii, ergonomii oraz fizyki i inżynierii środowiska [68]. Uzyskiwane wyniki są podstawą norm międzynarodowych i europejskich, które w większości stanowią również uregulowanie w naszym Państwie. Głównym dokumentem w dziedzinie obciążeń cieplnych pracowników jest norma ISO 7933 Środowisko gorące. Analityczne określenie i interpretacja stresu cieplnego z wykorzystaniem obliczenia wymaganej ilości potu z 1989 roku, przyjęta jako norma europejska EN w 1997 roku, wydana przez Polski Komitet Normalizacji w marcu 2002 roku jako Polska Norma PN-EN Dokument ISO 7933 z 2004 roku stanowi, trzecią istotnie zmienioną wersję dokumentu [71]. Do dokumentów pomocniczych należy zaliczyć przede wszystkim: ISO 7726: Ergonomia środowiska termicznego. Przyrządy do pomiaru wielkości fizycznych z roku 1998, wydana przez PKN w marcu 2001 roku jako PN-ISO 7726; ISO 8996: Ergonomia. Oznaczenie metabolicznej produkcji ciepła z roku 1990, wydana przez PKN w maju 1999 jako Polska Norma PN-EN 28996; ISO 9886: Ocena obciążenia cieplnego na podstawie pomiarów fizjologicznych z roku 1992, wydana przez PKN w maju 1999 roku jako PN-ISO 9886; Polska Norma: PN-85/N-08011: Ergonomia. Środowisko gorące. Wyznaczanie obciążeń termicznych działających na człowieka w środowisku pracy, oparty na wskaźniku WBGT. Do przepisów dotyczących zagrożenia klimatycznego w podziemnych zakładach górniczych zalicza się: Ustawę z dnia 4 lutego 1994 r., Prawo geologiczne i górnicze (Dz.U. Nr 27, poz.96 wraz z późniejszymi zmianami); 18

19 Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 14 czerwca 2002r. w sprawie zagrożeń naturalnych w zakładach górniczych (Dz.U.Nr 94, poz.841 z 2003 r, Nr 181, poz oraz Nr 219, poz z 2004r); Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia w podziemnych zakładach górniczych (Dz.U. Nr 139, poz.1169 z 2002r wraz z późniejszymi zmianami); Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 14 czerwca 2002r. w sprawie planów ruchów zakładów górniczych (Dz.U. Nr 94, poz. 840 oraz Nr 181, poz z 2003r.). 19B4.3. Wskaźniki i ocena warunków pracy Zgodnie z rozporządzeniem Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 14 czerwca 2002r. w sprawie zagrożeń naturalnych w zakładach górniczych [38] według aktualnie obowiązujących przepisów górniczych miarą zagrożenia klimatycznego w odniesieniu do istniejących miejsc pracy jest wartość powietrza mierzona termometrem suchym oraz intensywność chłodzenia mierzona katatermometrem wilgotnym. Dla polskich podziemnych zakładów górniczych eksploatujących węgiel kamienny przepisy informują, że: 1. Temperatura powietrza w miejscu pracy nie powinna przekraczać 28 C przy wykonywaniu pomiarów termometrem suchym, a intensywność chłodzenia nie powinna być mniejsza od 11 katastopni (mcal/cm 2 C) K w. 2. W przypadku gdy temperatura powietrza mierzona termometrem suchym w miejscu pracy jest większa od 28 C, a nie przekracza 33 C, lub intensywność chłodzenia jest mniejsza od 11 katastopni wilgotnych, stosuje się odpowiednie rozwiązania techniczne dla obniżenia temperatury powietrza lub ogranicza się czas pracy do 6 godzin, liczony łącznie ze zjazdem i wyjazdem dla pracowników przebywających całą zmianę roboczą w miejscu pracy, gdzie parametry klimatyczne są przekroczone. 3. W przypadku gdy temperatura powietrza mierzona termometrem suchym przekracza 33 C można zatrudnić ludzi tylko w akcji ratowniczej [38]. 19

20 Trwają również prace nad zmianą przepisów klimatycznych a Departament Górnictwa przygotował projekt zmian przepisów w celu ustalenia trzech stopni zagrożenia klimatycznego w podziemnych zakładach górniczych: 1. Do pierwszego stopnia zagrożenia klimatycznego zalicza się stanowiska pracy w wyrobiskach podziemnych, na których temperatura zastępcza klimatu jest większa od 26 C i nie przekracza 30 C. 2. Do drugiego stopnia zagrożenia klimatycznego zalicza się stanowiska pracy w wyrobiskach podziemnych, na których temperatura zastępcza klimatu jest większa od 30 C i nie przekracza 32 C. 3. Do trzeciego stopnia zagrożenia klimatycznego zalicza się stanowiska pracy w wyrobiskach podziemnych, na których temperatura zastępcza klimatu jest większa od 32 C lub temperatura zmierzona termometrem wilgotnym jest większa od 34 C lub temperatura zmierzona termometrem suchym jest większa od 35 C. Na stanowiskach pracy zaliczonych do pierwszego i drugiego stopnia zagrożenia klimatycznego stosuje się rozwiązania techniczne w celu obniżenia temperatury lub ogranicza się wymiar czasu pracy. W przypadku, gdy wymiar czasu pracy zagrożonych klimatycznie jest dłuższy niż 2 godziny, pracownicy mogą być zatrudnieni tylko w skróconym czasie pracy, w wymiarze 4 godzin w ciągu sześciogodzinnej zmiany roboczej liczonej łącznie z czasem zjazdu i wyjazdu pracownika. Pracownicy ci podlegają obowiązkowi przeszkolenia w zakresie zagrożeń wynikających z pracy w podwyższonej temperaturze. Na stanowiskach pracy zaliczonych do drugiego stopnia zagrożenia klimatycznego mogą być zatrudnieni tylko pracownicy, którzy dotychczas byli zatrudnieni w warunkach zagrożenia klimatycznego, oraz pracownicy, którzy powracają do pracy po przerwie dłuższej niż 14 dni, spowodowanej chorobą po odbyciu dodatkowych badań lekarskich. Natomiast na stanowiskach pracy zaliczonych do trzeciego stopnia zagrożenia klimatycznego pracownicy mogą być zatrudnieni tylko w czasie prowadzenia akcji ratowniczych. Miarą zagrożenia klimatycznego w odniesieniu do poziomu eksploatacyjnego jest tzw. wskaźnik klimatyczny K, określany wzorem: 20

21 K t pg d = (3.13) t d t t p gdzie: t pg temperatura pierwotna skał na danym poziomie, C, t d dopuszczalna temperatura powietrza w miejscu pracy (bez stosowania skróconego czasu pracy) t d = 28 C, t p temperatura powietrza na podszybiu poziomu z którego doprowadza się powietrze świeże do wyrobisk eksploatacyjnych i przygotowawczych, C. W zależności od wartości wskaźnika klimatycznego K stopień zagrożenia klimatycznego definiuje się następująco: K < 0 - nie ma zagrożenia temperaturowego, 0 < K 0,8 - istnieje niewielkie zagrożenie temperaturowe, któremu można zapobiec przestrzegając głównych zasad racjonalizacji wentylacji, 0,8 < K 1,5 - dla uniknięcia zagrożenia temperaturowego należy dążyć do takiego udostępnienia i rozcięcia pokładów oraz ich eksploatacji, aby przewietrzanie ściany ulegało możliwie najmniejszemu nagrzaniu, K > 1,5 - konieczne stało się zastosowanie innych środków techniczno organizacyjnych mających na celu zmniejszenie zagrożenia temperaturowego (np. stosowanie skróconego czasu pracy, stosowanie urządzeń chłodniczych) [16]. Z kolei miarą zagrożenia klimatycznego w odniesieniu do całej kopalni jest wartość temperatury pierwotnej skał na najgłębszym poziomie eksploatacyjnym. W zależności od tej temperatury wszystkie kopalnie podzielono na cztery grupy: Kopalnie o bardzo dużym zagrożeniu klimatycznym w których temperatura pierwotna skał na najgłębszym poziomie eksploatacyjnym jest wyższa od 40 C (np. kopalnie: Bielszowice, Halemba-Wirek, Wujek, Pniówek, Polkowice-Sieroszowice); Kopalnie o dużym zagrożeniu klimatycznym w których temperatura pierwotna skał na najgłębszym poziomie eksploatacyjnym jest wyższa od 35 C, ale nie przekracza wartości 40 C (np. kopalnie: Borynia, Budryk, Jas-Mos, Knurów, Zofiówka); Kopalnie o małym zagrożeniu klimatycznym trzecią grupę tworzą kopalnie w których temperatura pierwotna skał na najgłębszym poziomie eksploatacyjnym jest 21

22 wyższa od 30 C, ale nie przekracza wartości 35 C (np. kopalnie: Bogdanka, Makoszowy, Sośnica, Murcki-Staszic); Kopalnie niezagrożone klimatycznie są to kopalnie w których temperatura pierwotna skał na najgłębszym poziomie eksploatacyjnym jest niższa od 30 C. Na podstawie przepisów można przeprowadzić ocenę ryzyka zawodowego w odniesieniu do zagrożenia klimatycznego [13]. Proponowany algorytm oszacowania ryzyka zawodowego związanego z pracą w podziemnym zakładzie górniczym został oparty w odniesieniu do aktualnie obowiązujących przepisów górniczych [38]. Dlatego przyjęto, że w przypadku, gdy temperatura powietrza mierzona termometrem suchym jest wyższa od 33 C, wówczas ryzyko zawodowe spowodowane pracą w środowisku gorącym jest duże. Gdy temperatura powietrza, jest w przedziale od 28 C, do 33 C, wówczas ryzyko zawodowe jest średnie. Drugim parametrem charakteryzującym warunki cieplne w podziemnych zakładach górniczych jest intensywność chłodzenia mierzona katatermometrem wilgotnym, która powinna być większa od 11 katastopni K w.w przypadku gdy temperatura powietrza jest mniejsza od 28 C a intensywność chłodzenia większa od 11 katastopni K w przyjęto ryzyko zawodowe jako małe. Proponowany model szacowania ryzyka zawodowego przedstawia tabeli 1. Tabela 1. Proponowany algorytm szacowania ryzyka zawodowego związany z cieplnymi warunkami pracy wg PN-N Temperatura [ C] Intensywność chłodzenia [katastopnie] oszacowanie ryzyka zawodowego dopuszczalność ryzyka zawodowego < 28 > 11 male < 28 dopuszczalne < 11 średnie >33 duze niedopuszczalne W zależności od wartości wielkości ryzyka zawodowego należy podjąć następujące działania. Gdy ryzyko zawodowe oszacowano jako: małe działania korygujące są zbędne, należy raz w miesiącu wykonać kontrolę pomiaru prędkości, temperatury, oraz intensywności chłodzenia powietrza, średnie należy skrócić czas pracy do 6 godzin lub zabudować w wyrobisku urządzenia chłodnicze w celu obniżenia temperatury, zwiększyć intensywność przewietrzania wyrobiska, należy raz w tygodniu wykonać kontrolę pomiaru prędkości, temperatury i intensywności chłodzenia, 22

23 duże należy wycofać ludzi do wyrobisk o dopuszczalnym ryzyku zawodowym, a wejście do wyrobisk zagrodzić. W takich wyrobiskach mogą być wykonywane tylko prace w ramach akcji ratowniczej. Aby obniżyć temperaturę poniżej 33 C należy zastosować urządzenia chłodnicze lub zmienić system przewietrzania rejonu [16]. 20B4.4. Oddziaływanie wysokich temperatur na organizm ludzki. Górnicy pracujący w podziemnych zakładach górniczych często są narażeni na oddziaływanie skrajnie niekorzystnych warunków mikroklimatu [67, 73]. Przez komfort cieplny rozumie się stan w którym człowiek nie odczuwa ciepła ani chłodu. Z medycznego punktu widzenia temperatura wewnętrzna ciała wynosi wówczas 37 ± 0,3 C, a temperatura skóry mieści się w granicach 32,0 34,5 C. Wzrost temperatury wewnętrznej o 1 C powoduje zwiększoną prace narządów wewnętrznych człowieka, a powyżej 3 C upośledzenie funkcji komórek spowodowane wpływem temperatury na szybkość reakcji katalizowanych przez enzymy. Aktywność ta początkowo wzrasta, ale dalszy wzrost temperatury powoduje tak duże zaburzenia funkcji komórek ustroju, że może doprowadzić nawet do zgonu. Stan w którym temperatura wewnętrzna ciała przekracza 38 C nazywamy hipertermią. Ekspozycja na wysoką temperaturę połączona z wysiłkiem fizycznym stanowi obciążenie dla układu krążenia, gruczołów potowych skóry, układu nerwowego i oddechowego. Hipertermia wysiłkowa powoduje kilkakrotny wzrost przepływu krwi przez mięśnie i skórę, przyspieszenie pracy serca oraz 3 4 krotny wzrost objętości wyrzutowej serca. Nadmierne rozszerzenie naczyń powoduje spadek ciśnienia tętniczego krwi, którego następstwem może być zapaść obwodowa. Układ oddechowy odpowiada na przegrzanie zwiększeniem częstości oddechów i ich spłyceniem, co powoduje zwiększenie prężności CO 2 [24]. Nadmierne pocenie się zwiększa utratę wody i elektrolitów a więc powoduje odwodnienie i dyselektrolitemię. Upośledza w ten sposób prawidłowy proces regeneracji, zmniejsza efektywność pracy oraz powoduje komplikacje zdrowotne. W normalnych warunkach otoczenia człowiek traci ok ml wody na godzinę, jednak w okresie zwiększonego wysiłku straty te sięgać mogą 2 3 litrów/h i spowodować spadek wydolności nawet o 30%. Podczas pracy mięśniowej, kiedy nasila się tempo spalania składników energetycznych (węglowodorów i kwasów tłuszczowych) w organizmie wzrasta produkcja ciepła. Aby zapobiec przegrzaniu się mięśni, jego nadmiar musi zostać odtransportowany za 23

24 pomocą krążącej krwi do powierzchni ciała i wydalony przez skórę wraz z potem. W warunkach silnego obciążenia termicznego utrata potu może utrzymywać się po zakończeniu pracy na poziomie 1 litra/h lub wyższym przez wiele godzin [41]. Skutki zdrowotne hipertermii zależą również od wydolności fizycznej pracownika i stopnia jego zaaklimatyzowania do gorąca. Stwierdzono w licznych badaniach, że przyrost temperatury wewnętrznej 1,2 1,5 C nawet u osób sprawnych fizycznie i zaadaptowanych do gorąca może zmniejszyć ich zdolność do wysiłku fizycznego o 20%, a gdy temperatura wewnętrzna osiąga 38,8 39 C nawet o 35%. U osób o średniej wydolności fizycznej i zaaklimatyzowanych, spadki te wynoszą odpowiednio 50% i 70%. Podczas pracy umysłowej w gorącym mikroklimacie u 40% populacji zwiększa się ilość popełnianych błędów, a czas reakcji na bodźce jest wydłużony. Dalszy niekontrolowany wzrost temperatury wewnętrznej ciała prowadzi do wystąpienia zespołów przegrzania, z których najgroźniejszym jest udar cieplny, a najłagodniejszy to omdlenie cieplne [24]. Wpływ oddziaływania niekorzystnych parametrów mikroklimatu na pracownika może doprowadzić do wypadku. Praca w środowisku gorącym powoduje przegrzanie organizmu a skutki nadmiernego obciążenia cieplnego mogą objawiać się w postaci [46]: Udaru cieplnego który stanowi zagrożenie dla życia człowieka. Skóra jest gorąca, sucha, zaczerwieniona a na twarzy sina. Objawami udaru są w szczególności: bóle i zawrotu głowy, nudności, wymioty, ogólne pobudzenie, majaczenie, wreszcie utrata przytomności i śpiączka. Pierwsza pomoc polega na przeniesieniu pracownika do chłodnego lub termicznie umiarkowanego środowiska i na bezzwłocznym ochłodzeniu ciała, np. przez spryskiwanie odzieży zimną wodą lub zastosowanie zimnych okładów i nawiewu powietrza. Ochładzanie ciała należy stosować tak długo, aż temperatura ciało obniży się do 38 38,5 C. Dopiero po ochłodzeniu ciała należy pracownika odwieźć do szpitala. Wyczerpania cieplnego przyczyną wyczerpania cieplnego organizmu jest znaczna utrata wody oraz soli na wskutek wydzielania potu. Odwodnienie organizmu nie przekraczające 2% masy ciała nie powoduje niekorzystnych objawów i nie wpływa w sposób istotny na zdolność wykonywania pracy. Przy odwodnieniu powyżej tej wartości pojawiają się następujące dolegliwości: bóle i zawroty głowy, nudności, nieskoordynowane ruchy, osłabienie i zmęczenie. W stanie wyczerpania cieplnego temperatura ciała wynosi 37 38,5 C. Skóra jest wilgotna i pokryta potem. 24

25 Pracownika z takimi objawami należy umieścić w możliwie chłodnym środowisku w stanie spoczynku i podawać często ale w małych ilościach, napoje zawierające 1,0 1,5g soli na litr. Wskazane jest również podawanie witaminy C. Kurcze cieplne mogą one wystąpić u pracowników, którzy intensywnie się pocą, wypijają duże ilości płynów, lecz nie uzupełniają utraconych wraz z potem soli mineralnych. Kurcze cieplne są bolesne i obejmują ręce, nogi oraz brzuch. Występują one najczęściej u osób niezaaklimatyzowanych w środowisku gorącym. Kurcze mogą wystąpić w pracy lub po pracy. Profilaktyka polega na spożywaniu podczas pracy większych ilości soli w pokarmach albo piciu napojów zawierających sole mineralne w ilości 1,0 1,5g soli na litr. Omdlenie cieplne może wystąpić u pracowników wykonujących pracę w wysokiej temperaturze, w postawie stojącej i przy małej aktywności ruchowej. Odpływ krwi do kończyn dolnych, spowodowany postawą stojącą podczas pracy, skutkuje niedotlenieniem mózgu i w efekcie omdleniem. Pracownika takiego należy umieścić w środowisku termicznie neutralnym, w pozycji leżącej co zapewni dokrwienie mózgu i szybki powrót do stanu normalnego. Zmiany skórne mogą wystąpić u pracowników wykonujących pracę w mikroklimacie gorącym i przy wysokiej wilgotności powietrza. Wydzielany w takich warunkach pot nie może w całości odparować i wnika do skóry. Powoduje to zmiany na skórze takie jak: potówki, zaczopowanie ujść gruczołów potowych, powstanie pęcherzyków, czasem zapalenie gruczołów potowych. W skrajnych przypadkach takie objawy wymagają leczenia szpitalnego. Podsumowując, można stwierdzić, że w środowisku gorącym temperatura wewnętrzna ciała nie powinna przekraczać 38 C, a ilość wydzielanego w ciągu dniówki roboczej potu nie powinna przekraczać 2600g dla osoby niezaaklimatyzowanej, natomiast do 3900g tj., ok.4l dla osoby zaaklimatyzowanej [46]. Do pracy w klimacie gorącym nie należy dopuszczać osób otyłych, powyżej 45 roku życia, jeżeli dotychczas nie pracowały w mikroklimacie gorącym, o zmniejszonej wydolności fizycznej, z organicznym chorobami serca i układu naczyniowego, z przewlekłymi chorobami układu oddechowego, z chorobami skóry upośledzającymi czynności gruczołów potowych, stale nadużywające alkoholu i leków psychotropowych, przeciwbólowych i hipotensyjnych. 25