Tomasz Klose, Norbert Sternisko, Krzysztof Augustyniak, Marek Wojtas

1. Wstęp

W ostatnich latach duże zainteresowanie wzbudza woda pompowana z wyrobisk i użytkowana w zakładach górniczych oraz wpływ wód pochodzących z odwadniania kopalń na biocenozę potoków i rzek. Trzydzieści lat temu polskie kopalnie węgla kamiennego, a było ich 65, pompowały ok. 1 mln m³/dobę wód dołowych [1]. Dzisiaj, przy 19 czynnych kopalniach, jest to wielokrotnie mniej, w samym PGG ok. 47 mln m³ rocznie, a ogólnie jest to około 90 mln m³ rocznie. Oczywiście skład chemiczny jest zapewne nieco inny niż przed trzydziestoma laty, gdyż sięgamy do głębszych pokładów, ale z drugiej strony znacznie lepsze opomiarowanie i skuteczne zarządzanie zrzutem wód oraz aktualne regulacje prawne pozwalają na lepsze gospodarowanie wodami zrzutowymi.

Dwadzieścia lat temu uważano, że wprowadzanie ciągłego monitoringu jakościowego dla wszystkich kopalń i całego sektora górniczego jest przedwczesne [2]. Jednakże postęp technologiczny oraz relatywnie niższe ceny pozwalają dzisiaj na zbudowanie takiego systemu, krok po kroku, dla poszczególnych spółek górniczych, a w kolejnym etapie dla całej branży.

Hydrotechniczna metoda ograniczania zrzutu wód słonych polegająca na czasowym gromadzeniu wód słonych w zbiornikach retencyjnych i późniejszym kontrolowanym zrzucie tych wód do rzek nadal jest podstawową metodą, ale ma ona swoje ograniczenia i uwarunkowania (chłonność, poziom wód w rzekach, warunki lokalne w poszczególnych kopalniach).

Kopalnie wyposażone są w systemy monitoringu nadzorujące rurociągi w różnych zakresach. Niektóre, jak np. KWK Piast Ziemowit Ruch Ziemowit posiadają system obejmujący zarówno monitoring rurociągów systemu przeciwpożarowego, jak i rurociągów odwadniających oraz wody pitnej. System w tym w przypadku obejmuje monitoring ok. 60 km rurociągów podziemnych oraz monitoring ilościowy i jakościowy wody tłoczonej na powierzchnię i do zbiorników retencyjnych. Precyzyjny monitoring rurociągów pozwala na zapewnienie parametrów instalacji dla celów technologicznych i bezpieczeństwa pożarowego kopalni. System umożliwia również wykrywanie stanów awaryjnych, monitoring poziomu wody w zbiornikach wyrównawczych, a pod względem hydrogeologicznym stosowany jest do bilansowania wód. Przepływomierze zainstalowane przy pompach realizują faktyczny pomiar ich wydajności, określenie ich sprawności, a tym samym pozwalają na diagnostykę wyprzedzającą przyszłe awarie oraz podjęcie działań zapobiegawczych [4].

W tematyce zrzutu wód pochodzących z odwadniania kopalń paradoksem jest fakt, że zmineralizowana woda, będąca zagrożeniem dla ekosystemów słodkowodnych, dla Bałtyku jest ożywcza i zbawienna, poprawiając niski wskaźnik zasolenia i natlenienia.

Dla poprawy jakości wód odprowadzanych z kopalni „Bolesław Śmiały”, firma Elsta Elektronika Sp. z o.o. zrealizowała projekt Układ optymalizacji parametrów fizykochemicznych wód dołowych wraz z systemem monitoringu i wizualizacji dla PGG S.A. Oddział KWK Bolesław Śmiały. W ramach projektu został wykonany nowy system monitoringu i wizualizacji wód dołowych w KWK „Bolesław Śmiały” o nazwie SYSMON, w którym istotnym elementem jest moduł optymalizujący parametry fizykochemiczne wody. Projekt był realizowany przy współpracy z firmami Elsta Sp. z o.o. oraz Urządzenia i Konstrukcje S.A.

2. Opis monitorowanego obiektu

KWK „Bolesław Śmiały” w Łaziskach Górnych jest jedną z najstarszych kopalń w Polsce, a jednocześnie najstarszym i największym zakładem przemysłowym na terenie miasta Łaziska Górne. Początki zorganizowanej eksploatacji złóż węgla w rejonie Łazisk datuje się od 1779 r., w którym została utworzona kopalnia „Szczęście Henryka”. Od tego czasu na terenie Łazisk powstawały liczne kopalnie. W efekcie ich łączenia powstała kopalnia „Zjednoczona Aleksander”, od 1945 r. funkcjonująca pod nazwą „Bolesław Śmiały”. W następnych latach zbudowana w takim kształcie kopalnia rozwijała się poprzez kolejne modernizacje. Od 2016 roku Kopalnia „Bolesław Śmiały” funkcjonuje w strukturach Polskiej Grupy Górniczej S.A. – największego producenta węgla kamiennego w Unii Europejskiej. Obecnie zatrudnienie wynosi ok. 1650 pracowników.

Kopalnia „Bolesław Śmiały” jest zakładem o bardzo dużym dopływie wód naturalnych. Dopływ wód naturalnych do kopalni w ostatnich latach wynosił od 16,1 do 17,1 m³ na minutę. Są to zarówno wody zmineralizowane jak i przemysłowe o różnej zawartości chlorków i siarczanów oraz stopniu zmineralizowania. Kopalnia ma jeden z najlepszych w polskim górnictwie wskaźników wykorzystania wód kopalnianych do celów gospodarczych, mimo że kopalnia jest zakładem o znacznym dopływie wody. Z podziemia na powierzchnię tłoczone jest prawie 9 mln m³ wody rocznie, ale do cieków powierzchniowych i rzeki Gostyni trafia zaledwie 9%. Zdecydowaną większość (ponad 86%) pobiera pobliska Elektrownia Łaziska, a prawie 6% wód wykorzystuje się do własnych celów, np. w górniczej łaźni. Przyczyną tak niskiego wskaźnika zrzutów, w stosunku do całkowitej ilości wody tłoczonej jest fakt, iż wody dopływające na wyższe podziemne poziomy 300 i 420 w Bolesławie Śmiałym odznaczają się wyjątkowo korzystną jakością – aż 80 proc. z nich to wody nisko zmineralizowane i niezasolone [5]. Ze względu na dużą ilość i dobrą jakość wody pod względem fizykochemicznym powstała koncepcja budowy nowej stacji uzdatniania wody na terenie kopalni [3]. Na rysunku 1 przedstawiono tę część schematu układu odwadniania KWK „Bolesław Śmiały”, której dotyczy zrealizowane zadanie.

W kopalni sprawnie funkcjonuje system odwadniania zakładu górniczego, który umożliwia selektywne ujmowanie i wypompowywanie wód dołowych słonych oraz wód o niższej mineralizacji, w tym słodkich. Warto też podkreślić, że woda dołowa, która do tej pory stanowiła wodę odpadową, a więc nienadającą się do użytku, po poddaniu procesowi uzdatnienia zmienia się w wodę będącą potencjalnym produktem rynkowy. Tym samym przynosi już teraz korzyści finansowe kopalni i przyczynia się do ochrony środowiska. W procesie kontrolowanych zrzutów wód pochodzących z odwadniania kopalni do cieków wodnych, jako zbiorniki retencyjne wykorzystywane są chodniki wodne na poz. 300 i 420, gdzie wody dołowe są magazynowane, a następnie w sposób kontrolowany zrzucane do rzeki. System ten umożliwia zachowanie akceptowalnego stężenia sumy chlorków i siarczanów podczas zrzutu wód. Właściwe zarządzanie retencjonowaniem i zrzutem wód, na podstawie monitorowanych parametrów, umożliwia prawidłową koordynację zrzutu wód. Kopalnia posiada pozwolenie wodnoprawne na odprowadzanie wód dołowych do cieków powierzchniowych i spełnia warunki zawarte w tym pozwoleniu. W kwestii ochrony wód powierzchniowych spełniane są obowiązujące przepisy prawa, a często dokonywane są analizy środowiskowe wykraczające poza obligatoryjne normy.

W KWK „Bolesław Śmiały”, przy współpracy z Akademią Górniczo-Hutniczą i Głównym Instytutem Górnictwa, powstał projekt tłoczenia czystych wód kopalnianych z ujęcia na poziomie 300 do miejskich wodociągów na potrzeby mieszkańców Łazisk Górnych [5].

3. Budowa układu optymalizacji parametrów fizykochemicznych wód dołowych

Układ optymalizacji parametrów fizykochemicznych wód dołowych w KWK „Bolesław Śmiały” został zaprojektowany i wykonany w celu uzyskania właściwych parametrów wód zrzutowych w okresach, gdy Elektrownia Łaziska nie dokonuje zrzutu. W skład układu wchodzą: przetworniki ciśnienia, czujniki konduktywności i odczyn pH, zasuwa sterowana elektromechanicznie, pompa sterowana za pośrednictwem przemiennika częstotliwości, kompensatory, filtr, zawory odpowietrzająco-napowietrzające, zawory zwrotne i inna armatura.

Poniżej, na rysunku 2 zaprezentowano schemat układu optymalizacji, który pozwala na rozbudowę w przyszłości o kolejną część zwiększającą wydajność układu.

Układ sterowania

W układzie sterowania zastosowano sterownik PLC Simatic S7, zabudowany w szafce wraz z panelem operatorskim. Do szafki doprowadzono sygnały analogowe od czujników ciśnienia, odczyn pH, konduktywności, stopnia otwarcia zasuwy, zadanej częstotliwości przemiennika, a także sygnały cyfrowe sygnalizacyjne i sterujące. Widok szafki przedstawiono na rys. 3, a na rys. 4 zaprezentowano panel operatorski z ekranem synoptycznym układu optymalizacji. Sterownik podłączono do istniejącego systemu nadzoru przy wykorzystaniu protokołu PROFIBUS DP.

Zastosowane rozwiązania techniczne

• Zasilanie sterownika PLC z podtrzymaniem bateryjnym.
• Sondy konduktywności i pH podłączone do jednego przetwornika.
• Kontrola ciśnień wody przemysłowej przed i za filtrem w celu kontroli filtra oraz za pompą i zasuwą.
• Protokoły komunikacyjne: PROFIBUS DP oraz MODBUS TCP.
• Sterowanie ręczne lokalne i automatyczne pompą, gdzie celem jest uzyskanie zadanego poziomu konduktywności.
• Sterowanie zdalne z komputera (pompa, zasuwa) dla uprawnionych użytkowników.
• Zasuwa z napędem AUMA oraz elektronicznym nadajnikiem położenia, wyłączniki krańcowe, sygnalizacja przeciążeń, grzałka antykondensacyjna.
• Oprogramowanie wizualizacyjne oparte o webserwer.

System wizualizacji

Wizualizacja została zbudowana w oparciu o serwer www. Dane z systemu rejestrowane są w bazie danych na serwerze. Na komputerach użytkowników, z zachowaniem zasad cyberbezpieczeństwa, prezentacja danych i stanu systemu odbywa się poprzez interfejs graficzny dostępny w przeglądarce internetowej, umożliwiający monitorowanie i zarządzanie procesem. Na rysunku 5 przedstawiono schemat blokowy systemu.

Wizualizacja daje możliwość śledzenia procesu w czasie rzeczywistym na ekranie synoptycznym, pozwala również na zdalny dostęp do zdarzeń i alarmów, śledzenie trendów bieżących i historycznych. Aplikacja umożliwia uprawnionym użytkownikom analizę danych oraz zdalne załączanie automatycznego układu optymalizacji parametrów.

Podłączenie do wizualizacji części parametrów istniejącego systemu akwizycji danych pozwala na rejestrację przepływu i ciśnienia w rurociągu wody zmineralizowanej, a także na dostosowanie wydajności pompy do potrzeb wynikających z jednoczesnej pracy pompowni w Elektrowni Łaziska i pompowni kopalnianej. Na rysunku 6 przedstawiono podstawowy ekran aplikacji wizualizacyjnej, który służy do śledzenia procesu oraz ewentualnego załączania/wyłączania automatycznego działania układu przez uprawnionego operatora.

Efekty działania układu optymalizacji

Na poniższych wykresach (rys. 7, 8) pokazano działanie układu optymalizacji przy nastawie przemiennika 28 Hz i otwarciu zasuwy na 100%. Efektem jest spadek konduktywności wody zoptymalizowanej z poziomu około 30 mS do poziomu poniżej 15 mS.

Na kolejnych wykresach (rys. 9, 10) pokazano działanie układu optymalizacji przy nastawie przemiennika 30 Hz i otwarciu zasuwy na 100%. Efektem jest spadek konduktywności wody zoptymalizowanej z poziomu ponad 30 mS do wartości poniżej 10 mS.

Wymagania prawne

Przedmiot zamówienia został zrealizowany zgodnie z obowiązującymi przepisami prawa, a w szczególności:

1. Ustawa z dnia 9 czerwca 2011 r. Prawo górnicze i geologiczne (Dz.U. 2024 r. poz. 1290) i wynikające z niej rozporządzenia,
2. Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 30 kwietnia 2004  r. w sprawie dopuszczania wyrobów do stosowania w zakładach górniczych. (Dz. U. Nr 99, poz. 1003 z późniejszymi zmianami),
3. Rozporządzenie Ministra Energii z dnia 23 listopada 2016 r. w sprawie szczegółowych wymagań dotyczących prowadzenia ruchu podziemnych zakładów górniczych” (Dz.U. poz. 1118 z dnia 9 czerwca 2017 r.).
4. Ustawa Prawo wodne z dnia 20 lipca 2017r. (tekst jednolity Dz.U. z 2025r. poz. 960 z późn. zm.),
5. Rozporządzenie Ministra Gospodarki Morskiej i Żeglugi Śródlądowej z dnia 12 lipca 2019 r. w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego oraz warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu do wód lub do ziemi ścieków, a także przy odprowadzaniu wód opadowych lub roztopowych do wód lub do urządzeń wodnych (Dz.U. 2019 poz. 1311),
6. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 30 października 2002 r. w sprawie minimalnych wymagań dotyczących bezpieczeństwa i higieny pracy w zakresie użytkowania maszyn przez pracowników podczas pracy,
7. Rozporządzenie Ministra Rozwoju z dnia 2 czerwca 2016 r. w sprawie wymagań dla sprzętu elektrycznego, Dz.U. 2016 poz. 806,
   Ustawa z dnia 30 sierpnia 2002 r. o systemie oceny zgodności. (tekst jedn. Dz. U. 2021 poz. 1344),
8. Rozporządzenie Ministra Klimatu i Środowiska z dnia 1 lipca 2022 r. w sprawie szczegółowych zasad stwierdzania posiadania kwalifikacji przez osoby zajmujące się eksploatacją urządzeń, instalacji i sieci (Dz.U. 2022 poz. 1392).

W tej dziedzinie istotne są również inne akty prawne, m.in.:

1. Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. – Prawo ochrony środowiska (tekst jedn. Dz.U. z 2025 r. poz. 647 z późn. zm.)
2. Ustawa z dnia 16 kwietnia 2004 r. o ochronie przyrody (tekst jedn. Dz. U. z 2024 r. poz. 1478 późn. zm.)
3. Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 10 września 2019 r. w sprawie przedsięwzięć mogących znacząco oddziaływać na środowisko (Dz. U. z 2019, poz. 1839 z późn. zm.)
4. Rozporządzenie Ministra Gospodarki Morskiej i Żeglugi Śródlądowej z dnia 8 lipca 2019 r. w sprawie dopuszczalnych mas substancji zanieczyszczających, które mogą być odprowadzane w ściekach przemysłowych (Dz. U. z 2019 r. poz. 1300)
5. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 4 listopada 2022 r. w sprawie Planu gospodarowania wodami na obszarze dorzeczna Wisły (Dz. U. z 2023 r. poz. 300)
6. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 18 października 2022 r. w sprawie przyjęcia Planu zarządzania ryzykiem powodziowym dla obszaru dorzecza Wisły
7. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 15 lipca 2021 r. w sprawie przyjęcia Planu przeciwdziałania skutkom suszy
8. Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 11 grudnia 2017 r. w sprawie przyjęcia Krajowego programu ochrony wód morskich (Dz. U. z 2017 r. poz. 2469)
9. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 25 lutego 2021 r. w sprawie przyjęcia aktualnego zestawu celów środowiskowych dla wód morskich (Dz. U. z 2021r., poz. 569)
10. Uchwała nr 79 Rady Ministrów z dnia 14 czerwca 2016 r. w sprawie przyjęcia Założeń do planów rozwoju śródlądowych dróg wodnych w Polsce na lata 2016–2020 z perspektywą do roku 2030 (M.P. z 2016 r. poz. 711)
11. Obwieszczenie Ministra Infrastruktury z dnia 17 marca 2023 r. w sprawie ogłoszenia krajowego programu oczyszczenia ścieków komunalnych (M.P. z 2023 r., poz. 503)
12. PN-HD 60364-4-41:2017 – Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa – Ochrona przed porażeniem elektrycznym,
13. PN-HD 60364-5-52:2011 – Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Część 5-52: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego – Oprzewodowanie.
14. PN-EN 61439-1:2021 – Rozdzielnice i sterownice niskonapięciowe – Część 1: Postanowienia ogólne.
15. PN-EN 60204-1:2018 – Bezpieczeństwo maszyn – Wyposażenie elektryczne maszyn– Część 1: Wymagania ogólne.

Wnioski

• Systemy ciągłego monitorowania wód dołowych zarówno ilościowego jak i jakościowego, umożliwiają realizację sterowania, dodanie monitoringu jakościowego nie wiąże się z dużymi nakładami finansowymi – infrastruktura systemów monitoringu powinna pozwalać na dołączenie przetworników i sond do pomiarów jakościowych.
• Ciągły monitoring umożliwia wykorzystanie wód nie tylko do celów przemysłowych, ale również do celów bytowych i spożywczych, jako wody pitnej w zależności od uzyskanych parametrów badanej wody. Daje to również dodatkowe, sparametryzowane źródło wody na wypadek katastrofy ekologicznej w zbiornikach otwartych np. podczas powodzi lub innych zdarzeń i zapewne takie źródło mogłoby zostać zaliczone do infrastruktury krytycznej.
• Aktualnie wody dołowe są prawnie traktowane jako ścieki, wiele z nich to wody słodkie, które po uzdatnieniu można wykorzystać w inny sposób.
• Zastosowanie lokalnego sterowania i optymalizacja składu chemicznego zrzucanych wód, tam gdzie to jest możliwe i celowe, poprawia skuteczność zarządzania wodą.
• Kontrolne ,okresowe, analizy fizykochemiczne wykonywane w laboratoriach umożliwiają precyzyjny pomiar parametrów wód zrzutowych, lecz ich wadą jest czas realizacji pomiaru, a wynik analizy jest fotografią z chwili pobrania próbki. System monitorujący w czasie rzeczywistym pozwala na szybszą reakcję w zależności od zaistniałych warunków i daje ciągłość pomiaru parametrów.
• Nadrzędny system monitorująco-dozujący, obejmujący cały sektor górnictwa na Śląsku, nadzorujący zrzut wód do zlewni poszczególnych rzek, zwiększyłby efektywność metody hydrotechnicznej. System taki był postulowany w opracowaniu pt. Potrzeba wdrożenia zintegrowanego systemu monitorowania i dozowania wód kopalnianych do rzeki Wisły z 2014 r. [1], ale nadal brak nawet projektu takiego systemu. Najważniejszym elementem systemu byłby moduł decyzyjno–sterujący, a bez wiarygodnych danych z monitoringu wód ze wszystkich kopalń, precyzyjne zarządzanie zrzutem nie będzie możliwe. Aby taki system mógł powstać niezbędne jest stworzenie spójnych, integrowalnych systemów monitorujących zarówno ilościowo jak i jakościowo zrzut wód na wszystkich kopalniach. Niezbędne jest opracowanie szczegółowej specyfikacji wymagań dla takiego systemu, by na tej podstawie opracować zarówno projekt systemu jak i wymagania dotyczące interfejsów wymiany danych z istniejącymi, lokalnymi lub aktualnie budowanymi systemami monitoringu, zapewniając spójność, możliwość integracji systemów monitorujących zarówno ilościowo jak i jakościowo zrzut wód dla każdej z kopalń.
• Nie ma konieczności jednorazowej, wielkiej inwestycji w system obejmujący całą branżę, system można budować etapami, wykorzystując istniejącą infrastrukturę oraz już funkcjonujące systemy monitoringu. Jednakże istnieje konieczność opracowania precyzyjnych założeń i wymagań dla nadrzędnego systemu monitorująco-dozującego, by wszystkie istniejące i budowane aktualnie oraz w najbliższej przyszłości, lokalne systemy były dostosowane do włączenia do nadrzędnego systemu monitorująco-dozującego. Do budowy systemu nie jest niezbędne wykorzystywanie sztucznej inteligencji (SI), ani oczekiwanie aż wystąpi osobliwość technologiczna (hipotetyczny punkt w przyszłym rozwoju cywilizacji, w którym SI uzyska świadomość) – wystarczy samouczący się system zbudowany w oparciu o sieci neuronowe.

Literatura

1. Gruszczyński S., Motyka J., Mikołajczak J., Kasprzak A.: Potrzeba wdrożenia zintegrowanego systemu monitorowania i dozowania wód kopalnianych do rzeki Wisły. Przegląd Górniczy 2014, 8: 142‒149.
2. Lach R., Łabaj P., Bondaruk J., Magdziorz A.: Monitoring wód kopalnianych odprowadzanych do rzek. Prace Naukowe GIG Górnictwo i Środowisko, Kwartalnik 2006, 1: 97–115.
3. Kajetan Berezowski Łaziska kopalnia posiada koncepcję wykonania instalacji wraz z przyłączem do sieci na powierzchni. Maj 2023. Trybuna Górnicza.
4. Wąs G., Kluska A., Sobolowski M., Garbacz M., Pałka M., Wojtas M.: Underground Water Monitoring and Visualisation System at Piast-Ziemowit Hard Coal Mine, Ziemowit Operation / System monitoringu i wizualizacji wód dołowych w KWK Piast-Ziemowit Ruch Ziemowit. opublikowane w czasopiśmie MINING – Informatics, Automation and Electrical Engineering No. 4(552) 2022/ ISSN 2450-7326.
5. https://www.pgg.pl/strefa-korporacyjna/aktualnosci/1355/Woda-w-kranach-z-kopalni-Boleslaw-Smialy.

Tomasz Klose, Norbert Sternisko
PGG S.A. Oddział KWK „Bolesław Śmiały”
Krzysztof Augustyniak, Marek Wojtas
Elsta Elektronika Sp. z o.o.