Materiały Warsztatów str. 433 447 Stanisław TRENCZEK Centrum Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa EMAG, Katowice Uwarunkowania górniczo-geologiczno-techniczne produkcji węgla kamiennego, a zasadnicza infrastruktura systemowa zasilania, informatyki i automatyki Streszczenie W referacie dokonano krótkiej charakterystyki najistotniejszych procesów technologicznych występujących przy produkcji węgla kamiennego. Omówiono uwarunkowania górniczo- -geologiczne w kontekście stosowania rozwiązań związanych z zabezpieczaniem procesów technologicznych pod kątem systemowego zasilania oraz systemowej informatyki i systemowej automatyzacji. Przedstawiono strukturę zasadniczej infrastruktury systemowej uwzględniającej występujące uwarunkowania. Na koniec dokonano próby oceny stanu zasadniczej infrastruktury systemowej pod kątem poziomu powszechności jej stosowania oraz poziomu technicznego wpływającego na perspektywę czasową jej stosowania. 1 Wstęp Jedną z częstych form planowania strategicznego w krajach wysoko rozwiniętych są projekty rozwoju wybranej dziedziny znane pod nazwą foresigt scenariusze rozwoju. Aktualnie w Polsce realizowany jest projekt badawczy z zakresu monitorowania i prognozowania rozwoju sektora surowców energetycznych pt. Scenariusze rozwoju technologicznego przemysłu wydobywczego węgla kamiennego. Jest on współfinansowany jest przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego, a udział w nim biorą jednostki badawczo-rozwojowe i jednostki naukowe: Główny Instytut Górnictwa w Katowicach będący jednocześnie koordynatorem projektu, Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk w Krakowie, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Politechnika Śląska w Gliwicach, Centrum Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa EMAG w Katowicach, Centrum Mechanizacji Górnictwa KOMAG w Gliwicach. Pierwsza część projektu wymagała badań stanu dotychczas stosowanych technologii, w tym stosowanych w górnictwie węgla kamiennego systemów automatyki, informatyki i zasilania. Dokonano skorelowania zagadnień w trzech podstawowych grupach: technologii górniczych, w tym także przeróbczych, mechanizacji, a także szeroko rozumianego zabezpieczenia tych technologii pod względem zasilania w energię elektryczną, kontroli poszczególnych parametrów i możliwości ich wykorzystania oraz udziału automatyzacji w tych technologiach. 433
S. TRENCZEK Uwarunkowania górniczo-geologiczno-techniczne produkcji węgla 2. Technologie procesu produkcji węgla Wyprodukowanie węgla handlowego o odpowiednich parametrach jakościowych jest procesem wieloelementowym, o przejrzystej strukturze (Zając 1994). Struktura ta składa się z układu cząstkowych procesów, czynności i operacji technologicznych, realizowanych w określonym czasie i przestrzeni, które wykonywane są przez zespoły ludzkie przy użyciu określonych środków technicznych i mają na celu wyprodukowanie węgla handlowego o odpowiednich parametrach jakościowych Na elementy tej struktury składa się kilka liczebnie znaczących segmentów technologii i procesów, z których najistotniejszą rolę odgrywają technologie podstawowe i pomocnicze, które w ramach projektu wyselekcjonował i opracował Główny Instytut Górnictwa (tabele 2.1. i 2.2). Tabela 2.1. Wykaz podstawowych technologii górniczych Table 2.1. List of fundamental mining technologies Technologie udostępniające I. Wyrobiska 1. Udostępnienie złoża szybami 2. Udostępnienie złoża szybikami 3. Udostępnienie złoża sztolniami 4. Udostępnienie złoża przecznicami i przekopami) II. Model rozcięcia złoża 1. Model kamienny 2. Model węglowy 3. Model węglowo- -kamienny III. Urabianie 1. Strzelanie MW: szyby, chodniki 2. Urabianie mechaniczne IV. Obudowa 1. Czworokątna 2. Łukowa 3. Zamknięta 4. Drewniana 5. Kotwiowa 6. Mieszana 7. Powłokowa 8. Murowa Technologie przygotowawcze I. Wyrobiska 1. Upadowe, pochylnie 2. Chodniki wentylacyjne, transportowe, piętrowe 3. Przecinki Technologie eksploatacyjne I. Systemy zabierkowe 1. Krótkich zabierek 2. Długich zabierek 3. Komorowy 4. Chodnikowy 5. Komorowo-filarowy II. Systemy ścianowe (ubierkowe) 1. Podłużny z zawałem stropu 2. Podłużny z podsadzką hydrauliczną 3. Podłużny z podsadzką suchą 4. Poprzeczny z zawałem stropu 5. Poprzeczny z podsadzką hydr. 6. Poprzeczny z podsadzką suchą III. Systemy specjalne 1. Podbierkowy chodnikowy 2. Podbierkowy ścianowy 3. Podziemne zgazowanie 4. Ubierkowo-zabierkowy 5. System jankowicki 6. System miechowicki 7. System wielowarstwowy IV. Urabianie 1. Strzelanie MW 2. Urabianie mechaniczne: kombajny ścianowe, strugi, continuous miner V. Obudowa 1. Stalowa 2. Zmechanizowana 3. Kotwiowa Technologie przeróbki mechanicznej węgla I. Przeróbka węgli energetycznych 1. Wzbogacanie węgla o uziarnieniu powyżej (10) 20 mm 2. Wzbogacanie węgla o uziarnieniu powyżej (0,1) 0,5 mm 3. Wzbogacanie węgla w pełnym zakresie uziarnienia II. Przeróbka węgli koksowych 1. Wzbogacanie węgla w pełnym zakresie uziarnienia 434
Tabela 2.2. Wykaz ogólnokopalnianych technologii pomocniczych Table 2.2. List of auxiliary general-mining technologies Transport Wentylacja Odwadnianie I. Pionowy 1. Linowy II. Poziomy 1. Taśmowy 2. Szynowy 2.1. Torowy 2.2. Podwieszany 3. Oponowy 4. Zgrzebłowy III. Pochyły 1. Linowy 2. Szynowy 3. Oponowy 4. Taśmowy 5. Zgrzebłowy I. Opływowa Ia. Wznosząca Ib. Schodząca 1. Przewietrzanie komór funkcyjnych 2. Przewietrzanie wyrobisk korytarzowych 3. Przewietrzanie wyrobisk eksploatacyjnych 3.1. Przewietrzanie zwrotne U 3.2. Przewietrzanie przekątne Z, Y II. Odrębna 1. Wentylacja przez dyfuzję 2. Wentylacja przy użyciu pomocniczych urządzeń wentylacyjnych 3. Wentylacja przy użyciu wentylatorów 3.1. powietrznych 3.2. elektrycznych 3a. Wentylacja tłocząca 3b. Wentylacja ssąca 3c. Wentylacja kombinowana I. Główne 1. Bezpośrednie 2. Pośrednie 3. Mieszane II. Lokalne 1. Grawitacyjne 1.1. Ścieki (IOL 1.1) 1.2. Odwierty 2. Wymuszone pompami 2.1. powietrznymi 2.2. elektrycznymi 3. Wyrobiska wodne 3. Uwarunkowania naturalne i techniczne procesu produkcji węgla Produkcja węgla kamiennego realizowana jest w warunkach występowania różnego rodzaju zagrożeń naturalnych. Na konieczność ich zwalczania wskazują aktualnie obowiązujące przepisy ustawy z dnia 4 lutego 1994 r. Prawo geologiczne i górnicze (tekst jednolity: Dz.U. z 2005 r. Nr 228, poz. 1947), które w art. 73 stanowią, że przedsiębiorca jest obowiązany w szczególności: 1) rozpoznawać zagrożenia związane z ruchem zakładu górniczego i podejmować środki zmierzające do zapobiegania i usuwania tych zagrożeń, w tym oceniać i dokumentować ryzyko zawodowe występujące w ruchu zakładu górniczego oraz stosować niezbędne środki profilaktyczne zmniejszające ryzyko; 2) posiadać odpowiednie środki materialne i techniczne oraz właściwie zorganizowane służby ruchu do zapewnienia bezpieczeństwa pracownikom i bezpieczeństwa ruchu zakładu górniczego. Natomiast w art. 73a ust. 1 tej ustawy przepisy wymagają, by występujące w zakładach górniczych zagrożenia naturalne: tąpaniami, metanowe, wyrzutami gazów i skał, wybuchem pyłu węglowego, wodne, erupcyjne, siarkowodorowe, radiacyjne naturalnymi substancjami promieniotwórczymi, a także działaniem pyłów szkodliwych dla zdrowia, podlegają zaliczeniu do poszczególnych stopni (kategorii, klas) zagrożeń. 435
S. TRENCZEK Uwarunkowania górniczo-geologiczno-techniczne produkcji węgla Z kolei zagrożenie pożarami endogenicznymi klasyfikowane jest do jednej z pięciu grup samozapalności zgodnie z Polską Normą PN-93/G 04558 Oznaczanie wskaźnika samozapalności a zagrożenie klimatyczne do jednego z trzech poziomów krytycznych w oparciu o temperaturę pierwotną górotworu określoną zgodnie z Polską Normą PN-G-04038 Pomiar temperatury pierwotnej. Aktualnie prowadzona eksploatacja węgla kamiennego charakteryzuje się dużym stopniem mechanizacji przy występowaniu różnych zagrożeń naturalnych. Najczęściej współwystępują zagrożenia metanowe, tąpaniami, pożarowe i wybuchem pyłu węglowego, co przyjęto określać terminem zagrożeń skojarzonych. Często współwystępuje jeszcze zagrożenie klimatyczne. Stosownie do tego kopalnie muszą zapewniać odpowiedni poziom zaawansowania technicznego, by skutecznie zagrożeniom tym przeciwdziałać i nie dopuścić do powstania niebezpiecznych zdarzeń, wypadków, czy katastrof. O niebezpiecznym zdarzeniu decyduje zazwyczaj wiele czynników, spośród których w zależności od przyjętych kryteriów można wyróżnić kilka grup, m.in.: warunki naturalne (np. zaleganie górotworu, pokładu), rozpoznanie pasywne, tj. określenie potencjalnego poziomu występujących zagrożeń (np. w pokładzie, jego sąsiedztwie) oraz wykonanie prognoz kształtowania się zagrożenia w czasie eksploatacji, wpływ człowieka na obniżenie poziomu zagrożeń (np. na etapie rozpoznawania i prognozowania zagrożeń, projektowania eksploatacji i prac profilaktycznych), poziom techniczno-technologiczny prowadzenia robót (np. dobór maszyn i urządzeń, obudowa wyrobisk, system eksploatacji), rozpoznawanie aktywne, tj. rzeczywistego poziomu występujących zagrożeń (np.: sposób kontroli i systemowego monitorowania rejonu eksploatacji parametrów pracy urządzeń, niebezpiecznych czynników itp.), przewidywalność niebezpiecznych zdarzeń (np. wstrząsu górotworu, tąpnięcia, samozapalenia węgla, wybuchu metanu lub pyłu węglowego), posiadanie odpowiednich procedur dla stanów statycznych i dynamicznych (stopień ich rozpowszechnienia wśród załogi, możliwości szybkiego informowania i alarmowania), zdolność decydentów (kierownictwa kopalni, dyspozytora bezpieczeństwa, dozoru górniczego itp.) do zachowania rygorów zawartych w procedurach dla stanów dynamicznych (np. w przypadku wzrostu zagrożenia naturalnego, technicznego). Dlatego też skuteczne zwalczanie zagrożeń wymaga zarówno odpowiedniego podejścia do rozpoznawania zagrożeń, jak i innych elementów związanych z bezpieczeństwem pracy i ruchu zakładu górniczego. Szczególnego znaczenia nabierają tu rozwiązania techniczne z zakresu zasilania, informatyki i automatyki. Muszą one być zgodne z bardzo wysokimi wymaganiami zawartymi w szczegółowych regulacjach zawartych w rozporządzeniu Rady Ministrów z dn. 30.04.2004 r. w sprawie dopuszczania wyrobów do stosowania w zakładach górniczych (Dz.U. Nr 99 z 2004 r., poz. 1003). Regulacje te bowiem dotyczą systemów łączności, bezpieczeństwa i alarmowania, gromadzenia i przetwarzania danych z czujników kontrolujących stan atmosfery kopalnianej oraz stan aktywności sejsmicznej górotworu, a także innych określonych parametrów, automatycznego wyłączania energii elektrycznej, a także zintegrowanych systemów sterowania kompleksów wydobywczych i przodkowych. 436
4. Zasadnicza infrastruktura systemowa Z punktu widzenia produkcji węgla kamiennego przez zakład górniczy procesami pierwotnymi, poprzedzającymi produkcję węgla są procesy infrastrukturalne, czyli technologie pomocnicze: przewietrzanie, transport i odwadnianie. W następnej kolejności występują procesy przygotowawcze: udostępniające i przygotowawcze. Natomiast z procesów podstawowych eksploatacja jest procesem najistotniejszy, a przeróbka mechaniczna węgla jest procesem finalnym. Natomiast z punktu widzenia techniczno-technologicznego funkcjonowania współczesnego zakładu górniczego główną rolę odgrywają trzy segmenty: zasilanie, informatyka i automatyka, które stanowią zasadniczą infrastrukturę systemową (Trenczek 2007). Podstawę zasadniczej infrastrukturze systemowej w procesie produkcji węgla daje zasilanie, które stopniowo z powierzchni (Kowol 2006) zostało rozprowadzane w coraz odleglejsze rejony kopalń, aż znalazło się bezpośrednio w przodkach wydobywczych (Krasucki 1997; Malicki i in. 2004; Hefczyc, Jarosz 2005). Z kolei początki szeroko rozumianej informatyki, to łączność telefoniczna od przewodowej do bezprzewodowej (Wojtas, Rej 2005; Babecki, Wiszniewski 2003). Na jej bazie rozwinęły się inne gałęzie informatyki, takie jak sieć nadzoru dyspozytorskiego od telełączności, poprzez monitorowanie procesów technologicznych, do dyspozytorskiego monitorowania bezpieczeństwa czy różnego rodzaju systemy monitorowania parametrów pracy (Wasilewski 2003; Sikora, Czerw 2005) i monitorowania parametrów bezpieczeństwa środowiska pracy (Isakow i in. 2003; Bohosiewicz i in. 2004; Trenczek 2005; Trenczek, Wojtas 2006). Automatyka w procesie produkcji węgla jest najmłodszym segmentem zasadniczej infrastruktury systemowej. Jednakże znajduje zastosowanie praktycznie we wszystkich procesach technologicznych, chociaż o zróżnicowanym charakterze i zakresie (Kot, Pańków 2005; Pańków i inni 2004; Ligarski, Kot 2001; Cierpisz S., Cierpisz T. 1999; Mironowicz, Wasilewski 2001). Wzajemne korelacje tych procesów przedstawiono na rysunku 4.1. 4.1. Systemowe zasilanie Działalność kopalni węgla kamiennego prowadzona w ramach gospodarki elektroenergetycznej obejmuje wykonanie lub modernizację obiektów i wyrobisk sieci elektroenergetycznej na dole i na powierzchni kopalni, łącznie z zakupem i montażem maszyn, urządzeń i innych środków technicznych, stanowiących pierwsze wyposażenie techniczne sieci elektroenergetycznej (Zając 1994). Podstawową funkcją zasilania elektroenergetycznego jest zapewnienie bezpiecznego ruchu zakładu górniczego. Jest ono zróżnicowane, a stosowane rozwiązania mają indywidualny charakter. Są takie, jakie wynikają z potrzeb dyktowanych występującymi uwarunkowaniami technicznymi (będących następstwem tzw. zaszłości), uwarunkowaniami górniczo-geologicznymi w tym występującymi zagrożeniami naturalnymi, i zakładanym planem produkcji węgla. Dlatego też nie można mówić o systemie (systemach) zasilania, jako o systemie z określonym zestawem wyposażenia. 437
S. TRENCZEK Uwarunkowania górniczo-geologiczno-techniczne produkcji węgla Pod pojęciem systemowe zasilanie kopalni węgla kamiennego rozumie się dwie kategorie sieci elektroenergetycznych: średniego napięcia SN tj. powyżej 1 kv oraz niskiego napięcia NN tj. do 1 kv. Rys. 4.1. Model zasadniczej infrastruktury systemowej w procesie produkcji węgla kamiennego Fig. 4.1. Model of basic system infrastructure in process of hard coal production 4.2. Systemowa informatyka W zależności od kopalni i uwarunkowań towarzyszących produkcji węgla różna jest systemowa informatyka zarówno pod względem rodzajów i typów stosowanych rozwiązań, jak i ich poziomu technicznego. Pierwszą grupę stanowią systemy dyspozytorskie, których zasadniczą funkcją jest możliwość ciągłej, niezawodnej obserwacji sytuacji, pozwalającej na jednoznaczną ocenę parametrów ruchowych maszyn i urządzeń oraz stanu bezpieczeństwa. Inną grupę systemowej informatyki stanowią systemy kontroli i oceny stanu zagrożenia tąpaniami, w których stosowane są najczęściej metody sejsmoakustyczna, sejsmologiczna i sejsmiczna. Nowsze systemy charakteryzują się m.in.: szerszym pasmem rejestrowanych częstotliwości, większą dynamiką przetwarzania, cyfrową rejestracją przebiegów sejsmoaku- 438
stycznych i większą funkcjonalnością. Z kolei najnowsze rozwiązania umożliwiają też kontrolę zjawisk dynamicznych przed frontem ściany wydobywczej. Kolejną grupę systemowej informatyki stanowią systemy kontroli różnych parametrów bezpieczeństwa związanych z szeroko rozumianym przewietrzaniem kopalń, czyli automatyczna aerometria górnicza, na którą składają się: gazometria, aerometria, termohigrometria, barometria, pyłometria. Następna grupa systemowej informatyki odpowiada na zapotrzebowanie zdecydowanie przeważającej liczby kopalń, w których monitorowanie parametrów bezpieczeństwa realizowane jest w związku ze współwystępowaniem zagrożeń, czyli zagrożeniami skojarzonymi. Monitorowane mogą być parametry różnie skonfigurowanych zagrożeń. Najczęściej dotyczy to zagrożeń: tąpaniami, metanowego i pożarowego, a najskuteczniejszym tego narzędziem są wówczas zintegrowane podsystemy: ciągłego monitorowania stanu środowiska, automatycznej metanometrii, monitorowania zjawisk sejsmicznych, kontroli zjawisk sejsmoakustycznych i ogólnokopalnianej łączności telefonicznej z funkcjami alarmowania i rozgłaszania komunikatów. Biorąc pod uwagę przedstawioną wyżej różnorodność oraz zachowując odpowiedni poziom ogólności, można przyjąć, że na systemową informatykę składają się elementy wzbogacające zainteresowane osoby dozoru ruchu, dyspozytorskiego nadzoru i kierownictwa kopalni w wiedzę o przebiegających procesach i poziomie bezpieczeństwa, a przez to wspomagające ich decyzyjność. Wyróżniają się tutaj przede wszystkim rozwiązania z zakresu: kontroli parametrów pracy urządzeń i procesów technologicznych oraz parametrów bezpieczeństwa środowiska, łączności telefoniczno-alarmowej i telewizji przemysłowej. 4.3. Systemowa automatyka Na systemową automatykę składają się różnego rodzaju rozwiązania z zakresu sterowania i automatyzacji maszyn i urządzeń biorących udział w procesach technologicznych kopalń oraz rozwiązania zabezpieczające, które w procesach kontrolnych oraz niektórych technologicznych i decyzyjnych wyręczają lub nawet eliminują udział człowieka. Do obszarów z zakresu procesów technologicznych objętych automatyzacją należy szereg elementów, w zależności od poziomu technicznego wyposażenia kopalni. Mogą one obejmować m.in.: maszyny urabiające w przodkach drążonych wyrobisk i w wyrobiskach wybierkowych, obudowę ścianową i kompleksy wydobywcze, urządzenia transportu urobku, materiałów i ludzi, różnego rodzaju urządzenia zakładu przeróbki mechanicznej węgla i niektóre ciągi technologiczne, urządzenia służące przewietrzaniu (wentylatory, urządzenia wentylacyjne) i urządzenia służące odwadnianiu (kopalń czynnych i zlikwidowanych). Można więc przyjąć tezę, że na początku XXI wieku, przy produkcji węgla kamiennego rozwiązania z zakresu systemowej automatyki znajdują zastosowanie w prawie każdej technologii cząstkowej i są nieodzownym elementem poprawy bezpieczeństwa. Ponieważ ich duża liczba i różnorodność nie pozwalają na to, by je wszystkie wymienić, ograniczyć się wypada do najistotniejszych z nich. Najistotniejszym elementem systemowej automatyki z punktu widzenia bezpieczeństwa załogi i ruchu zakładu górniczego jest niewątpliwie automatyczna metanometria. Oczywiście dotyczy to kopalń, w których zagrożenie metanowe występuje. Zasadniczym celem takiej metanometrii jest uniemożliwienie zapłonu metanu od iskier mogących powstać podczas pracy maszyny urabiającej (tarcie noży o skały stropowe lub o stropnice obudowy ścianowej) lub 439
S. TRENCZEK Uwarunkowania górniczo-geologiczno-techniczne produkcji węgla urządzeń odstawy ścianowej (tarcie łańcucha o elementy metalowe przenośnika), czy też od łuku elektrycznego (z urządzeń lub kabli elektrycznych). A realizowane to jest poprzez wyłączanie spod napięcia takich maszyn i urządzeń w zagrożonym rejonie, dokonywane po stwierdzeniu przez czujniki pomiaru metanu stężeń wyższych niż dopuszczalne dla konkretnego punktu pomiarowego. O skuteczności takiego działania decyduje czas pomiędzy kolejnymi pomiarami oraz czas, jaki upłynie pomiędzy pomiarem niedopuszczalnego stężenia a wyłączeniem. Wspomniana różnorodność i wielorakość stosowanych rozwiązań powodują, że również w tym przypadku nie można w sposób jednoznaczny dokonać takiego ich wyodrębnienia, by można było użyć pojęć system automatyki lub systemy automatyki. Potwierdza to tym samym zasadność użytego wcześniej pojęcia systemowa automatyka. Zakres stosowania poszczególnych elementów systemowej automatyki jest uzależniony od potrzeb i możliwości danej kopalni. Można jednak spośród wielu stosowanych rozwiązań wyróżnić dwie podstawowe kategorie rozwiązań. Pierwszą kategorię stanowią rozwiązania z zakresu kontroli i sterowania różnego rodzaju procesami, będącymi elementami podstawowych i pomocniczych technologii górniczych takich, jak na przykład urabianie maszynami skał i węgla, transport urobku, załadunek i ważenie produktu finalnego. Drugą kategorię stanowią rozwiązania z zakresu kontroli i zabezpieczania załogi i ruchu zakładu górniczego przed skutkami występujących zagrożeń naturalnych i technicznych takich, jak: zagrożenie metanowe, zagrożenie tąpaniami, zagrożenie pożarem. 5. Ogólna charakterystyka elementów infrastruktury Na podstawie przeglądu stosowanych rozwiązań w zakresie zasilania, informatyki i automatyzacji, dokonanego w oparciu o bogatą literaturę przedmiotu (cytowaną w poprzednich rozdziałach), a także o przykłady z przeprowadzonego rozpoznania stanu faktycznego w niektórych kopalniach, informacje własne o prowadzonych badaniach i pracach w tym zakresie dokonano ich analizy jakościowej. Pokazała ona m.in., że w ostatnich latach znacznie wzrosła niezawodność pracy pojedynczych elementów składowych (modułów funkcjonalnych) systemowego zasilania oraz systemowej informatyki i automatyki. Zastosowane najnowsze techniki, technologie i rozwiązania zwiększyły żywotność, odporność na warunki środowiskowe i precyzję pomiarów dokonywanych przez różnego rodzaju czujniki związane z kontrolą parametrów środowiskowych. Rozszerzyły również zakres parametrów technicznych mierzonych i kontrolowanych w procesach technologicznych. Wprowadziły też nowe, wydajniejsze środki transmisji danych, efektywniejsze systemy łączności i alarmowania, doskonalsze oprogramowania sterowników, koncentratorów informacji i komputerów. W analizie tej uwzględniono także powtarzalność elementarnych funkcji w różnych rozwiązaniach (różnych producentów) stosowanych w kopalniach, ich poziom techniczny, jak i ich skuteczność. Wynikiem przeprowadzonej analizy jakościowej są dwie macierze opisujące stosowane systemowe rozwiązania i zawierające jej podstawowe elementy: 440
macierz zasadniczej infrastruktury systemowej dla podstawowych technologii górniczych procesu produkcji węgla kamiennego tabela 5.1, macierz zasadniczej infrastruktury systemowej dla ogólnokopalnianych technologii pomocniczych procesu produkcji węgla kamiennego tabela 5.2. Tabela 5.1. Elementy zasadniczej infrastruktury systemowej procesów podstawowych produkcji węgla Table 5.1. Elements of basic system process infrastructure in coal production Systemowe Zasilanie Zasadnicza infrastruktura systemowa Technologie podstawowe Udostępniające Przygotowawcze Eksploatacyjne Urządzenia zasilające NN Aparatura łączeniowa NN z osprzętem NN Urządzenia zabezpieczeniowe NN Urządzenia zasilające NN Aparatura łączeniowa NN z osprzętem NN Urządzenia zabezpieczeniowe NN Urządzenia zasilające NN Urządzenia zasilające SN Aparatura łączeniowa NN Aparatura łączeniowa SN z osprzętem NN z osprzętem SN Urządzenia zabezpieczeniowe NN Urządzenia zabezpieczeniowe SN Przeróbki mechanicznej Urządzenia zasilające NN Aparatura łączeniowa NN z osprzętem NN Urządzenia zabezpieczeniowe NN Informatyka Łączność analogowa Łączność cyfrowa Gazometria Aerometria System dyspozytorski procesów dołowych Monitorowanie zagrożenia tąpaniami Zintegrowane systemy bezpieczeństwa Łączność analogowa Łączność cyfrowa Gazometria Aerometria System dyspozytorski technologicznych procesów podziemnych Monitorowanie zagrożenia tąpaniami Zintegrowane systemy bezpieczeństwa Łączność analogowa Łączność cyfrowa Gazometria Aerometria System dyspozytorski podziemnych procesów produkcyjnych Monitorowanie zagrożenia tąpaniami Zintegrowane systemy bezpieczeństwa Łączność analogowa Łączność cyfrowa System dyspozytorski technologicznych procesów przeróbki Automatyka Automatyczna metanometria cykliczna Automatyczna metanometria ciągła Kontrola i diagnostyka kombajnu chodnikowego Automatyczna metanometria cykliczna Automatyczna metanometria ciągła Kontrola i diagnostyka kombajnu chodnikowego Łączność analogowa Łączność cyfrowa Gazometria Aerometria System dyspozytorski podziemnych procesów produkcyjnych Monitorowanie zagrożenia tąpaniami Zintegrowane systemy bezpieczeństwa Łączność analogowa Łączność cyfrowa System dyspozytorski technologicznych procesów przeróbki 441
S. TRENCZEK Uwarunkowania górniczo-geologiczno-techniczne produkcji węgla Tabela 5.2. Elementy zasadniczej infrastruktury systemowej procesów pomocniczych produkcji węgla Table 5.2. Elements of auxiliary system process infrastructure in coal production Systemowe Zasadnicza infrastruktura systemowa Ogólnokopalniane technologie pomocnicze Transport Wentylacja Odwadnianie Zasilanie Urządzenia zasilające SN Urządzenia zasilające NN Aparatura łączeniowa SN Aparatura łączeniowa NN z osprzętem SN z osprzętem NN Urządzenia zabezpieczeniowe SN Urządzenia zabezpieczeniowe NN Urządzenia zasilające SN Urządzenia zasilające NN Aparatura łączeniowa SN Aparatura łączeniowa NN z osprzętem SN z osprzętem NN Urządzenia zabezpieczeniowe SN Urządzenia zabezpieczeniowe NN Urządzenia zasilające SN Urządzenia zasilające NN Aparatura łączeniowa SN Aparatura łączeniowa NN z osprzętem SN z osprzętem NN Urządzenia zabezpieczeniowe SN Urządzenia zabezpieczeniowe NN Informatyka Gazometria Aerometria System dyspozytorski procesów dołowych Monitorowanie zagrożenia tąpaniami Zintegrowane systemy bezpieczeństwa Telewizja przemysłowa dołowa Gazometria Aerometria System dyspozytorski procesów dołowych Monitorowanie zagrożenia tąpaniami Zintegrowane systemy bezpieczeństwa Gazometria System dyspozytorski procesów dołowych Automatyka Układ przekaźnikowo-stykowy automatyzacji i sterowania transportu pionowego Układ mikroprocesorowy automatyzacji i sterowania transportem pionowym Układ automatyzacji i sterowania transportu szynowego torowego Układ automatyzacji i sterowania transportu szynowego podwieszanego Układ przekaźnikowo-stykowy automatyzacji i sterowania transportu przenośnikowego Układ mikroprocesorowy automatyzacji i sterowania transportu przenośnikowego Automatyczna metanometria cykliczna Automatyczna metanometria ciągła Bezregulacyjne układy napędów wentylatorów Regulacyjne układy napędów wentylatorów Automatyczna metanometria cykliczna Automatyczna metanometria ciągła Monitorowanie i sterowanie głównego odwadniania Systemowe monitorowanie i sterowanie pompowni głębinowych Z tabel tych wynika, że większość elementów systemowej infrastruktury występuje w różnych procesach technologicznych, szczególnie podstawowych technologii górniczych: udostępniających, przygotowawczych i eksploatacyjnych. 442
6. Próba oceny stanu stosowania zasadniczej infrastruktury systemowej Technologie stosowane w procesie produkcji węgla kamiennego, a szczególnie realizowane w podziemiach kopalń charakteryzuje stosunkowo duże zróżnicowanie. Najwięcej różnic związanych jest z występującymi warunkami i zagrożeniami, co przekłada się na rodzaj stosowanych rozwiązań z zakresu systemowego zasilania oraz systemowej informatyki i automatyki. Dosyć trudno jest więc ocenić stan stosowania zasadniczej infrastruktury systemowej, tym bardziej, że nie ma jak dotychczas dokładnie określonych kryteriów oceny. Próba dokonania oceny zasadniczej infrastruktury systemowej bazuje na dotychczasowym rozpoznaniu zagadnienia i uwzględnia: powszechność jej stosowania, poziom techniczny wpływający na perspektywę czasową jej stosowania. Pod względem powszechności stosowania wydaje się, że można ją podzielić na trzy grupy: pierwsza to stosowanie powszechne, ze względu na niezbędność tych elementów przy realizacji procesu produkcji węgla (z przyczyn technicznych) oraz ze względu na obligatoryjność wymagań przepisów dla zakładów górniczych, druga to stosowanie warunkowe, które oznacza konieczność stosowania pewnych rozwiązań ze względu na występujące zagrożenia i związaną z tym obligatoryjnością przepisów prawa, trzecia stosowanie dobrowolne, które nie jest konieczne, a wynika z możliwości (głównie finansowych) ich wykorzystywania, np. dla podniesienia bezpieczeństwa, poprawy efektywności itp. Dla tak przyjętych kryteriów można uznać, że do pierwszej grupy można zaliczyć przede wszystkim systemowe zasilanie, gdyż każda kopalnia, aby mogła realizować proces produkcji węgla, musi stosować jego elementy, niezależnie od ich poziomu zaawansowania technicznego. Zaliczyć też do tej grupy należy niektóre elementy systemowej informatyki łączność, systemy dyspozytorskiego nadzoru procesów technologicznych (powierzchniowych i podziemnych) oraz niektóre elementy systemowej automatyki związane z bezregulacyjnym układem napędów wentylatorów, transportem podziemnym, a także ze sterowaniem jednostkowych elementów procesów przeróbki węgla oraz monitorowaniem i sterowaniem głównego odwadniania. Do drugiej grupy zaliczyć można takie elementy systemowej informatyki, jak anemometrię jako jeden z segmentów aerometrii automatycznej (w rejonach ścian w polu II, III i IV kategorii zagrożenia metanowego) i monitorowanie zagrożenia tąpaniami, a z systemowej automatyki automatyczną metanometrię oraz systemowe monitorowanie i sterowanie pompowni głębinowych (kopalnie zlikwidowane), a także sterowanie jednostkowymi elementami procesów przeróbki węgla. 443
S. TRENCZEK Uwarunkowania górniczo-geologiczno-techniczne produkcji węgla Trzecią grupę stanowią głównie elementy systemowej informatyki gazometria, aerometria i zintegrowane systemy bezpieczeństwa, natomiast z systemowej automatyki takie elementy, jak: kontrola i diagnostyka maszyn urabiających, sterowanie obudów ścianowych, regulacyjne układy napędów wentylatorów, a także kompleksowe sterowanie niektórymi procesami technologicznymi przeróbki mechanicznej węgla. Ocena systemowej infrastruktury pod względem poziomu technicznego jest bardziej skomplikowana. Z dotychczasowego rozpoznania elementów infrastruktury w ruchu zakładów górniczych wynika, że w pewnych uwarunkowaniach możliwe i wystarczające jest stosowanie rozwiązań o kilkudziesięcioletnim rodowodzie, a w innych prawie wyłącznie rozwiązania najnowsze. Można zatem spróbować dokonać podziału elementów zasadniczej infrastruktury systemowej na dwa poziomy techniczne: zadowalający i zaawansowany. Pod pojęciem poziom techniczny zadowalający rozumie się: wszystkie rozwiązania umożliwiające bezpieczne prowadzenie ruchu w uwarunkowaniach bez odrębnych rygorów lecz nie zapewniające uzyskiwanie wysokich efektów ekonomicznych; jego zanikowy charakter, oznaczający zastąpienie w najbliższym czasie aktualnie stosowanych rozwiązań rozwiązaniami nowszymi z takich powodów, jak np. fizyczne zużycie się i nieopłacalność lub wręcz niemożliwość zastąpienia ich takim samym rozwiązaniem, zmiany uwarunkowań i zaostrzenie rygorów w stosunku do koniecznych do zastosowania rozwiązań, konieczność poprawy ekonomiki produkcji węgla. Z kolei pojęcie poziom techniczny zaawansowany oznacza, że: bez najnowocześniejszych rozwiązań nie byłoby możliwe spełnienie pewnych nałożonych (przepisami) rygorów bezpieczeństwa, czy też uzyskanie wysokiej efektywności produkcji węgla, a także dokonanie pełniejszego rozpoznania zagrożeń i zapewnienie co najmniej dostatecznego poziomu bezpieczeństwa, jest przyszłościowy, czyli istnieje możliwość aktualnie stosowanych rozwiązań w dłuższej perspektywie czasu, jak też możliwość ich modernizacji zapewniającej dostosowanie do ewentualnych podwyższonych rygorów. W przypadku systemowego zasilania, wymienionych elementów (tab. 4 i 5) nie można jednoznacznie przypisać do któregoś z ustalonych poziomów. Ich specyfika i różnorodność oraz poziom ogólności przyjęty przy tworzeniu zasadniczej infrastruktury systemowej powodują, że każdy z tych elementów składa się z rozwiązań spełniających warunki przyjęte zarówno dla pierwszego, jak i drugiego poziomu technicznego. Natomiast dla elementów systemowej informatyki i systemowej automatyki dokonanie takiego podziału jest nieco łatwiejsze, i można przyjąć, że: pierwszy poziom reprezentują: z zakresu systemowej informatyki: łączność analogowa, anemometria jako jeden z segmentów aerometrii automatycznej (w rejonach ścian w polu II, III i IV kategorii 444
zagrożenia metanowego), systemy dyspozytorskie (dołowe i powierzchniowe), monitorowanie przewozu dołowego, z zakresu systemowej automatyki: automatyczna metanometria cykliczna, sterowanie jednostkowymi elementami procesów przeróbki węgla, bezregulacyjne układy napędów wentylatorów, układy przekaźnikowo-stykowe automatyzacji i sterowania urządzeń transportowych, monitorowanie i sterowanie głównego odwadniania, drugi poziom reprezentują: z zakresu systemowej informatyki: łączność cyfrowa, gazometria, aerometria, monitorowanie zagrożenia tąpaniami, zintegrowane systemy bezpieczeństwa, telewizja przemysłowa, z zakresu systemowej automatyki: automatyczna metanometria ciągła, kontrola i diagnostyka kombajnów (chodnikowych i ścianowych), sterowanie maszyn urabiających i obudów w wyrobiskach wybierkowych, kompleksowe sterowanie konkretnymi procesami technologicznymi przeróbki węgla, regulacyjne układy napędów wentylatorów, mikroprocesorowe układy automatyzacji i sterowania urządzeń transportowych, systemowe monitorowanie i sterowanie pompowni głębinowych. 7. Podsumowanie Proces produkcji węgla kamiennego wymaga stosowania wielu technologii, spośród których najistotniejszymi są technologie podstawowe udostępniające, przygotowawcze, eksploatacyjne i przeróbki węgla, oraz technologie infrastrukturalne transport, wentylacja i odwadnianie. Produkcja węgla nie byłaby możliwa bez zasilania maszyn i urządzeń, przepływu informacji o ich pracy, o realizacji procesów technologicznych i o zagrożeniach, a także bez automatyzacji niektórych prac i automatycznego zabezpieczania załogi i ruchu zakładu górniczego przed skutkami niektórych rodzajów niebezpieczeństwa i zagrożeń. Z dokonanego przeglądu stanu stosowanych w górnictwie węgla kamiennego rozwiązań zasilania, informatyki i automatyki wynika, że charakteryzują się one dużą różnorodnością, powodowaną przede wszystkim: występowaniem w kopalniach zróżnicowanych warunków geologiczno-górniczych i zróżnicowanym poziomem występujących zagrożeń naturalnych, różnym poziomem technicznego wyposażenia i poziomem stosowanych technologii, a także różnymi możliwościami finansowymi. Pozwala to jednak na sprecyzowanie zasadniczej infrastruktury systemowej, której segmentami są: systemowe zasilanie, systemowa informatyka i systemowa automatyka. Na podstawie ogólnie scharakteryzowanych poszczególnych elementów systemowego zasilania oraz systemowej informatyki i automatyki można stwierdzić, że są one zróżnicowane także pod względem powszechności ich stosowania i poziomu technicznego, który w dużym stopniu decyduje o ich zanikowym lub perspektywicznym wykorzystywaniu. 445
S. TRENCZEK Uwarunkowania górniczo-geologiczno-techniczne produkcji węgla Literatura [1] Babecki D., Wiszniewski P. 2003: System telefonii bezprzewodowej SKTB jako element systemu łączności kopalnianej. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, nr 9, 80 83. [2] Bohosiewicz M., Jakubów A., Szarafiński M., Wasilewski S., Wojtas P. 2004: Przegląd systemów monitorowania zagrożeń gazowych w polskich kopalniach. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, nr 10, 17 24. [3] Cierpisz S., Cierpisz T. 1999: Komputerowe systemy dyspozytorskiej kontroli i sterowania w zakładach przeróbki węgla aktualny stan i perspektywy. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, nr 4 5, 109 114. [4] Hefczyc M., Jarosz J. 2005: Rozwój kopalnianych układów elektroenergetycznych opracowanych w Centrum EMAG. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, nr 5, 11 20. [5] Isakow Z., Leśniak A., Hersztowska B., Mencel A. 2003: Doświadczenia z eksploatacji systemu do oceny zagrożenia zjawiskami dynamicznymi. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, nr 9, 46 59. [6] Kot D., Pańków A. 2005: Rozwój i wdrożenia systemów automatyki monitorowania oraz sterowania maszyn i urządzeń w zakładach górniczych. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, nr 5, 47 53. [7] Kowol A. 2006: Analiza sieci elektroenergetycznych wysokiego i średniego napięcia w aspekcie pewności zasilania podstawowych obiektów zakładów górniczych. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, nr 9, 13 19. [8] Krasucki F. 1997: Elektryfikacja podziemi kopalń, Wyd. Śląsk, Katowice. [9] Ligarski R., Kot D. 2001: Radiowy system RSKD-1 do kontroli i diagnostyki kombajnu chodnikowego. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, nr 9, 67 70. [10] Malicki W., Halama A., Hefczyc M. 2004: System nadzoru i sterowania rozdzielni SN w zakładach górniczych. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, nr 7, 43 47. [11] Mironowicz W., Wasilewski S. 2001: Kierunki automatyzacji procesów technologicznych w ramach restrukturyzacji technicznej kopalń. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, nr 9, 5 15. [12] Pańków A., Mrozek M., Przegendza G., Wicher P., Figarski R. 2004: System nowej generacji bezprzewodowego sterowania maszyn wydobywczych ze zdalnym monitorowaniem pracy i łącznością głosową między operatorami. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, nr 9, 69 75. [13] Sikora T., Czerw B. 2005: Urządzenia kontrolno-pomiarowe i systemy sterowania dla zakładów mechanicznej przeróbki węgla w działalności EMAG. Rozwój i stan obecny. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, nr 5, 54 62. [14] Trenczek S. 2005: Automatyczna aerometria górnicza dla kontroli zagrożeń aerologicznych. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, nr 3, 11 20. [15] Trenczek S., Wojtas P. 2006: Rozwój pomiaroznawstwa stosowanego od pomiarów wskaźnikowych do monitorowania i nadzorowania bezpieczeństwa. Prace Naukowe Instytutu Górnictwa Politechniki Wrocławskiej, nr 117, Studia i Materiały, nr 32, 323 339. [16] Trenczek S. 2007: Zasadnicza infrastruktura systemowa zasilania, informatyki i automatyki w procesie produkcji węgla kamiennego, referat zgłoszony na XXXV Jubileuszową Konferencję ATI 2007, Automatyka, Telekomunikacja, Informacja, Jaworze, 30.05 01.06.2007 r. [17] Wasilewski S. 2003: Kopalniane systemy dyspozytorskiego nadzoru. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, nr 9, 72 79. [18] Wojtas P., Rej A. 2005: Wkład Centrum EMAG w rozwój urządzeń i systemów telekomunikacyjnych w górnictwie. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, nr 5, 21 28. [19] Zając E. 1994: Organizacja produkcji w kopalni węgla kamiennego, Śląskie Wydawnictwo Techniczne, Katowice. 446
Mining, geological and technical conditions of hard coal production in aspect of the basic supply system, data transfer and automatic control engineering infrastructure In this work a short characteristic of the most important technological processes that occurs in a hard coal production has been done. The mining-geological conditions in aspect of applied solutions connected with the protection of technological processes have been discussed. Supplying, data transfer and automatic control engineering system have been taken into account. The structure of basic system infrastructure taking into consideration the occurring conditions has been shown. Finally, an effort of rating of the condition of the basic system infrastructure in aspect of the application popularity and technical level, which influences the time perspective of application, has been made. Przekazano: 31 marca 2007 r. 447