Pożary w Górnictwie: Definicje, Rodzaje i Zapobieganie

Zapobieganie pożarom w kopalniach ma istotny wpływ na bezpieczeństwo pracy górników, dlatego też angażuje się wielu praktyków i ludzi nauki, aby podejmowali odpowiednie działania prewencyjne. Choć dostępna jest bogata literatura dotycząca pożarów podziemnych w kopalniach, na przestrzeni kilkudziesięciu lat służby wentylacyjne kopalń wyposażono w nowoczesny i precyzyjny sprzęt wykorzystujący czujniki metanometrii automatycznej, CO-metrii automatycznej i anemometrii, a także w aparaturę do indywidualnego pomiaru składników atmosfery kopalnianej. Konieczne jest aktualizowanie dostępnej na ten temat wiedzy, aby zrozumieć zjawiska mogące wystąpić w kopalniach podczas pożaru. Niniejsza publikacja ma na celu przedstawienie najistotniejszych informacji dotyczących tych zjawisk.

Definicja i Ogólna Charakterystyka Pożarów

Co to jest pożar?

Pożar jest to niekontrolowany proces spalania dóbr materialnych, wymagający zorganizowanej akcji ratowniczej, lub niekontrolowany proces palenia się, występujący w miejscu do tego nieprzeznaczonym, rozprzestrzeniający się w sposób niekontrolowany, powodujący zagrożenie dla zdrowia i życia ludzi oraz zwierząt, a także straty materialne.

Pożar jest procesem utleniania się materiałów palnych, czyli łączenia się materiałów palnych z tlenem. Ten proces utleniania przebiega w sposób gwałtowny. Utlenianie jest zjawiskiem bardzo powszechnie występującym w przyrodzie, polega ono na egzotermicznej (z wydzielaniem ciepła) reakcji materiału z tlenem. Szybkość utleniania wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.

"Trójkąt pożarowy"

Aby doszło do pożaru, musi wystąpić tzw. „trójkąt pożarowy”, czyli trzy czynniki:

• materiał palny
• utleniacz (tlen, powietrze, materiał utleniający)
• źródło ognia (źródło energii cieplnej)

Współistnienie tych trzech czynników w jednym miejscu, w jednym czasie i w odpowiednich proporcjach warunkuje zapoczątkowanie i rozwój pożaru. Brak któregokolwiek z tych czynników spowoduje przerwanie procesu palenia, czyli przerwanie łańcuchowej reakcji spalania, co będzie równoznaczne z ugaszeniem pożaru. Znajomość tego faktu jest wykorzystywana w czasie gaszenia pożarów.

Definicja Pożaru Podziemnego w Górnictwie

W przepisach prawnych przez pożar podziemny rozumie się wystąpienie w wyrobisku podziemnym otwartego ognia, żarzącej lub palącej się płomieniem otwartym substancji, a także stwierdzenie w powietrzu kopalnianym dymów lub ilości tlenku węgla w rejonowym prądzie powietrza większej niż 25 dm³/min. Pożar podziemny definiuje się jako zdarzenie mające miejsce w wyrobisku podziemnym. Tlenek węgla (CO) jest gazem szkodliwym, powstającym w wyniku niepełnego spalania węgla, co czyni go istotnym zagrożeniem w podziemnych wyrobiskach górniczych. Monitorowanie stężenia CO w powietrzu jest kluczowym elementem systemów wentylacji i bezpieczeństwa.

Istotne jest, że palenie może przebiegać zarówno z pojawieniem się płomienia, jak i bez niego. Płomień występuje tylko wtedy, gdy podczas palenia wydzielają się palne pary lub gazy, dlatego definicja pożaru podziemnego nie ogranicza się jedynie do wystąpienia otwartego ognia.

Rodzaje i Przyczyny Pożarów w Kopalniach

Ogólna charakterystyka zagrożenia pożarowego

Podziemna eksploatacja węgla kamiennego w Polsce jest prowadzona w trudnych warunkach górniczo-geologicznych, powodujących liczne zagrożenia dla załóg górniczych. Do największych zagrożeń górniczych należą pożary podziemne, które wielokrotnie były powodem tragicznych katastrof górniczych.

Główne zagrożenie wynikające z powstania pożaru podziemnego jest związane z szybkim rozprzestrzenianiem się gazów i dymów w wyrobiskach kopalnianych. Gazy te zazwyczaj nie ulegają dostatecznemu rozrzedzeniu, jak w warunkach powierzchniowych na otwartej przestrzeni, dlatego mogą zaskoczyć załogę i spowodować jej zatrucie lub uduszenie, nawet w dużej odległości od ognia pożaru. Pożar kopalniany, w zależności od miejsca jego powstania, czasu wykrycia oraz prędkości rozwoju i intensywności jego zwalczania, może spowodować duże straty materialne.

Materiałami palnymi w kopalniach są między innymi węgiel, drewno, obudowa, oleje, smary, guma, tworzywa sztuczne, a także inne materiały znajdujące się w wyrobiskach górniczych. Warunkiem koniecznym powstania pożaru jest jednoczesne wystąpienie trzech czynników, tj.: materiału palnego, źródła wysokiej temperatury trwającej przez dostatecznie długi okres oraz odpowiedniego stężenia tlenu w miejscu formowania się ogniska pożaru.

Pożary Endogeniczne (Samozapalenie Węgla)

Zapalenie materiału palnego może nastąpić w wyniku egzotermicznych przemian fizykochemicznych doprowadzających do samozapalenia materiału palnego, zwłaszcza węgla. W górnictwie podziemnym wyróżnia się pożary endogeniczne, tzn. pożary, które powstały z przyczyn wewnętrznych, tj. samozapalenia. Pożary endogeniczne należą do najczęstszych pożarów w kopalniach węgla kamiennego, co wiąże się z łatwą palnością węgla oraz jego dużą skłonnością do samozapalenia. Jak wykazała praktyka, pożar endogeniczny może powstać nawet w pokładzie o małej skłonności do samozapalenia przy stosowaniu nieodpowiedniego systemu eksploatacji lub niewłaściwego przewietrzania wyrobisk górniczych. Pożary endogeniczne charakteryzują się zazwyczaj spokojnym przebiegiem, przy czym na ogół wcześnie pojawiają się oznaki zewnętrzne takich pożarów, które umożliwiają ich wykrycie i podjęcie odpowiednich środków zmierzających do ich likwidacji.

Proces samozapalenia węgla

Proces samozapalenia węgla, który jest przyczyną powstawania pożarów endogenicznych w kopalniach węgla kamiennego, to proces złożony. Jego przebieg zależy od składu chemicznego, skali oraz rodzaju zanieczyszczenia, stopnia rozdrobnienia węgla, poziomu wilgoci i popiołu. Pożary endogeniczne w kopalniach węgla są efektem utleniania się węgla, które zachodzi w sprzyjających warunkach. Węgiel utlenia się bowiem także w temperaturze powietrza kopalnianego. Jest to reakcja egzotermiczna, która w warunkach niewystarczającego chłodzenia doprowadza do wzrostu temperatury. Samozapalenie węgla jest skutkiem utleniania się tego surowca w warunkach, w których niemożliwe jest odprowadzenie ciepła utleniania. Proces utleniania się węgla może przebiegać niedostrzegalnie, objawiać się wydzielaniem gazów lub widocznym, otwartym ogniem - co zależy od rozdrobnienia surowca.

Szybkość utleniania znacząco wzrasta powyżej temperatury 60°C. Samozapłon następuje wówczas, kiedy temperatura nagrzewającego się węgla przekracza temperaturę zapłonu. Dla węgli kamiennych temperatura zapłonu wynosi około 350°C. Jeśli temperatura wciąż rośnie, węgiel odgazowuje się. Gdy temperatura węgla osiągnie temperaturę w przedziale od 60 do 80°C, następuje zazwyczaj szybki wzrost temperatury węgla, aż do temperatury zapłonu T_z. Gdy temperatura węgla nie osiągnie temperatury krytycznej lub gdy po jej osiągnięciu występują warunki sprzyjające odprowadzaniu ciepła, wówczas następuje przerwanie procesu samozagrzewania i rozpoczyna się okres ochładzania.

Czynniki wpływające na samozapalność węgla

• Skład petrograficzny: Pokłady węgla zawierające duże ilości składników kruchych, takich jak np. fuzyt i klaryt, łatwo się kruszą, a w następstwie tego ulegają samozapaleniu.
• Wilgoć higroskopijna: W miarę wzrostu jej zawartości wzrasta samozapalność węgla.
• Węgiel pierwiastkowy: Jego zawartość również wpływa na samozapalność.
• Popiół: Popiół składa się głównie z niepalnych substancji mineralnych, takich jak tlenki, węglany i krzemionka. Obecność większej ilości popiołu w węglu może wpływać na zmniejszenie samozapalności, ponieważ:
  • Substancje niepalne w popiele mogą działać jako bariera, ograniczając kontakt tlenu z cząsteczkami węgla, co spowalnia proces utleniania.
  • Popiół ma wyższą pojemność cieplną niż węgiel, co oznacza, że pochłania więcej ciepła, zanim jego temperatura znacząco wzrośnie.
  • Cząsteczki popiołu mogą oddziaływać chemicznie z węglem lub tlenem, wpływając na kinetykę reakcji samozapalenia, a także fizycznie - zmniejszając podatność na rozdrobnienie.

Pożary Egzogeniczne (Przyczyny Zewnętrzne)

Pożary egzogeniczne to pożary, które powstały z przyczyn zewnętrznych. W swoim występowaniu i rozwoju różnią się od endogenicznych. Mogą charakteryzować się gwałtownym przebiegiem i szybkim rozprzestrzenianiem się, co często prowadzi do rozległych zniszczeń i zagrożeń dla załóg górniczych.

Potencjalne przyczyny pożarów egzogenicznych to:

• Tarcie mechaniczne: Tarcie elementów maszyn i urządzeń, takich jak przenośniki taśmowe, wentylatory czy kombajny, może prowadzić do wzrostu temperatury i zapłonu materiałów palnych.
• Iskrzenie i łuki elektryczne: Wady instalacji elektrycznych, uszkodzenia kabli, zwarcia lub wyładowania atmosferyczne mogą wywołać iskrzenie, które jest źródłem zapłonu.
• Otwarte płomienie i gorące powierzchnie: Niekontrolowane użycie otwartego ognia, gorące narzędzia, przegrzane elementy maszyn mogą być bezpośrednim źródłem zapłonu.
• Działania ludzkie: Niedbalstwo, nieprawidłowe zachowanie lub nieprzestrzeganie procedur bezpieczeństwa przez pracowników, np. palenie tytoniu w miejscach niedozwolonych.
• Wybuchy metanu i pyłu węglowego: Mogą inicjować pożary o szerokim zasięgu, trudne do ugaszenia ze względu na zniszczenie i zagazowanie wyrobisk.
• Wyładowania atmosferyczne: Silne uderzenia piorunów mogą spowodować zapłon gazów wydzielających się z pokładów węgla lub metanu w kopalniach.
• Wycieki łatwopalnych substancji: Wypadki związane z wyciekami łatwopalnych substancji, takich jak oleje, smary, paliwa, mogą prowadzić do pożarów.
• Przegrzewanie maszyn i urządzeń: Nieprawidłowe użytkowanie, nieprawidłowe smarowanie lub awarie maszyn i urządzeń mogą prowadzić do ich przegrzania i wywołania pożaru.

Konsekwencje Pożarów Podziemnych

Zagrożenia wynikające z pożarów

W górnictwie, w szczególności w kopalniach węgla kamiennego, pożary podziemne są zagrożeniami, które występują najczęściej i niejednokrotnie wymagają prowadzenia długotrwałych akcji ratowniczych. Wiąże się to przede wszystkim ze specyfiką podziemnych wyrobisk górniczych; ich ograniczona pojemność sprawia, że może dojść do szybkiego przekroczenia dopuszczalnej granicy koncentracji gazów szkodliwych dla zdrowia. Może to również powodować groźne w danym momencie i sytuacji zmiany kierunków przepływu powietrza, ale też zmniejsza swobodę poruszania się ludzi, szczególnie gdy panuje zadymienie.

W czasie pożaru rud siarczkowych może również wydzielić się siarkowodór (H₂S). Gaz ten przedostaje się do krwi, działa na układ nerwowy i wywołuje ogólne zatrucie, wskutek którego może nastąpić paraliż ośrodka oddechowego. Dopuszczalne stężenie H₂S w powietrzu kopalnianym wynosi 0,0007%, a przy stężeniu 0,08-0,1% życiu człowieka grozi poważne niebezpieczeństwo.

Akcje przeciwpożarowe, jakie są podejmowane w wyniku pożarów, wywołują konieczność częściowego wstrzymania robót górniczych w części kopalni (przy gaszeniu aktywnym), a także konieczność tamowania wyrobisk celem ich izolacji, co często prowadzi do pozostawienia znacznego majątku trwałego oraz zasobów węgla (przy gaszeniu pasywnym).

Zagrożenie wybuchowe gazów pożarowych

Pożary mogą prowadzić do powstania zagrożenia wybuchowego gazów pożarowych. Warunki wybuchu gazów są analizowane między innymi metodą trójkąta wybuchowości. Wybuchy mogą być inicjowane iskrą lub łukiem elektrycznym, mogą występować w ognisku pożaru, a także być wywołane zmianami warunków pracy wentylatorów kopalnianych.

Wykrywanie i Monitorowanie Zagrożenia Pożarowego

Metody oznaczania skłonności węgla do samozapalenia

W celu oceny zagrożenia pożarami endogenicznymi stosuje się różne metody oznaczania skłonności węgla do samozapalenia, takie jak:

• Metoda Olpińskiego: Służy do oznaczania wskaźnika samozapalności węgla i energii aktywacji pożaru. Metoda ta obejmuje także pobieranie próbek węgla do badań samozapalności oraz wyznaczanie okresu inkubacji pożaru endogenicznego.
• Metoda perhydrolowa Maciejasza.

Produkty spalania węgla z niedoborem tlenu

Przebieg procesu spalania węgla z niedoborem tlenu wiąże się z ubytkiem tlenu w procesie samozagrzewania i palenia się węgla. Produkty spalania węgla, według badań eksperymentalnych, zawierają różne gazy. Możliwe są także reakcje wtórne produktów gazowych, wpływające na skład atmosfery kopalnianej. Warunki wygaśnięcia pożaru są ściśle związane z kontrolą dopływu tlenu i temperatury.

Wskaźniki pożarowe

Do oceny stanu pożaru w przestrzeniach otamowanych wykorzystuje się analizę chemiczną składu gazów, badanie składu gazów oraz zasady wykonywania pomiarów parametrów fizykochemicznych powietrza i gazów pożarowych. Wskaźniki te dzielą się na:

• Wskaźniki proste.
• Wskaźniki złożone:
  • Wskaźnik Grahama
  • Wskaźnik Younga
  • Wskaźnik Willetta
  • Wskaźnik Tricketta
  • Wskaźnik Morrisa
  • Wskaźnik CO/CO₂
  • Wskaźnik C/H
  • Wskaźnik Bystronia B
  • Wskaźnik Bystronia F
  • Wskaźnik alarmujący L i tlenowy BO₂
  • Wskaźniki pożarowe K1, K2, K3 i K4

Zapobieganie i Zwalczanie Pożarów Podziemnych

Sposoby zapobiegania pożarom endogenicznym

Zwalczanie zagrożenia pożarami endogenicznymi w wyrobiskach ścianowych obejmuje różne metody. Jednym ze sposobów jest uszczelnianie zrobów ścian zawałowych oraz izolacja wyrobisk i zrobów ścian zawałowych. Stosowanie popiołów lotnych do uszczelniania zrobów zawałowych jest również efektywną metodą profilaktyczną.

W profilaktyce przeciwpożarowej podziemnych zakładów górniczych stosuje się również środki chemiczne i mineralne. Środki mineralne w zwalczaniu zagrożenia pożarami endogenicznymi obejmują:

• Grupę I - pianki cementowe pęczniejące.
• Grupę II - spoiwa mineralne o wysokich parametrach wytrzymałościowych.

Systemy przewietrzania w kopalniach węgla kamiennego

Racjonalny sposób przewietrzania kopalni oraz odpowiednia rozcinka i wentylacja pola eksploatacyjnego są kluczowe dla bezpieczeństwa. Należy uwzględniać zagrożenia wynikające z prowadzenia robót górniczych poniżej poziomu udostępnienia. Kryteria doboru systemu przewietrzania ścian oraz dobór systemu przewietrzania ściany w przypadku współwystępowania zagrożeń są istotne dla skutecznej profilaktyki pożarowej.

Metody i sposoby izolowania pożarów

Możliwości ograniczenia rozwoju pożaru podziemnego obejmują kontrolę prędkości spalania oraz zarządzanie gazami pożarowymi w przestrzeni otamowanej. Depresja cieplna pożaru, w tym wyznaczanie depresji cieplnej i zmiana temperatury gazów pożarowych, jest ważnym elementem oceny i zwalczania pożarów.

Zaburzenia w sieci wentylacyjnej w czasie pożarów podziemnych mogą przybierać różne rodzaje, w tym odwracanie się prądów powietrza. Należy analizować kierunki prądów w czasie pożaru zarówno w prądzie wznoszącym się, jak i schodzącym, oraz wpływ kąta upadu wyrobiska na odwrócenie się prądu głównego powietrza. Istotne są również zabezpieczenia rejonów przewietrzanych schodzącymi prądami powietrza oraz ryzyko powstawania wtórnych ognisk pożarów. Rozwiązania umożliwiające szybkie zamknięcie tam przeciwwybuchowych są kluczowe dla izolacji.

Pasywne gaszenie pożarów podziemnych może być realizowane poprzez:

• Wyrównanie potencjałów aerodynamicznych za pomocą bocznicy gaszącej i tamy gaszącej.
• Wyrównanie potencjałów aerodynamicznych za pomocą tamy dławiącej.
• Wyrównanie potencjałów aerodynamicznych za pomocą wentylatora w tamie regulacyjnej.
• Wyrównanie potencjałów aerodynamicznych za pomocą tamy dławiącej i wentylatora pomocniczego.

Akcje Ratownicze i Bezpieczeństwo Górników

Zasady lokalizacji punktów wymiany zużytych aparatów indywidualnej ochrony dróg oddechowych dla załogi

Poprawa bezpieczeństwa górników podczas ewakuacji z zagrożonego rejonu kopalni wymaga analizy dróg ucieczkowych z rejonów wydobywczych. Stosuje się sprzęt ochronny dróg oddechowych w ratownictwie górniczym, w tym sprzęt ochronny oczyszczający (filtrujący) oraz tlenowe aparaty ucieczkowe i ewakuacyjne. Istotne jest również ustalenie lokalizacji punktów wymiany zużytych aparatów indywidualnej ochrony dróg oddechowych.

Zasady wyznaczania wewnątrzrejonowych tam bezpieczeństwa

Ważne są zasady wyznaczania wewnątrzrejonowych tam bezpieczeństwa oraz ustalenie lokalizacji, jakości i ilości środków do aktywnego zwalczania pożarów w rejonie wentylacyjnym i rejonie ściany. Przykłady wyposażenia ścian eksploatacyjnych w przeciwpożarowe tamy bezpieczeństwa pokazują praktyczne zastosowanie tych zasad.

Parametry decydujące o widoczności w zadymionych wyrobiskach kopalń podziemnych

Skład dymu i jego wpływ na zatrudnionych, właściwości optyczne dymu oraz materiały jako źródła dymotwórcze są kluczowe dla oceny warunków ewakuacji. Stosowanie trudnopalnych materiałów do konsolidacji i uszczelniania górotworu przyczynia się do zmniejszenia zagrożenia.

Zjawisko cofania się dymów i prądów wstecznych jest poważnym zagrożeniem, które należy uwzględniać w planowaniu ewakuacji i akcji ratowniczych.

Szczegółowe zasady prowadzenia akcji ratowniczych w zakładach górniczych

Akcje ratownicze przeciwpożarowe, w tym akcje w polach metanowych i w wyrobisku z wentylacją lutniową, wymagają przestrzegania szczegółowych zasad. Istotne są zasady wycofywania załogi ze strefy zagrożenia pożarowego oraz rygory obowiązujące po zamknięciu tam przeciwwybuchowych oraz podczas otwierania pola pożarowego.

Ocena stanu pożaru w przestrzeniach otamowanych

Ocena stanu pożaru w przestrzeniach otamowanych odbywa się poprzez badanie składu gazów. Przykłady analizy stanu pożaru w przestrzeni otamowanej, takie jak Ściana 44-Z1, Z2 w pokładzie 505/1 w kopalni J-M, dostarczają praktycznych wskazówek.

Przykładowe Zdarzenia Pożarowe w Górnictwie

Wybrane akcje ratownicze w polskich kopalniach węgla kamiennego

• Akcja ratownicza w KWK Halemba
• Akcja ratownicza w KWK Wujek
• Akcja ratownicza w KWK Krupiński
• Akcja ratownicza w KWK Mysłowice-Wesoła

Inne przykłady pożarów i ich przyczyny

• Pożar w kopalni węgla kamiennego w Soma, Turcja, w 2014 roku: Wyładowanie atmosferyczne spowodowało zapłon metanu, co doprowadziło do eksplozji i pożaru, w którym zginęło 301 górników. Jest to przykład pożaru egzogenicznego.
• Pożar w kopalni rudy żelaza w Pilbara, Australia, w 2018 roku: Wyciek oleju hydraulicznego spowodował pożar, który szybko się rozprzestrzenił, powodując znaczne straty materialne. Jest to przykład pożaru egzogenicznego.
• Pożar w kopalni złota w Mponeng, RPA, w 2012 roku: Przegrzanie przenośnika taśmowego spowodowało zapłon gumowej taśmy, co doprowadziło do rozprzestrzenienia się pożaru w całej kopalni. Jest to przykład pożaru egzogenicznego.
• Pożar w kopalni węgla kamiennego w Upper Big Branch, USA, w 2010 roku: Zaniedbania w zakresie przestrzegania procedur bezpieczeństwa spowodowały zapłon metanu i pyłu węglowego, co doprowadziło do eksplozji i śmierci 29 górników. Jest to również przykład pożaru egzogenicznego.

Zagrożenie pożarowe w kopalniach rud miedzi

Zagrożenie pożarowe występuje również w kopalniach rud miedzi, gdzie specyficzne warunki geologiczne i wydobywcze mogą prowadzić do innych rodzajów zagrożeń, w tym wydzielania toksycznych gazów, takich jak siarkowodór.

tags: #pozar #definicja #gornictwo