Warunki mikroklimatu wyrobisk chodnikowych i ścianowych na wybranym przykładzie

Transkrypt

1 prof. zw. dr hab. inż. NIKODEM SZLĄZAK dr inż. DARIUSZ OBRACAJ mgr inż. BARTŁOMIEJ GŁUCH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Górnictwa i Geoinżynierii Warunki mikroklimatu wyrobisk chodnikowych i ścianowych na wybranym przykładzie W polskim górnictwie węgla kamiennego coraz częściej pojawia się problem zagrożenia klimatycznego. W niedalekiej przyszłości należy się liczyć z dalszym pogarszaniem warunków klimatycznych w wyniku zwiększenia głębokości eksploatacji oraz koncentracji wydobycia. Trudne warunki mikroklimatu mogą być przyczyną nie tylko spadku wydajności pracy, ale przede wszystkim przegrzania organizmu i zagrożenia zdrowia oraz życia pracowników. Na podstawie wyników pomiarów parametrów powietrza w ścianach eksploatacyjnych i przodkach wyrobisk ślepych w wybranych kopalniach dokonano oceny uwarunkowań klimatycznych. Przeprowadzono analizę warunków panujących w wyrobiskach, korzystając z różnych wskaźników mikroklimatu. Otrzymane dane zinterpretowano pod kątem konieczności skrócenia czasu pracy w odniesieniu do wskaźników mikroklimatu wykorzystywanych w tym celu na mocy polskich przepisów prawa. W oparciu o poczynione spostrzeżenia zwrócono uwagę na wady i zalety wskaźników oraz na konieczność wyboru wskaźników uwzględniających izolacyjność termiczną odzieży, wydatek energetyczny oraz zaaklimatyzowanie pracowników. 1. WSTĘP Pomimo schładzania powietrza parametry mikroklimatu na stanowiskach pracy przy drążeniu wyrobisk oraz eksploatacji złoża węgla kamiennego powodują, że w niektórych przypadkach konieczne jest skrócenie czasu pracy załogi. Przyczyną jest wzrost głębokości eksploatacji oraz zwiększenie mocy elektrycznych maszyn i urządzeń w wyrobiskach. W niedalekiej przyszłości może okazać się, że o bezpieczeństwie ludzi pracujących na dole i możliwości prowadzenia wydobycia decydować będzie głównie zagrożenie klimatyczne. Trudne warunki mikroklimatu mogą być powodem nie tylko spadku wydajności pracy, ale przede wszystkim przegrzania organizmu i zagrożenia zdrowia oraz życia pracowników. Istotny wpływ na zachowanie organizmu w trudnych warunkach klimatycznych w odowisku gorącym ma również zespół indywidualnych czynników psychofizycznych, takich jak: wiek, budowa ciała, ogólny stan zdrowia, zaaklimatyzowanie, odporność psychiczna oraz indywidualne predyspozycje [9, 1]. Najtrudniejsze warunki mikroklimatu występują przede wszystkim w ścianach eksploatacyjnych i przodkach drążonych wyrobisk. Celem niniejszego artykułu jest przedstawienie oceny warunków klimatycznych określanych za pomocą różnych wskaźników mikroklimatu. Z tym zamiarem wykorzystano wyniki pomiarów parametrów powietrza przeprowadzonych w ścianach eksploatacyjnych i przodkach chodnikowych w kopalniach węgla kamiennego. Wyniki uzyskano w ramach realizacji etapu 9. w zadaniu 5. strategicznego projektu badawczego pt. Poprawa bezpieczeństwa pracy w kopalniach. Na ich podstawie obliczono różne wskaźniki mikroklimatu, które dają podstawę do oceny warunków klimatycznych i wydania zaleceń odnośnie do czasu pracy w danych warunkach.

2 6 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA. METODYKA POMIARÓW MIKROKLIMATU W BADANYCH WYROBISKACH W górnictwie podziemnym najistotniejszymi parametrami powietrza są: temperatura mierzona termometrem suchym t s, temperatura mierzona termometrem wilgotnym t m, wilgotność względna φ oraz prędkość przepływu powietrza v. Pomiary wykonywano na stacjach pomiarowych w wyrobiskach podziemnych w 5 kopalniach węgla kamiennego. Objęto nimi ściany (7 wyników pomiarowych) i 60 chodników. Ściany prowadzone były na głębokościach od 650 do 1070 m, a przodki na głębokoś- ciach od 45 do 110 m. W badanych ścianach stosowano sposoby przewietrzania U i Y, a drążone wyrobiska przewietrzane były za pomocą wentylacji kombinowanej (38 wyrobisk), tłoczącej (15 wyrobisk) i ssącej (7 wyrobisk). Na rysunkach 1. i. przedstawiono schematy pomiarowe parametrów powietrza. Do dalszej analizy wykorzystano wyniki uzyskane na stacjach pomiarowych zlokalizowanych na wylotach ze ścian, które odzwierciedlają warunki panujące na stanowiskach pracy w tym rejonie. Dla wyrobisk z wentylacją odrębną wykorzystano wyniki pomiarów ze strefy przodkowej, gdzie znajdują się stanowiska pracy cechujące się najtrudniejszymi warunkami klimatycznymi. a) b) ok.10m ok.10m ok.10m ok.10m R Rys.1. Schemat rozmieszczenia stacji pomiarowych w rejonie ścian eksploatacyjnych: a) sposób U przewietrzania, b) sposób Y przewietrzania (opracowanie własne) a) Opis punktów pomiarowych: pkt. 1 wlot do lutniociągu tłoczącego pkt., 7 przesyp taśmociągu pkt. 8 do 15m od wylotu pkt. 4 przodek pkt. 3 strefa zazębienia pkt. 6 wylot z lutniociągu tłoczącego pkt. 5 do 15m od skrzyżowania z wyrobiskiem pkt. 9 5m przed chłodnicą w przekroju wyrobiska pkt. 10 5m za chłodnicą w przekroju wyrobiska pkt. 11 wlot do lutniociągu dodatkowego ssącego pkt. 1 wylot z lutniociągu dodatkowego ssącego Legenda: - kierunek przepływu powietrza - lutniociąg wraz z wentylatorem - chłodnica 1 - punkt pomiarowy - odpylacz b) Opis punktów pomiarowych: pkt. 1 wylot z lutniociągu ssącego pkt., 7 przesyp taśmociągu pkt. 8 do 15m od wlotu pkt. 4 przodek pkt. 6 wlot do lutniociągu ssącego pkt. 5 do 15m od skrzyżowania z wyrobiskiem Legenda: - kierunek przepływu powietrza - lutniociąg wraz z wentylatorem 1 - punkt pomiarowy Rys.. Schemat rozmieszczenia stacji pomiarowych w wyrobisku z wentylacją odrębną: a) wentylacja kombinowana, b) wentylacja ssąca (opracowanie własne)

3 Nr 4(506) KWIECIEŃ WYNIKI POMIARÓW MIKROKLIMATU Wyniki przeprowadzonych pomiarów przedstawiono w tabelach 1. i. Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarowych w wyrobiskach eksploatacyjnych (opracowanie własne) Kopalnia Ściana Sposób przewietrzania / Klimatyzacja Wlot do ściany Wylot ze ściany t s, o C t m, o C φ, % v, m/s t s, o C t m, o C φ, % v, m/s B-Z 1 "U" / Klim. "U" / Klim. 3 "Y" / Klim. 4 "U" / Klim. 5 "Y" / Klim. 3, ,33 6, ,6 4 1,8 83 1,95 9,8 8,4 90,3, , , ,8 66 1,05 5,8,8 78 1, ,05 8,4 5,8 81,33 4,4 0,4 70 1,1 6,4 73,6,8 18, 64 0, ,9 1,6 17,8 69 1,53 7, 5,6 88, ,5 31 8,8 85 1,58 5 1,4 73 1,33 6,6 6,6 86 1,73 6 "Y" / Klim. 18, 14, 63,4 5, 1, 69,3 7 "Y" / Klim. 18, 15,4 74,15 4, 1,8 81 6,5 8 "Y" / Klim., ,9 31,4 8, 78,03 P 9 "Y" / Klim. 0, ,7 8,4 6, 84,1 10 "Y" / Klim. 3 19,6 7 1,3 31, 7,8 77 1, 11 "Y" / Klim., ,78 5,6 3,8 86 1,11 1 "U" / Klim.,4 18,8 70 1,16 8, 6,8 89 1,15 13 "U" / Klim. 7, ,09 31,8 30,6 9 1,03 J-M 14 "Y" / Klim. 3,6 17,4 5 3,81 31, 8,6 8 4,39 15 "U" / Klim., 19,4 76 1,5 31,4 7,8 75 1,43 16 "Y" / Klim. 18, ,45 6,6 4, 8,45 B 17 "Y" / Klim. 19,8 17, 77,18 5,6 3,4 83,18 18 "Y" / Klim. 0, 17,8 79 1,98 6,6 4,4 83 1,98 19 "U" / Brak 19, 16, 73 3,75 0, ,67 0 "U" / Klim. 4,4 0,6 70,5 7,8 5,6 84,58 K 1 "U" / Klim. 17, ,19 3,4 0,6 77 3, "U" / Klim. 4 1,6 81 3,4 3,6 3 95,94 Wartości ednie, 18,7 71,4,0 7,4 5,1 8,1, Odchylenie standardowe,6,6 7,7 1,,9,8 6,7 1,

4 8 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Tabela. Zestawienie wyników pomiarowych w przodkach wyrobisk korytarzowych (opracowanie własne) Kopalnia Przodek Sposób przewietrzania / Klimatyzacja Parametry powietrza t s, o C t m, o C φ, % v, m/s 1 Kombinowana / Brak 6,8 3,0 7,0 0,5 Kombinowana / Klim. 6, 3,0 76,0 0,5 3 Kombinowana / Brak 8,4 4,8 74,0 0,5 4 Kombinowana / Brak 3,0 19,4 71,0 0,5 5 Kombinowana / Brak 5,4 0, 61,0 0,5 6 Kombinowana / Brak 4,4 0,0 66,0 0,6 B-Z 7 Kombinowana / Klim. 5,0 3,0 84,0 0,4 8 Kombinowana / Klim. 3,6 0,0 71,0 0,6 9 Kombinowana / Brak 6,0 4, 86,0 0,4 10 Tłocząca / Klim. 4,8,4 81,0 0,4 11 Tłocząca/ Klim. 8,4 4, 68,0 0,4 1 Kombinowana / Brak 8,8 6,4 68,0 0,4 13 Kombinowana / Klim. 9,0 5,0 7,0 0,5 14 Kombinowana / Klim. 7,0 3, 7,0 0,7 15 Kombinowana / Brak 9,0 4,0 64,0 0,8 16 Kombinowana / Brak 6,4 1,0 61,0 0,8 17 Kombinowana / Brak 6,0 0,4 59,0 0,4 18 Kombinowana / Brak 8,6 4,0 67,0 1, 19 Kombinowana / Brak 31,0 7,0 73,0 0,6 0 Kombinowana / Brak 30,6 6,3 71,0 0,7 P 1 Kombinowana / Brak 8,4 4, 70,0 0,7 Kombinowana / Klim. 3, 7,0 66,0 0,9 3 Kombinowana / Brak 4,8 0,8 69,0 0,5 4 Kombinowana / Klim. 8,8 4, 68,0 0,4 5 Kombinowana / Klim. 30,8 6, 69,0 1,3 6 Tłocząca / Brak 3,8 0,0 70,0 1,0 7 Tłocząca / Brak 4,6 19,4 60,0 0,5 8 Tłocząca / Brak 4,6 17,8 5,0 0,6 9 Kombinowana / Brak 6,6 0,8 58,0 0,7 30 Kombinowana / Brak 9,8 4, 6,0 0,6 31 Kombinowana / Klim. 5, 1,8 74,0 0,5 3 Ssąca / Klim. 9,4 5, 71,0 0,4 33 Ssąca / Klim. 30,0 5,6 70,0 0,4 J-M 34 Ssąca / Brak 6,8 3, 73,0 0,5 35 Ssąca / Brak 6,8 3, 73,0 0,4 36 Ssąca / Brak 6,4,6 71,0 0,4 37 Ssąca / Brak 9,6 3,6 59,0 0,6 38 Ssąca / Klim. 9, 5, 7,0 0,4 39 Kombinowana / Klim. 4, 18,4 56,0 0,7 40 Tłocząca / Klim. 7,4 4,4 77,0 0,6 41 Kombinowana / Klim. 8, 4, 71,0 0,7 4 Kombinowana / Klim. 3, 1,0 8,0 0,9 43 Tłocząca / Klim.,8 0, 78,0 0,7 44 Kombinowana / Klim. 4, 1,6 79,0 0,7 45 Kombinowana / Klim. 4,8,4 81,0 0,8 B 46 Tłocząca / Klim. 3,8 1, 79,0 0,5 47 Kombinowana / Klim. 4,8, 79,0 0,7 48 Tłocząca / Brak 6,0 3,4 80,0 0,4 49 Tłocząca / Brak 8,4 4,6 73,0 0,5 50 Tłocząca / Brak 8,4 4, 70,0 0,8 51 Tłocząca / Brak 6,0 3,8 83,0 0,8 5 Tłocząca / Brak 8,4 5,0 75,0 0,8 53 Tłocząca / Brak 3,4 0, 74,0 0,7 54 Kombinowana / Brak 3,0 19,0 68,0 0,5 55 Tłocząca / Brak 4,4 0,0 66,0 0,6 56 Kombinowana / Brak 17, 1,8 60,0 0,5 K 57 Kombinowana / Brak 0,4 16,0 6,0 0,6 58 Kombinowana / Brak 30,4 1,8 46,0 0,4 59 Kombinowana / Brak 3,4 18,8 64,0 0,5 60 Kombinowana / Brak 4,4 0,4 69,0 0,4

5 Nr 4(506) KWIECIEŃ Do określenia warunków mikroklimatu w badanych ścianach posłużyły wyniki 7 pomiarów (w 5 ścianach wykonano dwie serie pomiarowe w różnym czasie). W wyrobiskach doprowadzających powietrze do ściany strumień objętościowy powietrza wynosił od 600 do 1640 m 3 /min. W ścianach przewietrzanych sposobem na Y udział powietrza wynosił od 40,3 do 8,4% sumarycznego strumienia powietrza doprowadzanego do rejonu eksploatacyjnego. W drążonych wyrobiskach strumień powietrza doprowadzanego do przodka wahał się od 80 do 810 m 3 /min. Z wyjątkiem jednej ściany we wszystkich pozostałych rejonach ścian stosowano schładzanie powietrza. W przypadku wyrobisk z wentylacją odrębną tylko w jednej trzeciej wyrobisk stosowano klimatyzację w celu poprawy cieplnych warunków pracy. 4. WSKAŹNIKI MIKROKLIMATU W BADA- NYCH WYROBISKACH I ŚCIANACH EKS- PLOATACYJNYCH W dalszej części artykułu określono warunki mikroklimatu dla miejsc, w których są one najtrudniej- sze. W przypadku ścian eksploatacyjnych są to skrzyżowania wylotu ze ściany z chodnikiem odprowadzającym powietrze, a dla drążonych wyrobisk przodki. Do określenia mikroklimatu w danym odowisku stosuje się wartości podstawowych parametrów powietrza i otoczenia oraz wskaźniki mikroklimatu, które uwzględniają łączny wpływ kilku podstawowych parametrów powietrza. Najbardziej znanymi wskaźnikami mikroklimatu są: natężenie chłodzenia powietrza K w, temperatura zastępcza klimatu t zk (wzór w tab. 3), wskaźnik WGBT = 0,7 t w + 0,3 t s [13] oraz wskaźnik WGBTp = 0,67 t w + 0,33 t s [1]. W tabeli 3. przedstawiono charakterystykę wskaźników mikroklimatu. W oparciu o te wskaźniki dokonano oceny warunków mikroklimatu panujących w badanych wyrobiskach. Pominięto wskaźniki takie, jak zastępcza temperatura śląska TŚ czy temperatura zastępcza francuska TFR, gdyż dla analizowanych wyników pomiarowych nie różnią się one znacząco od temperatury zastępczej klimatu t zk (różnica od 0, do 0,6 o C). Wskaźniki mikroklimatu (opracowanie własne) Tabela 3. Wskaźnik Oznaczenie Jednostka Metoda wyznaczania Uwagi Objaśnienia do wzorów Natężenie chłodzenia [1] Temperatura zastępcza klimatu [1] Wskaźnik WBGT [13] K w Katastopnie wilgotne Pomiar katatermometrem wilgotnym t zk t zk =0,6t m +0,4t s -v WGBTp [1] WBGTp=0,67t m +0,33t s Norma PN-EN 7443:005 K w <11 t m temperatura mierzona Dopuszczalne graniczne wartości termometrem temperatury zastępczej klimatu wynoszą: - dla pracy lekkiej t wilgotnym, C zk < 30 C, - dla pracy umiarkowanej t zk < 8 C, t s temperatura - dla pracy ciężkiej t zk < 6 C, - dla pracy bardzo ciężkiej t mierzona zk < 5 C czas termometrem (pracy powinien być skrócony, jeżeli suchym, C temperatura t zk jest większa od wartości granicznych), v prędkość - praca zabroniona t zk >3 C powietrza, m/s Na wylocie z wyrobisk ścianowych w prądzie powietrza odprowadzanego ze ściany w jedenastu przypadkach dochodziło do przekroczenia dopuszczalnych parametrów powietrza według obowiązujących przepisów górniczych [7]. Przede wszystkim przekroczona była temperatura na termometrze suchym (11 przypadków na ). W każdym z tych przypadków stosowane było schładzanie powietrza. Również w z 60 przodków drążonych wyrobisk przekroczona była dopuszczalna temperatura na termometrze suchym. Pracownicy zatrudnieni w tych warunkach pracowali w skróconym czasie pracy. Wskaźniki te

6 10 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA wskazują na trudne warunki pracy na wylocie ze ścian i w przodkach chodnikowych. Na rysunku 3. przedstawiono zależność natężenia chłodzenia powietrza wilgotnego od temperatury po- wietrza mierzonej termometrem suchym. Na rysunkach tych zaznaczono obszar skróconego czasu pracy, wyznaczony na podstawie obowiązujących przepisów [7]. a) b) normalny czas pracy ts<8 C, Kw>11 katastopni wilgotnych 8<ts<33 C lub Kw<11 normalny czas pracy ts<8 C, Kw>11 katastopni wilgotnych 8<ts<33 C lub Kw<11 Rys. 3. Natężenie chłodzenia powietrza wilgotnego w funkcji temperatury powietrza: a) na wylocie z wyrobisk ścianowych, b) w strefie przodkowej drążonych wyrobisk (opracowanie własne) Wykonane pomiary pozwoliły na określenie wskaźników mikroklimatu. Z wykonanych obliczeń wynika, że parametry mikroklimatu kształtowały się następująco: na wylocie z wyrobisk ścianowych: natężenie chłodzenia powietrza wilgotnego wahało się od 7,1 do 31,4 (ednio wynosiło 17,, w jednym przypadku było niższe niż 11 ), temperatura zastępcza klimatu przyjmuje wartości od 15,9 do 30,1 C (ednio wynosiła 3,8 C), wskaźnik WGBTp osiąga wartości od 19,5 do 31,0 C (ednio wynosił 5,8 C). w strefie przodkowej: natężenie chłodzenia powietrza wilgotnego wahało się od 9,0 do 3,6 (ednio wynosiło 14,3, w 5 przypadkach było niższe niż 11 ), temperatura zastępcza klimatu przyjmuje wartości od 14,0 do 3,4 C (ednio wynosiła 3,4 C), wskaźnik WGBTp osiąga wartości od 8,7 do 14,3 C (ednio wynosił 3,7 C). W celu porównania liczby wyrobisk, w których czas pracy określany jest według obowiązujących przepisów, z kryteriami innych wskaźników przedstawiono graficznie kształtowanie się wybranych wskaźników w funkcji temperatury na termometrze suchym. Takie przedstawienie graficzne jest możliwe, gdyż we wszystkich badanych wyrobiskach o skróconym czasie pracy decydowała temperatura na termometrze suchym. W jednym przypadku natężenie chłodzenia było niższe niż 11 katastopni wilgotnych na wylocie ze ścian oraz w pięciu przypadkach w wyrobiskach przygotowawczych. We wszystkich przypadkach temperatura na termometrze suchym była wyższa niż 8 o C. Na rysunkach 4. i 5. przedstawiono graficznie rozkład temperatury zastępczej klimatu oraz wskaźnika WBGTp. Na rysunku 4. zaznaczono granice stopni zagrożenia klimatycznego według projektu nowych przepisów górniczych [6], który wprowadza trzy stopnie zagrożenia klimatycznego. Na mocy tych przepisów [6] liczba wyrobisk, w których obowiązuje, w przypadku analizowanych wyrobisk zmniejszyłaby się o połowę. Natomiast przyjęcie wartości odniesienia wskaźnika WBGTp [1] dla pracy umiarkowanej i termoizolacyjności 1 clo nie spowodowałoby znaczących zmian odnośnie do tej liczby. Różnica polega na tym, że norma [5] zaleca ustalanie czasu pracy i odpoczynku w ciągu godziny w zależności od wielkości przekroczenia wartości odniesienia. Należy jednak podkreślić, że dla zatrudnionych pracowników warunki mikroklimatu związane są nie tylko z parametrami powietrza, ale również z ich aklimatyzacją w danych warunkach klimatycznych, rodzajem wykonywanej pracy oraz termoizolacyjnością używanej odzieży. Czynniki te decydują o obciążeniu termicznym pracowników. Do oceny warunków mikroklimatu powinno się stosować wskaźniki komfortu cieplnego uwzględniające te czynniki.

7 Nr 4(506) KWIECIEŃ a) b) II Stopień zagrożenia klimatycznego [5] tzk>30 dla pracy lekkiej wg [10] tzk>8 dla pracy umiarkowanej wg [10] I Stopień zagrożenia klimatycznego wg [5] tzk>8 dla pracy ciężkiej wg [10] II Stopień zagrożenia klimatycznego wg [5] tzk>30 dla pracy lekkiej wg [10] tzk>8 dla pracy umiarkowanej wg [10] I Stopień zagrożenia klimatycznego wg [5] tzk>8 dla pracy ciężkiej wg [10] 8<ts<33 C lub Kw<11 8<ts<33 C lub Kw<11 Rys. 4. Temperatura zastępcza klimatu w funkcji temperatury powietrza: a) na wylocie z wyrobisk ścianowych, b) w strefie przodkowej drążonych wyrobisk (opracowanie własne) a) b) <ts<33 C lub Kw< <ts<33 C lub Kw<11 Wartości odniesienia wg [1] Rcl=1clo: 1 - praca lekka, - praca umiarkowana, 3 - praca ciężka odczuwalny ruch powietrza, 4 - praca ciężka nieodczuwalny ruch powietrza Wartości odniesienia wg [1] Rcl=1clo: 1 - praca lekka, - praca umiarkowana, 3 - praca ciężka odczuwalny ruch powietrza, 4 - praca ciężka nieodczuwalny ruch powietrza Rys. 5. Wskaźnik WBGTp w funkcji temperatury powietrza: a) na wylocie z wyrobisk ścianowych, b) w strefie przodkowej drążonych wyrobisk (opracowanie własne) 5. OCENA KOMFORTU CIEPLNEGO W BADANYCH ŚCIANACH EKSPLOATA- CYJNYCH Komfortem cieplnym nazywa się stan, w którym człowiek nie odczuwa ani chłodu, ani ciepła [4]. Odzież jest jednym z podstawowych elementów, który powinien zapewnić człowiekowi komfort cieplny w różnych warunkach odowiska termicznego i przy różnym poziomie aktywności fizycznej. W obszarze komfortu cieplnego bilans cieplny organizmu jest zrównoważony. Do oceny komfortu cieplnego wykorzystać można różne wskaźniki (kryteria) oceny cieplnych warunków pracy, z których na dzień dzisiejszy żadne nie jest obowiązujące w polskim górnictwie węgla kamiennego. Dla uzyskanych wyników pomiarów przeprowadzono obliczenia dwóch wskaźników: amerykańskiej temperatury efektywnej ATE i dyskomfortu cieplnego δ. Objaśnienia wskaźników znajdują się w tabeli 4. Amerykańska temperatura efektywna jest jednym ze wskaźników określających mikroklimat w miejscu pracy. Wykorzystywana jest do określania norm klimatycznych, między innymi w górnictwie amerykańskim i niemieckim. W literaturze [, 14] można znaleźć nomogramy dla różnych izolacyjności termicznych odzieży. Z uwagi na brak danych dotyczących termoizolacyjności pracowników w badanych ścianach i przodkach obliczenia wskaźnika ATE przeprowadzono przy założeniu termoizolacyjności odzieży pracowników na poziomie 1 clo (normalny ubiór roboczy górnika [4]) oraz ponownie dla wartości 0 clo (ludzie nieubrani). Na rysunkach 6a i 6b przedstawiono graficzną interpretację zmian wskaźnika ATE w funkcji temperatury mierzonej termometrem suchym dla analizowanych wyników pomiarowych. Wyniki porównano pod względem wartości dopuszczalnych ATE wynikających z niemieckich i amerykańskich przepisów. Zgodnie z pracą [], jeśli ATE jest zawarta w przedziale od 5 do 30 C i jednocześnie temperatura sucha wynosi powyżej 8 C, czas pracy pracowników w kopalniach niemieckich

8 1 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Wskaźniki mikroklimatu ATE i δ (opracowanie własne) Tabela 4. Wskaźnik Oznaczenie Jednostka Metoda wyznaczania Uwagi Amerykańska temperatura efektywna [13] ATE C Odczyt z nomogramów Według normy amerykańskiej: ATE<8 C normalny czas pracy ATE> 8 C oraz ATE< 3 C ATE>3 C praca zabroniona Według normy niemieckiej: ATE<5 C lub t s <8 C normalny czas pracy ATE> 5 C oraz ATE< 30 C lub t s >8 ATE>30 C praca zabroniona Wskaźnik dyskomfortu cieplnego [1] δ Odczyt z nomogramów δ<0 odowisko chłodne δ=0 komfort cieplny 0<δ<0, warunki klimatyczne korzystne 0, δ<0,5 zadowalające warunki klimatyczne 0,5 δ<0,8 trudne warunki klimatyczne 0,8 δ<1 bardzo trudne warunki klimatyczne δ 1 dyskomfort jest niebezpieczny dla zdrowia powinien być skrócony, a jeśli ATE jest większa od 30 C, to praca jest zabroniona. Wynika z tego, że polskie i niemieckie przepisy w podobny, rygorystyczny sposób normują czas pracy w kopalniach. Natomiast według przepisów amerykańskich tylko w dwóch przypadkach jednym dla wylotów ze ścian i jednym (1 clo) dla przodków chodnikowych czas pracy zostałby skrócony. a) b) NORMA AMERYKAŃSKA ATE>8 C NORMA NIEMIECKA ATE>5 C lub ts>8 NORMA AMERYKAŃSKA ATE>8 C NORMA NIEMIECKA ATE>5 C lub ts>8 8<ts<33 C lub Kw<11 8<ts<33 C lub Kw<11 Rys. 6. Amerykańska temperatura efektywna (wyznaczona dla oporów cieplnych odzieży 0 oraz 1 clo) w funkcji temperatury powietrza: a) na wylocie z wyrobisk ścianowych, b) w strefie przodkowej drążonych wyrobisk (opracowanie własne) Warunki komfortu cieplnego pracowników można określać także za pomocą wskaźnika dyskomfortu cieplnego [, 14]. Na podstawie tego wskaźnika da się nie tylko oceniać warunki klimatyczne pracy, ale również przeprowadzać analizę wpływu poszczególnych parametrów mikroklimatu, ubioru oraz wydatku energetycznego na poprawę lub pogorszenie się warunków klimatycznych w odowiskach pracy. Jeżeli wskaźnik δ będzie równy lub większy od jedności, praca w danym odowisku powinna być zabroniona ze względu na niebezpieczeństwo stresu lub udaru cieplnego pracownika [14]. Do obliczeń wskaźnika δ przyjęto, że pracownicy zatrudnieni w wyrobiskach ścianowych i przodkach wyposażeni są w ubranie robocze o izolacyjności 1 clo lub 0 clo. Obliczenia przeprowadzono dla osób zaaklimatyzowanych i niezaaklimatyzowanych dla trzech różnych wartości wydatku energetycznego: 100, 165 i 30 W/m. Do obliczeń wykorzystano nomogramy dla wilgotności względnej powietrza 60%, 80%

9 Nr 4(506) KWIECIEŃ i 100% [3]. Na rysunkach 7a, 7b, 8a i 8b przedstawiono wartości wskaźnika dyskomfortu cieplnego w funkcji temperatury mierzonej (w badanych wyrobiskach) termometrem suchym dla osób zaaklimatyzowanych wyposażonych w odzież o izolacyjności 1 clo i 0 clo, a na rysunkach 7c i 8c dla osób niezaaklimatyzowanych używających odzieży o izolacyjności 1 clo. Porównując wartości wskaźnika dyskomfortu cieplnego dla ludzi nie/lub zaaklimatyzowanych w badanych wyrobiskach, można stwierdzić, że liczba przekroczeń δ 1, gdzie dyskomfort cieplny jest niebezpieczny dla zdrowia, jest znacznie mniejsza dla ludzi zaaklimatyzowanych. Niezaaklimatyzowani pracownicy gorzej znoszą warunki klimatyczne. W wyrobiskach ścianowych występują łagodniejsze warunki mikroklimatu. Jest to spowodowane większymi prędkościami powietrza niż w przypadku przodków chodnikowych. Z rysunków 7. i 8. wynika, że im cięższą pracę pracownik wykonuje (w ubiorze o termoizolacyjności 1 clo), tym jest bardziej narażony na negatywne oddziaływanie tych samych parametrów mikroklimatu. Izolacyjność odzieży ma duży wpływ na wartości wyznaczanego wskaźnika dyskomfortu cieplnego. Porównując wyniki wyznaczanego wskaźnika dla różnych izolacyjności, można stwierdzić, że dla izolacyjności odzieży 0 clo warunki klimatyczne mogą być znacznie lepsze. Jeżeli dla analizowanych stref przodkowych założy się, że pracownicy byli zaaklimatyzowani i wykonywali ciężką pracę w odzieży o izolacyjności 1 clo, to w 8 przypadkach (przodkach) na 60 mógł wystąpić dyskomfort niebezpieczny dla zdrowia, natomiast jeśli założy się, że pracownicy byli rozebrani podczas pracy (0 clo), to nie występował żaden przypadek przekroczenia wskaźnika δ powyżej wartości granicznej δ 1. a) pracownicy zaaklimatyzowani Rcl=1 clo wylot b) pracownicy zaaklimatyzowani Rcl=0 clo wylot ) y y ) y y δ>1 0,8 δ<1 0,5 δ<0,8 δ>1 0,8 δ<1 0,5 δ<0,8 δl praca lekka M = 100 W/m δu praca umiarkowana M = 165 W/m δc praca ciężka M = 30 W/m 0, δ<0,5 0< δ<0, δ<0 δl praca lekka M = 100 W/m δu praca umiarkowana M = 165 W/m δc praca ciężka M = 30 W/m 0, δ<0,5 0< δ<0, δ<0 c) pracownicy niezaaklimatyzowani Rcl=1 clo wylot ) y y δl praca lekka M = 100 W/m δu praca umiarkowana M = 165 W/m δc praca ciężka M = 30 W/m δ>1 0,8 δ<1 0,5 δ<0,8 0, δ<0,5 0< δ<0, δ<0 Rys. 7. Wskaźnik δ w funkcji temperatury powietrza dla pracowników o zmiennym wydatku energetycznym, nie/lub zaaklimatyzowanych, o izolacyjności odzieży 0 clo lub 1 clo mierzonej na wylocie z wyrobisk ścianowych (a, b, c) (opracowanie własne)

10 14 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA a) pracownicy zaaklimatyzowani Rcl=1 clo b) pracownicy zaaklimatyzowani Rcl=0 clo ) y δ>1 0,8 δ<1 0,5 δ<0,8 0, δ<0,5 0< δ<0, δ<0 δl praca lekka M = 100 W/m δu praca umiarkowana M = 165 W/m δc praca ciężka M = 30 W/m δ>1 0,8 δ<1 0,5 δ<0,8 0, δ<0,5 0< δ<0, δ<0 c) pracownicy niezaaklimatyzowani Rcl=1 clo δl praca lekka M = 100 W/m δu praca umiarkowana M = 165 W/m δc praca ciężka M = 30 W/m δ>1 0,8 δ<1 0,5 δ<0,8 0, δ<0,5 0< δ<0, δ<0 δl praca lekka M = 100 W/m δu praca umiarkowana M = 165 W/m δc praca ciężka M = 30 W/m Rys. 8. Wskaźnik δ w funkcji temperatury powietrza dla pracowników o zmiennym wydatku energetycznym, niezaaklimatyzowanych lub zaaklimatyzowanych, o izolacyjności odzieży 0 clo lub 1 clo, w strefie przodkowej drążonych wyrobisk (opracowanie własne) Biorąc pod uwagę wcześniejsze założenia, na rysunku 9. przedstawiono rozkład procentowy wskaźnika dyskomfortu cieplnego dla pracy umiarkowanej (M =165 W/m ) dla badanych wyrobisk. Możemy zaobserwować, że na wylocie z wyrobisk ścianowych przeważają trudne warunki klimatyczne (0,5 δ<0,8). Człowiek w takiej sytuacji odczuwa wyraźne niezadowolenie z warunków cieplnych przy współczynniku izolacyjności 1 clo. Dla 6% stanowisk pracy mogły wystąpić warunki klimatyczne określane jako zbyt ciepłe, jeśli opór cieplny ubioru wynosił 1 clo przy wydatku energetycznym M =165 W/m. W takich warunkach dyskomfort określa się jako niebezpieczny dla zdrowia []. W wyrobiskach przygotowawczych przeważają bardzo trudne warunki klimatyczne, ale jeszcze bezpieczne dla zdrowia, natomiast dyskomfort niebezpieczny dla zdrowia wystąpił w 17% badanych przypadków. Dla poprawy warunków pracy izolacyjność odzieży powinna być jak najniższa, a pracownicy powinni być zaaklimatyzowani. Rys. 9. Rozkład procentowy wskaźnika dyskomfortu cieplnego dla pracowników zaaklimatyzowanych, wyposażonych w odzież o oporze cieplnym 1 clo, dla pracy umiarkowanej: a) na wylocie z wyrobisk ścianowych, b) w strefie przodkowej drążonych wyrobisk (opracowanie własne)

11 Nr 4(506) KWIECIEŃ Na podstawie wskaźnika dyskomfortu cieplnego wyróżniono trzy stopnie zagrożenia klimatycznego [3]. Zaklasyfikowanie warunków klimatycznych do danego stopnia polega na określeniu wartości wskaźnika δ i przyporządkowaniu go według określonych czynników: ZKG-I I stopień zagrożenia klimatycznego (δc>1, δu<1, δl<1); w odowiskach zaliczonych do pierwszego stopnia zagrożenia klimatycznego praca może być prowadzona w skróconym, sześciogodzinnym wymiarze przy częstej lub ciągłej kontroli wskaźnika dyskomfortu cieplnego, ZKG-II II stopień zagrożenia klimatycznego (δu>1, δl<1); w odowiskach zaliczonych do drugiego stopnia zagrożenia klimatycznego praca może być prowadzona w skróconym, sześciogodzinnym wymiarze, z wprowadzonymi planowymi przerwami na odpoczynek w każdej godzinie dniówki roboczej, ZKG-III III stopień zagrożenia klimatycznego (δl>1); w odowiskach zaliczonych do trzeciego stopnia zagrożenia klimatycznego praca powinna być zabroniona (z wyjątkiem akcji ratowniczych). Symbole δc, δu, δl oznaczają odpowiednio wartości wskaźnika dyskomfortu cieplnego dla pracy ciężkiej, umiarkowanej i lekkiej. Do klasyfikacji stopni zagrożenia klimatycznego przyjęto, że pracownicy są zaaklimatyzowani i posiadają ubiór o izolacyjności 0 clo lub 1 clo (wartości skrajne). W tabelach 5. i 6. przedstawiono klasyfika- kacje wyrobisk według czasu pracy lub stopni zagrożenia klimatycznego. Porównując wyznaczone wskaźniki mikroklimatu, można wywnioskować, że najmniej restrykcyjnymi wskaźnikami są tzk i ATE według normy amerykańskiej. Według tych wskaźników dla przeważającej większości badanych wyrobisk obowiązywałby normalny czas pracy. Natomiast polskie przepisy, ATE według normy niemieckiej oraz stopnie zagrożenia klimatycznego (1 clo) są bardziej rygorystyczne, ponieważ na ich podstawie więcej wyrobisk kwalifikuje się do skrócenia czasu pracy. Wynika to z faktu uwzględniania ciężkości pracy lub izolacyjności odzieży. Różnice pojawiają się dopiero w odowiskach, w których występuje wysoka temperatura i wilgotność. Dwa wyloty ze ścian zaklasyfikowano do III stopnia zagrożenia klimatycznego, w związku z czym praca w tych miejscach powinna być zabroniona przy przyjęciu izolacyjności odzieży 1 clo dla zaaklimatyzowanych pracowników. Obniżenie izolacyjności odzieży do 0 clo zmniejsza stopień zagrożenia klimatycznego. W takim przypadku żaden przodek nie zostałby zaliczony do III stopnia zagrożenia klimatycznego. Porównując ściany i przodki (1 clo), możemy zauważyć, że zagrożenie klimatyczne w przodkach jest większe niż na wylotach ze ścian. Spowodowane jest to małą prędkością przepływu powietrza, co prowadzi do kumulowania się większej ilości ciepła w organizmie z uwagi na termoizolacyjność odzieży. Tabela 5. Klasyfikacja wyrobisk według czasu pracy lub stopni zagrożenia klimatycznego (wylot ze ścian) (opracowanie własne) Czas pracy / Praca zabroniona Polskie przepisy Temperatura zastępcza klimatu Amerykańska temperatura efektywna Stopnie zagrożenia klimatycznego pracowników Ludzie zaaklimatyzowani Praca Praca Norma Norma Stopień zagrożenia umiarkowana ciężka niemiecka amerykańska 0 clo 1 clo % % % % % % % Zabroniona ZKG-III 0 7,4 Skrócony 40,7 11,1, 40,7 3,7 ZKG-II 0 18,5 ZKG-I 3,7 14,8 Normalny 59,3 88,9 77,8 59,3 96,3 Niezaliczone 96,3 59,3 Klasyfikacja wyrobisk według czasu pracy lub stopni zagrożenia klimatycznego (w strefie przodkowej drążonych wyrobisk) (opracowanie własne) Tabela 6. Czas pracy / Praca zabroniona Polskie przepisy Temperatura zastępcza klimatu Amerykańska temperatura efektywna Stopnie zagrożenia klimatycznego pracowników Ludzie zaaklimatyzowani Praca Praca Norma Norma Stopień zagrożenia umiarkowana ciężka niemiecka amerykańska 0 clo 1 clo % % % % % % % Zabroniona ZKG-III 0 0 Skrócony 36,7 1, ,7 1,7 ZKG-II 0 15 ZKG-I 0 46,7 Normalny 63,3 98, ,3 98,3 Niezaliczone ,3

12 16 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA 6. PODSUMOWANIE Przedstawione wyniki pomiarów i obliczeń wskaźników mikroklimatu wykazały, że zgodnie z obowiązującymi przepisami górniczymi [7] około 41% badanych wylotów ze ścian oraz 37% stref przodkowych kwalifikuje się do skrócenia czasu pracy. Przyczyną tego stanu rzeczy jest przekroczenie temperatury 8 C mierzonej termometrem suchym. Natężenie chłodzenia niższe niż 11 odnotowano w jednym przypadku na wylocie ze ścian oraz w pięciu przypadkach w przodkach wyrobisk z wentylacją odrębną. Pozostałe przypadki charakteryzowały się natężeniem chłodzenia przekraczającym 11 katastopni wilgotnych. Znacznie trudniejsze warunki klimatyczne występują w przodkach drążonych wyrobisk z uwagi na mniejsze prędkości powietrza niż na wylotach badanych ścian eksploatacyjnych. Należy podkreślić, że przeprowadzone pomiary miały charakter chwilowy, a określonych w ich wyniku warunków klimatycznych nie można uogólnić na cały okres pracy pracowników w tych miejscach. Badania wskaźników mikroklimatu mają istotne znaczenie w kontekście opracowywania nowych przepisów w zakresie zagrożenia klimatycznego w polskich kopalniach. Przeprowadzona analiza wykazała, że najmniej rygorystycznymi wskaźnikami pod kątem określania skróconego czasu pracy są temperatura zastępcza klimatu i amerykańska temperatura efektywna ATE według normy amerykańskiej. Na podobnym poziomie przepisy polskie i ATE według normy niemieckiej predestynują badane miejsca pracy do stosowania normalnego czasu pracy. Rozbieżności pojawiają się przy wysokich temperaturach i wysokiej wilgotności względnej powietrza. Najbardziej rygorystyczne są stopnie zagrożenia klimatycznego według wskaźnika δ przy przyjęciu termoizolacyjności ubioru pracowników 1 clo. W projekcie przepisów górniczych [6] proponuje się wprowadzenie temperatury zastępczej klimatu bez uwzględniania rodzaju pracy i ubioru pracowników. Dobór wskaźnika do określania warunków klimatycznych i określanie skróconego czasu pracy lub zakazu pracy powinny być odnoszone do wskaźników uwzględniających ubiór pracowników i wydatek energetyczny pracowników, a nie wskaźników wynikających tylko z parametrów powietrza. W tym celu konieczne wydaje się określenie rzeczywistej oporności cieplnej odzieży pracowników oraz ich rzeczywistego wydatku energetycznego na stanowiskach pracy. W trudnych warunkach mikroklimatu nie powinno się zatrudniać pracowników niezaaklimatyzowanych. Każdorazowo po urlopie lub dłuższej przerwie pracownik powinien być stopniowo przyzwyczajany do warunków panujących na danym stanowisku pracy. Dotyczy to przede wszystkim osób pracujących w ścianie i na wylotach ze ścian eksploatacyjnych oraz w przodkach drążonych wyrobisk korytarzowych. Nie ulega jednak wątpliwości, że konieczne jest podjęcie badań nad zmianą zasad zatrudniania i organizacji pracy w odowisku o bardzo trudnych warunkach klimatycznych. Artykuł powstał w wyniku realizacji strategicznego projektu badawczego pt. Poprawa bezpieczeństwa pracy w kopalniach (zadanie nr 5, umowa nr SP/K/5/14375/11). Literatura 1. Bystroń H., Knechtel J., Markefka P.: Przybliżony wskaźnik obciążenia termicznego górników w gorących miejscach pracy polskich kopalń. Bezpieczeństwo Pracy w Górnictwie, nr 4(8), 1993, s Drenda J.: Dyskomfort cieplny w odowiskach pracy kopalń głębokich. W: Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, s. Górnictwo, z. 13, Gliwice Drenda J.: Wyznaczenie stopni i stref zagrożenia klimatycznego pracowników w przodkach kopalń głębinowych, Przegląd Górniczy, nr 1, 010, s Fanger P.O.: Komfort cieplny, Arkady, Warszawa PN-EN 743:005: Środowiska gorące Wyznaczanie obciążenia termicznego działającego na człowieka podczas pracy, oparte na wskaźniku WBGT. 6. Projekt rozporządzenia Ministra Środowiska w sprawie zagrożeń naturalnych w zakładach górniczych, 013, dostępny 7. w Internecie: 8. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 8 czerwca 00 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych (Dz. U. Nr 139, poz oraz z 006 r. Nr 14, poz. 863). 9. Szlązak N., Borowski M., Obracaj D.: Kierunki zmian w systemach przewietrzania ścian eksploatacyjnych z uwagi na zwalczanie zagrożeń wentylacyjnych. Gospodarka surowcami mineralnymi, t. 4, z. 1/, Szlązak N., Tor A.: Wpływ trudnych warunków cieplnych na organizm ludzki. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, nr 5, 000, s Szlązak N., Tor A., Jakubów A.: Metody zwalczania zagrożenia temperaturowego w kopalniach Jastrzębskiej Spółki Węglowej. W: Zwalczanie zagrożenia klimatycznego w kopalniach teoria i praktyka, Materiały konferencyjne XXXI Dni Techniki ROP 005, Wydział Górnictwa i Geologii Politechniki Śląskiej, Instytut Geotechnologii, Geofizyki Górniczej i Ekologii Terenów Przemysłowych, Gliwice 005, s Turkiewicz W.: Propozycja nowego wskaźnika oceny warunków klimatycznych w kopalniach LGOM. Cuprum, nr 3-4, Trutwin W.: W trudnych warunkach cieplnych. Ratownictwo Górnicze, nr 4, grudzień Wacławik J., Branny M., Borodulin-Nadzieja L.: Modelowanie wymiany ciepła między górnikiem a otoczeniem w trudnych warunkach klimatycznych, Wydawnictwa AGH, Kraków Wacławik J.: Wentylacja kopalń, Wydawnictwa AGH, Kraków Dokumentacja etapu 9. pt. Pomiary mikroklimatu i weryfikacji wyników pomiarowych w kopalniach Jastrzębskiej Spółki Węglowej, opracowana w ramach zadania badawczego nr 5 pt. Opracowanie zasad zatrudniania pracowników w ramach zagrożenia klimatycznego w podziemnych zakładach górniczych, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie, 01, niepublikowana. Artykuł został zrecenzowany przez dwóch niezależnych recenzentów.