Otázka podpatrového dobývání jako způsobu, kterým lze v určitých případech efektivně vytěžit uhelné zásoby, byla ještě nedávno předmětem diskuse. V současně době se ale jednotlivé těžební revíry v různých zemích na tento způsob přípravy uhelných slojí k dobývání orientují stále častěji. Podle výroční zprávy WUG , Vyšší hornický úřad, se těžilo v Polsku podpatrovým způsobem v roce 2011, 40 % těžby.
Obdobná situace je i v ostravsko-karvinském revíru (dále OKR), kde podpatrové dobývání v současné době převládá. V příspěvku se posuzují jednotlivé aspekty této metody, zejména z toho hlediska, jak lze zvýšit její bezpečnost a efektivnost.
V příspěvku je podle [1, 2, 3] řešena konkrétní situace při dobývání porubů ve sloji č.112, na Dole Paskov v ostravsko-karvinském revíru (OKR), a současně jsou uvedeny příklady, jak lze s využitím výpočetních programů a predikovat možné havarijní situace. Vzhledem k aktuálnosti tohoto způsobu dobývání na dolech OKR, ale i jinde ve světě, mohou poznatky z příspěvku přispět ke zvýšení úrovně bezpečnosti v daných podmínkách.
Příklad pro zhodnocení otvírky klasickým způsobem a podpatrem
Na příkladu sloje č. 112 na Dole Paskov v OKR, je hodnocena otvírka klasickým způsobem prohloubením jámy a otvírka podpatrovým způsobem. Zároveň se uvádějí příklady predikce větrního zkratu, klimatických podmínek a vzniku požáru. Je provedena i stručná ekonomická rozvaha efektivnosti obou způsobů. Zkoumá se možnost otvírky sloje č. 112, a přípravy porubů č. 112 403, 112 404 v oblasti, jak je uvedena na obr. 1, prohloubením jámy. V [1] se při tom vychází z názoru, že ne za všech okolností je otvírka podpatrem ekonomicky výhodnější, než otvírka prohloubením jámy. Uvedený příklad tak může vyjasnit všechny okolnosti, které mohou jednu, či druhou variantu ovlivnit.
Jako výchozí způsob variantní otvírky sloje č. 112 prohloubením jámy bylo rozhodnuto o prohloubení vtažné jámy III/6, závodu Chlebovice na hloubkovou úroveň cca -676 m. To je hloubková úroveň UB 769, (UB je uzlový bod), do kterého by směřovalo otvírkové dílo z nově vzniklého patra prohloubené jámy. Takovým způsobem otvírky by se nemusela provádět díla mezi UB 711 až 769 a vyhnuli bychom se úpadnímu vedení větrů, které je určitou daní pro podpatrový způsob otvírky.
Těžba z dolu na povrch, v celém rozsahu dolu, tj. ze všech tří závodů, Sviadnov, Stařič, Chlebovice, je koncentrována na Jámu II/4 a II/3 závodu Stařič. K bližšímu vysvětlení dané situace je na obr. 1 uvedeno schéma větrní oblasti, ve které se nacházejí poruby č. 112 403 a 112 404.
Pro výpočet větrní sítě se používá program VentGraf. Slouží na Institutu hornického inženýrství a bezpečnosti k řešení vědeckých, ale i praktických úloh, souvisejících s celou škálou problematiky důlního větrání.
Jediná možnost odtěžení porubů č. 112 403 a 112 404 je, že se těžba vede v čerstvých větrech, přes chodby s UB 770, 769, 711, 713, a 709, na hlavu zásobníku. Ze zásobníku se pak převáží vozy po dílech č. 2436, 2034, kolem jam závodu Chlebovice, ke skipové jámě č. II/3 závodu Stařič. Toto organizační uspořádání, které směřuje ke koncentraci těžby, je důležitým činitelem, který nabízí vhodný příklad výpočtu ekonomické efektivnosti dvou způsobů otvírky sloje č.112. Ta bude uvedena v závěru příspěvku.
Poruby ve sloji č. 112 dobývané podpatrovým způsobem a jejich větrání
Při posuzování stavu, jaký vznikne při větrání porubů ve sloji č. 112, se budu zabývat poruby 112 403 a 112 404. Při tom vycházím ze způsobu otvírky a přípravy sloje, jak ho uplatnil podnik, podpatrovým způsobem. Úpadním dílem se vyrazilo spojení mezi UB 711 a 769. Musel se překonat výškový rozdíl mezi UB 711, s výškou – 601,3 m a UB 769, s výškou -676,0 m. Viz obr. 1.
Poruby 112 403 a 112 404 jsou v samostatném větrním oddělení (SVO), které je vymezeno uzlovými body (UB) 711 až 704. Podle obr. 1 lze určit, že z UB 711, který má hloubkovou úroveň -601,3 m, se vtažný větrní proud dělí na větve s objemovými průtoky:
Q1 = 26,9 m3.s-1, Q2 = 11,0 m3.s-1
Objemový průtok Q1 = 26,9 m3.s-1, pak proudí až do UB 769, v hloubové úrovní -676,0 m.
I z tohoto objemového průtoku, přes izolační větrní dveře mezi UB 771 a 775, unikají větry v objemovém průtoku 7,8 m3.s–1, takže pro vlastní porub 112 403 je k dispozici mezi UB 771 až 773, větrní proud v objemovém průtoku 10,2 m3.s-1.
UB 773 má hloubkovou úroveň -710 m.
Z popisu této větrní cesty je zřejmé, že přivedení větrů pro poruby dobývané úpadně, vyžaduje střídavé vedení větrů:
- úpadně, mezi UB 711 až 769
- dovrchně mezi UB 769 až 770
- dovrchně mezi UB 770 až 771
- úpadně ve vlastním porubu mezi UB 771 až 773.
Úpadně jsou větry vedeny i v porubu 112 404. Na těžní chodbě porubu 112 404 je hloubková úroveň -762,4 m.
Rozbor větrní sítě
Otázka větrání má v důlním provozu velký význam. Při aplikaci podpatrového dobývání je správné projektování a realizace způsobu větrání ještě závažnější.
Ve větrní síti podle obr. 1 je zobrazen normální stav větrání, jak je projektován pro bezpečný provoz pracovišť v SVO. Pro komplexní řešení bezpečnosti na každém pracovišti a v případě podpatrového dobývání rovněž, je však zapotřebí uvažovat i s možným vznikem havarijních situací. V havarijním plánu, je na ně nutno reagovat. Mimořádné stavy ve větrní síti mohou nastat z různých důvodů. Jedním z nejčastějších a také poměrně nebezpečných, je větrní zkrat.
Důležité je také posouzení klimatických poměrů jednotlivých pracovišť. Dalším, z hlediska bezpečnosti však mnohem vážnějším ohrožením, je vznik ohně nebo požáru.
Zkrat ve větrní síti
Ke zkratu ve větrní síti obvykle dojde otevřením větrních dveří. Na obr. 2 je uveden případ, kdy došlo ke zkratu otevřením dveří na cestě mezi UB 771 až 775.
Z obr. 1 a 2 vyplývá, že oddělení větru těmito objekty zaručuje proudění větrů směrem k porubu 112 403, v objemovém průtoku 10,2 m3.s-1 a směrem k výdušné straně proudí do UB 775 objemový průtok větrů 7,8 m3.s-1
Pokud ale dojde k otevření dveří nastane stav, který je vyjádřen na obr. 2 v tabulce 1. Otevření dveří jsem simuloval změnou odporu mezi UB 771 a 775.
Odpor na cestě mezi UB 771 – 775 před otevřením dveří je 5,2 kg/m7. Odpor na cestě mezi UB 771 – 775 po otevření dveří je 0,15 kg/m7.
Objemové průtoky větrů do porubu 112 403 a k výdušné straně se změní v neprospěch objemového průtoku do porubu. Tento nový stav rozdělení objemových průtoků vyjadřuje tabulka 1. [1].
Toto dramatické snížení větrů do porubu, z 10,2 na 5,4 m3.s-1, negativně ovlivní mimo jiné i koncentraci metanu.
Můžeme zjistit, že při zachování stejné výše denní těžby (881 t/den), by se koncentrace metanu při dobývání porubu 112 403 zvýšila na 1,88 %.
Řešení klimatických poměrů v oblasti porubů č 112 403 a 112 404
Požadavky na dlouhodobou a krátkodobou únosnou dobu práce na pracovištích hlubinných dolů, způsob jejich stanovení a způsob stanovení režimu práce a odpočinku, jsou stanoveny v [4].
Obecně se uvádí, že při podpatrovém dobývání, kdy se využívá chladivý účinek vtažných větrů, vedených z vyššího k nižšímu patru, se vytvářejí příznivější podmínky pro řešení klimatu. Jak konkrétně se uvedený vliv projevil při přípravě a dobývání porubů č. 112 403 a 112 404, jsem se pokusil vyjasnit s použitím programu VentGraf.
Po zadání příslušných vstupních údajů, jsem s pomocí tohoto programu získal všechny potřebné údaje k posouzení klimatických poměrů. Situace je uvedena na obr. 3.
Z obr. 3 je zřejmé, že při přípravě porubu č. 12 403, ražením chodby 112 6441 na výškové úrovni -595,0 m a 112 5441/2, se vtažné větry, které měly na úvodu teplotu suchou k teplotě vlhké v poměru 23,80C/17,20C, postupně zahřívaly. Ve fázi probití prorážky pro porub č. 112 403, dosáhly podílu teploty suchá k vlhké 34,40C/31,90C. Při objemovém průtoku 684 m3.min-1, zde mohla být maximální pracovní doba na pracovišti 288 min/40. To znamená, že po 40 minutách práce musela následovat přestávka, takže v maximálně přípustné pracovní době 288 minut muselo být 7 přestávek.
Okolnost, že níže ražená přípravná díla 112 5441/2, (hloubková úroveň -642,0 m), 112 5443 a 112 5445, mají příznivější klimatické podmínky, než chodba 112 6441, lze vysvětlit podle obr. 4. Z něj vyplývá, že čerstvé větry s teplotami 23,80C/17,20C, přivádíme z nižší hloubkové úrovně, (UB 769, s kótou -676,0 m). Větry se pak postupem k chodbě 112 6441, zahřívají. Na obr. 3 je nutno také upozornit na poměrně velký počet tepelných zdrojů, jak si je moderní technologie ražby vyžadují. Jedná se například o vrtací vozy, nakládače, hřeblové a pásové dopravníky, drtiče, ventilátory.
Pro řešení klimatických poměrů v oblasti chodby 112 6441, bylo rozhodnuto o instalaci chladicí jednotky. Jednalo se o 3 jednotky KLJ DV 150. Změna poměrů po nasazení je zřejmá z obr. 4. V prorážce pro porub č. 112403, po zavedení klimatizace, už je možno využít plně pracovní dobu 480 minut, bez pracovních přestávek. Stejně příznivý stav nastal i na dalších ražbách v oblasti.
Uvedený případ přípravy porubů ve slojí 112 dokazuje zvláštní variantu podpatrového dobývání, která souvisí s popsaným způsobem otvírky. Vtažné větry jsou vedeny postupně na úpad a pak dovrchně, jak jsem popsal v kapitole Větrání. Při uplatnění klimatizačních jednotek se docílila přijatelná situace na všech pracovištích v oblasti.
Vznik požáru v SVO, ve kterém jsou poruby 112 403 a 112 404
Stav jaký nastane v SVO, ve kterém jsou poruby 112 403 a 112 404, pokud by vznikl požár ve větvi mezi UB 711– 769, je možno sledovat podle výpočtu v jednotlivých fázích požáru na obr. 5. Tyto výpočty by měly být podstatnou částí havarijních plánů. V tomto příspěvku uvádím jednu z řady možných situací, kdy došlo asi po 1 hodině k rozvinutější fázi požáru.
Rozvinutím požáru už dochází ke snížení objemových průtoku v řadě větví. Pro porub 112 403 se objemový průtok snížil na 10,1 m3.s-1 (z původních 10,2 m3.s-1) a pro porub 112 404 se objemový průtok snížil na 16,9 m3.s-1, z původních (17,3 m3.s-1).
Z obr. 5 lze doložit, jak se vyvíjí teploty počínaje ohniskem požáru, v dalších větvích sítě. Zatímco u ohniska požáru dosahuje teplota 100 – 4000oC, je pak na výdušné straně před vstupem do výdušné jámy 20 – 400oC.
V porubech 112 403 a 112 404 to jsou teploty 40 – 600oC.
Výpočtem podle stejného programu je také možno ověřit pravděpodobný vývoj koncentrace kyslíku, hustoty dýmu. Pro informaci koncentrace kyslíku v této fázi požáru dosáhne mezi UB 770 – 773 hodnoty 18 – 13 %.
Ekonomická náročnost vybudování nového patra na úrovni – 676 m
Prohloubení jámy Chlebovice III/6 a vybudování náraží na patře – 676 m, dle obr. 1, by bylo nákladnou záležitostí. Náraží na kótě -676 m bylo, vzhledem k nárokům na poměrně menší objem těžby, oproti uspořádání na 3. patře, podstatně zjednodušeno. Přesto jsou náklady na jeho vybudování poměrně vysoké. Viz tabulka 2.
Podle literárních zdrojů [1, 2, 3] a dalších pramenů jsem zjišťoval přibližné náklady na prohloubení jámy a vybudování náraziště. Tyto náklady jsem pak porovnával s náklady na původní otvírku, podle stávající situace. Z tohoto rozboru vychází relace, které jsou v tabulce 2.
Závěr
V konkrétní posuzované situaci na Dole Paskov jsou náklady na otvírku podpatrem 2,5x nižší ve srovnání s klasickou otvírkou. Zároveň, na základě podrobného rozboru, lze při respektování uvedených zásad zajistit i dostatečnou míru bezpečnosti, avšak navržená opatření pro podpatrové dobývání by vždy měla zahrnovat:
- posouzení větrání porubů,
- řešení klimatických poměrů,
- možné havarijní stavy a tyto dokumenty, nejlépe v elektronické formě, by měly být součástí havarijních plánů.
Literatura:
[1] DORAZIL, V., Ekonomika a bezpečnost podpatrového dobývání z hlediska současných rizik. Doktorská disertační práce VŠB – TU Ostrava květen 2012.
[2] ZAPLETAL, P., PROKOP, P., DORAZIL, V.: The regulation of ventilation by changing the operation of the main fan and its impact on the face worked under the main haulage level. GeoScience Engineering, 2011. ISSN 1802 – 5420.
[3] PROKOP, P.: Analýza současného stavu potřeby podpatrového dobývání na jednotlivých dolech OKR. GAČR reg. č. GA 105/09/0275, VŠB-TU Ostrava, 2009.
[4] Nařízení vlády č. 361/07 Sb. – Část C Dlouhodobě a krátkodobě únosná doba práce na pracovištích hlubinných dolů, způsob jejich stanovení a způsob stanovení režimu práce a odpočinku.
