Składowisko węgla jako niedoszacowany obiekt ryzyka: co dzieje się z węglem po wydobyciu

Wydobycie węgla i jego przechowywanie to dwa różne zadania. Pierwszemu poświęcono tysiące badań, instrukcji i dysertacji. Drugie pozostaje na peryferiach uwagi, choć to właśnie na składowisku węgiel znajduje się na wolnym powietrzu, wystawiony na wiatr, słońce i opady, i to w ilościach porównywalnych z rocznym obrotem średniego portu. Zapasy magazynowe dużego terminala w okresach utrudnionego zbytu sięgają trzech milionów ton.

Cały ten węgiel jest aktywny chemicznie. Utlenia się, nagrzewa i w określonych warunkach zapala się bez zewnętrznego źródła zapłonu i bez niczyjego błędu. W artykule przeanalizowano, co dla składowisk oferuje praktyka światowa, czego wymagają rosyjskie normy, jaki jest potwierdzony tryb likwidacji ogniska oraz jakie rozwiązanie eksperymentalne zasługuje na weryfikację w działającym terminalu.

Branża patrzy w głąb ziemi

Przegląd baz naukowych daje wymowny obraz. Od 2020 roku na świecie opublikowano ponad półtora tysiąca prac dotyczących samozapłonu węgla. Ponad połowa z nich poświęcona jest kopalniom, złożom i zrobiskom. Składowiskom i zwałom poświęcono trzydzieści dwie prace, czyli dwa procent.

Rys. 1. Publikacje na temat samozapłonu węgla w latach 2020–2026: na jedną pracę o składowiskach przypada dwadzieścia siedem prac o kopalniach

Priorytet jest zrozumiały: pod ziemią znajdują się ludzie, a pożar podziemny zawsze zagraża życiu. Jednak taka dysproporcja ma swoją drugą stronę. Współczesne przeglądy środków gaśniczych opisują inertyzację azotem, piany trójfazowe i żele, czyli technologie przeznaczone do przestrzeni zamkniętych. Kierownik otwartego składowiska o powierzchni dziesiątek hektarów praktycznie nie znajduje w nich rozwiązań mających zastosowanie.

Niedoszacowane pozostaje właśnie składowisko. Po wydobyciu, transporcie i uformowaniu zwału węgiel zaczyna być postrzegany jako towar. Tymczasem pozostaje on niebezpiecznym obiektem, za który odpowiedzialność ponosi podmiot eksploatujący.

Dlaczego na składowisku warunki są gorsze niż pod ziemią

Samonagrzewanie to proces utleniania węgla tlenem z powietrza. Im łatwiej dostępny jest tlen, tym bardziej intensywny proces.

W zrobiskach kopalnianych powietrza jest mało. Zwykle wyróżnia się trzy strefy. Przy przodku powietrza jest dużo, ale odprowadza ono również ciepło. W głębi zawartość tlenu spada poniżej ośmiu procent i proces zanika. Niebezpieczny jest tylko pas pośredni o zawartości tlenu od ośmiu do osiemnastu procent: utlenianie już zachodzi, a ciepło nie jest odprowadzane.

Rys. 2. W głębi ziemi niebezpieczny jest tylko jeden pas. Na otwartym zwale nie ma strefy zanikania: cała warstwa zewnętrzna znajduje się przy pełnej zawartości tlenu i pod naporem wiatru

Na otwartym zwale nie ma strefy zanikania. Górna warstwa o grubości jednego-dwóch metrów pozostaje luźna, znajduje się stale przy dwudziestu jeden procentach tlenu, a wiatr przepompowuje powietrze przez skarpy zwału. Do tego dochodzi słoneczne nagrzewanie ciemnej powierzchni oraz opady. Rola opadów nie jest oczywista: suchy węgiel po zwilżeniu wydziela ciepło, a zwał, na który spadł ulewny deszcz po okresie suszy, otrzymuje dodatkowy impuls cieplny.

Praktyka to potwierdza. W lipcu 2026 roku w Oleniegorsku w nocy zapalił się zwał na składowisku przedsiębiorstwa energetycznego; jako przyczynę podano przemienne ulewy i upały. W sierpniu 2026 roku w Kraju Ałtajskim w ciągu jednej doby doszło do dwóch pożarów na składach węgla, obu w wyniku samozapłonu.

Kalkulacja dostępna dla każdego przedsiębiorstwa

Każdy węgiel posiada okres inkubacji, czyli czas, w którym w nagromadzeniu rozgrzewa się do stanu niebezpiecznego. Klasyfikacja normatywna wygląda następująco: poniżej pięćdziesięciu dób – węgle bardzo skłonne, od pięćdziesięciu do osiemdziesięciu – skłonne, powyżej osiemdziesięciu – nieskłonne.

Do oceny wystarczą dwa wskaźniki dostępne na każdym składowisku: wielkość zapasów i roczna wielkość wysyłki. Stosunek pierwszego do drugiego pomnożony przez 365 daje średni czas przebywania węgla na składowisku w dobach.

Dla terminala z zapasem trzech milionów ton i obrotem szesnastu milionów ton rocznie średni czas przebywania wynosi sześćdziesiąt osiem dób. To więcej niż okres inkubacji węgli bardzo skłonnych do samozapłonu.

Rys. 3. Udział zapasów, których wiek przekracza okres inkubacji. Linia ciągła – wysyłka bez uwzględnienia wieku, linia przerywana – rygorystyczna kolejność według wieku

Dalszy przebieg zależy od dyscypliny wysyłki. Przy rygorystycznej kolejce, gdy w pierwszej kolejności wydawany jest najstarszy węgiel, poza okresem inkubacji znajduje się około jednej czwartej zapasów. Przy wysyłce bez uwzględnienia wieku, gdy wybór zwału podyktowany jest gatunkiem węgla, partią statkową i wygodą pracy sprzętu, udział ten zbliża się do połowy. Różnica między tymi dwoma wariantami przekracza pół miliona ton węgla znajdującego się w grupie ryzyka i nie wymaga nakładów kapitałowych: wystarczy ewidencja wieku zwałów oraz zasada priorytetowej wysyłki starszych partii.

Istnieje również wartość progowa. Dopóki średni czas przebywania jest krótszy niż okres inkubacji, rygorystyczna kolejność całkowicie eliminuje ryzyko związane z czynnikiem czasu. Dla podanego przykładu próg wynosi około 2,2 miliona ton. Zapasy powyżej tej wartości nie są już zabezpieczane samą organizacją wysyłki i wymagają zastosowania dodatkowych środków.

Postępowanie przy likwidacji ogniska

W tej kwestii źródła są jednomyślne. Rosyjskie normy federalne, instrukcja ramowa dla składowisk elektrowni, raport Międzynarodowej Agencji Energetycznej, wytyczne południowoafrykańskie oraz praktyka indyjskich elektrowni cieplnych opisują tę samą sekwencję działań.

Rys. 4. Procedura likwidacji ogniska samonagrzewania na otwartym zwale

Ogniska nie gasi się w miejscu jego powstania, lecz się je wybiera: spycharką, koparką lub chwytakiem, na głębokość co najmniej siedemdziesięciu centymetrów. Wydobyty węgiel rozściela się na wydzielonym, niepalnym placu warstwą o grubości nieprzekraczającej pół metra. W cienkiej warstwie odprowadzanie ciepła przewyższa jego wydzielanie i węgiel stygnie. Dopiero potem ulega on zroszeniu.

Kluczowe jest właśnie zraszanie. Popularne sformułowanie „węgla nie gasi się wodą” jest niedokładne. Poprawna formuła brzmi: ogniska nie zalewa się zwartym strumieniem i nie podaje się wody do wnętrza zwału. Istnieją cztery przyczyny. Woda nie nasącza masy węgla, lecz spływa kanałami omijając ognisko. Na rozżarzonym węglu tworzy parę wodną, a w wysokiej temperaturze również gaz wodny zawierający wodór. Zwarty strumień rozrzuca palący się miał i otwiera zwał na dostęp powietrza. Suchy węgiel podczas zwilżania dodatkowo się nagrzewa.

Kurtyna wodna nad rozłożoną warstwą jest natomiast skuteczna. Stosuje się wodę rozpyloną, a nie zwarty strumień z prądownicy.

Następnie wybrany ubytek w zwale wypełnia się nawilżonym węglem i zagęszcza zrównując z powierzchnią; zagęszczony odcinek z reguły nie zapala się ponownie. Nad zwałem ustanawia się codzienny nadzór.

Najczęściej naruszane są dwie zasady. Pierwsza: ogniska nie odsłania się przy silnym wietrze, ponieważ przy prędkości od pięciu metrów na sekundę żarzenie przechodzi w palenie się płomieniowe. Druga: do każdej strony zwału należy zapewnić dojazd dla sprzętu, ponieważ ogniska formują się na skarpach i krawędziach, gdzie zagęszczenie jest najgorsze.

Co nie sprawdza się na otwartym składowisku

Gazy obojętne są skuteczne w silosach, magazynach kopułowych i ładowniach statków. Na otwartym zwale gaz się nie utrzymuje.

Piana nie wnika w głąb węgla, a utworzona przez nią powłoka zatrzymuje ciepło i palne opary. Nadaje się do lokalnego przykrycia wybranego już ogniska, ale nie do gaszenia całej masy.

Żele i kosztowne inhibitory wykazują w laboratoriach skuteczność rzędu kilkudziesięciu procent. W kopalni wtłacza się je do ograniczonej przestrzeni, natomiast na składowisku mowa o setkach tysięcy ton pod deszczem. Całkowite nasączenie zapasu rzędu trzech milionów ton wymagałoby setek tysięcy ton roztworu.

Skalowalne są cztery kierunki: prawidłowe formowanie zwału z zagęszczaniem, wysyłka według wieku, szybkie wybranie ogniska oraz obróbka strumienia węgla w momencie usypywania zwału, gdy mała dawka cieczy pokrywa całą objętość, a nie tylko powierzchnię zwału.

Propozycja eksperymentalna: roztwór melasy

Grupa chińskich badaczy w latach 2022–2025 opublikowała trzy prace na temat zastosowania melasy – produktu ubocznego produkcji cukru – do tłumienia samozapłonu węgla.

Wyniki są następujące. Trzydziestoprocentowy roztwór melasy utrzymuje się na węglu około czterdzieści razy lepiej niż woda i wiąże miał węglowy sto czterdzieści razy mocniej. Cukry tworzą na cząstkach błonę, która zatrzymuje wilgoć i ogranicza dostęp tlenu do powierzchni. Po dodaniu chlorków wapnia i magnezu zużycie tlenu przez węgiel spada o sześćdziesiąt-osiemdziesiąt procent. W próbach polowych w zrobiskach kopalnianych stężenie tlenku węgla spadło o 35–48 procent.

Cukier nie wpływa na właściwości samego węgla; ogranicza jedynie kontakt węgla z tlenem.

Metoda ta nie była testowana na otwartych zwałach: nie znaleziono odpowiednich publikacji. Sprawia to, że celowy jest eksperyment polowy w warunkach składowiska portowego.

Rys. 5. Schemat eksperymentu: roztwór podawany jest do standardowej instalacji zraszającej, pierścień dysz obrabia strumień węgla w momencie usypywania, każda warstwa trafia na zwał już zabezpieczona

Schemat eksperymentu jest następujący. Do zbiornika standardowej instalacji zraszającej zamiast wody wlewa się roztwór. Węgiel zsuwający się z wysięgnika zwałowarki w momencie rozproszenia strumienia opryskiwany jest kurtyną mgłową ze wszystkich stron, a każda warstwa układana jest jako już zmodyfikowana. Góra oraz skarpy zwału są zagęszczane w zwykłym trybie. Powstaje podwójna ochrona: błona ogranicza dostęp tlenu do każdej cząstki, a zagęszczenie ogranicza dopływ powietrza do wnętrza zwału. Obok formuje się zwał kontrolny z tej samej partii, którego strumień traktowany jest czystą wodą w tej samej objętości, co zapewnia poprawność porównania. Przez dwa miesiące mierzona jest temperatura na trzech głębokościach i stężenie tlenku węgla przy powierzchni, prowadzona jest inspekcja termowizyjna oraz pobierane są próbki do badań parametrów jakościowych.

Ograniczenia metody są znane i muszą być brane pod uwagę. Melasa sama ulega utlenianiu z wydzielaniem ciepła, dlatego stężenie roztworu nie powinno przekraczać trzydziestu procent. Cukier stanowi pożywkę dla mikroorganizmów, a procesy mikrobiologiczne również generują ciepło; zachowanie przetworzonego węgla w dużym zwale w ciepłym okresie nie zostało zbadane. Roztwór przywiera do sprzętu i gęstnieje w temperaturach ujemnych. Wpływ dodatku na kontraktowe parametry jakościowe węgla wymaga potwierdzenia laboratoryjnego.

Wydłużenie okresu inkubacji choćby dwukrotnie zasadniczo zmienia powyższe obliczenia: przy rygorystycznej kolejce w grupie ryzyka nie pozostaje nic. Negatywny wynik eksperymentu również podlega publikacji, ponieważ dla branży jest równie pouczający.

Próg roboczy dla terminala eksportowego

Rosyjskie normy określają próg natychmiastowych działań: sześćdziesiąt stopni lub wzrost temperatury o pięć stopni na dobę. Dla terminala wysyłającego węgiel drogą morską faktyczny próg jest niższy. Międzynarodowy kodeks morskiego przewozu stałych ładunków masowych zabrania przyjmowania na pokład węgla o temperaturze przekraczającej pięćdziesiąt pięć stopni. Zwału, który według norm składowych nie wymaga jeszcze natychmiastowych działań, statek już nie przyjmie, co oznacza postój, przestój (demurrage) i roszczenia ze strony kupującego. System kontroli warto zatem ustawić na pięćdziesiąt pięć stopni.

Należy również wziąć pod uwagę fakt, że tlenek węgla pojawia się wcześniej niż wzrost temperatury. Rosyjskie normy dotyczące składowisk nie przewidują kontroli gazowej. Przenośny detektor gazu przy powierzchni zwału jest niedrogi i ostrzega o rozwoju ogniska o kilka dób wcześniej niż lanca termometryczna.

Podsumowanie

Węgiel na składowisku nie jest biernym towarem oczekującym na wysyłkę. Jest to obiekt z własnym scenariuszem awaryjnym, który rozwija się powoli, niepostrzeżenie i bez niczyjej winy, a przez to łatwo umyka uwadze.

Podstawowe środki są przy tym proste i niedrogie: znać czas przebywania węgla na składowisku, wysyłać starsze partie w pierwszej kolejności, zagęszczać skarpy, wybierać ognisko zamiast go zalewać, stosować zraszanie, a nie zwarty strumień. Wymagają one nie inwestycji, lecz organizacji.

Branża przez dziesięciolecia badała zachowanie węgla w głębi ziemi. Zachowanie węgla na powierzchni, w zwałach o objętości milionów ton, jest zbadane znacznie gorzej i lukę tę będą musiały wypełnić same podmioty eksploatujące, w tym poprzez eksperymenty polowe na działających składowiskach.