ZROBY POEKSPLOATACYJNE JAKO ŹRÓDŁO ZAGROŻENIA GAZOWO-TERMICZNEGO W KOPALNIACH PODZIEMNYCH

Nr 3 Prace Naukowe Insyuu Górncwa Polechnk Wrocławskej Nr 3 Suda Maerały Nr 3 2005 Andrzej STRUMIŃSKI, Barbara MADEJA-STRUMIŃSKA zagrożena aerologczne, szczelność am, zmany cśnena baromerycznego w zrobach ZROBY POEKSPLOATACYJNE JAKO ŹRÓDŁO ZAGROŻENIA GAZOWO-TERMICZNEGO W KOPALNIACH PODZIEMNYCH W arykule przedsawono koncepcję oceny zman czasowych cśnena barycznego w przesrzen oamowanych zrobów lub pól pożarowych przy znżkach lub zwyżkach baromerycznych. Przedsawona meoda umożlwa wyznaczane współczynnków wyrównywana cśneń, ocenę szczelnośc zolacj zamknęych przesrzen oraz analzę zagrożeń zwązanych z wymanę amosfery zrobowej lub pól pożarowych z czynnym wyrobskam górnczym. Problemaykę arykułu zlusrowano 5-coma uogólnonym przykładam zaczerpnęym z prakyk górnczej kopalń węgla kamennego rud medz.. WSTĘP Zmany cśnena baromerycznego powerza w kopalnach podzemnych mogą leżeć u podsaw welu zagrożeń aerologcznych. W szczególnośc zmany e powodują zw. oddychane zrobów (Budryk, 95, Kajdasz n., 2002, Srumńsk & Madeja- Srumńska, 2004) przejawające sę wypływem gazów zrobowych do czynnych wyrobsk górnczych w czase gwałownych znżek baromerycznych oraz dopływem powerza do zrobów w okresach zwyżek barycznych. W welu przypadkach gazy zrobowe mają właścwośc duszące, oksyczne, wybuchowe oraz wysoką emperaurę. Wypływ ych gazów do czynnych wyrobsk, zawsze wąże sę dużym zagrożenem dla załóg górnczych. Znane są z prakyk górnczej lczne śmerelne wypadk pracownków przebywających w sąsedzwe zrobów, z kórych wypływające gazy były prakyczne pozbawone lenu. W pokładach meanowych w czase znżek baromerycznych częso dochodz do znacznych wypływów meanu ze zrobów do wyrobsk, w kórych prowadzone są roboy górncze. Nekedy powoduje o duże urudnene normalnego procesu echnologcznego, a nawe może być przyczyną kaasrofy górnczej wywołanej KGHM CUPRUM, sp. z o.o. Cenrum Badawczo-Rozwojowe we Wrocławu, Wrocław, pl. Maja /3 Insyu Górncwa Polechnk Wrocławskej, pl. Tearalny 2, 50-05 Wrocław e-mal: barbara.madeja-srumnska@pwr.wroc.pl

88 wybuchem meanu. Groźne dla załóg górnczych są akże wypływy gazów pożarowych z oamowanych pól pożarowych, jeśl zawerają one znaczne sężena gazów oksycznych, a zwłaszcza lenku węgla. Ponado jeśl gazy zrobowe mają podwyższoną emperaurę, o dołączając sę do prądów powerznych płynących do robó eksploaacyjnych mogą wyraźne pogorszyć warunk klmayczne w mejscach pracy. Przy zwyżce barycznej powerze przepływające czynnym wyrobskam górnczym przenka do zrobów lub odzolowanych pól pożarowych, co może być przyczyną uworzena sę w zrobach wybuchowej meszanny meanu powerza, powsana pożaru endogencznego w zrobach, bądź eż wzmożena akywnośc pożaru w oamowanej przesrzen. Naężene wysępowana wymenonych zagrożeń można m.n. wązać z różncą cśneń mędzy zolowanym przesrzenam, a wyrobskam czynnym oraz szczelnoścą zolacj ych przesrzen. Jes przy ym oczywse, że m wększa jes różnca ych cśneń m szczelność zolacj określonej przesrzen kopaln jes mnejsza, ym nensywność ego przepływu jes wększa. W zwązku z ym opracowane są różne koncepcje elmnowana wpływu zman cśnena baromerycznego na dopływ lub wypływ powerza z zolowanych przesrzen w kopalnach podzemnych (Budryk, 95, Kajdasz n., 2002, Szlązak J., 984). W nnejszym arykule przedsawamy próbę oceny loścowej ego procesu, przy czym zakładamy, że zroby poeksploaacyjne lub pola pożarowe są mnej lub bardzej szczelne odzolowane od czynnych wyrobsk górnczych. 2. PRZYBLIŻONA OCENA ZMIAN CZASOWYCH CIŚNIENIA BAROMETRYCZNEGO W PRZESTRZENI ZROBÓW LUB PÓL POŻAROWYCH Długorwałe badana zman cśnena baromerycznego na powerzchn kopalń wykazały (Waslewsk, 2003, 2004), że w okresach lench ch przebeg jes na ogół spokojny, a gwałowne zmany są rejesrowane rzadko. Szybke zmany cśnena o dużych ampludach obserwuje sę zwykle w czase późnej jesen (lsopad, grudzeń) oraz w zme. Zmany cśnena w ych okresach mogą przekraczać nawe 50 hpa w cągu ygodna, a przenosząc sę do podzemnych wyrobsk górnczych mogą wywerać bardzo duży wpływ na zagrożene w kopaln zwązane z wypływem gazów zrobowych z oamowanych przesrzen. Taka bowem zmana cśnena baromerycznego jes równoważna oddzaływanu na dole kopaln dużego wenylaora ssącego o spęrzenu 5000 Pa. W pracy (Waslewsk, 2004) podaje sę m.n., że w cągu 30 godzn zarejesrowano znżkę baryczną wynoszącą około 30 hpa, przy czym dynamka zman cśnena wynosła 4 hpa/godz.

89 Przy ak gwałownych znżkach barycznych znaczny wypływ meanu lub gazów pożarowych z oamowanych przesrzen kopalń do wyrobsk, w kórych przebywa załoga może wązać sę nawe z poważną kaasrofą górnczą. Inensywność wypływu gazów zrobowych do czynnych wyrobsk jes ym wększa m krószy jes okres wyrównywana sę cśneń wewnąrz przesrzen zamknęej z cśnenem na zewnąrz ej przesrzen w warunkach określonej znżk barycznej. Jeśl przy danej znżce baromerycznej okres wyrównywana sę wymenonych cśneń jes odpowedno dług, o może o śwadczyć o dużej szczelnośc zolacj zamknęej przesrzen kopaln. Borąc o pod uwagę dla oceny szczelnośc zolacj zrobów lub pól pożarowych można brać pod uwagę dynamkę zman cśnena w oamowanej przesrzen, j. czas wyrównywana sę cśneń mędzy ą przesrzeną a czynnym wyrobskam górnczym. W celu wyznaczena odpowednch zależnośc analycznych, nżej rozważa sę pole pożarowe A obejmujące ślepy chodnk (rys. ), kóry jes zamknęy jedną amą pożarową T. Zakładamy, że w chwl rozpoczynana badań, j. dla τ = 0, cśnena baromeryczne w polu pożarowym w chodnku przed amą pożarową są równe wynoszą p 0 (Pa). Od ego momenu cśnene na zrębe szybu zaczyna spadać, przy czym zmany e przenoszą sę z prędkoścą dźwęku przed amę pożarową T od srony chodnka z prądem opływowym. W marę upływu czasu maleje równeż cśnene w polu pożarowym. Dla elemenarnego przedzału czasu dτ w polu pożarowym nasępuje spadek cśnena dp. Tak węc prędkość zman ego ćśnena (rys. 2) może być wyrażona równanem różnczkowym dp = R( p p s ) () dτ gdze: R współczynnk proporcjonalnośc, p cśnene baromeryczne w polu pożarowym, Pa, p s cśnene przed amą pożarową, Pa. Rozwązując wymenone równane uzyskuje sę zależność ( τ) = p ( τ) + Cexp( Rτ) p s (2)

90 2 V 2 T W3 p s p P V chodnk S p s Rys.. Pole pożarowe A obejmujące ślepy chodnk Fg.. A fre feld coverng he blnd drf. A B D p C p-p s dτ =AB, R=/AD dp=bc, p-p s =DE E p s (τ)=dem τ Rys. 2. Przyblżony przebeg zman cśnena w polu pożarowym A wywołany znżką cśnena przed amą T Fg. 2. Approxmae course of pressure changes n he A fre feld caused by he drop of pressure n fron of T soppng.

9 Sałą całkowana C wyznaczamy z warunku począkowego, przy czym przyjmujemy ż dla τ = 0, p(τ) = p 0. Przy ym założenu sała C dana jes wzorem ( τ) C = p 0 ps (3) Uwzględnając zależność (3) we wzorze (2) uzyskuje sę równane p ( τ) = p ( τ) + [ p p ( τ) ] exp( Rτ) s 0 s (4) Z warunku dodakowego wyznaczamy współczynnk proporcjonalnośc R. Przyjmujemy przy ym, że po czase τ = τ > 0 cśnene za amą pożarową T obnżyło sę do p(τ ). Ze wzoru (4) uzyskujemy wówczas ( ) = p ( τ ) + [ p p ( τ )] exp( τ ) p τ (5) s 0 s R Wyznaczając z zależnośc (5) newadomą R orzymujemy ( τ ) ps ( τ ) ( ) p 0 s τ p R = ln (6) τ p Dalej R jes nazywany współczynnkem wyrównywana cśnena w odzolowanej przesrzen kopaln, przy czym [R] = h -. Współczynnk en w pewnym sense charakeryzuje szczelność zamknęca ej przesrzen. Ze skojarzena wzorów (4) (6) wynka zależność ( τ ) ps ( τ ) p p ( τ ) p p() τ = ps () τ + [ p 0 ps () τ ] (7) 0 s na podsawe, kórej można wyznaczyć cśnene baromeryczne w zamknęej częśc kopaln po upływe określonego czasu τ(h). Na podsawe wzorów (4) (6) można równeż wyznaczyć czas po upływe kórego cśnene w zolowanej częśc kopaln zrówna sę z cśnenem panującym w czynnych wyrobskach górnczych, oczywśce, jeśl określona zwyżka baryczna będze odpowedno długorwała. Korzysa sę przy ym z zależnośc [ p( τ) ps ( τ) ] ln[ p 0 ps ( τ) ] [ p( τ ) p ( τ )] ln[ p p ( τ )] ln τ = τ (8) ln s Sosując wzór (8) zakłada sę, że dopuszczalna różnca mędzy p(τ)-p s (τ) może wynosć Pa. Wówczas wzór en przyjmuje posać ln [ p 0 ps ( τ ) = τ ] ln[ p( τ ) p ( τ )] ln[ p p ( τ )] s 0 τ (9) 0 s s τ τ

92 Przyjęce wymenonego założena oznacza, że wyrównane cśneń nasępuje z dokładnoścą do + Pa. Przykład Rozważa sę wyrównywane cśneń baromerycznych w polu pożarowym A przedsawonym na rys.. W chwl rozpoczynana badań, cśnene baromeryczne w wynku długego urzymywana sę sałego cśnena było jednakowe za przed amą pożarową T wynosło p 0 = 00000 Pa. Od ego momenu rozpoczął sę spadek cśnena. Po upływe 6 godzn cśnene o za amą pożarową wynosło p(6) = 99325 Pa, a przed amą mało warość p s (6) = 99000 Pa. Należy wyznaczyć warość cśnena w polu pożarowym po upływe 20 30 godzn, jeśl zmerzone w ym czase cśnena przed amą pożarową wynosły odpowedno p s (20) = 98430 Pa p s (30) = 98000 Pa, przy założenu R = dem. Rozwązując posawony problem w perwszej kolejnośc wyznaczamy współczynnk R wyrównywana cśnena korzysając ze wzoru (6), przy czym uzyskuje sę R = 0,8732h Nasępne ze wzoru (4) wyznaczamy cśnene jake będze panować w polu pożarowym: - po upływe czasu τ = 20 h p(20) = 98467 Pa - po upływe czasu τ = 30 h p(30) = 98007 Pa Czas po kórym dojdze do wyrównana cśneń barycznych przed za amą pożarową T można wyznaczyć z zależnośc (9). Podsawając odpowedne dane do ego wzoru orzymujemy τ = 4 h. Oznacza o, że przy długorwałej znżce barycznej wypływ gazów pożarowych z pola pożarowego do wyrobska z prądem opływowym (rys. ) może rwać do 4 godzn. W przypadku gdy po długorwałym urzymywanu sę zrównoważonego cśnena przed za amą pożarową nasępuje zwyżka baryczna, o sposób oceny wyrównywana sę cśneń w przyblżenu przebega według krzywej podanej na rys. 3. Wzory z kórych należy korzysać w ym przypadku mają nasępującą posać: - zmany cśnena barycznego () τ = p ( τ) [ p ( τ) p ] exp( Rτ) p s 0 s (0) - współczynnk wyrównywana cśnena ps ( τ ) p( τ ) R = ln () τ ps ( τ ) p 0

93 - czas nezbędny do wyrównana cśneń ln[ ps ( τ) p 0 ] [ p ( τ ) p( τ )] ln[ p ( τ ) p ] τ = τ (2) ln s We wzorach od (0) do (2) odpowedno oznaczają: p 0 cśnene począkowe dla warunków zrównoważonych przed za amą T, p(τ ) cśnene w oamowanej przesrzen po upływe czasu τ oraz p s (τ ) odpowedna warość cśnena zwyżkującego przed amą pożarową T w czase τ. p s s 0 A C B E p s (τ)=dem p s -p dτ = AB, R=/AD dp = BC, p s -p=de p Rys. 3. Przyblżony przebeg zman cśnena w polu pożarowym A wywołany zwyżką cśnena przed amą T Fg. 3. Approxmae course of pressure changes n he A fre feld caused by he rse of pressure n fron of T soppng. Przykład 2 Nech pole pożarowe przedsawone na rys. znajduje sę w warunkach znacznej zwyżk barycznej, przy czym za amą pożarową T panuje cśnene począkowe p 0 = 00325 Pa. Po upływe czasu τ = 3 h cśnene w polu pożarowym (za amą T) wynosło p(3) = 0089 Pa, a cśnene zwyżkujące było równe p s (3) = 0000 Pa. Wychodząc z wymenonych danych należy wyznaczyć współczynnk wyrównywana cśnena, warość cśnena w polu pożarowym po τ = 24 h oraz czas, po kórym nasąp wyrównane cśnena przed za amą T jeśl usal sę cśnene przed ą amą na pozome p s (τ) = 0400 Pa. Korzysając ze wzorów (), (0) (2) uzyskuje sę: - współczynnk wyrównywana cśnena τ R = 0,0247 h -

94 - cśnene w polu pożarowym po upływe czasu τ = 24 h p(24) = 0305 Pa - czas po kórym nasąp wyrównane cśneń za przed amą τ = 69 h Z analzy przykładów 2 wynka, że współczynnk wyrównywana cśneń dla rozważanego pola pożarowego (rys. ) przy wypływe gazów z pola pożarowego ma znak (-), a przy dopływe powerza do pola znak (+). Jeśl pole pożarowe lub zroby poeksploaacyjne są zolowane klkoma amam wskazane jes wyznaczene współczynnka wyrównywana cśneń R dla wszyskch am lub nnych zamknęć zolowanych przesrzen. Znajomość ych współczynnków umożlwa bowem wyznaczane cśnena za amam w zależnośc od zwyżek lub znżek barycznych w czynnych wyrobskach sąsadujących z oamowanym zrobam lub polam pożarowym. Należy zaznaczyć, że począkowe cśnene w zamknęej częśc kopaln w chwl rozpoczynana badań, według omówonej procedury, może ne być równe cśnenu przed amam zolacyjnym lub pożarowym. Wówczas w wyżej wyszczególnonych wzorach w mejsce p 0 należy podsawać cśnene począkowe p p panujące w zolowanej częśc kopaln w chwl τ = 0. 3. OCENA SZCZELNOŚCI ZAMKNIĘĆ ZROBÓW LUB PÓL POŻAROWYCH Wymana gazów zrobowych lub gazów pożarowych w oamowanej przesrzen z powerzem kopalnanym wysępującym w czynnych wyrobskach górnczych odbywa sę przez neszczelność am zolacyjnych, spękany górowór, podsadzkę oraz przez zroby (Szlązak J., 2002). Szczelność am zolacyjnych zależy od welu czynnków, a zwłaszcza od rodzaju amy jej konsrukcj, rodzaju jakośc maerału z kórego zbudowana jes ama, wymarów geomerycznych oraz różncy cśneń zachodzących w ame. W publkacjach doyczących szczelnośc am (Drenda, 984, Madeja-Srumńska & Srumńsk, 2004b, Rosek n., 998) są podawane różne zależnośc analyczne umożlwające wyznaczane sra powerza dla określonych rodzajów am. W szczególnośc w pracy (Rosek n., 998) podaje sę zależność p V& = k B (3) b gdze: k - współczynnk przepuszczalnośc powerza [m 3,5 /(N 0,5 s)], B obwód amy [m],

95 p różnca cśneń zachodząca w ame [Pa], b grubość amy [m], Wzór (3) może być sosowany wówczas, gdy znany jes współczynnk przepuszczalnośc k, różnca cśneń p oraz paramery geomeryczne amy B b. Według pracy (Rosek n., 998) współczynnk przepuszczalnośc powerza dla am pełnych wykonanych z beonów mogą przykładowo przyberać warośc wyszczególnone w abel. Tabela Współczynnk przepuszczalnośc powerza dla am pełnych wykonanych z beonów w kopalnach LGOM Klasa amy Bardzo szczelna Szczelna Średno szczelna Mało szczelna Neszczelna Współczynnk przepuszczalnośc powerza [m 3,5 /(N 0,5 s)] 0 3 k 2,5 2,5 < 0 3 k 5 5 < 0 3 k 0 0 < 0 3 k 20 0 3 k > 20 ch T TR V 2 V chodnk W Rys. 4. Ocena szczelnośc zamknęca chodnka ch Fg. 4. Evaluaon of ch drf closng leakghness Jeśl w oparcu o bezpośredne pomary można wyznaczyć różncę cśneń zachodzącą w ame T oraz srumeń objęośc powerza ( V & = V& V&, rys. 4) przepływający przez amę górowór (uszczelnene chodnka ch ), o elemenarny srumeń objęośc powerza d V & przepływający przez o uszczelnene wywołany różncą cśneń d( p) jes proporcjonalny do V &. Można węc napsać równane różnczkowe (rys. 5) 2

96 gdze k współczynnk proporcjonalnośc. dv& d = kv& ( p) W przypadku gdy gazy zrobowe wypływają z oamowanej przesrzen do wyrobska czynnego, wówczas równane (4) ma posać dv& = kv& (5) d p ( ) Całkując równane (4) uzyskuje sę ogólne rozwązane ego równana w posac ( k p) V & = Cexp (6) Dokonując odpowednch pomarów p V & wyznaczamy sałą całkowana C, a manowce: C = V & exp k p (7) ( ) (4) V V =f( p) V V d =AC, =BD d( p)=0a, k=/0b D C 0 A B p Rys. 5. Przyblżony przebeg zman srumena objęośc powerza przepływającego przez uszczelnene chodnka ch w zależnośc od warośc p Fg. 5. Approxmae course of changes of ar flow volume passng hrough he sealng of ch drf dependng on p value Przy nnym przydławenu amy TR (rys. 4) uzyskuje sę p 2 wzorów (6) (7) uzyskuje sę ln V& k = p 2 ln V& p 2 V & 2, przy czym ze (8)

Tak węc na podsawe dwukronego pomaru 97 p można wyznaczyć warośc C k nerwenujące w równanu (6). Równane (6) przy znanych waroścach C k umożlwa wyznaczene srumena objęośc powerza V & przepływającego przez uszczelnene chodnka ch sanowącego połączene mędzy zrobam lub polem pożarowym, a czynnym wenylacyjne wyrobskem W (rys. 4.). Przykład 3 Rozważa sę amę zolacyjną T w chodnku ch zolującą zroby od chodnka W (rys. 4). Przy odpowedno przymknęej ame regulacyjnej TR lośc powerza w węzłach 2 wynosły odpowedno: V & = 5,0 m 3 /s V & 2 = 4,5 m 3 /s, a różnca cśneń w ame T była równa p = 00 Pa. Po dalszym przymknęcu amy TR uzyskano: V & = 3,5 m 3 /s, V & 2 = 2,8 m 3 /s oraz p 2 = 30 Pa. W oparcu o e dane wyznaczono srumene objęośc powerza wnkające do zrobów przy perwszym drugm położenu zasuwy regulacyjnej w ame TR, a manowce V & = 0,5 m 3 /s V & = 0,7 m 3 /s. 2 Korzysając ze wzoru (8) dla uszczelnena chodnka ch amą T uzyskuje sę nasępującą warość współczynnka k, nazywanego dalej współczynnkem szczelnośc, przy czym k = -0,022 Pa -. Wobec ego wzór (6) na srumeń objęośc powerza wpływającego do zrobów przez amę T jej ooczene, przy C = 0,628 m 3 /s (7) przybera posać & = 0,628exp 0,022 p (6a) V V & ( ) W oparcu o wymenony wzór można wyznaczyć srumeń objęośc powerza jak wpływa do zrobów z wyrobska W (rys. 4) przy określonym p. Z ww. zależnośc wynka m.n. o, że w pewnych warunkach, zn. gdyby różnca cśneń w ame T wnosła p = 305,24 Pa, o lość powerza wpływającego do zrobów byłaby równa V & = & = 5 m 3 /s, czyl cały srumeń powerza z wyrobska V W wpływałby do oamowanej przesrzen przez amę T (uszczelnene chodnka ch). W przypadku wypływu gazów zrobowych spoza amy T (rys. 6.), ogólne rozwązana równana różnczkowego (5) ma posać & = Cexp k p (9) V ( ) Wzory odpowadające zależnoścom (7) (8) są nasępujące: oraz ( k p ) C = V & exp (20)

98 Przykład 4 ln V& k = p 2 2 ln V& p W celu określena współczynnka szczelnośc amy T2 skał oaczających ę amę, dokonano dwukronych pomarów lośc powerza w wyrobsku W2 (rys. 6) przy różnych położenach zasuwy w ame TR2. Srumene objęośc powerza w węzłach 2 przy perwszym położenu zasuwy w ame TR2 wynosły: V & = 4 m 3 /s V & 2 = 4,6 m 3 /s przy p = 0 Pa, a przy drugm położenu ej zasuwy odpowedno: V & = 3,0 m 3 /s, V & 2 = 3,9 m 3 /s p 2 = 43 Pa. Borąc pod uwagę wymenone pomary określono srumene objęośc gazów zrobowych wypływających spoza amy T2, przy czym przy perwszym położenu zasuwy w ame TR2 uzyskano V & = 0,6 m 3 /s, a przy drugm V & = 0,9 m 3 /s. 2 Dla przyoczonych wynków pomarów ze wzoru (2) uzyskuje sę nasępującą warość współczynnka szczelnośc k = 0,0229 Pa -. Warość sałej całkowana wg wzoru (20), dla ego przypadku wynos C = 0,552 m 3 /s. (2) TR 2 ch 2 T 2 2 V V 2 chodnk W2 Rys. 6. Ocena szczelnośc zamknęca chodnka ch2 Fg. 6. Evaluaon of ch 2 drf closng leakghness Borąc pod uwagę wymenone warośc, wzór (9) umożlwający wyznaczene lośc wypływających gazów zrobowych spoza amy T2 przy określonym p przybera posać & = 0,552 exp 0,0229 p (9a) V ( ) Należy zauważyć, że wzór (9a) w odnesenu do amy T2 (rys. 6) może meć zasosowane ylko przy p neprzekraczającym warośc p = 264,40 Pa. Przy ej bowem warośc p spoza amy wypływałoby V & = 4,0 m 3 /s, j. yle gazów

99 zrobowych le dopływało powerza do węzła przy perwszym położenu zasuwy regulacyjnej w ame TR2. 4. ZAGROŻENIE ZWIĄZANE Z WYMIANĄ ATMOSFERY ZROBOWEJ Z CZYNNYMI WYROBISKAMI GÓRNICZYMI Zagrożena zwązane z wymaną amosfery zrobowej lub pól pożarowych z czynnym wyrobskam górnczym, wąże sę główne z wypływem z oamowanych przesrzen gazów oksycznych, duszących lub wybuchowych, zwykle o znaczne podwyższonej emperaurze. W zależnośc od nensywnośc wypływu ych gazów z oamowanych przesrzen w określonych prądach powerznych mogą być przekroczone dopuszczalne sężena (Dz. U. Nr 39, poz. 69, 2002) akch gazów jak: CO 2, CH 4, CO bądź eż obnżone sężene O 2 ponżej grancy dopuszczalnej. W wynku wypływu gazów o podwyższonej emperaurze może nawe dojść do przekroczena grancznych warośc emperaury powerza w określonych wyrobskach. Inensywny wypływ gazów z oamowanych przesrzen w kopalnach podzemnych ma na ogół mejsce w czase gwałownych znżek barycznych (rozdzał 2). Ilość wymenonych naomas gazów mędzy zrobam lub polam pożarowym wąże sę ścśle ze szczelnoścą zolacj ych przesrzen (rozdzał 3). Jeśl znane są dla poszczególnych zamknęć zrobów lub pól pożarowych warośc współczynnków wyrównywana cśneń R oraz współczynnk szczelnośc k, o możlwe jes wyznaczene w określonym czase τ różncy cśneń w ych zamknęcach przy znżce barycznej wyznaczene na ej podsawe srumen gazów wypływających z ych przesrzen do czynnych wyrobsk górnczych. Jeśl dodakowo znany jes skład chemczny gazów wypływających z oamowanych przesrzen do wyrobsk czynnych oraz ch emperaura, a akże lość płynącego powerza ym wyrobskam, o można określć wzros zagrożena aerologcznego (gazowego emperaurowego). Jeśl spoza amy zolującej zroby wypływa srumeń gazów zrobowych V & (m 3 /s), kóry zawera =, 2,..., I składnków o sężenu r (% obj.), o srumene objęośc poszczególnych składnków V (m 3 /s) można wyznaczyć z zależnośc V & = V & r (22) W wyrobsku czynnym, w kórym płyne opływowy prąd powerza V & sężena poszczególnych składnków ego powerza wynoszą r ( =, 2,..., I). Wobec ego srumene objęośc ych składnków mogą być wyznaczone ze wzoru V & = V& r (23)

200 Srumene mas składnków gazów zrobowych lub powerza kopalnanego =, 2,..., I wyznacza sę korzysając z zależnośc (Madeja-Srumńska & Srumńsk, 998): - dla gazów zrobowych m& = & ρ (24) V - dla powerza w prądze opływowym przed mejscem dopływu gazów zrobowych ρ ρ m& = V & ρ (25) Gęsośc mogą być określone w oparcu o abelę 2 oraz wzór wynkający z równana sanu gazów doskonałych (Madeja-Srumńska & Srumńsk, 998), a manowce: - dla gazów zrobowych p Tn ρ = ρn (26) p T - dla powerza w prądze opływowym przed mejscem dopływu gazów zrobowych n p T ρ s n = ρ n (27) p n Ts gdze: p cśnene sayczne, bezwzględne za amą zolacyjną zmerzone lub np. wyznaczone ze wzoru (0) [Pa], ρ n - gęsość -ego składnka gazów zrobowych lub powerza kopalnanego w warunkach normalnych, j. dla T n = 273,5 K p n = 0325 Pa, T emperaura bezwzględna gazów zrobowych [K], p s cśnene sayczne, bezwzględne określone w drodze pomarów bezpośrednch przed amą zolacyjną [Pa], T s emperaura bezwzględna powerza przed ą amą [K]. Całkowy srumeń masy gazów w wyrobsku poza mejscem dołączana sę gazów może być wyznaczony ze wzoru m & m& m& (28) C = + Udzały masowe poszczególnych składnków naomas określamy z zależnośc g m& + m& = (29) m& C Tabela 2

20 Masy drobnowe oraz gęsośc w warunkach normalnych nekórych gazów Rodzaj gazu Wzór chemczny Masa drobnowa Gęsość w warunkach normalnych - - - kg/m 3 Hel Argon Powerze Tlen Azo Wodór Tlenek węgla Dwulenek węgla Para wodna Dwulenek sark Aceylen Mean Eylen Ean Sarkowodór He Ar - O 2 N 2 H 2 CO CO 2 H 2 O SO 2 C 2 H 2 CH 4 C 2 H 4 C 2 H 6 H 2 S 4,002 39,94 28,97 32,00 28,06 2,06 28,00 44,00 8,02 64,06 26,02 6,03 28,03 30,70 34,08 0,78,784,293,429,250 0,0898,250,976 0,804 2,926,70 0,76,260,356,42895 Z kole oblcza sę udzały molowe ych składnków korzysając ze wzoru n& z = (30) n& przy czym srumene n& składnków =, 2,..., I wyrażone w klomolach na sekundę (lub mnuę) są wyznaczane (Madeja-Srumńska & Srumńsk, 998) ze zwązku m& + m& n& = (3) M gdze M oznacza masę drobnową -ego składnka (abela 2). Całkowy srumeń klomol meszanny gazowej w wyrobsku z prądem opływowym za oamowanym wyrobskem, z kórego wypływają gazy, wynos n & C = n& (32) Poneważ udzały molowe poszczególnych składnków są równe udzałom objęoścowym (r = z ) (Madeja-Srumńska & Srumńsk, 998), wobec ego po wyznaczenu ych udzałów określony jes skład procenowy poszczególnych składnków gazów w prądze opływowym za mejscem dołączane sę gazów zrobowych. Znając en skład można go porównać ze sężenam gazów

202 dopuszczonych przepsam górnczym (Dz. U. Nr 39, poz. 69, 2002) ocenć zagrożene wynkające z wypływu gazów spoza określonej amy zolacyjnej lub pożarowej. Jeśl emperaura gazów wypływających spoza amy zolacyjnej lub pożarowej wynos ( O C), a emperaura powerza w prądze opływowym przed mejscem dołączana sę gazów wypływających spoza amy ma warość ( O C), o emperaurę powerza po dołączenu sę ych gazów można wyznaczyć ze wzoru (Madeja- Srumńska & Srumńsk, 998, 2004a) c = m& m& Należy zaznaczyć, że przy wyznaczanu gęsośc powerza kopalnanego można akże korzysać z ermcznej emperaury wrualnej ego powerza (Madeja- Srumńska & Srumńsk, 998, 2004a). Przykład 5 W przykładze ym rozważa sę pole pożarowe A zolowane amą T (rys. ). Według oblczeń przeprowadzonych zgodne z meodą podaną w rozdzale 2, cśnene za amą pożarową, w pewnym okrese wynosło p = 99890 Pa, a przed ą amą p s (6) = 99830 Pa. Zaem różnca cśneń w ame T wynosła p = 60 Pa. W oparcu o wzór (9a) dla warunków z przykładu 4 uzyskuje sę nasępujący srumeń objęośc powerza wypływającego spoza amy T: V & = 0,324 m 3 /s = 9,44 m 3 /mn. Gazy pożarowe CH 4, CO, CO 2, O 2, N 2 wypływające spoza amy T mały nasępujące sężena: r CH4 = 2,0% obj., r CO = 0,08% obj., r CO2 = 3,60% obj., r O2 = + 7,24% obj., r N2 = 76,98% obj. oraz emperaurę = 42,3 O C. Srumeń objęośc powerza w punkce (rys. ) wynosł V & = 3,3 m 3 /s = 98 m 3 /mn, emperaura powerza = 28 O C, a sężena poszczególnych składnków ego powerza były nasępujące: = 0,5% obj., = 0% obj., = 0,27% obj., r N2 r CH4 = 9,6% obj. oraz = 79,62% obj. Borąc o pod uwagę należy ocenć jak będze skład powerza po dołączenu sę do srumena objęośc powerza V &, srumena V & gazów wypływających spoza amy T. W celu rozwązana ego zagadnena w perwszej kolejnośc wyznaczamy srumene objęośc składnków gazów pożarowych wypływających spoza amy T oraz składnków powerza w węźle (rys. ), korzysając ze wzorów (22) (23), przy czym uzyskujemy: + r CO m& m& r CO2 (33) r O2

- V & CH4 = 0,4 m 3 /mn, V & CO = 0,02 m 3 /mn, V & CO2 = 0,70 m 3 /mn, V & O2 = 3,35 m 3 /mn, V & N2 = 4,96 m 3 /mn; - V & CH4 = 0,99 m 3 /mn, V & CO = 0 m 3 /mn, V & CO2 = 0,53 m 3 /mn, V & O2 = 38,83 m 3 /mn, V & = 57,65 m 3 /mn. N2 Gęsośc mas wymenonych składnków oblcza sę w oparcu o zależnośc (26) (27) oraz w oparcu o abelę 2 - ρ CH4 = 0,6 kg/m 3, ρ CO =,0669 kg/m 3, ρ CO2 =,6866 kg/m 3, ρ O2 =,297 kg/m 3, ρ N2 =,0669 kg/m 3 ; - = 0,6398 kg/m 3, =,7657 kg/m 3, =,2769 kg/m 3, =,69 ρ CH4 3. ρ CO2 kg/m Masy srumen wymenonych składnków wyznaczone w oparcu o wzory (24) (25) wynoszą: - m& CH4 = 0,25 kg/mn, m& CO = 0,02 kg/mn, m& CO2 =,8 kg/mn, m& O2 = 4,086 kg/mn, m& = 5,96 kg/mn. N2 - m& = 0,633 kg/mn, m& = 0 kg/mn, m& = 0,936 kg/mn, m& = 49,582 CH4 kg/mn, m& N2 CO = 76,079 kg/mn. Całkowy srumeń masy meszanny gazów pożarowych powerza w wyrobsku W3 wynos (wzór (28)) m& = 248,730 kg/mn, a udzały masowe poszczególnych C składnków w ej meszanne mają warośc (wzór (29)): - g CH4 = 3,554 0-3, g CO = 8,443 0-5, g CO2 = 8,5 0-3, g O2 = 0,26, g N2 = 0,772. Srumene gazów CH 4, CO, CO 2, O 2 N 2 wyrażone w klomolach na mnuę według wzoru (3) abel 2 wynoszą: n& CH4 = 0,055, n& CO = 7,5 0-4, n& CO2 = 0,048, n& O2 =,677, n& N2 = 6,855. Na podsawe wymenonych danych zależnośc (32) oblczamy całkową lość klomol meszanny gazowej w wyrobsku z prądem opływowym W3 w węźle 2 (za chodnkem chs, rys. ), przy czym n& = 8,636 kmol/mn. C Udzały molowe, kóre są równe udzałom objęoścowym (z = r ) wymenonej meszanny wynoszą (wzór (30)): r CH4 = 6,38 0-3 (0,64% obj.), r CO = 8,6845 0-5 (0,0087% obj.), r CO2 = 5,5696 0-3 (0,56% obj.), r O2 = 0,942 (9,42% obj.), r N2 = 0,7938 (79,38% obj.). Zgodne ze wzorem (33) emperaura powerza po dołączenu sę gazów pożarowych wypływających spoza amy T będze wynosć C = 29,24 O C. Z przeprowadzonych oblczeń wynka, że w omawanych wyżej warunkach, po dołączenu sę do prądu powerza płynącego wyrobskem W3 gazów pożarowych wypływających spoza amy T przy rozważanej znżce barycznej nasąp przekroczene dopuszczalnego sężena: lenku węgla, j. 0,0026% obj. oraz ρ O2 CO2 ρ N2 O2 203

204 dopuszczonej przepsam górnczym emperaury powerza wynoszącej 28 O C (Dz. U. Nr 39, poz. 69, 2002). 5. ZAKOŃCZENIE Z przeprowadzonych w nnejszym arykule rozważań wynka, że w celu dokładnego rozpoznana zagrożeń jake mogą wysąpć od zolowanych zrobów pól pożarowych jes wskazane określene dla każdego zamknęca (np. amy zolacyjnej) współczynnka wyrównywana cśnena R współczynnka szczelnośc k. Jeśl ne przeprowadzono badań wymenonych współczynnków, o dla orenacyjnych oblczeń można korzysać z uśrednonych warośc przyjmując odpowedno R = ±0,5 h - oraz k = ±0,0 Pa -. Za cśnene począkowe p 0 można przyjmować cśnene powerza przed amą (uszczelnenem) jake poprzedzało znżkę lub zwyżkę baryczną. Przedsawona w nnejszym arykule meoda pozwala na ocenę zagrożeń jake ewenualne mogą wysąpć w kopaln podzemnej w czase znżk barycznej. Znajomość ych zagrożeń pownna, naszym zdanem, uławć prognozowane dzałań prewencyjnych w określonych rejonach kopalń podzemnych. Dzałana e pownny ść w kerunku zapewnena odpowednch srumen objęośc powerza w zagrożonych rejonach kopaln, odpowednej szczelnośc zolacj zamknęych przesrzen oraz odpowednego monorngu. Nnejszy arykuł powsał w oparcu o wybrane wynk badań przeprowadzonych w ramach projeku Mnserswa Nauk Informayzacj 4T2A 03527. LITERATURA BUDRYK W., 95, Wenylacja kopalń, Część I, Przewerzane wyrobsk, PWT, Kaowce, 63-67. DRENDA J., 984, Wyznaczane oporów aerodynamcznych am wenylacyjnych dla projekowana lub rekonsrukcj sysemu wenylacj kopalń. Przegląd Górnczy nr 3. KAJDASZ Z., MARKEFKA P., STEFANOWICZ T., 2002, Zagrożena aerologczne wywołane w kopalnach zmanam cśnena baromerycznego Sposób elmnowana. Raowncwo Górncze, 2, 0-5. MADEJA-STRUMIŃSKA B., STRUMIŃSKI A., 998, Aeroermodynamka górncza. Wyd. Śląsk, Kaowce, 48-59, 78-93. MADEJA-STRUMIŃSKA B., STRUMIŃSKI A., 2004a, Projekowane nauralno-wymuszonych rozpływów powerza w kopalnach podzemnych. Ofcyna Wydawncza PWr., Wrocław, 48-58. MADEJA-STRUMIŃSKA B., STRUMIŃSKI A., 2004b, Opymalzacja wymuszonych rozpływów powerza w warunkach skrępowanych oraz ocena wybranych zagrożeń w kopalnach podzemnych. Ofcyna Wydawncza PWr., Wrocław, 83-98. PONOMARIEW K.K., 969, Układane rozwązywane równań różnczkowych w echnce. WNT, Warszawa, 3-28, 69-72.

205 ROSIEK F., SIKORA M., URBAŃSKI J., 998, Ocena szczelnośc am wenylacyjnych w kopalnach LGOM. Prace Naukowe Insyuu Górncwa PWr., Suda Maerały 27, Górncwo geologa IV, Wrocław, 8-82, 97. Rozporządzene Mnsra Gospodark z dna 28.06.2002r. w sprawe bezpeczeńswa hgeny pracy oraz prowadzena ruchu specjalsycznego zabezpeczena przecwpożarowego w podzemnych zakładach górnczych, Dz. U. Nr 39, poz. 69. STRUMIŃSKI A., MADEJA-STRUMIŃSKA B., 2004, Wpływ zman cśnena baromerycznego na zagrożene gazowe na górnczych erenach poeksploaacyjnych. Cuprum, 2 (3), 5-64. SZLĄZAK J., 984, Przegląd sosowanych echnolog uszczelnana zrobów zawałowych. Wadomośc Górncze, 5-6, 9-23. SZLĄZAK J., 2002, Przepływ powerza przez srefę zawału w śwele badań eoreycznych eksperymenalnych. WND AGH, Rozprawy, Monografe, 90, Kraków, 0-37. WASILEWSKI S., 2003, Obserwacja cśnena powerza poencjału aerodynamcznego w kopaln. Mechanzacja Auomayzacja Górncwa, 3-4/387, Kaowce, 7-9. WASILEWSKI S., 2004, Cśnene baromeryczne jego zmany w kopalnach głębnowych. 3 Szkoła Aerolog Górnczej, Zakopane, 533-546. aerologcal hazards, soppngs leakghness, changes of baromerc pressure n gobs POST MINING EXCAVATION AS A SOURCE OF GAS AND THERMAL HAZARD IN UNDERGROUND MINES The paper presens he dea of evaluang he me changes of baromerc pressure n he sopped excavaon and fre felds durng he baromerc rses and drops. The presened mehod allows for deermnng he coeffcens of pressure equalzaon, evaluaon of nsulaon leakghness of closed spaces and analyss of hazards resulng from he exchange of gobs and fre felds amosphere wh mnng workngs. The ssues ncluded n he paper are llusraed by fve generalzed examples aken from pracce obaned n copper and hard coal mnes.