Rozpoznanie zjawiska jonizacji powietrza w wyrobiskach kopalnianych pod kątem oceny deformacji górotworu

Transkrypt

1 31 CUPRUM Czasopismo Naukowo-Techniczne Górnictwa Rud nr 3 (88) 2018, s Rozpoznanie zjawiska jonizacji powietrza w wyrobiskach kopalnianych pod kątem oceny deformacji górotworu Wiesław GRZEBYK 1), Lech STOLECKI 1) 1) KGHM CUPRUM sp. z o.o. Centrum Badawczo-Rozwojowe, Wrocław, lstolecki@cuprum.wroc.pl Streszczenie W artykule przestawiono wyniki badań, mających na celu rozpoznanie zjawiska jonizacji powietrza w wyrobiskach górniczych oraz przydatności tego typu obserwacji do oceny stanu górotworu. Jako źródła jonizacji powietrza wskazano powstawanie ładunku elektrostatycznego na powierzchni ośrodka skalnego oraz emanacje radonu obecnego w skalach złożowych, będące pochodną deformacji górotworu. Uzyskane wyniki pomiarów wykazały, że poziom jonizacji powietrza jest zmienny w czasie i zależy od danego pola eksploatacyjnego oraz miejsca pomiaru w tym polu. Zaistniały w trakcie prowadzonych obserwacji wysokoenergetyczny wstrząs sejsmiczny, poprzedzony był niewielkim, ale wyraźnie zauważalnym wzrostem jonizacji. Jednocześnie stwierdzono, że znaczący, zakłócający wpływ na wyniki pomiarów ma praca systemu wentylacyjnego kopalni oraz zapylenie powietrza w wyrobiskach kopalnianych. Słowa kluczowe: górnictwo podziemne, deformacja górotworu, jonizacja powietrza Identification of the air ionization phenomenon in mine excavations in terms of the rock mass deformation Abstract The article presents the results of research aimed at recognizing the phenomenon of air ionization in mining excavations and the usefulness of this type of observation to assess the condition of the rock mass. The formation of electrostatic charge on the surface of the rock medium and the emanations of radon present in deposit scales were indicated as sources of air ionization. Described processes are a derivative of rock mass deformation Obtained results of measurements showed that the level of air ionization is variable over time and depends on the given exploitation panel and the place of measurement in this field. The high-energy seismic event occurred during the observations conducted, preceded by a small but clearly noticeable increase in ionization. It was found that the ventilation system of the mine and the dustiness of air in mine workings have a significant, disturbing effect on the measurement results. Key words: underground mining, rock mass deformation, air ionization Wstęp Naruszenie pierwotnego stanu równowagi górotworu w wyniku prowadzonej eksploatacji złoża powoduje jednoczesną zmianę wszystkich jego właściwości fizycznych. W zależności od składu fizykochemicznego i udziału poszczególnych faz składo-

2 32 wych (stałej i płynnej) masywu skalnego, różny może być też zasięg i natężenie poszczególnych zjawisk fizycznych. W praktyce, oceny tych zjawisk dokonuje się, mierząc bezpośrednio daną wielkość fizyczną lub w sposób pośredni, mierząc parametr zastępczy. Do takich parametrów zastępczych należy zaliczyć pomiar jonizacji powietrza w wyrobiskach górniczych, który w warunkach kopalń rud miedzi LGOM jest sumarycznym efektem powstawania ładunku elektrostatycznego, wywołanego procesami naprężeniowo-odkształceniowymi ośrodka skalnego i obecności w skałach gazu promieniotwórczego jakim jest radon. Odnośnie do obecności radonu, pierwsze badania dotyczące rozpoznania koncentracji i stężenia radioaktywności gazów złożowych, w kopalniach LGOM, prowadzono w latach 70. ubiegłego wieku i w latach następnych okresowe pomiary narażenia radiacyjnego załóg górniczych krótkożyciowymi produktami rozpadu radonu [7, 5]. Brakuje natomiast jakiejkolwiek wiedzy w zakresie indukowania ładunku elektrostatycznego na powierzchni ośrodka skalnego w rzeczywistych warunkach kopalnianych. Obecnie jest to zagadnienie do oddzielnego rozpoznania. Jednakże bez względu na procentowy udział obydwu czynników, niewątpliwie wpływają one na poziom jonizacji. Zamieszczone w artykule wyniki badań jonizacji powietrza wskazują, że jej poziom zmienia się w szerokim zakresie i jest różny w zależności od miejsca i warunków prowadzenia obserwacji. Stwierdzono również, że oprócz niewątpliwego wpływu procesów deformacyjnych, zachodzących w górotworze, na wielkość jonizacji powietrza mają także wpływ czynniki zakłócające, do których głównie należy zaliczyć zapylenie powietrza i pracę systemu wentylacyjnego kopalni. 1. Źródła jonizacji powietrza w wyrobiskach górniczych Jonizacja jest to powstawanie jonów (anionów lub kationów) z obojętnych atomów lub cząsteczek. Warunkiem jonizacji obojętnych elektrycznie obiektów jest dostarczenie im energii większej od energii wiązania zewnętrznego elektronu w atomie lub cząsteczce, nazywaną energią jonizacji. W gazach, a więc również w powietrzu, jonizacja może być wywołana przez zderzenia z np. rozpędzonymi elektronami, jonami, atomami lub innymi cząstkami (jonizacja zderzeniowa), pod wpływem absorbcji promieniowania elektromagnetycznego (fotojonizacja) lub na skutek wzrostu temperatury (jonizacja termiczna). Jednym ze źródeł jonizacji powietrza, dotychczas mało rozpoznanym w warunkach kopalnianych, jest powstawanie ładunku elektrostatycznego w wyniku procesów naprężeniowo-odkształceniowych zachodzących w ośrodku skalnym. Zakres możliwych odkształceń jest bardzo szeroki, począwszy od mechanicznej deformacji pojedynczych kryształów, któremu towarzyszy zjawisko piezoelektryczne, poprzez makroskopowe pękanie skał, po tarcie mas skalnych o siebie. Z drugim rodzajem wymienionych deformacji związane jest rozrywanie wiązań chemicznych na granicy ośrodków oraz zjawisko tryboelektryzacji. We wszystkich tych przypadkach dochodzi do tworzenia się ładunku elektrycznego (rys. 1) i jego gromadzenia się na powierzchni skały, tj. ociosach wyrobiska [1, 6, 10]. Poprzez kontakt gazowej atmosfery wyrobiska z ładunkami zgromadzonymi na powierzchni dochodzi do wymiany ładunków z cząsteczkami powietrza i w efekcie do ich jonizacji. Proces ten polega na przejęciu lub oddaniu jednego lub więcej elektronów przez cząsteczkę powietrza, przez co stają się one jonami, przy jednoczesnej neutralizacji powierzchni wyrobiska. Stopień jonizacji jest tym większy, im więcej ładunku zgromadziło się na powierzchni skały.

3 33 a) b) c) d) Rys. 1. Proces generowania ładunków elektrostatycznych na powierzchni skały, powstających w wyniku: a) naprężeń, b) tarcia mas skalnych, c) pękania skał oraz proces jonizacji gazu w wyniku kontaktu cząstek powietrza z ładunkami elektrostatycznymi, znajdującymi się na powierzchni skały (d) Drugim źródłem promieniowania jonizującego w kopalniach rud miedzi jest radon i produkty jego rozpadu. Spośród czterech izotopów radonu największe zagrożenie stanowi jego izotop 222 Rn, który ma najdłuższy okres połowicznego rozpadu, wynoszący 3,8 dnia. Radon w czasie rozpadu emituje promieniowanie alfa (i w znacznie mniejszym zakresie promieniowanie beta) o małej przenikliwości i dużej zdolności jonizującej (wysoka energia i duża masa cząstki). Największe stężenie radonu w Polsce występuje w Sudetach i na Przedgórzu Sudeckim i przewyższa ok. 1,5 raza jego stężenie na pozostałym obszarze kraju. Koncentracje radonu mają miejsce także w skałach osadowych, tworzących złoże rud miedzi na Monoklinie Przedsudeckiej, umiejscowione głównie w łupku miedzionośnym [8]. Wybieranie złoża powoduje deformację ośrodka skalnego otaczającego pustki poeksploatacyjne, w tym także zmianę jego przepuszczalności. W rezultacie dochodzi do migracji uwięzionych w skałach gazów złożowych do wyrobiska. Obecny w tych gazach radioaktywny radon powoduje z kolei jonizację powietrza kopalnianego, która pośrednio powinna odzwierciedlać proces deformacji górotworu.

4 34 2. Realizacja pomiarów jonizacji powietrza Pomiary jonizacji powietrza prowadzono w kilku polach eksploatacyjnych kopalń Rudna i Polkowice-Sieroszowice. Do pomiarów wykorzystano nową wersję miernika jonów typu AIC2 firmy AlphaLab (USA). Przyrząd ten jest podręcznym gęstościomierzem jonów, skonstruowanym w oparciu o rurę Gerdien, i zawiera wentylator, który wciągane powietrze przepuszcza przez miernik. Urządzenie ma wymiary mm, waży 567 g i ma opcjonalne zasilanie prądem stałym z baterii (4 AA) lub z sieci przez zasilacz AC. Miernik może pracować w jednym z dwóch zakresów pomiarowych, tj.: 2 miliony lub 200 milionów jonów/cm 3, mierząc jony dodatnie lub ujemne. Zaletą miernika jest możliwość dokonania pomiaru bieżącego stężenia jonów z podglądem na wyświetlaczu lub dodatkowo, z opcją zapisu danych w pamięci rejestratora. W tym drugim przypadku niezbędne jest skonfigurowanie interwału czasu rejestracji, który mieści się w przedziale od 1 sekundy do 120 sekund. Pojemność pamięci umożliwia zapamiętanie prawie pomiarów. W kopalni Rudna obserwacje prowadzono na pojedynczych stanowiskach pomiarowych w dwóch polach eksploatacyjnych, w sposób ciągły z zadanym krokiem czasowym 2 minut, dla zakresu pomiarowego 2 mln i 200 mln jonów/cm 3. Stanowiska te to platformy pomiarowe, składające się z zawiesi przymocowanych do kotwi, na których montowano mierniki jonizacji AIC2, akumulatory żelowe 12 V 33 Ah oraz specjalne adaptery zasilające (rys. 2). Pojemność pamięci mierników, 120-sekundowy przedział czasu rejestracji oraz pojemność zastosowanych akumulatorów umożliwiała bezobsługową pracę stanowisk pomiarowych przez niecałe 2 tygodnie. W przypadku obydwu pól eksploatacyjnych stanowiska zlokalizowano w prądzie powietrza wylotowego (rys. 3). Pomiary jonizacji powietrza w kopalni Polkowice-Sieroszowice prowadzono w sposób wizytacyjny, w czterech polach eksploatacyjnych. Obserwacje w tej kopalni miały głównie na celu poszerzenie bazy pomiarowej o dane, zarejestrowane w różnych warunkach zalegania złoża, w różnym okresie czasu i w różnych miejscach, w danym polu eksploatacyjnym. Pomiary z reguły były wykonywane w trzech punktach pomiarowych, rozmieszczonych wzdłuż frontu robót wybierkowych (rys. 4). Na każdym stanowisku rejestrację prowadzono około 6 minut, z częstotliwością zapisu co 10 sekund, dla zakresu pomiarowego 2 mln jonów/cm 3. W zależności od pola eksploatacyjnego, wykonano od 1 do 4 cykli pomiarowych, a cała seria pomiarowa nie przekraczała jednej godziny.

5 35 Rys. 2. Zestaw pomiarowy stosowany w kopalni Rudna Rys. 3. Lokalizacja stanowisk pomiarowych w polach RU-XVII/2 i RU-XI/1 kopalni Rudna

6 36 Rys. 4. Przykładowa lokalizacja stanowisk pomiarowych w polu SI-II/3 kopalni Polkowice-Sieroszowice 3. Wyniki pomiarów Uzyskane wyniki pomiarów zaprezentowano w postaci wykresów zarejestrowanego stężenia jonów w czasie. Zmienność jonizacji powietrza w dwóch polach eksploatacyjnych kopalni Rudna, w okresie ok. jednego kwartału, przedstawiono na rys. 5 i 6, natomiast przykładowe zestawienie jonizacji powietrza w polu eksploatacyjnym SI-II/3 kopalni Polkowice-Sieroszowice, z rozbiciem na poszczególne stanowiska i cykle pomiarowe na rys. 7.

7 37 Rys. 5. Wykres zmian jonizacji powietrza, zarejestrowanej w oddziale G-2 pole RU-XVII/2 na stanowiskach 1 i 1a Rys. 6. Wykres zmian jonizacji powietrza, zarejestrowanej w oddziale G-2 pole RU-XI/1 na stanowisku 2

8 38 Rys. 7. Zmiana jonizacji powietrza dla poszczególnych cykli pomiarowych i na każdym stanowisku, pomierzona w oddziale G-54 pole SI-II/3 Analiza danych pomiarowych pokazuje, że poziom jonizacji powietrza jest zmienny w czasie i zależy od monitorowanego pola eksploatacyjnego. Największe wartości stężenia jonów zostały zarejestrowane w polu RU-XVII/2 kopalni Rudna i zawierały się w przedziale od ok. 10 mln jonów/cm 3 do ok. 210 mln jonów/cm 3. Były to szybko narastające anomalie (8 przypadków), trwające około doby, a nieprzekraczające 2 dób. Prawdopodobną ich przyczyną mógł być gwałtowny wzrost zapylenia powietrza, wywołany przemieszczaniem zgromadzonego w sąsiednich wyrobiskach urobku za pomocą maszyn górniczych, co faktycznie miało miejsce w tym rejonie. Pomijając wartości ekstremalne, za przeciętny poziom jonizacji w tym polu należy uznać stężenie jonów w przedziale do 4 mln jonów/cm 3. Zdecydowanie niższy poziom jonizacji występował w polu RU-XI/1 kopalni Rudna. W przypadku obserwacji w tym polu można wyróżnić dwa przedziały czasowe o zdecydowanie różnym poziomie jonizacji, którego wyróżnikiem czasowym jest wystąpienie wstrząsu o energii 2, J 10 listopada 2017 r. (na rys. 6 moment wystąpienia wstrząsu zaznaczono niebieską linią). Do momentu wystąpienia tego wstrząsu jonizacja powietrza zawierała się w przedziale do 1000 jonów/cm 3. Charakterystyczne dla tego okresu są 1-3-godzinne wzrosty koncentracji jonów o amplitudzie zmian do ok. 4 tys. jonów/cm 3 oraz trwające 1-2 dni wzrosty jonizacji do ok. 15 tys. jonów/cm 3 (na rys. 8 zaznaczone czerwonymi pasami), ściśle skorelowane z tygodniową pracą systemu wentylacyjnego kopalni, a odpowiadające wyłączeniu wentylacji w dni wolne od pracy. Po wstrząsie o energii 2, J oraz gwałtownym skoku jonizacji powietrza dwa dni później do wartości ok. 590 tys. jonów/cm 3 ogólny poziom jonizacji osiągnął wartość ok. 200 tys. jonów/cm 3, po czym zaczął sukcesywnie maleć (pomijając wzrosty w dni wolne od pracy), aby pod koniec obserwacji osiągnąć wartość ok. 29 tys. jonów/cm 3. Szczególnego pokreślenia wymaga względnie niewielki, ale wyraźnie zauważalny dwudniowy wzrost jonizacji powietrza

9 39 o ok jonów/cm 3 przed wstrząsem wysokoenergetycznym (na rys. 8 zaznaczony żółtą linią). Ilościową analizę jonizacji powietrza w poszczególnych polach eksploatacyjnych kopalni Polkowice-Sieroszowice prezentują uśrednione wartości stężenia jonów, pomierzone w tych polach (rys. 9). Dane te wskazują, że największa jonizacja powietrza ma miejsce kolejno w polach: SI-IX/3 (śr jonów/cm 3 ), SI-V/5 (śr jonów/cm 3 ), SI-II/3 (śr jonów/cm 3 ) i SI-VII/5 (śr jonów/cm 3 ). W takiej samej też kolejności układają się różnice pomiędzy maksymalną wartością jonizacji powietrza w danym polu eksploatacyjnym a pomierzoną na wlocie powietrza do pola. Dla przypadków obejmujących kilka cykli pomiarowych, tj. w polach SI-II/3 i SI-IX/3, największe różnice stężenia jonów pomiędzy pierwszym cyklem pomiarowym a ostatnim wynoszą odpowiednio jonów/cm 3 (w odstępie 56 dni) i jonów/cm 3 (w odstępie 48), co świadczy o większej tendencji spadkowej jonizacji w polu SI-IX/3. Z porównania poziomu jonizacji powietrza we wszystkich polach eksploatacyjnych kopalni Rudna i kopalni Polkowice-Sieroszowice wynika, że jest on szczególnie wysoki w polach kopalni Rudna. Pola te charakteryzują się też większą miąższością złoża (5,5-12,0 m i 3,3-7,0 m) aniżeli pola eksploatacyjne kopalni Polkowice- -Sieroszowice (maksymalnie 2,2 m) oraz względnie wysokim poziomem aktywności sejsmicznej, co świadczy o zaangażowaniu zdecydowanie większych objętości masywu skalnego w proces deformacji. Rys. 8. Zmiany jonizacji powietrza przed wstrząsem o energii 2, J oraz wywołane pracą systemu wentylacyjnego w oddziale G-2 pole RU-XI/1

10 40 Rys. 9. Średnie stężenie jonów w poszczególnych polach eksploatacyjnych kopalni Polkowice-Sieroszowice dla kolejnych cykli i stanowisk pomiarowych Podsumowanie Pomimo ograniczonej ilości materiału pomiarowego, podstawowy cel badań, którym było wstępne rozpoznanie zjawiska jonizacji powietrza w wyrobiskach kopalnianych jako pochodna procesów deformacyjnych zachodzących w górotworze, został osiągnięty. Na podstawie przeprowadzonych obserwacji stwierdzono, że poziom jonizacji powietrza jest zmienny w czasie oraz zależy od warunków geologiczno- -górniczych danego pola eksploatacyjnego i miejsca pomiaru w danym polu. Do przyczyn, wywołujących jonizację powietrza w kopalniach rud miedzi LGOM, należy zaliczyć zjawiska elektrostatyczne, towarzyszące procesom naprężeniowo- -odkształceniowym ośrodka skalnego, oraz zmiany jego przepuszczalności, która decyduje o wielkości emanacji radioaktywnego radonu obecnego w gazach kopalnianych, do wyrobiska. Dlatego też w przypadku danego pola eksploatacyjnego, istotnych zmian poziomu jonizacji powietrza należy upatrywać w deformacji górotworu/masywu skalnego o dużym zasięgu. Sytuacje takie sprzyjają powstawaniu korzystnych warunków do generowania wysokoenergetycznych wstrząsów, co zostało potwierdzone w badaniach dotyczących trzęsień ziemi [2, 3, 4, 9]. W nawiązaniu do przedstawionych w artykule rezultatów badań, należy wskazać na wyniki pomiarów jonizacji powietrza, związane z wystąpieniem wstrząsu o energii 2, J. Zupełnie odmienny obraz poziomu jonizacji przed i po wstrząsie świadczy, że zjawisko to jest czułym miernikiem procesów deformacyjnych, zachodzących w górotworze. Przeszkodą w skutecznym i praktycznym stosowaniu tego typu obserwacji jest znaczący, trudny do wyeliminowania wpływ czynników zakłócających, jakimi są; zapylenie powietrza w wyrobiskach kopalnianych i wpływ pracy systemu wentylacyjnego kopalni.

11 41 Bibliografia [1] Enomoto Y., 1996, Notes on generation and propagation of seismic transient electric signal. A Critical Review of Van, [2] Freund F., Kulahci I. et al., 2009, Air ionization at rock surfaces and pre-earthquake signals. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestial Physics, vol. 71, [3] Freund F., 2013, Earthquake Forewarning A Multidisciplinary challenge from the ground up to space. Acta Geophysica, vol. 61, [4] Jashank M., Gupta S.J., Nair J., 2014, Development of radon gas sensor to monitor the precursors of earthquake, IOSR Journal of Engineering, vol. 04, [5] Jodłowski P. et al., 2008, Natural radiation and its hazard in copper ore mines in Poland, Acta Geophysica Polonica, vol. 56, no 2, (ISSN ). [6] Kittel C., 1970, Wstęp do fizyki ciała stałego, PWN, Warszawa. [7] Olszewski J., Kacprzyk J., Kamiński Z., 2010, Ocena narażenia radiacyjnego górników w wybranych kopalniach metali nieżelaznych na radon i produkty jego rozpadu, Medycyna Pracy, 61 (6), [8] Przylibski T., 1994, Występowanie i znaczenie radonu w środowisku naturalnym Dolnego Śląska, Ochrona Pracy, nr 1(52). [9] Pulinets S., 2016, The Physical bases for the short-term earthquake precursors generation, Proceedings of V International Conference Atmosphere, Ionosphere, Safety, Kaliningrad, [10] Scott D.F., Williams T.J., Tesarik D. et al., 2004, Geophsical methods to detect stress in underground mines, Report of Investigations 9661, NIOSH- Publications No

12 42