Bezpieczeństwo pracy

i ergonomia

Pomiary pyłu węglowego ze względu na niebezpieczeństwo wybuchu

              KRAKÓW 2008

              Michał Andrzejewski

              Paweł Bała

              Marek Dudek

              Sławomir Liszka

Wstęp

Podczas procesów technologicznych w zakładach górniczych przy urabianiu węgla wytwarzana jest olbrzymia ilość pyłów. Obecnie kopalnie dążą do obniżenia kosztów wydobycia między innymi poprzez jego koncentrację i z tego powodu zwiększa się ilość pyłu węglowego w wyrobiskach co wpływa niekorzystne na niebezpieczeństwo wybuchu pyłu węglowego. Szacuje się, że 3% ogólnego wydobycia to pył węglowy. Gdy zaistnieją odpowiednie warunki może dojść do wybuchu pyłu węglowego. Pomimo stosunkowo dobrego rozpoznania w porównaniu z innymi zagrożeniami oraz opracowania skutecznych metod ich zwalczania, wybuchy pyłu węglowego należą nadal do podstawowych zagrożeń w górnictwie węglowym. Są one w dalszym ciągu przyczyną największych katastrof często z ogromną liczbą ofiar. Zdarzają się na szczęście rzadko. Już w XIX wieku istniało wiele przesłanek mówiących o wybuchowości pyłu węglowego, mimo to odrzucano możliwość wybuchu pyłu węglowego bez udziału metanu. Dopiero śmierć 1099 górników w wyniku wybuchu pyłu węglowego w niemetanowej kopalni „Courriers” w 1906 roku spowodowała, że wszelkie wątpliwości dotyczące możliwości wybuchu samego pyłu węglowego, zostały ostatecznie rozwiane. Przez ponad 100 lat od tego tragicznego zdarzenia przeprowadzono szereg badań  i określono okoliczności i warunki w jakich może zaistnieć wybuch, opisano proces samego wybuchu, a przede wszystkim wskazano sposoby i metody zwalczania tego zagrożenia.

Temperatura zapłonu pyłu węglowego dla polskich węgli wynosi 5500C. Granica wybuchowości waha się  pomiędzy 50 - 1000g/m3. Najsilniejszy (stechiometryczny) wybuch pyłu ma miejsce przy 250 do 350g/m3. Granice wybuchowości pyłu węglowego można odpowiednio przesuwać przez dodawanie do ośrodka metanu lub innego gazu wybuchowego. Odróżnia się trzy fazy wybuchu pyłu węglowego:

o       działanie podmuchu – powoduje nierównomierne i turbulentne stężenie obłoku pyłu węglowego

o       działanie płomienia – czynnik termiczny powoduje zapłon pyłu

o       pozostanie gazów powybuchowych – stężenie CO dochodzi do kilkunastu procent.

Ciśnienie w czasie wybuchu rozchodzi się promieniście.

Zagrożenie to jest kontrolowane i regulowane przepisami, a najważniejsze to:

-          Prawo geologiczne i górnicze,   z 4 lutego 1994 r. ( z późn. Zm.)

-          Rozporządzenie Ministra Gospodarki,   z 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych

-          Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji,   z 14 czerwca 2002 r. w sprawie zagrożeń naturalnych w zakładach górniczych.

              W celu skontrolowania parametrów opisanych powyżej, używa się odpowiednich przyrządów pomiarowych, na których odczytuje się wskazania i podejmuje działania w celu zabezpieczenia pyłu węglowego przed niebezpieczeństwem wybuchu. W razie przekroczenia dopuszczalnych parametrów przewidzianych przepisami, dokonuje się zmian w technologii lub neutralizuje się pył węglowy, poprzez zraszanie wodą podczas urabiania oraz zraszanie na przesypach przez co pozbawia się go lotności, usuwa pył poprzez zmywanie lub opyla pyłem kamiennym. 

Pomiary pyłu węglowego pod względem wybuchowym

W dniu 3 stycznia 2009 roku w laboratorium AGH zostały przeprowadzone doświadczenia w celu określenia ilości pyłu kamiennego potrzebnego dla zabezpieczenia pyłu węglowego tj. uniemożliwiającą wybuch. Stanowisko wyposażone było w dwie komory spalania o pojemności 2 litrów i 2,4 litra Wykonano kilka próbnych wybuchów laboratoryjnych pyłu węglowego, w celu określenia dolnej granicy wybuchowości.

Próba nr.1

Odważono 1,2 g pyłu węglowego, który umieszczono w komorze spalania o pojemności dwóch litrów, następnie wzniecono pył i nastąpiło jego zapalenie – nastąpił wybuch

Próba nr.2

Odważono 1,1 g pyłu węglowego, który umieszczono w komorze spalania o pojemności dwóch litrów, następnie wzniecono pył i nastąpiło jego zapalenie – nastąpił wybuch

Próba nr.3

Odważono 1 g pyłu węglowego, który umieszczono w komorze spalania o pojemności dwóch litrów, następnie wzniecono pył i nastąpiło jego zapalenie – pył nie wybuchł

Pomiary ciśnienia oraz CO podczas wybuchu

Obliczono ilość pyłu z próby nr.1 dla komory spalania o pojemności 2,4 litra

}

1,2 – 2

                                          x = 1,44

x – 2,4

              Odważono 1,44 g pyłu węglowego, który umieszczono w komorze spalania o pojemności 2,4 litra i po wybuchu:

Ciśnienie wynosiło.............................................4,09*105  [Pa]

Stężenie CO wykonane rurką wskaźnikową.......0,02% obj. = 2480 mg/m3

Wykonano pięć pomiarów i skrajne odrzucono:

1.     

}

2.      83162

3.      83438

4.      84359                                 średnia arytmetyczna 84026 czyli No = 6,3 %

5.      84414

6.      84283

Obliczenie ilości potrzebnego pyłu kamiennego dla zabezpieczenia pyłu węglowego w polach metanowych:

Stosunek pyłu węglowego do pyłu kamiennego jaki należy dodać w polach metanowych wynosi  1 : 3,7

Obliczenie ilości potrzebnego pyłu kamiennego dla zabezpieczenia pyłu węglowego w polach niemetanowych:

Stosunek pyłu węglowego do pyłu kamiennego jaki należy dodać w polach niemetanowych wynosi  1 : 2,12

Dla sprawdzenia wykonano próbę wybuchu w polu niemetanowym pyłu węglowego w ilości 1,2 g, zabezpieczonego odpowiednią ilością pyłu kamiennego, czyli

1,2 * 2,12 = 2,544 g

1,2 g pyłu węglowego + 2,54 g pyłu kamiennego = 3,74 pyłu kopalnianego

Wybuch nie nastąpił.

Wnioski

Dolna granica wybuchowości pyłu węglowego użytego podczas ćwiczeń laboratoryjnych wynosi 1,1 g/2 litry i to się równa 550 g/m3. Z obliczeń wynika, że należy wymieszać go z pyłem kamiennym w stosunku 1:2,12 w polach niemetanowych, aby otrzymać pył kopalniany z zawartością 70% części niepalnych stałych, lub w stosunku 1:3,7 w polach metanowych, aby otrzymać pył kopalniany z zawartością 80% części niepalnych stałych. Tak zabezpieczony pył węglowy jest zgodny z obowiązującymi przepisami i można bezpiecznie prowadzić prace w wyrobisku, ponieważ nie ma możliwości wybuchu, pod warunkiem wykonania stref zabezpieczających przed wybuchem zakończonych zaporami przeciwwybuchowymi.  Z pomiarów przeprowadzonych w czasie ćwiczeń wynika, że stężenie gazów powybuchowych jest bardzo wysokie i gazy te tworzą atmosferę niezdatną do oddychania, a ciśnienie i wysoka temperatura nie dają szans na przeżycie ludzi.