Wyposażenie badawcze

Od chwili jej powstania, czyli od lat 60-tych, sztolnia doświadczalna posłużyła do wykonania ponad 3500 testów wybuchów pyłu i mieszanin hybrydowych. Oczywiście w większości były to badania różnego rodzaju pyłów węglowych. Jednakże w doświadczeniach stosowano również wiele innych pyłów przemysłowych. Jako przykład można podać obszerne badania wybuchowości pyłu zbożowego, które wykonano dla Departamentu Rolnictwa Stanów Zjednoczonych.

Schemat sztolni doświadczalnej o długości 100 m wraz z układem pomiarowym

Sztolnię stanowi rura stalowa o długości 100 m i średnicy 2 m, zamknięta w jednym końcu i otwarta w końcu przeciwnym. Co 10 m, począwszy od zamkniętego końca, istnieje dostęp do ściany sztolni pozwalający na montowanie różnego rodzaju urządzeń pomiarowych. Najczęściej wybuch inicjuje się wybuchem pierwotnym w zamkniętym końcu sztolni. W takich warunkach wybuch mieszaniny pyłowo-powietrznej rozwija się w kierunku otwartego końca sztolni.

Łatwość instalacji urządzeń pomiarowych, jak i możliwość obserwacji wybuchu w końcowej jego fazie to główne powody, dla których sztolnia doświadczalna jest chętnie stosowanym narzędziem badawczym. Z drugiej jednak strony, ze względu na ograniczoną wytrzymałość sztolni, mogą być w niej wykonywane tylko słabe wybuchy, w których nadciśnienie nie przewyższa wartości 1 bar.

Ostatnio sztolnia była wykorzystywana do badań propagacji wybuchów mieszanin hybrydowych zawierających pył węglowy i metan. W badaniach tych do mieszaniny pyłowo-powietrznej dodawano niewielkie ilości metanu, o koncentracji dopuszczalnej w polskich kopalniach i określano wpływ domieszek metanu na propagację wybuchu mieszaniny hybrydowej.

Innym rodzajem doświadczeń wykonywanych od wielu lat z wykorzystaniem sztolni są badania właściwości gaszących pyłu używanego do opylania wyrobisk kopalnianych. Zgodnie z polskimi przepisami pyły, z wyjątkiem pyłów wapiennych, które mają być stosowane do tego celu, najpierw muszą być wcześniej zbadane w skali rzeczywistej.

Sztolnia służy również do celów edukacyjnych. Wybuch pyłu węglowego w sztolni jest demonstrowany wszystkim uczestnikom szkoleń zawodowych organizowanych przez Główny Instytut Górnictwa.

Wybuch pyłu węglowego w sztolni doświadczalnej 100 m

Najnowszym stanowiskiem doświadczalnym umożliwiającym przeprowadzanie badań w skali przemysłowej w Kopalni Doświadczalnej „Barbara” Głównego Instytutu Górnictwa jest komora doświadczalna 5 m3. Komora ta została wykonana w celu przeprowadzenia prac badawczych w projekcie Airpipe V Programu Ramowego Unii Europejskiej. Jednak konstrukcja komory pozwala na przeprowadzanie szerokiego zakresu testów wybuchów pyłów i gazów zarówno do celów praktycznych, jak i naukowych.

Całe stanowisko badawcze składa się z cylindrycznej komory o stosunku wymiarów charakterystycznych L/D < 2 i z sekcji przewodów rurowych. Komora jest wyposażona w układ dyspersyjny, pozwalający na generowanie wybuchów o powtarzalnych parametrach. Możliwe jest również wytwarzanie jednorodnych mieszanin gazowo-powietrznych. Do otworu wylotowego komory mogą być dołączone trzy sekcje rur, każda o długości około 5 m i średnicy 500 mm, tworzące przewód, którym prowadzony jest wybuch z komory. Rury są zamocowane na ruchomych podporach, pozwalających na łatwe zmiany konfiguracji doświadczenia.

Komora doświadczalna 5 m³

Pierwsze badania wykonywane na tym stanowisku miały na celu uzyskanie informacji o własnościach różnych materiałów używanych do budowy nowych systemów izolacji wybuchu. Poniższa wizualizacja przedstawia przykład wybuchu pyłu węglowego w komorze 5 m3. Podczas tego testu otwór wylotowy komory został zamknięty membraną wykonaną z kevlaru. Kolejne zaplanowane już doświadczenia będą polegały na badaniu propagacji wybuchu w przewodzie rurowym przyłączonym do otworu wylotowego komory. Planowane jest też wykonanie badań wybuchowości różnych pyłów przemysłowych, jak pył pigmentu, pył węglowy czy skrobia kukurydziana.

Komora jest również używana do badań skuteczności działania różnych systemów zabezpieczających przed skutkami wybuchu. Ten rodzaj testów jest konieczny w procesie badań certyfikacyjnych urządzeń. Wymaga się, aby skuteczność działania systemów tłumienia i izolowania wybuchu, jak również prawidłowość funkcjonowania systemów dekompresji i wykrywania, były potwierdzone badaniami w dużej skali.

Wybuch pyłu węglowego w komorze 5 m³

Sieć podziemnych chodników doświadczalnych jest unikalnym stanowiskiem badawczym Kopalni Doświadczalnej „Barbara” umożliwiającym badania w dużej skali. W chodnikach tych przeprowadzane są silne wybuchy pyłów i gazów, a także bada się przebiegi wybuchów w złożonej geometrii wyrobisk. W chodnikach doświadczalnych KD „Barbara” generowano już bardzo silne wybuchy pyłu, z detonacją w mieszaninie pyłowo-powietrznej włącznie. Doświadczenia te są prawdopodobnie pierwszymi i jak do tej pory jedynymi przykładami detonacji w mieszaninie pył-powietrze w skali rzeczywistej.

Plan podziemnych chodników doświadczalnych KD „Barbara”

Wybuch pyłu węglowego w chodniku doświadczalnym o długości 400 m

System chodników doświadczalnych KD „Barbara” obejmuje kilka wyrobisk, z których najważniejsze są dwa chodniki o długościach 400 i 200 m. Oba chodniki wyposażone są w panele pomiarowe rozmieszczone wzdłuż ścian wyrobiska. Panele umożliwiają instalację różnego typu urządzeń pomiarowych, w zależności od potrzeb i celu badania. Ze względu na geometrię chodników istnieje możliwość przeprowadzania badań w połączonych wyrobiskach z różnymi punktami inicjalizacji wybuchu. W chodniku doświadczalnym 200 m zlokalizowane jest stanowisko badawcze o przekroju 11 m² do badań wytrzymałości tam przeciwwybuchowych.

Tama przeciwwybuchowa

Tama przeciwwybuchowa

Ze względu na ich szczególne właściwości, podziemne chodniki były używane do doświadczeń bardzo różnych rodzajów. Ostatnio prowadzone były badania sprawdzające skuteczność działania nowych konstrukcji zapór pyłowych. Badano także różne rodzaje tam przeciwwybuchowych. W miarę jak automatyczne zapory przeciwwybuchowe zyskują na popularności, w chodnikach doświadczalnych były wykonane liczne badania skuteczności ich działania. Jako przykład zupełnie odmiennego typu badań można przytoczyć przeprowadzone w chodnikach badanie sprawdzające skuteczność działania zaworu systemu wentylacji przeznaczonego do pracy w metrze. Na bazie podziemnego poligonu doświadczalnego rozpoczyna się realizacja projektu Funduszu Węgla i Stali Komisji Europejskiej, dotyczącego podziemnego zgazowania węgla.

Badania nad desorpcją metanu zawartego w pokładach węgla stanowią obecnie ważne zagadnienie. Pozwalają one określić skłonność węgla do wyrzutów metanu i skał. Szczególną rolę odgrywają przy tym badania laboratoryjne desorpcji metanu. Pozwalają one bowiem rozpoznać mechanizm fizykochemiczny tego zjawiska, określić zespół czynników i parametrów mających wpływ na jego przebieg. W Zakładzie Zwalczania Zagrożeń Gazowych KD „Barbara” – GIG do badania sorpcji (desorpcji) gazów, jak również ich mieszanin, wykorzystywany jest układ grawimetryczno-sorpcyjny.

Układ grawimetryczno-sorpcyjny

Układ grawimetryczno-sorpcyjny

Układ ten umożliwia między innymi badanie:

• ilości metanu, jaka może się pomieścić w strukturze porowatej węgla (pojemność sorpcyjna),
• szybkości sorpcji (współczynnik dyfuzji) oraz przebiegu kinetyki i izoterm sorpcji.

 

Wyznaczane parametry sorpcyjne zależą w dużym stopniu od warunków prowadzonych badań, tzn. ciśnienia i temperatury. Możliwość prowadzenia badań w temperaturze do 200 °C i ciśnieniach od 0 do 2 MPa pozwala na uzyskanie warunków zbliżonych do rzeczywistych. Ponadto układ umożliwia oznaczenie gęstości (objętości) oraz oznaczenie porowatości (wielkości porów), co również jest bardzo istotne przy wyznaczeniu współczynnika dyfuzji oraz pojemności gazowej węgla.

Układ sorpcyjny jest wyposażony w moduł kontrolno-rejestrujący. Moduł ten stanowi komputer z oprogramowaniem użytkowym. Zapewnia to między innymi pełną kontrolę nad przebiegiem eksperymentu, graficzną wizualizację uzyskiwanych wyników oraz analizę kinetyki sorpcji w czasie rzeczywistym. Do układu wprowadzony jest również tryb programowanej sekwencji cyklu pomiarowego, w zależności od wyników analizy kinetyki sorpcji przeprowadzanej w czasie rzeczywistym.

Układ sorpcyjny posiada możliwość zapisania na dysku wszystkich rejestrowanych parametrów eksperymentu oraz wyników analiz. Istnieje również możliwość eksportu danych w formie plików ASCII lub do MS Excel.

Badania iskrzenia zapalającego metan lub inne gazy prowadzi się przy wykorzystaniu aparatury tarciowej silno dociskowej. Na stanowisku tym przeprowadza się następujące badania:

• ocenę skłonności skał stropowych, spągowych oraz przerostów w węglu do iskrzenia zapalającego metan przy urabianiu kombajnami chodnikowymi lub ścianowymi,
• badania noży kombajnowych stosowanych w kombajnach chodnikowych i ścianowych pod względem skłonności do iskrzenia zapalającego metan przy urabianiu kombajnami w kopalniach węgla kamiennego,
• badanie koronek i żerdzi wiertniczych stosowanych do wiercenia otworów wiertnicami pod względem iskrzenia zapalającego metan,
• badanie narzędzi pod względem iskrzenia zapalającego gazy lub pary cieczy palnych od iskier mechanicznych,
• badanie materiałów stosowanych jako posadzki w pomieszczeniach zagrożonych wybuchem par cieczy palnych lub gazów,
• inne badania związane z iskrzeniem mechanicznym.

 

Aparatura tarciowa silnodociskowa używana do badań iskrzenia mechanicznego.

Stanowisko to pozwala odwzorować warunki pracy kombajnu ścianowego i chodnikowego oraz określić skłonność urabianych skał oraz noży kombajnowych do iskrzenia zapalającego metan. Pozwala również na takie dobranie parametrów badań aby możliwe było określenie zdolności iskier mechanicznych wytworzonych podczas wiercenia otworów koronkami wiertniczymi w skałach, do iskrzenia zapalającego metan.

Dzięki stosowaniu różnych prędkości obwodowych i zróżnicowanej siły docisku istnieje możliwość badania narzędzi oraz innych materiałów które mogą być bezpiecznie eksploatowane w pomieszczeniach zagrożonych wybuchem.

W zamierzeniu stanowisko to zostało zaprojektowane do przeprowadzania demonstracji skuteczności, czy też nieskuteczności gaszenia pożaru metanu różnymi środkami. W praktyce, stanowisko to służy do zademonstrowania, że pożar metanu może być znacznie skuteczniej i szybciej ugaszony przy użyciu odpowiednich proszków gaśniczych niż przy użyciu wody.

Aparatura tarciowa silnodociskowa używana do badań iskrzenia mechanicznego.

Przedstawiony obszar badań to tylko część prac doświadczalnych w skali rzeczywistej wykonywanych obecnie w wielu laboratoriach na świecie. Już jednak wspomniane wyżej prace wskazują, iż doświadczenia w dużej skali wciąż dostarczają niezwykle cennych, niemożliwych do uzyskania inną drogą, informacji o zagrożeniu wybuchowym w przemyśle. Wszędzie tam, gdzie zagadnienia bezpieczeństwa pracy i ochrony zdrowia odgrywają ważną rolę, badania w dużej skali są niezastąpione.