W kopalniach węgla kamiennego, technologia prowadzenia eksploatacji pokładów systemem ścianowym obejmuje następujące, zasadnicze fazy: zabudowę (zbrojenie) urządzeniami wyrobiska ścianowego (dowierzchni), prowadzenie eksploatacji (ruch) ściany i wybudowę (wyzbrajanie, likwidacja) urządzeń z wyrobiska ścianowego. 1. Wprowadzenie Prace te prowadzone są w warunkach różnego natężenia współwystępujących zagrożeń naturalnych, w tym szczególnie zagrożenia wybuchem metanu i zagrożenia pożarowego. Czas trwania poszczególnych faz jest także różny, np. czas zabudowa ściany może trwać do ok. jednego miesiąca, podobnie jak wybudowa ściany, a czas eksploatacji zależny jest od wybiegu i postępu ściany. Oczywiście, stan natężenia zagrożenia metanowego i pożarowego dla poszczególnych faz jest różny. Zazwyczaj, w fazie zabudowy nie występuje duże natężenie zagrożeń metanowego i pożarowego, a w fazie eksploatacji może następować ich wzrost, a tym samym wzrost zagrożenia wybuchowego. Natomiast w fazie wybudowy ściany może występować zagrożenie metanowe i wzrastające zagrożenie powstania pożaru endogenicznego, co w konsekwencji prowadzi do powstania zagrożenia wybuchem metanu. W poszczególnych fazach wyrobisko ścianowe może być przewietrzane przy zastosowaniu różnych systemów wentylacji o zmiennych w czasie wydatkach strumienia powietrza przepływającego przez ścianę [3]. Niekiedy bieg ściany zostaje zakończony wcześniej niż planowano, ze względu na warunki geologiczno-górnicze, zagrożenie metanowe lub zagrożenie pożarowe, np. wystąpienie pożaru. W związku z tym likwidacja ściany może być prowadzona w warunkach różnego natężenia zagrożenia wybuchem metanu. Szczególnie niebezpieczne natężenie może występować po otwarciu pola pożarowego i podjęciu prac związanych z ponownym uruchomieniem eksploatacji lub z likwidacją ściany. W górnictwie technologia robót w fazie eksploatacji jest zazwyczaj uporządkowana i składa się z kolejnych, cyklicznie następujących czynności, np: urabianie kombajnem, zrabowanie i przesunięcie sekcji obudowy oraz podparcie stropu, przesunięcie przenośnika ścianowego. W fazach zabudowy i likwidacji ściany prace prowadzone są natomiast indywidualnymi technologiami dostosowanymi do danych warunków. W takich przypadkach może się zdarzyć, że niektóre procedury, jak np.: sposób wentylacji, transportu, opanowania zagrożenia zawałowego, metanowego i pożarowego, są niedostatecznie dostosowane do zagrożeń występujących w danym czasie. Polskie i światowe górnictwo doświadczyło katastrofalnych zdarzeń, które wystąpiły w czasie likwidacji ścian, jak np. wybuch metanu w czasie likwidacji ściany w KWK "Halemba" - w roku 2006, gdzie zginęło 23 górników. W związku z tym artykuł ten powinien być przyczynkiem do dyskusji nad opracowaniem bezpiecznych technologii zabudowy i likwidacji wyrobisk ścianowych w przypadkach współwystępowania zagrożeń, zwłaszcza zagrożenia wybuchem metanu. Przedstawiono w nim doświadczenia praktyczne uzyskane w 1998 r., kiedy kanał czynnej ściany D-10 w pokładzie 404 w KWK "Zofiówka" został zatłoczony mieszaniną wodno- popiołową w okolicznościach zagrożenia pożarowego, a następnie podsadzkę wypłukały zastępy ratownicze i obudowa wraz kombajnem została odzyskana. 2. Sposoby likwidacji ścian W kopalniach węgla kamiennego prowadzących eksploatacje węgla systemem ścianowym, w celu zabezpieczenia przestrzeni roboczej wyrobiska ścianowego stosuje się zazwyczaj obudowy zmechanizowane różnego typu, między innymi obudowy typu osłonowego. Ważnym etapem technologicznym w stosowaniu tych obudów jest zbrojenie wyrobiska ścianowego obudową zmechanizowaną oraz jej likwidowanie po zakończeniu eksploatacji w tym wyrobisku. Zastosowanie odpowiednich technologii na etapie likwidacji ścian zależne jest przede wszystkim od lokalnych warunków geologiczno-górniczych, stosowanych środków technicznych, układów transportowych i doświadczenia załóg górniczych. Przyjęta technologia likwidacji ścian powinna zapewniać prawidłową ich wentylację i wyeliminowanie możliwości powstania zagrożenia metanowego i pożarowego, a w konsekwencji także zagrożenia wybuchem metanu [1]. Technologie wykonania kanału wyjazdowego dla sekcji obudowy zmechanizowanej Wykonanie kanału za pomocą materiału wybuchowego W celu stworzenia dodatkowej przestrzeni, w której można by swobodnie manipulować poszczególnymi zestawami obudowy zmechanizowanej dokonuje się przybierki ociosu na głębokość około 2,5 m. Przybierkę tę dotychczas wykonywano za pomocą materiałów wybuchowych, po zlikwidowaniu w ścianie kombajnu. W tym celu, w ścianie najpierw drążono wnęki, z których następnie prowadzono przybierkę ociosu na całej długości ściany, przy czym urobek ładowano ręcznie na przenośnik ścianowy. W tak uzyskanej przestrzeni strop zabezpieczano obudową tymczasową, złożoną ze stropnic metalowych, utrzymywanych wysięgnikowo przez stropnice zestawów obudowy zmechanizowanej. Taki sposób przygotowania wyrobiska ścianowego do likwidacji obudowy zmechanizowanej był pracochłonny, a przy tym niedostatecznie bezpieczny, ponieważ wysięgnikowo zamocowane stropnice nie gwarantują odpowiedniego zabezpieczenia przestrzeni roboczej, zwłaszcza w warunkach wzmożonego ciśnienia górotworu, jakie zwykle towarzyszy likwidacji wyrobiska ścianowego. Wykonanie kanału za pomocą kombajnu Istota tego sposobu polega na tym, że po zakończeniu eksploatacji ściany najpierw, pod stropem pokładu, wykonuje się otwory wielkośrednicowe o długości od 2 do 3 m, rozmieszczone w odstępach od 0,3 do 1 m, a najkorzystniej co 0,75 m. Następnie, do każdego otworu wsuwa się jeden koniec stropnicy wyprofilowanej ze stali. Drugi koniec stropnicy układa się natomiast na płytowej stropnicy zestawu obudowy. Poszczególne fazy wykonywania kanału wyjazdowego pokazano na rysunkach 1, 2 i 3. Po dokonaniu tych czynności wykonuje się dodatkowo 2 do 3 skrawów kombajnem, po czym demontuje się kombajn wraz z przenośnikiem ścianowym. Na koniec zaś, oba końce każdej stropnicy podbudowuje się stojakami metalowymi ciernymi lub hydraulicznymi. W tak przygotowanym wyrobisku ścianowym można już bezpiecznie manipulować zestawami obudowy zmechanizowanej, celem jej wytransportowania i całkowitego zlikwidowania wyrobiska. Zaletą takiego sposobu jest fakt, że większość prac przygotowawczych wykonuje się w sposób zmechanizowany, przy zapewnieniu maksymalnego bezpieczeństwa. Przewietrzanie kanału likwidowanej ściany Przewietrzanie likwidowanych ścian można prowadzić prądami przepływowymi lub lutniociągami (rys. 4). Po zakończeniu eksploatacji ściany rozpoczyna się kolejny etap robót górniczych, polegający na jej likwidacji. W jego ramach następuje wytransportowanie wyposażenia ściany - w pierwszej kolejności kombajnu i przenośnika, a następnie sekcji obudowy zmechanizowanej. Wyrabowane sekcje obudowy zmechanizowanej powinny być zastępowane przez obudowę tymczasową, wzmacnianą kasztami (rys. 5), która umożliwia utrzymanie przekroju kanału likwidowanej ściany. Pozwala prowadzić jego wentylację przepływowym prądem powietrza o wydatku gwarantującym rozrzedzenie metanu i innych gazów do poziomu zawartości dopuszczalnych przepisami górniczymi. Przedstawiony sposób utrzymywania kanału likwidowanej ściany umożliwia odpowiednią regulację natężenia wydatku strumienia powietrza przewietrzającego likwidowaną ścianę, a także ogranicza, w sposób istotny, migrację powietrza przez zroby ścianowe, która może być przyczyną powstania zagrożenia metanowego i pożarowego oraz zagrożenia wybuchem metanu. Niestety, obudowa likwidowanego kanału nieraz nie posiada dostatecznej podporności, zwłaszcza w warunkach wzrostu ciśnienia górotworu, co może prowadzić do ograniczenia możliwości odpowiedniego przewietrzania prądami przepływowymi kanału ściany. W takim przypadku, likwidacja ściany następuje z wykorzystaniem wentylacji przez zroby, co jest dopuszczane przez przepisy górnicze (por. § 205 ust. 2 [2]). Niekiedy technologie likwidacji ścian przewidują stopniowe, samoistne rabowanie (np. likwidacja ściany z sekcją asekuracyjną) i dopuszczają ich przewietrzanie przez zroby. Z punktu widzenia bezpieczeństwa i wentylacji ściany w fazie jej likwidacji bardzo niekorzystną sytuacją jest wystąpienie częściowej lub całkowitej utraty drożności kanału likwidowanej ściany. W takich przypadkach kanał ten nieraz próbuje się przewietrzać za pomocą instalacji lutniociągowych, które mogą nie dostarczać odpowiedniego wydatku powietrza, a ponadto są narażone na uszkodzenia, gdyż zlokalizowane są wzdłuż tras transportu sekcji obudowy zmechanizowanej. Sytuacje utraty możliwości przewietrzania kanałów likwidowanych ścian prądami przepływowymi prowadzą do powstawania w nich zagrożeń: metanowego, pożarowego i wybuchowego. W przypadkach wzrostu zagrożenia prowadzone są prace zmierzające do ograniczenia migracji powietrza przez zroby, znajdujące się poza kanałem likwidowanej ściany. Aby zmniejszyć ryzyko wystąpienia zagrożeń nieraz stosuje się uszczelnianie przestrzeni zrobowej przyległej do obudowy zmechanizowanej, za pomocą różnego rodzaju materiałów, np. pianek typu Mariflex (rys. 6 i 7) [5]. Ograniczenie przepływu powietrza przez zroby ścian uzyskuje się najczęściej w wyniku izolacji zrobów przez: - izolację ociosu od strony zrobów przy użyciu środków pianotwórczych narzucanych na ocios wyrobiska, o grubości do 0,l m; do najczęściej stosowanych środków należy zaliczyć pianki chemiczne typu: krylamina, izopiana, igloneige, Mariflex, carbofoam; - izolację zrobów za pomocą pasa podsadzkowego, wykonanego ze spoiw i pianek mineralnych typu: durafon, pianocem, aqualight, ekopiana, tekblend, teksil lub utex [6]; - stosowanie szczelnych korków izolacyjnych na połączeniu nieczynnych pól eksploatacyjnych i czynnych dróg wentylacyjnych (tekblend, pianocem, auqualight). 3. Bezpieczne sposoby likwidacji ścian w warunkach zagrożenia wybuchowego Zroby ścian eksploatowanych z zawałem stropu mają strukturę porowatą, a w polach metanowych są one zbiornikiem gazów, w tym głównie mieszanin metanowopowietrznych, w których zawartość metanu jest zmienna w przestrzeni i w czasie. W likwidowanej ścianie można wyróżnić przestrzenie: 1) I - łącząca się z przestrzenią kanału likwidacyjnego ściany, w której mieszanina metanowo-powietrzna jest niewybuchowa ze względu na nadmiar tlenu, 2) II - występującą głębiej w zawale za przestrzenią I, w której mieszanina metanowo-powietrzna jest wybuchowa, 3) III - występującą jeszcze głębiej w zawale za przestrzenią II, w której mieszanina metanowo-powietrzna jest niewybuchowa ze względu na nadmiar metanu. Wielkości i granice poszczególnych przestrzeni są trudne to jednoznacznego wyznaczenia - zazwyczaj określa się je intuicyjnie, a ich przybliżone wielkości można wyznaczać za pomocą metod modelowania [2]. Skład gazów zrobowych decyduje o możliwości powstania pożaru endogenicznego i zagrożenia wybuchem metanu. Głównym czynnikiem determinującym powstawanie stanu zagrożenia metanowego jest wielkość stężenia tlenu w zrobach, którą w pewnym zakresie można regulować przez podawanie gazów inertnych - głównie azotu i dwutlenku węgla. Oddziaływanie gazami inertnymi na skład gazów zrobowych jest jednak często ograniczone, ze względu na wielkość przestrzeni zrobowych i ucieczkę gazów poprzez nieszczelności do kanału likwidacyjnego. Zagrożenie wybuchem metanu w likwidowanej ścianie rośnie w przypadku wystąpienia w zrobach procesu samozagrzewania, którego miejsce, jak i dokładne parametry, takie jak wielkość ogniska i temperatura, są trudne do jednoznacznego określenia. Podstawowymi znanymi parametrami procesu samozagrzewania węgla są wielkości strumieni poszczególnych gazów pożarowych i ich zawartości w powietrzu. Są ustalone metody oznaczania stanu rozwoju procesu samozagrzewania węgla w zrobach, ale ich wielkości mogą być obarczone błędami, np. wynikającymi z niedoskonałości technik pomiarowych. Istotnym czynnikiem decydującym o rozwoju pożarów endogenicznych jest czas inkubacji węgla, który jest zazwyczaj znany z lokalnych obserwacji. Ściana powinna więc zostać zlikwidowana w czasie od niego krótszym (rys. 8). Jak widać z przedstawionej analizy, możliwość wystąpienia wybuchu w czasie likwidacji zależy od wielu czynników, których wielkości przy ich zmienności przestrzenno- czasowej trudno jest określić jednoznacznie. W związku z tym, w przypadku wystąpienia skojarzonego zagrożenia metanowego i pożarowego w zrobach likwidowanych ścian należy liczyć się z względnie dużym prawdopodobieństwem wybuchu metanu. Doświadczenia praktyczne dowodzą, że jedyną bezpieczną technologią umożliwiającą likwidację ścian jest technologia prowadząca do podsadzenia zrobów i kanału mieszaninami, których podstawowym materiałem jest pył dymnicowy (odpad z elektrowni), a następnie ponowne odzyskanie lub wykonanie kanału likwidacyjnego, umożliwiającego wytransportowanie obudowy zmechanizowanej (rys. 9). Podsadzenie kanału likwidacyjnego pyłami dymnicowymi Znany jest sposób likwidacji zagrożeń pożarowych i gazowych w wyrobiskach górniczych polegający na hydraulicznym podsadzaniu zagrożonego wyrobiska mieszaniną zawierającą, najkorzystniej, 1 część objętościową pyłu dymnicowego na 5 części wody. Mieszanina podsadzkowa może być podawana do zrobów i kanału ściany bezpośrednio za pomocą rurociągów lub poprzez otwory podsadzkowe. W przypadku istnienia zagrożenia wybuchowego w okresie podsadzania, rejon ściany może być zamknięty tamami przeciwwybuchowymi (rys. 8-12) [5]. Po całkowitym wypełnieniu określonej przestrzeni zrobów i kanału ścianowego oraz wystąpieniu stanu gazowego, świadczącego o braku zagrożenia wybuchowego, należy przystąpić do prac związanych z udostępnieniem dostępu do kanału likwidacyjnego, aby umożliwić wytransportowanie odzyskanych elementów wyposażenia ściany, w tym sekcji obudowy zmechanizowanej. Można to uzyskać w wyniku: 1) hydrourabiania (uwadniania) pyłu nagromadzonego w kanale likwidacyjnym, a następnie wytransportowania pyłu, za pomocą instalacji zbudowanej z rurociągów i pomp, poza rejon kanału likwidacyjnego, 2) wykonania nowego kanału likwidacyjnego, przyległego do kanału podsadzonego. Nowy kanał likwidacyjny może być wykonany znanymi metodami, jak np. kombajnem chodnikowym, wprowadzonym do wykonania wyrobiska technologicznego, lub robotami strzałowymi. Oczyszczanie elementów wyposażenia można przeprowadzić za pomocą hydrourabiania lub przez ręczne usuwanie podsadzki. Wentylacja kanału ściany w fazie odzyskiwania W fazie udrażniania kanału ścianowego za pomocą technologii hydrourabiania, a także w fazie wytransportowania elementów wyposażenia kanał likwidacyjny zazwyczaj jest przewietrzany z wykorzystaniem instalacji lutniociągowej (rys. 15) [2]. W przypadku odzyskania kanału ściany, w zależności od warunków lokalnych, możliwe jest przewietrzanie lutniociągiem likwidowanego kanału ściany. W przypadku wykonania nowego kanału generalnie należy doprowadzić do takiego stanu, aby uzyskać wentylację prądami przepływowymi (rys. 16) [ 2]. Instalacje do podsadzania zrobów Od prawie 30 lat, w kopalniach węgla kamiennego są stosowane instalacje do hydraulicznego podsadzania przestrzeni zrobów poeksploatacyjnych odpadami, w tym szczególnie pyłami, ujętymi z gazów spalinowych z elektrowni (tzw. pyłami dymnicowymi), i odpadami poflotacyjnymi z zakładów przeróbki mechanicznej węgla. Skład mieszanin pyłowo-wodnych jest różny, zazwyczaj zależny od możliwości technologicznych instalacji podsadzkowych. Pyły w wyrobiskach górniczych ulegają związaniu, tworząc materiał wypełniający i scalający gruzowisko pozawałowe. Wypełnienie pyłami przyczynia się do poprawienia szczelności zrobów, co skutecznie ogranicza zagrożenie metanowe i zagrożenie pożarowe, a tym samym zagrożenie wybuchem metanu. Materiał podsadzkowy podawany hydrauliczne do zrobów i kanału likwidowanej ściany powoduje szczelne, przeciwwybuchowe odizolowanie tego kanału od przestrzeni zrobów. Po usunięciu pyłu z kanału likwidowanej ściany możliwe jest bezpieczne prowadzenie prac związanych z wytransportowaniem wyposażenia ściany. Technologia ta stosowana była w wielu kopalniach, jak np. "Borynia" i "Zofiówka", i potwierdziła, że poniesione dodatkowe nakłady, związane z podsadzeniem i odzyskaniem kanału likwidowanej ściany, są zrekompensowane w pełni przez zapewnienie wysokiego poziomu bezpieczeństwa przed wybuchem metanu i możliwość prowadzenia szybkiej likwidacji ściany [4, 5]. 4. Stwierdzenia i wnioski 1. W kopalniach węgla kamiennego, w fazie likwidacji ścian często następuje wzrost zagrożenia metanowego i pożarowego, co doprowadza do powstania zagrożenia wybuchem metanu. 2. Podejmowane środki prewencyjne, jak np. uszczelnianie materiałami chemicznymi (piankami) gruzowiska zawału na linii obudowy zmechanizowanej, regulacja rozpływu powietrza, itp., nie zapewniają pełnego bezpieczeństwa przed wybuchem metanu. 3. Podobnie, nawet stosowanie gazów inertnych (NO, CO2) nie zapewnia pełnego bezpieczeństwa, gdyż np. zaburzenia w wentylacji ściany mogą przyczynić się do zmiany zawartości gazów w zrobach i powstania mieszanin wybuchowych. 4. Jedynym sposobem bezpiecznej likwidacji ściany w warunkach zagrożenia wybuchem metanu jest zastosowanie technologii polegających na podsadzeniu pyłami dymnicowymi zrobów i kanału likwidowanej ściany, a następnie odzyskaniu kanału likwidacyjnego z pomocą hydrourabiania lub przez wykonanie nowego kanału likwidacyjnego, stycznego do kanału podsadzonego. Literatura 1. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 14 czerwca 2002 r. w sprawie zagrożeń naturalnych w zakładach górniczych (Dz. U. Nr 94, poz. 841, z późn. zm.). 2. Rozporządzenie 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.). 3. Roszczynialski W., Nawrat S., Szlązak J., Tomczyk .: Bezpieczna kopalnia: prawo, zagrożenia, zarządzanie. Oficyna Wydawn. TEXT, Kraków 1999. 4. Mat. z posiedzeń Zespołu Ekspertów przy JSW KWK "Morcinek", Kaczyce 1999 [niepubl.]. 5. Plucik E.: Ochrona środowiska - Kariera popiołu. Biuletyn Górniczy nr 11-12, 2000. 6. Homa D., Janiczek S., Majchrzak R., Piątkiewicz Z.: Spoiwa anhydrytowe oraz urządzenia do ich transportu pneumatycznego systemu "POLKO" w górnictwie podziemnym. Wyd. Ossolineum, Wrocław 1986. 7. Homa D., Madaj M., Kluczniok B., Ziętek T.: Zastosowanie anhydrytowego pasa podsadzkowego do ochrony chodnika przyścianowego i uszczelniania zrobów ścian. Przegląd Górniczy nr 9, 1984.