Problematika prašnosti na důlních pracovištích je známa už od počátků hlubinného dobývání uhlí. Prašnost je a byla jedním z omezujících faktorů při hlubinném dobývání. Prach způsobuje nejenom zdravotní ohrožení pracovníků, ale i nebezpečí výbuchu uhelného prachu. V dnešní době se klade na boj s prašností velký důraz. Toto úsilí lze demonstrovat na nových dobývacích a razících komplexech, které jsou neustále vybavovány důmyslnějšími systémy vodních postřiků, které pomáhají prašnost snižovat.
V tomto příspěvku jsou uvedeny i poslední teoretické poznatky z oblasti interakce mezi vodou a prachem. Přesněji řečeno mezi vodní kapkou a prachovou částicí. Z tohoto přehledu vyplývá, že se jedná o problém, kdy k jeho úspěšnému zvládnutí je třeba získat přehled o fragmentaci prachu ze všech technologických procesů, při kterých vzniká. Poté už je možno určitým postupem, vybrat vhodný typ zkrápěcího zařízení. Tyto poznatky jsou poměrně nové a zřejmě ještě nejsou v praxi využívány. Za aktivní způsoby zneškodňování prachu lze považovat zavlažování a zkrápění.
Bezpečnostní riziko prašnosti
Prašnost, zejména podíl jemné frakce, významně působí na možná bezpečnostní a zdravotní rizika. Uhelný prach, pokud není důsledně odstraňován a snížena jeho hranice výbušnosti, může způsobit nedozírné škody při šíření exploze.
Zdravotní riziko prašnosti
K nejzávažnějším účinkům prachu patří nesporně jeho přímé účinky na člověka, lidský organismus. U pracovníků, kteří dlouhodobě pracují na prašných parkovištích – jsou v přímém kontaktu s prachem – dochází ke vzniku celé řady onemocnění, která jsou natolik závažná, že mohou zapříčinit trvalé vyřazení pracovníka z produktivní činnosti a dokonce v řadě případů i předčasné úmrtí. Pro vznik pneumokoniózy přicházejí v úvahu jako patogenní agens pouze prachové částice, které dostupují do plícních sklípků, ne větší než 5 až 6 µm. (µ = 10 –6). Jedná se o takzvanou respirabilní část prachu. Větší částice prachu jsou zachycovány v přívodných dýchacích cestách – hrtanu, nosu a jsou dopravovány pomocí řasinkového epitelu zpět do hrtanu.
Obsah respirabilních částic na dolech OKD činil v roce 2010 2 mg/m-3 a celkové prašnosti, 10,5 mg/m-3. [1].
Přehled o prašnosti na důlních pracovištích v ostravsko-karvinském revíru je na prvním obrázku.
Prašnost jako riziko vzniku havárií, význam správné funkce postřiku
Existuje řada případů, kdy řezný orgán porubového kombajnu přibral průvodní horninu a vzniklá frikční jiskra vznítila výbušnou koncentraci metanu.
Důl Paskov 1977
15. 7. 1977 došlo na Dole Paskov, v porubu 20 104 k zapálení metanovzdušné směsí frikční jiskrou, když řezný orgán kombajnu přibral průvodní horninu. Díky řadě příznivých okolností, se podařilo vznícenou směs metanu se vzduchem záhy uhasit, takže se výbuch nepřenesl do další části dolu. Po této události bylo rozhodnuto, že kombajny ve všech porubech budou postupně nahrazeny pluhy. Po jejich zavedení, žádná taková událost již nevznikla. [4].
Upper Big Branch USA 2010
Další případ nebezpečí exploze metanu, způsobené frikční jiskrou, můžeme demonstrovat na důlní katastrofě v USA na dole Upper Big Branch. [3].
5. dubna 2010 došlo k explozi metanu, jejíž následky si vyžádaly smrt 29 horníků. Tato událost je považována za největší důlní katastrofu v USA za posledních 40 let.
Řezný orgán dobývacího kombajnu přibral stropní vrstvu pískovce. Následkem toho vznikly jiskry, které zapálily vrstvu metanu, který se nahromadil v závalovém prostoru a pronikl do porubní stěny. Exploze postupovala podél výdušné oblasti, kde se nahromaděný uhelný prach stal palivem pro druhou, ještě více smrtící výbušnou vlnu. Výbuch postupoval několika směry, přes porub, dále do vstupu na výdušnou stranu a pokračoval důlními díly v délce dvou mil. (3,2 km).
Zákonitosti výběru postřiku
Podle [2] vyžaduje správná aplikace zneškodňování prachu, aby se přihlédlo k řadě fyzikálních zákonitostí. Každý materiál reaguje na vlhkost rozdílně. Nedostatečná vlhkost znamená také nedostatečné zneškodnění. Příliš vysoké zkropení může poškodit kvalitu materiálu, nebo ztížit jeho úpravu. Uhlí například odpuzuje vodu a ta vyžaduje přidání chemických aditiv, aby se zvýšila absorpce.
Nejvíce prachových částic, vznikajících při procesu rozrušování (dobývání), se neuvolňuje do vzduchu. Prach ulpívá na povrchu uvolněné substance. Úměrné zvlhčení je proto významné, aby se dosáhlo stavu, že prach bude spojen s původním materiálem. Je třeba zohlednit, že horniny a uhlí, které se musí po vytěžení ještě upravovat na úpravně, mohou být na vlhkost citlivější než materiály, které úpravu nevyžadují. Důležité je také, je-li materiál v klidu, nebo se pohybuje.
Rozměr kapek vody a úhel postřiku ovlivňují efekt pokrytí povrchu, působí na stojící materiál. Rozměr kapek vody a rychlost kapek ovlivňují pokrytí povrchu, při působení na pohybující se materiál. Tyto faktory musí být brány v úvahu, když vybíráme rozmístění a typ trysek a také při potřebě zachytit polétavý prach.
Zachycení částic prachu je nejefektivnější, když mají částice prachu a vodních kapek ekvivalentní rozměry. Kapky, které jsou příliš velké, nechtějí kolidovat (střetat se), s malými částicemi prachu a kapky, které jsou příliš malé, se velmi rychle vypařují a unikají z prachových částic.
Zachycení polétavého prachu vodním postřikem je nejefektivnější v oblasti s malou turbulencí. V závislosti na prostředí chceme dosáhnout uchycení prachových částic.
Jestli je průměr kapek větší než prachových částic, budou prachové částice sledovat proud kolem kapky. Pokud je průměr kapek a prachových částic srovnatelný, budou prachové částice sledovat menší proud kolem kapky a spojí se s ní.
Z obrázků a grafů lze dokázat, že rozměr částic prachu je při návrhu systému postřiku velmi zásadní.
Profil a průměr trysky určuje rozložení kapek a jejich individuální rozměr, což zásadně mění vlastnosti postřiku a jeho distribuci.
V levé části diagramu přiloženého grafu vidíme počet kapek příslušného průměru, který produkuje tryska. Z toho se dá určit Dv05.
Dv05 je střední průměr kapky, také označovaný jako VMD. (Volume median diameter). V našem příkladu je Dv05 rovno 34,6 μm.
Práce [1] uvádí také rozměry částic prachu, které mohou vzniknout při dobývání určitých surovin. Současně ale upozorňuje, že se jedná jen o všeobecné určení a každý jednotlivý případ vyžaduje samostatné posouzení. Mimo jiné i z hlediska, jak určitý způsob postřiku ovlivní následný úpravárenský proces.
Průměry částic prachu v mikronech (1 μm = 10-6m), které mohou vzniknout při dobývání.
Vápenec 10 až 1000 μm
Polétavý popílek 10 až 200 μm
Uhelný prach 1 až 100 μm
Pískovec 2 až 100 μm
Prachovec 5 až 80 μm
Cementový prach 3 až 100 μm
Práškové uhlí 3 až 500 μm
V konkrétních podmínkách ostravsko – karvinského revíru, je tento problém zvláště složitý, protože se zde setkávají různorodé geologické podmínky na malém území. S velkou pravděpodobností bude mít každá uhelná sloj určitého stratigrafického pásma poněkud jiné složení prachových částic. A také volba a tvar dobývacího orgánu ovlivní průměr prachového zrna. Prokázalo se, že nejpříznivější fragmentaci měly uhelné pluhy. Z jiných důvodů, zejména pevnosti uhelných slojí, je však používání pluhů k dobývání silně limitováno.
V současné době existují řady systémů, které je možno při řešení postřiku uplatnit. Uvádíme jejich přehled:
- Jednoduchý vodní systém je nejméně nákladný a dá se jednoduše zavést.
- Přidáním povrchově aktivní látky k vodě se sníží povrchové napětí a dojde k lepší interakci mezi vodou a určitým typem prachu, který vzdoruje absorpci vody.
- Pěnový systém. Ten potřebuje méně vody, ale obvykle vyžaduje použití stlačeného vzduchu.
- Pojiva, jako aglomeráty částic, které zamezí odpaření vody. Nicméně mohou způsobit zanášení trysek a po rozpuštění ve vodě i ohrozit životní prostředí. [1]
Typy trysek
Také při výběru typu trysek je možno volit optimální řešení s ohledem na velikost prachových částic. K dispozici jsou následující typy seřazeny podle velikosti rozměru kapky – od nejmenší, po největší, jak je uvedeno na obrázku nahoře.
Jsou to typy:
Tryska pro jemný postřik s použitím vzduchu (Air Atomizing Nozzle) Typ 1
Tryska pro jemný postřik (Fine Spray Nozzle) Typ 2
Tryska s kuželovou výdutí (Hollow Cone Nozzle) Typ 3
Plochá rozevřená tryska (Flat Fan Nozzle) Typ 4
Plně kuželovitá tryska (Full Cone Nozzle) Typ 5.
Běžně se pro snížení prašnosti používají trysky, které produkují kapky průměru mezi 200 až 1 200 μm. Pro potlačení polétavého prachu se uplatňují trysky pro jemný postřik, které produkují kapky průměru mezi 20 až 200 μm.
Efektivita zmenšení obsahu polétavého prachu, podle typu trysek je zřejmá z grafu vlevo dole.
Z dalších grafů lze odvodit, že se stoupajícím tlakem vody v tryskách, získáme vyšší objem prachu prostého vzduchu. Tak například tryskou pro jemný postřik s podporou vzduchu, při tlaku vody 1,38 MPa, zbavíme prach v prostoru asi 45 až 50 kubických metrů.
Z uvedeného přehledu [2] vyplývá, že volba systému postřiku a typu trysek, by měla být založena na podrobném rozboru vlastností horniny, jejíž prašnost máme omezit. To by vyžadovalo, aby alespoň pro určitou slojovou skupinu, byla zjištěna fragmentace prachu při vlastním ražení, dobývání, ale i jiných činnostech, například budování svorníků, transportu. Z analýzy této fragmentace lze pak postupem, zde uvedeným, stanovit způsob zkrápění, který může být efektivní.
Příklad volby typu trysky podle fragmentace prachu
Na posledním grafu je znázorněn rozbor fragmentace prachu pro technologii dobývání kombajny a pluhy. Je zřejmé, že při dobývání pluhy, převažuje podíl prachových částic větších rozměrů. To vyžaduje, aby se pro tuto technologii volily trysky typu 3 až 4. Při dobývání kombajny je naopak vhodnější použití trysek pro jemný postřik.
Pravděpodobně by k účinnějšímu způsobu aplikace postřiku přispěl rozbor fragmentace při jednotlivých procesech, souvisejících s těžbou. Z této distribuce prachových částic je pak možný výběr vhodného typu trysky.
Literatura:
[1]. Gibesová B. PRAŠNOST NA PRACOVIŠTÍCH V DOLECH OKD, a.s., PO ZAVEDENÍ TECHNOLOGIÍ POP 2010. Diplomová práce VŠB – TU Ostrava květen 2012.
[2]. www.spray.com/Literature_PDFs/B652_Dust_Control.pdf
[3] Lát, J.: Výbuch v americkém dole ve státě WV. Závěry vyšetřování na dole Upper Big Branch v Západní Virginii v USA. Záchranář 2/2010, Záchranář 1/2011.
[4]. Lát, J.: Dobývání nízkých ploše uložených uhelných slojí ve složitých důlně geologických podmínkách. Dočasná vysokoškolská učebnice. Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy, Praha 1988.
Zpracovali prof. J. Lát a Ing. Beáta Gibesová, VŠB – TU Ostrava
