EGZEMPLARZ nr... 1 ) SPRAWOZDANIE MERYTORYCZNE z realizacji strategicznego projektu badawczego Poprawa bezpiecze stwa pracy w kopalniach Zleceniodawca: Narodowe Centrum Bada i Rozwoju Kierownik projektu: prof. dr hab. in. Stanis aw Wasilewski Kierownik etapu: dr in. Janusz Cygankiewicz Zadanie nr 3: Opracowanie zasad pomiarów i bada parametrów powietrza kopalnianego dla oceny zagro enia metanowego i po arowego w podziemnych zak adach górniczych wydobywaj cych w giel kamienny Zadanie szczegó owe nr 3: Analiza obowi zuj cych sposobów opomiarowania i kontroli parametrów fizycznych i chemicznych przep ywu powietrza w wyrobiskach górniczych w oparciu o przyrz dy pomiarowe i czujniki systemów telemetrycznych, wynikaj cych z przepisów rozporz dzenia Ministra Gospodarki z dn. 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpiecze stwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpo arowego w podziemnych zak adach górniczych. Etap nr 7: Analiza obowi zuj cych sposobów pomiarów parametrów fizycznych i chemicznych przep ywu powietrza w wyrobiskach górniczych w oparciu o przyrz dy pomiarowe wynikaj ce z przepisów Ministra Gospodarki na tle wiatowych rozwi za Nr umowy: SP/K/3/143694/11 z dnia: 10.06.2011 Nr komputerowy w GIG: 01060071-110 Data rozpocz cia projektu/zadania/etapu: *) 01.10.2011 Data zako czenia projektu/zadania/etapu: *) 31.03.2012 S owa kluczowe: bezpiecze stwo,, górnictwo, kopalnia w gla, pomiary parametrów fizycznych i chemicznych atmosfery piecz tka i podpis kierownika projektu piecz tka i podpis Naczelnego Dyrektora GIG 1) wype nia odr cznie po wydrukowaniu Druk GIG: PS-7.13 za. nr 1, wyd. 7 wa ne od 11.2010 r.
Zespó realizuj cy badania: stopie - imi i nazwisko dr. in. Janusz CYGANKIEWICZ dr in. Józef KNECHTEL, mgr in. Dariusz Gapi ski mgr in. Lucjan wierczek mgr in. Marek Wi ckowski Abstrakt: (minimum 500 znaków maksimum 1000 znaków) W sprawozdaniu zamieszczono omówienie prac wykonanych w ramach etapu nr 7 zadania nr 3 Projektu. W trakcie pracy poddano analizie dotychczas stosowane metody pomiarów przyrz dami przeno nymi parametrów fizycznych i chemicznych atmosfery wykonywane w z zwi zku z ocen stanu zagro enia po arowego w kopalniach w gla kamiennego. Analizie poddano równie obowi zuj ce przepisy reguluj ce bezpiecze stwo pracy w górnictwie w zakresie wykonywania ww pomiarów i interpretacji ich wyników dla optymalnej oceny stanu zagro enia po arami endogenicznymi. Wnioski z tej analizy skonfrontowano z dotychczasowymi do wiadczeniami Zak adu Aerologii Górniczej GIG dla oceny zasadno ci wprowadzenia do przepisów górniczych nowych uregulowa, dla lepszej oceny stanu zagro enia po arowego. Podano propozycje umieszczenia w przepisach górniczych szczegó owych zapisów reguluj cych nast puj ce zagadnienia: dok adno pomiaru, kalibracja przyrz dów, wyznaczanie lokalizacji punktów pomiaru, liczby punktów pomiarowych w danym rejonie, cz stotliwo pomiaru, sposób interpretacji wyniku. Zaproponowano opracowanie przyrz dów umo liwiaj cych zintegrowany pomiar parametrów fizycznych i chemicznych powietrza kopalnianego dla szybkiej oceny zagro enia poprzez automatyzacj wyznaczania warto ci wska ników po arowych. Stopie ochrony sprawozdania merytorycznego: *) Ogólnodost pne Do wykorzystania za zgod kierownika jednostki/ komórki organizacyjnej GIG wiod cej w pracy Do wykorzystania za zgod Naczelnego Dyrektora GIG lub Zast pcy Naczelnego Dyrektora ds. Bada i Wdro e Do wykorzystania za zgod Wnioskodawcy **) Za czniki (publikacje, zeszyty, p yty CD itp. w sposób trwa y zawarte we wspólnym opakowaniu): 1. 2. Srawozdanie merytoryczne otrzymali: 1. Archiwum Dokumentacji Prac Naukowo-Badawczych w NCS-1 GIG, egz. nr 1 - kat. arch. A 2. Zleceniodawca, 3. Jednostka/komórka organizacyjna GIG, egz. nr 2, 3 4. Wnioskodawca, **) Wype nia NCS-1 GIG: Nr inwentarzowy: Sygnatura: *) niepotrzebne skre li **) dotyczy projektów celowych
Spis tre ci Wst p Strategiczny projekt badawczy Poprawa bezpiecze stwa pracy w kopalniach Wst p I II III Wnioski Literatura Analiza przepisów w zakresie pomiarów prowadzonych dla oceny zagro enia po arowego Analiza wiatowych rozwi za w zakresie prowadzonych pomiarów przez s u by kopalniane Propozycje zmian dotychczas obowi zuj cych sposobów pomiarów parametrów fizycznych i chemicznych powietrza przep ywaj cego przez wyrobiska górnicze uj tych w przepisach Ministra Gospodarki Opracowanie nowych zasad pomiarów stanu powietrza kopalnianego w celu oceny zagro enia po arowego wymaga analizy dotychczas stosowanych metod oceny zagro enia po arowego wynikaj cych z aktualnych przepisów. Warunki prowadzenia dzia alno ci górniczej w kopalniach w gla kamiennego w okresie kilkudziesi ciu ostatnich lat uleg y zasadniczej zmianie w stosunku do okresu tworzenia systemów eksploatacji. Wzrost g boko ci eksploatacji, koncentracja wydobycia oraz wzrost zagro e naturalnych wymuszaj konieczno podj cia bada nad dostosowaniem sposobów pomiaru parametrów wentylacyjnych do zmieniaj cych si warunków otoczenia górniczego. Pomiary przyrz dami przeno nymi parametrów fizycznych dotycz g ównie pr dów obiegowych - z powodu ograniczonej dost pno ci zrobów oraz stref zaizolowanych dla takich pomiarów. Natomiast parametry chemiczne sk ad atmosfery mog by mierzone praktycznie w ka dym miejscu kopalni za pomoc przyrz dów przeno nych po zastosowaniu w y lub rurek próbobiorczych oraz odpowiednich pomp. W poni szej tabeli zestawiono ró nice w sposobach i zakresie pomiaru parametrów wentylacyjnych za pomoc przyrz dów przeno nych i za pomoc telemetrii. Strona 1
Pomiary parametrów powietrza Parametry fizyczne Metody pomiarowe Parametry chemiczne Metody pomiarowe Mierzone parametry Metody telemetryczne Przeno ne przyrz dy pomiarowe Mierzone parametry Metody telemetryczne Przeno ne przyrz dy pomiarowe Metody chromatograficzne Pr dko powietrza Anemometry Temperatura powietrza Ci nienie bezwzgl dne powietrza Ró nica ci nie Czujniki temperatury Czujniki ci nienia Czujniki ró nicy ci nie Ci g y pomiar Transmisja danych do dyspozytorni Archiwizacja wyników Precyzyjne anemometry mechaniczne i elektroniczne Psychrometry pomiar bezpo redni Precyzyjne barometry mechaniczne i elektroniczne Mikromanometry Wysoka dok adno Mo liwo wykonania pomiarów w dowolnym miejscu kopalni Szeroki zakres pomiarowy Zawarto metanu Zawarto tlenu Zawarto tlenku w gla Zawarto dwutlenku w gla Zawarto wodoru Zawarto w glowodorów nienasyconych C 2 C 4 Zawarto azotu Zawarto innych toksycznych gazów Zalety metod pomiarowych Czujniki metanu (metanometria automatyczna) Czujniki tlenu Czujniki tlenku w gla (CO-metria automatyczna) Czujniki dwutlenku w gla Czujniki wodoru Ci g y pomiar Transmisja danych do dyspozytorni Archiwizacja wyników Przyrz dy, zwykle wielofunkcyjne, wyposa one w czujniki g ównie konduktometryczne, paramagnetyczne, elektrochemiczne, spektralne atwo wykonania pomiaru Du a mobilno Mo liwo wykonania pomiaru w dowolnym miejscu kopalni Mo liwo wykrywania praktycznie wszystkich gazów Chromatografy gazowe zainstalowane w podziemiach kopal, Analiza chromatograficzna w laboratorium na powierzchni. Najwy sza czu o i dok adno pomiaru Eliminacja wp ywu obecno ci innych gazów w powietrzu na pomiar Mo liwo wykrywania praktycznie wszystkich gazów Du y zakres pomiarowy Ograniczony zakres pomiarowy Stosunkowo niewielka czu o i dok adno Du a pracoch onno pomiarów Wady metod pomiarowych Ograniczony zakres pomiarowy Stosunkowo niewielka czu o i dok adno Wp yw obecno ci innych gazów w powietrzu kopalnianym na warto pomiaru Ma a czu o i dok adno Pomiar po redni = du y wp yw obecno ci innych gazów w powietrzu kopalnianym na wskazania przyrz dów pomiarowych (st d te w/w pomiary mog mie wy cznie charakter orientacyjny i winny by potwierdzone analiz chromatograficzn ) Ma a mobilno Du a pracoch onno Strona 2
Pomiary parametrów fizycznych i chemicznych przyrz dami przeno nymi, b d cym na wyposa eniu osób odpowiedzialnych za kontrol stanu zagro e naturalnych w kopalniach stanowi istotn cz systemów monitorowania, jednak e wed ug rozpoznania sposób pomiaru omawianych parametrów wentylacyjnych w zasadzie nie jest regulowany w przepisach górniczych krajowych i wiatowych w kontek cie oceny zagro enia po arowego autorzy rozwi za prawnych z regu y przyjmuj, e pomiary wykonywane by powinny przez osoby kompetentne zgodnie z wymogami sztuki i nie stawiaj szczegó owych wymaga sposobom pomiaru. Celem niniejszego etapu pracy w ramach Projektu Poprawa bezpiecze stwa pracy w kopalniach jest analiza przepisów reguluj cych bezpiecze stwo pracy w górnictwie w zakresie wykonywania ww pomiarów i interpretacji ich wyników dla optymalnej oceny stanu zagro enia po arami endogenicznymi. Wnioski z tej analizy przeprowadzonej na podstawie dotychczasowych do wiadcze Zak adu Aerologii Górniczej GIG pozwol na ocen zasadno ci wprowadzenia do przepisów górniczych uregulowa, dzi ki którym pomiar parametrów fizycznych przyrz dami osobistymi by by powi zany z pomiarami parametrów chemicznych powietrza kopalnianego i pozwoli na rzeteln ocen stanu zagro enia po arowego przyczyniaj c si do wczesnego wykrywania po arów endogenicznych. W szczególno ci nale a oby rozwa y celowo umieszczenia w przepisach górniczych szczegó owych zapisów reguluj cych nast puj ce zagadnienia: dok adno pomiaru, wyznaczanie lokalizacji punktów pomiaru, liczby punktów pomiarowych w danym rejonie, cz stotliwo pomiaru, sposób interpretacji wyniku pomiaru. Strona 3
I. Analiza przepisów w zakresie pomiarów prowadzonych dla oceny zagro enia po arowego Niniejsz analiz oparto na przegl dzie dotychczas obowi zuj cych metod pomiaru parametrów wentylacyjnych w kontek cie oceny zagro enia po arowego zawartych w aktualnych przepisach górniczych, w szczególno ci Rozporz dzenia Ministra Gospodarki [1] w konfrontacji z do wiadczeniami Zak adu Aerologii Górniczej GIG nabytymi podczas wieloletniego monitorowania stanu zagro enia po arami endogenicznymi w polskim górnictwie w glowym. Mierzone parametry Dla oceny zagro enia po arami endogenicznymi szczególne znaczenie ma pomiar nast puj cych parametrów wentylacyjnych w podziemiach kopal : a) parametry fizyczne Wielko przep ywu powietrza dla odniesienia mierzonych wielko ci st e istotnych w kontek cie zagro enia po arowego gazów do warto ci bezwzgl dnych obrazuj cych intensywno emisji tych gazów. Parametr ten wyst puje we wzorach, które stosowane s do obliczania wska nika ilo ci tlenku w gla, jak w przytoczonym poni ej podpunkcie przepisów [1]: 1. Wed ug przepisów [1] pomiary pr dko ci pr du powietrza wykonuje si w wolnych przekrojach wyrobiska. Jest to w zasadzie jedyny szczegó owy wymóg odnosz cy si do pomiaru pr dko ci powietrza w wyrobiskach podziemnych. Równocze nie w przepisach tych okre lono, e wzgl dny b d pomiarowy czujników pr dko ci powietrza lub przep ywomierzy nie powinien by wi kszy od ±10%. Nie s natomiast regulowane Strona 4
dok adno ci pomiaru czy maksymalne wielko ci b du pomiarowego po dane podczas pomiarów wykonywanych przyrz dami przeno nymi przez osoby którym powierzono pomiar. Poniewa wszystkie wielko ci parametrów granicznych podawane s z dok adno ci do 0,01 m 3 /s, nale y przyj, e przyrz dy pomiarowe anemometry przeno ne powinny zapewnia co najmniej tak w a nie dok adno pomiaru. Wiadomo, e pomiar wydatku powietrza jest silnie uzale niony od dok adno ci wyznaczenia przekroju poprzecznego wyrobiska. Dlatego te celowe si wydaje zalecenie zak adania stacji pomiarowych dla wczesnego wykrywania po arów endogenicznych w miejscach stacji pomiarowych rejestrowanych w g ównej ksi ce przewietrzania, o znanym przekroju. Pomiar ci nienia atmosferycznego znajomo tego parametru jest przydatna dla okre lenia prawdopodobnego kierunku migracji powietrza poprzez tamy izoluj ce wyrobiska przewietrzane pr dami obiegowymi jak równie przewietrzanymi odr bnie od przestrzeni zamkni tych nieprzewietrzanych zrobów, partii opuszczonych, zapo arowanych itd.. Pomiar ten realizowany jest poprzez wymagany przepisami [1] pomiar barografem znajduj cym si w pomieszczeniach dyspozytora, kierownika dzia u wentylacji oraz kierownika kopalnianej stacji ratowniczej. Nale y doda, e wewn trz sieci wentylacyjnej wyst puj znaczne wahania warto ci ci nienia atmosferycznego, powodowane ruchem technologicznym w szybach oraz na drogach przewozowych, co w zasadzie nie pozwala na wykorzystanie chwilowych pomiarów ci nienia atmosferycznego do oceny zagro enia po arowego. Pomiary maj ce na celu wykonacie zdj cia pola ci nienia w poszczególnych w z ach sieci (np. dla wyznaczenia pola potencja ów aerodynamicznych) powinny by wykonywane w warunkach specjalnych, w dni wolne od wydobycia, aby wyeliminowa opisane wy ej zak ócenia. Pomiar ró nicy ci nie wewn trz danego rejonu wentylacyjnego oraz pomi dzy przestrzeniami otamowanymi a s siaduj cymi wyrobiskami pomiar istotny dla oceny rozk adu potencja ów aerodynamicznych oraz informacji o kierunku przep ywu / migracji powietrza do przestrzeni otamowanych dla wykrycia korelacji czasowej zmian ci nienia atmosferycznego na powierzchni oraz wewn trz danego rejonu ze zmianami zawarto ci istotnych gazów oraz wielko ci ich bezwzgl dnej emisji. Do wiadczenia Zak adu Aerologii Górniczej GIG i innych o rodków pokazuj, e przy pomiarze ró nicy ci nie powietrza wa ne s zarówno dok adno pomiaru (przyjmuje si minimum 10 Pa) jak i jego cz stotliwo wynika to ze zmienno ci typowego pola ci nie w warunkach Strona 5
kopalnianych dla nakre lenia dobrego obrazu rozk adu ci nie, prawid owego uchwycenia trendów i oszacowania zmienno ci wskaza nale y pomiary wykonywa w sposób ci g y, najlepiej z rejestracj zmian wyników w czasie, wobec tego pomiary przyrz dami przeno nymi maj mniejsze znaczenie ni pomiary zautomatyzowane. Przyrz dy przeno ne do pomiaru ró nicy ci nie s ponadto ma o rozpowszechnione w górnictwie polskim, wci najcz ciej stosuje si manometry wodne. Temperatura i wilgotno powietrza zmiany tych parametrów mog w sprzyjaj cych warunkach stanowi dodatkowy sygna wskazuj cy na rozwój procesu samozagrzewania w gla, w przepisach [1] pomiary tych parametrów wyst puj Parametry te s jednak bardzo zawodne jako ewentualne wska niki zagro enia po arowego, poniewa wyniki pomiarów temperatury i wilgotno ci s uzale nione od wielu czynników, który wp yw nale y oczywi cie odnosi ka dorazowo do wyniku pomiaru. W szczególno ci nale e uwzgl dni warto lokalnej temperatury pierwotnej górotworu i ociosów w glowych. W zwi zku z tym zasadne jest utrzymywanie i aktualizacja mapy izolinii temperatury pierwotnej ska w danym rejonie. Anomalie rozk adu temperatury ociosów odniesione do temperatury otoczenia (powietrza) mog by wskazówk co do lokalizacji rejonów gdzie zachodzi intensywna reakcja utleniania w gla. Pomiary w celu wykrycia anomalii rozk adu temperatury stropie, sp gu i ociosach wyrobisk w glowych wykonuje si zwykle zdalnie pirometrami, które wed ug przepisów [1] powinny charakteryzowa si rozdzielczo ci temperatury ±0,1 C w zakresie ró nicy temperatur T od 0 do 5 C. W przepisach [1] okre lone jest równie kryterium samozagrzewania si w gla w miejscu wykonywanego pomiaru, a mianowicie wzrost temperatury powierzchni w gla w stosunku do temperatury powietrza powy ej warto ci T = 3 C. Miejsce wykonywania pomiarów za pomoc przeno nych pirometrów oraz cz stotliwo wykonywania tych pomiarów i sposób dokumentowania wyników ustala kierownik dzia u wentylacji. b) parametry chemiczne Wed ug przepisów [1] prawid owo wskaza i dzia a przyrz dów stosowanych do pomiarów st e gazów kontroluje si za pomoc mieszanek wzorcowych. W przepisach nie ma natomiast odniesie do adnej procedury normalizacyjnej, pozwalaj cej na oszacowanie wp ywu rozcie czenia próbki (pobranej z e zrobów lub z przestrzeni otamowanej) gazami takimi jak tlen dop ywaj cy z pr du obiegowego, gazy u ywane do inertyzowania tej przestrzeni. Podobnie, w przepisie mówi cym o sposobie kalibracji przyrz dów nie ma równie Strona 6
odniesie do znanych problemów z czu o ci skro n okre laj ca wp yw obecno ci innych gazów na wynik pomiaru jednego. Nie ma równie mowy o oszacowaniu wp ywu warunków zewn trznych pomiaru (temperatury, ci nienia atmosferycznego, wilgotno ci) na wielko odczytu danego parametru chemicznego. W polskim górnictwie w glowym pomiary sk adu chemicznego atmosfery kopalnianej przyrz dami przeno nymi w kontek cie zagro enia po arowego dotycz nast puj cych sk adników atmosfery: St enie tlenku w gla podstawowego gazu wska nikowego w kontek cie zagro enia po arowego, znanego w ca ym górnictwie wiatowym pomiary wykonywane przyrz dami osobistymi pozwalaj na dok adn lokalizacj miejsca zagro enia, ewentualnie identyfikacj trasy migracji powietrza z/do zrobów lub miejsc otamowanych, jednak e ustalenie tendencji zmian st enia za pomoc pomiarów przyrz dami przeno nymi jest k opotliwe. St d zapewne w przepisach [1] pomiary zawarto ci CO na stacjach pomiarowych wczesnego wykrywania za pomoc przyrz dów przeno nych traktuje si jako pomiar pomocniczy lub wst pny - je eli pomiary st enia tlenku w gla za pomoc indywidualnych przeno nych analizatorów (tzw. CO-mierzy), nie wyka st enia CO ponad 10 ppm, wtedy nie wymaga si na tych stacjach pobierania prób powietrza do analizy. Pomiar zawarto ci CO w pr dach obiegowych jest podstaw do okre lenia warto ci wska nika ilo ci tlenku V CO. Pomiar ten powinien by wi c powi zany z pomiarem pr dko ci przep ywu i pola przekroju poprzecznego w danej stacji pomiarowej w pr dzie przep ywowym. Obecnie obowi zuj ce przepisy wymagaj pomiaru pr dko ci i wydatku powietrza wraz z pomiarem zawarto ci tlenku w gla, nie ma jednak technicznej mo liwo ci realizacji tych pomiarów w czasie jednego odczytu wyznaczenie wielko ci wska nika ilo ci tlenu wymaga wi c przeprowadzenia pomiarów dwóch lub trzech parametrów (st enie CO, pr dko powietrza i przekrój poprzeczny), z regu y pomiar ich nie mo e by jednoczesny. Pomiar zawarto ci CO w pr dach obiegowych pozwala równie na wyznaczenie warto ci wska nika przyrostu tlenku w gla CO, stosowanego jako jedno z kryteriów oceny zagro enia po arowego. W przepisach [1] nie jest natomiast opisane stosowanie wielko ci st enia CO w pr dzie obiegowym wlotowym jako parametru dla wyznaczenia warto ci wska nika Grahama jednak w wielu krajach [4], przyjmuje si takie rozwi zanie za dok adniejsze ni podany w przepisach wzór. Zawarto dwutlenku w gla. Pomiar st enia tego gazu przyrz dami przeno nymi pozwala na identyfikacj miejsc wyp ywu gazów z przestrzeni niedost pnych dla ludzi, co Strona 7
mo e mie zwi zek z zagro eniem po arowym. W warunkach normalnych w pr dach obiegowych powietrza wie ego zawarto obj to ciowa dwutlenku w gla oscyluje w zakresie 0,03-0,05 %, wykazuj c przy tym du zmienno w strefach zawa owych i w pr dach wylotowych. Dwutlenek w gla mo e by wytwarzany w strefie zrobowej podczas utleniania resztek w gla ale równie mo e by desorbowany lub dop ywa z s siednich stref zawa owych dlatego te pomiar jego przyrostu traktowa mo na jako wska nik pomocniczy zagro enia po arowego, jednak nie ma uj cia tej mo liwo ci w przepisach Zawarto metanu. W polach niemetanowych zawarto metanu w istotnych st eniach (wg do wiadcze Zak adu Aerologii Górniczej GIG ponad 0,05%) w powietrzu wentylacyjnym mo e by istotn wskazówk, e w s siedztwie miejsca pomiary ma miejsce proces samozagrzewania lub pirolizy, których produktem s gazowe w glowodory, w tym metan. Podobnie jak w wypadku dwutlenku w gla, brak uj cia tego faktu w przepisach, zapewne ze wzgl du na powszechno wyst powania i zmienno wydzielania metanu, Udzia tlenu. Podobnie jak w przypadku dwutlenku w gla pomiar przyrz dami osobistymi tego parametru mo e dostarczy informacji o kierunku i intensywno ci przep ywów ze zrobów lub stref otamowanych. Ponadto pomiar bezpo redni przyrz dami przeno nymi zawarto ci tlenu w powietrzu doprowadzanym do rejonu i wyp ywaj cym z niego pozwala na skorygowanie warto ci wska ników po arowych opartych na obliczeniach, w których jako parametr wyst puje ubytek tlenu, w szczególno ci dotyczy to wska nika Grahama. W standardowym uj ciu podanym w przepisach [1] ubytek tlenu obliczany jest po rednio wg nast puj cego wzoru. Podczas wyprowadzania tego wzoru przyj to za o enie, e stosunek st enia tlenu do azotu (a w a ciwie sumy st enia azotu, argonu i innych gazów szlachetnych nie jest to podane w definicji wzoru zamieszczonej w przepisach) dla próbek powietrza ze stacji wlotowej do rejonu wynosi 0,265, oraz e ca kowit wielko obliczonego ubytku tlenu po przej ciu powietrza wentylacyjnego przez rejon wydobywczy mo na przypisa egzotermicznemu utlenianiu w gla w zrobach. Powszechnie wiadomo, e Strona 8
oba te za o enia mog by kwestionowane tlen mo e by zu ywany przez procesy fizykochemiczne nie zwi zane z utlenianiem w gla prowadz cym do emisji CO, w tym przez adsorpcj, rozcie czenie gazami z o owymi takim jak metan, etan oraz gazami stosowanymi do inertyzacji takimi jak dwutlenek w gla, metan i azot. Dlatego pomiary r czne lub za pomoc gazometrii automatycznej przeprowadzane na stacjach wlotowych i wylotowych z rejonu pozwalaj na dok adniejsze obliczenie omawianego parametru stanowi cego mianownik we wzorze na wska nik Grahama i innych wska ników w sposób bezpo redni poprzez porównanie warto ci pomiarów zawarto ci tlenu na stacjach wlotowej i wylotowej ze zrobów. Jednak e wy ej opisany bezpo redni sposób wyznaczania wielko ci wska nika Grahama (a w a ciwie warto ci mianownika we wzorze) nie jest uj ty w odno nych przepisach [1]. Wg przepisów [1] dla zwi kszenia kontroli stanu zagro enia po arowego w wyrobiskach górniczych, a zw aszcza dla oceny temperatury i masy zagrzanego w gla, w próbach powietrza pobieranych na stacjach pomiarowych, mo na oznacza dodatkowo: etylen, propylen, acetylen i wodór. Pomiar st enia tych gazów, wyst puj cych zwykle w ladowych ilo ciach, wykonuje si jednak aktualnie g ownie metod chromatograficzn zapewniaj c nieporównanie wi ksz powtarzalno i dok adno pomiaru w porównaniu z przyrz dami przeno nymi lub dost pnymi czujnikami telemetrii gazowej. Strona 9
II Analiza wiatowych rozwi za w zakresie pomiarów prowadzonych przez s u by kopalniane W trakcie wykonywania zada okre lonych w projekcie poddano analizie metody pomiaru parametrów fizycznych i chemicznych przyrz dami przeno nymi stosowane w wybranych krajach o wysoko rozwini tym górnictwie w gla kamiennego. Nale y stwierdzi, e zasadzie prawodawcy nie okre laj szczególnych wymogów odno nie pomiarów parametrów wentylacyjnych za pomoc przyrz dów przeno nych lub osobistych. Wydaje si, e dal autorów analizowanych przepisów Istotna jest metrologiczna jako pomiaru, a sposób jego realizacji jest problemem bardziej technicznym ni prawnym. Jednak e znaleziono kilka charakterystycznych ró nic w podej ciu do pomiarów przyj tym w Polsce a metodami stosowanymi w innych krajach, które mog by rozwa one jako przydatne w kontek cie walki z zagro eniem po arowym w polskim górnictwie w glowym. Omówione to zostanie na przyk adzie wybranych rozwi za stosowanych w górnictwie wiatowym. Stany Zjednoczone Ameryki Podczas kwerendy przepisów ameryka skich górniczych nie napotkano na specyficzne wymogi odno nie monitorowania stanu atmosfery przyrz dami przeno nymi w kontek cie oceny zagro enia po arowego. Niemniej, ka da kopalnia ma obowi zek opracowania programu monitorowania jako ci powietrza. Kierownik ruchu kopalni przygotowuje taki program na pi mie, przy czym odr bnie przygotowuje si program monitorowania sk adu i jako ci powietrza w wyrobiskach podziemnych w których pracuj silniki dieselowskie. Program monitorowania sk adu powietrza powinien by przygotowany przez osob z tytu em in yniera w porozumieniu z higienist przemys owym posiadaj cym z certyfikat American Board of Industrial Hygiene. Program taki musi okre li procedur pobierania próbek, instrukcje pomiarowe i wyszczególnia instrumenty pomiarowe. Program identyfikuje równie zanieczyszczenia nie zwi zane z silnikami dieslowskimi, cz stotliwo monitorowania sk adu i ilo ci powietrza dostatecznej dla przewietrzenia miejsc pracy pod ziemi poprzez rozcie czenia gazów do dopuszczalnych warto ci. Wed ug tych przepisów pomiary powinny by wykonane przez osob kompetentn, w zgodzie z ogólnie przyj tymi zasadami in ynierskimi, dla oceny jako ci i ilo ci powietrza, w szczególno ci zawarto ci gazów palnych przynajmniej raz na miesi c, w pr dach grupowych wie ego i zu ytego powietrza, w pr dach rejonowych niezale nych wie ego i zu ytego powietrza, w pr dach wlotowych i wylotowych, w odleg o ci 90 m od pierwszego miejsca pracy w pr dzie wlotowym ka dego pr du niezale nego, raz na tydzie, w czynnych przodkach oraz z cz stotliwo ci i w miejscach ustalonych przez Strona 10
kierownika ruchu zak adu, kierownika wentylacji lub osob dozoru. Ustalone jest, e pomiary dla wykrycia koncentracji gazów niepalnych powinny by przeprowadzone dla próbek z przekroju wyrobiska; a dla pomiaru gazów palnych próbki powinny by pobrane z odleg o ci minimum 30 cm od sp gu, stropu lub ociosów. Australia i Nowa Zelandia Przepisy górnicze obowi zuj ce w Australii i nowej Zelandii omówiono na przyk adzie przepisów i procedur stosowanych w Stanie Nowa Po udniowa Walia, wed ug naszego rozeznania w innych stanach Australii i w Nowej Zelandii obowi zuje podobne podej cie do omawianego problemu. Tak jak w przypadku USA sposób pomiaru przyrz dami przeno nymi dla oceny zagro enia po arowego generalnie nie jest szczegó owo okre lany w przepisach. W zaleceniach agendy rz du Stanu Górniczego NSW dla in ynierów wentylacji [3] regularne monitorowanie stanu atmosfery (chodzi g ównie o parametry chemiczne nie znaleziono wzmianek o monitorowaniu parametrów fizycznych w kontek cie zagro enia po arowego) przyrz dami przeno nymi jest przedstawione jako jeden z sze ciu zalecanych sposobów monitorowania stanu zagro enia, przy czym nale y podkre li, e g ówny nacisk k adzie si na zautomatyzowane sposoby pomiaru. Ciekawe i godne rozwa enia i ewentualnie zastosowania w polskich warunkach jest szeroko stosowana (szczególnie w Australii i USA [4]) procedura przeliczania wyników pomiarów na zasadzie air free stosuje si j wtedy, gdy mo na przyj, e tlen w próbce zrobowej pochodzi jedynie z rozcie czenia wynikaj cego z powodu dop ywu powietrza obiegowego podczas np. zni ek barometrycznych. W tym przypadku st enia gazów s normalizowane poprzez usuni cie tlenu ze sk adu obliczanego i odpowiednie ustalenie udzia u azotu zgodnie ze znan proporcj st enia azotu do tlenu wynosz c 3,778 ). St enia pozosta ych gazów s nast pnie normalizowane poprzez bilansowanie do 100%. Dopuszczane jest równie normalizowanie sk adu procentowego st e gazów poprzez przeliczanie ich warto ci przez czynnik wyliczany z proporcji spodziewanego do zmierzonego st enia metanu zak ada si tu pewn niezmienno st enia ew. sta o trendu zmian st enia metanu w zrobach. Oczywi cie takie procedury normalizacyjne mog by stosowane z odpowiedni ostro no ci, wynikaj c z niepewno ci pierwotnych za o e, zapobiega to jednak zani aniu warto wska ników po arowych w przypadku przypadkowego rozcie czenia próbki metanem lub powietrzem. Strona 11
Znane problemy z obliczaniem warto ci wska nika Grahama s w Australii rozwi zywane cz ciowo poprzez pomiary st enia CO i tlenu (zawarto azotu oblicza niejako dpe nienie do 100% sumy st e pozosta ych gazów) na pocz tkowym odcinku zrobów (ew. zza tamy wlotowej - indeks pocz) i po przej ciu zrobów (ew. zza tamy wylowej - indeks konc), a nast pnie poprzez przekszta cenie stosowanego w polskim górnictwie wzoru na wska nik Grahama do nast puj cej postaci [4]: N 2konc CO konc CO pocz N 2pocz G 100 N 2konc O2 pocz O 2 konc N 2pocz Dla obliczenia takiej warto ci wska nika Grahama, cz ciowo skompresowanej na rozcie czenie próbki metanem lub gazami inertyzuj cymi zroby nale y wykona pomiary (przyrz dami przeno nymi lub poprzez pobór próbek do analizy chromatograficznej w dwóch miejscach dla ka dego monitorowanego rejonu. Na podstawie informacji podawanych przez J. Grubba [2] ustalono, e cz stotliwo i sposób pomiaru parametrów fizycznych i chemicznych atmosfery w kopalniach Australijskich i Nowej Zelandii s ustalane indywidualnie dla ka dej kopalni przez jej kierownictwo i zapisywany w kopalnianym planie ratownictwa, co jest wymagane przez przepisy. Cz stotliwo kontroli zarówno za pomoc przyrz dów przeno nych jak i za pomoc telemetrii oraz systemu rurek próbobiorczcyh ( tube bundle ) jest bardzo ró na dla ró nych kopal. Dla przyk adu w niektórych kopalniach (Kopalnia Austar w Cessnock), pomiary cznie z pobieraniem próbek ze zrobów wykonywane s w co 12 godzin (np. o godz. 05 i 17 (w zwi zku z dziennym cyklem barometrycznym), wraz z pomiarem temperatury suchej i wilgotnej przy pobieraniu próbek do worków, natomiast w kopalni Broadmeadow Moranbah pomiary wykonywane s na ka dej zmianie z pr dów wylotowych i ze zrobów, równolegle z pomiarami temperatury oraz pr dko ci powietrza. Dla kontrastu mo na poda, e w kopalni Crinum, Emerald, Queensland pomiary sk adu gazów zrobowych wykonywane s w cyklu tygodniowym, z chodników wentylacyjnych co dwa tygodnie, zza tam co miesi c, natomiast w Kopalni Huntly East, Huntly w Nowej Zelandii pomiary wykonuje si co 12 godzin, ale tylko do osi gni cia stanu zainertyzowania zrobów, nast pnie zroby monitorowane s co 6 miesi cy. W kopalniach, w których zainstalowane s systemy pomiarowe typu tube bundle w okre lonym interwale czasowym (najcz ciej co zmian robocz ) pobiera si próbki i dokonuje pomiarów przyrz dami przeno nym dla weryfikacji wskaza sytemu pomiarowego i sprawdzenia jego stanu. Strona 12
W wielu kopalniach australijskich opisanych w pracy J. Grubba do oceny stanu zagro enia brane s pod uwag wyniki bezpo rednich pomiarów st e gazów zrobowych przeliczonych na tzw wolne powietrze (opisana powy ej procedura dla uwzgl dnieniu efektu rozcie czenia próbki powietrzem z pr du obiegowego podczas zni ek barometrycznych). Zagro enie po arowe w rejonie filarów termograficznie, u ywane s równie rurki monitorowaniu szczelin. w glowych i p otów monitorowane jest wska nikowe na CO firmy Draeger przy W wielu kopalniach wyniki pomiarów przyrz dami przeno nym s wprowadzane do systemu komputerowego zarz dzania bezpiecze stwem, który integruje w jedn baz danych wyniki pomiarów z monitoringu telemetrycznego, systemów tube bundle, pomiarów indywidualnych, pomiarów wykonywanych przez zewn trzne firmy zajmuj ce si monitorowaniem stanu zagro enia i pomiary z innych róde. Republika Czeska ród o: akty prawne Urz du Górniczego w Ostrawie [5], artyku Aloisa Adamusa [6] Nie znaleziono w ww ród ach specyficznych zapisów odnosz cych si do pomiaru parametrów fizycznych systemu przewietrzania kopal w kontek cie zagro enia po arowego. Parametry chemiczne powietrza kopalnianego monitorowane s, zgodnie z [5] i [8], w nast puj cy sposób. Gazy po arowe wyst puj ce w procesie samozagrzewania i samozapalenia w gla dzieli si w górnictwie czeskim na dwie grupy: tzw. gazy wi kszo ciowe (podstawowe - próby pobierane na mokro- CO 2, CO, O 2l CH 4,) i mniejszo ciowe (dope niaj ce - próby pobierane na sucho - H 2, C 2 H 6, C 3 H e, nc 4 H 10, ic 4 H 10, C 2 H 4, C 3 H 6, C 2 H a.). W czeskim górnictwie w glowym wyró nia si rejony niezagro one samozagrzaniem w gla oraz zagro one jego wyst pieniem, takie np. jak pola po arowe, miejsca gdzie by o wcze niej stwierdzane podwy szone st enie tlenku w gla powy ej dopuszczalnych warto ci, miejsca ze zmniejszonym przep ywem powietrza (zroby?), zw aszcza w rejonach w których prowadzona jest eksploatacja grubych pok adów lub/i wyst puj pok ady towarzysz ce) oraz inne miejsca w których wykrywane s oznaki mo liwego samozap onu. Miejsca uznane za zagro one powinny by monitorowane, a kontrola w takich miejscach obejmuj ca pomiar poziomu tlenku w gla musi by przeprowadzane na ka dej zmianie, a w dni wolne od pracy dni, raz na 24 godziny, chyba e s one monitorowane w sposób ci g y analizatorami tlenku w gla, umieszczonymi w pr dzie niezale nym powietrza. Kierownik ruchu zak adu okre la w a ciw cz stotliwo pomiaru i miejsca pobierania próbek powietrza do analizy laboratoryjnej w zale no ci od lokalnych warunków. Strona 13
III. Propozycje zmian dotychczas obowi zuj cych sposobów pomiarów parametrów fizycznych i chemicznych powietrza przep ywaj cego przez wyrobiska górnicze uj tych w przepisach Ministra Gospodarki Na podstawie analizy przedstawionych powy ej informacji dotycz cych pomiarów przyrz dami przeno nymi (r cznymi) parametrów fizycznych i chemicznych powietrza w kontek cie oceny zagro enia po arowego przyj tych w Polsce i w wybranych krajach wynika, e szczegó owe wytyczne odno nie dok adno ci, cz stotliwo ci i sposobu pomiarów parametrów fizycznych i chemicznych powietrza w odniesieniu do oceny stanu zagro enia po arowego z regu y nie s uj te w dost pnych przepisach tak polskich jak i zagranicznych. Jest to zrozumia e poniewa w przemy le górniczym wyst puje du e zró nicowanie warunków technicznych i naturalnych, co utrudnia skodyfikowanie procedur pomiarowych. W naszej opinii nale y pozostawi w ich obecnym kszta cie obecnie obowi zuj ce rozwi zania zawarte w polskich przepisach [1], które jedynie ogólnie reguluj techniczne aspekty pomiarów. W toku pracy opracowano szereg propozycji zapisów w przepisach górniczych oraz w przyj tych w Polsce sposobach pomiaru parametrów chemicznych i fizycznych powietrza przyrz dami przeno nymi, których uwzgl dnienie, naszym zdaniem, mog oby pomóc w zwalczaniu zagro enia po arowego w kopalniach w gla kamiennego: Regulacje odnosz ce si do pomiaru st enia tlenku w gla w strefach zrobowych w celu ustalenia wska nika Grahama mo na uzupe ni o mo liwo uwzgl dnienia pomiaru zawarto ci tlenku w gla w pr dzie dop ywaj cym jako parametru uwzgl dnianego przy obliczaniu ubytku tlenu mianownika we wzorze na obliczanie tego wska nika. Wg dotychczas obowi zuj cych przepisów wska nik Grahama oblicza si jako stosunek zawarto ci CO do ubytku tlenu obliczanego jako ró nica pomi dzy zawarto ci tlenu w zrobach a iloczynem zawarto ci azotu i wspó czynnika 0,265. Wzór ten jest w naszej opinii zbyt uproszony. Idea wska nika Grahama zasadza si na oszacowaniu ilo ci tlenu zu ytej do wytworzenia tlenku w gla. Wiadomo, e wraz z temperatur reakcji proces utleniania staje si bardziej wydajny i coraz wi cej tlenu jest zu ywane do wytworzenia produktów utleniania, takich jak tlenek w gla i dwutlenek w gla. Dlatego te istot stanu zagro enia w zrobach lepiej oddaje wska nik obliczany jako stosunek przyrostu CO do rzeczywistego ubytku tlenu. Strona 14
Wobec powy szego, w naszej opinii, w punkcie dotycz cym wska nika Grahama powinna by mowa ogólnie o wska niku Grahama bez podawania powy szego wzoru, lub te podana wy ej idea wska nika. Wynika to z faktu, e w zale no ci od dost pnych pomiarów wska nik Grahama mo e by obliczany w sposób uproszczony, jak w obowi zuj cych przepisach, albo te przy pomocy wzorów uwzgl dniaj cych pomiary sk adu powietrza na wlocie do strefy zawa owej lub zaizolowanej. Jedn z postaci tego wzoru przytoczono powy ej przy omawianiu rozwi za stosowanych w Australii. Dla sprawnego obliczania wska nika ilo ci tlenku w gla w pr dach obiegowych nale y wyposa y s u by kopalnianie w przyrz dy umo liwiaj ce zintegrowany jednoczesny pomiar tlenku w gla i pr dko ci powietrza wentylacyjnego po wprowadzeniu wielko ci przekroju poprzecznego w danej stacji pomiarowej mo liwy by yby natychmiastowy odczyt warto ci wska nika ilo ci powietrza. Zbudowane na podobnej jak podana wy ej zasadzie metanomierze umo liwi aby szybk ocen bie cej warto ci metanowo ci bezwzgl dnej w pr dzie powietrza prowadzonym przez dan stacj pomiarow, co by oby równie korzystne dla oceny zagro enia po arowego w danym rejonie. Ponadto w odniesieniu pomiaru wydatku powietrza w stacjach pomiarowych równocze nie z pobieraniem próbek do wczesnego wykrywania po arów postulujemy zalecenie d enia do zak adania stacji pomiarowych dla wczesnego wykrywania po arów endogenicznych w miejscach stacji pomiarowych rejestrowanych w g ównej ksi ce przewietrzania. Pozwoli to na zwi kszenie dok adno ci i powtarzalno ci wyników pomiaru przekroju porzecznego wyrobisk, a w konsekwencji wydatku powietrza i przez to dok adniejsze oszacowanie ilo ci tlenku w gla i innych gazów wytwarzanych w monitorowanym rejonie. Ponadto, nale y zauwa y, e w przepisach i przyj tych sposobach pomiaru zawarto ci gazów w zrobach i przestrzeniach zaizolowanych nale a oby uwzgl dni fakt, e na warto pomiaru zawarto ci tlenu, azotu i pozosta ych gazów mog mie wp yw ró ne, trudne do ilo ciowego uj cia zjawiska, takie jak: - rozcie czanie azotu przez metan wydzielany do przestrzeni zrobowej, - rozcie czanie b d dodawanie azotu poprzez mieszaniny gazowe stosowane do inertyzacji zrobów, - zwi kszanie zawarto ci azotu w stosunku do tlenu poprzez procesy zu ywaj ce tlen ale nie wytwarzaj ce tlenku w gla (adsorpcja, inne reakcje chemiczne). Strona 15
Wszystkie te czynniki maja wp yw na niedoszacowania lub przeszacowanie warto ci wska ników opartych na ubytku tlenu i przyro cie tlenku w gla lub innych gazów takich jak etylen i propylen. Wobec powy szego nale y uczyni mniej ostrym kryterium zagro enia po arowego opartego na warto ci wska nika Grahama podanego w przepisach [1] i uzale ni podj cie dzia a profilaktycznych po przekroczeniu odpowiednich progów liczbowych (0,0025 0,007 i 0,03) od dodatkowej oceny uwzgl dniaj cej powy sze zjawiska, ew. przeprowadzanej w konsultacji z rzeczoznawc. Celowe jest te wprowadzenie do przepisów mo liwo ci zastosowania odpowiedniej procedury normalizacyjnej dla alternatywnej interpretacji stanu zagro enia. tak jak to jest stosowane w niektórych krajach omówionych powy ej. W nast pnych etapach projektu, w szczególno ci w pracach podczas etapu 10 Okre lenie minimalnej dok adno ci (lub maksymalnego b du pomiarowego) analiz chemicznych powietrza zrobowego dla ka dego mierzonego parametr zostanie okre lona zalecana procedura normalizacyjna dla oszacowania rzeczywistej zawarto ci poszczególnych gazów w zrobach, w szczególno ci zawarto ci tlenu, tlenku w gla oraz w glowodorów nienasyconych i wodoru. Okre lone zostan równie procedury oceny czu o skro nej przeno nych przyrz dów pomiarowych dopuszczanych do u ytku w wyrobiskach podziemnych oraz konieczno kalibracji takich przyrz dów (jak równie czujników gazometrycznych) w warunkach zbli onych do typowych warunków do owych (wilgotno, temperatura, ci nienie). Strona 16
Wnioski 1. Pomiary parametrów fizycznych i chemicznych za pomoc przyrz dów przeno nych w kontek cie oceny zagro enia po arami endogenicznymi stanowi istotne uzupe nienie systemu monitoringu tego zagro enia. Ich naturaln zalet jest mo liwo zastosowania we wszystkich miejscach dost pnych dla osób wykonuj cych pomiary, a wi c g ównie w pr dach obiegowych powietrza oraz atwo wykonania pomiaru. Wobec rozwoju gazometrii automatycznej pomiar przyrz dami przeno nymi sta si metod uzupe niaj ca monitoringu, nale y jednak d y do w czenia wyników bie cych pomiarów do systemów informacyjnymi s u cym do zarz dzania bezpiecze stwem ruchu zak adów górniczych 2. Ujecie aspektów technicznych pomiarów przyrz dami przeno nymi w obecnie obowi zuj cy przepisach jest dostatecznie szczegó owe. Nale y jednak dopu ci w przepisach mo liwo normalizacji wyników pomiarów. Nast powa o by to w przypadkach gdy pomiary sk adu gazowego atmosfery w strefach zawa owych lub otamowanych s zak ócane w wyniku rozcie czenia próbki ewentualnie zastosowania inertyzacji. W konsekwencji warto ci kryterialne wska ników po arowych, w szczególno ci wska nika Grahama powinny podane jako warunkowe, podlegaj ce ocenie zale nej od wyników takiej normalizacji wyników pomiaru. 3. Przepis dotycz cy sposobu obliczania wska nika Grahama nale y sformu owa w sposób bardziej ogólny, dopuszczaj cy mo liwo obliczania ubytku tlenu i przyrostu tlenku w gla w sposób bezpo redni na podstawie wyników pomiarów z dwóch stacji pomiarowych. 4. Nale y wprowadzi do praktyki górniczej przyrz dy pomiarowe umo liwiaj ce szybk ocen ilo ci tlenku w gla wydzielanego w rejonie oraz chwilowej warto ci metanowo ci bezwzgl dnej, poprzez integracj anemometrów górniczych z czujnikami metanu oraz tlenku w gla. 5. Nale y d y do wprowadzenia obowi zku kalibracji przyrz dów do pomiaru zawarto ci poszczególnych sk adników chemicznych powietrza w warunkach rodowiskowych zbli onych do typowych warunków do owych. Ponadto nale y okre li i wprowadzi do praktyki procedur oceny czu o ci skro nej czujników wykrywaj cych poszczególne gazy dla okre lenia ilo ciowego wp ywu obecno ci innych sk adników powietrzu kopalnianym i uwzgl dnienia tych zale no ci w interpretacji wyników pomiaru. Strona 17
Literatura 1] Rozporz dzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpiecze stwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpo arowego w podziemnych zak adach górniczych (Dz. U. Nr 139, poz. 1169 oraz z 2006 r. Nr 124, poz. 863) [2] John W. Grubb Preventative measures for spontaneous combustion in underground coal mines,(niepublikowana praca doktorska), Faculty and the Board of Trustees of the Colorado School of Mines, 2007 [3] Technical Reference for Spontaneous Combustion Management Guideline (Zalecenia techniczne odno nie kontroli zagrozenia po arami endogenicznymi) Mine Safety Operations Branch Industry and Investment NSW, May 2011 [4] R. L. Derick, R. J. Timko METHODS TO DETERMINE THE STATUS OF MINE ATMOSPHERES AN OVERVIEW Strona Internetowa NIOSH, Pittsburgh, USA [5] Decyzja nr 10/1990 Rejonowego Urz du Górniczego w Ostrawie, sygn. akt. 10/1990-400- lng. P/M1, OBU Ostrawa 1990 [6] Alois ADAMUS Przepisy reguluj ce monitorowanie gazów po arowych w procesie samozapalenia w gla w Okr gu Ostrawsko-Karwi skim, Kwartalnik WUG, 2008 Strona 18
Strona 1