Sonda, dla której ziemia drży

Na przestrzeni ostatnich trzech dekad w górnictwie nastąpiły zmiany, które uczyniły tę profesję bezpieczniejszą niż kiedykolwiek. Dzięki postępowi technologicznemu, zmianom w procedurach, a także innemu podejściu do planowania robót górniczych przebywanie pod ziemią nie wiąże się już z takim ryzykiem jak kiedyś. Niestety, wciąż nie jesteśmy w stanie wszystkiego przewidzieć. Silne wstrząsy wciąż mogą powodować tąpnięcia i zawalanie się chodników głęboko pod ziemią. Tak jak miało to miejsce w kopalni Wujek trzy tygodnie temu, kiedy pod ziemią zostało uwięzionych dwóch górników.

- Kiedy zaczynałem pracę 30 lat temu, na Śląsku dochodziło do 10-20 tąpnięć rocznie. Teraz dochodzi do jednego-trzech, chociaż wciąż nie jesteśmy w stanie przewidzieć miejsca i czasu ich wystąpienia. Natomiast jesteśmy w stanie z dużą dokładnością wskazywać rejony, które stanowią zagrożenie - mówi prof. Grzegorz Mutke z Głównego Instytutu Górnictwa w Katowicach.

Naukowcy z GIG, którzy od wielu lat współpracują z górnictwem przy instalacji systemów wczesnego ostrzegania, opracowali ostatnio dodatkową metodę, która wzbogaca wiedzę pracowników kopalni o zjawiskach zachodzących w otoczeniu drążonych przez człowieka chodników eksploatacyjnych. Chodzi o specjalną sondę, która jest w stanie wykrywać drgania o dużej prędkości wywołane przez wstrząsy w podziemnych wyrobiskach górniczych. - Sonda informuje na bieżąco o amplitudach drgań zachodzących w górotworze otaczającym eksploatowany region. Kluczowe z punktu widzenia bezpieczeństwa są drgania o amplitudach na tyle wysokich, że wiąże się to z zagrożeniem zawalenia - tłumaczy prof. Adam Lurka z GIG.

Sonda DLM-PPV wygląda jak niewielki metalowy walec, w którym ukryta jest aparatura pomiarowa. Sercem urządzenia jest piezoelektryk, czyli materiał, który kurcząc się i rozszerzając pod wpływem zewnętrznej siły, wytwarza impulsy elektryczne. Z metalowego walca wychodzi kabel z grubą izolacją, który podłącza się do aparatury obrazującej drgania wokół chodnika. Wszystko zostało pomyślane tak, by nie wywoływać iskier - tysiąc metrów pod ziemią iskrobezpieczność, jak się fachowo nazywa ta właściwość, jest kluczowa; na tej głębokości bowiem przy projektowaniu sprzętu należy liczyć się z wybuchami metanu.

Sondę umieszcza się w odwiertach wykonanych w ścianie chodnika. Niewielkie gabaryty to oczywiście zaleta sprawiająca, że urządzenie można przenosić z miejsca na miejsce. To duży postęp w stosunku do metod pomiarowych stosowanych w górnictwie jeszcze dekadę czy dwie temu, kiedy pod ziemię trafiały pierwsze sejsmometry. Owszem, urządzenia zapewniały bezcenne dane, ale były tak duże, że trzeba było budować dla nich osobne pomieszczenia, i tak czułe, że trzeba było stawiać je na specjalnych postumentach, a po instalacji poziomować. Nietrudno się domyśleć, że tam na dole, gdzie - jak mówi prof. Lurka - panują brutalne dla jakiegokolwiek sprzętu warunki, były to poważne wady.

Dotychczas stosowane czujniki nie były w stanie zarejestrować pełnej amplitudy drgań występujących podczas wstrząsów zarówno o dużej, jak i małej sile. Konstruktorzy takich urządzeń stali bowiem przed dylematem - albo będzie ono bardzo czułe, aby wykrywać również małe wstrząsy, a wtedy słabo będzie sobie radzić z silnymi, albo skupi się na silnych, a wtedy nie będzie w stanie wykrywać tych małych. - Dla naszych potrzeb najważniejszy był ten drugi koniec skali: aby urządzenie było w stanie rejestrować amplitudy drgań wysokich - mówi prof. Mutke.

Ale nie starczyło skonstruowanie samej sondy, trzeba było również opracować mechanizm interpretacji rejestrowanych przez nią wyników. W tym celu naukowcy stworzyli czterostopniową skalę, na której wyższe wartości związane są z większą amplitudą drgań przenoszonych przez górotwór. Bo im bardziej pod ziemią drga, tym większe niebezpieczeństwo. W ten sposób zatrudniony w kopalni geofizyk - a każda musi takiego zatrudniać - otrzymuje dodatkową informację, wprzęgniętą w już stosowane systemy monitorowania kopalnianego otoczenia (których konstruktorem często również jest instytut). Ta informacja przekazana dyżurnemu ruchu może wpłynąć na decyzję o wycofaniu ludzi spod ziemi i - być może - uratowaniu ich życia. A jest co monitorować, bo pod ziemią codziennie dochodzi do setek, a nawet tysięcy, jak mówią naukowcy, zjawisk sejsmicznych. Znakomita większość z nich jest słaba, a przez to nieszkodliwa, ale bardzo ważna dla sejsmologów. - Tak naprawdę teraz staramy się na podstawie informacji o tych mniejszych wstrząsach dedukować na temat tych silniejszych, które mogą w ich wyniku powstać. Innymi słowy - na podstawie zjawisk o mniejszej skali staramy się dowiedzieć czegoś o zjawiskach w większej skali - mówi prof. Mutke.

Naukowcy z Katowic zapewniają, że pierwsze testy ich wynalazek przeszedł w należącej do instytutu kopalni doświadczalnej Barbara, był również testowany w kopalni Bobrek. Przy czym mają świadomość, że podobną aparaturę opracowuje się już na świecie. Takie rozwiązania na dużych głębokościach wykorzystywane są na przykład przez sektor górniczy w Republice Południowej Afryki w kopalniach złota. Tam jednak ze względu na specyfikę skał i wydobycia konstruktorzy nie musieli się martwić o iskrobezpieczeństwo. Nawet jeśli polski węgiel jest mało opłacalny w wydobyciu, bo zalega zbyt głęboko, to zmusza to nas do opracowywania nowatorskich rozwiązań, jak sonda do wykrywania drgań o dużej prędkości. Te rozwiązania z kolei mogą się stać przyczynkiem do polskiego know-how w górnictwie na dużych głębokościach - dziedzinie tyleż brutalnej, co zaawansowanej technologicznie.

@RY1@i02/2015/088/i02.2015.088.000002600.802.jpg@RY2@

Rafał Klimkiewicz/Edytor.net

Prof. Grzegorz Mutke z Głównego Instytutu Górnictwa w Katowicach

Eureka! DGP

@RY1@i02/2015/088/i02.2015.088.000002600.103.jpg@RY2@

Trwa druga edycja konkursu "Eureka! DGP - odkrywamy polskie wynalazki". Jego celem jest promocja polskiej nauki i potencjału twórczego naszych wynalazców. Co tydzień do 5 czerwca w Magazynie DGP opisujemy wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej, wybrane spośród 54 nadesłanych przez 17 uczelni oraz 26 zgłoszonych przez 13 instytutów badawczych. Rozstrzygnięcie konkursu nastąpi w czerwcu. Nagrodą jest 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki - firmę Polpharma - oraz kampania promocyjna o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR Biznes (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej) ufundowana przez organizatora. W tym roku wszyscy uczestnicy konkursu zostaną zaproszeni do prezentacji swoich wynalazków podczas III Międzynarodowych Targów Innowacji i Nowych Technologii INNO-TECH EXPO, które odbędą się w dniach 15-16 października 2015 r. Prezentacja wynalazków na Targach Kielce będzie doskonałą okazją do nawiązania współpracy biznesowej, która zwiększy możliwości szybkiego wprowadzenia nowych produktów na rynek.

 Jakub Kapiszewski