Działania dla poprawy bezpieczeństwa pracy w kopalniach

dr inż. PIOTR WOJTAS Instytut Technik Innowacyjnych EMAG Działania dla poprawy bezpieczeństwa pracy w kopalniach W artykule nawiązano do kwestii pogarszających się warunków eksploatacji węgla kamiennego, których skutkiem niekiedy bywają tragiczne zdarzenia. Omówiono znaczenie dla poprawy bezpieczeństwa pracy wniosków powypadkowych, formułowanych przez specjalnie powoływane przez Prezesa Wyższego Urzędu Górniczego komisje dla zbadania ich przyczyn i okoliczności. Przypomniano dotychczasowy udział Instytutu EMAG w realizacji prac wynikających z wniosków komisji powypadkowych. Scharakteryzowano zadania badawcze programu strategicznego Poprawa bezpieczeństwa pracy w kopalniach. Podano zakres prac Instytutu EMAG realizowanych w ramach projektów strategicznych. 1. WPROWADZENIE Ze względu na stale zwiększające się zużycie energii przez przemysł i indywidualnych odbiorców wydobywanie węgla kamiennego w Polsce ma i jeszcze długo będzie miało istotne znaczenie w strategii rozwoju gospodarki państwa. Realizowane jest ono przy stale zwiększającej się głębokości eksploatacji, pogarszających się warunkach naturalnych oraz konieczności zwiększania jego efektywności. Wszystkie te czynniki powodują, że w kopalniach mają miejsce, niestety, zdarzenia wypadkowe, czasami tragiczne w skutkach, co wywołuje także stosunkowo duże zainteresowanie społeczeństwa przemysłem wydobywczym. Stąd koniecznością staje się też wyjaśnienie każdego tego typu zdarzenia pod względem przyczyn i okoliczności jego zaistnienia oraz wyciągnięcie wniosków, które w przyszłości powinny uchronić przed podobnymi. Zgodnie z obowiązującą ustawą Prawo geologiczne i górnicze [7] nadzór i kontrolę nad ruchem zakładów górniczych, w szczególności w zakresie bezpieczeństwa i higieny pracy oraz bezpieczeństwa pożarowego i ratownictwa górniczego, sprawuje Prezes Wyższego Urzędu Górniczego. Dlatego też, korzystając ze swoich uprawnień, w przypadkach zdarzeń szczególnych powołuje on komisję, która oprócz ustalenia przyczyn i okoliczności zdarzenia ma za zadanie sformułowanie takich wniosków, które umożliwią rozwiązanie konkretnego problemu. Ma to w przyszłości uniemożliwić powtórzenie się tych okoliczności i przyczyn, które doprowadziły do zdarzenia. Prezes WUG zainicjował też realizację prac naukowo-badawczych dotyczących poprawy bezpieczeństwa pracy i ochrony zdrowia w górnictwie w zakresie kilku niezwykle ważnych tematów. 2. REALIZACJA WNIOSKÓW KOMISJI POWYPADKOWYCH Wnioski komisji powoływanych po tragicznych w skutkach zdarzeniach, kierowane do tzw. zaplecza naukowo-badawczego, realizowane są zgodnie z intencją komisji, przy czym nie wszystkie zawarte w nich tematy doczekały się opracowania. Do roku 2009 powodem tego stanu rzeczy był przede wszystkim brak konkretnego dofinansowania prac z zewnętrznych źródeł. Z 286 wszystkich wniosków sformułowanych od 2001 r. ponad 25% (75) kierowanych było do jednostek naukowo-badawczych [3], a zrealizowano tylko ok. 60% z nich. W tego typu pracach uczestniczył też Instytut Technik Innowacyjnych EMAG (do roku 2009 pod

68 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA nazwą Centrum Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa EMAG). W latach 2001-2009 zrealizowano tu 26 prac wynikających z wniosków komisji, jednak tylko w 10 przypadkach osiągnięte rezultaty konkretne wyroby i rozwiązania zostały zastosowane w górnictwie [4]. Opracowano nowe urządzenia, takie jak: - urządzenie Fotopylox, służące do szybkiego pomiaru zawartości części niepalnych w pyle węglowym bezpośrednio w wyrobisku podziemnym, - wielofunkcyjny indywidualny przyrząd WIP-1, wykorzystujący nową metodę pomiaru składu atmosfery kopalnianej i jednoczesnej rejestracji czasu dokonanego pomiaru, - kalibratory zewnętrzne dla metanomierzy, wymagające identyfikacji osoby dokonującej takiej czynności, co uniemożliwia kalibrację i wprowadzanie zmian nastaw przez osoby niepowołane, - iskrobezpieczny pyłomierz stacjonarny PŁ-1A, wprowadzony do systemu SMP-NT dla ciągłego pomiaru zapylenia powietrza kopalnianego, - odpowiednie moduły monitorowania ciśnienia bezwzględnego i różnicowego oraz temperatury (rozbudowano w ten sposób system monitorowania parametrów środowiska SMP-NT), - czujnik pomiarowy z radiową transmisją danych, dla umożliwienia przekazywania danych pomiarowych w przypadku awarii transmisji sieciowej. Wprowadzono także szereg nowych rozwiązań w urządzeniach istniejących, w tym: - synchronizację czasu w systemach monitorowania parametrów bezpieczeństwa i produkcji oraz dyspozytorskim (co opracowano w ramach wydzielonej komputerowej sieci dyspozytorskiej dla systemów typu SMP-NT/A, SD 2000 oraz w transmisji sygnałów analogowych i dwustanowych UTS), - identyfikator, tzn. unikalny numer fabryczny dla każdego metanomierza, nadany w sposób elektroniczny, który jest identyfikowany i monitorowany przez część stacyjną systemu od momentu podłączenia metanomierza do linii i w trakcie dalszej pracy, co powoduje odnotowywanie w systemie każdej zmiany linii, a przez to wyeliminowana została możliwość podmiany metanomierzy stacjonarnych w systemie metanometrycznym, - mechanizmy zabezpieczające dane w dyspozytorskich systemach nadzoru procesu technologicznego i zagrożeń naturalnych przed ich utratą lub zmianami oraz przed dostępem osób niepowołanych (opracowano kilkustopniowy dostęp, zdublowano serwery baz danych oraz umożliwiono archiwizację i tworzenie kopii bezpieczeństwa danych na różnych nośnikach z możliwością ich przywracania), - integrację systemów stosowanych w zakładach górniczych w jeden system bezpieczeństwa dla dyspozytorni (w obrębie danej kopalni). 3. POPRAWA BEZPIECZEŃSTWA PRACY W KOPALNIACH POPRZEZ ZADANIA BADAWCZE Jak już wspomniano, z inicjatywy Prezesa WUG powołany został Zespół Interdyscyplinarny [8], który w okresie od grudnia 2009 do lutego 2010 r. określił najpilniejsze zagadnienia do realizacji przez jednostki naukowe w zakresie poprawy bezpieczeństwa pracy w kopalniach. Miało to na celu doprowadzić do skuteczniejszej realizacji wniosków komisji powypadkowych w zakresie poprawy bezpieczeństwa w kopalniach, głównie poprzez zmianę podejścia do sposobu finansowania badań naukowych i prac rozwojowych. Rezultatem tego było powołanie komitetu sterującego projektem strategicznym oraz ogłoszenie przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju konkursów na rozwiązanie konkretnych zadań badawczych. Najbardziej istotne zagadnienia, niezrealizowane do roku 2009, stały się tematami zadań badawczych ogłoszonych w pierwszym konkursie, w drugim zadania dotyczyły zdarzenia w KWK Wujek Ruch Śląsk, a w trzecim zdarzenia w kopalni Krupiński. Do konkursów przystępowały liczne konsorcja, składające się z jednostek naukowych uczelni, instytutów Polskiej Akademii Nauk i instytutów badawczych oraz przedsiębiorców, w tym także przedsiębiorców górniczych. Wdrażanie wyników przeprowadzonych badań będzie wspierane przez nadzór górniczy, co zagwarantowane zostało w strategii Wyższego Urzędu Górniczego na lata 2010-2014 [6]. Za przykład zadań podjętych w ramach omawianej inicjatywy mogą posłużyć przedsięwzięcia aktualnie realizowane przez Instytut Technik Innowacyjnych EMAG, związane z jego udziałem w programie strategicznym. 3.1. Narzędzie pomiarowe wydatku energetycznego pracowników Tematem zadania badawczego nr 5 jest Opracowanie zasad zatrudniania pracowników w warunkach zagrożenia klimatycznego w podziemnych zakładach górniczych. Liderem konsorcjum realizującego to zadanie jest Wydział Górnictwa i Geologii Politechniki Śląskiej w Gliwicach, a pozostałymi konsorcjantami oprócz Instytutu EMAG są: Akademia Gór-

Nr 8(510) SIERPIEŃ 2013 69 niczo-hutnicza, Instytut Medycyny Pracy i Zdrowia Środowiskowego, NZOZ Cen-Med Specjalistyczny Ośrodek Badań i Porad Lekarskich oraz Kompania Węglowa SA, Katowicki Holding Węglowy SA i Jastrzębska Spółka Węglowa S.A. W zadaniu tym Instytut EMAG realizował etap nr 25 pt. Opracowanie prototypu przyrządu pomiarowego do wyznaczania parametrów fizjologicznych organizmu człowieka przebywającego i pracującego w gorącym klimacie (komora klimatyczna) w ramach strategicznego projektu badawczego. W rezultacie, po przeprowadzeniu niezbędnych badań, powstała najpierw koncepcja struktury układu pomiarowego (rys. 1), który składa się z zespołu osobistych czujników bezprzewodowych umożliwiających pomiar istotnych parametrów biomedycznych, tj.: częstości skurczów serca metodą EKG, temperatury wewnętrznej ciała, stopnia utlenowania krwi oraz tętna [4], a następnie zbudowane zostały modele i prototypy przyrządów (rys. 2 i 3). Rys. 1. Struktura układu pomiarowego do wyznaczania parametrów fizjologicznych organizmu człowieka [4] Rys. 2. Prototyp przyrządu pomiarowego do wyznaczania parametrów saturacji i temperatury wewnętrznej [4] Rys. 3. Prototyp bezprzewodowego czujnika skurczów serca typu HMR-1 [5]

70 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA Przyrząd współpracować będzie ze stanowiskiem komputerowym jako stacją bezprzewodową, z modułowym oprogramowaniem komputera PC (moduły: akwizycji danych, wizualizacji, bazodanowy). Istnieje duże prawdopodobieństwo rozwoju tego prototypu poprzez opracowanie modułu automatycznego określania odporności fizycznej organizmu badanego pracownika, co działałoby na zasadzie systemu eksperckiego i wspomagałoby lekarza specjalistę prowadzącego badania. 3.2. Wykrywanie uszkodzeń kabli Celem zadania badawczego nr 6 jest Opracowanie rozwiązań wraz z aparaturą pomiarową umożliwiającą przeprowadzenie pomiarów oraz diagnozowanie kabli i przewodów elektroenergetycznych w wyrobiskach zagrożonych wybuchem metanu i/lub pyłu węglowego. Jest ono niezwykle trudne do zrealizowania, co potwierdza chociażby fakt, iż aktualnie na świecie nie funkcjonuje tego rodzaju przyrząd (z uwagi na problemy związane z bezpieczeństwem). Prace prowadzone są przez konsorcjum, którego liderem jest Instytut EMAG. W jego skład wchodzą ponadto: Wydział Górnictwa i Geologii Politechniki Śląskiej w Gliwicach, Główny Instytut Górnictwa, Instytut Tele- i Radiotechniczny oraz Przedsiębiorstwo Produkcyjno-Handlowo-Usługowe Martech-Plus Marcin Mistarz Spółka Jawna. W zakres zadania wchodzą m.in.: - opracowanie prototypu aparatury pomiarowej wraz z lokalizatorem uszkodzeń przewodu sieci elektroenergetycznej niskiego i średniego napięcia, przeznaczonego do zastosowania w podziemnych zakładach górniczych, z uwzględnieniem możliwości stosowania w wyrobiskach zagrożonych wybuchem metanu i/lub pyłu węglowego, - analiza możliwości zastosowania określonych metod pomiarowych dla różnych poziomów napięcia zasilania, - zaprojektowanie aparatury możliwej do wbudowania do stosowanych w podziemnych zakładach górniczych urządzeń zasilających i łączeniowych, takich jak stacje kompaktowe, stacje transformatorowe i pola rozdzielcze. Oczekiwane są następujące rezultaty: - opracowane metody pomiarowe dla niskich i średnich poziomów napięcia zasilania, pozwalające na przeprowadzenie pomiarów oraz diagnozowanie kabli i przewodów elektroenergetycznych, - opracowane założenia parametrów i właściwości funkcjonalnych prototypu aparatury do pomiarów oraz diagnozowania kabli i przewodów elektroenergetycznych (dla wybranych, najczęściej stosowanych typów kabli i przewodów elektroenergetycznych), - opracowany prototyp aparatury do pomiarów oraz diagnozowania kabli i przewodów elektroenergetycznych wraz z dokumentacją techniczną wykonaną po przeprowadzeniu niezbędnych badań ATEXowych i uwzględniającą zmiany, jakie w wyniku badań należało wprowadzić do konstrukcji aparatury, - opracowane dla użytkownika aparatury Zasady użytkowania aparatury przy przeprowadzaniu pomiarów oraz diagnozowaniu kabli i przewodów elektroenergetycznych w wyrobiskach zagrożonych wybuchem metanu i/lub pyłu węglowego. W dotychczas zrealizowanej części ustalono sposób podejścia do rozwiązania problemu poprzez lokalizację wstępną oraz lokalizację dokładną z wykorzystaniem części stacjonarnej i przyrządu przenośnego [2]. Funkcjonalność poszczególnych bloków (rys. 4) jest następująca: - układ synchronizująco-sterujący odpowiedzialny jest za pracę detektora, a w szczególności za parametry impulsu testowego, wybór mierzonej żyły (fazy) kabla oraz synchronizację impulsu testowego z układem rejestrującym, GENERATOR IMPULSU TESTOWEGO BLOK WYBORU ŻYŁY KABLA LINIA KABLOWA UKŁAD DETEKTORA IMPULSÓW UKŁAD SYNCHRONIZUJĄCO STERUJĄCY INTERFEJS HMI UKŁAD REJESTRUJĄCY UKŁAD ANALIZY DANYCH WYŚWIETLACZ GRAFICZNY Rys. 4. Schemat blokowy układu impulsowej lokalizacji uszkodzeń kabli [2]

Nr 8(510) SIERPIEŃ 2013 71 - generator impulsu testowego służy do wytwarzania nisko napięciowych impulsów prostokątnych o amplitudzie, czasie trwania oraz częstotliwości powtarzania określonej przez układ synchronizująco-sterujący, - blok wyboru żyły kabla odpowiedzialny jest za przełączanie torów pomiarowych pomiędzy fazą uszkodzoną a fazami nieuszkodzonymi, - układ detektora impulsów spełnia rolę wzmacniacza impulsów testujących oraz zapewnia separację mikroprocesorowego układu pomiarowego, - układ rejestrujący zawiera przetwornik A/C wraz z pamięcią o dużej pojemności, pozwalający rejestrować generowane oraz odbite impulsy, - układ analizy danych odpowiedzialny jest za analizę zebranych danych i porównanie wyników dla żyły uszkodzonej i nieuszkodzonej w celu póź- niejszej prezentacji na wyświetlaczu graficznym, - interfejs HMI odpowiedzialny jest za komunikację użytkownika z urządzeniem. Dla dokładnej lokalizacji uszkodzenia wstępnie wybrano metodę wykorzystującą zjawisko zmiany rezystancji uszkodzenia pod wpływem sztucznie wywołanych zmian naprężeń mechanicznych w warstwie przewodzącej, bezpośrednio otaczającej miejsce uszkodzenia. Urządzenie będzie składało się z: - układu pomiaru rezystancji wraz z nadajnikiem przesyłającym informację o wykrytych zmianach rezystancji, który będzie mocowany na początku badanego odcinka (rys. 5), - przenośnego odbiornika odbierającego informację o zmianach rezystancji, w który wyposażona będzie osoba lokalizująca uszkodzenie (rys. 6). Akumulator z zasilaczem Układ pomiaru rezystancji Blok mikrokontrolera z przetwornikiem A/C Generator częstotliwości nośnej LINIA KABLOWA Układ sygnalizacji i wyświetlania Generator częstotliwości modulującej Rys. 5. Schemat blokowy części stacjonarnej lokalizatora wykrywającego chwilowe zmiany rezystancji [2] Akumulator z zasilaczem Wzmacniacz o regulowanym wzmocnieniu Antena z układem dopasowania Wzmacniacz akustyczny Demodulator Sygnalizator akustyczny i optyczny Rys. 6. Schemat blokowy części przenośnej lokalizatora wykrywającego chwilowe zmiany rezystancji [2] Przyjęto założenia metodyki pomiarowej, dotyczące m.in. podłączenia obwodu pomiarowego lokalizatora do wyłączonego spod napięcia roboczego uszkodzonego przewodu, dzięki czemu obwód pomiarowy zostanie włączony między ochronną (ekran) i uszkodzoną żyłę przewodu. Zacisk uziemiający części stacjonarnej połączony zostanie z ziemią w miejscu, w którym się znajduje. Również żyła ochronna znajdująca się na drugim końcu przewodu będzie wymagała uziemienia, co tworzyć będzie pętlę sygnalizacji działania lokalizatora. Przez tak utworzoną pętlę będzie płynął prąd o częstotliwości nośnej, zmodulowany amplitudowo sygnałem akustycznym. Przepływ tego prądu wytwarzać będzie w pętli i w obwodzie do niej przylegającym pole elektromagnetyczne, którego obecność można będzie zarejestrować wzdłuż całej trasy badanego przewodu. Zmiany prądu w obwodzie pomiarowym wywołane zmianą rezystancji uszkodzenia pod wpływem mechanicznego oddziaływania na przewód siłą zewnętrzną podlegają wzmocnieniu i uformowaniu w układzie pomiaru rezystancji. Przy przekroczeniu odpowiedniej ampli-

72 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA tudy sygnału wyjściowego zostanie zmodyfikowany bądź odłączony sygnał modulujący. W ten sposób zostanie zasygnalizowane zadziałanie lokalizatora. W przypadku trudności z ustaleniem miejsca uszkodzenia, wynikających z przedwczesnego zadziałania urządzenia, dokonana zostanie zmiana czułości detektora. 3.3. System monitorowania zagrożeń w rejonie ściany Kolejne zadanie, w którym uczestniczy Instytut EMAG, to zadanie badawcze nr 8 pt. Opracowanie systemu gazometrycznego powodującego natychmiastowe wyłączenie energii zasilającej maszyny i urządzenia w przypadku nagłego wypływu metanu ze zrobów do wyrobisk eksploatacyjnych [1]. Liderem konsorcjum jest Główny Instytut Górnictwa, a pozostałymi konsorcjantami są: Akademia Górniczo- Hutnicza, Instytut Mechaniki Górotworu PAN oraz HASO s.c. Dotychczas Instytut EMAG zrealizował etap 1. zadania: Analiza wymagań dla systemów bezpieczeństwa i metanometrii automatycznej wynikających z przepisów rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. (Dz. U. Nr 139, poz. 1169 z późn. zm.) w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych. Przeprowadzono m.in. analizę warunków zastosowania nowego systemu w odniesieniu do: - rozporządzenia Rady Ministrów z dnia 30 kwietnia 2004 r. w sprawie dopuszczania wyrobów do stosowania w zakładach górniczych, - rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 22 grudnia 2005 r. w sprawie zasadniczych wymagań dla urządzeń i systemów ochronnych przeznaczonych do użytku w przestrzeniach zagrożonych wybuchem, - rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 15 kwietnia 2004 r. w sprawie dokonywania oceny zgodności telekomunikacyjnych urządzeń końcowych przeznaczonych do dołączania do zakończeń sieci publicznej i urządzeń radiowych z zasadniczymi wymaganiami oraz ich oznakowania. Przeanalizowano także warunki zastosowania nowego systemu w odniesieniu do norm: PN-EN 60079-0:2009, PN-EN 60079-11:2010, PN-EN 50303:2004, PN-EN 60079-29-1:2010 i PN-EN 60079-25:2011. Pod koniec okresu Instytut EMAG realizować będzie jeszcze etap 8.: Opracowanie warunków i wymogów stosowania nowego rozwiązania wraz z propozycją zmian przepisów górniczych. 4. PODSUMOWANIE Formułowanie wniosków przez komisje powołane do zbadania przyczyn i okoliczności tragicznych w skutkach wypadków w podziemnych zakładach górniczych dla tzw. zaplecza naukowo-badawczego górnictwa ma na celu uniknięcie w przyszłości tego rodzaju zdarzeń. Do roku 2009 Instytut Technik Innowacyjnych EMAG stale uczestniczył w realizacji wniosków kierowanych do jednostek naukowych, opracowując rozwiązania dotyczące 26 zagadnień z ogólnej liczby 75 takich wniosków. Program strategiczny Poprawa bezpieczeństwa pracy w kopalniach ukierunkowany jest na zrealizowanie najistotniejszych wniosków komisji powypadkowych poprzez finansowane ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju zadania badawcze. Instytut EMAG jest liderem jednego zadania badawczego i uczestniczy jako konsorcjant w dwóch innych zadaniach, czym potwierdza swoje możliwości w zakresie rozwiązywania problemów polskiego górnictwa. Literatura 1. Dokumentacja etapu 1. zadania badawczego nr 8 pt. Opracowanie systemu gazometrycznego powodującego natychmiastowe wyłączenie energii zasilającej maszyny i urządzenia w przypadku nagłego wypływu metanu ze zrobów do wyrobisk eksploatacyjnych, ITI EMAG, Katowice 2012, niepublikowane. 2. Dokumentacja zadania badawczego nr 6 pt. Opracowanie rozwiązań wraz z aparaturą pomiarową umożliwiającą przeprowadzenie pomiarów oraz diagnozowanie kabli i przewodów elektroenergetycznych w wyrobiskach zagrożonych wybuchem metanu i/lub pyłu węglowego, ITI EMAG, Katowice 2012, niepublikowane. 3. Informacja na temat realizacji wniosków ujętych w sprawozdaniach z prac Komisji powołanych przez Prezesa Wyższego Urzędu Górniczego po zdarzeniach i wypadkach zaistniałych w zakładach górniczych w latach 2000-2009, Departament Górnictwa Wyższego Urzędu Górniczego, Katowice 2009, niepublikowane. 4. Trenczek S., Babecki D.: Prace nad przyrządem do wyznaczania parametrów fizjologicznych organizmu człowieka przebywającego i pracującego w gorącym klimacie. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, 2013, nr 4, s. 23-29. 5. Trenczek S., Babecki D.: Sposób pomiaru parametrów fizjologicznych człowieka przebywającego w trudnych warunkach klimatycznych, Materiały Konferencji Naukowo-Technicznej nt. Opracowanie zasad zatrudniania pracowników w warunkach zagrożenia klimatycznego w podziemnych zakładach górniczych, Gliwice-Rybnik, 27 czerwca 2013 r. Wyd. IEZ WGiG Politechniki Śląskiej, Gliwice 2013, s. 71-81. 6. Trenczek S.: Działania legislacyjne oraz naukowo-badawczorozwojowe a innowacyjność rozwiązań służących bezpieczeństwu. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, 2012, nr 6, s. 5-12. 7. Ustawa z dnia 9 czerwca 2011 r. Prawo geologiczne i górnicze. Dz. U. nr 163, poz. 981. 8. Zarządzenie nr 63/2009 Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego z dnia 30 listopada 2009 do spraw projektów rozwojowych w zakresie poprawy bezpieczeństwa pracy w kopalniach. Artykuł został zrecenzowany przez dwóch niezależnych recenzentów.