Stanisław TRENCZEK, Piotr WOJTAS

Nr 117
Studia i Materiały
Prace Naukowe Instytutu Górnictwa
Politechniki Wrocławskiej
Nr 117
Nr 32
2006
górnictwo, zagrożenia naturalne, pomiaroznawstwo,
automatyczna aerometria górnicza, monitorowanie bezpieczeństwa,
dyspozytorskie systemy nadzoru bezpieczeństwa
Stanisław TRENCZEK*, Piotr WOJTAS*
ROZWÓJ POMIAROZNAWSTWA
STOSOWANEGO OD POMIARÓW WSKAŹNIKOWYCH
DO MONITOROWANIA I NADZOROWANIA
BEZPIECZEŃSTWA
Scharakteryzowano podstawowe okresy i grupy tzw. pomiaroznawstwa stosowanego
na przestrzeni ostatniego sześćdziesięciolecia polskiego górnictwa węgla kamiennego. Omówiono
najczęściej stosowane przyrządy wskaźnikowe i pomiarowe w każdym z tych okresów. Opisano
zmiany organizacyjne związane z jednostkami badawczo-rozwojowymi zajmującymi się
mechanizacją, automatyzacją, elektryfikacją i pomiaroznawstwem. Przedstawiono najbardziej
reprezentatywne przykłady przyrządów pomiarowych, automatycznej aerometrii górniczej
i systemów monitorowania. Na koniec podkreślono znaczenie stosowania zintegrowanych systemów
monitorowania i nadzoru w aspekcie bezpieczeństwa załogi i ruchu zakładu górniczego.
1. WPROWADZENIE
Podziemnej eksploatacji węgla kamiennego od zawsze towarzyszyły zagrożenia
powodujące nieszczęśliwe zdarzenia, wypadki czy też tragedie. W procesie kontroli
zagrożeń ważną rolę odgrywało, i nadal odgrywa, pomiaroznawstwo [7, 11], którego
dynamika rozwoju jest m.in. związana z rozwojem nauki i techniki w ogólności,
a elektrotechniki, elektroniki i komputeryzacji w szczególności.
Duży wpływ na rozwój przyrządów do prowadzenia kontroli miało też narastanie
zagrożeń. Przez okres pierwszych 15 lat największe zagrożenia powodowały pożary
[6, 10]. Z początkiem lat sześćdziesiątych XX w., wraz z budową kopalń Rybnickiego
Okręgu Węglowego i uruchomianiem w nich eksploatacji węgla, do zagrożenia
pożarowego doszło zagrożenie wybuchem metanu. Z kolei na przełomie lat
* Centrum Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa EMAG, 40-189 Katowice, ul. Leopolda 31
328
siedemdziesiątych i osiemdziesiątych XX w. zaczęło się nasilać zagrożenie tąpaniami,
co miało związek z coraz głębiej prowadzoną eksploatacją, a z początkiem lat
dziewięćdziesiątych narastał problem zagrożeń skojarzonych (koincydencja zagrożeń,
np. metanowego i tąpaniami).
Z uwagi na ograniczone ramy artykułu, poniższy rys historyczny zawiera tylko
najbardziej charakterystyczne przemiany w dziedzinie tzw. pomiaroznawstwa
stosowanego zaistniałe w ostatnich sześćdziesięciu latach polskiego górnictwa.
2. CHARAKTER I KIERUNEK ZMIAN POMIAROZNAWSTWA
STOSOWANEGO
W pierwszym dwudziestoleciu powojennego górnictwa węglowego (lata 1945–
1960) kontrola zagrożeń zdominowana była przez proste przyrządy wskaźnikowe.
W okresie tym podstawowym przyrządem była benzynowa lampa wskaźnikowa, którą
wykorzystywano do kontroli przede wszystkim zawartości dwutlenku węgla (CO2)
w powietrzu kopalnianym. Określano nią też poziom zawartości metanu (CH4).
Drugim podstawowym przyrządem był wykrywacz gazów, zwany też m.in.
„wykrywaczem harmonijkowym”, „indykatorem”, służący do określania głównie
zawartości tlenku węgla (CO) i dwutlenku węgla. Z uwagi na nierównomierne
zabarwianie się rurki wskaźnikowej dokładność tego przyrządu jest stosunkowo niska
– wynosi ±25%, przez co koniecznością stało się szukanie innych rozwiązań
doraźnego i dokładniejszego oznaczania zawartości gazów.
Rozwój elektrotechniki, elektroniki i pomiaroznawstwa przyczynił się
do powstania nowej generacji przyrządów kontrolnych, którymi można było dokonać
pomiarów parametrów bezpieczeństwa. W latach 1965–1990 stanowiły one
podstawowe źródło informacji o poziomie zagrożeń [1]. W okresie tym Zarządzeniem
Ministra Górnictwa i Energetyki z dnia 4 marca 1967 r. wprowadzono obowiązek
stosowania stacjonarnych czujników metanometrycznych współpracujących
z urządzeniami wyłączającymi energię elektryczną w zagrożonym rejonie.
Metanometria automatyczna początkowo stosowana była tylko w polach metanowych
najwyższej (ówcześnie III) kategorii zagrożenia, a oparta była początkowo o rodzime
rozwiązania [5].
W roku 1974 i latach następnych stosowanie metanometrii automatycznej
rozszerzono i objęto nią (Zarządzenie Nr 31 Ministra Górnictwa i Energetyki) pola II,
III i IV kategorii zagrożenia metanowego, a oparte to zostało na importowanych
z Francji systemach metanometrycznych. Przyczyną tego był wybuch metanu
w kopalni Silesia, który miał miejsce w czerwcu 1974 r. w polu III, ówcześnie już nie
najwyższej kategorii zagrożenia metanowego, a więc nie objętej obowiązkowym
zabezpieczeniem metanometrycznym.
329
Eksploatacja z coraz większej liczby pokładów metanowych, wymagających
zabezpieczeń, przyczyniła się do rozwoju krajowych rozwiązań. Nie byłoby
to możliwe bez wcześniejszego rozwijania myśli technicznej w zakresie mechanizacji,
automatyzacji, elektryfikacji i łączności [8], którą datować można na rok 1958.
Wówczas to, z połączenia Centralnego Biura Konstrukcji Maszyn Górniczych
z Instytutem Mechanizacji Górotworu powstały Zakłady Konstrukcyjno-Mechanizacyjne
Przemysły Węglowego z siedzibą centrali w Gliwicach. Oddziały terenowe znajdowały
się w Katowicach, Zabrzu, Rybniku, Bytomiu Częstochowie Tychach i, nieco później,
w Cieszynie. Natomiast w zakresie bezpieczeństwa prace badawczo-rozwojowe
prowadzone były przez Instytut Bezpieczeństwa Górniczego Barbara w Mikołowie, gdzie
m.in. w drugiej połowie lat sześćdziesiątych XX w. powstawały pionierskie rozwiązania
w zakresie stacjonarnej metanometrii automatycznej [5].
Rozszerzanie się zaplecza badawczego ZKM PW, a później, szczególnie po roku 1970,
również ośrodków doświadczalnych doprowadziło do zastoju tej tak dużej,
scentralizowanej jednostki. W dniu 1.01.1975 r. dokonano reorganizacji ZKM PW, które
podzielono na: Centralny Ośrodek Projektowo-Produkcyjny KOMAG z siedzibą
w Gliwicach i Ośrodek Badawczo Rozwojowy Systemów Mechanizacji, Elektrotechniki
i Automatyki Górniczej (OBR SMEAG) z siedzibą w Katowicach, który wchłonął
również Ośrodek Mechaniki i Cybernetyki Górniczej Głównego Instytutu Górnictwa oraz
pion automatyzacji procesów wzbogacania kopalin Centrum Badawczo-Projektowego
Wzbogacania i Utylizacji Kopalin SEPARATOR. Działalność badawczo-rozwojowa
skoncentrowana w nowym ośrodku zintegrowana była z kilkoma zakładami
produkcyjnymi, tzw. bazą produkcyjno-wytwórczą i wdrożeniową, którą tworzyły dwa
Zakłady Elektroniki Górniczej – w Tychach i w Czeladzi, Zakład RemontowoProdukcyjny DAMEL w Dąbrowie Górniczej, Zakład Telemechaniki Górniczej
ELEKTROMETAL w Cieszynie, Fabryka Sprzętu Ratowniczego i Lamp Górniczych
FASER w Tarnowskich Górach oraz Zakład Kompletacji i Montażu Urządzeń
Górniczych CARBOAUTOMATYKA w Tychach. Praktycznie też od tego czasu datuje
się rozwój pomiaroznawstwa stosowanego. Od 1 stycznia 1976 r. OBR SMEAG przejęty
został przez powstałe Centrum Naukowo-Produkcyjne EMAG.
Kolejną znaczącą datą w rozwoju jest rok 1990, w którym OBR SMEAG
przekształcono, w działającą do dziś, jednostkę badawczo-rozwojową o nazwie
Centrum Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa EMAG w Katowicach. Od tego
czasu następuje rozwój jakościowy czujników pomiarowych, rozszerzają się też
zakres i możliwości objęcia pomiarami parametrów coraz większej liczby zagrożeń,
co prowadzi m.in. do powstania automatycznej aerometrii górniczej [9]. Tworzone
i stale rozwijane są też systemy bezpieczeństwa, w tym metanometryczne [14],
pożarowe [14], sejsmiczne [2], lokalizacji załogi i alarmowo-rozgłoszeniowe [16].
Dalszy rozwój systemów polegał na ich integracji, o coraz większej liczbie
współpracujących z sobą systemów [15]. Działania te przyczyniły się do powstania
dyspozytorskiego systemu nadzoru bezpieczeństwa, umożliwiającego podejmowanie
330
szybkich i trafnych decyzji w przypadku wzrostu zagrożenia załogi lub zagrożenia
dla ruchu zakładu górniczego.
Z powyższego przebiegu zmian wyróżnić można cztery podstawowe rodzaje
kontroli zagrożeń, czyli cztery podgrupy pomiaroznawstwa stosowanego:
• kontrola przyrządami wskaźnikowymi,
• kontrola przyrządami pomiarowymi,
• systemowe monitorowanie stacjonarne,
• zintegrowane systemowe monitorowanie i nadzorowanie bezpieczeństwa.
3. KONTROLA PRZYRZĄDAMI WSKAŹNIKOWYMI
W okresie lat 1945–1965 następował stały wzrost rocznego wydobycia węgla,
co powodowało wzrastanie liczby wyrobisk eksploatacyjnych (ściany, ubierki,
zabierki, filary, komory itp.) oraz liczby wyrobisk korytarzowych. Konsekwencją tego
było szybkie tempo przyrostu tzw. starych zrobów, w których gazami dominującymi
były tlenek węgla i dwutlenek węgla. Izolacja zrobów od czynnych wyrobisk
kopalnianych była zazwyczaj nie najlepszej jakości, przez co bardzo często przed
tamami izolacyjnymi gromadziły się gazy przenikające ze zrobów, a wśród nich
bardzo groźny dwutlenek węgla (CO2). Gazy te bardzo często przedostawały się
do opływowego prądu powietrza, a wraz z nim płynęły przez znaczną część
kopalnianej sieci wentylacyjnej. Przy zazwyczaj bardzo mało efektywnej wentylacji
kopalń [10] stwarzało to poważne zagrożenie dla załogi.
Rys. 1. Benzynowa lampa wskaźnikowa
Fig. 1. Gas-testing lamp
Rys. 2. Lampy: Davy’ego i bezpieczeństwa
Fig 2. Davy lamp and safety lamp
331
W okresie dwudziestolecia powojennego dominującą rolę w górnictwie odgrywały
przyrządy wskaźnikowe. Jednym z podstawowych takich przyrządów była benzynowa
lampa wskaźnikowa (rys. 1), której pierwowzorami były lampa benzynowa
konstrukcji H.B. Dawy’ego – płaski kaganek olejowy z długim pałąkiem służącym do
niesienia czy zawieszania, stosowany w górnictwie do końca XIX w. jako źródło
światła (rys. 2) – i lampa bezpieczeństwa (zwana też lampą Briggssa, lub lampą
oksymetryczną) z siatką osłaniającą płomień (rys. 2).
Funkcje wskaźnika w lampie spełnia płomień palącego się knota, który reaguje
natychmiastowo i samoczynnie na niekorzystne zmiany w powietrzu kopalnianym.
Przy zawartości CO2 ok. 3% lampa świeci słabym płomieniem i kopci, a przy
zawartości ok. 4–5% – płomień gaśnie, co wskazuje, że w powietrzu zawartość tlenu
(O2) nie przekracza 16–17%. Obserwacja płomienia zapalonej i umieszczonej blisko
spągu benzynowej lampy wskaźnikowej była więc najważniejszym elementem
kontroli w obrębie stanowiska pracy.
Lampa ta służyła również do określania zawartości metanu (CH4), przy czym
ze względu na dokładność wynoszącą ±1%CH4, pomiar wykonywano tylko
do stwierdzenia 2% jego zawartości, po czym pomiar przerywano, prace w przodku
przerywano, załogę wycofywano oraz zagradzano dojście do przodka. Pomiar
zawartości wykonywano albo tzw. długim płomieniem długości ok. 2,5–2,8 cm,
a wartość 2% CH4 szacowano przy jego wzroście do długości 3,3–3,5 cm, albo małym
płomieniem, tzw. groszkiem, o długości ok. 0,2–0,3 cm, którego długość wzrastała
do ok. 1,2–1,3 cm przy zwartości 2% CH4.
Ze względu na dużą liczbę pożarów występujących w tym okresie [10]
koniecznością stało się określanie zagrożenia pożarowego i wykrywanie pożarów [6].
Podstawowym przyrządem służącym tym celom był wykrywacz gazów (rys. 3),
potocznie nazywany również wykrywaczem mieszkowym lub harmonijkowym,
wykrywaczem Draegera, a także indykatorem.
Rys. 3. Wykrywacz gazów
Fig. 3. Gas detector
332
Początkowo służył on do doraźnego wykrywania i określania przybliżonej
zawartości gazów mających związek z zagrożeniem pożarowym, takich jak CO i CO2,
a nieco później również do określania zawartości wodoru (H2) i tlenu w badanym
powietrzu. Przyrząd ten składa się z wykrywacza mieszkowego (pompki
harmonijkowej) i rurek wskaźnikowych do badania odpowiedniego gazu. Rurki
wskaźnikowe wykonane są jako hermetyczne rurki szklane (dwustronnie zaślepione),
których wnętrze wypełnione jest substancją chemiczną, tzw. absorbentem. Zadaniem
wykrywacza jest zassanie określonej ilości powietrza – 100 cm3 (na jedno zassanie) –
i przetłoczenie jej odpowiednią ilość razy (stosownie do rodzaju rurki wskaźnikowej)
przez dwustronnie otwartą (po odłamaniu końcówek) rurkę wskaźnikową
zamocowaną na jego wlocie. Substancja taka (absorbent) podczas reakcji
z odpowiednimi, badanymi gazami tworzy związki barwne (np. rurki na CO – kolor
zielony, na CO2 – kolor fioletowy, H2 – kolor różowy), a długość zabarwienia w rurce
jest miernikiem stężenia gazów.
Wspomniana niewielka dokładność pomiaru gazów (±25% wartości pomiaru) nie
wyeliminowała tych wykrywaczy z użytku. Nadal są one stosowane, głównie dla tzw.
zgrubnego określenia zawartości badanego gazu, szczególnie przy badaniu stanu
atmosfery za tamami izolacyjnymi.
Dla porządku dodać jeszcze należy, że przyrząd ten wykorzystywać można
również do określania innych gazów, np. siarkowodoru (H2S), dwutlenku siarki (SO2),
tlenków azotu (NO+NO2), a także par rtęci.
Innym przyrządem wskaźnikowym – do dziś wykorzystywanym w górnictwie –
jest wskaźnik rurkowy dymny z pompką (gruszką) gumową, służący do określania
kierunku migracji powietrza, pomiaru bardzo małych prędkości powietrza
w wyrobiskach kopalnianych lub szczelności lutniociągów czy też rurociągów
sprężonego powietrza. Z rurki dymnej, przy pomocy pompki, wydobywany
(wydmuchiwany) jest dobrze widoczny i łatwo obserwowalny dym. W rejonie tam
izolacyjnych kierunek i szybkość przemieszczania się dymu pokazują miejsca
wypływu gazu zza tamy lub miejsca przenikania powietrza za tamę. Natomiast
w przypadku bardzo wolnego, nieznacznego przepływu powietrza można w ten sam
sposób określić jego kierunek oraz obliczyć prędkość mierząc czas przepływu dymu
wzdłuż tzw. „calówki” („metra”), tj. na długości 1 m.
4. KONTROLA PRZYRZĄDAMI POMIAROWYMI
W początkowym okresie powojennego górnictwa parametry bezpieczeństwa
określano również przy pomocy przyrządów pomiarowych [1], o stosunkowo prostej
konstrukcji lub przyrządami laboratoryjnymi.
Pomiary średniej prędkości powietrza wykonywano głównie anemometrami
skrzydełkowymi (najczęściej o zakresach pomiarowych w granicach 0,3–30 m/s),
333
różnicowymi – dla bardzo małych prędkości powietrza (0,02–0,5 m/s) i czaszowymi –
dla dużych prędkości (najczęściej 1,0–100 m/s).
Do pomiaru temperatury służyły termometry rtęciowe i alkoholowe, a spośród nich
najczęściej stosowano termometr górniczy (o dokładności ok. 0,5–1,0oC).
Dokładniejszy pomiar temperatury (do 0,2oC) zapewniał psychrometr Assmana
(psychroaspirator), przy pomocy którego można też było określać wilgotność
względną powietrza (odczyt z tablic psychrometrycznych) w oparciu o pomiary
dokonane tzw. termometrem „suchym” i termometrem „wilgotnym”.
Z kolei pomiar ciśnienia powietrza w wyrobiskach dołowych dokonywano
najczęściej przy pomocy barometru membranowego (aneroid), natomiast
na powierzchni powszechnie stosowano barografy aneroidalne.
Dokładne oznaczanie zawartości gazów – O2, CO2, CO, CH4, H2, CxHy –
przeprowadzano w oparciu o analizę chemiczną (laboratoryjną) próbki gazów
pobranej z danego miejsca do pipet szklanych wypełnionych uprzednio wodą
destylowaną.
Przełom w pomiaroznawstwie stosowanym datuje się od roku 1965 i jest on ściśle
związany z pomiarami metanu. Wobec coraz liczniej występujących pokładów
metanowych (szczególnie w ówczesnym Rybnickim Okręgu Węglowym) stosowanie
benzynowej lampy wskaźnikowej było nader niebezpieczne ze względu na możliwość
spowodowania przez nią zapalenia lub wybuchu metanu. Dlatego do doraźnych
pomiarów zawartości metanu zaczęto stosować importowane metanomierze
indywidualne, których działanie oparte było bądź na prawach optyki (interferencyjne,
lub działające na zasadzie absorpcji promieniowania w podczerwieni), bądź
metanomierze żarowe, spalające metan (oparte na konstrukcji mostka Wheatstona,
lub na jednoczesnym pomiarze ciśnienia w komorze spalania metanu).
Rozwój konstrukcji metanomierzy indywidualnych był inspiracją do rozwoju
indywidualnych przyrządów pomiarowych oraz całej gazometrii, anemometrii,
barometrii i termohigrometrii.
W krajowym górnictwie pojawia się coraz więcej przyrządów pomiarowych,
początkowo importowanych i produkowanych w kraju na licencji, a później także
krajowej produkcji. Do pomiaru prędkości powietrza służył m.in. welometr (produkcji
angielskiej – firma AEI), do pomiaru takich gazów jak: tlenek węgla, dwutlenek
węgla, tlen, a także pożarowych gazów wybuchowych (eksplozymetr) przyrządy
firmy Draeger (ówczesna RFN), natomiast do pomiaru metanu – licencjonowany
metanomierz typu MV.
5. SYSTEMOWE MONITOROWANIE STACJONARNE
W latach sześćdziesiątych XX w. budowa nowych kopalń ROW-u, sczerpywanie
się pokładów płytko zalegających, schodzenie z eksploatacją na coraz większe
334
głębokości powodowały szybki wzrost poziomu zagrożenia metanowego w polskim
górnictwie. Nieco wolniej, ale też w sposób znaczący wzrastało zagrożenie tąpaniami,
a zagrożenie pożarowe, nawet przy zmniejszającej się liczbie pożarów, nadal było
wysokie. Czynniki te spowodowały, że dotychczasowy sposób i częstotliwość
doraźnych kontroli był niewystarczający. Zmianie ulegała koncepcja podstawowego
sposobu kontroli z doraźnego na cykliczny, dokonywany w wyznaczonych miejscach.
Za początek „ery” systemowego monitorowania stacjonarnego można uznać
rok 1967, w którym dopuszczono (Zarządzeniem Ministra Górnictwa i Energetyki
nr 14 z dnia 14 marca 1967) elektryfikację podziemnych wyrobisk w polach
metanowych nawet najwyższej kategorii zagrożenia, pod warunkiem zastosowania
zabezpieczeń metanometrycznych [13]. Wykorzystano do tego celu krajowe
rozwiązania metanomierzy stacjonarnych – typoszereg Barbara-ROW –
współpracujące z urządzeniami wyłączająco-sygnalizującymi typoszeregu BarbaraWSA [5]. Dało to początek metanometrii automatycznej, której rozpowszechnienie
nastąpiło od roku 1975, dzięki importowi z Francji (firma OLDHAM) centralnego
systemu dyspozytorskiego typu CTT-63/40U, na który w późniejszych latach
zakupiono licencję. System ten umożliwiał stosowanie stacjonarnych metanomierzy
do pomiaru niskich (do 5%) i wysokich (do 100%) stężeń metanu oraz wykorzystanie
stacjonarnych czujników pomiaru prędkości powietrza.
Równolegle z produkcją (licencjonowaną) tego systemu, w Centrum EMAG
prowadzono prace nad centralą nowego typu, co zakończyło się budową centrali
metanometrycznej CMM-20. Początkowo współpracowała ona z czujnikami
oryginalnymi (francuskimi), a od początku lat osiemdziesiątych XX w.
z wyprodukowanymi wielofunkcyjnymi metanomierzami typu MM-1. Pomiar
i wyłączanie energii spod napięcia następowały co 4 minuty. Kolejnym krokiem
rozwijającym metanometrię automatyczną było zastosowanie metanomierzy
wyłączających energię w czasie krótszym niż 60 sekund. Ich stosowanie zostało
zalecone dla kopalń eksploatujących pokłady tąpiące i metanowe. W 1989 r.
wdrożono System Metanometryczny CMC-3, zbudowany z 32-kanałowej centrali
powierzchniowej i mikroprocesorowych metanomierzy typu MM-1/V1, o rejestracji
pomiarów co 12 sekund.
Również zagrożenie tąpaniami wymagało stosowania przyrządów dla kontroli
poziomu tego zagrożenia [3, 4]. W pierwszej połowie lat siedemdziesiątych doczekało
się pierwszej tego rodzaju aparatury (typu SSA1 – opracowanej przez GIG,
a wykonanej przez ZEG Tychy), gdzie kontrola, polegała na rejestrowaniu sygnałów
geofonów (zainstalowanych w wyrobiskach dołowych) za pomocą rejestratorów
pisakowych o powolnym przesuwie papieru. Zapisy te (o postaci kresek) były
następnie zliczane w klasach amplitudowych przez operatorów [2]. Znaczącym dla
rozwoju tej dziedziny był rok 1976, w którym dokonano pierwszej udanej próby
(kop. Szombierki) automatyzacji zbierania danych przez rejestrator sygnałów
sejsmoakustycznych SMC-2s. Zbierane doświadczenia i dalsze rozwijanie prac
335
badawczych prowadziło do powstawania kolejnych urządzeń, co pozwoliło
na początku lat osiemdziesiątych stworzyć pierwszy system oparty o metody
sejsmoakustyki SAK. Powszechniejsze zastosowanie w kopalniach znalazła następna
jego wersja oparta o mikrosejsmologię, tj. system SYLOK. Z kolei na początku lat
dziewięćdziesiątych, dzięki rozwojowi mikroprocesorów wdrożono systemy kontroli
zagrożenia tąpaniami typu ARES (następca systemu SAK) i typu ARAMIS (następca
systemy SYLOK).
Z kolei dobre efekty wczesnego wykrywania pożarów spowodowały rozwój
systemowego monitorowania zagrożenia pożarowego [13], którego prekursorem – lata
sześćdziesiąte XX w. – był (instalowany na dole) analizator tlenku węgla SATW-1.
Kilkokrotnie modyfikowany stanowił przez ponad dwadzieścia lat podstawę zdalnego,
stacjonarnego, wczesnego wykrywania pożarów. Początkiem systemowej CO-metrii
automatycznej (połowa lat osiemdziesiątych XX w.) był sygnalizator pożarów SP-24,
który przy pomocy odpowiednich czujników dokonywał pomiarów CO i temperatury,
wskazywał pojawianie się dymu oraz sygnalizował przekroczenie wartości progowych
CO. Rezultatem dalszych prac rozwojowych były m.in. Cyfrowy System Wczesnego
Wykrywania SWWP oraz System Alarmowania Pożarowego SAP-1 (1992 r.),
w którym rozszerzono zakres pomiarów o prędkość powietrza.
6. ZINTEGROWANE SYSTEMOWE MONITOROWANIE
I NADZOROWANIE BEZPIECZEŃSTWA
Rozległość wyrobisk górniczych, występowanie zagrożeń naturalnych,
całodobowo prowadzone różne roboty górnicze oraz możliwość zaistnienia stanów
awaryjnych i krytycznych dla bezpieczeństwa załogi powodowały, i nadal powodują,
że jedną z najważniejszych osób nadzorujących ruch zakładu górniczego jest
dyspozytor. Stosownie do rozwoju techniki zwiększał się obszar informacji, którymi
zarządzał dyspozytor ruchu.
Początek dyspozytorskiego nadzoru nad procesami technologicznymi
i bezpieczeństwem załogi, to głównie możliwość szybkiego porozumiewania się
z poszczególnymi punktami dołowymi kopalni, czyli łączność i alarmowanie poprzez
tzw. urządzenia głośnomówiące. Znaczące dla rozwoju systemów łączności to
powstałe w roku 1980 urządzenie dyspozytorskie AUD-80, które oprócz możliwości
kierowania produkcją pozwalało też na centralne prowadzenie akcji ratowniczej [15].
Kolejno ulepszane wersje tego systemu – DASET, DASET/TM, TEDAR – oraz
rozwój technologii mikroprocesorowej doprowadziły do powstania sytemu
mikroHADES (wdrożony w 1988 r. w kopalni Moszczenica). Umożliwiał on m.in.
wizualizację zmian, występujących w zaprogramowanych i kontrolowanych przez
system procesach, za pomocą dynamicznej tablicy synoptycznej (DTS) [16].
336
Równoczesny wzrost znaczenia kontroli poziomu zagrożeń naturalnych, w tym
zagrożeń skojarzonych, w zarządzaniu bezpieczeństwem spowodował, że obok
dyspozytora ruchu ważną rolę odgrywali dyspozytor metanometrii i dyspozytor
kopalnianej stacji tąpań, którzy nadzorowali coraz to nowsze systemy kontroli [12].
Dlatego też z punktu widzenia centralnej dyspozytorni kopalnianej najważniejszym
było, aby system nadzoru dyspozytorskiego integrował istniejące podsystemy
na kopalni w jeden, logicznie powiązany system, oraz by tworzył wielopoziomową
strukturę monitorowania procesu wydobywczego i bezpieczeństwa.
Pierwszy taki system – SD2000 (rys. 4) – został wdrożony w 2001 r. Jest on
systemem otwartym, umożliwiającym przyłączenie i integrację nowych, kolejnych
systemów.
Rys. 4. Przykład możliwości wizualizacyjnych systemu SD2000
Fig. 4. Example of visualization capabilities offered by the SD2000 system
W 1994 r. dokonano pierwszej integracji systemów metanowego CMC-3
i pożarowego SAP-1, w wyniku czego powstał system kontroli zagrożeń metanowopożarowych typu SMP. Uzyskano w nim jednolity 10-sekundowy cykl odczytu
i rejestracji wyników pomiarów czujników dołowych. W2000 r., w wyniku rozwoju
bazy sprzętowej i programowej powstał System SMP-NT Monitorowania Parametrów
Środowiska w kopalni, w którym stanowisko dyspozytorskie wyposażono
w oprogramowanie pracujące w środowisku Windows. Gruntowną modernizację
337
systemu SMP-NT, zarówno w części powierzchniowej jak i dołowej przeprowadzono
na przełomie lat 2002 i 2003. Nowa centrala telemetryczna typu CMC-3MS
umożliwia obsługę urządzeń o działaniu cyklicznym oraz kontrolę urządzeń
o pomiarach ciągłych z 2-sekundowym cyklem odczytu i rejestracji, a nowe czujniki
o nowoczesnej konstrukcji i budowie spełniającej wymagania norm europejskich.
Zmieniająca się filozofia zarządzania kopalnią – przejście od dotychczasowego
centralnego systemu dyspozytorskiego do rozproszonej struktury branżowych
podsystemów dedykowanych dla poszczególnych służb kopalnianych –
ukierunkowała dalszy rozwój pomiaroznawstwa stosowanego. W rezultacie tego
powstał zintegrowany system kompleksowego monitorowania zagrożeń naturalnych
SKMB (stworzony we współpracy z Instytutem Górniczym im. Skoczyńskiego
w Moskwie w ramach projektu europejskiego i sprawdzony w warunkach
kopalnianych). System ten (rys. 5) zbudowano na bazie czterech połączonych ze sobą
sieciami komputerowymi podsystemów:
• SMP-NT – ciągłego monitorowania stanu środowiska (atmosfery kopalnianej),
z funkcjami automatycznych blokad (wyłączania energii) i sygnalizacji pożarowej,
• ARAMIS M – monitorowania zjawisk sejsmicznych, lokalizacji wstrząsów
w obrębie kopalni oraz oceną ich energii.
• ARES 5 – kontroli zjawisk sejsmoakustycznych w obrębie wydzielonych małych
rejonów (ściana, przodek).
• STAR – ogólnokopalnianej łączności telefonicznej, alarmowania i rozgłaszania
komunikatów.
Rys. 5. Ilustracja działania zintegrowanego systemu. SKMB
Fig. 5. Scheme of operation performances of the SKMB integrated system
338
Dalszy rozwój systemowego monitorowania i nadzorowania bezpieczeństwa
ukierunkowany jest m.in. na:
• połączenie procesów monitorowania z obliczaniem odpowiednich wskaźników
bezpieczeństwa i wyznaczaniem ich linii trendu,
• zintegrowanie tych procesów z systemami sterującymi (samodecyzyjnymi)
procesami wyłączania energii spod napięcia i wycofywania zagrożonej załogi.
7. PODSUMOWANIE
Pomiaroznawstwo stosowane korzysta z najnowszych osiągnięć techniki
i technologii, co umożliwia nadążanie za zmianami w polskim górnictwie węglowym,
wynikającymi zarówno z pogarszających się warunków naturalnych (m.in.
wzrastającego poziomu zagrożeń), jak i z restrukturyzacji górnictwa.
Przedstawiony w telegraficznym skrócie postęp jaki dokonał się na polu
pomiaroznawstwa stosowanego można, z odrobiną przesady, porównać do postępu
jaki dokonuje się w technice komputerowej.
Integracja systemowego monitorowania i nadzorowania bezpieczeństwa kopalń
głębinowych jest najwłaściwszym kierunkiem rozwoju i ma podstawowe znaczenie
dla bezpieczeństwa ludzi i ruchu zakładu górniczego.
LITERATURA
[1] BYSTROŃ H., JAROŃ S., KOŁODZIEJCZYK B., MARKEFKA P., STRUMIŃSKI A., Pożary
podziemne. Poradnik Górnika, T. 3, Dz. III. Wyd. „ Śląsk”, Katowice 1974.
[2] ISAKOW Z., Ocena zagrożeń sejsmicznych w kopalniach w systemach opracowanych przez
Centrum EMAG. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa nr 5, 2005, s. 41–46.
[3] ISAKOW Z., Systemy do oceny zagrożeń sejsmicznych w kopalniach, cz. I. Mechanizacja
i Automatyzacja Górnictwa nr 4, 2004, s. 5–18.
[4] ISAKOW Z., Systemy do oceny zagrożeń sejsmicznych w kopalniach, cz. II. Mechanizacja
i Automatyzacja Górnictwa nr 5, 2004, s. 9–24.
[5] KLAKUS J., KRZYSTOLIK P., Rozwój aparatury metanometrycznej na tle zmian przepisów.
Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa nr 2,1985, s. 27–31.
[6] MACIEJASZ Z., KRUK F., Pożary podziemne w kopalniach, cz. I. Wyd. „Śląsk”, Katowice 1977.
[7] ROSZCZYNIALSKI W., TRUTWIN W., WACŁAWIK J., Kopalniane pomiary wentylacyjne.
Wyd. „Śląsk”, Katowice 1992.
[8] STRZEMIŃSKI J., Rys historyczny 30 lat EMAG-u, powstanie i rozwój. Mechanizacja
i Mechanizacja Górnictwa nr 5, 2005, s. 5–10.
[9] TRENCZEK S., Automatyczna aerometria górnicza dla kontroli zagrożeń aerologicznych.
Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa nr 3, 2005, s. 11–20.
[10] TRENCZEK S., Rys historyczny pożarów podziemnych w ostatnim 60-leciu polskiego górnictwa
węglowego. Prace Naukowe Instytutu Górnictwa nr 117, Seria Konferencje nr 48, Oficyna
Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2006.
339
[11] TRUTWIN W., Pomiaroznawstwo i monitorowanie wentylacji kopalń. Materiały 1. Szkoły
Aerologii Górniczej, Wyd. Centrum EMAG, Katowice 1999, s. 223–226.
[12] WASILEWSKI S., ISAKOW Z., KRZYSTANEK Z., Monitorowanie zagrożeń naturalnych
w polskich kopalniach głębinowych. Referat wygłoszony na I Seminarium Zintegrowanego Instytutu
Naukowo-Technologicznego, Centrum EMAG, Katowice, 26 października 2005 r., niepublikowany.
[13] WASILEWSKI S., Rozwój systemów monitorowania zagrożeń gazowych w polskich kopalniach.
Materiały XIII Szkoły Eksploatacji Podziemnej, Wyd. CPPGSMiE PAN, Kraków 2003, s. 561–574.
[14] WASILEWSKI S., Udział Centrum EMAG w rozwoju gazometrii automatycznej. Mechanizacja
i Automatyzacja Górnictwa nr 5, 2005, s. 29–40.
[15] WOJCIECHOWSKI J., ISAKOW Z., WOJTAS P., Systemy dyspozytorskie EMAG wczoraj, dziś
i jutro. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa nr 5, 2005, s. 63–76.
[16] WOJTAS P., REJ A., Wkład Centrum EMAG w rozwój urządzeń i systemów telekomunikacyjnych
w górnictwie. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa nr 5, 2005, s. 21–28.
DEVELOPMENT OF THE APPLIED MEASUREMENT TECHNIQUES
FROM INDICATIVE MEASUREMENTS TO SAFETY MONITORING AND SURVEILLANCE
The paper characterizes basic historical periods and groups of measurement techniques that have been
used for the passing sixty years in the Polish hard coal mining industry. The attention is paid to indicative
gauges and measuring instruments that are typical for each of the discussed periods. Alteration of
organizational structures of research and development units is described, in particular those bodies that
deal with mechanization, automation, electrification and measurement techniques. The description is
supported by outlining the most representative examples of measuring instruments, automatic aerometric
systems in coal mines and extensive monitoring systems. Finally, the importance of integrated monitoring
systems and surveillance methods is stressed out in the aspect of personnel safety and undisturbed
operation of a coal mine.