Piotr CHMIEL, Mieczysław LUBRYKA, Jan KUTKOWSKI Jastrzębska Spółka Węglowa KWK Jas-Mos, Jastrzębie

Transkrypt

1 WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str Piotr CHMIEL, Mieczysław LUBRYKA, Jan KUTKOWSKI Jastrzębska Spółka Węglowa KWK Jas-Mos, Jastrzębie Wpływ wstrząsów górotworu indukowanych eksploatacją górniczą na zmianę efektywności odmetanowania pokładu Streszczenie Artykuł przedstawia przypadki wpływu wstrząsów górotworu indukowanych eksploatacją górniczą na zmiany efektywności odmetanowania pokładu. Zjawiska wstrząsów górniczych występujących w rejonie przodków ścianowych były przyczyną zmian efektywności odmetanowania w rejonie prowadzonych obserwacji. Wyniki obserwacji wskazują na wyraźną zależność między występowaniem wstrząsów górotworu lokalizowanych w stropie pokładu a ilością odprowadzonego metanu drogami wentylacyjnymi i rurociągami odmetanowania. 1. Wstęp Obserwacje przeprowadzono w trzech przodkach ścianowych pokładów zaliczanych co najmniej do I stopnia zagrożenia tąpaniami i IV kategorii zagrożenia metanowego. W analizowanych pokładach metanonośność mieściła się w przedziale od 1m 3 CH 4/t c.s.w. do 7,2m 3 /t c.s.w., a liczba wstrząsów górniczych była różna i wynosiła od 3 do 133 na miesiąc. Wielokrotnie obserwowano znaczne wahania wielkości współczynnika efektywności odmetanowania, jednak brak pełnych danych uniemożliwiał kompleksową analizę przyczyn tych nagłych zmian wskaźnika efektywności odmetanowania. W Górnośląskim Zagłębiu Węglowym kilkanaście czynnych kopalń węglowych wskutek wysokiej metanonośności pokładów zobowiązanych jest do stosowania odmetanowania pokładów węgla sposobami podziemnymi. Obejmują one odmetanowanie wyprzedzające prowadzone w czasie robót przygotowawczych z wykorzystaniem wiązek otworów drenażowych na ogół podłączonych do rurociągu ssącego. Warunki geologiczne występowania metanu w złożu oraz słaba desorpcja węgli powoduje, że uwolnienie gazu bez naruszenia struktury górotworu robotami górniczymi jest niewielkie. Ilość uwalnianego metanu jest ściśle związana z zakresem prowadzonych robót górniczych tak udostępniających, jak i eksploatacyjnych (Kozłowski i Grębski 1982). 2. Odmetanowanie, odprężenia, wstrząsy górnicze Stymulacja wypływu metanu z pokładów węglowych i otaczającego je górotworu może się odbywać w dwojaki sposób, a mianowicie: - przez kawernowanie lub hydrauliczne szczelinowanie pokładów pionowymi otworami wiertniczymi z powierzchni, - przez odprężenie górotworu eksploatacją zawałową. 291

2 P. CHMIEL, M. LUBRYKA, J. KUTKOWSKI Wpływ wstrząsów górotworu indukowanych... Mechanizm wypływu metanu jest związany z charakterem odprężenia górotworu. Wskutek narastającego za frontem przodka ścianowego obciążenia na rumowisko zawałowe, stopniowo maleje efekt odprężenia, tłumione są możliwości wypływu metanu z warstw spągowych. Większość kopalń prowadzących w GZW odmetanowanie górotworu otaczającego czynne przodki ścianowe stosuje drenaż warstw stropowych jako lepiej i głębiej odprężonych (Kidybiński 1999). Prowadzenie eksploatacji pokładów węgla w kopalniach metanowych wymaga stosowania specjalnych działań technicznych celem niedopuszczenia do przekroczenia bezpiecznej wielkości stężenia gazu w powietrzu kopalnianym. Podstawowym sposobem jest stosowanie odpowiednich systemów wentylacyjnych z intensywnym strumieniem powietrza. Często jednak sposoby wentylacyjne są mało skuteczne i konieczne jest odciąganie metanu z pokładu węgla i skał otaczających (Nawrat i Berger 2002). Obniżenie zagrożenia metanowego poprzez odmetanowanie kopalń przyczynia się do poprawy bezpieczeństwa załóg górniczych oraz ciągłości pracy maszyn zmniejszając liczbę postojów maszyn w wyniku wyłączeń energii elektrycznej po przekroczeniu wartości krytycznych stężenia metanu. Efektywne systemy odmetanowania to także możliwość pozyskiwania metanu jako naturalnego źródła energii, ale również ograniczenie ujemnych skutków na środowisko naturalne wynikających z odprowadzania metanu do atmosfery. Za odmetanowaniem złóż węgla kamiennego przemawiają względy (Szlązak i in. 2002): - bezpieczeństwa, poprzez ujęcie metanu do rurociągów i tym samym obniżeniu ilości emitowanego metanu do prądów wentylacyjnych oraz obniżenie zagrożenia wybuchem, - ekologiczne, ze względu na ochronę środowiska naturalnego poprzez zmniejszenie emisji metanu do atmosfery, - ekonomiczne, wynikające ze zmniejszenia ilości powietrza koniecznego do przewietrzania wyrobisk i zysk ze sprzedaży dwóch nośników energii węgla i metanu. Warunkiem uzyskania dobrej skuteczności odmetanowania jest duża przepuszczalność górotworu. Zjawisko to ma miejsce w złożach o rozwiniętej tektonice, dla dużej ilości uskoków, szczelin i spękań. Średni wskaźnik odmetanowania E w omawianych pokładach wynosił około 25 % przy średniej metanonośności 3,5 m 3 CH 4/t c.s.w.. Odmetanowanie i duża intensywność przewietrzania pozwoliły na utrzymywanie średniej koncentracji metanu na wylocie z przodka ścianowego na poziomie 0,5 %. Otwory drenażowe odmetanowania wykazały wzrost ilości ujmowanego metanu podczas postępu przodka ścianowego, natomiast podczas postoju kombajnu ścianowego ilość ujmowanego metanu spadała. Należy zauważyć, że koncentracja metanu w powietrzu obiegowym przodka ścianowego była wyższa niż podczas urabiania. Przyjmując, że odprężenie górotworu jest wprost proporcjonalne do grubości wybierania pokładu, to istotnym elementem jest zsynchronizowanie wybierania pokładów. Skutki odprężenia w postaci odgazowania pokładów gazonośnych zależą od wielkości odkształceń pionowych. Z pomiarów geodezyjnych wynika, że intensywne wydzielenia większych ilości zasorbowanego gazu zachodzi przy odkształceniach ε = 1,7 mm/m (Szpetkowski 1995). W takich warunkach górotwór skutecznie umożliwia odmetanowanie, a jeżeli szczeliny mają kontakt z wyrobiskami, wydzielony metan odprowadzany jest wentylacyjnie. Indukowane przez eksploatację wstrząsy górnicze w przypadkach, gdy ogniska wstrząsów lokalizowane były w warstwach stropowych pola eksploatacji, powodowały wyraźny wzrost wskaźnika efektywności odmetanowania, gdyż depresja otworów drenażowych przy rozszczelnionym górotworze powodowała większy zasięg odmetanowania (Kutkowski 2001). 292

3 WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie 3. Sposób prowadzenia obserwacji Prześledzono zapisy w dziennikach pomiarowych Zakładu Odmetanowania Kopalń sp. z. o.o. oraz zapisy cyfrowe czujników metanometrii. Przeliczono wielkość doprowadzonego powietrza i stężenia metanu na ilość odprowadzonego powietrza drogami wentylacyjnymi. W analizie porównawczej zwrócono szczególną uwagę na relację między trzema czynnikami, a mianowicie: - ilością metanu w m 3 /min w wyniku odmetanowania, - ilością metanu w m 3 /min odprowadzaną wentylacyjnie, - wskaźnikiem efektywności odmetanowania. W analizach uwzględniono również inne czynniki takie jak: wydatek powietrza w m 3 /min oraz dobowe wydobycie węgla. Relacje między wymienionymi powyżej czynnikami porównano z liczbą wstrząsów w określonym czasie w poszczególnych rejonach przodków ścianowych oraz sumą wyzwolonej energii sejsmicznej. Prześledzono wielkości stężeń CH 4 na wlocie i wylocie przodków ścianowych i ilość doprowadzonego powietrza do przodków ścianowych, co pozwoliło na określenie odprowadzonego metanu drogami wentylacyjnymi. Porównanie uzyskanych wyników z ogniskami wstrząsów górniczych pozwoliło określić ich wzajemną współzależność. Dokładna lokalizacja ognisk występujących wstrząsów górotworu oraz odległości ognisk wstrząsów od otworów odmetanowania, pozwalała na analizę pod kątem, jak zmienia się wielkość odprowadzonego metanu drogami wentylacyjnymi i rurociągami w zależności od liczby wstrząsów w miesiącu i wyzwolonej energii. Analizę wstrząsów górniczych pod kątem zmian wskaźnika efektywności odmetanowania, przeprowadzono na podstawie katalogu wstrząsów z działu geofizyki górniczej. Długość otworów drenażowych wynosiła od 80 m 100 m wierconych w warstwach stropowych pokładu pod kątem od 25 0 do 35 0, w rzucie poziomym w odniesieniu do nachylenia chodnika pod kątem od 20 0 do W warstwach stropowych występował piaskowiec (60 % 70 %) oraz łupki ilaste z wkładkami węgla (30 % 40 %). Otwory wiercono wiązką trzech lub czterech otworów, w odległościach około 30 m między wiązkami. Pracownicy pomiarowi za pomocą reduktorów regulują wielkość depresji w każdym z otworów. Aby utrzymać odpowiednią koncentrację CH 4 w rurociągu, poziom depresji w otworze wynosi ~1x10 3 Pa, natomiast w rurociągu od 4x10 3 Pa do około 5,3x10 3 Pa. Średnia koncentracja CH 4 w rurociągach zbiorczych odmetanowania omawianych rejonach, mierzona czujnikami wysokiej koncentracji CKA wynosi ~56 %. 4. Analiza wyników Zebrane syntetycznie wyniki przedstawiono w tablicy 4.1, w której podano kolejne miesiące eksploatacji przodków ścianowych, ilość ujmowanego i odprowadzanego metanu na podstawie których obliczono efektywność odmetanowania, a na końcu zestawiono liczbę wstrząsów według ich energii oraz sumę wydzielonej energii. Od pozycji 1 do 15 są wyniki pierwszego przodka ścianowego, a od 16 do 28 drugiego przodka ścianowego. Na podstawie pierwszej części tablicy 4.1 dla pierwszego przodka ścianowego opracowano rysunek 4.1 wskazujący wyraźnie, że jeżeli spada efektywność odmetanowania przy spadku liczby wstrząsów to wzrasta ilość metanu odprowadzana wentylacyjnie. Należy zwrócić uwagę, że głównie to nie ilość wstrząsów lub ilość wydzielonej energii ma wpływ na efektywność odmetanowania, lecz lokalizacja ogniska wstrząsu. 293

4 P. CHMIEL, M. LUBRYKA, J. KUTKOWSKI Wpływ wstrząsów górotworu indukowanych... Tablica 4.1. Dane dotyczące odmetanowania i odprowadzenia wentylacyjnego metanu z okresu 28 miesięcy z dwóch przodków ścianowych Table 4.1. Data of methane drenaige and evacuated ventilation methane for 28 months from two longwall faces Lp Ujmowanie odmetanowaniem Ilość metanu m 3 /min Odprowadzane wentylacyjnie Efektywność odmetanowania E [%] 294 Liczba wstrząsów E3 E4 E5 E6 1 0,75 3,34 18, ,93E5 2 0,55 2,68 17, ,47E6 3 0,68 3,00 18, ,06E5 4 0,58 4,24 12, ,34E5 5 0,6 4,99 10, ,32E5 6 0,62 3,25 16,0 3 1,42E4 7 0,52 1,87 21, ,76E4 8 0,48 2,0 19, ,79E4 9 0,48 3,01 13, ,45E5 10 0,46 3,0 13, ,81E5 11 0,42 1,63 20, ,88E4 12 0,44 1,76 20,0 6 2,5E4 13 0,44 1,64 21,2 7 3,45E4 14 0,45 1,51 23, ,55E4 15 0,45 1,67 21,2 1 2,3E3 16 0,47 0,93 33,6 17 0,45 2,5 14, ,96E5 18 0,4 2,62 13, ,68E5 19 0,5 2,15 18, ,16E6 20 0,45 1,58 20, ,5E5 21 0,48 1,72 19, ,03E6 22 0,40 1,88 19, ,06E6 23 0,38 1,45 22, ,02E6 24 0,42 2,15 18, ,01E6 25 0,35 2,4 14, ,92E5 26 0,45 2,35 13, ,35E6 27 0,38 2,5 14, ,45E6 28 0,30 2,15 18, ,72E6 Indukowane przez eksploatację wstrząsy górnicze w przypadkach, gdy ogniska wstrząsów lokalizowane były w warstwach stropowych pola eksploatacji, powodowały wyraźny wzrost wskaźnika efektywności odmetanowania. Gdy ognisko wstrząsu lokalizowane było w odległości mniejszej niż 60 m od chodnika z którego prowadzony był otwór drenażowy wielkość wskaźnika wyraźnie spadała, gdyż w tym przypadku podciśnienie w otworze zasysało powietrze z chodnika obniżając stężenie metanu w rurociągu, a jednocześnie wpływało niekorzystnie na efektywność odmetanowania. Największy wzrost efektywności odmetanowania zanotowano gdy ogniska wstrząsów lokalizowane były około 90 m od chodnika z którego wykonywano otwory odmetanowania. Przodek ścianowy, którego dotyczy rysunek 4.1 eksploatowany był na podsadzkę, mimo iż ilość wstrząsów wyraźnie spadła to efektywność wyraźnie wzrosła, przy utrzymującym się spadkowym poziomie odprowadzania metanu drogami wentylacyjnymi. Inny przypadek dotyczy przodka ścianowego eksploatowanego na zawał, dla którego technologia odmetanowania była podobna jak opisana w rozdziale 2. ΣE

5 WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie E [%] m 3 /min Liczba wstrząsów w miesiącu Rys Zależność efektywności odmetanowania i odprowadzania wentylacyjnego metanu od liczby wstrząsów dla przodka ścianowego eksploatowanego na podsadzkę Fig Dependence of efficiency of methane drainage and evacuated ventilation methane from number of shocks a month for longwall face with filling Prognozy metanowe przewidywały, że nie jest konieczne stosowanie odmetanowania, jednak po rozpoczęciu eksploatacji pokładu okazało się, że odmetanowanie jest nieodzowne. Efektywność sukcesywnie rosła w dużej mierze z powodu pojawienia się wstrząsów górniczych. W pierwszych dwóch miesiącach od rozpoczęcia eksploatacji liczba wstrząsów wynosiła 4-13 w miesiącu, jednocześnie efektywność odmetanowania wahała się w granicach 5 6 %. Po uzyskaniu planowanego postępu min. 3 m/dobę gwałtownie zaczęła rosnąć ilość wstrząsów i ich energia. W sumie w analizowanym okresie 10 miesięcy wystąpiły 134 wstrząsy, w tym E3J, 29 10E4J, 3 10E5J. Około 60 % wszystkich wstrząsów lokalizowanych było w górnej części przodka ścianowego w otoczeniu pochylni wentylacyjnej. Z rysunku 4.2 wyraźnie wynika, że gdy spada odprowadzanie wentylacyjne metanu to wzrasta efektywność odmetanowania. Pojawienie się wstrząsów górniczych w pierwszym okresie eksploatacji spowodowało zwiększenie ilości odprowadzanego metanu drogami wentylacyjnymi, co doprowadziło zwiększenia ilości doprowadzonego powietrza w celu obniżenia stężeń metanu do wartości dopuszczalnych. W drugim etapie liczba wstrząsów spadła, jednak ogniska tych wstrząsów lokalizowane były w górnej części przodka ścianowego (rys. 4.3) i w zależności od obszaru wystąpienia wpływały mniej lub bardziej korzystnie na efektywność odmetanowania. 295

6 P. CHMIEL, M. LUBRYKA, J. KUTKOWSKI Wpływ wstrząsów górotworu indukowanych... Tablica 4.2. Dane dotyczące odmetanowania i wentylacyjnego odprowadzania metanu za 10 miesięcy z przodka ścianowego z kierowaniem stropu na zawał Table 4.2. Data of methane drenaige and evacuated ventilation methane for 10 months from longwall with caving Miesiąc Stężenie CH 4 Ujęcie metanu [m 3 /min] "E" min max średnio ujmowanie ZOK wentylacyjnie efektywność marzec 0,4 1,5 0,95 1,97 19,00 9,39 kwiecień 0,5 1,3 0,90 3,08 18,00 14,61 maj 0,7 1,3 1,00 3,65 20,00 15,43 czerwiec 0,2 0,7 0,45 4,82 9,00 34,88 lipiec 0,2 0,8 0,50 4,27 10,00 29,92 sierpień 0,15 0,6 0,38 3,43 7,50 31,38 Wrzesień 0,2 0,8 0,50 3,2 10,00 24,24 październik 0,25 0,7 0,48 3,73 9,50 28,19 Listopad 0,2 0,6 0,40 3,46 8,00 30,19 Grudzień 0,4 0,95 0,68 4,28 13,50 24,07 Rys Zależność efektywności odmetanowania i odprowadzania wentylacyjnego metanu od liczby wstrząsów dla przodka ścianowego z kierowaniem stropem na zawał Fig Dependence of efficiency of methane drainage and evacuated ventilation methane from number of shocks a month from longwall face with caving 296

7 WARSZTATY 2003 z cyklu Zagrożenia naturalne w górnictwie Rysunek 4.3 przedstawia lokalizację ognisk wstrząsów i otworów do odmetanowania. Wstrząsy w różny sposób wpłynęły na zmianę efektywności odmetanowania co zaznaczono w opisie rysunku 4.3. H~ Chodnik wentylacyjny 2, V= 2000m3/min 2,7 9 Pochylnia taśmowa H ~8,5 H ~10 -Ogniska wstrząsów które spowodowały wzrost efektywności odmetanowania - ogniska wstrząsów które spowodowały spadek efektywności odmetanowania - ogniska wstrząsów które nie wpływały na efektywność odmetanowania - strefa wpływu wstrząsów na spadek efektywności odmetanowania - strefa wpływu na wzrost efektywności odmetanowania( między linią czerwoną a zieloną). Między pochylnią taśmową a linią zieloną zanik wpływu na efektywność odmetanowania. Rys Fragment mapy pokładowej z rejonu przodka ścianowego z naniesionymi otworami drenażowymi i ogniskami wstrząsów Fig A scheme of mining map with plotted drainage boreholes and tremors sources near longwall face 5. Podsumowanie Występowanie wstrząsów górniczych w pokładach metanonośnych może w znaczny sposób wpłynąć w zależności od lokalizacji ogniska wstrząsów na poprawę lub pogorszenie efektywności odmetanowania. Przypadki ruchowe wskazują, że podczas prowadzenia 297

8 P. CHMIEL, M. LUBRYKA, J. KUTKOWSKI Wpływ wstrząsów górotworu indukowanych... odmetanowania w rejonach o prognozowanej wysokiej aktywności sejsmicznej należy zabezpieczyć otwór drenażowy rurami obsadowymi na odcinku dłuższym niż w rejonach o słabej sejsmiczności tj. z 3 m do 9 m. Takie działanie zapobiegnie zasysaniu powietrza przez otwory drenażowe rozszczelnione z powodu zaistniałego wstrząsu. Przedstawione rysunki wskazują, że gdy spada efektywność odmetanowania to wzrasta ilość metanu odprowadzanego drogami wentylacyjnymi. Analiza wykazuje, że w warunkach kiedy ogniska wstrząsów lokalizowane są powyżej 60 m od chodnika z którego wiercone są wiązki otworów to efektywność odmetanowania wzrasta. Po przekroczeniu odległości ogniska wstrząsu około 90 m od chodnika pozytywny wpływ na efektywność odmetanowania spada praktycznie do zera. Ważnym elementem prognozy metanowej jest uwzględnienie występowania wstrząsów górniczych przez zwiększenie współczynnika nierównomierności wydzielania metanu. Na etapie założeń techniczno-ekonomicznych należy zwrócić uwagę na współwystępowanie zjawisk wstrząsów górniczych, zagrożenia metanowego oraz odmetanowania pod kątem bezpieczeństwa pracy, gdyż odmetanowanie nawet o niewielkiej efektywności w rejonie, może znacznie poprawić bezpieczeństwo pracy, chociaż zwiększa koszt wydobytej tony węgla. Literatura [1] Barton N. 1996: Estimating rock mass deformation modulus for excavation disturbed zone studies. Proc. of Excavation disturbed zone workshop, eds. J. B. Montino & C. D. Martin, September , Manitoba, Canada, [2] Kidybiński A. 1999: Geomechaniczne aspekty odmetanowania. Materiały 1 Szkoły Aerologii Górniczej, [3] Kozłowski B., Grębski Z. 1982: Odmetanowanie górotworu w kopalniach węgla kamiennego. [4] Kutkowski J. 2001: Wydzielanie metanu pod wpływem wstrząsów górniczych jako proces lokalnie zakłócający przewietrzanie kopalni. Praca doktorska, [5] Nawrat S., Berger J. 2002: Badania eksperymentalne otamowanych wyrobisk górniczych pod kątem możliwości ich wykorzystania jako retencyjnych zbiorników metanu z odmetanowania w kopalniach węgla kamiennego, [6] Szlązak N., Tor A., Jakubów A. 2002: Analiza ujęcia i wykorzystania metanu w kopalniach Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A. Materiały 2 Szkoły Aerologii Górniczej, [7] Szpetkowski S. 1995: Prognozowanie wpływów eksploatacji złóż pokładowych na górotwór i powierzchnię terenu. Śląskie Wydawnictwo Techniczne, Influence of shocks induced by mining on change of efficiency methane outflow The paper presents the influence of shocks induced by mining on changes of efficiency methane outflow in rock mass. Results of observation show on a strong dependence between location of shocks and quantity of evacuated methane by ventilation roads and methane drainage. Przekazano: 17 marca 2003 r. 298