Jednym z największych zagrożeń dla bezpieczeństwa pracy górników w podziemnych kopalniach są pożary. Mogą one pojawić się na skutek samozapłonu węgla, określanego jako pożar endogeniczny, lub na skutek przyczyny zewnętrznej, nazywanego pożarem egzogenicznym. Zapobieganie pożarom w kopalniach ma istotny wpływ na bezpieczeństwo pracy górników, angażując wielu praktyków i ludzi nauki w działania prewencyjne. W obliczu dynamicznego rozwoju technologii, w tym wyposażenia służb wentylacyjnych kopalń w nowoczesny i precyzyjny sprzęt, wykorzystujący czujniki metanometrii, CO-metrii i anemometrii automatycznej, a także aparaturę do indywidualnego pomiaru składników atmosfery kopalnianej, konieczne jest ciągłe aktualizowanie wiedzy na ten temat.
Ogólna Charakterystyka Zagrożenia Pożarowego w Górnictwie Węglowym
Zapalenia i wybuchy metanu oraz pożary są przyczyną wielu wypadków i katastrof w kopalniach węgla kamiennego. Od 1990 do 2013 roku w polskich kopalniach węgla doszło do 42 pożarów lub wybuchów tego gazu, w których poniosło śmierć 88 osób, 117 osób zostało ciężko rannych, a 112 odniosło lekkie obrażenia.
Pożary Endogeniczne - Samozapalenie Węgla
W ostatnich latach dla zakładów górniczych bardziej dokuczliwe są przypadki samozapalenia się węgla, które powstaje na skutek utleniania się w warunkach uniemożliwiających odprowadzanie energii cieplnej. W polskich kopalniach węgla kamiennego gaszono pożary endogeniczne wielokrotnie, co świadczy o ich powszechności. Pożary endogeniczne są niebezpieczne dla górników przede wszystkim ze względu na koncentrację gazów groźnych dla życia i zdrowia ludzi. Są one specyficzne dla górnictwa, przeważnie nie towarzyszą im płomienie. Ich symptomem jest zadymienie i wzrost stężenia tlenku węgla w atmosferze kopalnianej.
Teorie Samozapalności Węgla
Zrozumienie samozapalności węgla opiera się na analizie różnych teorii, które wyjaśniają mechanizmy utleniania się węgla w niskich temperaturach, prowadzące do jego samozagrzewania i w konsekwencji do zapłonu.
Proces Samozagrzewania i Samozapalenia Węgla
Proces samozagrzewania węgla jest złożonym zjawiskiem fizykochemicznym. Zachodzi w wyniku reakcji węgla z tlenem, w warunkach, gdy wydzielana energia cieplna nie jest skutecznie odprowadzana, co prowadzi do wzrostu temperatury materiału. Żarzenie miału zaobserwowano już przy temperaturze 200°C.
Zjawiska Fizyczne i Chemiczne podczas Spalania
Podczas procesu spalania materiałów palnych zachodzą skomplikowane zjawiska fizyczne i chemiczne, które determinują charakter pożaru i skład produktów spalania. Istotne jest rozróżnienie spalania niezupełnego i zupełnego, a także niecałkowitego i całkowitego, które mają bezpośredni wpływ na wydzielanie toksycznych gazów.
Przebieg Procesu Spalania Węgla z Niedoborem Tlenu
W warunkach kopalnianych często dochodzi do spalania węgla z niedoborem tlenu, co zmienia skład produktów spalania i zwiększa zagrożenie. Ubytek tlenu w procesie samozagrzewania i palenia się węgla prowadzi do powstawania toksycznych gazów, takich jak tlenek węgla. Warunki wygaśnięcia pożaru w takich środowiskach są specyficzne i wymagają szczególnych działań.
Metody Oznaczania Skłonności Węgla do Samozapalenia
W celu oceny ryzyka samozapalenia węgla stosuje się różne metody laboratoryjne, pozwalające określić jego skłonność do utleniania i samozagrzewania. Do najważniejszych należą:
- Metoda Olpińskiego: Pozwala na oznaczenie wskaźnika samozapalności węgla i energii aktywacji pożaru. Wymaga odpowiedniego pobierania próbek węgla do badań samozapalności. Umożliwia również wyznaczanie okresu inkubacji pożaru endogenicznego.
- Metoda perhydrolowa Maciejasza: Inna technika stosowana do oceny ryzyka samozapalenia.
Ocena Zagrożenia Pożarami Endogenicznymi na Świecie
Zagrożenie pożarami endogenicznymi jest problemem globalnym, monitorowanym i zwalczanym w wielu krajach górniczych, w tym w Stanach Zjednoczonych, Wielkiej Brytanii, Australii, Rosji i Kanadzie, gdzie stosuje się różnorodne strategie prewencyjne i detekcyjne.
Pożary Egzogeniczne - Przyczyny Zewnętrzne
Pożary egzogeniczne są bardziej niebezpieczne od endogenicznych, ponieważ są nagłe i niespodziewane, powstają bez żadnych oznak ostrzegawczych i rozwijają się szybko. Stwarzają duże zagrożenie dla załogi pracującej na dole kopalni i powodują znaczne straty materialne.
Najczęstsze Przyczyny Pożarów Egzogenicznych
Pożary z przyczyn zewnętrznych w kopalni węgla kamiennego powstają zazwyczaj wskutek zaprószenia ognia, wadliwego działania urządzeń mechanicznych i elektrycznych bądź wskutek nieprawidłowego wykonywania robót strzelniczych.
Zaprószenie Ognia
Liczba pożarów spowodowanych zaprószeniem ognia wybitnie zmalała dzięki wycofaniu lamp karbidowych na rzecz lamp elektrycznych oraz wprowadzeniu zakazu palenia tytoniu. Istotnym krokiem było również wymienienie obudowy palnej na niepalną oraz egzekwowanie porządku i ładu w komorach funkcyjnych.
Obecnie duże zagrożenie pożarów przez zaprószenie ognia występuje wskutek nieprawidłowego wykonywania spawania i cięcia metali na dole kopalni w czasie prac naprawczych i montażowych. Pożar może być spowodowany nieodpowiednią jakością i nieprawidłowym użytkowaniem sprzętu spawalniczego. Warunkiem bezpiecznego prowadzenia takich prac jest prawidłowe urządzenie komory spawalniczej, przewietrzanej niezależnym, oddzielnym prądem powietrza, aby zanieczyszczone powietrze było odprowadzane bezpośrednio do dróg, którymi płynie powietrze zużyte. Należy także używać dobrych urządzeń spawalniczych przez odpowiednio wykwalifikowany personel. Szczególnie niebezpieczne jest wykonywanie prac spawalniczych w bezpośrednim sąsiedztwie materiałów palnych i w atmosferze zapylonej.
Urządzenia Mechaniczne i Elektryczne
Pożary od urządzeń mechanicznych w kopalniach powstają przede wszystkim z powodu nadmiernego wydzielania się ciepła przy pracy maszyn, co jest spowodowane niewłaściwą konserwacją i użytkowaniem oraz wadliwą zabudową urządzeń mechanicznych w wyrobiskach nie przystosowanych do instalacji takich urządzeń. Zagrożenie załogi w czasie pożaru przenośnika taśmowego zależy od lokalizacji przenośnika. Szczególnie niebezpieczne są pożary przenośników w grupowych prądach świeżego powietrza płynących do wielu rejonów wentylacyjnych. Z 1 kg palącej się taśmy przenośnikowej wydziela się około 5,6 m3 gazów, w tym około 0,003 m3 CO, 1 m3 CO2 oraz około 0,01 m3 metanu i wodoru. Przy badaniu tarcia taśmy o drewno uzyskano temperaturę 95°C. W większości państw stosuje się w podziemnych kopalniach wyłącznie przenośniki wyposażone w taśmy trudno palne, np. z polichlorku winylu. W polskim górnictwie obok przenośników z taśmami trudno palnymi są jeszcze przenośniki z taśmami gumowymi.
Znaczne zagrożenie może wystąpić w przypadku pożaru smarów i olejów. Dlatego wyeliminowano oleje mineralne, np. z napędów urządzeń przyszybowych, zapór torowych, wywrotów wozów, wycofano z produkcji olejowe stacje zasilające przenośnikowe zasobniki rewersyjne, a w wielu maszynach i urządzeniach ograniczono stosowaną pojemność oleju w układach hydraulicznych. Wprowadzono również zakaz stosowania w kopalniach maszyn i urządzeń hydraulicznych, w których pojemność oleju mineralnego przekracza 50 dm3, z wyjątkiem maszyn takich jak kombajny, ładowarki, kotwiarki, wiertnice, kołowroty hydrauliczne i prasy hydrauliczne. Zabronione jest budowanie i stosowanie magistrali hydraulicznych wzdłuż wyrobisk górniczych. Maszyny i urządzenia hydrauliczne muszą być wyposażone w sprzęt i zabezpieczenia przeciwpożarowe, a gdy pojemność układu hydraulicznego przekracza 250 dm3 oleju palnego lub emulsji palnej, należy wyposażyć je w samoczynnie uruchamiane urządzenia gaśnicze.
Wadliwe działanie urządzeń elektrycznych, takie jak zwarcie w instalacji elektrycznej spowodowane przeciążeniem w wyniku podłączenia dodatkowych urządzeń, również stanowi częstą przyczynę pożarów egzogenicznych.
Dlaczego w kopalniach wybucha metan?
Skutki Pożarów Kopalnianych i Zagrożenia
Podczas pożarów kopalnianych dochodzi do wielu zjawisk, które stanowią bezpośrednie zagrożenie dla życia i zdrowia górników, a także dla infrastruktury kopalni.
Gazy Pożarowe i Zagrożenie Wybuchowe
Pożary endogeniczne są niebezpieczne dla górników przede wszystkim ze względu na koncentrację gazów groźnych dla życia i zdrowia ludzi. Symptomem jest zadymienie i wzrost stężenia tlenku węgla w atmosferze kopalnianej. Zapalenia i wybuchy metanu oraz pożary są przyczyną wielu wypadków i katastrof. Zjawiska zapalenia metanu często miały miejsce w zrobach czynnej ściany. Zapalenia metanu były także wywołane samozapaleniem węgla w zrobach. Znane są również przypadki zapalenia metanu w czasie urabiania. Analiza chemiczna składu gazów pożarowych oraz zasady wykonywania pomiarów parametrów fizykochemicznych powietrza i gazów pożarowych są kluczowe dla oceny zagrożenia. Oprócz tego, warunki wybuchu gazów, metoda trójkąta wybuchowości oraz wybuchy zainicjowane iskrą lub łukiem elektrycznym, wybuchy w ognisku pożaru oraz wybuchy wywołane zmianami warunków pracy wentylatorów kopalnianych to poważne aspekty bezpieczeństwa.
Depresja Cieplna i Zaburzenia Wentylacji
Pożar powoduje depresję cieplną, której wyznaczanie i analiza zmiany temperatury gazów pożarowych są kluczowe dla zarządzania sytuacją. Zaburzenia w sieci wentylacyjnej w czasie pożarów podziemnych są różnorodne i mogą obejmować odwracanie się prądów powietrza. Kierunki prądów w czasie pożaru, zarówno w prądzie wznoszącym się, jak i schodzącym, a także wpływ kąta upadu wyrobiska na odwrócenie się prądu głównego powietrza, muszą być brane pod uwagę. Zabezpieczenia rejonów przewietrzanych schodzącymi prądami powietrza są niezbędne. Może również dojść do cofania się dymów i prądów wstecznych.
Widoczność i Skład Dymu
Parametry decydujące o widoczności w zadymionych wyrobiskach kopalń podziemnych są krytyczne dla ewakuacji. Skład dymu i jego wpływ na zatrudnionych, a także właściwości optyczne dymu, muszą być uwzględnione. Materiały jako źródła dymotwórcze to istotny czynnik ryzyka.
Zapobieganie Pożarom w Kopalniach
Skuteczne zapobieganie pożarom w kopalniach węgla wymaga kompleksowego podejścia, obejmującego zarówno monitorowanie, jak i aktywne działania prewencyjne.
Zapobieganie Pożarom Endogenicznym
Sposoby zapobiegania pożarom endogenicznym koncentrują się na minimalizowaniu ryzyka samozapalenia węgla. Obejmują one metody zwalczania pożarów endogenicznych, w tym uszczelnianie zrobów ścian zawałowych oraz izolację wyrobisk i zrobów ścian zawałowych. Stosowanie popiołów lotnych do uszczelniania zrobów zawałowych jest jedną ze skutecznych technik. Istotne jest także wykorzystanie trudnopalnych materiałów do konsolidacji i uszczelniania górotworu. Środki chemiczne i mineralne, takie jak pianki cementowe pęczniejące (Grupa I) oraz spoiwa mineralne o wysokich parametrach wytrzymałościowych (Grupa II), są stosowane w profilaktyce przeciwpożarowej podziemnych zakładów górniczych.
Zapobieganie Pożarom Egzogenicznym
W celu zapobiegania pożarom egzogenicznym konieczne jest stosowanie rygorystycznych zasad. Obejmuje to użycie lamp elektrycznych zamiast karbidowych, zakaz palenia tytoniu, wymianę obudowy palnej na niepalną oraz utrzymywanie porządku w komorach funkcyjnych. Szczególny nacisk kładzie się na bezpieczne wykonywanie prac spawalniczych i cięcia metali, a także na właściwą konserwację i użytkowanie urządzeń mechanicznych. W polskim górnictwie stosuje się przenośniki z taśmami trudno palnymi. Wprowadzono ograniczenia w stosowaniu olejów mineralnych w układach hydraulicznych maszyn i urządzeń, wymagając stosowania samoczynnie uruchamianych urządzeń gaśniczych dla układów o pojemności przekraczającej 250 dm3 palnego oleju lub emulsji. Ponadto, wyeliminowano magistrale hydrauliczne wzdłuż wyrobisk górniczych.
Monitorowanie i Zwalczanie Pożarów Podziemnych
Nowoczesne służby wentylacyjne kopalń są wyposażone w precyzyjny sprzęt wykorzystujący czujniki metanometrii automatycznej, CO-metrii automatycznej i anemometrii. Pozwalają one na bieżące monitorowanie atmosfery kopalnianej. Do oceny stanu pożaru i produktów spalania węgla stosuje się wskaźniki proste oraz wskaźniki złożone, takie jak wskaźnik Grahama, Younga, Willetta, Tricketta, Morrisa, CO/CO2, C/H, Bystronia B i F, wskaźnik alarmujący L i tlenowy BO2, a także wskaźniki pożarowe K1, K2, K3 i K4.
Systemy Przewietrzania w Kopalniach Węgla Kamiennego
Racjonalny sposób przewietrzania kopalni, rozcinka i wentylacja pola eksploatacyjnego, a także kryteria doboru systemu przewietrzania ścian są kluczowe dla kontroli zagrożeń, w tym pożarowych. Dobór systemu przewietrzania ściany w przypadku współwystępowania zagrożeń wymaga szczegółowej analizy. Możliwości ograniczenia rozwoju pożaru podziemnego obejmują kontrolę prędkości spalania i zarządzanie gazami pożarowymi w przestrzeni otamowanej.
Metody Izolowania i Gaszenia Pożarów
W celu ograniczenia rozprzestrzeniania się pożaru stosuje się metody i sposoby izolowania pożarów, w tym szybkie zamknięcie tam przeciwwybuchowych. Poszukuje się nowych rozwiązań zabezpieczeń rejonów zagrożonych wybuchem gazów i pyłu węglowego. Stosuje się również pasywne gaszenie pożarów podziemnych, polegające na wyrównaniu potencjałów aerodynamicznych za pomocą bocznicy gaszącej i tamy gaszącej, tamy dławiącej, wentylatora w tamie regulacyjnej oraz tamy dławiącej i wentylatora pomocniczego.
Akcje Ratownicze i Bezpieczeństwo Górników
Szczegółowe zasady prowadzenia akcji ratowniczych w zakładach górniczych obejmują akcje ratownicze przeciwpożarowe, w tym w polach metanowych i w wyrobiskach z wentylacją lutniową. Zasady wycofywania załogi ze strefy zagrożenia pożarowego oraz rygory obowiązujące po zamknięciu tam przeciwwybuchowych i podczas otwierania pola pożarowego są ściśle określone. Poprawa bezpieczeństwa górników podczas ewakuacji z zagrożonego rejonu kopalni oraz analiza dróg ucieczkowych są priorytetem.
Indywidualna Ochrona Dróg Oddechowych
W ratownictwie górniczym stosowany jest specjalistyczny sprzęt ochronny dróg oddechowych, obejmujący sprzęt ochronny oczyszczający (filtrujący) oraz tlenowe aparaty ucieczkowe i ewakuacyjne. Zasady lokalizacji punktów wymiany zużytych aparatów indywidualnej ochrony dróg oddechowych dla załogi są kluczowe dla skutecznej ewakuacji. Zasady wyznaczania wewnątrzrejonowych tam bezpieczeństwa oraz ustalenie lokalizacji, jakości i ilości środków do aktywnego zwalczania pożarów, w tym dla rejonu wentylacyjnego i rejonu ściany, są podstawą planowania bezpieczeństwa. Przykłady wyposażenia ścian eksploatacyjnych w przeciwpożarowe tamy bezpieczeństwa ilustrują praktyczne rozwiązania.
Wybrane Zdarzenia i Akcje Ratownicze
W latach 2009-2010 odnotowano łącznie 17 akcji pożarowych, z czego cztery ugaszono w krótkim czasie (2-3 dni), a pozostałe opanowano po zamknięciu rejonów specjalnymi tamami. Średni okres akcji pożarowych wynosił siedem dni, z najdłuższymi trwającymi 18 dni w KWK "Murcki-Staszic" (maj 2010 r.), 14 dni w KWK "Staszic" (maj 2009 r.) i 10 dni w KWK "Pniówek" (grudzień 2009 r.). Stwierdzono, że w ostatnich latach wydłuża się średni czas trwania akcji pożarowych (średnio 10 dni), na co wpływ ma m.in. doprowadzenie mediów niezbędnych do wykonania tam przeciwwybuchowych w zadymionych wyrobiskach.
Przykładem tragedii było zapalenie metanu w kopalni Mysłowice-Wesoła w dniu 6 października 2014 roku, w rejonie ściany 560 w pokładzie 510. Zapalenie metanu nastąpiło o godzinie 20:57, 52 minuty po zatrzymaniu kombajnu. W strefie zagrożenia znajdowało się wówczas 37 górników, w wyniku zdarzenia 30 osób zostało poszkodowanych, w tym zginęło pięciu górników. Komisja powołana przez Prezesa Wyższego Urzędu Górniczego ustaliła, na podstawie rejestracji stężenia metanu w systemie gazometrii automatycznej, że w miesiącu wrześniu poprzedzającym zdarzenie następował powolny, ale systematyczny wzrost zagrożenia metanowego oraz utrzymywał się podwyższony poziom zagrożenia pożarowego.
Inne znaczące akcje ratownicze miały miejsce w KWK Halemba, KWK Wujek, KWK Krupiński i ponownie w KWK Mysłowice-Wesoła, gdzie pożary endogeniczne wywoływały zapalenie metanu w zrobach, np. w ścianach 837 pokł. 405/2 w kopalni Bielszowice, 9 pokł. 405/2 w kopalni Sośnica czy F-22 pokład 405/1 w kopalni Borynia. Odnotowano także przypadki zapalenia metanu w czasie urabiania, jak w ścianie 108 pokł. 364 w kopalni Brzeszcze oraz w ścianie N-12 pokład 359/1; 359/1-2 w KWK Krupiński.