inż. Stanisław Trenczek

mgr inż. Piotr Buchwald

mgr inż. Rafał Nalepa

Azotowanie zrobów ściany zawałowej przy wariantowo różnych przepływach powietrza i różnicach potencjału aerodynamicznego

Treść: W artykule przedstawiono profilaktyczne azotowanie zrobów ściany zawałowej oraz przebieg zmian stężeń tlenku węgla w obiegowym prądzie powietrza wylotowego z tej ściany. Omówiono trzy warianty azotowania przeprowadzonego w różnych warunkach wentylacyjnych i przy różnych rozkładach pola potencjałów w obrębie tej ściany.

1. Wstęp

W eksploatowanym ścianą 4 pokładzie 417 w partii „L” kopalni „Śląsk” prowadzone jest wczesne wykrywanie pożarów endogenicznych [1]. Ściana ta eksploatowana jest systemem podłużnym z zawałem stropu, od granic, częściowo pod pokładem 416 a częściowo pod jego zrobami. Przerost pomiędzy tymi pokładami wynosi od 0,2 do 2,0 m.

Ze względu na sposób przewietrzania ściany 4 – systemem na „Z” – rys. 1, dla wczesnego wykrywania pożarów endogenicznych, oprócz miejsc wyznaczonych przepisami [2], założono dodatkowe punkty pobierania prób gazów umiejscowione w zawale, wzdłuż ociosu zawałowego ( południowego ) chodnika 4, w odległościach co ok. 30 m. Ponadto, w wylotowym prądzie powietrza ze ściany 4 prowadzona jest ciągła kontrola stężeń CO, czujnikiem typu ACO-1. Stosownie do oceny stanu zagrożenia pożarowego prowadzone są prace profilaktyczne.

2. Warunki wentylacyjne w rejonie ściany 4 i stan zagrożenia pożarowego

Pokład 417, o nachyleniu około 6^o w kierunku południowym, zaliczony jest do I kategorii zagrożenia metanowego, I i III stopnia zagrożenia tąpaniami, klasy B zagrożenia pyłowego, I stopnia zagrożenia wodnego oraz zakwalifikowany jest do III grupy samozapalności.

Ściana 4 znajduje się w podsieci wentylacyjnej szybu IV – wydechowego. Do ściany doprowadzane było świeże powietrze w ilości ok. 600m³/min., zaś w chodniku 4, wzdłuż zrobów ściany 4 płynęło powietrze w ilości ok. 1000 m³/min. Wykonany schemat potencjalny dla podsieci wentylacyjnej szybu IV wykazał, że różnica potencjałów pomiędzy skrzyżowaniem chodnika 3a ze ścianą 4 (wlotem powietrza do ściany 4) a skrzyżowaniem dowierzchni badawczej 4a z chodnikiem 4 wynosi

d F_{58a – 57} = 110 Pa

Za postępem ściany wzdłuż chodnika 4 wykonywany jest pas podpornościowo-izolacyjny, który dodatkowo i na bieżąco jest doszczelniany. Pomimo tego dochodzi do migracji gazów zrobowych do obiegowego prądu powietrza . Z analiz prób gazów pobieranych w dodatkowo założonych punktach – oznaczonych na rysunku nr 1 jako Z - wynika, że objawy wzrostu zagrożenia występowały na odcinkach:

- od 20m do 60m licząc od przecinki ściany 4 – pkt. Z-2 i Z-3,

- od 190m do 210m licząc od przecinki ściany 4 – pkt. Z-8.

Okresowo, wskaźnik Grahama – dla prób gazów pobranych w tych punktach – osiągał wartości

0,0025 ≤ G < 0,0070

W wylotowym prądzie powietrza ze ściany 4 stwierdzano CO o stężeniu 16 ppm – zał. nr 1.

Wartość obliczanego – dla tego prądu powietrza - wskaźnika ilości tlenu V_CO zawierała się w przedziale

10 < V_CO ≤ 20 [l / min]

a przyrost stężeń tlenku węgla

D CO < 0,0026 [%].

Dlatego też, zgodnie z przepisami [2], opracowano plan prac profilaktycznych.

Jednym z elementów tych prac było azotowanie. Jego skuteczność miało zapewnić zastosowanie go we wstępnym procesie samozagrzewania się węgla [3] przedostającego się do zrobów zawałowych ściany 4.

3. Azotowanie zrobów ściany 4 pokład 417 partia „L”.

Do profilaktycznego podawania azotu zastosowano inny, niż znany wcześniej [4] sposób podawania azotu, tj. przewoźne urządzenie do pozyskiwania azotu z powietrza atmosferycznego typu HPLC [3].

Jako instalację wykorzystano rurociągi: podsadzkowe - o średnicy f 185 mm (długości 1540 m.), z emulgatora - o średnicy f 150 mm (60 m ) i ppoż. - o średnicy f 100 mm (800 m). Po raz pierwszy zastosowano też węże pożarnicze o średnicy f 110 mm, którymi połączono rurociąg o średnicy f 150 mm z wytwornicą azotu z jednej strony (na powierzchni) oraz z rurociągiem podsadzkowym z drugiej strony (w lunecie podsadzkowej do szybu wentylacyjnego na poziomie 42 m).

Podawanie azotu prowadzone było w oparciu o opracowaną i uzgodnioną z Centralną Stacją Ratownictwa Górniczego „Dokumentacją podawania azotu do zrobów ściany 4 w pokładzie 417 partia „L” przy użyciu agregatu typu HPLC”. Integralną jej częścią była „Dokumentacja techniczna instalacji tymczasowego zasilania wytwornicy azotu na terenie szybu IV KWK „Śląsk”.

Dla określenia stopnia skuteczności azotowania zrobów, podawanie azotu prowadzono wariantowo w trzech różnych etapach, w których łącznie podano 150.300 m³ azotu. Stężenia gazów pobranych bezpośrednio przed azotowaniem w dodatkowych punktach „Z” przedstawiono w tabeli – zał. nr 2.

2. 1. Wariant I

W wariancie tym ograniczono do 300m³/min ilość powietrza płynącego przez ścianę 4, zaś w dowierzchni badawczej 4a do 600m³/min, przez zabudowanie tam regulacyjnych: w chodniku 3a, chodniku 4 i chodniku 5 – rys.2. Spowodowało to zmniejszenie różnicy potencjałów pomiędzy „wlotem” powietrza do zrobów (skrzyżowanie ściany 4 z chodnikiem 3a) a „wylotem” gazów ze zrobów (skrzyżowanie chodnika 4 z dowierzchnią badawczą 4a) do:

d’ F_{58a – 57} = 60 Pa

Azotowanie rozpoczęto w dniu 24 lipca 1998 r. o godzinie 21 ⁰⁰ a zakończono w dniu 27 lipca o godzinie 18 ⁰⁰ i prowadzono je w wyłączonym z ruchu rejonie ściany 4. Pojemność zrobów wynosiła wówczas ok. 33.831 m³ a wylot rurociągu do azotowania znajdował się w zawale, w odległości ok. 28m od linii zawału. W sumie azotowanie trwało ~ 69 godzin, w czasie których podano 41.400 m³ azotu.

W czasie tego azotowania czujnik pomiaru stężeń CO ( zabudowany w dowierzchni badawczej 4a ) zarejestrował wzrost stężeń CO do ok. 20ppm.

Tuż po zakończeniu azotowania, do czasu przywrócenia pierwotnych warunków przewietrzania, stężenie CO w obiegowym prądzie powietrza utrzymywało się na poziomie 20ppm a po przywróceniu – zmniejszyło się i utrzymywało na poziomie 10ppm – zał. nr 1.

Próby gazów zrobowych pobranych 27.07.1998r. na zmianie C, tj. po azotowaniu wykazały – zał. nr 2:

- w punktach Z-2 i Z-3 - spadek zawartości O₂, nieznaczny wzrost CO₂ i znaczny spadek zawartości CO,

- w punkcie Z-8 – spadek zawartości O₂, wzrost zawartości CO₂ oraz znaczny wzrost zawartości CO.

2. 2 Wariant II.

Dla tego wariantu przeprowadzono dalsze, znaczne ograniczenie ilości powietrza – do 50m³/min w ścianie 4 i do zatrzymania przepływu powietrza w chodniku 4 na zachód od ściany 4, przez zabudowanie tymczasowych tam izolacyjnych w: chodniku 3a, chodniku 4, dowierzchni badawczej 4a i dowierzchni odstawczej równoległej oraz otwarciu tam wentylacyjnych w dowierzchni odstawczej (pomiędzy chodnikiem 3a i 4) – rys. 3. Doprowadziło to do prawie całkowitego wyrównania potencjałów aerodynamicznych pomiędzy „wlotem” do zrobów a „wylotem” ze zrobów:

d F_{58a – 57} = 20Pa

Rejon ściany 4 był całkowicie wyłączony z ruchu. Wylot rurociągu do azotowania znajdował się wówczas w odległości ok. 30m od linii zawału ściany a pojemność zrobów wynosiła ok. 34.209m³. Przed azotowaniem stężenie CO w dowierzchni badawczej 4a wynosiło 10 ppm. Stężenia gazów w charakterystycznych punktach Z-2, Z-3 i Z-8 (z dnia 29.07.1998r.) podano w tabeli – zał. nr 2.

Azotowanie rozpoczęto w dniu 01 sierpnia o godzinie 2 ⁰⁰ a zakończono w dniu 04 sierpnia o godzinie 5 ²⁰, tj. po 75 godzinach i 20minutach – wtłaczając do zrobów tej ściany ~ 45.000 m³ azotu.

W czasie azotowania w dowierzchni badawczej 4a stężenia CO wzrosły do 94 ppm – zał. nr 1. Pod koniec azotowania stężenie CO zaczęło nieznacznie spadać – do ok. 80ppm. – i spadek taki utrzymywał się do czasu przywrócenia pierwotnego stanu wentylacji. W momencie przywrócenia właściwej wentylacji nastąpił gwałtowny, ale za to bardzo krótki wzrost stężeń CO ( powyżej 100ppm ) a następnie rozpoczął się gwałtowny spadek stężeń CO do ok. 8ppm. Po wyregulowaniu ilości powietrza w dowierzchni badawczej 4a do ilości 1050 m³/min (w ścianie 4 – 650 m³/min) nastąpił dalszy spadek stężeń CO, których wielkość ustabilizowała się na poziomie ok. 6 ppm – zał. nr 1.

W czasie tego azotowania nie pobierano prób gazów zrobowych z punktów Z.

Pierwsze próby pobrane po azotowaniu, tj. w dniu 04.08.1998r. wykazały – zał. nr 2:

- w punkcie Z-2 – dalszy spadek stężeń O₂, wzrost stężeń CO_z i znaczny wzrost stężeń CO,

- w punkcie Z-3 – wzrost stężeń O₂, wzrost stężeń CO₂ i spadek stężeń CO,

- w punkcie Z-8 – znaczny spadek stężeń CO₂, wzrost stężeń O₂ i znaczny wzrost stężeń CO.

2. 3 Wariant III

Azotowanie prowadzone było w czasie normalnej eksploatacji ścianą 4 i bez jakiejkolwiek regulacji ilości powietrza czy też różnic potencjałów – rys.4.

Przed rozpoczęciem azotowania wylot rurociągu do azotowania znajdował się w odległości ok. 49m od linii zawału ściany 4.

Stężenie CO w dowierzchni badawczej 4a wynosiło 4ppm. Stężenia gazów zrobowych w charakterystycznych punktach Z-2, Z-3 i Z-8 (w dniu 11. 08. 1998r.) przedstawiono w tabeli –zał. nr 2.

Azotowanie rozpoczęto w dniu 12 sierpnia 1998 r. o godz. 18 ⁴⁰ a zakończono w dniu 17 sierpnia 1998 o godzinie 4 ³⁰ tj. po 106 godzinach i 30 minutach i podano ~63.900 m³ azotu. W tym czasie pojemność zrobów wzrosła z 35.815m³ do ok. 37.120 m³ a wylot rurociągu do azotowania znalazł się na 58m od linii zawału ściany.

Podczas azotowania stężenie CO w dowierzchni badawczej 4a początkowo utrzymywało się na poziomie ok.6ppm i po dwóch dobach zaczęło spadać. Pod koniec azotowania stężenie CO wahało się od 0 do 2ppm – zał. nr 1.

Próby gazów z dnia 17.08.1998r., pobrane po zakończeniu azotowania, wykazały – zał. nr 2:

- w punkcie Z-2 – nieznaczny spadek stężeń O₂ , CO₂ i CO,

- w punkcie Z-3 – nieznaczny spadek stężeń O₂, i CO₂ oraz nieznaczny wzrost stężeń CO,

- w punkcie Z-8 – nieznaczny wzrost stężeń O₂, CO₂ i CO.

Po zakończeniu azotowania, w obiegowym prądzie powietrza w dowierzchni badawczej 4a, stężenie CO nieznacznie wzrastało i ustabilizowało się na poziomie 2 ÷ 4 ppm.

Po trzech tygodniach od zakończenia azotowania stężenie CO w obiegowym prądzie powietrza wylotowego – w dowierzchni badawczej 4a – nieco wzrosło i aktualnie utrzymuje się na poziomie 6 ÷ 8 ppm. Ma to bez wątpienia związek z utlenianiem się węgla przedostającego się do zrobów (pokład 416) i migracją gazów ze zrobów przez coraz dłuższy odcinek ociosu zawałowego chodnika 4.

Na podstawie wyników analiz gazów pobranych po azotowaniu z charakterystycznych punktów Z-2, Z-3, Z-8 ( z dnia 07 09 1998r.) – zał. nr 2 – należy stwierdzić, że:

- w punktach Z-2 i Z-8 nastąpił spadek zawartości O₂ i CO oraz wzrost zawartości CO_2,

- w punkcie Z-3 nastąpił spadek zawartości O₂ i wzrost zawartości CO i CO₂,

- nastąpił spadek wartości Wskaźnika Grahama w punktach Z-2, Z-3 i Z-8.

Wnioski.

1. Do podawania azotu - oprócz rurociągów - można wykorzystywać również węże pożarnicze, co ułatwia połączenie różnego rodzaju rurociągów. Może też to przyspieszyć budowę instalacji w przypadku braku rurociągu.

2. Podawanie azotu do zrobów ściany 4 w wariancie I, tj. przy ograniczeniu do 300 m³ /min ilości przepływającego przez ścianę powietrza i zmniejszeniem o niespełna połowę (ze 110 do 60 Pa) różnicy potencjałów pomiędzy „wlotem” do zrobów a „wylotem” ze zrobów spowodowało wypychanie gazów zrobowych do obiegowego prądu powietrza. Objawiało się to czasowym wzrostem stężeń CO w obiegowym prądzie powietrza, gdzie po przywróceniu pierwotnego sposobu przewietrzania rejonu ściany 4 wartości stężeń CO zmalały z 18ppm (okres przed azotowaniem) do 10ppm.

3. Podawanie azotu do zrobów ściany 4 w wariancie II, tj. przy ograniczeniu do 50m³ / min ilości powietrza płynącego przez ścianę 4 oraz zmniejszeniem ze 110 do ok.. 20 Pa różnicy potencjałów pomiędzy „wlotem” do zrobów a „wylotem” ze zrobów, spowodowało „wypychanie” gazów zrobowych do obiegowego prądu powietrza z równoczesnym ich rozrzedzaniem w zrobach. Skutkowało to początkowo gwałtowanym wzrostem stężeń CO (do 94 ppm) a następnie powolnym ich spadkiem. Po przywróceniu pierwotnego sposobu przewietrzania rejonu ściany 4 stężenia CO w obiegowym prądzie powietrza zmniejszyły się z 10 ppm do 6 ppm.

4. Podawanie azotu do zrobów ściany 4 w wariancie III, tj., przy normalnym przewietrzaniu i prowadzeniu eksploatacji ścianą 4, powodowało dalsze wypychanie rozrzedzonych gazów zrobowych do obiegowego prądu powietrza, skutkiem czego nastąpiło tu dalsze zmniejszenie stężeń CO z początkowego 6 ppm do 0 ÷ 2 ppm.

5. Po zakończeniu azotowania dopływ powietrza od strony wlotu do ściany i migracja gazów zrobowych w kierunku „wylotu” ze zrobów - spowodowały wzrost stężeń CO w obiegowym prądzie powietrza do około 6 ÷ 8 ppm. W stosunku do okresu przed pierwszym zastosowaniem azotowania jest to obniżenie stężeń CO o 10 ÷ 12 ppm.

6. Azotowanie zrobów ściany 4 było skuteczne zarówno przy dodatkowej regulacji różnic potencjałów i ilości powietrza w rejonie ściany 4 jak też w przypadku normalnego jego przewietrzania z równocześnie prowadzoną w tej ścianie eksploatacją. Wskaźnik Grahama nie przekroczył wartości 0,0025 a wskaźnik ilości tlenku węgla V_CO – wartości 10 l/min.

7. W przypadku stosowania przewietrzania ściany w układzie „Z” azotowanie można prowadzić równolegle z równoczesną jej eksploatacją, a stopień skuteczności azotowania jest uzależniony od czasu jego stosowania.

Literatura:

1. Rozporządzenie Ministra Przemysłu i Handlu z dnia 14 kwietnia 1995 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych, Dz. U. Nr 67 poz. 342 z 1995 r.

2. Załącznik nr 12 do rozporządzenia MP i H z dnia 14 kwietnia 1995 r.

3. Kajdasz Z., Buchwald P.: Zasadnicza droga do poprawy stanu bezpieczeństwa pożarowego w polskim górnictwie węgla kamiennego. Inertyzacja z wykorzystaniem azotu. Ratownictwo Górnicze nr 3/98, CSRG Bytom 1998 r.

4. Bradecki W., Matuszewski K., Nowak H.: Zastosowanie azotu w stanie gazowym do zwalczania samozapaleń węgla w zrobach ścian KWK „Sośnica”, Przegląd Górniczy nr 7 i 8, Katowice 1987 r.

Załącznik nr 2

Wyniki analiz prób gazów zrobowych ściany 4 w pokładzie 417 partia „L”
Data	Miejsce próby	Zmiana	Δh	O2	CO2	CO	CH4	H2	CXHy	N2	WG
16.07.98	z1	D	+2	4,60	2,40	0,0000	0,25	0,00	0,00	92,75	0,0000
„	z2	D	+2	17,10	0,70	0,0100	0,08	0,00	0,00	82,11	0,0021
„	z3	D	0	18,12	0,42	0,0090	0,00	0,00	0,00	81,45	0,0026
„	z4	D	0	17,36	0,06	0,0040	0,00	0,00	0,00	82,58	0,0009
„	z5	D	0	19,92	0,22	0,0000	0,00	0,00	0,00	79,86	0,0000
„	z6	D	0	19,97	0,15	0,0000	0,00	0,00	0,00	79,88	0,0000
„	z7	D	0	20,31	0,04	0,0000	0,00	0,00	0,00	79,65	0,0000
„	z8	D	0	18,36	0,32	0,0060	0,00	0,00	0,00	81,31	0,0019
„	z9	D	0	19,53	0,31	0,0000	0,00	0,00	0,00	80,16	0,0000
„	z10	D	0	20,26	0,05	0,0000	0,00	0,00	0,00	79,69	0,0000
„	z11	D	0	19,92	0,12	0,0000	0,00	0,00	0,00	79,96	0,0000
„	z12	D	0	20,26	0,05	0,0000	0,04	0,00	0,00	79,65	0,0000
27.07.98	z2	C	+2	13,74	1,36	0,0180	0,09	0,00	0,00	84,79	0,0021
‘’	z3	C	+2	16,51	0,77	0,0010	0,06	0,00	0,00	82,72	0,0002
"	z8	C	0	17,05	0,57	0,0120	0,00	0,00	0,00	82,37	0,0025
29.07.98	z2	C	+2	16,95	0,07	0,0100	0,05	0,00	0,00	82,92	0,0019
"	z3	C	+2	18,22	0,38	0,0030	0,07	0,00	0,00	81,33	0,0009
"	z8	C	0	18,80	0,60	0,0050	0,00	0,00	0,00	80,59	0,0019
04.08.98	z2	A	+2	11,74	1,40	0,0180	0,08	0,00	0,00	86,76	0,0016
"	z3	A	+2	17,05	1,90	0,0010	0,21	0,00	0,00	80,84	0,0002
‘	z8	A	+2	12,96	0,80	0,014	0,04	0,00	0,00	86,19	0,0015
11.08.98	z2	D	+2	16,85	1,10	0,0120	0,00	0,00	0,00	82,04	0,0024
	z3	D	+2	17,93	0,82	0,0000	0,06	0,00	0,00	81,02	0,0000
	z8	D	0	18,32	0,12	0,003	0,00	0,00	0,00	81,55	0,0009
17.08.98	z2	D	+2	16,37	0,95	0,0080	0,04	0,00	0,00	82,63	0,0014
	z3	D	+2	17,78	0,60	0,0020	0,00	0,00	0,00	81,62	0,0005
	z8	D	0	18,61	0,25	0,0055	0,00	0,00	0,00	81,14	0,0019