Zagrożenie metanem. Trzeba uniknąć trójkąta wybuchowości

- Jest takie ponure powiedzenie, które górnicy doskonale znają: jeśli podczas wybuchu metanu nie zabije cię fala uderzeniowa ani nie zabije cię fala ognia, to na pewno zabije cię tlenek węgla – mówi dr. inż. DARIUSZ MUSIOŁ z Katedry Geoinżynierii i Eksploatacji Surowców Wydziału Górnictwa, Inżynierii Bezpieczeństwa i Automatyki Przemysłowej Politechniki Śląskiej w Gliwicach.

Co się dzieje w wyrobisku, w którym dojdzie do wybuchu metanu?
To zjawisko, które ma bardzo gwałtowny i dynamiczny przebieg. Zapalenie metanu połączone z wybuchem powoduje falę uderzeniową o bardzo wysokim ciśnieniu. To ciśnienie jest niejednokrotnie kilka razy wyższe od ciśnienia atmosferycznego. Mamy do czynienia z eksplozją, a więc falą uderzeniową, która rozchodzi się na zewnątrz od miejsca zapoczątkowania wybuchu wyrobiskami górniczymi.

W zależności od tego, jaką ma siłę, potrafi spowodować spore zniszczenia w wyrobisku – niszczy elementy mniej wytrzymałe, wyposażenie, a nawet część elementów stalowych. Zwykle ta fala uderzeniowa jest na tyle silna, że rzuca górnikami, którzy doznają bardzo poważnych złamań i rozległych obrażeń wewnętrznych. Są one na tyle poważne, że najczęściej są bezpośrednią przyczyną zgonu. Natomiast jeśli uda im się przetrwać falę uderzeniową, bo wybuch nie jest na tyle silny lub udało im się akurat gdzieś schronić, to kolejnym zagrożeniem jest fala ognia, która pojawia się zaraz po fali uderzeniowej. Ogień spala niemal wszystko na swojej drodze.

Na dodatek podczas procesu spalania oprócz dwutlenku węgla powstaje również tlenek węgla, który jest zabójczy dla człowieka. Kiedy jego stężenie sięgnie 0,5 proc., to wystarczy tylko kilka oddechów i człowiek umiera w wyniku uduszenia. Dlatego jest takie ponure powiedzenie, które górnicy doskonale znają – „jeśli podczas wybuchu metanu nie zabije cię fala uderzeniowa ani nie zabije cię fala ognia, to na pewno zabije cię tlenek węgla”.

Kiedy dochodzi do wybuchu metanu?
Po pierwsze w powietrzu kopalnianym musi się zgromadzić odpowiednia ilość metanu w odpowiednim stężeniu. Metan staje się wybuchowy, jeśli jego stężenie będzie wynosić od 5 proc. do 15 proc. Jednak mimo osiągnięcia takiego stężenia, wcale nie musi dojść do wybuchu. Drugim koniecznym do tego czynnikiem jest pojawienie się odpowiedniej ilości tlenu. Tlenu musi być co najmniej 12 proc. objętościowo – wtedy dopiero tworzy się mieszanina wybuchowa.

Najbardziej niebezpieczna jest w tym przypadku tzw. mieszanina stechiometryczna. To mieszanina, która ma w swoim składzie 9,5 proc. metanu oraz ok. 19-20 proc. tlenu. Wtedy tlen zużywa się całkowicie, a temperatura palącego się metanu uzyskuje wartość ok. 2600 st. C. Kiedy dochodzi do stworzenia mieszaniny wybuchowej, mówimy, że następuje wejście w tzw. trójkąt wybuchowości. Natomiast nawet wtedy nie musi jeszcze dojść do wybuchu. Ostatni konieczny warunek to inicjał zapalający. To może być np. otwarty ogień.

Chociaż od 1959 r. stosowanie otwartego ognia jest zabronione, to oczywiście wciąż zdarzają się sytuacje, kiedy on się pojawia – np. w postaci pożaru endogenicznego w zrobach zawałowych. Innym inicjałem, który dość często występuje, są iskry, które powstają w wyniku tarcia podczas urabiania kombajnem twardych skał stropowych. Zapobiegać ich powstawaniu mają specjalne kurtyny wodne, ale niestety nie zawsze uda się uniknąć ich występowania.

Jak kopalnie są przygotowane na radzenie sobie z zagrożeniem metanowym?
W kopalniach od lat stosuje się systemy dyspozytorskie, których częścią jest system metanowo-pożarowy. W przypadku systemu metanowego stosuje się odpowiednie czujniki metanometrii automatycznej. Sieć tych czujników mierzących stężenie metanu, zgodnie z przepisami prowadzenia ruchu zakładu górniczego, jest rozmieszczona w odpowiednich miejscach. Natomiast w ramach systemu pożarowego w kopalni rozmieszczone są czujniki CO-metrii automatycznej, które na bieżąco mierzą stężenie tlenku węgla w wyrobiskach.

Gdy wartość stężenia metanu na wylocie ze ściany przekroczy 2 proc., to czujnik rejestrująco-wyłączający, który jest tam zabudowany, nie tylko powiadamia dyspozytora, ale przede wszystkim automatycznie wyłącza wszystkie urządzenia elektryczne w rejonie ściany spod napięcia. Natomiast kiedy stężenie przekracza 3 proc., to przez system głośnomówiący, który znajduje się na dole, przekazywana jest informacja o natychmiastowym wycofaniu załogi z zagrożonego rejonu. O ile nie jest to nagły wzrost, czyli taki, który występuje w ciągu kilku lub kilkunastu minut, to załoga raczej bez problemu jest w stanie wycofać się z zagrożonego rejonu do bezpiecznego miejsca.

Trzeba pamiętać, że metan na bieżąco wydziela się podczas urabiania węgla, ale zwykle nie są to duże ilości, a cały ten proces można kontrolować. Natomiast zdarzają się sytuacje, kiedy metan zgromadzony w górotworze może wypłynąć niespodziewanie w dużej objętości. Dzieje się tak najczęściej, kiedy kopalnia jest zagrożona wyrzutami gazów i skał. Niestety z tym zagrożeniem nie jesteśmy w stanie do końca walczyć.

Z taką sytuacją mieliśmy ostatnio do czynienia w Zofiówce?
Tak, choć to oczywiście na razie jedynie moje przypuszczenia, a ostateczną odpowiedź poznamy dopiero po zakończeniu prac powołanej do tego komisji. Wydaje się, że wstrząs spowodował gwałtowne uwolnienie metanu znajdującego się w zbiorniku pod dużym ciśnieniem. Ze względu na spękanie górotworu metan w dużej ilości wydostał się do tego wyrobiska.

To mogło być nawet kilkaset metrów sześc. metanu. Prawdopodobnie powstał korek metanowy z prawie 100 proc. zawartością metanu i minimalną ilością tlenu, czyli atmosfera prawie całkowicie beztlenowa. Ten przodek był przewietrzany lutniociągiem, więc ten korek przemieszczał się tym wyrobiskiem, a wszyscy, którzy znaleźli sięw jego obszarze i nie mieli aparatu ucieczkowego, po prostu nie mieli czym oddychać.

W kopalni Pniówek doszło natomiast do serii wybuchów metanu.
Przypuszczam, że tam jednym z problemów było niekontrolowane i nieustalone źródło dopływu tlenu do tego rejonu. Do tego na bieżąco wydzielał się metan, co w rezultacie prowadziło do powstawania mieszaniny wybuchowej. Być może doszło tam również do pożaru w zrobach zawałowych, który stał się inicjałem kolejnych wybuchów. Wszystko na to wskazuje, bo przecież urządzenia elektryczne były wyłączone, a kombajn nie pracował. Po takim wybuchu stężenie metanu i tlenu spadało. Potem znów wydzielał się metan i dopływało powietrze, tworząc kolejny raz mieszaninę wybuchową. Inicjałem był prawdopodobnie pożar endogeniczny, więc dochodziło do kolejnego wybuchu i tak w kółko.

Taki scenariusz jest bardzo prawdopodobny, choć tutaj też na ostateczne wnioski będzie trzeba czekać do zakończenia prac komisji WUG.

Kiedy pojawi się zagrożenie metanowe, bardzo ważne jest przewietrzanie wyrobiska albo wręcz odwrotnie – odcięcie dopływu tlenu.
Jeśli mamy do czynienia ze wzrostem zagrożenia metanowego, które jest spowodowane zbyt szybką eksploatacją ściany, to wtedy najprostszym sposobem jest oczywiście doprowadzenie do uintensywnienia przewietrzenia tego rejonu poprzez doprowadzenie większej ilości powietrza.

To oczywiście tylko z pozoru jest takie proste, bo nie da się tego zrobić w jednej chwili. Wymaga to otwarcia jednych i uszczelnienia innych tam regulacyjnych, a efekt będzie odczuwalny dopiero po ustabilizowaniu się prądów powietrza w rejonie eksploatacyjnym. Natomiast w przypadku nagłego wypływu metanu nie jesteśmy w stanie skutecznie rozrzedzić wydzielającego się metanu. Czasem górnicy muszą mierzyć się z takimi sytuacjami, kiedy żadna dostępna profilaktyka, ani późniejsze działania nie są w stanie przeciwdziałać wybuchowi.

Najgorsza sytuacja jest wtedy, kiedy dochodzi już do stworzenia mieszaniny wybuchowej, czyli wejścia we wspomniany już obszar „trójkąta wybuchowości”. Natomiast poza tym „trójkątem” możemy mieć do czynienia z różnymi rodzajami mieszanin. Gdy jest za mało tlenu i za mało metanu, to jest mieszanina całkowicie niewybuchowa. Natomiast kiedy mamy za dużo metanu, a za mało tlenu, to jest to już mieszanina potencjalnie niebezpieczna. W takim przypadku, jeśli doszłoby do jej rozrzedzenia poprzez dostarczenie dodatkowej ilości powietrza, to stworzylibyśmy mieszaninę wybuchową, czyli weszlibyśmy w „trójkąt wybuchowości”.

Dlatego przy wszelkich akcjach ratowniczych, związanych z zagrożeniem metanowym, podstawową zasadą jest unikanie wejścia w „trójkąt wybuchowości” za pomocą wszystkich dostępnych narzędzi profilaktyki. Głównymi narzędziami są tutaj doprowadzenie powietrza, albo jego odcięcie, w zależności od tego, z jaką mieszaniną mamy do czynienia.

Jeśli chcesz mieć dostęp do artykułów z Trybuny Górniczej, w dniu ukazania się tygodnika, zamów elektroniczną prenumeratę PREMIUM. Szczegóły: nettg.pl/premium. Jeżeli chcesz codziennie otrzymywać informacje o aktualnych publikacjach ukazujących się na portalu netTG.pl Gospodarka i Ludzie, zapisz się do newslettera.