Stereological and profilometry methods in detection of structural deformations in coal samples collected from the rock and outburst zone in the "Zofiówka" Colliery

• Autorzy: Młynarczuk M. , Wierzbicki M.

Warianty tytułu

PL

Metody stereologiczna i profilometryczna wykrywania zaburzeń strukturalnych węgli kamiennych na przykładzie prób pobranych z rejonu wyrzutu skalno-gazowego w KWK "Zofiówka"

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Deformations of coal structure affect the major parameters of the gas-coal system, such as gas bearing capacity, desorption kinetics or cohesion. Those factors, in turn, determine the methane hazard and rock and gas outburst conditions in collieries. To get a better insight into these phenomena, coal samples were collected from the side walls in the coal and methane outburst zone in a loading gate D-6 on the coal seam 409/4 in the "Zofiówka" Colliery (Poland). The samples were analysed to identify and describe structurally deformed coals. The stereological analysis revealed the presence of sheared and fi ssured coal in the region adjacent to the fault in an end gate and to a cavern produced during an outburst. Such coal structure encourages gas accumulation and prompts quick gas release in the condition of sudden pressure changes. This study briefly outlines the new measurement method enabling us to detect coals with this structure. The method makes use of laser profi lometry to analyse the morphology of the coal sample surfaces. It appears that the method is adequate to detect the zones of structurally deformed coal. Unlike stereological methods, the new method does not require extensive preparations or lengthy calculation procedures, which appears to be its major advantage.

PL

Analiza literaturowa publikacji dotyczących wyrzutów gazów i skał wskazuje, że jednym z istotnych czynników wpływających na wzrost zagrożenia metanowego i wyrzutowego jest występowanie węgla o strukturze odmienionej (przetartej, zmylonityzowanej). Węgle te charakteryzują się gęstą siecią spękań wewnętrznych, rozbudowaną strukturą, małą zwięzłością i wysoką pojemnością gazową. Aktualnie brak jest efektywnych metod wykrywania tego typu struktur. Występowanie węgla odmienionego strukturalnie było jedną z przyczyn wystąpienia wyrzutu metanu i skał w KWK "Zofiówka" w roku 2005 (Jakubów i in. 2006). W pracy przedstawiono dwie metody wykrycia i opisu węgla o strukturze przetartej a przedstawione wyniki dotyczą badań wykonanych na próbkach węglowych pobranych w rejonie uskoku, w bezpośrednim sąsiedztwie kawerny wyrzutowej w KWK "Zofiówka"- rys. 1. Dla każdej próbki przeprowadzono analizę punktową w trakcie której identyfikowano ślady następujących obiektów: kleju, witrynitu (V), inertynitu oraz liptynitu, (I+L), mylonitu (M), spękań na witrynicie (Fr(V)), spękań na inertynicie oraz liptynicie (Fr(I+L)), spękań na mylonicie (Fr(M)) oraz substancji nieorganicznych (N). Przykłady węgla nieodmienionego strukturalnie oraz węgla zmylonityzowanego pokazano na rys. 2. Wyniki analizy stereologicznej przeprowadzonej dla wszystkich pobranych próbek węgla prezentuje tabela 1. Próby pobrane w bezpośrednim sąsiedztwie uskoku i kawerny powyrzutowej charakteryzuje duży udział objętościowy mylonitu. W pozostałych próbkach węgla, mylonit występuje jedynie w ilościach śladowych. Udział mylonitu w całości substancji węglowej widocznej na poszczególnych zgładach pokazano na wykresie z rys. 3. Obliczono również gęstość spękań na węglu odmienionym (mylonicie) oraz na całej strukturze węgla. Wyniki obliczone ze wzorów (1-2) przedstawione w tabeli 2 pokazują, że węgiel pobrany w rejonie szczeliny uskokowej posiada o rząd większą ilość spękań niż węgiel pobrany w pewnej odległości od niej. Druga, nowo zaproponowana metoda, oparta jest na wykorzystaniu profilometrii laserowej w celu analizy ukształtowania powierzchni próbek węgla. Do odwzorowania powierzchni z opisanych uprzednio próbek węglowych użyto profilomierz laserowy zaprojektowany i zestawiony w Instytucie Mechaniki Górotworu Polskiej Akademii Nauk (Młynarczuk, 2004). Zmierzono pola o wielkości 256x256 punktów oddalonych od siebie o 20 m. W celu wyróżnienia składowej chropowatości zmierzonych powierzchni, otrzymane dane filtrowano filtrami sekwencyjnymi przemiennym o rozmiarze 10 punktów (200 m). W prezentowanych badaniach użyto odmiany wariogramu zwanej madogramem (Emery, 2005), zdefiniowanej równaniami (7) i (8) . Na rysunku 4 pokazano wykresy madogramów dla badanych węgli. Progi madogramów dla węgli o strukturze odmienionej plasują się poniżej madogramów dla węgli nieodmienionych. Nieco odmienny jest madogram próbki L4 związany jest prawdopodobnie z występowaniem dużych ilości wtrąceń substancji nieorganicznych (patrz tabela 1). Jeżeli wyeliminujemy tą próbkę z madogramu (rys. 5), różnice pomiędzy węglami odmienionymi strukturalnie a nienaruszonymi stają się dużo bardziej widoczne. Wykazano, że metoda ta doprowadzić może do wykrycia stref węgla o strukturze przetartej. Jej zaletą jest fakt, że nie wymaga ona długiego etapu przygotowawczego i żmudnych zliczeń jak ma to miejsce we wspomnianej wcześniej analizie stereologicznej. Tego typu badania, przy zastosowaniu odpowiedniego (iskrobezpiecznego) sprzętu można wykonać bezpośrednio na ociosie, lub np. w otworach wyprzedzających. Autorzy uważają, że proponowane badania strukturalne węgla mogą być przydatne w prognozowaniu i ocenie stanu zagrożenia metanowego oraz wyrzutami metanu i skał dlatego też wymagają one dalszego rozwinięcia.

Słowa kluczowe

EN

mylonitic coal; methane hazard; rock and gas outburst hazard; stereology; profilometry

PL

węgiel zmylonityzowany; zagrożenie metanowe; zagrożenie wyrzutami węgla i gazu; stereologia; profilometria

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 54, no 2
• Strony: 189--201
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Młynarczuk M.

autor

Wierzbicki M.

• Strata Mechanics Research Institute of The Polish Academy of Sciences, Reymonta 27 Str. 30-059 Krakow, Poland,

Bibliografia

• Beamish B., Crosdale P.J., 1998. Instantaneous outbursts in underground coal mines: An overview and association with coal type, International Journal of Coal Geology, 35. 27-55.
• Bibler C.J., Marshall J.S., Pilcher R.C., 1998. Status of worldwide coal mine methane emissions and use, International Journal of Coal Geology 35, 1998. 283-310.
• Bodziony J., Kraj W., Ratajczak T., 1990. Zastosowanie stereologii w badaniach struktury węgli dolnośląskich, (w:) Górotwór jako ośrodek wielofazowy – wyrzuty skalno-gazowe, red. J. Litwiniszyn, Wyd. AGH Kraków.
• Branny M., Filipek W., 2008. Numerical simulation of ventilation of blind drifts with a force-exhaust overlap system In the condition of methan and dust hazards, Archives of Mining Sciences, vol. 53, no. 2 s. 221-234.
• Cao Y., He D., Glick D.C., 2001. Coal and gas outbursts in footwalls of reverse faults, International Journal of Coal Geology, 48, 47- 63.
• Cao Y., Mitchell G.D., Davis A., Wang D., 2000. Deformation metamorphism of bituminous and anthracite coals from China, International Journal of Coal Geology, 43, 227-242.
• Chen C.C.A. Liu W.C. Duffie N.A., 1988. A Surface Topography Model for Automated Surface Finishing, Int. J. Mach. Tools Manufact., vol. 38, pp. 543-550.
• Chen Q., Yang S., Li Z., 1999. Surface roughness evaluation by using wavelets analysis, Precision Engineering 23, 209-212.
• Emery X., 2005: Variograms of Order ?: A Tool to Validate a Bivariate Distribution Model, Math. Geol. vol. 37, No. 2: 163-181.
• Gurau L., Mansfield-Williams H., Irle M., 2006. Filtering the roughness of a sanded wood surface, Holz als Roh- und Werkstoff 64: 363-371.
• Hargraves, A.J., 1983. Instantaneous outbursts of coal and gas: a review. Proc. Australas. Inst. Min. Metall. 285 (3) 1-37.
• Hargraves, A.J., 1993. Update on instantaneous outbursts of coal and gas, Proc. Australas, Inst. Min. Metall. 2, 3-17.
• Hocheng H., Hsieh M.L., 2004. Signal analysis of surface roughness in diamond turning of lens molds, International Journal of Machine Tools & Manufacture 44, 1607-1618.
• Jakubów A., Tor A., Wierzbicki M., 2006. Własności strukturalne węgla w rejonie wyrzutu węgla i gazu w chodniku transportowym D-6 pokład 409/4 KWK „Zofiówka”, Konferencja Naukowo-Techniczna „Górnicze Zagrożenia Naturalne”.
• Kwaśniewski M., Wang J.A., 1997. Surface roughness evolution and mechanical behavior of rock joints under shear, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 34(3/4):709.
• Lamberson, M.N., Bustin, R.M., 1993. Coalbed methane characteristics of Gates Formation coals, Northeastern British Colombia: effect of maceral composition, American Association of Petroleum Geologists Bulletin 77, 2062-2076.
• Lama R.D. Bodziony J., 1996. Outbursts of gas, coal and rock In under grand coal mines, R.D.Lama and Associates, Wolongong NSW, Australia.
• Li H., Ogawa Y., Shimada S., 2003. Mechanism of methane flow through sheared coals and its role in methane recovery, Fuel 82, 1271-1279.
• Młynarczuk M., 2004. Możliwości wykorzystania analizy obrazu i morfologii matematycznej do analizy stereologicznej struktur skalnych, Archives of Mining Sciences, vol. 49, s. 117-140.
• PN-EN ISO 4287. Struktura geometryczna powierzchni: metoda profilowa. Terminy, definicje i parametry struktury geometrycznej powierzchni.
• PN-ISO 7404-3. Metody analizy petrograficznej węgla kamiennego (bitumicznego) i antracytu. Metoda oznaczania składu grup macerałów.
• Serra J., 1988. Alternating sequential Filters, Image Analysis and Mathematical Morphology, Volume II, Theoretical Advances, ed. J. Serra, Academic Press.
• Shepherd, J., Rixon, L.K., Creasey, J.W., 1980. Analysis and prediction of geological structures associated with outbursts at Collinsville, Queensland. The Occurrence, Prediction and Control of Outbursts in Coal Mines Symposium, Australian Institute of Mining and Metallurgy, Parkville, Victoria, Australia, 159-171.
• Sprawozdanie Komisji powołanej Decyzją nr 27 Prezesa WUG z dnia 22 listopada 2005 r. dla zbadania przyczyn i okoliczności wyrzutu metanu i skał oraz wypadku zbiorowego zaistniałego w dniu 22 listopada 2005 r. w Jastrzębskiej Spółce Węglowej w KWK „Zofiówka” w Jastrzębi Zdroju, Katowice 2006.
• Su S., Chen H., Teakl P., Xu S., 2008. Characteristics of coal mine ventilation air flows, Journal of Environmental Management 86, 44.62.
• Tor A., Jakubów A., Wierzbicki M., 2007. Zagrożenie wyrzutem metanu i skał przy drążeniu wyrobisk korytarzowych w pokładzie 409/4 partia D KWK „Zofiówka”, Prace Naukowe GIG, Górnictwo i Środowisko, Nr IV/2007, Wydanie specjalne, str. 273-288, Katowice.
• Trumpold H., Heldt E., 1998. Why filtering surface profiles? Int. J. Mach. Tools Manufact. vol. 38, pp. 639-646.
• Usowicz B., Usowicz Ł., 2004. Punktowe pomiary wilgotności gleby a jej przestrzenny rozkład na polach uprawnych, Acta Agrophysica, 4(2), 573-588.
• Wierzbicki M., Młynarczuk M., 2006. Microscopic analysis of structure of coal samples collected after an gaz and coal outburst the gallery D-6, coal seam 409/4 in the „Zofiówka” coal mine (Upper Silesian Coal Basin), Archives of Mining Sciences, Vol. 51, No. 4.
• Wang, Y., Yang, S., 1980. Some characteristics of coal seams with hazard of outburst, J. China Coal Soc. 1, 47-53.
• Williams R.J., Weissmann J.J., 1995. Gas emission and outburst assessment in mixed CO2 and CH4 environments, Proc. ACIRL Underground Mining Sem. Australian Coal Industry Res. Lab. North Ryde. 12.