Systemy kontroli i monitorowania zagrożeń gazowych w polskich kopalniach węgla kamiennego

Systemy kontroli i monitorowania zagrożeń gazowych w polskich kopalniach węgla kamiennego
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

1. Wstęp

Polskie górnictwo węgla kamiennego w ostatnich latach zdecydowanie ograniczyło poziom wydobycia, ale równocześnie, wraz ze schodzeniem z eksploatacją na głębokości większe niż 1000 m nastąpiło nasilenie zagrożeń naturalnych, a w szczególności metanowego, temperaturowego czy tąpaniami. Prowadzenie bezpiecznej eksploatacji w tych warunkach wymaga, oprócz stosowania najnowszych technologii i systemów eksploatacji, wprowadzania wyposażenia technicznego umożliwiającego wczesne wykrywanie oraz skuteczne zwalczanie zagrożeń.

Badania przeprowadzone w kopalniach [3] pokazały znaczny postęp, jaki nastąpił w ostatnich latach w zakresie wyposażenia kopalń w systemy monitorowania i kontroli parametrów powietrza, a w szczególności gazometrii automatycznej oraz charakterystyczne tendencje rozwoju tych systemów związane ze zmianami technologicznymi oraz regulacjami prawnymi w okresie ostatnich 20 lat. Równocześnie systemy metanometrii automatycznej stawiają specjalne wymagania w zakresie obsługi i użytkowania systemów nadzoru dyspozytorskiego.

Należy bowiem pamiętać, że decydują one z jednej strony o bezpieczeństwie, a z drugiej wpływają znacząco na ciągłość pracy maszyn wydobywczych, przez wyłączanie energii elektrycznej w zagrożonych rejonach. Ważnym uzupełnieniem metanometrii automatycznej staje się wczesne wykrywanie pożarów oraz kontrola przepływu powietrza, pozwalająca uniknąć lokalnych nagromadzeń metanu wskutek niedostatecznej wentylacji.

Dokonując jakichkolwiek porównań i oceny zmian zachodzących w wyposażeniu kopalń w czujniki i systemy służące zabezpieczeniu i zwalczaniu zagrożeń gazowych, a w szczególności metanowego czy pożarowego, należy pamiętać o zmianach, jakie zaszły w polskim górnictwie w ostatnich 10 latach. Równocześnie z dwukrotnym zmniejszeniem liczby kopalń, nastąpiło także zmniejszenie liczby eksploatowanych ścian i przodków, tzn. najważniejszych obiektów wymagających kontroli i zabezpieczenia.

Znaczący postęp i rozwój systemów gazometrii automatycznej w kontroli i monitorowaniu parametrów fizykochemicznych powietrza w wyrobiskach kopalni dotyczy zarówno filozofii działania, jak również struktury i stosowanych urządzeń dołowych. Powszechnie znane systemy metanometryczne oparte na pomiarach cyklicznych są zastępowane systemami o działaniu ciągłym. Dotyczy to w szczególności modernizacji części powierzchniowej systemów, które w większości są dziś wyposażone w centrale cyfrowe o szybkim działaniu i rejestracji parametrów z okresem nawet do jednej sekundy. Cyfrowe centrale umożliwiają zwielokrotnienie linii pomiarowych przez możliwość przyłączenia do jednej linii nawet do 6 czujników lub przyłączenia stacji dołowej, których w kopalniach zabudowanych jest dziś już ok. 1000 sztuk. Te stacje dołowe (centralki) znacznie zwiększają pojemność kopalnianych systemów gazometrii automatycznej, gdyż pozwalają na obsługę na jednej linii pomiarowej do kilkunastu czujników analogowych lub dwustanowych.

Niezależnie od monitorowania i kontroli zagrożeń metanowo-pożarowych przez pomiar zawartości metanu, tlenku węgla i prędkości powietrza, kopalnie do wyrobisk podziemnych coraz powszechniej wprowadzają nowe czujniki parametrów powietrza, jak: tlenomierze, czujniki dwutlenku węgla czy, ostatnio, czujniki ciśnienia bezwzględnego.

Równocześnie następuje zmiana w standardach transmisji sygnałów pomiarowych, gdzie wprowadzana jest transmisja modemowa lub możliwość wykorzystania światłowodów, jako medium transmisyjnego.

Przeprowadzone badania wskazały również przeszkodę utrudniającą rozwój i rozbudowę systemów przez kopalnie, jaką jest brak standardów w kopalnianych systemach telemetrycznych. W wyniku tego kopalniane systemy gazometrii automatycznej są zamknięte przez producentów, co w szczególności dotyczy central powierzchniowych tych systemów. Wydaje się, że najwyższy czas, aby wprowadzić jednolite standardy w zakresie logicznych i fizycznych protokołów transmisji w górniczych systemach telemetrycznych, co najmniej dla systemów bezpieczeństwa i łączności.

2. Gazometria automatyczna w polskich kopalniach węgla kamiennego - stan aktualny

Systemy metanometrii automatycznej stosowane dziś w polskich kopalniach to w zależności od metod i filozofii działania:
  • metanometria cykliczna 4-minutowa, z centralnym systemem wyłączeń (centrale analogowe CCT 63/40U, CMM-20),

  • zmodernizowane systemy metanometrii o działaniu cyklicznym z programowalnym czasem odczytu od 6 do 240 sekund i, zwykle z możliwością wyłączenia energii elektrycznej z powierzchni,

  • ciągła metanometria zapewniająca pomiar zawartości metanu w zakresie 0-100% CH4 i automatyczne wyłączenie energii elektrycznej bezpośrednio na dole kopalni z metanomierzy wyłączających, stacji dołowych, a także z powierzchni, poprzez tzw. "matryce wyłączeń".
Koncepcja rozwiązań w zakresie systemów metanometrii automatycznej powstała w latach 70. na bazie francuskiej centrali CTT 63/40U OLDHAM. Były to systemy analogowe, ale wiele ich cech przyjęto jako standard, w późniejszych i obecnych rozwiązaniach cyfrowych, w polskiej metanometrii automatycznej, przykładowo:

1. Centralne zasilanie czujników oraz urządzeń dołowych systemu.
Zalety:
  • niezależność od stanu załączenia energii elektrycznej,

  • pomiary nawet w stanach wyłączeń energii elektrycznej na dole, np. sobota, niedziela, ale także po wybuchach i w czasie pożaru, do czasu utraty ciągłości linii i sprawności czujników, rejestrowane są informacje o stanie atmosfery w wyrobiskach (często istotne w czasie akcji ratowniczej czy gaszenia pożaru),

  • zasilanie czujników i transmisja danych jedną linią (parą) teletechniczną.
2. Zasada pozytywnego bezpieczeństwa, tzn. uszkodzenie linii lub czujnika powoduje wyłączenie energii elektrycznej (stany awaryjne są równoznaczne stanom alarmowym).

3. Pomiar cykliczny raz na 4 minuty, a wyłączenia energii elektrycznej automatyczne z powierzchni.

4. Konfiguracje gwiaździste punkt w punkt, tzn. tyle linii (par) ile czujników w systemie.

5. System transmisji częstotliwościowy (uznaje się za wysoce niezawodny) w zakresie 6-12 kHz:
  • 10-12 kHz czujniki metanu,

  • 6-10 kHz czujniki pozostałych parametrów powietrza.
6. Odległość czujników od centrali do 10 km.

Monitorowanie i kontrolę zagrożeń pożarowych, gazowych i klimatycznych (gazometria) prowadzi się w kopalniach przez podłączenie do systemów metanometrii automatycznej czujników parametrów fizykochemicznych powietrza, np. czujników tlenku i dwutlenku węgla, dymu, tlenu, temperatury powietrza czy temperatury górotworu.

W polskich kopalniach systemy analogowe na bazie licencji OLDAM i ich polskich odpowiedników CMM, stosowane jeszcze sporadycznie na kopalniach, są sukcesywnie wyłączane z użycia (systemy zanikające). Według najnowszych przepisów (od 2 lipca 2002 r.) ograniczono zakres stosowania takich systemów jedynie do czasu ich fizycznego zużycia i tylko do eksploatacji pokładów nietąpiących i II kategorii zagrożenia metanowego; nie dopuszcza się także budowy nowych central w oparciu o te systemy.

Na przełomie XX i XXI wieku kopalnie dokonały modernizacji systemów metanometrycznych, głównie w kierunku zachowania części dołowej systemów z nowoczesnymi rozwiązaniami wyposażenia powierzchniowego. Modernizacja systemów w późniejszym okresie zmierzała także w kierunku dostosowania ich części dołowej, tj. czujników i układów wyłączających, do wymogów umożliwiających pomiary szybkie i wyłączanie energii elektrycznej bezpośrednio na dole.

Są to nowoczesne systemy cyfrowe, ale wiele cech i zalet metanometrii automatycznej pozostało jako standard (np. centralne zasilanie, transmisja częstotliwościowa, wykorzystanie jednej pary teletechnicznej do zasilania czujników i transmisji danych, czy zasada pozytywnego bezpieczeństwa), a dodatkowo:
  • programowalny czas odpytania czujników od 6 do 240 sekund,

  • wyłączanie energii automatycznie z powierzchni lub bezpośrednio z czujników na dole, z przesyłaniem komunikatu o wyłączeniu na powierzchnię do centrali,

  • zezwalanie przez dyspozytora jedynie na załączenie energii elektrycznej, załączenie następuje przez elektryka na dole (wg procedury załączenia),

  • rejestracja danych i komunikatów w bazie danych, W systemach gazometrii automatycznej stosowanych w polskich kopalniach obecne są rozwiązania pięciu firm, które oferują zarówno stacje powierzchniowe, jak i urządzenia oraz czujniki do zabudowy w wyrobiskach kopalni.
2.1. Systemy kontroli zagrożeńo działaniu ciągłym

Dyspozytorski system gazometrii automatycznej stanowi zespół urządzeń kontrolno-pomiarowych i transmisyjnych, umożliwiających prowadzenie kontroli parametrów środowiska kopalnianego na podstawie pomiarów i kontroli: − parametrów fizycznych i chemicznych powietrza w wyrobiskach kopalni, − stanu i parametrów pracy urządzeń wentylacyjnych, − stanu pracy wybranych maszyn i urządzeń technologicznych, istotnych z punktu widzenia bezpieczeństwa.

W skład systemu wchodzą iskrobezpieczne urządzenia kontrolno-pomiarowe, pracujące w przestrzeniach zagrożonych wybuchem metanu, które są zasilane zdalnie z powierzchni. Dzięki temu system zachowuje swoje funkcje metrologiczne i wykonawcze niezależnie od stanu dołowej sieci elektroenergetycznej.

Zarówno część pomiarowo-wykonawcza systemu, jak i część dyspozytorska mają strukturę modułową. System, w części stacyjnej na powierzchni, tworzy układ zbudowany z central wyposażonych w sterowniki przemysłowe lub komputery sterujące, które są połączone z komputerem stacji dyspozytorskiej, dzięki czemu informacje z dołowych urządzeń kontrolno-pomiarowych są dostępne na stanowisku dyspozytora. Do komputera stacji dyspozytorskiej mogą być również wprowadzane informacje z innych systemów lub urządzeń pomiarowych, istotne dla kontroli środowiska kopalnianego.

Obwody wyjściowe central powierzchniowych zapewniają iskrobezpieczne zasilanie i transmisję z dołowych urządzeń kontrolno-pomiarowych, za pośrednictwem kopalnianej sieci telemetrycznej. System umożliwia obsługę metanomierzy, które stanowią samodzielne dołowe urządzenia pomiarowe i są podłączone bezpośrednio do obwodów wyjściowych centrali powierzchniowej. Ponadto, możliwe jest przyłączenie urządzeń dołowych, dopuszczonych do pracy w atmosferze wybuchowej, w tym centralek dołowych, spełniających funkcje koncentratorów danych z czujników analogowych i dwustanowych (wejścia) oraz umożliwiających sterowanie (wyjścia). Szereg czujników parametrów fizycznych i chemicznych przepływu powietrza w wyrobiskach górniczych, dopuszczonych do pracy w atmosferze wybuchowej i spełniających standard transmisji napięciowej, może być podłączone do wejść analogowych stacji. Do wejść dwustanowych stacji dołowych mogą być podłączane iskrobezpieczne czujniki dwustanowe typu stykowego oraz iskrobezpieczne wyjścia sterujące, przeznaczone do dwustanowego sterowania, za pośrednictwem zespołów dopuszczonych do pracy w podziemiach kopalń gazowych.

Cechy podstawowe systemów gazometrii:
  • standard metanometrii obowiązujący w polskich kopalniach o cechach opisanych powyżej,

  • systemy dedykowane do zabezpieczeń metanometrycznych,

  • system o działaniu ciągłym, tzn. wyłączenia energii bezpośrednio z czujników,

  • możliwość złożonych wyłączeń energii elektrycznej (tzw. "matryca wyłączeń"),

  • dane i komunikaty oraz operacje dyspozytora są rejestrowane w bazie danych,

  • baza danych jest zabezpieczona i kopiowana w kilku archiwach (forma czarnej skrzynki),

  • transmisja cyfrowo-kodowana (protokoły własne),

  • konfiguracja systemów - mieszana: - punkt w punkt (gwiaździsty), najczęściej dla metanometrii automatycznej, - transmisja wielokrotna poprzez centralki podziemne (stacje dołowe) do pozostałych czujników. Możliwość połączenia 4 do 8 czujników (np. anemometrów, metanomierzy, czujników tlenku i dwutlenku węgla, CO2, tlenu, dymu, temperatury, ciśnienia bezwzględnego, różnicy ciśnień itp.) z wyjściami w standardzie analogowym 0,4-2 V.
Według obecnych przepisów (od 2 września 2002 r.) dla nowo budowanych central mogą być stosowane jedynie systemy o działaniu ciągłym.

2.2. Nadzór dyspozytorski w systemach gazometrii

Stanowisko dyspozytora bezpieczeństwa obsługuje komputerowa stacja, wyposażona w program nadzoru dyspozytorskiego (zwykle SWμP), który zapewnia pełną kontrolę nad centralami powierzchniowymi i urządzeniami dołowymi, wchodzącymi w skład systemu, i umożliwia:
  • wizualizację aktualnego stanu urządzeń dołowych i czujników w postaci tablic i schematów,

  • sygnalizację alarmową - wizualną i akustyczną,

  • raportowanie, w cyklu zmianowym i dobowym, oraz archiwizację danych pomiarowych, łącznie z tekstowymi komunikatami rejestrującymi polecenia operatorskie i ważniejsze zdarzenia (przekroczenia, awarie urządzeń itp.),

  • konfigurowanie sieci pomiarowej (urządzeń dołowych i czujników) oraz automatycznych wyłączeń energii (lokalne i globalne matryce wyłączeń),

  • sterowanie pracą urządzeń dołowych i elementami systemu wyłączeń,

  • przesył danych pomiarowych do systemów nadrzędnych poprzez sieć komputerową.
Dane gromadzone w stacji dyspozytora bezpieczeństwa mogą być przekazywane poprzez kopalnianą sieć komputerową (systemy ZEFIR, SD2000) na wyższy poziom nadzoru.

3. Przegląd wyposażenia kopalńw zakresie systemów gazometrii automatycznej

Przeglądu wyposażenia polskich kopalń w systemy gazometrii, tj. urządzeń oraz czujników do kontroli parametrów fizycznych i chemicznych przepływu powietrza w wyrobiskach kopalni dla oceny zagrożenia metanowego i pożarowego, dokonano na podstawie ankiety [3], którą rozesłano do kopalń: Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A., Kompanii Węglowej S.A. oraz Katowickiego Holdingu Węglowego S.A. W sumie ankietą objęto 24 kopalnie, w tym ich 34 ruchy. Wszystkie z wymienionych kopalń odpowiedziały na zadane pytania ankietowe, stąd można uznać, że uzyskane dane w wiarygodny sposób pokazują aktualny (luty 2012 r.) stan wyposażenia kopalń w systemy i urządzenia telemetryczne, wchodzące w skład kopalnianych systemów gazometrii automatycznej.

W zakresie kopalnianych systemów nadzoru dyspozytorskiego większość kopalń (ogółem 25) używa systemu ZEFIR oraz systemu wspomagania dyspozytorów bezpieczeństwa SWμP (ogółem 18). Tylko 5 kopalń (ruchów) wykorzystuje system dyspozytorski SD 2000, a pojedyncze kopalnie stosują systemy Monster D, SWD THOR oraz SP-3.

Podsumowując ankietę w zakresie central gazometrycznych należy stwierdzić, że nastąpił znaczny postęp w stosunku do początku lat 90. ubiegłego stulecia w kierunku systemów cyfrowych. Dane z lat 90. [1] pokazały, że 83% central stanowiły centrale analogowe, a na początku tego stulecia [2] było ich 58%. Dziś, po modernizacji wyposażenia kopalń, centrale starej generacji (analogowe) stanowią zaledwie 3% (rys. 1).

Taka zmiana była również wynikiem zalecenia Prezesa WUG po katastrofie w kopalni KWK "Wujek" Ruch Śląsk oraz wprowadzeniem w nowych przepisach (§ 262 pkt 4 rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 28 czerwca 2002 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy, prowadzenia ruchu oraz specjalistycznego zabezpieczenia przeciwpożarowego w podziemnych zakładach górniczych (Dz. U. Nr 139, poz. 1169, z późn. zm.) obowiązku stosowania w pokładach tąpiących systemów o działaniu ciągłym, z czasem wyłączenia energii elektrycznej w czasie nie dłuższym niż 15 sekund, dla zabezpieczeń miejsc o szczególnie wysokim zagrożeniu metanowym.

Aktualnie, na 178 pracujących w kopalniach central tylko 6 stanowi rozwiązania analogowe, bazujące na pomiarach cyklicznych 4-minutowych, wyposażone w rejestratory mechaniczne (CTT 63/40V, CTT63/40Up i CMM). W ostatnich kilku latach nastąpiła wymiana central na nowoczesne rozwiązania cyfrowe (97%).

Podział pomiędzy różne rozwiązania central stosowane aktualnie przez kopalnie pokazuje rysunek 2. Taka modernizacja znacznie powiększyła pojemność systemów, zwiększając przy tym liczbę czujników, które mogą być podłączone do systemów gazometrii automatycznej poprzez koncentratory danych (stacje dołowe), których w latach 90. w ogóle nie stosowano (rys. 3), a obecnie kopalnie używają ich już 850 sztuk. Oznacza to wielokrotne (8-16 razy) zwiększenie liczby czujników możliwych do podłączenia do każdej stacji dołowej, czyli do linii pomiarowej.

Podobny postęp pokazują dane uzyskane z kopalń w zakresie pomiarów poszczególnych parametrów powietrza.

3.1. Kontrola zagrożeń metanowych

W 1995 r. kontrolę stężenia metanu w wyrobiskach kopalń prowadzono za pomocą ponad 7500 czujników metanu. Większość, bo 76%, stanowiły metanomierze niskich stężeń, wzorowane na metanomierzu francuskim CMI-677 (CMN, CMN5) z 4-minutowym okresem odczytu i rejestracji [2] w centralach analogowych. W miejscach o wysokiej dynamice wydzielania metanu, zgodnie z obowiązującymi przepisami, kopalnie stosowały przyrządy (blisko 19%) o skróconym czasie repetycji (MW-1, MIS-3Az), które umożliwiały pomiar zawartości metanu i wyłączenie urządzeń elektrycznych w czasie nie dłuższym niż 60 sekund. To był początkowy okres wprowadzania metanometrii o działaniu ciągłym z metanomierzami MM-1V i Trolex, których wówczas było jeszcze niewiele ponad 5%, zapoczątkowany zaleceniem komisji WUG po katastrofie w KWK "Halemba" w 1990 r. Po okresie modernizacji polskiego górnictwa na początku tego stulecia, wraz z koncentracją wydobycia, liczba ścian i drążonych przodków zmniejszyła się czterokrotnie, a liczba czujników metanu zmalała o połowę.

Tak drastyczne zmniejszenie obiektów wymagających kontroli, a także - w konsekwencji - skrócenie długości dróg wentylacyjnych spowodowało zmniejszenie liczby czujników stosowanych przez kopalnie w 2003 r. [2]; dotyczy to w szczególności metanomierzy (ogółem ponad 4000 czujników) oraz anemometrów (ogółem niewiele ponad 1000 czujników). Należy jednak zaznaczyć, że zmieniła się także struktura stosowanych metanomierzy.

Przy 4339 metanomierzach, liczba czujników starej generacji o czasie repetycji 4 minuty wynosiła już 2757, co stanowiło 64% ogólnej liczby, liczba metanomierzy o skróconym czasie repetycji to tylko 51 czujników (około 1%), natomiast pozostałe 35% (ogółem 4024 metanomierze), to czujniki nowej generacji, o działaniu ciągłym lub o działaniu cyklicznym ale z kilku sekundowym czasem repetycji.

Aktualne (luty 2012 r.) dane, zebrane z badanych kopalń w zakresie kontroli i monitorowania metanu pokazują, że liczba metanomierzy w tych kopalniach wynosi 4231, w tym niewiele metanomierzy to jeszcze te o cyklu odczytu co 4 minuty (ogółem 204 czujniki, tj. niecałe 5%), a pozostałe (ponad 95%) to czujniki o czasie zadziałania (wyłączenia energii elektrycznej) rzędu kilku sekund. Postęp w tym zakresie jest wyjątkowo znaczący, a stan wyposażenia kopalń pokazano na rysunku 5. Dziwić może jedynie, że są jeszcze używane, choć tylko w liczbie 3 sztuk, metanomierze wielofunkcyjne, o skróconym czasie repetycji, opracowane w latach 80.

Podobnie jak pierwsze metanomierze mikroprocesorowe MM-1/V opracowane na początku lat 90. choć wykazane przez kopalnie tylko w liczbie 3 sztuk. Wydaje się, że te rozwiązania już są na tyle przestarzałe, a same czujniki zamortyzowane, że powinny zostać wycofane z użycia.

3.2. Monitorowanie zagrożeń pożarowych

Idea monitorowania zagrożeń pożarowych opiera się na automatycznych pomiarach parametrów powietrza, a w szczególności zawartości tlenku węgla. W zakresie monitorowania zagrożenia pożarowego również należy stwierdzić znaczny postęp i rozwój systemów gazometrii automatycznej, tzw. CO-metrii automatycznej.

Z ankiet przeprowadzonych w kopalniach w 1995 r. [1], a także w 2003 r. [2] oraz w roku bieżącym [3] wynika, że liczba czujników tlenku węgla stale wzrasta (rys. 4). To efekt zastosowania w czujnikach zawartości tlenku węgla w wyrobiskach kopalni ogniw elektrochemicznych, których wprowadzenie stanowiło krok milowy w rozwoju CO-metrii automatycznej. Obecnie kopalnie stosują ogółem 1977 czujników CO. Równocześnie należy podkreślić, że wśród czujników tlenku węgla są jeszcze czujniki typu ACO-4B czy CSTW z ponad 20-letnią tradycją, których jest ponad 20% w ogólnej liczbie CO-mierzy wykazanych w ankietach. Są to czujniki wykorzystujące ogniwa elektrochemiczne, a z danych dotyczących okresów starzenia, podawanych przez producenta ogniw, ten czas jest na tyle długi, że należy dokładnie sprawdzić poprawność działania tych czujników (rys. 6).

W ostatnich latach wprowadzono do kopalń czujniki dwutlenku węgla, które przyczyniają się zarówno do wczesnego wykrywania pożarów, jak również są używane do kontroli atmosfery w wyrobiskach przyległych do przestrzeni zrobów, czy pól pożarowych inertyzowanych dwutlenkiem węgla. Obecnie w kopalniach jest używanych 51 sztuk czujników CO2.

Ponadto, kopalnie zgłosiły coraz większe zainteresowanie czujnikami zawartości tlenu, których liczba w latach 1995/2003/2012 ciągle rośnie (ogółem 170 czujników - rys. 7).

3.3. Monitorowanie i kontrola stanu wentylacji

Rozpływ powietrza w wyrobiskach kopalni jest kontrolowany w systemach gazometrii automatycznej za pomocą anemometrów stacjonarnych. Według danych z kopalń za 1995 r., całkowita liczba anemometrów zabudowanych w wyrobiskach kopalń wynosiła 2400, tzn. średnio 50 w jednej kopalni. Po okresie restrukturyzacji i znacznym ograniczeniu rozległości sieci oraz zmniejszeniu długości czynnych wyrobisk liczba anemometrów zmalała do około 1000 sztuk [2], co nie ograniczyło kontroli rozpływu powietrza w wyrobiskach kopalni (rys. 4). Równocześnie dane z kopalń, dotyczące czujników stosowanych dla pomiaru i monitorowania prędkości powietrza w wyrobiskach podziemnych pokazały znaczny postęp w tym zakresie. Zmieniała się struktura stosowanych w kopalniach typów anemometrów stacjonarnych. Według danych z 1995 r. anemometry turbinkowe stanowiły ponad 50%, podczas gdy na początku stulecia (dane z 2003 r.) kopalnie zdecydowanie preferowały anemometry ultradźwiękowe typu AU-1 (54%) i AS-1 (21%), a anemometry turbinkowe stanowiły jedynie 22% ogólnej liczby stosowanych anemometrów. Ponadto, następowało sukcesywne zastępowanie anemometrów ultradźwiękowych typu AU-1 przez zmodernizowane, ultradźwiękowe anemometry uśredniające typu AS-1. Pierwsze z nich generowały wartości chwilowe, stąd duży rozrzut wartości mierzonych (tzw. "wstęga wartości pomiarowych"), podczas gdy w anemometrach AS-1 zastosowano filtr uśredniający, w celu wygładzenia chwilowych wyników pomiarów. Rozwój technologii i dostęp do nowoczesnych, zamkniętych łożysk umożliwił opracowanie w Instytucie Mechaniki Górotworu PAN nowoczesnych i niezawodnych anemometrów turbinkowych, których (wg danych z lutego 2012 r.) jest już w kopalniach blisko 40%. Ogólna liczba anemometrów zabudowanych w wyrobiskach ankietowanych kopalń wynosi obecnie 1127 sztuk (wg stanu na luty 2012 r.). Równocześnie należy zauważyć, że część kopalń nadal stosuje anemometry opracowane w latach 70.-80. ubiegłego stulecia (AT-3, AU-1, AN-5, AN-10), których produkcji dawno już zaniechano. Takich czujników jest jeszcze używanych ogółem 75 sztuk. Urządzenia te powinny zostać poddane dokładnym testom w tunelu aerodynamicznym akredytowanego laboratorium, bo wydaje się wątpliwe, aby po tylu latach mogły być w pełni sprawne.

Znaczny postęp, jaki nastąpił w wyposażeniu polskich kopalń węgla kamiennego w zakresie pomiarów parametrów fizycznych i chemicznych przepływu powietrza w wyrobiskach górniczych, potwierdzają również dane pokazane na rysunku 7, przedstawiającym porównanie liczby czujników tlenu, temperatury, ciśnienia bezwzględnego oraz metanu w rurociągach odmetanowania stosowanych w latach 1995/2003/2012 w kopalnianych systemach gazometrii automatycznej.

Równocześnie, należy odnotować niepokojący spadek liczby zabudowanych obecnie czujników temperatury powietrza w stosunku do roku 2003.

Fakt ten, przy rosnącym z głębokością eksploatacji zagrożeniu termicznym i stosowaniu na coraz większą skalę systemów klimatyzacji, jest trudny do uzasadniania. Podobnie niepokojącym jest, utrzymujący się w latach 1995/2003/2012, spadek liczby czujników wysokich stężeń metanu w rurociągach odmetanowania.

Obecnie kopalnie stosują ogółem jedynie 80 czujników tego typu (rys. 7). W tym wypadku wydaje się, że liczba czujników jest niewielka w stosunku do długości rurociągów w sieciach odmetanowania kopalń węgla kamiennego, co również trudno wytłumaczyć, zwłaszcza wobec podejmowanych w ostatnich latach starań kopalń o podniesienie efektywności odmetanowania.

W ostatnich latach, w wyniku zaleceń wynikających z wniosków Komisji powołanej przez Prezesa WUG po katastrofie w KWK "Wujek" Ruch Śląsk w 2009 r., kopalnie zaczęły wprowadzać do wyrobisk podziemnych czujniki ciśnienia barometrycznego. Liczba tych czujników jest już znaczna i wynosi 250 sztuk (rys. 7). Należy zauważyć, że większość z tych czujników umożliwia dodatkowo pomiar wilgotności i temperatury powietrza.

Dla kontroli i monitorowania zaburzeń w rejonach wentylacyjnych kopalnie coraz częściej stosują czujniki różnicy ciśnień, które pozwalają rejestrować zaburzenia wentylacji wywołane przez krótkie spięcia na tamach (śluzach). W przeprowadzonej ankiecie kopalnie wykazały ogółem 242 czujniki różnicy ciśnień (rys. 9). Należy podkreślić, że w projektach zabezpieczeń ścian czujniki te są często używane do wyłączeń energii elektrycznej w przypadku otwarcia obu tam równocześnie (tzw. krótkiego spięcia). Równocześnie należy podkreślić, że przy takim zastosowaniu ta grupa czujników powinna być włączana do systemów o działaniu ciągłym lub krótkim czasie repetycji. Włączanie czujników różnicy ciśnień do systemów cyklicznych z 4-minutowym cyklem odczytu nie spełnia wymogów zabezpieczeń z wyłączeniami energii elektrycznej w przypadku tzw. krótkiego spięcia.

4. Podsumowanie

Wyniki przeprowadzonej ankiety [3] pokazały znaczny postęp i rozwój systemów gazometrii automatycznej stosowanych do kontroli i monitorowania parametrów fizykochemicznych powietrza w wyrobiskach kopalni, jaki nastąpił w ciągu ostatnich kilkunastu lat. Szczególnie jest to widoczne w porównaniu do wyników podobnych ankiet, wykonanych na początku lat 90. ubiegłego stulecia [1] oraz w 2003 r. [2]. Dotyczy to w szczególności modernizacji części powierzchniowej systemów, które w większości są dziś wyposażone w centrale cyfrowe o szybkim działaniu i rejestracji parametrów nawet z okresem do jednej sekundy. Równocześnie, cyfrowe centrale umożliwiają zwielokrotnienie linii pomiarowych przez możliwość przyłączenia do jednej linii bezpośrednio kilku czujników lub przyłączenia stacji dołowej (tzw. koncentratora danych). Te stacje dołowe (centralki) znacznie zwiększają pojemność kopalnianych systemów gazometrii automatycznej, gdyż pozwalają na obsługę, na jednej linii pomiarowej, do kilkunastu czujników analogowych lub dwustanowych.

Rozwój funkcjonalny systemów gazometrii automatycznej w kopalniach, wraz ze skracaniem cyklu rejestracji danych i komunikatów, znacznie zwiększa obciążenia dyspozytorów kopalń oraz wymagania dla systemów archiwizacji danych w tych systemach. Jeśli przyjąć 2 sekundy, jako czas repetycji w obecnie stosowanych systemach gazometrii, to liczba danych i komunikatów zwiększyła się ponad stukrotnie w stosunku do systemów z 4-minutowym czasem w centralach analogowych starej generacji.

Przeprowadzona ankieta oraz badania stosowanych rozwiązań systemów gazometrii automatycznej wskazały również przeszkody w rozwoju funkcjonalnym systemów.

Tym ograniczeniem wydaje się być brak standardów w kopalnianych systemach telemetrycznych, w wyniku czego kopalniane systemy gazometrii automatycznej są zamknięte przez producentów. Wydaje się, że najwyższy czas, aby wprowadzić jednolite standardy w zakresie logicznych i fizycznych protokołów transmisji w górniczych systemach telemetrycznych w systemach bezpieczeństwa i łączności.

Badania wykonano w ramach zadania badawczego nr 3 pt.: "Opracowanie zasad pomiarów i badańparametrów powietrza kopalnianego dla oceny zagrożenia metanowego i pożarowego w podziemnych zakładach górniczych wydobywających węgiel kamienny". Projektu strategicznego pt.: "Poprawa bezpieczeństwa pracy w kopalniach", Numer umowy SP/K/3/143694/1.

Literatura

1. Wasilewski S.: Zagrożenia naturalne w polskim górnictwie węglowym w świetle wypadków i katastrof w latach 1960-1994. Część III: Monitorowanie i kontrola zagrożeń. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie. Nr 3 1997, s. 46-57.

2. Wasilewski S.: Analiza kopalnianych systemów gazometrycznych. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, Nr 10 2003, s. 3-10.

3. Wasilewski S.: Sprawozdanie z realizacji etapu nr 8, zadania badawczego nr 3 Projektu strategicznego "Poprawa bezpieczeństwa pracy w kopalniach", pt. Analiza obowiązujących sposobów kontroli parametrów fizycznych i chemicznych przepływu powietrza w wyrobiskach górniczych w oparciu o czujniki systemów telemetrycznych wynikające z przepisów Ministra Gospodarki na tle światowych rozwiązań. Kraków, marzec 2012 r. (niepublikowana).
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Systemy kontroli i monitorowania zagrożeń gazowych w polskich kopalniach węgla kamiennego

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!