WYRZUTY SKAŁ I GAZÓW ORAZ SYSTEMY ZWALCZANIA TYCH ZAGROŻEŃ

Transkrypt

1 WYRZUTY SKAŁ I GAZÓW ORAZ SYSTEMY ZWALCZANIA TYCH ZAGROŻEŃ Stanisław KOWALIK Politechnika Śląska, Gliwice, Polsko Summary: REPROACHES OF ROCKS AND OF GASES AND SYSTEMS OF FIGHTING THESE OF THREATS This article contains general informations about reproaches of gases and of rocks. A review of hypothesises of relating mechanism reproaches formation and progress. Characterization of main factors influencing the possibility of reproaches has been given. Then, there was been described systems of fighting with reproach followed by ways of protection crews before the results of explosion. OGÓLNE WIADOMOŚCI O WYRZUTACH GAZÓW I SKAŁ Zjawiska wyrzutów gazowo skalnych należą do najgroźniejszych i bezwzględnie najbardziej skomplikowanych zjawisk w kopalniach podziemnych. Mimo istniejących wielu hipotez dotyczących wyjaśnienia mechanizmu powstania i wyrzutu, mechanizm ten jest ciągle nie w pełni rozeznany. Główna trudność w wyjaśnieniu istoty tego zjawiska tkwi w jego wieloparametrowości. Według [4] wyrzutem węgla (skały płonnej) i gazu jest wyniesienie rozdrobnionej masy węglowej (skalnej) z calizny wyrobiska za pomocą gazu wydzielanego z tej calizny w trakcie niszczenia jej struktury siłami nacisku górotworu. Z definicji tej wynika, że wyrzut związany jest ściśle z trzema zasadniczymi czynnikami: stanem naprężeń w porowatym szkielecie górotworu, gazonośnością pokładu węgla, ciśnieniem gazu wolnego znajdującego się w porach i szczelinach oraz parametry fizyczne węgla i skał otaczających. W kopalniach węgla gazem biorącym udział w wyrzutach w zdecydowanej większości przypadków jest metan. Występują również wyrzuty CO 2 i węgla oraz wyrzuty CH 4 +CO 2 +C. W wyniku wyrzutu ilości wydzielonego gazu sięgają do kilkunastu tysięcy lub kilkuset m 3 oraz kilkunastu tysięcy ton wyrzuconej masy skalnej. W procesie wyrzutu gazowo skalnego wyróżnia się dwie fazy: 1. wstępna która ujmuje moment zapoczątkowania wyrzutu, 2. zasadnicza polegająca na transporcie wyrzuconej masy skalnej do wyrobiska nierzadko w ciągu kilku do kilkunastu minut.

2 Cechą charakterystyczną wszystkich wyrzutów jest ich kawernowy charakter. Dla określenia wielkości wyrzutu i jego intensywności oraz stosowania odpowiedniej profilaktyki wprowadzono kategorie zagrożenia wyrzutowego. Tabela 1 Zestawienie kategorii zagrożeń wyrzutami gazów i skał dla złóż węgla kamiennego Kategoria zagrożenia Kategoria I Kategoria II Kategoria III Kategoria IV Źródło: literatura [1] Opis kategorii Jeśli nie występują wyrzuty gazów i skał, lecz stwierdzono w otworze badawczym nadciśnienie CO 2 nie większe od 0,3 at albo CH 4, nie większe od 0,8 at lub stwierdzono choćby jeden nagły wypływ gazów. Jeśli stwierdzono w otworze badawczym nadciśnienie CO 2 powyżej 0,3 at albo CH 4 powyżej 0,8 at lub chociażby jeden nie tłumiony wyrzut gazów i skał, przy którym została wyrzucona poza kawernę wyrzutową masa do 200 t skał. Jeśli stwierdzono chociażby jeden nie tłumiony wyrzut gazów i skał, w którym została wyrzucona masa ponad 200 t skał. Jeżeli istnieją warunki zaliczenia do kategorii III, a zagrożenie występuje w warunkach szczególnych, polegających przede wszystkim na wielkości wyrzutów, ich częstotliwości oraz dużej ilości gazów wydzielających się w czasie wyrzutu. PRZEGLĄD HIPOTEZ DOTYCZĄCYCH MECHANIZMU POWSTAWANIA I ROZWOJU WYRZUTU Duża różnorodność w przebiegu i w intensywności wyrzutów jest powodem kontrowersyjnych poglądów i formułowania różnych hipotez. Zdaniem autorów [3] wszystkie hipotezy można ująć w trzy grupy: 1. Pierwsza grupa hipotez przypisuje w mechanizmie powstania wyrzutu główną rolę gazowi zawartemu w węglu. 2. Druga grupa hipotez przypisuje główną rolę w powstaniu wyrzutów naprężeniom w górotworze, pochodzących od nacisku warstw nadległych i eksploatacji bądź od drgań tektonicznych. Zjawiska wyrzutów niejednokrotnie utożsamiano z tąpaniami. Inne czynniki jak np. ciśnienie gazu odrzucano lub przypisywano im znaczenie drugorzędne. 3. Trzecia grupa są to hipotezy współczesne, traktujące wyrzut wieloparametrowo tzn., że na jego zaistnienie mają wpływ ciśnienie górotworu, gaz zawarty w węglu oraz parametry fizykomechaniczne węgli i skał, wpływ tektoniki. Przedstawione powyżej hipotezy dotyczące mechanizmu powstania i rozwoju zjawiska wyrzutu są niejednokrotnie bardzo rozbieżne. Niemniej każda z wyżej wymienionych hipotez 58

3 przyczyniła się w węższym lub szerszym zakresie do pełniejszego poznania tego zjawiska. Nie ujmowały jednak wszystkich przypadków powstania wyrzutów. W późniejszych pracach wykazano, że samo ciśnienie gazu wolnego w caliźnie wyrzutowego pokładu nie jest w stanie spowodować skruszenia calizny węglowej i tym samym spowodowania wyrzutu. Następne teorie przyjmujące jedynie ciśnienie górotworu za decydujący czynnik w tej problematyce, opierające się głównie na obserwacjach przypadków tąpań i nagłych przemieszczeń ociosów do wyrobisk w pokładach niegazowych nie tłumaczyły przypadków wyrzutów długotrwałych w czasie od 30 sekund do około 15 minut. Teorie obecne traktujące wyrzut wieloparametrowo są najbliższe wyjaśnienia mechanizmu wyrzutu. Niemniej brak jest dotychczas jednoznaczności poglądów na temat dominacji poszczególnych czynników w procesie wyrzutu jak również nie określono dokładnie roli każdego z czynników w tej problematyce. Z każdej z przedstawionych grup hipotez wynikały wnioski praktyczne sposobu prognozowania i zwalczania zjawisk wyrzutów. Pierwsza grupa hipotez skierowała prognozę zagrożeń wyrzutowych na pomiar parametru ciśnienia gazu, a zwalczania wyrzutów na metody odgazowania pokładów. Autorzy drugiej grupy sugerowali w swych pracach metodę odprężającego wybierania pokładów jako najbardziej efektywny sposób walki z wyrzutami. Metoda ta do chwili obecnej stanowi podstawowy środek zwalczania tego typu zjawisk w każdym zagłębiu wyrzutowym. Opierając się na teoriach współczesnych wprowadzono do praktyki górniczej szereg nowych wskaźników, prognozy między nimi, pomiar szybkości dysproporcji wychodu zwiercin, wskaźnika zwięzłości węgla i wskaźnika zmienności grubości pokładu itp. jak również wprowadzono nowe sposoby walki z wyrzutami i zwiercanie pokładu węgla otworami wyprzedzającymi wtłaczanie wody w pokład, strzelanie odprężające wstrząsowe itp. Fakt, że stosowane obecnie metody walki z wyrzutami nie gwarantują jeszcze w chwili obecnej pełnego opanowania zagrożenia wyrzutowego jest dowodem o niezwykłym skomplikowaniu tego typu zjawiska. CHARAKTERYSTYKA GŁÓWNYCH CZYNNIKÓW WPŁYWAJĄCYCH NA MOŻLIWOŚĆ ZAISTNIENIA WYRZUTU Po przeanalizowaniu wszystkich hipotez dotyczących mechanizmu powstawania i rozwoju wyrzutów można symbolicznie napisać funkcję wyrzutów: W = f (, G, Fm, T), gdzie: - naprężenia w caliźnie wyrzutowego pokładu, 59

4 G- gazonośność pokładu (skały), Fm własności fizykomechaniczne węgla i skał, T tektonika rozpatrywanego pokładu. Przestrzenny stan naprężeń w górotworze nienasyconym gazem jest inny niż w ośrodku porowatym nasyconym gazem. Ważnym z punktu widzenia praktyki górniczej jest określenie naprężeń w górotworze. Wszystkie metody pomiarowe naprężeń można ująć w dwie grupy: 1. metody bezpośrednie dotyczące pomiaru ilościowego składowych naprężeń w punkcie, 2. metody pośrednie dotyczące pomiaru rozkładu naprężenia w caliźnie górotworu. Wszystkie stosowane w chwili obecnej metody pomiarowe naprężeń wymagają pomiarów w otworach wierconych w caliźnie węgla lub kamieniu. Drugim parametrem w funkcji przedstawionej powyżej jest gazonośność pokładu określana jako ilość gazu zawartego w jednostce objętościowej lub wagowej skały. Gaz jest zasadniczym przedmiotem wyrzutów, uczestniczy w ich zapoczątkowaniu i spełnia główną rolę w ich rozwoju. Intensywność wyrzutów zależy między innymi od stopnia nasycenia calizny gazem. W skałach płonnych gaz występuje głównie w stanie wolnym wypełniając pory i szczeliny, natomiast w pokładzie występuje w stanie wolnym i w postaci związanej (adsorpcja, absorpcja i chemisorpcja). Całkowita ilość gazu wolnego i związanego stanowi gazową pojemność węgla, która jest z kolei funkcją pojemności sorpcyjnej, objętości gazu wolnego, która jest zależna od porowatości, ciśnienia gazu, temperatury, wilgotności, rodzaju gazu. Do zasadniczych parametrów fizykomechanicznych istotnych w problematyce wyrzutów jest szczelinowatość, porowatość, wytrzymałość na ściskanie, rozciąganie, plastyczność, sprężystość, kąt tarcia wewnętrznego. SYSTEMY ZWALCZANIA ZAGROŻEŃ WYRZUTOWYCH Zależnie od czynników, które oddziaływują na powstanie wyrzutów, metody zapobiegania im można podzielić na trzy kategorie: metody działające na zmniejszenie wielkości naprężeń mechanicznych w pokładzie, metody działające na zmniejszenie zawartości gazu w pokładzie, metody działające równocześnie na oba te czynniki. Ogólnie wszystkie te aktywne metody zwalczania wyrzutów zdaniem H. Gila [2] można podzielić na: 60

5 A. Regionalne dla złoża lub pola kopalnianego, do których można zaliczyć odprężanie pokładów chronionych pokładami odprężającymi, odmetanowanie górotworu oraz wtłaczanie wody w pokład otworami z powierzchni. B. Lokalne dla danego pokładu, do których zalicza się zwiercenie pokładu otworami mało i wielośrednicowymi, wtłaczanie wody w pokład krótkimi i długimi otworami, hydrowymywanie, mikrokapilarne nawilżanie pokładów, depresyjne odgazowywanie pokładu, torpedowanie calizny węglowej ładunkami MW oraz wykonywanie szczelin odprężających caliznę węglową. Do metod pasywnych zalicza się strzelanie prowokujące zwiększonymi ładunkami MW oraz stawianie krat zaporowych. ZABEZPIECZENIE ZAŁÓG PRZED SKUTKAMI WYBUCHU Dotychczasowa niska skuteczność wszystkich metod prognozowania wyrzutowego zmusza do opracowania zabezpieczeń załogi w kopalniach wyrzutowych. Zagrożenie życia ludzkiego na skutek zaistnienia wyrzutu gazowo skalnego rozpatruje się w dwóch aspektach: 1. jako niebezpieczeństwo przysypania załogi, 2. jako niebezpieczeństwo zagazowania wyrobisk CO 2 lub CH 4. Działanie CO 2 na organizm jest duszące i zgodnie z przepisami nie może go być więcej niż 1%, przy 10% istnieje niebezpieczeństwo utraty życia. W przypadku metanu wypiera on tlen i występuje zagrożenie uduszenia. Zabezpieczenie załogi sprowadza się do: oczujnikowania pól zagrożonych wyrzutami gazów i skał, alarmowanie załogi o zaistniałym wyrzucie gazowo skalnym, indywidualne zabezpieczenie załogi. W kopalniach dolnośląskich stosuje się oczujnikowanie aparaturą kontrolno ostrzegawczą CO 2 typu GMA 30. Głównym celem tej aparatury jest ciągły pomiar stężenia CO 2 w wyrobiskach zagrożonych wyrzutami i informowanie na bieżąco dyspozytora o aktualnym zagrożeniu CO 2. Również można stosować lampy benzynowe z fotokomórką. Zasada działania lampy polega na zmniejszeniu płomienia przy wzroście koncentracji CO 2. Przekroczenie 4% CO 2 powoduje uruchomienie systemu sygnalizacji alarmowej. W kopalniach zagrożonych wyrzutami CH 4 stosuje się system zabezpieczenia metanometrycznego. Informowanie załogi o zagrożeniu wyrzutowym odbywa się poprzez 61

6 dyspozytora kopalni, który o zaistnieniu wyrzutu gazowo skalnego informuje załogi przy użyciu sygnalizatorów typu ASA 3. Informowanie odbywa się w ten sposób, że przez okres 10 minut podawane są sygnały akustyczne docierające do wszystkich miejsc na dole. Indywidualne zabezpieczenie załogi polega na zastosowaniu aparatów tlenowych osobistego użytku i aparatury AW 412 połączone z siecią sprężonego powietrza. WNIOSKI 1. Zjawiska wyrzutów gazowo skalnych należą do najgroźniejszych, najbardziej skomplikowanych zjawisk w kopalniach. 2. Pomimo prowadzonych badań zjawisko wyrzutów jest do chwili obecnej jeszcze całkowicie niezbadane. 3. Wyrzuty gazów i skał spotyka się nie tylko w kopalniach węgla kamiennego, lecz również w innych dziedzinach górnictwa. 4. Wśród istniejących hipotez dotyczących wyrzutów gazów i skał najbardziej istotną jest hipoteza uwzględniająca wieloparametrowość zjawiska wyrzutu. 5. W oparciu o hipotezy i prognozę zagrożenia wprowadzono szereg środków aktywnego zwalczania zagrożenia. 6. Skuteczność metod zwalczania zagrożenia zależy od warunków lokalnych danej kopalni i dla tych znanych warunków należy dobrać odpowiednią metodę zwalczania zagrożenia. 7. Bez względu na prowadzone obserwacje i prognozy zagrożenia należy stosować wszelkie dostępne środki zabezpieczenia załogi. LITERATURA 1. Bielewicz T., Prus B., Honysz J. (1994): Górnictwo. Śląskie wydawnictwo Techniczne, Katowice. 2. Gil H. (1988): Mechanizm wyrzutów gazów węgla i skał. Skrypt Politechniki Śląskiej, Gliwice. 3. Gil H., Swidziński A. (1982): Wyrzuty gazowo skalne w kopalniach podziemnych. Skrypt Politechniki Śląskiej, Gliwice. 4. Praca zbiorowa (1974): Poradnik Górnika. Wydawnictwo Śląsk, Katowice. 62