The problem of carbon dioxide emissions from closed coal mine shafts – the overview and the case study

• Autorzy: Wrona P. , Sułkowski J. , Różański Z. , Pach G.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amsc-2016-0042

Warianty tytułu

PL

Problematyka i wyniki badań wypływu dwutlenku węgla przez zlikwidowane szyby kopalń węgla kamiennego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Greenhouse gas emissions are a common problem noticed in every mining area just after mine closures. However, there could be a significant local gas hazard for people with continuous (but variable) emission of these gases into the atmosphere. In the Upper Silesia area, there are 24 shafts left for water pumping purposes and gases can flow through them hydraulically. One of them – Gliwice II shaft – was selected for inspection. Carbon dioxide emission with no methane was detected here. Changes in emission and concentration of carbon dioxide around the shaft was the aim of research carried out. It was stated that a selected shaft can create two kinds of gas problems. The first relates to CO2 emission into the atmosphere. Possible emission of that gas during one minute was estimated at 5,11 kg CO2/min. The second problem refers to the local hazard at the surface. The emission was detected within a radius of 8m from the emission point at the level 1m above the ground. These kinds of matters should be subject to regular gas monitoring and reporting procedures.

PL

Emisja gazów cieplarnianych jest problemem dotyczącym wszystkich zagłębi górniczych węgla kamiennego na świecie. Problem ten nie kończy się wraz z likwidacją zakładów górniczych. Jako najbardziej prawdopodobne źródła emisji metanu lub/i dwutlenku węgla ze zlikwidowanej kopalni uznawane są uskoki tektoniczne, zlikwidowane lub nieczynne szyby kopalniane, obszary wychodni pokładów węgla, krawędzie dawnej płytkiej eksploatacji itd. (Czaja, 2011; Dziurzyński et al., 2004; Sułkowski & Wrona, 2006). Wypływy gazów cieplarnianych na powierzchnię terenu po pierwsze oddziałują negatywnie na stan atmosfery, a po drugie mogą tworzyć lokalne, tym niemniej przejściowe, zagrożenie dla bezpieczeństwa powszechnego. W pierwszym rozdziale artykułu przedstawiono obecny stan wiedzy na świecie dotyczący poruszanego zjawiska. Stanowiło to przesłankę do podjęcia badań, których rezultaty przedstawiono w kolejnych rozdziałach. Stwierdzono także, że w żadnym kraju nie są prowadzone procedury pomiarów i raportowania emisji gazów cieplarnianych z obiektów tego typu. Następnie przedstawiono wyniki badań dotyczących emisji dwutlenku węgla z wybranego, nieczynnego szybu górniczego oraz imisji tego gazu w otoczeniu szybu. Na obszarze Górnego Śląska pozostawiono 24 szyby kopalniane dla prowadzenia odwadniania. Są to szyby aerodynamicznie drożne. Do badań wybrano jeden z nich, nieczynny szyb „Gliwice II”. Podczas badań wstępnych stwierdzono znaczące ilości wypływającego dwutlenku węgla przy braku obecności metanu w mieszaninie gazów. Jako, że emisja gazów ze zlikwidowanej kopalni ku atmosferze może być porównana z emisją gazów ze zrobów do powietrza płynącego poprzez czynna kopalnię (Krach, 2004; Drzewiecki, 2004), uznane jest, że zależy od wielu czynników (w tym głównie od wahań ciśnienia atmosferycznego, ale także od różnicy gęstości gazów i powietrza atmosferycznego (Grzybek, 2012; Wrona et al., 2014). Harmonogram badań przewidywał okresowe pomiary od lutego do maja 2014r. głównie w trakcie zniżek barycznych. Pomiary emisji prowadzono na trzech zidentyfikowanych otworach wylotowych w płycie zamykającej szyb (Fig. 2-3). W każdym otworze przeprowadzono badania wstępne dotyczące określenia jednorodności koncentracji gazu w całym profilu. Do pomiarów prędkości powietrza zastosowano metodę trawersu ciągłego. Stwierdzono, że największa wartość emisji dwutlenku węgla wyniosła 2,69 m3/min (Tab. 2), co przy uwzględnieniu średniej gęstości tego gazu (1,9 kg/m3) odpowiada 5,11 kg/min. Otrzymany wynik jest wartością chwilową, natomiast daje pogląd na możliwą skalę maksymalnej emisji. Otrzymano także nowe wyniki dotyczące wpływu różnicy pomiędzy temperaturą gazu, a temperaturą atmosfery na wielkość emisji gazu. Dnia 14.03.2014 pomimo zniżki barycznej o tendencji –0,53 hPa/h wielkość emisji dwutlenku węgla dochodziła do 1,66 m3/min (Tab. 2). Natomiast 28.02.2014 pomimo spadku ciśnienia o mniejszej wartości tendencji barycznej, wynoszącej –0,4 hPa/h, wartość emisji była największa. Analizując wyniki przeprowadzonych pomiarów psychrometrycznych powietrza atmosferycznego i gazu stwierdzono, że w pierwszym przypadku różnica temperatur gazu i atmosfery wynosiła –0,1°C, natomiast w drugim przypadku 6,0°C. Pomiary emisji dwutlenku węgla wokół szybu „Gliwice II” prowadzono na poziomie gruntu i na wysokości 1m nad gruntem w oparciu o założoną siatkę pomiarową (Fig. 3). W każdym z punktów pomiarowych pozostawiono detektor gazów MulitRae Plus (z automatycznym zapisem danych) na czas dwóch minut z ustawionym interwałem próbkowania 30 sekund. Otrzymane cztery wyniki dla każdego punktu następnie uśredniono. Mapy izolinii stężenia dwutlenku węgla wokół szybu Gliwice II wykonano w programie Surfer 8. Przykład z 21.05.2014 przedstawiono na Fig. 5. Stwierdzono, że zasięg podwyższonego stężenia dwutlenku węgla może sięgać 8 m od punktowego źródła emisji na wysokości 1 m, a na poziomie gruntu może tę wartość przekraczać.

Słowa kluczowe

EN

carbon dioxide emission; gas emission; gas hazard; greenhouse gas; abandoned mine; closed mine

PL

emisja dwutlenku węgla; emisja gazu; zagrożenie gazowe; efekt cieplarniany; zlikwidowana kopalnia; nieczynna kopalnia

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 61, no. 3
• Strony: 587--600
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Wrona P.

• Silesian University of Technology, 44-100 Gliwice, ul. Akademicka 2, Poland

autor

Sułkowski J.

• Jan Wyżykowski University, 59-101 Polkowice, ul. Skalników 69, Poland

autor

Różański Z.

• Silesian University of Technology, 44-100 Gliwice, ul. Akademicka 2, Poland

autor

Pach G.

• Silesian University of Technology, 44-100 Gliwice, ul. Akademicka 2, Poland

Bibliografia

• [1] Creedy D.P., 1989. Geological sources of methane in relation to surface and underground hazards. Methane facing the problems symposium, Nottingham, 26-28 September 1989.
• [2] Creedy D.P., 1998. Gas in abandoned mines: a hazard and a resource? Proceedings of International Conference on Coal-Bed Methane – Technologies of Recovery and Utilisation. Wyd. GIG, Ustroń, s. 507-524.
• [3] Creedy D.P., Armstrong W., Sage P., Hu Yuhong, Sun Xin, Jin Ling, Zhang Wenbo, 2003. Reducing the Environmental Impact of Abandoned Coal Mines in China. 3rd International Methane and Nitrous Oxide Conference, 17-21. XI.2003, Beijing, China.
• [4] Czaja P., 2011. Polskie doświadczenia w likwidacji szybów – likwidacja zakładu górniczego i likwidacja szybów – wymogi formalno – prawne. Wiadomości Górnicze, 3/2011, s. 167-174.
• [5] Drzewiecki J., 2004. Methane emission from longwalls and its relationship to advance rate. Archives of Mining Sciences, Vol. 49, Iss. 2.
• [6] Dziurzyński W., Krach A., Krawczyk J., Pałka T., 2004. Migracja gazów z szybu zlikwidowanej kopalni. Mat. 3 Szkoły Aerologii Górniczej, Zakopane 12-15.10.04, s. 167-180.
• [7] Eicker H., 1987. Verlauf und Beherrschung der Ausgasung abgeworfener Grubengebaude. Gluckauf-Forschungshefte, 48 nr 6/1987, s. 324-328.
• [8] Górka P., Kowalski S., Kozielska B., Melaniuk-Wolny E., Oparczyk G., Zajusz-Zubek E., Żak M., 2000. Badania zanieczyszczeń powietrza. Cz. I. Gazowe substancje zanieczyszczające. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice.
• [9] GrzybeK I., 2012. Studium uwarunkowań emisji gazów ze zlikwidowanych kopalń SW części GZW. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, nr 1-5, 8-10/2012, Katowice.
• [10] Hall J., Younger P., Glendining S., 2006. Is minewater a source of hazardous gas? IAEG2006 Paper number 349, The Geological Society of London, p. 1-6.
• [11] Juda J., Chróściel S., 1974. Ochrona powietrza atmosferycznego. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa.
• [12] Kasimov O.I., Kochera V.N., Yakovenko E.A., Yermakov V.N., 1999. Prediction and prevention of gas danger emissions from closed mines to the surface. Proc. 28 Int. Conf. Safety Mines res. inst., vol. II, June 1999, Sinaia, Romania.
• [13] Kotarba J., 2002. Gas hazard in The Near-Surface Zone of the Wałbrzych Coal Mine Closure: Geological and Geochemical Controls. Wyd. „Akapit”, Kraków, 2002.
• [14] Krach A., 2004. Influence of Barometric – Pressure Variation on Methanbe Concentration in Air Flow From Longwall Region with Adjacent Goaf – A Mathematical Model and Calculation Algorithm. Archives of Mining Sciences, Vol. 49, No 1, p. 43-53.
• [15] Krause E., Pokryszka Z., 2013. Badania emisji metanu ze zlikwidowanych zatopionych kopalń węgla kamiennego. Journal of Sustainable Mining, 12/2013, no. 2, p. 39-43.
• [16] Krzystolik P., Kobiela Z., 2002. Mechanizm migracji gazu na powierzchnię likwidowanych kopalń Zagłębia Wałbrzyskiego. Przegląd Górniczy, 2/2002, s. 8-14.
• [17] Kulczycki Z., Grzybek I., 1999. Gazy kopalniane jako zagrożenie dla bezpieczeństwa powszechnego. Miesięcznik WUG, nr 1/1999, s. 16-25.
• [18] Lunarzewski L., 2009. Gas emission expert model for abandoned coal mine” Lungas Pty Limited. ACARP 2008, project No. C17058, Final Report, July 2009.
• [19] Mining State Authority Report, 2009. Raport OSG/8/2009 w sprawie zlikwidowanych szybów w zakładach górniczych węgla kamiennego GZW po 1990 r., Katowice 2009.
• [20] Namieśniak J. Łukasiak J. Jamrógiewicz Z., 1995. Pobieranie próbek środowiskowych do analizy. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.
• [21] Novotny R., Platenik M., Takla G., Kral V., 2001. Reduction of Uncontrollable Mine Gas Emission in The Czech Part of Upper Silesian Hard Coal Basin Devastated By Past Mining Activity. Proc. of The 7th International Mine Ventilation Congress, 17-22.06.2001, Kraków, s. 127-131.
• [22] Otto F., 2010. Protection of Houses against methane. 11/2010 Geotechnics 2010 – Gliwice, Poland: ERASMUS – lectures materials.
• [23] PN – EN PN-EN 15259 Jakość powietrza. Pomiary ze źródeł stacjonarnych. Wymagania dotyczące odcinków pomiarowych, miejsc pomiaru, celu i planu pomiaru oraz sprawozdania z pomiaru (BS EN 15259:2007 Requirements for measurement sections and sites and for the measurement objective, plan and report), Warszawa, 2011.
• [24] PN-Z-04008-02:1984 Ochrona czystości powietrza. Pobieranie próbek. Wytyczne ogólne pobierania próbek powietrza atmosferycznego (imisja). Warszawa.
• [25] Pokryszka Z., Tauziède C., Lagny C., Guise Y., Gobillot R., Planchenault J.M., Lagarde R., 2005. Gas Migration From Closed Coal Mines to The Surface Risk assessment methodology and prevention means. Post-Mining 2005, November 16-17, Nancy, France.
• [26] Prokop P., 2001. Gas Leak Effects on Environment of Ostrava Basin. Proc. of 7th Intern. Mine Vent. Congress 17-22.06.2001, Kraków, s.137-139.
• [27] Report U.S. Environmental Protection Agency, 2004. Methane emissions from abandoned coal mines in the united states: emission inventory methodology and 1990-2002 emissions estimates. April, 2004.
• [28] SułkowskI J., Wrona P., 2006. Mathematical Model Of Gas Out Flow From Abandoned Coal Mine Through Untight Shaft Under The Influence Of Atmospheric Pressure Changes. Archives of Mining Sciences, Vol. 51, Iss. 1, p. 97-107.
• [29] Szlązak N., Obracaj D., Borowski M., 2003. Ocena stanu zagrożenia emisją gazów kopalnianych terenów pogórniczych. Mat. Seminarium „Metan i inne zagrożenia współwystępujące – teoria i praktyka” NOT-SITG ROP 2003, 29.10.2003 Rybnik, s. 191-207.
• [30] Wacławik J., 2010. Wentylacja kopalń. t. 1,2, Wydawnictwa AGH, Kraków.
• [31] Wasilewski S., 2008. Modern systems of gas hazard monitoring in Polish hard coal mines, Archives of Mining Sciences, Vol. 53, iss. 4, p.511-524.
• [32] Wrona P., 2005. Possibilities of mine gases outflow prediction during pressure drops considering abandoned shaft located in old coal mining area. Glückauf-Forschungshefte, 66, nr 3, p. 103-106.
• [33] Wrona P., 2010. Przepływ powietrza zrobowego w zlikwidowanych szybach w stanach awaryjnych w świetle badań modelowych. Przegląd Górniczy, 12/2010, s.148-151.
• [34] Wrona P., 2014. The Problems of Gas Emission From Closed Down Mines in The Area of The Upper Silesia, Inżynieria Górnicza, 2/2014, p. 27-30.
• [35] Internet source 1: www.meteo.gig.eu

Uwagi

PL

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