ZINT_referat_Kabiesz GIG.doc

11

Józef KABIESZ

Główny Instytut Górnictwa, Katowice

Dobór profilaktyki w warunkach występowania naturalnych zagrożeń skojarzonych

Streszczenie

Eksploatacja pokładów węgla w GZW prowadzona jest w złożonych warunkach geologiczno – górniczych. Złożoność tą tworzy między innymi współwystępowanie w kopalniach wielu naturalnych zagrożeń górniczych. Dla ich zwalczania stosowane są indywidualne dla poszczególnych zagrożeń metody prewencji, których skutki często nie są obojętne dla zagrożeń współwystępujących. Mogą one negatywnie wpływać na efektywność innych metod profilaktycznych lub ograniczać zakresy ich wykorzystywania. Istnieje w związku z tym problem optymalizacji doboru metod profilaktycznych i związana z tym ocena ich oddziaływań. Zadanie to może być w sposób efektywny rozwiązane przez wykorzystanie uniwersalnej oceny stanu zagrożeń skojarzonych wspomaganych komputerowymi technikami obliczeniowymi.

1st  Wprowadzenie

              Ogólny rozwój nauki i techniki obejmuje wszystkie dziedziny działalności człowieka, w tym także górnictwo, a w nim zagadnienia zwalczania zagrożeń naturalnych występujących w kopalniach. Z pewnym uproszczeniem można przyjąć, że stosownie do aktualnego stanu wiedzy oraz techniki w znacznym stopniu zostały wyczerpane proste możliwości profilaktyk tych zagrożeń. Zdarzające się stale wypadki i katastrofy zmuszają jednak do nieustannego poszukiwania nowych rozwiązań dla poprawy bezpieczeństwa pracy górników. Poszukiwania te obejmują wszystkie główne aspekty tych zagadnień:

–    szczegółową genezę zagrożeń,

–    formy ich występowania wraz z ich oddziaływaniem na siebie,

–    wyrafinowane metody wykrywania, oceny i prognozy ich stanów,

–    zaawansowane technicznie metody zwalczania,

–    optymalizacja organizacji prewencji, w tym także doboru profilaktyk.

Można przykładowo podać, że w ostatnich latach wynikiem takiego podejścia do prewencji górniczych zagrożeń naturalnych było opracowanie w Polsce sposobu dynamicznej prognozy metanowości pokładów węgla kamiennego (Krause, Łukowicz, Cybulski 2001), zasad kontroli stanu zagrożenia metanowego w pokładach tąpiących (Krause, Łukowicz 1999), prognoza zagrożenia pożarami (Cygankiewicz, Buchwald 1999), metoda ukierunkowanego szczelinowania skał (Konopko, Kabiesz i inni 1997) czy metoda oceny stanu zagrożeń skojarzonych oraz optymalizacji doboru profilaktyk (Kabiesz 2002). Z wyliczenia tego wynika, że liczącym się elementem profilaktyki zagrożeń górniczych zaczynają być wzajemne związki między zagrożeniami oraz wynikające z tego ograniczenia w stosowaniu profilaktyk. Prowadzenie robót górniczych w warunkach występowania zagrożeń naturalnych jest uwarunkowane koniecznością stosowania metod prewencji likwidującej lub ograniczającej negatywne skutki tych zagrożeń. Rodzaj i zakres stosowania odpowiednich metod profilaktycznych jest zależny przede wszystkim od nasilenia rzeczywistego lub prognozowanego występowania tych skutków. Odpowiednie przepisy prawne (Rozporządzenie MSWiA 2002, Rozporządzenie MG 2002) regulują podstawowe zasady zwalczania każdego z zagrożeń traktując je generalnie jako indywidualne wyizolowane przypadki.

              Ograniczenia efektywności profilaktyk wynikające ze współwystępowania wielu zagrożeń i konieczności równoczesnego stosowania wielu ich rodzajów mogą stanowić barierę dla ciągłości i wydajności produkcji. W tych warunkach dobór najmniej kolizyjnych zespołów profilaktyk może mieć duże znaczenie zarówno w wymiarze bezpieczeństwa pracy jak i uzyskiwanych efektów ekonomicznych. Osiągnięcie takiego celu wymaga jednak rozwiązania co najmniej następujących zagadnień:

–    identyfikacji i zdefiniowania wzajemnych oddziaływań między zagrożeniami (pojęcie tzw. zagrożeń skojarzonych),

–    opracowania sposobu oceny wpływu każdej metody profilaktycznej na wszystkie współwystępujące naturalne zagrożenia górnicze,

–    opracowania sposobu wyboru optymalnych w danych warunkach zespołów profilaktyk.

              Próba analizy tych aspektów stosowania profilaktyk jest przedmiotem niniejszych rozważań.

2nd  Występowanie zagrożeń w kopalniach

              Naturalne zagrożenia górnicze źródła swojego pochodzenia mają związane z górotworem, wyrobiskami górniczymi oraz kopalnianą atmosferą, a w szczególności z ich specyficznymi cechami fizyko-chemicznymi i mechanicznymi. Z tego punktu widzenia zagrożenia te można systematyzować według miejsca ich genezy (Kłeczek 1998):

–    litosferyczne,

–    atmosferyczne,

–    technosferyczne.

Jeżeli uwzględnimy w dalszych rozważaniach najczęściej występujące w kopalniach zagrożenia, tj.:

–    pożarami endogenicznymi,

–    metanem,

–    wybuchem pyłu węglowego,

–    tąpaniami,

–    wodne,

to możliwe jest bardziej precyzyjne scharakteryzowanie warunków ich występowania.

Zagrożenie pożarami endogenicznymi

              Występuje przede wszystkim w kopalniach węgla, a podstawowymi czynnikami niezbędnymi do jego powstania jest naturalna skłonność węgla do samozapalenia oraz kontakt tlenu z jego powierzchnią. Pierwszy czynnik jest zależny od złożonych własności fizyko-chemicznych węgla determinowanych przez jego skład chemiczny i mineralogiczny. Drugi czynnik jest wprost zależny od struktury węgla, a szczególnie od jego szczelinowatości i porowatości. Niewątpliwie na zaistnienie pożaru endogenicznego wpływają także inne czynniki, np. czas kontaktu węgla z tlenem, sposób i parametry wentylacji, wilgotność, ilość nagromadzonego węgla itp., które można generalnie zaliczyć do czynników technicznych, zależnych od i tworzonych przez człowieka.

Zagrożenie metanem

              Warunkiem występowania tego zagrożenia jest występowanie w atmosferze kopalnianej metanu oraz zaistnienie inicjału zapłonu jego mieszaniny z tlenem. Pierwotnym źródłem metanu jest zwykle pokład węgla (górotwór), metan stanowi składnik jego budowy. Dla przejścia cząsteczek metanu z górotworu do wyrobisk górniczych niezbędne jest istnienie dróg ich migracji ze skał do atmosfery. Drogi te to strukturalne nieciągłości budowy skał i warstw skalnych, czyli najczęściej spękania oraz pory. Mogą to być także w niektórych przypadkach sztucznie wytworzone przestrzenie, np. otwory wiertnicze, wyrobiska itp.

Inicjał zapłonu może być naturalny (np. iskrzenie skał, pożar endogeniczny) lub sztuczny (zwarcie elektryczne, prace spawalnicze, iskry pochodzenia mechanicznego).

Zagrożenie wybuchem pyłu węglowego

              Dla zaistnienia wybuchu pyłu węglowego niezbędne jest jednoczesne wystąpienie trzech czynników:

–    obecność niebezpiecznego pyłu węglowego w wyrobisku,

–    jego wymieszanie z powietrzem (tlenem),

–    inicjał zapłonu.

Powstanie pyłu jest zwykle procesem mechanicznego jego rozdrabniania najczęściej w procesach technologicznych, w tym także jako uboczny efekt stosowania niektórych metod profilaktycznych. Podobne genezy mogą mieć również dwa pozostałe czynniki, chociaż trudno wykluczyć przypadki ich naturalnego pochodzenia.

              Wzbicie pyłu w obłok, będące warunkiem wytworzenia wybuchowej mieszaniny, może być skutkiem wentylowania wyrobisk, występowania gwałtownych podmuchów powietrza (jako skutek zawałów, zapłonów i wybuchów metanu, wstrząsów, robót strzałowych), wznoszenia pyłu na przesypach, wysypach, przy urabianiu calizny itp.

              Inicjały zapłonu pyłu węglowego mogą być takie same jak dla metanu z tym, że często jest to spalający się lub wybuchający metan.

Zagrożenie tąpaniami

              Jest to zagrożenie nietypowe, o zdecydowanie bardziej złożonych źródłach i przyczynach jego powstawania. Do najistotniejszych czynników warunkujących jego występowanie, niekoniecznie niezbędnych w komplecie niżej wymienionym, zaliczyć należy:

–    wstrząsogenność górotworu,

–    skłonność skał do tąpań,

–    stan wytężenia skał.

Zasadniczo te trzy czynniki są manifestacją pewnych cech i stanów górotworu zależnych od ich podstawowych własności oraz pierwotnych sił występujących w przyrodzie.

              Wstrząsogenność górotworu związana z działalnością górniczą to przede wszystkim specyficzna jego budowa stratygraficzna, tektoniczna i litologiczna oraz własności wytrzymałościowymi skał (wytrzymałość i sprężystość oraz makro i mikrostruktura). Z punktu widzenia praktycznych możliwości stosowania oraz efektywności profilaktyk największe znaczenie posiada struktura oraz wytrzymałość skał.

              Skłonność skał do tąpań oznacza ich zdolność do akumulowania i gwałtownego wyzwalania w procesie rozpadu energii sprężystej (Zarządzenie MSWiA 2002). Cecha ta jest zależna przede wszystkim od własności wytrzymałościowych skały oraz rodzaju i sposobu jej obciążania. Własności wytrzymałościowe skał determinowane są przez rodzaj minerałów je tworzących (w przypadku węgla kamiennego są to mikrolitotypy i macerały) oraz teksturę i strukturę. Podstawowe zależności między tymi cechami skał oraz wynikające z tego konsekwencje dla potencjalnej skłonności do tąpań są ogólnie znane.

              Na możliwość wystąpienia dynamicznego rozpadu skały wpływa także rodzaj obciążenia skał oraz ich stan wytężenia. Oprócz własności wytrzymałościowych skał najważniejszą rolę odgrywa wtedy siła ciężkości (ciężar skał nadległych) i czynniki zaburzające naturalny jej rozkład.

Zagrożenie wodne

              Możliwość jego zaistnienia wynika z dwóch podstawowych warunków:

–    występowania zbiorników wodnych lub/i poziomów wodonośnych jako pierwotnego lub wtórnego składnika budowy górotworu,

–    występowania hydraulicznego połączenia wyrobisk górniczych ze zbiornikiem wody lub poziomem wodonośnym.

Pierwszy warunek jest oczywisty; bez medium stwarzającego zagrożenie nie jest możliwe występowanie tego zagrożenia. Drugi warunek decyduje o występowaniu potencjalnego lub realnego zagrożenia, a także o jego nasileniu. Połączenia hydrauliczne to przede wszystkim występujące w górotworze nieciągłości budowy skał i warstw skalnych (uskoki, kawerny, zroby, szczeliny, pory). One decydują często o pojemności zbiorników i poziomów wodonośnych, zasięgach i wydajności dróg przepływu wody oraz możliwości ich izolowania i likwidacji. W niektórych sytuacjach znaczenie może posiadać rozpuszczalność skał w wodzie.

              Można przyjąć, że dla omawianych zagrożeń najbardziej istotnymi czynnikami warunkującymi ich występowanie są:

–    strukturalna budowa górotworu (kawerny, spękania, szczeliny, pory) – zagrożenie pożarowe, metanowe, wodne i tąpaniami,

–    skład mineralogiczny i petrograficzny budowy górotworu (występowanie w górotworze metanu, wody) – zagrożenie pożarowe, metanowe, wodne i tąpaniami,

–    własności fizyko-chemiczne skał (skłonność węgla do samozapalenia, rozpuszczalność skał, wybuchowość pyłu, zdolności sorpcyjne skał, skłonność do iskrzenia) – zagrożenie metanowe, pyłowe, pożarowe,

–    własności mechaniczne skał (sprężystość, wytrzymałość, sztywność skał, skłonność do dynamicznego rozpadu itp.) – zagrożenie tąpaniami, wodne, pyłowe,

–    sposób, rodzaj i wartość obciążenia skał (głębokość zalegania złoża, występowanie innych obciążeń; w tym dynamicznych, wielokierunkowość działania sił) – zagrożenie tąpaniami, metanem, wodne i pożarami.

Tabela 1. Charakterystyczne cechy górotworu wpływające na występowanie i stany naturalnych zagrożeń górniczych