dr inż. MARCIN MAŁACHOWSKI Instytut Technik Innowacyjnych EMAG

Transkrypt

1 dr inż. MARCIN MAŁACHOWSKI Insyu Technik Innowacyjnych EMAG Wykorzysanie opycznej meody pomiaru sężenia pyłu do wspomagania oceny paramerów wpływających na możliwość zaisnienia wybuchu osiadłego pyłu węglowego W arykule scharakeryzowane zosały paramery i czynniki wpływające na możliwość zaisnienia wybuchu osiadłego pyłu węglowego. Przedsawiono sposób wyznaczania rozkładów ilości osiadłego pyłu węglowego powsającego podczas eksploaacji węgla i sposób wykorzysania ych rozkładów do wspomagania oceny zagrożenia wybuchem pyłu węglowego. Opisano działanie sacjonarnego pyłomierza opycznego PŁ-2, wykorzysanego w badaniach, oraz sysem pomiarowy kopalni. Zaprezenowano nową propozycję wspomagania oceny zagrożenia wybuchem oparą o ciągłe moniorowanie sężenia pyłu zawieszonego w powierzu. 1. WPROWADZENIE Według świaowych saysyk wydobycie węgla kamiennego na świecie wciąż wzrasa, a liczba zarudnionych przy jego wydobyciu sięga około czerech milionów osób [6]. Osób, kóre są poencjalnie narażone na wybuch pyłu węglowego. Jak uczy hisoria górniczych eksplozji, wybuchy pyłu węglowego należą do najragiczniejszych w skukach. W odróżnieniu od innych zagrożeń meanowego, pożarowego, wodnego ip. zagrożenie wybuchem pyłu węglowego wysępuje w prawie każdej podziemnej kopalni wydobywającej węgiel kamienny. Głównym czynnikiem inicjującym wybuch pyłu węglowego jes zapalenie lub wybuch meanu. Wybuchy meanu mają jednak charaker lokalny w skali całej kopalni i nie obejmują dużej liczby wyrobisk. Powodem lokalnego charakeru wybuchu jes brak prakycznej możliwości urzymania się w całym powierzu wenylacyjnym wybuchowego sężenia meanu w zakresie 5 do 15%. Naomias pył węglowy generowany podczas wydobycia węgla jes wszechobecny i przenoszony jes przez powierze wenylacyjne na duże odległości. Doychczas zagrożenie wybuchem pyłu węglowego, pomimo że jes jednym z najragiczniejszych w skukach, nie jes moniorowane w sposób ciągły. Obecnie sosowane meody oceny kszałowania się sanu zagrożenia wybuchem pyłu węglowego opare są na analizie wyników badań laboraoryjnych próbek węgla pobieranych bezpośrednio z wyrobisk. Badania akie wykonane w sposób rzeelny, zgodnie z obowiązującymi przepisami, dają obiekywne i dokładne wyniki pozwalające na określenie sanu zagrożenia wybuchem pyłu węglowego w badanym rejonie. Częsoliwość wykonywania ych badań jes jednak mała, co przy dynamicznym charakerze zjawiska zapylenia oraz posępującej koncenracji wydobycia może powodować, że uzyskane wyniki mogą odbiegać znacząco od sanu rzeczywisego. Rozwiązaniem ego problemu mogłoby być wprowadzenie ciągłego moniorowania sanu zapylenia powierza meodą opyczną. Przyczyną niewprowadzenia akiego monioringu w kopalniach węgla kamiennego jes przede wszyskim brak badań nad rozprzesrzenianiem się pyłów oraz rudności merologiczne wysępujące przy pomiarze sężenia pyłu. W dalszej części arykułu przedsawiona zosała meoda ciągłego moniorowania sężenia pyłu pozwalająca na ocenę paramerów wpływających na możliwość zaisnienia wybuchu osiadłego pyłu węglowego.

2 6 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA 2. PARAMETRY I CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA MOŻLIWOŚĆ ZAISTNIENIA WYBUCHU PYŁU WĘGLOWEGO Zaisnienie wybuchu pyłu węglowego o proces złożony. Na możliwość jego wysąpienia ma wpływ wiele czynników, akich jak [1]: rodzaj i inensywność źródeł zapylenia, sopień rozdrobnienia pyłu, właściwości palne pyłu, granice wybuchowości, inicjały zapłonu, sężenie zapylenia i rozmieszczenie pyłu osiadłego w wyrobiskach, obecność meanu w powierzu, gabaryy wyrobisk. Główny wpływ na minimalizowanie możliwości wysąpienia wybuchu pyłu węglowego mają dwa czynniki: inicjały zapłonu (zapłon) oraz paliwo (osiadły pył węglowy). Przepisy doyczące zagrożenia meanowego i jego konroli oraz przepisy doyczące bezpiecznego użykowania maeriałów wybuchowych zapewniają bezpieczeńswo w aspekcie wybuchu pyłu węglowego pod warunkiem ich przesrzegania. Zasosowanie auomaycznej meanomerii oraz prowadzenie robó srzałowych z uwzględnieniem przepisów bezpieczeńswa pozwalają na wysarczającą konrolę ego elemenu. Inaczej w przypadku drugiego z wymienionych czynników paliwa, kóre ma największy wpływ na możliwość wysąpienia wybuchu. Całkowia eliminacja ego elemenu jes niemożliwa. Pył powsający w procesie urabiania węgla jes nieunikniony i wszechobecny. Jedyny wpływ, jaki możemy na niego wywrzeć, o ograniczanie jego powsawania oraz usuwanie lub neuralizacja pozosałej jego części. Do oceny możliwości wysąpienia wybuchu brane są pod uwagę dwa paramery określające ilość znajdującego się w wyrobisku pyłu. Pierwszy z nich o ilość pyłu zawieszonego w powierzu sężenie pyłu, mierzone w jednosce masy na objęość (mg/m 3 ). Pojęcie pyłu zawieszonego w powierzu (cząsek pyłu znajdujących się w gazie) z nazwy sugeruje opis sanu saycznego, co nie jes zgodne z rzeczywisością. Pył zawieszony w powierzu podlega nieusannym ruchom, począwszy od ruchów Browna (dla małych cząsek) do ruchu spowodowanego przepływającym przez wyrobisko powierzem wenylacyjnym. Paramer en sosowany jes głównie do oceny zagrożenia pyłami szkodliwymi dla zdrowia. Drugi z paramerów o inensywność osiadania pyłu w wyrobisku pył osiadły, mierzony w jednosce masy na powierzchnię na czas (g/m 2 /doba). Jes o pył wyrącony z fazy gazowej w wyniku wysępowania zjawiska eluriacji, impakcji i grawiacji [1]. Inensywność osiadania (inaczej ilość pyłu osiadłego) zależy od: inensywności źródła zapylenia, rozkładu wymiarowego (granulomerycznego) cząsek pyłu, prędkości przepływu powierza przez wyrobisko, kszału i rozmiaru wyrobiska oraz wysępowania ewenualnych przeszkód na drodze przepływu powierza. Na ocenę kszałowania się sanu zagrożenia wybuchem pyłu węglowego ma akże wpływ paramer określający skueczność zabezpieczenia pyłu kopalnianego przed wybuchem, kóry jes miarą zawarości części niepalnych sałych. Złożony charaker zjawiska zapylenia i mnogość paramerów branych pod uwagę przy jego ocenie sprawiają, że badania nad sposobem rozprzesrzeniania się pyłu węglowego i jego ransporem wraz z powierzem wenylacyjnym nie są chęnie podejmowane. Duży wpływ na o mają akże kłopoy merologiczne oraz niewielka liczba urządzeń do pomiarów ciągłych, przysosowanych do pracy w warunkach amosfery wybuchowej. 3. METODA CIĄGŁEGO MONITOROWANIA ZAPYLENIA DLA WSPOMAGANIA OCENY ZAGROŻENIA WYBUCHEM PYŁU Koncepcja zaproponowanej meody sworzona zosała w Insyucie Technik Innowacyjnych EMAG na podsawie ciągłych pomiarów sężenia pyłu respirabilnego w powierzu wenylacyjnym i badań nad kszałowaniem się warości sężeń wzdłuż drogi jego ransporu z powierzem wenylacyjnym od miejsca jego powsawania [3]. Podsawowym urządzeniem sosowanym do badań jes opracowany w Insyucie EMAG sacjonarny pyłomierz opyczny ypu PŁ-2/50, przedsawiony na rysunku 1. Rys. 1. Sacjonarny pyłomierz opyczny PŁ-2 (Insyu EMAG)

3 Nr 7(497) LIPIEC Jes o urządzenie opyczne pracujące w oparciu o zjawisko rozproszenia świała na cząskach pyłu [4]. Fizyczna zasada jego działania wykorzysuje zw. efek Tyndalla, polegający na rozpraszaniu promieniowania świelnego o sałej długości fali na rozworze koloidalnym [5], kórym w ym przypadku jes mieszanina pyłu węglowego i powierza. Pyłomierz PŁ-2 umożliwia ciągły pomiar i rejesrację sężenia pyłu respirabilnego (średnica cząsek pyłu do ok. 8 m) w zakresie mg/m³ (TYP PŁ-2/100) lub od 0 50 mg/m³ (TYP PŁ-2/50), co jes związane z odpowiednią kalibracją pyłomierza. W pyłomierzu jako źródło świała wykorzysano diodę promieniowania podczerwonego. Inensywność rozproszonego na cząskach pyłu promieniowania mierzona jes za pomocą foodeekora, pracującego również w ym samym zakresie częsoliwości promieniowania. Pyłomierz PŁ-2 posiada dopuszczenie do pracy w srefach zagrożonych wy- buchem (I M E ia I) i współpracuje z sysemami meanowo-pożarowymi SMP-NT (rys. 2), SMP-NT/A. Rejesracja i archiwizacja danych pomiarowych z pyłomierzy opycznych PŁ-2 realizowana jes w sysemie pomiarowym kopalni w sposób ciągły, analogicznie jak dla innych czujników pomiarowych wchodzących w skład sysemu. Każdy pyłomierz PŁ-2 kalibrowany jes pyłem węglowym pobranym z wyrobiska, w kórym ma być zainsalowany. Pobrane próbki pyłu przesiewane są przez sio o wymiarze oczka 100 µm. Nasępnie pyłomierz PŁ-2 oraz pyłomierz CIP10-R (frakcja respirabilna) umieszcza się w specjalnie skonsruowanej komorze, umożliwiającej urzymywanie ciągłego zapylenia w dłuższym okresie. Kalibracja realizowana jes przez porównanie średniej warości zapylenia zarejesrowanej przez pyłomierz PŁ-2 w ciągu ośmiu godzin z warością zapylenia zarejesrowaną przez pyłomierz grawimeryczny CIP10-R w ym samym czasie. Rys. 2. Srukura sysemu SMP-NT realizująca funkcje auomaycznych zabezpieczeń meanowych i konroli wenylacji w wybranych obszarach kopalni (Insyu EMAG)

4 8 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Prezenowana meoda obliczania inensywności osiadania pyłu węglowego w wyrobisku jes meodą pośrednią, polegającą na wyznaczeniu średniego roz- kładu pyłu respirabilnego na wybranym odcinku wyrobiska, a nasępnie prowadzeniu obliczeń według przedsawionej zależności: M O ( C U (, ) z) d 2 b z k A ) e d ( A( ) z k e b ) d z k A( ) b2 b1 ( ( e e 1 b ) (1) gdzie: A() warość chwilowa sężenia pyłu na wylocie ze ściany [mg/m 3 ], z współczynnik uwzględniający zależność między zawarością frakcji całkowiej pyłu do frakcji respirabilnej (bezwymiarowy), k ilościowy współczynnik osiadania pyłu (bezwymiarowy), b jakościowy współczynnik osiadania pyłu [1/m], odległość [m]. Do obliczeń przyjęo nasępujące założenia: pyłomierze dokonują pomiaru sężenia czysego pyłu węglowego w jednosce masy na objęość [mg/m 3 ], granice całkowania: 1 począek wyrobiska (skrzyżowanie wylou ściany z chodnikiem nadścianowym wenylacyjnym), 2 koniec analizowanego odcinka wyrobiska: 300 m. Obliczenia polegają na całkowaniu rozkładów ubyku sężenia dla zarejesrowanych warości chwilowych względem odległości, a nasępnie sumowaniu ich w czasie. W celu wyznaczenia funkcji średniego rozkładu pyłu należy rozmieścić co najmniej rzy pyłomierze w sposób zilusrowany na rysunku 3. Do obliczeń przyjmuje się odległość od źródła pyłu (wylou ze ściany) równą 300 m. Odpowiada o długości srefy zabezpieczającej (200 m), wynikającej z odpowiednich zapisów w przepisach doyczących zagrożenia pyłowego, powiększonej o 50%. Lokalizacja pyłomierzy w badanej srefie wyrobiska powinna być aka, aby pierwszy z czujników znajdował się jak najbliżej wylou ze ściany, drugi mniej więcej w połowie srefy, a rzeci na jej końcu. Lokalizacja czujników musi być akże ak dobrana, aby zminimalizować wpływ zjawisk oddziałujących negaywnie na wynik pomiaru (np.: wodne kuryny zraszające, źródła dymu). Takie rozmieszczenie czujników umożliwia obserwację zmian sężenia pyłu nasępujących wraz ze wzrosem odległości od źródła zapylenia, jakim jes w ym przypadku kombinacja pracującego kombajnu ścianowego, ruch obudowy, przesyp z przenośnika zgrzebłowego na aśmowy oraz kruszarka. Na rysunku 4. przedsawiono przykładowe przebiegi warości sężenia pyłu, zarejesrowane przez pyłomierze PŁ-2. Po wyznaczeniu funkcji średniego rozkładu sężenia pyłu dla badanego wyrobiska należy zdemonować dwa osanie pyłomierze (parząc od wylou ze ściany) i prowadzić obliczenia według zależności (1) podsawiając za A() chwilowe warości sężenia pyłu zarejesrowane przez pyłomierz znajdujący się w bez- 50m 150m 300m Rys. 3. Rozmieszczenie pyłomierzy PŁ-2 w badanym wyrobisku

5 Nr 7(497) LIPIEC Rys. 4. Sężenie pyłu zarejesrowane przez pyłomierze opyczne PŁ-2 kolejno w odległości 50, 150 i 300 merów od wylou ze ściany bezpośredniej bliskości wylou ze ściany (źródła pyłu). Aby na podsawie wyznaczonej funkcji rozkładu oraz pomiarów warości chwilowych sężenia pyłu możliwe było wyznaczanie ilości masy pyłu osiadłego, należy wprowadzić współczynnik, kóry uwzględnia zależność między zawarością frakcji całkowiej pyłu do frakcji respirabilnej mierzonej przez pyłomierze opyczne PŁ-2. Zależność ę można wyznaczyć na dwa sposoby. Pierwszy polega na wyznaczeniu sosunku zmierzonej pyłomierzem grawimerycznym warości pyłu całkowiego w danym przedziale czasu do warości średniej sężenia pyłu zarejesrowanego przez pyłomierz opyczny PŁ-2 w ym samym przedziale czasu. Drugi sposób opary jes na analizie wymiarowej cząsek pyłu osiadłego meodą dyfrakcji laserowej dla próbek pobranych ze spągu i ociosu wzdłuż badanego wyrobiska (np.: w miejscu zainsalowania czujników). Jes o akże sosunek zawarości frakcji całkowiej do respirabilnej. Obydwie meody dają bardzo zbliżone wyniki i do obliczeń można przyjmować dowolną z nich. Obliczenia według zaprezenowanej meody wyznaczania inensywności osiadania pyłu węglowego realizowane są przez specjalnie do ego celu napisany skryp programu Malab, kóry po wcześniejszym zaimporowaniu danych z sysemu pomiarowego kopalni oblicza inensywność osiadania pyłu węglowego na badanym odcinku wyrobiska, wyrażony w jednosce masy na powierzchnię na czas (g/m 2 /doba). Dodakową funkcją realizowaną przez skryp jes generowanie rójwymiarowych wykresów średniego sężenia pyłu (rys. 5) oraz przesrzennego rozkładu ubyku pyłu w wyrobisku (rys. 6). Rys. 5. Przesrzenny rozkład sężenia pyłu Rys. 6. Przesrzenny rozkład ubyku sężenia pyłu Badania przeprowadzone w kopalni wykazały [2], że zasosowanie eksponencjalnego modelu średniego rozkładu pyłu w wyrobisku w połączeniu z ciągłym

6 10 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA pomiarem sężenia pyłu daje możliwość określania inensywności osiadania pyłu węglowego na wybranym odcinku wyrobiska. W wyniku przeprowadzonych badań orzymano warości inensywności osiadania pyłu węglowego, wyrażone w gramach na mer kwadraowy na dobę warości maksymalne i minimalne przedsawione zosały w abeli 1. Tabela 1. Maksymalne i minimalne warości inensywności osiadania pyłu wynikające z badań Inensywność osiadania pyłu M o [g/m 2 /doba] Ściana A Ściana B Ściana C ma. min. ma. min. ma. min. 628,9 174,0 303,6 237,4 357,1 570,6 Przeprowadzone obliczenia wykazały, że na 300- merowym odcinku wyrobiska nadścianowego może zgromadzić się w ciągu doby ok. 0,2% średniego dobowego wydobycia ściany w posaci pyłu węglowego. Pozosała część wyworzonego pyłu ransporowana jes dalej z powierzem wenylacyjnym, lecz największa jego ilość pozosaje w ścianie, a nasępnie w zawale. Badania wykazały akże liniową zależność inensywności osiadania od inensywności źródła pyłu. Wyznaczone podczas obliczeń warości inensywności osiadania pyłu węglowego znacząco przewyższają warości podane w lieraurze oraz dane przekazywane przez kopalnie. Pierwszym powodem akiego sanu jes o, że badana meoda nie uwzględnia zawarości części niepalnych sałych. Drugim powodem jes o, że meoda a uwzględnia pył osiadający nie ylko na spągu, lecz na wszyskich elemenach echnicznego wyposażenia wyrobiska oraz na ociosach. Zaproponowany i przebadany model średniego rozkładu pyłu w wyrobisku i wyznaczone na jego podsawie przesrzenne rozkłady sężenia pyłu oraz ubyku jego masy wraz z odległością od źródła, opare o warości chwilowe sężenia pyłu, w bardzo dobry sposób przedsawiają charaker zjawiska, jakim jes ranspor i osiadanie cząsek pyłu w wyrobisku. Z uwagi na o, że sężenie pyłu zawieszonego w powierzu jes wielkością niemerologiczną, niemającą jednoznacznego wzorca, zaprezenowana opyczna meoda, sanowiąca elemen oceny ryzyka wybuchu pyłu węglowego w oparciu o ciągłe opyczne pomiary sężenia pyłu, jes meodą względną. Warości inensywności osiadania pyłu węglowego zależą od obliczonych współczynników b, k i z oraz dodakowo obarczone są błędem meody pomiarowej. Warości jakościowego i ilościowego współczynnika osiadania pyłu (b i k) zależą od panujących warunków wenylacyjnych w wyrobisku, inensywności źródła pyłu oraz przyjęej długości srefy wyrobiska, dla kórej prowadzone są obliczenia. Do obliczeń zasosowane zosały współczynniki o najmniejszych warościach, odpowiadające najszybszemu (najinensywniejszemu) osiadaniu pyłu. Wykorzysanie opycznej meody pomiaru sężenia pyłu do wspomagania oceny paramerów wpływających na możliwość zaisnienia wybuchu pyłu osiadłego w znaczący sposób może wpłynąć na poprawę bezpieczeńswa w ym względzie oraz może sanowić dobre narzędzie do konroli i oceny profilakyki przeciwwybuchowej. Zaprezenowana meoda oceny ryzyka wybuchu pyłu jes meodą rozwojową. W dalszym ciągu konynuowane są badania nad poprawą jej jednoznaczności oraz nad udoskonalaniem urządzeń służących do ciągłego pomiaru sężenia pyłu. 4. PODSUMOWANIE Zasosowanie opycznej meody ciągłego pomiaru sężenia pyłu zawieszonego w powierzu oraz wyznaczonego dla danego wyrobiska maemaycznego modelu rozkładu średniego sężenia pyłu, w połączeniu z odpowiednim oprogramowaniem, może sanowić elemen służący do oceny paramerów wpływających na możliwość zaisnienia wybuchu osiadłego pyłu węglowego. Ocena zagrożenia wybuchem węglowego pyłu osiadłego może być prowadzona w oparciu o obserwację inensywności osiadania pyłu węglowego w wyrobisku, obliczaną na podsawie wyznaczonych rozkładów oraz ciągłego pomiaru sężenia pyłu, wyrażoną w jednosce masy na powierzchnię na czas. Lieraura 1. Lebecki K.: Zagrożenia pyłowe w górnicwie. Wydawnicwo Głównego Insyuu Górnicwa, Kaowice Małachowski M.: Opyczna meoda ciągłego pomiaru osiadania pyłu w wyrobisku jako elemenu oceny ryzyka wybuchu pyłu. Praca dokorska, GIG Mróz J., Małachowski M.: Analiza zagrożeń pyłowych w kopalniach węgla kamiennego na podsawie ciągłego moniorowania, V Szkoła Aerologii Górniczej, Wrocław, X Mróz J., Małachowski M., Szczygielska M., Choroba T.: Sysem pomiarów zapylenia dla kopalń węgla kamiennego, X Konferencja Naukowa Czujniki Opoelekroniczne i Elekroniczne, Poznań, VI Srona inerneowa hp:// V Srona inerneowa hp://bp.com/saisicalreview, VI Arykuł zosał zrecenzowany przez dwóch niezależnych recenzenów