Niektóre aspekty bezpieczeństwa i ochrony środowiska na terenach zlikwidowanego obszaru górniczego

Transkrypt

1 WARSZTATY 27 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Materiały Warsztatów str Jan KUTKOWSKI Jastrzębska Spółka Węglowa S.A., KWK Jas-Mos, Jastrzębie Niektóre aspekty bezpieczeństwa i ochrony środowiska na terenach zlikwidowanego obszaru górniczego Streszczenie Artykuł przedstawia wyniki pomiarów stężeń gazów podglebowych na powierzchni zlikwidowanego obszaru górniczego. Wyniki te wskazują na możliwość przenikania gazów ze zlikwidowanych wyrobisk górniczych na powierzchnię terenu w ilości przekraczającej stężenia dopuszczalne. Stwierdzone pomiarami stężenia gazów podglebowych mogą wpływać na poziom bezpieczeństwa powszechnego. Dla uwiarygodnienia przedstawianych opinii badania przeprowadzono na dwóch różnych terenach górniczych dla różnych warunków klimatycznych i poszerzono o badania wody. 1. Wstęp Rozwój cywilizacji oraz związane z nim zmiany powodują zanieczyszczenie środowiska naturalnego. Obserwacje wskazują na wzrost temperatury powierzchni Ziemi, która spowodowana jest tzw. efektem cieplarnianym lub efektem szklarniowym. Przyczyną efektu cieplarnianego są gazy cieplarniane, w szczególności dwutlenek węgla, które powodują zatrzymanie promieniowania podczerwonego w atmosferze, co w konsekwencji powoduje zwiększenie temperatury powierzchni Ziemi. Dwutlenek węgla odpowiedzialny jest w 8% za efekt cieplarniany, a w 2% m.in. metan, tlenki azotu, ozon, i freony. Szacuje się, że do roku 23 globalna emisja CO 2 zwiększy się do poziomu około 4 milionów ton rocznie, która jest ilością ponad dwukrotnie większą w porównaniu z rokiem 199. Jednym z poważnie rozważanych pomysłów na pozbycie się nadmiaru dwutlenku węgla jest wpompowanie go do wnętrza Ziemi. W związku z tym istnieje wiele problemów, z jakimi należy się zmierzyć, aby było możliwe wprowadzenie tej koncepcji w życie. Do najważniejszych należą: problem szczelności warstw nadległych zruszonych eksploatacją górniczą, zalewanie kopalń wodą, które w konsekwencji powoduje wypychanie gazu do góry, nieszczelności w zasypanych lub odizolowanych połączeniach wyrobisk dołowych. Przeprowadzone obserwacje pomiarowe na terenach po zakończonej eksploatacji węgla, dotyczą jednego z problemów: szczelności warstw nadległych. Obserwacje te potwierdzają istotę przedstawionych problemów. Uwalnianie i emisja gazów odbywa się w sposób 17

2 J. KUTKOWSKI Niektóre aspekty bezpieczeństwa i ochrony środowiska na terenach niekontrolowany i może prowadzić do ich przejściowego nagromadzenia, przekraczającego wartości dopuszczalne. Ponieważ w składzie gazów podglebowych dominuje zazwyczaj palny i wybuchowy metan lub duszący dwutlenek węgla, rzadziej tlenek węgla i siarkowodór, to nagromadzenia takie, mimo ich przejściowego charakteru, mogą stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa powszechnego (Kulczycki, Grzybek 1999). Przeprowadzone dotychczas badania kinetyki migracji gazów kopalnianych do strefy przypowierzchniowej wykazały, że w wielu miejscach występuje zróżnicowany ich dopływ. Intensywność dopływu zależy od stopnia naruszenia ciągłości struktury nadkładu na obszarze działalności górniczej oraz od budowy geologicznej i naturalnej gazonośności górotworu. 2. Mechanizm emisji gazów kopalnianych na powierzchnię (Szlązak i in. 21) Otwarcie w górotworze dróg migracji i wytworzenie w nim różnicy ciśnień powoduje proporcjonalny do wartości gradientu ciśnienia przepływ gazów wolnych w kierunku przestrzeni o niższym ciśnieniu. Wytworzony gradient ciśnienia osiąga najwyższe wartości w bezpośrednim sąsiedztwie wyrobisk, malejąc ze wzrostem odległości od ich ścian. Rozkład ciśnienia w górotworze rozciętym górniczo można porównać do kształtu leja depresji w warstwach wodonośnych. Odpływ tych gazów, a także wody z porów, szczelin i spękań, wywołuje jednocześnie powstanie gradientu ciśnienia pomiędzy szczelinami a mikroporami węgla. Zjawisko to wyzwala desorpcję gazów sorbowanych w węglu, która z kolei prowadzi do wytworzenia gradientu ciśnienia gazów pomiędzy ścianami mikroporów a makroporami, wywołując konwergencję. Procesy te, choć charakteryzują się malejącą dynamiką uwalniania gazów, to jednak spowalniają rozszerzenie leja depresji. Służy temu także przyrost ilości gazów w górotworze, wskutek wywołanego wentylacją kopalń utleniania substancji węglowej, tlenku i dwutlenku węgla. Dodatkowo rozszerzeniu leja depresji przeciwdziała też rekonsolidacja zrobów i skał zruszonych eksploatacją oraz wtórne ich zawodnienie. Odcięcie pewnych części górotworu od dróg wentylacyjnych kopalni nie powoduje jednak zaniku opisanych procesów. Długoletnia eksploatacja wielu pokładów węgla prowadzi bowiem do silnego spękania całego górotworu i połączenia jego poszczególnych rejonów między sobą i drogami kopalni, a często także bezpośrednio z powietrzem atmosferycznym. Gazy uwalniające się z substancji węglowej są więc nieustannie odprowadzane na zewnątrz. Z chwilą likwidacji kopalni sytuacja ta ulega zmianie, choć oddziaływanie większości z powyższych czynników sprawia, że dawne wyrobiska wraz z pustkami poeksploatacyjnymi, szczelinami, spękaniami w górotworze mogą nadal stanowić zbiorniki gazów. Stosunkowo płytka eksploatacja w obserwowanym rejonie spowodowała dwa rodzaje deformacji: deformacje nieciągłe typu zapadliskowego oraz nieciągłości liniowe. Wraz z uskokami stanowią one potencjalne drogi migracji gazów do strefy warstw przypowierzchniowych. Należy jednak pamiętać, że ich system nie jest zamknięty, lecz otwiera się ku powierzchni w sposób trudny do jednoznacznego zdefiniowania. Podobnie trudno określić dokładnie umiejscowienie wewnętrznych połączeń tego systemu. W rezultacie w górotworze oraz pomiędzy systemem spękań a powierzchnią terenu, wytwarza się skomplikowany układ dróg migracji gazów o różnej drożności i stref o różnym ciśnieniu. 18

3 WARSZTATY 27 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie 3. Wyniki prowadzonych obserwacji 3.1. Opis pola pomiarowego Na zlikwidowanej części obszaru górniczego, wyznaczono osiem punktów pomiarowych (rys. 3.1) w strefie, gdzie sumaryczna miąższość eksploatacji wynosiła od 1 15 m. Eksploatacja odbywała się do około 13 m od powierzchni terenu, a osiadania terenu w analizowanym obszarze wyniosły maksymalnie 5,5 m. Na mapach powierzchniowych sytuacyjno- -wysokościowych z obserwowanego rejonu pomiarów, zaznaczone są deformacje nieciągłe w granicach,15,5 m oraz stwierdzone pomiarami szczeliny wielkości około,3 m (Tarkowski 23). Stanowiska pomiarowe składały się z sondy inwazyjnej składającej się z rury o średnicy 5 mm, długości,5 m zasklepionej od góry i połączonej z wężykiem gumowym o długości 2 m. Sondy umieszczone zostały w wydrążonych w glebie na głębokość 2 m otworach, a końce wężyków pomiarowych zasklepione zostały przy ujściu kołkami rozporowymi. Rys Plan sytuacyjny punktów pomiarowych Fig Situation schedule of measure points 19

4 J. KUTKOWSKI Niektóre aspekty bezpieczeństwa i ochrony środowiska na terenach Podczas rozcinki złoża w zaznaczonej powierzchni stwierdzono także uskoki o maksymalnym zrzucie od 1 do 4 m. Uskoki te niewątpliwie mogą stanowić drogi migracji gazów kopalnianych. Analizowany obszar różni się od rejonów czeskiego, wałbrzyskiego lub wyniesienia katowicko-chorzowskiego, gdzie wykonywano podobne pomiary tym, że utwory karbonu przykryte są warstwami trzeciorzędu i czwartorzędu (nadkładu), który jest warstwą izolującą (Chmiel i in. 24a, 24b). Intensywna eksploatacja oprócz zmian stosunków wodnych mogła spowodować powstanie licznych spękań i szczelin, które mogą być drogami migracji gazów kopalnianych na powierzchnię terenu Opis sposobu pomiaru Pomiary dokonywano cyklicznie miernikiem multi-detektor MX-21, który pozwala na jednoczesne wykrywanie czterech gazów zawartych w powietrzu dzięki właściwym dla każdego gazu czujnikom pomiarowym. MX-21 wyposażony jest w układ pompujący zdalnego zasysania. Może kontrolować zawartość gazu w miejscach niedostępnych lub przed wejściem do kanałów ściekowych. MX-21 dla czynnej linii pomiarowej w każdej sekundzie określa średnią z 1 minuty pomiarów. W pomiarach uwzględniono stężenia następujących gazów przy powierzchni: CH 4, CO 2, CO, O 2. Podczas wykonywania pierwszego pomiaru czynny udział w pomiarach brali pracownicy Państwowego Instytutu Geologicznego z Sosnowca. Dla uwiarygodnienia wyników pomiarów okresowo pobierano próby pipetowe z otworów o stwierdzanych największych stężeniach, a analizy przeprowadzano za pomocą chromatografu. Badania wody pobierano z dwóch studni: o głębokości 12 m na zlikwidowanym obszarze górniczym i o głębokości 1 m poza obszarem górniczym. Analizy przeprowadzała certyfikowana jednostka badawcza. Przekrój przez warstwy karbonu, trzeciorzędu i czwartorzędu w rejonie prowadzonych obserwacji z wskazuje domyślne drogi migracji gazów kopalnianych (rys. 3.2). W tym rejonie utwory czwartorzędu o miąższości 2 m składają się głównie z piasku, żwiru i gliny, a trzeciorzędu (o miąższości 11 m) głównie z iłów szarych. Trzeciorzędowe iły stanowią główną warstwę nieprzepuszczalną. Używając układu pompującego wykonano szereg pomiarów i stwierdzono obecność wody w niektórych otworach pomiarowych. Mimo wypełnienia otworu pomiarowego wodą stwierdzano śladowe ilości CO 2, natomiast w otworach, gdzie nie stwierdzono wody, stężenia gazów w otworach znacznie przekraczały 1% CO 2 oraz wystąpiły śladowe ilości CO i CH 4. Największe stężenia, osiągające 6% CO 2, stwierdzono w otworach 1, 2, 3, 4, 5 (rys ). Zjawisko to jest o tyle niebezpieczne, że punkty pomiarowe znajdowały się w bezpośrednim sąsiedztwie zabudowań. Przy znacznych zniżkach barometrycznych w okolicach otworów pomiarowych 1 5 na powierzchni stwierdzano pomiarami także śladowe stężenia CH 4 do,3%. Ponadto podczas wykonywanych pomiarów stwierdzono utrzymujące się stężenia,3% CO 2 do,2 m nad powierzchnią terenu w czasie trwania niżów barometrycznych. Wykonane pomiary wykazały w otworach 1 i 2 wodę. Najprawdopodobniej dlatego od początku wykonywanych obserwacji nie stwierdzano w nich stężeń CO 2 większych niż,3%. Po około sześciu tygodniach wtedy gdy zniknęła woda z otworów pomiarowych nagle pojawiły się stężenia odpowiednio 5,6% CO 2 i 4,3% CO 2. Dla uwiarygodnienia wyników po godzinie pomiary powtórzono i wielkości stężeń CO 2 nie różniły się znacząco od pierwszych pomiarów. 11

5 WARSZTATY 27 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie W późniejszych okresach w otworach 1, 2, 3 stwierdzono utrzymywanie się stężeń odpowiednio 5,1%, 5,7% i 6,%, przy czym w otworach 1 i 2 stwierdzono śladowe stężenia CO (odpowiednio 5 ppm i 3 ppm), a w otworze 3 stwierdzono śladowe stężenie,3% CH 4. W pierwszych dniach lipca przeprowadzono ostanie pomiary stężeń i stwierdzono, że w pierwszych trzech otworach utrzymywało się stężenie 6% CO 2, a w pozostałych otworach (4, 5, 6, 7) utrzymywało się stężenie 3% CO 2; w ósmym stanowisku nie stwierdzono większych stężeń CO 2. Pobrano próby powietrza do analizy chromatograficznej. Analiza potwierdziła wielkość stwierdzonych stężeń CO 2 i średnią wielkość stężeń tlenu w otworach, jednak nie potwierdziła obecności CO mimo wskazań 3 ppm na mierniku. Podobne pomiary przeprowadzono poza zlikwidowanym obszarem górniczym. Wykonano 16 pomiarów w dwóch otworach o głębokości 2 m i w dwóch przypadkach stwierdzono stężenia,2% CO 2. Strefa silnego wpływu eksploatacji na powierzchnię Stwierdzono pomiarami szczeliny na powierzchni do,3m Czwartorzęd Trzeciorzęd Strefa intensywnych strzelań wstrząsowych otwory dł. ~1m /2-2,2m 55/1łg. -2,m 52/1-2,2m 418/1-1,2m Poz.+13 Poz.+7 55/2łg.-2,m Poz. 56/2-2,3m 56/1-2 -6,m Poz Poz /1-3,5m -3 Rys Przekrój przez analizowany rejon pomiarów Fig The profile through analysed region of measurements 111

6 J. KUTKOWSKI Niektóre aspekty bezpieczeństwa i ochrony środowiska na terenach Stężenie dwutlenku węgla [%] Ciśnienie[hPa] Stężenie dwutlenku węgla [%] Data pomiaru Ciśnienie atm. [hpa] Rys Wykres stwierdzonych stężeń CO2 w otworze nr 1 z zaznaczoną zmianą ciśnienia atmosferycznego Fig Diagram introduces affirmed measurements of concentrations CO2 in orifice no. 1 with marked change of atmospheric pressure Stężenie dwutlenku węgla [%] Ciśnienie [hpa] Stężenie dwutlenku węgla [%] Data pomiaru Ciśnienie atm. [hpa] Rys Wykres stwierdzonych pomiarami stężeń CO2 w otworze nr 3 z zaznaczoną zmianą ciśnienia atmosferycznego Fig Diagram introduces affirmed measurements of CO2 concentrations in orifice no. 3 with marked change of atmospheric pressure 112

7 WARSZTATY 27 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Stężenie dwutlenku węgla [%] Ciśnienie[hPa] Stężenie dwutlenku węgla [%] Data pomiaru Ciśnienie atm. [hpa] Rys Wykres stwierdzonych stężeń CO2 w otworze nr 5 z zaznaczoną zmianą ciśnienia atmosferycznego Fig Diagram introduces affirmed measurements of concentrations CO2 in orifice no. 5 with marked change of atmospheric pressure 4. Rozpuszczalność gazów w wodzie Na zlikwidowanym obszarze górniczym, gdzie prowadzone były obserwacje, znajdowała się studnia z wodą. Ponieważ dwutlenek węgla jest w sprzyjających warunkach dobrze rozpuszczalnym w wodzie gazem, postanowiono zbadać rozpuszczalność CO 2 w wodzie dla zlikwidowanego obszaru górniczego i porównać uzyskane wyniki z próbkami z wody ze studni poza obszarem górniczym. Analizowano trzy czynniki: dwutlenek węgla wolny w wodzie, wodorowęglan (HCO 3) oraz twardość wody w zależności od zmian ciśnienia. Na podstawie uzyskanych wyników badań chemicznych wody w studniach, zaobserwowano, że jeżeli maleje twardość wody, to maleje także zawartość wodorowęglanów, natomiast wzrastała zawartość wolnego dwutlenku węgla w wodzie. Podczas gdy rosło ciśnienie atmosferyczne, wraz z nim wzrastała zawartość wolnego dwutlenku węgla w wodzie. Gdy malało stężenie CO 2 w otworach pomiarowych w pobliżu studni, to wzrastała ilość wolnego dwutlenku węgla w wodzie. Stwierdzono, że na obydwu analizowanych obszarach wnioskowane zależności są podobne, z tym że poza terenem górniczym wielkość stężeń CO 2 była o około 5 7% mniejsza. 113

8 J. KUTKOWSKI Niektóre aspekty bezpieczeństwa i ochrony środowiska na terenach Ilość dwutlenku węgla wolnego, wodorowęglanów [mg/l] Ilość wodorowęglanów Ciśnienie atmosferyczne Data Ilość wolnego dwutlenku węgla Ciśnienie atm. [hpa] Rys Zależność zawartości wodorowęglanów HCO3 i wolnego CO2 w litrze wody od zmian ciśnienia atmosferycznego Fig Dependence of content hydrogenuscarbonate HCO3 and free CO2 in litre water from changes of atmospheric pressure CO2 HCO3 %CO2 Zawartość wolnego CO ,5 3 2,5 2 1,5 1,5 Zawartość CO2 w powietrzu Data pomiaru Rys Wzajemna zależność CO2 w wodzie, HCO3 w wodzie oraz średniego stężenia CO2 w powietrzu w otworach Fig Mutually dependence CO2 in water, HCO3 in water as well as average concentration CO2 in the air in holes 114

9 WARSZTATY 27 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie 5. Podsumowanie Przeprowadzone pomiary wskazują na pilną potrzebę podjęcia działań na rzecz izolacji uwięzionych gazów kopalnianych w zlikwidowanych częściach kopalni. Jak podają źródła czeskie w mieście Orlová nie daleko Karwiny, kosztem około 8 mln koron już podjęto pilotażowy program izolacji likwidowanych części zrobów pogórniczych (Hlavaček 22). Z obserwacji wynika, że istnieje duże prawdopodobieństwo migracji gazów kopalnianych, w tym głównie dwutlenku węgla, na powierzchnię terenu. Pojawienie się gazów kopalnianych na powierzchni stanowi duże zagrożenie nie tylko dla środowiska, ale także dla mieszkańców na terenach pogórniczych i świadczy o dużym problemie w kwestii lokowania CO 2 w głębi Ziemi. Na świecie podjęto słusznie szeroko zakrojone działania na rzecz lokowania CO 2 w głębi Ziemi w postaci pilotażowych projektów np. CO 2SINK, Coal-Seq, Sleiper, RECPOL. Czy jednak zatłoczony CO 2 z biegiem czasu nie wydostanie na powierzchnię Ziemi? Pierwsze informacje z zakończonych programów są niepokojące, gdyż dr Yousif Kharaka ze Służby Geologicznej USA podaje, że dwutlenek węgla wtłoczony do starych pól naftowych w Teksasie na początku 2 roku, wędruje powoli w górę. Okazało się, że dwutlenek zaczął rozpuszczać skały, w których go zamknięto. Ucieczce gazu sprzyjają dwie okoliczności: skały, w które został wtłoczony i które zawierają dużo węglanu wapnia oraz silnie zasolona woda, która płynie przez szczeliny skalne. Węglan wapnia to związek silnie rozpowszechniony w przyrodzie. Jest składnikiem wapieni, marmurów i wielu piaskowców. Jeśli w takie skały wtłoczymy gaz i będzie w nich solanka, takie podziemne więzienie okaże się nietrwałe. Dwutlenek węgla w końcu je rozpuści, odzyskując wolność, a wtedy znów znajdzie się w atmosferze. Podobnie może się stać z dwutlenkiem węgla wtłoczonym w poza bilansowe pokłady węgla, szczególnie, że zwykle w skałach otaczających znajdują się solanki. Stwierdzone zjawiska pojawiania się CO 2 w strefach przypowierzchniowych w obszarach wyeksploatowanych pokładów węgla stawiają duży znak zapytania nad projektami magazynowania CO 2 w przestrzeniach wyeksploatowanych pokładów węgla (Tarkowski 23). Literatura [1] Hlavaček J. 22: Ohroženi občanů Orlové nebezpečným metanem. Ekonomika i gospodarka, nr 2, Czechy. [2] Kulczycki Z., Grzybek I. 1999: Gazy kopalniane jako zagrożenie dla bezpieczeństwa powszechnego. Bezpieczeństwo Pracy i Ochrona Środowiska w Górnictwie, Miesięcznik WUG, nr 1. [3] Chmiel P., Lubryka M., Kutkowski J. 24a: Emisja gazów podglebowych jako możliwy efekt likwidacji kopalni, II Forum Polsko-Ukraińskie Miocen, Jałta 24. [4] Chmiel P., Lubryka M., Kutkowski J. 24b: Niektóre aspekty bezpieczeństwa i ochrony środowiska na terenach zlikwidowanego obszaru górniczego KWK Jas-Mos. [W:] Materiały 3 Szkoły Aerologii Górniczej, Zakopane, październik 24, SAG KG PAN, Kraków, ##? [5] Szlązak N., Obracaj D., Borowski M. 21: Zagrożenie gazowe w strefie przypowierzchniowej w likwidowanych kopalniach. [W:] Materiały Szkoły Eksploatacji Podziemnej 21, Szczyrk, lutego 21, Wyd. IGSMiE PAN, Kraków, [6] Tarkowski R. 23: Podziemne magazynowanie dwutlenku węgla z energetyki w Polsce. Polityka Energetyczna, tom 6, zeszyt specjalny,

10 J. KUTKOWSKI Niektóre aspekty bezpieczeństwa i ochrony środowiska na terenach Some aspects of safety and environment protection on the eliminated mine areas The article introduces the results of measurements of the subsoil gases concentration on the surface of the eliminated mine area. The results of measurements show, that there is a possibility of gas permeating from the eliminated mining excavations to the surface in a not proper amounts. The subsoil gases concentration may influence on the public safety. To prove the introduced opinions, the studies were carried out on two different mine areas for varying climate conditions and were extended to the water study. Przekazano: 23 marca 27 r. 116