VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ - TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA Hornicko-geologická fakulta Institut hornického inženýrství
Náchylnost slojí OKR k samovznícení
Alois ADAMUS
Napsáno s podporou výzkumného projektu ČBÚ č. 3/99
Ostrava 2004
Recenzenti :
Prof. JUDr. Ing. Roman MAKARIUS, CSc. Prof. Ing. Karol BALOG, PhD
ISBN 80 - 245 - 0585 - 5
2
Abstrakt V průměru téměř 20 případů výskytu oxidu uhelnatého endogenního původu ročně v dolech Ostravsko-karvinského revíru v létech 1993-2003 dokumentuje závažnost rizika samovznícení. Jednou z oblasti výzkumu náchylností slojí OKR k samovznícení byla v létech 1986-2001 výzkumná aktivita pojmenovaná „Pasportizace slojí z hlediska náchylnosti k samovznícení“. V dané době vzniklo jedenáct svazků dílčích výzkumných zpráv čítající celkem 1530 stran odborných textů, dokumentujících celkem 64 analyzovaných uhelných vzorků. Monografie předkládá kompilaci obsahu tohoto výzkumu v podobě výkladu ověřovaných parametrů, výkladu metod používaných k jejich zjišťování, výčtu souborů zpracovaných dat a jejich vyhodnocení. Mezi stěžejní ověřované parametry patřily indexy náchylnosti k samovznícení metody podle Olpinského, metody oxidace za adiabatických podmínek, později také metody pulsní kalorimetrie a průsečíkové metody CPT (Crossing Point Temperature).V omezeném rozsahu byla využita izotermická metoda, vycházející z podmínek pro mezinárodní přepravu nebezpečného zboží po železnici. Samostatný okruh řešení tvořila analýza uvolněných plynných produktů tepelné oxidace uhlí související následně s určováním teploty ohniska samovznícení v dolech. Vyhodnocení sledovaných parametrů přibližuje přehled o náchylnosti k samovznícení především sedlových slojí OKR. K výsledkům vyhodnocení patří tzv. průměrný vzorek OKR z hlediska náchylnosti k samovznícení, korelace náchylností k samovznícení s chemicko-fyzikálními vlastnostmi uhlí, statistické vyhodnocení databáze plynných produktů tepelné oxidace uhlí včetně nalezení některých binárních bezrozměrných ukazatelů vhodných pro určení teploty ohniska záparu a řada další technologicko-bezpečnostních parametrů uhlí OKR ve vztahu k samovznícení.
Abstract The fact that in the period from 1993 to 2003 almost 20 cases of releasing the carbon monoxide of endogeneous origin annually occurred in the mines of the Ostrava-Karviná Coalfield (henceforth referred to as OKC) on the average shows the seriousness of spontaneous combustion risk. One of areas of research on the susceptibility of OKC seams to spontaneous combustion in the period from 1986 to 2001 was concentrated on the task named “The Creation of a Database for Seams from the Point of View of Spontaneous Combustion Susceptibility”. During this period, eleven volumes of partial research reports amounting altogether 1530 pages of specialised texts documenting 64 analysed coal samples in total were written. The monograph is a compilation of the content of this research in a form of explanation of verified parameters, methods employed for their determination, the overview of sets of processed data and their evaluation. It is indices of spontaneous combustion susceptibility according to Olpinský’s method, methods of oxidation under adiabatic conditions, later also methods of pulsion calorimetry and CPT (Crossing Point Temperature) that belong to the principal verified parameters. To a limited extent, the isothermal method based on conditions for the international transport of dangerous goods by rail was used too. A separate part of solving was the analysis of released gaseous products of the thermal oxidation of coal subsequently connected with the determination of temperatures of focal points of
3
spontaneous combustion in mines. The evaluation of observed parameters is clarified by the overview of susceptibility of primarily the Saddle Member of the OKC to spontaneous ignition. To the results of evaluation, a so-called “OKC average sample” pertains from the point of view of spontaneous combustion susceptibility, the correlation of spontaneous combustion susceptibility with chemical-physical properties of coal, the statistical evaluation of the databasis of gaseous products of coal thermal oxidation, including the identification of some binary dimensionless indices suitable for the determination of temperatures of focal points of spontaneous heating and many other technological-safety parameters of coals of the OKC in relation to spontaneous combustion.
Key words : spontaneous heating, spontaneous combustion risk, susceptibility to spontaneous heating, crossing point temperature, adiabatic method, pulsion calorimetry, index of liability to spontaneous heating, limiting oxygen concentration, detection of spontaneous combustion.
4
Obsah 0. 1. 2. 2.1 2.1.1 2.2 2.2.1 3. 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 3.3.7 3.3.8 3.3.9 3.4 3.5 4. 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.2.7 4.2.8 5. 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4
Úvod ............................................................................................................................. 11 Riziko endogenních požárů v OKR ............................................................................. 12 Pasportizace slojí OKR z hlediska náchylnosti k samovznícení.................................. 15 Pasportizace uhelných slojí OKR realizovaná v létech 1986 - 1993 ........................... 16 Výzkumné zprávy pasportizace 1986 - 1993 ............................................................... 17 Pasportizace uhelných slojí OKR realizovaná v létech 1999 - 2002 ........................... 22 Výzkumné zprávy pasportizace 1999 - 2002 ............................................................... 24 Sledované parametry .................................................................................................... 27 Chemicko-fyzikální vlastností uhlí .............................................................................. 28 Základní chemický rozbor............................................................................................ 29 Elementární rozbor ....................................................................................................... 30 Petrografická klasifikace uhlí ....................................................................................... 31 Pórovitost...................................................................................................................... 34 Zbytkové plyny ............................................................................................................ 34 Hodnocení náchylnosti uhelných vzorků k samovznícení ........................................... 34 Hodnocení náchylnosti k samovznícení metodou podle Olpinského........................... 35 Hodnocení náchylnosti k samovznícení metodou adiabatické oxidace ....................... 37 Hodnocení izotermickou metodou (RID)..................................................................... 40 Hodnocení náchylnosti k samovznícení metodou pulsní kalorimetrie......................... 42 Vliv kontaktu uhlí s vodou na jeho náchylnost k samovznícení .................................. 44 Hodnocení náchylnosti k samovznícení průsečíkovou metodou CPT ......................... 45 Vliv inertizace dusíkem................................................................................................ 50 Limitní koncentrace kyslíku samovznícení uhlí........................................................... 50 Stanovení inhibitorů ..................................................................................................... 52 Rozbory plynných produktů tepelné oxidace............................................................... 52 Zpětná adsorpce plynných produktů tepelné oxidace .................................................. 54 Části obsahů pasportizací ............................................................................................. 54 Příklad obsahu pasportizace 1986 -1993, vzorek sloje č. 40 Dolu Dukla.................... 55 Identifikace uhelného vzorku ....................................................................................... 55 Chemicko-fyzikální vlastnosti vzorků, Olpinski, inhibitory ........................................ 55 Tepelná oxidace a zpětná sorpce .................................................................................. 57 Závěrečný komentář ..................................................................................................... 57 Část obsahu pasportizace 1999 - 2002, vzorek sloje č. 40 Dolu ČSA ......................... 60 Identifikace uhelného vzorku ....................................................................................... 60 Chemicko-fyzikální vlastnosti vzorků, Olpinski, oxidace za adiabat. podmínek ........ 62 Hodnocení náchylnosti k samovznícení metodou adiabatické oxidace ....................... 63 Hodnocení vzorku izotermickou metodou (RID)......................................................... 64 Rozbory plynných produktů tepelné oxidace ............................................................... 65 Hodnocení náchylnosti k samovznícení metodou pulsní kalorimetrie......................... 69 Hodnocení náchylnosti k samovznícení průsečíkovou metodou CPT ......................... 70 Souhrn výsledků ........................................................................................................... 71 Vyhodnocení pasportizací ............................................................................................ 73 Pasportizace 1986 - 1993 ............................................................................................. 75 Zbytkové plyny............................................................................................................. 75 Inhibitory ...................................................................................................................... 75 Zpětná adsorpce plynných produktů tepelné oxidace .................................................. 76 Náchylnost k samovznícení.......................................................................................... 77
5
5.1.5 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.3 5.3.1 5.3.2 6.
Odlišnost náchylnosti k samovznícení v profilu sloje.................................................. 79 Pasportizace 1999 - 2001 ............................................................................................. 84 Chemicko-fyzikální vlastnosti uhelných vzorků .......................................................... 84 Náchylnost k samovznícení.......................................................................................... 85 Index náchylnosti k samovznícení „INS“..................................................................... 86 Korelace indexu náchylnosti „INS“ s kvalitativními parametry uhlí........................... 91 Doplňující parametry.................................................................................................... 93 Společné databáze ........................................................................................................ 95 Průměrný vzorek OKR ................................................................................................. 95 Vyhodnocení plynných produktů tepelné oxidace ....................................................... 96 Závěr........................................................................................................................... 104
Seznam obrázků a tabulek Obr. 1.1 Výskyt oxidu uhelnatého a zápar v OKR v létech 1993 -2003................................. 13 Obr. 1.2 Vývoj četnosti výskytu zápar ve slojích OKR v létech 1993 - 2003 ........................ 14 Obr. 1.3 Počet zápar ve slojích OKR v létech 1993 - 2003 .................................................... 14 Obr. 2.1 Dílčí výzkumné zprávy pasportizace VVUÚ Ostrava-Radvanice 1986 - 1993........ 16 Obr. 2.2 Dílčí výzkumné zprávy pasportizace HGF VŠB-TUO 1999 - 2002 ........................ 22 Obr. 3.1 Symboly makropetrografického popisu profilu černouhelných slojí, (Honěk 1998) 32 Obr. 3.2 Aparatura metody podle Olpinského na VVUÚ, a.s................................................. 36 Obr. 3.3 Termostat aparatury metody adiabatické oxidace na VVUÚ, a.s., foto VVUÚ, a.s. 38 Obr. 3.4 Aparatura izotermické metody (RID) na VVUÚ, a.s., foto VVUÚ a.s. ................... 41 Obr. 3.5 Košíky pro umístění uhelného vzorku izotermické metody (RID), foto VVUÚ a.s. 41 Obr. 3.6 Kalorimetr SETARAM C 80 na Ostravské univerzitě.............................................. 43 Obr. 3.7 Schéma aparatury průsečíkové metody CPT na HGF VŠB-TU Ostrava.................. 46 Obr. 3.8 Aparatura průsečíkové metody CPT na HGF VŠB-TU Ostrava .............................. 46 Obr. 3.9 Charakteristika olejové lázně a inertního vzorku...................................................... 47 Obr. 3.10 Výsledky rozborů CPT – průsečíky teploty uhlí s teplotou lázně aparatury ........... 49 Obr. 3.11 Příklad rozboru uhelného vzorku metodou CPT...................................................... 51 Obr. 3.12 Aparatura VVUÚ, a.s., pro odběr produktů tepelné oxidace uhlí, foto VVUÚ, a.s. 53 Obr. 4.1 Profil odběru uhelného vz. Dolu Dukla, sl. č. 40., por. č.18 511, (Harašta 1987-2) 55 Obr. 4.2 Obsah strany 96 dílčí výzkumné zprávy, (Harašta 1987-2)...................................... 56 Obr. 4.3 Náchylnost podle Olpinského a účinnosti inhibitorů, (Harašta 1987-2)................... 56 Obr. 4.4 Koncentrace plynů tepelné oxidace, (Harašta 1987-2) ............................................ 58 Obr. 4.5 Průběhy uvolněných množství plynů tepelné oxidace, (Harašta 1987-2)................. 58 Obr. 4.6 Množství uvolněných a zpětně sorbovaných plynů, (Harašta 1987-2) ..................... 59 Obr. 4.7 Průběh zpětné sorpce plynů tepelné oxidace uhlí, (Harašta 1987-2)........................ 59 Obr. 4.8 Vliv inhibitorů na samovzněcovací proces, (Harašta 1987-2) .................................. 60 Obr. 4.9 Identifikační stránka vzorku č. 1 pasportizace 1999 - 2002, (Adamus 1999-1) ....... 61 Obr. 4.10 Nárůst teploty za adiabatických podmínek, pasport. 1999-2002, (VVUÚ 1999).... 64 Obr. 4.11 Závislost kritického rozměru na teplotě vzorku č. 1 pasportizace 1999-2002......... 65 Obr. 4.12 Uvolněná množství plynů vzorku č. 1 pasportizace 1999-2002, (VVUÚ 1999) ..... 68 Obr. 4.13 Průběh etylénu k vodíku, vzorek č. 1 pasportizace 1999-2002, (VVUÚ 1999) ...... 68 Obr. 4.14 Závislosti vlivu hašení uhlí vodou, vzorek č. 1 pasp. 1999-2002, (Taraba 1999-2) 70 Obr. 4.15 Výsledky rozborů metodou CPT, vzorek č. 1 pasportizace 1999-2002................... 71 Obr. 5.1 Odběr čtyř vzorků z profilu sloje č. 40 Dolu Dukla, ID 3/1, (Harašta 1987-2) ........ 79 Obr. 5.2 Odběr pěti vzorků z profilu sloje č. 40 Dolu 1. Máj, ID 2/1 (Harašta 1987-2)......... 80
6
Obr. 5.3 Odběr dvou vzorků z profilu sloje č. 40 Dolu 1. Máj, ID 2/2, (Harašta 1987-2)..... 81 Obr. 5.4 Odběr čtyř vzorků z profilu sloje č. 40 Dolu 1. Máj, ID 2/3, (Harašta 1987-2) ...... 82 Obr. 5.5 Vícenásobný odběr vzorků na čelbě č. 34026 Dolu Doubrava, ID 4........................ 83 Obr. 5.6 Ovlivnění výsledků metod hodnotících náchyl. k samovz., (Věžníková 2002-1) .... 87 Obr. 5.7 Aproximace indexu „INS“ s obsahem prchavých látek v hořlavině, (Boháč 2002). 92 Obr. 5.8 Aproximace indexu „INS“ s obsahem vodíku, (Boháč 2002) .................................. 93 Obr. 5.9 Průměrný vývin produktů tepelné oxidace uhelných vzorků OKR, (Šancer 2002).. 97 Obr. 5.10 Průběh uvolněných množství CO ............................................................................ 98 Obr. 5.11 Průměr a variační rozpětí vývinu CO ...................................................................... 98 Obr. 5.12 Uživatelská verze výpočetního programu „CnHm“................................................. 99 Obr. 5.13 Průběh binárního ukazatele C2H4/C2H6 vzorků OKR............................................ 100 Obr. 5.14 Průběh binárního ukazatele C2H4/C2H6 sloje č. 40 (18) Dolu Dukla..................... 100 Obr. 5.15 Průběh binárního ukazatele C2H6/C3H8 vzorků sloje č. 40 OKR ......................... 101 Obr. 5.16 Vyhodnocení binárního ukazatele C2H6/i-C4H10 programem CnHm .................... 103 Tab. 1.1 Výskyt CO a zápar v OKR v létech 1993 - 2003...................................................... 13 Tab. 2.1 Vzorky pasportizace v létech 1986 - 1996 a stav důlních děl v dubnu 2002............ 21 Tab. 2.2 Vzorky pasportizace zpracované v létech 1999 -2001.............................................. 27 Tab. 3.1 Macerálové skupiny a jejich podrozdělení podle ČSN ISO 7404-1 ......................... 33 Tab. 3.2 Kategorie náchylnosti uhlí k samovznícení podle Opinského (VVUÚ, a.s.) ........... 36 Tab. 3.3 Kategorie náchylnosti k samovznícení podle indexů SZb+F a SZ,(Věžníková 2000) 37 Tab. 3.4 Kategorie náchylnosti podle metody oxidace za adiabatických podmínek .............. 39 Tab. 3.5 Kategorie náchylnosti uhlí OKR k samovznícení podle průsečíkové metody CPT . 49 Tab. 5.1 Přehled uhelných vzorků pasportizace 1986 - 2001 ................................................. 74 Tab. 5.2 Zbytkové plyny ......................................................................................................... 75 Tab. 5.3 Náchylnost uhelných vzorků k samovz. vybraných slojí OKR (1986-1993) ........... 77 Tab. 5.4 Průměrné hodnoty náchylností k samovz. vybraných slojí OKR (1986-1993) ........ 78 Tab. 5.5 Hodnocení vícenásobného uhelného vzorku ID 3/1 ................................................. 79 Tab. 5.6 Hodnocení vícenásobného uhelného vzorku ID 2/1 ................................................. 80 Tab. 5.7 Hodnocení vícenásobného uhelného vzorku ID 2/2, (Harašta 1987-1) .................... 81 Tab. 5.8 Hodnocení vícenásobného uhelného vzorku ID 2/3 ................................................. 82 Tab. 5.9 Hodnocení vícenásobného uhelného vzorku ID 4 .................................................... 83 Tab. 5.10 Průměrné hodnoty základních vlastností uhel. vzor. pasportizace 1999-2001 ........ 85 Tab. 5.11 Průměrné hodnoty náchylností k samovz. vybraných slojí OKR (1999-2001) ....... 86 Tab. 5.12 Ovlivnění výsledků metod hodnotících náchylnost k samovznícení v %................ 87 Tab. 5.13 Hodnoty indexu „INS“ souboru uhelných vzorků pasportizace 1999 - 2001.......... 89 Tab. 5.14 Pořadí uhelných vzorků pasportizace 1999-2001 podle indexu INS....................... 90 Tab. 5.15 Pořadí slojí pasportizace 1999-2001 podle indexu INS........................................... 90 Tab. 5.16 Výsledky korelací a regresí indexu „INS“ s parametry uhlí.................................... 92 Tab. 5.17 Kritický rozměr pro teplotu 40 oC podle izotermické metody (RID) ...................... 94 Tab. 5.18 Průměrný vzorek OKR z hlediska náchylnosti k samovznícení .............................. 96
7
Seznam zkratek a symbolů Zkratky : ADR
- Evropská dohoda o mezinárodní silniční přepravě nebezpečných věcí, 64/1987 Sb. A/D - analogově-číslicový převodník, BET - Brunauer, S., Emmett, P.H., Teller, E., autoři metody adsorpční izotermy, CD - compact disc, elektronický nosič dat, CnHm - minoritní indikační plyny samovznícení uhlí, plynné uhlovodíky - etan, propan, butan, etylén, propylén, acetylén, CPT - Crossing Point Temperature - teplota bodu průsečíku, průsečíková metoda pro ověřování náchylností uhlí k samovznícení, ČBÚ - Český báňský úřad, ČSA - Důl Čs. armáda v Karviné, ČSM - Důl Čs. mládeže ve Stonavě,(sever, jih), ČSN - česká technická norma, D.T.A. - Differential Termal Analysis - diferenciální termická analýza, F - fuzit, HBZS, a.s. - Hlavní báňská záchranná stanice, akciová společnost, HGF - Hornicko-geologická fakulta, I - inertinit, ID - identifikace uhelných vzorků pasportizace podle tabulky 5.1, L - liptinit, LOC - Limiting Oxygen Concentration - limitní koncentrace kyslíku; objemové %, LU - lesklé uhlí, LUP - lesklé uhlí páskové, MU - matné uhlí, MUP - matné uhlí páskové, OBÚ - obvodní báňský úřad, OKD - Ostravsko-karvinské doly, OKR - Ostravsko-karvinský revír, OU - Ostravská univerzita, PC - personální počítač, PU - páskové uhlí, RID - Mezinárodní železniční řád pro přepravu nebezpečného zboží, 29/1998 Sb., SAD - Systém pro analýzu dat, výpočetní program (Harabiš 1999), Sb. - Sbírka zákonů ČR, SBS - Státní báňská správa, SHR - Severočeský hnědouhelný revír, SZ - samovznícení, ÚG AV ČR - Ústav geoniky akademie věd České republiky, VaV - výzkum a vývoj, VVUÚ, a.s. - Vědeckovýzkumný ústav Ostrava-Radvanice, akciová společnost, VŠB-TUO - Vysoká škola báňská - Technická universita v Ostravě, d.d - důlní dílo, s.l. - spodní lávka, v.l. - vrchní lávka
8
Symboly : A At BT Ct Cf Ht Id K KTa KTo KRo M MP N Od Qs Pr RC St Sc SZa SZb SZb+F T, UP V Vt Vporo W Wt Wex Wh a b c d da dr g qV,gr q30 r vmakp vmezp x y ∆T
-
popel; %, průměrný nárůst teploty stanovený metodou adiabatické oxidace; oC.h-1, bezpečná teplota; oC, uhlík veškerý; %, neprchavý uhlík (fixní uhlík); %, vodík veškerý; %, indukční doba; h, chrom-niklový termočlánek, kritická teplota stanovená metodou adiabatické oxidace; oC, kritická teplota stanovená izotermickou metodou (RID); oC, kritický rozměr stanovený izotermickou metodou (RID); m, kritérium hodnocení rizika vzniku samovznícení v OKR; -, minerální příměs; %, dusík; %, kyslík vypočítaný; %, spalné teplo; MJ.kg1, pórovitost; %, pevnost v tlaku; MPa, síra veškerá; %, síra hořlavá; %, index náchylnosti k samovz. podle Olpinského pro analytický vzorek; oC.min-1, index náchylnosti k samovz. podle Olpinského pro bezpopelový vzorek; oC.min-1, index nách. k sam. podle Olpinského použ. VVUÚ, a.s., do roku 1993; oC.min-1, teplota; K, specifický povrch, m2.g-1, prchavá hořlavina; %, vitrinit; %, objem pórů v rozmezí poloměrů 7500 až 5 nm; mm3.g-1, voda; %, voda veškerá; %, voda hrubá; %, voda zbylá; %, konstanta funkce; -, konstanta funkce; -, proměnná, faktor tvaru; -, hustota zdánlivá; kg.m-3, hustota skutečná; kg.m-3, proměnná, spalné teplo paliva při konstantním objemu v analytickém stavu; J.g-1; (MJ.kg-1), oxidační teplo, hodnotící parametr metody pulsní kalorimetrie; J.g-1, charakteristický rozměr; m, podíl objemu makropórů, rozmezí poloměru 50 až 7500 nm; %, podíl objemu mezopórů, rozmezí poloměru 5 až 50 nm; %, proměnná, proměnná, přírůstek teploty; K,
9
∆qW δp
- poměr q30 hašeného a nehašeného uhlí; -, - pevnost v prostém tlaku; MPa,
Horní indexy označování analytických ukazatelů stavu paliva podle ČSN 44 1310:2001 r a
d daf o af
- původní stav paliva: stav paliva s takovým obsahem vody a popela, se kterým se těží, dodává nebo spotřebuje, - analytický stav paliva: stav paliva charakterizovaný úpravou vzorku na zrnění pod 0,2 mm (nebo zrnění potřebné pro speciální metody zkoušení), jehož obsah vody je v rovnovážném stavu s vlhkosti laboratorní místnosti, - bezvodý stav paliva: stav paliva bez obsahu vody (mimo vodu hydrátovou), - hořlavina paliva: uzanční stav paliva bez vody a popela, - organická hmota paliva: uzanční stav paliva bez vody a popela, - stav paliva s obsahem vody bezpopelový: uzanční stav paliva bez popela s obsahem vody, odpovídající maximální nasákavosti.
10
0. Úvod Endogenní požáry byly a jsou jedním z vysoce rizikových faktorů dobývání uhelných zásob. Této otázce byla v Ostravském regionu věnována pozornost v osmdesátých létech minulého století především Vědeckovýzkumným uhelným ústavem v Ostravě-Radvanicích, později VVUÚ, a.s. V době, kdy Vědeckovýzkumný uhelný ústav v Ostravě-Radvanicích disponoval dvěmi metodami pro ověřování náchylnosti uhelné hmoty k samovznícení, metodou podle Olpinského a metodou oxidace za adiabatických podmínek a rovněž byla již zavedena metoda ověřování množství plynných produktů tepelného namáhání uhlí, tzv. metoda tepelné oxidace, vznikly první svazky pasportizace slojí OKR z hlediska samovznícení. Koncepční výzkumné práce pasportizace slojí byly na VVUÚ, a.s. ukončeny v roce 1993 a pokračovaly výzkumnou činností Hornicko-geologické fakulty Vysoké školy báňské - Technické univerzity v Ostravě v létech 1999 - 2002 v rámci projektu výzkumu a vývoje ČBÚ č. 3/99 s názvem „Snížení rizika vzniku samovznícení uhelné hmoty se zaměřením na indikační a prevenční metody“. V tomto období již byla ostravským pracovištěm akademie věd ČR a později Ostravskou universitou ověřena metoda pulsní kalorimetrie pro ověřování oxidačních vlastností uhelné hmoty. Citovaný výzkum ČBÚ podpořil výzkumné práce, jejíž součástí bylo ověření průsečíkové metody CPT, která jako čtvrtá metoda doplnila testy náchylnosti uhlí OKR k samovznícení. Za zmínku rovněž stojí metoda izotermická (RID), vycházející z mezinárodních podmínek pro přepravu nebezpečných látek, která byla v dvouletém období (1999-2000) rovněž využita ke stanovení tzv. kritické vrstvy uhlí z hlediska samovznícení. Svazky dílčích výzkumných zpráv pasportizace slojí z hlediska samovznícení uhlí vytvořily za celé období řešení 1986 až 2001 podklady o rozsahu celkem 1530 stran odborných textů obsahujících výsledky ověřování náchylnosti uhlí výše zmíněnými metodami s řadou dalších sledovaných parametrů souvisejících s chemicko-fyzikálními vlastnostmi. Celkem bylo analyzováno 64 uhelných vzorků OKR. Svazky pasportizací neměly charakter katalogů slojí tak, jak jsou známy v zahraničí, např. (Lindenau 1982). Byly koncipovány především jako podklady dokumentující chemicko-fyzikální vlastnosti konkrétních lokalit uhelných slojí OKR v místech soustředěné těžby. Cílem autora monografie bylo podat ucelený obraz o obsahu pasportizace slojí OKR z hlediska náchylnosti k samovznícení za celé období tohoto výzkumu 1986 - 2001. Monografie předkládá výklad hodnocených parametrů a použitých metod. Podstatnou části obsahu monografie se stalo vyhodnocení sledovaných parametrů, které přináší poznatky o náchylnosti slojí OKR k samovznícení za předmětné období. Snahou autora bylo vyjádřit v koncentrované podobě již zmíněný 1530 stran odborných textů. Monografie kompiluje období 16-ti let předmětného výzkumu. V průběhu této doby došlo k přejmenování hornických názvů některých dolů OKR. Byl to především Důl Barbora v Karviné, u kterého bylo změněno jméno dne 1. 5. 1991 z Dolu 1.Máj na Důl Darkov, závod 1, (zkráceně Důl Darkov 1). Jméno Důl Darkov 1 přetrvalo do ledna roku 2003, kdy bylo tomuto dolu navráceno historické jméno Důl Barbora. Těžba Dolu Barbora v Karviné byla ukončena dne 16. 12. 2002. Důl 9. květen ve Stonavě byl přejmenován v roce 1991 na Důl Darkov, závod 3 (zkráceně Důl Darkov 3). Z důvodu autentičnosti byly v monografii ponechány v četných případech dobové názvy dolů. Monografie je určena odborné hornické veřejnosti a posluchačům HGF-VŠB TU Ostrava, oboru hornického inženýrství. Bylo snahou autora doplnit studijních materiálu v oblasti
11
bezpečnosti dolů a problematiky samovznícení, ke kterým bezesporu patří díla (Makarius 1981, 1993), (Faster 2000), (Balog 1999), (Taraba 2003) a další. 1. Riziko endogenních požárů v OKR Samovznícení uhelné hmoty je závažným rizikem vyskytujícím se v karvinské části OKR. Náchylnost uhelné hmoty k samovznícení je podmíněna stupni prouhelnění v rozmezí od lignitu až k antracitům. V případě hlubinné těžby lignitu nedochází zpravidla k projevům samovznícení v důlních podmínkách z důvodu značného obsahu vody (Wr až 48 %, Wr původní obsah vody). Vysokou náchylnost k samovznícení projevují hnědá uhlí (Vdaf > 40 %, Vdaf - prchavá hořlavina stavu paliva bez vody a popela), v četných případech projevují náchylnost k samovznícení méně prouhelněná černá uhlí (Vdaf = 20 - 40 %). U více prouhelněných typů černých uhlí a antracitů (Vdaf < 20 %) dochází k samovznícení zcela vyjímečně. V době zpracování rukopisu monografie (leden 2004) byl autorovi znám pouze jediný případ samovznícení uhlí v ostravských slojích - ohnisko v uhelné zásobě opuštěné sýpy strmého porubu č. 231892 Dolu Šverma v Ostravě v roce 1972 (Hájek 1972). I v tomto případě se nedá hovořit o samovznícení ve sloji, neboť šlo již o rozmělněné uhlí v sýpě. Tyto okolnosti potvrzují význam chemické vlastnosti uhelné hmoty, kterou označujeme nejčastěji jako náchylnost uhlí k samovznícení (také predispozici k oxidaci). Hodnocení této vlastnosti uhelné hmoty by nemělo chybět při posuzování možného rizika vzniku samovznícení v hodnocených lokalitách. Lze konstatovat, že riziko vzniku samovznícení v důlním provozu je podmíněno třem faktorům, chemicko-fyzikálním vlastnostem uhlí, přírodním podmínkám dobývání a technickým podmínkám dobývání. Přesto, že je známo několik základních teorií samovznícení uhlí (pyritová teorie, teorie fenolová, teorie bakteriová, teorie elektrochemické koroze, teorie působení tlaku, teorie komplexu uhlík-kyslík), není dosud kinetika samovznícení z chemického hlediska zcela detailně objasněna. Z dosavadních praktických i teoretických poznatků je však nepochybné, že se jedná o oxidační reakci vzdušného kyslíku s uhelnou hmotou. Z tohoto principu vyplývají základní příčiny vzniku samovznícení, kterými jsou přítomnost uhelné hmoty náchylné k samovznícení v důlních dílech a přístup vzdušného kyslíku k uhelné hmotě. Z dosavadní důlní praxe karvinské části OKR je všeobecně známo, že nejčastěji dochází k záparům v závalových prostorách stěnových porubů s přítomnosti uhelné hmoty. V případech dlouhých důlních děl převažují zápary ve výlomech. Studie (Taraba 1996) potvrdila formou statistických šetření 115-ti případů samovznícení v karvinské části OKR v létech 1985 - 1995 vznik 68 % samovznícení v porubech a 32 % v dlouhých důlních dílech. Nejčastější příčinou vzniku samovznícení v porubech byla přítomnost uhelné hmoty v závalovém prostoru (62 %) v podobě nebilanční sloje (37 %) a technologické lávky (25 %). Přítomnost tektoniky v porubech se podílela na samovznícení podílem 33%. Zbývajících 5 % připadlo na zápary v pilířích. V případě dlouhých důlních děl připadlo 60 % na výlomy, 20 % na tektoniku a 20 % na pilířky oddělující stařiny. Sloje s nejčastějším výskytem endogenních požárů byly sedlové sloje č. 37, (26 případů), č. 38 (10 případů), č. 40 (8 případů) č. 35 (8 případů). Později bylo autorem předložené monografie vypracováno hodnocení výskytu oxidu uhelnatého v OKR za období 1993 - 2003 zahrnující rovněž rozvinuté zápary a znovu obnovené endogenní požáry. Podklady pro analýzu četností případů výskytu CO byly poskytnuty OBÚ v Ostravě. Výsledky analýzy uvádí tabulka 1.1 a obrázky 1.1 - 1.3.
12
Kritériem záznamů případů byla ohlašovací povinnost výskytu oxidu uhelnatého podle ustanovení čl. 05 rozhodnutí OBÚ v Ostravě č. 10/1990 (hlášení koncentrace 30 ppm a vývinu 10 l.min-1). Byly hodnoceny pouze případy výskytu oxidu uhelnatého endogenního původu. Tabulka 1.1 uvádí v druhém sloupci zleva celkový výčet případů, následně rozděleno ve třetím a čtvrtém sloupci na případy v porubech a dlouhých důlních dílech. V dalších sloupcích tabulky následuje výčet případů samovznícení podle důlních závodů. Zde jsou uvedeny důlní závody s vyšším počtem případů než 5 v období 1993-2003. Není zde uveden např. Důl František (jediný zápar v roce 1993). Další sloupce tabulky uvádějí četnost případů ve slojích s počtem vyšším jak čtyři případy v hodnoceném období. Poslední sloupec tabulky shrnuje případy v ostatních deseti zaznamenaných slojích (sloje č. 17, 20, 22, 24, 28, 31, 32, 33, 34, 35). Tab. 1.1 Výskyt CO a zápar v OKR v létech 1993 - 2003
CE
OKR PO
DD
ČA
DO
LA
DU
Doly D1
D2
D3
ČJ
ČS
29
36
37
Sloje 38 39
40
OS
21 15 6 5 6 2 3 1 0 3 0 0 0 3 3 1 7 4 25 14 11 4 5 6 0 1 1 4 3 1 3 0 4 4 5 5 18 16 2 4 3 3 1 2 1 3 1 0 0 2 4 1 3 3 19 13 6 5 4 4 0 3 0 2 1 0 1 0 5 2 6 4 19 17 2 2 4 4 1 5 2 1 0 0 0 0 3 1 3 11 20 13 7 6 3 2 2 4 2 0 1 0 1 0 4 4 4 5 21 15 6 1 3 3 1 5 2 4 0 2 2 0 3 4 1 8 18 17 1 1 2 3 3 4 1 1 2 1 3 0 1 2 2 8 13 11 2 0 0 0 2 7 2 0 1 1 1 0 1 2 0 7 21 20 1 3 2 2 3 2 4 3 1 1 1 0 1 5 3 8 21 16 5 3 3 2 0 5 2 6 0 0 0 0 0 1 4 13 216 167 49 34 35 31 16 39 17 27 10 6 12 5 29 27 38 76 Zkratky použité v tabulce 1.1: CE - celkem; PO - poruby; DD - dlouhá důlní díla; ČA - Důl ČSA; DO - Důl Doubrava; LA - Důl Lazy; DU - Důl Dukla; D1 - Důl Darkov, závod 1 (1. Máj/ Barbora), D2 - Důl Darkov, závod 2; D3 - Důl Darkov, závod 3 (9. květen); ČJ - Důl ČSM Jih; ČS - Důl ČSM Sever; OS - ostatní.
3 4 5 1 1 2 3 2 2 3 3 29
1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 Souč.
Výskyt CO a zápar v OKR
Počet případů
30 25 20 15 10 5 0 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 OKR
Poruby
Dlouhá d.d.
Obr. 1.1 Výskyt oxidu uhelnatého a zápar v OKR v létech 1993 -2003
13
Vývoj četnosti záparů ve slojích OKR 14
Počet případů
12 10 8 6 4 2 0 1994 1995 1996
1997 1998 1999
Sloj č. 29
Sloj č. 36
Sloj č. 39
Sloj č. 40
2000 2001 2002 2003
Sloj č. 37
Sloj č. 38
Obr. 1.2 Vývoj četnosti výskytu zápar ve slojích OKR v létech 1993 - 2003
OKR - zápary ve slojích v létech 1993 - 2003 76
Počet případů
80 70 60 50 40 30 20 10 0
38
5
36
27
29
38
37
29
12
29
39
40
číslo sloje
Obr. 1.3 Počet zápar ve slojích OKR v létech 1993 - 2003
14
ostatní
Z uvedených hodnocených dat za dané období zcela jednoznačně vyplývá již výše zmíněná skutečnost převahy výskytu zápar v porubech. Z celkového počtu hodnocených případu 213 připadlo 167 na výskyt v porubech, což činí 78 %. Průměrná celková četnost případů ročně se přiblížila číslu 20. Výskyt zápar byl přibližně 15 případu ročně v porubech a více jak 4 v dlouhých důlních dílech. Nejvyšší počet případů byl zaznamenán na Dole Darkov, závod 1, celkem 39 případů. Těžba na tomto důlním závodě byla ukončena v prosinci roku 2002. Mezi ostatní doly s relativně četným výskytem zápar patřil Důl Doubrava (35 případů), Důl Lazy (31 případů) a Důl Darkov, závod 3 (27 případů). U ostatních hodnocených dolů nepřesáhl celkový počet zápar v hodnoceném období počet 17. Obrázek 1.3 uvádí četnost případu ve slojích nejvíce zatížených zápary. Celkem 81 % všech případů se vyskytlo v sedlových slojích (sloje č. 34-40) s dominantní četností případů ve sloji č. 40, na kterou připadlo 76 případů, tj. 35 %. Z vývojového trendu obrázku 2.2 je rovněž zřejmý nárůst četnosti případů ve sloji č. 40. Tyto skutečnosti vyplývají z náchylnosti uhlí sedlových slojí k samovznícení a rovněž z koncentrace těžby v tomto souvrství. Hodnocení rizika vzniku samovznícení v OKR ukládají individuální protizáparové interní směrnice důlních podniků (v létech 1997 - 1999 směrnice č. 33/97 OKD, a.s., „Prevence proti samovznícení“) v podobě kritéria „M“. Kritérium „M“ zahrnuje hodnocením 15-ti technicko – provozních faktorů podle autora (Matušek 1975). Na rozdíl od běžných postupů v zemích s vyspělým hornictvím neobsahuje kritérium „M“ hodnocení vlivu chemicko-fyzikálních vlastností uhlí. Zvýšené riziko vzniku samovznícení v OKR představuje přítomnost pestrých vrstev v dobývacích polích důlních podniků. V roce 1993 byl tento rizikový faktor ošetřen interní směrnici OKR, a.s., v podobě dodatku č. 1 ke Směrnici č. 2/91 s názvem „Prevence proti samovznícení uhlí při hornických pracích v blízkosti pestrých vrstev a při situování chodeb a prorážek ve spodních lávkách“. V roce 1999 byl obsah předmětného dodatku zapracován do většiny individuálních protizáparových směrnic dílčích důlních podniků OKR. Opatření protizáparových směrnic k minimalizaci rizika vzniku samovznícení v blízkosti pestrých vrstev ukládají v případech porušenosti horského masívu vymezení ochranného pásma (celíků) 20 m od hranice alteračních změn uhlí.
2. Pasportizace slojí OKR z hlediska náchylnosti k samovznícení Pozornost věnovaná náchylnosti uhelných slojí OKR k samovznícení dostala od roku 1986 konkrétní podobu ve formě již v úvodu zmíněné, „Pasportizace uhelných slojí z hlediska samovznícení“. Do roku 2002 probíhala tato pasportizace ve dvou obdobích. V prvém období byla pasportizace realizována v létech 1986 - 1993 VVUÚ, a.s., kdy bylo zpracováno celkem 41 uhelných vzorků OKR. V druhém období pokračovala pasportizace v létech 1999 - 2002 v rámci projektu VaV ČBÚ č. 3/1999, jehož řešitelem byla Hornicko-geologická fakulta Vysoké školy báňské - Technické univerzity v Ostravě. V druhém období bylo zpracováno celkem 31 uhelných vzorků, z toho 23 z OKR. Pasportizace zahrnovala zadokumentování výsledků laboratorních rozborů vybraných uhelných vzorků reprezentujících především náchylné sloje OKR k samovznícení. Výjimku tvořily uhelné vzorky zpracované v roce 2002,
15
které byly odebrány mimo OKR (jihomoravský lignit, severočeská hnědá uhlí, černá uhlí kladenského černouhelného revíru), celkem 8 vzorků. 2.1
Pasportizace uhelných slojí OKR realizovaná v létech 1986 - 1993
Pasportizace slojí náchylných k samovznícení byla v létech 1986 - 1993 zaměřena především na některé vybrané sloje karvinské části OKR. Zadavatelem byla správa Ostravsko-karvinských dolů (OKD). Hodnocení slojí bylo ve formě písemných zpráv předáno OKD a důlním organizacím, v jejichž lokalitách byly odebírány vzorky. Obsah pasportizace slojí OKR náchylných k samovznícení 1986 - 1993 poskytoval řadu informací o vlastnostech vzorků, mezi které patřily např. základní a elementární rozbor, pórovitost, specifický povrch, makropetrografický popis vzorku, obsah zbytkových plynů, hodnocení náchylnosti k samovznícení metodou Olpinského a metodou adiabatické oxidace. V dané době byly pro uhelné vzorky ověřovány také vhodné chemické inhibitory ovlivňující náchylnost uhelné hmoty k samovznícení. Většina vzorků byla rovněž podrobena hodnocení množství uvolněných plynných produktů tepelné oxidace. V létech 1986-1988 byla u třiceti uhelných vzorků ověřena zpětná adsorpce plynných uhlovodíků uvolněných při tepelné oxidaci. Ilustrační foto výzkumných zpráv pasportizace 1986 - 1993 viz obr. 2.1.
Obr. 2.1 Dílčí výzkumné zprávy pasportizace VVUÚ Ostrava-Radvanice 1986 - 1993
16
Dílčí výzkumné zprávy obsahovaly následující informace a hodnocené parametry : • • • • • • • • • • • • • • •
lokalita odběru vzorku, makropetrografický popis, základní a elementární rozbor, pórovitost, specifický povrch, hustota, zbytkový plyn, plynonosnost (1986), koncentrace a uvolněná množství plynů v teplotním rozsahu 40-380 oC, resp. 40-200 oC, rozbory plynných produktů tepelné oxidace v závislosti na teplotě, zpětná adsorpce plynných uhlovodíků, hodnocení náchylnosti k samovznícení metodou adiabatické oxidace, hodnocení náchylnosti k samovznícení metodou Olpinského, hodnocení účinnosti inhibitorů, zpětná adsorpce uvolněných plynů (1986-1988).
Uvedené parametry nebyly v celé šíři stanoveny u všech vzorků, protože pasportizace probíhala v rámci různých projektů VaV a jejich náplň se měnila podle požadavků zadavatele. Plynonosnost byla ověřena pouze u tří vzorků v roce 1986.
2.1.1 Výzkumné zprávy pasportizace 1986 - 1993 V následujícím výčtu jsou uvedeny obsahy dílčích výzkumných zpráv předmětné pasportizace z hlediska výčtu vzorků zpracovaných v létech 1986 - 1993. Seznam a doplňující informace byly zpracovány ve spolupráci s VVUÚ a.s. (Věžníková 1999-1) a důlními podniky OKR. Uvedená jména důlních podniků odpovídají dané době zpracování zpráv. Identifikace vzorků (ID) je specifikována v úvodu kapitoly č. 5, tab. 5.1. Výzkumné zprávy pasportizace slojí OKR náchylných k samovznícení (1986 - 1993) : • Harašta, M, et al.: Pasportizace 40. sloje Dolu 1. Máj z hlediska samovznícení. Výzkumná zpráva předávací etapy SÚ P 01-125-807, DÚ 07 Výzkum samovznícení uhelných slojí OKR, VVUÚ Ostrava-Radvanice, Ostrava 1986. Zpracované uhelné vzorky obsažené ve zprávě (ID 1/1 - 1/10): - Důl 1. Máj, sloj Prokůpek, třída 140 240, - Důl 1. Máj, 40. sloj, 2. kra, třída 140 240, v.l., - Důl 1. Máj, 40. sloj, 3. kra, prorážka 140 341, (vpravo od poruchy), - Důl 1. Máj, 40. sloj, 3. kra, prorážka 140 341, (vlevo od poruchy), - Důl 1. Máj, 40. sloj, 3. kra, porub 140 300, v.l.,
17
- Důl 1. Máj, 40. sloj, 3. kra, porub 140 310, v.l., - Důl 1. Máj, 40. sloj, 4. kra, třída 140 433, sp.l., - Důl 1. Máj, 40. sloj, 5. kra, porub 140 502, - Důl 1. Máj, 40. sloj, 8. kra, porub 140 807, v.l., - Důl 1. Máj, 40. sloj, 8. kra, porub 140 813, sp.l. • Harašta, M, et al.: Doplněk k pasportizaci 40. Sloje Dolu 1. Máj z hlediska samovznícení. Výzkumná zpráva předávací etapy SÚ P 01-125-807, DÚ 07 Výzkum samovznícení uhelných slojí OKR, VVUÚ Ostrava-Radvanice, Ostrava 1987. Zpracované uhelné vzorky obsažené ve zprávě (ID 2/1 - 2/3): - Důl 1. Máj, 40. Sloj, 4. kra, třída 140 431, sp.l. - Důl 1. Máj, 40. Sloj, 8. kra, porub 140 807, v.l. - Důl 1. Máj, 40. Sloj, 4. kra, prorážka porubu 140 812. • Harašta, M, et al.: Pasportizace 18. Sloje podle polí na Dole Dukla z hlediska samovznícení. Výzkumná zpráva předávací etapy SÚ P 01-125-807, DÚ 07 Výzkum samovznícení uhelných slojí OKR), VVUÚ Ostrava-Radvanice, Ostrava 1987. Zpracované uhelné vzorky obsažené ve zprávě (ID 3/1 - 3/7): - Důl Dukla, porub 18 113, 9 m od výdušné třídy 18 155, - Důl Dukla, porub 18 113, 20 m od výdušné třídy 18 155, - Důl Dukla, třída 18 268, st. 342 m, - Důl Dukla, třída 18 364, st. 124,5 m, - Důl Dukla, porub 18 401, v.l., - Důl Dukla, porub 18 411, sp.l. - Důl Dukla, porub 18 511, st. 330, 1m. • Harašta, M, et al.: Pasportizace uhelných slojí vybraných dolů OKR z hlediska samovznícení (Dukla, 1. Máj, Doubrava). Výzkumná zpráva předávací etapa SÚ P 01-125807, DÚ 07 Výzkum samovznícení uhelných slojí OKR, VVUÚ Ostrava-Radvanice, Ostrava 1988. Zpracované uhelné vzorky obsažené ve zprávě (ID 4/1 - 4/10): - Důl Dukla, sloj Prokůpek, rubání 18 213, - Důl 1. Máj, 40. sloj, 2. kra, tř. 140 221, - Důl 1. Máj, 37. sloj, 9. kra, prorážka rubání 137 913, - Důl Doubrava, 37. sloj, 1. kra, čelba 137 38, - Důl Doubrava, 37. sloj 4. kra čelba 437 81, - Důl Doubrava, 37. sloj 6. kra čelba 637 42, - Důl Doubrava, 37. sloj 9. kra porub 937 72, - Důl Doubrava, 37. sloj 9.kra čelba 937 19, - Důl Doubrava, 39. sloj 1.kra čelba 139 30, - Důl Doubrava, 39. sloj 7.kra čelba 739 19.
18
• Věžníková, H.: Pasportizace vzorku z 37. Sloje Dolu Doubrava z hlediska náchylnosti k samovznícení. Výzkumná zpráva VVUÚ Ostrava-Radvanice, Ostrava 1991. Zpracované uhelné vzorky obsažené ve zprávě (ID 5/1): - Důl Doubrava, 37. sloj, důlní dílo č. 23714 IV, staničení 155 m, • Věžníková, H.: Pasportizace uhelných slojí vybraných dolů z hlediska samovznícení (Lazy, Doubrava, Handlová). Dílčí výzkumná zpráva k PV 6a: Hodnocení základních parametrů uhelné hmoty vytypovaných otevřených slojí karvinského souvrství OKR a slojí SUB z hlediska náchylnosti k samovznícen, VVUÚ Ostrava-Radvanice, Ostrava 1991. Zpracované uhelné vzorky obsažené ve zprávě (ID 6/1 - 6/6): - Důl Lazy, 39. sloj, prorážka porubu 139306, - Důl Lazy, 40. sloj, třída 40603, - Důl Lazy, 40. sloj, prorážka porubu 140602, - Důl Lazy, porub 139306, (vzorek nebyl zařazen do závěrečného vyhodnocení), - Důl Doubrava, 39. sloj, 6. kra, st. 25, - Důl Lazy, sloj 33a (P), porub 16 864.
• Věžníková, H. et al.: Hodnocení základních parametrů uhelné hmoty vytypovaných otevřených slojí karvinského souvrství OKD a slojí SUB z hlediska náchylnosti k samovznícení (Darkov). Dílčí výzkumná zpráva k PV 6a: Hodnocení základních parametrů uhelné hmoty vytypovaných otevřených slojí karvinského souvrství OKR a slojí SUB z hlediska náchylnosti k samovznícení, VVUÚ Ostrava-Radvanice, Ostrava 1992. Zpracované uhelné vzorky obsažené ve zprávě (ID 7/1 - 7/2): - Důl Darkov z. 1, 37. Sloj, porub 137151.5, - Důl Darkov z. 1, 39. Sloj, porub 139130.
• Věžníková, H.: Hodnocení stavu samovznícení v uzavřených požářištích. Výzkumná zpráva k předávací etapě PV 5: Technologický postup použití dusíku pro účinné tlumení samovzněcovacího procesu v závalu a pro uzavřená požářiště, VVUÚ Ostrava-Radvanice, Ostrava 1993. Zpracované uhelné vzorky obsažené ve zprávě (ID 8/1 - 8/3): - Důl Doubrava, rubání 63960, u ústí tř. 639141 do porubu - Důl Dukla, (38. sloj), rubání 16415, - Důl Darkov, závod 1, čelba chodby 139130.4.
19
Kvantitativní přehled pasportizace 1986 - 1993 Počty zpracovaných vzorku podle slojí a důlních podniků : • Celkový počet zpracovaných vzorků: • Počet zpracovaných vzorků podle slojí : Sloj 37. Sloj 38. Sloj 39. Sloj 40. (Prokůpek včetně) Důl Lazy, sloj 33a., (P) (606)
41 7 1 8 24 1
• Počet zpracovaných vzorků podle důlních podniků : Důl 1. Máj (Darkov, závod 1.) Důl Doubrava Důl Dukla Důl Lazy
17 10 9 5
Aktuálnost a dostupnost pasportizace 1986-1993 Tabulka 2.1 uvádí přehled a aktuální stav důlních děl v dubnu 2002, ve kterých byly pro účely pasportizace odebírány vzorky v létech 1986 - 1993. Jména dolů jsou vztažena k roku 2002. Z uvedeného přehledu tab. 2.1 vyplynulo, že pouze jedno důlní dílo z 41 bylo v dubnu roku 2002 činné : •
třída 13930 v 1. kře, 39. sloje Dolu Doubrava, větrní základna.
V ostatních případech bylo možné přeneseně využít výsledky pasportizace ´86 -´93 : • Důl Darkov, závod 1. - pro dobývání 40. sloje v 1., 8. a 9. kře, bylo možné pro orientační přehled vlastnosti uhlí 40. sloje použít výsledky rozboru 13 vzorků odebraných na Dole 1. máj ve 40. sloji v 2. 3. 4. 5. a 8. kře, • Důl Doubrava – při dobývání 37. sloje v 1. kře bylo možné použít výsledky rozboru 1 vzorku z 37 sloje 1. kry, při dobývání 39. sloje bylo možné přeneseně využít výsledky rozborů 4 vzorků odebraných z 39. sloje z 1., 6. a 7. kry, • Důl Dukla – při dobývání 40. sloje v 1. a 4. kře bylo možné přeneseně použít výsledky 9 rozborů vzorků 40. sloje z 1., 2., 3., 4. a 5. kry, • Důl Lazy – při dobývání 40. sloje ve 3, kře bylo možné využít výsledky rozborů 2 vzorků 40. sloje odebraných v 6. kře.
20
Tab. 2.1 Vzorky pasportizace v létech 1986 - 1996 a stav důlních děl v dubnu 2002. Důl Darkov,z.1 Darkov,z.1 Darkov,z.1 Darkov,z.1 Darkov,z.1 Darkov,z.1 Darkov,z.1 Darkov,z.1 Darkov,z.1 Darkov,z.1 Darkov,z.1 Darkov,z.1 Darkov,z.1 Darkov,z.1 Darkov,z.1 Darkov,z.1 Darkov,z.1 Doubrava Doubrava Doubrava Doubrava Doubrava Doubrava Doubrava Doubrava Doubrava Doubrava Dukla Dukla Dukla Dukla Dukla Dukla Dukla Dukla Dukla Lazy Lazy Lazy Lazy Lazy Pozn.:
Kra 1. 1. 1. 2. 2. 2. 3. 3. 3. 4. 4. 5. 8. 8. 8. 8. 9. 1. 1. 4. 4. 6. 6. 6. 7. 9. 9. 1. 1. 2. 2. 3. 4. 4. 4. 5. 3. 3. 6. 6. 8.
Sloj 37. 39. 39. Prokůpek 40. 40. 40. 40. 40. 40. 40. 40. 40. 40. 40. 40. 37. 37. 39. 37. 37. 37. 39. 39. 39. 37. 37. 18.(40.) 18.(40.) 18.(40.) Prokůpek 18.(40.) 18.(40.) 18.(40.) 16.(38.) 18.(40.) 39. 39. 40. 40. P606 (33.)
Důl.dílo P137151.5 P139130 Č139130.4 . T140240 T140240vl T140221 Pr140341 P140300vl P140310spl T140433spl T140431 P140502 P140807vl P140813spl P140807 P140812 Pr137913 Č13738 Č13930 43781,IV Č43781 Č63742 T. st. 25 R639141 Č73919 R93772 Č93719 P18113a P18113b T18268 P18213 T18364 P18401vl P18411spl P16415 P18511 P139306a P139306b T40306 P140602 P16864
Stav d.d. v dubnu 1999 d.d. uzavřeno, v 1. kře je dobývána 40. d.d. uzavřeno, sloj s perspektivou těžby 2002 d.d. uzavřeno, kra uzavřena kra uzavřena kra uzavřena d.d. uzavřeno, d.d. uzavřeno d.d. uzavřeno d.d. uzavřeno d.d. uzavřeno d.d. uzavřeno, d.d. uzavřeno, činné d.d., d.d. uzavřeno, d.d. uzavřeno kra uzavřena
v 8. (9.) kře příprava spodní lávky 40. sloje s perspektivou těžby 2005-2007 z dobývacího pole závodu Darkov 2 dobývá se 40. sloj dob. se 37. sl., pers. 1 rok větrní základna výhledově se bude dob. 39. a 40. a sloj 2003-04
d.d. uzavřeno kra uzavřena
plán těžby 40. sl od r.2002
d.d. uzavřeno, v 1. kře končí těžba 40. d.d. uzavřeno sloje v roce 2002 kra uzavřena d.d. uzavřeno, d.d. uzavřeno, d.d. uzavřeno, d.d. uzavřeno kra uzavřena d.d. uzavřeno, d.d. uzavřeno, kra uzavřena
těžba končí 2002 ve 4. kře se bude dále těžit sloj. č. 40 do cca 2004
dobývá se 38.
sloj (4. čtvrtletí 2002)
ve 3. kře je dobývána sloj 40. s perspektivou 1 rok
T - třída, Č - čelba, P - porub, Pr – prorážka, vl – vrchní lávka, spl – spodní lávka, d.d. - důlní dílo
V rámci konzultací na důlních podnicích v roce 1999 bylo ověřeno, že uvedené publikace pasportizace 1986 - 1993 nebyly zpravidla na důlních podnicích dostupné. Dostupnost uvedených publikací poskytoval VVUÚ a.s. v rámci služby. Uvedené práce byly rovněž uloženy v archívu OKD a.s., Uhlířska 10, Ostrava-Michalkovice a byly kompilovány Institutem hornického inženýrství, oddělením důlního větrání a bezpečnosti HGF VŠB-TUO v Ostravě. Přehled obsahu uvedené pasportizace byl publikován v literatuře (Adamus 2000-3), (Adamus 2002-4). Databáze uvedených 41 ověřených uhelných vzorků vytvořila základ pro jeden z dílčích úkolů projektu VaV ČBÚ č. 3/99.
21
2.2
Pasportizace uhelných slojí OKR realizovaná v létech 1999 - 2002
V roce 1999 byl zahájen v rámci výzkumné činnosti Českého báňského úřadu výzkumný projekt č. 3/99, zaměřený především na prevenci samovznícení uhlí v hlubinných dolech s názvem „Snížení rizika vzniku samovznícení uhelné hmoty se zaměřením na indikační a prevenční metody“, který byl součásti programu výzkumu a vývoje ČBÚ, „Zvýšení úrovně práce v dolech a eliminace nebezpečí od unikajícího metanu z uzavřených důlních prostor“. Jeden z dílčích úkolů citovaného projektu se zabýval kategorizací slojí České republiky z hlediska jejich náchylnosti k samovznícení pomocí laboratorních zkoušek se zohledněním dosavadních i zahraničních poznatků. Výzkum probíhal v létech 1999 - 2002. Řešitelem projektu byla HGF VŠB - TUO. Výsledky tohoto výzkumu byly obsahem dílčích výzkumných zpráv (Adamus 1999 - 2002). Ilustrační snímek výzkumných zpráv pasportizace 1999-2002 viz obr. 2.2.
Obr. 2.2 Dílčí výzkumné zprávy pasportizace HGF VŠB-TUO 1999 - 2002 Harmonogram odběrů a zpracování vzorků pasportizace byl rámcově smluvně zajištěn smlouvou k předmětnému projektu VaV ČBÚ č. 3/1999 (smlouva mezi ČBU a VŠB-TUO č. 2435/99/III). Technické podrobnosti k realizaci pasportizace byly předmětem jednání koordinační komise svolané děkanem HGF-VŠB TUO dne 1. 12. 1999. Komise se zabývala stavem předchozí pasportizace slojí OKR (pasportizace VVUÚ Ostrava-Radvanice 19861993), její aktuálnosti a možnostmi využití, určením lokalit a slojí vhodných pro zařazení do následující pasportizace z pohledu aktuálnosti těžby a rizikovosti vzniku endogenních požárů, upřesněním způsobu odběru a přípravy uhelných vzorků, upřesněním hodnocených chemickofyzikálních parametrů uhelné hmoty, projednáním návrhů pro zařazení binárních bezrozměrných ukazatelů indikačních plynů pro hodnocení stavu samovznícení a technickou a formální koordinací kooperujících pracovišť. Jednání komise se zúčastnili zástupci SBS, OKD a.s, HBZS, a.s., Ostrava, VVUÚ, a.s., Ostrava, OU (OU - Ostravská univerzita), firmy Technovent s.r.o. a HGF VŠB-TUO. Koordinační komisí byl projednán, upraven a přijat následující rámcový harmonogram odběru vzorků :
22
1999
- 2 vzorky OKR, Důl ČSA, závod Jan Karel, sloj 40., sloj 19. , - 1 vzorek OKR, Důl Doubrava, sloj 39. , 2000 - 2 vzorky OKR, Důl ČSA, závod Jan Karel, aktuální sloje (17., 19., 37., 39., 40.), - 3 vzorky OKR, Důl Doubrava, aktuální sloje (14., 37., 39., 40.), - 4 vzorky OKR, Důl Lazy, sloje (39., 40.), - 1 vzorek OKR, Důl Dukla, (sloj ostravská), 2001 - 10 vzorků na dolech OKR – doly ČSM (ČSM – Důl Čs. mládeže) 9. květen, Paskov (sloje ostravské), 2002 - 8 vzorků mimo OKR (Kladenský revír - 2, Sokolovský revír - 2, Severočeský hnědouhelný revír -3, Jihomoravský lignit - 1). Členy koordinační komise byla diskutována otázka odebírání vzorků způsobem zásekovým a bodovým. Ze stran praxe, zástupce dolu ČSA (Důl Čs. armáda v Karviné) a SBS (státní báňská správa) bylo doporučeno odebírat vzorky bodově, převážně pod stropem profilu. V rámci přípravy vzorků byl sjednocen způsob sušení vzorků pro zúčastněná kooperující pracoviště VVUÚ, a.s., VŠB-TUO, OU. Pro pracoviště OU a HGF VŠB-TUO byl přijat způsob dosud aplikovaný VVUÚ, a.s.. Vzorky byly uchovávány až do rozboru v dusíkové atmosféře, poté sušeny vakuově 24 hodin při teplotě 60 oC, zrnitosti cca 1 mm. Kooperující pracoviště Ostravské univerzity aplikovalo vzhledem ke specifické metodě pro hodnocení náchylnosti uhlí k samovznícení (pulsní průtokové kalorimetrie) částečně odlišný postup přípravy vzorků (rozbory s původním obsahu vody a s odlišnou zrnitosti). Komise vzala na vědomí způsob ověřování limitní koncentrace kyslíků samovznícení, kterou navrhla HGF VŠB-TUO a to při koncentraci 10 % O2. Byl diskutován způsob tepelného namáhání uhelného vzorku v dusíkové atmosféře ve vztahu k ověření vlivu inertizace dusíkem na náchylnost uhelné hmoty k samovznícení. Komise doporučila vystavení uhelné hmoty dusíku po dobu 24 hodin při teplotě 120 oC. Obsah pasportizace 1999-2002 byl z hlediska hodnocených fyzikálně-chemických parametrů uhelných vzorků předmětem smluvních podmínek mezi objednatelem a vykonatelem a byl upřesněn koordinační komisí dne 1.12. 2000. Dodatečně byla zařazena a doplněna pórovitost uhelných vzorků. Věcný obsah pasportizace a spolupráce koordinujících pracovišť byla koordinační komisi upřesněna následovně : • • • • • • • • • • • • • • • •
Popis místa odběru vzorku, profil - VŠB-TUO, důlní podnik, Makropetrografický popis vzorku - VŠB-TUO, důlní podnik, Pevnost, hustota - důlní podnik, Základní chemický rozbor - VŠB-TUO, Elementární rozbor - VVUÚ, a. s., Mikropetrografická analýza - Ústav geoniky AV ČS, Specifický povrch - VŠB-TUO, Pórovitost - OU, Náchylnost k samovznícení podle Olpinského - VVUÚ, a. s., Náchylnost k samovznícení metodou adiabatickou - VVUÚ, a. s., Náchylnost k samovz. met. průtokové kalorimetrie - OU, Náchylnost k samovznícení metodou CPT - VŠB-TUO, Limitní koncentrace kyslíku samovznícení - VŠB-TUO, Vliv předchozí inertizace dusíkem - VŠB-TUO, Vliv hašení vodou - OU, Bezpečná teplota samovznícení - VVUÚ, a. s.,
23
• • • • • •
Kritická teplota samovznícení Kritická vrstva samovznícení (RID) Odhad indukční doby Plynový obraz tepelné oxidace Grafické vyhodnocení volněných plynů Vyhodnocení bezrozměrných binárních ukazatelů
-
VVUÚ, a. s., VVUÚ, a. s., VVUÚ, a. s., VVUÚ, a. s., VVUÚ, a. s., VVUÚ, a. s.,
(Poprvé v textu použité zkratky : CPT- Crossing Point Temperature - teplota bodu průsečíku, zkratka pro označení průsečíkové metody pro ověřování náchylností uhlí k samovznícení; RID - Mezinárodní železniční řád pro přepravu nebezpečného zboží) Do pasportizace 1999 - 2002 nebyly zařazeny parametry - zbytkový plyn, plnynonosnost, zpětná adsorpce a vliv inhibitorů. Nově bylo zařazeno celkem 9 parametrů, které byly ve výše uvedeném výčtu zvýrazněny. Koordinační komise vzala na vědomí doporučení řešitele, aby byla nově zaváděným parametrům věnována pozornost v odborných publikacích tak, aby se tyto staly známé odborné veřejnosti. Ověřování kritické vrstvy samovznícení izotermickou metodou (RID) bylo v obsahu pasportizace v roce 2001 nahrazeno výzkumem vlivu nižší koncentrace kyslíku na objem uvolněných plynných uhlovodíků CnHm (CnHm- minoritní indikační plyny samovznícení uhlí, plynné uhlovodíky - etan, propan, butan, etylén, propylén, acetylén). V roce 2002 byla tato část obsahu pasportizace nahrazena výsledky ověřování dynamiky oxidace uhlí statickou metodou sorpce kyslíku.
2.2.1 Výzkumné zprávy pasportizace 1999 - 2002 V následujícím výčtu jsou uvedeny obsahy výzkumných zpráv předmětné pasportizace z hlediska výčtu vzorků zpracovaných v létech 1999 - 2002. Uvedené názvy důlních podniků odpovídají názvům používaným v dané době. Identifikace vzorků (ID) je specifikována v úvodu kapitoly č. 5, tab. 5.1. Výzkumné zprávy pasportizace slojí náchylných k samovznícení (1999 - 2002) : • Adamus, A. et al.: Pasportizace uhelných slojí České republiky - náchylnost k samovznícení I. Dílčí výzkumná zpráva k projektu VaV ČBÚ č. 3/99, VŠB- TU Ostrava, Ostrava, prosinec 1999. Zpracované uhelné vzorky OKR obsažené ve zprávě (ID 1 - 3) : - Důl ČSA, J.K., - Důl ČSA, J.K., - Důl Doubrava,
sloj 40., kra 3., prorážka 13032, staničení 50 m, sloj 19., kra 11., čelba 11905/2, staničení 792 m, sloj 39., kra 3., čelba 33920, staničení 17 m.
• Adamus, A. et al.: Pasportizace uhelných slojí České republiky - náchylnost k samovznícení II. Dílčí výzkumná zpráva k projektu VaV ČBÚ č. 3/99, VŠB-TU Ostrava, Ostrava, prosinec 2000.
24
Uhelný vzorek odebraný na Dole Doubrava, ve 40. slojí na čelbě 34026, byl odebrán v totožném staničení čelby ze čtyřech různých bodů na čelbě. V celkovém kvantitativním hodnocení pasportizace byl tento odběr zapracován jako jeden vzorek s pořadovým číslem „vzorek č. 4“ se specifikací 4-1, 4-2, 4-3, 4-4, v plném rozsahu byl analyzován vzorek 4-1. Zpracované uhelné vzorky OKR obsažené ve zprávě (ID 4 - 13) : -
Důl Doubrava, Důl Doubrava, Důl Doubrava, Důl Doubrava, Důl Doubrava, Důl Lazy, Důl Lazy, Důl Dukla, Důl Dukla, Důl ČSA, J.K., Důl ČSA, J.K., Důl Lazy, Důl Lazy,
sloj 40., sloj 40., sloj 40., sloj 40., sloj 39., sloj 38., sloj 38., sloj 432., sloj 436., sloj 19., sloj 39., sloj 40., sloj 40.,
kra 3., čelba 34026, staničení 243 m, vz. 4-1 - střed sloje, kra 3., čelba 34026, staničení 243 m, vz. 4-2 - pod stropem, kra 3., čelba 34026, staničení 243 m, vz. 4-3 - u počvy, kra 3., čelba 34026, staničení 243 m, vz. 4-4 - uh. mylonit, kra 7., prorážka 73973/I, spodní lávka, kra 2., úvodní třída 38203, staničení 435 m, kra 2., prorážka 38202-1, staničení 135 m, kra 5., čelba 32541, staničení 349 m, kra 5., porub 36514, 10m od úvodní třídy v rubání, kra 11., čelba 11908, staničení 11m, kra 3., porub 013939, 40m od výdušné, kra 5., čelba 40505, staničení 210m, kra 1., porub 140108, 10m od výdušné třídy.
• Adamus, A. et al.: Pasportizace uhelných slojí České republiky - náchylnost k samovznícení III. Dílčí výzkumná zpráva k projektu VaV ČBÚ č. 3/99, VŠB-TU Ostrava, Ostrava, prosinec 2001. Zpracované uhelné vzorky OKR obsažené ve zprávě (ID 14 - 23) : -
Důl ČSM sever, Důl ČSM sever, Důl Doubrava, Důl ČSM jih, Důl ČSM jih, Důl ČSM jih, Důl Darkov 3, Důl Darkov 3, Důl Staříč, Důl Staříč,
sloj 30., sloj 29., sloj 40., sloj 40., sloj 32., sloj 30., sloj 40., sloj 39., 089+090., sloj 056.,
kra 2., čelba 300299, staničení 20 m, kra 3., porub 293203, staničení 69 m, úv. chodba 293223, kra 3., třída 34024, staničení 57 m, kra 3. čelba 400340, staničení 713 m, kra 3., porub 320302, spodní úvrať, kra 3., čelba 300395, staničení 334 m, kra 4., čelba 40443/2, staničení 1 m, kra 2., čelba 39241/4, staničení 69 m, pole 2, prorážka 082 8621/4., staničení 94 m, pole 2, překop 2251, staničení 101 m.
• Adamus, A. et al.: Pasportizace uhelných slojí České republiky – náchylnost k samovznícení – IV. Dílčí výzkumná zpráva k projektu VaV ČBÚ č. 3/99, VŠB-TU Ostrava, Ostrava, prosinec 2001. Zpracované uhelné vzorky obsažené ve zprávě byly odebrány mimo OKR : - Důl Mír Mikulčice, - Důl Centrum, Dolní Jiřetín,
sloj Dubňanská, sloj Mostecká,
25
porub č. 4059, porub č. 1402,
-
Lom Jan Šverma, Holešice, Lom Čs.armáda, Ervěnice, Důl Scholler, Libušín, Důl Scholler, Libušín, Lom Bílina, Bílina, Lom Jiří, Vintířov,
sloj Mostecká, 3. lávka, profil K 96, metráž 2525 m, sloj Mostecká, 5. lávka, profil K 82, metráž 460 m, sloj Dolinská, porub R-331, sl. Hlav. kladenská, porub R-437, sl. Hlav. uhelná, 3. lávka, profil K 102, staničení 30 m, sloj Antonín, 3. lávka, 2. uhelný řez, 5 m nad propl. č. 30.
Předložená monografie je věnována slojím OKR. Z tohoto důvodu nebudou v dalším obsahu uváděny podrobnosti k uhelným vzorkům zpracovávaných mimo OKR. Tyto vzorky byly zpracovávány v roce 2002. Druhé období pasportizace bude dále specifikováno převážně jako „pasportizace 1999 - 2001“. Kvantitativní přehled pasportizace 1999 - 2001 Počty zpracovaných vzorku podle slojí a důlních podniků : • Celkový počet zpracovaných vzorků v OKR : • Počet zpracovaných vzorků podle slojí : Sloj 056 (holeritní OKR) Sloj 089+090 (holeritní OKR) Sloj 432 (holeritní OKR) Sloj 436 (holeritní OKR) Sloj 19. Sloj 29. Sloj 30 Sloj 32 Sloj 38 Sloj 39 Sloj 40. (1x Prokůpek včetně)
23 1 1 1 1 2 1 2 1 2 4 7
• Počet zpracovaných vzorků podle důlních podniků : Důl Stařič Důl Dukla Důl ČSA, Jan Karel Důl Lazy Důl Doubrava Důl Darkov 3 Důl ČSM Sever Důl ČSM Jih
2 2 4 4 4 2 2 3
26
Tab. 2.2 Vzorky pasportizace zpracované v létech 1999 -2001 Důl Důl Staříč Důl Staříč Důl Dukla Důl Dukla Důl ČSA, J.K. Důl ČSA, J.K. Důl ČSA, J.K. Důl ČSA, J.K. Důl Lazy Důl Lazy Důl Lazy Důl Lazy Důl Doubrava Důl Doubrava Důl Doubrava Důl Doubrava Důl Darkov 3 Důl Darkov 3 Důl ČSM Sever Důl ČSM Sever Důl ČSM Jih Důl ČSM Jih Důl ČSM Jih
Kra pole 2 pole 2 5 5 3 3 11 11 1 2 2 5 3 7 3 3 2 4 3 2 3 3 3
Sloj 089+090 056 432 436 39 40 19 19 40 38 38 40 39 39 40 40 39 40 29 30 30 32 40
Důl.dílo prorážka 082 8621/4., staničení 94 m překop 2251, staničení 101 m čelba 32541, staničení 349 m porub 36514, 10m od úvodní třídy v rubání čelba 11908, staničení 11m prorážka 13032, staničení 50 m čelba 11905/2, staničení 792 m čelba 11908, staničení 11m porub 140108, 10m od výdušné třídy prorážka 38202-1, staničení 135 m úvodní třída 38203, staničení 435 m čelba 40505, staničení 210m čelba 33920, staničení 17 m prorážka 73973/I, spodní lávka čelba 34026, staničení 243 m třída 34024, staničení 57 m čelba 39241/4, staničení 69 m čelba 40443/2, staničení 1 m porub 293203, staničení 69 m, úv. chodba 293223 čelba 300299, staničení 20 m čelba 300395, staničení 334 m porub 320302, spodní úvrať čelba 400340, staničení 713 m
Výzkumné zprávy pasportizace 1999 - 2002 byly vydány v trojím vyhotovení. Dvě vyhotovení byly předány zadavateli předmětného projektu (ČBÚ Praha), jedno vyhotovení zůstalo na pracovišti řešitele - HGF VŠB-TUO, institutu hornického inženýrství a bezpečnosti, oddělení větrání a bezpečnosti dolů. 3. Sledované parametry Následující kapitola uvádí popis parametrů obsažených v pasportizacích, včetně některých metod jejich zjišťování. V létech 1986 - 1993 byly sledované parametry ověřovány VVUÚ, a.s. V létech 1999 - 2002 byly některé z parametrů poskytnuty důlními podniky, na některých spolupracovali kooperující pracoviště (OU, VVUÚ a.s., UG AV ČR), viz subkapitola 2.2. Obsahy pasportizací byly odlišné podle dvou výše popsaných období a rovněž docházelo k menším změnám v dílčích obdobích. Tyto změny závisely převážně na technických podmínkách řešení předmětných projektů.
27
3.1
Chemicko-fyzikální vlastností uhlí
Subkapitola obsahuje zmínku o hustotě skutečné, pevnosti v tlaku, spalném teple, specifickém povrchu, pórovitosti, základním chemickém rozboru, elementárním rozboru a petrografické analýze uhelných vzorků. Hustota zdánlivá (da) – rozlišujeme hustotu zdánlivou (da), podle ČSN 44 1321: 1986, „Tuhá paliva - Stanovení zdánlivé hustoty uhlí“, (tisková změna leden 2001), často v praxi označovanou za „Objemovou hmotnost“ a hustotu skutečnou (dr), podle ČSN 44 1322: 1993, „Tuhá paliva - Stanovení skutečné hustoty“, (tisková změna leden 2001), v praxi často označovanou za „Měrnou hmotnost“. Terminologie „Objemové a měrné hmotnosti“ je v souladu s technickou normou ČSN EN 1936: 2000, „Zkušební metody přírodního kamene – Stanovení měrné a objemové hmotnosti a celkové a otevřené pórovitosti“. Hustota zdánlivá (objemová hmotnost) je poměr hmoty uhlí k celkovému objemu uhlí, tj. k objemu uhlí včetně pórů, trhlin a puklin. Hustota skutečná (měrná hmotnost) je poměr hmoty uhlí k čistému objemu pevné fáze uhlí, tj. k objemu uhlí bez pórů, trhlin a puklin (v laboratoři stanoveno pyknometrem). V pasportizaci byly uváděny hodnoty hustoty zdánlivé, stanovené podle ČSN 44 1321: 1986. Podstatou metody bylo ověření objemu a hmotnosti deseti kousků uhlí o průměru 10 – 30 mm zvážením a zanořením do odměrné nádoby s vodou. Hodnoty hustot zdánlivých, byly dodány do obsahu pasportizace 1999 – 2002 důlními podniky. Pevnost v tlaku (RC) - hodnoty prosté pevnosti v tlaku v rozměru MPa byly pro účely pasportizace v létech 1999 - 2002 poskytnuty důlními podniky z podkladů technologické přípravy dobývání v dané lokalitě odběru vzorku. Spalné teplo (Qs) – vyjadřuje měrnou tepelnou energii v rozměru J.g-1 (MJ.kg1), uvolněnou při úplném spálení měrného objemu paliva v analytickém stavu. Stanovení spočívá v úplném spálení navážky paliva v kyslíku pod tlakem v kalorimetrické tlakové nádobě. V červnu 1999 bylo stanovení spalného tepla tuhých paliv upraveno mezinárodní normou ČSN ISO 1928: 1999. Hodnoty spalného tepla pro vzorky v roce 1999 byly poskytnuty důlními podniky. Od roku 2000 byly uhelné vzorky analyzovány Centrální analytickou laboratoří VŠB-TUO. Specifický povrch (UP) – vyjadřuje povrch vzorku v rozměru m2g-1. Specifický povrch byl u vzorků zpracovaných v létech 1999 - 2002 stanoven přístrojem Sorptomatic 1800 podle manuálu firmy Carlo Erba (Itálie). Uvedené zařízení umožnilo stanovit měrný povrch od 0,2 m2g-1 a distribuci pórů v rozmezí od 0,5 nm do 30 nm. Při měření měrného povrchu byla využita metoda (BET - Brunauer, S., Emmett, P. H., Teller, E.), pomocí které byla vyhodnocena adsorpční izoterma dusíku testovaného vzorku. Stanovený specifický povrch uhlí zahrnoval povrch uhelných zrn předem připraveného vzorku a vnitřní povrch pórů tohoto vzorku od velikosti pórů, odpovídající velikosti molekuly použitého ověřovacího média (kap. N2). Hodnoty specifických povrchů byly v létech 1999 - 2002 dodány Centrální analytickou laboratoří VŠB-TUO.
28
3.1.1 Základní chemický rozbor Základním chemickým rozborem uhlí se zpravidla zjišťuje obsah vody (W), popela (A) a hořlaviny (V). Hořlaviny lze rozdělit na hořlaviny prchavé (Vdaf) a neprchavý uhlík (Cf). Součet těchto obsahů má tvořit 100 %. Parametry základního rozboru jsou kategorizovány jako analytické (voda Wa, popel Aa, hořlavina Va), bezvodé (popel Ad, hořlavina Vd) a hořlaviny (prchavá hořlavina Vdaf, neprchavý uhlík Cf) : • • •
Analytické parametry základního chemického rozboru - uhelné vzorky jsou hodnoceny ve stavu rovnovážném z okolním prostředím (vlhkost vzorku odpovídá vlhkosti laboratoře), zrnitost vzorků < 0,2 mm, (Wa, Aa, Va), Bezvodé parametry základního chemického rozboru - uhelné vzorky jsou hodnoceny bez obsahu vody, tzv. obsahy v sušině (Ad, Vd), Hořlavina základního chemického rozboru - hořlavé složky přítomné v uhelném vzorku jsou hodnoceny na analytický stav vzorku, tj. s obsahem analytické vody a popela (hořlavina analytická - Va), na stav vzorku bez obsahu vody (hořlavina v sušině - Vd) a hořlavinu vztaženou na bezvodý a bezpopelový stav paliva (prchavá hořlavina - Vdaf). Tuhý zbytek hořlavin je neprchavý uhlík - Cf.
Označování analytických ukazatelů a přepočty výsledků rozborů na různé stavy paliva byly upraveny normou ČSN 44 1310: 1989. V lednu 2001 byla vydána přepracovaná norma ČSN 44 1310: 2001, uvádějící porovnávání analytických ukazatelů s údaji uvedenými v mezinárodní normě ISO 1170:1977. Voda (W) - stanovení obsahu vody v uhlí spočívá ve stanovení obsahu hrubé vody (Wex) a zbylé vody (Wh). Zbylá voda se někdy označuje jako voda analytická (Wa). Stanovení obsahu hrubé vody bylo upraveno normou ČSN 72 0102: 1974. Stanovení vody v analytickém vzorku bylo upraveno v lednu roku 2002 normou ČSN ISO 609: 2001. Princip stanovení u hrubé vody spočívá ve volném prosychání původního vzorku uhlí při laboratorní teplotě a zjišťování hmotnostního úbytku. Stanovení zbylé vody se provádí sušením analytického vzorku uhlí (<0.2mm) při teplotě 105ºC po dobu 1 hodiny. Součet hrubé a zbylé vody se označuje jako voda veškerá (symbol Wt). K dalším možným postupům patří využití jednoúčelových zařízení pro stanovení obsahu vody. Popel (A) - paliva obsahují různé typy minerálních látek, obecně nazývaných popelovinami. Stanovení obsahu popelovin se zpravidla omezuje na stanovení zbytku po definovaném spálení. Způsob spálení je pro stanovení popelovin klíčový, neboť popeloviny obsahují řadu chemických sloučenin měnící v závislosti na teplotě složení a tím i hmotnost. Stanovení popela (A) bylo normováno technickou normou ČSN 44 13 78: 1993, od září 2001 ČSN ISO 1171: 2001. Princip metody spočívá v zahřívaní analytického vzorku paliva danou rychlostí na 815 ± 10ºC. Zpopelňování při této teplotě probíhá do konstantní hmotnosti. Obsah popela je dán jako zbytek po spálení vyjádřený v hm. %. Přepočet obsahu popela analytického (Aa), na obsah popela bezvodého (Ad) je uveden v technické normě CSN 44 1310. Hořlaviny, neprchavý uhlík (V, Cf) - obsah hořlaviny je parametrem prouhelnění uhelné hmoty. Má rovněž význam pro výpočet výnosnosti při výrobě koksu. Při stanovení se rozlišuje několik kategorií hořlavin. Prchavé látky jsou veškeré látky, které uniknou ze vzorku za nepřístupu vzduchu při jeho zahřátí na určitou teplotu (včetně nehořlavých), prchavá hořlavina představuje hořlavou část prchavých látek, neprchavé látky jsou tvořeny tuhým zbytkem, který zůstane po zahřátí vzorku za nepřístupu vzduchu na určitou teplotu (zahrnuje
29
neprchavý uhlík, často označovaný za fixní uhlík, a popeloviny) a neprchavé hořlaviny tvoří tuhý zbytek hořlavých látek, který zůstane po zahřátí vzorku za nepřístupu vzduchu na určitou teplotu a nezahrnuje popeloviny, označované jako obsah neprchavého zbytku bez popela, tzv. neprchavý (fixní) uhlík Cdaff. Stanovení prchavé hořlaviny (V) bylo upraveno normou ČSN 44 1351: 1980. Od února 2001 je v platnosti norma ČSN ISO 562: 2001. Princip metody spočívá ve vážkovém stanovení úbytku hmotnosti při zahřátí tuhého paliva na teplotu 850 ± 15ºC bez přístupu vzduchu. Úbytek je korigován o ztrátu hmotnosti v důsledku odpaření vody. Stanovené prchavé hořlaviny vztažené na analytický vzorek označujeme symbolem Va, prchavé hořlaviny vztažené na bezvodý vzorek jsou označovány symbolem Vd, prchavé hořlaviny vztažené na bezvodý a bezpopelový vzorek jsou označovány symbolem Vdaf. Obdobně lze vyjádřit neprchavé hořlaviny - neprchavý (fixní) uhlík (Caf, Cdf, Cdavf). Výsledky základního chemického rozboru byly dodány v roce 1999 VVUÚ, a.s. Od roku 2000 byly uhelné vzorky analyzovány Centrální analytickou laboratoří VŠB-TUO.
3.1.2 Elementární rozbor Charakter elementární analýzy, nazývané též detailním chemický rozborem, závisí na předpokládaném účelu použití. Zpravidla mezi analýzy elementárního rozboru patří stanovení uhlíku veškerého (Cdt), vodíku veškerého (Hdt) a dusíku (Nd). Z prvkové analýzy pak stanovení obsahu síry, případně jejich forem, tj. síry veškeré (Sdt) a síry hořlavé (Sdc) a dalších prvků, např. chloru, fosforu a arsenu, které však nebyly do pasportizace zahrnuty. Obsah kyslíku byl stanoven z koncentrací hodnocených prvků dopočtem do 100 %. Uhlík a vodík veškerý (Cdt, Hdt) - v případě manuálního stanovení uhlíku a vodíku bylo postupováno podle ČSN 44 1355: 1993. Princip stanovení spočíval v definovaném spálení vzorku v proudu kyslíku za přítomnosti katalyzátoru. Ze záchytu plynných produktů spalování (CO2 a H2O) se zpětně vypočítal obsah uhlíku a vodíku. Dusík (Nd) - ke stanovení dusíku v tuhých palivech byla využívána metoda instrumentální analýzy. Z manuálních metod to byla metoda Kjeldalova, spočívající v rozkladu pevného paliva kyselinou. Za přítomnosti katalyzátoru byl obsažený dusík převáděn na amoniak, který byl zachycován. Po destilačním uvolnění amoniaku a jeho opětovném záchytu bylo prováděno titrační stanovení jeho množství. Tato metoda byla normována dnes již neplatnou normou ČSN 44 1356. Od záři 2001 vešla v platnost norma ČSN ISO 333: 2001. Síra veškerá (Sdt) - byla stanovena po převedení síry v palivu na sírany. Síra ve formě síranů byla stanovena po vyloužení vážkově. Běžně používanou metodou je stanovení celkové síry s Eschkovou směsi podle ČSN 44 1379: 1996. Kyslík vypočítaný (Odd) - byl stanoven dopočtem : Odd = 100 - (Cdt+ Hdt+ Ndt+ Sdt) .
(3.1)
Výsledky elementárního rozboru byly v roce 1999 dodány VVUÚ, a.s. Od roku 2000 byly dodány hodnoty elementární analýzy Ostravskou universitou. Centrální analytická laboratoř VŠB-TUO dodala od roku 2000 hodnoty síry veškeré (Sdt).
30
3.1.3 Petrografická klasifikace uhlí Petrografická klasifikace byla v pasportizaci uvedena ve formě makropetrografického popisu profilu sloje v místě odběru, který byl uveden na tzv. identifikační stránce uhelného vzorku, první obsahové stránce příslušného vzorku a mikropetrografickou analýzou macerálových skupin podle ČSN ISO 7404: 1996. Makropetrografický popis byl vždy pořízen na místě odběru vzorků. Mikropetrografické analýzy uhelných vzorků byly dodány ÚG AV ČS v Ostravě (Ústav geoniky akademie věd České republiky). Makropertografický popis Petrografické hodnocení kaustobiolitů uhelné řady zahrnuje jednak jejich klasifikaci podle stupně prouhelnění (rašelina, lignit, hnědé uhlí, černé uhlí, antracit, grafit), včetně podrobnějšího hodnocení - hemi, orto a meta fáze, a jednak podle složení uhelné hmoty. Podle složení uhelné hmoty jsou určeny tzv. litotypy uhlí (lithos - kámen). Obdobně, jako jsou u hornin anorganicného původu rozlišovány typy hornin a mineráů, jsou u kaustobiolitů uhelné řady rozlišovány makro a mikropetrografické složky jejich hmoty. Jednotlivé makro a mikropetrografické ingredienty jsou odlišovány podle druhů uhlotvorných stavebních látek (dřevní hmota, tj. celulóza; rostlinné dužiny, tj. proteinové substance; vosky a pryskyřice a.j.) a podmínek prouhelňovacího procesu kterými procházely (v kontaktu se vzduchem - aerobní; za nepřístupu vzduchu – anerobní, bahenní kaly – sapropelity; za působení dynamické oxidace, např. lesních požárů a.j.). Podle literatury (Svoboda 1955) se stávají samostatným litotypem polohy sloje budované jednou z uhelných složek v tom případě, jestliže dosahují mocnosti alespoň 10 cm v hnědouhelných druzích a mocnosti 3 až 5 cm v druzích kamenouhelných. Makroskopicky rozlišitelné polohy černouhelných slojí jsou tvořeny podle lesku čtyřmi petrografickými litotypy : •
Vitrén (vitreus-skelný) je lesklý typ uhlí s genetickým dřevním původem s počátečním vlivem aerobního prouhelňovacího procesu. Tvoří obvykle několik cm silné vrstvy v uhlí jiného typu se snadnou oddělitelnosti. Vyznačuje se často četnými trhlinkami a lasturovým lomem. • Klarén (clarus-jasný) je pololesklý typ uhlí s genetickým původem dřevitých úlomků mikroskopických rozměrů s převahou proteinových látek s vývojem v přechodných oblastech porostů akvatických a subakvatických. Tvoří často celé sloje, nebo mocné lavice, někdy s vložkami fuzénu, durénu nebo vitrénu. Vyznačuje se dosti patrnou vrstevnatosti. • Durén (durus-tvrdý) je matný typ uhlí s anerobním hnilokalovým genetickým původem s podílem živočišných proteínů. Vyskytuje se často v mocných lavicích, nevrstevnatých, případně nezřetelně vrstevnatých, dosti často se slabými vložkami vitrénu nebo fuzénu. Obsahuje vždy více popela než jiné černouhelné typy. • Fuzén (fusus-protáhlý) je vláknitý typ uhlí s genetickým původem vlivu výrazné oxidace, např. lesního požáru. Lze jej přirovnat k dřevěnému uhlí. Je to nejlehčí, křehká a výrazně adsorbující složka uhlí. Vyskytuje se často na vrstevních plochách slojí. Tvoří obyčejně jen několik mm silné povlaky, kterým se říká fuzitové koberce. Černouhelným litotypům vitrén, klarén, durén, odpovídají přibližně makropetrografické hnědouhelné typy xylit, detrit, sapropelit.
31
Uvedené makropetrografické typy černých uhlí jsou dobře rozeznatelné v méně a středně prouhelněných slojích (hemi a ortofáze), kde vlivem geologického vývoje tvoří odlišné polohy. Vrstevnatost (páskovanost) je u ortotypů následkem střídajících se uhelných fácií ještě výrazná a makropetrografická analýza poskytne základní obraz o vývoji i průmyslovém typu uhlí. Ve slojích více prouhelněných (metafáze) a ve slojích antratického uhlí a antracitu tyto rozdíly splývají vlivem prouhelňovacího procesu a sloj se stává lesklá, pololesklá, případně tmavá v celém profilu. Kvantitativní zastoupení uvedených petrografických typů uhlí ve vrstevnatém složení sloje umožňuje makropetrografický popis sloje (makropetrografická klasifikace). Podle literatury (Honěk 1998) rozlišujeme uhlí lesklé (LU) s obsahem lesklé složky více než 90 %, lesklé uhlí páskové (LUP) s obsahem lesklé složky 60-90 %, páskové uhlí (PU) s obsahem lesklé složky 40 – 60 %, matné uhlí páskové (MUP) s obsahem lesklé složky 10 – 40 % a matné uhlí (MU) s obsahem lesklé složky méně než 10 %. Vláknité uhlí se označuje jako fuzit (F). K makropetrografickému popisu profilu černouhelných slojí byly použity symboly uvedené na obr. 3.1.
LU
MUP - matné uhlí páskové
- lesklé uhlí
MU - matné uhlí
LUP - lesklé uhlí páskové
PU
F
- páskové uhlí
F
- uhlí vláknité, fuzit
Obr. 3.1 Symboly makropetrografického popisu profilu černouhelných slojí, (Honěk 1998)
Mikropetrografická analýza Zatímco pro makropetrografické litotypy dosud nebyla mezinárodně stanovena minimální hranice mocnosti, platí pro mikrolitotypy, jako samostatné složky uhlí, kritérium minimální tloušťky 50 µm. Mikroskopicky jsou v uhelné hmotě rozlišovány (jako stavební mikrosložky) macerálové skupiny, macerály a submacerály. Jde o tzv. macerálové a mikrolitotypové určení složení uhlí podle původu rostlinného materiálu, podmínek a stupně změn, kterými materiál procházel ve své geologické historii a obsahem příměsí nečistot. Mikropertografická analýza se pro černá uhlí a antracit provádí na základě odraznosti bílého světla podle normy ČSN ISO 7401: 1996. Táto norma definuje : •
macerál - mikroskopicky rozlišitelná organická složka uhlí, analogická minerálům v anorganických horninách, ale odlišná v tom, že macerály nemají charakteristickou krystalickou formu a stálé chemické složení,
32
• •
macerálová skupina - souhrný termín pro macerály, které mají velmi podobné vlastnosti v daném uhlí příslušného prouhelnění, (tab. 3.1), mikrolitotyp - přirozeně se vyskytující macerál nebo asociace macerálů s minimální šířkou pásu 50 µm, klasifikují se do tří kategorií podle toho, zda obsahují podíl macerálů jedné, dvou nebo tří macerálových skupin (monomacerálové, bimacerálové a trimacerálové mikrolitotypy).
Tab. 3.1 Macerálové skupiny a jejich podrozdělení podle ČSN ISO 7404-1 Macerálová skupina Vitrinit
Macerál Telinit
Submacerál Telinit 1 Telinit 2 Telokolinit Gelokolinit Desmokolinit Korpokolinit
Kolinit
Liptinit
Inertinit
Sporinit Kutinit Rezinit Suberinit Alginit Liptodetrinit Bituminit Mikrinit Makrinit Semifuzinit Fuzinit Pyrofuzinit Degradofuzinit Sklerotinit Inertodetrinit
Charkteristika macerálových skupin : vitrinit (Vt) - skupina macerálů dřevitého původu s podílem aerobního vývoje vysokého lesku, liptinit (L) - (dříve exinit), skupina macerálů s převahou genetických substancí proteinového původu (řasy, spory, listy, kůra, pryskyřice a.j.) s vývojem převážně akvatickým a subakvatickým, pololesklé odraznosti, inertinit (I) - skupina macerálů hnilokalového původu zahrnující rovněž macerály oxidovaných typů (semifuzinit, fuzinit, inertodetrinit), projevují se stejným chováním při zahřívání, při pyrolýze zůstávají nezměněny, pojmenování macerálové skupiny odráží tuto vlastnost.
33
V pasportizaci 1999 -2001 byl uváděn petrografický rozbor macerálových skupin podle ČSN ISO 7404: 1996. Petrobrafický rozbor uhelných vzorku realizoval a dodal v létech 1999 - 2001 ÚG AV ČR v Ostravě, v roce 2002 HGF VŠB-TUO. 3.1.4 Pórovitost Pórovitost (Pr) - objem pórů a jejich distribuce (rozdělení na makropóry a mezopóry) byla zjišťována metodou vysokotlaké rtuťové pórometrie, umožňující registrovat objem rtuti pronikající dovnitř porézního systému v závislosti na vyvozovaném tlaku. Měření byla provedena na porozimetru firmy Carlo Erba v rozmezí tlaků 0,1 až 150 MPa, což odpovídá zaplňování pórů v rozmezí poloměrů 7500 až 5 nm. Na základě stanovené pórometrické (tzv. intruzní) křivky byly vyčísleny následující kvantitativní ukazatele: •
Objem pórů (Vporo) - objem pórů v rozmezí poloměrů 7500 až 5 nm (při vyhodnocování nebyla respektována stlačitelnost vlastní uhelné matrice z důvodu možnosti srovnání získaných dat s dřívějšími údaji pasportizace VVUÚ Ostrava-Radvanice (1986-1993), kdy tato korekce rovněž nebyla prováděna). Objem pórů byl uváděn v mm3.g-1. • Makropóry (vmakp) – objem pórů v rozmezí poloměru 50 až 7500 nm, vyjádřeno v procentech vzhledem k celkovému objemu Vporo. • Mezopóry(vmezp) - objem pórů v rozmezí poloměru 5 až 50 nm, vyjádřeno v procentech vzhledem k celkovému objemu Vporo.
Makropóry, jakožto nejhrubší diskontinuity v uhelné hmotě, hrají hlavní roli při transportu kyslíku na vlastní povrch uhlí. Rovněž mezopóry jsou důležitými komunikačními cestami, na rozdíl od makropórů jsou však za běžných podmínek uhelných dolů zaplněny kondenzovanou vodou. Hodnoty porometrie byly dodány Ostravskou universitou.
3.2
Zbytkové plyny
Dílčí výzkumné zprávy pasportizace z let 1986 - 1992 obsahují výsledky specifických hodnot zbytkových plynů (metan, etan, v některých případech propan), od roku 1991 také oxidu uhličitého a uhelnatého, v jednom případě butan, uvolňovaných při drcení uhelné hmoty vyjádřených v cm3 na 1 g uhlí. Podle (Harašta 1986) byly pro drcení připraveny vorky o frakci 2,5 – 4,0 mm v množství 100 g. Drcení se provádělo po dobu dvou hodin v uzavřené nádobě při teplotě laboratoře s následným odběrem plynů pro analýzu. Z důvodu již předchozího odplynění v průběhu odběru vzorku a přípravy frakce byly uvolněné plyny označeny jako zbytkové plyny a vyjadřovaly možnou přítomnost plynných uhlovodíku v důlních dílech vlivem rozrušování a drcení uhelné hmoty za teploty horniny.
3.3
Hodnocení náchylnosti uhelných vzorků k samovznícení
Pasportizace vypracovaná v létech 1986 - 1993 obsahovala výsledky laboratorních metod ověřování náchylnosti uhlí k samovznícení metodou podle Olpinského a podle metody adiabatické oxidace. V pasportizaci vypracované v létech 1999 - 2001 byly stávající dvě
34
metody doplněny metodou pulsní kalorimetrie a průsečíkovou metodou CPT. V roce 1999 2000 byla uplatněna izotermická metoda kritické vrstvy samovznícení (RID) a v roce 2002 byla použita experimentálně statická metoda dynamiky oxidace podle (Veselovskij 1972). S metodami pulsní kalorimetrie a s průsečíkovou metodou CPT souviselo ověření chování uhelného vzorku při vlivu kontaktu uhlí s vodou na jeho náchylnost k samovznícení, vlivu inertizace dusíkem na náchylnost k samovznícení a ověření limitní koncentrace kyslíku samovznícení.
3.3.1
Hodnocení náchylnosti k samovznícení metodou podle Olpinského
Metoda podle polského autora (Olpinski 1952) je používána pro klasifikaci uhlí z hlediska jeho náchylnosti k samovznícení na základě hodnoty indexu náchylnosti k samovznícení. Užívá se i pro hodnocení vlivu příměsí na rychlost samoohřevu. Vyznačuje se krátkým časem vyhodnocení, jednoduchostí stanovení i vyhodnocení s dobrou reprodukovatelností. Pro černá uhlí byla metoda popsána ve výzkumných zprávách (Harašta 1966), (Harašta 1977), v literatuře (Adamus 1998), (Taraba 2003) a v interní metodice VVUÚ, a.s., (VVUÚ 1995) . Pro hnědá uhlí byla uvedena v normě ČSN 44 1397: 1986, včetně rozdělení hnědých uhlí do 3 skupin reaktivity. Na toto rozdělení navazovala příslušná opatření k bezpečnému skladování uhlí v technické normě ČSN 44 1315: 1990 - Skladování tuhých paliv. Předmětná metoda je založena na principu sledování teplotního gradientu oxidace lisované uhelné tablety za zvýšené konstantní teploty reakčního prostoru aparatury. Při kontaktu uhelné hmoty se vzdušným kyslíkem dochází k oxidační reakci produkující reakční teplo. Čím vyšší je teplota, při které oxidace probíhá, tím více tepla vzniká, neboť rychlost oxidační reakce stoupá s rostoucí teplotou exponenciálně podle Arrheniova zákona. Odvod tepla z látky podléhající oxidaci se s teplotou zvyšuje lineárně. Teplo, které není rozvedeno do okolí zvyšuje teplotu látky a po dosažení teploty vznícení může dojít k jejímu samovolnému vznícení. Tuto schopnost samoohřevu je možno hodnotit na základě rychlosti, kterou se hodnocený vzorek zahřívá. Metoda podle Olpinského hodnotí rychlost zahřívání vzorku při konstantní teplotě vnitřního prostoru aparatury 235 °C (pro černá uhlí), která je dosažena varem chinolínu. Aparatura (obr. 3.2) se skládá z topného prostoru s várnou baňkou, jejímž účelem je vyhřívání vnějšího pláště reakčního prostoru a předehřívání vzduchu, který prochází reakčním prostorem. Jemně mletý vzorek o zrnitosti 0.06-0.075 a celkové hmotnosti 0,3 g, popelnatosti do 35 %, je pomocí standardního lisu vylisován do tvaru na jedné straně otevřeného, dutého válečku o průměru 8 mm, délky 10 mm s tloušťkou dna 1 mm. Dutou stranou se váleček nasune na špici termočlánku tak, aby měřicí spoj byl v těsném kontaktu s plným dnem válečku a vloží se do vyhřátého reakčního prostoru, kde je vystaven proudu předehřátého vzduchu o hodnotě objemového průtoku 100 l.h-1. Teplota ve vzorku je měřena elektronickým měřícím přístrojem a zaznamenávaná tiskárnou v pravidelných časových intervalech. Vzorek, který není náchylný k samovznícení se zahřeje maximálně jen na teplotu reakčního prostoru. Vzorek náchylný k samovznícení tuto teplotu překročí. Rychlost, kterou se vzorek zahřívá je dána jeho schopností samozahřívání a proto je měřítkem jeho náchylnosti k samovznícení. Čím vyšší je tato hodnota, tím více je uhlí náchylné k samovznícení. Pro antracity, které jako jediný typ uhlí k samovznícení náchylné nejsou, je hodnota tohoto parametru nulová. S klesajícím stupněm prouhelnění, který lze pro tyto účely hodnotit podle obsahu prchavé hořlaviny v přepočtu na suchý a bezpopelový vzorek (Vdaf), roste náchylnost k samovznícení a rostou také hodnoty indexu náchylnosti k samovznícení.
35
Obr. 3.2 Aparatura metody podle Olpinského na VVUÚ, a.s.
Index náchylnosti k samovznícení SZa (°C.min-1) - udává rychlost samovolného ohřevu vzorku pro analytický vzorek. Index náchylnosti k samovznícení SZb (°C.min-1) - udává rychlost samovolného ohřevu vzorku v přepočtu pro bezpopelový vzorek. Přepočet se provádí na základě hodnoty SZa a hodnoty obsahu popela Aa: SZb = (100 * SZa)/(100 - Aa)
(3.2)
Podle hodnoty indexu náchylnosti k samovznícení SZb byly uhelné vzorky klasifikovány z hlediska náchylnosti k samovznícení s vyloučení vlivu různého obsahu popele podle tab.3.2.
Tab. 3.2 Kategorie náchylnosti uhlí k samovznícení podle Opinského (VVUÚ, a.s.) Kategorie 1 2 3 4
Slovní hodnocení Náchylnost k samovznícení malá Náchylnost k samovznícení střední Náchylnost k samovznícení značná Náchylnost k samovznícení velmi značná
36
Index náchylnosti SZb (°C.min-1 ) 0 až 40 40 až 80 80 až 100 nad 100
Mezní hodnoty jednotlivých kategorií byly určeny empiricky na základě proměření rozsáhlého souboru vzorků z revírů bývalého Československa. Uhelné vzorky z OKR jsou většinou zařazovány do 1. a 2. kategorie. Hodnoty náchylností uhelných vzorků k samovznícení stanovené metodou podle Olpinského dodal do obsahu pasportizace VVUÚ, a.s. Hodnocení náchylnosti metodou podle Olpinského do roku 1993 Výzkumný ústav VVUÚ, a.s., uváděl v dílčích výzkumných zprávách pasportizace výsledky zkoušek náchylnosti metody podle Olpinského v podobě indexu náchylnosti SZb+F. Od roku 1993 byl uváděn index SZb (přepočet na bezpopelový vzorek). Podle (Věžníková 2000) byl vztah mezi indexy SZb+F a SZb dán výpočtem podle rovnice (3.3) : SZb+F = (SZb . 0,96424) + 23,95847
(3.3)
Dřívější meze kategorií byly převedeny na nové hodnoty podle tabulky 3.3 jednak na základě přepočtu a jednak výsledků stanovení indexu náchylnosti černých uhlí k samovznícení v následujících létech a jejich porovnání s nastalými případy samovznícení v důlních podmínkách.
Tab. 3.3 Kategorie náchylnosti k samovznícení podle indexů SZb+F a SZ,(Věžníková 2000) Kat. Slovní hodnocení 1. 2. 3. 4.
3.3.2
Náchylnost k samovznícení malá Náchylnost k samovznícení střední Náchylnost k samovznícení značná Náchylnost k samovznícení velmi značná
SZb+F (°C.min-1) do 80 80 – 100 100 – 120 nad 120
SZb (°C.min-1) do 40 40 - 80 80 - 100 nad 100
Hodnocení náchylnosti k samovznícení metodou adiabatické oxidace
Princip metody adiabatické oxidace je široce využíván v zahraničí, např. (Smith 1991), (Gouws 1991), (Ren 1994). Metoda slouží k hodnocení chování vzorků za optimálních podmínek pro vznik a rozvoj samovznícení, tzn. za přívodu dostatečného množství kyslíku a žádného nebo zanedbatelného odvodu tepla vznikajícího reakcí vzorku s kyslíkem.Vedle zařazení vzorku do skupiny náchylnosti k samovznícení umožňuje určení časového průběhu samozahřívání a odhady některých významných bezpečnostních parametrů. Metoda byla popsána ve výzkumných zprávách a dalších publikacích (Harašta 1977), (Věžníková 1997), (Adamus 1998), (Taraba 2003) a v interní metodice VVUÚ, a.s., (VVUÚ 1995). Metoda oxidace za adiabatických podmínek byla rovněž uvedena v technické normě ČSN 44 1397. V podmínkách aparatury VVUÚ, a.s. se navážka uhelného vzorku 250 g o zrnitosti pod 2 mm umisťuje do skleněného reaktoru zanořeného do olejové lázně, kde je po počáteční teplotní temperaci na 60 nebo 80 oC vystavena působení čistého kyslíku o průtoku 20 ml.min37
1
, případně jiné oxidační směsi, například vzduch nebo definované směsi kyslíku a dusíku. V důsledku oxidace uhlí dochází k vývinu tepla v uhelné hmotě. Teplota olejové lázně je vyrovnávána řídící aparaturou s teplotou ověřovaného uhelného vzorku. Vlivem vyrovnávání teploty olejové lázně s teplotou vzorku nedochází k odvodu tepla vyvinutého oxidací a dochází k nárůstu teploty uhlí. Rychlost samovolného zahřívání je ukazatelem míry náchylnosti uhlí k samovznícení. Obr. 3.3 uvádí termostat metody adiabatické oxidace VVUÚ, a.s. Aparatura se skládá z termostatu s vyhřívanou olejovou lázní, termočlánků pro měření teploty lázně a uhlí a reakční nádoby se skleněnou předehřívací spirálou pro přívod předehřátého plynu (kyslík, vzduch, případně definované směsi kyslíku a dusíku).
Obr. 3.3 Termostat aparatury metody adiabatické oxidace na VVUÚ, a.s., foto VVUÚ, a.s. Ze závislosti teploty na čase se stanovuje průměrná rychlost nárůstu teploty At v rozměru °C.hod-1. Čím je tato rychlost vyšší, tím vyšší je také náchylnost hodnoceného vzorku k samovznícení. Průměrný nárůst teploty, At (°C.hod-1) uhelného vzorku za podmínek blízkých samovznícení. Podle hodnoty průměrného a atmosféře 100 % kyslíku je vzorek k samovznícení podle tabulky 3.4.
- určuje rychlost samovolného nárůstu teploty optimálním podmínkám pro vznik a rozvoj nárůstu teploty při počáteční teplotě 80 °C zařazen do příslušné kategorie náchylnosti
38
Tab. 3.4 Kategorie náchylnosti podle metody oxidace za adiabatických podmínek Kategorie 1 2 3 4
Slovní hodnocení Náchylnost k samovznícení malá Náchylnost k samovznícení střední Náchylnost k samovznícení značná Náchylnost k samovznícení velmi značná
Prům. nárůst teploty (°C.hod-1) 0 až 8 5 až 10 8 až 18 Nad 15
Mezní hodnoty uvedených kategorií byly určeny empiricky na základě proměření rozsáhlého souboru vzorků černých uhlí z revírů bývalého Československa. Vzorky černých uhlí z OKR většinou spadají do 1. kategorie. Přestože je tato metoda používána pro klasifikaci, její hlavní význam je v tom, že umožňuje odhad chování uhlí v reálných podmínkách na základě stanovení následujících bezpečnostních parametrů: Indukční doba Id, (hod) - nejkratší doba, za kterou může dojít k samovolnému zahřátí uhelné hmoty z uvedené počáteční teploty až k teplotě vznícení. Z průběhu samovolného zahřívání vzorku za optimálních podmínek pro rozvoj samovznícení je pomocí matematické závislosti mezi teplotou a přírůstky teploty určován pomocí extrapolace indukční čas samovznícení, tj. doba, která uplyne od zahřátí vzorku na zvolenou teplotu (40 °C) a do jeho samovznícením (250 °C) v přepočtu na 21% kyslíku v atmosféře. Pro praktické použití lze indukční čas použít pro určení bezpečné doby skladování. Je-li doba uskladnění kratší, než experimentálně určený indukční čas, lze předpokládat, že nedojde k samovznícení. Protože se jedná o extrapolaci, je nutno tento parametr považovat pouze za odhad. Většina vzorků černého uhlí z OKR má indukční dobu určenou tímto odhadem mezi 4 až 6 týdny, což je v dobré shodě se skutečností. Kritická teplota KTa (°C) - teplota, po jejímž dosažení se mění průběh samozahřívání. Po dosažení této teploty, která se pro černá uhlí OKR pohybuje v rozmezí 70 až 100 °C dochází ke značně dynamickému nárůstu teploty. Kritická teplota je hranicí mezi počátečním a rozvinutým stadiem samovznícení. Všechna preventivní opatření by měla být provedena před jejím dosažením, kdy mají vyšší účinnost. Bezpečná teplota BT (°C) - teplota hodnoceného materiálu, při které vzniká pouze zanedbatelné, téměř nulové množství tepla a proto nedochází k samozahřívání. Při styku uhlí s kyslíkem probíhají oxidační reakce, které vždy produkují teplo, ať už probíhají za jakékoliv teploty. Pouze ta část tepla, která není hmotou odvedena do okolí, způsobuje zvyšování teploty a tím zase růst množství produkovaného tepla, což vede k samovznícení. Do určité hraniční hodnoty (bezpečná teplota), vzniká tak malé množství tepla, že k samovznícení nedochází. Může dojít k přechodnému zvýšení teploty uhlí, ale pak nastává snížení teploty a její vyrovnání na hodnotu teploty okolí. Parametr je určen na základě matematické extrapolace závislosti mezi teplotou T a přírůstkem teploty ∆ T:
39
log ∆ T = a + bT kde
∆T a, b T
,
(3.3)
- přírůstek teploty; K, - konstanty funkce, - teplota, K,.
Protože se jedná o extrapolaci mimo oblast měření a vzhledem k charakteru použité funkce, je nutno tento parametr považovat pouze za odhad. Hodnoty náchylností uhelných vzorků k samovznícení podle metody oxidace za adiabatických podmínek, včetně uvedených souvisejících parametrů, dodal do obsahu pasportizace 1999 -2002 VVUÚ, a.s.
3.3.3
Hodnocení izotermickou metodou (RID)
Izotermická metoda sloužila ke stanovení závislosti kritické teploty z hlediska rozvoje samovznícení na objemu hodnoceného materiálu. Výsledkem hodnocení byly tzv. kritické parametry hodnoceného uhelného vzorku z hlediska vzniku samovznícení, tj. kritická teplota „KTo“ a kritický rozměr „KRo“. Extrapolací získaných výsledků bylo možné stanovit kritickou teplotu pro větší objemy, než které byly hodnoceny laboratorně. Metoda byla popsána v publikaci (Damec 1999) a v interní metodice VVUÚ, a.s., (VVUÚ 1995). Metoda je rovněž zmíněna v předpisech Ministerstva zahraničních věcí ČR např. č. 159/1997 Sb., 29/1998 Sb., 54/1999 Sb,. Pro účely uvedených právních předpisů, upravujících mezinárodní podmínky železniční a automobilové přepravy nebezpečných látek, pojmenovaných zkráceně RID a ADR, je stanovení prováděno při jedné teplotě okolí ve dvou různých objemech vzorku látky, u nichž je hodnoceno zda došlo nebo nedošlo k samovznícení. Ověřované látky jsou podle uvedených předpisů zařazovány do třídy 4.2b látky schopné samoohřevu, případně do třídy 4.2c - látky méněschopné samoohřevu (RID). Izotermickou metodou byly hodnoceny vlastnosti vzorků z hlediska schopnosti samozahřívání za zvolené teploty okolí a při daném objemu vzorku. Při stanovení kritických parametru izotermickou metodou v provedení podle VVUÚ, a.s., (Věžníková 1999), bylo stanovení prováděno ve třech různých objemech vzorků a několika různých teplotách s odchylkami v provedení i ve vyhodnocení, které umožnily určit kritické parametry, na jejichž základě se prováděly výpočty extrapolovaného průběhu závislosti. Aparatura (obr. 3.4) se skládala z vyhřívací pece s regulovatelnou teplotou, z termočlánků pro měření teploty vzorku a teploty pece, elektronického přístroje pro měření teploty a tiskárny pro záznam dat. Pro stanovení se používaly tři košíky o různých rozměrech. Ke stanovení byl použit vzorek upravený na frakci pod 5,0 mm. Závislost mezi objemem a teplotou samovznícení byla stanovena ze tří různých objemů vzorku za použití krychlových košíků o délce stran 10 cm, 5 cm a 2,5 cm, s kritickým rozměrem 5 cm, 2,5 cm a 1,25 cm (polovina délky strany košíku), viz obr. 3.5 . Kritická teplota pro daný kritický rozměr byla určena jako aritmetický průměr mezi teplotou okolí (pece), při níž ještě samovznícení nenastalo a teplotou, při které k samovznícení došlo.
40
Obr. 3.4 Aparatura izotermické metody (RID) na VVUÚ, a.s., foto VVUÚ a.s.
Obr. 3.5 Košíky pro umístění uhelného vzorku izotermické metody (RID), foto VVUÚ a.s.
41
Extrapolace byla provedena podle modelu teorie tepelné exploze autorů Frank – Kamenecký. Závislost mezi kritickou teplotou a kritickým rozměrem byla popsána empiricky rovnicí 3.4. ln (d.T2/r2) = M - N/T kde : d T r M, N
,
(3.4)
- faktor tvaru (2,6 pro krychli); - , - teplota okolí; K, - charakteristický rozměr; m, - konstanty určené pro danou látku, nezávislé na teplotě a objemu.
Hodnoty M a N byly určeny z laboratorních výsledků metodou nejmenších čtverců podle rovnice 3.4. Po jejich určení byla provedena extrapolace kritického rozměru jako funkce teploty mimo rozsah laboratorně měřených teplot a objemů : r2 = d.T exp(M/2 + N/2T)
.
(3.5)
Kritická teplota KTo (°C) - mezní teplota pro určitý objem hodnoceného vzorku. Je-li teplota hmoty o daném rozměru nižší, než teplota kritická, pak k samovznícení nedochází. Kritický rozměr KRo (m) - mezní rozměr pro určitou teplotu hodnoceného vzorku. Vzdálenost mezi místem s nejvyšší teplotou a povrchem látky. Je-li délkový rozměr objemu hmoty za dané teploty nižší, než kritický rozměr, k samovznícení nedochází. Jak vyplývá z definic, je možné na základě zjištěných kritických veličin provést odhad, zda v konkrétní situaci, při známém objemu a teplotě k samovznícení dojde nebo nedojde. Protože závislost mezi kritickou teplotou a objemem byla stanovena extrapolací, je nutno tyto parametry považovat za odhady. Hodnocení uhelných vzorků izotermickou metodou (RID) dodal v létech 1999-2000 VVUÚ, a.s.
3.3.4
Hodnocení náchylnosti k samovznícení metodou pulsní kalorimetrie
Náchylnost uhelných vzorků k samovznícení, přesněji k oxidaci, byla vyjádřena pomocí metody pulsní kalorimetrie stanovením parametru oxidačního tepla q30 (J.g-1). Oxidační tepla q30 byla stanovována postupem, kdy se do průtoku inertního plynu dávkovalo určité množství kyslíku a byly sledovány tepelné projevy vyvolané průchodem této dávky kyslíku skrze uhelný vzorek Množství vyvinutého tepla bylo stanoveno kalorimetrem SETARAM C 80 (obr. 3.6). Metoda byla popsána v literatuře (Taraba 1990), (Taraba 2003). Čerstvý vzorek uhlí (odebraný a dodaný v kusovém stavu) byl zkoušce podroben co nejdříve po odběru. Pokud se nepodařilo tuto zkoušku provést v den odběru (resp. dodání), byl vzorek do doby měření uchováván v igelitovém sáčku v lednici. Těsně před proměřením v kalorimetru byl kusový vzorek rozmělněn a prosit na požadovanou frakci 0,06 - 0,14 mm. Rozmělňování a sítování se provádělo na vzduchu, doba kontaktu uhlí se vzduchem během této úpravy ale nepřekročila 20 minut.
42
Obr. 3.6 Kalorimetr SETARAM C 80 na Ostravské univerzitě Experimentální podmínky metody pulsní kalorimetrie Kalorimetr: typ C80 firmy SETARAM (Francie), opatřený průtokovou měřící celou; Základní teplota experimentů: 30°C; Objem dávky kyslíku: 80 ml; Nosný plyn: helium, zvlhčováno na 80 % rel.; Průtok nosného plynu: cca 2,5 ml/min; Navážka vzorku: cca 2,5 g; Zrnitost: 0,06 až 0,14 mm; Maximální doba styku vzorku se vzduchem při mletí a sítování: 20 minut. Výsledky kalorimetrických měření byly uváděny parametrem q30 (J.g-1), který představoval hodnotu tepla chemické interakce O2 vyvinutého po dobu třicetiminutového kontaktu čerstvého vzorku uhlí s kyslíkem. Podle hodnoty tepla q30 byl vzorek uhlí zařazen do některé z následujících kategorií náchylnosti uhlí k samovznícení: 1. uhlí s nízkou náchylnosti k samovznícení, 2. uhlí se zvýšenou náchylnosti k samovznícení , 3. uhlí s vysokou náchylnost k samovznícení. Mezní hodnoty tepel q30 mezi jednotlivými kategoriemi náchylnosti uhlí k samovznícení přitom závisely na stupni prouhelnění analyzovaného vzorku. Pro černouhelné typy mezními hodnotami q30 jsou :
43
- 0,35 J.g-1 pro rozmezí mezi první a druhou kategorií, - 0,85 J.g-1 pro rozmezí mezi druhou a třetí kategorií. Mezní hodnoty tepel q30 byly získány z analýzy reprezentativního souboru černých uhlí v České republice. Více podrobností lze nalézt v literatuře (Taraba 1992). Hodnoty náchylnosti podle metody pulsní kalorimetrie byly do pasportizace dodány Ostravskou univerzitou.
3.3.5
Vliv kontaktu uhlí s vodou na jeho náchylnost k samovznícení
Cílem zkoušky bylo posoudit změnu v náchylnosti uhlí k samovznícení po působení vody (simulace procesu hašení zapařeného uhlí vodou). Uhelný vzorek předehřátý na teplotu 200 °C se přivedl do kontaktu s kapalnou vodou (byl zhašen). Poté byla změřena jeho náchylnost k samovznícení a ta byla porovnána s náchylností k samovznícení vzorku stejného uhlí, které po zahřátí do styku s vodou nepřišlo. Náchylnost uhlí k samovznícení se přitom vyhodnocovalo pomocí oxidačních tepel metodou pulsní kalorimetrie. Proměřovaný vzorek (zrnitost 0,06-0,25mm, hmotnost cca 3g) byl ve vzdušném termostatu vystaven jednohodinovému působení teploty 200 oC. Poté bylo uhlí bezprostředně zchlazeno (zhašeno) proudem vody o pokojové teplotě (cca 20 °C). Přebytečná voda byla odfiltrována a po vysušení ve vakuu (10-20 minut při 55oC) byl získán vzorek ”zhašeného” uhlí, u kterého byla stanovena náchylnost k samovznícení kalorimetrickou metodou. Poté byl změřen obsah vody v uhlí W. Pro stejný vzorek byl celý postup několikrát (min. 2x) opakován, s tím rozdílem, že po „zhašení“ bylo uhlí vysušeno na různý obsah vody. Srovnávací vzorek byl vystaven stejné proceduře, avšak po zahřátí na teplotu 200°C nabyl zchlazen vodou (byl volně zchlazen na vzduchu). Pro posouzení změn v náchylnosti uhlí k samovznícení po působení vody byly z výsledků kalorimetrických zkoušek vyneseny závislosti hodnot oxidačního tepla q30 na obsahu vody uhlí W pro hašené a nehašené uhlí. Jako kvantitativní ukazatel zvýšení náchylnosti k samovznícení zhašeného uhlí se pak z tohoto grafu vyhodnotil poměr ∆qW mezi oxidačním teplem q30 hašeného a nehašeného uhlí při obsahu vody W, která odpovídala původnímu obsahu vody tohoto uhlí (tj. obsahu vody uhlí při stanovení náchylnosti k samovznícení čerstvého uhlí). Pro větší názornost byl poměrový údaj o zvýšení náchylnosti zhašeného uhlí k samovznícení udáván v procentech. Více podrobností lze nalézt v literatuře (Taraba 19991). Vliv kontaktu uhlí s vodou na jeho náchylnost k samovznícení byl zhodnocen a dodán do pasportizace Ostravskou universitou.
44
3.3.6
Hodnocení náchylnosti k samovznícení průsečíkovou metodou CPT
Na Hornicko-geologické fakultě, Vysoké škole báňské-Technické univerzitě Ostrava byla na institutu hornického inženýrství a bezpečnosti zřízena v roce 1997 laboratoř samovznícení látek. Základem laboratoře se stal adiabatický termostat s koncepcí elektroniky podle literatury (Ren 1994). Ke vzniku laboratoře přispěly zahraniční poznatky autora (Adamus 1997-1) a spolupráce předmětného pracoviště s katedrou elektroniky Elektrotechnické fakulty VŠB-TUO. V roce 1999 byl řídící program stávajícího adiabatického termostatu rozšířen o režim průsečíkové metody CPT. Průsečíková metoda CPT hodnotí chování uhelného vzorku v podmínkách teplotně řízeného režimu zkušební aparatury. Reaktor s uhelným vzorkem se umisťuje do kapalinové, případně suché části zkušební aparatury s řízeným, nejčastěji lineárním nárůstem teploty s teplotním gradientem v rozmezí 0,5 – 20,0 oC.min-1 . Uhelný vzorek umístěný v reaktoru a následně například v olejové lázni je vystaven nárůstu teploty prostředí a souběžně je vystaven filtraci oxidačního média. Dynamika nárůstu teploty uhelného vzorku vlivem oxidace uhlí je mírou náchylnosti k samovznícení. Teplota vzorku má zpravidla nejprve zpožděný průběh vůči teplotě prostředí, později dochází k nárůstu teploty uhlí vlivem oxidace, následně dojde k vyrovnání teploty a k předstihu teploty uhlí vůči teplotě prostřední. Teplota vyrovnání (průsečík) je označována za teplotu „CPT“, která je základním parametrem náchylnosti uhlí k samovznícení podle dané metody, obr. 3.10. V případech srovnávání chování uhelné hmoty s chováním referenční inertní látky (slepým vzorkem) je pro vyhodnocení často používána diferenciální termická analýza DTA (Differential Termal Analysis), viz obr 3.11. Některé informace k využití průsečíkové metody CPT na HGF VŠBTUO byly uvedeny v literatuře (Adamus 2000-4). Základ aparatury byl tvořen tělesem termostatu s topnou spirálou 1,72 kW a olejovou vanou 16 litrů, plněnou silikonovým olejem. Olejová lázeň sloužila pro umístění reaktoru v podobě skleněné promývačky o objemu 0,5 litrů s filtrační fritou u dna, opatřenou předehřívací skleněnou spirálou pro teplotní kompenzaci přiváděného oxidačního média. K příslušenství aparatury patříly dva termočlánky typu K, dva integrované zesilovače AD595AQ, gravitační průtokoměry (rotametry) výrobce Cole Parmer, elektronické průtokoměry výrobce McMILLAN, elektroventily typu BURKERT 200, tlakové lahve s technickými plyny a redukčními ventily (N2, vzduch, O2 , směs 10 % O2 + 90 % N2), laboratorní vzduchová pumpa a od roku 1999 plynová linka pro analýzu výstupních plynných produktů tvořená infraanalyzátory Maihak Multor 610, Unor 6, Unor 4 a paramagnetickým kyslíkoměrem Servomex 570 A. Plynová linka byla sestavena pro kontinuální analýzu CO, CO2, CH4 a O2. Termostat byl řízen počítačem PC pomocí převodníkové A/D karty výrobce AXIOM, typ AX 5210, výkonového triakového převodníku výrobce KUAN, typ KSD225ACB. Měřené hodnoty teplot, průtoku oxidačního média a koncentrací výstupních plynů byly archivovány řídícím PC. Teplotní rozsah aparatury byl nastaven v rozmezí 25 – 200 oC. Přesnost měření a regulace aparatury byla limitována standardními vlastnostmi termočlánku (0,1 oC), šumem a teplotním driftem elektroniky. Vzájemný teplotní souběh odchylek termočlánků byl v teplotním rozsahu měření vyrovnán softwarovými korekcemi, včetně odchylek absolutních měřených hodnot teploty vůči kalibrovanému rtuťovému teploměru. Vzájemný souběh termočlánků byl odladěn s přesností 0,3 oC v rozsahu měření 25-200 oC. Nelinearita průměrné teploty termočlánků vůči rtuťovému kalibrovanému teploměru byla dosažena v rozsahu měření max. 0,5 oC. Schéma zapojení aparatury je uvedeno na obr. 3.7 a část laboratoře na obr. 3.8.
45
N2
O2 O2 CH4
QV
CO2 CO AD 595 AQ
CONTROL PANEL 2.21
K K
AXIOM AX 5210
max. 1,72 kW
PC KUAN KSD
Obr. 3.7 Schéma aparatury průsečíkové metody CPT na HGF VŠB-TU Ostrava
Obr. 3.8 Aparatura průsečíkové metody CPT na HGF VŠB-TU Ostrava Programová aplikace řídicího počítače byla vytvořena v prostředí Control Panel 2.2 (Alcor - Moravské přístroje, a.s.). V roce 1999 byl pro aparaturu zvolen režim konstantního výkonu topné spirály. Byl zvolen výkon 860 W. Za tohoto režimu byly analyzovány tři uhelné vzorky pasportizace za rok 1999. Z důvodu zjištěných odlišných časů měření (ve stanoveném teplotní
46
rozmezí 25 – 200 oC), zapříčiněných pravděpodobně výkyvy teploty v laboratoři, byl v roce 2000 zvolen režim konstantního času rozboru 4 hodiny s fixním algoritmem dynamického nárůstu teploty v daném teplotním rozmezí (25-200 oC). Přesto, že nejběžnější teplotní režimy používaných aparatur CPT jsou založeny na lineárním vzestupu teploty, byl na VŠB-TUO zvolen nelineární režim s dynamickým vzestupem teploty olejové lázně při zahájení měření. Tento režim umožňoval zvýšení teploty ověřovaného uhelného vzorku v kratším čase než u standardních lineárních aparatur. Výhodou bylo zvýšení teploty ověřovaného uhelného vzorku v časovém předstihu při zachování konstantní doby měření. Byl zvolen nelineární nárůstu teploty olejové lázně s počátečním dynamický nárůstem 4 oC.min-1 a s pozvolným poklesem teplotního gradientu až k hodnotě 0,2 oC.min-1 v závěru měření. Fixní exponenciální průběh nárůstu teploty olejové lázně byl zajištěn algoritmem řídícího počítače. Exponenciální průběh nárůstu teploty olejové lázně je uveden na obr. 3.9 (3x teplota lázně). Jako srovnávací charakteristika chování inertního vzorku byla několikanásobně proměřena charakteristika vyjadřující nárůst teploty ve středu měřícího reaktoru naplněného oxidem hlinitým (alumina Al2O3). Oxid hlinitý byl umístěn v reaktoru aparatury a za prosávání dusíkem o hodnotě objemového průtoku 50 ml.min-1 byla ověřena inertní („slepá“) charakteristika aparatury. Vliv tepelného odporu oxidu hlinitého na dráze od vnitřní stěny reaktoru k termočlánku umístěného ve středu reaktoru se projevil zpožděním průběhu teploty snímané v reaktoru. Obrázek 3.9 uvádí výsledky trojnásobného ověření „slepé“ charakteristiky. Trojnásobné průběhy teploty olejové lázně a teploty naměřené ve středu reaktoru se překrývají.
CHARAKTERISTIKY LÁZNĚ A INERTNÍHO VZORKU Teplota [ oC]
(srovnávací „slepá“ charakteristika Al2O3 metody CPT) Laboratoř samovznícení látek HGF-VŠB TU Ostrava
Čas [sek.]
Obr. 3.9 Charakteristika olejové lázně a inertního vzorku
47
Rozbory průsečíkovou metodou CPT Příprava vzorků pro rozbory průsečíkovou metodou CPT zahrnovala odběr a uchování vzorků v kusovém stavu v dusíkové atmosféře do doby mletí. Po přípravě frakce 0,5 - 2,0 mm byly uhelné vzorky vakuově sušeny 24 hodin při teplotě 60 oC. Po vyjmutí vzorku z vakuové sušárny byl každý vzorek ponechán na vzduchu 1 hodinu z důvodu sorpční a teplotní temperace. Po tuto dobu byl vzorek vystaven oxidaci vlivem působení vzdušného kyslíku. Standardní ovlivnění měřených vzorku touto oxidací bylo zabezpečeno stanovením výše uvedeného konstantního času temperance. Poté byl vzorek o objemu 450 ml (cca 298 g černé uhlí) umístěn do reaktoru olejové aparatury, byl přiveden plynný dusík o objemovém průtoku 50 ml.min-1 a byla vytemperována teplota oleje a uhelného vzorku na počáteční teplotu rozboru 25 oC. V okamžiku dosažení shodné teploty vzorku a olejové lázně byl zahájen čtyřhodinový rozbor zapnutím vyhřívacího režimu termostatu a přepnutím prosáváného dusíku na čistý kyslík (50 ml.min-1). Zvýšená obsah vody hnědých uhlí a lignitu (až 46 %) si vyžádal intenzivnější sušení. Vzorky byly nejprve sušeny ve vakuu v kusovém stavu (50 - 100 mm) po dobu 24 hodin při teplotě 105 oC, poté byly skladovány v dusíkové atmosféře do doby přípravy frakce. Po namletí frakce (0,5 – 2,0 mm) byly vzorky opět vakuově sušeny po dobu 24 hod. při teplotě 105 oC. Rovněž relativně vysoká oxireaktivita hnědouhelných vzorků si vynutila zvýšený průtok oxidačního média, čistého kyslíku, na 100 ml.min-1.
Stanovení klasifikace průsečíkové metody CPT Výsledky rozborů uhelných vzorků obdržených průsečíkovou metodou CPT byly do konce roku 2002 průběžně vztaženy k charakteristice inertního materiálu Al2O3. Výsledky byly vyjádřeny formou teploty průsečíků uhelného vzorku se „slepou charakteristikou Al2O3“ pomocí termogramů DTA. Tyto výsledné hodnoty, hodnoty teplot průsečíků, bez zařazení do kategorií náchylnosti, byly uváděny v dílčích výzkumných zprávách pasportizace (Adamus 1999-2002). V roce 2002 byly v laboratoři HGF VŠB-TUO ověřovány rovněž vzorky hnědouhelné a lignit. Při vyhodnocení těchto vzorků nedocházelo k průsečíkům s charakteristikou inertního vzorku, neboť nárůst teploty uhlí předstihl ověřenou charakteristiku Al2O3 ihned při zahájení rozboru. Z tohoto důvodu bylo v závěrečném vyhodnocení náchylnosti uhelných vzorků k samovznícení upuštěno od použití srovnávací charakteristiky (Al2O3). Výsledky rozborů průsečíkové metody CPT byly v závěru vyhodnoceny u všech 31 uhelných vzorků pasportizace 1999-2002 na základě průsečíku teploty uhlí s teplotou olejové lázně aparatury. Obrázek 3.10 uvádí z důvodu zachování přijatelné čitelnosti a názornosti výsledky rozborů pouze 20 uhelných vzorků z celkové základny 31 vzorků (12 OKR, 2 Kladenský revír, 1 JLR, 5 SHR). Z obrázku 3.10 vyplývá rozdíl mezi oxireaktivitou černých uhlí OKR s hodnotou průsečíků CPT blízko 170 oC a ostatními, převážně hnědouhelnými vzorky, s hodnotou průsečíků CPT blízko 120 oC. Pozoruhodné bylo chování černouhelných vzorků Kladenského revíru, které se hodnotou průsečíku CPT (132,4 a 135,5 oC) přibližovaly hnědouhelným vzorkům.
48
Obr. 3.10 Výsledky rozborů CPT – průsečíky teploty uhlí s teplotou lázně aparatury
Z teplotního rozmezí CPT průsečíků 163,2 – 179,5 oC, vyplývajícího ze souborů 23 ověřených uhelných vzorků OKR, byly stanoveny rozhraní tří kategorií náchylnosti pro hodnocení uhlí OKR pomocí průsečíkové metody CPT v předmětné laboratoři. Stanovené kategorie jsou uvedeny v tabulce 3.5.
Tab. 3.5 Kategorie náchylnosti uhlí OKR k samovznícení podle průsečíkové metody CPT Kategorie 1. 2. 3.
Teplota průsečíku Třída náchylnosti CPT (oC) k samovznícení nad 175,1 NÍZKÁ 168,1 – 175,0 STŘEDNÍ pod 168,0 VYSOKÁ
Stanovené kategorie náchylnosti průsečíkové metody CPT, uvedené v tabulce 3.5 byly využity při závěrečném vyhodnocení pasportizace 1999-2002 a byly uvedeny v závěrečné výzkumné zprávě (Adamus 2002-2). Hodnocení náchylností uhelných vzorků k samovznícení průsečíkovou metodou CPT dodala do obsahu pasportizace HGF VŠB-TU Ostrava.
49
3.3.7 Vliv inertizace dusíkem Ve vztahu především k represivnímu využívání dusíku byl ověřován vliv plynného dusíku na náchylnost uhlí k samovznícení vystavením uhelné hmoty dusíkové atmosféře za zvýšené teploty. První experimentální pokusy ověřující tento vliv dusíku byly realizovány na VVUÚ, a.s. (Věžníková 1993) ve spolupráci s ÚG AV ČR v Ostravě v roce 1993 (Taraba 1993). Vliv dusíkové atmosféry na zvyšování náchylnosti vyhřátého uhlí k samovznícení byl v rámci pasportizace ověřován zkouškou uhlí na náchylnost k samovznícení průsečíkovou metodou CPT po vystavení uhelného vzorku teplotě 120 oC v dusíkové atmosféře po dobu 24 hodin. Rozbory byly vyhodnoceny termogramy DTA, ve kterých osu „x“ tvořily hodnoty ověřené charakteristika inertního vzorku, uvedené na obr. 3.9 (3x teplota Al2O3). Na osu „y“ pak byly vynášeny rozdíly teplot mezi měřenou teplotou v reaktoru a hodnotou teploty charakteristiky inertního materiálu. Čas rozborů byl ve všech případech dán standardním algoritmem ovládacího softwaru (240 min.) a to jak pro předem ověřenou „slepou“ charakteristiku Al2O3, tak pro ověřované uhelné vzorky. Vliv inertizace dusíkem vyplynul ze srovnání průběhu teploty zkoušky CPT základního rozboru uhelného vzorku a rozboru totožného uhelného vorku po inertizaci dusíkem. Příklad vyhodnocení je uveden na obr. 3.11. Základní rozbor uhelného vzorku průsečíkovou metodou CPT uvádí křivka č. 1. Rozbor uhelného vzorku inertizovaného dusíkem uvádí křivka č. 2. Z termogramu je patrné, že k průsečíku teploty uhlí s teplotou inertního materiálu (Al2O3) došlo při základním rozboru při teplotě 149 oC a po inertizaci dusíkem při teplotě 108 oC. Po inertizaci dusíkem tedy došlo k intenzivnějšímu nárůstu teploty v průběhu rozboru CPT, tedy došlo ke stavu, kdy inertizace dusíkem zvýšila náchylnost uhlí k samovznícení (k oxidaci). V dílčích zprávách pasportizace 1999-2002 byly uváděny výsledky rozborů vlivu inertizace dusíkem ve formě hodnot záporného nebo kladného rozdílu teplot srovnávacích rozborů a v podobě konstatování zda zvýšila inertizace náchylnost k samovznícení či nikoliv. Výsledky ověření vlivu inertizace dusíkem na náchylnost uhelných vzorků k samovznícení byly do obsahu pasportizace dodány HGF VŠB-TU Ostrava.
3.3.8
Limitní koncentrace kyslíku samovznícení uhlí
V polovině devadesátých let 20. století byl na HGF VŠB-TUO řešen ve spolupráci s VVUÚ, a.s., výzkumný projekt zabývající se tlumením dynamiky vzdušné oxidace uhelné hmoty snižováním koncentrace kyslíku inertizací dusíkem (Adamus 1997-2). Na několika vzorcích bylo sledováno prodlužování dynamiky oxidace v adiabatickém termostatu při koncentracích kyslíku – 100 %, 21%, 14 % a 10 %. Na základě získaných poznatků bylo konstatováno, že inkubační doba uhlí OKR se v průměru prodlužuje z 6 týdnů na 4 měsíce při poklesu koncentrace kyslíku na 11 %. Za podmínek dobývání uhelných slojí v OKR platných od roku 1993 (dobývání mimo pestrých vrstev) lze pokládat za bezpečnou koncentraci kyslíku v závalovém prostoru 10 % a to např. při aplikaci preventivní inertizace závalových prostor plynným dusíkem. V rámci pasportizace bylo ověřováno průsečíkovou metodou CPT chování uhelného vzorku při použití oxidační směsi 10 % O2 + 90 % N2. Pro vyhodnocení chování uhelného 50
vzorku byly použity termogramy DTA způsobem popsaným v předchozí subkapitole Ověření limitní koncentrace kyslíku 10 % (LOC - Limiting Oxygen Concentration), označované často také jako mezní koncentrace kyslíku, vyplynulo ze srovnání průběhu teploty zkoušky CPT základního rozboru uhelného vzorku a rozboru totožného uhelného vorku vystaveného 10 % O2. Příklad vyhodnocení je uveden na obr. 3.11. Základní rozbor uhelného vzorku průsečíkovou metodou CPT uvádí křivka č. 1. Rozbor uhelného vzorku oxidovaného 10 % O2 uvádí křivka č. 3. Z uvedeného příkladu termogramu je patrné, že k průsečíku teploty uhlí s teplotou inertního materiálu (Al2O3) došlo při základním rozboru za teploty 149 oC a při oxidaci totožného uhelného vzorku směsí 10 % O2 + 90 % N2 k průsečíku nedošlo. Pro daný uvedený příklad bylo možné konstatovat, že koncentrační hranice kyslíku 10 % byla vyhovující jako limitní koncentrace kyslíku samovznícení. V dílčích zprávách pasportizace 1999-2002 byly uváděny výsledky rozborů mezní koncentrace kyslíku samovznícení konstatováním, že mezní koncentrace kyslíku samovznícení pro daný uhelný vzorek byla 10 % v případech, kdy k průsečíku v rámci hodnocení uvedeným postupem nedošlo. Výsledky ověření limitní koncentrace kyslíku samovznícení byly do obsahu pasportizace dodány HGF VŠB-TU Ostrava.
Metoda CPT
rozdíl teploty, oC
DTA termogram - vliv inertizace N2, limitní koncentrace O2
1 - základní rozbor, 100 % O2 2 - vliv inertizace N2 3 - limitní konc. O2, 10 % O2
teplota inertu, oC
Obr. 3.11 Příklad rozboru uhelného vzorku metodou CPT
51
3.3.9 Stanovení inhibitorů Dílčí výzkumné zprávy pasportizace obsahovaly v létech 1986 - 1991 doporučení k využívání inhibitorů, tj. chemických látek snižujících náchylnost uhlí k samovznícení. Při výběru vhodného inhibitoru byly vzorky uhlí preparovány roztokem příslušné chemické látky ve vodě a následně ověřeny na náchylnost k samovznícení metodou podle Olpinského. Účinné inhibitory ověřené metodou podle Olpinského byly dále ověřovány metodou sorpce za adiabatických podmínek. Výsledky obdržené metodou podle Olpinského byly vztaženy na stav rozvinutého záparu, zatímco výsledky obdržené metodou oxidace za adiabatických podmínek byly vztaženy na prevenci samovznícení. Mezi ověřované inhibitory byly zařazeny následující chemické látky v koncentracích 250 g .l-1 a 125 g.l-1 : • • • • • • • • •
vodní sklo, močovina, ligrasol, sulfidový výluh, chlorid sodný; NaCl, síran amonný; (NH4)2SO4, síran sodný krystalický; Na2SO4 . 10H2O, siřičitan sodný krystalický; Na2SO3 . 7H2O, uhličitan sodný krystalický; Na2CO3 . 10H2O.
Uvedené inhibitory nebyly ověřovány v plném rozsahu u všech uhelných vzorků. V roce 1991 byly ověřovány pouze čtyři inhibitory - vodní sklo, chlorid sodný, síran amonný, siřičitan sodný.
3.4
Rozbory plynných produktů tepelné oxidace
Metoda rozboru plynných produktů tepelné oxidace je používána pro získání podkladů k určení teploty uhelné hmoty na nepřístupných místech pomocí rozboru tzv. indikačních plynů samovznícení, zastoupených v důlní atmosféře v případě projevů samovznícení. Indikačními plyny samovznícení jsou dosud v důlní praxi oxid uhličitý, oxid uhelnatý, vodík, metan, etan, propan, butan, etylén, propylén a acetylén. Laboratorně ověřené plynové obrazy tepelné oxidace umožňují také výpočet vzájemných poměrů vybraných plynů, které charakterizují teplotu uhlí a tím stav samovznícení. Sledované uhlovodíky rozlišujeme na nasycené (alkany) a nenasycené (alkeny a alkiny). Nasycené uhlovodíky: • Alkany – metan (CH4), etan (C2H6), propan (C3H8), n-butan, i-butan (C4H10). Nenasycené uhlovodíky : • Alkeny – etylén (C2H4), propylén (C3H6), • Alkiny – acetylén (C2H2). Metoda rozboru plynných produktů tepelné oxidace byla popsána ve výzkumné zprávě VVUÚ, a.s., (Harašta 1983) a v interní metodice VVUÚ, a.s. (VVUÚ 1995).
52
Aparatura VVUÚ, a.s., používaná při ověřování uvolňovaných plynných produktů tepelné oxidace se skládala z kovového reaktoru o vnitřním objemu 0,22 litru, vybaveného předehřívací trubicí a umístěného ve vzdušném termostatu s cirkulací vzduchu a spínacím teploměrem Vertex. Kovový reaktor byl naplňován uhelným vzorkem frakce 0,2 - 2,0 mm o hmotnosti cca 150 g. Teplotní režim vzduchového termostatu umožňoval temperaci uhelného vzorku v rozsahu 40 - 380 oC (1986-1988) a 40 - 200 oC (1991 - 2002) v pravidelných intervalech každých 20 oC. Vstupní průtok technického vzduchu z tlakové lahve byl kontrolován bublinkovým průtokoměrem na úrovni 20 ml.min-1. Po dobu odběru byly výstupní plyny chlazeny a jímány do skleněné vzorkovnice o objemu 0,5 litru odpouštěním stabilizované kapaliny ze vzorkovnice do odměrné nádobky objemu 0,5 litru za současné tlakové kompenzace výstupu (vyrovnání tlaku výstupní plynové cesty s tlakem atmosférickým) a měření času odpuštění 0,5 litru stabilizované kapaliny stopkami pro stanovení výstupního objemového průtoku. Po odběru plynů reprezentujících danou teplotu uhlí byla teplota uhelného vzorku temperována pomoci termostatu na teplotě o 20 oC vyšší a odběrový cyklus se opakoval. V létech 1991 - 2002 byly plynné produkty tepelné oxidace odebírány při teplotách uhlí 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160, 180 a 200 oC. Aparatura VVUÚ, a.s., pro odběr plynných produktů tepelné oxidace uhlí je uvedena na obr. 3.12.
Obr. 3.12 Aparatura VVUÚ, a.s., pro odběr produktů tepelné oxidace uhlí, foto VVUÚ, a.s. Odebrané plyny byly analyzovány následující den po odběru chromatografickou laboratoři, oddělením speciální záchranářské techniky HBZS, a.s. Ostrava-Radvanice (1999-
53
2002). Byly analyzovány koncentrace kyslíku paramagnetickým kyslikoměrem Servomex 570 A, metan, oxid uhličitý a uhelnatý infraanalyzátorem Maihak UNOR 6N, vodík (od roku 1999) a plynné uhlovodíky od metanu po butany (CH4, C2H6, C3H8, n-C4H10, i-C4H10, C2H4, C3H6) plynovým chromatografem SIGMA 8500, výrobce Perkin Elmer. V dílčích zprávách pasportizace 1999 - 2002 byla uváděna pro každý uhelný vzorek tabulka naměřených koncentrací plynů, tabulka uvolněných množství plynů přepočtených na hmotnost navážky uhelného vzorku a čas v rozměru ml.t-1.min-1, společný graf vývinů uvolněných plynů, tabulky hodnot 56 bezrozměrných ukazatelů (poměrů plynů) a 18 grafů průběhů bezrozměrných ukazatelů vybraných podle vypovídací schopnosti. V roce 2002 byla do obsahu pasportizace zařazena tzv. „Tabulka charakteristických plynů“ uvádějící plyny vztažené k dané teplotě při jejich výskytu koncentrace 0,1 ppm. Obdržené výsledky poskytovaly možnost hodnocení teploty uhelné hmoty podle následujících kategorií : Hodnocení teploty uhlí na základě přítomnosti jednotlivých plynů - s rostoucí teplotou uhelné hmoty se do ovzduší uvolňují uhlovodíky, které se při nižších teplotách nevyskytovaly. Na základě jejich přítomnosti v závislosti na laboratorních výsledcích je možno určit teplotu uhlí v oblasti, z níž byl proveden odběr vzdušin. Stanovení koncentrací plynných složek v závislosti na teplotě - určení teplotní závislosti uvolňování plynných složek, které slouží pro výpočet vzájemných poměrů. Na základě závislosti těchto poměrů na teplotě, která je určena laboratorně, je možno určit teplotu uhlí v oblasti, z níž byl proveden odběr vzdušin. Výsledky rozborů plynů tepelné oxidace uhelných vzorků dodal do obsahu pasportizace VVUÚ, a.s.
3.5
Zpětná adsorpce plynných produktů tepelné oxidace
V létech 1986-1988 byla u dvaceti osmi uhelných vzorků ověřena zpětná adsorpce plynných produktů tepelné oxidace. Vzorek uhlí byl vyhříván v teplotním rozsahu 40 - 360 oC s krokem 40 oC a třicetiminutovým intervalem izotermního vyhřívání při každé teplotě. Při ověřování zpětné adsorpce byly uvolněné plyny cirkulačně vedeny konstantní rychlosti přes zkoumaný uhelný vzorek nadále umístěný v termostatu. Teplota byla snižována vždy o 40 oC. Vzestup a pokles teploty byl doprovázen sledováním složení plynných složek v závislosti na teplotě. Získané výsledky byly uvedeny v tabulkách a grafech. Intenzita zpětné adsorpce byla vyjádřena v (%) koncentračního poklesu způsobeného adsorpci, přičemž maximální vývin plynu při teplotě 360 oC byl považován pro každou plynnou složku za 100 %, viz obr. 4.7. 4. Části obsahů pasportizací Pasportizace uhelných slojí OKR z hlediska samovznícení byla v průběhu obou uvedených období zpracována celkem v jedenácti svazcích dílčích výzkumných zpráv. Pro názornost obsahů dílčích výzkumných zpráv jsou v následujících subkapitolách zkráceně uvedeny názorné části obsahů dvou zpracovaných uhelných vzorků reprezentujících dvě časová období pasportizace.
54
4.1
Příklad obsahu pasportizace 1986 -1993, vzorek sloje č. 40 Dolu Dukla
Texty příslušných dílčích výzkumných zpráv byly zpracovávány psacím strojem včetně tabulek. Grafy byly kresleny tuší na milimetrový papír. Jako příklad obsahu pasportizace 1986 – 1993 jsou uvedeny části jedné z kapitol výzkumné zprávy (Harašta 1987-2), str. 95 – 111, popisující uhelný vorek z Dolu Dukla, sloje č. 40 (č. XVIII na Dole Dukla) z rubání 18 511, staničení 330,1 m. Obrázky 4.1 - 4.8 uvedené v této kapitole nebyly z důvodu zachování autentičnosti dodatečně upravovány a jsou pouze ilustrační.
4.1.1 Identifikace uhelného vzorku Identifikace uhelných vzorků byla v pasportizacích dokumentována u většiny vzorků schématem profilu sloje v místě odběru s vyznačením makropetrografického typu uhlí v profilu. U některých vzorků (v létech 1999 – 2002 u všech) bylo schéma doplněno profilem hornin bezprostředního nadloží a v podloží, převzatého z geomechanické dokumentace nejbližšího vrtu. K popisu vzorku byl uveden důlní podnik, kra, číslo důlního díla, staničení důlního díla a od roku 1999 rovněž datum, čas a způsob odběru vzorku. Obrázek 4.1 uvádí schéma profilu odběru uhelného vzorku - Důl Dukla, sloj. č. 40., porub č. 18 511, staničení 330,1 m, z roku 1987.
Obr. 4.1 Profil odběru uhelného vz. Dolu Dukla, sl. č. 40., por. č.18 511, (Harašta 1987-2)
4.1.2 Chemicko-fyzikální vlastnosti vzorků, Olpinski, inhibitory Obrázek 4.2 uvádí obsah strany 96 příslušné dílčí výzkumné zprávy s hodnotami základního chemického rozboru (analytický rozbor), elementárního rozboru, specifického povrchu (měrný povrch), hustoty zdánlivé (označeno měrná hmotnost), pórovitosti (porozita) a objemů zbytkových plynů. Obr. 4.3 obsahuje výsledky zkoušky náchylnosti k samovznícení metodou podle Olpinského vyjádřené parametrem SZb+F a výsledky ověřování účinnosti inhibitorů. Účinnost ověřovaných inhibitorů je uvedena ve třetím sloupci tabulky v (%).
55
Obr. 4.2 Obsah strany 96 dílčí výzkumné zprávy, (Harašta 1987-2)
Obr. 4.3 Náchylnost podle Olpinského a účinnosti inhibitorů, (Harašta 1987-2)
56
4.1.3 Tepelná oxidace a zpětná sorpce V obsahu příslušné kapitoly dílčí výzkumné zprávy (Harašta 1986-93) následují tabulky naměřených koncentrací plynů tepelné oxidace v teplotním rozsahu 40 – 380 oC, dále tabulky uvolněných množství plynů přepočtené na hmotu uhlí a čas v rozměru (cm3.t-1.min-1), tabulka vybraných poměrů uvolněnych plynů, dva grafy uvolněných množství plynů pro rozsah teploty 40 – 200 oC a pokračování v rozsahu teploty 220- 380 oC, tabulka koncentrací plynů naměřených při tepelné oxidaci uhelné hmoty a zpětné sorpci v průběhu teploty 40 – 360 – 80 o C, tabulka průběhu zpětné sorpce plynů uvolněných tepelnou oxidací v (%) vztažených na koncentraci jednotlivých složek naměřených při teplotě 360 oC, graf průběhu sorpce plynů tepelné oxidace uhelné hmoty, graf sorpce kyslíku a vzestupu teploty metody oxidace za adiabatických podmínek a graf vlivu inhibitorů na samovzněcovací proces (hodnoceno metodou oxidace za adiabatických podmínek). Pro názornost následuje ukázka provedení tabulky naměřených koncentrací plynů tepelné oxidace v teplotním rozsahu 40 – 220 oC, obr. 4.4, graf uvolněných množství plynů v rozsahu teploty 40 – 200 oC, obr. 4.5, tabulka koncentrací plynů naměřených při tepelné oxidaci uhelné hmoty a zpětné sorpci v průběhu teploty 40 – 360 – 80 oC, obr. 4.6, graf průběhu zpětné adsorpce plynů tepelné oxidace uhelné hmoty, obr. 4.7 a graf vlivu inhibitorů na samovzněcovací proces, obr. 4.8, znázorňující průběh teploty a sorpce kyslíku (l.kg-1) při oxidaci za adiabatických podmínek a působení siřičitanu sodného, síranu amonného, sulfitových výluhů a chloridu sodného. Obrázky 4.4 – 4.8 uvádějí názorně dvě tabulky a tři grafy z celkového počtu sedmí tabulek a pěti grafů, které jsou v obsahu příslušné kapitoly literatury (Harašta 1987-2) uvedeny.
4.1.4 Závěrečný komentář Závěr kapitoly tvoří souhrn poznatků a doporučení, vyplývající z laboratorních rozborů příslušného uhelného vzorku – Důl Dukla, sloj č.40, porub č.18 511. K vývinům uhlovodíku bylo konstatováno, že „Za normálních podmínek se v důlních dílech bude vyskytovat z uhlovodíků metan a etan. Začátky samovzněcovacího procesu budou charakterizovány výskytem etylénu a zároveň i propanu. Oba uhlovodíky byly detekovány až při teplotě kolem 100 oC. V difuzně větraných místech mohou být tyto plyny detekovány i při teplotách nižších. Oba butany se začínají objevovat při teplotách kolem 160 oC, přičemž koncentrace n-butanu budou zřejmě nižší než koncentrace i-butanu. Tento vztah obou butanů bude pravděpodobně shodný pro celou XVIII sloj na Dole Dukla. Při adsorpci jednotlivých plynných složek prováděné postupným snižováním teploty vymizí jako prvý propylén, dále butany a etylén. Tento sled uhlovodíků platí prozatím pro všechny vzorky uhlí odebrané z XVIII. Sloje Dolu Dukla“,.(Harašta 1987-2), (sloj č. XVIII Dolu Dukla = sloj č. 40). Jako inhibitory byly doporučeny sulfidové výluhy, siřičitan sodný krystalický, případně síran amonný v roztocích o koncentraci 25 kg na 100 l vody.
57
Obr. 4.4 Koncentrace plynů tepelné oxidace, (Harašta 1987-2)
Obr. 4.5 Průběhy uvolněných množství plynů tepelné oxidace, (Harašta 1987-2)
58
Obr. 4.6 Množství uvolněných a zpětně sorbovaných plynů, (Harašta 1987-2)
Obr. 4.7 Průběh zpětné sorpce plynů tepelné oxidace uhlí, (Harašta 1987-2)
59
Obr. 4.8 Vliv inhibitorů na samovzněcovací proces, (Harašta 1987-2)
4.2
Část obsahu pasportizace 1999 - 2002, vzorek sloje č. 40 Dolu ČSA
Texty, tabulky a grafy původních dílčích zpráv byly zpracovány v elektronické podobě v programovém prostředí MS Word. Jako příklad obsahu pasportizace 1999 – 2002 jsou dále uvedeny části kapitoly č.1., dílčí výzkumné zprávy (Adamus 1999-1), str. 32 – 50, popisující uhelný vorek z Dolu ČSA (Jan Karel), 3. kry, sloje č. 40.
4.2.1 Identifikace uhelného vzorku Uhelné vzorky byly v pasportizaci v létech 1999- 2002 číslovány pořadovými čísly 1 - 23. Čísla kapitol odpovídaly pořadovému číslu uhelného vzorku. Úvodní strana každé kapitoly byla tvořena tzv. identifikační stránkou příslušného vzorku s popisem místa a času odběru, vyznačením bodu odběru vzorku v profilu sloje s vyznačením makropetrografických typů uhlí v profilu. Schéma bylo doplněno profilem přímého nadloží a podloží převzatého z profilu nejbližšího vrtu. Obrázek 4.9 uvádí identifikační stránku vzorku č.1 pasportizace 1999 - 2002.
60
VZOREK č. 1 – OKR, a.s., Důl Čs. armáda, o.z., závod. Jan Karel, 40.sl., 3. kra Lokalita: Sloj: Kra: Důlní dílo: Čas odběru: Způsob odběru:
OKD, a.s., Důl ČSA Karviná, závod Jan Karel 40. sloj 3. kra prorážka č. 13032 ve staničení 50 m 15.10.1999, 9:50 hod bodově, odseknutím kusovitého uhlí z obnaženého profilu sloje.
530 Pískovec středně zrnný, kompaktní
460
Pískovec jemně zrnný, slídnatý, občas šikmé pukl.
280
Prachovec písčitý s laminací pískov.
1 680 Uhlí. 100%, sloj Prokop, MUP
140 Prachovec silně písčitý, hnědavý 300 Prachovec písčitý, tmavě šedýí
Obr. 4.9 Identifikační stránka vzorku č. 1 pasportizace 1999 - 2002, (Adamus 1999-1)
61
4.2.2 Chemicko-fyzikální vlastnosti vzorků, Olpinski, oxidace za adiabat. podmínek Následující obsah byl převzat z elektronické verze dílčí výzkumné zprávy (Adamus 19991) a uvádí chemicko-fyzikální vlastnosti vzorku a výsledky hodnocení náchylnosti k samovznícení metodou podle Olpinského a výsledné parametry obdržené metodou adiabatické oxidace. Obr. 4.10 uvádí průběh nárůstu teploty uhelného vzorku ověřovaného metodou za adiabatických podmínek pro počáteční teplotu 60 oC a 80 oC. Výstupem metody adiabatické oxidace byly rovněž dva další, zde neuvedené grafy, graf závislosti přírůstku teploty na teplotě pro určení kritické teploty a graf extrapolované závislosti teploty na čase pro odhad indukční doby. Následující tabulky jsou uvedeny v této kapitole pro názornost obsahu pasportizace 1999-2002, bez přiřazení čísel předložené monografie. Základní vlastnosti vzorku Pevnost uhlí: Hustota zdánlivá: Spalné teplo: Specifický povrch :
15,0 MPa 1275,3 kg⋅m-3 36,32 MJ.kg-1 8,2 m2 g-1
Elementární rozbor Parametr
Označení
Uhlík celkový
Jednotka
hodnota
d
% hm.
87,78
Ht
d
% hm.
4,73
Nt
d
% hm.
1,33
d
% hm.
0,66
Ct
Vodík celkový Dusík celkový Síra celková
St
Síra spalitelná
Sspd
% hm.
0,50
d
% hm.
5,50
Kyslík dopočtem
Ot
Základní chemický rozbor Vzorek č. 1 Parametr
stav vzorku
Jednotka
analytický „a“
bezvodý „d“
hořlavina „daf“
Vlhkost W
% hm.
1,23
-
-
Popel A
% hm.
3,65
3,70
-
Hořlavina V
% hm.
22,86
23,14
24,03
Fixní uhlík Cf
% hm.
72,26
73,16
75,97
Petrografický rozbor Vzorek č.
1
Obsah macerálových skupin a mineralizace Vitrinit [%]
Liptinit [%]
Inertinit [%]
Minerál. příměs [%]
51,9
6,5
37,1
4,5
62
Pórovitost Objem pórů, Vporo, [mm3.g-1] 24,0
Makropóry, vmakp, [%] 43
Mezopóry, vmezp, [%] 57
Hodnocení náchylnosti k samovznícení metodou podle Olpinského Hodnocení náchylnosti k samovznícení podle Olpinského bylo realizováno na VVUÚ, a.s. v Ostravě-Radvanicích. Index náchylnosti SZa : 18,4 °C min-1 Index náchylnosti SZb : 19,1 °C min-1 Hodnocení : náchylnost k samovznícení malá - 1. kategorie
4.2.3 Hodnocení náchylnosti k samovznícení metodou adiabatické oxidace Hodnocení náchylnosti k samovznícení metodou adiabatické oxidace bylo realizováno na VVUÚ, a.s. v Ostravě-Radvanicích. Hodnocení stupně náchylnosti k samovznícení metodou adiabatické oxidace Parametr Jednotka Počáteční teplota 60 °C
80 °C
Počáteční teplota
°C
59,8
79,2
Maximální teplota
°C
161,4
156,3
Čas
hod
73,0
30,0
Průměrný nárůst teploty (v kyslíku)
°C/ hod
1,39
2,57
Průměrný nárůst teploty (ve vzduchu)
°C/hod
0,46
0,86
Hodnocení náchylnosti k samovznícení Hodnocení bezpečnostních parametrů Parametr
1. kategorie – náchylnost k samovznícení malá
Hodnota
Umístění v příloze
86°C
graf č.1.3.2
Kritická teplota Závislost přírůstků na teplotě
log ∆T = -1,986 + 0,0225T
Odhad indukční doby (40-250 °C) v kyslíku
267,1 hod
Odhad indukční doby (40-250 °C) ve vzduchu
801,2 hod
Bezpečná teplota
32 °C
63
graf č.1.3.3
Vzorek č.1, OKR, Důl ČSA Karviná, z. Jan Karel, 40. Sloj, 3. kra 180 160 140 teplota (°C)
120 100 80 60 40 20 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
čas (hod)
poč.teplota 60 °C
poč.teplota 80 °C
Obr. 4.10 Nárůst teploty za adiabatických podmínek, pasport. 1999-2002, (VVUÚ 1999)
4.2.4 Hodnocení vzorku izotermickou metodou (RID) Z textu příslušné subkapitoly jsou uvedeny dvě ze tří tabulek naměřených a vypočtených hodnot a graf závislosti kritického rozměru na teplotě, obr. 4.11. Hodnocení vzorku izotermickou metodou bylo realizováno na VVUÚ, a.s. v OstravěRadvanicích. Výsledky měření jsou uvedeny v tabulce. Na jejich základě byla určena pro každý rozměr košíku kritická teplota. Kritická teplota Kritický rozměr (cm) 5 2,5 1,25
Kritická teplota (°C) 127,5 170,8 217,6
64
Metodou nejmenších čtverců byly vypočítány konstanty a získána rovnice pro extrapolaci, z níž byla vypočítána závislost kritického rozměru na teplotě. Vypočtené hodnoty pro teplotní interval 20 až 250 °C jsou uvedeny v následující tabulce: Kritické rozměry Teplota Kritický (°C) rozměr (m) 20 0,884 30 0,619 40 0,444 50 0,326 60 0,243 70 0,185 80 0,143 90 0,112 100 0,089 110 0,072 120 0,059 130 0,048
Teplota (°C) 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250
Kritický rozměr (m) 0,040 0,034 0,029 0,025 0,021 0,018 0,016 0,014 0,012 0,011 0,010 0,009
V z o r e k č.1 - OKR, Dů l Č SA Kar vin á, z . J. Kar e l, 40. s lo j, 3. k r a 1
kritický rozměr (m)
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0
50
100
150
200
250
300
te p lo ta (°C)
Obr. 4.11 Závislost kritického rozměru na teplotě vzorku č. 1 pasportizace 1999-2002
4.2.5 Rozbory plynných produktů tepelné oxidace Rozbory plynných produktů tepelné oxidace byly realizovány na VVUÚ, a.s. v OstravěRadvanicích. Naměřené koncentrace, přepočet jejich uvolněného množství a vzájemné
65
poměry plynů byly v pasportizaci 1999-2002 uváděny celkem v osmi tabulkách, ze kterých jsou pro názornost zde uvedeny tři. Graficky byl zpracován společný graf uvolněných množství plynů, obr. 4.12 a celkem osmnáct dílčích grafů průběhů poměrů plynů z níže uvedeného výčtu, ze kterého je zde otištěn jeden graf, obr. 4.13, poměr průběhu etylénu k vodíku.
Graficky vyhodnocené poměry uvolněných plynů : (byly vyhodnoceny v původním obsahu pasportizace)
- oxid uhličitý k oxidu uhelnatému
- CO2 / CO
- úbytek kyslíku k oxidu uhelnatému -∆O2 / CO2 - úbytek kyslíku k oxidu uhličitému - ∆O2 / CO - oxid uhelnatý k vodíku
- CO / H2
- oxid uhličitý k vodíku
- CO2 / H2
- oxid uhelnatý k metanu
- CO / CH4
- etan k etylénu
- C2H6 / C2H4
- etan k oxidu uhelnatému
- C2H6 / CO
- etan k oxidu uhličitému
- C2H6 / CO2
- propan k oxidu uhelnatému
- C3H8 / CO2
- propan k úbytku kyslíku
- C3H8 / ∆O2
- iso-butan k oxidu uhličitému
- i-C4H10 / CO2
- iso-butan k úbytku kyslíku
- i-C4H10 / ∆O2
- n. butan k úbytku kyslíku
- n-C4H10 / ∆O2
- n. butan k oxidu uhličitému
- n-C4H10 / CO2
- etylén k vodíku
- C2H4 / H2
- etylén k oxidu uhličitému
- C2H4 / CO2
- etylén k oxidu uhelnatému
- C2H4 / ∆O2
66
Výsledky rozborů plynných produktů tepelné oxidace vzorek :1 (119/99) ČSA
navážka (g): 139
vstupní průtok: vstup. koncentrace:
20 ml/min 20,9 %
Naměřené koncetrace plynů teplota
čas
průtok
°C
min
ml /min
o.uhličitý metan o.uhelnatý %
ppm
40
30,33
16,49
0,3
20,0
1,0
20,4
10
0,3
0,0
0,1
0,0
0,0
0,0
0,0
60
29,03
17,22
0,4
49,6
24,0
19,7
46
1,2
0,1
0,3
0,0
0,0
0,0
0,0
ppm
kyslík
vodík
etan
etylen
propan
%
ppm
ppm
ppm
ppm
iso-butan n. butan propylen acetylen ppm
ppm
ppm
80
25,75
19,42
0,8
107,8
198,0
18,3
98
1,2
0,2
0,3
0,2
0,2
0,2
0,0
100
28,90
17,30
1,1
259,4
495,0
17,4
188
2,9
0,5
0,6
0,3
0,2
0,3
0,0
120
25,87
19,33
1,0
417,0
1075,0
15,6
295
6,1
1,5
0,8
0,3
0,2
0,3
0,0
140
25,98
19,25
0,8
348,0
1890,0
13,2
425
8,7
2,2
1,4
0,7
0,8
0,1
0,0
160
27,33
18,29
1,6
461,0
4760,0
6,3
815
22,9
6,4
5,7
1,0
3,2
0,2
0,0
180
25,20
19,84
1,9
373,0
6320,0
3,2
1445
40,8
14,8
18,9
3,4
8,2
0,6
0,0
200
28,23
17,71
3,2
401,0
13640,0
0,3
2960
56,5
25,0
36,9
11,2
17,6
1,9
0,0
vodík
etan
etylen
1,19
0,03
0,00
Uvolněné množství plynů (ml/t . min) teplota úbyt. O2 sp. kyslík o.uhličitý metan o.uhelnatý
propan iso-butan
n. butan propylen
°C
%
40
0,5
5878
60
1,2
5662
520,42
2,44
2,97
5,70
0,15
0,01
0,03
0,00
0,00
0,00
80
2,6
4508
1061,67
2,56
27,66
13,69
0,17
0,02
0,05
0,02
0,03
0,03
100
3,5
8415
1344,25
2,17
61,61
23,40
0,36
0,06
0,07
0,03
0,03
0,04
120
5,3
8381
1334,84
2,17
149,47
41,02
0,85
0,20
0,11
0,04
0,03
0,04
308,36
2,42
0,12
0,01
0,00
0,00
0,00
140
7,7
11796
1163,04
1,83
261,68
58,84
1,20
0,30
0,20
0,10
0,11
0,02
160
14,6
21780
2079,57
0,83
626,50
107,27
3,01
0,84
0,75
0,13
0,42
0,03
180
17,7
25504
2769,21
0,46
902,14
206,26
5,82
2,11
2,70
0,49
1,17
0,09
200
20,6
29690
4013,79
0,04
1738,04
377,17
7,20
3,19
4,70
1,43
2,24
0,24
Poměry koncentr. plynů C2H4 ;C3H8/C3H6;H2;CO;CO2;∆O2 Teplota o C 40 60 80 100 120 140 160 180 200
C2H4/ C3H6 0,00 3,85E-01 4,41E-01 7,97E-01 1,79 1,53 1,12 7,83E-01 6,78E-01
C2H4/ H2 0,00 2,17E-03 1,53E-03 2,50E-03 4,92E-03 5,18E-03 7,85E-03 1,02E-02 8,45E-03
C2H4/ CO 0,00 4,17E-03 7,58E-04 9,49E-04 1,35E-03 1,16E-03 1,34E-03 2,34E-03 1,83E-03
C2H4/ CO2 0,00 2,38E-05 1,97E-05 4,35E-05 1,51E-04 2,62E-04 4,05E-04 7,63E-04 7,94E-04
67
C2H4/ ∆O2 0,00 8,33E-06 5,77E-06 1,34E-05 2,74E-05 2,86E-05 4,38E-05 8,36E-05 1,21E-04
C3H6/ H2 0,00 0,00 1,84E-03 1,60E-03 1,02E-03 2,59E-04 2,45E-04 4,15E-04 6,42E-04
C3H6/ CO 0,00 0,00 9,09E-04 6,06E-04 2,79E-04 5,82E-05 4,20E-05 9,49E-05 1,39E-04
C3H6/ CO2 0,00 0,00 2,37E-05 2,78E-05 3,13E-05 1,31E-05 1,27E-05 3,09E-05 6,03E-05
C3H6/ ∆O2 0,00 0,00 6,92E-06 8,57E-06 5,66E-06 1,43E-06 1,37E-06 3,39E-06 9,22E-06
Vzorek č.1 - OKR, Důl ČSA, z. Jan Karel, 40. Sloj, 3. kra
uvolněné množství (ml/t.min)
100000 10000 1000 100 10 1 0,1 0,01 40
60
80 100 120 140 160 180 200 teplota (°C)
spotř. kyslík o.uhelnatý etylen n. butan
o.uhličitý vodík propan propylen
metan etan iso-butan
Obr. 4.12 Uvolněná množství plynů vzorku č. 1 pasportizace 1999-2002, (VVUÚ 1999)
Obr. 4.13 Průběh etylénu k vodíku, vzorek č. 1 pasportizace 1999-2002, (VVUÚ 1999)
68
4.2.6 Hodnocení náchylnosti k samovznícení metodou pulsní kalorimetrie Hodnocení náchylnosti k samovzníceni metodou pulsní kalorimetrie bylo realizován na Ostravské univerzitě. Výsledky stanovení náchylnosti posuzovaného vzorku uhlí k samovznícení metodou pulsní kalorimetrie uvádí následující tabulka :
Hodnocení stupně náchylnosti k samovznícení metodou pulsní kalorimetrie Vzorek
Obsah vody, W (%)
Hodnota q30 (J/g)
Náchylnost k SZ
č.1
1,0
0,62 + 0,04
zvýšená
Vliv kontaktu uhlí s vodou na jeho náchylnost k samovznícení Hodnocení vlivu kontaktu uhlí a jeho náchylnost k samovzníceni bylo realizováno na Ostravské univerzitě. Výsledky ovlivnění uhelného vzorku působením vody při 200°C uvádí tabulka níže. Hodnoty uváděné v tabulce, q30(H2O) a q30 (bez H2O), jsou hodnoty oxidačních tepel pro vzorek vystavený působení vody, resp. bez působení vody. Oba údaje byly odečteny z grafu, obr. 4.14, při obsahu vody, odpovídající hodnotě W daného vzorku při stanovení náchylnosti k samovznícení. Vliv kontaktu uhlí s vodou je vyjádřen bezrozměrným W ukazatelem ∆q .
Vliv kontaktu uhlí s vodou na jeho náchylnost k samovznícení Vzorek
č.1
Ukazatel ∆q
W
Ukazatel ∆q
q30(H2O)
q30 (bez H2O)
(J/g)
(J/g)
(-)
( %)
0,71
0,40
1,75
75
69
W
Vzorek č.1 - OKR, Důl ČSA Karviná, z. Jan Karel, 40. sloj, 3. kra
Oxidační teplo q30 (J/g)
0,8
0,6
0,4
0,2 200°C, bez vody 200°C, + voda
0 0
0,5
1
1,5
2
Obsah vlhkosti W (%) Obr. 4.14 Závislosti vlivu hašení uhlí vodou, vzorek č. 1 pasp. 1999-2002, (Taraba 1999-2)
4.2.7 Hodnocení náchylnosti k samovznícení průsečíkovou metodou CPT Rozbory uhelných vzorků průsečíkovou metodou CPT byly realizovány HGF VŠB – TU Ostrava. Metoda CPT nebyla do roku 1999 v České republice používána. Klasifikace náchylnosti k samovznícení podle metody CPT byla stanovena v roce 2002 na základě vyhodnocení 23 uhelných vzorků. Z tohoto důvodu nebyla v průběhu let 1999-2001 naměřeným výsledkům přiřazována třída náchylnosti. Výsledek rozboru vzorku č. 1 (průsečík s charakteristikou inertu) : •
K průsečíku křivek teploty došlo u vzorku č. 1 při 149,3 oC , viz obr. 4.15.
Vliv inertizace dusíkem Vliv inertizace dusíkem byl ověřen metodou CPT srovnáním hodnot teploty průsečíků teplotních křivek při rozboru vzorku neupraveného a vzorku vystaveného působení dusíku při teplotě 120 oC a dobu 24 hodin. Výsledky rozboru :
70
• •
K průsečíku křivek teploty neupraveného vzorku došlo při 149,3 oC , K průsečíku křivek teploty u vzorku vystaveného inertizaci dusíkem došlo 107,5 oC .
Zvýšena náchylnost k samovznícení vlivem inertizace dusíkem se projevila zvýšenou dynamikou oxidace, která způsobila snížení hodnoty průsečíku teplotní charakteristiky o 41,8 oC, viz obr. 4.15. Limitní koncentrace kyslíku samovznícení uhlí Limitní koncentrace kyslíku samovznícení byla ověřena metodou CPT. Vzorek byl vystaven oxidaci směsí 10 % O2 a 90 % N2. Výsledek rozboru : •
K průsečíku křivek teploty u vzorku vystaveného 10 % O2 NEDOŠLO, viz obr. 4.15. VŠB - TU Ostrava, Laboratoř samovznícení látek 14. - 16. 12. 1999 Rozdíl teplot
Vzorek č. 1 Důl ČSA Karviná, 40. sloj, prorážka 13032
[°C]
zrnitost vzorku: 0,5 - 1 mm, průtok plynů: 50 ml/min.
30
25
20
100% kyslík
vliv N2
vliv dusíku
15
10% kyslík 10
základní 5
0 15
25
35
45
55
65
75
85
95
105
115
125
135
145
155
-5
165
175
185
10 %
-10 Slepá charakteristika [°C]
-15
Průsečíky CPT Neupravený vzorek, 100 % O2 Vliv dusíku, 100 % O2 Oxidace při 10 % O2 Vliv inertizace dusíkem
= = = =
149,3 oC 107,5 oC NENÍ -41,8 oC
Obr. 4.15 Výsledky rozborů metodou CPT, vzorek č. 1 pasportizace 1999-2002
4.2.8 Souhrn výsledků Závěrečnou stránku každé kapitoly k ověřovanému uhelnému vzorku v pasportizaci 19992002 tvořila strana souhrnu výsledků :
71
Souhrn vzorku č.1 Lokalita: Sloj Kra Důlní dílo Pevnost uhlí Spalné teplo Hustota zdánlivá Specifický povrch Obsah síry celk. Prchavky Vdaf Obsah vitrinitu Obsah liptinitu
: : : : : : : : : : : :
OKD, a.s., Důl Čs.armáda, o.z., závod Jan Karel 40. 3. prorážka 13032 15 MPa 36,32 MJ 1275,3 kg⋅m-3 8,2 m2 g-1 0,66 % 24,03 % 51,9 % 6,5 %
Parametry náchylnosti k samovznícení : Metoda podle Olpinského
: náchylnost k SZ malá - 1. kategorie
Metoda adiabatická
: náchylnost k SZ malá - 1. kategorie
Metoda pulsní kalorimetrie : náchylnost k SZ zvýšená Metoda CPT – průsečík
: 149,3 °C
Kritická teplota TKA
: 86°C
Indukční doba v kyslíku
: 267,1 hod.
Indukční doba ve vzduchu : 801,2 hod. Bezpečná teplota
: 32 °C
Kritický rozměr pro t = 40 °C: 0,444 m Limitní konc. O2 pro prevenci: 10 % Vliv inertizace dusíkem
: zvyšuje náchylnost k SZ , -∆41,8 oC
Vliv hašení vodou
: zvýšení náchylnosti k SZ o 75 %
Plynné produkty oxidace
: viz kap. (číslo kapitoly), graf (číslo grafu)
72
5. Vyhodnocení pasportizací Pasportizace slojí OKR z hlediska náchylnosti k samovznícení obsahuje celkem 64 základních uhelných vzorků zpracovaných v létech 1986 - 2001. Z toho 41 vzorků v létech 1986-2001 a 23 vzorků v létech 1999-2001. Celkem v pěti případech byly odebrány dva až čtyři vzorky z jednoho profilu sloje pro ověření variability vlastností uhelné hmoty v jednom profilu sloje. Uhelné vzorky násobných odběrů byly analyzovány na náchylnost k samovznícení metodou podle Olpinského. Další rozbory těchto vzorků byly realizovány pouze u vybraných vzorků podle náchylnosti ověřené metodou podle Olpinského. V celkovém kvantitativním hodnocení byly násobné odběry vzorků z jednoho profilu započteny vždy jako jeden uhelný vzorek. Vyhodnocení pasportizace zahrnuje několik samostatných okruhů zaměřených na charakreristické parametry a okruhy získaných dat. Odlišnosti jednotlivých okruhů byly podmíněny rozdílem hodnocených parametrů dílčích období pasportizace. V létech 1986 1993 byla náchylnost uhelných vzorků hodnocena dvěmi metodami, metodou podle Olpinského a metodou oxidace za adiabatické. V létech 1999 - 2001 byly uhelné vzorky hodnoceny na náchylnost k samovznícení dalšími dvěmi metodami, metodou pulsní kalorimetrie a průsečíkovou metodou CPT. Uhelné vzorky v létech 1999-2000 byly hodnoceny izotermickou metodou (RID). Z této různorodosti vyplynula nejednotnost vyhodnocení náchylnosti k samovznícení v daných obdobích. Jednotné databáze byly vytvořeny k vyhodnocení průměrného vzorku OKR zahrnujícího část sledovaných parametrů a k vyhodnocení plynných produktů tepelné oxidace uhelných vzorků vzhledem k realizací všech rozborů tepelné oxidace na totožném pracovišti VVUÚ, a.s. Pro účely přehlednosti byla zavedena číselná identifikace zpracovaných vzorků označena symbolem „ID“ (ID - identifikace uhelných vzorků pasportizace podle tabulky 5.1). Identifikace uhelných vzorků za období 1986 - 1993 obsahuje dvě číslice oddělené lomítkem. Prvá číslice vyjadřuje číslo svazku (dílčí výzkumné zprávy) podle časového pořadí, druhá číslice vyjadřuje pořadí uhelného vzorku ve svazku. V létech 1999-2002 byly uhelné vzorky pouze číslovány pořadovým číslem od 1 do 23 v časové posloupnosti. Tabulka 5.1 uvádí přehled uhelných vzorků OKR zpracovaných v létech 1986 - 2001. Z důvodu nejednotného obsahu dílčích výzkumných zpráv a nejednotných rámcových obsahu jednotlivých časových období bylo vyhodnocení rozděleno do dvou subkapitol popisujících jednotlivá dílčí období, tj. léta 1986-1993 a 1999-2001. Třetí subkapitola byla věnována společným databázím.
73
Tab. 5.1 Přehled uhelných vzorků pasportizace 1986 - 2001 poř. č
ID
Důl
sloj
lokalita odběru
Zdroj
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64
1/1 1/2 1/3 1/4 1/5 1/6 1/7 1/8 1/9 1/10 2/1 2/2 2/3 3/1 3/2 3/3 3/4 3/5 3/6 3/7 4/1 4/2 4/3 4/4 4/5 4/6 4/7 4/8 4/9 4/10 5/1 6/1 6/2 6/3 6/5 6/6 7/1 7/2 8/1 8/2 8/3 1 2 3 4-1 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
1.Máj 1.Máj 1.Máj 1.Máj 1.Máj 1.Máj 1.Máj 1.Máj 1.Máj 1.Máj 1.Máj 1.Máj 1.Máj Dukla Dukla Dukla Dukla Dukla Dukla Dukla Dukla 1.Máj 1.Máj Doubrava Doubrava Doubrava Doubrava Doubrava Doubrava Doubrava Doubrava Lazy Lazy Lazy Doubrava Lazy Darkov Darkov Doubrava Dukla Darkov ČSA ČSA Doubrava Doubrava Doubrava Lazy Lazy Dukla Dukla ČSA ČSA Lazy Lazy ČSM, sever ČSM, sever Doubrava ČSM, jih ČSM, jih ČSM, jih Darkov 3 Darkov 3 Staříč Staříč
40. 40. 40. 40. 40. 40. 40. 40. 40. 40. 40. 40. 40. 40.(18.) 40.(18.) 40.(18.) 40.(18.) 40.(18.) 40.(18.) 40.(18.) 40.(18.) 40. 37. 37. 37. 37. 37. 37. 39. 39. 37. 39. 40. 40. 39. 33. 37. 39. 39. 38. 39. 40 19 39 40 39 38 38 432 436 19 39 40 40 30 29 40 40 32 30 40 39 089+090 056
Třída 140 240, staničení 35 m Třída 140 240, staničení 419 m, vrchní lávka Pror. 140 341, stan. 354 m, vpravo od poruchy Pror. 140 341, stan. 354 m, vlevo od poruchy Porub 140 300, vrchní lávka Porub 140 310, spodní lávka Třída 140 433, staničení 147 m, spodní lávka Porub 140 502, 40 m v por. od tř. 140 542, st. 46 m Porub 140 807, vrchní lávka Porub 140 813, spodní lávka Třída 140 431, staničení 118,5 m, spodní lávka Porub 140 807, vrchní lávka Z prorážky porubu 140 812, 2 m od třídy 140 832 Porub 18113, 9 m od výd. tř. 18 155 ve stan. 202 m Porub 18113, 20 m od výd. tř. 18 155 ve stan. 361 m Třída 18268 ve staničení 342 m Třída 18364, staničení 124,5 m Porub 18401, vrchní lávka, staničení 773,8 m Porub 18411, spodní lávka, staničení 813 m Porub 18511, staničení 330,1 m Porub 18213 Třída 140 221, staničení 28 m Porub 137 913, v prorážce Čelba 137 38, staničení 603 m Čelba 437 81, staničení 18 m Čelba 637 42, staničení 720 m Porub 937 72, V.L. Čelba 937 19 Čelba 139 30, staničení 645 m Čelba 739 19, staničení 900 m Důlní dílo 237 14 IV, staničení 155 m Prorážka 139 306 Třída 40 603, staničení 300 m Prorážka 140 602 39. sloj, 6 kra, st. 25 m Porub 16 864 Porub 1371 515 Porub 139 130 Porub 639 60 u ústí třídy 639 141 do porubu Porub 16415 Čelba chodby 139 130.4 kra 3., prorážka 13032, staničení 50m kra 11., čelba 11905/2, staničení 792m kra 3., čelba 33920, staničení 17m kra 3., čelba 34026, staničení 243m kra 7., prorážka 73973/I, spodní lávka kra 2., úvodní třída 38203, staničení 435m kra 2., prorážka 38202-1, staničení 135m kra 5., čelba 32541, staničení 349m kra 5., porub 36514, 10m od úvodní třídy v rubání kra 11., čelba 11908, staničení 11m kra 3., porub 013939, 40m od výdušné kra 54., čelba 40505, staničení 210m kra 1., porub 140108, 10m od výdušné třídy kra 2., čelba 300299, staničení 20 m kra 3., porub 293203, stan. 69 m, úv. chodba 293223 kra 3., třída 34024, staničení 57 m kra 3. Čelba 400340, staničení 713 m kra 3., porub 320302, spodní úvrať kra 3., čelba 300395, staničení 334 m kra 4., čelba 40443/2, staničení 1 m kra 2., čelba 39241/4, staničení 69 m pole č. 2, pror. 082 8621/4, stan.94 m pole 2, přek. 2251, le. bok 1,7 m ve st.101 m
(Harašta 1986) (Harašta 1986) (Harašta 1986) (Harašta 1986) (Harašta 1986) (Harašta 1986) (Harašta 1986) (Harašta 1986) (Harašta 1986) (Harašta 1986) (Harašta 1997-1) (Harašta 1997-1) (Harašta 1997-1) (Harašta 1997-2) (Harašta 1997-2) (Harašta 1997-2) (Harašta 1997-2) (Harašta 1997-2) (Harašta 1997-2) (Harašta 1997-2) (Harašta 1998) (Harašta 1998) (Harašta 1998) (Harašta 1998) (Harašta 1998) (Harašta 1998) (Harašta 1998) (Harašta 1998) (Harašta 1998) (Harašta 1998) (Věžníková 1991-1) (Věžníková 1991-2) (Věžníková 1991-2) (Věžníková 1991-2) (Věžníková 1991-2) (Věžníková 1991-2) (Věžníková 1992) (Věžníková 1992) (Věžníková 1993) (Věžníková 1993) (Věžníková 1993) (Adamus 1999-1) (Adamus 1999-1) (Adamus 1999-1) (Adamus 2000-1) (Adamus 2000-1) (Adamus 2000-1) (Adamus 2000-1) (Adamus 2000-1) (Adamus 2000-1) (Adamus 2000-1) (Adamus 2000-1) (Adamus 2000-1) (Adamus 2000-1) (Adamus 2001-1) (Adamus 2001-1) (Adamus 2001-1) (Adamus 2001-1) (Adamus 2001-1) (Adamus 2001-1) (Adamus 2001-1) (Adamus 2001-1) (Adamus 2001-1) (Adamus 2001-1)
74
5.1
Pasportizace 1986 - 1993
Mezi parametry pasportizace daného období, které později nebyly sledovány patřil obsah zbytkových plynů, určení inhibitorů a zpětná adsorpce plynných produktů tepelné oxidace. Čtyři případy z pěti vícenásobných odběrů vzorků z jednoho profilu byly vyhodnoceny v roce 1987 (jeden v roce 2000). Tyto a další parametry a podklady byly v následujících subkapitolách stručně kompilovány.
5.1.1 Zbytkové plyny Zbytkové plyny byly ověřovány v létech 1986-1992. Při laboratorním postupu podle subkapitoly 3.2 byl sledován ve 44 případech metan a etan, ve 14 případech byl indikován propan. Měření oxidu uhličitého a oxidu uhelnatého proběhlo 7 krát s indikací 7 případů oxidu uhličitého, 4 případů oxidu uhelnatého. V jednom případě byl měřen n-butan a i-butan. V uhelných vzorcích byly zastoupeny sloje č. 40 (22 vzorků), č. 37 (8 vzorků), č. 39 (3 vzorky), č. 33 (1 vzorek). Tab. 5.2 Zbytkové plyny Sloj
Počet vzorků
Zbytkový plyn , cm3.g-1 Etan
Metan počet záz.
průměr
rozmezí
poč. záz.
průměr
rozmezí -5
40+39+37+33
44
44
0,925
3,1-0,023
44
0,004
0,04-4.10
40
22
22
1,12
3,1-0,023
22
0,0035
0,04-4.10-5
39
3
3
0,192
0,26-0,14
3
0,0058
Propan
poč. záz.
průměr -4
rozmezí
14
3,5.10
0,0027-6.10-6
8
4.10-4
1,5.10-4-6.10-6
-4
1
0,00142
-
-4
0,017-1.10
37
8
8
0,694
1,37-0,05
8
0,0055
0,018-4.10
4
0,0008
0,0027-2.10-5
33
1
1
0,027
-
1
0,0005
-
1
6.10-5
-
Oxid uhličitý byl měřen v 7 případech s průměrným vývinem 0,0122 cm3.g-1, oxid uhelnatý ve 4 případech s průměrným vývinem 3,5.10-4 cm3.g-1, n-butan v jednom případě (2,9.10-5 cm3.g-1 ) a i-butan rovněž v jednom případě (5,7.10-5 cm3.g-1). Z uvedených hodnot vyplývá, že etan se uvolňoval souběžně s metanem v množství o 2 až 3 řády nižším, ostatní plyny byly detekovány převážně ve stopových množstvích. Zaznamenán byl rovněž výskyt butanu a ostatních uvedených plynů
5.1.2 Inhibitory V létech 1986 – 1992 byly ověřovány účinnosti inhibičních účinků chemických látek na snížení náchylnosti uhlí k samovznícení a zatlumení samovzněcovacího procesu. Postup a charakteristika ověřování byla stručně popsána v subkapitole 3.3.9. Příklad vyhodnocení účinnosti inhibitorů uhelného vzorku ID 3/7 byl uveden v subkapitole 4.1 (obr. 4.3, 4.8). Z vyhodnocení výsledků ověřování účinnosti inhibitorů vyplynulo, že pro tlumení vznikajícího záparu byly nejčastěji doporučovány látky siřičitan sodný krystalický a síran amonný, tlumící teplotní gradient metody podle Olpinského v průměru na polovinu při
75
koncentraci inhibitoru 250 g .l-1 v roztoku s vodou. Při koncentraci 125 g.l-1 byla účinnost inhibitorů ve většině případů o cca třetinu nižší. V některých případech byl doporučován křemičitan sodný (vodní sklo) a chlorid sodný. Účinnost byla vyjádřena v procentech poklesu hodnoty indexu náchylnosti k samovznícení SZb+F uhelného vzorku preparovaného inhibitory (viz obr. 4.3). V případě siřičitanu sodného krystalického se účinnost při koncentraci inhibitoru v roztoku 250 g .l-1 pohybovala v rozmezí od 22 do 76 % při průměrné hodnotě 47 %. V případě síranu amonného v rozmezí od 25 do 78 % s průměrem 45 %. Pro účely prevence byla účinnost posuzována průběhem nárůstu teploty uhelného vzorku metodou oxidace za adiabatických podmínek. Jako doporučený inhibitor pro prevenci byl určen inhibitor s nejvyšší účinnosti, bez určení hodnoty účinnosti. Např. podle obr. 4.8., uhelný vzorek ID 3/7, byl jako účinný inhibitor pro prevenci určen chlorid sodný. Zatímco pro účely tlumení vznikajícího záparu nebyla variabilita doporučených inhibitorů vysoká a téměř ve všech případech byl doporučen siřičitan sodný krystalický a síran amonný, v případech inhibitorů pro prevenci byla variabilita doporučených látek značná. Mezi nejčastěji doporučované inhibitory patřily siřičitan sodný krystalický, vodní sklo, síran amonný a chlorid sodný. Mezi inhibitory s nižší účinnosti patřila např. močovina. V některých případech však byly uvedené inhibitory označeny jako nevhodné. Pro uhelný vzorek ID 4/3 byl doporučen chlorid sodný, zatímco vodní sklo bylo označeno jako nevhodné. U některých uhelných vzorků (ID 7/1,7/2) nebyla prokázána inhibiční účinnost žádné z vyšetřovaných látek. Z daných skutečností vyplynulo, že pro použití inhibitoru pro preventivní účely je vhodné určit inhibitor individuálně pro konkrétní uhelný pilíř. Efektu působení chemických inhibitorů na uhlí OKR se věnoval rovněž autor (Taraba 1988). Díky poznatkům obdrženým z laboratorních rozborů působení vody a třech chemických látek (krystalický siřičitan sodný, chlorid sodný, dusičnan amonný) na třináct uhelných vzorků OKR upozorňuje na chemické působení krystalického siřičitanu sodného, které je doprovázeno desetinásobně vyšším vývinem smáčecího tepla, než je tomu při smáčení uhlí vodou. Konstatuje, že v krystalický siřičitan sodný může při aplikaci v roztoku 10 – 25 % v prvé fázi svého působení na uhelnou hmotu zvýšit teplotu injektované zóny v nejnepříznivějším případě o 13 oC. Další poznatky citovaného autora lze nalézt například v literatuře (Taraba 1997, 2001).
5.1.3 Zpětná adsorpce plynných produktů tepelné oxidace Celkem u dvaceti osmi uhelných vzorků bylo v létech 1986 - 88 ověřeno chování uvolněných plynných produktů tepelné oxidace při zpětné cirkulaci těchto plynů přes uhelný vzorek. Laboratorní postup byl stručně popsán v subkapitole 3.5. Příklad naměřených a vyhodnocených koncentrací sledovaných plynů uhelného vzorku ID 3/7 je uveden na obrázcích 4.6 a 4.7. Pokles koncentrací plynných složek je na obrázku 4.7 graficky znázorněn od výchozího bodu o teplotě 360 oC k teplotě konečné 20 oC. Na ose „y“ grafu lze odečíst pokles koncentrace dané složky v %. Z rozboru zpětné adsorpce dvaceti osmi ověřených uhelných vzorků vyplynulo, že nenasycené plynné uhlovodíky měly převážně vyšší stupeň intenzity adsorpce oproti ostatním hodnoceným plynům. Z nasycených uhlovodíků se nejintenzivněji adsorboval i-butan, následně n-butan. Mezi plyny s nejnižší intenzitou adsorpce patřil oxid uhelnatý, oxid uhličitý a metan. Nejintenzivněji byl adsorbován propylén. Ve dvanácti případech byl propylén zcela
76
adsorbován při poklesu teploty uhelné hmoty z 360 oC na 280 oC. Propylén následoval ve většině případech etylén a butany. Teplota 80 oC byla charakterizována vymizením především propylénu a poklesem ostatních plynných uhlovodíku zpravidla o více než 70 % původní koncentrace. Pokles oxidu uhelnatého, oxidu uhličitého a metanu se v průměru pohyboval při teplotě 80 oC v rozmezí od 40 do 60 % původních koncentrací.
5.1.4 Náchylnost k samovznícení Tab. 5.3 Náchylnost uhelných vzorků k samovz. vybraných slojí OKR (1986-1993) ID
Důl
kra
lokalita odběru
1/1 1/2 1/3 1/4 1/5 1/6 1/7 1/8 1/9 1/10 2/1 2/2 2/3 3/1 3/2 3/3 3/4 3/5 3/6 3/7 4/1 4/2 4/3 4/4 4/5 4/6 4/7 4/8 4/9 4/10 5/1 6/1 6/2 6/3 6/5 6/6 7/1 7/2 8/1 8/2 8/3
1.Máj 1.Máj 1.Máj 1.Máj 1.Máj 1.Máj 1.Máj 1.Máj 1.Máj 1.Máj 1.Máj 1.Máj 1.Máj Dukla Dukla Dukla Dukla Dukla Dukla Dukla Dukla 1.Máj 1.Máj Doubrava Doubrava Doubrava Doubrava Doubrava Doubrava Doubrava Doubrava Lazy Lazy Lazy Doubrava Lazy Darkov Darkov Doubrava Dukla Darkov
40. 40. 40. 40. 40. 40. 40. 40. 40. 40. 40. 40. 40. 40.(18.) 40.(18.) 40.(18.) 40.(18.) 40.(18.) 40.(18.) 40.(18.) 40.(18.) 40. 37. 37. 37. 37. 37. 37. 39. 39. 37. 39. 40. 40. 39. 33. 37. 39. 39. 38. 39.
Třída 140 240, staničení 35 m Třída 140 240, staničení 419 m, vrchní lávka Pror. 140 341, stan. 354 m, vpravo od poruchy Pror. 140 341, stan. 354 m, vlevo od poruchy Porub 140 300, vrchní lávka Porub 140 310, spodní lávka Třída 140 433, staničení 147 m, spodní lávka Porub 140 502,40 m v por.od tř. 140542, st.46 m Porub 140 807, vrchní lávka Porub 140 813, spodní lávka Třída 140 431, staničení 118,5 m, spodní lávka Porub 140 807, vrchní lávka Z pror. porubu 140 812, 2 m od třídy 140 832 Porub 18113, 9 m od výd. tř. 18155, st. 202 m Porub 18113, stan. 361 m Třída 18268 ve staničení 342 m Třída 18364, staničení 124,5 m Porub 18401, vrchní lávka, staničení 773,8 m Porub 18411, spodní lávka, staničení 813 m Porub 18511, staničení 330,1 m Porub 18213 Třída 140 221, staničení 28 m Porub 137 913, v prorážce Čelba 137 38, staničení 603 m Čelba 437 81, staničení 18 m Čelba 637 42, staničení 720 m Porub 937 72, V.L. Čelba 937 19 Čelba 139 30, staničení 645 m Čelba 739 19, staničení 900 m Důlní dílo 237 14 IV, staničení 155 m Prorážka 139 306 Třída 40 603, staničení 300 m Prorážka 140 602 39. sloj, 6 kra, st. 125 m Porub 16 864 Porub 1371 515 Porub 139 130 Porub 639 60 u ústí třídy 639 141 do porubu Porub 16415 Čelba chodby 139 130.4
77
SZa
At
15 29 31 36 34 29 35 45 32 27 42 30 29 46 47 54 55 57 49 40 45 28 43 28 32 32 57 40 35 27 36 61 38 30 37 45 30 38 45 64 58
1,86 5,24 4,88 8,17 2,28 1,91 4,78 5,16 1,88 0,65 2,58 0,88 1,20 4,73 9,80 5,23 5,38 2,16 3,67 2,57 3,08 3,64 1,19 2,25 1,19 3,48 3,64 4,71 0,89 0,74 0,10 0,65 3,24 2,83 3,33 3,18 0,20 0,29 4,21 5,00 3,17
Náchylnost uhelných vzorků k samovznícení byla v létech 1986 - 1993 ověřována metodou podle Olpinského a metodou oxidace za adiabatických podmínek. Souhrn naměřených hodnot uvádí tabulka 5.3. Náchylnost k samovznícení metodou podle Olpinského je vyjádřena indexem SZa v rozměru oC.min-1 (viz subkapitola 3.3.1). V případě metody oxidace za adiabatických podmínek je náchylnost k samovznícení vyjádřena průměrným nárůstem teploty At v rozměru oC.h-1. Průměrná hodnota indexu samovznícení metody podle Olpinského všech čtyřiceti jedna uhelných vzorků činí SZa = 39,3 oC.min-1, při průměrné hodnotě popela Aa = 6,3 % (určeno z databáze), tj. podle vztahu 3.2 SZb = 41,95 oC.min-1, kategorie 2. - náchylnost k samovznícení střední (viz tab. 3.2). Průměrná hodnota průměrného nárůst teploty podle metody adiabatické oxidace činí At = 3,1 oC.h-1, tj. kategorie 1, náchylnost k samovznícení malá (viz tab. 3.4). Tabulka 5.4 uvádí vyhodnocení okruhů dat podle slojí v OKR a podle slojí a dolů OKR s minimální četnosti čtyř zpracovaných uhelných vzorků.
Tab. 5.4 Průměrné hodnoty náchylností k samovz. vybraných slojí OKR (1986-1993) Specifikace OKR 40. sl. OKR 37. sl. OKR 39. sl. OKR 40. sl. 1. Máj 40. sl. Dukla 37. sl. Doubrava 39. sl. Doubrava
poč. vz.
Αa
41 24 8 7 14 8 5 4
6,3 5,9 9,0 5,4 7,0 4,7 10,3 7,1
%
Vdaf
SZa C.min-1 39,3 37,6 37,2 43,0 31,6 49,1 37,5 36,0
%
o
30,5 30,1 29,7 27,2 30,1 34,6 30,9 26,9
Olpinski SZb Kat. o C.min-1 41,9 2 40,0 2 40,9 2 45,5 2 33,9 1 2 51,5 41,2 2 38,7 1
Adiabatická Náchylnost STŘEDNÍ STŘEDNÍ STŘEDNÍ STŘEDNÍ MALÁ STŘEDNÍ STŘEDNÍ MALÁ
o
At C.h-1 3,1 3,7 2,1 1,9 3,2 4,6 2,6 2,3
Kat.
Náchylnost
1 1 1 1 1 1 1 1
MALÁ MALÁ MALÁ MALÁ MALÁ MALÁ MALÁ MALÁ
Nejvyšší hodnoty indexů náchylnosti k samovznícení prokázaly v individuálním hodnocení podle slojí a dolů uhelné vzorky sloje č. 40 Dolu Dukla (č.18) v souladu s nejvyšší hodnotou obsahu prchavých hořlavin a nejnižší hodnotou obsahu popela. Nejvyšší průměrnou hodnotu indexu náchylnosti samovznícení SZb vykázala v měřítku OKR sloj 39., v případě indexu At sloj č. 40. V souboru hodnocených uhelných vzorků (tab. 5.3) nalézáme vzorek s nejvyšší hodnotou indexu metody podle Olpinského vzorek ID 8/2, sloj č. 38 Dolu Dukla (porubu č. 16415), s hodnotou SZb = 64 oC.min-1, náchylnost STŘEDNÍ. Je to vzorek rovněž s relativně vysokou hodnotou indexu At = 5,0 oC.h-1, náchylnost STŘEDNÍ, (Aa = 4,0 %; Vdaf = 31,6 %). V případě hodnocení metodou oxidace za adiabatických podmínek nalézáme v tabulce 5.3 nejnáchylnější vzorek ID 3/2, sloje č. 40 Dolu Dukla (č.18), porub 18113, s hodnotou indexu At = 9,8 oC.h-1, náchylnost STŘEDNÍ, (SZb = 47 oC.min-1 náchylnost STŘEDNÍ; Aa = 4,0 %; Vdaf = 31,6 %).
78
5.1.5 Odlišnost náchylnosti k samovznícení v profilu sloje Z celkového počtu 64 uhelných vzorků zpracovaných v OKR v rámci pasportizace v létech 1986 - 2001 bylo pět vzorků odebráno bodově vícenásobně v jednom profilu sloje. Cílem bylo postižení variability náchylnosti uhlí k samovznícení uhlí v totožném profilu sloje. Obr. 5.1 uvádí schéma profilu, místa čtyřnásobného odběru uhelného vzorku na Dole Dukla, ve sloji č. 40., porubu č. 18 113, vzorek ID 3/1(Harašta 1987-2). Číslice 1 - 4 v levém sloupci profilu sloje na obrázku 5.1 označují místo odběru vzorku uhlí s uvedenou makropetrografickou charakteristikou. Tabulka 5.5 shrnuje vybrané hodnoty základního chemického rozboru a hodnoty indexu náchylnosti k samovznícení SZb+F metody podle Olpinského.
Obr. 5.1 Odběr čtyř vzorků z profilu sloje č. 40 Dolu Dukla, ID 3/1, (Harašta 1987-2) Tab. 5.5 Hodnocení vícenásobného uhelného vzorku ID 3/1 Zákl. chemický rozbor MakroWa Aa Vdaf ID 3/1 petrografie % % % 1 LUP 1,95 5,92 34,74 2 MU 1,54 4,80 35,41 3 LUP 2,23 5,33 35,10 4 MUP 1,64 5,58 33,50
79
b+F
o
Olpinski
SZ Kat. Náchylnost C.min-1 80 2 STŘEDNÍ 75 1 MALÁ 81 2 STŘEDNÍ 68 1 MALÁ
Obdobným způsobem byly zpracovány uhelné vzorky ID 2/1 - 2/3. Následující obrázky 5.2 - 5.4 a tabulky 5.6 - 5.8 uvádějící podrobnosti k těmto vzorkům.
Obr. 5.2 Odběr pěti vzorků z profilu sloje č. 40 Dolu 1. Máj, ID 2/1 (Harašta 1987-2)
Tab. 5.6 Hodnocení vícenásobného uhelného vzorku ID 2/1
MakroID 2/1 petrografie 1 LUP 2 MUP 3 LUP 3´ PU 4 LUP
Zákl. chemický rozbor Wa Aa Vdaf % % % 1,09 3,22 34,64 0,98 3,06 31,24 1,00 4,41 31,68 1,06 3,76 34,79 1,57 8,47 35,72
80
Olpinski SZb+F Kat. Náchylnost o C.min-1 60 1 MALÁ 56 1 MALÁ 58 1 MALÁ 66 1 MALÁ 62 1 MALÁ
Obr. 5.3 Odběr dvou vzorků z profilu sloje č. 40 Dolu 1. Máj, ID 2/2, (Harašta 1987-2)
Tab. 5.7 Hodnocení vícenásobného uhelného vzorku ID 2/2, (Harašta 1987-1)
MakroID 2/2 petrografie 1 LUP 2 PU
Zákl. chemický rozbor Wa Aa Vdaf % % % 0,98 4,37 28,58 0,84 2,40 26,56
81
Olpinski SZb+F Kat. Náchylnost o C.min-1 56 1 MALÁ 55 1 MALÁ
Obr. 5.4 Odběr čtyř vzorků z profilu sloje č. 40 Dolu 1. Máj, ID 2/3, (Harašta 1987-2)
Tab. 5.8 Hodnocení vícenásobného uhelného vzorku ID 2/3 Zákl. chemický rozbor MakroWa Aa Vdaf ID 2/3 petrografie % % % 1 LUP 0,87 4,18 27,17 2 MU 0,62 8,82 29,33 3 LUP 0,76 4,14 25,78 3´ LU 0,86 6,65 27,74
b+F
o
Olpinski
SZ Kat. Náchylnost C.min-1 65 1 MALÁ 57 1 MALÁ 57 1 MALÁ 59 1 MALÁ
Jeden případ vícenásobného odběru uhelného vzorku z profilu sloje byl zpracován v dílčí výzkumné zprávě (Adamus 2000-1). Z důvodu ucelenosti dostupných informací o odlišnostech náchylnosti k samovznícení uhlí v profilu sloje jsou výsledky rozborů uvedeny ve této subkapitole. Vícenásobný vzorek byl odebrán v dubnu roku 2000 ve třetí kře Dolu Doubrava na čelbě č. 34026 ražené ve sloji č. 40. V přehledů uhelných vzorků v tabulce 5.1 je uveden tento vzorek pod identifikaci ID 4-1. Prvá číslice označuje pořadí vzorku v pasportizaci 1999-2002, druhá číslice, oddělená pomlčkou, označuje identifikaci vzorku v profilu sloje podle obr. 5.5. U všech odebraných vzorků na čelbě byl ověřen základní chemický rozbor, elementární rozbor, mikropetrografický rozbor a byla ověřena náchylnost k samovznícení metodou podle Olpinského (SZb). Komplexnímu rozboru všech sledovaných parametrů byl podroben vzorek 4-1. Od předchozích případů vícenásobných odběrů uhelných vzorků, uvedených výše, se předmětný odběr odlišoval výskytem několikacentimetrové vrstvy mylonitického uhelnatého jílovce v profilu sloje (vzorek 4-4). Tabulka 5.9 uvádí hodnocení vybraných parametrů.
82
prachovec 70 Prokůpek (505)
50 prachovec 40 10 15 30
4-2
PU prachovec LUP prachovec
65 LUP
4-1
20 PU 5 mylonitický uhelnatý jílovec 100 MU
4-4
4-3
210 prachovec
Obr. 5.5 Vícenásobný odběr vzorků na čelbě č. 34026 Dolu Doubrava, ID 4 Tab. 5.9 Hodnocení vícenásobného uhelného vzorku ID 4
MakroID 4 petrografie 4-1 LUP 4-2 PU 4-3 MU 4-4 mylonit
Zákl. chemický rozbor Wa Aa Vdaf % % % 0,66 3,38 31,31 0,86 2,06 29,97 0,60 2,70 27,77 0,77 61,50 37,71
Olpinski SZb Kat. Náchylnost o C.min-1 15,59 1 MALÁ 21,72 1 MALÁ 10,67 1 MALÁ 24,70 1 MALÁ
V uvedených pěti případech vícenásobných odběrů uhelných vzorků v profilu sloje nebyla nalezena podle metody Olpinského zcela jednoznačně odlišná náchylnost k samovznícení. Nejnižší variabilita byla u dvou odebraných vzorků ID 2/2 (tab. 5.7) s rozdílem indexu
83
samovznícení 1 oC.min-1, nejvyšší rozdíl náchylnosti vykázaly vzorky ID 4 (tab. 5.9), tj. 14,03 oC.min-1. Odlišné kategorie náchylnosti k samovznícení v profilu vykázaly pouze vzorky ID 3/1 (tab. 5.5). Rozdíly hodnot indexu samovznícení SZb+F však byly v tomto případě na rozhraní uvedených kategorií. Výskyty uhlí s nejvyšší hodnotou indexu samovznícení pod stropem důlního díla byly zaznamenány v menšině (dva případy z pěti). Z uvedených případů nevyplynula jednoznačná vyšší náchylnost některého z makropetrografických typů uhlí.
5.2
Pasportizace 1999 - 2001
Jak již bylo uvedeno výše, soubor hodnocených parametrů v období 1999-2001 byl z části odlišný od předchozí pasportizace. Obsah pasportizace 1999-2001 byl upraven o požadavky odrážející hornickou praxi v OKR v dané době, např. vliv použití dusíku k tlumení endogenních požárů, což souviselo se zvýšenou mírou využití plynného dusíku v OKR po uvedení do provozu Centrálního dusíkového hospodářství OKD, a.s., v roce 1993. Hodnocené parametry pasportizace 1999-2002 byly specifikovány v subkapitole 2.2 a následně popsány v kapitole 3 monografie. Pro hodnocení náchylnosti uhelných vzorků k samovznícení bylo od roku 1999 využito celkem pět, výše popsaných metod, z čehož izotermická metoda (RID) byla využita pouze v roce 1999 a 2000. Vyhodnocení pasportizace 1999-2001 bylo částečně sjednoceno s pasportizací 1986-1993. Společně byla vytvořena databáze parametrů pro stanovení „hypotetického průměrného vzorku OKR“, zahrnujícího některé chemicko-fyzikální vlastnosti uhelného vzorku a další parametry, které bylo možné do databáze zahrnout. Přesto byly samostatně vyhodnoceny sledované parametry za období 1999-2001. Byly soustředěny do dvou základních okruhů, tj. chemicko-fyzikálních vlastností uhelných vzorků a náchylnosti k samovznícení. V oblasti náchylnosti k samovznícení byl navržen postup hodnocení náchylnosti uhelné hmoty k samovznícením sdružující čtyři použité metody. Výsledným parametrem byl tzv. „Index náchylnosti k samovznícení - INS“. Následující subkapitoly uvádějí zmíněné tématické okruhy a rovněž komentují v podobě doplňujících parametrů vyhodnocení těch položek, které nebyly do uvedených okruhů vyhodnocení zahrnuty, tj. izotermickou metodu (RID), vliv kontaktu uhlí s vodou na jeho náchylnost k samovznícení, vliv plynného dusíku na náchylnost uhlí k samovznícení a limitní koncentraci kyslíku samovznícení.
5.2.1 Chemicko-fyzikální vlastnosti uhelných vzorků Souhrn hodnocených parametrů všech 23 uhelných vzorků je uveden v příloze č. 1. Tento výčet zahrnuje identifikaci vzorků ID podle tabulky 5.1, lokalitu odběru, vlastnosti vzorků (pevnost v prostém tlaku, hustotu zdánlivou, spalné teplo, specifický povrch), základní chemický rozbor, elementární rozbor, mikropetrografickou analýzu a pórovitost. Následující tabulka 5.10 uvádí průměrné hodnoty uvedených parametrů.
84
Tab. 5.10 Průměrné hodnoty základních vlastností uhel. vzor. pasportizace 1999-2001 Parametr Pevnost v prostém tlaku Hustota zdánlivá Spalné teplo Specifický povrch Obsah vody analyt. Obsah popela analyt. Prchavá hořlavina (daf) Uhlík veškerý Vodík veškerý Dusík Síra veškerá Kyslík vypočítaný Vitrinit Liptinit Inertinit Minerální příměsi Objem pórů Podíl makropórů Podíl mezopórů
Symbol
Rozměr
Průměrná hodnota
Variační rozpětí
δp da Qs UP Wa Aa Vdaf Cdt Hdt Nd Sdt Odd Vt L I MP Vporo vmakp vmezp
MPa kg.m-3 MJ.kg-1 m2.g-1 % % % % % % % % % % % % mm3.g-1 % %
19,46 1315,5 32,61 3,96 1,48 7,00 26,09 83,08 4,81 1,24 0,54 4,78 64,49 6,08 25,37 5,12 23,23 38,74 61,26
16,86 32,61 24,28 8,10 2,80 60,43 31,31 55,60 5,61 1,03 0,77 12,28 51,60 12,40 47,05 61,90 33,50 45,50 45,50
5.2.2 Náchylnost k samovznícení Souhrn parametrů náchylnosti k samovznícení je uveden v příloze č. 2. Příloha shrnuje indexy náchylnosti metody podle Olpinského, průměrný nárůst teploty metody adiabatické oxidace, včetně parametrů stanovených pomoci této metody (kritická teplota, bezpečná teplota, odhad indukční doby), výsledky metody pulsní kalorimetrie a průsečíkové metody CPT. V následující tabulce 5.11 jsou uvedeny průměrné hodnoty náchylností všech hodnocených slojí OKR a slojí s minimální četností dvou hodnocených uhelných vzorků.
85
Tab. 5.11 Průměrné hodnoty náchylností k samovz. vybraných slojí OKR (1999-2001) Podle Olpinského
Oxidace za adiab. podmínek
Sloj
Počet vzor.
SZb °C.min-1
Kateg. náchyl.
At 80°C °C.h-1
KTa °C
Id hod.
OKR 40 39 38 30 19 ostrav
23 7 4 2 2 2 4
26,27 27,74 26,91 31,60 19,30 53,25 9,47
1. 1. 1. 1. 1. 2. 1.
2,47 2,40 3,58 3,10 1,77 2,55 2,05
83,59 82,29 76,50 87,00 87,00 71,00 92,75
770 745 397 268 1009 281 1460
Puls. kalorimet.
Kateg. náchyl.
q30 J.g-1
Kateg. náchyl.
1. 1. 1. 1. 1. 1. 1.
0,58 0,59 0,69 1,05 0,35 1,10 0,26
2. 2. 2. 3. 2. 3. 1.
CPT Průsečík °C 173,67 172,46 175,01 177,13 170,55 170,33 174,42
Kateg. náchyl. 2. 2. 2. 1. 2. 2. 2.
Poz. „ostrav“ - ostravské sloje
Nejvyšší náchylnost k samovznícení v hodnoceném souboru tabulky 5.11 vykázala v pěti parametrech z šesti hodnocených sloj č. 19. Pouze jeden hodnocený parametr tohoto uhelného vzorku, průměrný nárůst teploty metody adiabatické oxidace At, měl mírně zvýšenou hodnotu nad průměrem OKR. Nejnepříznivější hodnoty z hlediska hodnocení náchylnosti k samovznícení jsou v tabulce 5.11 zvýrazněny. Nejnižší hodnoty, vyjadřující nízkou míru rizika samovznícení, vykázal ve čtyřech parametrech z šesti hodnocených soubor čtyřech uhelných vzorků odebraných v ostravských slojích (vzorky ID 8, 9, 22, 23). Ostatní dva parametry byly svou hodnotou na straně nízkého rizika od střední hodnoty OKR. Vzorky ostravských slojí vykázaly především nízký index náchylnosti metody podle Olpinského (SZb) a nízkou hodnotu oxidačního tepla metody pulsní kalorimetrie (q30). Sloj č. 40 vykázala střední náchylnost s převahou hodnot (pět z šesti) na straně zvýšeného rizika od středu průměrných hodnot OKR.
5.2.3 Index náchylnosti k samovznícení „INS“ Hodnocení náchylností uhelných slojí OKR k samovznícení v jednotlivých obdobích zpracování pasportizace bylo uvedeno v tabulkách 5.4 a 5.11. Tabulky uvádějí výsledné, průměrné hodnoty parametrů dílčích metod hodnoceních okruhů podle kritérií hodnocení náchylnosti, zavedených na výzkumných pracovištích provozujících tyto metody. V uvedených tabulkách je v některých případech zřejmá odlišnost hodnocení a zařazení třídy náchylnosti k samovznícení. Pro objasnění příčin této skutečnosti bylo vypracováno ve spolupráci s autorkou (Věžníková 2002-1, 2002-2) statistické hodnocení korelací vlastnosti uhelných vzorků a parametrů náchylnosti k samovznícení. Jedním z výsledků statistického hodnocení bylo stanovení míry ovlivnění dílčích metod hodnotících náchylnost k samovznícení složením a strukturou uhelné hmoty. Mezi parametry charakterizující složení uhelné hmoty byly zahrnuty výsledky základního chemického a elementárního rozboru. Mezi parametry charakterizující strukturu uhelné hmoty patřil specifický povrch, objem pórů a podíl objemu makropórů. Výsledky řešení jsou uvedeny na obrázku 5.6 a tabulce 5.12.
86
Obr. 5.6 Ovlivnění výsledků metod hodnotících náchyl. k samovz., (Věžníková 2002-1)
Tab. 5.12 Ovlivnění výsledků metod hodnotících náchylnost k samovznícení v %
parametr SZa At CPT q30
složení
Ovlivnění % struktura
neurčené
56,7 13,5 0 46,8
0 51,9 38,7 0
43,3 34,6 61,3 53,2
Z uvedených výsledků je patrná míra ovlivnění jednotlivých metod složením a strukturou uhelné hmoty. Zatímco metodu podle Olpinského a metodu pulsní kalorimetrie ovlivňuje podle daného hodnocení pouze složení uhelné hmoty, průsečíkovou metodu CPT ovlivňuje pouze struktura uhlí. Obě skupiny parametrů ovlivňují metodu oxidace za adiabatických s převahou vlivu struktury uhlí. Uvedené rozdíly mezi kvalitou hodnocení náchylnosti k samovznícení u jednotlivých metod směřovaly ke stanovení komplexního parametru náchylnosti k samovznícení sdružující výsledky všech čtyřech metod. Tímto parametrem se stal tzv. index náchylnosti k samovznícení „INS“. Navržená metoda vychází z hodnot náchylností uhelných vzorků, obdržených v rámci pasportizace 1999 - 2001 (příloha č.2). V daném návrhu byl všem dílčím metodám udělen rovnocenný, normovaný, hodnotový význam a výsledný parametr byl vyjádřen v jednom hodnotícím parametru „INS“. Pro uvedený návrh jednotného hodnocení
87
byl zvolen normovaný index nabývající hodnoty od 0 do 1 a byla navržena třístupňová klasifikační stupnice náchylnosti - „náchylnost nízká, střední a vysoká“. Rozhraní mezi stupni bylo zvoleno lineárně (0.0 - 0.333 - 0.666 - 1.0). Z tohoto důvodu nebylo možné využít původní klasifikační stupnice pracovišť VVUÚ, a.s., (čtyři stupně). Byly opuštěny dosavadní klasifikační stupnice metod podle Olpinského (tab. 3.2) a metody oxidace za adiabatických podmínek (tab 3.4) a pro každou metodu bylo ze souboru dat přílohy č. 2 určeno rozmezí příslušného parametru pro následné vyjádření indexu náchylnosti v hodnotě 0,0 - 1,0. Na základě přílohy č. 2 byly pro dílčí metody navrženy následující rozmezí parametrů vycházejících z minimálních a maximálních naměřených hodnot, obdržených v rámci předmětného výzkumu v létech 1999-2001. Interval mezních hodnot metody pulsní kalorimetrie byl konzultován s autorem metody Prof. Ing. B. Tarabou, CSc. Zvolená variační rozpětí hodnot : Metoda podle Olpinského: Metoda adiabatické oxidace: Metoda pulsní kalorimetrie: Metoda CPT:
o SZa = 0 - 75 C.min-1 o At = 0 - 6 C.h-1 30 q = 0 - 1.2 J.g-1 CPT = 182 - 161 oC
Variační rozmezí dílčích metod byla následně upravena na normované hodnotové vyjádření v intervalu 0,0 - 1,0 pomocí následujících algebraických výrazů (měřená hodnota dělena hodnotou intervalu): Metoda podle Olpinského Metoda adiabatické oxidace Metoda pulsní kalorimetrie Metoda CPT
IO = SZa/75 IA = iA / 6 IK = q30/1.2 ICPT = (182 - tCPT)/21
[-] [-] [-] [-]
Výsledný index náchylnosti vyjadřuje aritmetický průměr čtyřech uvedených indexů : INS = (IO + IA + IK + ICPT)/4
(5.1)
Jak již bylo uvedeno, pro indexy dílčích metod a rovněž pro společný index „INS“ byla navržena třístupňová klasifikační stupnice : Náchylnost NÍZKÁ Náchylnost STŘEDNÍ Náchylnost VYSOKÁ
INS = 0.0 - 0.3333 INS = 0.3334 - 0.6666 INS = 0.6667 - 1.0
Tento způsob hodnocení sjednotil výsledky používaných metod a hranice kategorií byly založeny na ověřených hodnotách náchylnosti uhelných vzorků k samovznícení souborů pasportizace 1999-2001. Algoritmus výpočtu indexu náchylnosti k samovznícení „INS“ byl naprogramován v programovém prostředí „Multimedia Builder 4.8“ ve formě uživatelského výpočetního programu s názvem „Index náchylnosti k samovznícení uhlí OKR (návrh metody)“ s pracovním názvem „INS“. Pro stanovení hodnoty indexu „INS“ pomoci předmětného výpočetního programu lze beze změn využít dosavadní čtyři metody používané v OKR pro ověřování náchylnosti uhlí k samovznícení. Jako vstupní data pro výpočet se zadávají obdržené naměřené hodnoty dílčích metod v nezměněné podobě. Výsledky výpočtů indexu „INS“ pro uhelné vzorky hodnocené v rámci předmětného projektu VaV jsou uvedeny v tabulce č. 5.13.
88
Tab. 5.13 Hodnoty indexu „INS“ souboru uhelných vzorků pasportizace 1999 - 2001 Olpinski Lokalita ID
Sza Důl
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Sloj
ČSA, J.Karel 40 ČSA, J.Karel 19 ČSA, Doubr. 39 ČSA, Doubr. 40 ČSA, Doubr. 39 Lazy, Lazy 38 Lazy, Lazy 38 Lazy, Dukla 432 Lazy, Dukla 436 ČSA, J.Karel 19 ČSA, J.Karel 39 Lazy, Lazy 40 Lazy, Lazy 40 ČSM, Sever 30 ČSM, Sever 29 ČSA, Doubr. 40-p ČSM, Jih 40 ČSM, Jih 32 ČSM, Jih 30 Darkov, z. 3 40 Darkov, z. 3 39 Paskov, St. 082/4 Paskov, St. 072
SZb
Adiabat.
Pulsní kalorim.
CPT
At (80°C)
q30
základní
J.g-1
°C
-
0,62 1,10 0,98 0,30 0,47 0,90 1,20 0,15 0,35 1,10 0,47 0,65 1,00 0,20 0,15 0,40 0,52 0,25 0,50 0,65 0,85 0,30 0,25
178,00 174,00 181,00 175,21 179,56 178,02 176,25 176,94 173,73 166,61 175,04 170,80 175,90 170,40 174,60 174,10 163,20 175,40 170,70 169,90 164,10 172,40 178,50
0,3452 0,6007 0,4300 0,2803 0,3898 0,4496 0,5653 0,2589 0,2810 0,6862 0,3692 0,4823 0,6280 0,3044 0,2007 0,3285 0,4887 0,2449 0,3842 0,5094 0,6672 0,3774 0,1520
°C.min-1 °C.min-1 °C.hod-1 18,40 34,00 20,30 15,10 28,98 26,80 34,30 8,60 8,00 67,40 34,40 53,20 66,00 18,40 24,40 20,10 17,10 23,40 18,40 21,10 19,60 11,80 7,10
19,10 38,00 22,20 15,59 29,72 27,80 35,40 8,90 9,10 68,50 35,60 55,80 68,50 19,20 27,40 20,80 18,50 24,20 19,40 22,10 20,10 12,30 7,60
2,57 3,91 3,51 2,08 3,99 3,01 3,18 3,33 1,99 1,18 1,77 0,87 3,05 1,52 0,00 2,02 2,39 0,87 2,02 3,83 5,08 3,87 0,83
„INS“ Třída náchylnosti STŘEDNÍ STŘEDNÍ STŘEDNÍ NÍZKÁ STŘEDNÍ STŘEDNÍ STŘEDNÍ NÍZKÁ NÍZKÁ VYSOKÁ STŘEDNÍ STŘEDNÍ STŘEDNÍ NÍZKÁ NÍZKÁ NÍZKÁ STŘEDNÍ NÍZKÁ STŘEDNÍ STŘEDNÍ VYSOKÁ STŘEDNÍ NÍZKÁ
Z uvedeného přehledu hodnot indexu „INS“ v tabulce č. 5.13 vyplývá, že z celkového počtu 23 hodnocených uhelných vzorků v OKR bylo 8 vzorků zařazeno do třídy nízké náchylnosti, 13 vzorků do třídy střední náchylnosti a dva vzorky do třídy vysoké náchylnosti k samovznícení. Z Ostravského souvrství OKR byly tři z těchto čtyřech vzorků hodnoceny navrženou metodou ve třídě náchylnosti „Nízká“, vzorky č. 8, 9 a 23 a jeden ve třídě „Střední“ hodnotou indexu „INS = 0,3774“, tedy nad rozhraním třídy nízké a střední (spodní hranice třídy střední - 0,3333). Tabulky 5.14 a 5.15 uvádějí pořadí uhelných vzorků a slojí podle velikosti indexu náchylnosti INS.
89
Tab. 5.14 Pořadí uhelných vzorků pasportizace 1999-2001 podle indexu INS ID 10 21 13 2 7 20 17 12 6 3 5 19 22 11 1 16 14 9 4 8 18 15 23
Důl
Sloj
ČSA, J.Karel 19 Darkov, z. 3 39 Lazy, Lazy 40 ČSA, J.Karel 19 Lazy, Lazy 38 Darkov, z. 3 40 ČSM, Jih 40 Lazy, Lazy 40 Lazy, Lazy 38 ČSA, Doubr. 39 ČSA, Doubr. 39 ČSM, Jih 30 Paskov, St. 082/4 ČSA, J.Karel 39 ČSA, J.Karel 40 ČSA, Doubr. 40-p ČSM, Sever 30 Lazy, Dukla 436 ČSA, Doubr. 40 Lazy, Dukla 432 ČSM, Jih 32 ČSM, Sever 29 Paskov, St. 072
INS
Třída
Pořadí
0,6862 0,6672 0,6280 0,6007 0,5653 0,5094 0,4887 0,4823 0,4496 0,4300 0,3898 0,3842 0,3774 0,3692 0,3452 0,3285 0,3044 0,2810 0,2803 0,2589 0,2449 0,2007 0,1520
VYSOKÁ VYSOKÁ STŘEDNÍ STŘEDNÍ STŘEDNÍ STŘEDNÍ STŘEDNÍ STŘEDNÍ STŘEDNÍ STŘEDNÍ STŘEDNÍ STŘEDNÍ STŘEDNÍ STŘEDNÍ STŘEDNÍ NÍZKÁ NÍZKÁ NÍZKÁ NÍZKÁ NÍZKÁ NÍZKÁ NÍZKÁ NÍZKÁ
1. 2. 3. 4. 7. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23.
Tab. 5.15 Pořadí slojí pasportizace 1999-2001 podle indexu INS Počet vzor. 19 2 38 2 39 4 40 7 OKR 23 30 2 ostrav 4 Sloj
INS 0,6434 0,5066 0,4641 0,4375 0,3839 0,3343 0,3107
Třída
Pořadí
STŘEDNÍ STŘEDNÍ STŘEDNÍ STŘEDNÍ STŘEDNÍ STŘEDNÍ NÍZKÁ
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Variabilita náchylnosti slojí k samovznícení, která vyplývá jak z hodnot uvedených v tabulce 5.14, tak z tabulky 5.3 a přílohy č. 2 upozorňuje na možnost výskytu lokalit
90
s vysokou náchylnosti přesto, že hodnocení dané sloje v celorevírním měřítku vykazuje v průměru střední náchylnost. Tato skutečnost směřuje ke vhodnosti laboratorního ověření náchylnosti k samovznícení individuálně každého uhelného bloku připraveného k dobývání. Tímto způsobem lze obdržet konkrétní informaci o náchylnosti uhelné hmoty v příslušném bloku.
5.2.4 Korelace indexu náchylnosti „INS“ s kvalitativními parametry uhlí Hodnoty indexu „INS“ uhelných vzorků OKR (1999- 2001) a kvalitativní parametry vzorů byly analyzovány pomoci korelačního koeficientu a regresní analýzy s cílem nalézt optimální aproximace hodnocených parametrů podle studie (Boháč 2002). Bylo hodnoceno 20 parametrů uhlí tabulky 5.16 pomoci čtyř typů regresních závislosti (5.2 - 5.5). Výběr funkcí „g“ v (5.2) a (5.3) je popsán níže. Nejpříznivější výsledky aproximací jsou uvedeny v tabulce 5.16 s příslušnou regresní funkcí a jí odpovídajícím indexem korelace. Obrázky 5.7 a 5.8 uvádějí dva příklady graficky znázorněných aproximací. Vstupní hodnoty parametrů uhlí jsou uvedeny v příloze č. 1. Metodou nejmenších čtverců byly hledány regresní závislosti ve tvaru
y = c1 g1 ( x) + c 2 g 2 ( x) , y = 1 /(c1 g1 ( x) + c2 g 2 ( x)) , y = c1e c2 x , y = c1 x c2 ,
(5.2) (5.3) (5.4) (5.5)
kde y je index náchylnosti uhlí k samovznícení a x je parametr uhlí. Funkce g byly vybírány z množiny funkcí : g ( x) = 1 g ( x) = x
g ( x) = x 2 g ( x) = x 3 g ( x) = x 4 g ( x) = x 5 g ( x ) = x −1 g ( x ) = x −2 g ( x) = x g ( x) = exp( x) g ( x ) = exp( − x ) g ( x ) = ln( x )
Výsledky jsou shrnuty v tabulce 5.16.
91
Tab. 5.16 Výsledky korelací a regresí indexu „INS“ s parametry uhlí Parametr Koeficient Funkce závislosti uhlí korelace d y = 0.1279 + 277.07 x −2 Qs 0.2447 UP a
0.2511
Index korelace 0.2491
y = 0.4187 + 0.0003 x 3
0.27808
−1
W Aa Ad Va
0.3191 0.1398 0.1355 0.3323
y = 0.5324 − 0.1786 x y = 0.4541 − 0.0429 ln x y = 0.4535 − 0.0422 ln x y = 0.2934 + 7.384e − 9 x 5
0.1607 0.1587 0.4813
Vd
0.3702
y = 0.3720 + 9.285e − 6e x
0.5235
Vdaf
0.3542
y = 0.3003 + 5.626e − 9 x 5
0.4979
d
C
0.3033
N
0.5345 0.3577
t d Ht d d
S
t
Od
−1
y = 0.5567 − 13.8937 x y = −1.3122 + 0.3609 x y = 0.3117 + 0.0130 x
0.0131
y = 0.4051 − 0.0032 x −2
0.1301
y = 0.3732 + 6.702e − 7e
0.5345 0.4003 0.1426 x
y = 0.3361 + 215.38 x y = 0.2407 + 0.1092 ln x
L I
0.3923 0.2233
y = 0.3939 − 0.0620 x
0.2083
y = 0.4723 − 0.0528 x
0.3835
y = 0.3344 + 0.0001x
0.1978
y = 0.3832 + 1.465e − 10 x
vmezp
0.1969
y = 0.3312 + 258.84 x −2
v
0.1600 0.5002 0.3034
−2
makp
V
0.2756
−2
0.1166
poro
0.3082
5
Vt
MP
0.4074
0.2138
2
0.3872 5
0.3086 0.2968
Obr. 5.7 Aproximace indexu „INS“ s obsahem prchavých látek v hořlavině, (Boháč 2002)
92
Obr. 5.8 Aproximace indexu „INS“ s obsahem vodíku, (Boháč 2002)
Z výsledků aproximací uvedených v tabulce 5.16 vyplývá, že index náchylnosti k samovznícení „INS“ vykazuje relativně nejpříznivější korelace (blízké 0,5) ve vztahu k obsahu vodíku, prchavým hořlavinám, obsahu vody, dusíku, obsahu liptinitu a částečně k objemu pórů.
5.2.5 Doplňující parametry Mezi doplňující parametry byly zařazeny výsledky izotermické metod (RID), vliv kontaktu uhlí s vodou na jeho náchylnost k samovznícení, vliv plynného dusíku na náchylnost uhlí k samovznícení a limitní koncentrace kyslíku samovznícení uhelné hmoty. Izotermická metody (RID) Touto metodou bylo hodnoceno celkem 13 uhelných vzorků v létech 1999-2000. Metoda byla popsána v subkapitole 3.3.3. Metoda stanoví pomoci rozborů chování třech odlišných objemů uhelných vzorků (velikost košíku) při různých teplotách kritický rozměr uhelné vrstvy z hlediska vzniku samovznícení. Znamená to, že pokud je vrstva při dané teplotě nižší, k samovznícení nedojde. Z hlediska důlní praxe a problematiky prevence vzniku samovznícení byl z výsledků izotermické metody kompilován kritický rozměr hodnocených vzorků pro teploty 40 oC. Výsledky jsou uvedeny v tabulce č. 5.17.
93
Tab. 5.17 Kritický rozměr pro teplotu 40 oC podle izotermické metody (RID) ID 1 2 3 4-1 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Sloj
Důl
40 Jan Karel 19 Jan Karel 39 Doubrava 40 Doubrava 39 Doubrava 38 Lazy 38 Lazy 432 Dukla 436 Dukla 19 Jan Karel 39 Jan Karel 40 Lazy 40 Lazy Variační rozpětí Průměrná hodnota
Kritický rozměr m 0,44 0,60 0,44 0,26 0,44 0,42 0,44 1,34 0,52 0,32 2,30 1,03 1,04 2,04 0,74
Průměrná hodnota kritické vrstvy daného souboru uhelných vzorků byla stanovena na 0,74 m. Vzhledem k relativně velkému variačnímu rozpětí hodnot, které bylo způsobeno menšinovým počtem prků hodnocené množiny si lze povšimnout, že většina hodnocených vzorků se nacházela v intervalu kritického rozměru 0,3 - 0,6 m. V případě, že tento poznatek je platný v důlní praxi lze doporučit, aby v důlních dílech nebyla ponechávána vrstva uhlí mocnější více než cca 0,5 m. Vliv kontaktu uhlí s vodou na jeho náchylnost k samovznícení Vliv kontaktu uhlí s vodou na jeho náchylnost k samovznícení byl ověřován pomoci metody pulsní kalorimetrie. Postup laboratorních rozborů byl popsán v subkapitole 3.3.5. Cílem rozborů bylo prokázat, zda ochlazení uhelné hmoty o teplotě 200 oC vodou zvyšuje jeho náchylnost k samovznícení. Rozbory prokázaly ve všech 23 případech zvýšení náchylnosti uhlí k samovznícení. Míra zvýšení náchylnosti byla vyjádřena rozdílem v náchylnosti v % mezi ovlivněným a původním uhelným vzorkem. Uhelné vzorky OKR, pasportizace 1999-2001, prokázaly zvýšení náchylnosti k samovznícení vlivem ochlazení vodou za daných podmínek v průměru o 86 %. Hodnoty ověřené u jednotlivých uhelných vzorků jsou uvedeny příloze č. 2. Vliv inertizace dusíkem Rozbory vlivu inertizace plynným dusíkem na náchylnost uhlí k samovznícení byly prováděny pomoci průsečíkové metody CPT. Průsečíková metoda a postup ověřování vlivu dusíku na náchylnost k samovznícení byla popsána v subkapitolách 3.3.6 a 3.3.7. Rozbory prokázaly v 19 případech z 23 zvýšení náchylnosti uhelných vzorků k samovznícení (nejistota 13 %). Výsledky rozborů byly uváděny ve oC poklesu hodnoty teploty CPT průsečíku ovlivněného uhelného vzorku ve vztahu k vzorku původnímu. Uhelné vzorky OKR pasportizace 1999-2001 prokázaly zvýšení náchylnosti k samovznícení vlivem inertizace
94
plynným dusíkem za daných podmínek poklesem teploty průsečíku metody CPT v průměru cca o - 3,4 oC. Hodnoty pro jednotlivé uhelné vzorky uvádí příloha č. 2. Limitní koncentrace kyslíku samovznícení uhlí Ověřování limitní koncentrace kyslíku samovznícení uhlí bylo realizováno průsečíkovou metodou CPT. Cílem laboratorního postupu, popsaného v subkapitole 3.3.8, bylo prokázat nízkou intenzitu oxidace probíhající v průběhu rozboru CPT při vystavení uhelného vzorku směsi 10 % O2 a 90 % N2. Vyhodnocení průsečíku „uhlí-lázeň“ zdrojových souborů metody CPT těchto analýz prokázalo, že ve všech 23 případech ověřovaných uhelných vzorků pasportizace 1999-2001 nedošlo k průsečíku při oxidaci směsi dusíku a 10 % kyslíku. Limitní koncentrace kyslíku byla již dříve ověřována v podmínkách OKR výzkumem VVUÚ, a.s., v létech 1980 - 1985 (Harašta 1985). Pro ověřování chování uhelné hmoty za snížených koncentrací kyslíku byla v tomto výzkumu použita metoda oxidace za adiabatických podmínek. Výstupem tohoto výzkumu byla doporučena limitní koncentrace kyslíku samovznícení pro uhlí OKR 7 %. Byla stanovena na základě chování uhelného vzorku odebraného z blízkosti pestrých vrstev Dolu Dukla (třída č.18 550), u kterého byl zaznamenán nepatrný nárůst teploty při koncentraci kyslíku 9,6 % a při koncentraci kyslíku 7,1 % již k nárůstu teploty v průběhu rozboru metodou oxidace za adiabatických podmínek nedošlo. V ostatních případech nebyl v rámci tohoto výzkumu (uhelné vzorky mimo pestré vrstvy) potvrzen nárůst teploty při nižších koncentracích pod 10 % O2. Za současných podmínek dobývání v OKR (dobývání mimo pestré vrstvy) lze pokládat za bezpečnou koncentraci kyslíku v závalovém prostoru 10 % a to například pro účely preventivní inertizace dusíkem.
5.3
Společné databáze
Kapitola uvádí komentář ke dvěma databázím, ve kterých byly sdruženy v konkrétních oblastech výsledky rozborů všech uhelných vzorků ověřených v rámci pasportizace v létech 1986-2001. Jednou z těchto databázi byl souhrn výsledků vybraných chemicko-fyzikálních vlastností uhelných vzorků a parametrů náchylnosti k samovznícení. Druhou databázi byl souhrn výsledků plynných produktů tepelné oxidace uhelných vzorků. Databáze nejsou v předložené monografii vytištěny neboť svým rozsah přesahují běžné tiskové možnosti předložené monografie.
5.3.1 Průměrný vzorek OKR Parametry průměrného uhelného vzorku OKR byly stanoveny na základě vypracování společné databáze vybraných chemicko-fyzikálních vlastností uhelných vzorků a parametrů náchylnosti k samovznícení (Věžníková 2001-2). Databáze byla tvořena maticí dat o celkovém počtu 1152 prvků při 18 hodnocených parametrech a 64 hodnocených uhelných vzorcích. Pro tento účel musely byt parametry v některých případech upraveny tak, aby tvořily kompatibilní číselnou řadu, například v případě indexu náchylnosti k samovznícení metody podle Olpinského (SZb+F/ SZa). V případě metody oxidace za adiabatických podmínek byl hodnocen pouze průměrný nárůst teploty At ověřovaný při počáteční teplotě 80 oC. Parametry, které byly ověřovány od roku 1999 nebyly v databázi v příslušných
95
položkách předchozího období obsazeny. Databáze obsahovala výsledky rozborů 60-ti uhelných vzorků Karvinského souvrství a 4 uhelné vzorky Ostravského souvrství. Výsledkem jsou hodnoty průměrného vzorku OKR z hlediska náchylnosti k samovznícení uvedené v tabulce 5.18.
Tab. 5.18 Průměrný vzorek OKR z hlediska náchylnosti k samovznícení parametr
průměr
variační rozpětí
SZa At q30 CPT UP Vporo vmakp Wa Aa Va Vdaf Cdt Hdt Nd Sdt Od
34,50 2,86 0,58 173,67 5,11 21,58 42,60 1,36 5,87 26,76 28,61 82,68 4,80 1,25 0,53 4,53
60,3 9,8 1,05 17,8 12,54 38,80 62,00 2,91 33,86 31,22 32,76 35,30 4,52 0,95 0,788 8,205
jednotka °C . min-1 °C . hod-1 J . g-1 °C m2 . g-1 mm3 . g-1 % % % % % % % % % %
Výsledné hodnoty tabulky 5.18 je možné považovat za „hypotetický průměrný vzorek černého uhlí OKR z hlediska náchylnosti k samovznícení“. Zvláště významné jsou parametry náchylnosti, uvedené v tabulce výrazně. Průměrné hodnoty umožňují rychlý orientační odhad vlastností nově odebraného vzorku a jeho chování z hlediska možnosti vzniku samovznícení pouhým porovnáním průměrné hodnoty vybraného parametru s hodnotou u tohoto nového vzorku (Věžníková 2001-2).
5.3.2 Vyhodnocení plynných produktů tepelné oxidace Nemalou část obsahu pasportizací obou období tvořily svým významem i obsahovým rozsahem analýzy plynných produktů tepelné oxidace uhelných vzorků. Laboratorní postup ověřování kvality i kvantity uvolňovaných plynů pří tepelném namáhání uhelných vzorků byl popsán v subkapitole 3.4. Rozbory byly realizovány v obou obdobích (1986 - 2001) v laboratoři VVUÚ, a.s. Táto okolnost umožnila sjednotit obdržené výsledky do jednotné databáze, která umožnila s daty dále komplexně pracovat. Odlišnosti při ověřování plynných produktů tepelné oxidace byly v teplotním rozsahu tepelného namáhání uhelných vzorků. V létech 1986 - 1988 byly plynné produkty tepelné oxidace ověřovány u vzorků ID 1/1 - 4/10 v teplotním rozsahu 40 - 380 oC (celkem 30 vzorků). Ostatní uhelné vzorky od roku 1991 až do roku 2002 byly ověřovány v teplotním rozsahu 40 - 200 oC. V roce 1993 nebyla v rámci pasportizace ověřována tepelná oxidace v plném rozsahu, takže výsledky nebylo možné
96
zapracovat do společné databáze (celkem 3 vzorky). U vícenásobných odběrů uhelných vzorků z jednoho profilu sloje, viz subkapitola 5.1.5, byly plynné produkty tepelné oxidace ověřeny pouze u vzorků ID 4-1 až 4-4. Sjednocení databáze si vyžádalo kontrolu platnosti naměřených dat, včetně odfiltrování chybných hodnot. Z dostupných podkladů bylo tímto postupem kompilováno a zařazeno do databáze celkem 62 plynových obrazů reprezentujících 62 uhelných vzorků OKR. Dalších 10 plynových obrazů bylo zařazeno do databáze z podkladů získaných v roce 2002 (uhelné vzorky mimo OKR). U každého uhelného vzorku bylo sledováno 10 plynných složek (CO2, CO, CH4, C2H6, C3H8, n-C4H10, i-C4H10, C2H4, C3H6, od roku 1999 též H2) v 18-ti teplotách do roku 1988 (rozsah 40 - 380 oC) a v 9-ti teplotách od roku 1991 (rozsah 40 - 200 oC). Soubor dat tak obsahoval mimo identifikaci vzorků celkem 7740 hodnotových položek, z toho 6840 reprezentujících uhelné vzorky OKR. Statistickým zpracováním dat se zabývala studie (Šancer 2002). Pracovní verze databáze byla vytvořena v programovém prostředí MS Excel, ve kterém byla z části vyhodnocena. Pro některé statistické operace byl dále využit program SAD (Systém pro analýzu dat), (Harabiš 1999). V programovém prostředí MS Excel byly vypočteny střední hodnoty a nalezeny minimální i maximální hodnoty pro každý plyn v ověřovaném teplotním intervalu. Jedním z výstupů tohoto vyhodnocení byl společný graf průměrného vývinu uvolněného množství plynů z uhelných vzorků OKR, uvedený včetně detailu na obrázku obr. 5.9.
Obr. 5.9 Průměrný vývin produktů tepelné oxidace uhelných vzorků OKR, (Šancer 2002) Grafické výstupy byly rovněž vygenerovány pro jednotlivé plyny samostatně. Příklad tohoto vyhodnocení je uveden na obr. 5.10 v podobě průběhů uvolněných množství CO všech 62 uhelných vzorků z OKR v závislosti na teplotě. Obrázek 5.11 pak demonstruje rozptyl těchto průběhů s vymezením variačního rozpětí. V programovém prostředí MS Excel byly shodným způsobem vyhodnoceny všechny plynné složky a binární bezrozměrné ukazatele (poměry plynů), vyjma ukazatelů inverzních.
97
Obr. 5.10 Průběh uvolněných množství CO
Obr. 5.11 Průměr a variační rozpětí vývinu CO
98
Pomoci programu SAD byly hledány asociace mezi výviny plynných produktů a fyzikálně-chemickými vlastnostmi uhelné hmoty a mezi výviny plynných produktů a lokalitou odběru uhelných vzorků. Ze softwarového souboru SAD byly využity dvě analýzy. Jednou z nich byla kombinační analýza GUHA, uvedeno v (Harabiš 1999), a druhou analýzou byla hierarchická metoda aglomerativního shlukování se strategií nejbližšího souseda AGLO, uvedeno v (Harabiš 1999). Obě tyto metody nepotvrdily prokazatelné souvislosti mezi výviny plynů a parametry složení a struktury uhlí, nýbrž potvrdily určitou závislost vývinu plynů na lokalitě odběru, výsledkem čehož bylo doporučeno využití databáze způsobem selektivního výběru dat podle lokality odběru uhelných vzorků. Pro operativní a praktické využití databáze plynných produktů tepelné oxidace uhelných vzorků pasportizace byl vytvořen výpočetní program (Štecker 2002), naprogramovaný v programovém prostředí Delphi 5. Uživatelská verze výpočetního programu s názvem „Hodnocení indikačních plynů samovznícení uhelné hmoty“ s pracovním názvem „CnHm“ byla jako realizační výstup projektu VaV ČBÚ č. 3/99 umístěna na nosič CD a byla vybavena uživatelskou příručkou v tištěné podobě, obr. 5.12.
Obr. 5.12 Uživatelská verze výpočetního programu „CnHm“ Výpočetní program umožňuje zobrazení tabulek a grafů průběhů uvolněných množství plynů a binárních bezrozměrných ukazatelů podle výběru uhelného revíru, důlního podniku, sloje, kry, pracoviště, plynné složky, případně poměru plynů. Současně lze zobrazit 255 průběhů plynných složek, případně poměrů plynů, v jednom grafu. Tento výpočetní program se tak stal nástrojem pro vývojovou a operativní práci s databázi. Pomoci programu byly vyobrazeny a dokumentovány průběhy plynných produktů tepelné oxidace podle plynných složek a vybraných bezrozměrných ukazatelů pro celé OKR, dále selektivně pro sloje OKR a selektivně pro sloje a důlní podniky. Celkem 521 grafických souborů bylo umístěno na
99
nosiči CD v rámci realizačního výstupu projektu VaV ČBÚ č. 3/99. Operativní práce s programem potvrdila závěry statistického vyhodnocení ve smyslu podobnosti uvolňování plynných produktů tepelné oxidace ve vztahu k lokalitě odběru vzorků. Příklad je uveden na následujících obrázcích. Obrázek 5.13 uvádí průběh binárního bezrozměrného ukazatele C2H4/C2H6 všech zpracovaných uhelných OKR. Obrázek 5.14 uvádí selektivně vybrané průběhy binárního ukazatele C2H4/C2H6 uhelných vzorků odebraných ve sloji č. 40 (18) Dolu Dukla. Průběh předmětného ukazatele obr. 5.14 lze považovat za využitelný indikační ukazatel pro určení především teploty 280 oC ohniska samovznícení v dané sloji a lokalitě.
Obr. 5.13 Průběh binárního ukazatele C2H4/C2H6 vzorků OKR
Obr. 5.14 Průběh binárního ukazatele C2H4/C2H6 sloje č. 40 (18) Dolu Dukla
100
Výpočetní program CnHm byl vybaven lupou pro zvětšení výseku části grafů pro případy nepřehledného překrytí křivek. Pomoci lupy byly nalezeny souběhy několika binárních ukazatelů uhelných vzorků sloje č. 40 databáze. Obrázek 5.15 uvádí průběh ukazatele C2H6/C3H8 v původním vyobrazení a v detailu zobrazeného pomoci lupy s následným vymezením zvolených hraničních hodnot daného ukazatele.
Obr. 5.15 Průběh binárního ukazatele C2H6/C3H8 vzorků sloje č. 40 OKR
101
Totožným postupem byly nalezeny obdobné souběhy u binárních ukazatelů C2H6/C2H4 a C2H4/C3H8. Z jejich průběhů a hraničních mezí bylo možné definovat následující vztahy k indikované teplotě platné pro sloj č. 40 v OKR:
• C2H6/C3H8 (etan/propan), binární bezrozměrný ukazatel C2H6/C3H8 (obr. 5.15) má v teplotním intervalu 140 300 oC klesající tendenci. Pokud ukazatel dosáhl v klesající tendenci hodnotu 2,5 a nižší, bude indikovaná teplota 160 - 300 oC, pokud nebyla hodnocena tendence vývoje ukazatele, bude indikovaná teplota při hodnotě ukazatele 2,5 a nižší v intervalu 160 - 380 oC, (nejistota v daném vyhodnocení byla dána 3-mi nesouhlasnými vzorky z 30-ti),
• C2H6/C2H4 (etan/etylén),
binární bezrozměrný ukazatel C2H6/C2H4 má v teplotním intervalu 160 - 260 oC klesající tendenci. Pokud ukazatel dosáhl v klesající tendenci hodnotu 2,0 a nižší, bude indikovaná teplota 220 - 260 oC, pokud nebyla hodnocena tendence vývoje ukazatele, bude indikovaná teplota při hodnotě ukazatele 2,0 a nižší v intervalu 220 - 340 oC, (nejistota v daném vyhodnocení byla dána 1 nesouhlasným vzorkem z 21),
• C2H4/C3H6 (etylén/propylén),
podle binárního bezrozměrného ukazatele C2H6/C2H4 bude indikovaná teplota ohniska samovznícení 300 oC a více, pokud v klesající tendenci dosáhl ukazatel hodnotu 1,0 a menší, (nejistota v intervalu nad 120 oC byla dána 2-mi nesouhlasnými vzorky z 21).
Pro využití uvedených bezrozměrných ukazatelů v praxi lze navrhnou postup hodnocení provozní situace v pořadí: 1. C2H6/C3H8 (etan/propan), 2. C2H6/C2H4 (etan/etylén), 3. C2H4/C3H6 (etylén/propylén), Programu CnHm lze aplikovat v praxi jako nástroj při vyhodnocení vzorků plynů důlního ovzduší porovnáním binárních ukazatelů s průběhy ukazatelů laboratorně ověřených plynových obrazů. Hodnoty koncentrací plynů vzorku důlního ovzduší obdržené z plynové laboratoře se zadají do programu v dialogovém režimu. Následně se zvolí v databázi nejbližší zpracovaný uhelný vzorek. Po příslušné interaktivní volbě položek ovládání programu umožňuje program zobrazení průsečíku hodnoty zvoleného binárního ukazatele provozního vzorku důlního ovzduší s průběhem téhož ukazatele laboratorně ověřeného plynového obrazu uhelného vzorku databáze odebraného nejblíže provozní lokalitě. Obrázek 5.16 uvádí vyhodnocení binárního ukazatele C2H6/i-C4H10. Křivka klesající tendence poměrů plynů C2H6/i-C4H10 laboratorně ověřeného uhelného vzorku protíná přímku vyjadřující hodnotu předmětného binárního ukazatele plynů přítomných v důlním ovzduší v teplotě 128 oC.
102
Obr. 5.16 Vyhodnocení binárního ukazatele C2H6/i-C4H10 programem CnHm
Program CnHm umožňuje editaci databáze plynových obrazů, což může být individuálně využito důlními podniky doplňováním databáze ve vlastní réžii pořízenými výsledky tepelné oxidace uhelných vzorků odebraných v dobývacím poli. Výpočetní program CnHm byl ošetřen proti zadávání chybných hodnot, umožňuje záznam vstupních dat, tisk a záznam zobrazených grafů a tisk protokolu. Práce s programem CnHm potvrdila relativně značný rozptyl laboratorně ověřených plynových obrazů zpracovaných uhelných vzorků databáze. Z těchto důvodů nutno v praxi počítat při práci s programem CnHm s obdržením pouze podpůrných a orientačních informací o stavu samovznícení v dole. První verze programu CnHm vznikla v roce 2002. V roce 2004 pokračovaly v rámci projektu VaV ČBÚ č. 29/03 výzkumné práce na zdokonalení programu CnHm a zdokonalení využití indikačních plynů pro určení teploty samovznícení.
103
6. Závěr Monografie byla věnována kompilaci obsahu jedenácti svazků dílčích výzkumných zpráv projektů VaV zaměřených na náchylnost slojí OKR k samovznícení z časového období od roku 1986 do doby vydání monografie. Vyhodnocení předmětných souborů ověřených hodnot celkem 64 uhelných vzorků OKR vytvořilo náhled na konkrétní kvalitativní parametry náchylnosti slojí OKR k samovznícení, kvalitativní parametry chemicko-fyzikálních vlastností uhlí a na řadu doplňujících parametrů technologicko-bezpečnostního významu ve vztahu k riziku vzniku samovznícení. Monografie předesílá možné hledisko komplexního posouzení náchylnosti uhlí k samovznícení v podmínkách OKR a jeho případné zapracování do hodnocení rizika ohrožení těžby endogenními požáry v důlních provozech. Nezanedbatelnou součástí kompilovaných okruhu byla problematika indikačních plynů samovznícení z pohledu laboratorního výzkumu, který byl součástí předmětné pasportizace. V této oblasti lze konstatovat jistý posun ve zprůhlednění dosavadních poznatků, což vytváří podmínky pro možný další pozitivní vývoj v daném směru. Světlým okamžikem bylo pokračování předmětného výzkumu v době dokončení rukopisu monografie, z čehož vyplývá, že lze očekávat rozšíření poznání dané problematiky a možnost doplnění předloženého díla v některé z příštích editací.
Poděkování Autor touto formou děkuje všem, kteří svými příspěvky a odbornou spoluprácí při realizací předmětného výzkumu přispěli k naplnění kompilovaných souborů dat, poskytli informace, konzultace a korektury specifikací, kteří vstřícně spolupracovali a stali se členy řešitelského kolektivu projektu VaV CBÚ č. 3/99. Autor děkuje zadavateli citovaného výzkumného projektu, Českému báňskému úřadu, za udělení souhlasu k publikování poznatků získaných s jeho podporou.
Uvedená fota pořídil autor monografie, pokud není uvedeno jinak.
104
Literatura Adamus, A., (1997-1): Výzkum samovznícení uhlí na Univerzitě v Nottinghamu. Uhlí, rudy, geologický průzkum, 9, 1997, s. 297-303. Adamus, A., Věžníková, H. (1997-2): Vliv inertizace plynným dusíkem na kinetiku samovznícení uhelné hmoty. Závěrečná zpráva projektu GAČR č. 105/95/1111. VŠB-TU Ostrava, leden 1997. Adamus, A. (1998): Samovznícení uhlí - laboratorní metody ověřování náchylnosti uhlí k samovznícení v OKR. Záchranář, 2, 1998. Adamus, A. et al. (1999-1): Pasportizace uhelných slojí České republiky - náchylnost k samovznícení I. Dílčí výzkumná zpráva k projektu VaV ČBÚ č. 3/1999, VŠB- TU Ostrava, Ostrava, prosinec 1999. Adamus, A. et al. (1999-2): Snížení rizika vzniku samovznícení uhelné hmoty se zaměřením na indikační a prevenční metody I. Průběžná výzkumná zpráva výzkumného projektu VaV ČBÚ č.3/1999 , VŠB-TUO Ostrava, Ostrava, prosinec 1999. Adamus, A. et al. (2000-1): Pasportizace uhelných slojí České republiky - náchylnost k samovznícení II. Dílčí výzkumná zpráva k projektu VaV ČBÚ č. 3/1999, VŠB-TU Ostrava, Ostrava, prosinec 2000. Adamus, A. et al. (2000-2): Snížení rizika vzniku samovznícení uhelné hmoty se zaměřením na indikační a prevenční metody II. Průběžná výzkumná zpráva výzkumného projektu ČBU č. 2435/99/III. , VŠB-TUO Ostrava, Ostrava, červen 2000. Adamus, A. (2000-3): Pasportizace uhelných slojí České republiky – náchylnost k samovznícení. In Sbor. ref. mezinárodního kongresu „Větrání a bezpečnost dolů“, VSBTUO, Ostrava, říjen 2000, ISBN 80-86111-57-1 Adamus, A. (2000-4): Hodnocení náchylnosti uhlí k samovznícení metodou CPT – Crossing Point Temperature. In Sbor. ref. mezinárodního kongresu „Větrání a bezpečnost dolů“, VSBTUO, Ostrava, říjen 2000, ISBN 80-86111-57-1 Adamus, A. et al. (2001-1): Pasportizace uhelných slojí České republiky - náchylnost k samovznícení III. Dílčí výzkumná zpráva k projektu VaV ČBÚ č. 3/1999, VŠB-TU Ostrava, Ostrava, prosinec 2001. Adamus, A. et al. (2002-2): Snížení rizika vzniku samovznícení uhelné hmoty se zaměřením na indikační a prevenční metody. Závěrečná výzkumná zpráva k projektu VaV ČBÚ č. 3/1999, VŠB-TU Ostrava, Ostrava, listopad 2001. Adamus, A. (2002-3): Souhrn technických podmínek pro rozhodování SBS ve věci povolování hornické činnosti a k návrhu novelizace § 187, vyhlášky ČBÚ 22/1989 Sb. Realizační výstup projektu VaV ČBÚ č. 3/1999, VŠB-TU Ostrva, Ostrava, listopad 2002.
105
Adamus, A. (2002-4): Ověřování náchylnosti uhelných slojí k samovznícení v OKR v létech 1986 - 1993. Uhlí-rudy-geologický průzkum, č. 12, 2002, ISSN 1210 - 7697, str. 13 - 16. Balog, K. (1999): Samovznietenie. Edice SPBI Spektrum č. 21, Ostrava, 1999. Boháč, Z. (2002): Závislost indexu náchylnosti k samovznícení na parametrech uhlí. Studie k zakázkovému úkolu VŠB-TUO č. 52 003, VŠB-TUO,Ostrava, listopad 2002. Damec J. et al. (1999): Protivýbuchová prevence v potravinářství a zemědělství. Edice Sdružení protipožárního a bezpečnostního inženýrství Spektrum, Ostrava, 1999. Faster, P. at al. (2000): Báňské záchranářství I. Montanex, Ostrava, 2000. Gouws, J.M., Gibbon, L.W., Phillps, H.R. (1991): An Adiabatic Apparatus to Establish the Spontaneous Combustion Propensity of Coal. Mining Science and Technology, 13, 1991, s. 417-422. Hájek, L. (1972): Už i Černá nevěsta?, Záchranář č. 3, 1972. Harabiš, R., Samek, M. (1999): Systém pro analýzu dat, verze 1.0b. Programové vývojové prostředí na CD ROM s tištěným manuálem. VŠB-TU Ostrava, Ostrava, 1999. Harašta, M. (1966): Výzkum samovzněcování uhlí. Výzkumná zpráva VVUÚ OstravaRadvanice, Ostrava, 1966. Harašta, M et al. (1977): Klasifikace vybraných slojí z hlediska jejich náchylnosti k samovznícení. Výzkumná zpráva VVUÚ Ostrava-Radvanice, Ostrava, 1977. Harašta, M. (1983): Klasifikace vybraných slojí OKR z hlediska uvolňování oxidů uhlíku a uhlovodíků během oxidačního procesu. Závěrečná zpráva, VVUÚ, Ostrava, 1983. Harašta, M. (1985): Vliv koncentračních změn kyslíku na kinetiku oxidace uhelné hmoty. Závěrečná zpráva úkolu RVT 17 010, VVUÚ Ostrava-Radvanice, 1985. Harašta, M, et al. (1986): Pasportizace 40. sloje Dolu 1. Máj z hlediska samovznícení. Výzkumná zpráva předávací etapy SÚ P 01-125-807, DÚ 07 Výzkum samovznícení uhelných slojí OKR, VVUÚ Ostrava-Radvanice, Ostrava 1986. Harašta, M, et al. (1987-1): Doplněk k pasportizaci 40. Sloje Dolu 1. Máj z hlediska samovznícení. Výzkumná zpráva předávací etapy SÚ P 01-125-807, DÚ 07 Výzkum samovznícení uhelných slojí OKR, VVUÚ Ostrava-Radvanice, Ostrava 1987. Harašta, M, et al. (1987-2): Pasportizace 18. Sloje podle polí na Dole Dukla z hlediska samovznícení. Výzkumná zpráva předávací etapy SÚ P 01-125-807, DÚ 07 Výzkum samovznícení uhelných slojí OKR), VVUÚ Ostrava-Radvanice, Ostrava 1987.
106
Harašta, M, et al. (1988): Pasportizace uhelných slojí vybraných dolů OKR z hlediska samovznícení (Dukla, 1. Máj, Doubrava). Výzkumná zpráva předávací etapa SÚ P 01-125807, DÚ 07 Výzkum samovznícení uhelných slojí OKR), VVUÚ Ostrava-Radvanice, Ostrava 1988. Honěk, J., Hoňková, K., Staněk, F. (1998): Hodnocení uhlí, přechodných hornic a hornin a způsob jejich grafického zobrazení. In Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava, č. 2, 1998, řada hornicko-geologická, VŠB-TU Ostrava, Ostrava 1998. Lindenau, N. I. et al. (1982): Katalog ugljej SSSR sklonnych k samovozgoraniju. Nědra, Moskva, 1982. Makarius, R., Hofbauer, I. (1984): Zdolávání požárů v hlubinných dolech. SNTL, Praha, 1984. Makarius, R. (1993): Inertizace při důlních požárech. SNTL Praha, Praha, 1993. Matušek, Z. (1975): Aerodynamické poměry závalového prostoru a návrh metody pro hodnocení podmínek vzniku samovznícení uhlí v porubech s mechanizovanou výztuží při dobývání slojí spodních suššských a sedlových vrstev v OKR. VVUÚ Ostrava-Radvanice, č. 19, Ostrava 1975. Olpinski, W. (1952): Prace GIG, Komunikat 130, 1952. Ren, X.T., Richards, M.J. (1994): A Computerised System for the Study of the Spontaneous Combustion of Coal. The Mining Engineer, November 1994. Smith, A.C., Thompson, C.N. (1991): Development and Application of a Method for Prediction the Spontaneous Combustion of Bituminous Coals. In Proceedings, 24th Internationa Conference of Safety in Mines Research Institutes, Doněck 1991. Svoboda, J., Beneš, K. (1955): Petrografie uhlí. Nakladatelství ČSAV, Praha 1955. Šancer, J., Adamus, A. (2002): Vyhodnocení databáze laboratorních plynových obrazů tepelné oxidace uhelných vzorků OKR za období 1986 – 2001. Stude VŠB-TU Ostrava, Ostrava, prosinec 2002. Štecker, J., Šancer, J., Adamus, A. (2002): Hodnocení indikačních plynů samovznícení uhelné hmoty. Výpočetní program na nosiči CD a tištěný manuál, realizační výstup projektu VaV ČBÚ č. 03/99, VŠB-TU Ostrava, Ostrava červen 2002. Taraba, B. (1988): Tepelné působení inhibitorů, Záchranář č. 9, 1988, s.6 Taraba, B. (1990): Reversible and irreversible interaction of oxygen with coal using pulse flow calorimetry. Fuel, 1990, Vol .69, September, p.1191-1199. Taraba, B. (1992): Posouzení oxireaktivity uhlí ČSFR na základě oxidačních tepel, Uhlí-rudy, 40, 1992, s. 309-313.
107
Taraba, B. (1993): Vliv tepelného namáhání uhlí na jeho oxireaktivitu. Závěrečná výzkumná zpráva k HS 92/33/10, ÚG AV ČR, Ostrava, 1993. Taraba, B., Věžníková, H. (1996): příspěvek k analýze případů samovznícení uhlí v dolech OKD. Uhlí, rudy, geologický průzkum, 11, 1996, s. 351-354. Taraba, B. (1997): Siřičitan sodný - inhibitor nebo promotor samovzněcování uhlí? Acta Facultatis Rerum Naturalium Universitas Ostraviensis, Physica - Chemia, č.5, 166, Ostrava, 1997, s. 101- 106. Taraba, B., Peter, R., Duber, S. (1999-1): Působení vody jako děj zvyšující náchylnost uhlí k samovznícení, Uhlí-rudy-geologický průzkum, 4, 1999, s. 30-32. Taraba, B. (1999-2): Laboratorní rozbory uhelných vzorků. Závěrečný protokol ke smlouvě o dílo č. 39/99/3450, Ostravská univerzita, Ostrava, 1999. Taraba, B., Peter (2001): Sudium vlivu chemických aditiv na oxireaktivitu uhlí. In Sborník přednášek z 1.česko- polského uhelného sympozia „Nové poznatky z oblasti uhlí a koksu“, 17.- 18.září 2001, Ostrava, VŠB-TU, ISBN 80-7078-908-5, s. 2 -5. Taraba, B. (2003): Nízkoteplotní oxidace a samovzněcování uhelné hmoty. Ostrava, Ostravská univerzita, 2003, 112 s. Veselovskij, V., S., (1972), Fizičeskije osnovy samovozgoranija uglja i rud. Izdatelstvo Nauka, Moskva, 1972. Věžníková H. (1997) : Metody hodnocení samovznětlivých vlastností průmyslových prachů, In Sborník mezinárodní konference požární ochrana 97, VŠB-TUO, Institut bezpečnostního inženýrství, Ostrava, 1997. Věžníková, H. (1991-1): Pasportizace vzorku z 37. Sloje Dolu Doubrava z hlediska náchylnosti k samovznícení. Výzkumná zpráva VVUÚ Ostrava-Radvanice, Ostrava 1991. Věžníková, H. (1991-2): Pasportizace uhelných slojí vybraných dolů z hlediska samovznícení (Lazy, Doubrava, Handlová). Dílčí výzkumná zpráva k PV 6a: Hodnocení základních parametrů uhelné hmoty vytypovaných otevřených slojí karvinského souvrství OKR a slojí SUB z hlediska náchylnosti k samovznícen), VVUÚ Ostrava-Radvanice, Ostrava 1991. Věžníková, H. et al. (1992): Hodnocení základních parametrů uhelné hmoty vytypovaných otevřených slojí karvinského souvrství OKD a slojí SUB z hlediska náchylnosti k samovznícení (Darkov). Dílčí výzkumná zpráva k PV 6a: Hodnocení základních parametrů uhelné hmoty vytypovaných otevřených slojí karvinského souvrství OKR a slojí SUB z hlediska náchylnosti k samovznícení, VVUÚ Ostrava-Radvanice, Ostrava 1992. Věžníková, H. (1993): Hodnocení stavu samovznícení v uzavřených požářištích. Výzkumná zpráva k předávací etapě PV 5: Technologický postup použití dusíku pro účinné tlumení samovzněcovacího procesu v závalu a pro uzavřená požářiště, VVUÚ Ostrava-Radvanice, Ostrava 1993.
108
Věžníková, H. (1999-1): Seznam pasportizovaných vzorků. Faxové sdělení VVUÚ a.s., 8. 11. 1999. Věžníková, H. (1999-2): Metody hodnocení uhlí z hlediska náchylnosti k samovznícení. In Mezinárodní konference výzkumných ústavů bezpečnosti v hornictví, Sinaia, červen 1999. Věžníková, H. (2000): Osobní sdělení, Ostrava, červen 2000. Věžníková, H., Adamus, A. (2002-1): Zpracování výsledků uhelných vzorků ověřovaných na náchylnost k samovznícení. Dílčí zpráva zakázky projektu VŠB-TUO č. 520003, červen 2002. Věžníková, H. (2002-2): Korelace náchylnosti k samovznícení ke kvalitativním parametrům uhelných vzorků OKR. Závěrečná zpráva zakázky projektu VŠB-TUO č. 520003, září 2002. VVUÚ (1995): Metodiky stanovení náchylnosti k samovznícení. Instrukce VVUÚ č. 100/95, VVUÚ Ostrava-Radvanice, Ostrava, 1995. VVUÚ (1999): Stanovení náchylnosti uhelného vzorku k samovznícení. Zkušební protokol VVUÚ, a.s., Ostrava, 1999.
109
Souhrn Publikace je věnována výzkumu náchylností k samovznícení slojí černouhelného Ostravsko-karvinského revíru. Revír je součásti Hornoslezské uhelné pánve. Začátkem 21. století tento revír těžil 14 mil. tun uhlí karbonského stáří ročně z průměrné hloubly 800 m pod povrchem. Průměrná četnost výskytu oxidu uhelnatého signalizujícího endogenní zápar uhlí čítala v tomto revíru v dané době cca 20 případů ročně. Četné případy rozvinutých endogenních požárů dokumentovaly závažnost tohoto rizika. Výzkumná činnost v daném regionu a směru byla od roku 1986 soustředěna v realizaci tzv. pasportizace slojí z hlediska samovznícení. Bylo vypracováno 11 svazků odborných textů čítajících 1530 stran, dokumentujících chemicko-fyzikální vlastnosti 64 analyzovaných uhelných vzorků ve vztahu k jejich náchylnosti k samovznícení. Z metod pro ověření náchylnosti uhelných vzorků k samovzníceni byla použita metoda podle Olpinského, metoda oxidace za adiabatických podmínek, později také metoda pulsní kalorimetrie a průsečíková metoda CPT (Crossing Point Temperature). V omezeném rozsahu byla využita izotermická metoda (RID), vycházející z podmínek pro mezinárodní přepravu nebezpečného zboží po železnici. Výsledky jednotlivých metod byly využity ke stanovení náchylnosti uhlí k samovznícení pomoci tzv. „Indexu náchylnosti k samovznícení INS“, vyjadřující společně hodnocení všech čtyřech metod. Index náchylnosti k samovznícení INS nabývá hodnoty 0,0 – 1,0. Takto se stává vhodným parametrem pro využití v rámci komplexního hodnocení rizika vzniku samovznícení v dolech způsobem, který zahrnuje rovněž přírodní a technické podmínky dobývání v daných lokalitách těžby. Rozsáhlá část předmětného výzkumu byla věnována analýze uvolňovaných plynů při tepelném namáhání uhelných vzorků. V případech výskytu endogenního požáru v důlním prostředí lze jeho výskyt identifikovat pomoci tzv. indikačních plynů. Laboratorně ověřené plynové obrazy uvolněných produktů tepelného namáhání uhlí slouží ke stanovení teploty ohniska endogenního požáru porovnáním složení důlního ovzduší s obdrženými laboratorními výsledky ověřených uhelných vzorků. Předmětný výzkum vyústil ve vyhodnocení 62 laboratorně ověřených plynových obrazu uhelných vzorků OKR v podobě uživatelského výpočetního programu, umožňujícího jednak vyhledávání asociací plynových obrazu ověřených v OKR a jednak posouzení složení důlního ovzduší s daty databáze. Monografie předkládá informace o řadě základních vlastností zpracovaných uhelných vzorků (pevnost v prostém tlaku, zdánlivá hustota, specifický povrch, spalné teplo, základní chemický rozbor, elementární rozbor, makro a mikropetrografická charakteristika, pórovitost a distribuce pórů) a řadě technologicko-bezpečnostních parametrech, jako je náchylnost k samovznícení, vliv hašení uhlí vodou na náchylnost k samovznícení, vliv inertizace dusíkem na náchylnost k samovznícení, limitní koncentraci kyslíku samovznícení, bezpečná teplota samovznícení, kritická teplota samovznícení, indukční doba samovznícení, určení inhibitorů, velikost kritické vrstvy aj.
110
Summary The publication deals with research on the susceptibility of seams of the hard coal OstravaKarviná Coalfield to spontaneous combustion. The Coalfield is a part of the Upper Silesian Basin. At the beginning of the 21st century, this Coalfield produced 14 million tonnes of coal of Carboniferous age annually from the average depth of 800 m below surface. The average frequency of carbon monoxide occurrence signalling the endogeneous spontaneous heating of coal was about 20 cases a year in the given period. Numerous cases of developed endogeneous fires show the seriousness of this risk. Since the year 1986, the research activity in the given region and sphere was concentrated on the realisation of the creation of a database for seams from the point of view of spontaneous combustion. Eleven volumes of specialised texts in the extent of 1530 pages documenting chemical-physical properties of 64 analysed coal samples in relation to spontaneous combustion susceptibility were prepared. As for methods of the verification of susceptibility of coal samples to spontaneous combustion, the method according to Olpinský, the method of oxidation under adiabatic conditions, later the method of pulse calorimetry and the CPT method (Crossing Point Temperature) were applied. In a limited degree, the isothermal method (RID), using the conditions for international transport of dangerous goods by rail as a basis, was employed. Results of particular methods were utilised for the determination of the susceptibility of coal to spontaneous combustion by means of a so-called “index of spontaneous combustion susceptibility INS” expressing the assessment of all four methods altogether. The index of spontaneous combustion susceptibility INS moves in the range from 0.0 to 1.0. Thus it becomes a suitable parameter for the use in the framework of the overall assessment of risk of spontaneous combustion origin in mines that also covers natural and technical conditions of mining in the given localities. An extensive part of the research concerned was orientated towards the analysis of released gases at the thermal loading of coal samples. In the cases of endogeneous fires in the mine environment, these fires may be identified by means of socalled indication gases. Gas patterns of released products of thermal loading of coals verified in laboratory serve for the determination of temperatures of focal points of endogenous fire by comparing the composition of mine atmosphere with received laboratory results of verified coal samples. The research concerned resulted in the evaluation of 62 gas patterns of coal samples from the OKC verified in laboratory in a form of a user calculation program enabling both the searching for associations of gas patterns verified in the OKC and the assessment of the composition of mine atmosphere with data from the database. The monograph presents information about many basic properties of processed coal samples (compression strength, apparent density, specific surface, combustion heat, basic chemical analysis, elementary analysis, macro and micro petrographic characteristics, porosity and pore distribution) and many technological-safety parameters, such as spontaneous combustion susceptibility, the influence of the water extinguishing of coal on spontaneous combustion susceptibility, the influence of nitrogen inertising on spontaneous combustion susceptibility, the limit for oxygen concentration of spontaneous combustion, the safe temperature of spontaneous combustion, the critical temperature of spontaneous combustion, the induction time of spontaneous combustion, inhibitor determination, the critical layer thickness, and others.
111
Přílohy Příloha č. 1. Chemicko-fyzikální vlastnosti uhelných vzorků pasportizace 1999-2001 Příloha č. 2. Náchylnost k samovznícení uhelných vzorků pasportizace 1999-2001
112
Chemicko-fyzikální vlastnosti uhelných vzorků pasportizace 1999-2001 Lokalita
Vlastnosti vzorku
Základní chemický rozbor
Elementární rozbor
Mikropetrografie Obsah liptinit u
Obsah inertini tu
1 40 Jan Karel 3. 2 19 Jan Karel 11. 3 39 Doubrava 3. 4-1 40 Doubrava 3. 4-2 40 Doubrava 3. 4-3 40 Doubrava 3. 4-4 40 Doubrava 3. 5 39 Doubrava 7. 6 38 Lazy 2. 7 38 Lazy 2. 8 432 Dukla 5. 9 436 Dukla 5. 10 19 Jan Karel 11. 11 39 Jan Karel 3. 12 40 Lazy 5. 13 40 Lazy 1. 14 30 Stonava-S 2. 15 29 Stonava-S 3. 16 40P Doubrava 3. 17 40 Stonava-J 3. 18 32 Stonava 3. 19 30 Stonava-J 3. 20 40 Darkov3 4. 21 39 Darkov3 2. 22 082/4 Staříč 2. 23 072 Staříč 2. Variační rozpětí (max-min)
15 22,5 24 17,5 19 27 27 20 20 19 21 15,6 17,8 18 18 17 19 20 20 10,14 21,09 16,86
1275,3 1287,1 1297,2 1200 1250 1304 1375 1390 1580 1300 1350 1304 1319 1323 1304 1351 1367 1374 1305 1120 1250 460,00
36,32 35,80 35,72 34,26 35,12 35,5 12,04 35,07 34,6 33,92 32,29 34,33 33,88 28,11 34,07 34,37 30,93 32,6 29,35 33,86 24,28
8,2 3,9 2,6 7,7 4,7 6,6 5,1 4,3 6,6 5,1 3,4 2,4 1,6 2,5 1,7 2,8 2 4,3 1,2 0,1 0,3 3 2,5 5,9 7 7,5 8,10
1,23 2,54 1,29 0,66 0,86 0,6 0,77 1,2 2,3 2,8 1,3 1,4 2,2 1,3 1,6 1,5 1,1 1,3 1,5 1,3 3,4 2,9 0,9 0,8 0,8 1 2,80
3,65 3,7 22,86 23,14 10,52 10,79 29,43 30,2 8,42 8,53 26,15 26,49 3,38 3,4 30,24 31,52 2,06 2,08 29,35 30,24 2,7 2,72 27,02 27,95 61,5 61,98 14,34 38,49 1,07 1,08 29,32 30,01 3,5 3,6 26,6 27,2 3,1 3,2 29,3 30,1 3,2 3,2 27,1 27,5 11,8 12 22,8 23,2 1,7 1,7 32,8 33,5 3,6 3,6 22,3 22,6 4,6 4,7 6 6,1 3,7 3,7 32,6 33,1 4,5 4,5 23,2 23,5 11,2 11,4 22,9 23,2 3,4 3,5 25,8 26,1 8 8,1 23,6 23,9 3,6 3,7 21,7 22,4 5,2 5,3 22,7 23,4 4,1 4,2 22,6 22,8 2,4 2,4 24,3 24,5 4,3 4,3 15,2 15,3 6,8 6,8 14,9 15 60,43 60,90 26,80 32,39
24,03 33,85 28,96 31,31 29,97 27,77 37,71 19,64 28,2 31,1 28,4 26,3 34,1 23,5 6,4 34,4 24,6 26,2 27,1 26 23,3 24,7 23,7 25,1 16 16,1 31,31
87,78 77,37 80,21 83,5 86,3 87,6 33,7 85,9 84,6 84 86 77,5 87,9 87,2 85,2 87,2 84,4 79,5 87,7 83,3 89,3 87,4 88,6 88,8 87,3 86,3 55,60
4,73 7,89 7,5 4,78 4,57 4,62 2,28 4,65 4,8 4,8 5,1 4,6 5,36 4,46 4,74 5,03 4,5 4,49 4,71 4,5 4,71 4,74 4,55 4,79 4,48 4,33 5,61
1,33 1,24 1,23 1,35 1,24 1,38 0,77 1,37 1,28 1,29 1,57 1,4 1,8 1,72 1,55 1,58 0,97 0,94 0,9 0,97 0,91 0,95 0,92 0,85 1,46 1,26 1,03
0,66 0,78 0,24 0,33 0,63 0,27 0,18 0,4 0,69 0,25 0,58 0,75 0,45 0,26 0,47 0,77 0,64 0,74 0,5 0,85 0,95 0,78 0,3 0,35 0,56 0,61 0,77
5,5 12,72 10,82 10,04 7,26 6,13 6,13 7,68 8,15 6,4 3,5 3,8 2,75 2,73 3,31 6,21 4,98 2,99 2,75 2,37 0,44 0,83 1,46 2,76 1,84 0,62 12,28
51,9 88,7 50,5 77,7 82 79,8 37,1 51,6 50,75 54,1 86,65 65,15 84,65 49,95 45,7 72,8 67 71,8 55,3 78,5 68,1 47,5 47,5 67,1 66,4 78,5 51,60
6,5 6 6,3 9 12,8 10,7 0,4 10,8 4,5 6,5 2,95 6,2 5,8 7,15 6,7 9 2,2 2 5,1 3,4 6,9 3,9 3,9 7,3 12,40
37,1 3,6 36,7 10 6,8 6,8 0,5 33,6 44,75 37,3 9,3 28,3 8,7 42,25 47,55 16,05 30,6 19 36,4 16,8 22,7 47,4 47,4 25 27,4 17,7 47,05
4,2 2,2 0,7 1,7 0,9 0,1 4,3 0,2 7,2 3,2 1,3 2,3 1,2 1,2 0,6 6,2 3,8 61,90
24 26,7 20 27,42 29,89 18,56 19,65 23,99 17,38 24,97 17,04 18,21 21,81 28,9 22,1 16,3 21,8 21,6 26,5 24,3 49,8 16,8 16,5 33,50
Průměrná hodnota
19,46
1315,5
32,61
3,96
1,48
7,00
26,09
83,08
4,84
1,24
0,54
4,78
64,49
6,08
25,37
5,12
23,23
Sloj
Důl
Kra
Pevnost v prostém tlaku
δp
Wa
Aa
Ad
Va
Vd
Vdaf
Cdt
Hdt
Nd
Sdt
Od
Qds
Specifický povrch UP
MJ.kg-1
m2.g-1
%
%
%
%
%
%
%
%
%
%
%
Vt %
L %
I %
Spalné teplo
7,08
24,04 25,44
113
Podíl makro pórů
Podíl mezop órů
mm3.g-1
vmakp %
vmezp %
43 41,5 33 51,6 44,7 29,9 29,1 42,2 24,8 45,8 29,3 29,7 29,7 52,5 43,7 22,8 39,1 35,2 51,3 44,7 68,3 28,6 30,8 45,50
57 58,5 67 48,4 55,3 70,2 70,9 57,8 75,2 54,3 70,7 70,3 70,3 47,5 56,3 77,2 60,9 64,8 48,7 55,3 31,7 71,4 69,2 45,50
38,74
61,26
Obs. min. přím. MP
Celk. objem pórů Vporo
%
4,5 1,7 6,5 3,3 2,1 2,7 62 4
Příloha č.1
MPa
ID
Obsah vitrinit u
Pórovistost
Hustota zdánlivá da kg.m-3
Náchylnost k samovznícení uhelných vzorků pasportizace 1999-2001 Lokalita ID Sloj
40 Jan Karel 19 Jan Karel 39 Doubrava 40 Doubrava 40 Doubrava 40 Doubrava 40 Doubrava 39 Doubrava 38 Lazy 38 Lazy 432 Dukla 436 Dukla 19 Jan Karel 39 Jan Karel 40 Lazy 40 Lazy 30 Stonava-S 29 Stonava-S 40P Doubrava 40 Stonava-J 32 Stonava 30 Stonava-J 40 Darkov3 39 Darkov3 082/4 Staříč 072 Staříč Variační rozpětí
Průměrná hodnota
Oxidace za adiabatických podmínek
Pulsní kalorimetrie
CPT
Sza
SZb
At 80°C
KTa
Id
BT
Q30
Vliv hasení vodou
Neupravený vzorek
Inertizováno N2
Vliv inertizace N2
Index náchyln. INS
°C.min-1 18,40 34,00 20,30 15,10 20,95 10,10 10,78 28,98 26,80 34,30 8,60 8,00 67,40 34,40 53,20 66,00 18,40 24,40 20,10 17,10 23,40 18,40 21,10 19,60 11,80 7,10 60,30
°C.min-1 19,10 38,00 22,20 15,59 21,72 10,67 24,70 29,72 27,80 35,40 8,90 9,10 68,50 35,60 55,80 68,50 19,20 27,40 20,80 18,50 24,20 19,40 22,10 20,10 12,30 7,60 60,90
°C.h-1 2,57 3,91 3,51 2,08 3,99 3,01 3,18 3,33 1,99 1,18 1,77 0,87 3,05 1,52 0,00 2,02 2,39 0,87 2,02 3,83 5,08 3,87 0,83 5,08
°C 86,00 78,00 89,00 98,00 72,00 98,00 76,00 95,00 90,00 64,00 65,00 64,00 64,00 91,00 99,00 80,00 96,00 83,00 85,00 <80 84,00 102,00 >38,00
hod. 801,20 340,90 593,90 1000,00 400,00 338,00 199,00 1037,00 964,00 222,00 308,00 1340,00 184,00 1357,00 812,00 639,00 1116,00 661,00 502,00 285,00 383,00 3459,00 3275,00
°C 32,00 9,00 41,00 20,00 <0 12,00 <0 40,00 36,00 <0 <0 44,00 <0 43,00 21,00 <0 <0 <17 18,00 <0 8,00 60,00 >60
J.g-1 0,62 1,10 0,98 0,30 0,47 0,90 1,20 0,15 0,35 1,10 0,47 0,65 1,00 0,20 0,15 0,40 0,52 0,25 0,50 0,65 0,85 0,30 0,25 1,05
+% 75,00 45,00 95,00 135,00 85,00 115,00 138,00 75,00 70,00 40,00 95,00 200,00 125,00 30,00 75,00 130,00 60,00 75,00 55,00 77,00 78,00 60,00 45,00 170,00
°C 178,12 174.05 181,35 175,21 179,56 178,02 176,25 176,94 173,73 166,61 175,04 170,80 175,90 170,40 174,60 174,10 163,20 175,40 170,70 169,90 164,10 172,40 178,50 18,15
°C 168,30 171,42 179,68 175,06 165,47 166,69 165,00 172,75 171,96 161,87 173,57 169,80 171,20 168,40 173,60 172,10 166,90 170,80 174,30 163,40 165,40 169,50 180,00 18,13
-∆°C -9,82 -2,63 -1,67 -0,15 -14,09 -11,33 -11,25 -4,19 -1,77 -4,76 -1,47 -1,00 -4,70 -2,00 -1,00 -2,00 3,70 -4,60 3,60 -6,50 1,30 -2,90 1,50 17,79
0,3452 0,6007 0,43 0,2803 0,2793 0,1347 0,1437 0,3898 0,4496 0,5653 0,2589 0,281 0,6862 0,3692 0,4823 0,628 0,3044 0,2007 0,3285 0,4887 0,2449 0,3842 0,5094 0,6672 0,3774 0,152 0,5515
24,43
26,27
2,47
83,59
770,09
18,23
0,58
86,00
173,67
170,31
-3,38
0,3839
114
Příloha č. 2
1 2 3 4-1 4-2 4-3 4-4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Důl
Podle Olpinského
