Geotechniczne aspekty adaptacji wyrobisk likwidowanych kopalń węgla na podziemne magazyny gazu

• Autorzy: Kidybiński A.

Warianty tytułu

EN

Geotechnical aspects of adapting openings of a closed coal mine into underground gas storage facility (UGSF)

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W związku z przewidywanym wzrostem zapotrzebowania na gaz w Europie i w Polsce do 2020 roku, a także zamierzoną likwidacją niektórych kopalń węgla w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym - rozpatruje się możliwość wykorzystania wyrobisk niektórych z nich na podziemne magazyny gazu. Pozytywne doświadczenia w tym zakresie uzyskano w Belgii (byłe kopalnie Anderlues oraz Peronnes-lez-Binche), a także USA (kopalnia Leyden k. Denver), gdzie - po adaptacji - kopalnie węgla służą przez wiele lat jako magazyny gazu energetycznego dla pobliskich aglomeracji miejskich. Doświadczenia zdobyte podczas budowy zbiorników gazu w tych kopalniach wskazują, że ważną rolę w powodzeniu tego rodzaju przedsięwzięcia odgrywają następujące czynniki geotechniczne: istnienie nieprzepuszczalnego nadkładu, zapobiegającego ucieczkom gazu ku powierzchni, oddalenie kopalni od kopalń sąsiednich - co zapobiega ucieczkom gazu w kierunku poziomym, nieznaczne dopływy wód podziemnych do kopalni - ze względu na oszczędność kosztów stałego odpompowywania wody ze zbiornika, kontrolowane zasięgi strefy spękania skał nad wyeksploatowanymi pokładami węgla, znaczne ilości węgla pozostawionego w złożu (filary, zroby) - co zwiększa pojemność gazową zbiornika ze względu na znaczną sorbowalność metanu przez węgiel, a także obecność w sąsiedztwie wyrobisk porowatych formacji skalnych - co zwiększa elastyczność zbiornika przez oddziaływanie na gaz ciśnienia wód podziemnych. Wszystkie wymienione czynniki zależą w znacznej mierze od właściwości geotechnicznych górotworu otaczającego wyrobiska takich, jak: wytrzymałość i odkształcalność górotworu otaczającego zbiornik, szczelinowatość skał i drożność gazowa szczelin, a także rozmakalność i porowatość skał. Cechy te mogą być określane metodami laboratoryjnymi lub polowymi, znanymi z zastosowań w geomechanice górniczej oraz budownictwie wodnym i tunelowym. W artykule omówiono szczegółowo następujące metody badań przydatne przy rozpoznawaniu przydatności danej kopalni na podziemny zbiornik gazu oraz projektowaniu i wykonawstwie zbiornika: - badanie wytrzymałości skał na ściskanie (w laboratorium), - badanie odkształcalności skał (modułów odkształcenia i sprężystości) w laboratorium, - badanie rozmakalności skał (przy zanurzeniu jednorazowym oraz wielokrotnym), - analizę kierunków i zagęszczenia szczelin w górotworze, - badanie drożności gazowej szczelin metodą aerometryczną, - badanie polowe odkształcalności górotworu w układzie płaskim, - badanie polowe odkształcalności górotworu w układzie radialnym oraz sposób uwzględniania wpływu czynnika skali wielkości na parametry geotechniczne skał i górotwo-ru. Omówiono także krajowe doświadczenia z prac adaptacyjnych części wyrobisk byłej kopalni węgla "Nowa Ruda" (pole "Słupiec") na podziemny magazyn gazu oraz wynikające z tych doświadczeń wnioski. We wnioskach podkreślono, że wymienione powyżej (i omówione w artykule) metody badawcze mogą być przydatne przede wszystkim przy projektowaniu wysokociśnieniowych podziem-nych zbiorników gazu i paliw płynnych, natomiast przy rozpatrywaniu możliwości budowy niskociśnieniowego zbiornika gazu w wyrobiskach likwidowanej kopalni węgla pierwszorzędne znaczenie mają czynniki makrogeotechniczne takie, jak: właściwości nieprzepuszczalnego nadkładu, stosunki hydrogeologiczne i dopływy wody do wyrobisk, tektonika złoża w aspekcie ewentualnych połączeń z sąsiednimi kopalniami lub powierzchnią, łączna objętość pustek (wyrobisk) oraz zrobów pozostawionych w kopalni, masa węgla pozostawionego w złożu i jego właściwości sorpcyjne (oraz szybkość desorpcji), możliwości oraz spodziewane koszty likwidacji wszystkich szybów i otworów wiertniczych z powierzchni, a także obecność w sąsiedztwie wyrobisk wodonośnych skał porowatych. Niezależnie od zagadnień geotechnicznych, ważnym czynnikiem warunkującym powodzenie przedsięwzięcia jest bezpośrednie zaangażowanie w proces projektowania i budowy zbiornika jego przyszłego właściciela i użytkownika.

EN

In connection with expected growth of gas consumption both in Europe and in Poland up to the year 2020, as well as closing foreseen of several coal mines in Upper Silesian Coal Basin - it is considered to utilize underground openings of some of these mines as UGSFs. Successful experiences in this area are known from Belgium (former coal mines Anderlues and Peronnes-lez-Binche) and the USA (mine Leyden near Denver), where - after adaptation works - these mines are used since many years as the UGSFs, serving local municipal agglomerations. Experience coming from adaptation of these mines into gas storage facilities show the importance of such geotechnical factors as existence of non-permeable overburden which prevents leaking of gas to the surface, far distance from adjacent mines (if they exist) - which prevents horizontal leakages, limited water inflow to the mine - to constrain the costs of permanent water pumping, controlled vertical range of roof failure over coal seams mined, volume and methane sorption/desorption capacity of coal left in a mine (pillars, goabs) - to increase storage volume and porosity of rocks surrounding excavations - which decides about flexibility of a reservoir. All elements mentioned depend on geotechnical features of rock masses surrounding excavations such as the strength and deformability, jointing of rocks and gas conductivity through fractures as well as slakeability and porosity of rocks. These properties may be investigated with both laboratory and field methods known from mining geomechanics practice as well as hydro-engineering and tunneling. Following methods applicable in assessing of coal mine usefulness as a potential UGSF and designing process, are discussed in a paper: - uniaxial compressive strength test of rock in the laboratory, - deformability of rock (moduli of elasticity and deformation) in the laboratory, - slakeability of rocks (both in single and multiple submerging), - rock jointing analysis (both directions and density of joints), - gas conductivity of fractures tested with an aerometric probe, - field testing of deformability of rock mass in a flat system, - field testing of deformability of rock mass in a radial system, as well as the role of scale effect on geotechnical parameters of rocks and rock masses. The Polish experiences were also discussed coming from adaptation works of part of former Nowa Ruda coal mine (section Słupiec) into UGSF and conclusions are drawn from these experiences. In final conclusions it was pointed out that methods mentioned above and described in a paper are useful primarily in designing high pressure reservoirs while with low pressure ones macro-geotechnical features of rock masses seem to be of prime significance, such as properties of non-permeable overburden, hydrogeological relations and water inflow to the mine, tectonics and its linkage aspect to adjacent mines and to the surface, masses of coal left in a mine, its sorption capacity and desorption rate, costs expected of shafts closure and old boreholes sealing as well as porous aquifiers presence close to the openings. Apart from geotechnical problems a direct engagement in mine transforming into UGSF of its future owner or/and operator is considered to be very important condition for the success of the enterprise.

Słowa kluczowe

PL

podziemny magazyn gazu; PMG; goetechnika; wytrzymałość skał

EN

underground gas storage facility; UGSF; goetechnic; strength of rocks

• Wydawca: Główny Instytut Górnictwa
• Czasopismo: Prace Naukowe GIG. Górnictwo i Środowisko / Główny Instytut Górnictwa
• Rocznik: 2004
• Tom: nr 2
• Strony: 37--63
• Opis fizyczny: bibliogr. 22 poz.

Twórcy

autor

Kidybiński A.

• Główny Instytut Górnictwa Plac Gwarków 1, 40-166 Katowice tel.: [phone]

Bibliografia

• 1. Anon. (1998): Storage of coal mine methane in abandoned/closed mines increases profits. Engng.&Mining Journ., Sept, 32F.
• 2. Berger J., Nawrat St. (2003): Retencyjny magazyn metanu w kopalni podziemnej. Mater. Konf. Szkoła Eksploat. Podziemnej. Kraków, IGSMiE PAN.
• 3. Brown E.T. ed. (1981): Suggested Methods for Determining the Uniaxial Compressive Strength and Deformability of Rock Materials. ISRM Suggested Methods, Oxford Pergamin Press.
• 4. BN-79/8950-11 (1979): Badanie wytrzymałości skał. Polowe wyznaczanie odkształcalności skał. Metoda jednoosiowych obciążeń.
• 5. Carlsson A., Gustafson G., Lindblom U., Olsson T. (1990): Scale Effects in the Determination of Hydraulic Properties of Rock Masses, vide Cunha 1990.
• 6. Cisek W., Dybciak A., Landsberg W. (2001): Przebieg i doświadczenia z likwidacji kopalni „Nowa Ruda” w aspekcie przekształcenia wyrobisk dołowych na potrzeby podziemnego magazynu gazu. Przegląd Górniczy nr 7–8.
• 7. Cunha A.P. (ed.) (1990): Scale Effects in Rock Masses, Mat. ISRM Commission on Scale Effects in Rock Mechanics, Rotterdam, Balkema.
• 8. EPA (1998): Gas Storage at the Abandoned Leyden Coal Mine near Denver, Colorado (internet).
• 9. Haddenhorst H.G. (1989): Compressed Air Energy Storage (Peak Shaving Plant Neuhuntorf), Underground Storage of Natural Gas (ed. M.R. Tek). Kluwer Academic Publishers, s. 205–216.
• 10. Ishihata T. (1997): Underground Compressed Air Storage Facility for CAES-G/T Power Plant Utilizing an Airtight Lining, ISRM News Journal Vol. 5 nr 1, s. 17–21.
• 11. ISRM (1977): Suggested Methods for Deformability Determination Using a Plate Test (Surficial Loading), January.
• 12. Kidybiński A. (1979): Metodyka wyznaczania cech geologiczno-inżynierskich skał serii złożowej – niezbędnych dla projektowania podziemnej eksploatacji górniczej. Przegląd Geologiczny nr 1.
• 13. Kidybiński A. (1982): Podstawy geotechniki kopalnianej. Katowice, Wydaw. „Śląsk”.
• 14. Kidybiński A. (1985): Instrukcja uproszczonego klasyfikowania skał dla potrzeb górnictwa podziemnego w geologiczno-inżynierskich dokumentacjach złóż węgla kamiennego. Katowice, GIG.
• 15. Liszkowski J., Stochlak J. (1976): Szczelinowatość masywów skalnych. Warszawa, Wydaw. Geologiczne.
• 16. Pistone R.S. (1990): Scale effect in shear strength of rock joints. vide Cunha.
• 17. PN-EN 1918-4 (6/2001): Systemy dostaw gazu. Podziemne magazynowanie gazu. Zalecenia funkcjonalne dotyczące magazynowania w wyrobiskach górniczych.
• 18. PN-G-04303 (1997): Skały zwięzłe. Oznaczanie wytrzymałości na ściskanie z użyciem próbek foremnych.
• 19. Skutta E. (1962): Einfache gesteinsmechanische Untersuchungen als Grundlage der Ausbauplannung. Glückauf nr 25.
• 20. Stamataki S. (2002): Underground gas storage – development of strategic reserves, Mineral Wealth, q23, April-June, s. 21–34.
• 21. Stille H., Johansson J., Sturk R. (1994): High pressure storage of gas in lined shallow rock caverns – Results from field tests Proc. EUROCK ’94, Balkema, s. 689–696.
• 22. Thiel K. (1989): Rock Mechanics in Hydroengineering, Warszawa-Amsterdam-Oxford-N. York-Toronto, PWN-Elsevier.