The influence of climate change on CO2 and CH4 concentration near closed shaft – numerical simulations

• Autorzy: Wrona P.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amsc-2017-0046

Warianty tytułu

PL

Wpływ zmiany klimatu na rozkład stężeń CO2 i CH4 wokół nieczynnego szybu – symulacje numeryczne

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Given the scientific consensus pointing to climate change, the more extreme weather events associated with this will lead to deeper pressure drops. As has already been stated, pressure drops are the main cause of gas flow from underground sites to the surface. This article presents the results of numerical simulations of the change in distribution of CO2 and CH4 near a closed mining shaft under the predicted baric tendency. Simulations have been undertaken by means of the FDS software package with the Pyrosim graphical interface – a CFD tool for fire and ventilation analysis. Assumptions have been based on previous results of in-situ measurements. The results (determined for a height of 1m above the ground) were compared to the following levels (later in the text comparison levels): for CO2 0.1%vol. according to Pettenkoffer’s scale and 2.5%vol. for CH4 as the half of Lower Explosive Limit (LEL). The results show that the deeper baric drops anticipated could lead to a wider spread of both greenhouse gases in the vicinity of the shaft, especially along the prevailing wind direction. According to the results obtained, CO2 and CH4 with concentrations above their comparison levels are expected at a distance greater than 50m from the shaft when wind is present for CO2 and at a distance of 4.5m for CH4. Subsequent analysis of the results enabled the determination of functions for describing the concentration of gases along the wind direction line under the projected pressure drop. The results relate to a particular case, although the model could easily be modified to any other example of gas emissions from underground sites.

PL

Wraz ze zmianami klimatu należy spodziewać się większej niż obecnie liczby dni w roku, w których będą występować ekstremalne zjawiska pogodowe, związane z przechodzeniem coraz głębszych frontów atmosferycznych (np. Falarz, 1997; Koźmiński i Michalska, 2010). Przyczyni się to do wzrostu tendencji barycznej zniżek ciśnienia. Zniżki baryczne są główną przyczyną emisji gazów kopalnianych na powierzchnię (Wrona et al., 2016b). Gazy te zawierają głównie CO2 i CH4, które są uznawane za gazy cieplarniane oraz mogą stworzyć lokalne zagrożenie dla bezpieczeństwa powszechnego (np. Czaja, 2012). W artykule przedstawiono wyniki symulacji numerycznych dotyczących zmiany stężenia obu gazów emitowanych z nieczynnego szybu górniczego na skutek zwiększającej się zniżkowej tendencji barycznej. Na podstawie analizy literaturowej zagadnienia (np. Falarz, 1997), stwierdzono, że w przyszłości możliwe są ekstremalne zniżki baryczne sięgające lub nawet przekraczające 5 hPa/1h. Na obszarze południowej Polski można spodziewać się raz na dwa lata zniżki sięgającej 4 hPa/1h oraz raz na 10 lat przekraczającej 5 hPa/1h. Takie zdarzenie, spowodowane przez zmiany klimatu, może doprowadzić do intensywniejszego wypływu gazów z obszarów podziemnych, a przez to zasięg ich oddziaływania może być zaskakujący i przede wszystkim niebezpieczny dla okolicznej ludności. Równocześnie do atmosfery zostanie wyemitowana większa ilość gazów cieplarnianych. Natężenie emisji gazów przyjęte podczas symulacji oparto o wyniki pomiarów in-situ nad jednym z nieczynnych szybów na Górnym Śląsku (Wrona et al., 2016b), kiedy to wyznaczono empiryczną zależność (1) pomiędzy wartością tendencji zniżki barycznej, a natężeniem wypływu gazów przez szyb. Założono także stężenia obu gazów jako 5%obj. Wartości te określono jako prawdopodobne na podstawie przeprowadzonych wcześniej pomiarów (Wrona et al., 2016b), oraz na podstawie analizy literaturowej (np. Nawrat, 2002; Szlązak et al., 2002; Krause, 2003). Założono kilka wariantów (zestawów danych wejściowych) symulacji. Dotyczyły one zmiennej wartości tendencji barycznej (TB) oraz wpływu wiatru z jednego kierunku geograficznego (zachodu).Wyznaczone wartości zostały określone na wysokości 1m nad gruntem. Wykazano, że przy bezwietrznej pogodzie, wraz ze wzrostem tendencji barycznej do wartości 5 hPa/1h zasięg obecności CO2 w stężeniu przekraczającym 0.1%obj. (wartość po przekroczeniu której można odnotować efekt duszący, wg skali Pettenkoffera), sięga 45 m. Dla metanu przyjęto poziom porównawczy jako 2.5%obj. stanowiący połowę dolnej granicy wybuchowości tego gazu i stwierdzono, że stężenie wyższe od tej wartości występuje do 4 m od szybu. Przy wietrze 5m/s z zachodu i TB = 1 hPa/1h wartości NDS w linii wiatru (E) są przekroczone do 50 m dla CO2 i 4.2 m dla CH4 (Rys. 6,7). Natomiast przy prognozowanej zniżce 5 hPa/1h wartość NDS dla CO2 w linii jest przekroczona na ponad 50 m od szybu, a dla CH4 na 4.5 m (Rys. 8,9) Prognozę dotyczącą zmiany stężenia na linii zgodnej z dominującym kierunkiem wiatru przedstawiono na rysunkach 10 i 11, podano funkcje aproksymujące i współczynnik determinacji wykonanej prognozy (2) i (3). Wykazano, że przy spodziewanej na skutek zmian klimatu zniżce barycznej sięgającej 5 hPa/1h oba gazy mogą być obecne w odległości ponad 100 m od szybu na wysokości 1m nad gruntem. Uzyskane wyniki wskazują na możliwość występowania w przyszłości poważniejszego niż obecnie zagrożenia gazowego wokół nieczynnych szybów, a także zwiększonej emisji gazów cieplarnianych do atmosfery. Zbudowany model może być łatwo modyfikowany do innych przypadków emisji gazów z górotworu, np. przy rozszczelnieniu instalacji CCS lub UCG, a także przy wszelkich stanach awaryjnych systemów odmetanowania.

Słowa kluczowe

EN

greenhouse gas emissions; climate change; mine closure; abandoned shafts; underground gas storage; public safety; CFD

PL

emisja gazów cieplarnianych; zmiana klimatu; likwidacja kopalń; nieczynny szyb; lokowanie podziemne gazów; bezpieczeństwo; CFD

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 62, no. 3
• Strony: 639--652
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz., wykr.

Twórcy

autor

Wrona P.

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

Bibliografia

• [1] Anderson D.A., Tannehill J.C., Pletcher R.H., 1997. Computational Fluid Mechanics and Heat Tranfer [online]. Wyd. 4. Philadelphia: Hemisphere Publishing Corporation.
• [2] Annunziatellis A., Beaubien S.E., Bigi S., Ciotoli G., Coltella M., Lombardi S., 2008. Gas migration along fault systems and through the vadose zone in the Latera caldera (central Italy): Implications for CO2 geological storage. International Journal of Greenhouse Gas Control 2, 3, 353-372.
• [3] Bateson L., Vellico M., Beaubien S.E., Pearce J.M, Annunziatellis A., Ciotoli G., Coren F., Lombardi S., Marsh S., 2008. The application of remote-sensing techniques to monitor CO2-storage sites for surface leakage: Method development and testing at Latera (Italy) where naturally produced CO2 is leaking to the atmosphere, International Journal of Greenhouse Gas Control 2, 3, 388-400.
• [4] Bielec-Bąkowska Z., 2007. Występowanie głębokich niżów i silnych wyżów nad Polską (1971-2000). [W:] K. Piotrowicz, R. Twardosz (red.), Wahania klimatu w różnych skalach, przestrzennych i czasowych, Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej, UJ, Kraków, 65-74.
• [5] Branny M., 2003. Numerical simulation of airflow in blind headings ventilated with jest fans. Archives of Mining Sciences 48, 425-443.
• [6] Collins M., Knutti R., Arblaster J., Dufresne J.-L., Fichefet T., Friedlingstein P., Gao X., Gutowski W.J., Johns T., Krinner G., Shongwe M., Tebaldi C., Weaver A.J., Wehner M., 2013. Long-term Climate Change: Projections, Commitments and Irreversibility. [In:] Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.
• [7] Creedy D.P., 1993. Methane emissions from coal related sources in Britain: Development of a methodology. Chemosphere 26, 1-4, 419-439, DOI:10.1016/0045-6535(93)90435-8.
• [8] Czaja P., 2012. Polskie doświadczenia w likwidacji szybów Część 16. Likwidacja szybów głównych kopalni „1 Maja“ — ostrzeżenie i lekcja odpowiedzialności. Wiadomości Górnicze 63, 6, 365-374.
• [9] 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, 167-180.
• [10] Falarz M., 1997. Ekstremalne wahania ciśnienia atmosferycznego w Krakowie na tle cyrkulacji atmosfery. Materiały Sympozjum Jubileuszowego Polskiego Towarzystwa Geofizycznego „Ekstremalne Zjawiska Meteorologiczne, Hydrologiczne i Oceanograficzne”, 12-14 listopada 1997, IMGW, Warszawa, 32-37.
• [11] Grzybek I., 2012. Studium uwarunkowań emisji gazów ze zlikwidowanych kopalń SW części GZW. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie 1-5, 8-10.
• [12] Kotarba M.J., Dzieniewicz M., Korus A., Sechman H., Kominowski K. Gogolewska A., Grzybek J., 2002. Mechanism of coalbed gas flux and prediction of gas hazard in the near-surface zone of the Wałbrzych Coal Sub-basin. Chapter 13 [in:] Kotarba M.J. (Ed.): Gas hazard in the near-surface zone of the Wałbrzych Coal District caused by coal mine closure: geological and geochemical controls. Society of Research on Environmental Changes “GEOSPHERE”, Kraków, 189-212.
• [13] Koźmiński C., Michalska B., 2010. Międzydobowe zmiany ciśnienia atmosferycznego w strefie polskiego wybrzeża Bałtyku. Przegląd Geograficzny 82, 1, 73-84.
• [14] Krause E., 2003. Kształtowanie się zagrożenia metanowego w likwidowanej kopalni „1 Maja”. Mat. XX Sem. „Metan i inne zagrożenia współwystępujące – teoria i praktyka” NOT-SITG ROP 2003, 29.10.2003 Rybnik.
• [15] Lagny C., Lafortune S., Charmoille A., Pokryszka Z., Degrelle F., Kimmel M., 2013. Understanding CO2 Gas Production Above a Partly Flooded. Former Coal Mining Area. Procedia Earth and Planetary Science 12, 7.
• [16] Lewicki J.L., Birkholzer J., Tsang C.-F., 2007. Natural and industrial analogues for leakage of CO2 from storage reservoirs: identification of features, events, and processes and lessons learned. Environ Geol 52:457-467.
• [17] McGrattan K., Hostikka S., Floyd J., Baum H., Rehm R., Mell W., McDermott R., 2010. Fire Dynamics Simulator (Version 5) Technical Reference Guide, Vol. 1: Mathematical Model [online]. NIST Special Publication 1018-5. Washington: NIST Special Publication.
• [18] Nawrat S., 2002. Problemy likwidacji szybów kopalnianych na przykładzie doświadczeń KWK „Morcinek” w aspekcie wybuchu metanu w szybie III. Mat. Szkoły Eksp. Podz. 1, Kraków, 479-493.
• [19] National Greenhouse and Energy Reporting (NGER), Act 2007, 2009. National Greenhouse and Energy Reporting (Measurement) Determination 2008, Prepared by the Office of Legislative Drafting and Publishing, Attorney-General’s Department, Canberra, http://www.ipcc-nggip.iges.or.jp/public/2006gl/vol2.html
• [20] Paulley A., Metcalfe R., Egan M., Maul P.R., Limer L., Grimstad A.-A., 2013. Hypothetical Impact Scenarios for CO2 Leakage from Storage Sites. Energy Procedia, Vol. 37, 3495-3502.
• [21] Prokop P., 2001. Gas leak effects on environment of Ostrava basin. Proc. of the 7th Inernational Mine Ventilation Congress – Research & Development Center EMAG, (eds), Kraków (Poland).
• [22] Rudakov D.V., Coldewey W.G., Goerke-Mallet P., 2014. Modelling the inflow and discharge from underground structures within the abandoned hardcoal mining area of West Field (Ibbenbüren). [In:] An Interdisciplinary Response to Mine Water Challenges, Sui, W., Sun, Y., and Wang, C.(eds), China University of Mining and Technology Press, Xuzhou, China, 699-705.
• [23] Słomka A., 1999. Wentylacja i klimatyzacja pomieszczeń pracy. Wyd. Ośrodek Szkolenia Państwowej Inspekcji Pracy, Wrocław.
• [24] Suban A., Petelin S., Vidmar P., 2015. Effect of Gusty Wind on Road Tunnel Safety. Journal of Mechanical Engineering, 61, 7-8, 421-431, DOI:10.5545/sv-jme.2015.2433.
• [25] Szlązak N., Obracaj D., Borowski M., 2002. Zagrożenie gazami kopalnianymi w obiektach budowlanych na terenach zlikwidowanych kopalń podziemnych. Przegląd Górniczy 58, 7-8, 42-28.
• [26] Trepińska J., 2007. Ciśnienie atmosferyczne. [W:] D. Matuszko (red.), Klimat Krakowa w XX wieku, Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej, UJ Kraków, 4154.
• [27] Ustrnul Z., Czekierda D., 2000. Air pressure extreme during the instrumental observation period in Warsaw. [W:] B. Obrębska-Starkel (red.), Images of Weather of Climate, Prace Geograficzne, UJ 108, 207-213.
• [28] Wrona P., 2010a. The method of estimation of gas hazard near abandoned coal mine shaft. Wiadomości Górnicze 5, 287-293.
• [29] Wrona P., 2010b. Przepływ powietrza zrobowego w zlikwidowanych szybach w stanach awaryjnych w świetle badań modelowych. Przegląd Górniczy 12, 148-151.
• [30] Wrona P., 2013. Wpływ prędkości powietrza na rozwój pożaru egzogenicznego w wyrobisku górniczym – symulacja w programie Fire Dynamics Simulator (FDS) – Pyrosim. Przegląd Górniczy 7.
• [31] Wrona P., Różański Z., Pach G., 2013. Carbon Monoxide Emission from Diesel Engine in Blind Excavation – FDS Simulation. Proceedings of the 13th International Congress on Energy and Mineral Resources (CIERM 2013), ISBN: 978-84-936086-6-8.
• [32] Wrona P., 2015. Propozycja nowej metody klasyfikacji zagrożenia gazowego na terenach pogórniczych kopalń węgla kamiennego (Eng. Proposition of a New Method for Classification of Post-Mining Areas due to Gas Hazard), Wiadomości Górnicze 11, 584-593.
• [33] Wrona P., Różański Z., Pach G., Domagała L., 2016a. The application of a jet fan for the control of air and methane streams mixing at the excavations cross – the results of numerical simulation. Management Systems in Production Engineering 3, 156-162.
• [34] Wrona P., Różański Z., Pach G., Suponik T., Popczyk M., 2016b. Closed coal mine shaft as a source of carbon dioxide emissions. Environmental Earth Sciences 75, article 1139, 2016.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017)