Hydrauliczna wiertnica górnicza do skał: zasady bezpieczeństwa i doboru

Hydrauliczna wiertnica górnicza działająca w kopalni węgla napotyka kategorię zagrożeń, która po prostu nie występuje w górnictwie metali ani w budownictwie tuneli: zapłon metanu. Mechanizm uderzeniowy generuje ciepło na powierzchni uderzenia tłoka oraz na styku końcówki wiertła z tuleją prowadzącą; obwód hydrauliczny pracuje pod ciśnieniem 160–220 bar, a temperatura oleju powracającego jest podwyższona; ponadto, jeśli rozpylony olej wynikający z awarii połączenia trafi do strefy gromadzenia się gazu, ryzyko pożaru staje się natychmiastowe. Każdy dobór komponentów oraz procedura eksploatacyjna stosowana w przypadku hydraulicznej wiertnicy górniczej w kopalni węgla musi być oceniany w świetle tego kontekstu, a nie wyłącznie pod kątem standardowych kryteriów wydajności i trwałości.

Kopalnie węgla są również klasyfikowane według stopnia zagrożenia gazowego – od kopalni bezgazowych po kopalnie wysoce gazowe – z odpowiednimi wymaganiami regulacyjnymi dotyczącymi specyfikacji sprzętu, które różnią się w zależności od jurysdykcji. Zasady doboru przedstawione w niniejszym artykule dotyczą konkretnie hydraulicznych wiertnic skalnych typu drifter oraz powiązanych z nimi obwodów cieczowych, w ramach danej kategorii sprzętu, a nie stanowią zamiennika dla zgodności z przepisami obowiązującymi na danym stanowisku pracy.

Wymagania projektowe zapobiegające wybuchowi

Ognioodporny płyn hydrauliczny jest podstawowym wymaganiem dla dowolnego obwodu hydraulicznego w podziemnych kopalniach węgla. Standardowy olej mineralny stosowany jako płyn hydrauliczny jest łatwopalny; uszkodzenie węża, powodujące rozpylenie oleju mineralnego na gorących powierzchniach lub w pobliżu łuku elektrycznego, tworzy rzeczywistą ścieżkę zapłonu. Emulsje woda-w-oleju (HFA-E, zwykle zawierające 95–97% wody i koncentrat olejowy) lub glikole wodne (HFC) są standardowymi alternatywnymi, ognioodpornymi płynami hydraulicznymi stosowanymi w podziemnych kopalniach węgla w obwodach udarowych. Kompromis: oba te typy płynów charakteryzują się niższą smarnością niż olej mineralny, co stawia wyższe wymagania zarówno wobec materiałów uszczelniających, jak i wobec pakietu dodatków przeciwzużyciowych w płynie.

Uszczelnienia perkusyjne z poliuretanu (PU) działają akceptowalnie w emulsjach woda-w-oleju przy stężeniach utrzymywanych zgodnie ze specyfikacją. Gdy stężenie emulsji spada poniżej 5% koncentratu oleju (typowy minimum), smarowność gwałtownie maleje, a uszczelnienia z PU zużywają się szybciej niż przewidziano w ich czasie życia projektowym. Uszczelnienia z HNBR lepiej tolerują wahania stężenia i są preferowane w operacjach, w których utrzymanie dokładnego stężenia emulsji jest trudne. Płyny na bazie glikolu wodnego o niewłaściwym stężeniu glikolu mogą atakować standardowe statyczne uszczelnienia z NBR (uszczelki pierścieniowe) poprzez ich rozprężanie — w obwodach z płynami glikolu wodnego zamiast standardowych uszczelek NBR stosuje się uszczelki pierścieniowe z FKM lub HNBR.

Specyfikacje sprzętu do środowisk gazowych

Bezpieczeństwo eksploatacyjne: trzy najważniejsze procedury

Inspekcja obwodu cieczy przed każdą zmianą pracy jest obowiązkowa w środowisku kopalni węgla, ponieważ awaria węża podczas eksploatacji stanowi natychmiastowe zagrożenie pożarowe. Inspekcja obejmuje: stan węża (brak cięć, zużycia przez tarcie warstwy zewnętrznej lub wybrzuszeń wskazujących na uszkodzenie wewnętrzne), połączenia zakończeń (brak wycieku w miejscach połączeń gwintowanych, brak przesuwania się zakończeń pod wpływem nacisku ręki) oraz poziom cieczy w zbiorniku wraz z kontrolą stężenia emulsji lub glikolu. Zdegradowana emulsja, która wizualnie wygląda normalnie (np. ma prawidłową barwę), ale której stężenie oleju wynosi poniżej 5%, stanowi jednocześnie zagrożenie uszkodzenia uszczelki i zapłonu.

Zapobieganie strzałom próżniowym jest bardziej krytyczne w kopalniach węgla niż w innych zastosowaniach. Gdy wiertło traci kontakt z skałą, a uderzenia odbywają się w powietrzu, zawór przelewowy obwodu uderzeniowego działa ciągle, generując ciepło w korpusie zaworu. W standardowych zastosowaniach górniczych i budowlanych stanowi to problem konserwacyjny; w środowisku metanowym gorący korpus zaworu stanowi dodatkowe ryzyko zapłonu. Automatyczne systemy wyłączenia strzałów próżniowych – które wyłączają działanie uderzeniowe w ciągu 200–500 milisekund po wykryciu uderzeń bez obciążenia na podstawie analizy wzorca ciśnienia – są standardowym wyposażeniem dobrze zarządzanych konfiguracji wiertarek do kopalń węgla.

Opróżnianie i dekompresja obwodu uderzeniowego po zakończeniu zmiany, przed odłączeniem wiertnicy, usuwa płyn odporny na zapłon pod ciśnieniem z odcinków węży, które najprawdopodobniej zostaną zaburzone podczas zmiany zmiany. Odłączenie węża pod ciśnieniem w wyrobisku gazowym stanowi zarówno ryzyko zanieczyszczenia, jak i ryzyko pożaru spowodowanego rozpyleniem płynu. Procedura wymaga dekompresji przez zaprojektowaną ścieżkę odprowadzania nadciśnienia w systemie, a nie przez poluzowywanie połączeń pod ciśnieniem.

Kryteria wyboru specyficzne dla środowisk kopalń węgla

Cechy konstrukcyjne wiertarki typu Drifter zmniejszające ryzyko operacyjne w kopalni węgla: zamknięty obwód uderzeniowy (olej powrotny przepływa z powrotem do zbiornika bez narażenia na atmosferę, co minimalizuje tworzenie się mgiełki oleju w atmosferze wyrobiska); uszczelniona obudowa silnika obrotowego z barierą ciśnienia dodatniego zapobiegającą przedostawaniu się pyłu węglowego do strefy łożysk; obwód wody płuczącej przedniego uchwytu z zaworem zwrotnym zapobiegającym cofaniu się oleju uderzeniowego do obwodu płucznego (zanieczyszczona woda płuczna w wyrobisku kopalnianym stanowi zagrożenie wtórne); oraz osłony przewodów uderzeniowych i obrotowych wykonane z materiału antystatycznego.

Specyfikacja zestawu uszczelniających dla dryfterów kopalni węgla: zestawy perkusyjne w mieszaninie HNBR dla kompatybilności z płynami HFA-E lub HFC, uszczelniacze przednie do spłukiwania w mieszaninie z PTFE (chemicz Specyfikacje związków powinny być wyraźnie zawarte w dokumencie zamówienia, a nie być standardowym zestawem. HOVOO dostarcza zestawy uszczelniające odpowiednie do kopalni węgla dla wszystkich głównych marek drifterów, z opcjami związków zweryfikowanymi pod kątem kompatybilności HFA-E i HFC. Pełne referencje do modeli na stronie hovooseal.com.