Index of /rozprawy2/10316

Pełen tekst

(1)AKADEMIA GÓRNICZO– HUTNICZA im. Stanisława Staszica. w Krakowie. mgr inż. Piotr ROJEK. PRACA DOKTORSKA. BADANIE MOŻLIWOŚCI PRAKTYCZNEGO ZASTOSOWANIA AEROZOLU POWIETRZNO-WODNEGO W OGRANICZANIU ZAPYLENIA W WYROBISKACH EKSPLOATACYJNYCH. Promotor prof. dr hab. inż. Antoni Kalukiewicz. Kraków, 2010.

(2) Spis treści 1. Wprowadzenie ................................................................................................................................ 3. 2. Dotychczasowy stan wiedzy ............................................................................................................ 5 2.1. Analiza zagrożenia pyłowego .................................................................................................. 5. 2.2. Metody zwalczania zagrożeo................................................................................................. 20. 2.3. Badania skuteczności redukcji zapylenia............................................................................... 32. 2.3.1. Badania teoretyczne (opis zjawiska) ............................................................................. 32. 2.3.2. Badania numeryczne ..................................................................................................... 38. 2.3.3. Badania laboratoryjne ................................................................................................... 40. 2.3.4. Badania w warunkach „in situ” ..................................................................................... 44. 3. Cel i zakres pracy ........................................................................................................................... 50. 4. Sposób realizacji eksperymentu .................................................................................................... 52. 5. Badania skuteczności redukcji zapylenia powietrza systemu zraszania powietrzno–wodnego ... 57 5.1. Stanowisko badawcze ........................................................................................................... 57. 5.1.1. Budowa stanowiska badawczego .................................................................................. 57. 5.1.2. Zasada działania stanowiska badawczego..................................................................... 59. 5.2. Pył użyty do pomiarów .......................................................................................................... 65. 5.3. Metodyka badao. .................................................................................................................. 66. 5.4. Przebieg i wyniki badao ......................................................................................................... 71. 5.5. Analiza wyników badao ......................................................................................................... 77. 6 Badania oceny wpływu stosunku natężenia przepływu powietrza do natężenia przepływu wody na skutecznośd redukcji zapylenia powietrza ....................................................................................... 95 6.1. 7. Stanowisko badawcze ........................................................................................................... 95. 6.1.1. Budowa stanowiska pomiarowego. .............................................................................. 95. 6.1.2. Zasada działania stanowiska.......................................................................................... 96. 6.2. Metodyka badao. .................................................................................................................. 97. 6.3. Przebieg i wyniki badao. ...................................................................................................... 100. 6.4. Analiza wyników badao ....................................................................................................... 106. Podsumowanie i wnioski koocowe ............................................................................................. 112 7.1. Wnioski ogólne .................................................................................................................... 112. 7.2. Wnioski szczegółowe ........................................................................................................... 112. 8. Kierunki dalszych prac ................................................................................................................. 114. 9. Literatura ..................................................................................................................................... 115. 2.

(3) 1. Wprowadzenie Zasadniczą operacją górniczą mająca na celu pozyskiwanie kopalin użytecznych jest. proces urabiania polegający na oddzieleniu części kopaliny od calizny. Jedyną obecnie efektywną metodą eksploatacji pokładów węgla kamiennego jest metoda mechanicznego urabiania (skrawanie). Wynikiem takiego działania jest odłupywanie elementów różnej wielkości oraz rozkruszanie pewnych objętości. Elementem negatywnym tego procesu jest w różnym zakresie miażdżenie skały a przez to powstawanie lotnego pyłu węglowego. Proces mechanicznego urabiania niesie ze sobą szczególne niebezpieczeostwo w wyrobiskach metanowych, gdzie noże urabiające osadzone w uchwytach organów urabiających kombajnu, wchodząc w kontakt ze zwięzłymi skałami towarzyszącymi pokładom węgla, powodują nagrzanie do wysokich temperatur ostrzy noży oraz bruzd skrawów, powodując równocześnie powstawanie iskier mechanicznych. W przypadku nagromadzenia w obszarze urabiania wydzielającego się z calizny metanu, niesie to za sobą ryzyko zapłonu oraz wybuchu mieszanki metanu i powietrza. Biorąc pod uwagę powstawanie lotnego pyłu węglowego należy także uwzględnid zagrożenie wybuchem pyłu węglowego oraz chorobami zawodowymi (pylica) u pracujących załóg górniczych. Z uwagi na skutecznośd ograniczenia ryzyka zapłonu metanu, zastosowanie systemu zraszania mieszaniną powietrzno–wodną dało pozytywne wyniki i jest obecnie jedną z najbardziej skutecznych metod do redukcji tego zagrożenia. Jednakże, wyniki przeprowadzonych wcześniej badao [69], [70], [71] nad redukcją zapylenia powietrza w wyrobiskach górniczych nie dały jednoznacznej odpowiedzi na temat jej skuteczności. Uwzględniając powyższe w niniejszej pracy podjęto ocenę skuteczności redukcji zapylenia powietrza systemem zraszania powietrzno–wodnego przez porównanie z innym systemem zraszającym. Wykonane wstępne badania w warunkach „in situ” ze względu na zmienne w czasie warunki środowiskowe i brak powtarzalności wyników skłoniły autora do przeprowadzenia badao w warunkach laboratoryjnych. W tym wypadku możliwe było zachowanie stałych warunków podczas przeprowadzania pomiarów, co umożliwiło dokonanie porównania wyników badao. Podjęto również starania nad określeniem wpływu parametrów zasilania instalacji zraszającej na skutecznośd redukcji zapylenia powietrza. 3.

(4) Niniejsza praca pt. „Badanie możliwości praktycznego zastosowania aerozolu powietrzno-wodnego w ograniczaniu zapylenia w wyrobiskach eksploatacyjnych” składa się z pięciu części. Częśd pierwsza (rozdział 2) będąca częścią opisową, przedstawia podstawowe wiadomości z zakresu zagrożeo związanych z zapyleniem, metod zwalczania zagrożenia pyłowego w górnictwie podziemnym oraz metod badania skuteczności redukcji zapylenia powietrza. W drugiej części (rozdziały 3, 4) przedstawiono przyczyny i uzasadnienie podjęcia tematu. Podsumowaniem tej części jest określenie celu i zakres prowadzenia badao oraz sformułowanie tezy pracy. Nakreślono również sposób realizacji eksperymentu. W trzeciej części ( rozdział 5) omówiono badania skuteczności redukcji zapylenia powietrza systemem zraszania powietrzno–wodnego w odniesieniu do wyników badao nad zraszaniem wodnym wysokociśnieniowym z zasysaniem powietrza. W części tej zawarto opis budowy i zasady działania stanowiska badawczego. Przedstawiono metodykę badao, przebieg i wyniki prowadzonych pomiarów. Przedstawiono analizę porównawczą wyników pomiarów skuteczności redukcji zapylenia powietrza systemem zraszania powietrzno– wodnego do systemu zraszania wodnego wysokociśnieniowego z zasysaniem powietrza. Częśd czwarta (rozdział 6) zawiera omówienie badao stanowiskowych dotyczących wpływu stosunku natężenia przepływu powietrza do natężenia przepływu wody na skutecznośd redukcji zapylenia. W części tej omówiono budowę stanowiska badawczego, przedstawiono przebieg, wyniki oraz analizę prowadzonych pomiarów. Częśd piąta (rozdziały 7 i 8) przedstawia podsumowanie wraz z wnioskami z przeprowadzonych badao oraz proponowane kierunki dalszych prac.. 4.

(5) 2. Dotychczasowy stan wiedzy. 2.1 Analiza zagrożenia pyłowego Zachorowalnośd na choroby zawodowe jest istotnym miernikiem higieny pracy. Coraz powszechniejsza staje się świadomośd wśród pracodawców i pracowników znacznych kosztów społecznych wynikających z zaniedbao w tej dziedzinie, ewentualnych kosztów leczenia i koniecznośd wypłat świadczeo finansowych z tytułu trwałej niezdolności do pracy. Świadomośd ta daje realne odniesienie w spadku współczynnika zapadalności na choroby zawodowe (rys.2.1).. Rys.2.1. Choroby zawodowe w latach 1991–2008 (współczynnik zapadalności na 100 tys. zatrudnionych) [94] W 2008 r., według danych Centralnego Rejestru Chorób Zawodowych Instytutu Medycyny Pracy w Łodzi, odnotowano w Polsce 3 546 przypadków chorób zawodowych *94] (wzrost o około 8 % w odniesieniu do 2007 roku). Współczynnik zachorowalności na choroby zawodowe (liczba chorób zawodowych na 100 tys. zatrudnionych) wzrósł nieznacznie i wyniósł 34,7 (w 2007 r. – 33,5). W 2008 r. najwyższy współczynnik zapadalności na choroby zawodowe odnotowano w województwach: lubelskim – 75,5, śląskim – 66,3, natomiast najniższy współczynnik zachorowalności miało województwo mazowieckie– 10,8 (rys.2.2) [8], [94]. Zapadalnośd odnoszona jest do liczby osób zatrudnionych w gospodarce narodowej. Podstawę obliczenia współczynników zapadalności na choroby zawodowe stanowią dane, dotyczące liczby osób zatrudnionych wg kryteriów GUS. Do analizy zapadalności. 5.

(6) w poszczególnych sektorach gospodarki narodowej stosowana jest Europejska Klasyfikacja Działalności EKD [24], [28].. Rys.2.2. Choroby zawodowe w 2008 roku (współczynnik zapadalności na 100 tys. zatrudnionych)[94] Największą zapadalnością w 2008 r. (rys. 2.3) odznaczały się choroby zakaźne lub pasożytnicze, gdzie odnotowano 956 przypadków. Drugą grupą, pod względem poziomu zapadalności, były przewlekłe choroby narządu głosu – 809 przypadków. Na trzecim miejscu znalazły się pylice płuc (697 przypadków).. Rys.2.3. Dominujące choroby zawodowe w 2008r [25]. 6.

(7) Strukturę najczęściej występujących chorób zawodowych przedstawia tabela 2.1. Przedstawiono w niej udział procentowy chorób zawodowych w wybranych sekcjach i działach gospodarki. Tabela 2.1. Struktura najczęściej występujących chorób zawodowych w wybranych sekcjach i działach gospodarki narodowej w 2008 r.[94]. Wyszczególnienie (sekcja ,dział). Pylice płuc. Trwały ubytek słuchu. Choroby zakaźne lub pasożytnicze. Zespół wibracyjny. Przewlekłe choroby narządu głosu. Inne. Rolnictwo, łowiectwo włączając działalnośd usługową. 0,9 %. 1,4 %. 69,4 %. 0,0 %. 0,0 %. 28,3%. Leśnictwo włączając działalnośd usługową. 0,0 %. 0,4 %. 96,6 %. 2,9 %. 0,0 %. 0,1%. Górnictwo. 76,4 %. 12,3 %. 0,2 %. 5,6 %. 0,0 %. 5,5%. Produkcja wyrobów z pozostałych surowców niemetalicznych. 35,7 %. 6,2 %. 0,0 %. 2,3 %. 0,0 %. 55,8%. Produkcja metali. 40,5 %. 19,0 %. 0,0 %. 4,3 %. 0,0 %. 36,2%. Produkcja maszyn i urządzeo, gdzie indziej niesklasyfikowana. 15,9 %. 34,1 %. 0,0 %. 0,0 %. 0,0 %. 50,0%. Produkcja pozostałego sprzętu transportowego. 0,0 %. 35,1 %. 0,0 %. 0,0 %. 0,0 %. 64,9%. Budownictwo. 39,1 %. 19,1 %. 1,7 %. 8,7 %. 0,0 %. 31,4%. Transport lądowy. 12,5 %. 18,8 %. 25,0 %. 0,0 %. 0,0 %. 43,7%. Edukacja. 0,1 %. 0,1 %. 0,4 %. 0,0 %. 98,4 %. 1,0%. Ochrona zdrowia i opieka społeczna. 0,0 %. 0,0 %. 66,1 %. 1,3 %. 5,7 %. 26,9%. 7.

(8) Górnictwo jest jednym z sektorów gospodarki, w którym występuje wyjątkowo duża szkodliwośd środowiska pracy. Zagrożenia środowiska pracy występujące w górnictwie są powszechne i mają wyjątkowo agresywny charakter. Często oddziałują na pracowników równocześnie i przez wiele lat. Jednocześnie większośd zatrudnionych w górnictwie pracuje w warunkach szkodliwych dla zdrowia, czego efektem jest duża liczba przypadków zachorowao na choroby zawodowe. Strukturę zapadalności na choroby zawodowe w górnictwie przedstawiono na rys. 2.4 i rys. 2.5. Z danych wynika, że pylice płuc oraz trwały ubytek słuchu obejmują więcej niż 85 % wszystkich chorób zawodowych stwierdzonych w górnictwie w ostatnich latach [57]. Zapadalnośd na pylicę płuc kształtuje się w granicach od 70% w roku 2004 do 81 % w roku 2007 udziału wśród chorób zawodowych w górnictwie.. Rys.2.4. Choroby zawodowe w kopalniach węgla kamiennego w latach 2004 – 2008 [25], [92]. Rys. 2.5. Choroby zawodowe w kopalniach węgla kamiennego w 2008 roku [25], [92]. 8.

(9) Od szeregu lat obszarem największej zachorowalności na pylicę płuc jest górnictwo węgla, którego udział w odniesieniu do pozostałych rodzajów górnictwa wynosi ponad 90%, (rys. 2.6) [54].. Rys. 2.6. Zachorowalnośd na pylicę płuc w poszczególnych rodzajach górnictwa Utrzymywanie się wysokiej zachorowalności na pylicę płuc, pomimo podejmowania przez kopalnie całego wachlarza działao profilaktycznych, świadczy o ich niewystarczającej skuteczności tych działao. W poprawie efektywności tej profilaktyki niezbędne wydaje się, zatem prawidłowe zdiagnozowanie i skuteczne wyeliminowanie najsłabszych ogniw tego systemu. W grudniu 2008 roku w kopalniach węgla kamiennego prowadzono eksploatację 121 ścianami oraz prowadzono drążenie 255 wyrobisk korytarzowych [54]. Zdecydowana większośd kombajnów ścianowych wyposażona była w układy zraszania wewnętrznego (98%), natomiast kombajny chodnikowe wyposażone były w ten typ zraszania w znacznie mniejszym stopniu (13%) [54]. Źródłem zapylenia powietrza była m. innymi praca kombajnów ścianowych oraz chodnikowych, kruszarek, przenośników odstawy urobku szczególnie w rejonach przesypów, przesuwanie sekcji obudowy zmechanizowanej, wiercenie otworów w górotworze, tamy wentylacyjne zabudowane na drogach odstawy urobku, ładowanie wozów w punktach załadowczych itp. [54]. 9.

(10) Kopalnie w ramach ochrony zbiorowej stosowały różnego rodzaju środki techniczne, mające na celu ograniczenie emisji pyłów, spośród których można wymienid [54]: . układy zraszające na kombajnach ścianowych oraz chodnikowych w tym układy zraszania wewnętrznego,. . odpylacze w drążonych wyrobiskach korytarzowych przewietrzanych wentylacją odrębną,. . dysze zraszające na przesypach przenośników odstawy urobku oraz przy innych źródłach emisji pyłu np. kruszarkach,. . środki chemiczne zmniejszające napięcie powierzchniowe wody zraszającej,. . doraźnie inne dodatkowe urządzenia np. tzw. kurtyna wodna,. . tzw. pyłołapy w tamach.. Niestety skutecznośd stosowanej przez kopalnie profilaktyki zwalczania zapylenia wydaje się byd zbyt niska. W 99 ścianach (82% wszystkich ścian) już we wlotowych prądach powietrza występowały przekroczenia wartości NDS (największego dopuszczalnego stężenia) dla pyłów szkodliwych dla zdrowia, przy czym maksymalne przekroczenie wynosiło 16,8 × NDS w zakresie frakcji całkowitej oraz 6,3 × NDS w zakresie frakcji respirabilnej [54]. Analiza stwierdzonych przypadków pylicy płuc u czynnych i byłych pracowników kopalo węgla kamiennego (rys. 2.7; rys. 2.8) wskazuje na dośd niską wykrywalnośd pylicy płuc u czynnych pracowników. W 2008 roku w kopalniach węgla kamiennego tylko 15% przypadków pylicy stwierdzono u czynnych pracowników, a pozostałą ilośd u emerytów [54]. Świadczy to o niskiej wykrywalności pylicy płuc u czynnych pracowników kopalo węgla kamiennego. Ze względu na to, że okres ujawniania się choroby zawodowej wynosi około 10 lat, obecna sytuacja obrazuje stan narażenia zawodowego, jaki miał miejsce na przełomie obecnego i ubiegłego wieku, a obecnie realizowane działania profilaktyczne przyniosą efekty dopiero za kilka lat [57].. 10.

(11) Rys. 2.7. Przypadki pylicy płuc stwierdzone w 2008 roku w kopalniach węgla kamiennego u czynnych i byłych pracowników (według danych pozyskanych z kopalo węgla kamiennego)[54]. Rys. 2.8. Przypadki pylicy płuc stwierdzone w 2008 roku w kopalniach węgla kamiennego u czynnych i byłych pracowników (według danych pozyskanych z kopalo węgla kamiennego)[54] Pylica płuc jest najczęstszą chorobą zawodową w górnictwie węglowym, a spowodowana jest przewlekłym wdychaniem wolnej krzemionki [55]. Skutki tej zawodowej ekspozycji obejmują rozwój tkanki łącznej włóknistej w obrębie miąższu płuc (w postaci siatkowo–guzkowatych tworów), co prowadzi do niewydolności oddechowej, rozwoju nadciśnienia płucnego i prawo komorowej niewydolności krążenia (zespół serca płucnego). Związane są z nią częste stany zapalne oskrzeli, dusznośd, kaszel z odpluwaniem plwociny oraz rozedma płuc. U górników występuje tak zwana pylica górników kopalo węgla [1], [55]. Zmiany w płucach poprzedza często pyliczne zapalenie rogówki, które może doprowadzid do upośledzenia widzenia. Narażona również jest skóra ciała poprzez drażniące 11.

(12) działanie pyłu. Nadmierne pocenie się dodatkowo zwiększa niekorzystne oddziaływanie pyłu, co może doprowadzid po powstania poważnych schorzeo (np. rak skóry) [9]. Na podstawie obserwacji epidemiologicznych, badao klinicznych pracowników narażonych. na. pyły. oraz. doświadczeo. na. zwierzętach,. pyły. sklasyfikowano. następująco [8], [23]: . pyły o działaniu pylico twórczym – należą do nich pyły pochodzenia mineralnego, zawierające krystaliczny dwutlenek krzemu (wolną krzemionkę). Cząstki krzemionki krystalicznej, po wniknięciu do układu oddechowego, mogą spowodowad silny rozrost tkanki łącznej w płucach, prowadzący do pylicy krzemowej. Rozwój jej następuje w ciągu kilku lub nawet kilkunastu lat. Do pyłów pylico twórczych zalicza się również pyły niektórych krzemianów: azbestu, kaolinu, talku, a także krzemionki bezpostaciowej,. . pyły o działaniu alergizującym – zalicza się do nich głównie pyły pochodzenia organicznego (pyły bawełny, lnu, konopi, tytoniu, zboża, jedwabiu, sierści, itp.) oraz pyły pochodzenia chemicznego (leki, tworzywa sztuczne, itp.). Pyły te, po wniknięciu do układu oddechowego, mogą spowodowad różnego rodzaju choroby o podłożu uczuleniowym: dychawicę oskrzelową, odczyny skórne lub nieżyty dróg oddechowych,. . pyły o działaniu drażniącym – należą do nich pyły pochodzące z nierozpuszczalnych ciał stałych, które po wniknięciu do płuc zostają zatrzymane na błonach śluzowych wyścielających drogi oddechowe, wywołując nieżyty i nieswoiste choroby układu oddechowego. Do tej grupy zalicza się pyły nie zawierające wolnej krzemionki, np. pyły korundu, szkła, żelaza, węgla,. . pyły o działaniu toksycznym – są to głównie pyły związków toksycznych, które mogą byd rozpuszczane w płynach ustrojowych. Zatrucie organizmu następuje przede wszystkim na skutek wdychania aerozoli pyłów powstających podczas produkcji. Do tej grupy należą pyły związków berylu, ołowiu, manganu, arsenu i wielu innych, które po wniknięciu do ustroju dają objawy zatrucia,. . pyły o działaniu rakotwórczym – zalicza się do nich przede wszystkim pyły azbestu (aktynolitu, amozytu, antofilitu, chryzotylu, krokidolitu, tremolitu), talku zawierającego włókna azbestu, pyły drewna twardego (dębu, buka), pyły skór (produkcja i naprawa obuwia), 12.

(13) . pyły radioaktywne – grupa ta obejmuje pyły zawierające pierwiastki promieniotwórcze. Działanie tych pyłów zależy głównie od emitowanego przez nie promieniowania.. W literaturze spotkad można inny podział pyłów ze względu na etiologię pylicy. Ogólnie rzecz biorąc pyły dzielimy na niekolagenowe i kolagenowe. Pyły niekolagenowe odkładają się tylko w pęcherzykach płucnych, nie powodując zmian w organizmie (czysty pył węglowy). Częśd tego pyłu zostaje wyeliminowana w wyniku fagocyztozy przez układ chłonny organizmu. Pyły kolagenowe wykazują aktywnośd biologiczną, powodując ogniskowe włukczenie tkanki płucnej przez toksyczne oddziaływanie na makrofagi. Krzemicę wywołuje krystaliczna postad krzemionki SiO2. Przyczyną nieodwracanych zmian pylicowych jest proces fagocyztozy, gdyż toksyczne ziarna (pył kolagenowy) powodują obumarcie makrofagów. Obumarłe komórki tworzą złogi, które z czasem włóknieją, zmniejszając światło pęcherzyka płucnego. Mechanizm tego zjawiska nie jest poznany do kooca. [10] W okresie od czerwca 1999 r. do grudnia 2006 r. w Klinice Chorób Płuc i Gruźlicy w Zabrzu do przeszczepu płuc zakwalifikowano 55 chorych, zaś wykonano transplantację u 13 pacjentów. Średnia długośd życia chorych zakwalifikowanych do przeszczepu wynosiła 9,12 ± 6,09 miesiąca (wielkośd minimalna: 1 miesiąc, maksymalna: 21 miesięcy). [35] Zwraca uwagę stosunkowo wysoki odsetek zgłaszanych i zakwalifikowanych pacjentów z pylicą płuc, który wynosi 7,2% (4 chorych), podczas gdy dane literaturowe donoszą o pojedynczych przypadkach kwalifikowania osób do przeszczepu z tym rozpoznaniem. [35] W kopalniach węgla kamiennego szeregom procesów technologicznych związanych z wydobywaniem kopaliny, drążeniem wyrobisk korytarzowych, transportem urobku towarzyszy niekorzystne zjawisko wytwarzania i emisji pyłu węglowego. Wytworzony pył unosi się w atmosferze kopalnianej i jest przemieszczany wraz z prądami powietrza, co niesie za sobą niebezpieczeostwo wybuchu pyłu węglowego [92+. Wybuchy pyłu węglowego należące do zasadniczych zagrożeo w górnictwie węglowym były i są nadal przyczyną licznych katastrof górniczych, chod częstośd występowania jest stosunkowo niewielka,. 13.

(14) jednak powodują one największe katastrofy pociągające za sobą ogromną liczbę ofiar (tab. 2.2) . Tabela 2.2. Największe katastrofy związane z wybuchem pyłu węglowego w świecie [93] Miejsce katastrofy Kopalnia Courries Francja Kopalnia Henkeiko Mandżuria. Kopalnia Mikawa Japonia. Rok. Krótka charakterystyka wybuchu. Liczba ofiar śmiertelnych. Przyczyny. 1906. Wybuch samego pyłu węglowego, kopalnia niemetanowa.. 1099. Roboty strzałowe: stosowano MW o bardzo niskim stopniu bezpieczeostwa wobec pyłu węglowego. Wyrobiska suche, zapylone i niezabezpieczone.. 1942. Wybuch pyłu węglowego zapoczątkowany zapaleniem metanu w ścianie po godzinnej awarii wentylacji.. 1527. Kopalnię uważano za niemetanową i z bezpiecznym pyłem węglowym.. 1963. Wybuch samego pyłu węglowego w sztolni transportowej.. 458. Zerwanie liny podczas transportu. Brak zabezpieczeo przed wybuchem, nie usuwano i nie zraszano nagromadzonego tam pyłu węglowego.. Zagrożenie wybuchem pyłu węglowego występuje we wszystkich kopalniach węgla kamiennego. Spowodowane jest ono przede wszystkim wzrostem mechanizacji urabiania i ładowania urobku przy nie zawsze sprawnych urządzeniach zraszających, koncentracji wydobycia przy równocześnie intensywnym przewietrzaniu, koniecznym do zwalczania zagrożenia metanowego i utrzymania odpowiednich warunków klimatycznych, oraz niewłaściwie wykonywanych robotach strzałowych powodując wzrost potencjalnego zagrożenia wybuchem pyłu węglowego. W razie nieprzestrzegania rygorów dotyczących zwalczania tego zagrożenia, z chwilą pojawienia się czynnika aerodynamicznego (wybuchowego obłoku pyłowo–powietrznego) oraz czynnika inicjującego (np. zapłon metanu), może nastąpid wybuch pyłu węglowego. Jednakże biorąc pod uwagę fakt, że pył węglowy wraz z zagrożeniem metanowym i pożarami endogenicznymi stanowi przyczynę największych katastrof w górnictwie, to stosowanie właściwej profilaktyki tego zagrożenia spowodowało, że w ostatnich latach wybuchy pyłu węglowego w Polsce występowały sporadycznie. Tragiczne wyjątki miały jednak miejsce w 2006 roku w KWK „Halemba”, gdzie w wyniku wybuchu pyłu węglowego zginęły 23 osoby [95], w 2008 roku w KWK „Mysłowice– Wesoła” gdzie zginęły 2 osoby oraz w KWK Wujek–Śląsk gdzie zginęło 20 osób.. 14.

(15) Zagrożenie wybuchem pyłu węglowego jest kontrolowane i regulowane przepisami, z których najważniejsze to: . Prawo geologiczne i górnicze [68], z 4 lutego 1994 r. ( z późn. zm.). . Rozporządzenie Ministra Gospodarki, z 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpieczeostwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych [74] ( z późn. zm.). . Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji, z 14 czerwca 2002 r. w sprawie zagrożeo naturalnych w zakładach górniczych. [76] ( z późn. zm.). Charakteryzując zagrożenie wybuchem pyłu węglowego warto odnieśd się do liczby zaistniałych dotychczas wybuchów oraz liczby poniesionych w ich wyniku ofiar śmiertelnych [15]. Analizując statystyki wybuchów pyłu węglowego warto zwrócid uwagę na to, że w historii polskiego górnictwa XX wieku występowały na przemian wieloletnie okresy wzrostu i spadku liczby wybuchów. Według statystyki wypadków śmiertelnych wskutek wybuchów pyłu węglowego, obejmującej okres od 1922 roku do dnia dzisiejszego, w polskich kopalniach straciło życie 253 górników. Najtragiczniejsze pod tym względem były lata: 1950 – 32 ofiary śmiertelne, 1956 – także 32 ofiary śmiertelne i 1979 – 34 ofiary śmiertelne [15]. W 1979 roku doszło do największej katastrofy. W kopalni „Dymitrow” w wyniku wybuchu pyłu węglowego, zapoczątkowanego najprawdopodobniej wadliwie prowadzonymi robotami strzałowymi, zginęło 34 górników. Z danych statystycznych (rys. 2.9) wynika, że konsekwencją dużej liczby wybuchów w latach 50. XX wieku była znaczna liczba ofiar śmiertelnych. W 12 wybuchach zginęło wówczas 111 górników. W latach 70 zależnośd ta już nie była tak jednoznaczna, ponieważ w 9 wybuchach śmierd poniosło 44 górników (w tym wybuch w kopalni „Dymitrow”). [15]. 15.

(16) Rys. 2.9. Wypadki śmiertelne wskutek wybuchów pyłu węglowego w polskim górnictwie węgla kamiennego w latach 1922–2004 [15] Ostatni odnotowany wybuch pyłu węglowego miał miejsce w KWK ”Wujek–Śląsk” 18 września 2009 roku. Zaistniało tam zapalenia i wybuchu metanu, z udziałem pyłu węglowego. Zdarzenie to spowodowane było niedotrzymaniem ustalonych warunków przewietrzania. ściany. a. przez. to. nagromadzeniem. się. w. wyrobisku. metanu. o niebezpiecznym stężeniu wybuchowym. Zdarzenie to spowodowało wypadek zbiorowy, w którym śmierd poniosło 20 górników a 34 zostało rannych. Warunkiem powstania wybuchu pyłu węglowego jest równoczesne wystąpienie trzech czynników. Pierwszy z nich to pył węglowy, jako paliwo niezbędne do zaistnienia wybuchu. W praktyce dołowej paliwo występuje, jako zalegający w wyrobiskach niezabezpieczony pył kopalniany, w którym zawartośd pyłu węglowego kształtuje się w granicach jego wybuchowości. Drugim czynnikiem jest czynnik aerodynamiczny, czyli pewne zjawisko o charakterze dynamicznym, którego aktywizacja charakteryzuje się powstaniem fali ciśnienia. Propagująca w wyrobisku fala ciśnienia powoduje unoszenie w powietrze kolejnych warstw zalegającego pyłu i utworzenie palnego, wybuchowego obłoku pyłowo–powietrznego. Trzecim czynnikiem jest czynnik termiczny (inicjał – źródło zapłonu), który, gdy zaistnieje w miejscu powstania obłoku, jest w stanie go zapalid. Według powszechnie przyjętego w literaturze modelu, przedstawionego na rysunku 2.10 wybuch pyłu węglowego jest określany, jako wspólny obszar występowania powyższych 16.

(17) czynników. Eliminacja któregoś z nich, lub ograniczenie obszaru jego występowania, zmniejsza lub wręcz wyklucza możliwośd wybuchu.. Rys. 2.10. Model wybuchu pyłu węglowego W literaturze można znaleźd również rozszerzony model zjawiska wybuchu (rys. 2.11) dla dowolnej substancji palnej zwany pięciokątem wybuchowości [13], [15], [16 ]. Model dostosowany do warunków górniczych, oprócz paliwa, inicjału (zapłonu) i wymieszania, charakteryzuje koniecznośd wystąpienia utleniacza, jakim jest powietrze atmosferyczne oraz zamkniętej przestrzeni, którą są podziemne wyrobiska górnicze. Warunkiem zaistnienia wybuchu jest równoczesne wystąpienie wszystkich elementów pięciokąta. Brak jednego z nich lub przerwanie ciągłości któregoś z jego boków, podobnie jak w przypadku poprzedniego modelu, uniemożliwia powstanie wybuchu.. Rys.2.11. Model wybuchu pyłu węglowego– pięciokąt wybuchowości. 17.

(18) Przedstawione modele dowodzą, że zaistnienie wybuchu pyłu węglowego jest skomplikowanym procesem uwarunkowanym wystąpieniem w tym samym czasie wielu czynników.. Potwierdzają to badania warunków górniczych panujących w wyrobiskach,. w których dochodziło do wybuchów. Modele wskazują także kierunki oraz zakres możliwych do realizacji skutecznych działao profilaktycznych, podejmowanych w celu uniknięcia tego zagrożenia. Złożony charakter wybuchów pyłu węglowego oraz różne możliwości ich powstawania wytyczają kierunki ich zwalczania. Najważniejszą zasadą w tych działaniach jest redukowanie do minimum możliwości wystąpienia któregoś z czynników, co jednak z uwagi na rzeczywiste warunki górnicze jest trudne [15]. Biorąc pod uwagę zaprezentowane wyżej modele wybuchu pyłu węglowego, czynnikami podlegającymi ograniczeniu w warunkach górnictwa węglowego są: wytworzenie pyłu węglowego o stężeniu w granicach wybuchowości oraz zaistnienie inicjału [15]. Granica wybuchowości pyłu węglowego waha się pomiędzy 50 – 1000 g/m3. Najsilniejszy (stechiometryczny) wybuch ma miejsce przy stężeniu 250 do 350 g/m3. Granice wybuchowości pyłu węglowego można odpowiednio przesuwad przez dodawanie do ośrodka metanu lub innego gazu wybuchowego. Ciśnienie w czasie wybuchu rozchodzi się promieniście [19]. Najczęściej źródłem inicjującym wybuch pyłu węglowego jest pożar oraz wybuch lub zapalenie metanu. Temperatura zapłonu pyłu węglowego polskich węgli wynosi 5500 ○C a energia potrzebna do inicjacji zapłonu pyłu węglowego jest ponad 100 razy większa od energii niezbędnej do zapłonu mieszaniny gazowej. Na przykład minimalna energia do zapłonu metanu wynosi 0,28mJ [20], zaś pyłu węglowego 50mJ i więcej [2], [17]. Czynniki, które również wpływają na ilośd energii niezbędnej do wywołania zapłonu w mieszaninie pyłowo–powietrznej to: rodzaj węgla, jego frakcja, wilgotnośd i zawartości części lotnych (rys. 2.12). Wieloetapowe działania profilaktyczne określane są, jako linie obrony przeciwko wybuchom pyłu węglowego [17+. Dzieli się one na linie podstawowe, związane bezpośrednio ze zwalczaniem wybuchu i ograniczeniem możliwości jego powstania oraz na linie pomocnicze, obejmujące działania wspomagające redukcję zagrożenia. [15]. 18.

(19) Rys. 2.12. Zapotrzebowanie na energię do zapłonu pyłu węglowego [19] Cztery podstawowe linie obrony przeciwko wybuchom pyłu węglowego, tworzące jedyny i nierozerwalny system gwarantujący bezpieczeostwo pracy w górnictwie, opierają się na następujących działaniach: . ograniczanie powstawania pyłu węglowego, jego usuwanie oraz zwalczanie lotności, uniemożliwiające powstanie układu wybuchowego,. . zwalczanie możliwości zapoczątkowania wybuchu, przez ograniczenie możliwości powstania zapłonu obłoku pierwotnego,. . przeciwdziałanie rozwojowi wybuchu pyłu węglowego,. . ograniczanie zasięgu wybuchu.. Podstawowe linie obrony przeciwko wybuchom pyłu węglowego uzupełniają linie pomocnicze: . kontrola zagrożenia wybuchem pyłu węglowego,. . przepisy dotyczące problematyki ograniczenia tego zagrożenia,. . prace naukowo–badawcze nad ulepszaniem metod redukcji zagrożenia.. 19.

(20) 2.2 Metody zwalczania zagrożeo Mówiąc o działaniach profilaktycznych przeciwko zagrożeniu pyłowemu należy wziąd pod uwagę dwa aspekty tego zagadnienia, zarówno wybuchu pyłu węglowego jak i szkodliwe działanie pyłu węglowego na organizm człowieka. Działania te, określane jako linie obrony przeciwko zagrożeniu pyłowemu tworzą nierozerwalny system zwiększający bezpieczeostwo pracy w górnictwie [15], [17]. Jedną z podstawowych linii obrony jest działanie polegające na ograniczeniu powstania pyłu węglowego, a w przypadku wytworzenia pyłu – jego usunięcie lub pozbawienie go lotności. Duże znaczenie w zagadnieniu redukcji zagrożenia pyłowego ma zawartośd wody w węglu, gdyż wywiera wielki wpływ na lotnośd pyłu węglowego, zwłaszcza w procesie urabiania. Węgiel przy urabianiu nie daje lotnego pyłu, gdy:. (1) gdzie: Wc– całkowita zawartośd wody w węglu, *%+ Whw – zawartośd wody higroskopijnej w węglu, *%+ ogólnie przyjmuje się, że wartośd Wc musi wynosid co najmniej 8% [15], [51]. W zakresie zwalczania lotności pyłu węglowego, duże znaczenie odgrywa zraszanie wodą. Celem zraszania jest równomierne nawilgocenie wszystkich ziaren pyłu. Ziarna pyłu otoczone warstwą drobno rozproszonej wody zlepiają się, tworząc tzw. agregaty pyłowe, które przez zwiększenie masy w stosunku do pojedynczych suchych ziaren pyłu, są trudniej unoszone w powietrzu. Zraszanie pyłu wodą odbywa się albo przez zraszanie nieruchomych, zalegających osadów pyłowych, albo przez zraszanie ziaren pyłu unoszących się w powietrzu. Oczywiste jest, że pozbawienie lotności pyłu unoszącego się w powietrzu jest znacznie trudniejsze. Decydujące znaczenie przypisuje się prędkości rozdrobnionych kropel wody w stosunku do ziaren pyłu. O prędkości kropel wody decyduje ciśnienie i natężenie przepływu wody oraz rodzaj i liczba zastosowanych dysz zraszających [15], [38], [40], [43].. 20.

(21) Przepisy górnicze obowiązujące w Polsce określają środki zabezpieczające przed nadmiernym zapyleniem oraz zapłonem metanu przy mechanicznym urabianiu skał zwięzłych [74+. Przepisy obligują do kopalnie do stosowania wody przy: . przy wykonywaniu robót strzałowych: w drążonych wyrobiskach korytarzowych w przodku i strefie trzyprzodkowej, w luźnych bryłach ładunkami wolno przyłożonymi poprzez zmywanie lub zraszanie wodą pyłu węglowego,. . przy wykonywaniu robót strzałowych w wyrobiskach wybierkowych w przodku i w strefie przyprzodkowej poprzez zmywanie wodą pyłu węglowego,. . w drążonych wyrobiskach korytarzowych, w których występuje niebezpieczny pył węglowy, przodek oraz wyrobiska w strefie przyprzodkowej poprzez zmywanie lub zraszanie wodą,. . w kombajnach ścianowych, które powinny spełniad wymagania bezpieczeostwa i ergonomii poprzez zraszanie określone w Polskiej Normie,. . w nowo instalowanych strugach poprzez urządzenia zraszające zabudowane wzdłuż trasy przenośnika.. Ponadto zgodnie z przepisami kombajny wyposaża się w urządzenia zraszające zapewniające ograniczenie zapylenia powietrza [74]. Nadmienid. należy,. ze. polskie. przepisy. górnicze. dopuszczają. zatrudnienie. pracowników na poszczególnych stanowiskach, gdzie występuje zagrożenie pyłami szkodliwymi dla zdrowia, przy ich wyposażeniu w odpowiedniej klasy filtrujące środki ochrony indywidualnej układu oddechowego [74]. Najwyższe dopuszczalne stężenia i natężenie czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy określonej jest w odpowiednim rozporządzeniu Ministra Pracy i Polityki Społecznej [75]. Zgodnie z polskimi przepisami górniczymi [68] kombajny ścianowe powinny spełniad wymagania bezpieczeostwa i ergonomii określone w Polskiej Normie [66], [67]. W polskim górnictwie węgla kamiennego, w kombajnach ścianowych stosowane jest powszechnie zraszanie wewnętrzne z organów urabiających (rys. 2.13). W takim typie 21.

(22) zraszania stosowana jest zwykle pompa podnosząca ciśnienie wody, umiejscowiona poza lub bezpośrednio na kombajnie ścianowym [49].. Rys. 2.13. Rozwiązanie wewnętrznego zraszania stosowane w organach urabiających polskich kombajnów ścianowych. z lewej strony zespół zraszający z inżekcją powietrza, z prawej uchwyt nożowy ze zraszaniem zanożowym Stosowany jest również system zraszania z organów z inżekcją powietrza, oparty na rozwiązaniu firmy ZP STALMET [39+, który może pracowad w układzie zanożowym, jak i w układzie, gdy zespół zraszający umieszczony jest przed nożem urabiającym, kierując strumieo wodno–powietrzny pod nóż (rys. 2.13). W mniejszym zakresie znajdują również zastosowanie organy z zraszaniem wewnętrznym zanożowym firmy KRUMMENAUER – (rys. 2.14) [39], [90] z inżekcją powietrza do strumienia wodnego, wyrzucanego z dysz umieszczonych w uchwytach nożowych. Zraszanie wewnętrzne w organach urabiających jest stosowane we wszystkich kombajnach ścianowych eksploatowanych w polskich kopalniach, w przeciwieostwie do kombajnów chodnikowych, w których tylko niewielka częśd organów urabiających jest wyposażona w taki typ zraszania. W niektórych polskich jak i amerykaoskich kombajnach ścianowych [22] zastosowano zraszanie wodnego wewnętrzne, z organów urabiających, zarówno zanożowe jak i przednożowe [6], [78].. 22.

(23) Rys. 2.14. Zraszanie z inżekcją powietrza w uchwytach nożowych wg rozwiązao firmy KRUMMENAUER. z lewej strony dla organu kombajnu ścianowego, z prawej dla organu kombajnu chodnikowego Mankamentem tego rozwiązania jest duża ilośd zużywanej wody, zwykle od 200 do 350 dm³/min, co nie jest obojętne dla procesu przeróbczego węgla na powierzchni oraz zmniejsza wartośd opałową węgla. W zraszaniu tego typu niezbędne jest zapewnienie ciśnienia wody w granicach 2 ÷ 6 MPa. Innym. rozwiązaniem. jest. zraszanie. powietrzno–wodne.. W. tym. systemie. do wytworzenia strumieni zraszających wykorzystuje się dodatkowo sprężone powietrze. Rozwiązania tego typu (rys. 2.15), opracowane po raz pierwszy w jednostkach naukowo– badawczych byłego ZSRR, charakteryzowały się tym, że mieszanie sprężonego powietrza i wody następowało w specjalnym mieszalniku umieszczonym na korpusie maszyny [61], a następnie utworzona mieszanina była wprowadzana tradycyjnym sposobem, poprzez przewody umieszczone na ramionach kombajnu, do organów urabiających, a następnie doprowadzana była do dysz zraszających.. Rys. 2.15. Instalacja zraszania powietrzno–wodnego z organów urabiających z wykorzystaniem sprężonego powietrza dla kombajnu ścianowego typu KSz 1KG [61]. 23.

(24) Inne rozwiązanie, zastosowane w kombajnach chodnikowych, opracowała niemiecka firma PAURAT (rys. 2.16). Wodę i sprężone powietrze doprowadzono odrębnymi kanałami do organu urabiającego, w którym kanałami media doprowadzono do każdej z dysz umieszczonych w uchwytach nożowych [36], [85+. Mieszanie obu czynników następowało w dyszach. Rozwiązanie to jest niezwykle skomplikowane.. Rys. 2.16. Powietrzno–wodny układ zraszający wg rozwiązania firmy Paurat [46] Przedstawione. powyżej. rozwiązania. instalacji. powietrzno–wodnych. z wykorzystaniem sprężonego powietrza pozwalają na znaczące zmniejszenie ilości zużywanej wody (nawet kilkunastokrotne) oraz znaczne zmniejszenie wartości ciśnienia wody (do 0,6 MPa). Obydwa rozwiązania wymagają dodatkowego doprowadzenia do maszyny sprężonego powietrza. W ostatnich latach w górnictwie niemieckim zastosowano skuteczną metodę zwalczania zagrożeo metanowych w systemach chodnikowych. Opracowana przez firmę Deilmann–Haniel [44] metoda polega na dostarczeniu oddzielnie wody i sprężonego powietrza pod niewysokim ciśnieniem (poniżej 1 MPa) do dwukomorowego kolektora obejmującego wysięgnik zmiany położenia organu urabiającego kombajnu chodnikowego (rys. 2.17). W kolektorze umieszczono dysze zraszające, w których dochodzi do wymieszania doprowadzonych czynników. Powstała mieszanina powietrzno–wodna skutecznie gasi iskry powstające podczas urabiania i jednocześnie rozrzedza nagromadzony metan w obszarze urabiania organu.. 24.

(25) Rys. 2.17. System zraszania mgłą powietrzno–wodną wg rozwiązania firmy Deilmann–Haniel [32 ], [44] Rozwiązanie to wzoruje się na radzieckiej instalacji opracowanej w Instytucie Wost. N.I.I. oddział w Karagandzie (rys. 2.18) [59+.W rozwiązaniu tym w dobudowanym kolektorze osadzono dziesięd dysz dwuczynnikowych, pokrywających strumieniem mieszaniny powietrzno–wodnej obszar organu urabiającego, na przemian z dziesięcioma dyszami wodnymi o płaskim strumieniu zraszania, izolujących obszar urabiania. Zużycie wody instalacji wg tego rozwiązania wynosi 4060 dm3/min., natomiast zużycie powietrza 1,52,5 m³/min, przy ciśnieniu wody w granicach od 0,31,0 MPa i powietrza od 0,30,6 MPa.. Rys. 2.18. Zraszanie mgłą powietrzno–wodną w kombajnie chodnikowym wg opracowania Instytutu Wost. N.I.I .[59] 25.

(26) W ostatnim czasie, w polskim górnictwie zastosowano metodę zraszania powietrzno– wodnego w kombajnach chodnikowych firmy Sandvik. Zraszanie to rozwiązano w oparciu o propozycję firmy DEILMANN–HANIEL. Powietrzno–wodne zraszanie zastosowane przez Sandvik działa równocześnie ze zraszaniem sektorowym organu urabiającego. Mimo wysokiej oceny pod względem bezpieczeostwa, wykazuje się ono jednak bardzo dużym, sumarycznym zużyciem wody (70 dm3/min) oraz sprężonego powietrza (ok.17 m3/min). Instytut MRDE w Bretby we współpracy z National Coal Board opracował rozwiązanie organów urabiających typu ED (extraction drum) dla kombajnów ścianowych. Organ ten wyposażony był oprócz standardowego systemu zraszania zanożowego, w rozwiązanie realizujące tzw. system rotacyjnej kurtyny powietrznej RAC (rotary air curtain) [5], [11], [12], [53], [58], [77], [78], [79], [80+. Rozwiązania te znalazły sporadyczne zastosowanie również w polskich kopalniach. Rozwiązanie organu typu ED [11+ (rys. 2.19) polega na wyposażeniu go w przelotowe rury o średnicy 100 mm, usytuowane w obszarze jego piasty. Liczba rur wynosi od 9 do 14. Istnieje również alternatywne rozwiązanie polegające na zastosowaniu w miejsce rur, kanałów o kształcie prostokąta, o zmieniającej się powierzchni przekroju. Liczba rur lub kanałów wg dostępnych informacji może byd ograniczona nawet do 5. Na przeciw rur, od strony ociosu, organ wyposażono w kolektor wodny z dyszami, które rozmieszczono tak, że wyrzucany przez nie strumieo wody skierowano z poszczególnych dysz do odpowiednich przelotowych rur. Ciśnienie wody podawane do tych dysz wynosi 10,0 MPa (min. 8,0 MPa). Woda do kolektora doprowadzana jest przez wał, na którym osadzono organ urabiający. Od strony zrobów organ wyposażono w płytę nakierowującą (deflektor). Zasada działania systemu RAC polega na zassaniu zapylonego powietrza na zasadzie inżekcji z czoła przodku do wnętrza rur przelotowych, gdzie następuje wytrącenie pyłu z zassanego powietrza przez wrzucany do nich strumieni wody. Strumienie mieszaniny wodno–powietrznej wylatujące z rur, po napotkaniu deflektora nakierowującego ją na zewnątrz organu, zostają wymieszane z czystym powietrzem prądu wentylacyjnego i wpływają ponownie do obszaru organu. Wg danych źródłowych [5], w zależności od liczby rur rozmieszczonych w organie, sumaryczne zasysanie powietrza z pyłem wynosi 1,6÷3,0 m³/s. 26.

(27) Rys. 2.19. Organ urabiający z rotacyjną kurtyną zraszającą kombajnu ELEKTRA [14], [55] Mankamentem obu opisanych rozwiązao jest znaczące zwiększenie ilości wody zużywanej w instalacjach zraszających kombajnów, które w przypadku zastosowania rotacyjnej kurtyny, wraz ze zraszaniem wewnętrznym przekracza 400 dm³/min. Istnieje również możliwośd niekontrolowanego przedostawania się pyłu poza wytworzoną kurtynę [7],. [5],. [78].. W przypadku. organów. z rotacyjną. kurtyną. powietrza. poważnym. mankamentem jest skomplikowana konstrukcja organów (możliwośd ich budowy o średnicy powyżej 1,6 m) oraz skomplikowane doprowadzenie wody, oddzielnie, o dwu różnych wartościach ciśnienia. W. górnictwie. amerykaoskim,. w ścianach. kombajnowych,. oprócz. zraszania. wewnętrznego z organów urabiających, stosowany jest wspomagający system o nazwie „shearer clearer” (rys. 2.20) opracowany przez Bureau of Mines [5], [7], [53], [77]. System ten przeznaczono zarówno dla kontroli stanu zapylenia jak i stężenia metanu. Istota systemu polega na strategicznym usytuowaniu na maszynie urabiającej dysz zraszających wprawiających powietrze w ruch strumieniami wody, przez co następuje zatrzymanie obłoków pyłowych przy ociosie, a tym samym odizolowanie obsługi maszyny od pyłu. Mankamenty tej metody to praktyczne ograniczenie eksploatacji ściany do urabiania jednokierunkowego oraz potrzeba wprowadzenia do wyrobiska dodatkowej ilości wody przekraczającej nawet 100 dm3/min.. 27.

(28) Rys. 2.20. System zraszania „shearer clearer”. Istnieją również polskie rozwiązania systemów zraszania powietrzno–wodnego. Jednym z nich jest system opracowany przez firmę Telesto o nazwie SCRUBmist . W przedstawionym rozwiązaniu zaproponowano konstrukcję wykorzystujące kilka przysłon z bardzo drobnej siateczki zainstalowanych jedna za drugą w chodniku podścianowym i nadścianowym. Przesłony wypełniają większą częśd przekroju wyrobiska, pozostawiając niewielki prześwit raz z jednej jego strony, raz z drugiej. Dzięki temu powietrze płynie przez rodzaj labiryntu [33]. Na przysłony rozpylana jest z specjalnych głowic (rys. 2.21) woda z domieszką specjalnej substancji. Powstaje w ten sposób mgła wodna, której niewielkie drobinki o wielkości kropel rzędu 15 mikronów, mają dużą zdolnośd wiązania się z pyłem. Pchane pędem powietrza cząsteczki wody z pyłem osadzają się na przesłonach i spływają po nich. Wychwycony z powietrza pył można łatwo zebrad w formie szlamu [33], [34].. 28.

(29) Rys. 2.21. Budowa głowicy mgłowej opracowanej przez firmę Telesto Zastosowanie takiego rozwiązania powoduje zmniejszone zapylenie wzdłuż chodnika z powietrzem wylotowym, ogranicza koniecznośd stosowania dużych ilości pyłu kamiennego służącego do neutralizacji części palnych pyłu węglowego, a także prowadzi do znacznych oszczędności wody podczas zraszania. Przedstawione rozwiązanie, wykonane przez firmę „Telesto", zostało wdrożone w KWK „Halemba–Wirek" w 2008 roku. Podstawowym zadaniem systemu mgłowego jest zmniejszenie ilości pyłu węglowego w powietrzu wylotowym. Skutecznośd zwalczania zapylenia przy zastosowaniu opracowanego systemu mgłowego wynosi 70%, co ma bezpośredni wpływ na znaczną poprawę bezpieczeostwa pracowników [31], [34]. Drugim systemem zraszania powietrzno–wodnego jest rozwiązanie proponowane przez Instytut Techniki Górniczej Komag. Idea rozwiązania polegała na zastosowaniu podwójnego systemu zraszania: zewnętrznego. i wewnętrznego,. w. celu. zapewnienia. podniesienia. bezpieczeostwa. eksploatacji z ograniczeniem zapłonu metanu i zagrożeniem pyłowym. Koncepcja takiego systemu. zraszania. spełnia. wymagania. obowiązujących. przepisów. wymuszających. wspomaganie zraszania wewnętrznego zraszaniem dodatkowym [3].. 29.

(30) Zraszanie wewnętrzne realizowane jest bez konieczności zmian konstrukcyjnych organów urabiających przez typową instalacje zraszającą kombajnu. Jest to pierwsze tego typu na świecie rozwiązanie zastosowane seryjnie w kombajnach ścianowych.. Rys. 2.22. Ramię kombajnowe R–200 N z wyznaczonymi punktami zabudowy dysz Zraszanie zewnętrzne realizowane jest za pomocą dysz dwuczynnikowych zabudowanych na ramionach kombajnu (rys. 2.22). Rozmieszczenie dysz zraszających na ramieniu kombajnu zapewnia utworzenie kurtyny powietrzno–wodnej wokół organu. Ma ona na celu odizolowanie strefy urabiania, od otoczenia. Takie rozwiązanie ma dwie podstawowe zalety: . dzięki zastosowaniu mieszaniny powietrzno–wodnej, następuje zwiększenie dyspersji kropel wody. Drobne krople ulęgają szybszemu odparowaniu przez co następuje szybki spadek temperatury w strefie gaszenia [40]. Dodatkowo mieszanina powietrzno–wodna poprzez wyrzut pod ciśnieniem, ma właściwości rozrzedzania stężenia metanu i wynoszenia go do prądu świeżego powietrza.. . kurtyna powietrzno–wodna tworzy „pierwszą linie” obrony przeciwko zagrożeniu pyłowemu poprzez pozbawienie go lotności.. Woda i sprężone powietrze wyrzucane są wspólnie z dysz, w postaci aerozolu powietrzno–wodnego. W zależności od typu zraszania mieszanina powstaje: . w dyszach zraszania zewnętrznego, 30.

(31) . w mieszalniku umieszczonym w maszynie.. System zraszania wg rozwiązania Komag przewiduje dwa warianty działania: . zraszanie wodne, wysokociśnieniowe wewnętrzne, przez organ, (ciśnienie min. 2 MPa) wspomagane zewnętrznym zraszaniem wodnym z ramienia,. . zraszanie mieszaniną powietrzno–wodną niskociśnieniową (ciśnienie poniżej 0,6 MPa), zewnętrzne, z ramienia i wewnętrzne przez organ urabiający.. Dobór parametrów technicznych instalacji uzależniony jest od typu kombajnu, możliwości dostarczenia mediów do przodka ścianowego oraz uzyskanej skuteczności jej działania. Tabela 2.3. Parametry techniczne instalacji zraszającej powietrzno–wodnej wg rozwiązania KOMAG zastosowanych w poszczególnych typach kombajnów ścianowych Typ kombajnu ścianowego Parametr. KSW–460NE. KSW–880EU. KSW–1140EZ. KSW–1500EU. Typ ramienia. R 200. R 300. R 300. R 500. R 400/500. Liczba dysz na organach urabiających *szt.+. 84. 82. 82. 100. 100. Liczba dysz dwuczynnikowych na ramionach kombajnu [szt.]. 18. 22. 22. 30. 28. Ciśnienie zasilania wody *MPa+. 0,5÷0,6. 0,5÷0,6. 0,5÷0,6. 0,5÷0,6. 0,5÷0,6. Natężenie przepływu wody 3/ [dm min]. 140. 140. 140. 160. 160. Ciśnienie zasilania powietrza [MPa]. 0,5÷0,6. 0,5÷0,6. 0,5÷0,6. 0,5÷0,6. 0,5÷0,6. Natężenie przepływu 3/ powietrza [m min]. 5. 5. 5. 6. 6. Jak dotąd zraszanie powietrzno–wodne zastosowano wyłącznie w kombajnach ścianowych produkcji Zabrzaoskich Zakładów Mechanicznych S.A.. Wartości ciśnienia mediów dla poszczególnych kombajnów są takie same i wynoszą w granicach 0,5÷0,6 MPa. W zależności od typu kombajnu zmienia się liczba dysz zabudowanych na organach urabiających, a co za tym idzie zmienia się również natężenie 31.

(32) przepływu powietrza i wody. Parametry techniczne instalacji zraszającej powietrzno–wodnej przedstawiono w tabeli 2.3.. 2.3 Badania skuteczności redukcji zapylenia 2.3.1 Badania teoretyczne (opis zjawiska) Mechanizm redukcji zapylenia jest to zjawisko lub zespół zjawisk fizycznych, pod wpływem, których cząstki stałe wydzielane są ze strumienia gazu, gdy znajduje się on w pobliżu powierzchni kolektora. Kolektorami mogą byd powierzchnie graniczne: płaskie, cylindryczne, warstwy elementów stałych o kształtach nieregularnych, kuliste np. krople cieczy. Aby mogło zajśd to zjawisko, cząstki muszą przebyd strefę, w której wypadkowa sił działających na nie skierowana jest ku powierzchni kolektora i działa dostatecznie długo. W pewnych przypadkach osadzenie cząstek może zachodzid w wyniku bezpośredniego zderzenia z powierzchnią kolektora [89]. Wydzielanie cząstek do cieczy następuje zazwyczaj w wyniku działania jednego z trzech głównych mechanizmów: inercyjnego, efektu zaczepienia lub dyfuzji. Mechanizmy te nie są, jednakowo efektywne w całym zakresie rozmiarów cząstek, które spotyka się w problematyce redukcji zapylenia. Stąd w wielu przypadkach, np. przy redukcji zapylenia cząstek submikronowych wykorzystuje się dodatkowe siły, jak: elektrostatyczne, termo– i dyfuzjoforezy czy efekty kondensacji. Polepszenie efektów redukcji zapylenia można uzyskad również poprzez zwiększenie prawdopodobieostwa zatrzymania cząstek przez kolektor, co odnosi się szczególnie do cząstek słabo zwilżalnych przez ciecz. Rozpatrując wydzielanie cząstek stałych na kroplach, rozważania teoretyczne odnoszą się do jednej kropli w celu jakościowego i ilościowego wyjaśnienia rozpatrywanych mechanizmów. Zakłada się przy tym, że oddziaływania są takie same zarówno dla pojedynczej kropli jak i dużej populacji kropel. To założenie oraz przyjęcie, że każdy kontakt z powierzchnią cieczy prowadzi do trwałego wydzielenia cząstki stałej z gazu, jest wadą wielu teoretycznych rozważao. Rozpatrując osadzanie cząstek na pojedynczej kropli, zakłada się również, że kropla ma kształt kulisty, jest ciałem sztywnym i że ewentualne odstępstwa od wymienionych 32.

(33) założeo oraz oscylacje kropli nie mają zasadniczego wpływu na sprawnośd osadzania inercyjnego cząstek. Rozważając ruch cząstki (rys. 2.23), przyjmuje się, ze cząstka o pewnej masie porusza się wzdłuż linii prądu strumienia gazu, odległej od osi centralnej kropli o y0 dostatecznie daleko od kropli, wzdłuż osi x.. Rys. 2.23. Osadzanie inercyjne cząstki aerozolowej podczas opływu kropli [88] Podczas opływu kropli o promieniu rk, strumienie gazu łatwo zmieniają kierunek, cząstka jednak mając znacznie większą masę w porównaniu z cząsteczkami gazu nie ma możliwości odpowiedniego przyspieszenia i w rezultacie porusza się w przybliżeniu po pierwotnej trajektorii. Prowadzi to do zderzenia z kroplą i trwałego osadzenia cząstki na niej w sprzyjających warunkach, zależnych głównie od warunków energetycznych panujących na granicy faz ciecz–ciało stałe. Wędrówka cząstki stałej ku powierzchni kropli następuje, więc pod wpływem działania siły bezwładności, stąd mechanizm taki nazywany jest inercyjnym. Sprawnośd osadzania inercyjnego na kropli definiuje się następująco:. ( ). (2). gdzie: EA– współczynnik poprawkowy uwzględniający fakt, że nie wszystkie zderzenia cząstek aerozolowych z kropla prowadzą do trwałego ich osadzenia na niej. W wielu przypadkach przyjmuje się EA = 1 W swoich pracach Langmuir i Blodgett [50+ przedstawili wyrażenie na sprawnośd osadzania inercyjnego podczas opływu kropli w warunkach przepływu lepkiego 33.

(34) i potencjalnego przy założeniu, że na cząstkę działają jedynie siły bezwładności i oporu zgodnie z prawem Stokesa. Dla przepływu lepkiego otrzymali wyrażenie:. (. ). (3). natomiast dla przepływu potencjalnego, gdy Stk ≥ 0,2. (. ). (4). Zależności (3) i (4) przedstawiono w postaci graficznej na rys. 2.24 na podstawie danych doświadczalnych [72+. Krytyczna wartośd liczby Stk*, poniżej której osadzanie inercyjne nie zachodzi, przy przepływie lepkim wynosi 1,214, przy potencjalnym zaś Stk* ≈ 0,0834. W rzeczywistości jednak, w warunkach przepływu burzliwego, cząstki stałe są osadzane również na tylnej ścianie kropli i sprawnośd przy Stk < Stk* nie jest równa zero.. Rys. 2.24. Krzywe sprawności osadzania inercyjnego na kuli [88] – Ranza i Wonga[72], – Waltona i Woolcooka [87]; – przepływ potencjalny, – przepływ lepki. 34.

(35) Przy opływie kropli w zakresie przepływu przejściowego tzn. pomiędzy przepływem lepkim i potencjalnym, sprawnośd osadzania inercyjnego można obliczad z zależności podanej przez Waltona i Woolcooka [87]:. (5). gdzie: Re = 2rkuϱg/μg – liczba Reynoldsa ηI i ηp – odpowiednio sprawności osadzania inercyjnego podczas przepływu lepkiego i potencjalnego. Prócz wymienionych, zależności pozwalających określid sprawnośd osadzania inercyjnego na kropli są również określone wg: Daviesa [18], Masona [56], Sparksa i Pilata [81+. Dane doświadczalne szeregu badaczy potwierdzają obliczenia teoretyczne [27], [63], [84]. Goldschmidt i Calvert [26+ stwierdzili jednak większą sprawnośd, niż przewiduje teoria dla małych liczb Stk < 0,05, co tłumaczą osadzaniem cząstek na tylnej ścianie kropli. Trajektoria ruchu cząstki odległej od osi centralnej o y0, wchodząca do równania (2), odpowiada warunkom fizycznym, gdy cząstka aerozolowa jest nieskooczenie mała. Biorąc pod uwagę realną cząstkę o promieniu rc, ulegnie ona zderzeniu z kroplą, gdy przepływad będzie od niej w odległości rc. Sprawnośd osadzania inercyjnego na kropli będzie, więc funkcją nie tylko liczby Stk, lecz również stosunku rc/rk. Jeżeli w rozważaniach nad osadzaniem inercyjnym cząstek przyjmie się, że mają one rozmiary, a nie są jedynie punktami o określonej masie, sprawnośd osadzania cząstki stałej na kropli będzie większa niż wynikałoby to z zależności przytoczonych powyżej. Środek cząstki odległej o y0 od nieruchomej linii środkowej ma możliwośd opłynięcia kulistej kropli, niema jej jednak cząstka o średnicy rc. Cząstka ta będzie wydzielona ze strumienia gazu na skutek zaczepienia o powierzchnię kropli. Skutecznośd efektu zaczepienia określa stosunek K=rc/rk. Przy przepływie lepkim przyrost sprawności osadzania ∆η, wynikający z efektu zaczepienia wynosi [21] 35.

(36) (. ). (. ). (. ). (6). a dla przepływu potencjalnego. (. ). (. ). (7). Z istnienia realnej średnicy cząstek aerozolowych wynika, ze sprawnośd redukcji zapylenia na pojedynczej kropli w zależności od liczby Stk musi byd reprezentowana przez rodzinę krzywych odpowiadających różnym wartościom liczby K. Jeżeli ciecz nie zwilża cząstek aerozolowych, to zetknięcie ich z kroplą cieczy nie jest jeszcze równoznaczne z trwałym osadzeniem na kropli, co zakłada się na ogół podczas rozważao teoretycznych nad osadzaniem inercyjnym. Aby osadzenie było trwałe, konieczne jest wniknięcie cząstki w głąb kropli [62]. Badania wpływu zwilżalności cząstek polistyrenu i siarki przez wodę i ciecze organiczne na sprawnośd osadzania na kropli można znaleźd w pracach Goldschmidta i Calverta [26]. Wskazują one na duże znaczenie czynnika zwilżalności w procesie osadzania inercyjnego na kroplach cieczy. Podczas opływu kropli przez strumieo aerozolu, cząstki o rozmiarach mniejszych od 0,5 μm poruszają się swobodnie poprzez linie prądu na skutek przypadkowych zderzeo z cząsteczkami gazu (rys. 2.25). W wyniku tego pewna liczba cząstek stałych może zderzyd się z kroplą i trwale się na niej osadzid. Szybkośd dyfuzyjnego ruchu cząstek stałych do powierzchni bryły sferycznej o promieniu rk można określid na podstawie drugiego prawa Ficka [30]:. 36.

(37) Rys.2.25. Osadzanie dyfuzyjne cząstki stałej na kropli [88]. [. (. )]. (8). gdzie: N/t – liczba cząstek aerozolowych odniesiona do jednostki objętości, dyfundująca do powierzchni kuli w czasie t; r – odległośd cząstki od środka kuli; D — współczynnik dyfuzji. Biorąc pod uwagę korelacje oparte na analogii do wymiany masy, można zastosowad zależnośd do obliczeo sprawności osadzania cząstek stałych na kuli [37]. (. ⁄. ⁄. ). (9). Dyfuzja będzie limitowała proces osadzania cząstek na kropli przy prędkościach przepływu mniejszych od kilku cm/s dla cząstek o średnicy mniejszej od 0,5 µm. W zakresie 0,5—1,0 μm istotne znaczenie ma efekt zaczepienia, a powyżej 1 µm zderzenie bezwładnościowe. Jednakże, jeżeli wydzielanie cząstek ze strumienia gazu zachodzi pod wpływem działania wielu sił (więcej niż jednego mechanizmu), to ogólną sprawnośd wydzielania wyznacza się biorąc pod uwagę sprawnośd każdego z działających mechanizmów. Najbardziej poprawna wartośd sprawności odpylania, wynikająca z działania kilku mechanizmów otrzymuje się poprzez uwzględnienie wkładu każdego mechanizmu [82], [89].. 37.

(38) ∏(. ). (10). gdzie: – sprawnośd osadzania i-tego mechanizmu – wkład wnoszony przez i-te mechanizmy do ogólnej sprawności – liczba działających mechanizmów. 2.3.2 Badania numeryczne Coraz częściej przy rozwiązywaniu zagadnieo problematyki górniczej wykorzystuje się metody. CFD. (Computationl. Fluid. Dynamics).. Metody. te. obecnie. są. jednymi. z najpopularniejszych metod rozwiązywania problemów z mechaniki czy fizyki płynów, znajdując zastosowanie zarówno przy rozwiązywaniu zagadnieo inżynierskich, jak i w badaniach naukowych [3], [29], [41], [46], [60], [73], [86]. W zastosowaniu do problematyki górniczej metody te wykorzystuje się najczęściej przy rozwiązywaniu lokalnych zadao wentylacji – takich jak przewietrzanie ścian czy przodków wyrobisk ślepych. Przykładem wykorzystania metody CFD jest rozwiązywanie problemów związanych z zastosowaniem systemu wentylacji kombinowanej w polach metanowych. W pracach poświęconych skuteczności działania systemu wentylacji kombinowanej koncentrowano się głównie na analizie i interpretacji wyników pomiarów strumienia objętości oraz stężenia metanu i pyłu [45], [47], [83]. Jednakże przepływ w tej strefie przodkowej wyrobiska z kombinowanym systemem wentylacji ma charakter trójwymiarowy. Dlatego też zastosowanie metody CFD umożliwia określanie na drodze teoretycznej 3D pól prędkości przepływu, temperatury powietrza oraz stężeo metanu i pyłu. W ten sposób dostarczone informacje o cechach charakterystycznych przepływu mogą byd istotne dla bezpieczeostwa pracy i pomocne przy analizie wentylacji w wybranym obszarze Z literatury wiadomo, że wzrost ilości powietrza w strefie zazębiania (strefa pomiędzy początkiem szczeliny zasadniczego lutniociągu tłoczącego a koocem lutniociągu ssącego instalacji odpylającej) przyczynia się do obniżenia skuteczności odpylania [3]. W pracy [4] 38.

(39) podjęto się próby stworzenia symulacji komputerowej tego zjawiska przy założeniach modelu Eulera–Lagrange’a. Przyjęto, że pył emitowany jest z powierzchni czoła przodka, posiada kształt kulisty o średnicy 5×10–6 m, a gęstośd wynosi 1400 kg/m3. Przyjęto, że prędkośd początkowa cząstek pyłu będzie wynosid 5 m/s. Z uwagi na brak udokumentowanych danych literaturowych problemem okazało się przyjęcie odpowiedniej prędkości początkowej cząstek stałych. Wykonane obliczenia dla kilku wartości prędkości początkowej, wahające się od kilku do kilkunastu m/s nie wykazały znaczącego wpływu tej wielkości na jakościowy obraz wyznaczonych trajektorii. Obraz stężenia pyłu w przekroju czoła przodka oraz kilkuset trajektorii cząstek stałych, rozpoczynających się na płaszczyźnie czoła przodka przedstawiono na rys. 2.26 i rys. 2.27. Przy 40% udziale powietrza w strefie zazębiania zdecydowana większośd trajektorii kooczy się na powierzchni otworu ssawnego zaś pozostałe na powierzchni spągu. Obłok pyłu skutecznie utrzymywany jest w strefie przodkowej. W miarę zwiększania ilośd powietrza płynącego przez strefę zazębiania powiększa się również strefa charakteryzująca się dużym zapyleniem powietrza. Można przyjąd, że przy udziale powietrza w strefie zazębiania nie przekraczającym 50% obłok pyłu utrzymywany jest w strefie obejmującej częśd wyrobiska ślepego od czoła przodka do lutni wirowej (rys. 2.26). Powyżej tej wartości wzrasta zapylenie powietrza w strefie zazębiania jak i w wylotowym strumieniu powietrza. Model Lagrange’a umożliwia również określenie pola stężeo pyłu. Uzyskuje się to poprzez związanie z każdą, poruszającą się po wyznaczonym torze cząstką pewnej dodatkowej masy. Ta „podążająca” za cząstką masa wynika z wytwarzanej na powierzchni czoła przodka w jednostce czasu masy pyłu. Wielkośd ta nie jest znana stąd w obliczeniach wykorzystano wyniki pomiarów dla jednego z wyrobisk kopalni „Borynia” [47+. Do przodka, lutniociągiem tłoczącym dopływało 555 m3/min powietrza zaś przez instalację odpylającą 278 m3/min czyli udział strumienia powietrza w strefie zazębiania wynosił 50%. Zmierzona wartośd stężenia pyłu frakcji respirabilnej na wlocie do ssawy wynosiła 106,49 mg/m3. Wyznaczoną na drodze teoretycznej, zbliżoną wartośd stężenia – 99,36 mg/m3 uzyskano przy wytworzonym, podczas pracy kombajnu, strumieniu masy pyłu (frakcji respirabilnej) wynoszącym 500 mg/s. Numerycznie wygenerowany obraz pola stężeo pyłu charakteryzuje się silną niejednorodnością. Własnośd ta jest dodatkowym utrudnieniem, które napotyka się przy próbie walidacji modelu. Największe różnice między prognozą i pomiarami występują w strefie zazębiania. Obliczone zapylenie powietrza w tej strefie, przy udziale strumienia powietrza mniejszym od około 39.

(40) 50%, jest niewielkie, podczas gdy pomiary [47], [83+ wskazują, że jest ono zbliżone do mierzonego na stanowisku kombajnisty. Widoczny wzrost zapylenia powietrza w strefie zazębiania obserwowany jest w symulacjach numerycznych dopiero przy około 60% udziale strumienia powietrza w tej strefie.. Rys. 2.26. Trajektorie cząstek stałych rozpoczynających się na płaszczyźnie czoła przodka przy 40% udziale strumienia powietrza w strefie zazębiania [4]. Rys. 2.27. Stężenie pyłu w kg/m3 w przekroju poprzecznym wyrobiska określanym współrzędną wlotu do instalacji odpylającej [4]. 2.3.3 Badania laboratoryjne Przykładem badao laboratoryjnych mogą byd badania doświadczalne odpylania gazu przeprowadzone na stanowisku doświadczalnym. [91], którego schemat budowy. 40.

(41) przedstawiono na rys. 2.28. Głównym elementem instalacji badawczej jest skruber ze zderzającymi się strumieniami cieczy (rys.2.28 poz.1).. Rys. 2.28. Schemat instalacji do badawczej; 1 – skruber, 2 – zagrzewacz, 3 – pompa zasysająca, 4 – filtr mierniczy, 5 – zbiornik, 6 – sprężarka, 7 – filtr powietrza, 8 – pojemnik dozownika pyłu, 9 – silnik z regulatorem prędkości mieszadła, 10 – pompka, 11 – zbiornik wody obiegowej, 12 – pompa, 13 – filtr wody, 14 – układ elektroniczny, 15 – komputer [91] Najistotniejszym z punktu widzenia badania sprawności odpylania jest pomiar stężenia pyłu w powietrzu. Do jego określenia wykorzystano laserowy licznik cząstek IPS–WB firmy Kamika Instruments. Analizator składa się z: czujnika cząstek (DQIR–1), czujnika temperatury (TIR–1), zwężki pomiarowej (FIR–1), elektronicznego bloku pomiarowego (rys.2.28 poz.14) oraz komputera PC z odpowiednim oprogramowaniem (rys.2.28 poz.15). Pomiar polega na wykorzystaniu „dyfrakcji laserowej” dla najmniejszych cząstek oraz zmian strumienia promieniowania rozproszonego dla cząstek dużych. Strumieo promieniowania laserowego w podczerwieni pozwala na identyfikację wielkości cząstek oraz precyzyjne określenie ich ilości. Analizator jest urządzeniem automatycznym pracującym on–line w zakresie średnic cząstek 0,5÷500 μm, klasyfikowanych w 256 klasach pomiarowych. Licznik cząstek wykorzystano do pomiaru stężenia pyłu zarówno strumieniu wlotowym do skrubera, jak i gazie odpylonym. Przełączanie miejsca poboru próbki do analizy odbywa się za pomocą zaworów Z–1 i Z–2. Opcjonalnie pomiaru stężenia cząstek w strumieniu gazu można dokonad przy zastosowaniu układu pomiarowego składającego się z filtra mierniczego (rys.2.28 poz.4), 41.

(42) pompy zasysającej (rys.2.28 poz.3) i gazomierza (FQ–4). Pomiar sprawności odpylania polegał na porównaniu stężenia cząstek w gazie przed i po odpyleniu. Sprawnośd frakcyjną ηi obliczano wg zależności:. (. ). (11). gdzie: i. – stężenie cząstek o średnicy di odpowiednio na wlocie i wylocie z odpylacza. Sprawnośd ogólną wyznaczano z zależności:. (12). gdzie: – ułamek zawartości frakcji o średnicy cząstek di. Strumieo wody zmieniano od 0 (odpylanie suche) do 0,1 m3/h w przeliczeniu na jedną dyszę. Przykładowe wyniki badao przedstawiono na rys. 2.29÷rys. 2.31.. Rys. 2.29. Porównanie odpylania suchego i mokrego [91]. 42.

(43) Rys. 2.30. Rozkład wielkości cząstek w strumieniu wlotowym i wylotowym, G=53 m3/h [91]. Rys. 2.31. Zależnośd sprawności odpylania od strumienia cieczy, G=53 m3/h [91] Większy wpływ na sprawnośd odpylania ma liczba, rozmiar i prędkośd kropel cieczy. Wymienione parametry nie były badane doświadczalnie, ale z rozważao teoretycznych wynika, że dominujący wpływ na sprawnośd ma prędkośd kropel [24+. Porównanie wyników badao dla stałej prędkości gazu i różnych strumieni cieczy przedstawiono na rys. 2.30 i rys. 2.31. Wzrost natężenia przepływu wody wypływającej z dysz prowadzi do zwiększenia 43.

(44) prędkości i zmniejszenia rozmiarów generowanych kropel pierwotnych i wtórnych. Konsekwencją jest wzrost względnej prędkości cząstek pyłu i kolektorów cieczowych oraz lepsza sprawnośd odpylania. Odpylanie gazów w skruberze ze zderzającymi się strumieniami cieczy jest procesem efektywnym. Sprawnośd frakcyjna usuwania cząstek pyłu krzemionkowego osiągała wartości rzędu 92% dla cząstek o średnicy 1 μm do ponad 95% dla cząstek powyżej 10 μm. Sprawnośd odpylania mokrego zależy głównie od wielkości strumieni cieczy zasilających dysze, a w mniejszym stopniu od szybkości gazu. Wysoka sprawnośd jest skutkiem zderzeo cząstek stałych z szybko poruszającymi się kroplami, które są generowane w wyniku zderzenia dwóch strumieni cieczy wypływających z naprzeciwległych dysz. Dodatkowo wykorzystano siłę odśrodkową do nadania cząstkom aerozolu prędkości promieniowej. Cząstki, które zderzyły się ze ściankami aparatu były zmywane wodą, co zapobiegało wtórnemu zapyleniu. Wirowy ruch strumienia gazu zwiększał sprawnośd odpylania, jak i skutecznośd odkraplania w górnej części skrubera.. 2.3.4 Badania w warunkach „in situ” Rosnąca koncentracja robót górniczych oraz wzrost mocy instalowanej w maszynach powoduje stały wzrost ilości pyłów wytwarzanych w wyrobiskach górniczych. Ilośd i jakośd wytwarzanego w czasie urabiania pyłu zależy od typu węgla, warunków eksploatacji i sposobu urabiania, wilgotności itp.. Nie ma jednoznacznych funkcji opisujących wydzielanie pyłu w zależności od rodzaju węgla i warunków urabiania. Uruchamiając ścianę, należy przy doborze wyposażenia uwzględnid czynnik zapylenia. Rzutują na nie (zapylenie) parametry pracy kombajnu, jakośd noży kombajnowych i wiele innych szczegółów mogących decydowad o zapyleniu powietrza, które należy obniżad do poziomu wymaganego normatywami, nie zapominając przy tym o maksymalizacji produkcji [52]. W ramach rozpoznania tego zagrożenia i skuteczności działania środków profilaktycznych stosowanych w kopalniach, WUG przeprowadził szereg badao na kopalniach węgla kamiennego [48]. W okresie od 1997 roku do 1999 roku rozpoznaniem objęto dziewięd kopalo węgla kamiennego. Pomiary stężeo zapylenia prowadzone były miernikami CIP–10, na ponad stu. 44.

(45) indywidualnych stanowiskach zlokalizowanych w 20 wyrobiskach ścianowych i na ponad trzydziestu stanowiskach w 10 wyrobiskach korytarzowych drążonych kombajnami [48]. Pomiary stężeo zapylenia powietrza prowadzone były zgodnie z normowymi wymogami [65+ i w większości przypadków prowadzone były przez okres trwania zmiany roboczej bez wymiany przyrządów. Powyższe spowodowało, że w trakcie niektórych pomiarów na filtrach osadzała się masa pyłu większa niż 50 mg, tj. powyżej dopuszczalnej masy dla zrealizowania prawidłowego pomiaru tymi przyrządami. Ponieważ średnio podczas trwania pomiaru przez przyrządy przepływało około 3 m3 powietrza stąd można przyjąd, że wyniki stężeo zapylenia większe niż 16 mg/m3 są zaniżone [48+. Ten sposób przeprowadzenia pomiarów spowodował również uśrednienie wyników zapylenia na stanowiskach pracy i przez to nie pozwolił na ujawnienie najwyższych poziomów stężeo zapylenia np. podczas urabiania kombajnami calizny węglowej. Wyniki pomiarów w odniesieniu do zawartości wolnej krzemionki i wartości najwyższego dopuszczalnego stężenia (NDS) przedstawiono w tabelach 2.4 ÷ 2.8. Tabela 2.4. Wyniki pomiarów korytarzowym [48]. na stanowisku. pracy. kombajnisty. w wyrobisku. Liczba wyników pomiarów. Zawartośd krzemionki [%]i. poniżej NDS. NDS ÷4xNDS. 4xNDS ÷9xNDS. 9xNDS ÷ 20xNDS. powyżej 20xNDS. >2. –. –. –. –. –. 2 ÷ 10. –. –. 6. 2. –. 10–50. –. 3. 1. 5. 3. < 50. –. 3. –. –. –. 45.