Opracowanie układu do automatycznego pobierania prób powietrza ze zrobów i przestrzeni otamowanych

Transkrypt

1 INSTYTUT MECHANIKI GÓROTWORU POLSKIEJ AKADEMII NAUK Kraków ul. Reymonta 27 tel. +48(2) , fax +48(2) Strategiczny projekt badawczy PS3 pt. "Poprawa bezpieczeństwa pracy w kopalniach" Opracowanie zasad pomiarów i badań parametrów powietrza kopalnianego dla oceny zagrożenia metanowego i pożarowego w podziemnych zakładach górniczych wydobywających węgiel kamienny Sprawozdanie z realizacji etapu nr 3 Opracowanie układu do automatycznego pobierania prób powietrza ze zrobów i przestrzeni otamowanych Kierownik części projektu strategicznego:... Prof. dr hab. inż. Stanisław Wasilewski KRAKÓW, marzec 202 roku tel. (+48) (2) , fax. (+48)(2) ; NIP: , REGON:

2 INSTYTUT MECHANIKI GÓROTWORU POLSKIEJ AKADEMII NAUK Kraków ul. Reymonta 27 tel. +48(2) , fax +48(2) Projekt Strategiczny - Zadanie 3 Opracowanie zasad pomiarów i badan parametrów powietrza kopalnianego dla oceny zagrożenia metanowego i pożarowego w podziemnych zakładach górniczych wydobywających węgiel kamienny Data rozpoczęcia pracy (umowy): Data zakończenia Etap 3. Opracowanie układu do automatycznego pobierania prób powietrza ze zrobów i przestrzeni otamowanych Charakter opracowania: Praca naukowo-badawcza. Opracował zespół w składzie: Prof. dr hab. inż. Stanisław Wasilewski Prof. dr hab. inż. Wacław Dziurzyński Dr inż. Andrzej Krach Jerzy Gorgoń mgr inż. Róża Kozielska Zatwierdził: Dyrektor Instytutu... prof. dr hab. inż. Wacław Dziurzyński tel. (+48) (2) , fax. (+48)(2) ; NIP: , REGON:

3 Część I: Opracowanie automatycznego poboru prób powietrza ze zrobów w systemie gazometrii. Wstęp 2. Przegląd wymagań wynikających z przepisów w zakresie kontroli zagrożenia metanowopożarowego w przestrzeni zrobowej. 2.. Wczesne wykrywanie pożarów endogenicznych 2.2. Pobieranie prób powietrza ze zrobów ścian zawałowych oraz przestrzeni otamowanych 2.3. Wymagania dla zdalnego pobierania prób gazowych (wg. przepisów ratowniczych) 3. Idea automatycznego poboru prób powietrza ze zrobów w systemie gazometrii 4. Wymagania dla układu do ciągłych pomiarów gazów zrobowych 4.. Wymagania metrologiczne w odniesieniu do przepisów górniczych 4.2. Wymagania konstrukcyjne i działanie układu automatycznego poboru i pomiaru 5. Założenia dla układu automatycznej analizy gazów zrobowych 5.. Czujniki koncentracji gazów w próbie powietrza ze zrobów modelu ZCZ-MP 5.2. Algorytm pracy automatycznej pompki pobierania prób powietrza ze zrobów 6. Budowa i działanie układu automatycznej analizy gazów zrobowych 6.. Część pneumatyczna ZCZ-MP 6.2. Część pomiarowo-transmisyjna 6.3. Algorytm działania zintegrowanego czujnika zrobowego ZCZ-MP 7. Badania modelu układu pobierania prób powietrza ze zrobów 7.. Badanie pompy inżektorowej do pobierania prób powietrza w KWK Szczygłowice 7.2. Pomiary czasów zasysania próbek w KWK Halemba 7.3. Badania wpływu ciśnienia na pomiary stężenia gazów przez czujniki DXX 8. Podsumowanie Załącznik: Zespół czujników do analizy składu chemicznego powietrza pochodzącego ze zrobów. Opis techniczny. Instrukcja obsługi. Dokumentacja EMAG Serwis Część II: Pompka do poboru prób powietrza z napędem elektrycznym. Model pompki do poboru prób powietrza z napędem elektrycznym.. Cel podjęcia badań.2. Założenia do projektu pompy.3. Projekt modelu pompy.4. Badania modelu pompy.5. Wnioski 2. Dokumentacja pompki z napędem elektrycznym do poboru prób powietrza 2.. Założenia do dokumentacji Dokumentacja pompy Układ kontroli i sterowania pompy Układ zasilacza pompy Wnioski Załączniki:. Dokumentacja pompki z napędem elektrycznym do poboru prób powietrza. 2. Podręcznik obsługi i konserwacji pompy Versa-Matic. 3. Certyfikaty pompy Versa-Matic. - -

4 Streszczenie Niniejsze opracowanie stanowi sprawozdanie merytoryczne z etapu prac badawczych wykonanego w ramach zadania badawczego nr 3 pt. Opracowanie zasad pomiarów i badań parametrów powietrza kopalnianego dla oceny zagrożenia metanowego i pożarowego w podziemnych zakładach górniczych wydobywających węgiel kamienny badawczego projektu strategicznego pt. Poprawa bezpieczeństwa pracy w kopalniach. Etap 3 stanowi jeden z czterech etapów prac badawczych zadania szczegółowego: pt. Opracowanie nowych metod pobierania prób powietrza ze zrobów i przestrzeni otamowanych, ich analizy i interpretacji wyników dla bieżącej oceny stanu zagrożenia pożarowego i metanowego w rejonach wentylacyjnych Celem tej pracy było opracowanie układu automatycznego poboru prób powietrza ze zrobów w systemie gazometrii wraz z konfiguracją urządzeń pomiarowych Układ do ciągłych pomiarów gazów zrobowych jest urządzeniem, które pozwala na automatyczne pobranie próby powietrza (gazów zrobowych) ze zrobów ścian oraz z za tam izolacyjnych i dokonanie pomiaru stężenia wybranych gazów w próbie wraz transmisją wyników w kopalnianym systemie gazometrii automatycznej do stanowiska dyspozytora, a właściwie inżyniera wentylacji. Istotą rozwiązania jest obiektywne, zdalne i automatyczne pobieranie próby powietrza, bez udziału próbobiorcy. Układ automatycznego poboru prób powietrza pozwala na automatyczne pobieranie prób gazów zrobowych z odległości, do 000m. Układ wyposażony jest w sterowany układem mikroprocesorowym zestaw komór pomiarowych do ciągłego pomiaru zawartości metanu, tlenu oraz tlenku i dwutlenku węgla w próbie gazów zrobowych. Podstawowym elementem układu automatycznego poboru prób powietrza ze zrobów jest pompka. W opracowanym układzie wykorzystano inżektorową pompkę zasilaną z kopalnianej sieci sprężonego powietrza. Znając ułomności kopalnianych sieć sprężonego powietrza oraz dostępności tego medium w wyrobiskach kopalni podjęto również próbę opracowania pompki z napędem elektrycznym, która stanowiłoby bardziej uniwersalne rozwiązanie. Trudnością przy wymaganych parametrach przepływu, a zatem i mocy silnika jest spełnienie warunku pracy pompki w atmosferze wybuchowej. Takiego rozwiązania nie znaleziono stąd podjęto próbę przystosowania do tego celu gotowego rozwiązania (część II)

5 . Wstęp Zagrożenia pożarowo-metanowe jest poważnym zagrożeniem naturalnym występującym w kopalniach węgla kamiennego. Przyjęte w polskim górnictwie ścianowe systemy eksploatacji z zawałem stropu, powodują powstawanie pustek będących zbiornikiem gazów zwanych zrobami. Przestrzeń zrobów jest w praktyce niekontrolowana oraz słabo rozpoznawana pod względem rozkładu koncentracji gazów i zjawisk zachodzących w tych przestrzeniach. Z punktu widzenia bezpieczeństwa ważnym zagadnieniem staje się rozeznanie zagrożenia metanowego w zrobach ścian eksploatowanych z zawałem stropu. Dodatkowo, w zrobach występuje zagrożenie pożarowe wynikające z procesów samozapalenia pozostawionego po eksploatacji węgla. Metodami rozpoznania zagrożenia pożarowometanowe w zrobach i wyrobiskach przyścianowych jest obecnie: q Monitoring powietrza w wyrobiskach przyścianowych, q Analizy laboratoryjne metodami chemicznymi lub metodą chromatograficzną prób powietrza z obszaru zrobów i wyrobisk przyścianowych. Statystyki katastrof zaistniałych w ostatnich latach pokazują, że większość zdarzeń miała miejsce w zrobach ścian zawałowych. Równocześnie dotychczasowe rozwiązania techniczne nie pozwalały na kontrolę przestrzeni zrobów pod kątem rozkładu gazów oraz rozwijających się w zrobach zagrożeń pożarowych. Doświadczenia pokazują, że metodyka pobierania prób powietrza z przestrzeni zrobów, w tym z za tam izolacyjnych oraz z rurociągów odmetanowania dla oceny zagrożeń pożarowych w zrobach jest nieprecyzyjna, a zjawiska zachodzące w zrobach pozostają poza kontrolą lub są słabo kontrolowane. Analizy wykonywane przez służby kopalniane opierają się na mało skutecznych metodach wczesnego wykrywania pożarów opracowanych w latach 30-tych i latach 70-tych ubiegłego wieku. Opracowana w GIG tzw. precyzyjna metoda wymaga unikalnej aparatury i jest wykonywana jedynie w specjalistycznych laboratoriach. Badania te nie zawsze oddają rzeczywisty poziom zagrożenia pożarowego. Praktyka pokazuje, że obie te metody nie zawsze były skuteczne, a wpływ na błędną ocenę poziomu zagrożenia może mieć m. in. niewłaściwy sposób pobierania prób powietrza. Rozwój nauk górniczych i technologii pomiarowych pozwala dziś podjąć szeroko zakrojone badania w celu rozwiązania problemu przez ustalenie nowej metodyki oceny zagrożenia metanowo-pożarowego w zrobach i przestrzeniach otamowanych. Zagrożenie wybuchem w zrobach ścian zawałowych w kopalniach stanowi w ostatnich latach najpoważniejsze zagrożenie gazowe będąc źródłem ostatnich katastrof górniczych. Uznając fakt, że zagrożenie to dotychczas właściwie pozostaje poza kontrolą. W ramach współpracy pomiędzy GIG oraz Centrum EMAG w latach , opracowano Zintegrowany Czujnik Zrobowy ZCZ (pomiar koncentracji gazów CH 4, O 2,) do rejestracji parametrów powietrza zrobowego w systemie gazometrii automatycznej. Rozwiązanie to zostało zgłoszone w Urzędzie Patentowym w roku 2006, wniosek patentowy, P jako Sposób oraz urządzenie do kontroli stanu atmosfery i parametrów gazów w zrobach ścian eksploatowanych na zawał. Kontynuując ten kierunek badań w ramach projektu badawczego rozwojowego N R , pt. Badania rozkładu stężeń gazów w zrobach ścian zawałowych w aspekcie zagrożeń zapaleniami i wybuchami metanu w zrobach, finansowanego przez NCBiR, a realizowanego w IMG PAN w Krakowie, w latach , rozszerzono zakres czujnika zrobowego o pomiar koncentracji gazów CH 4, O 2, CO, CO 2, a po serii badań w kopalni oraz wykorzystując uzyskane doświadczenia w roku 2009, zaproponowano odmienne rozwiązanie oparte na poborze prób powietrza ze zrobów zamiast zanurzenia zintegrowanego czujnika - 3 -

6 zrobowego w przestrzeni zrobów. W Urzędzie Patentowym został zgłoszony wniosek patentowy P , pt. Sposób i urządzenie do kontroli i oceny zagrożenia pożarowego w zrobach ścian zawałowych i za tamami izolacyjnymi. W oparciu o tę ideę obecnie w zadaniu badawczym 3 pt. "Opracowanie zasad pomiarów i badań parametrów powietrza kopalnianego dla oceny zagrożenia metanowego i pożarowego w podziemnych zakładach górniczych wydobywających węgiel kamienny" w ramach strategicznego projektu badawczego pt. "Poprawa bezpieczeństwa pracy w kopalniach" finansowanego przez NCBiR, powstaje automatyczny układ do poboru prób powietrza wraz z pomiarem koncentracji gazów zrobowych CH 4, O 2, CO, CO 2 i rejestracją w systemie gazometrii automatycznej. 2. Przegląd wymagań wynikających z przepisów w zakresie kontroli zagrożenia metanowo-pożarowego w przestrzeni zrobowej. 2.. Wczesne wykrywanie pożarów endogenicznych W celu wykrywania procesów samozagrzewania węgla w wyrobiskach górniczych (Jakubów, Araszczuk 20), w wyznaczonych stacjach pomiarowych wczesnego wykrywania pożarów endogenicznych pobiera się próby powietrza i prowadzi analizę chemiczną jego składu. W próbach powietrza pobieranych na stacjach pomiarowych oznacza się: tlen (O 2 ), dwutlenek węgla (CO 2 ), tlenek węgla (CO), metan (CH 4 ) i azot (N 2 ). Stacje pomiarowe lokalizuje się w rejonach wentylacyjnych czynnych i likwidowanych ścian oraz w wyrobiskach z wentylacją odrębną, drążonych w pokładach węgla. Dodatkowo, wczesne wykrywanie pożarów prowadzone jest w miejscach wyznaczonych przez kierownika działu wentylacji, np. spoza tam izolacyjnych. Stacje pomiarowe lokalizuje się: q w przepływowych prądach powietrza dopływających i wypływających z poszczególnych ścian, przy zrobach w chodniku wentylacyjnym dla powietrza wypływającego ze zrobów (system przewietrzania na U ) lub pobieranego ze zrobów za pomocą rur 6-metrowych pozostawianych w zrobach w odległości co 50m (system przewietrzania na Y ), q w prądach powietrza dopływających i wypływających z wyrobisk korytarzowych, przewietrzanych za pomocą wentylacji odrębnej, q spoza tam izolacyjnych, wyznaczonych przez kierownika działu wentylacji, q w innych miejscach wyznaczonych przez kierownika działu wentylacji. W stacjach pomiarowych określa się ilość przepływającego powietrza. Próby powietrza w stacjach pomiarowych pobiera się co najmniej 2 razy w tygodniu lub z inną częstotliwością ustaloną w Profilaktyce zwalczania zagrożenia pożarowego zatwierdzonej przez Kierownika Ruchu Zakładu Górniczego. Spoza wszystkich tam izolacyjnych pobiera się próby powietrza co najmniej raz w miesiącu. Na podstawie wyników analiz oblicza się: q wskaźnik przyrostu tlenku węgla Δ CO dla stacji wylotowych, q wskaźnik ilości tlenku węgla V CO dla stacji wylotowych, q wskaźnik Grahama G. Dla zwiększenia kontroli stanu zagrożenia pożarowego w wyrobiskach górniczych, z częstotliwością i w miejscach ustalonych w Profilaktyce zwalczania zagrożenia pożarowego zatwierdzonej przez KRZG, pobiera się próby powietrza do precyzyjnej analizy gazów

7 W rejonach czynnych i likwidowanych ścian oraz drążonych wyrobisk korytarzowych stosowane są czujniki CO-metrii automatycznej dla bieżącej oceny stanu zagrożenia pożarowego. W wyrobiskach wyznaczonych przez kierownika działu wentylacji zabudowuje się czujniki temperatury. Służby wentylacyjne w celu kontroli stanu zagrożenia pożarowego w wyrobiskach górniczych stosują indywidualne przenośne analizatory tlenku węgla (COmierze). W przypadku wzrostu zagrożenia pożarowego dla wykrycia anomalii termicznych w stropie, spągu i ociosach wyrobisk, spowodowanych samozagrzewaniem się węgla wykonywane są pomiary temperatury górotworu przy użyciu pirometrów Pobieranie prób powietrza ze zrobów ścian zawałowych oraz przestrzeni otamowanych W celu oceny zagrożenia pożarowego w zrobach i przestrzeniach otamowanych stosuje się (Jakubów, Araszczuk 20) pobieranie prób powietrza ze zrobów ścian zawałowych oraz przestrzeni otamowanych: q pobieranie prób powietrza do analizy chemicznej ze zrobów polega na pobieraniu prób ze: stacji pomiarowych zlokalizowanych przy zrobach w chodniku nadścianowym (wentylacyjnym dla powietrza wypływającego ze zrobów) zza TI na linii zawału, zza ostatniej sekcji, (pompka ręczna z zaworami do metanomierza tzw. gruszka, worki Tedlara), stacji pomiarowych zlokalizowanych w zrobach w chodniku nadścianowym, próby pobierane z węży i linii próbobiorczych zainstalowanych w zrobach, (pompka ręczna depresyjna ZUM lub pompka elektryczna, worki Tedlara), stacji pomiarowych zlokalizowanych w zrobach, w ścianach oraz innych miejscach w zależności od występujących warunków górniczo-geologicznych, próby pobierane z węży i linii próbobiorczych zainstalowanych w zrobach (rurociągi zabudowane w sekcjach obudowy zmechanizowanej w rejonie zaburzeń geologicznych lub w górnym odcinku ściany, do podawania mieszaniny popiołowo-wodnej ciągnione za postępem ściany długości około 20m, rurociągi zabudowane w sekcjach obudowy zmechanizowanej w rejonie zaburzeń geologicznych lub w górnym odcinku ściany, rurociągi tracone wraz z postępem ściany), spoza tam izolacyjnych mogących mieć połączenie zrobowe z rejonem eksploatacji, z rurociągu odmetanowania jak również z poszczególnych otworów drenażowych bądź innych wykonanych na zlecenie kopalni, q pobieranie prób powietrza do analizy chemicznej z otamowanych przestrzeni polega na pobieraniu prób: spoza tam izolacyjnych, z rurociągów zabudowanych w otamowanej przestrzeni, (pompka ręczna depresyjna ZUM lub pompka elektryczna, worki Tedlara), z odwierconych otworów badawczych, (pompka ręczna depresyjna ZUM lub pompka elektryczna, worki Tedlara) Wymagania dla zdalnego pobierania prób gazowych (wg. przepisów ratowniczych) Przepisy ratownicze odnoszą się wprawdzie do warunków prowadzenia akcji, jednak w części dotyczącej zdalnego pobierania prób gazowych niektóre z nich (punkt 3 ww. przepisów) mogą również stanowić wymagania dla omawianego tu układu

8 3.. Z poszczególnych punktów pomiarowych próby gazowe należy pobierać do analizy przy pomocy urządzenia do zdalnego pobierania prób gazowych tj. linii wężowej, pompki elektrycznej oraz osprzętu próbobiorczego Do zdalnego pobierania prób gazowych stosować należy węże gumowe grubościenne o średnicy wewnętrznej 6 mm lub 8mm. Maksymalna długość linii wężowej wynosi: q 000m po stronie ssącej, q 2000m po stronie tłoczącej (ten punkt dotyczy zasilania pompki elektrycznej w warunkach akcji z sieci kopalnianej poprzez transformator 500/220/2V lub z akumulatora), co nie spełnia warunków iskrobezpieczeństwa stąd nie może być wykorzystany w projektowanym układzie automatycznego poboru prób powietrza ze zrobów pompkę należy umieszczać w odległości nie większej niż 000m od punktów próbo biorczych Stanowisko pracy pompki musi być wyposażone w metanomierz sygnalizujący z ustawionym progiem alarmowania na,5%ch W linii wężowej dla odprowadzenia wody (kondensatu pary wodnej) należy umieszczać przynajmniej odstojnik po stronie ssącej Dla prawidłowego pobierania próby do analizy chemicznej linie wężowe wraz z odstojnikami należy odpowiednio przepłukać. Czas potrzebny do przepłukiwania układu zdalnego pobierania prób gazowych określa wzór T =, * V ukł / V [min] gdzie objętość układu V ukł [dcm 3 ] jest sumaryczną objętością linii wężowej V oraz objętości odstojników V 2, natomiast V[dcm 3 /min] jest wydajnością pompki przy danej długości linii wężowej. Objętość układu V ukł należy wyliczać na podstawie długości i średnicy linii wężowej oraz objętości odstojników 3. Idea automatycznego poboru prób powietrza ze zrobów w systemie gazometrii Praktyka pokazuje, że o ile kontrola stanu atmosfery w wyrobiskach kopalni w opływowych prądach powietrza prowadzona w kopalnianych systemach dyspozytorskiego nadzoru jest obecnie na wysokim poziomie technicznym, to stan atmosfery w miejscach niedostępnych tj. zrobach i przestrzeniach otamowanych jest właściwie poza kontrolą. Wydaje się, że metody oparte na badaniach laboratoryjny prób powietrza ze zrobów i przestrzeni otamowanych nie zawsze były skuteczne, a wpływ na błędną ocenę poziomu zagrożenia może mieć m. in. niewłaściwy sposób pobierania prób powietrza. Kierunkiem prowadzonych badań stało się zatem poszukiwanie rozwiązań gwarantujących obiektywność pobierania prób m.in. przez ich automatyzację w celu eliminacji subiektywnych i rutynowych zachowań człowieka z toru pomiarowego. W dalszej części badań konieczne jest określenie warunków pobierania prób powietrza gwarantujących ich jednoznaczność i wiarygodność w stosunku do składu powietrza w kontrolowanej przestrzeni zrobów. Właśnie ten fakt stał u podstaw badań podjętych w projekcie rozwojowym pt. Badania rozkładu stężeń gazów w zrobach ścian zwałowych w aspekcie zagrożeń zapaleniami i wybuchami metanu w zrobach, realizowanym w Instytucie Mechaniki Górotworu Polskiej Akademii Nauk z siedzibą w Krakowie. Uzyskane wyniki badań były obiecujące (Raporty roczne 2008, 2009), jednak pokazały, że przyjęty sposób monitorowania przestrzeni zrobów za pomocą czujników systemu gazometrii zanurzonych w zrobach daje jedynie punktowe informacje o stężeniach gazów zrobowych. Ponadto takie rozwiązanie mogło być - 6 -

9 zastosowane dla rozpoznania w czasie eksperymentu, a nie jako rozwiązanie ruchowe, z uwagi na możliwości utrzymania czujników w trudnych warunkach w zrobach oraz kłopoty z kalibracją niedostępnych czujników Stąd uznano za celowe kontynuowanie badań przestrzeni zrobów jednak wykorzystując zmienioną filozofię monitorowania gazów zrobowych. Podjęto prace w celu opracowania układu do automatycznego poboru prób powietrza na zewnątrz zrobów oraz pomiaru koncentracji gazów zrobowych przez czujniki umieszczone w stacji na zewnątrz zrobów. Ważnym elementem nowego podejścia jest możliwość poboru prób powietrza z kilku punktów w zrobach. Ponadto taki układ pozwoli na przygotowywanie jednakowych, a zatem porównywalnych prób powietrza do pomiarów automatycznych oraz tradycyjnych analiz laboratoryjnych. W ten sposób będzie możliwa weryfikacja metody wraz z walidacją wyników automatycznych pomiarów w oparciu o precyzyjne analizy chemiczne z wykorzystaniem chromatografu. Wymagania dla monitorowania zagrożeń metanowo-pożarowych w zrobach Rozpatrywanie wymagań dla monitorowania zagrożeń metanowo-pożarowego w zrobach ścian zawałowych i przestrzeniach otamowanych należy rozpatrywać w trzech aspektach. q Metodyki oznaczania stężenia gazów w zrobach q Rozmieszczenia punktów pomiaru stężeń gazów q Wyznaczanie rozkładu stężenia gazów w zrobach na podstawie pomiarów. Każdy z wymienionych elementów ma istotny wpływ na rozpoznanie i ocenę zagrożenia metanowo-pożarowego w zrobach oraz na wybór i prowadzenie skutecznych metod profilaktyki i zwalczania tego zagrożenia. Posiadanie bieżących i dokładnych informacji na temat składu powietrza kopalnianego w prądach opływowych oraz składu gazów w zrobach ścian jak również rozkładu pola potencjałów aerodynamicznych jest podstawą prowadzenia skutecznej profilaktyki pożarowej i metanowej. W typowych (klasycznych) metodach wczesnego wykrywania pożarów endogenicznych, na podstawie analizy chemicznej prób powietrza pobieranych na stacjach pomiarowych, określany jest wskaźnik Grahama oraz wskaźniki przyrostu i ilości tlenku węgla. Dla precyzyjnej oceny stanu zagrożenia pożarowego pobierane są próby do analizy metodą kalorymetryczno-chromatograficzną. Również stosowanie CO-metrii automatycznej w kopalniach zwiększyło efektywność wykrywania pożarów. Jednak w chwili obecnej większość wyników dociera do odpowiednich służb kopalnianych z opóźnieniem. Ciągła kontrola zagrożenia pożarowego i metanowego w zrobach i przestrzeniach otamowanych, prowadzona w sposób automatyczny za pomocą gazometrii automatycznej, może być sprawnym i skutecznym narzędziem do walki z tymi zagrożeniami. W określeniu wymagań oraz wytycznych dla automatycznej kontroli i monitorowania zagrożenia metanowo-pożarowego w zrobach ścian zawałowych i przestrzeniach otamowanych przyjęto następujące założenia: q pobieranie prób: ze zrobów i przestrzeni otamowanej, q sposób pobierania prób: węże i/lub rurociąg odmetanowania, q pomiar automatyczny gazów CH 4, O 2, CO, CO 2 oraz ciśnienia bezwzględnego i ewentualnej różnicy ciśnień na tamie, q możliwość automatycznego pobierania tych samych prób powietrza dla pomiarów w systemie gazometrii, dla analiz kopalnianych lub analiz specjalistycznych (GIG), q automatyczne wyznaczanie wskaźników np. Grahama, Zaproponowane rozwiązania obejmują następujący zakres: q ruchowe podejście i oczekiwania inżyniera wentylacji do takiej idei, - 7 -

10 q warunki ruchowe i wymagania dla pobierania prób powietrza, q liczba punktów i głębokość pobierania prób, q miejsce umieszczenia stacji pobierania prób w rejonie, q próba określenia warunków dla właściwej kontroli i monitorowania w oparciu o pomiary automatyczne, przy okresowym stosowaniu metody GIG do kalibracji. W zaproponowanych rozwiązaniach wykorzystano również doświadczenia ruchowe kopalń Jastrzębskiej Spółki Węglowej (Jakubów, Araszczuk 20). 4. Wymagania dla układu do ciągłych pomiarów gazów zrobowych Układ do ciągłych pomiarów gazów zrobowych jest urządzeniem, które pozwala na automatyczne pobranie próby powietrza (gazów zrobowych) ze zrobów ścian oraz z za tam izolacyjnych i dokonanie pomiaru stężenia wybranych gazów w próbie wraz transmisją wyników w kopalnianym systemie gazometrii automatycznej do stanowiska dyspozytora, a właściwie inżyniera wentylacji. Istotą rozwiązania jest obiektywne, zdalne i automatyczne pobieranie próby powietrza, bez udziału próbobiorcy. Układ automatycznego poboru prób powietrza pozwala na automatyczne pobieranie prób gazów zrobowych z odległości, do 000m. Układ wyposażony jest w zestaw czujników do ciągłego pomiaru zawartości metanu, tlenu oraz tlenku i dwutlenku węgla w próbie gazów zrobowych. 4.. Wymagania metrologiczne w odniesieniu do przepisów górniczych Układ pomiaru stężeń gazów zrobowych realizuje wymagania wczesnego wykrywania pożarów endogenicznych zawarte w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki wraz z późniejszym zmianami oraz szczegółowo ujęte w Załączniku nr. 4 do tego Rozporządzenia. Zgodnie z przyjętą metodyką pomiarów (Rozporządzenie) układ pomiarowy umieszcza się na stacji pomiarowej poza strefą zagrożenia pożarowego. Punkt (Załącznik nr. 4 do Rozporządzenia) Stacje pomiarowe lokalizuje się: 3/ przy zrobach w chodniku wentylacyjnym dla powietrza wypływającego ze zrobów lub pobieranego za pomocą rur bądź węży próbobiorczych zainstalowanych w zrobach, 4/ przy tamach izolacyjnych, wyznaczonych przez kierownika działu wentylacji, dla pobierania prób powietrza spoza tych tam, Wymagania dla kontroli składu gazu na stacjach pomiarowych wg. Rozporządzenia Ministra Gospodarki, Załącznik nr. 4 określają przepisy wczesnego wykrywania pożarów endogenicznych w kopalniach węgla kamiennego. Punkt 6.4. Składniki Zakres [%] Dokładność[%] Tlen(O 2 ) 0-25 ± 0. Dwutlenek węgla (CO 2 ) 0-0 ± 0.03 Metan(CH 4 ) 0-5 ± 0.05 Tlenek węgla (CO) 26ppm (0.0026%) ± Zawartość azotu wyznacza się jako dopełnienie składników powietrza do 00% objętości stosując wzór: - 8 -

11 (N 2 ) = 00 - (O 2 + CO 2 + CO + CH 4 ) Na podstawie wyników analiz oblicza się:.. 3/ wskaźnik Grahama G dla stacji stosując wzór Graham G = C0 / (0,265N 2 - O 2 ) Uzasadnienie zastosowania proponowanego rozwiązania Dzisiejsze przepisy w zakresie wczesnego wykrywania pożarów endogenicznych (Załącznik nr. 4 do Rozporządzenia MG) w odniesieniu do stacji pomiarowych w prądach obiegowych dopuszcza stosowanie CO-metrii automatycznej z zastosowaniem stacjonarnych czujników tlenku węgla o błędzie pomiarowym ± 3ppm (± 0,0003%) w zakresie pomiarowym 0 00ppm (od 0 do 0,0%), jeśli na tych stacjach stężenie tlenku węgla nie przekracza wartości 0ppm (0,00%). Punkt 6.3 (Załącznik nr. 4 Rozporządzenia MG) Jeżeli na stacji pomiarowej nastąpi wzrost stężenia tlenku węgla powyżej 0ppm (0.00%) niezwiązanego z procesami technologicznymi, a w szczególności robotami strzałowymi lub spawalniczymi przystępuje się do pobierania powietrza i stosowania w tym rejonie wczesnego wykrywania pożarów endogenicznych metodą analiz składu powietrza kopalnianego i jego zmian, w celu zlokalizowania miejsca zagrożenia pożarowego. Przez analogię należy rozważyć możliwość uznania oceny zagrożenia pożarowego w zrobach i za tamami izolacyjnymi w oparciu o wskaźnik Grahama wyznaczony dla prób gazowych pobieranych za pomocą układu poboru i pomiaru gazów włączonego do systemu automatycznej CO-metrii jako wystarczające jeśli wskaźnik Grahama jest mniejszy niż 0.007, po jego przekroczeniu konieczne byłoby prowadzenie analizy składu gazów na podstawie szczegółowej analizy chromatograficznej. Takie rozwiązanie wyeliminuje lub ograniczy konieczność poboru prób przez próbobiorców i prowadzenie analiz powietrza w laboratoriach oraz pozwoli na automatyczną kontrolę zagrożenia. Doświadczenia CO-metrii automatycznej stosowanej dziś powszechnie w kopalniach węgla kamiennego dla wczesnego wykrywania pożarów endogenicznych pokazują, że te metody są skuteczne i tańsze Wymagania konstrukcyjne i działanie układu automatycznego poboru i pomiaru Układ automatycznego poboru gazów zrobowych wraz z pomiarem koncentracji gazów składa się z komory, w której umieszczone są czujniki gazów CO, O 2, CO 2, CH 4. Dopływ gazu jest wymuszony przez iskrobezpieczną pompkę, która jest sterowana i zasilana z koncentratora. Gaz podawany jest z linii wężowej pobierania próby (ew. poprzez filtr oraz osuszacz). Szczelność i drożność układu pneumatycznego systemu jest kontolowana za pomocą czujnika różnicy ciśnień. Układ włączony do kopalnianego systemu gazometrycznego i w sposób cykliczny (np. raz na godzinę) jest uruchamiana pompka pobierająca próbę gazów. Czas poboru próby powietrza zależy od długości linii L, wydajności pompki oraz średnicy linii wężowej

12 Przykładowo dla wydajności pompki 5l/min i średnicy linii wężowej 8mm czas pobierania próby powinien być nie mniejszy niż minuta na każde 00m linii wężowej stąd dla linii do 000m czas ten wyniesie około 0 minut. Próba gazowa przechodzi przez filtr (osuszacz) do komory pomiarowej, w której dokonywany jest automatyczny pomiar koncentracji gazów w pobranej próbie powietrza, a w szczególności metanu, tlenu, tlenku oraz dwutlenku węgla. Dane pomiarowe z czujników są wyświetlane lokalnie na wyświetlaczu LCD koncentratora oraz transmitowane na powierzchnię do centrali systemu gazometrii i dalej do inżyniera wentylacji lub pracownika działu wentylacji odpowiedniego za profilaktykę pożarową. W stacji centralnej wyznaczany jest wskaźnik zagrożenia pożarowego np. Grahama, który pozwala na ocenę zagrożenia pożarowego w miejscu pobrania próby w zrobach czy za tamami izolacyjnymi. Wszelkie stany alarmowe lub awaryjne są sygnalizowane na powierzchni. Kalibracja urządzenia może być połączona pomiarami porównawczymi przez pobranie kontrolnej próby gazu przez próbobiorcę poprzez króciec do worka i oznaczenie składu gazu na chromatografie w laboratorium. Założenia układu automatycznego poboru prób powietrza q Pompka pobiera próbę powietrza z przestrzeni otamowanej w sposób automatyczny tzn. za pomocą sterowanej pompki inżektrowej i w zależności od długości węży ustala się czas zasysania powietrza. q Węże pomiarowe są wprowadzone do rurociągu osłaniającego i dla kontroli w zrobach ścian są przebudowywane, a końcówki pozostawione w zrobach. W przypadku przestrzeni otamowanej do pobierania prób powietrza można wykorzystywać rurociągi odmetanowania czy rury pozostawione w tamie izolacyjnej. q W przypadku poboru prób powietrza z kilku węży następuje automatyczne przełączanie i sekwencje poboru próby jest powtarzane. q Przed każdy pobraniem próby powietrza jest kontrola ciągłości węży (pomiar różnicy ciśnień). q Próba powietrza przed podawaniem do komory przechodzi przez osuszacz i filtry. q Pompka poboru prób powietrza jest uruchamiana z powierzchni i dane pomiarowe są przesyłane na powierzchnie tymi samymi parami. q Wyniki pomiaru stężeń gazów (oraz wskaźniki Grahama) są wyświetlane lokalnie oraz przesyłane na powierzchnię. q Parametry po stronie ssania są kontrolowane przez czujniki podciśnienia. q Próba powietrza jest pobierana do komory w której znajdują się detektory gazów (metanu, tlenu, tlenku i dwutlenku węgla). q Próba powietrza pozostaje w komorze lub może być pobierana ręcznie poprzez próbobiorcę, który przyciskiem uruchamia pompkę inżektorową. q Dane pomiarowe są transmitowane na powierzchnię (ew. wyświetlane lokalnie na wyświetlaczu LCD koncentratora)

13 5. Model zintegrowanego czujnika zrobowego ZCZ-MP W celu sprawdzenia idei automatycznego poboru prób powietrza wraz z pomiarem stężenia gazów w próbie powietrza ze zrobów w systemie gazometrii automatycznej wykonano model zintegrowanego czujnika zrobowego ZCZ-MP (rys. ). Rys.. Schemat modelu zintegrowanego czujnika zrobowego ZCZ-MP Model zintegrowanego czujnika zrobowego ZCZ-MP, podobnie jak rozwiązanie docelowo składa się z dwóch zasadniczych części: q części pneumatycznej, czyli zespołu pobierania próby powietrza ze zrobów, q części gazometrycznej, czyli zespołu pomiarowo-transmisyjnego. Zespół przygotowania próbek zintegrowanego czujnika zrobowego ZCZ-MP, zabudowany jest w oddzielnej komorze, a jego schemat pokazano na rysunku

14 Rys. 2. Schemat modelu zintegrowanego czujnika zrobowego ZCZ-MP zespół przygotowania próbek W zespole przygotowania próby powietrza pobieranej ze zrobów do zasysania próbek gazu wykorzystano eżektor zasilany sprężonym powietrzem z sieci kopalnianej. Minimalne ciśnienie sprężonego powietrza, wymagane do prawidłowej pracy eżektora, wynosi 200kPa. Sprężone powietrze, przed podaniem do eżektora, jest odwadniane, odolejane oraz filtrowane a następnie podawane na precyzyjny reduktor, umożliwiający ustawienie odpowiedniej wartości podciśnienia komorze pomiarowej. Jest to szczególnie istotne ponieważ detektory elektrochemiczne mogłyby ulec zniszczeniu jeśli podciśnienie w komorze przekroczyłoby wartość 20kPa. Komora zespołu przygotowania próbek wyposażona jest w specjalny zawór, przełączany ręcznie, umożliwiający pobieranie próbek gazu do naczynia probierczego i późniejszą analizę laboratoryjną. Pobieranie próbek odbywa się z wykorzystaniem eżektora, nie jest zatem konieczne stosowanie ręcznej pompki. W części gazometrycznej zespół pomiarowo-transmisyjny znajduje się w oddzielnej komorze, w której zabudowany jest zestaw czujników do ciągłego pomiaru zawartości metanu, tlenu oraz tlenku i dwutlenku węgla w próbie gazów zrobowych. W rozwiązaniu modelowym zastosowane są dopuszczone do stosowania w kopalniach czujniki gazów przez które kolejno zostaje przepuszczona próba powietrza (rys. 3). Rys. 3. Schemat modelu zintegrowanego czujnika zrobowego ZCZ-MP zespół pomiarowotransmisyjny - 2 -

15 W rozwiązaniu modelowym zastosowano następujące czujniki dopuszczone do pracy w kopalniach metanowych: - czujnik metanu (infrared) DCHIR, o zakresie od 0 do 00%, - czujnik dwutlenku węgla (infrared) DCOIR, o zakresie 0-5%, - czujnik tlenu (elektrochemiczny ) DOX, o zakresie 0 25%, - czujnik tlenku węgla (elektrochemiczny, z filtrem redukującym czułość skrośną na wodór ) DCO, o zakresie 0-000ppm. - czujnik różnicy ciśnień DRC, Ten uproszczony, modelowy układ pozwala na obsługę jednej linii pomiarowej lub kilku, ale z koniecznością ręcznego przełączania węży z kilku punktów poboru prób powietrza ze zrobów do króćca układu. 5.. Czujniki koncentracji gazów w próbie powietrza ze zrobów modelu ZCZ-MP DOX - Czujnik tlenu z cyfrową transmisją danych Ciągły pomiar zawartości tlenu w powietrzu Wysoka dokładność pomiarów Dwa wyjścia dwustanowe Dwa wejścia dwustanowe ogólnego zastosowania Transmisja danych przez linię zasilającą Do czterech czujników na jednej linii Czujnik DOX został jest przeznaczony do ciągłego pomiaru stężenia tlenu w powietrzu. Głowica pomiarowa jest wyposażona w sensor elektrochemiczny i może być umieszczana bezpośrednio na obudowie monitora lub przyłączana za pomocą kabla o długości do 30m. Wlot głowicy pomiarowej jest zabezpieczony wymiennym filtrem. Czujnik DOX zasilany jest ze stacji powierzchniowej za pomocą standardowej linii telefonicznej. W razie awarii linii zasilającej, urządzenie może kontynuować dalsza prace dzięki wbudowanej baterii (opcja). Dane z/do monitora przesyłane są za pomocą tej samej linii. Istnieje możliwość podłączenia czterech czujników DOX do jednej linii. Urządzenie posiada dwa wyjścia cyfrowe izolowane galwanicznie służące do automatycznego sygnalizowania niebezpiecznego stężenia tlenku węgla w powietrzu. Progi alarmowe są ustawiane przez operatora systemu i przesyłane do monitora DOX. W górnej części obudowy znajduje się sygnalizator optyczny sygnalizujący przekroczenie progów alarmowych. Całość jest zamknięta jest w wodoszczelnej, wytrzymałej obudowie. Zakres pomiarowy: 0 25% O 2 Błąd pomiaru: 0,3% O 2 Czas odpowiedzi T 90 : < 45 s Maksymalna rezystancja linii telefonicznej : 700 Ω Standard transmisji : V23 FSK modem Zakres temperatur pracy : -0 C do +40 C Zakres wilgotności : 0-95% RH DCH IR - Czujnik metanu z cyfrową transmisją danych Ciągły pomiar stężenia metanu w powietrzu w zakresie 0-00% Wysoka dokładność pomiarów Nowoczesny, wysokiej jakości, przetwornik NDIR - 3 -

16 Dwa wyjścia dwustanowe Dwa wejścia dwustanowe Transmisja danych po linii zasilającej Czujnik typu DCH służy do ciągłego pomiaru stężenia metanu w powietrzu. Zastosowano w nim nowoczesny, optyczny przetwornik pomiarowy gwarantujący stabilny i selektywny pomiar. Głowica pomiarowa czujnika może być umiejscowiona bezpośrednio na obudowie bądź przyłączona za pomocą kabla o długości do 30m.Wlot głowicy zabezpieczony jest wymiennym filtrem. Czujnik DCH zasilany jest ze stacji powierzchniowej za pomocą linii telefonicznej. Opcjonalnie monitor może być wyposażony w baterię, która umożliwia dalsze funkcjonowanie urządzenia gdy zasilanie z linii zostanie odcięte. Transmisja danych odbywa się po linii zasilającej. Możliwe jest podłączenie do dwóch urządzeń do jednej linii. Czujnik posiada dwa wyjścia cyfrowe, izolowane galwanicznie, służące do sygnalizowania niebezpiecznego stężenia metanu w powietrzu lub do automatycznego wyłączania energii elektrycznej. Progi alarmowe są ustawiane przez operatora systemu i przesyłane do monitora DCH IR. W górnej części obudowy znajduje się sygnalizator optyczny sygnalizujący przekroczenie progów alarmowych. Całość jest zamknięta jest w wodoszczelnej, wytrzymałej obudowie. Zakres pomiarowy: 0-00% CH 4 Błąd pomiaru: 0.% CH4 w zakresie 0 2 % CH4 5 % w zakresie 2 5 % CH4 Czas odpowiedzi T 90 : <6s Maksymalna rezystancja linii telefonicznej: 700 Ω Standard transmisji: V23 FSK modem Zakres temperatur: -0 C do +40 C Zakres wilgotności: 0-95% RH DCO - Czujnik tlenku węgla z cyfrową transmisją danych Ciągły pomiar zawartości tlenku węgla w powietrzu Wysoka dokładność pomiarów Dwa wyjścia dwustanowe Dwa wejścia dwustanowe Transmisja danych przez linię zasilającą Do czterech czujników na jednej linii Czujnik DCO jest przeznaczony do ciągłego pomiaru stężenia tlenku węgla w powietrzu. Głowica pomiarowa jest wyposażona w sensor elektrochemiczny i może być umieszczana bezpośrednio na obudowie monitora lub przyłączana za pomocą kabla o długości do 30m. Wlot głowicy pomiarowej jest zabezpieczony wymiennym filtrem. Czujnik DCO zasilany jest ze stacji powierzchniowej za pomocą standardowej linii telefonicznej. W razie awarii linii zasilającej, urządzenie może kontynuować pracę dzięki wbudowanej baterii (opcja). Dane z/do monitora przesyłane są za pomocą tej samej linii. Istnieje możliwość podłączenia czterech czujników DCO do jednej linii. Urządzenie posiada dwa wyjścia cyfrowe izolowane galwanicznie służące do automatycznego sygnalizowania niebezpiecznego stężenia tlenku węgla w powietrzu. Progi alarmowe są ustawiane przez operatora systemu i przesyłane do monitora DCO. W górnej części obudowy znajduje się sygnalizator optyczny sygnalizujący przekroczenie progów alarmowych. Całość jest zamknięta jest w wodoszczelnej, wytrzymałej obudowie. Zakres pomiarowy: Błąd pomiaru: 0-000ppm CO 3ppm CO w zakresie 0-200ppm - 4 -

17 Czas odpowiedzi T 90 : Maksymalna rezystancja linii telefonicznej : Standard transmisji : Zakres temperatur pracy : Zakres wilgotności : 0ppm CO w zakresie ppm <45 s 700Ω V23 FSK Modem -0 C do +40 C 0-95% RH DCD IR - Czujnik dwutlenku węgla z cyfrową transmisją danych Ciągły monitoring zawartości dwutlenku węgla w powietrzu Wysokiej jakości przetwornik optyczny Duża dokładność pomiarów Dwa cyfrowe wyjścia dwustanowe Dwa wejścia sygnałowe ogólnego zastosowania Transmisja danych przez linię zasilającą Do dwóch czujników na jednej linii Czujnik typu DCD jest przeznaczony do ciągłego monitorowania stężenia CO 2 w powietrzu. Jest wyposażony w sensor NDIR, który może być umieszczony bezpośrednio na obudowie monitora lub przyłączony za pomocą kabla o długości do 30m. Wlot czujnika jest wyposażony w wymienny filtr zabezpieczający go przed pyłem i wodą. Czujnik DCD zasilany jest ze stacji powierzchniowej za pomocą standardowej linii telefonicznej. W razie awarii linii zasilającej urządzenie może kontynuować dalsza prace dzięki wbudowanej baterii (opcja). Dane z/do monitora przesyłane są za pomocą tej samej linii. Istnieje możliwość podłączenia dwóch czujników DCD do jednej linii. Urządzenie posiada dwa wyjścia cyfrowe, izolowane galwanicznie, służące do automatycznego sygnalizowania niebezpiecznego stężenia dwutlenku węgla w powietrzu. Progi alarmowe są ustawiane przez operatora systemu i przesłane do monitora DCD. Urządzenie posiada sygnalizator optyczny umieszczony w górnej części obudowy. Całość jest zamknięta jest w wodoszczelnej, wytrzymałej obudowie. Zakres pomiarowy: 0-5% CO 2 Maks. błąd pomiaru: 0.% CO 2 Czas odpowiedzi T 90 : <45s Maksymalna rezystancja linii telefonicznej: 700 Ω Standard transmisji: V23 FSK modem Zakres temperatur: -0 do +40 Zakres wilgotności: 0-95% RH 5.2. Algorytm pracy automatycznej pompki pobierania prób powietrza ze zrobów Przy pierwszym włączeniu zasilania eżektor zasysa do czujników gazy ze zrobów. W zależności od długości węża może to trwać od 2 do 0 min. Pomiary otrzymywane z czujników są w tym okresie obarczone dużym błędem wynikającym z podciśnienia wymuszanego przez eżektor. Po tym okresie elektrozawór, sterowany przez czujnik różnicy ciśnień, wyłącza ssanie. Po ok. 0.5 do 2 min. (w zależności od długości węża) następuje wyrównanie podciśnienia w wężu z ciśnieniem atmosferycznym. W tym momencie pomiary z czujników gazów mają już właściwe wartości. Czujnik różnicy ciśnień czeka kilka sekund aby wartości pomiarów zostały przesłane do systemu SMP, a następnie uruchamia ssanie i cały cykl się powtarza. Należy zwrócić uwagę, że w rozwiązaniu modelowym (uproszczonym) pomiary stężeń gazów będą prawidłowe jedynie wtedy gdy podciśnienie będzie w pobliżu zera. Natomiast w - 5 -

18 czasie zasysania powietrza zostaną zarejestrowane dane obarczone błędem. Prawidłowe dane trzeba oddzielić od pozostałych kojarząc je ze wskazaniami czujnika różnicy ciśnień. Tę czynność w rozwiązaniu modelowym (uproszczonym) trzeba robić ręcznie! Niestety w rozwiązaniu modelowym (uproszczonym) nie ma innej metody załatwienia problemu, bo poszczególne czujniki gazów są niezależne, gdyż są sterowane przez oddzielne własne (pokładowe) mikrokontrolery, które nie są w żaden sposób ze sobą połączone. W rozwiązaniu docelowym wszystkimi czujnikami będzie sterował jeden mikrokontroler, który będzie też wysyłał dane do systemu i sterował zaworem. Będzie on zatem wiedział które dane są prawidłowe, a które nie i automatycznie je odsieje. 6. Budowa i działanie układu automatycznej analizy gazów zrobowych Zintegrowany czujnik zrobowy ZCZ-MP jest przeznaczony do automatycznego pobierania i analizy składu chemicznego powietrza pochodzącego ze zrobów wraz z pomiarem stężenia gazów w systemie gazometrii automatycznej. Zintegrowany czujnik zrobowy ZCZ-MP (rys. 4) składa się z dwóch zasadniczych części: q części pneumatycznej, czyli zespołu pobierania próby powietrza ze zrobów, q części gazometrycznej, czyli zespołu pomiarowo-transmisyjnego. Rys. 4. Schemat zintegrowanego czujnika zrobowego ZCZ-MP 6.. Część pneumatyczna ZCZ-MP W układzie poboru próbek zastosowano jednostopniowy generator podciśnienia (pompkę eżektorową) firmy Norgren. Do zasysania próbek gazu wykorzystano eżektor zasilany sprężonym powietrzem z sieci kopalnianej. Minimalne ciśnienie sprężonego powietrza, wymagane do prawidłowej pracy eżektora, wynosi 200kPa. Sprężone powietrze, przed podaniem do eżektora, jest odwadniane, odolejane oraz filtrowane a następnie podawane na precyzyjny reduktor, umożliwiający ustawienie odpowiedniej wartości podciśnienia komorze - 6 -

19 pomiarowej. Jest to szczególnie istotne ponieważ detektory elektrochemiczne mogłyby ulec zniszczeniu jeśli podciśnienie w komorze przekroczyłoby wartość 20kPa. Urządzenie wyposażone jest w specjalny zawór, przełączany ręcznie, umożliwiający pobieranie próbek gazu do naczynia probierczego i późniejszą analizę laboratoryjną. Pobieranie próbek odbywa się z wykorzystaniem eżektora, nie jest zatem konieczne stosowanie ręcznej pompki. Kolejny zawór służy do wykonywania okresowej kalibracji komór gazometrycznych. Jego przełączenie umożliwia podanie do komory pomiarowej, zamiast gazów ze zrobów, mieszanek wzorcowych z butli. Opisany wyżej układ pneumatyczny zamontowany jest w obudowie z blachy nierdzewnej, wyposażonej w króćce do przyłączania węża probierczego, naczynia probierczego oraz butli z mieszankami wzorcowymi. Obudowa układu pneumatycznego jest mechanicznie połączona z obudową układu elektronicznego urządzenia Część pomiarowo-transmisyjna Zintegrowany czujnik zrobowy ZCZ-MP w części gazometrycznej zawiera cztery detektory gazów: Detektor metanu (infrared) o zakresie od 0 do 00%, błąd pomiaru: 0.05% w zakresie 0 5%CH 4 oraz 2% wskazań w zakresie 5 00%CH 4 Detektor dwutlenku węgla (infrared) o zakresie 0-5%, błąd pomiaru 0.% CO 2 Detektor tlenu (elektrochemiczny ) o zakresie 0 25%, błąd pomiaru: 0.5% O 2 Detektor tlenku węgla (elektrochemiczny, z filtrem redukującym czułość skrośną na wodór ) o zakresie 0-000ppm, błąd pomiaru: 3ppm w zakresie 0 200ppm CO oraz 5% wskazań w zakresie ppm W czujniku wykorzystano komory gazometryczne typu KCH IR (pomiar stężenia metanu), DCD IR ( pomiar stężenia dwutlenku węgla), KOX (pomiar stężenia tlenu) oraz KCO (pomiar stężenia tlenku węgla), stosowane w czujnikach typu Dxx. Detektory umieszczone są w komorze pomiarowej, przez którą wymuszany jest przepływ analizowanego gazu. Dodatkowo zastosowano czujnik różnicy ciśnień mierzący podciśnienie w komorze pomiarowej, wytwarzane podczas zasysania gazów zrobowych. Pozwala on na zgrubną ocenę ciągłości węża probierczego oraz umożliwia wykrycie braku przepływu wskutek jego zatkania lub zagniecenia. Komory gazometryczne oraz czujnik różnicy ciśnień są podłączone do mikrokontrolera, który odbiera dane pomiarowe z poszczególnych detektorów, wyświetla je na lokalnym wyświetlaczu LCD oraz transmituje do systemu nadrzędnego. Mikrokontroler steruje również zaworem odcinającym, wykorzystywanym do wyłączenia ssania na czas wykonywania pomiarów stężeń gazów. Jest to niezbędne ze względu na dodatkowe błędy pomiarowe wywoływane podciśnieniem w komorze pomiarowej. Zintegrowany czujnik zrobowy ZCZ-MP jest zasilany z kasety MZT-0/60M za pośrednictwem linii telefonicznej o długości max. 6km. Ta sama linia służy do transmisji danych pomiarowych do systemu SMP. Układ elektroniczny zintegrowanego czujnika zrobowego ZCZ-MP wraz z komorami pomiarowymi jest zmontowany w trzech, połączonych mechanicznie, skrzynkach wykonanych ze stopu aluminium i cynku, zapewniających stopień ochrony IP54. Dolna skrzynka pełni rolę komory przyłączowej

20 6.3. Algorytm działania zintegrowanego czujnika zrobowego ZCZ-MP Podłączenie linii zasilająco-transmisyjnej powoduje uruchomienie mikrokontrolera sterującego pracą czujnika oraz komór gazometrycznych. Przez ok. min. trwa proces rozruchu komór oraz nawiązanie łączności z systemem SMP-NT. Po tym czasie mikrokontroler włącza elektrozawór podający sprężone powietrze na eżektor i rozpoczyna zasysanie gazów ze zrobów. W zależności od długości węża proces zasysania trwa od 2min. (przy długości węża 200m) do 8 min. (przy długości węża 500m). Po tym czasie elektrozawór zostaje zamknięty, ssanie wyłączone i rozpoczyna się wyrównywanie ciśnienia w komorze pomiarowej. Czas wyrównywania ciśnienia jest również zależny od długości węża probierczego i może wynosić do 5 min. Proces wyrównywania ciśnienia jest kontrolowany czujnikiem różnicy ciśnień. Gdy ciśnienie w komorze pomiarowej zrówna się z ciśnieniem atmosferycznym (co eliminuje błędy pomiarowe wywołane podciśnieniem w komorze pomiarowej), mikrokontroler dokonuje odczytu danych z komór gazometrycznych, wyświetla je na wyświetlaczu LCD oraz transmituje do systemu SMP-NT. Następnie elektrozawór zostaje otwarty i rozpoczyna się zasysanie kolejnej próby. Ponieważ wąż probierczy jest już wypełniony gazami zassanymi ze zrobów, następny pomiar może być wykonany po czasie krótszym niż osiem minut. Czas repetycji pomiarów jest zależny od potrzeb użytkownika i może być ustawiany dowolnie. 7. Badania modelu układu pobierania prób powietrza ze zrobów W czasie opracowywania założeń oraz w czasie projektowania układów, a także po wykonaniu modelu przeprowadzono badania wstępne w celu sprawdzenia słuszności przyjętych założeń jak i poprawności rozwiązań. Badania prowadzono zarówno dla części pneumatycznej jak i części pomiarowej zintegrowanego czujnika zrobowego ZCZ-MP oraz jego modelu. Badania wykonano w warunkach kopalnianych stacji ratownictwa górniczego dla części pneumatycznej, a w zakresie gazometrii w laboratorium KD Barbara. 7.. Badanie pompy inżektorowej do pobierania prób powietrza w KWK Szczygłowice Badania przeprowadzono w Kopalnianej Stacji Ratownictwa KWK Szczygłowice. Do badań wykorzystano wąż gumowy Ф8 używany przez zastępy ratownicze w czasie akcji do poboru prób powietrza. Długość węża użytego w badaniach wynosiła 000 metrów. Przepływ 80l/h Próba Pierwsza próba polegała na wyznaczeniu czasu wypełnienia węża metanem. W tym celu korzystano z butli wypełnionej mieszanką metanowo-powietrzną o stężeniu 2,9%CH 4. Przepływ gazu mierzony rotametrem wynosił,2l/min. W tych warunkach uzyskano wypełnienie węża gazem po czasie 47 min. Następnie wykonano przedmuchanie węża wyciągając mieszankę metanowo-powietrzną o stężeniu 2,9%CH 4 aż do uzyskania czystego powietrza. Próbę wykonano dla podciśnienia 5atm. (Spadek w butli 55atm). Przepływ gazu mierzony rotametrem wynosił 7,0l/min. Uzyskano przedmuchanie węża czystym powietrzem po czasie min

21 Próba 2 Druga próba polegała na ponownym wyznaczeniu czasu wypełnienia węża metanem, ale w tym wypadku w warunkach nadciśnienia. W tym celu korzystano mieszankę metanowopowietrzną z butli o stężeniu 2,9%CH 4. Uzyskano czas wypełnienia węża gazem po czasie 2 min. Następnie wykonano przedmuchanie węża wyciągając mieszankę metanowo-powietrzną o stężeniu 2,9%CH 4 aż do uzyskania czystego powietrza. Próbę wykonano dla podciśnienia 2atm. (Spadek w butli 20atm). Przepływ gazu mierzony rotametrem wynosił 4,6 4,8l/min. Uzyskano przedmuchanie węża czystym powietrzem po czasie 9 min. W wyniku przeprowadzonych prób uznano, że zastosowana do badań pompka inżektorowa spełniła wymagania i można ją będzie zastosować w układzie automatycznego poboru prób powietrza ze zrobów Pomiary czasów zasysania próbek w KWK Halemba Badania przeprowadzono w laboratorium wykorzystując udostępniony przez Kopalnianą Stację Ratownictwa KWK Halemba wąż gumowy Ф8 używany przez zastępy ratownicze w czasie akcji do poboru prób powietrza. Długość węża użytego w badaniach wynosiła 500 metrów. Podciśnienie maksymalne, ustawione na reduktorze: 0kPa (przy zatkaniu węża zasysającego). W trakcie zasysania podciśnienie nie przekroczyło 7kPa. Długość węża [m] Czas zasysania [s] Podczas prób zauważono, że podciśnienie w komorze pomiarowej wprowadza znaczny błąd dodatkowy pomiarów stężenia metanu i dwutlenku węgla. W celu wyeliminowania tego błędu konieczne będzie zastosowanie dodatkowego zaworu odcinającego pomiędzy komorą pomiarową a eżektorem. Przed wykonaniem pomiaru ssanie powinno zostać wyłączone. Należy także odczekać ok. min. na wyrównanie się ciśnienia w komorze z ciśnieniem atmosferycznym. Należy zatem oczekiwać, że maksymalny czas przeprowadzenia pomiaru wyniesie ok. 50s Badania wpływu ciśnienia na pomiary stężenia gazów przez czujniki DXX Badania prowadzono w akredytowanym laboratorium Kopalni Doświadczalnej Barbara na zamówienie producenta komór pomiarowych i czujników. Celem badań było stwierdzenie jaki jest wpływ zmian ciśnienia na wskazania czujników stężeń gazów (metan, tlen, tlenek i dwutlenek węgla). Badania były istotne ponieważ w warunkach pomiaru w układzie automatycznego poboru próby powietrza ze zrobów i pomiaru stężeń gazów w próbie komory pomiarowe czujników mogą być narażone na zmienne ciśnienie w komorze pomiarowej zintegrowanego czujnika zrobowego ZCZ-MP