WP YW TEMPERATURY PIERWOTNEJ SKA NA STAN ZAGRO ENIA KLIMATYCZNEGO W WYROBISKACH GÓRNICZYCH KOPALÑ WÊGLA

Transkrypt

1 Józef KNECHTEL Zak³ad Aerologii Górniczej G³ówny Instytut Górnictwa Pl. Gwarków 1, Katowice Proceedings of International Scientific Conference "Geothermal Energy in Underground Mines" November 21-23, 2001, Ustroñ, Poland WP YW TEMPERATURY PIERWOTNEJ SKA NA STAN ZAGRO ENIA KLIMATYCZNEGO W WYROBISKACH GÓRNICZYCH KOPALÑ WÊGLA THE INFLUENCE OF TEMPERATURE OF ROCK-MASS ON CLIMATIC PARAMETERS OF AIR IN COAL MINE WORKINGS STRESZCZENIE W g³êbokich kopalniach wêgla i rud wystêpuj¹ wysokie temperatury powietrza, które utrudniaj¹ wykonywanie górnikom normalnej pracy. Jednym z g³ównych czynników kszta³tuj¹cych warunki klimatyczne na dole kopalni jest temperatura pierwotna ska³ otaczaj¹cych wyrobisko górnicze. Niekorzystny wp³yw temperatury i wilgotnoœci powietrza na organizm ludzki nazywamy zagro eniem klimatycznym. Referat poœwiêcony jest wp³ywowi temperatury pierwotnej ska³ na temperaturê powietrza w wyrobiskach kopalñ wêgla. Omówiono kryteria oceny stanu zagro enia klimatycznego w kopalniach g³êbinowych (oparte w g³ównej mierze na wartoœci temperatury pierwotnej ska³). Zbadano wp³yw tej temperatury na zagro enie klimatyczne w oparciu o pomiary do³owe oraz w oparciu o rozwa ania teoretyczne. ABSTRACT In the deep coal and ore mines the high temperatures of air occure making difficult the work in underground excavations. One of the main factors influencing underground climatic conditions is primal temperature of rocks surrounding the mine workings. The unfavourable effects of temperature and humidity of air on human body are known as the climatic hazard. The paper presents the influence of primal temperature of rocks on temperature of air in mine workings. The criteria of estimation of climatic hazard in deep mines (based mainly on value of primal temperature of rocks) had been analysed. The influence of that temperature on climatic hazard based on underground measurements as well as theoretical assumption had been investigated. * * * * * * 1. WSTÊP Proces restrukturyzacji polskiego górnictwa potêguje zjawisko wyczerpywania siê zasobów z³ó p³ytko zalegaj¹cych. Poci¹ga to za sob¹ okreœlone skutki, jeœli chodzi o stan zagro enia klimatycznego. Z jednej strony schodzenie z eksploatacj¹ wêgla kamiennego na coraz to g³êbsze poziomy zwi¹zane jest z coraz wiêkszym strumieniem ciep³a p³yn¹cym do powietrza kopalnianego z otaczaj¹cych ska³, z drugiej zaœ strony koncentracja wydobycia ( zwi¹zana z du ymi mocami urz¹dzeñ urabiaj¹cych i odstawczych ) powoduje wzrost strumienia ciep³a pochodz¹cego od procesów technologicznych. Wielu górników pracuje w wyrobiskach, w których temperatura powietrza jest wy sza od 28 0 C. Wysokie parametry termiczne powietrza s¹ przyczyn¹ obni enia takich funkcji psychicznych i umys³owych pracowników, jak: zdolnoœæ percepcji, koncentracji uwagi, spostrzegawczoœci, a ponadto czyni organizm cz³owieka bardziej podatny na dzia³anie pr¹du elektrycznego. Ten niekorzystny wp³yw temperatury i wilgotnoœci powietrza na organizm ludzki okreœlamy pojêciem zagro enia klimatycznego. Na poziom zagro enia klimatycznego w kopalni wp³ywa szereg czynników, jak: iloœci powietrza doprowadzane szybami wdechowymi, sposób rozprowadzenia powietrza (zale ny od rozcinki 1. INTRODUCTION For several years the coal mining industry in Poland has been undergoing processes of restructuring, one effect of which is the slow-but-steady depletion of available shallow-laying deposits of coal. The deeper is exploitation of coal the greater is heat stream flowing from surrounding rocks and intercepted by ventilating air. Additionally, advancing concentration of production involving high-power machinery increases the heat load in ventilation systems. In effect, many miners work in locations where air temperature exceeds 28 o C, being the occupational safety threshold adopted in Polish mining regulations. High temperature of ambient air affects physical and mental ability of workers in many ways, for example it diminishes the ability to withstand an electric shock. These unfavourable effects of high temperature and humidity of air on human body are known as the climatic hazard. The intensity of that hazard depends on several factors such as overall air volume of a mine, ventilation layout (determined by adopted organization of mining activities and the existing ventilation system of the mine), intensity of ventilation along the particular face, power of the machinery applied and distribution of that power along the working, adopted way of haulage of excavated material, water inflow (affecting air humidity lev- Recenzent / Reviewer: dr Burkhard Sanner 215

2 z³o a i struktury sieci wentylacyjnej), intensywnoœæ przewietrzania przodków, moc zainstalowana urz¹dzeñ energomechanicznych i ich lokalizacja, sposób transportu urobku, zawodnienie wyrobisk (i zwi¹zane z tym zawilgocenie powietrza), a zw³aszcza temperatura otaczaj¹cych ska³. W wentylacji kopalnianej przyjêto, e temperatura pierwotna ska³ (jako potencja³ ruchu ciep³a) jest t¹ wielkoœci¹, która reprezentuje energiê geotermiczn¹ w wyrobiskach kopalñ g³êbinowych. Iloœæ tej energii w jednostce czasu, zwana przez K. Chmurê [1] zagêszczeniem ciep³a w strumieniu ziemskim (stosowane jest równie pojecie gêstoœæ strumienia ciep³a) zale y od kilku czynników. W metodach prognozowania temperatury powietrza kopalnianego [2,5] przyjmuje siê, e strumieñ ten zale y od ró nicy temperatury pierwotnej ska³ t pg i temperatury powietrza w wyrobisku t w. Ponadto zagêszczenie ciep³a w strumieniu ziemskim zale y od czasu istnienia wyrobiska, intensywnoœci jego przewietrzania, jak równie w³asnoœci fizyko termicznych ska³ otaczaj¹cych wyrobisko. W referacie omówiono kryteria oceny stanu zagro enia klimatycznego w kopalniach g³êbinowych oraz wp³yw temperatury pierwotnej ska³ na zagro enie klimatyczne wynikaj¹cy z danych pomiarowych i badañ teoretycznych. Wymieniony wp³yw zosta³ tak e przedstawiony w tablicach i na wykresach. 2. KRYTERIA OCENY STANU ZAGRO ENIA KLIMATYCZNEGO Zgodnie z obecnie obowi¹zuj¹cymi przepisami górniczymi [9] kryterium oceny stanu zagro enia klimatycznego w odniesieniu do istniej¹cych miejsc pracy jest wartoœæ temperatury powietrza mierzona termometrem suchym oraz intensywnoœæ ch³odzenia mierzona katatermometrem wilgotnym. Jeœli temperatura ta jest wy sza od 28 0 C, ale ni sza od 33 0 C lub jeœli intensywnoœæ ch³odzenia powietrza jest mniejsza od 11 katastopni wilgotnych, wówczas obowi¹zuje skrócona 6-godzinna dniówka robocza. Jeœli temperatura ta jest wy sza od 33 0 C, wówczas praca jest zabroniona. Innym kryterium oceny stanu zagro enia klimatycznego odniesionym do ca³ej kopalni jest wartoœæ temperatury pierwotnej ska³ na najg³êbszym poziomie eksploatacyjnym. Temperatura ta w ró nych czêœciach Górnoœl¹skiej Niecki Wêglowej przyjmuje ró ne wartoœci. [3,4]. M. in. z pracy [4] wynika, e najwy szych temperatur pierwotnych ska³ nale y spodziewaæ siê na obszarze Jastrzêbskiej Spó³ki Wêglowej, gdzie prognozowana temperatura osi¹ga 38 0 C (na obszarze kopalni Borynia ) dla horyzontu 450 m oraz 51,8 0 C (na obszarze kopalni Pniówek ) dla horyzontu 750 m. Najni szych temperatur pierwotnych ska³ nale y spodziewaæ siê na obszarze Nadwiœlañskiej Spó³ki Wêglowej, gdzie prognozowana temperatura wynosi 22,4 0 C (na obszarze kopalni Silesia ) dla horyzontu 450 m oraz 29 0 C (na obszarze kopalni Piast ) dla horyzontu 750 m. W zale- noœci od tej temperatury wszystkie kopalnie PW podzielono na cztery grupy. el) and last but not least temperature of the rocks surrounding the working. In research concerning ventilation of mines it is assumed that primal temperature of rocks (treated as the potential of heat movement) is a parameter representing geothermal energy in underground ventilation systems. Amount of that energy per time unit, called by K. Chmura [1] heat density in earth stream (the term heat stream density is also used) is the resultant of several factors. In prognostic methods developed for calculation of air temperature in mines ventilation systems it is assumed that heat stream density is a function of difference between primal rocks temperature t pg and temperature of ventilation air in a given working t w. Also, heat stream density is also changing with duration of ventilation of that working and depends on ventilation intensity and physical properties of rocks surrounding the working. In this paper the criteria are discussed used for climatic hazard classification in underground mines. Furthermore, the influence of temperature of surrounding rocks on that hazard are assessed on the basis of in-situ measurements and theoretical reasoning. The results are presented on graphs. 2. CRITERIA USED FOR ASSESSMENT OF CLIMATIC HAZARD According to the Polish mining regulations [9] the parameters used for assessment of environmental conditions in existing places of work are: temperature of air, measured by means of dry-bulb temperature and cooling intensity, measured by wet kata-thermometer. If the temperature of ventilating air in a place of work exceeds 28 o C or cooling intensity there is lower than 11 wet katadegrees, a six-hour long shift should be applied. If air temperature is above 33 o C the regulation prohibits work altogether. Another parameter used when assessing climatic hazard in reference to the entire mine is the value of primal temperature of rock-mass (PTR) at the deepest level of the mine. This temperature is different in different parts of the Upper-Silesian Coal Basin. According to the authors of the work [4] one can expect the highest primal rocks temperatures in the Jastrzêbska Coal Company. For example 38 o C is predicted in Borynia mine at the horizon -450m, and 51.8 o C in Pniówek mine at the horizon -750m. On the other side the lowest temperature is expected in the Nadwiœlañska Coal Company, where 22.4 o C is predicted in Silesia mine at the horizon -450m, and 29 o C in Piast mine at the horizon -750m. All mines in Polish mining industry are classified into one of four groups according to that parameter. The first group comprises the mines where primal rocks temperature at the deepest exploitation level (PTDL) exceeds 40 o C, and such mines (Bielszowice, Halemba and Œl¹sk ) are considered as having very high climatic hazard. The second group, mines of high climatic hazard, consists of production units where primal rocks temperature at the deepest exploitation level (PTDL) is in the range o C (Borynia, Budryk, JAS-MOS, Knurów, Marcel, 216

3 Do pierwszej grupy zaliczono kopalnie, w których temperatura pierwotna ska³ na najg³êbszym poziomie eksploatacyjnym jest wy sza od 40 0 C. S¹ to kopalnie o bardzo du ym zagro eniu klimatycznym (Bielszowice, Halemba i Œl¹sk). Do drugiej grupy zaliczono kopalnie, w których temperatura pierwotna ska³ na najg³êbszym poziomie eksploatacyjnym jest wy sza od 35 0 C, ale nie przekracza wartoœci 40 0 C. S¹ to kopalnie o du ym zagro eniu klimatycznym (Borynia, Budryk, JAS-MOS, Knurów, Marcel, Pniówek, Pokój, Soœnica, Szczyg³owice, Zofiówka). Do trzeciej grupy zaliczono kopalnie, w których temperatura pierwotna ska³ na najg³êbszym poziomie eksploatacyjnym jest wy sza od 30 0 C, ale nie przekracza wartoœci 35 0 C. S¹ to kopalnie o ma³ym zagro eniu klimatycznym (Anna, Bogdanka, Bobrek-Miechowice, Centrum-Szombierki, Makoszowy, Polska-Wirek, Rozbark, Rydu³towy, Staszic, Wujek, Wieczorek). Do czwartej grupy zaliczono pozosta³e kopalnie, w których temperatura pierwotna ska³ na najg³êbszym poziomie eksploatacyjnym jest ni sza od 30 0 C. S¹ to kopalnie niezagro one klimatycznie. Kryterium oceny stanu zagro enia klimatycznego w odniesieniu do poziomu eksploatacyjnego jest tzw. wskaÿnik klimatyczny okreœlony wzorem [6]: K = ( t pg - t d ) / ( t d - t p ), ( 1 ) gdzie: t pg - temperatura pierwotna ska³ na danym poziomie, 0 C; t d - dopuszczalna temperatura powietrza w miejscu pracy ( bez stosowania skróconego czasu pracy ), t d = 28 0 C; t p - temperatura powietrza na podszybiu poziomu, z którego doprowadza siê powietrze œwie e do wyrobisk eksploatacyjnych i przygotowawczych, 0 C. W zale noœci od wartoœci wskaÿnika klimatycznego (przy za³o eniu, e temperatura powietrza na podszybiu jest ni sza od temperatury dopuszczalnej) stopieñ zagro enia klimatycznego definiuje siê nastêpuj¹co: K < 0 nie ma zagro enia klimatycznego, 0 K < 0.8 istnieje niewielkie zagro enie klimatyczne, któremu mo na zapobiec przestrzegaj¹c g³ównych zasad racjonalnej wentylacji, 0.8 K < 1.5 istnieje du e zagro enie klimatyczne, które nale y zwalczaæ stosuj¹c w pierwszej kolejnoœci wentylacyjne œrodki prewencji zagro enia klimatycznego, a gdy te oka ¹ siê niewystarczaj¹ce, równie urz¹dzenia ch³odnicze, K 1.5 istnieje bardzo du e zagro enie klimatyczne, dla zmniejszenia którego nale y stosowaæ urz¹dzenia ch³odnicze. Za pomoc¹ wskaÿnika klimatycznego mo na dokonaæ tylko wstêpnej oceny zagro enia klimatycznego. Zdarza³y siê bowiem przypadki, e w wyrobiskach zlokalizowanych na poziomach eksploatacyjnych o bardzo du ym wskaÿniku klimatycznym ( K > 1.5 ) rzeczywista temperatura powietrza by³a znacznie ni sza od 28 0 C Pniówek, Pokój, Soœnica, Szczyg³owice, Zofiówka). The third group, of low climatitic hazard is formed by mines of PRTDL in the range o C (Anna, Bogdanka, Bobrek- Miechowice, Centrum-Szombierki, Makoszowy, Polska- Wirek, Rozbark, Rydu³towy, Staszic, Wujek, Wieczorek). The rest of Polish mines, where PTDL is lower than 30 o C are considered as having no climatic hazard. The parameter that is used as a climatic hazard criterion when referring to a particular exploitation level is the climatic index K, determined by the following formula: [6]: K = ( t pg - t d ) / ( t d - t p ), ( 1 ) where: t pg primal rock temperature at given level, 0 C; t d the highest permissible temperature of air at a place of work ( without work time shortening), t d = 28 0 C; t p temperature of air at shaft station of the level from which fresh air is delivered to exploitation zones of the level, 0 C. Assuming that the air temperature at shaft station is below the highest permissible temperature (28 o C) and basing on the value of climatic index, K climatic hazard is defined in the following way: K < 0 there is no climatic hazard, 0 K < 0.8 climatic hazard is low, and can be alleviated by means of standard procedures of rational ventilation, 0.8 K < 1.5 climatic hazard is high; if ventilation means of fighting against climatic hazard (they ought to be applied in the first place) prove not sufficient, cooling devices should be installed, K ³1.5 there is very high climatic hazard, the only way to alleviate it is application of cooling devices. The climatic hazard index, K can be used only for some preliminary assessment of climatic hazard. It is so because there were cases of galleries that, despite the fact that they were located in exploitation levels of very high climatic hazard index (K>1,5), proved to have their actual air temperature well bellow permissible limit (28 o C). We noted also some vice versa cases with K below 0.8 and air temperature exceeding 28 o C. More precise prediction of climatic hazard that can be encountered in planned exploitation zones is achieved by means of procedures of climatic prognosis. It should be noted that primal temperature of rocks intervenes also in the formulas of climatic prognosis so, primal temperature of surrounding rocks is a decisive factor for climatic hazard in places where miners work. 3. THE ASSESSMENT OF INFLUENCE OF GEOTHERMAL ENERGY OF SURROUNDING ROCKS ON CLIMATIC HAZARD, BASED ON UNDERGROUND MEASUREMENTS Analyses of climatic hazard in Polish coal industry have been carried out in the Ventilation Division of the GIG (Central Mining Institute) since 1982 [7]. It is evident form these analyses that from 1986 till 1993 there was steady 217

4 i odwrotnie: na poziomach niezagro onych klimatycznie lub o ma³ym zagro eniu klimatycznym ( 0 < K < 0.8 ) by³y wyrobiska z temperatur¹ powietrza powy ej 28 0 C. Dok³adnej oceny stanu zagro enia klimatycznego w odniesieniu do projektowanych wyrobisk górniczych dokonujemy w oparciu o prognozy klimatyczne. Nadmieniæ nale y, e we wzorach na prognozowan¹ temperaturê powietrza kopalnianego interweniuje temperatura pierwotna ska³. Zatem w wiêkszoœci wy ej wymienionych kryteriów wystêpuje temperatura pierwotna ska³ jako czynnik decyduj¹cy o stanie zagro enia klimatycznego w miejscu pracy górników. 3. OCENA WP YWU ENERGII GEOTERMALNEJ W KOPALNIACH PODZIEMNYCH NA ZAGRO ENIE KLIMATYCZNE W OPARCIU O POMIARY KOPALNIANE W Zak³adzie Aerologii Górniczej GIG od 1982 roku prowadzone s¹ analizy stanu zagro enia klimatycznego w kopalniach wêgla kamiennego [7]. Z analiz tych wynika, e od roku 1986 do roku 1993 notuje siê systematyczny wzrost liczby wyrobisk korytarzowych i eksploatacyjnych z temperatur¹ powietrza, mierzon¹ termometrem suchym, powy ej 28 0 C i to niejednokrotnie pomimo stosowania urz¹dzeñ ch³odniczych. G³ównymi przyczynami wzrostu trudnoœci klimatycznych w kopalniach s¹: du a koncentracja produkcji, a w zwi¹zku z tym wzrost mocy zainstalowanych w przodku wydobywczym oraz schodzenie z eksploatacj¹ na coraz wiêksze g³êbokoœci o wy szej temperaturze pierwotnej ska³ otaczaj¹cych wyrobisko górnicze. Na podstawie rocznych analiz stanu zagro enia klimatycznego w kopalniach wêgla kamiennego stwierdzono, e wzrasta wydobycie z poziomów o temperaturze pierwotnej ska³ otaczaj¹cych wyrobisko wy szej od 40 0 C, maleje zaœ wydobycie z poziomów p³ytszych, na których temperatura pierwotna ska³ jest ni sza od 30 0 C. W celu zobrazowania, jak kszta³towa³a siê liczba wyrobisk, w których stwierdzono temperaturê powietrza mierzon¹ termometrem suchym powy ej 28 0 C w latach , sporz¹dzono tablicê 1. W tablicy tej w poszczególnych kolumnach podano: liczbê porz¹dkow¹, nazwê kopalni, najg³êbszy poziom eksploatacyjny, temperaturê pierwotn¹ ska³ na tym poziomie, rok kalendarzowy. Z tablicy tej wynika, e w latach obserwowano spadek liczby wyrobisk z podwy szon¹ temperatur¹ powietrza. Jest to zwi¹zane z zastosowaniem na dole kopalni pierwszego urz¹dzenia ch³odniczego produkcji krajowej. W nastêpnych latach wprowadzono do górnictwa wêgla kamiennego kolejne urz¹dzenia ch³odnicze. Od roku 1986 natomiast zanotowano wzrost liczby wyrobisk z temperatur¹ powietrza powy ej 28 0 C i to zarówno w odniesieniu do wyrobisk œcianowych jak i wyrobisk z wentylacj¹ odrêbn¹. Wzrost ten jest wypadkow¹ kilku wzajemnie przeciwdzia³aj¹cych czynników. Rozwój wentylacyjnych œrodków prewencji zagro enia klima- - tycznego i wprowadzenie do kopalñ wiêkszej liczby urz¹dzeñ ch³odniczych powinny sprzyjaæ poprawie trudnych warunków klimatycznych w wyrobiskach górniczych. 218 increase in number of workings were temperature of air exceeded 28 o C, in some cases despite application of cooling devices. The main reasons of that rise appear to be: - the advancing process of concentration of production, involving the use of more and more powerful machinery along faces and adjacent galleries, - deeper and deeper exploitation activities, which means that the average primal temperature of surrounding rocks is rising. Also, on the basis of annual analyses of climatic hazard in coal mining industry it can be stated that the coal production from the faces with surrounding rocks of temperature exceeding 40 o C is increasing, while the output from the faces of surrounding rock temperature below 30 o C is diminishing. The changes that occurred in the period in number of workings where air temperature (measured with the use of dry-bulb thermometer) exceeded 28 o C are presented in table 1. The columns in that table represent respectively: name of a mine, the deepest exploitation level, primal temperature of rocks at that level and year. It is evident that in the years there was a drop in number of workings with air temperature above the limit. We attribute it to the fact that in 1983 first madein-poland cooling devices were being introduced. In the following years another cooling units of different make were installed. Then, from 1986 some increase in number of workings with air temperature exceeding 28 o C was observed, and it should be noted that the increase took place both in exploitation faces and in driven workings with auxiliary ventilation applied. That increase can be considered as the resultant of a couple of mutually contradictory factors. Development of passive, (or so called ventilatory) methods of climatic hazard control and introduction of significant number of cooling units acted in favor of climatic hazard alleviation. On the other hand greater depth of exploitation, higher primal temperature of surrounding rocks, development of high-capacity longwalls (instead of three longwalls of 1200 ton/day each one face of 4000 ton/day in output or more) and longer routes of fresh air; all that worsened environmental conditions in underground workings. The analysis of the data in reference to particular groups of climatic hazard leads to the conclusion that the main factor behind the increase of number of workings with heat load problem appears to be high temperature of surrounding rock-mass. The percent share of workings with air temperature exceeding the legal limit in mines of high climatic hazard (primal temperature of rocks higher than 40 o C) is rising whereas analogous share in mines of low climatic hazard (primal temperature of rocks lower than 40 o C) is falling. Bearing in mind that the data presented in table 1, pertaining to the period are not complete (only 21 mines are listed) it can be stated that the number of workings with high air temperature is still rising. In Table 2 the data for the year 2000 grouped by mines are presented. The particular columns in that table represent respectively: name of a mine, the deepest exploitation level, primal temperature of rocks at that level,

5 Schodzenie z eksploatacj¹ na coraz g³êbsze poziomy, na których panuje wy sza temperatura pierwotna ska³, rozwój frontu eksploatacyjnego, wzrost koncentracji produkcji (zamiast trzech œcian o wydobyciu 1200 t/d ka da, jedna œciana o wydobyciu 4000 t/d i wiêcej), wyd³u enie dróg powietrza œwie ego przyczyniaj¹ siê do wzrostu parametrów mikroklimatu powietrza kopalnianego. Z analizy procentowego udzia³u wyrobisk z podwy szon¹ temperatur¹ powietrza wed³ug kopalñ zaliczonych do poszczególnych grup zagro enia klimatycznego wynika, e g³ówn¹ przyczyn¹ wzrostu liczby wyrobisk zagro onych klimatycznie jest wysoka temperatura pierwotna ska³. Procentowy udzia³ wyrobisk z podwy szon¹ temperatur¹ w kopalniach o bardzo du ym zagro eniu klimatycznym (temperatura pierwotna ska³ wy sza od 40 0 C) ma tendencjê wzrostow¹, natomiast procentowy udzia³ wyrobisk z podwy szon¹ temperatur¹ w kopalniach niezagro onych klimatycznie (temperatura pierwotna ska³ ni sza od 30 0 C) ma tendencjê malej¹c¹. Bior¹c pod uwagê fakt, e dane zestawione w tablicy 1, a dotycz¹ce lat s¹ niepe³ne (bo dotycz¹ tylko 21 kopalñ) mo na stwierdziæ, e liczba wyrobisk z podwy szon¹ temperatur¹ powietrza w dalszym ci¹gu roœnie. W tablicy 2 zestawiono dane za 2000 rok w rozbiciu na poszczególne kopalnie. W tablicy tej w poszczególnych kolumnach podano: liczbê porz¹dkow¹, nazwê kopalni, najg³êbszy poziom eksploatacyjny, temperaturê pierwotn¹ ska³ na tym poziomie, temperaturê powietrza na podszybiu szybu wdechowego najg³êbszego poziomu, wskaÿnik klimatyczny, wydobycie dobowe, strumieñ objêtoœci powietrza p³yn¹cego przez kopalniê, posiadany potencja³ ch³odniczy, liczbê wyrobisk z podwy szon¹ temperatur¹ powietrza w rozbiciu na: wyrobiska œcianowe, wyrobiska œlepe oraz wyrobiska korytarzowe z op³ywowym pr¹dem powietrza. Podano równie ³¹czn¹ liczbê wyrobisk z temperatur¹ powietrza powy ej 28 0 C oraz liczbê wyrobisk z podwy szona temperatur¹ powietrza na 1000 t wydobycia dobowego. Z tablicy tej wynika, e im wy sza temperatura pierwotna ska³ tym wiêcej wyrobisk z temperatur¹ powietrza powy ej 28 0 C, przy czym nie stwierdzono tutaj wyraÿnej korelacji. Temperatura pierwotna ska³ nie mo e byæ wiêc jedynym kryterium decyduj¹cym o liczbie wyrobisk z podwy szon¹ temperatur¹ powietrza ( nawet w przeliczeniu na tonê wydobycia dobowego). Na zmniejszenie bowiem wymienionej liczby mog¹ mieæ wp³yw intensywna wentylacja oraz zainstalowana moc ch³odnicza. Potwierdzaj¹ to równie rysunki 1 i 2, które przedstawiaj¹ liczbê wyrobisk z podwy szon¹ temperatur¹ powietrza. Rysunek 1 dotyczy liczby wyrobisk w przeliczeniu na 100 m 3 /s powietrza dop³ywaj¹cego do kopalni. Na rysunku tym na osi odciêtych podano temperaturê pierwotn¹ ska³ na najg³êbszym poziomie eksploatacyjnym, zaœ na osi rzêdnych liczbê wyrobisk z temperatur¹ powietrza powy ej 28 0 C. Linia koloru ró owego stanowi przybli enie wyk³adnicze rozk³adu punktów na p³aszczyÿnie: temperatura pierwotna ska³ liczba wyrobisk z temperatur¹ powietrza powy ej 28 0 C (wspó³czynnik korelacji dla tej linii wynosi r = 0,49). Na Number of workings Pristine temperature of rocks, C Ryc. 1. Iloœæ wyrobisk z temperatur¹ powietrza powy ej 28 O C w przeliczeniu na 100 m 3 /s powietrza w zale noœci od temperatuty pierwotnej ska³. Fig.1. Number of workings with temperature of air above 28 o C per 100 m 3 /s unit of airflow as a function of pristine temperature of rocks Number of workings Number of workings Exponential approximation Category of climatic hazard Ryc. 2. Iloœæ wyrobisk z podwy szon¹ temperatur¹ powietrza w przeliczeniu na jedn¹ kopalniê Fig. 2. Number of workings with temperature of air above 28 o C in a standard mine Predicted temperature of air, C Workings without heat sources (normal ventilation) Workings with heat sources (normal ventilaltion) Longwalls Driven workings with auxiliary ventilation Very high climatic hazard High climatic hazard Low climatic hazard Pristine temperature of rocks, C Ryc. 3. Wp³yw temperatury pierwotnej ska³ na temperaturê powietrza w wyrobisku górniczym Fig. 3. Influence of pristine temperature of rocks on temperature of air in mine workings temperature of air at the deepest shaft station, climatic index, daily output of the mine, total airflow through the mine, cooling power available, and number of workings with temperature higher than 28 o C, grouped by each of the following three kinds of workings: longwalls, driven workings wit auxiliary ventilation and galleries ventilated by the main ventilation system. Also, the total number of workings with high air temperature (above 28 o C) and the ratio of number of those workings to the daily output of the mine is given. The analysis of data shows that the higher is the primal temperature of rocks the more 219

6 rysunku 2 w postaci wykresu s³upkowego przedstawiono liczbê wyrobisk z podwy szon¹ temperatur¹ powietrza (t > 28 0 C) w przeliczeniu na jedn¹ kopalniê zaliczon¹ do danej grupy zagro enia klimatycznego. S³upek koloru niebieskiego dotyczy kopalñ o bardzo du ym zagro eniu klimatycznym, s³upek koloru ró owego dotyczy kopalñ o du ym zagro eniu klimatycznym, s³upek koloru ó³tego dotyczy kopalñ o ma³ym zagro eniu klimatycznym. Z danych statystycznych uzyskanych z kopalñ wêgla kamiennego w latach wynika, e w przybli eniu wp³yw temperatury pierwotnej ska³ (t pg ) na liczbê wyrobisk z podwy szon¹ temperatur¹ powietrza (LW) mo na uj¹æ wzorem: LW = 1,18. t pg 34,2 (2) przy czym wspó³czynnik korelacji dla zale noœci (2) wynosi r = 0, WP YW ENERGII GEOTERMALNEJ W KOPALNIACH PODZIEMNYCH NA TEMPERATURÊ POWIETRZA WYNIKAJ CY Z BADAÑ TEORETYCZNYCH Rysunki 1 i 2 oraz wzór (2) dotycz¹ce wp³ywu temperatury pierwotnej ska³ na temperaturê powietrza w wyrobiskach górniczych uzyskano w oparciu o wyniki pomiarów in situ. Rysunek 3 dotyczy wymienionego wp³ywu w oparciu o rozwa ania teoretyczne. Opieraj¹c siê na za³o eniu, e ruch ciep³a i wilgoci z otaczaj¹cego masywu skalnego do powietrza w wyrobisku wywo³any jest zarówno ró nic¹ temperatur œcian wyrobiska i powietrza, jak i ró nic¹ potencja³ów ruchu wilgoci, mo na napisaæ [5]: = f [(t s ); (w s )] (3) gdzie: gêstoœæ strumienia ciep³a p³yn¹cego z górotworu do powietrza w wyrobisku, W/m 2 ; t s - temperatura œcian wyrobiska, 0 C; t w - temperatura powietrza w wyrobisku, 0 C; w s potencja³ ruchu wilgoci w warstwie przyœciennej, J/kmol; w w potencja³ ruchu wilgoci dla powietrza p³yn¹cego wyrobiskiem, J/kmol. Potencja³ ruchu wilgoci jest wielkoœci¹ analogiczn¹ do potencja³u ruchu ciep³a (temperatury t). Wyznaczamy go za pomoc¹ wzoru [2]: w = R. (273,15+t). ln (x/0,622) (4) w którym: R = 8314,3 J/(kmol. K) uniwersalna sta³a gazowa, t - temperatura, 0 C; X - stopieñ zawil enia. Rozwi¹zuj¹c uk³ad równañ ró niczkowych opisuj¹cy pole temperatury i wilgotnoœci w masywie skalnym, uzyskuje siê wzory na gêstoœæ strumieni ciep³a i wilgoci p³yn¹cych workings have temperature of air exceeding 28 o C, although there is no clear correlation between those parameters; basing on that observation we believe that the primal temperature of rocks is not the sole factor influencing the number of workings with high temperature of flowing air (even when one refers that parameter to the value of daily output of the mine. Certainly, high intensity of ventilation and installation of cooling devices do have impact on the decrease of such workings. It is clearly shown on the figures 1 and 2. Figure 1 presents the number of heat problem workings referred to 100 m 3 /s unit of air volume entering a mine. On the abscissa we have primal temperature of rock-mass on the deepest level of exploitation and on the number the workings with air temperature above 28 o C. The yellow line is the exponential approximation of this dependency (correlation coefficient r = 0.49). The bar graph on figure 2 shows the numbers of workings with air temperature above 28 o C referred to a mine representing a given climatic hazard group. The blue bar pertains to the mines of very high climatic hazard, the rose one to the mines of high climatic hazard and the yellow one to the mines of low climatic hazard. An approximate correlation between primal temperature of rock-mass (t pg ) and the number of workings with temperature of air above 28 o C (LW) can be derived from the statistical data collected from coal mines in Poland during the period The formula is as follows: LW = 1,18. t pg 34,2 (2) and the correlation coefficient of (2) is r = A THEORETICAL REASONING ABOUT INFLUENCE OF GEOTHERMAL ENERGY OF ROCK- MASS ON TEMPERATURE OF AIR As it was mentioned, figures 1 and 2 and formula (2) represent the data obtained during in situ measurements. Figure 3 shows the results of a theoretical study of the influence of primal temperature of rock-mass on temperature of air flowing along a mining working. The assumption on which the study was based is that movement of heat and moisture in a working is caused by differences of temperature as well as differences of moisture movement potential. Taking into account that assumption, it can be said that [3]: = f [(t s ); (w s )] (3) where: heat stream density, of the stream flowing from surrounding rock-mass into air flowing along a working, W/m 2 ; t s - temperature of walls, 0 C; t w temperature of air in the working, 0 C; w s moisture movement potential in the next-to-wall air slice, J/kmol; w w moisture movement potential for air flowing along the working, J/kmol. Moisture movement potential is a physical quantity analogous to heat movement potential (i.e. temperature). The 220

7 z górotworu do powietrza w wyrobisku [5]: = B 1 (t pg ) + B 2 (w pg ) (5) j w = B 3 (w pg ) + B 4 (t pg ) (6) w których: t pg - temperatura pierwotna ska³, 0 C; w pg - potencja³ ruchu wilgoci w ska³ach w stanie pierwotnym, J/kmol; B 1, B 2, B 3, B 4 - wspó³czynniki zale ne od: w³asnoœci fizyko -termicznych ska³, czasu oraz intensywnoœci przewietrzania i rozmiarów wyrobiska [5]. Temperatura powietrza w wyrobisku jest wprost proporcjonalna do strumienia ciep³a p³yn¹cego z górotworu do wyrobiska. Wymieniony strumieñ zaœ (reprezentuj¹cy energiê geotermaln¹) jest wprost proporcjonalny do temperatury pierwotnej ska³. Zatem, im wy sza temperatura pierwotna ska³, tym wy sza temperatura powietrza. Na rysunku 3 przedstawiono wyniki prognoz klimatycznych dla piêciu wartoœci temperatury pierwotnej ska³: t pg = 25 0 C, 30 0 C, 35 0 C, 40 0 C i 45 0 C. Prognozy klimatyczne wykonano dla czterech rodzajów wyrobisk: wyrobiska korytarzowe z op³ywowym pr¹dem powietrza (linia ³¹cz¹ca romby koloru granatowego), w których jedynym Ÿród³em ciep³a jest górotwór, wyrobiska korytarzowe z dodatkowymi lokalnymi Ÿród³ami ciep³a: napêdy urz¹dzeñ urabiaj¹cych i odstawczych, ciep³y i mokry urobek (linia ³¹cz¹ca kwadraty koloru ró owego), œciany eksploatacyjne (linia koloru zielonego ³¹cz¹ca trójk¹ty) oraz dr¹ one wyrobiska z wentylacj¹ lutniow¹ (linia koloru niebieskiego ³¹cz¹ca znaki mno enia). Z analizy przebiegu wymienionych krzywych wynika, e w wyrobiskach z dodatkowymi Ÿród³ami ciep³a temperatura powietrza roœnie szybciej wraz z temperatur¹ pierwotn¹ ska³ ni w wyrobiskach be dodatkowych Ÿróde³. Obserwuje siê równie szybszy wzrost temperatury powietrza ze wzrostem temperatury ska³ w wyrobiskach o krótkim czasie przewietrzania (œciany eksploatacyjne, wyrobiska z wentylacj¹ odrêbn¹) oraz w wyrobiskach o ma³ej intensywnoœci przewietrzania (wyrobiska z wentylacj¹ odrêbn¹). 5. WNIOSKI Kopalnie wêgla kamiennego, w których wystêpuje zagro enie klimatyczne, uzyskuj¹ oko³o 50% ca³ego wydobycia w polskim górnictwie wêglowym. Z raportów rocznych dotycz¹cych stanu zagro enia klimatycznego w polskim górnictwie wêglowym wynika, e roœnie wydobycie z poziomów g³êbszych (o wy szej temperaturze pierwotnej ska³), a maleje wydobycie z poziomów p³ytszych. Zarówno pomiary wykonane na dole kopalni, jak i badania teoretyczne wskazuj¹, na to, e ze wzrostem temperatury pierwotnej ska³ wzrasta zagro enie klimatyczne wyrobisk górniczych. Zagro enie to szybciej wzrasta w wyrobiskach, w których odbywa siê odstawa urobku oraz w dr¹ onych wyrobiskach z wentylacj¹ lutniow¹. Wymieniony wzrost widoczny jest zw³aszcza w wyrobiskach z wentylacj¹ lutniow¹, które charakteryzuj¹ siê formula determining it is [2]: w = R. ( t). ln (x/0.622) (4) where: R = J/(kmol. K) universal gas constant, t - temperature, 0 C; X moisture content. Solving a set of differential equations describing temperature and moisture movement potential fields in rockmass, one obtains the following formulae for density of heat and moisture streams flowing from the surrounding rock-mass into ventilating air flowing in the working. [5]: = B 1 (t pg ) + B 2 (w pg ) (5) j w = B 3 (w pg ) + B 4 (t pg ) (6) where: t pg primal temperature of rock-mass, 0 C; w pg primal potential of moisture movement in rockmass, J/kmol; B 1, B 2, B 3, B 4 coefficients related to physical properties of rock-mass, duration and intensity of ventilation and size of the working [5]. Temperature of air is in direct proportion to heat stream flowing from rock-mass, which is in direct proportion to temperature of surrounding rocks. Therefore, the higher is temperature of rocks the higher is temperature of air. The results of prognostic calculations for five values of primal temperature of surrounding rocks, namely: t pg = 25 0 C, 30 0 C, 35 0 C, 40 0 C and 45 0 C are presented on Figure 3. The calculations were carried out for four types of workings: galleries of normal (not auxiliary) ventilation without additional sources of heat (the line joining darkblue rhombuses, galleries of normal (not auxiliary) ventilation with additional heat sources, such as engines of machinery or wet excavated coal (the line joining rose squares), longwalls (the green line joining triangles) and driven galleries with auxiliary ventilation (the blue line joining * signs). As it was expected, in the workings where additional sources of heat are involved, temperature of air increases at greater rate when rock-mass temperature rises. The increase is also higher in workings of short life-span such as longwalls or those of poor-intensity ventilation such as driven workings with auxiliary ventilation. 5. CONCLUSIONS The mines where climatic hazard occurs account for about 50% of total output of the Polish mining industry. The data from annual reports on climatic hazard in Polish mining industry shows that average depth of exploitation of coal is steadily growing, resulting in increase of temperature of surrounding rock-mass. Both the results of in-situ measurements and the conclusion derived from theoretical reasoning indicate that climatic hazard in the Polish mining is strongly related to temperature of surrounding rocks. This correlation is even stronger in workings where additional sources of heat load are located ( for example in haulage galleries) or in driven workings with auxiliary ventilation. Workings with auxiliary 221

8 krótkim czasem przewietrzania (kilka miesiêcy) przy jednoczeœnie ma³ej intensywnoœci przewietrzania (3 5 m 3 /s). Œciany eksploatacyjne s¹ wyrobiskami o bardzo krótkim czasie przewietrzania (kilka godzin), ale intensywnoœæ przewietrzania jest bardzo du a (od oko³o 15 do oko³o 30 m 3 /s). St¹d te przyrosty temperatury powietrza w obu rodzajach wyrobisk s¹ podobne. Temperatura pierwotna ska³ nie jest jednak jedynym czynnikiem wp³ywaj¹cym na klimat kopalniany. Du y wp³yw na temperaturê powietrza kopalnianego maj¹ dodatkowe Ÿród³a ciep³a i wilgoci dzia³aj¹ce w wyrobisku. Wp³yw temperatury pierwotnej ska³ (jak równie energii geotermalnej) na temperaturê powietrza w wyrobisku mo na zmniejszyæ stosuj¹c intensywn¹ wentylacjê. W pracy [8] omówiono wp³yw strumienia objêtoœci powietrza p³yn¹cego wyrobiskiem oraz czas przewietrzania wyrobiska na temperaturê powietrza. Z pracy tej wynika, e najwiêkszy wp³yw temperatury pierwotnej ska³ na temperaturê powietrza jest w pierwszych miesi¹cach przewietrzania. Po kilku latach wp³yw ten jest du o mniejszy, a po kilkunastu latach, nawet przy bardzo wysokiej temperaturze pierwotnej jej wp³yw na temperaturê powietrza jest bardzo ma³y, zw³aszcza przy du ej intensywnoœci przewietrzania. Jak zaznaczono we wstêpie, ze wzglêdów praktycznych, temperatura pierwotna ska³ reprezentuje energiê geotermaln¹ w wyrobiskach kopalñ g³êbinowych. Niestety w warunkach polskiego górnictwa wêgla kamiennego energii tej dotychczas nie uda³o siê wykorzystaæ gospodarczo. Co wiêcej, energia ta sprawia k³opoty z zachowaniem cieplnych warunków pracy wymaganych przepisami. ventilation have usually very limited lifespan (several months typically) and rather low intensity of their ventilation (3 5 m 3 /s). Longwalls are characterized by even shorter periods of exploitation but usually are very intensely ventilated (from 15 up to 30 m 3 /s). So, both longwalls and driven workings with auxiliary ventilation undergo similar temperature increases. The primal temperature of rocks is an major, but not the sole factor as far as climatic hazard is concerned. The presence of additional sources of heat and moisture also has impact on climatic conditions. The application of intense ventilation can alleviate the effects of high temperature of rocks surrounding a working. The influence of air stream volume and duration of exploitation of a working on temperature of air flowing along that working is discussed in the work [8]. The conclusion of the reasoning was that temperature of rock-mass has the greatest impact on temperature of air during the first couple-month period of working s ventilation. After sufficiently lengthy period of ventilation (a couple of years) temperature of rock-mass has moderate impact on temperature of air. After a dozen or so years of exploitation, even in workings having in the first place very high primal rock-mass temperature, this factor has little importance, especially in the case of workings of very high intensity of ventilation. As it has been already indicated, in ventilation calculations it is assumed that primal temperature of rocks represents geothermal energy in underground mines. Practical use of that energy in Polish mining is yet to be developed. Furthermore, geothermal energy is a source of troubles for mining industry in securing adequate occupational parameters of ventilating air. LITERATURA 1. Chmura K., Chudek M., Geotermo mechanika górnicza, wyd. Suplement Ksiêgarnia Nak³adowa, Miko³ów 2. Holek S., Opracowanie potencja³u ruchu wilgoci i opartych na nim metod prognozowania mikroklimatu wyrobisk, praca GIG seria dodatkowa, Katowice 3.Karwasiecka M., Atlas Geologiczny Górnoœl¹skiego Zag³êbia Wêglowego. Cz.1: Mapy geotermiczne. Warszawa, Wyd. Geolog. 4. Knechtel J., Markefka P., Zgryza S., Mapy pierwotnej temperatury ska³ Górnoœl¹skiego Okrêgu Przemys³owego dla horyzontów 450, -550, -650 i 750 m, Prace G³ównego Instytutu Górnictwa, Komunikat nr 719, Katowice 5. Knechtel J., Metoda prognozowania parametrów mikroklimatu wyrobisk z t³ocz¹c¹ wentylacj¹ lutniow¹, uwzglêdniaj¹ca teoriê potencja³u ruchu wilgoci, Prace Naukowe G³ównego Instytutu Górnictwa, Komunikat nr 780, Katowice 6. Knechtel J., Zagro enie klimatyczne w polskich kopalniach wêgla, Prace G³ównego Instytutu Górnictwa nr 835, Katowice REFERENCES 7. Knechtel J., Stan zagro enia klimatycznego w polskich kopalniach wêgla kamiennego wraz z ocen¹ kosztów klimatyzacji, Wiadomoœci górnicze nr 10/98, Pañstwowa Agencja Restrukturyzacji Górnictwa Wêgla kamiennego S.A. 8. Knechtel J., Wp³yw rodzaju termoizolacji na poprawê trudnych warunków klimatycznych w gor¹cych wyrobiskach górniczych, Materia³y Trzeciej Konferencji: WYBIERANIE Z Ó NA DU YCH G ÊBOKOŒCIACH ORAZ W TRUDNYCH WARUNKACH GEOTERMICZNYCH, organizatorzy: KGHM Polska MiedŸ, CBPM CUPRUM, Instytut Górnictwa Politechniki Wroc³awskiej, Wroc³aw 9. Rozporz¹dzenie Ministra Przemys³u i Handlu z dnia 14 kwietnia 1995 r. w sprawie bezpieczeñstwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpo arowego w podziemnych zak³adach górniczych, Katowice, Kadra. 222

9 Tablica 1. Liczba wyrobisk z podwy szon¹ temperatur¹ powietrza w latach Table 1. Number of workings with temperature of air above the 28 o C limit in the period No.. Mine H max, m t pg, 0 C Morcinek , ? 6 2 Halemba , ? Bielszowice , ?? 11 4 Œl¹sk , Borynia * , Zofiówka , Soœnica , Budryk , ? Pniówek , ? Pokój *** , ? 4 11 Knurów , JAS-MOS , ? 8 13 Marcel ** , Szczyg³owice , ? 1 15 Jadwiga , ? 5 16 Anna , ? 0 17 Centrum-Szombierki , ? ???? 18 Staszic , ? Makoszowy , Wieczorek , ??? 0 21 Bobrek-Miechowice , ? 2 22 Rydu³towy , ?? 1 23 Polska-Wirek , ?? 0 24 Rozbark , ?? 3 25 Wujek , Dêbieñsko , Bogdanka , Powstañców Œl , Katowice-Kleofas , ??? 1 30 Weso³a , ? 1 31 Niwka-Modrzejów , ? 0 32 Andaluzja **** , ? 2? 0 Number of workings per 100 mln t output ?? 89 1 Razem * - with ZMP Mine, ** - with 1 Maja Mine, *** - with Wawel Mine, **** now ZG Brzeziny z closed mine 223

10 224 Tablica 2. Liczba wyrobisk z podwy szon¹ temperatur¹ powietrza w okresie letnim 2000 roku Table 2. Number of workings with temperature of air above 28 o C limit in the 2000 summer season