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.

 Kopalnia Doświadczalna Barbara

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.

 Kopalnia Doświadczalna Barbara

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.

 Kopalnia Doświadczalna Barbara

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.

 Kopalnia Doświadczalna Barbara

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.

 Kopalnia Doświadczalna Barbara

Plan podziemnych chodników doświadczalnych KD „Barbara”

 Kopalnia Doświadczalna 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.

 Kopalnia Doświadczalna Barbara

Tama przeciwwybuchowa

 Kopalnia Doświadczalna Barbara

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.

Po przystąpieniu Polski do Unii Europejskiej (UE) z dniem 1 maja 2004 r. dla środków strzałowych zwanych materiałami wybuchowym, obowiązuje zgodnie z Dyrektywą 93/15/WE z dnia 5 kwietnia 1993 r., nowy tryb wprowadzania tych wyrobów na rynek krajów członkowskich UE.

Z tego między innymi względu, trwające od wielu lat przygotowania i inwestycje nie tylko w aparaturę badawczą ale również w szkolenia personelu Głównego Instytutu Górnictwa, zaowocowały wydaniem przez polską stronę rządową autoryzacji dla instytutu, między innymi w zakresie oceny zgodności materiałów wybuchowych zgodnie z wymienioną dyrektywą, a następnie przyznaniem przez Komisję Europejską statusu Jednostki Notyfikowanej o numerze 1453.

W Głównym Instytucie Górnictwa (GIG) rzetelnie realizuje się postanowienia Dyrektywy 93/15/WE oceniając wyroby, tj. materiały wybuchowe polskich i zagranicznych producentów. Odbywa się to w większości zgodnie ze zharmonizowanymi z dyrektywą, europejskimi normami dotyczącymi badań materiałów wybuchowych. Badania te odbywają się na poligonie badawczym GIG w Kopalni Doświadczalnej „Barbara”.

Największe możliwości badawcze przy jednoczesnym ograniczeniu wpływu oddziaływania na środowisko, stwarzają najnowsze inwestycje zrealizowane na poligonie w postaci bunkra dźwiękochłonnego oraz sztolni doświadczalnej. W bunkrze strzałowym o niespotykanej, półkulistej konstrukcji, wykonuje się większość badań materiałów wybuchowych przez detonację (np. prędkość i przenoszenie detonacji oraz wrażliwość na inicjowanie detonacji). Ten żelbetonowy obiekt posiada dźwiękochłonne wloty wentylacyjne ze specjalnymi tłumikami ograniczającymi hałas, ze względu na ostrzejsze normy europejskie obowiązujące aktualnie w zakresie hałasu emitowanego do środowiska naturalnego.

 Kopalnia Doświadczalna Barbara

Bunkier strzałowy w GIG Kopalni Doświadczalnej „Barbara” - widok z zewnątrz

 Kopalnia Doświadczalna Barbara

Bunkier strzałowy w GIG Kopalni Doświadczalnej „Barbara” - widok od wewnątrz

Dla określania stopnia bezpieczeństwa materiałów wybuchowych wobec mieszanin powietrza z pyłem węglowym lub metanem niezbędne jest stanowisko badawcze w postaci sztolni doświadczalnej. W nowoczesnej nowej sztolni doświadczalnej w kształcie stalowej rury średnicy 2000 mm i długości 44 m, wykonywane są badania bezpieczeństwa materiałów wybuchowych, w tym lontów detonujących i zapalników elektrycznych wobec metanu i pyłu węglowego. Sztolnia jest otwarta z jednego końca (wylot sztolni), a z drugiego zamknięta masywnym blokiem betonowym (przodek sztolni). Wewnątrz niej znajduje się jeden z różnych typów moździerzy, imitujących odrębne sposoby wyrzutu produktów detonacji z otworów strzałowych. Badania ukierunkowane są przede wszystkim na test zapalenia metanu lub pyłu węglowego przez materiały wybuchowe, lonty i zapalniki.

 Kopalnia Doświadczalna Barbara

Sztolnia doświadczalna 44 m – widok ogólny

Do badania materiałów wybuchowych stosowana jest aparatura pomiarowa o wysokim standardzie, między innymi przyrząd do pomiaru prędkości detonacji materiałów wybuchowych z czujnikami światłowodowymi EXPLOMET FO 2000, szwajcarskiej firmy KONTINITRO).

 Kopalnia Doświadczalna Barbara

EXPLOMET FO 2000 z czujnikami światłowodowymi

W ostatnich latach została opracowana w oparciu o wymagania europejskie nowa metodyka stosowana do badania gazów postrzałowych po detonacji materiałów wybuchowych. Zbudowano do tego celu laboratoryjne stanowisko badawcze, do detonacji ładunków materiałów wybuchowych w górniczym moździerzu umieszczonym wewnątrz komory strzałowej, połączonej z aparaturą pomiarową w postaci dwóch analizatorów. Analizatory umożliwiają zgodnie z wymaganiami normy zharmonizowanej w tym zakresie, ciągły pomiar koncentracji gazowych składników w produktach detonacji tj. tlenków węgla CO, CO2 oraz tlenków azotu NO, NO2.

 Kopalnia Doświadczalna Barbara

Stanowisko badawcze do badania gazów postrzałowych po detonacji materiałów wybuchowych

Do badań parametrów elektrycznych oraz czasów detonacji dla zapalników elektrycznych, nieelektrycznych i elektronicznych zgodnie z europejskimi normami zharmonizowanymi, służy nowoczesne całkowicie skomputeryzowane stanowisko badawcze.

 Kopalnia Doświadczalna Barbara

Automatyczne stanowisko do badania zapalników

Jedną z ostatnio zakończonych nowych inwestycji jest budowa zgodnego z normą europejską w tym zakresie stanowiska do badania stabilności termicznej materiałów wybuchowych. Stanowisko umożliwia bezpieczne kondycjonowanie próbek materiałów wybuchowych w zadanej temperaturze i czasie, w komorze termicznej ze zdalnym sterowaniem i monitorowaniem przebiegu badania.

 Kopalnia Doświadczalna Barbara

Stanowisko do badania stabilności termicznej materiałów wybuchowych

W Kopalni Doświadczalnej „Barbara” wykonywane są badania certyfikacyjne urządzeń i systemów ochronnych przeznaczonych do użytku w przestrzeniach zagrożonych wybuchem. Badania wykonywane są w Laboratorium posiadającym akredytacje Polskiego Centrum Akredytacji (od 1995 r.) oraz potwierdzone kompetencje badawcze w międzynarodowym schemacie IECEx.

Laboratorium realizuje badania w obszarze akredytowanym jak i poza akredytacją stosując posiadane, nadzorowane metrologicznie, wyposażenie pomiarowo-badawcze. Podstawowe badania wykonywane są z wykorzystaniem szerokiej gamy mieszanin wybuchowych zarówno gazów jak i par cieczy palnych. Tworzone są one w Laboratorium z wykorzystaniem, sterowanych komputerowo, masowych mierników przepływu. Badania są realizowane między innymi z wykorzystaniem komór badawczych o objętościach : 0,25 m3, 0,75 m3, 2 m3 oraz 16 m3. Stanowiska badawcze umożliwiają prowadzenie badań wszystkich typów zabezpieczeń urządzeń elektrycznych i nieelektrycznych grupy I (do użytku w zakładach górniczych) oraz grup IIA, IIB i IIC (do użytku w innych gałęziach przemysłu). Prowadzone są również badania urządzeń przeznaczonych do pracy w atmosferach zagrożonych wybuchem pyłu (grupy IIIA, IIIB oraz IIIC). Największa komora umożliwia badanie osłon ognioszczelnych o masach przekraczających 6000 kg. Badania mogą być wykonywane przy ciśnieniu atmosferycznym, jak również w warunkach nadciśnienia.

 Kopalnia Doświadczalna Barbara

Komora doświadczalna o objętości 16 m3

Innym obiektem w dużej skali wykorzystywanym do podobnych celów jest komora doświadczalna o objętości 64 m3. Przykładem pracy badawczej przeprowadzonej w tej komorze jest sprawdzanie pracy górniczych napędów spalinowych w atmosferze metanowej.

 Kopalnia Doświadczalna Barbara

Komora doświadczalna o objętości 64 m3 z górniczą lokomotywą spalinową

 Kopalnia Doświadczalna Barbara

Przeniesienie wybuchu z wnętrza osłony ognioszczelnej silnika elektrycznego – badania na poligonie Laboratorium

Stanowiskiem w dużej skali, wykorzystywanym do podobnych celów jest komora doświadczalna o objętości 64 m3, przeznaczona do badań lokomotyw. Przykładem prac przeprowadzonych na poligonie badawczym jest sprawdzanie konstrukcji osłony ognioszczelnej silnika.

 Kopalnia Doświadczalna Barbara

Komora do badań w niskich temperaturach

Stanowiska badawcze umożliwiają prowadzenie badań wybuchowych urządzeń w niskich temperaturach (do -55 °C).

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.

 Kopalnia Doświadczalna Barbara

Układ grawimetryczno-sorpcyjny

 Kopalnia Doświadczalna Barbara

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.

 

 Kopalnia Doświadczalna Barbara

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.

 Kopalnia Doświadczalna Barbara

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.

+ 48-32-259-2000