The effectiveness of the methane drainage of rock-mass with a U ventilation system

• Autorzy: Szlązak N. , Swolkień J.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amsc-2016-0044

Warianty tytułu

PL

Efektywność odmetanowania górotworu przy systemie przewietrzania U od granic

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Methane drainage is used in Polish coal mines in order to reduce mine methane emission as well as to keep methane concentration in mine workings at safe levels. The article describes the method of methane drainage used in longwall D-2 in seam 410. In Poland, coal seams are frequently mined under difficult geological conditions in the roof and in the presence of very high methane hazard. In such situations, mines usually use a system with roof caving and a U ventilation system, which means that methane is drawn off from a tail entry behind the longwall front. In this system, boreholes are drilled from a tailgate and methane is drawn off from behind longwall face. The article shows the influence of a specific ventilation system on the drainage efficiency at longwall D-2 in seam 410. At this longwall, measurements of methane emission and the efficiency of methane capture were conducted. They consisted in gauging methane concentration, air velocity, absolute air pressure and the amount of methane captured by the drainage system. Experimental data were used to estimate the variations in absolute methane-bearing capacity and ventilation methane, and – most importantly – to gauge the efficiency of methane drainage.

PL

Metan występujący w pokładach węgla kamiennego stanowi poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa w podziemnych zakładach górniczych. Ograniczenie wypływu metanu do przestrzeni wyrobisk górniczych, w celu niedopuszczenia do przekroczenia dopuszczalnych przepisami górniczymi stężeń metanu w powietrzu przepływającym przez wyrobiska, narzuca stosowanie środków zapobiegających powstaniu zagrożenia w postaci odmetanowania górotworu. Umożliwia ono ograniczenie wypływu metanu do przestrzeni roboczej oraz odsunięcie najwyższych stężeń metanu w głąb przestrzeni zrobowej (Roszkowski i Szlązak, 1999; Szlązak i Korzec, 2010; Szlązak i Kubaczka, 2012; Skotniczy, 2013). Skuteczne odmetanowanie węgla w podziemnych wyrobiskach górniczych nie tylko poprawia bezpieczeństwo, ale również zwiększa wydobycie z wyrobisk eksploatacyjnych (Szlązak i Korzec, 2010; Szlązak i Kubaczka, 2012; Berger i in., 2010). W Polsce, roku 2012, eksploatacja prowadzona była w 31 kopalniach, z czego w 21 stwierdzono i rejestrowano wydzielanie metanu, a 15 z nich prowadziło eksploatację w warunkach IV najwyższej kategorii zagrożenia metanowego (Główny Instytut Górnictwa, 2013). W trzech kopalniach prowadzono eksploatację pokładów metanowych jednak nie rejestrowano wydzielania metanu. Obniżanie zagrożenia metanowego poprzez odmetanowanie pokładów przyczynia się do poprawy bezpieczeństwa załóg górniczych oraz ciągłości pracy maszyn zmniejszając liczbę postojów maszyn w wyniku wyłączeń energii elektrycznej po przekroczeniu wartości krytycznych stężenia metanu. Efektywne systemy odmetanowania to także możliwość pozyskiwania metanu, jako naturalnego źródła energii, ale również ograniczanie ujemnych skutków na środowisko naturalne wynikających z odprowadzania metanu do atmosfery. W artykule opisano metodę odmetanowania górotworu przy wykorzystaniu sytemu przewietrzania U. Jako przykład przedstawiono ścianę D-2 w pokładzie 410. Eksploatacja ściany D-2 prowadzona była w rozpoznanej partii złoża na głębokości od 888 m do 1047 m, w pokładzie 410 o miąższości od 1,2-2,2 m. Mapę pokładu 410 wraz z lokalizacją ściany D-2 przedstawiono na rysunku 1. Maksymalna zmierzona metanonośność pokładu 410 wynosiła 9,508 m3CH4/Mg csw. Prognoza metanowości bezwzględnej ściany D-2 w pokładzie 410 przewidywała maksymalne wydzielanie się metanu w ilości 36,78 m3/min. przy postępie 7,25 m/d (wydobycie 3000 Mg/dobę). Udział poszczególnych warstw w wydzielaniu metanu przedstawia się następująco: z pokładu wybieranego – 25%, z warstw podbieranych – 42%, z warstw nadbieranych – 33%. Ściana D-2 w pokładzie 410 przewietrzana była systemem U z doświeżaniem za pomocą wentylatora i lutniociągu. Powietrze do ściany D-2 w pokładzie 410 w ilości ok. 1500 m3/min doprowadzone było chodnikiem nadścianowym D-2. Dodatkowo w rejon skrzyżowania wylotu ze ściany D-2 z chodnikiem podścianowym D-2, za pomocą lutniociągu doprowadzone było około 500 m3/min. W przypadku odmetanowywania pokładów sąsiednich niezbędne jest określenie strefy desorpcji wywołanej eksploatacją ściany. Otwory drenażowe powinny być zlokalizowane tak, aby znajdowały się w strefie odprężonej, natomiast nie przecinały strefy zawału bezpośredniego. W polskich warunkach geologicznych dobre wyniki daje wyznaczanie kątów nachylenia otworów drenażowych zgodne z pracą (Flügge, 1971), a przedstawionych na Rys. 2. Rozmieszczenie otworów drenażowych w rejonie badanej ściany przedstawiono na rysunku 4 ich parametry techniczne zaś w tabeli 1. Parametry techniczne planowanych otworów drenażowych z chodnika nadścianowego i podścianowego D-2 przedstawiono w tabelach 2 i 3. Celem artykułu było pokazanie jaki wpływ na efektywność odmetanowania ściany D-2 w pokładzie 410 miał dobór systemu przewietrzania U. W ścianie D-2 w pokładzie 410 przeprowadzono badania wydzielania metanu i jego ujęcia systemem odmetanowania. Badania polegały na pomiarach stężenia metanu, prędkości powietrza, ciśnienia barometrycznego i ilości ujmowanego metanu systemem odmetanowania. Pomiary prowadzono w oparciu o czujniki metanometryczne i prędkości powietrza umieszczone w ścianie D-2 w pokładzie 410. Rozmieszczenie czujników przedstawiono na rysunku 6. Niezależnie od tego dokumentowano postęp i wielkość dobowego wydobycia ze ściany. Czujniki, na podstawie których określano stężenia metanu kontrolowane były okresowo poprzez porównanie ich wskazań z mieszankami wzorcowymi, natomiast czujniki prędkości powietrza sprawdzano poprzez porównywanie ich wskazań z pomiarami chwilowymi wykonywanymi w miejscu ich zabudowy anemometrami ręcznymi. Badania prowadzono w okresie od 01.04.2013 roku do końca października (28.10.) 2013 roku. W omawianym czasie, na podstawie pomiarów, dokonano bilansu dziennego ilości wydzielającego się metanu w rejonie eksploatacji. Jednocześnie obliczono dzienną wielkość wydobycia, postępu i wybiegu ściany. Dodatkowo w zadanym okresie czasu określono przebiegi zmian stężenia metanu na czujnikach metanometrycznych, prędkości i ciśnienia barometrycznego na wylocie z rejonu. Numery czujników, na podstawie których dokonywano obliczeń oraz ich lokalizację przedstawiono w tabeli 4. Uzyskane dane oraz ilość metanu ujęta odmetanowaniem posłużyły do określenia przebiegu zmienności metanowości wentylacyjnej, bezwzględnej, a także określenia efektywności odmetanowania (Rys. 7-10). W celu przeprowadzenia oceny statystycznej wyników sporządzono wykresy ramkowe wyznaczonych na podstawie pomiarów wielkości na wybiegu eksploatowanych ścian (Rys. 11-13). Dodatkowo dla ściany wykreślono zależność wydobycia od wybiegu (Rys. 14). Analiza statystyczna obejmowała również określenie przebiegu zmienności ilości metanu ujętego odmetanowaniem i jego efektywności od wydobycia (Rys. 15, 16) i od metanowości bezwzględnej (Rys. 17 i 18), a także efektywności odmetanowania od metanowości wentylacyjnej (Rys. 19), stężenia metanu od odmetanowania (Rys. 20) i ilości metanu ujętej odmetanowaniem od ciśnienia barometrycznego powietrza (Rys. 21). Przeprowadzone obserwacje w rejonie ściany D-2 prowadzonej systemem U od granic pozwalają na następujące stwierdzenia: W trakcie biegu ściany zmianie ulega wydatek ujmowanego metanu oraz efektywność odmetanowania. Na etapie rozruchu ściany zarówno metanowość bezwzględna, jak również ilość metanu ujmowanego przez odmetanowanie uzyskiwały niższe wartości. Po okresie rozruchu ściany parametry te wzrastały i utrzymywały się na względnie stałym poziomie w czasie eksploatacji ściany. Wzrosła również efektywność odmetanowania. W czasie prowadzenia ściany stwierdzono wzrost ujęcia metanu systemem odmetanowania wraz z narastaniem metanowości bezwzględnej w rejonie. Zmiany wydobycia nie wpływały jednak na zmiany wydatku ujmowanego metanu. Analiza zmiany ilości ujmowanego metanu na tle zmian ciśnienie powietrza mierzonego w wyrobiskach nie wykazała zmian ilości metanu ujmowanego przez system odmetanowania. Ilość metanu ujęta systemem odmetanowania w całym badanym okresie utrzymywała się na stałym poziomie. Ten system odmetanowania nie jest czuły na zmiany ciśnienia powietrza. Otwory drenażowe nie posiadają bezpośredniego połączenia ze strefą oddziaływania otworów.

Słowa kluczowe

EN

methane drainage; ventilation system; effectiveness of methane drainage; methane hazard

PL

odmetanowanie; system przewietrzania U; efektywność odmetanowania; zagrożenie metanowe

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 61, no. 3
• Strony: 617--634
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Szlązak N.

• AGH University of Mining and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Swolkień J.

• AGH University of Mining and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Berger J., Markiewicz J., Dołęga T., 2010. Influence of Distance of Exploitational Front from Drainage Boreholes on their Efficiency with Use of the U Ventilation System. Archives of Mining Sciences, Vol. 55, No 3, p. 561-571.
• [2] Flügge G., 1971. Die Anwendung der Trogtheorie auf den Raum der Zusatzausgasung. Glückauf Forchungshefte, 32.
• [3] Główny Instytut Górnictwa, 2013. Raporty roczne o stanie podstawowych zagrożeń naturalnych i technicznych w górnictwie węgla kamiennego [Annual reports on the natural and technological hazards in hard coal mining 2002-2012.
• [4] Roszkowski J., Szlązak N., 1999. Wybrane problemy odmetanowania kopalń węgla kamiennego [Selected aspects of methane drainage in hard coal mines]. Kraków: Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne.
• [5] Skotniczy P., 2013. Three-dimensional numerical simulation of the mass exchange between longwall headings and goafs, in the presence of methane drainage in a U-type ventilated longwall. Archives of Mining Sciences, Vol. 58, No 3, p. 705-718.
• [6] Szlązak J., Szlązak N., 2004. Dobór systemu przewietrzania ściany w aspekcie występujących zagrożeń naturalnych [Choosing a longwall ventilation system in the context of natural hazards]. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie [a monthly published by the State Mining Authority] 9.
• [7] Szlązak N., Borowski M., Obracaj D., 2008. Kierunki zmian w systemach przewietrzania ścian eksploatacyjnych z uwagi na zwalczanie zagrożeń wentylacyjnych [Trends in modifying ventilation systems in longwalls in the context of preventing hazards related to ventilation]. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, 24.
• [8] Szlązak N., Korzec M., 2010. Zagrożenie metanowe oraz jego profilaktyka w aspekcie wykorzystania metanu w polskich kopalniach węgla kamiennego [Methane hazard and its prevention in the context of utilizing methane in Polish hard coal mines]. Górnictwo i Geoinżynieria, 34.
• [9] Szlązak N., Kubaczka C., 2012. Impact of coal output concentration on methane emission to longwall faces. Archives of Mining Sciences, Vol. 57, No 1, p. 3-21.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę