RESEARCH REPORTS KWARTALNIK 4 GŁÓWNY INSTYTUT GÓRNICTWA CENTRAL MINING INSTITUTE

Transkrypt

1 Quarerly RESEARCH REPORTS KWARTALNIK 4 GŁÓWNY INSTYTUT GÓRNICTWA CENTRAL MINING INSTITUTE KATOWICE 26

2 Rada Programowa ds. Wydawnicw: prof. dr hab. inż. Jaub Sieme (przewodniczący), prof. dr hab. inż. Tadeusz Chmielnia, prof. dr hab. inż. Józef Dubińsi, prof. dr hab. inż. Andrzej Maranda, prof. dr hab. inż. Korneliusz Misch, prof. dr hab. inż. Joanna Pinińsa, prof. dr hab. inż. Krysian Probierz, prof. dr hab. inż. Czesława Rosi-Dulewsa, prof. dr hab. inż. Janusz Roszowsi, prof. dr hab. inż. Anoni Tajduś Komie Kwalifiacyjno-Opiniodawczy: prof. dr hab. inż. Anoni Kidybińsi (przewodniczący), prof. dr hab. inż. Krysyna Czaplica, doc. dr hab. inż. Józef Kabiesz, prof. dr hab. inż. Władysław Konopo, prof. dr hab. inż. Jerzy Kwiae, prof. dr hab. Kazimierz Lebeci, prof. dr hab. inż. Adam Lipowczan, doc. dr hab. inż. Krzyszof Sańczy, doc. dr hab. inż. Marian Ture, doc. dr hab. inż. Jan Wachowicz, mgr Małgorzaa Zielińsa Redaor Naczelny prof. dr hab. inż. Adam Lipowczan Redacja wydawnicza i orea Ewa Gliwa Małgorzaa Kuśmire-Zegadło Barbara Jarosz Sład i łamanie Krzyszof Graliowsi ISSN Naład 1 egz. Adres Redacji: Zespół Wydawnicw i Usług Poligraficznych Głównego Insyuu Górnicwa, Kaowice, Pl. Gwarów 1 el , fax cinexm@gig.aowice.pl

3 Górnicwo i Środowiso Spis reści BARBARA BIAŁECKA Przegląd oncepcji podziemnego zgazowania węgla... 5 Review of underground coal gasificaion concepions IRENA PLUTA, RYSZARD ŚLASKI, KAROL ORAWSKI * Uwarunowania silnych zjawis gazogeodynamicznych zaisniałych w opalniach Pniówe i Zofiówa Condiions of srong gasous-geodynamical phenomena occurred in "Pniówe" and "Zofiówa" mines MAREK ROTKEGEL Pomiary ubyu orozyjnego obudowy wyrobis oryarzowych Measuremens of corrosive loss of dog headings suppor JAN WACHOWICZ, KLAUDIUSZ WYPIOR Analiza ermiczna mieszane gumowych sosowanych do wyrobu aśm przenośniowych dla górnicwa Thermal analysis of rubber mixures used in conveyor bels manufacured for mining MAŁGORZATA WYSOCKA, KAZIMIERZ LEBECKI, STANISŁAW CHAŁUPNIK, BOGUSŁAW MICHALIK, KRYSTIAN SKUBACZ Możliwości wyorzysania meod radiomerycznych w badaniach wyrzuów sał i gazów Possibiliy of applicaion of radiomeric mehods in invesigaions of ouburss and remors in Polish mines WITALIJ SKOROPACKI Zależności energeyczne przy zapewnieniu isrobezpieczeńswa obwodów elerycznych ypu RC za pomocą uładów ochronnych o nieliniowej charaerysyce wyjściowej Energy relaions a assurance of spar-proofness of RC ype elecric circuis wih he use of proecive sysems wih non-linear oupu characerisics ADAM SMOLIŃSKI, NATALIA HOWANIEC, KRZYSZTOF STAŃCZYK Meody badania reaywności węgla w procesach spalania i zgazowania Mehods of coal reaciviy deerminaion in combusion and gasificaion processes 3

4

5 PRACE NAUKOWE GIG GÓRNICTWO I ŚRODOWISKO RESEARCH REPORTS MINING AND ENVIRONMENT Kwaralni Quarerly 4/26 Barbara Białeca PRZEGLĄD KONCEPCJI PODZIEMNEGO ZGAZOWANIA WĘGLA Sreszczenie Jedną z perspeywicznych meod wyorzysania węgla, a głównie jego zasobów nie nadających się do esploaacji meodami radycyjnymi, jes podziemne zgazowanie. Pozwala ono na uzysanie energii zawarej w węglu in siu, a ym samym uninięcie ryzya zagrożenia zdrowia i bezpieczeńswa człowiea nieodłącznego podczas esploaacji radycyjnej. W Polsce, prawie we wszysich obszarach górniczych, zalegają parie poładów węgla, órych esploaacji zaniechano z przyczyn echniczno-eonomicznych, czy eż ze względów bezpieczeńswa; nieóre z ych zasobów mogą zosać efeywnie wyorzysane przez podziemne zgazowanie. W publiacji przedsawiono aualny san wiedzy w zaresie echnologii podziemnego zgazowania węgla wraz z analizą oncepcji, opaenowanych sposobów i wdrożonych rozwiązań ego procesu. Zamieszczono aże wielowymiarową analizę i ocenę aich aspeów, ja: rozeznanie geologiczne złoża, echnia wierceń ierunowych, echnia zapalania węgla, echnia pomiarowo-onrolna, a aże zagadnienia eonomiczne oraz ochrony środowisa. Analiza aa jes niezbędna do oceny, czy prace nad podziemnym zgazowaniem węgla w polsich warunach, są uzasadnione. Przeprowadzone rozeznanie sanu echnii wyazało, że znany proces podziemnego zgazowania węgla, realizowany aże w sali przemysłowej, może być rozważany w Polsce jao przyszłościowe źródło gazu do zasosowań energeycznych i/lub chemicznych. Review of underground coal gasificaion concepions Absrac One of perspecive mehods of coal uilisaion, and mainly is resources useless for mining wih radiional mehods, is an underground gasificaion. I enables o ge energy conained in coal in siu and avoid in his way healh and safey ris for a man, inseparable from radiional mining. In Poland, almos in every mining area, useless paries of coal seams lie, mining of which were given up for engineering-economic reasons or for safey reasons, also. Some of hese resources may be effecively used hrough underground gasificaion. In he paper, he presen sae of ar was presened in he scope of underground coal gasificaion echnology along wih analysis of concepions, paened mehods and implemened soluions of his process. I also conains mulidimensional analysis and assessmen of he following aspecs: recogniion of geological deposis, echnology of direcional drilling, echnology of coal igniion, measuring- -supervisory echniques, and also economic as well as environmenal proecion quesions. Such an analysis is necessary for assessmen wheher wors on underground coal gasificaion are well founded in Polish condiions. Recogniion of he sae of ar conduced showed ha he well-nown process of underground coal gasificaion, realised also in indusrial scale, can be considered as a fuure source of gas o be used in Poland for energeic and/or chemical needs. 5

6 Mining and Environmen WPROWADZENIE W gospodarce świaowej, w osanich laach, zarysowuje się endencja powrou do paliw opalnych jao podsawy świaowego sysemu energeycznego. W związu z ym, że ponad połowa zasobów sałych paliw opalnych Europy znajduje się na obszarze Polsi, poraowanie polsiego węgla, również ego obecnie niedosępnego przy użyciu echni górniczych, jao przyszłej europejsiej bazy energeycznej i wzmocnienie ym samym bezpieczeńswa energeycznego onynenu, saje się racjonalne. Jedną z perspeywicznych meod wyorzysania węgla, a głównie jego zasobów nie nadających się do esploaacji meodami radycyjnymi jes podziemne zgazowanie. Umożliwi ono uzysanie energii zawarej w węglu in siu, a ym samym uninięcie ryzya zagrożenia zdrowia i bezpieczeńswa człowiea nieodłącznego podczas esploaacji radycyjnej. W Polsce, prawie we wszysich obszarach górniczych, zalegają parie poładów węgla, órych esploaacji zaniechano z przyczyn echniczno-eonomicznych czy eż ze względów bezpieczeńswa. Do zasobów ych można zaliczyć parie węgla leżące w srefach zaburzeń eonicznych, pozosawionych półach bezpieczeńswa, obszarach perspeywicznych i górniczo niezagospodarowanych, ja również w poładach cienich lub o dużej zawarości subsancji mineralnej i siari. Tylo nieóre z ych zasobów mogą zosać efeywnie wyorzysane meodą podziemnego zgazowania, wpływają na o przyczyny echniczno-echnologiczne, a aże geologiczno-morfologiczne (na przyład znaczny dopływ wód, sompliowana maroi miroeonia, duża słonność do zawału sropu ip.) urudniające ciągłość i serowanie procesem zgazowania. Sąd wypływa onieczność zbilansowania poencjalnych zasobów do podziemnego zgazowania węgla (PZW) na podsawie ściśle sprecyzowanych ryeriów (Jasulsi, Rabszyn 1982; Sprawozdania z działalności sauowej ; Prawo 1994; Darsi, Kici, Sobczy 21; Hanus, Białeca 25), a nasępnie opracowania sudium aualnego sanu wiedzy na ema echnologii podziemnego zgazowania węgla wraz z analizą oncepcji, opaenowanych sposobów i wdrożonych rozwiązań procesu. Analiza aa, będąca przedmioem niniejszego aryułu, jes niezbędna do oceny, czy prace nad podziemnym zgazowaniem węgla w polsich warunach są uzasadnione. 1. ZARYS PROCESU PODZIEMNEGO ZGAZOWANIA WĘGLA Budowa gazogeneraora Podziemnemu zgazowaniu można poddać połady węgla niedosępne do esploaacji radycyjnymi echniami górniczymi (połady cienie, głęboie). W czasie procesu węgiel reaguje ze środiem uleniającym, órym może być powierze, powierze podgrzane, powierze wzbogacone w len lub para wodna i len. 6

7 Górnicwo i Środowiso Proces przebiega w generaorach podziemnych (rys. 1), óre można przygoować meodami bezszybowymi i szybowymi, przy czym: w meodzie bezszybowej generaor jes zbudowany z dwóch oworów wierniczych udosępniających parię poładu węgla, w meodzie szybowej generaor o uład dwóch chodniów, udosępniających parię poładu węgla oraz owór względnie anał łączący oba chodnii. (1) (2) (3) (4) (5) Rys. 1. Schema procesu podziemnego zgazowania węgla Fig. 1. Diagram of underground coal gasificaion process: 1 power supply, 2 chemical energy, 3 chemical producs, 4 gas, 5 seam Meody e scharaeryzowano poniżej, przy czym szczególną uwagę supiono na sposobie bezszybowym jao meodzie perspeywicznej (Kowol 1997) dla poładów węgla głęboo zalegających. W meodach szybowych generaor przygoowuje się roboami górniczymi pod ziemią, po udosępnieniu poładu węgla szybem lub upadową. Wyrobisa górnicze służą do doprowadzania środa uleniającego i odprowadzania gazu na powierzchnię. Roboy górnicze związane z udosępnieniem poładu i jego rozcięciem chodniami sanowią ooło 2% robó górniczych wyonywanych przy lasycznej esploaacji węgla, a pozosałe procesy (8%) są zasąpione podziemnym zgazowaniem. Sposoby szybowe były sosowane dawniej, pói nie opanowano meod wierceń ierunowych i innych sposobów łączenia oworów w poładzie węgla. Meody bezszybowe polegają na udosępnieniu poładu węgla oworami wierniczymi z powierzchni, a nasępnie na łączeniu ich ze sobą z wyorzysaniem specjalnych meod. W meodach ych, przy udosępnieniu poładu węgla meodą wierniczą można sosować rzy rodzaje oworów: pionowe, pochyłe i ierunowe (Review of UCG 21). Owory pionowe udosępniają poład węgla od srony sropu i są dogodne wedy, gdy zawał sał sropowych w przesrzeni pozosałej po zgazowaniu węgla nie narusza ich szczelności w pariach górnych. Można je sosować do zgazowania poładów małej i średniej grubości, przy wyonywaniu począowej linii fronu ognia i odwadniania generaorów. 7

8 Mining and Environmen Owory nachylone są dogodne wedy, gdy zachodzi onieczność rozmieszczenia ich poza srefą słabego sropu, co zmniejsza lub wylucza możliwość ich uszodzenia podczas osiadania nadładu w oresie zgazowania. Owory ierunowe są połączeniem oworów udosępniających i generaorowych. Można je wiercić w poładach węgla amiennego, zalegających poziomo lub pod niewielim ąem. Kanały łączące owory pionowe można wyonać meodą: filracyjną, eleroarbonizacji i wiercenia ierunowego. Meody: filracyjna i eleroarbonizacji znalazły zasosowanie głównie w poładach płyo zalegających (Rau 1979). Meoda filracyjna polega na wypalaniu anału w węglu między dwoma pionowymi oworami, przy czym w jednym z oworów zapala się węgiel, a do oworu przeciwległego doprowadza się powierze pod ciśnieniem. I a, w poładach węgla o dużej przenialności dla gazów, na przyład w poładach węgli brunanych, sosuje się ciśnienie 3 5 amosfer, niezależnie od głęboości zalegania. W poładach węgli amiennych, órych przenialność dla gazów jes mała, sosuje się ciśnienie przewyższające o 5 1 amosfer ciśnienie nadładu. Meoda eleroarbonizacji polega na przepuszczaniu prądu elerycznego o dużej mocy przez poład węgla między salowymi elerodami, umieszczonymi w dolnej części oworów wierniczych. Oporowe nagrzewanie poładu powoduje odgazowanie węgla na drodze przepływu prądu i wyworzenie porowaego osu, przepuszczalnego dla gazu. W ym przypadu anałem przepływowym jes poroway os. Owory ierunowe można sosować w poładach węgla o małym nachyleniu (Underground 22; The Chinchilla 22; Review of UCG 21). Wiercenie oworu ierunowego rozpoczyna się pod ąem nachylenia W miarę zbliżania się do poładu węgla ą nachylenia aiego oworu sopniowo zmniejsza się i owór wchodzi w poład pod ąem 6 4 na długości ooło 1 m, a nasępnie jes wiercony zgodnie z ieruniem zalegania poładu węgla. Poziome wejście oworu ierunowego w poład węgla swarza waruni do dalszego jego wiercenia na znaczną długość dochodzącą do 3, a nawe 4 m. Meoda wiercenia ierunowego jes sosowana do wyonywania generaorów w głęboich poładach węgla amiennego, w órych zasosowanie meod filracji i eleroarbonizacji jes urudnione. Wybór sposobu przygoowania gazogeneraorów meodami bezszybowymi jes ściśle zależny od warunów geologicznych oraz rodzaju poładu węgla poddawanego procesowi zgazowania. W miarę rozwoju badań nad procesem podziemnego zgazowania węgla przedsawiony wyżej podział na meody szybowe i bezszybowe sracił na znaczeniu. Tylo w nielicznych rajach, w ym w Chinach, są realizowane przemysłowe próby procesu zgazowania węgla po uprzednim rozcięciu poładu za pomocą lasycznych górniczych robó przygoowawczych (Clean Energy 24), w innych pańswach są podejmowane badania PZW z zasosowaniem wyłącznie sposobów bezszybowych i echnią wierceń ierunowych. 8

9 Realizacja procesu PZW Górnicwo i Środowiso Zgazowanie węgla polega na jego częściowym spalaniu i całowiej przemianie na paliwo gazowe, zawierające sładnii palne, ja CO, H 2, węglowodory oraz pewne ilości gazów obojęnych. W zależności od użyego czynnia zgazowującego (len, powierze, para wodna ip.) i paramerów procesu, orzymuje się paliwa gazowe o różnym sładzie i różnych warościach opałowych. Mogą o być: gazy słabe, ja gaz powierzny, powierzno-wodny oraz wodny lub wysooaloryczne gazy mocne o dużej zawarości meanu. Ja już wspomniano, proces PZW prowadzi się w generaorach podziemnych, óre sanowią wydzielone parie poładu węgla udosępnione z powierzchni i połączone przez uład oworów w poładzie z powierzchnią. Zgazowanie węgla w podziemnym generaorze rozpoczyna się od zapalenia węgla na począu oworu. Po wyworzeniu się przodu ogniowego nasępuje właściwy proces zgazowania z przemieszczaniem się fronu ognia wzdłuż anału. Przesrzeń pozosała po zgazowanym węglu wypełnia się sałą sropową, żużlem i popiołem. Waruni zgazowania pod ziemią są rudne, gdyż węgiel poddany zgazowaniu wysępuje nie w formie rozdrobnionych awałów, lecz jao zwięzła masa, órą len może aaować na ograniczonej i przeważnie jednosronnie odryej powierzchni. Obmywając rozżarzoną powierzchnię węgla, środe uleniający reaguje jedno lub wielosopniowo z węglem zawarym w złożu. Im gaz przeninie dalej, ym więszą ma w sobie zawarość węgla, aż do momenu osiągnięcia równowagi odpowiadającej emperaurze reacji. W związu z ym, że maeriał zgazowujący zawiera len, o na począu srefy reacji worzy się dwulene węgla zgodnie z reacją C + O 2 CO 2 Jeżeli emperaura reacji jes wysoa, wówczas z dwulenu węgla worzy się, aż do usalenia się równowagi odpowiadającej emperaurze, lene węgla według nasępującej reacji C + CO 2 2CO Energia cieplna wydzielana w ych egzoermicznych reacjach podrzymuje niezbędną emperaurę warunującą przebieg procesu zgazowania. Reacje e są również źródłem ciepła zużywanego na przebieg reacji endoermicznych, w ym na odparowanie wilgoci, podgrzanie i odgazowanie węgla, a aże na sray cieplne do ooczenia. Z pary wodnej zawarej w maeriale zgazowującym powsają wodór oraz lene węgla zgodnie z reacją C + H 2 O CO + H 2 a w przypadu wzrosu ciśnienia z doprowadzanego, względnie z worzącego się wodoru, worzy się mean, według reacji C + 2H 2 CH 4 przy czym zawarość węgla w srefie reacji sale maleje. 9

10 Mining and Environmen Najwięsza ilość części lonych wydziela się z calizny węgla w srefie ognia, ulegając również częściowemu rozładowi, a w nieórych przypadach spalaniu. Tym łumaczy się małą zawarość meanu i ciężich węglowodorów w gazie ońcowym. Produy odgazowania i odparowania wydzielające się również wzdłuż anału, w pariach nieobjęych procesem zgazowania, przedosają się do gazu. W realizacji PZW problem może sanowić: bra możliwości rozdzielenia gazu ze zgazowania od gazu z odgazowania, óry w zenięciu ze środiem uleniającym może być w różnym sopniu spalany, wysępowanie węgla w blou, co zmniejsza powierzchnię onau ze środiem uleniającym, rudność urzymania sałych wymiarów geomerycznych przeroju generaora, warunujących ciągłość procesu. Wielolenie badania umożliwiły poznanie isonych cech przebiegu procesu podziemnego zgazowania węgla oraz roli i znaczenia nieórych czynniów. Przy odpowiednio wysoiej emperaurze reacji uzysuje się wzbogacenie gazu w wodór, pochodzący z rozładu pary wodnej, ponado zwięsza się w gazie udział CO oszem CO 2. Nasępnym czynniiem o zasadniczym znaczeniu, ze względu na urzymanie należyego onau środa uleniającego z węglem, jes dobór właściwego schemau generaora (The Fuure 1989). Isonym czynniiem w procesie zgazowania węgla jes rodzaj sosowanego środa uleniającego, co ma wpływ na wysoość emperaury procesu, a ym samym na zachowanie sałych warunów geomerycznych generaora i warość opałową gazu. Zachowanie niezmiennych wymiarów geomerycznych gazogeneraora jes podsawą ciągłości procesu, przy órej wywarza się gaz o mało zmieniającym się sładzie (Rau 1962). Najlepszą sałość warunów uzysuje się wówczas, gdy proces wypalania poładu węgla przebiega w czole blou węglowego, a owór generaorowy służy do odprowadzania gazu. Tai przebieg zgazowania zachodzi przy wysoiej emperaurze. Duży wpływ na przebieg procesu ma zawilgocenie poładu i wielość dopływu wody, óra parując pochłania duże ilości ciepła i obniża emperaurę w generaorze. Poniżej przedsawiono rói przegląd (Underground 22, Kowol 1997; Unied Saes Paen 1994) isonych zagadnień wysępujących podczas realizacji procesu PZW. ASPEKTY GEOLOGICZNE Do opracowania projeu podziemnego zgazowania węgla jes onieczne wyonanie badań geomechanicznych w celu możliwie doładnego oreślenia zalegania poładów, ich ciągłości, własności chemicznych i fizycznych węgla, jego gazoprzepuszczalności ip. TECHNIKA WIERCEŃ KIERUNKOWYCH Realizacja PZW napoya na problemy, órych sopień rudności zwięsza się z głęboością zalegania poładu węgla. Isoną rudność sanowi wiercenie oworów ierunowych w uwarswionych sałach arbońsich, gdzie ciśnienie panujące 1

11 Górnicwo i Środowiso w poładzie i mechaniczne właściwości węgla urudniają, szczególnie wiercenie poziomych oworów w poładzie węglowym. W aich przypadach wysępuje onieczność zasosowania gięiego przewodu zabezpieczającego owór wierniczy. Wraz z głęboością znacznie wzrasa również osz prac wierniczych. Przypowierzchniowa część oworu ierunowego jes na ogół wyonywana jao owór pionowy. Po osiągnięciu punu odchylenia KOP (Kic-of poin) nasępuje odchylanie od pionu do osiągnięcia odpowiedniego ąa nachylenia. Jes onieczna wyjąowa precyzja wyonywania prac wierniczych i pomiarów. Dobre wynii orzymuje się nowoczesnymi meodami pomiarowymi MWD (Measuremen While Drilling), j. wyonywanymi w czasie wiercenia. Łączenie pionowych oworów wierniczych, órych dna znajdują się w poładzie węgla, do niedawna było zasadniczym działaniem pozwalającym na zgazowanie węgla między ymi oworami. Prace na znacznej głęboości wyazały, że sosowane ze suiem meody łączenia oworów w poładach płyich, ze względu na panujące ciśnienie nie mogą być wdrażane. W przypadu poładów głęboo zalegających zaleca się wyonywanie połączeń finalnych między oworami, meodą wiercenia oworu poziomego w samym poładzie. W procesie zgazowania węgla w poładzie głęboo zalegającym z pełnym sucesem zosała zasosowana meoda CRIP (Conrolled Reracing Injeion Poin) (Unied Saes Paen 1994). Taże łączenie finalne pionowych oworów wierniczych, órych dna znajdują się w poładzie węgla, jes możliwe dzięi zasosowaniu wierceń ierunowych i nowych meod serowania oroną wierniczą, umożliwiających bardzo precyzyjne naprowadzanie jej do wyznaczonego punu docelowego. ZAPALENIE WĘGLA W celu zainicjowania procesu zgazowania jes onieczne zapalenie węgla. W poładach płyo zalegających węgiel zapalano za pomocą specjalnie sonsruowanych zapalniów elerycznych. Meoda aa w poładzie głęboo zalegającym nie prowadzi do pożądanego efeu, sąd jes zalecane sosowanie samozapalenia węgla. Konieczne jes zaem poznanie i opracowanie warunów zapalenia węgla i rozprzesrzeniania się ognia w poładzie w celu uzysania odpowiedniej emperaury dla procesu zgazowania. Aualnie w wielu ośrodach badawczych na świecie, w ym w Głównym Insyucie Górnicwa, są prowadzone badania nad ym zagadnieniem. TECHNIKA POMIAROWO-KONTROLNA W czasie procesu zgazowania bardzo isony jes nadzór nad paramerami procesowymi. Ciągłe pomiary są porzebne nie ylo w celu onroli sanu generaora, ale aże do zrozumienia zjawis zachodzących w czasie procesu zgazowania. Isona jes znajomość aich paramerów, ja: emperaura, ciśnienie, przepływ oraz ciągłe analizy gazu producyjnego i wody procesowej. Należy podreślić, że loowanie czujniów na dużych głęboościach jes rudne. 11

12 OCHRONA ŚRODOWISKA NATURALNEGO Mining and Environmen Podziemne zgazowanie węgla może wywierać negaywny wpływ głównie na wody grunowe. Konieczne jes zaem zapewnienie brau onau generaora z ą wodą oraz srupulane izolowanie orurowanych oworów wierniczych. Jeżeli generaor jes bliso powierzchni, o możliwe jes powsawanie niece osiadania na powierzchni. Przy głęboo położonych generaorach wpływu aiego nie obserwuje się. PROBLEMY EKONOMICZNE Analizy eonomiczne PZW przeprowadzone na począu la dziewięćdziesiąych XX wieu w Niemczech i Francji oraz prowadzone obecnie w Ausralii wyazały, że echnologia PZW, przy obecnym sanie echnii, może być onurencyjna dla górnicwa onwencjonalnego w przypadu wydobywania węgla z poładów głęboo zalegających oraz dla nieórych innych źródeł energii. Konieczne jes przeprowadzenie analizy echniczno-eonomicznej PZW w warunach polsich, z uwzględnieniem aualnych cen węgla i energii. 2. ROZWÓJ BADAŃ NAD PZW Badania hisoryczne Badania nad podziemnym zgazowaniem węgla były prowadzone od począu XX wieu w aich rajach, ja: Związe Radzieci, Sany Zjednoczone, Wiela Bryania, Belgia, Francja, Kanada, Węgry, Polsa, Ausralia i Niemcy (Rau 1979). Doyczyły one głównie opracowania echnologii zgazowania poładów grubych zalegających płyo, do 4 m. Podziemne zgazowanie w sali przemysłowej prowadzono w laach w Związu Radziecim (Zagłębie Podmosiewsie, Agren, Zagłębie Kuźniecie). Roczna producja gazu w ych zagłębiach wynosiła ooło 1,5 mld m 3. Badania in siu były prowadzone aże w laach siedemdziesiąych XX wieu w Sanach Zjednoczonych, Belgii, Francji i Kanadzie. W innych rajach, mających znaczne zasoby węgla amiennego, były prowadzone wyłącznie badania modelowe i laboraoryjne nad procesem podziemnego zgazowania. Prace e oncenrowały się głównie na opracowaniu echnologii producji gazu nisoalorycznego i średnioalorycznego z wyorzysaniem złóż węgla biumicznego, subbiumicznego i ligniu, zalegających w formie poładów cienich, średnich i grubych na różnych głęboościach. W zależności od pożądanej warości opałowej gazu proces zgazowania prowadzono z zasosowaniem powierza oraz oresowo lenu lub lenu z parą wodną. Badaniom poddawano zarówno szybowe, ja i bezszybowe echnii przygoowywania gazogeneraorów. Wynii prac badawczych prowadzonych w Głównym Insyucie Górnicwa od la pięćdziesiąych do siedemdziesiąych XX wieu sanowią poważny wład w rozwiązywanie isonych problemów z zaresu podziemnego zgazowania węgla (Dziuniowsi 1956, 196; Dziuniowsi, Wasilewsi 1959; Jasulsi, Rabszyn 12

13 Górnicwo i Środowiso 1981; Rau 1976, 1964). Przede wszysim dały one podsawę do oreślenia echnologii zgazowania węgli amiennych powierzem, lenem, a aże do opymalizacji wymiarów generaora gazu. Wyazano, że opymalną echnologią podziemnego zgazowania węgla w złożu niezaburzonym esploaacją górniczą jes meoda oworów generaorowych owarych, wyonanych w poładzie meodą szybową, z zasosowaniem lenu lub lenu z parą wodną do zgazowania. Meoda a charaeryzuje się ym, że przy zachowaniu odpowiednich paramerów przepływu lenu poład węgla wypala się w czole ściany, a proces zgazowania przebiega w sposób ciągły z zachowaniem sałej warości opałowej gazu. Badania prowadzone w raju miały charaer badań podsawowych i mogą sanowić bazę do dalszych prac nad procesem podziemnego zgazowania w sali doświadczalno-przemysłowej. Obecnie w Polsce podjęo działania mające w przyszłości doprowadzić do wdrożenia echnologii PZW. Aualne badania W osanich ilunasu laach prace nad podziemnym zgazowaniem węgla były prowadzone i są nadal: od 1999 rou w Ausralii (Underground Coal Gasificaion Sie a Chinchilla) (The Chinchilla 22, An IGCC 21), od 198 rou w Chinach (Underground Gasificaion Engineering Research Cenre, Beijing) (Clean Energy 24), od 1999 rou w Wieliej Bryanii (DTI s Energy) (Underground 22, Summary of DTI 1999), od 1992 rou w Hiszpanii (Underground 1999). W Ausralii, w miejscowości Chinchilla, anadyjsa firma Ergo Energy Technologies zrealizowała próbę przemysłową zgazowania poładu węgla zloalizowanego na głęboości ooło 149 m z zasosowaniem powierza. W insalacji złożonej z dziewięciu oworów, przez niespełna 3 laa od 1999 do 21 rou, produowano do 8 m 3 /h gazu o warości opałowej ooło 5 J/m 3. Od sycznia 22 rou do wienia 23 rou prowadzono proces onrolowanego wygaszania generaora podziemnego, w sposób zapewniający pełną ochronę środowisa. W Chinach od 1986 rou przeprowadzono 11 prób zgazowania węgla w sali przemysłowej, z czego pięć jes onynuowanych do dnia dzisiejszego. Zgazowanie prowadzi się w dwóch cylach (powierzem i parą wodną), a produ charaeryzuje się dużą, dochodzącą do 55% obj., zawarością wodoru. Podziemnym zgazowaniem węgla zaineresowane są również: Japonia, Nowa Zelandia, Indie, Paisan oraz Uraina i Rumunia, jednaże doświadczenia ych rajów pozosają na eapie rozważań eoreycznych i prac doświadczalnych. Ores osanich la obfiuje w liczne wspólne inicjaywy i projey ych pańsw. W laach powołano Europejsą Komisję ds. Podziemnego Zgazowania Węgla (European UCG Trial), w celu opracowania procesu zgazowania poładów położonych na głęboościach poniżej 5 m aż do 1 m. 13

14 Mining and Environmen Proje podziemnego zgazowania węgla realizowany w laach dziewięćdziesiąych ubiegłego sulecia w Tulin w Belgii (Kowol 1997) był pierwszą na salę świaową próbą zgazowania węgla w poładzie głęboo zalegającym (poniżej 1 m). Z analizy lieraury wynia, że do 24 rou na świecie były czynne dwie insalacje przemysłowe, w órych był realizowany proces PZW, zloalizowane jedna na Syberii, a druga w Uzbeisanie (Blinderman 25). PODSUMOWANIE Przeprowadzone rozeznanie sanu echnii wyazało, że znany od wielu la proces PZW, realizowany aże w sali przemysłowej, może być rozważany w Polsce jao przyszłościowe źródło gazu do zasosowań energeycznych i/lub chemicznych. Do wdrożenia PZW są onieczne: doładne rozeznanie złoża w połączeniu z oworową echnią pomiarową, opanowanie echni wierniczych, a w szczególności wierceń ierunowych, analiza współzależności procesu zgazowania z mechanią góroworu, serowanie procesem i zbieranie danych, ochrona środowisa nauralnego. Isonym elemenem decydującym o wdrożeniu ej echnii jes aże analiza opłacalności przedsięwzięcia, przy czym znaczącą rolę odgrywa w niej podaż i cena świaowa ropy nafowej i gazu ziemnego. Lieraura 1. An IGCC Projec a Chinchilla, Ausralia based on Underground Coal Gasificaion, Proceedings of he 21 Gasificaion Technologies Conference, San Francisco, USA, Ocober Blinderman M.S. (25): The Energy Underground Coal Gasificaion and is applicaion in commercial clean coal projecs. Second Inernaional Conference on Clean Coal Technologies for our Fuure, Ialy. 3. Clean Energy from UCG in China. UK-China Technology Transfer DTI Projec. February Darsi J., Kici J., Sobczy E.J. (21): Rapor o sanie gospodari zasobami złóż węgla amiennego. Kraów, IGSMiE PAN. 5. Dziuniowsi K. (1956): Doświadczenia nad podziemnym zgazowaniem węgla w laboraoryjnym gazogeneraorze. Komunia GIG nr Dziuniowsi K. (196): Podsawy inerpreacji procesów fizyochemicznych w podziemnym zgazowaniu węgla powierzem i ich obraz w przeprowadzonych doświadczeniach. Komunia GIG nr Dziuniowsi K., Wasilewsi J. (1959): Wyonywanie oworów generaorowych w poładzie węgla za pomocą przepalania srumieniem powierza. Przegląd Górniczy nr Hanus A., Białeca B. (25): Bilans rajowych zasobów do podziemnego zgazowania węgla. Prace Nauowe GIG, Górnicwo i Środowiso nr 4, s Jasulsi Z., Rabszyn Z. (1981): Podziemne zgazowanie węgla z użyciem energii elerycznej. Wiadomości Górnicze nr 3. 14

15 Górnicwo i Środowiso 1. Jasulsi Z., Rabszyn Z. (1982): Rola czynniów nauralnych w procesie podziemnego zgazowania węgla. Wiadomości Górnicze nr Kowol K. (1997): Szanse i perspeywy podziemnego zgazowania węgla. Maeriały Szoły Esploaacji Podziemnej. Kraów, PAN IGSMiE. 12. Prawo geologiczne i górnicze. Usawa z dnia 4 luego 1994 r. 13. Rau J. (1962): Zależność warości opałowej i sładu gazu z podziemnego zgazowania węgla amiennego od wilgoności gazu. Prace GIG, Komunia nr Rau J. (1964): Badanie emperaury i sopnia odgazowania calizny węglowej w podziemnym zgazowaniu węgla amiennego. Prace GIG, Komunia nr Rau J. (1976): Opymalne wymiary generaora przy podziemnym zgazowaniu węgla powierzem. Prace GIG, Komunia nr Rau J. (1979): San podziemnego zgazowania węgla w świecie. Kaowice, GIG. 17. Review of UCG Technological Advances Repor No. COAL R211, Aug 21, available on DTI web sie, as a (Available a DTI Fossil Fuel Technology under Projec Summaries). 18. Sprawozdania z działalności sauowej GIG p.: Ban o zasobach geologicznych węgla z 21 i 22 r. 19. Summary of DTI Energy Paper 67 Cleaner Coal Technologies: The Governmen s Plan for R& D Technology Transfer and Expor Promoion, DTI, April The Chinchilla IGCC Projec o Dae Underground Coal Gasificaion and Environmen. Proceedings of he 22 Gasificaion Technologies Conference, San Francisco, USA, Ocober 27 3, The Fuure Developmen of UCG, Comprehensive Repor o CEC by he European Woring Group Repor on UCG, April Underground Coal Gasificaion A Join European Field Trial in Spain DTI Projec Summary 17, March Underground Coal Gasificaion in he Unied Kingdom. Summary documen prepared for he 5h European Gasificaion Conference Gasificaion The Clean Choice, 8 1 April 22, Noordwij. 24. Unied Saes Paen No 5,287,926, Dae of Paen Wasilewsi J. (1966): Zależność procesu podziemnego zgazowania węgla od rodzaju i szybości przepływu środa zgazowującego. Prace GIG, Komunia nr 4. Recenzen: doc. dr hab. inż. Krzyszof Sańczy 15

16

17 PRACE NAUKOWE GIG GÓRNICTWO I ŚRODOWISKO RESEARCH REPORTS MINING AND ENVIRONMENT Kwaralni Quarerly 4/26 Irena Plua, Ryszard Ślasi, Karol Orawsi * UWARUNKOWANIA SILNYCH ZJAWISK GAZOGEODYNAMICZNYCH ZAISTNIAŁYCH W KOPALNIACH PNIÓWEK I ZOFIÓWKA Sreszczenie Zjawisa gazogeodynamiczne, charaeryzujące się wyrzuami węgla, sał i gazów, są jednymi z najbardziej sompliowanych zagrożeń nauralnych w górnicwie, w ym również w opalniach węgla amiennego na Górnym Śląsu. Doychczas, mimo inensywnych badań, nie zosały w pełni rozpoznane przyczyny ich powsawania i możliwości prognozowania. Na podsawie wyniów badań połady węgla w opalniach Pniówe i Zofiówa, w órych zaisniały dwa silne wyrzuy, zosały ocenione jao niesłonne do wysępowania wyrzuów gazów i sał oraz niezagrożone wyrzuami. W aryule przedsawiono analizę zjawis gazogeodynamicznych w aspecie uwarunowań sruuralnych, eonicznych i emperaurowych. Silne zjawisa gazogeodynamiczne zaisniały w uworach arbonu na głęboości 72 m w zasięgu grzbieu Pawłowic w obszarach spęań i szczelin owarzyszących małym usoom w srefach zaończenia ich biegu, w órym w przeszłości, po oresie arbonu, wysąpiły wysoie emperaury. Condiions of srong gasous-geodynamical phenomena occurred in "Pniówe" and "Zofiówa" mines Absrac Gaseous-geodynamical phenomena, characerising wih coal, rocs and gases ouburss, are ones of mos complicaed naural hazards in mining, including also hard coal mines of Upper Silesia. Despie of inensive researches, he reasons of heir occurrence and possibiliies of heir forecasing were no fully recognised so far. On he basis of resuls of invesigaions, he coal seams in mines "Pniówe" and "Zofiówa", in which here occurred wo srong ouburss, were assessed as no liable o occurrence of gases and rocs ouburss, as well as no ouburs-hazardous. In he paper, an analysis of gaseousgeodynamical phenomena was presened in an aspec of srucural, econic and emperaure condiions. Srong geodynamical phenomena appeared in carboniferous formaions a he deph of 72 m in he range of Pawłowice ridge in areas of fracures and fissures accompanying lile fauls in zones of end of heir course, in which high emperaures had occurred in he pas afer carboniferous period. WPROWADZENIE Zjawisa gazogeodynamiczne, charaeryzujące się wyrzuami węgla, sał i gazów, są jednymi z najbardziej sompliowanych zagrożeń nauralnych w górnicwie, w ym również w opalniach węgla amiennego na Górnym Śląsu. Doychczas mimo inensywnych badań od pierwszego zarejesrowanego wyrzuu, óry wysąpił w 1967 rou w opalni Jasrzębie (obecnie Jas-Mos ), nie zosały w pełni rozpoznane przyczyny ich powsawania i możliwości prognozowania. Kopalnia Węgla Kamiennego Zofiówa. Kopalnia Węgla Kamiennego Pniówe. 17

18 Mining and Environmen Na podsawie rozpoznania zjawis gazogeodynamicznych w opalniach węgla amiennego (np. Tarnowsi 1983; Kozłowsi 1991; Olajossy 1993) usalono, że wsaźniami wyrzuowości są: meanonośność poładu węgla, inensywność desorpcji gazu, zwięzłość węgla, ilość zwiercin z oworów badawczych (Rozporządzenie 22). Niesey, wynii badań ych wsaźniów poładów węgla, w órych zaisniały silne wyrzuy w opalniach Pniówe i Zofiówa, pozwoliły na wcześniejszą ocenę poładów jao niesłonnych do wysępowania wyrzuów gazów i sał oraz niezagrożonych wyrzuami (Jaubów i inni 23, Krause 26). Warości meanonośności oznaczone meodą obecnie sosowaną w górnicwie wyazały, że w poładach 44/4+45/1 i 49/4 wysępowało średnie nasycenie meanem, a pomiary wsaźnia desorpcji meanu z ych węgli nie wyazały przeroczenia warości progowej. Biorąc pod uwagę powyższe fay, za onieczne należy uznać dalsze inensywne badania nad meodami prognozowania wyrzuów węgla, sał i gazów. W aryule omówiono silny wyrzu gazów i sał w opalniach Pniówe (23 sierpnia 22 r. podczas drążenia luney rurowej na poziomie 1 m) i Zofiówa (22 lisopada 25 r. w przodu drążonego chodnia ransporowego D-6 na poziomie 9 m) w świele rozpoznania sruuralnego, eonicznego i emperaurowego, na podsawie badań geneycznych wód. Pracę wyonano w ramach projeu nr 4T12A ZARYS WARUNKÓW GEOLOGICZNYCH W REJONIE KOPALŃ PNIÓWEK I ZOFIÓWKA Kopalnie Pniówe i Zofiówa są zloalizowane w południowo-zachodniej części Górnośląsiego Zagłębia Węglowego i w zachodniej części zapadlisa przedarpaciego. Uwory arbonu są nachylone monolinalnie w ierunu NE. Są zaburzone dwoma sysemami usoów równoległych o rozciągłościach NWW-SEE i N-S o zrzuach najczęściej od ilu do masymalnie 5 m. Na południowym sraju opalń Pniówe i Zofiówa wyróżnia się dużą sruurę usoową równoleżniową Bzie-Czechowice-Marcyporęba (o ampliudzie zrzuu na południe do ooło 6 m). Powierzchnia uworów węglonośnych arbonu Górnośląsiego Zagłębia Węglowego w rejonie opalń Pniówe i Zofiówa ma wyjąowo złożoną sruurę i rzeźbę zaryą przez osady enozoiu. Na powierzchni podmioceńsiej wysępuje pasmo grzbieowe Pawłowic nazywane eż garbem, czy ulminacją. Charaeryzuje się ono sromymi soami silnie rozczłonowanymi przez wciosy. Grzbie Pawłowic jes rozdzielony od srony zachodniej doliną Zofiówi i dolinami wciosowymi Bzia (I V). Złoże węgla opalni Pniówe jes pocięe szeregiem usoów o ierunach południowym i równoleżniowych oraz NW i SE o zrzuach od ilu do ilunasu merów. Usoom ym owarzyszą mniejsze zaburzenia. Sysemy usoowe dzielą złoże na dwa bloi eoniczne, óre sanowią nauralne granice regionów esploaacyjnych. Szczególnie inensywną eonię obserwuje się w rowie eonicznym uworzonym przez usoi Warszowici i Pawłowici I. Złoże węgla opalni Zofiówa, podobnie ja opalni Pniówe, jes również pocięe licznymi usoami o zrzuach od ilu do ooło 5 m. Dominującym ieruniem ich przebiegu jes południowy (N-S), podrzędnym zaś ierune równoleżniowy 18

19 Górnicwo i Środowiso (NWW-SEE). Usoom ym owarzyszą mniejsze o odmiennym ierunu zrzuu, mniejszych ampliudach, częso nieprzeraczających grubości poładu. 2. LOKALIZACJA SILNYCH ZJAWISK GAZOGEODYNAMICZNYCH W KOPALNI PNIÓWEK I ZOFIÓWKA W ŚWIETLE ROZPOZNANIA STRUKTURALNEGO Silny wyrzu meanu i sał w opalni Pniówe nasąpił w czasie drążenia luney rurowej w ierunu pogłębianego szybu II, od poziomu 83 m do poziomu 1 m. W przeroju czoła przoda zalegał poład 45/2 na wysoości 1,2 m od spągu luney rurowej, naomias w sropie poład 44/4+45/1 o miąższości ooło 6 m. Zasięg wyrzuu był ograniczony do długości wydrążonego wyrobisa, czyli 73 m. W czasie wyrzuu wydzieliło się m 3 meanu, a masy powyrzuowe oszacowano na ooło 25 m 3 (Jaubów i inni 23). Silny wyrzu meanu i sał w opalni Zofiówa zaisniał w czasie drążenia chodnia ransporowego D-6 w poładzie 49/4 na poziomie 9 m. Chodni en był drążony w celu przygoowania części poładu do dalszej esploaacji złoża. Do czasu zdarzenia wyonano 113 m chodnia o nachyleniu 5º. W wyniu wyrzuu wydzieliło się m 3 meanu, a masy powyrzuowe oszacowano na ooło 35 m 3 (Sprawozdanie 26). Silne wyrzuy znacznych ilości sał i meanu wysąpiły w głębszym arbonie w opalni Pniówe i Zofiówa w odległości ooło 72 m od sropu arbonu w rejonie grzbieu Pawłowic (rys. 1). Rys. 1. Loalizacja miejsc silnych zjawis gazogeodynamicznych w opalniach Pniówe i Zofiówa na le sziców rzeźby podmioceńsiej Fig. 1. Locaion of places of srong gaseous-dynamical phenomena in "Pniówe" and "Zofiówa" mines on he bacground of drafs of sub-miocene relief 19

20 Mining and Environmen 3. LOKALIZACJA SILNYCH ZJAWISK GAZOGEODYNAMICZNYCH W ŚWIETLE ROZPOZNANIA TEKTONICZNEGO Wyrzu w lunecie rurowej na poziomie 1 m w opalni Pniówe wysąpił w czasie udosępniania poładu 44/4+45/1 w filarze szybu II w blou eonicznym ograniczonym usoami Krzyżanowicim I i Krzyżanowicim II, w rejonie małego usou o zrzucie ocenianym na ooło 1,2 m (rys. 2a). Szyby główne są umiejscowione między dwoma sosunowo dużymi, prawie równoleżniowymi usoami, o przebiegu NW-SE, zrzucającymi w ierunu NE. Uso Krzyżanowici I, o zrzucie od ooło 5 do 2 m, przebiega w odległości ooło 17 m na SW od szybu II, naomias uso Krzyżanowici II, o zrzucie od ooło 8 do 18 m, przebiega w odległości ooło 35 m na NE od szybu II. a) b) Rys. 2. Uproszczony przerój przez miejsca wyrzuów w lunecie rurowej opalni Pniówe (a) oraz w chodniu ransporowym D 6 opalni Zofiówa (b) Fig. 2. Simplified secion hrough he places of ouburss in he secion beween he oule of sowing cone and he landing leg pipe of sowing pipe in "Pniówe" mine (a) as well as in D-6 gae road of "Zofiówa" mine (b) Miejsce wyrzuu w opalni Zofiówa było położone w parii D, w blou eonicznym o wielości 1 1 m, ograniczonym od południa usoiem cenralnym o przebiegu NWW-SEE i zrzucie ooło 1 m na NEE, a od północy szeregiem usoów przeciwsawnych o biegu NWW-SEE i zmiennych zrzuach do ooło 5 m, w rejonie wysępowania jedynie małych usoów (rys. 2b). Od wschodu i zachodu 2

21 Górnicwo i Środowiso blo jes ograniczony usoami o biegu S-N i zrzuach ooło 1 m. W sąsiedzwie wyrzuu jes zloalizowane miejsce zaończenia biegu usou południowego Jasrzębsiego, óry na południu opalni osiąga zrzu ooło 5 m. Powyższe dane wsazują, że silne wyrzuy znacznych ilości sał i meanu w opalniach Pniówe i Zofiówa wysąpiły w obszarze spęań i szczelin owarzyszących małym usoom. Ta bardzo isona zgodność jes zbieżna ze swierdzeniami zawarymi w opracowaniu Bodzionego i innych (1997), a aże pracy Schinohla (23), óry przedsawił wynii Raporu Oręgowego Urzędu Górniczego w Rybniu w sprawie sanu rozpoznania zagrożenia nagłymi wyrzuami gazów i sał. Zgodnie z nimi zdarzenia wyrzuowe mają miejsce w srefach usoowych wysępujących przed przodiem wyrobis. Praycznie nie dochodzi do wyrzuów w caliźnie niezaburzonej. Dodaowo opisana wyżej analiza eonii zwraca uwagę, że wysąpiły one w srefach zaończenia biegu usoów. Są o usoi rudno wyrywalne ze względu na ich ograniczony zasięg i bra onynuacji w poładach leżących niżej lub wyżej. Biorąc powyższe pod uwagę, eoniczne pułapi wysępujące w spęanych, zeszczelinowanych srefach w sąsiedzwie małych usoów, w szczególności w srefach zaończenia ich biegu, należy uznać za miejsca gromadzenia się gazów. Nagłe odsłonięcie usou lub srefy przyusoowej powoduje zapocząowanie wyrzuu. Efe wyrzuów był bardzo inensywny w uworach głębszego arbonu, na głęboości ooło 72 m od sropu arbonu w rejonie grzbieu Pawłowic. 4. LOKALIZACJA SILNYCH ZJAWISK GAZOGEODYNAMICZNYCH W ŚWIETLE ROZPOZNANIA TEMPERATUROWEGO NA PODSTAWIE BADAŃ GENETYCZNYCH WÓD Badania wód na poziomie 1 m w opalni Pniówe i na poziomie 9 m w opalni Zofiówa w rejonie grzbieu Pawłowic, wyazały dopływy o odmiennych, niespoanych doąd w Górnośląsim Zagłębiu Węglowym, warościach sładu izoopowego wodoru i lenu (Plua, Zuber 1995; Plua 25). Szczegółowa analiza ich pochodzenia wsazuje, że są o najprawdopodobniej wody wysępujące generalnie w uworach arbonu, pochodzące z opadów w oresie dolnego permu (czerwonego spągowca) (Pałys 1971), órych sład izoopowy i chemiczny zosał przeszałcony wsue podwyższonej emperaury. Obecność ych wód wsazuje, że po oresie arbonu na głęboości ooło 72 m od sropu w rejonie grzbieu Pawłowic wysępowała emperaura, óra osiągała, ja należy przypuszczać, ponad 1ºC. W ych warunach było możliwe nagromadzenie dużych ilości gazów (głównie meanu). PODSUMOWANIE I WNIOSKI Silne wyrzuy gazów i sał zaisniały w opalniach Pniówe i Zofiówa w uworach arbonu na głęboości ooło 72 m od sropu w zasięgu grzbieu Pawłowic. W rejonach ych swierdzono dopływ najsarszych wód wysępujących 21

22 Mining and Environmen w uworach arbonu na całym obszarze Górnośląsiego Zagłębia Węglowego, a pochodzących najprawdopodobniej z opadów w oresie dolnego permu (czerwonego spągowca), órych sład izoopowy zosał przeszałcony wsue wysoiej emperaury. Proces en, óry przebiegał po oresie arbonu był, ja należy przypuszczać, źródłem aumulacji dużych ilości gazów. Silne zjawisa gazogeodynamiczne wysąpiły w obszarach spęań i szczelin owarzyszących małym usoom w srefach zaończenia ich biegu. Są o usoi rudno wyrywalne ze względu na ich ograniczony zasięg i bra onynuacji w poładach leżących niżej lub wyżej. W celu zdiagnozowania miejsc zachowania eonicznych pułape gazowych jes wsazane poszuiwanie, meodami analizy sruuralnej, sref gęsej sieci szczelin wysępujących między innymi w rejonach zaniu usoów oraz rozpoznanie obszarów wysoich paleoemperaur, między innymi na podsawie badań geneycznych wód. Lieraura 1. Bodziony J. i inni (1997): Analiza i ocena zagrożenia wyrzuami meanu i sał oraz sosowanych meod profilayi w opalniach Jasrzębsiej Spółi Węglowej. Doumenacja. Kraów, AGH. 2. Jaubów A., Tor A., Tobiczy S. (23): Wyrzu meanu i sał w drążonej lunecie rurowej do szybu II na poziomie 1 m w KWK Pniówe ooliczności, przyczyny i sui. Biblioea Szoły Esploaacji Podziemnej nr 25. Kraów, IGSMiE PAN. 3. Kozłowsi B. (1991): Kszałowanie się zagrożeń gazogeodynamicznych z głęboością prowadzenia robó górniczych. Wiadomości Górnicze nr 9, s Olajossy A. (1993): Zagrożenie wyrzuami gazów i sał jego ocena oraz aywne meody zwalczania. Kraów, Wydaw. AGH. 5. Pałys J. (1971): Pochodzenie słonych wód w arbonie ważniejszych zagłębi węglowych Europy na le ich geologicznego rozwoju. Prace Insyuu Geologicznego T Plua I., Zuber A. (1995): Origin of brines in he Upper Silesian Coal Basin (Poland) inferred from sable isoope and chemical daa. Applied Geochemisry Vol. 1, s Plua I. (25): Wody opalń Górnośląsiego Zagłębia Węglowego geneza, zanieczyszczenia i meody oczyszczania. Prace Nauowe GIG nr Rozporządzenie Minisra Gospodari z dnia 29 czerwca 22 rou w sprawie bezpieczeńswa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalisycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych załadach górniczych (Dz.U. Nr 139, poz. 1169). 9. Schinohl J. (23): Wyrzuy meanu i sał w opalni Pniówe. Wiadomości Górnicze nr 12 s Sprawozdanie Komisji powołanej dla zbadania przyczyn i ooliczności wyrzuu meanu i sał oraz wypadu zbiorowego, zaisniałego w dniu 22 lisopada 25 rou w Jasrzębsiej Spółce Węglowej S.A. Kopalni Węgla Kamiennego Zofiówa w Jasrzębiu Zdroju, luy 26 (maeriały niepubliowane). 11. Tarnowsi J. (1983): San naprężenia i przepuszczalności węgla dla gazu w poładzie przed czołem wyrobis w warunach poładów zagrożonych wyrzuami węgla i gazu. Przegląd Górniczy nr 5, s Recenzen: dr Bronisław Kajewsi 22

23 PRACE NAUKOWE GIG GÓRNICTWO I ŚRODOWISKO RESEARCH REPORTS MINING AND ENVIRONMENT Kwaralni Quarerly 4/26 Mare Roegel POMIARY UBYTKU KOROZYJNEGO OBUDOWY WYROBISK KORYTARZOWYCH Sreszczenie Korozja jes powszechnym bardzo nieorzysnym zjawisiem, doyczącym wielu dziedzin życia codziennego, aże obudowy wyrobis górniczych. Zaczyna się na powierzchni i sopniowo przenia do warsw głębszych. Rozpoczęy niezahamowany proces orozji prowadzi do całowiego zniszczenia mealowych elemenów onsrucji. Sray spowodowane zniszczeniami orozyjnymi są olbrzymie. Sray eonomiczne dzieli się na bezpośrednie i pośrednie. Do sra bezpośrednich zalicza się oszy wymiany zniszczonych urządzeń oraz onieczność użycia maeriałów bardziej odpornych na orozję. Sray pośrednie są związane z wyłączaniem urządzeń z ruchu (aże wyrobis górniczych) oraz zmniejszaniem bezpieczeńswa pracy (Basziewicz, Kamińsi 1997; Wranglen 1985). Niejednoronie przewyższają one sray bezpośrednie. W aryule przedsawiono wynii badań ubyu orozyjnego odrzwi, ze szczególnym uwzględnieniem sposobu przygoowania badanych elemenów, wyonanych in siu. Measuremens of corrosive loss of dog headings suppor Absrac Corrosion is unfavourable general phenomenon, affecing many ordinary areas of life, including suppor of mining excavaions. I sars on a surface and gradually peneraes o deeper layers. Once sared no rearded process of corrosion leads o oal desrucion of meal consrucional elemens. Losses caused by corrosive desrucion are giganic. Economic losses may be divided on direc and indirec ones. To he direc losses encouner coss of exchange of worn ou devices as well as necessiy of use of more resisan o corrosion maerials. Indirec losses are associaed wih shuing down devices (and also mining excavaions) as well as lowering of wor safey (Basziewicz, Kamińsi 1997; Wranglen 1985). In many cases hey surpass he direc losses. In he paper, resuls of conduced in siu ess of corrosive decrease of frames were presened, wih paricular consideraion of he way of preparaion of esed elemens. WPROWADZENIE Spełnianie podsawowych zadań obudowy jes ściśle związane z paramerami wyrzymałościowymi i jes możliwe dopói nośność obudowy jes więsza od działającego na nią obciążenia. Znając paramery nośnościowe odrzwi i warości spodziewanych obciążeń można zaprojeować obudowę spełniającą powyższy warune. Jedna wielości e nie zawsze są sałe w czasie. Doyczy o szczególnie obudowy salowej, órej podporność zależy od wielu czynniów, aich ja: szał (aże san jej deformacji), własności wyrzymałościowe zasosowanych maeriałów, poprawność zabudowy w wyrobisu oraz paramery przerojowe zasosowanego profilu. Paramery e mogą się w isony sposób zmieniać na sue orozji. Syuację aą zobrazowano na rysunu 1 (Roegel, Kowalsi 23). 23

24 (4) (5) uszodzenie obudowy (6) F, N Mining and Environmen nośność nominalna odrzwi (1) obciążenie odrzwi (2) rzeczywisa nośność odrzwi (3) Rys. 1. Zmiany paramerów w uładzie obudowa górowór: czas, F obciążenie, N nośność Fig. 1. Change of parameers in he suppor-rocmass sysem: ime, F load, N load-bearing capaciy, 1 nominal load-bearing capaciy of a frame, 2 load of a frame, 3 rue load-bearing of a frame, 4 safey coefficien, 5 rue safey coefficien, 6 damage of suppor Doładne oreślenie przebiegu przedsawionych na rysunu rzywych jes rudne lub wręcz niewyonalne. Konieczne jes zaem moniorowanie uładu obudowa górowór a, aby możliwe było uninięcie sanów awaryjnych niesaecznych (zbliżenie się warości nośności obudowy do warości obciążeń na nią działających), odpowiadających współczynniowi bezpieczeńswa blisiego warości 1. Powierdzeniem onieczności moniorowania sanu obudowy i badania zjawisa orozji mogą być osanie zawały zaisniałe w wyrobisach chodniowych opalń Krupińsi, Byom III i Pias, spowodowane właśnie przez orozję. Oreślenie sanu sorodowania obudowy ma znaczenie nie ylo ze względu na bezpieczeńswo załóg górniczych, ale aże aspe eonomiczny. Właściwe oszacowanie sanu sorodowania obudowy i uwzględnienie w obliczeniach wyrzymałości odrzwi oraz prowadzenie obserwacji i prognozowanie dalszego przebiegu orozji pozwalają na zawalifiowanie obudowy do dalszej pracy lub do wzmocnienia, a w osaeczności do przebudowy. Posępowanie aie pozwala na unianie syuacji awaryjnych spowodowanych nadmiernym sopniem sorodowania poszczególnych elemenów. 1. METODY POMIARU UBYTKU KOROZYJNEGO Oreślenie sopnia sorodowania, a właściwie grubości pozosałego, niesorodowanego maeriału elemenu obudowy niezabudowanego w wyrobisu nie nasręcza żadnych problemów. Pomiary aie wyonywane są sporadycznie, jedynie w przypadu elemenów obudowy regenerowanej lub przez dłuższy czas sładowanej w magazynach. Problemem jes naomias pomiar grubości elemenów obudowy zabudowanych w wyrobisu. Znane są dwie podsawowe grupy meod doonywania aich pomiarów meody bezpośrednie pomiaru grubości oraz meody pośrednie. Praycznie we wszysich ych meodach onieczne jes całowie usunięcie produów orozji w miejscu doonywania pomiarów. 24

25 1.1. Meody pomiaru bezpośredniego Górnicwo i Środowiso Bezpośrednie pomiary sopnia sorodowania polegają na pomiarze grubości elemenu obudowy, na przyład ściani szałownia za pomocą ypowych narzędzi i przyrządów pomiarowych. W nieórych przypadach muszą być one nieco zmodyfiowane. Mimo, że badania e są prose, o mogą przysparzać znacznych rudności. Wyniają one z onieczności zapewnienia wysarczającego dosępu do wnęrza profilu KS/KO lub V, umożliwiającego zarówno oczyszczenie wewnęrznych powierzchni, ja i wprowadzenie narzędzi lub przyrządów pomiarowych. Kolejnym urudnieniem jes właściwe oczyszczenie mierzonych powierzchni, szczególnie wewnęrznych. Tylo wedy można mieć pewność, że grubość warswy produów orozji nie jes uwzględniana w pomiarach. Do bezpośredniego pomiaru grubości ściani profilu przydany może być miromer z ulisymi powierzchniami pomiarowymi (ypu MMZe) o zaresie pomiarowym 25 mm (Cieanowsi 1989; Czerwińsi W., Czerwińsi J. 1989) lub więszym, z dodaowymi władami dysansowymi. W nieórych miromierzach może być onieczne wyonanie dodaowego wyprofilowania abłąa, co nie wpływa isonie na wymaganą doładność pomiaru. Sposób ewenualnego wyprofilowania abłąa przedsawiono schemaycznie na rysunu 2. Rys. 2. Miromer z zaznaczonymi miejscami ewenualnego wyprofilowania abłąa Fig. 2. Micromeer wih mared spos of possible bow profiling W celu zwięszenia wygody i szybości doonywania pomiarów bezpośredniej grubości ściani możliwe jes zasosowanie suwmiari. Z uwagi na znacznie ograniczoną przesrzeń wygodniejsza jes suwmiara jednosronna ypu MAJ. Konieczne jes wyposażenie jej w specjalne owadeła lub władi dysansowe, umożliwiające doonanie pomiaru pod ołnierzem szałownia. Powinny być one rwale połączone ze szczęami, a nasępnie zeszlifowane. W celu uławienia odczyu i uninięcia błędów, przy odejmowaniu długości włade dysansowych, celowe jes zeszlifowanie zmodyfiowanych szczę, nadając suwmiarce przy zsunięciu wymiar 5 lub 1 mm (rys. 3). Inną prosą meodą szacowania sanu sorodowania obudowy może być zasosowanie dla ażdego szałownia specjalnych paieów szablonów. Pomijając onieczność wyonania aich szablonów, pomiar na wewnęrznych powierzchniach szałownia może oazać się urudniony. 25

26 Mining and Environmen Rys. 3. Suwmiara jednosronna ze zmodyfiowanymi szczęami Fig. 3. One-side slide caliper wih modified jaws Ja wspomniano, meody bezpośredniego pomiaru grubości ściani szałownia zabudowanych odrzwi nie wymagają sosowania specjalisycznych narzędzi i przyrządów pomiarowych. Jedna ich sosowanie na więszą salę jes uciążliwe z powodu rudności w zapewnieniu dosępu do mierzonego obieu ściani szałownia. Wyniiem ego są pomiary obarczone dużą niepewnością. Zasosowanie ych meod na szerszą salę jes możliwe jedynie w przypadu znacznych odcinów obudowy z szałowniów odwronie gięych Meody pomiaru pośredniego Wśród pośrednich meod pomiaru sopnia sorodowania szałownia (grubości ściani) należy wymienić przede wszysim meodę radiologiczną oraz ulradźwięową. Jedna z uwagi na znaczną liczbę pomiarów oraz rudności z zabezpieczeniem załóg przed szodliwym promieniowaniem prayczne zasosowanie może mieć jedynie meoda ulradźwięowa (Lewińsa-Romica 21; Śliwińsi 21) z wyorzysaniem grubościomierzy. Przyrząd ai, wyorzysywany w badaniach, przedsawiono na foografii 1. Fo. 1. Grubościomierz ulradźwięowy Pho. 1. Ulrasonic hicness gauge 26

27 Górnicwo i Środowiso Ulradźwięowe pomiary grubości obieów są powszechnie wyonywane w czasie prowadzenia procesów echnologicznych i podczas esploaacji urządzeń, głównie ze względu na onieczność uwzględniania ubyów orozyjnych. W pomiarach aich jes wymagany jednosronny dosęp do mierzonych elemenów. Pomiary grubości elemenów z użyciem głowic z przeworniami piezoelerycznymi prowadzi się impulsową meodą echa (Lewińsa-Romica 21; Śliwińsi 21). Zasada pomiaru polega na pomiarze czasu przejścia podłużnej fali ulradźwięowej przez badany elemen obieu. Grubość elemenu jes obliczana z zależności c L ( g ) (1) 2 gdzie: g grubość obieu, c L prędość podłużnej fali ulradźwięowej w maeriale obieu, czas przejścia podłużnej fali ulradźwięowej, sładni orecyjny, umożliwiający uwzględnienie opóźnienia fali w warswie ochronnej głowicy. Ta meoda pomiarowa zosała pozyywnie zweryfiowana w wielu pracach nauowo-badawczych i wydaje się być najefeywniejszą. 3. METODYKA POMIARÓW I OBRÓBKA DANYCH W celu prawidłowej oceny sanu sorodowania obudowy onieczne jes oreślenie meodyi doonywania pomiarów, naomias sposób pomiaru jes uzależniony od przyjęej meody i użyych przyrządów lub narzędzi. Generalnie pomiary ubyu orozyjnego są wyonywane w miejscach najbardziej sorodowanych. Odsępswem może być sorodowanie przyspągowych ońcówe łuów ociosowych. W przypadu równomiernego sopnia sorodowania całych odrzwi pomiary grubości wyonuje się w miejscu reprezenaywnym dla odrzwi. Należy mieć aże na uwadze fa, że przy szczelnej wyładce najwięsze naprężenia wysępują w luczu odrzwi, a przy luźnej, aże w połowie długości łuu ociosowego. W miejscach pomiarów, w zależności od zasosowanej meody badań, jes onieczne odpowiednie przygoowanie elemenów odrzwi. Pomiary są wyonywane wieloronie, w ażdym miejscu na jednej linii (w idenycznej odległości od dna szałownia), ja poazano na rysunu 4. W przypadu pomiaru grubości szałownia na jego dnie pun pomiarowy jes zloalizowany w połowie szeroości profilu dna. Uzysane wynii grubości uśrednia się i odnosi do zarysu nominalnego szałownia. Na ej podsawie uzysuje się ubye orozyjny. Na rysunu 5 przedsawiono przyładowy zarys szałownia V z naniesionymi grubościami nominalnymi mierzonymi w różnych miejscach. 27

28 Mining and Environmen (1) (2) (3) Rys. 4. Puny pomiarowe w danym miejscu pomiarowym Fig. 4. The measuring poins for a given measuring spo: 1 measuring poin, 2 spo of he measuremen, 3 generaing line of profile Rys. 5. Grubości ściani szałownia V29 Fig. 5. Wall hicness of V29 profile 3.1. Przygoowanie elemenów do pomiaru Z założeń meody wynia wiele wymagań, jaie muszą być spełnione podczas wyonywania badań szałowniów. Doyczy o przede wszysim odpowiedniego przygoowania ich powierzchni. W miejscu pomiaru szałowni musi być oczyszczony z warswy produów orozji, ja poazano na foografiach 2 i 3. Konieczne jes uzysanie czysej powierzchni mealicznej. Przygoowana powierzchnia powinna być na yle duża, aby było możliwe doonanie ilu pomiarów, wzdłuż worzącej szałownia. 28

29 Górnicwo i Środowiso Fo. 2. Powierzchnia szałownia V przygoowywana do pomiaru grubości ściani (fo. M. Roegel) Pho. 2. Surface of V-secion prepared for measuremen of wall hicness (pho. by M. Roegel) Fo. 3. Powierzchnia szałownia V przygoowana do pomiaru grubości ściani (fo. M. Roegel) Pho. 3. Surface of V-secion prepared for measuremen of wall hicness (pho. by M. Roegel) Przed wyonaniem pomiaru onieczne jes wyreślenie linii pomiarowej na odpowiedniej wysoości szałownia oraz naniesienie subsancji pozwalającej na ausyczne sprzężenie badanego obieu z głowicą grubościomierza a, aby na powierzchni badanego elemenu nie nasępowało odbicie fali. Subsancją ą może być wazelina echniczna, smar, a aże woda. Na foografii 4 przedsawiono przygoowywanie miejsc pomiaru, naomias na foografii 5 właściwy pomiar grubości szałownia. W czasie badań należy a przyładać głowicę pomiarową, aby mieć pewność, że jes mierzona najrósza droga fali dźwięowej. Szczególnie doyczy o pomiarów grubości doonywanych na dnie szałownia V. Przyład właściwie i niewłaściwie wyonywanego pomiaru przedsawiono na foografii 6. 29

30 Mining and Environmen Fo. 4. Wyreślenie linii pomiarowej i naniesienie subsancji (fo. M. Roegel) Pho. 4. Ploing of measuring line and subsance spreading (pho. by M. Roegel) Fo. 5. Pomiar grubości ściani szałownia V meodą pośrednią (fo. M. Roegel) Pho. 5. Measuremen of V-secion wall hicness wih he indirec mehod (pho. by M. Roegel) Fo. 6. Właściwy (z lewej) i niewłaściwy (z prawej) pomiar grubości ściani Pho. 6. The proper one (on he lef-hand side) and improper (on he righ-hand side) measuremen of wall hicness 3

31 Górnicwo i Środowiso 3.2. Program ompuerowy wspomagający proces pomiarowy W celu usprawnienia obróbi danych zosał opracowany alulaor program ompuerowy napisany w języu programowania Delphi. Program, po wprowadzeniu uzysanych danych, auomaycznie oblicza średnią z pomiarów grubości szałownia i odnosi ją do grubości nominalnej. Zaprogramowano nominalne grubości wszysich szałowniów V. Na podsawie obliczonego ubyu orozyjnego jes wyliczany wsaźni plasycznego zginania sorodowanego szałownia, a dalej procenowo nośność odrzwi. Dane można zapisać na dysu lub wydruować, uzysując rapor z badań. Na rysunu 6 przedsawiono ono alulaora orozji. loalizacja wyrobisa ono omenarza wybór profilu i miejsca pomiaru wynii pomiarów operacje wyjścia wynii obliczeń Rys. 6. Ono alulaora orozji programu ompuerowego Fig. 6. Window of corrosion calculaor - compuer program Przed przysąpieniem do wprowadzania wyniów pomiarów do ompuera wypełnia się pola edycyjne oreślające loalizację wyrobisa. Nasępnie wybiera się wielość szałownia oraz miejsce doonywania pomiarów (rama Profil i miejsce pomiaru). Po doonaniu odpowiednich usawień i zawierdzeniu ich przycisiem Zawierdź zosaje uaywniona rama z wyniami pomiarów Pomiary. Wyświelana jes w niej między innymi nominalna grubość szałownia w zadanym miejscu pomiarowym. Po ych czynnościach przysępuje się do wypełniania pól edycyjnych danymi z pomiarów dołowych. Po ich wprowadzeniu i przyciśnięciu przycisu Przelicz w ramce Wynii jes podawana uśredniona grubość oraz ubye orozyjny, na podsawie órego zosaje oreślona, w procenach, nośność odrzwi. Wynii analiz można wydruować lub zapisać na dysu za pomocą przycisów odpowiednio DRUKUJ i ZAPISZ. Powró do nasawy miejsca pomiarowego nasępuje po naciśnięciu przycisu Wymaż w ramce Pomiary. 31

32 Mining and Environmen PODSUMOWANIE San echniczny obudowy, zwłaszcza sopień jej sorodowania, isonie wpływa na paramery wyrzymałościowe elemenów odrzwi, a przez o na ich nośność. Wynia z ego onieczność przeprowadzania oresowych onroli sanu sorodowania obudowy w celu zapobiegania sanom awaryjnym i związanym z nimi niebezpieczeńswem wysąpienia zawałów. Specyfia miejsca prowadzenia badań orozyjności obudowy wymusza opracowanie efeywnych meod oraz sosowanie właściwych przyrządów pomiarowych. Najbardziej przydanym jes grubościomierz ulradźwięowy. Powierdzają o liczne badania przeprowadzone między innymi w: ZG Byom III (Pruse i inni 24), Lubelsi Węgiel Bogdana ; w opalniach: Marcel, Murci, Wuje, Śląs i Wesoła. Lieraura 1. Basziewicz J., Kamińsi M. (1997): Podsawy orozji maeriałów. Warszawa, Oficyna Wydawnicza Poliechnii Warszawsiej. 2. Cieanowsi B. (1989): Poradni ślusarza narzędziowego wzorcarza. Warszawa, WNT. 3. Czerwińsi W., Czerwińsi J. (1989): Poradni ślusarza. Warszawa, WNT. 4. Lewińsa-Romica A. (21): Badania nieniszczące. Podsawy defeosopii. Warszawa, WNT. 5. Pruse S., Roegel M., Sołosa J., Malesza A. (24): Ocena sopnia sorodowania odrzwi obudowy chodniowej na przyładzie ZG Byom III. Bezpieczeńswo Pracy i Ochrona Środowisa w Górnicwie nr Roegel M., Kowalsi E. (23): Wpływ sopnia sorodowania elemenów odrzwi na nośność obudowy. Prace Nauowe GIG. Seria Konferencje Nr Śliwińsi A. (21): Ulradźwięi i ich zasosowania. Warszawa, WNT. 8. Wranglen G. (1985): Podsawy orozji i ochrony meali. Warszawa, WNT. Recenzen: prof. dr hab. inż. Kazimierz Ruła 32

33 PRACE NAUKOWE GIG GÓRNICTWO I ŚRODOWISKO RESEARCH REPORTS MINING AND ENVIRONMENT Kwaralni Quarerly 4/26 Jan Wachowicz, Klaudiusz Wypior ANALIZA TERMICZNA MIESZANEK GUMOWYCH STOSOWANYCH DO WYROBU TAŚM PRZENOŚNIKOWYCH DLA GÓRNICTWA Sreszczenie W aryule przedsawiono analizę ermiczną próbe gumy wyonanych z auczuów: buadienowo- -syrenowego, nirylowego i chloroprenowego. Analiza obejmowała badania derywaograficzne i różnicowej alorymerii saningowej w amosferze lenu oraz azou. Na podsawie uzysanych wyniów opisano poszczególne eapy rozładu ermicznego próbe podczas ich ogrzewania. Swierdzono, że przebieg rzywych derywaograficznych zależy od rodzaju auczuu zasosowanego do sporządzania gumy i zawarości związów chemicznych sanowiących środi uniepalniające. Guma wyonana na bazie auczuu syrenowo-buadienowego (próba A), nie zawierała w swym sładzie dodaów uniepalniających i charaeryzowała się nisoenergeycznym, począowym eapem rozładu ermicznego, naomias olejne eapy wiązały się z wydzieleniem dużej ilości ciepła. Pozosałe próbi charaeryzowały się wyraźnym egzoermicznym charaerem pierwszego eapu rozładu ermicznego, naomias drugi eap był zwyle nisoenergeyczny, na co niewąpliwie miały wpływ dodai uniepalniające. W rzecim eapie rozładu, działanie dodaów uniepalniających było już znacznie osłabione, sąd wyraźnie egzoermiczny charaer ego eapu. Dodae subsancji uniepalniających do auczuu, óry bez ich zasosowania może ławo ulegać zapaleniu, spowodował obniżenie energii cieplnej wydzielanej w drugim eapie rozładu ermicznego. Zaobserwowano również znaczne poszerzenia zaresu emperaury, w órej zachodził rozład badanych próbe. Była o emperaura blisa 9 C. Podobne wniosi można wyciągnąć, analizując wynii badań wyonanych echnią DSC. Reasumując należy swierdzić, że w przypadu badanych maeriałów swierdzono wyraźny wpływ sładu chemicznego gum (głównie dodaów uniepalniających) na przebieg rozładu ermicznego. Dodai e powodują zmniejszenie szybości rozładu ermicznego. Ponado wzros zawarości dodaów uniepalniających powoduje podwyższenie emperaury, w órej próba rozłada się całowicie. Thermal analysis of rubber mixures used in conveyor bels manufacured for mining Absrac In he paper, hermal analysis was presened of rubber samples made on a basis of rubbers: buadienesyrene, niryle and chloroprene. Analysis included derivaographic ess and differenial scanning calorimery in amosphere of oxygen and nirogen. On he basis of obained resuls, individual sages were described of hermal decomposiion of esed samples during heir heaing. On he basis of obained for he rubber hermal decomposiion resuls analysis, i was confirmed, ha a course of derivaographic curves depends on a ind of caouchouc used for preparing he rubber and on a conen of chemical compounds used as flameproofing agens. Rubber obained on he base of syrenebuadiene rubber (sample A) does no conain flameproofing addiives in is composiion and i characerises wih low-energeic, iniial sage of hermal decomposiion, however he nex sages are associaed wih emission of large quaniy of hea. Remaining samples are characerised by clear 33

34 Mining and Environmen exohermic characer of firs sage of hermal decomposiion, however second sage is usually low energeic, wha is undoubedly influenced by flameproofing addiives incoming ino heir composiion. Ye, in hird sage of decomposiion, an aciviy of flameproofing addiives is weaened considerably, and his resuls in clearly exohermic characer of his sage. On he basis of conduced ess, i can be saed ha addiion of flameproofing subsances o rubber, which may easily undergo inflammaion wihou use of hem, caused lowering of hermal energy released in he second sage of hermal decomposiion. Considerable exensions of range of emperaures were observed also for which decomposiion of esed samples had aen place. In his case, i was he emperaure close o 9 C. Similar conclusions may be wihdrawn when analysing resuls of ess conduced wih DSC echnique. Recapiulaing, one should sae ha in he case of esed maerials clear influence of chemical composiion of resins was confirmed (mainly flameproofing addiives) ono a course of hermal decomposiion. These addiives cause decreasing of he hermal decomposiion rae. Moreover, increase of conen of flameproofing addiives causes rise of emperaure in which he sample decomposes enirely. WPROWADZENIE Tworzywa szuczne sosowane pod ziemią opalń muszą spełniać zarówno waruni rudnopalności, ja i elerosayczności. Wydzielające się podczas ich rozładu ermicznego produy powinny zawierać możliwie niewielą ilość sładniów osycznych. Aby powyższe waruni zosały spełnione, worzywa e należy modyfiować przez wprowadzenie odpowiednich dodaów. Modyfiacja sładu chemicznego worzyw nie powinna jedna powodować pogarszania ich właściwości użyowych i w znaczący sposób wpływać na wzros ceny. Prawie wszysie worzywa szuczne są palne. Więszość z nich w ławy sposób zapala się i pali po usunięciu płomienia zapalającego. Należą do nich między innymi: poliolefiny, poliaceale, poliwinyloaceale, poliamidy, poliureany i inne. Nieóre polimery wyazują właściwości samogaśnięcia po usunięcia płomienia zapalającego. Są o między innymi wardy polichlore winylu, poliwęglany, czy eż żywice eposydowe. Najmniejszą grupę sanowią worzywa rudnopalne, zawierające polimery fluorowe, fenoplasy czy siliony. Pojęcie rudnopalności nie oreśla w sposób jednoznaczny właściwości worzywa. Ocena rudnopalności jes doonywana na podsawie pomiarów wyonywanych różnymi, częso jedna nieporównywalnymi meodami badawczymi. Należy podreślić, że praycznie wszysie worzywa organiczne można spalić w emperaurze powyżej 75 C. Zasadnicza różnica pod względem właściwości palnych worzyw szucznych polega na ich podaności na zapłon i szybości gaśnięcia po usunięciu płomienia zapalającego (Szlezyngier 1998). Jedną z najczęściej sosowanych pod ziemią grup maeriałów polimerowych są elasomery. Najpopularniejszy z nich o guma, chociaż w niewielich ilościach są sosowane również siliony, poliureany i inne worzywa. W niniejszym aryule zosały przedsawione wynii badań wybranych rodzajów gumy, gdyż jej udział w wyposażeniu opalni jes znaczny. Doyczy o przede wszysim aśm przenośniowych, óre nie ylo są sosowane w podziemiach opalń w znacznych ilościach, lecz sanowią jeden z najmniej rwałych elemenów 34

35 Górnicwo i Środowiso przenośnia aśmowego, podany na zużycie i swarzający poencjalne zagrożenie pożarowe oraz będący źródłem wydzielania osycznych produów rozładu ermoosydacyjnego (Anonia 24; Gładysiewicz 23). Ulegają one najszybszemu zużyciu na sue onau z ransporowanym urobiem, onau z innymi elemenami przenośnia aśmowego oraz z powodu zmiennych obciążeń i naprężeń. Budowę aśmy przenośniowej najogólniej można sprowadzić do czerech elemenów, zaznaczonych na rysunu 1. Są o: rdzeń, ołada nośna i bieżna oraz obrzeża. Maeriałami sanowiącymi wypełnienie sruury rdzenia aśmy oraz służącymi do producji ołade i obrzeży są: guma i/lub polichlore winylu (Hardygóra i inni 1999). Rys. 1. Budowa wewnęrzna aśmy przenośniowej: 1 rdzeń, 2 ołada nośna, 3 ołada bieżna, 4 obrzeże (Hardygóra i inni 1999) Fig. 1. Inernal layou of conveyor bels: 1 core, 2 bearing cover, 3 running cover, 4 edge (Hardygóra i inni 1999) 1. PRZEDMIOT BADAŃ Maeriały, óre były przedmioem badań sanowiły, specjalnie wyonane do ego celu w Fabryce Taśm Transporerowych Somil Wolbrom S.A., mieszani orzymane z zasosowaniem rzech powszechnie wyorzysywanych w producji aśm przenośniowych auczuów: auczuu syrenowo-buadienowego próba A, auczuu nirylowego próbi B, auczuu chloroprenowego i buadienowego próbi C. Do mieszane ych wprowadzono subsancje działające jao środi uniepalniające, w ilościach odpowiednio wzrasających, olejno dla próbe oznaczanych liczbami 1, 2 i 3. Szczegółowe dane o sładzie chemicznym próbe zesawiono w ablicach 1 3. Do mieszani wyonanej na bazie auczuu syrenowo-buadienowego nie dodano uniepalniaczy. Mieszani ego rodzaju sosuje się zwyle do producji zwyłych aśm przenośniowych. 35

36 Mining and Environmen Tablica 1. Sład chemiczny próbe ypu A dane producena SKŁADNIKI MIESZANKI Próba A Kauczu br 1 Kauczu sbr 9, Zmięczacz 2, Anyozonan 1,5 Kwas searynowy 2, Tlene cynu 4, Sadza aywna 7, Środe przeciwsarzeniowy 1 1, Środe przeciwsarzeniowy 2 1, Siara 1,6 CBS 1,5 TMTD,1 RAZEM (jednose masy) 22,7 Tablica 2. Sład chemiczny próbe ypu B dane producena SKŁADNIKI MIESZANKI Próba B1 Próba B2 Próba B3 Kauczu NBR 1, 1, 1, Zmięczacz 12, 12, 12, Kwas searynowy 1, 1, 1, Tlene cynu 5, 5, 5, Sadza aywna 36, 36, 36, Boran cynu 5, 1, 15, Trójlene anymonu 5, 1, 15, Wodorolene glinu 5, 1, 15, Tlene decabromodwufenylu 4, 8, 12, Chloroparafina 7% 9, 18, 27, Roplas FN-1 5, 1, 15, PCV 45, 45, 45, Środe przeciwsarzeniowy 1 1, 1, 1, Środe przeciwsarzeniowy 2 1,5 1,5 1,5 siara 1,6 1,6 1,6 CBS 1,8 1,8 1,8 TMTD,6,6,6 RAZEM (jednose masy) 238,5 271,5 34,5 Tablica 3. Sład chemiczny próbe ypu B dane producena SKŁADNIKI MIESZANKI Próba C1 Próba C2 Próba C3 Kauczu CR 9, 9, 9, Kauczu BR 1, 1, 1, Kwas searynowy 1,5 1,5 1,5 Tlene cynu 4, 4, 4, Sadza aywna 36, 36, 36, Tlene magnezu 4, 4, 4, Boran cynu 2,25 4,5 9, Trójlene anymonu 2,25 4,5 9, Wodorolene glinu 4,5 9 18, Tlene decabromodwufenylu 2,25 4,5 9, Chloroparafina 7% , Środe przeciwsarzeniowy 1 1, 1, 1, Środe przeciwsarzeniowy 2 1, 1, 1, Siara,8,8,8 CBS 1,3 1,3 1,3 TMTD,1,1,1 RAZEM (jednose masy) 166,95 184,2 218,7 36

37 Górnicwo i Środowiso 2. ANALIZA TERMICZNA Analiza ermiczna mieszane gumowych zosała wyonana z wyorzysaniem ermograwimerii i różnicowej alorymerii saningowej. Technia zwana ermograwimerią polega na pomiarze masy próbi w oreślonej emperaurze. Zazwyczaj jes o ogrzewanie badanej próbi w onrolowanej amosferze, przy sałym przyroście emperaury. Wynii pomiarów są ilusrowane wyresem zwanym ermogramem, óry przedsawia zależność masy próbi od emperaury, czyli sygnał TG oraz jej pierwszej pochodnej, czyli DTG (Rudni, Dobowsi, Winiarsa 1997). Termograwimeria może być sosowana do badań analiycznych wszeliego rodzaju subsancji, óre wyazują zmiany masy podczas ogrzewania, w wyniu reacji chemicznych (rozładu, uleniania albo reducji) i przemian fizycznych (parowania, sublimacji, desorpcji). Więszość ermograwimerów umożliwia uzysiwanie wyniów aże w posaci pierwszej pochodnej TG (DTG) oraz możliwe jes wyonywanie pomiarów meodą różnicowej analizy ermicznej (DTA differenial hermal analysis). Termograwimeria pozwala na oreślenie sabilności ermicznej badanej subsancji, może być również wyorzysywana w badaniach idenyfiacyjnych lub porównawczych (Williams, Besler 1995). DTA umożliwia badanie efeów cieplnych owarzyszących procesom zachodzącym podczas ogrzewania badanej subsancji. Polega ona na pomiarach różnicy emperaury próbe subsancji badanej i subsancji wzorcowej podczas ich onrolowanego ogrzewania. W związu z ym, że subsancja wzorcowa nie podlega przemianom (órym owarzyszą efey cieplne), mierzona różnica emperaur zależy od szybości pochłaniania lub wydzielania ciepła przez próbę badanej subsancji (Celina i inni 1998) Badania derywaograficzne Badania były wyonywane przy użyciu dwóch derywaografów: ypu MOM OD 12 oraz ypu Q 15 D, producji węgiersiej, w amosferze powierza i azou. Przebiegi rzywych DTA, DTG i TG zarejesrowane w amosferze powierza uzysane za pomocą derywaografu ypu MOM OD 12 przedsawiono na rysunach 2 8. Badania wyonywano przy liniowym naroście emperaury. W przypadu aparau MOM OD 12 wynosił on 9 C/min, a dla Q 15 D 1 C/min. Analiza derywaograficzna próbe gumy ypu A, B i C wyazała, że ich rozład ermiczny we wszysich rzech przypadach przebiegał w rzech zasadniczych eapach (abl. 4). Zauważyć można jedna isone różnice w przebiegu poszczególnych eapów. Różnice e były spowodowane zarówno ypem mieszani gumowej, ja rodzajem i ilością związów chemicznych zasosowanych jao środi uniepalniające. Rozład ermiczny próbi gumy ypu A (buadienowo-syrenowej) Rozład ermiczny próbi gumy ypu A, sporządzonej na bazie auczuu buadienowo-syrenowego, rozpoczął się po nagrzaniu jej do emperaury 2 C. Pierwszy eap charaeryzował się niewielim ubyiem masy, wynoszącym zaledwie 3,5%. Eap en zaończył się w emperaurze 3 C, a masymalna szybość rozładu ermicznego wysąpiła w emperaurze 26 C. Najbardziej gwałowny przebieg rozładu ermicznego gumy yp A zachodził w drugim eapie. Szybość rozładu, 37

38 Mining and Environmen w emperaurze 42 C, osiągnęła najwięszą warość, ja również rozładowi uległa najwięsza część badanej próbi. Osani eap rozładu ermicznego miał charaer dopalenia zwęglonych pozosałości organicznych. Swierdzono zmniejszenie szybości rozładu w sosunu do drugiego eapu, niemniej szeroi zares emperaur rzeciego eapu (46 76 C) spowodował, że wydzielanie ciepła w ym eapie rozładu było duże, co zosało uwidocznione na rzywej DTA. Rozład ermiczny próbi gumy ypu A zaończył się w emperaurze 76 C (całowiy rozład próbi). Rozład ermiczny próbe gumy ypu B (nirylowych) Zgodnie z opisem (abl. 2), do badań przygoowano rzy rodzaje próbe gumy uzysanych na bazie auczuu nirylowego (NBR). Próbi różniły się zawarością sładniów dodawanych w celu zmniejszenia palności gumy. Badania derywaograficzne wyazały, że zawarość w mieszance gumowej związów uniepalniających nie ma wpływu na emperaurę począową pierwszego eapu rozładu ermicznego. We wszysich rzech przypadach wynosiła ona 19 C. W przypadu próbe oznaczonych B1 i B2, pierwszy eap rozładu ermicznego zaończył się w emperaurze 28 C, naomias w przypadu próbi B3 emperaura a była nieco niższa i wynosiła 25 C. W pierwszym eapie zarejesrowano najwięszą szybość rozładu ermicznego w sosunu do pozosałych dwóch eapów. Ubye masy próbe mieścił się w zaresie od 15 do 2%. Nie zauważono związu między ubyiem masy, a zawarością środów uniepalniających. Podobna syuacja wysąpiła w olejnym eapie rozładu. Jednaże w przypadu próbi zawierającej najwięszą ilość związów uniepalniających swierdzono, że proces en przebiega w szerszym zaresie emperaury. Najważniejszym sposrzeżeniem doyczącym ego eapu było wydzielenie się niewieliej ilości ciepła, wyraźnie widoczne podczas analizy rzywych DTA. Eap en, we wszysich rzech przypadach, charaeryzował się małym efeem egzoermicznym. W emperaurze 5 52 C rozpoczął się osani eap rozładu, óry zaończył się w emperaurze 89 9 C (pozosałość po rozładzie, związana z zawarością związów mineralnych w uniepalniaczach, wynosiła od 5 do 9% abl. 5). Rozład ermiczny próbe gumy ypu C (chloroprenowych) Próbi gumy ypu C, były wyonane z mieszaniny auczuu chloroprenowego i buylowego (9:1), podobnie ja w przypadu próbe ypu B, różniły się jedynie zawarością związów uniepalniających. Tai sam był rodzaj auczuu i podsawowe dodai do mieszane gumowych. W przypadu próbe ypu C, rozład ermiczny rozpoczął się w emperaurze 19 2 C i zaończył w emperaurze 34 C w przypadu próbe C1 i C2 oraz 3 C w przypadu próbi C3. Temperaura masymalnej szybości ubyu masy, w pierwszym eapie rozładu, malała wraz ze wzrosem sężenia środów uniepalniających. Ubye masy na ym eapie rozładu wahał się w granicach od 26 do 29% i nie miał związu ze zmianami sładu chemicznego badanych próbe. Kolejny eap rozładu ermicznego, óry przebiegał w emperaurze C w przypadu próbe C1 i C2 miał podobny przebieg, naomias duży dodae uniepalniaczy 38

39 Górnicwo i Środowiso powodował obniżenie zaresu emperaur rozładu do 3 43 C. Podobnie ja poprzednio, wzros sężenia uniepalniaczy powodował obniżenie emperaury masymalnej szybości rozładu. Ubye masy ze wzrosem sężenia uniepalniaczy również był coraz mniejszy. Analiza rzywych DTA powierdziła ę zależność. Zwrócono również uwagę na coraz mniejszą ilość ciepła wydzielanego przez próbi, olejno C1, C2 i C3. Zares emperaury rzeciego eapu rozładu ermicznego próbe C1 i C2 był podobny i wynosił odpowiednio: C i C, naomias próbi C C. Taa sama była emperaura, w órej szybość rozładu była najwięsza (56 C). Ubye masy w rzecim eapie rozładu nie był uzależniony od zawarości uniepalniaczy w próbach, wyraźnie jedna było widać wzros pozosałości po rozładzie w przypadu olejno wzrasających sężeń uniepalniaczy. Świadczyło o, podobnie ja poprzednio, o zwięszającej się zawarości części mineralnych w sładzie gum. Tablica 4. Charaerysya eapów rozładu ermicznego (masa próbi: 1 mg, amosfera: powierze) Badane próbi A B1 B2 B3 C1 C2 C3 Zaresy emperaury C T max/dtg C Ubye masy % ,5 3, , Ubye masy ogółem, % Tablica 5. Ubye masy próbe Temperaura ubyu masy, C Pozosałość Badane próbi w emperaurze 9 C 1% 2% 5% 1% 2% 5% 75% % A B B B C C C

40 Masa, % Masa, % DTA, DTG DTA, DTG Mining and Environmen Analizując uzysane wynii rozładu ermicznego badanych próbe swierdzono, że na przebieg rzywych derywaograficznych miał wpływ rodzaj zasosowanego auczuu i zawarość związów chemicznych zasosowanych jao środi uniepalniające (rys. 2 8). Próba A wyonana na bazie auczuu syrenowo-buadienowego nie zawierała dodaów uniepalniających i charaeryzowała się nisoenergeycznym począowym eapem rozładu ermicznego, naomias w olejnych eapach wydzielały się duże ilości ciepła. Pozosałe próbi charaeryzowały się wyraźnym egzoermicznym charaerem pierwszego eapu rozładu ermicznego, naomias drugi eap był zwyle nisoenergeyczny, na co niewąpliwie mają wpływ zasosowane uniepalniacze. W rzecim eapie rozładu, działanie uniepalniaczy było już znacznie osłabione, sąd wyraźnie egzoermiczny charaer ego eapu Temperaura, C TG DTA DTG Rys. 2. Derywaogram próba A Fig. 2. Derivaogram sample A Temperaura, C TG DTA DTG Rys. 3. Derywaogram próba B1 Fig. 3. Derivaogram sample B1 4

41 Masa, % Masa, % Masa, % DTA, DTG DTA, DTG DTA, DTG Górnicwo i Środowiso Temperaura, C TG DTA DTG Rys. 4. Derywaogram próba B2 Fig. 4. Derivaogram sample B Temperaura, C TG DTA DTG Rys. 5. Derywaogram próba B3 Fig. 5. Derivaogram sample B Temperaura, C TG DTA DTG Rys. 6. Derywaogram próba C1 Fig. 6. Derivaogram sample C1 41

42 Masa, % Masa, % DTA, DTG DTA, DTG Mining and Environmen Temperaura, C TG DTA DTG Rys. 7. Derywaogram próba C2 Fig. 7. Derivaogram sample C Temperaura, C TG DTA DTG Rys. 8. Derywaogram próba C3 Fig. 8. Derivaogram sample C3 W ablicy 6 przedsawiono emperaurę próbe, w órej swierdzono najwięszą szybość pierwszego eapu rozładu, podczas badań derywaograficznych przy użyciu aparaów ypów: MOM OD 12 i Q 15 D. Ja można było oczeiwać, zależy ona od rodzaju auczuu bazowego użyego do sporządzania próbe. Najwyższą emperaurę DTG max uzysano w przypadu auczuu chloroprenowego (próbi ypu C). Niższe w przypadu auczuu buadienowo-syrenowego (próbi ypu A), a najniższe w przypadu auczuu nirylowego (próbi ypu B). Tablica 6. Temperaura próbe zarejesrowana w punach masymalnej szybości pierwszego eapu rozładu, podczas badań derywaograficznych Badana próba Temperaura uzysana przy użyciu derywaografów, o Temperaura średnia C C MOM OD 12 Q 15 D A B ,5 B B C ,5 C C ,5 42

43 Górnicwo i Środowiso 2.2. Badania auczuów bez dodaów uszlacheniających Aby doładniej zbadać wpływ dodaów uniepalniających na rozład ermiczny badanych gum wyonano serię badań czysych auczuów, óre sosowano do producji próbe. Wynii ych badań przedsawiono w ablicach 7 i 8 i na rysunach Badane próbi auczuu Tablica 7. Wynii badań ubyu masy próbe auczuów Temperaura ubyu masy, C 1% 2% 5% 1% 2% 5% 75% Pozosałość w emperaurze 9 C % SBR NBR CR Tablica 8. Charaerysya eapów rozładu ermicznego próbe auczuów (masa próbi: 1 mg, amosfera: powierze) Badane próbi SBR NBR CR Zaresy emperaury C T max/dtg C Ubye masy % Ubye masy ogółem, % Rys. 9. Derywaogram auczuu syrenowo-buadienowego Fig. 9. Derivaogram of syrene-buadiene rubber 43

44 Mining and Environmen Rys. 1. Derywaogram auczuu nirylowego Fig. 1. Derivaogram of niryle rubber Rys. 11. Derywaogram auczuu chloroprenowego Fig. 11. Derivaogram of chloroprene rubber Czysy auczu SBR sosowany do producji próbe gumy ypu A rozładał się całowicie nieco powyżej 5 C, podobnie ja guma wyonana na jego bazie. Zasadnicza część rozładu auczuu (92%) przebiegała jednoeapowo w przeciwieńswie do gumy z dodaami. Wyraźnie uwidaczniał się niemal równy podział na dwa eapy rozładu, óre w sposób zasadniczy wpływały na degradację gumy. W przypadu auczuu zaninął pierwszy eap rozładu, obserwowany po uzupełnieniu go o dodai. Kolejny eap był bardzo inensywny, a najwięsza ilość ciepła wydzieliła się w osanim eapie, órego szybość była sosunowo mała. Dodai sosowane do gumy ypu A powodowały zmniejszenie szybości rozładu ermicznego próbi. Było o widoczne, zwłaszcza w emperaurze powyżej 4 C. 44

45 Górnicwo i Środowiso Analiza derywaogramu auczuu NBR, sosowanego w producji próbe ypu B, wyazała wyraźny wpływ uniepalniaczy na rozład ermiczny. W przypadu czysego auczuu, na rzywej DTA uwidoczniły się rzy znaczące pii egzoermiczne, przy czym pierwszy, zarejesrowany w niższej emperaurze, był najmniejszy, a osani, zarejesrowany w wysoiej emperaurze, odpowiadał sosunowo dużej ilości wydzielonego ciepła. Zasadnicze działanie uniepalniaczy w ym przypadu było najbardziej widoczne w drugim eapie rozładu ermicznego, óry w przypadu auczuu sanowił 81% całego rozładu, naomias po dodaniu uniepalniaczy sanowił zaledwie 34%. Dodai uniepalniające wpływały na zmniejszenie szybości rozładu ermicznego, co było szczególnie zauważalne podczas analizy rozładu emperaury odpowiadającej ubyom masy. W przypadu czysego auczuu NBR, emperaura a była niższa niż w przypadu próbe z dodaami. Próba ypu C była sporządzona w 9% z auczuu chloroprenowego i w 1% z auczuu buadienowego. W ym przypadu najwięsze znaczenie miało więc porównanie derywaogramów auczuu chloroprenowego i próbe ypu C. Podobnie ja poprzednio, czyse auczui rozładały się znacznie szybciej niż próbi uniepalnione. Zasadniczo, w przypadu czysego auczuu, rozład ermiczny miał podobny charaer do charaeru rozładu gum uniepalnionych. Widoczna była rójeapowość procesu. Zauważono różnicę w emperaurze masymalnej szybości rozładu w pierwszym eapie, óra w przypadu czysych auczuów zarówno chloroprenowego, ja i buadienowego, była wyższa niż zarejesrowano podczas badań gumy z dodaami. Podobną zależność zauważono również w pozosałych badaniach. Należy równocześnie zwrócić uwagę, że począe rozładu próbe auczuów nasępował w nieco niższej lub, w przypadu próbe ypu C, w prawie aiej samej emperaurze, co odpowiednich próbe gumy Różnicowa alorymeria saningowa Badania efeów cieplnych owarzyszących procesom zachodzącym podczas ogrzewania mieszane gumowych wyonano meodą różnicowej alorymerii saningowej z zasosowaniem aparau ypu DSC 7 Perin Elmer, w amosferze lenu i azou. Szybość ogrzewania próbi wynosiła we wszysich przypadach 1 C/min. Apara ypu DSC 7 pozwala na rejesrację efeów cieplnych zachodzących w próbce, w sosunu do efeów cieplnych próbi odniesienia. W próbce odniesienia, z założenia nie zachodzą żadne reacje. Na wyresach będących wyniiem badania, efey cieplne egzoermicznych reacji sierowane są w dół, naomias efey cieplne reacji endoermicznych, w górę. Próba gumy ypu A badana w amosferze lenu praycznie do emperaury 4 C rozładała się bez wydzielenia ciepła. Widoczny, bardzo mały efe egzoermiczny, mógł być porównywalny z szumami linii bazowej. Zasadniczy rozład przebiegał wieloeapowo i ończył się w emperaurze 56 C. Krzywa zarejesrowana podczas badań w amosferze azou nie wyazywała żadnych efeów ermicznych, a jej przegięcie w górę ze wzrosem emperaury, było związane ze specyfią aparau. Rozład próbe ypu B przebiegał wieloeapowo. Najniższa emperaura, w órej zosał zarejesrowany pi świadczący o efecie egzoermicznym, wynosiła 45

46 HEAT FLOW, mw HEAT FLOW, mw Mining and Environmen C. Należy zwrócić uwagę, że, efe en pojawił się zarówno podczas ogrzewania w amosferze uleniającej, ja i obojęnej. Wysępował on w ym samym zaresie emperaury w przypadu wszysich próbe ypu B. Również w wyższej emperaurze przebieg rozładu ych próbe był podobny. Powyżej 4 C wysąpił niewieli efe egzoermiczny, a nasępnie endoermiczny. Pi endoermiczny był lepiej widoczny w przypadu badań w amosferze azou, nie porywał się on bowiem z innymi piami. Osani eap rozładu w amosferze uleniającej rozpoczął się w emperaurze C i był związany ze spalaniem zwęglonej pozosałości badanego maeriału. Krzywe uzysane podczas badań maeriałów z grupy C miały bardzo podobny przebieg. W emperaurze ooło 3 C wysąpił niewieli efe egzoermiczny. Temperaura a była ym niższa im więcej środów uniepalniających zawierała badana próba. W emperaurze ooło 6 C zarejesrowano niewieli efe endoermiczny, óry był widoczny, zwłaszcza podczas badań w amosferze azou. Powyżej ej emperaury wysąpił rozległy pi egzoermiczny związany ze spalaniem zwęglonej pozosałości badanych próbe w amosferze lenu AZOT TLEN o TEMPERATURA, C Rys. 12. Krzywa DSC próba A Fig. 12. DSC curve sample A AZOT TLEN TEMPERATURA, o C Rys. 13. Krzywa DSC próba B1 Fig. 13. DSC curve sample B1 46

47 HEAT FLOW, mw HEAT FLOW, mw HEAT FLOW, mw Górnicwo i Środowiso 6 5 AZOT TLEN TEMPERATURA, o C Rys. 14. Krzywa DSC próba B2 Fig. 14. DSC curve sample B AZOT TLEN TEMPERATURA, o C Rys. 15. Krzywa DSC próba B3 Fig. 15. DSC curve sample B3 6 5 AZOT TLEN TEMPERATURA, o C Rys. 16. Krzywa DSC próba C1 Fig. 16. DSC curve sample C1 47

48 HEAT FLOW, mw HEAT FLOW, mw Mining and Environmen AZOT TLEN TEMPERATURA, o C Rys. 17. Krzywa DSC próba C2 Fig. 17. DSC curve sample C AZOT TLEN TEMPERATURA, o C Rys. 18. Krzywa DSC próba C3 Fig. 18. DSC curve sample C3 PODSUMOWANIE Szczególne waruni pracy w opalniach, związane z dużym zagrożeniem pożarowym, powodują, że onieczna jes znajomość zachowania się maeriałów organicznych w podwyższonej emperaurze lub w warunach pożaru. Ja wspomniano, maeriały sosowane pod ziemią muszą spełniać zarówno wymagania rudnopalności, ja i ograniczonego wydzielania osycznych gazów spalinowych oraz dymu. W związu z ym maeriały organiczne należy odpowiednio modyfiować, przez dodae różnych subsancji chemicznych. W niniejszym aryule omówiono analizę ermiczną próbe gumy wyonanych z auczuów: buadienowo-syrenowych, nirylowych i chloroprenowych. Analiza obejmowała badania derywaograficzne i różnicowej alorymerii saningowej w amosferze lenu oraz azou. Na podsawie uzysanych wyniów możliwe było opisanie eapów rozładu ermicznego badanych próbe podczas ich ogrzewania. 48

49 Górnicwo i Środowiso Analiza wyniów badań derywaograficznych pozwala na swierdzenie, że rozład badanych maeriałów przebiegał w rzech eapach. Eapy e w zależności od badanego maeriału miały odmienny charaer. W przypadu gumy syrenowo- -buadienowej, w pierwszym eapie rozładu nie wydzielała się duża ilość ciepła, naomias w dwóch olejnych wydzielanie ciepła było inensywne. W badanym maeriale nie było środów uniepalniających i dlaego proces uleniania przebiegał gwałownie. Podobne wniosi wyniają z analizy rzywych uzysanych podczas badań echnią różnicowej alorymerii saningowej. Podczas ogrzewania próbi gumy buadienowo-syrenowej w amosferze azou nie swierdzono wysępowania efeów cieplnych. Próbi gumy wyonane na bazie auczuu nirylowego (oznaczone jao B1, B2 i B3) zawierały w swoim sładzie dodai uniepalniające. Dodae ych subsancji do auczuu, (óry bez ich zasosowania może ławo ulec zapaleniu), spowodował zmniejszenie energii cieplnej, wydzielanej w drugim eapie rozładu ermicznego. Zaobserwowano również znaczne poszerzenie zaresu emperaury, w órych zachodził rozład badanych próbe. W ym przypadu była o emperaura blisa 9 C. Podobne wniosi można wyciągnąć analizując wynii badań wyonanych echnią DSC. W przypadu analizy ermicznej wyonywanej w amosferze azou, zauważono cieawe zjawiso w posaci egzoermicznego piu wysępującego w emperaurze ooło 2 C. Był on widoczny zarówno w badaniach derywaograficznych, ja i badaniach wyonywanych echnią DSC. Można przypuszczać, że obecność ego piu mogła być związana ze swierdzonym w innych badaniach zjawisiem powodującym samozagrzewanie sarych elemenów gumowych (Wypior 26). Prace nad wyjaśnieniem ego sposrzeżenia są obecnie prowadzone w Głównym Insyucie Górnicwa. Wynii badań próbe gumy sporządzonej z auczuu nirylowego świadczą o możliwości znacznej poprawy bezpieczeńswa sosowania ego rodzaju gum w porównaniu z wyrobami gumowymi z auczuu syrenowo-buadienowym (ypu A), w szczególności bezpieczeńswa pożarowego. Mechanizm działania nieórych dodaów sosowanych do uniepalnienia mieszane gumowych polega na odcięciu dopływu lenu do srefy palenia. Powoduje o, ja wyazały badania (Wypior 26), wzros zawarości lenu węgla w produach rozładu. Zjawiso o charaeryzowane jes w prayce w posaci wsaźnia CO/CO 2. Dzięi emu jedna, ja wynia z analizy przebiegu rzywych DTA, efe cieplny procesu rozładu ermoosydacyjnego był mniejszy. Wiadomo bowiem, że ciepło worzenia CO (26,42 cal/mol) jes mniejsze niż CO 2 (94,4 cal/mol) (Kuo 25). Wzros ilości dodaów uniepalniających wpływa również nieorzysnie na ilość chlorowodoru wydzielanego podczas palenia się maeriałów (lub bromowodoru w przypadu zasosowania bromopochodnych jao dodaów uniepalniających). Jes o wyraźnie widoczne, zwłaszcza w przypadu próbe wyonanych na bazie auczuu chloroprenowego. Jes o bowiem spowodowane dodaową zawarością chloru w auczuu bazowym. Swierdzono, że w przypadu gumy orzymanej na bazie auczuu chloroprenowego, współczynni CO/CO 2 jes jeszcze bardziej nieorzysny niż dla auczuu nirylowe- 49

50 Mining and Environmen go (rys. 12). Świadczy o o wysoim sopniu uniepalnienia ego ypu maeriałów. Należy jedna podreślić, że podczas pożaru, w órym znajdować się będą aie wyroby, wzrasa zagrożenie od powsającego w znacznie więszych ilościach osycznego lenu węgla. Reasumując, należy swierdzić, że w przypadu badanych maeriałów swierdzono wyraźny wpływ sładu chemicznego gum (głównie dodaów uniepalniających) na przebieg rozładu ermicznego. Dodai e powodują zmniejszenie jego szybości. Ponado, wzros zawarości dodaów uniepalniających prowadzi do podwyższenia emperaury, w órej próba rozłada się całowicie. W zależności od ypu sosowanych dodaów uniepalniających nasępują zmiany w sężeniu osycznych subsancji owarzyszących rozładowi ermoosydacyjnemu, óre przeciwdziałają paleniu (HCl) lub są efeem łumienia palenia (CO).,4,35,36,3,28,25,26,26,2,19,2,15,1,11,5, A B1 B2 B3 C1 C2 C3 Rys. 19. Sosune CO do CO2 w produach rozładu ermicznego gum (Wypior 26) Fig. 19. CO o CO2 raio in producs of he hermal rubber decomposiion (Wypior 26) W badaniach, órych wynii są omawiane w niniejszym aryule, porównano rzy ypy mieszane gumowych. Należy wspomnieć, że niezwyle ważne było znalezienie opymalnego sładu mieszani w aspecie jej właściwości rudno palnych. Zasosowanie dużych ilości związów uniepalniających (abl. 2 i 3), powodowało zmniejszenie właściwości palnych, lecz równocześnie zwięszenie sężenia wydzielanych osycznych subsancji lonych. Należy zaem zwrócić uwagę na rodzaj sosowanych uniepalniaczy i wyluczać e, óre doprowadzają w razie pożaru do nadmiernego zanieczyszczenia powierza. Obecnie najbardziej ceniony jes pod ym względem wodorolene glinu, óry uznaje się za najbezpieczniejszy środe uniepalniający. Chęnie sosuje się również uwodniony rójlene glinu, órego działanie polega na odszczepieniu cząsecze wody. Należy uniać sosowania chlorowcowodorów, óre pomimo swej sueczności, powodują zanieczyszczenie powierza osycznymi subsancjami powsającymi podczas ich rozładu. Coraz częściej wraca się również do sosowania innych uniepalniaczy bezhalogenowych, do órych należy między innymi boran cynu. 5

51 Górnicwo i Środowiso Biorąc pod uwagę sład chemiczny badanych maeriałów oraz wynii badań analizy ermicznej i produów rozładu ermicznego, można swierdzić, że w przypadu onieczności sosowania gum o ograniczonych właściwościach palnych, ompromisowym rozwiązaniem jes sosowanie mieszane gumowych bazujących na auczuu nirylowym. Bra chlorowca w sładzie auczuu nirylowego ogranicza wydzielanie szodliwych subsancji, ja również wpływa, na wydłużenie czasu pracy elemenów salowych, narażonych na ich orozyjne działanie produów rozładu ermoosydacyjnego. Lieraura 1. Anonia J. (24): Przenośnii aśmowe Wprowadzenie do eorii i obliczenia. Gliwice, Wydaw. Poliechnii Śląsiej. 2. Celina M., Wise J., Oesen D.K., Gillen K.T., Clough R.L. (1998): Oxidaion profile of hermally aged niryle rubber. Polimer Degradaion and Sabiliy, Vol. 6, s EEC Safey and Healh Commission for he Mining and he oher Exracive Indusries. Firs Rapor on ess and crieria of flammabiliy of conveyor beling wih fabric care used in mines of coal in EC counries. Luxembourg Gładysiewicz L. (23): Przenośnii aśmowe. Teoria i obliczenia. Wrocław, Oficyna Wydaw. Poliechnii Wrocławsiej. 5. Hardygóra M., Wachowicz J., Czaplica-Kolarz K., Marusi S. (1999): Taśmy przenośniowe. Warszawa, WNT. 6. III Szoła Analizy Termicznej SAT 2 (22): Maeriały onferencyjne. Zaopane 1 12 wienia, 22. Kraów, AGH. 7. Kuo K.K. (25): Principles of combusion. New Jersey, John Wiley & Sons. 8. Rudni E., Dobowsi Z., Winiarsa A. (1997): Analiza ermiczna polimerów nowe ieruni rozwoju i zasosowania. Polimery 42, nr 5, s Szlezyngier W. (1998): Tworzywa szuczne. Tom 2, wyd. 2 popr. i rozsz. Rzeszów. 1. Szlezyngier W. (1999): Tworzywa szuczne. Tom 3, wyd. 1. Rzeszów. 11. Williams P.T., Besler S. (1995): Pyrolysis-hermogravimeric analysis of yres and yre omponens. Fuel Vol. 74, No. 9, s Wypior K. (26): Zjawiso samozagrzewania produów ścierania górniczych aśm przenośniowych aspecie bezpieczeńswa pożarowego. Kaowice, GIG (Praca doorsa). 13. hp://pl.wiipedia.org 14. hp:// Recenzen: doc. dr hab. inż. Barbara Białeca 51

52

53 PRACE NAUKOWE GIG GÓRNICTWO I ŚRODOWISKO RESEARCH REPORTS MINING AND ENVIRONMENT Kwaralni Quarerly 4/26 Małgorzaa Wysoca, Kazimierz Lebeci, Sanisław Chałupni, Bogusław Michali, Krysian Subacz MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA METOD RADIOMETRYCZNYCH W BADANIACH WYRZUTÓW SKAŁ I GAZÓW Sreszczenie W laach osiemdziesiąych i dziewięćdziesiąych ubiegłego sulecia podjęo próby wyorzysania wybranych meod radiomerycznych do wspomagania prognozy wysąpienia wyrzuów sał i gazów w wałbrzysich opalniach węgla amiennego (Lebeca i inni 1988, 199, 1991). Przez analogię do meody przewidywania rzęsień ziemi na podsawie zwięszonego wydzielania radonu z wód podziemnych, posawiono hipoezę o zmienności emanacji radonu w poładach zagrożonych wyrzuami. Opracowano meodyę prowadzenia obserwacji zmian sężenia radonu w góroworze z wyorzysaniem aparaury, jaą w ym czasie dysponował Główny Insyu Górnicwa. Na podsawie wyniów pomiarów swierdzono, że zmiany sężenia radonu w góroworze zależą od poziomu zagrożenia wyrzuowego. Zaobserwowano, że przed wyrzuem nasępował gwałowny spade sężenia radonu, naomias po wyrzucie sężenie sosunowo szybo wzrasało. Związe między zmianami sężenia radonu a zagrożeniem wyrzuami, najlepiej uwidaczniał się, jeśli był przedsawiony w funcji posępu przoda. Rezulay badań były na yle obiecujące, że rozpoczęo obserwacje zmian sężenia radonu w opalniach miedziowych i węglowych w srefach zagrożonych ąpaniami. W ym przypadu orelacja wysępowania obu zjawis była mniej wyraźna. Analiza wyniów prowadzonych doychczas badań, słania do podjęcia obserwacji zmian sężeń radonu w górnośląsich opalniach węglowych zagrożonych wyrzuami. W Głównym Insyucie Górnicwa znajduje się nowa, dosonalsza aparaura, umożliwiająca ciągłe pomiary radonu. Możliwe, że uda się opracować radonowy wsaźni wyrzuowości, wspomagający inne meody przewidywania wysąpienia groźnych zjawis geodynamicznych. Possibiliy of applicaion of radiomeric mehods in invesigaions of ouburss and remors in Polish mines Absrac In 8 s and 9 s of wenieh cenury research aciviy oward an applicaion of radiomeric mehods for supporing of ouburss predicion in Lower Silesian mines has been underaen. I was simulaed by an analogy o applicaion of radon changes in waer and soil gas for earhquaes, herefore a hypohesis was creaed, ha similar phenomena may occur in coal seams before and during ouburss of gas and coal. In he Laboraory of Radiomery of he Cenral Mining Insiue a echnique of radon measuremens in boreholes has been developed and applied for his purpose. An analysis of resuls showed ha changes of radon concenraion in he sraa were correlaed wih he level of an ouburs s hazard. Prior o he ouburs a rapid decrease of radon concenraion was ofen observed, while radon level grew quicly afer he release of gas and coal. The bes correlaion beween radon changes and ouburss occurrence obained when radon changes were shown as a funcion of he heading advance. Resuls of hese invesigaions were very promising, herefore invesigaions of possible connecions of radon changes and remors have been sared in coal and copper mines in Poland. In his case resuls and correlaion weren very clear and significan. In he meanime, Lower Silesian collieries have been abandoned and no furher invesigaions were possible. Due o increase of ouburs hazard in some of Upper Silesian coal mines is he inspiraion for furher invesigaions in hese collieries. The Cenral Mining Insiue has go a modern insrumenaion for coninuous measuremens of radon concenraion in he sraa. Therefore we hope ha i would be possible o develop a radon ouburs s indicaor o suppor oher mehods of predicion of very dangerous geodynamic phenomena. 53

54 Mining and Environmen WPROWADZENIE Wyrzuy gazów i sał są jednym z poważniejszych zagrożeń wysępujących w górnicwie podziemnym. Wieloronie powodowały wielie aasrofy górnicze, w órych liczba ofiar śmierelnych sięgała dziesiąe osób. Według Hargravesa (1983) nagły wyrzu węgla i gazu jes o gwałowne wyrzucenie węgla ze świeżo odsłonięej calizny przy esploaacji lub rozcinaniu poładów. Rozmiary cząse wyrzucanego węgla są małe, na ogół jes o pył węglowy. Wyrzuom mogą owarzyszyć odgłosy od głośnych suów do odgłosów walących się drzew i szumu wiaru. Wyrzuy są spowodowane isnieniem bardzo dużych ilości gazu (CO 2 lub CH 4 ) zaabsorbowanych na węglu. Wyrzu nasępuje w wyniu zaburzenia równowagi dynamicznej (sanu naprężeń) w góroworze. Może być o spowodowane esploaacją węgla lub roboami górniczymi w samym poładzie lub w poładach przyległych. Przebieg zjawisa ma charaer bardzo gwałowny: ciśnienie gazów o objęościach iludziesięcioronie więszych od objęości wyrzuconego węgla jes a duże, że powoduje czasami zniszczenie i wyrzucenie elemenów obudów na znaczne odległości, a aże zniszczenie sysemów wenylacyjnych i ciężiego sprzęu. Jeżeli w mieszaninie gazów wysępuje eż mean, może dojść do jego zapalenia i wybuchu, co zwięsza salę zniszczeń. Oczywise więc jes, że górnicy znajdujący się w srefie aasrofy są narażeni na poważne obrażenia, a niejednoronie również na śmierć. W Polsce wyrzuy wysępowały na Dolnym Śląsu. Do najpoważniejszego wypadu doszło w 1958 rou w opalni Nowa Ruda. Uwolnionych zosało 75 m 3 CO 2 i 5 on węgla. W wyniu wyrzuu zginęło pięciu górniów. W opalniach Górnośląsiego Zagłębia Węglowego zjawiso wyrzuów meanu i sał wysępowało loalnie i sporadycznie. Esploaacja węgla na głębszych poziomach oraz w rudniejszych warunach geologicznych powoduje, że wzrasa prawdopodobieńswo wysępowania ego rodzaju zjawis również i w ym zagłębiu węglowym. W lisopadzie 25 rou w opalni Zofiówa, należącej do Jasrzębsiej Spółi Węglowej S.A., nasąpił wyrzu meanu i sał, w wyniu órego życie sraciło rzech górniów, a czerech zosało rannych. W czasie wyrzuu do przesrzeni wyrobisa zosało przemieszczonych ooło 28 m 3 mas salnych powyrzuowych, a w pierwszych 2 godzinach wydzieliło się 1 ysięcy merów sześciennych meanu. Przyjmuje się, że zagrożenie wyrzuami gazów i sał wysępuje aualnie w rzech opalniach węgla amiennego, j.: Zofiówa, Pniówe i Jas-Mos, a aże w części złoża soli w KS Kłodawa S.A. w Kłodawie (WUG 26). Innym, równie groźnym zjawisiem owarzyszącym podziemnej esploaacji węgla amiennego i rud meali są wsrząsy górnicze. W górnośląsich opalniach węgla amiennego oraz w lubińsich opalniach rud miedzi wsrząsy górnicze są jednym z poważniejszych zagrożeń induowanych wydobywaniem surowców mineralnych. Każdego rou wsrząsy powodują znaczne sray maerialne, a niejednoronie zosają ranni górnicy. Niesey również niemal ażdego rou w ego rodzaju aasrofach giną ludzie. W związu z powyższym posawiono pyanie, czy zjawisom geodynamicznym, jaimi są wyrzuy gazów oraz wsrząsy górnicze, owarzyszą również zmiany sężeń radonu w góroworze i czy zmiany e mogą wsazywać na zbliżanie się ych zjawis. 54

55 Górnicwo i Środowiso Analiza wyniów badań prowadzonych w laach osiemdziesiąych i dziewięćdziesiąych ubiegłego sulecia słania do podjęcia obserwacji zmian sężeń radonu w górnośląsich opalniach węglowych zagrożonych wyrzuami. W Głównym Insyucie Górnicwa znajduje się nowa, lepsza aparaura, umożliwiająca ciągłe pomiary sężeń radonu. Możliwe, że uda się opracować wsaźni wspomagający inne meody przewidywania wysąpienia groźnych zjawis geodynamicznych. W przypadu powierdzenia orelacji między wysępowaniem zjawis gedynamicznych a zmianami sężenia radonu, możliwe będzie opracowanie radonowego wsaźnia wyrzuowości, wspomagającego prognozowanie wyrzuów i wsrząsów. 1. TEORETYCZNE PODSTAWY BADAŃ NAD WYKORZYSTANIEM ZMIAN STĘŻENIA RADONU JAKO WSKAŹNIKA ZJAWISK GEODYNAMICZNYCH Powszechnie znany jes fa, że zmiany inensywności wydzielania się radonu i helu owarzyszą zjawisom sejsmicznym. Gwałowne zmiany sężenia radonu w wodach źródeł i sudni były wieloronie obserwowane przed rzęsieniami ziemi, poczynając od doniesienia Kisina (1982), opisującego obserwacje prowadzone przed rzęsieniem w Tasziencie w 1966 rou. Możliwość isnienia orelacji między wahaniami sężenia radonu w wodach a wysępowaniem zjawis sejsmicznych były opisane w pozycjach lieraurowych (Scholz i inni. 1973; Riiae 1976). Zaobserwowano, że nie ylo zmiany sężeń radonu, ale również helu mogą owarzyszyć zjawisom sejsmicznym (Niolin i inni. 1972). Uważa się, że poziom sężenia helu w gazach może być uważany za wsaźni nauralnej degazacji poładów wyrzuowych. Rozpoczynając badania założono, że ilość gazu wydzielanego z calizny w podziemnych wyrobisach górniczych może być wsaźniiem naprężeń góroworu, a ym samym wsaźniiem zbliżających się wyrzuów lub wsrząsów (Lebeca 1988). Zarówno hel, ja i radon są gazami szlachenymi o dobrych właściwościach peneracyjnych. W warunach opalnianych mogą szybo przechodzić z góroworu do gazów oworowych i powierza wenylacyjnego. Przydaność radonu do obserwacji zmian naprężeń w góroworze wynia z nasępujących właściwości ego gazu: małego poencjału sorpcyjnego, dzięi czemu radon jes słabo wiązany na węglu i może ławo przechodzić w san wolny (gaz niesorbowany), właściwości promieniowórczych, óre sprawiają, że można sosunowo ławo wyrywać nawe bardzo małe sężenia radonu, sosując odpowiednie meody deecji. Powyższe właściwości sprawiają, że do badań jes bardziej przydany radon niż hel, órego analiza jes rudniejsza. W wielu przypadach sężenia helu, mierzone w wyrobisach opalnianych, nieznacznie przeraczają próg czułości meod pomiarowych, co sprawia, że wynii pomiarów obarczone są dużym błędem. Z ego względu obserwacje zmian sężenia helu nie są przydane jao poencjalny wsaźni zarówno wyrzuów sał i gazów, ja i wsrząsów górniczych. 55

56 222 Rn, Bq/m 3 Mining and Environmen 2. SPOSÓB PROWADZENIA BADAŃ ORAZ METODYKA POMIARÓW STOSOWANA W POKŁADACH ZAGROŻONYCH WYRZUTAMI Badania w różnych opalniach Dolnośląsiego Zagłębia Węglowego prowadzono w celu: obserwacji zmian sężeń radonu w oworach badawczych, wierconych w przodach wyrobis, w órych wysępowało duże zagrożenie wyrzuowe, obserwacji zmian sężenia radonu w długich (do iludziesięciu merów) oworach służących do odgazowania góroworu. Pomiary sężenia radonu 222 Rn wyonywano za pomocą omór scynylacyjnych Lucasa, óre umożliwiają pomiary sężeń radonu już od ilu beereli na mer sześcienny, co odpowiada ooło 1 17 %. Sężenia spoyane w opalniach wahały się w granicach od ilu do iludziesięciu ysięcy beereli na mer sześcienny, a więc są ławo mierzalne (Lebeca 1988). Wiercono owory wiernicze w caliźnie węglowej w przodach aualnie drążonych wyrobis oryarzowych. Długość oworów wynosiła od 3 do 6 m. Gaz z oworów pobierano za pomocą małej pompi ręcznej wpros do omór Lucasa. Począowo pobierano próbi gazów w sposób przypadowy, aby zorienować się w zaresach sężeń radonu, jaie wysępują w wyrobisach podziemnych wybranych opalń. Po analizie wyniów soncenrowano się na wyypowanych wyrobisach, w órych wyrzuy nasępowały najczęściej. W opalni Thorez wybrano dwa wyrobisa, w órych spodziewano się wysąpienia wyrzuów Wynii pomiarów zmian sężeń radonu Wynii pomiarów, o znaczy zmienność sężeń radonu, przedsawiano w funcji posępu robó. Tai wybór był podyowany faem, że zjawiso wyrzuów sał i gazów zachodzi w góroworze naruszonym, a właśnie esploaacja jes czynniiem naruszającym san naprężeń w góroworze. Roboy górnicze powodują zmiany naprężeń i sanu nasycenia gazami góroworu (rys. 1).,8,7,6,5,4,3,2 wyrzuy, l, m Rys. 1. Zmiany sężenia radonu w poładach węgla opalni Thorez : l posęp ściany Fig. 1. Changes of radon concenraion and ouburss in Thorez Colliery: l longwall advance 56

57 222 Rn, Bq/m 3 Górnicwo i Środowiso Kopalnia Thorez W opalni Thorez mierzone sężenia radonu wahały się od 2 do ooło 7 Bq/m 3. Zaobserwowano, że przed zbliżającym się wyrzuem sężenie było blisie zeru. W oresie, w órym nie nasępował wybuch, zmiany sężenia radonu były niewielie. Swierdzono, że sężenia radonu w gazach znacznie zmieniały się w miarę posępu robó. Przed wyrzuami zaobserwowano znaczny spade sężenia radonu i wyraźny wzros po wyrzucie (rys. 1). Spade sężenia gazu przed wyrzuami mógł być spowodowany zacisaniem porów i szczelin w caliźnie węglowej w pobliżu przoda na sue silnych naprężeń w góroworze poprzedzających wyrzu. Po wyrzucie sężenie radonu znacznie wzrasało, gdyż rozluźnienie szczelin i porów oraz powsawanie nowych szczelin uławiało emanację radonu ze sał. Wynii badań porównywano z ruynowo mierzonymi warościami granicznych wsaźniów zagrożenia wyrzuowego, czyli z ciśnieniem gazu i inensywnością desorpcji gazu. Swierdzono, że nie ma orelacji między zmianami sężenia radonu, a wspomnianymi powyżej wsaźniami. Przeprowadzone w opalni Thorez badania, mimo ograniczonej liczby pomiarów, dały nadzieję na opracowanie radonowego wsaźnia wyrzuowości Badania przyczynowe Obserwacje zmian sężenia radonu w gazach wydzielających się z długich oworów zosały podjęe w celu wyjaśnienia sposobu migracji radonu w góroworze zagrożonym wyrzuami. Badania prowadzono w opalni Nowa Ruda (rys. 2). Wyorzysywane do badań owory, służące do odgazowywania poładów węgla, miały od ooło 5 do ooło 8 m długości i były wiercone uośnie w ierunu nadległych poładów węgla. Wyonywano wyrywowe pomiary sężenia swobodnie wypływającego radonu. Równocześnie prowadzono pomiar naężenia wypływu gazu oraz sężenia CO wyrzuy Rys. 2. Zmiany sężenia radonu w warswie łupów w opalni Nowa Ruda : czas pomiaru Fig. 2. Changes of radon concenraion in shale and ouburs in Nowa Ruda Colliery: measuremen ime 57

58 Mining and Environmen Na podsawie wyniów powyższych badań podjęo próbę oszacowania zasięgu oddziaływania oworu oraz czasu dopływu radonu do oworu. Zasięg oddziaływania oworu obliczano dwoma sposobami: na podsawie wydau wypływu radonu, na podsawie naężenia wypływu gazu oraz sopnia nasycenia góroworu gazem. W obu przypadach doonano pewnych założeń upraszczających, uławiających maemayczny opis zachodzących zjawis. Wynii obliczeń były w obu przypadach bardzo podobne i wynosiły 1,5 oraz 1,8 m. Wsazywały one, że radon migruje do oworu z odległości nie więszej niż ooło 1 m od osi oworu. 3. OBSERWACJE ZMIAN STĘŻEŃ RADONU W GAZACH SPOWODOWANYCH WSTRZĄSAMI GÓRNICZYMI ZWIĄZANYMI Z EKSPLOATACJĄ GÓRNICZĄ Prowadzone były obserwacje zmian sężeń radonu w oworach wierconych w wyrobisach dołowych opalń węgla amiennego i rud miedzi, w órych wysępują wsrząsy górnicze, spowodowane działalnością górniczą. Podobnie, ja w przypadu badań prowadzonych w opalniach zagrożonych wybuchami sał i gazów, prowadzono je w celu sprawdzenia, czy isnieje orelacja między zmianami sężenia radonu w góroworze a wysępowaniem wsrząsów. Pozyywny wyni badań dałby podsawy do opracowania modelu maemaycznego opisującego zjawisa oraz wsaźnia wspomagającego prognozowanie wsrząsów. Badania wyonano w rzech górnośląsich opalniach węgla amiennego oraz w jednej opalni miedzi (Lebeca i inni 1995). Owory, odchylone pod niewielim ąem w sosunu do pionu, wiercono w sropie wyrobis dołowych w łupach, piasowcach, dolomiach o różnej porowaości. W oworach umieszczano sondy BARASOL (producji francusiej), umożliwiające wyonywanie semi-ciągłych pomiarów sężenia radonu. Przesrzegano zasady, by po zainsalowaniu sondy pomiarowej, owór uszczelnić. Urządzenie umożliwiało wyonywanie pomiaru z częsoliwością raz na pół godziny. Gromadzone dane pomiarowe były sczyywane raz na miesiąc. W czasie prowadzenia badań były zbierane dane doyczące aywności sejsmicznej wybranych rejonów opalń oraz informacje doyczące ogólnej syuacji górniczej (szybości esploaacji, srzelań odprężających, zarzymywania ścian ip.). Wynii badań w opalniach zagrożonych wsrząsami nie pozwoliły na opracowanie algorymu opisującego zjawiso i związi między wsrząsami a zmianami sężenia radonu. W jednej z opalń, dzięi aywnie prowadzonym działaniom prewencyjnym, nie wysąpił żaden poważniejszy (zn. o energii powyżej 1 3 J) wsrząs sejsmiczny. W pozosałych opalniach również aywność sejsmiczna była mniejsza niż spodziewano się przed przysąpieniem do badań. Przyładowe wynii obserwacji prowadzonych w opalni węgla amiennego przedsawiono na rysunu 3. Sężenie radonu w oworze przez cały ores obserwacji było małe i nie przeraczało 6 Bq/m 3. Można było jedna zaobserwować, że przez ores ilunasu dni wzrasało, a wsrząs nasąpił po spadu sężenia o ooło 1 Bq/m 3. W ym przypadu rudno mówić 58

59 222 Rn, Bq/m 3 Górnicwo i Środowiso o wyraźnie widocznej orelacji między ieruniem zmian sężeń radonu a energią wsrząsu i momenem, w órym on nasąpił. Wynii uzysane z pozosałych oworów były jeszcze mniej jednoznaczne Wsrząs d Rys. 3. Obserwacje zmian sężeń radonu w poładzie zagrożonym ąpaniami w opalni węgla amiennego: d olejny dzień obserwacji Fig. 3. Changes of radon concenraion in he coal seam endangered by remors in one of Upper Silesian coal mines: d subsequen day of observaions Bardziej obiecujące były wynii obserwacji prowadzonych w opalni miedzi Rudna. Na poligon badawczy wybrano jeden z rejonów na poziomie 1 m, charaeryzujący się dużą aywnością sejsmiczną. Przed rozpoczęciem obserwacji wysępowały w omawianym rejonie wsrząsy o energii 1 6 J. W sropie wyrobis, w dolomicie ponad łupiem miedzionośnym wywiercono pięć oworów badawczych długości ooło 1 m. Zaobserwowano, że mimo niewielich odległości między oworami, uzysane wynii pomiarów różnią się bardzo isonie. Na przyład w jednym z oworów sężenia były sosunowo małe, bo wahały się między 2 a 27 Bq/m 3, a nieznaczne zmiany rudno było orelować z wysępującymi w ym oresie wsrząsami. W innym oworze, w órym obserwacje prowadzono równocześnie z wyżej opisanymi, sężenie radonu było znacznie więsze. Po róim oresie narasania osiągnęło 4 Bq/m 3, po czym nasąpił spade sężenia radonu. W ciągu ooło dwóch ygodni sężenie radonu osiągnęło ooło 2 Bq/m 3 (rys. 4). W ym czasie wysąpiły dwa wsrząsy o energii 1 4 i 1 7 J. Przez ores ooło 3 ygodni sężenie radonu było sabilne i urzymywało się na poziomie 2 Bq/m 3. Po ym czasie znowu zaczęło narasać, osiągając 3 Bq/m 3. W ciągu nasępnych dwóch ygodni sężenie radonu zmalało prawie dwuronie. W ym czasie znowu wysąpiły dwa wsrząsy o energii 1 6 i 1 5 J. Przeanalizowano czynnii, wyróżniające owór, w órym wynii były najbardziej speaularne. Swierdzono, że ponad wszelą wąpliwość wpływ na migrację radonu mają: porowaość i szczelinowaość sał oaczających, zawodnienie. Pewne znaczenie może mieć również ą nachylenia oworu. 59

60 Rn, Bq/m 3 Mining and Environmen wsrząsy Rys. 4. Kolejne dni obserwacji zmian sężenia radonu w opalni miedzi Fig. 4. Changes of radon concenraion and remors in copper mine Omawiany owór wywiercono w srefie dolomiu awernisego, charaeryzującego się specyficznymi właściwościami fizycznymi. W odróżnieniu od dominującego dolomiu zwięzłego, cechował się on dużą porowaością i ruchością, częso był zawilgocony i rozruszony. Właściwości sały uławiały zapewne migrację gazów, dzięi czemu ranspor radonu mógł w ej warswie zachodzić na znaczną odległość. Spade sężeń radonu przed wsrząsem był spowodowany zacisaniem się szczelin wraz ze wzrosem naprężeń w góroworze. Być może wszelie obserwacje sężeń radonu do celów wspomagania prognozy zjawis geodynamicznych powinny być prowadzone w sałach słabo zwięzłych, gdyż w nich sygnał radonowy może być przenoszony na więsze odległości. WNIOSKI W oresie prowadzenia obserwacji, w gazach w poładach węgla w Dolnośląsim Zagłębiu Węglowym mierzone sężenia radonu 222 Rn wahały się w szeroich zaresach od ilu do ooło 1 Bq/m 3. W wielu przypadach odnoowano znaczny spade sężenia radonu przed wyrzuem i wyraźny wzros sężenia po wyrzucie, co dawało nadzieję na opracowanie radonowego wsaźnia wyrzuowego. Swierdzono, że związe między sężeniem radonu a syuacją wyrzuową najlepiej uwidacznia się, jeśli sężenie radonu przedsawiane jes w funcji posępu przoda. Nie swierdzono orelacji między obowiązującymi wsaźniami zagrożenia wyrzuowego (zn. ciśnieniem i desorpcją gazu) a sężeniami radonu. Badania prowadzone w Górnośląsim Zagłębiu Węglowym wyazały, że sężenia radonu w gazach wahają się w zaresach od iluse do ponad 4 Bq/m 3. 6

61 Górnicwo i Środowiso Wyraźny związe między zmianami sężenia radonu a zjawisami geodynamicznymi, jaimi są wsrząsy górnicze, zaobserwowano w opalni miedzi Rudna. Podobnie, ja w przypadu wyrzuów gazów w opalniach dolnośląsich zaobserwowano znaczny spade sężenia radonu przed wsrząsem i wyraźny wzros po wsrząsie. Zawarość radonu w gazach w dużej mierze jes uwarunowana syuacją geologiczno-górniczą. Swierdzono, że paramery fizyczne sał, aie ja sopień ich spęania, uszczelinowacenie i porowaość mają wpływ na szybość i zasięg migracji radonu w góroworze. Waruni echnicznych esploaacji mające wpływ na migracje radonu, o zmiany szybości posępu ściany, a szczególnie jej zarzymania i uruchamiania oraz zmiany ierunów przewierzania ścian, w órych są prowadzone obserwacje. Nie udało się doychczas powiązać zmian sężenia radonu z wysępowaniem zjawis geodynamicznych, aich ja wyrzuy gazów i sał oraz wsrząsy górnicze. Doychczas prowadzone badania dosarczyły dużej liczby danych pomiarowych, ja również przyczyniły się do uściślenia opisu zjawis, mających wpływ na ranspor radonu w góroworze. W przypadu onynuowania badań, nabye doświadczenia sanowić będą podsawę do lepszego ich zaprojeowania, polegającego między innymi na: poprzedzeniu pomiarów rozpoznaniem geologiczno-geofizycznym, pozwalającym na zloalizowanie opymalnych poligonów badawczych, zasosowaniu muliparamerycznej meody pomiarowej umożliwiającej jednoczesny pomiar wielu paramerów (sężenie radonu, ciśnienie, emperaura i inne), zainsalowaniu równocześnie więszej liczby deeorów, co umożliwiałoby porównywanie i uśrednianie danych. Lieraura 1. Hargraves A.J. (1983): Insananeous ouburss of coal and gas, a review. Proceedings of Ausralian Insiue of Mining and Meallurgy No 285, s Kisin J.G. (1982): Ziemljeriasjenija i podziemnyje wody. Moswa, Izd. Naua. 3. Lebeca J. i inni (1988): Zmiany sężenia radonu w gazach poładów wyrzuowych. W: Zasosowania echni radiomerycznych w przemyśle, medycynie i ochronie środowisa, T. 1. Warszawa, IchTiJ, s Lebeca J. i inni (1995): Changes of radon concenraion in gases due o seismic evens caused by mining, Repor of he EU Projec No ERB CIPA CT Kaowice, Główny Insyu Górnicwa. 5. Lebeca J., Mnich K., Lebeci K., Kobiela A. (199): Use of he measuremens of he concenraion of radon in gases in carboniferous sraa for predicion of insananeous ouburss of gas and rocs. Proc. of In. Symp. on Nuclear Techniques in Exploraion and Exploiaion of Energy and Mineral Resources. Vienna, IAEA. 6. Lebeca J., Wysoca M., Chałupni S. (1991): Radon monioring for he predicion of mine ouburss. Second Worshop on Radon Monioring in Radioproecion Environmenal and/or Earh Sciences. Triese, World Scienific Publishing Co.Pye.Ld., s Niolin V.J., Lysiov B.A., Kach W.J.T. (1972): Prognoz wybrosoopasnosi ugolnych i porodnychpasow. Izd. Donbass. 8. Riiae T. (1976): Earhquae predicion developmens in solid earh. Geophysics 9,

62 Mining and Environmen 9. Scholz C., Syes L.R., Aggarwal Y.P. (1973): Earhquae Predicion, a Physical Basis, Science, Vol. 181, s Wyższy Urząd Górniczy w Kaowicach (26): Maeriały na posiedzenie Rady Ochrony Pracy w dniu r. Recenzen: dr inż. Krysyna Sec 62

63 PRACE NAUKOWE GIG GÓRNICTWO I ŚRODOWISKO RESEARCH REPORTS MINING AND ENVIRONMENT Kwaralni Quarerly 4/26 Wialij Soropaci ZALEŻNOŚCI ENERGETYCZNE PRZY ZAPEWNIENIU ISKROBEZPIECZEŃSTWA OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH TYPU RC ZA POMOCĄ UKŁADÓW OCHRONNYCH O NIELINIOWEJ CHARAKTERYSTYCE WYJŚCIOWEJ Sreszczenie Według dyreywy Parlamenu Europejsiego i Rady 94/9/WE (ATEX 1A), poziom isrobezpieczeńswa ia, nie może być uzysany za pomocą sosowania serowanych elemenów półprzewodniowych jao szeregowych ograniczniów prądu. Sosowanie ych elemenów naomias jes dozwolone w posaci równoległych ograniczniów napięcia jao zwierniów zacisów wyjściowych źródła zasilania. Uład ochronny obwodu isrobezpiecznego, zbudowany na ej zasadzie, ma nieliniową charaerysyę wyjściową. Z ej przyczyny aualne saje się badanie efeywności zapewnienia isrobezpieczeńswa uładów ochronnych o nieliniowej charaerysyce wyjściowej z wyorzysaniem zależności energeycznych w oresie przejściowym. W aryule zosało przedsawione o zagadnienie w zaresie analizy wydzielania energii w anale wyładowania elerycznego wsue omuacji awaryjnej ypu zwarcie w obwodzie RC. Do analizy ej energii wyorzysano ila maemaycznych modeli zmiany rezysancji anału wyładowania liniowej i nieliniowych. Swierdzono, że wydajność energeyczna procesu wyładowania, sanowiąca procenowy udział energii elerycznej pochłanianej w anale wyładowania w sosunu do pierwonej energii zgromadzonej w ondensaorze, jes masymalna dla liniowego modelu zmiany rezysancji anału wyładowania elerycznego oraz w począowym oresie procesu wyładowania i przy minimalnej szybości zmiany rezysancji anału wyładowania elerycznego. Efe znaczącej reducji energii pochłanianej w anale wyładowania osiąga się w przypadu sosowania nieliniowego uładu eleronicznego, zwierającego pun isrowego rozładowania ondensaora z ja najrószym opóźnieniem w sosunu do począu powsania procesu rozładowania, przy czym poencjalna warość ej reducji nie przewyższa 5% w przypadu sosowania progowych uładów zabezpieczenia nadprądowego. Wyazano, że rezysor szeregowo włączony w obwód rozładowania ondensaora saje się sueczny, pod względem reducji energii wydzielanej w anale wyładowania, dla warości ego rezysora powyżej 1, przy czym efe reducji nie jes sały dla ondensaorów o różnej pojemności. Z olei, włączenie dodaowego rezysora w przypadu zasosowania nieliniowego uładu ochronnego zmniejsza w sposób wyraźny warość energii elerycznej wydzielanej w anale wyładowania. Isone zmniejszenie ej energii osiąga się już przy warości dodaowego rezysora wynoszącej ila omów. To oznacza, że zasosowanie nieliniowych uładów ochronnych jes orzysniejsze niż z onwencjonalnych liniowych uładów ochronnych, ponieważ w licznych przypadach obecność aiego rezysora o dużej warości oliduje z przeznaczeniem ondensaora, na przyład iedy ondensaor jes wyorzysywany jao elemen filru wygładzającego. Energy relaions a assurance of spar-proofness of RC ype elecric circuis wih he use of proecive sysems wih non-linear oupu characerisics Absrac According o he direcive of European Parliamen and Council 94/9/WE (ATEX 1A), level "i a " of sparproofness, i can no be obained wih he use of applying of seered semiconducing elemens as serial curren limiers. However, applying of hese elemens is permissible in form of volage parallel limiers, as shor circuiing swiches of oupu erminals of power supply. Proecive sysem of sparproof circui, buil according o his rule, possess a non-linear oupu characerisics. Because of his, efficiency 63

64 Mining and Environmen ess of sparproofness assurance using energy relaions for a ransiory period become a live issue for he proecive sysems wih non-linear oupu characerisics. In he paper, his quesion was presened in he scope of analysis of energy releasing in channel of elecric discharge resuling from emergency commuaion of he shor-circui ype in circui RC. Some mahemaical models of channel discharge resisance change, linear and non-linear, were used for analysis of his energy. I was saed ha an energeic efficiency of discharge process, consiuing proporional par of elecric energy absorbed in discharge channel in relaion o prime energy accumulaed in capacior, is maximal for a linear model of resisance change of elecric discharge channel, as well as in an iniial period of discharge process and a minimal rae of resisance change of elecric discharge channel. Effec of significan reducion of energy absorbed in he discharge channel is achieved in he case of applying of non-linear elecronic sysem shor-circuiing he poin of sparle discharge of capacior wihin he shores possible delay in relaion o beginning of rise of he discharging process. A he same ime, he poenial value of his reducion is no higher han 5%, in he case of hreshold sysems applying for excess curren proecion. I was shown, ha resisor included in series in a capacior discharging circui becomes effecive, wih regard o reducion of energy releasing in channel of discharge, for values of is resisance above 1, and he effec of reducion is no consan for capaciors of differen capaciies. Subsequenly, inclusion of an addiional resisor diminishes significanly he value of elecric energy releasing in he channel of discharge in he case of use of he non-linear proecive sysem. Essenial decrease of his energy is achieved already a addiional resisance value of few ohms. This means ha use of non-linear proecive sysems is more advanageous han he use of convenional linear proecive sysems, because in numerous cases he presence of such a resisor of large value inerferes wih a capacior desinaion, for example when he capacior is used as an elemen of smoohing filer. WPROWADZENIE Wśród różnorodnych isrobezpiecznych obwodów elerycznych najbardziej rozpowszechnionymi są obwody RLC, órych cechą charaerysyczną jes poencjalna zdolność do zapłonu mieszanin wybuchowych, a przy wyładowaniu podczas omuacji awaryjnej ypu rozwarcie, ja i przy zwarciu obwodu elerycznego. Jednym ze sposobów zapewnienia isrobezpieczeńswa ych obwodów jes energeyczna izolacja (odłączenie) źródła zasilania w chwili wysąpienia omuacji awaryjnej w obwodzie chronionym. Izolacja energeyczna jes doonywana po przeroczeniu przez prąd w obwodzie elerycznym warości usalonej warunami isrobezpieczeńswa, na przyład przy gwałownym zmniejszeniu obciążenia z powodu zwarcia. Zapewnia o znaczące zwięszenie sprawności źródła zasilania i isrobezpiecznej mocy oddawanej do obciążenia. Według (IEC Ed. 5.), poziom isrobezpieczeńswa i a nie może być uzysany za pomocą serowanych elemenów półprzewodniowych jao szeregowych ograniczniów prądu. Sosowanie ych elemenów jes naomias dozwolone w posaci równoległych ograniczniów napięcia jao zwierniów zacisów wyjściowych źródła zasilania. Z ej przyczyny aualne saje się badanie efeywności zapewnienia isrobezpieczeńswa uładów ochronnych o nieliniowej charaerysyce wyjściowej z wyorzysaniem zależności energeycznych w oresie przejściowym. W aryule zosało przedsawione o zagadnienie w zaresie analizy wydzielania energii w anale wyładowania elerycznego wsue omuacji awaryjnej, ypu zwarcie w obwodzie RC. Do analizy ej energii wyorzysano ila maemaycznych modeli zmiany rezysancji anału wyładowania liniowej i nieliniowych. 64

65 Górnicwo i Środowiso 1. ZALEŻNOŚCI ENERGETYCZNE PODCZAS ISKROWEGO ROZŁADOWANIA KONDENSATORA Kondensaor o pojemności C jes naładowany do napięcia U C. Kondensaor, jao pasywne źródło energii, w warunach rzeczywisych charaeryzuje się własną rezysancją sra i rezysancją upływności. Załóżmy, że ondensaor jes rozładowywany przez własną rezysancję sra r za pomocą isiernia I (rys. 1a). W celu jej uproszczenia przedsawimy isierni w posaci szeregowego połączenia idealnego lucza i rezysancji anału rozładowania R () (rys. 1b). a) b) c) r r r R () R z () R () C I C K C Z K Prąd rozładowania jes równy gdzie δ() jes współczynniiem łumienia Rys. 1. Ułady rozładowania ondensaora Fig. 1. Capacior discharging circuis C ( ) i ( ) UR r e ( (1) ) 1 ( ) (2) r R ( C Warość chwilowa aywnej mocy P (), wydzielonej w anale wyładowania elerycznego, jes równa ) 2 U C R ( ) 2 ( ) ( ) e 2 r R ( ) P (3) Jeżeli założy się, że R () = cons = R, o energia W pochłaniana w anale wyładowania elerycznego jes równa W w w U w C R UC R P ( )d e d 1 e 2 2 r R 2 r R gdzie: ( r R ) C sała czasowa obwodu wyładowania, w przedział czasu wyładowania elerycznego. (4) 65

66 Mining and Environmen Ze wzoru (4) wynia, że dla idealnego ondensaora (r = ) w srajnym przypadu, zn. przy R, sała czasowa obwodu rozładowania w, a energia W dąży 2 do warości energii zgromadzonej w ondensaorze, zn.,5u C C. Ponieważ energia zgromadzona w ondensaorze, jao pasywnym źródle energii elerycznej, jes onieczna, o w < τ. Uwzględniając najbardziej nieorzysny, pod względem isrobezpieczeńswa, ryb rozładowania ondensaora, w celu uproszczenia analizy można założyć, że czas wyładowania elerycznego jes równy sałej czasowej obwodu rozładowania, zn. w = τ. Można więc zapisać W W U 2 r 2 2 C R,43U R 2 C 1 e 2 R r R C (5) Wynii obliczenia zależności W R ) dla ondensaora o pojemności C 1 μf ( i U 12 V zilusrowano wyresami (rys. 2). C, W J C U C 1 6 F 12V R 1, Rys. 2. Wyresy zależności warości energii wyładowania W od rezysancji anału wyładowania R: 1 dla r =,1 ; 2 dla r =,5 ; 3 dla r = 1 ; 4 dla r = 2 ; 5 dla r = 4 Fig. 2. Plos of dependence of discharge energy values W on he resisance R of discharge channel: 1 for r =,1 ; 2 for r =,5 ; 3 for r = 1 ; 4 for r = 2 ; 5 for r = 4 Z rysunu wynia, że przy założeniu najbardziej nieorzysnego pod względem isrobezpieczeńswa procesu wyładowania elerycznego, polegającego na ym że czas wyładowania jes równy sałej czasowej elerycznego obwodu rozładowania, masymalną warość energii elerycznej pochłanianej w anale wyładowania osiąga się przy R r, w odróżnieniu od zasady dopasowania rezysancji obciążenia do wewnęrznej rezysancji aywnego źródła energii elerycznej, celem odbierania masymalnej energii przez obciążenie. W warunach rzeczywisych w < τ ponieważ wyładowanie eleryczne zania przy zmniejszeniu napięcia w puncie wyładowania do oreślonej, progowej warości niezbędnej do podrzymania wyładowania. 66

67 Górnicwo i Środowiso Z olei, rezysancja anału wyładowania w rzeczywisości zmienia się w czasie. Oczywise jes, że dla w obwód eleryczny znajduje się w sanie przejściowym, a przed powsaniem omuacji awaryjnej i po upływie czasu w obwód jes w sanie usalonym. Przy powsaniu zwarcia za pomocą lucza K (rys. 1b) prąd i napięcia w anale rozładowania wynoszą I I I, I ( ),, U U U U U ( ),, C, R R R R ( ) dla dla dla w Charaer zmiany R () dla w nie jes znany. Na rysunu 3 podano ila możliwych warianów przebiegu funcji R () w procesie wyładowania. w (6) a) b) R o R R ( ) R o R o R R ( ) R o e τ w c) d) w R R( ) R o e sin(2 f )e 2 R o R s R R ( ) 2 b R s 1 w R e 2 o b w τ w Rys. 3. Wariany przebiegu funcji R() w procesie wyładowania Fig. 3. Varians of course of funcion R() in he process of discharge Przy liniowej zmianie rezysancji anału wyładowania w czasie (rys. 3a), energia W pochłaniana w ym anale jes równa 1 W 1 w U [ r 2 1 ( ) R ( ) exp 2 R ( )] [ r 2 R ( )] C d (7) gdzie R ( ) R 67

68 Mining and Environmen W przypadu wyładniczego charaeru zmiany rezysancji anału wyładowania (rys. 3b), energia W pochłaniana w anale jes równa 2 W 2 w U [ r 2 2 ( ) R ( ) exp 2 R ( )] [ r 2 R )] C d (8) przy czym w ym przypadu ( ) R exp( a) R W innych przypadach (rys. 3 c i d) W 3 w U [ r 2 3 ( ) R ( ) exp 2 R ( )] [ r 2 R ( )] C d (9) gdzie R ( ) R exp sin 2 f exp. o 2 W 4 w U [ r 2 4 ( ) R ( ) exp 2 R ( )] [ r 2 R ( )] C d (1) gdzie b R ( ) R [exp ] R / 2 1 b. o s 2 We wzorach (7) (1) U i () jes funcją zmiany napięcia w puncie wyładowania elerycznego. Rozwiązanie całe (7) (1) w sposób analiyczny jes zagadnieniem niezwyle złożonym. Z ej przyczyny całi e obliczono w sposób numeryczny z wyorzysaniem aprosymacji rezysancji anału wyładowania elerycznego za pomocą funcji schodowej f ( ). Funcję schodową, odpowiadającą funcji R (), oreśla się jao (Osiowsi 1981) f ( ) R ( n) dla n n 1, n,1, 2... (11) przy czym n dla n n 1, n,1, 2... Funcja schodowa f ( ) jes całowicie oreślona, gdy jes znany ciąg { R n } { R ( n)} warości funcji R () w punach n, n,1, 2... Można zapisać R ( ) R ( ) R 1 n ( ) cons cons cons R R R a na Przy zwięszaniu liczby możliwych warości funcji R () drogą zwięszenia n, funcja ułamowa schodowa zbliża się do funcji aprosymowanej. dla dla dla 1 n 1 2 n 1 (12) 68

69 Górnicwo i Środowiso Warości chwilowe aywnej mocy P () wydzielanej w anale wyładowania elerycznego są równe 1 2 ( n 1) U e ; U e ; ; U e, C U 1 C 1 C U 2 C 1 2 C U ( n-1) C ( n-2) n -1 P ( ) 1 ( r U 2 C R e o 2 1 a) 2 ( R o ) dla 1 P ( ) 1 ( r U 2 C R e o 2 1 a) 2 ( R o ) dla 1 (13) P n ( ) ( r U 2 C n R -1 o e 2 n na) 2 ( R o n ) dla n-1 n gdzie [ r ( Ro )], [ r ( Ro 2 )],, [ r ( R n )] C. 1 C 2 C Energia eleryczna W pochłaniana w ym anale jes równa W, przy czym lub W i U ( r ( R ia) 2 i Ci-1 o τ 2 i e 2 Ro ia) i-1 n o n W i i 1 d, i 1, 2,... n, dla i 1 i (14) 2 2 i 1 2 i U C ( R ) i -1 o i C ( r R i ) C ( r R i ) C W e o e o, i 1, 2,... n, dla i i 1 i (15) 2 ( r R i ) o W o W ablicach 1 4 przedsawiono wynii obliczeń warości energii W (α), wydzielanej w anale wyładowania elerycznego oraz wydajności procesu wyładowania, ( ) [2 / U 2 C C ] 1 %, odpowiadającej procenowemu udziałowi energii elerycznej pochłanianej w anale wyładowania w sosunu do pierwonej energii zgromadzonej w ondensaorze, w zależności od parameru α dla różnych przebiegów zmiany rezysancji anału wyładowania. 69

70 Mining and Environmen Tablica 1. Warości energii W(a), wydzielanej w anale wyładowania oraz wydajności (a) w zależności od parameru a, przy zmianie rezysancji anału wyładowania według funcji przedsawionej na rysunu 3a U c C, F 12 V r =,1 R o = 1 5 R ( ) Ro a, /s W, J 7, , , , , , , ,93 1-6, % 99,9 99,9 99,7 99,5 95,4 72,3 29,9 6, W, J 7, , , , , , , ,15 1-6, % ,9 99,5 95,4 72,3 29,9 6,84 1, W, J 7, , , , , , , ,14 1-5, % ,3 29,9 6,84 1,13, W, J 72, , , , , , , ,21 1-5, % 99,5 99,4 72,3 29,9 6,84 1,13,16,2 Tablica 2. Warości energii W(a), wydzielanej w anale wyładowania oraz wydajności (a) w zależności od parameru a, przy zmianie rezysancji anału wyładowania według funcji przedsawionej na rysunu 3b U c C, F 12 V r =,1 R o = 1 5 R ( ) Ro exp( ) a, /s W, J 5, , , , , , , ,89 1-6, % 78,6 5,9 3,8 2,1 14,4 11,1 8,96 6,8 1-5 W, J 3, , , , , , , ,23 1-5, % 5,9 3,8 2,1 14,4 11,1 8,96 6,8 1, W, J 2, , , , , , , , % 3,8 2,1 14,4 11,1 8,96 6,81 1,73, W, J 14, 1-3 1, 1-3 8, , , , ,43 1-5, % 2,1 14,4 11,1 8,96 6,81 1,73,19,2 Tablica 3. Warości energii W(a), wydzielanej w anale wyładowania oraz wydajności (a) w zależności od parameru a, przy zmianie rezysancji anału wyładowania według funcji przedsawionej na rysunu 3c C, F U c 12 V r =,1 R o = 1 5 R ( ) Ro exp sin 2 f exp 2 a, /s ,18 1 W, J f, Hz 3, , , , , , , , , , , , , , , ,9 53,1 31, 2,1 14,4 11,1 8,96 6,8, % f, Hz 1 67,2 63, ,1 14,4 11,1 8,96 6, ,58 1 W, J f, Hz 2, , , , , , , , , , , , , , , ,6 32,6 2,2 14,4 11,1 8,96 4,99 1,71, % f, Hz 1 53,9 32,6 2,6 14,4 11,1 8,96 4,99 1, ,35 1 W, J f, Hz 1, , , , , , , , , , , , , , , ,7 2,6 14,4 11,1 8,96 6,81 1,72,19, % f, Hz 1 32,2 2,2 14,4 11,1 8,96 6,81 1,72, , 1 W, J f, Hz 1, 1-3 7, , , , , , , 1-3 1, 1-3 7, , , , , , ,3 14,5 11, 8,96 6,8 1,73,14,7, % f, Hz 1 2,3 14,5 11, 8,96 6,8 1,73,14,7 7

71 Górnicwo i Środowiso Tablica 4. Warości energii W(a), wydzielanej w anale wyładowania oraz wydajności (a) w zależności od parameru a, przy zmianie rezysancji anału wyładowania według funcji przedsawionej na rysunu 3d U c C, F 12 V r =,1 R o = 1 5 R s = 1 4 b R ( ) R [exp ] R / 2 1 o s a, /s W, J 5, , , , , , , ,58 1-5, % 78,3 89,2 9,2 91,4 91,4 91,4 91,4 91,4 1-5 W, J 5, , , , , , , ,49 1-4, % 72,4 87,6 89,6 89,8 9,2 9,2 9,2 9,2 1-4 W, J 4, , , , , , , ,15 1-3, % 61,6 82,4 84,2 84,6 84,6 85,2 85,4 85,4 1-3 W, J 4, , , , , , , ,24 1-2, % 56,6 68,2 7,1 72,2 72,6 72,7 72,8 72,8 Można swierdzić, że symulacja anału wyładowania elerycznego z wyorzysaniem funcji liniowej R ( ) R zapewnia masymalną warość energii elerycznej pochłanianej w anale wyładowania, zn. najbardziej nieorzysny, pod względem isrobezpieczeńswa, proces przejściowy. Wydajność energeyczna procesu wyładowania η, odpowiadająca procenowemu udziałowi energii elerycznej pochłanianej w anale wyładowania w sosunu do pierwonej energii zgromadzonej w ondensaorze, jes masymalna dla modelu liniowego zmiany rezysancji anału. Badania charaeru i paramerów wyładowań prowadziło wielu nauowców, a pierwsze modele maemayczne przesrzeni międzyelerodowej w procesie wyładowania elerycznego sworzyli Kravcheno (Kravcheno i inni 1976) i Grzywa (1969). W modelu liniowym przesrzeni międzyelerodowej (Osiowsi 1981) przyjęo założenie, że prąd w czasie rozwierania maleje, naomias w modelu przedsawionym w publiacji (Kravcheno i inni 1976) że w oresie przerywania prądu powierzchnia syu zmniejsza się liniowo do zera. Można swierdzić, że symulacja rezysancji anału wyładowania elerycznego podczas zwarcia w obwodzie RC, za pomocą funcji liniowej, w sopniu masymalnym jes zbliżona do realnego procesu wydzielania energii w ym anale, zapewnia najprossze obliczenia inżyniersie w analiycznej ocenie isrobezpieczeńswa i będzie wyorzysana w dalszych rozważaniach. Należy również podreślić, że przy rozładowaniu ondensaora energia eleryczna W pochłaniana w anale wyładowania jes masymalna w przypadu małej szybości zmiany rezysancji ego anału, w począowym oresie procesu wyładowania, zn. iedy R ( ) r. A więc, rezysancja własnych sra ondensaora ma nieisony wpływ na warość energii pochłanianej w anale wyładowania. Energię ę można zmniejszyć za pomocą szeregowego włączenia rezysora ograniczającego. Warość ego rezysora powinna być oreślana w ażdym onrenym przypadu, w zależności od pojemności ondensaora C, jego przeznaczenia i napięcia U C. Na przyład, włączenie szeregowego rezysora o warości od,1 do 1 nie zmniejsza w sposób wyraźny warości energii oddawanej do anału wyładowania elerycznego ondensaorem o pojemności 1 F. W ym przypadu 2 b α 71

72 Mining and Environmen isone zmniejszenie ej energii osiąga się dla dodaowego rezysora o warości powyżej iludziesięciu. Powierdziły o pomiary esperymenalne wyonane z wyorzysaniem dwuanałowego cyfrowego oscylosopu Teronix TDS532B (rys. 4). R ogr A C P R p I O u 2 ( ) u 1 ( ) Rys. 4. Schema pomiaru energii elerycznej wydzielanej w anale wyładowania: ŹZ źródło zasilania, UO uład ochronny, I isierni, O oscylosop, A aumulaor, P przełączni, C ondensaor Fig. 4. Layou of measuremen of elecric energy releasing in a channel of discharge: ŹZ power supply, UO proecive sysem, I spar gap, O oscilloscope, A accumulaor, P swich, C capacior Warość energii elerycznej W wydzielonej w anale wyładowania elerycznego jes równa W W 1 τ R p u1 ( ) u2( ) d (16) gdzie R p warość rezysora pomiarowego (pożądana jes możliwie najmniejsza, wyniająca z masymalnej czułości oscylosopu). Na rysunu 5 przedsawiono rzywe charaeryzujące zależność warości energii W wydzielonej w anale wyładowania elerycznego od warości rezysora ograniczającego R org, dla różnych pojemności ondensaora C i warości napięcia naładowania U C. 1-3 W, J R ogr, Rys. 5. Energia Rys. wydzielana 5. Energia w anale wydzielana wyładowania w anale elerycznego wyładowania W dla elerycznego różnych warości dla rezysora różnych ograniczającego Rogr: 1 C = 1 warości F, U rezysora = 12 V; 2 ograniczającego C = 1 F, C U = 12 V; 3 C = 1 F, C U U = 12 V; 4 C = 1 F, C c U U = 24 V C 1 C =1 F, =12V; 2 C =1 F, c =12V; Fig. 5. Energy releasing in a channel U of elecric discharge Ww for c U differen values of resricive resisor Rogr: 3 C =1 F, =12V; 4 C =1 F, c 1 C = 1 F, =24V; U = 12 V; 2 C = 1 F, U = 12 V; 3 C = 1 F, U = 12 V; 4 C = 1 F, U = 24 V C C C C 72

73 Górnicwo i Środowiso 3. ZALEŻNOŚCI ENERGETYCZNE PODCZAS ISKROWEGO ROZŁADOWANIA KONDENSATORA W OBECNOŚCI UKŁADU OCHRONNEGO TYPU ZWIERNIK Jeżeli założy się, że ondensaor jes rozładowywany przez równolegle połączone lucz K, symulujący pun omuacji awaryjnej (zwarcie) i drugi lucz Z (zwierni), symulujący uład ochronny o nieliniowej charaerysyce wyjściowej (rys. 1c), o przy aim uproszczeniu prąd rozładowania jes równy U C ( ) i ( ) e (17) R ( ) gdzie R r () rezysancja sumaryczna obwodu rozładowania ondensaora a współczynni łumienia () jes równy ( ) 1/ R ( ) C. r R ( ) Rz ( ) R ( ) r (18) r R ( ) R ( ) z r Celowe jes, aby więsza część energii elerycznej zgromadzonej w ondensaorze C była wydzielona na rezysancji R z (). Warość ej energii jes zależna od sosunu η = R ()/R z () i od czasu zadziałania uładu ochronnego τ o, licząc od chwili zadziałania lucza K, zn. od chwili powsania omuacji awaryjnej. A priori można swierdzić, że w przypadu iedy R () = R z (), o warości energii wydzielonej na rezysancji R () i R z () są równe, zn. że warość energii wydzielonej w anale wyładowania elerycznego będzie o połowę mniejsza w porównaniu z przypadiem rozładowania ondensaora bez uładu ochronnego w posaci zwiernia Z (rys. 1b). W rzeczywisości nie jes możliwe naychmiasowe zadziałanie uładu ochronnego w chwili powsania omuacji awaryjnej, zn. że lucz Z, symulujący zwierni, zawsze będzie realizował zwarcie z opóźnieniem τ o, w sosunu do lucza K. Przyczyna wysępowania opóźnienia τ o wynia z fizyi działania półprzewodniowego lucza jao zwiernia, óry przechodzi w san nasycenia w chwili przeroczenia na rezysorze pomiarowym warości spadu napięcia progu zaporowego złącza brama aoda (zw. napięcia wyzwalającego) elemenu półprzewodniowego, ranzysora lub yrysora. W warunach rzeczywisych dla więszości elemenów półprzewodniowych warość napięcia wyzwalającego mieści się w zaresie od,4 do 1,5 V w emperaurze ooczenia 2ºC. Napięcie w anale rozładowania U () podczas wyładowania elerycznego zmienia się jao U C R ( ) ( ) Rz U ( ) exp ( ) (19) r[ R ( ) R ( )] R ( ) R ( ) z Energia W pochłaniana w anale wyładowania elerycznego jes równa z 73

74 W Mining and Environmen 2 w 2 R ( ) Rz ( ) U exp 2 ( ) 2 (2) r[ R ( ) R ( )] R ( ) R ( ) C d z z Jeżeli założy się, że można zapisać (rys. 6b) R ( ) R i R ( ) R α ( ) (rys. 4a), wedy z z z o a) b) R ( ), R ( ) z R ( ) z R ( z z o ) R r ( ) R ( ) R τ o Rys. 6. Symulacja przebiegów funcji R(), Rz() i Rr() w procesie wyładowania elerycznego Fig. 6. Simulaion of courses of funcions R(), Rz() and Rr() in he process of elecric discharge τ o R ( ) r R ( ) r R ( ) ( R ( R R )[ R ) z [ R z z ( z ( )] )] dla dla o o w (21) Na rysunu 7 przedsawiono wyresy charaeryzujące zależność wydajności 5 procesu wyładowania η od parameru τ o, dla R R 1 o z o, a z 1 5 /s oraz dla różnych pojemności ondensaora C. 1, % ,1 Rys. 7. Zależność wydajności procesu wyładowania elerycznego η od parameru o: 1 dla C = 1 7 F, 2 dla C = 1 6 F, 3 dla C = 1 5 F Fig. 7. Dependence of efficiency η of he process of elecric discharge on a parameer o: 1 for C = 1 7 F, 2 for C =1 6 F, 3 for C = 1 5 F,1 τ o, s 74

75 Górnicwo i Środowiso Wynia sąd, że w przypadu więszej pojemności ondensaora C warość opóźnienia o nie ma isonego wpływu na wydajność procesu wyładowania elerycznego, jeżeli o << w. Przy ym warość energii wydzielonej w anale wyładowania elerycznego nie przewyższa 5% warości energii zgromadzonej w ondensaorze. Należy podreślić, że sosowanie dodaowego rezysora, szeregowo włączonego w obwód rozładowania ondensaora, w przypadu zasosowania nieliniowego uładu ochronnego, nie zmniejsza w sposób wyraźny warości energii oddawanej do anału wyładowania elerycznego. Isone zmniejszenie ej energii osiąga się w przypadu zasosowania dodaowego rezysora o warości powyżej iludziesięciu. To oznacza, że sosowanie nieliniowych uładów ochronnych jes orzysniejsze od onwencjonalnych liniowych uładów ochronnych, ponieważ w licznych przypadach obecność aiego rezysora oliduje z przeznaczeniem ondensaora, na przyład iedy ondensaor jes wyorzysywany jao elemen filru wygładzającego. PODSUMOWANIE W odróżnieniu od zasady dopasowania impedancji obciążenia do wewnęrznej impedancji aywnego źródła energii elerycznej, w celu uzysania masymalnej sprawności przeazywania energii, przy isrowym rozładowaniu ondensaora masymalna warość energii elerycznej pochłanianej w anale wyładowania (zn. w przesrzeni międzyelerodowej) osiąga się, iedy warość rezysancji anału wyładowania wieloronie przewyższa wewnęrzną rezysancję sra ondensaora. Wydajność energeyczna procesu wyładowania, sanowiąca procenowy udział energii elerycznej pochłanianej w anale wyładowania w sosunu do pierwonej energii zgromadzonej w ondensaorze, jes masymalna na począu procesu wyładowania przy minimalnej szybości zmian rezysancji anału wyładowania, a aże dla liniowego modelu zmiany rezysancji anału wyładowania elerycznego. Rezysor szeregowo włączony w obwód rozładowania ondensaora saje się sueczny, pod względem reducji energii pochłanianej w anale wyładowania, przy warości powyżej dziesięciu omów, przy czy efe reducji nie jes sały dla ondensaorów o różnej pojemności. Sosowanie dodaowego rezysora naomias, szeregowo włączonego w obwód rozładowania ondensaora, w przypadu zasosowania nieliniowego uładu ochronnego, zmniejsza w sposób wyraźny warość energii oddawanej do anału wyładowania elerycznego. Isone zmniejszenie ej energii osiąga się już dla warości dodaowego rezysora ila omów. To oznacza, że zasosowanie nieliniowych uładów ochronnych jes orzysniejsze niż onwencjonalnych liniowych uładów ochronnych, ponieważ w licznych przypadach obecność aiego rezysora o dużej warości oliduje z przeznaczeniem ondensaora, na przyład iedy ondensaor jes wyorzysywany jao elemen filru wygładzającego. Znaczący efe reducji energii pochłanianej w anale wyładowania osiąga się w przypadu sosowania nieliniowego uładu eleronicznego, zwierającego pun isrowego rozładowania ondensaora z ja najrószym opóźnieniem w sosunu do rozpoczęcia procesu rozładowania. Poencjalna warość ej reducji nie przewyższa 5% w przypadu sosowania progowych uładów zabezpieczenia nadprądowego. 75

76 Mining and Environmen Lieraura 1. Grzywa A. (1969): Obwody isrobezpieczne w uładach auomayi górniczej. Praca Nau.-Bad. Gliwice, ZKMPW. 2. IEC Ed. 5.: Elecrical apparaus for explosive gas amospheres. Par 11: Inrinsic safey i. 3. Kravcheno V.S., Sierov V.I., Jerygin A.T., Pogorelsi A.E. (1976): Isrobezopasnos eliericzesich ciepiej. Moswa, Izdaielswo Naua. 4. Osiowsi J. (1981): Zarys rachunu operaorowego. Warszawa, Wydaw. Nauowo- -Techniczne. Recenzen: dr inż. Sanisław Trzciona 76

77 PRACE NAUKOWE GIG GÓRNICTWO I ŚRODOWISKO RESEARCH REPORTS MINING AND ENVIRONMENT Kwaralni Quarerly 4/26 Adam Smolińsi, Naalia Howaniec, Krzyszof Sańczy METODY BADANIA REAKTYWNOŚCI WĘGLA W PROCESACH SPALANIA I ZGAZOWANIA Sreszczenie Świaowa producja energii elerycznej bazuje na zasosowaniu paliw sałych, płynnych i gazowych. W Polsce, zajmującej czołowe miejsce pod względem producji węgla amiennego w Europie, 65% zaporzebowania energeycznego zaspoajane jes z wyorzysaniem ego właśnie surowca. Węgiel amienny poddawany jes przeróbce głównie w procesach spalania i zgazowania. Na całym świecie nieusannie dąży się do udosonalania echnologii wywarzania energii elerycznej przez poprawę sprawności insalacji przemysłowych, przy jednoczesnym uwzględnieniu aspeów środowisowych, aich ja na przyład reducja zanieczyszczeń powierza w wyniu minimalizacji emisji gazów cieplarnianych, powsających w procesie spalania. Głównym produem procesu zgazowania węgla jes gaz synezowy, znajdujący wiele zasosowań przemysłowych, zwłaszcza w synezie chemicznej (w ubiegłym suleciu była o głównie syneza produów chemicznych do wywarzania paliw silniowych). Zarówno w przypadu spalania, ja i zgazowania węgla, pierwszym eapem procesu jes, rwająca ułami seundy, piroliza, czyli proces ermicznego rozładu węgla, órej produami są średnioaloryczny gaz, ciełe węglowodory oraz sała pozosałość arboniza. Jednym z paramerów charaeryzujących węgiel oraz powsający w wyniu jego pirolizy arboniza, pod względem efeywności zasosowań w procesach przemysłowych, jes reaywność. Oreśla ona zdolność węgla lub produów jego przewórswa do przemian ermochemicznych w procesach spalania bądź zgazowania i jes zależna od wielu czynniów, między innymi od: zawarości części lonych, popiołów, sopnia uwęglenia wyjściowego węgla oraz warunów przeobrażeń fizyochemicznych, jaim podlega węgiel podczas pirolizy. Bra jes obecnie znormalizowanych meod badania reaywności węgla lub orzymanych z niego arbonizaów z uwagi na różnorodność warunów prowadzenia procesów i sosowanych meod zgazowania i spalania węgla oraz bra prosej meodyi laboraoryjnej. W aryule, na podsawie danych lieraurowych, opisano meody badania reaywności węgli lub arbonizaów z zasosowaniem: analizaorów ermograwimerycznych (TGA), reaorów DTR (Field s Drop Tube Reacor), reaorów ze złożem sałym (Fixed Bed Reacor), reaorów ze złożem fluidalnym (Fluidized Bed Reacor FBR), bomb alorymerycznych, reaorów WRB (Wire Mesh Reacor) oraz reaorów HRR (Ho Rod Reacor), ze wsazaniem zale i wad ażdej z nich. Mehods of coal reaciviy deerminaion in combusion and gasificaion processes Absrac The world s power producion is based on solid, liquid and gaseous fuels. In Poland, being he leading European hard coal producer, 65% of energy needs depends on his solid fuel. Hard coal is processed mainly in combusion and gasificaion sysems. The world s rend is he coninuous upgrading of power producion echnologies by improvemens in he effeciveness of he indusrial sysems, while aing ino accoun he environmenal aspecs, lie e.g. reducion of green house gases emission from combusion sysems. The main produc of gasificaion is synhesis gas, widely applied in indusry, especially in indusrial synhesis (during he las cenury mainly in he synhesis of chemical producs for smolin@gig.aowice.pl 77

78 Mining and Environmen engine fuels producion). The firs sage of boh: he gasificaion and combusion processes is pyrolysis lasing fracions of a second process of hermal decomposiion of coal, resuling in producion of medium calorific gas, liquid hydrocarbons and solid residue chars. One of he parameers describing coal and is chars in erms of heir effeciveness in indusrial processes is heir reaciviy. The reaciviy deermines an abiliy of coal and coal processing producs o undergo hermochemical ransformaions in combusion and gasificaion processes and depends on many facors, lie chemical composiion of coal and chars: conen of volailes, ashes and carbon, as well as he erms under which he physical and chemical changes during pyrolysis ae place. The reaciviy is no esed on a sandardized basis, mainly because of he wide variey of reacion erms and mehods of combusion and gasificaion used and lac of simple laboraory esing mehod. In he paper, shor characerisics of reacors depiced in he lieraure as used in reaciviy esing, such as: hermogravimeric analyzers (TGA), Field s Drop Tube Reacors (DTR), Fixed Bed Reacors, Fluidized Bed Reacors (FBR), Calorimeric Bombs, Wire Mesh Reacors (WMR) and Ho Rod Reacors (HRR) are presened. 1. DEFINICJA I KRÓTKA CHARAKTERYSTYKA REAKTYWNOŚCI Pod pojęciem reaywności węgla rozumie się jego zdolność do reacji z subsraem, aim ja: para wodna, len lub dwulene węgla. Reaywność oreśla szybość reacji i decyduje o sprawności procesu spalania lub zgazowania, a co za ym idzie o rodzaju ubocznych produów procesu (możliwości wyorzysania odpadów poprocesowych, emisji lenów azou z procesu spalania ip.), sanowi więc paramer niezwyle przydany z uwagi na projeowanie i esploaację przemysłowych uładów spalania i zgazowania węgla (Sańczy 1989). Jes ona mierzona szybością przebiegu reacji w ściśle usalonych warunach, zn. oreśla zdolność węgla lub arbonizau do przemian ermochemicznych w procesach spalania lub zgazowania (Shaw, Beamish, Rodgers 1997) R 1 m gdzie m i m oreślają odpowiednio masę począową i masę chwilową próbi, dm naomias oreśla ubye masy przy sopniu onwersji węgla równym 5%. d Reaywność R jes wyrażana w mg h 1, mg 1 lub h 1. Sopień onwersji X, podawany w procenach, wyraża się nasępującym wzorem dm d (1) m m X 1 (2) m Bardzo częso są sosowane inne oreślenia reaywności, aie ja zależność sopnia onwersji węgla lub arbonizau od czasu, zależność sopnia onwersji węgla od emperaury (w warunach nieizoermicznych) oraz emperaury spalania (emperaura począowego ubyu masy węgla, emperaura masymalnej szybości ubyu masy węgla oraz emperaura całowiego ubyu masy węgla). Reaywność jes oreślana aże na podsawie pomiaru sężenia gazów powsających w procesach spalania lub zgazowania węgla (Essenhigh 1981; Luo i inni 21). 78

79 Górnicwo i Środowiso Na reaywność ma wpływ wiele czynniów. Piroliza, będąca pierwszym eapem zgazowania węgla, ma duży wpływ na reaywność powsającego arbonizau ze względu na zachodzące podczas niej zmiany w jego sładzie elemenarnym: zmniejszenie zawarości lenu i wodoru, przy wzrasającej zawarości węgla oraz ubywaniu heeroaomów, aich ja azo i siara, od órych jes uzależnione worzenie się miejsc aywnych na powierzchni arbonizau. W wyniu ogrzewania węgla zmienia się jego powierzchnia wewnęrzna. Zmiany e związane są bezpośrednio z rodzajem badanego węgla (węgle wydymające, niewydymające, pęczniejące), ja i ze sopniem jego uwęglenia. Powsawaniu arbonizau owarzyszy wzros powierzchni właściwej ziarna na sue worzenia się porów w czasie usuwania części lonych, a nasępnie zmniejszanie się powierzchni na sue urczenia się ziaren. Orzymany arboniza ma więszą powierzchnię właściwą niż węgiel, jedna odznacza się mniejszą reaywnością, gdyż jej warość zależy przede wszysim od powierzchni aywnej, óra jes bezpośrednio dosępna w procesie spalania bądź zgazowania. Możliwe jes oreślenie zależności między reaywnością orzymanego arbonizau a sopniem uwęglenia węgla. Im niżej uwęglony węgiel wyjściowy ym reaywność orzymanego z niego arbonizau jes więsza. Taarada, Tamai i Tomia (1985) swierdzili, że dla arbonizaów orzymanych z węgli, w órych zawarość węgla pierwiasowego C jes więsza od 78%, obserwowana reaywność jes sosunowo nisa. Nie bez znaczenia pozosaje wpływ zawarości części nieorganicznych w węglu na reaywność arbonizaów orzymywanych z ligniów i subbiumiów, órych odmineralizowanie prowadzi do zmniejszenia reaywności ich arbonizaów. W przypadu węgli amiennych aiej zależności nie obserwuje się (Linares-Solano, Mahajan, Waler 1979; Van Hee, Muhlen 1985). Kolejnym czynniiem wpływającym na reaywność arbonizau jes emperaura pirolizy, órej wzros powoduje zmniejszenie reaywności, na sue więszego uporządowania płaszczyzn elemenarnej jednosi sruury węgla i związanym z ym zmniejszeniem liczby heeroaomów, a co za ym idzie zmniejszeniem liczby miejsc aywnych. Różnice w reaywnościach arbonizaów maleją wraz ze wzrosem onwersji. Przy onwersji równiej 5% i więszej arbonizay orzymane w różnej emperaurze wyazują zbliżoną reaywność. Tłumaczy się o faem posiadania przez nie w przybliżeniu ej samej liczby miejsc aywnych i aiej samej porowaości. Czas reacji pirolizy, w podobny sposób ja emperaura, zmniejsza reaywność arbonizau. Swierdzono zmniejszenie reaywności arbonizau w ciągu pierwszych ilu minu reacji w wysoiej emperaurze (1ºC), a nasępnie sabilizację jej warości na najniższym poziomie przez dłuższy czas rwania pirolizy (Van Hee, Muhlen 1985). Z olei amosfera, w órej powsają arbonizay, nie ma w zasadzie wpływu na ich reaywność (Sharma, Sulimma, Van Hee 1986), w przeciwieńswie do szybości ogrzewania i rozmiarów ziaren arbonizau. Oazało się, że im więsza szybość ogrzewania i im mniejszy rozmiar ziarna, ym reaywność arbonizau jes więsza. 79

80 Mining and Environmen Tłumaczy się o faem powsawania, przy dużych prędościach ogrzewania, licznych pęnięć w ziarnach arbonizau, co powoduje zwięszenie oncenracji miejsc aywnych oraz bra reacji nasępczych. 2. METODY BADANIA REAKTYWNOŚCI Obecnie bra jes znormalizowanych meod badania reaywności węgli lub produów jego przewórswa, ze względu na różnorodność warunów prowadzenia procesów spalania i zgazowania, bra prosej meodyi laboraoryjnej oraz praycznej meody inerpreacji wyniów prowadzonych esów. W celu zapewnienia porównywalności wyniów pomiarów reaywności węgli i produów ich przewórswa, prowadzonych różnymi meodami i w różnych warunach procesowych (obróba wsępna węgli: na przyład wsępne ulenienie, emperaura, czas, amosfera, ciśnienie, prędości ogrzewania w procesie pirolizy/spalania/zgazowania id.) proponuje się (Żelowsi 21) sosowanie jednaowo zdefiniowanych warunów oreślanych jao: 1) inensywność spalania gdzie: u ubye masy czysego węgla, g/s; m C masa czysego węgla, g; A powierzchnia reacji, m 2. u dm C A q, g/s (3) d 2) szybość spalania powierzchniowego q [g/m 2 s], będąca miarą ubyu palnej masy na jednosę powierzchni reacji, zależną od szybości reacji chemicznej q in (reaywności paliwa, warunów spalania, sężenia lenu P O2 [Pa] i emperaury T [K] w srefie reacji) oraz szybości reacji dyfuzji lenu do powierzchni reacji q dyf.. Z założenia równości między szybościami reacji q, q in i q dyf wynia zależność: q m C dyf D PO2(gaz) PO2( A) i q in PO2( A) Kin (4) mo2 qdyf qin Kin PO2(gaz) (5) gdzie: K in exp E RT ; D współczynni dyfuzji, g/m 2 s Pa; współczynni sałej szybości reacji chemicznej, g/m 2 s Pa; D 8

81 Górnicwo i Środowiso P O2,g/A ciśnienie parcjalne lenu odpowiednio: w fazie gazowej/na powierzchni ziarna, Pa; E energia aywacji, J/mol; K in sała szybości reacji chemicznej, g/m 2 s Pa; sałe ineyczne i E obliczone na podsawie danych esperymenalnych oreślają reaywność badanej próby. 3. UKŁADY DO BADAŃ REAKTYWNOŚCI WĘGLI LUB PRODUKTÓW PROCESÓW ICH PRZETWÓRSTWA Wśród najczęściej sosowanych uładów do pomiaru reaywności, órych róą charaerysyę podano poniżej, są wymieniane: analizaor ermograwimeryczny (TGA), reaor DTR (Field s Drop Tube Reacor), reaor ze złożem sałym (Fixed Bed Reacor), reaor ze złożem fluidalnym (Fluidized Bed Reacor FBR), bombę alorymeryczną, reaor WRB (Wire Mesh Reacor) oraz reaor HRR (Ho Rod Reacor). Analizaor ermograwimeryczny TGA Na podsawie analizy ermograwimerycznej oreśla się zmiany masy próbi, zachodzące podczas jej równomiernego ogrzewania, na sue reacji rozładu, uray subsancji lonych, bądź w wyniu reacji z oaczającą amosferą (Carpener, Sorupsa 1993; Shaw, Beamish, Rodgers 1997; Szczepania 1996). Na analizę ermograwimeryczną nie mają wpływu przemiany fazowe, związane z opnieniem próbi bądź rysalizacją, a więc e przemiany, óre nie powodują zmiany jej masy. Na szybość zmiany masy decydujący wpływ ma emperaura, z órej wzrosem jes związany wzros szybości zachodzących zmian chemicznych. W przypadu ciał sałych częściej mówi się o sopniu przereagowania, óry w przypadu reacji pierwszego rzędu można opisać nasępująco dα d K in gdzie: K in sała szybość reacji w danej emperaurze, (1 ) ilość próbi pozosałej po reacji. Jes o równanie Arrheniusa, óre wiąże ze sobą sałą szybość reacji, energię aywacji i emperaurę. Przedsawiając o równanie w posaci logarymicznej orzymuje się zależność liniową (1 α) (6) E 1 lnk in ln (7) R T Z powyższych równań wynia, że wzros emperaury powoduje wyładniczy wzros sałej szybości reacji. Próba poddawana analizie ermograwimerycznej jes ogrzewana najczęściej z szybością 1ºC/min. Nie jes przy ym możliwe oreślenie 81

82 Mining and Environmen doładnej emperaury rozładu, w związu z czym zwyle jes podawany zares emperaury, w órym dana zmiana zachodzi. Schema lasycznego analizaora ermograwimerycznego przedsawiono na rysunu 1. waga eleroniczna (1) jednosa serująca wagą (2) wlo gazu (3) piec (4) próba (5) programaor (6) ermopara (7) wylo gazu (8) rejesraor + ompuer (9) 1. elecronic balance 2. elecronic balance conrol uni 3. gas inle 4. oven 5. sample 6. programmer 7. hermocouple 8. gas oule 9. recorder and compuer Rys. 1. Schema lasycznego analizaora ermograwimerycznego TGA Fig. 1. Schemaic diagram of classic Thermogravimeric Analyzer Shaw, Beamish i Rodgers (1997), przedsawiając możliwości użycia meody ermograwimerycznej do badań reaywności arbonizau, zwrócili szczególną uwagę na paramery, óre muszą zosać spełnione, by pomiar reaywności był nie ylo poprawny, ale i umożliwiał porównywanie reaywności arbonizaów orzymanych z różnych węgli (Carpener, Sorupsa 1993; Smyaz-Kloss 1974). Wśród ych paramerów wymieniali: masę próbi, wielość badanych ziaren, rodzaj gazów reacyjnych oraz emperaurę badania reaywności węgli. Paramery e muszą być sałe i niezmienne dla wszysich badanych próbe węgli. Zgodnie z pracami Hippo i Walera (1975), wraz ze zmniejszaniem masy próbi, obserwowano wzros reaywności, przy czym jej warość była sała w zaresie od 2 do 6 mg i zmniejszała się wraz ze wzrosem masy próbi powyżej 6 mg. Sposób posępowania w celu zbadania reaywności arbonizaów orzymanych z badanych węgli meodą TGA można znaleźć w pracy Shawa, Beamisha i Rodgersa (1997). Był on nasępujący: w ygielu playnowym umieszczano 15,5+/,1 mg węgla. Nasępnie próbę ogrzewano w amosferze azou do emperaury 11ºC z prędością ogrzewania 5ºC/min. Próba była pozosawiana w ej emperaurze przez 5 min, w celu usunięcia wilgoci, órej zawarość w próbce obliczono z różnicy masy próbi wyjściowej i po suszeniu. Drugi eap badania polegał na ogrzewaniu próbi, z szybością 5ºC/min w amosferze azou, do emperaury 9ºC, w órej próba była pozosawiana przez 1 min, co zapewniało usunięcie części lonych. Pozosałość o sałej masie (arboniza) była nasępnie schładzana do emperaury 82

83 Górnicwo i Środowiso 5ºC, po czym do pieca wprowadzano gazy reacyjne: powierze lub dwulene węgla. Badanie reaywności przy użyciu suchego powierza prowadzono w emperaurze 5 i 9ºC, naomias w przypadu dwulenu węgla w emperaurze 9 i 11ºC. Zmiany masy mierzono w funcji czasu. Zawarość popiołu była równa masie pozosałości w ygielu po całowiym przereagowaniu próbi z gazem. Procedura a pozwalała na przeprowadzenie przybliżonej analizy echnicznej oraz zbadanie reaywności węgli podczas jednego esu. Oba esy (z suchym powierzem i dwuleniem węgla) doprowadziły do orzymania aiej samej ilości popiołów pozosających w ygielu po reacji (współczynni orelacji wynosił,98). Tesy z próbami węgla były poprzedzone esem, w órym zosały wyonane wszysie opisane wyżej roi dla pusego ygiela. Warości danych uzysane w ym eście były odejmowane od odpowiednich warości orzymanych w esach z próbami węgla. Masymalny ubye węgla z arbonizau oraz masymalna zawarość wilgoci i subsancji lonych w węglu były oreślane na podsawie różnicowej rzywej ermograwimerycznej (DTG), będącej pierwszą pochodną rzywej TGA, gdyż wielość i naładanie się reacji zachodzących w próbce podczas ogrzewania urudniały oreślenie zaresu emperaury i sra masy podczas poszczególnych reacji. Reaor DTR Reaor DTR jes zbudowany z pionowej, elerycznie ogrzewanej omory spalania, zasilanej gazem o oreślonej zawarości lenu, podgrzewanym wsępnie do emperaury panującej w omorze spalania (rys. 2). Do górnej części omory w sposób ciągły jes wprowadzany węgiel (os)/arboniza o oreślonym uziarnieniu m. Produ spalania opada na dno omory, sąd jes pobierany do analizy. Rys. 2. Schema reaora ypu Field s Drop Tube Reacor reaor DTR Fig. 2. Schemaic diagram of Field s Drop Tube Reacor 83