W trosce o bezpieczeństwo (BG 5-6 2012)

Zagrożenia

Monitoring

Od kilkunastu lat obserwowany jest w polskich kopalniach węgla kamiennego wzrost poziomu zagrożeń, mimo zmniejszającego się sukcesywnie poziomu wydobycia. Bezpieczne prowadzenie robót górniczych w takich warunkach wymaga dostosowania działań profilaktycznych do wcześniej określonego potencjalnego poziomu zagrożeń oraz głównie - bieżącego monitorowania występujących zagrożeń i umiejętności właściwego wykorzystania pomiarów.

W przypadku występowania większej liczby zagrożeń monitorowanie takie wydaje się niewystarczające. Dowodzą tego zdarzenia z ostatnich lat, których skutki były tragiczne:

-21.11.2006 r. – KWK „Halemba” w Rudzie Śląskiej, zapalenie i wybuch metanu w ścianie (w pokładzie 506) – 23 wypadki śmiertelne, 1 lekki,

-13.o1.2008 r. – KWK „Mysłowice-Wesoła” w Mysłowicach, pożar endogeniczny, zapalenie i wybuch metanu oraz pyłu węglowego rejonie przecinki ściany (w pokładzie 510) – 2 wypadki śmiertelne, 1 lekki,

-04.06.2008 r. „Borynia” w Jastrzębiu Zdroju, zapalenie i wybuch metanu w ścianie ( w pokładzie 405/1) – 6 wypadków śmiertelnych, 5 cięż i 12 lekkich,

-18.09.2009 r. – KWK „Wujek” Ruch „Śląsk” w Rudzie Śląskiej, zapalenie i wybuch metanu w ścianie (w pokładzie 409) – 20 wypadków śmiertelnych oraz 53 wypadki ciężkie i lekkie.

Charakterystyczną cechą rejonów, w których doszło do zdarzeń jest to, że współwystępowało w nich kilka zagrożeń. Potrzebna jest zatem przynajmniej kompleksowa ocena poziomu tych zagrożeń oraz predykcja ich poziomu. Uzupełnieniem powinno być także monitorowanie stanu technicznego i bieżących parametrów pracy maszyn i urządzeń ciągów technologicznych.

Opracowanie metod bieżącej oceny poziomu potencjalnego oraz rzeczywistego zagrożeń zostało podjęte w realizowanym przez Główny instytut Górnictwa – z udziałem naukowców z Instytutu Technik Innowacyjnych EMAG – projekcie strukturalnym Pt.: „Informatyczny system wspomagania kompleksowego zarządzania zagrożeniami górniczymi”. Projekt ten został sfinansowany ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. Uwzględniono w nim zagrożenia: tąpaniami, metanowe, wybuchem pyłu węglowego, pożarami endogenicznymi, klimatyczne oraz dzianiem pyłów szkodliwych dla zdrowia, wodne, wyrzutami gazów i skał oraz radiacyjne. Jak podkreśla dr Stanisław Trenczek, sekretarz naukowy Instytutu Technik Innowacyjnych EMAG, przyjęto podział poziomu zagrożeń na poziom potencjalny (określany na podstawie zaliczeń i klasyfikacji dokonywanych dla rejonu projektowanej eksploatacji), oraz na poziom rzeczywisty (określany na podstawie parametrów istotnych dla danych warunków). W przypadku poziomu potencjalnego poszczególnym kategoriom, grupom., stopniom i klasom przypisano odpowiednią wartość parametryczną. Podobnie scharakteryzowano prawdopodobieństwo przewidywalności i skutków ich wystąpienia. Główną uwagę skupiono na zagrożeniach o charakterze dynamicznym, to jest na zagrożeniach skojarzonych, dla których przyjmowane są – z rejonu ściany: -energia zaistniałego maksymalnego w danym miesiącu wstrząsu górotworu, najmniejsza odległość epicentrum wstrząsu, sumaryczna miesięczna wydzielona energia wstrząsów; -stężenie metanu w powietrzu wylotowym, metanowość wentylacyjna, metanowość bezwzględna, zdolność wentylacyjna do rozrzedzenia metanu do wartości dopuszczalnych; -intensywność osiadania pyłu węglowego w wylotowym prądzie powietrza w odległości 30 i 50 metrów od ściany; -wskaźnik Grahama, przyrost stężenia CO, ilość CO w wylotowym prądzie powietrza; -temperatura pierwotna górotworu, maksymalna temperatura powietrza, minimalna intensywność chłodzenia.

Sposoby predykcji poziomu zagrożeń opracowano w ramach projektu badawczego pt. ”System monitorowania i prognozowania zagrożeń związanych z eksploatacją górniczą w ścianach i przodkach głębokich kopalń węgla kamiennego o wysokiej koncentracji wydobycia” zrealizowanego przez Instytut EMAG we współpracy z ukraińskim instytutem Avtomatgormasz. W ramach tego projektu został opracowany prototyp nowego systemu, Ew którym założono rozszerzenie zakresu pomiarów, integrację danych o środowisku i informacji technologicznych oraz wprowadzenie elementów krótkoterminowego prognozowania poziomu zagrożeń naturalnych. Zmiany te mają na celu poprawę bezpieczeństwa i wyników ekonomicznych zakładów górniczych. Istotne jest wprowadzenie nowych rozwiązań technicznych umożliwiających pełniejszą niż dotychczas analizę parametrów bezpieczeństwa, z kontrolą sprowadzoną na niższy poziom. Możliwe jest wówczas automatyczne zatrzymywanie ciągów technologicznych przy zagrożeniu wybuchem także wypracowywanie i natychmiastowe przekazywanie specjalistycznym służbom informacji prognostycznych, co pozwala n uniknięcie stanów bezpośredniego zagrożenia i związanych z tym przymusowych postojów.

Założenia funkcjonalne nowego systemu uwzględniają:

-rozszerzenie zakresu pomiarów za pomocą czujników stacjonarnych tak, aby możliwa była ciągła kontrola parametrów bezpieczeństwa w ścianach i przodkach, czyli tam, gdzie znajdują się źródła zagrożeń, a ich poziom i dynamika są najważniejsze;

-rozszerzenie zakresu pomiarów w ścianach i przodkach informacje technologiczne (stan pracy maszyn i urządzeń, położenie maszyny urabiającej itp.), niezbędne do wypracowywania prognoz i decyzji sterujących;

-zapewnienie środków technicznych umożliwiających przetwarzanie i analizę danych pomiarowych oraz odejmowanie i realizację decyzji sterujących w czasie rzeczywistym w jenowym centrum dyspozytorskim, położonym w bezpośredniej bliskości monitorowanego obiektu, tzn. ściany przodka;

-zapewnienie środków technicznych umożliwiających transmisje zbieranych przetwarzanych informacji z lokalnych centrów dyspozytorskich na powierzchnię w celu wykorzystania ich w rutynowej działalności profilaktycznej.

Zasadniczym elementem nowe struktury jest zintegrowany system transmisji składający się z zestawu lokalnych stacji transmisji danych zbudowanych czynnych ścianach i przodkach przygotowawczych. Do realizacji funkcji ostrzegani o sytuacjach awaryjnych i przedawaryjnych przewiduje się również sprzężenie systemu z urządzeniami głośnomówiącej łączności technologicznej.

Baza danych podziemnej części systemu powinna zawierać rejestrowane na bieżąco wyniki pomiarów z zakresu aerologii (wentylacja ze szczególnym uwzględnieniem zawartości metanu i stanu obiektów technologicznych oraz oprogramowanie przeznaczone do wykonywania prognoz stężeń gazów w rejonie ściany. Parametry środowiska, określające poziom zagrożeń są monitowane przez stacje pomiarowe. Są to: - stacje PPA służące do wykonywania pomiarów jakości i ilości powietrza (CO, O_2, prędkość przepływu powietrza, ciśnienia, temperatura), zlokalizowane na końcach wyrobiska ścianowego – na jego wlocie i wylocie; -stacje PMS służące do akwizycji danych metanometrycznych za pomocą sieci czujników (M) rozmieszczonych wzdłuż wyrobiska ścianowego z możliwością wykorzystania komunikacji bezprzewodowej; -stacje MPT przeznaczone do akwizycji stanów podstawowych urządzeń ciągów technologicznych w rejonie ściany, tj. kombajnu, obudowy zmechanizowanej i przenośników.

Ponadto w kopalniach zagrożonych tąpaniami zestaw pomiarowy może być uzupełniony o stację akwizycji danych sejsmicznych monitorującą sygnały z sieci geofonów. Dane ze wszystkich monitorowanych urządzeń (wentylacja, metan, maszyny i urządzenia ciągów technologicznych, sejsmologia) są przekazywane do lokalnej stacji transmisji a stamtąd do urządzeń komputerowych rejonowego i powierzchniowego centrum dyspozytorskiego.

-Odmienność nowego, systemu monitorowania zagrożeń i nowa filozofia działania spowodowały, że w opracowanym prototypie nie mogły być zastosowane czujniki i urządzenia transmisji danych -wyjaśnia dr inż. Stanisław Trenczek.

Konieczne było opracowanie kilku nowych elementów z zakresu przyrządów pomiarowych i transmisyjnych. Pierwsze z nich to czujniki parametrów aerologicznych do pomiaru składu chemicznego i parametrów fizycznych powietrza kopalnianego. Zestaw tworzą czujniki gazometryczne typoszeregu Exx o jednolitej konstrukcji mechanicznej i elektronicznej, w tym czujnik metanu ECH oraz czujniki do pomiaru innych parametrów (CO, CO_2, O₂), przystosowane do wymagań systemu (zasilanie, sygnał wyjściowy), czujniki parametrów fizycznych AS-3CR (prędkość przepływu powietrza) i THP-2CR (ciśnienie bezwzględne, wilgotność, temperatura). Drugim elementem jest pulpit operatorski PO_p umożliwiający aktywizację, wizualizację i archiwizację danych z sieci iskrobezpiecznych czujników parametrów aerologicznych i technologicznych. Jest on wykorzystywany w systemie monitorowania i prognozowania zagrożeń, gdzie pełni rolę monitora lokalnych stacji akwizycji danych pomiarowych. W zależności od wersji oprogramowania i konfiguracji złącz może pracować jako monitor stacji pomiaru parametrów aerologicznych (PPA), metanometrycznych (PMS) lub technologicznych (MPT). Nowym elementem jest zasilacz akumulatorowy EZA-1 przeznaczony do zasilania elektrycznych urządzeń iskrobezpiecznych, wymagających stabilizowanego napięcia stałego 12 V w sytuacjach awaryjnych, gdy zasilanie sieciowe zostało wyłączne. Jest on wykorzystywany do buforowego zasilania monitorów, pulpitów operatorskich i czujników stacji pomiarowych parametrów aerologicznych i metanometrycznych dal zapewnienia wymaganej przepisami autonomicznej pracy w okresach, gdy wyłączone jest zasilanie sieciowe. Również nowością jest górniczy komputer przemysłowy GKP-09 przeznaczony do wizualizacji, rejestrowania oraz sterowania procesem wydobywczym w kopalni węgla kamiennego. Komputer klasy IBK PC wraz z pozostałymi podzespołami zamknięty jest w ognioszczelnej osłonie i może pracować w środowiskach zaliczanych do stopnia a, b, c niebezpieczeństwa wybuchu metanu oraz klasy A lub B zagrożenia wybuchem pyłu węglowego. W systemie monitorowania i prognozowania zagrożeń komputer GKP-09 pełni rolę terminala. Wersja iskrobezpieczna komputera może służyć jako serwer rejonowego centrum dyspozytorskiego, zasilany podczas przerw w zasilaniu sieciowym z zasilacza akumulatorowego EZA-1. Ostatnim z istotnych elementów jest system transmisji, pozwalającym na współpracę urządzeń dołowych systemu monitorowani i prognozowani zagrożeń z dowolnego typu systemem transmisji, wyposażonym w interfejs RS-485. W rozwiązaniu prototypowym zastosowano opracowany w ITI EMAG system typu ZIST, zaprojektowany jako uniwersalny światłowodowy system transmisji o dużej przepustowości. System składa się z oddzielnych pod względem konstrukcyjnym i funkcjonalnym urządzeń, w terminologii systemu nazwanych modułami, z których można budować struktury komunikacyjne w układach ringu, struktury drzewiaste i mieszane o różnej wielkości, zależne od potrzeb, upodobań i możliwości finansowych użytkownika. Wraz z rozwojem systemu, w zależności od zapotrzebowani, zestaw ten może być uzupełniany kolejne moduły i punkty dostępne.

Przeprowadzone w niegazowej kopalni „Guido” testy funkcjonalne systemu oraz w zagrożonej wybuchami metanu kopalni „Bielszowice” badania terenowe pozwoliły na sprawdzenie nowo zaprojektowanych przyrządów pomiarowych i sprzętu telekomunikacyjnego w różnych, w tym bardzo trudnych warunkach. Wyniki badań potwierdzają, że nowa koncepcja oceny poziomu zagrożeń realizacji monitorowania i predykcji jest możliwa do zastosowania w praktyce.

Oprac: Mira Borkiewicz

(na podstawie artykułu Stanisława Trenczka „Ocena oraz predykcja zagrożeń”)