Zagrożenie wybuchowe w kopalniach węgla
Katastrofalny wybuch pyłu węglowego w kopalni Courrieres 20 marca 1906 roku, z liczbą ofiar śmiertelnych 1099 postawił zadanie opracowania i wprowadzenia do praktyki górniczej środków zapobiegających powstaniu wybuchu pyłu węglowego lub powodujących szybkie przerwanie jego przenoszenia w wyrobiskach. Takim środkiem realizującym drugą z wymienionych alternatyw są zapory przeciwwybuchowe których ogólną zasadą działania jest wprowadzanie odpowiedniej ilości środka gaszącego do płomienia wybuchu. Ogólnie znane w górnictwie zapory przeciwwybuchowe składają się z odpowiednio rozmieszczonych w wyrobisku środków gaszących – pyłu kamiennego lub pojemników wodnych. W kopalniach polskich zapory są powszechnie stosowane zgodnie z wymaganiami przepisów prawa górniczego. W górnictwie światowym sytuacja jest bardziej złożona. Górnictwo europejskie w szczególności w zachodniej Europie zanika , zapory są stosowane w górnictwie chińskim i rosyjskim ( głównie zapory w wodne) natomiast w pozostali wielcy producenci węgla jak USA , Australia , RPA gdzie dominuje filarowo – komorowy sys-tem eksploatacji zamiast zapór stosują opylanie wyrobisk pyłem kamiennym. Stosowanie zapór i opylania wyrobisk ( czyli de facto uniepalnienie osiadłego pyłu węglowego nie całkowicie redukuje ryzyko wybuchu pyłu węglowego. Rok 2010 zaznaczył si e w górnictwie światowym serią czterech poważnych katastrof w ciągu 3 miesięcy i piątą katastrofą pod koniec roku .
Lista tych katastrof poniżej:
– Upper Big Branch ( USA-WV) , 5.04.2010 , 29 ofiar śmiertelnych
– Rasspadskaya ( Federacja Rosyjska, Syberia ), 08.05.2010, 92 ofiar śmiertelnych
– San Fernando ( Kolumbia) , 18.06.2010 , 47 ofiar śmiertelnych
– Xingdang( Chiny) , 23.06.2010 , 47 ofiar śmiertelnych
– Pike River ( Nowa Zelandia) 19.11.2010 , 29 ofiar śmiertelnych
Razem 244 ofiay śmiertelne w 2010 roku.
Zagrożenia wybuchem metanu i pyłu węglowego pyłu mimo wszelkich środków zabezpieczających wciąż istnieje i nic nie wskazuje by zanikło przy obecnie istniejących technikach eksploatacji pokładów. Ale katastrofa na miarę Courrieres jest mało prawdopodobna.
Redukcja ryzyka wybuchu pyłu i metanu
Współczesna teoria bezpieczeństwa procesów produkcyjnych posługuje się pojęciem warstw zabezpieczeń . Dla górnictwa podziemnego warstwy te są przedstawione na rysunku: 
W tym systemie zapory są poprzedzone monitoringiem zagrożeń zwłaszcza metanowych , nadzorem wyspecjalizowanych służb , strefami zabezpieczającymi. Pierwsze warstwy zabezpieczeń koncentrują się na zagrożeniu metanowym , które pozostaje najpoważniejszą przyczyną wybuchów w kopalniach podziemnych. Zapoczątkowanie wybuchu pyłu węglowego bez pier-wotnego wybuchu metanu jest w obecnej technologii eksploatacji mało prawdopodobne ( a przynajmniej nie trudne do uniknięcia). Samoistne źródła zapłonu pyłu – niewłaściwe użycie materiałów wybuchowych i awaryjne stany urządzeń elektrycznych są coraz mniej prawdopodobne.
Klasyczne zapory przeciwwybuchowe- zalety i niedogodności
Klasyczne zapory przeciwwybuchowe pyłowe i wodne są w polskim górnictwie stosowane powszechnie . Ich zalety to:
– wysoka skuteczność w tłumieniu wybuchów pyłu węglowego , potwierdzona nie tylko w badaniach w Ko-palni Doświadczalnej „Barbara” ale i w rzeczywistych wybuchach w kopalniach , gdzie zapobiegły rozprze-strzenianiu się wybuchu na duże odległości
– prostota budowy i utrzymania nie wymagająca zaawansowanej elektroniki i ogólnie elementów high- tech
– powszechna akceptacja i przyzwyczajenie załóg górniczych do ich zabudowy w wyrobiskach
Są też niemałe niedogodności:
– Skuteczność w gaszeniu płomienia przy ustawieniu zapory w odległości 60 m od miejsca zapoczątkowania wybuchu ( w pewnych wyjątkowych przypadkach 40m) co powoduje brak ochrony ludzi znajdujących się między miejscem zapoczątkowania wybuchu a zaporą.
– duże rozmiary zapory sięgające kilkudziesięciu metrów długości co sprawia kłopoty ruchowe
– konieczność przenoszenia zapory z postępem przodka, celem zachowania odległości nie większej niż 200m od miejsca zapoczątkowania wybuchu.
Działanie zapory klasycznej polega na utworzeniu obłoku środka gaszącego (pyłu kamiennego lub wody ) przez poprzedzającą płomień falę ciśnienia ale tak by front płomienia znalazł się w obłoku środka gaszące-go . Możliwe sytuacje są pokazane na rysunkach:
Na rysunkach tych przedstawiono przebieg wybuch w układzie współrzędnych – położenie (x) czas (t) fali ciśnienia (FC) i frontu płomienia (P) , z zaznaczeniem lokalizacji zapory Z(B)
Koncepcja zapory automatycznej
Rozwiązaniem które ma usunąć wady zapory klasycznej jest koncepcja zapory automatycznej. Jej idea opiera się na układzie detektor – element wykonawczy – rozpraszanie środka gaszącego. Detektor reaguje na płomień lub ciśnienie wybuchu ( lub obie wielkości jednocześnie), elementem wykonawczy rozpraszającym środek gaśniczy może być zbiornik pod ciśnieniem gazu , otwierany na sygnał detektora po krótkim czasie ( np.25 milisekund) i rozpraszający środek gaśniczy bezpośrednio na płomień wybuchu. Zalety takiej zapory to – szybka reakcja na płomień , w bliskości źródła jego powstania. Ale są też liczne niedogodności – skomplikowana technika w trudnych warunkach klimatycznych kopalni głębinowej, konieczność częstego nadzoru i konserwacji i wreszcie wysoka cena. Jako czynnik otwierający często jest stosowany ładunek pirotechniczny wzbudzający wielką nieufność władz górniczych . Systemy takie znalazły szerokie zastosowanie w energetyce , chemii ogólnie w przemysłach procesowych gdzie występują jako systemy HRD ( High Rate Discharge – duża szybkość rozładowania).
W publikacji (2) opisano wykonane w Kopalni Doświadczalnej Barbara Głównego Instytutu Górnictwa badania skuteczności zapór automatycznych z detektorem w postaci ogniwa słonecznego (Solar) reagującego na płomień wybuchu. Doświadczenia wykonano w podziemnym chodniku doświadczalnym , ustawiając detektor Solar na 40m od miejsca zapoczątkowania wybuchu . Zapora składała się z 6 zbiorników (beczek) z tworzywa sztucznego wypełnionych wodą, umieszczonych przed detektorem . Ilość środka gaszącego (wody) na metr kwadratowy przekroju wyrobiska nie przekracza 30kg , co jest wielkości co najmniej 5 krotnie mniejszą niż dla zapór klasycznych.
Opracowanie i zastosowanie zapory automatycznej o wymiarach nie przeszkadzających w pracach przodkowych zmniejszyłoby prawdopodobieństwo wybuchu metanu i przekształcenie go w wybuch pyłu. Możliwości techniczne rozwiązania tego problemu; koncepcja detektora powinna być oparta na detektorze fotowoltaicznym, jako nie wymagającym zasilania zewnętrznego, lekkim i łatwym w utrzymaniu. Pozostają jednak inne problemy wymienione poprzednio , jak na przykład zastosowanie lontu detonującego do rozpraszania wody. Zapora taka jest technicznie możliwa ale we współczesnym górnictwie mało prawdopodobna w zastosowaniu.
Podsumowanie – zapory przeciwwybuchowe i co dalej?
Nic nie zapowiada by klasyczne zapory przeciwwybuchowe były w kilkuletniej co najmniej przyszłości zastąpione zaporami automatycznymi. Niemniej pewne zmiany podejścia do bezpieczeństwa przeciwwybuchowego w podziemnych kopalniach węgla . W polskim górnictwie węgla kamiennego najpoważniejszym zagrożeniem jest metan , jego skuteczne ujmowanie z pokładu (w celach nie tylko odmetanowania dla ułatwienia eksploatacji ale dla wykorzystania jako źródła energii) znacznie zmniejszy zagrożenia wybuchem nie tylko metanu ale i pyłu dla którego pierwotny wybuch metanu jest najczęstszym inicjałem . Może też zaistnieć potrzeba obniżenia kosztów zabezpieczeń przeciwwybuchowych. Wzorem mogą być górnictwo amerykańskie i australijskie , gdzie głównym zabezpieczeniem przed wybuchem jest opylanie wyrobisk pyłem kamiennym na całej ich długości do zawartości części niepalnych 80%. . Tam gdzie w tych krajach zaistniały wybuchy (np.Uper Big Branch 2 kwietniu 2010 r) stwierdzoano całkowity brak opylania. Techniczne warunki dla takiego powszechnego zabezpieczenia są; produkcja pyłu kamiennego jest wystarczająca a urządzenia do mechanicznego opylania są dostępne i skuteczne.
Bibliografia
K.Lebecki, P.Rosmus : Ilościowa ocena ryzyka dla zagrożeń naturalnych w górnictwie w oparciu o meto-dologię norm serii PN-EN 61508 ; Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie , nr 8 (156) ; 2007, str 4- 10.
K.Lebecki K., Śliż J., Cybulski K., , Dyduch Z.; Efficiency of triggerred barriers in dust explosions sup-pression in galleries; Journal of Loss Prevention in the process Industries vol.14. 489-494, 2001
Autor:
prof. dr hab. Kazimierz Lebecki – Wyższa Szkoła Zarządzania Ochroną Pracy