Proekologiczne rozwiązania technologiczne przy zagospodarowywaniu metanu w kopalniach Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A.

Transkrypt

1 Antoni JAKUBÓW, Stanisław NAWRAT Jastrzębska Spółka Węglowa S.A., Jastrzębie Zdrój Mat. Symp. Warsztaty 2000 str Proekologiczne rozwiązania technologiczne przy zagospodarowywaniu metanu w kopalniach Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A. Streszczenie W referacie przedstawiono ogólną charakterystykę zagrożenia metanowego w kopalniach Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A. oraz działań mających na celu niedopuszczenie do powstawania w wyrobiskach dołowych niebezpiecznych stężeń metanu przekraczających wartości dopuszczalne, określone w obowiązujących przepisach. Metan uwalniany w trakcie prowadzonych robót górniczych jest średniorocznie w około 40% ujmowany pod depresją centralnych, powierzchniowych stacji odmetanowania do rurociągów i przesyłany na powierzchnię, a w około 60% odprowadzany z wyrobisk górniczych z powietrzem kopalnianym. Opisano sposoby zagospodarowywania metanu pozyskiwanego systemem odmetanowania oraz proekologiczne rozwiązania technologiczne stanowiące nowe podejście do zagadnienia racjonalnego i efektywnego tak pod względem ekonomicznym jak i ochrony środowiska wykorzystywania zasobów naturalnych. 1. Wprowadzenie Metan i związane z nim zagrożenie wybuchowe jest nadal jednym z najgroźniejszych zjawisk towarzyszących wydobyciu węgla kamiennego. Równocześnie jest ono jednym z najbardziej powszechnych zagrożeń występujących w złożach węgla. Obecność metanu w górotworze jest wynikiem zwęglenia materiału roślinnego w warunkach wysokiego ciśnienia i temperatury. Wydzielanie metanu z urobionego węgla i zrobów, stwarza poważne zagrożenie w zakresie bezpieczeństwa pracy. Zagrożenie to ujawnia się zarówno w formie zagrożenia wybuchem metanu (gaz wybuchowy bezbarwny i bezwonny), jak i w formie atmosfery beztlenowej jaka może powstać, a tym samym zagrożenia uduszeniem. O stopniu zagrożenia świadczą tragedie, które z tych przyczyn wystąpiły w kopalniach. Odmetanowanie kopalń stanowi bardzo ważny i skuteczny środek profilaktyki metanowej i jest prowadzone obecnie w 17 polskich kopalniach. W 1998 r. odmetanowaniem ujęto 203,6 mln m 3 metanu, z czego zagospodarowano około 141,52 mln m 3 tj. 69,5%. Pomimo spadku ogólnej ilości metanu wydzielającego się z kopalń z 763 mln m 3 w roku 1998 do 747,1 mln m 3 w roku 1999 nastąpił wzrost ilości metanu ujętego odmetanowaniem do 216,1 mln m 3. Niestety zagospodarowanie metanu zmniejszyło się do 130,20 mln m 3, co stanowi 60,5% ujętego metanu. W ten sposób zwiększa się ilość metanu odprowadzana od atmosfery. Wynika z tego wniosek, że należy podejmować działania mające na celu zwiększenie zagospodarowania metanu ujmowanego odmetanowaniem. Stan zagospodarowania metanu w kopalniach 139

2 A. JAKUBÓW, S. NAWRAT - Proekologiczne rozwiązania technologiczne... stosujących odmetanowanie kształtował się od 0% w kopalni "Bielszowice" do 99,9% w kopalni "Silesia". Największe ilości nie zagospodarowanego metanu w 1998 r. były w kopalniach: "Pniówek" - 20,49 mln m 3 i "Staszic" - 4,5 mln m 3. W 1999 r. ilość nie zagospodarowanego metanu w KWK "Pniówek" zmniejszyła się do 18,77 mln m 3. Obniżanie 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 ograniczanie ujemnych skutków na środowisko naturalne wynikających z odprowadzania metanu do atmosfery. Jastrzębska Spółka Węglowa S.A. prowadziła w roku 1999 eksploatację węgla kamiennego w pięciu kopalniach zlokalizowanych w południowo-zachodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego, w najbardziej na południe wysuniętym rejonie obszaru zwanego umownie Rybnickim Okręgiem Węglowym. Są to kopalnie: Borynia, Jas-Mos, Krupiński, Pniówek i Zofiówka. Leżąca na tym terenie kopalnia Żory została zlikwidowana w 1997 r. po 18-letnim okresie eksploatacji, natomiast kopalnia Jas-Mos powstała w 1995 roku z ponownego połączenia kopalń Jastrzębie i Moszczenica (rys.1.1). Kopalnia Morcinek zakończyła eksploatację z dniem r. i obecnie realizowana jest końcowa faza likwidacji obiektów powierzchniowych zakładu górniczego. Metan pozyskiwany w procesie odmetanowania pokładów i skał otaczających w kopalniach nie jest równomiernie zagospodarowywany w czasie, a część niezagospodarowana odprowadzana jest do atmosfery. Pomimo, że metan ujęty w procesie odmetanowania kopalń stanowi pełnowartościowe paliwo nawet przy zawartości 30% CH 4, to jego utylizacja napotyka na duże trudności. Jest to spowodowane sprzecznymi wymaganiami producenta gazu, jakim jest kopalnia i jego odbiorców. Kopalnie uzyskują gaz w procesie odmetanowania jako produkt uboczny przy produkcji węgla. Ponieważ górnicze warunki ujęcia metanu zmieniają się stale, zmienia się również skład gazu oraz jego ilość. Dla odbiorcy natomiast warunkiem zapewnienia właściwego procesu wykorzystania gazu jest wartość opałowa, stały skład chemiczny oraz utrzymanie wielkości dostaw gazu na ustalonym poziomie. Metan stwarzający największe zagrożenie w procesie produkcyjnym kopalni, stanowi równocześnie efektywne źródło energii dla zakładów i obiektów powierzchniowych. Wykorzystywany jest w przykopalnianych kotłowniach i suszarkach w zakładach przeróbczych oraz w elektrociepłowniach Spółki Energetycznej Jastrzębie i Spółce Elektro-Energo- Gaz Suszec przy kopalni "Krupiński do napędu silnika agregatu prądotwórczego typu MWM Deutz TBG632 V16 o mocy 2,7 MW. Odbiorców powiązanych z ciepłownictwem cechuje nierównomierność odbioru gazu kopalnianego, co spowodowane jest warunkami klimatycznymi. Zainstalowany w KWK Krupiński pierwszy w kraju agregat prądotwórczy wytwarzający energię elektryczną i cieplną w oparciu o gaz kopalniany wykorzystał w 1998 roku 6,5 mln m 3 metanu. W 1999 r. wykorzystanie metanu przez ten silnik wyniosło 5,6 mln m 3. Wytwarzanie energii elektrycznej i cieplnej za pomocą silników gazowych podnosi efektywność i ekonomiczne wykorzystanie gazu kopalnianego. Kolejną inwestycją energetyczną przewidzianą do realizacji w przeciągu najbliższych kilku lat, mającą na celu zwiększenie udziału wykorzystania ujmowanego metanu, jest 140

3 Mapa granic obszarów górniczych Jastrzębskiej Spółki Weglowej SA oraz granic administracyjnych Rys. 1.1 Położenie administracyjne kopalń Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A. wdrożenie w KWK Pniówek na bazie gazu kopalnianego skojarzonego układu energetycznochłodniczego. Sprawność takiego układu wynosi około 78%, przy czym 40% stanowi energia chłodnicza, resztę stanowi energia elektryczna. Należy zaznaczyć, że wielkość projektowanych urządzeń energetycznych musi uwzględniać aktualne i prognozowane w dłuższej perspektywie czasowej ujęcia metanu oraz specyfikę odbiorców, ponieważ koszty realizacji w/w przedsięwzięć są wysokie. Problemem technicznym, który musi być bezwzględnie rozwiązany jest dostosowanie ilości ujmowanego metanu do możliwości jego zagospodarowania przez odbiorców w ciągu całego roku. Dystrybucja ujmowanego odmetanowaniem metanu może być bardziej efektywna poprzez gromadzenie nadwyżek metanu w nieczynnych wyrobiskach dołowych. Dlatego w dobie reformy górnictwa węgla kamiennego racjonalne i proekologiczne rozwiązanie technologiczne, ograniczające odprowadzanie metanu do atmosfery, a przede wszystkim opłacalne ekonomicznie jego odzyskiwanie, magazynowanie nadmiarów i właściwe wykorzystanie w elektroenergetyce musi budzić uznanie. Duża objętość wyrobisk przeznaczonych do technologicznego gromadzenia metanu w kopalniach "Pniówek" i "Krupiński" zezwala na przejęcie kilkudniowych nadwyżek gazu metanowego. W związku z tym zagadnienie adaptacji 141

4 A. JAKUBÓW, S. NAWRAT - Proekologiczne rozwiązania technologiczne... nieczynnych wyrobisk górniczych na inne cele użytkowe, a przede wszystkim na zbiorniki metanu, wydaje się niezwykle interesujące. 2. Charakterystyka warunków górniczo-geologicznych oraz zagrożenia metanowego kopalń JSW S.A. W budowie geologicznej południowej części Rybnickiego Okręgu Węglowego biorą udział utwory karbonu nakryte trudno przepuszczalnym nadkładem o zmiennej miąższości osadów czwartorzędu i trzeciorzędu. Jedynie w części południowej obszaru byłej KWK Morcinek czwartorzęd pokrywa utwory fliszowe nasunięcia karpackiego (kreda). Litologicznie utwory czwartorzędu wykształcone są z piasków i żwirów z przewarstwieniami i wkładkami mułów, iłów i glin. Utwory trzeciorzędu reprezentowane są przez morskie osady iłów mioceńskich z wkładkami piasków i pyłów, w spągu tych warstw o charakterze kurzawek. Karbon produktywny jest potężną węglonośną formacją osadową (serią osadów), złożoną ze skał przeważnie ilasto-piaszczystych z pokładami węgla. Obszar ROW położony jest w silnie zdyslokowanej południowo-zachodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Tektonika jest wynikiem głównie orogenezy hercyńskiej, w czasie której utworzyło się szereg fałdów i niecek, a także nasunięć oraz liczne uskoki. Wśród uskoków o charakterze regionalnym, które ograniczają zapadlisko przedkarpackie, dominuje kierunek W-E. Wielkość zrzutów dochodzi do 300 m. Największe zaangażowanie tektoniczne wykazuje zachodnia część obszaru ROW oraz rejon byłej KWK Morcinek. W kopalniach JSW S.A., ze względu na zaleganie w nadkładzie słabo przepuszczalnych ilastych osadów miocenu, bezpośrednio w stropie karbonu występuje m strefa wysokiej metanonośności pokładów, przekraczającej niejednokrotnie 10 m 3 CH 4/Mg csw. Obszary zwiększonej metanonośności pokładów oraz silnego nasycenia metanem wolnym występują również w pobliżu stref uskokowych, które stanowiły drogi migracji metanu z głębszych partii złoża kończące się na kontakcie z nieprzepuszczalnym nadkładem. W kopalniach Jastrzębie i Moszczenica, budowanych w pierwszej kolejności, już w trakcie drążenia pierwszych wyrobisk udostępniających w strefie podnadkładowej następowały intensywne wypływy metanu wolnego, dochodzące do kilkudziesięciu m 3 /min. Uruchomienie eksploatacji spowodowało dalsze zwiększenie wydzielania metanu. Odmienna dynamika metanowości wystąpiła w kolejno budowanych kopalniach głębszych. Dopływy metanu w fazie robót udostępniających były stosunkowo niewielkie. Dopiero rozpoczęcie robót eksploatacyjnych spowodowało wzrost wydzielania się metanu (Berger, Nowak 1999). Kopalnie Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A. należą do najbardziej metanowych w Polsce, a kopalnia Pniówek zajmuje najwyższą pozycję i najwyższe ujęcie metanu odmetanowaniem. Zagrożenie metanowe w kopalniach JSW S.A. jest najpoważniejszym zagrożeniem naturalnym. Podstawowa profilaktyka dla tego zagrożenia ma na celu niedopuszczenie do powstawania w wyrobiskach dołowych niebezpiecznych stężeń metanu przekraczających wartości dopuszczalne, określone w obowiązujących przepisach. Kopalnie Jastrzębskiej Spółki Węglowej charakteryzują się bardzo dużym zagrożeniem metanowym, o czym świadczy zarówno zaliczenie pokładów czterech kopalń tj. "Jas-Mos", "Krupiński", "Pniówek" i "Zofiówka" do IV kategorii zagrożenia metanowego oraz kopalni "Borynia" do III kategorii, jak również wysoka metanowość absolutna kopalń, określona ilością czystego metanu wydzielającego się do powietrza i ujmowanego przez odmetanowanie. W poszczególnych kopalniach JSW S.A. metanowość absolutna zawarta jest w przedziale od 142

5 minimalnej wartości stwierdzonej na kopalni "Borynia" tj. 25,5 m 3 CH 4 /min do maksymalnej na kopalni "Pniówek" wynoszącej 232,7 m 3 CH 4 /min. Ujęcie metanu w latach r. wahało się od do m 3 CH 4, z tego wykorzystywano od do m 3 CH 4. W tablicy 2.1 przedstawiono metanowość relatywną i absolutną kopalń według stanu na grudzień 1999 r., zaś na rys. 2.1 strukturę ujęcia i wykorzystania metanu w kopalniach JSW S.A. w latach W sumie z kopalń należących do JSW S.A. ujęto odmetanowaniem prawie 5,0 mld m 3 metanu (Berger, Nowak 1999). Warunki geologiczne występowania metanu w złożu węglowym oraz słaba desorbcja polskich węgli powoduje, że uwolnienie gazu bez naruszenia struktury górotworu robotami górniczymi jest niewielkie. Stąd ilość uwalnianego metanu jest ściśle związana z zakresem prowadzonych robót górniczych tak udostępniających, jak i właściwej eksploatacji pokładów węgla. Tabela 2.1 Metanowość relatywna i absolutna kopalń JSW S.A. (stan grudzień 1999 r.) Kopalnia Metanowość relatywna m 3 /t Metanowość absolutna Razem Wentylacja Odmetanowanie m 3 /min Efektywność odmetanowania % Grudzień Rok 1999 Grudzień Rok 1999 Grudzień Rok 1999 Grudzień Rok 1999 Grudzień Rok 1999 Borynia 3,72 3,28 25,62 25,53 19,52 22,74 6,10 2,79 23,81 10,93 Jas-Mos 10,83 11,35 86,06 88,19 65,64 66,79 20,42 21,40 23,72 24,27 Krupiński 10,10 8,58 65,95 59,94 35,85 36,00 30,10 23,94 41,84 39,26 Morcinek 0,00 0,00 0,00 14,86 0,00 6,41 0,00 8,45 0,00 56,86 Pniówek 32,72 33,34 236,78 232,73 133,78 132,43 103,00 100,30 43,50 43,03 Zofiówka 16,38 19,87 91,20 89,83 52,40 52,42 38,80 37,41 42,54 41,67 JSW SA 12,41 13,01 505,61 511,08 307,19 316,79 198,42 194,29 39,24 38,02 Również dotychczasowe negatywne doświadczenia firm zagranicznych w zakresie pozyskania metanu metodą otworów z powierzchni w partiach górotworu nieodprężonego jedynie potwierdziły tezę o słabym uwalnianiu metanu z takiego górotworu. Eksploatacja górnicza prowadzona obecnie w 100% systemem na zawał dodatkowo uwalnia metan zawarty w skałach porowatych zalegających nad pokładami węgla. W kopalniach stosujących odmetanowanie ujmuje się metan z 3 źródeł, a mianowicie: podczas drążenia wyrobisk korytarzowych udostępniających i przygotowawczych, w obrębie ścian eksploatacyjnych, spoza tam izolujących zroby. Metan uwalniany w trakcie prowadzonych robót górniczych jest w około 40% ujmowany pod depresją centralnych, powierzchniowych stacji odmetanowania do rurociągów i przesyłany na powierzchnię, a w około 60% odprowadzany z wyrobisk górniczych z powietrzem kopalnianym (rys. 2.2). Ilość powietrza odprowadzanego w okresie jednego roku z kopalń JSW S.A. wynosi około 146 mld m 3, a zawartość metanu w szybach wentylacyjnych wynosi średnio około 0,18% (Nawrat, Gatnar 1999). W silnie metanowych kopalniach Rybnickiego Okręgu Węglowego wentylacyjne sposoby zwalczania zagrożeń metanowych od wielu lat są już niewystarczające, co zmusiło do stosowania innego sposobu zwalczania zagrożeń metanowych, jakim jest odmetanowanie 143

6 A. JAKUBÓW, S. NAWRAT - Proekologiczne rozwiązania technologiczne... Ujęcie i wykorzystanie metanu w JSW SA Ujęcie Wykorzystanie ,5 [tys. m 3 CH 4 ] , , , , , , , , , , , , , Rys. 2.1 Ujęcie i wykorzystanie metanu w kopalniach JSW S.A. 250,00 Odmetanowanie Wentylacja 200,00 100,30 m 3 /min 150,00 100,00 21,40 132,43 37,41 50,00 2,79 22,74 66,79 23,94 36,00 52,42 0,00 Borynia Jas-Mos Krupiński Pniówek Zofiówka Rys. 2.2 Ilość metanu odprowadzanego z kopalń JSW S.A. w 1999 r. 144

7 JSW SA 37,45 Zofiówka 41,67 Pniówek 43,03 Krupiński 39,26 Jas-Mos 24,27 Borynia 10,93 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 % Rys. 2.3 Efektywność odmetanowania kopalń JSW S.A. w 1999 r. wyrobisk udostępniających, przygotowawczych i eksploatacyjnych. Odmetanowanie górotworu jest najskuteczniejszym środkiem zwalczania zagrożenia metanowego, zapewniającym zmniejszenie wypływów metanu do przestrzeni roboczych oraz zapobieganie lub zmniejszenie objawów, takich jak np. wydmuchy, nagłe wyrzuty metanu i węgla, itp. W kopalniach JSW S.A. około 62% ujęcia metanu pochodzi z drenowania górotworu otworami wiertniczymi, pozostałą ilość stanowi ujęcie z otamowanych zrobów. Metan odprowadzany jest z powyższych źródeł na powierzchnię osobnymi rurociągami z wykorzystaniem depresji pomp stacji odmetanowania (rys. 2.3). Odmetanowanie otworami drenażowymi prowadzone jest z wyrobisk korytarzowych udostępniających złoże i wyrobisk przyścianowych oraz czynnych wyrobisk eksploatacyjnych. Na głębszych poziomach kopalni odmetanowaniem robotami wiertniczymi objęte są wyłącznie wyrobiska eksploatacyjne. Odmetanowanie wyprzedzające w kopalniach JSW S.A. stosowane jest sporadycznie lub wcale się go nie stosuje ze względu na niską przepuszczalność węgli powodującą, że skuteczność metody odmetanowania jest zbyt niska. Ponadto wzrost koncentracji i intensyfikacji wydobycia oraz skracanie czasu wykonywania wyrobisk przygotowawczych uniemożliwia uzyskanie pozytywnych efektów odmetanowania wyprzedzającego pokładów, bez wdrożenia zabiegów stymulujących uwalnianie i przepływ metanu (hydrauliczne szczelinowanie pokładów węgla w otworach) (Berger, Nowak 1999). 3. Technologiczne gromadzenie metanu w nieczynnych wyrobiskach dołowych Jak zwrócono uwagę na wstępie artykułu, z reformą górnictwa węgla kamiennego powinny wiązać się racjonalne i proekologiczne rozwiązania technologiczne, ograniczające odprowadzanie metanu do atmosfery, a przede wszystkim opłacalne ekonomicznie rozwiązania jego odzyskiwania, magazynowania nadmiarów i właściwego wykorzystania w elektro-energetyce. 145

8 A. JAKUBÓW, S. NAWRAT - Proekologiczne rozwiązania technologiczne... W czynnych, a także likwidowanych kopalniach metanowych jest możliwość adaptacji otamowanych wyrobisk korytarzowych, jak i nieczynnych szybów na zbiorniki metanu. Próby zbiornikowego magazynowania metanu w kopalniach JSW S.A. prowadzone już były w pierwszej połowie lat 90-tych. W KWK "Morcinek" metan odzyskiwany ze złoża był przetwarzany na energię cieplną. Głównymi odbiorcami energii była suszarnia flotokoncentratu i ciepłownia zakładowa. Do 1993 r. odbiorcą nadwyżek gazu była elektrociepłownia kopalni "Moszczenica" w Jastrzębiu, za pośrednictwem Górnośląskich Zakładów Gazowniczych. Wyłączenie ze względów technicznych zewnętrznego odcinka sieci przesyłowej spowodowało, że nadmiar gazu był odprowadzany do atmosfery. Stąd powstała koncepcja akumulowania nadmiaru gazu w zbiorniku. Do tego celu wykorzystano szyb V (głębokość 650 m, obudowa betonowo-tubingowa) i 275-metrowy ślepy odcinek wyrobiska poziomego z tego szybu (łączna kubatura wyrobisk wynosiła m 3 ). Wyrobiska te nie były połączone z żadnym innym wyrobiskiem kopalnianym, jak również nie prowadzono w sąsiedztwie żadnych robót górniczych (Kubla i in. 1998). W roku 1999 opracowano dla Kopalń "Krupiński" i "Pniówek" projekty technologicznego gromadzenia metanu w nieczynnych wyrobiskach dołowych. Projekty te zostały pozytywnie zaopiniowane przez Komisję ds. Zagrożeń Metanowych, Pożarowych, Wybuchem Pyłu Węglowego oraz Przewietrzania i Klimatyzacji w Podziemnych Zakładach Górniczych. Na podstawie Uchwały nr 1/2000 z dnia r. w/w Komisji w Kopalniach "Krupiński" i "Pniówek" przeprowadzone zostaną próby ruchowe technologicznego gromadzenia metanu w nieczynnych wyrobiskach dołowych (Nawrat, Jakubów 2000). Zastosowanie w kopalniach "Krupiński" i "Pniówek" technologicznego gromadzenia metanu w nieczynnych wyrobiskach dołowych zabezpieczonych przeciwwybuchowo ma na celu ograniczenie dysproporcji w zagospodarowaniu metanu pozyskiwanego systemem odmetanowania, które wynikają przede wszystkim z: - sezonowych zmian zapotrzebowania metanu dla celów gospodarczych, - zmiennego wykorzystania metanu w procesach związanych z cyklem produkcyjnym kopalni w odniesieniu do dni roboczych i wolnych. W okresie czasu od do r. przy pomocy odmetanowania ujęto następujące ilości metanu: m 3 na kopalni Krupiński, przy czym wykorzystano średnio 82% ujętego gazu (minimalny wskaźnik wykorzystania w miesiącu wrześniu wyniósł 66,5%), m 3 na kopalni Pniówek, przy wykorzystaniu średnim 64,4% ujętego gazu (minimalny wskaźnik wykorzystania w miesiącu lipcu wyniósł 35%). Miejsca aktualnego i perspektywicznego wykorzystania metanu w obydwu kopalniach przedstawia schemat na rysunku 3.1. Jak widać na schemacie w przypadku kopalni Pniówek z ujętego metanu korzystają także odbiorcy zewnętrzni (spoza kopalni), do których jest on przesyłany specjalnym rurociągiem. W związku z tym, że obydwie elektrociepłownie wykazują się znacznymi różnicami w zapotrzebowaniu metanu w okresie letnim oraz zimowym grzewczym, wykorzystanie metanu ujętego w kopalni Pniówek wykazuje się dość istotnymi wahaniami. W okresach gdy zapotrzebowanie metanu jest niższe od ilości odprowadzanej z dołu obydwie kopalnie są zmuszone do wypuszczania jego nadmiaru do atmosfery. Prognozy popytu i podaży metanu w 2000 roku w kopalniach "Krupiński" i "Pniówek" przedstawione zostały na rysunkach 3.2 i

9 Rys. 3.1 Miejsca wykorzystania metanu w kopalniach "Krupiński" i "Pniówek" Planowane technologiczne magazynowanie metanu w wydzielonych nieczynnych wyrobiskach jest zatem nie tylko przedsięwzięciem przynoszącym wymierne efekty ekonomiczne ale stanowi także działanie proekologiczne, ponieważ przyczynia się do ograniczenia szkodliwej emisji metanu do atmosfery. Wybór konkretnych wyrobisk powinien być poprzedzony wnikliwą analizą warunków geologicznych, górniczych i wentylacyjnych oraz możliwości migracji gazów do wyrobisk czynnych wentylacyjnie poprzez kompleksy otamowanych wyrobisk i zrobów sąsiadujących z obszarem przewidzianym do magazynowania metanu. Kopalnia "Krupiński" - prognoza popytu i podaży metanu w 2000 r ilość metanu [tys. m3ch I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII miesiąc suszarnia agregat kocioł popyt podaż Rys. 3.2 Prognoza popytu i podaży metanu w 2000 r. w KWK "Krupiński" 147

10 A. JAKUBÓW, S. NAWRAT - Proekologiczne rozwiązania technologiczne Kopalnia "Pniówek" - prognoza popytu i podaży metanu w 2000 r. ilość metanu [tys. m3ch4] I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII miesiąc agregaty 1 i 2 odbiory SEJ popyt podaż Rys. 3.3 Prognoza popytu i podaży metanu w 2000 r. w KWK "Pniówek" System pracy instalacji przetłaczająco-odpompowujących metan do wyrobisk dołowych przewiduje okresowe i przemienne zastosowanie dwóch cykli, tj. wypełniania metanem i jego odpompowania w takim zakresie, ażeby ilość ujmowanego metanu była każdorazowo dostosowana do możliwości jego zagospodarowania przez odbiorców w przeciągu całego roku, w tym w dni robocze i wolne. Podstawowym urządzeniem wykorzystywanym w procesie przetłaczania lub odpompowywania metanu jest przewoźna stacja przetłaczania gazu na podwoziu kołowym. Jest ona zbudowana na bazie sprężarki gazowej z wirującym pierścieniem wodnym, zwanej potocznie pompą wodokrężną. Aktualnie taką stacją, bazującą na pompie wodokrężnej typu PP (zdjęcie stacji - rys. 3.3), dysponuje ratowniczy zastęp specjalistyczny Zakładu Odmetanowania Kopalń Sp z o.o. w Jastrzębiu. Magazynowanie metanu w otamowanych wyrobiskach realizowane jest za pomocą w/w pompy, która zbocznikowana z czynnym rurociągiem odmetanowania, przy odpowiednim układzie otwartych i zamkniętych zasuw pozwala na przetłaczanie metanu do otamowanych wyrobisk. Odpompowywanie metanu z tychże wyrobisk odbywa się za pomocą rurociągów przechodzących przez wylotowe tamy izolacyjne poddanych pod działanie depresji powierzchniowej stacji odmetanowania. Pompa wodokrężna jest wówczas nieczynna a układ zaworów na rurociągach dopasowany do ujmowania metanu z przestrzeni otamowanej. Przytoczone dwa cykle będą stosowane przemiennie odpowiednio do sytuacji w zakresie możliwości wykorzystania metanu dla celów gospodarczych. Przebieg ujęcia (odpompowywania) metanu z wyrobisk, w których zmagazynowano go za pomocą dołowej stacji przetłaczania gazu, będzie objęty kontrolą o zakresie obowiązującym powszechnie w procesie odmetanowania. 4. Skojarzony układ energetyczno-chłodniczy dla potrzeb klimatyzacji centralnej KWK "Pniówek" Kopalnia "Pniówek" prowadzi eksploatację pokładów grupy 300 zalegających na głębokości m i charakteryzujących się bardzo dużym zagrożeniem metanowym oraz wysoką temperaturą pierwotną górotworu. Temperatura pierwotna górotworu dla poszczególnych 148

11 Rys. 3.4 Stacja przetłaczania gazu poziomów wynosi od 29,5ºC na poz. 705 m do 43,5ºC na poz m. Pogarszanie się warunków klimatycznych w wyrobiskach eksploatacyjnych i przygotowawczych w KWK "Pniówek" skłoniły kierownictwo Kopalni i Spółki do budowy klimatyzacji centralnej. Przeprowadzone obliczenia prognostyczne warunków klimatycznych w wyrobiskach górniczych Kopalni w latach wykazały, że w celu utrzymania temperatury powietrza na wylocie ze ścian poniżej dopuszczalnej 28ºC, niezbędne jest chłodzenie powietrza wlotowego do ścian. Moc chłodnic powietrza koniecznych do zainstalowania na wlocie do ścian wynosić winna około 5000 kw. W wyniku przeprowadzonych analiz układów klimatyzacji centralnej (Praca zbiorowa 1997, 1999) wybrano do zastosowania układ skojarzony energetycznochłodniczy oparty na silnikach gazowych i generatorach energii elektrycznej oraz chłodziarkach absorpcyjnych i sprężarkowych. Silniki gazowe zasilane będą metanem z odmetanowania kopalni. Ciepło wytworzone w tym procesie wykorzystane będzie do przemiany w chłodziarkach absorpcyjnych i ochłodzenia medium do temperatury około 7ºC. Następnie poprzez chłodziarkę sprężarkową woda o temperaturze 2,5ºC będzie sprowadzana izolowanym rurociągiem o średnicy 300 mm na poziom 830 m, do trójkomorowej śluzy ciśnieniowej. Natomiast powrotna woda z poziomu 830 m na powierzchnię do agregatu chłodniczego transportowana będzie nieizolowanym rurociągiem o średnicy 300 mm. Przyrost temperatury w trójkomorowej śluzie ciśnieniowej Siemag wynosi około 0,5ºC. Na poziomie 830 m zostanie utworzona sieć niskociśnieniowych izolowanych rurociągów rozprowadzających zimną wodę do chłodnic powietrza rozmieszczonych w rejonach eksploatacyjnych. Część wytworzonej przez generator energii elektrycznej służyć będzie do zasilania sprężarek śrubowych i uzyskania dalszego ochłodzenia medium do temperatury około 3ºC. 149

12 A. JAKUBÓW, S. NAWRAT - Proekologiczne rozwiązania technologiczne... Pozostała ilość energii elektrycznej i ciepła wykorzystana będzie na potrzeby ruchowe kopalni. Przyjęty układ centralnej klimatyzacji w warunkach kopalni "Pniówek" o docelowej mocy 5,0 MW będzie realizowany w dwóch etapach. W pierwszym etapie przewidziane jest uruchomienie systemu klimatyzacji centralnej dla mocy równej 2,5 MW, a dopiero w drugim etapie osiągnie docelową moc chłodniczą 5,0 MW. Taki skojarzony układ energetyczno-chłodniczy (rys. 4.1), w porównaniu do układów opartych na zastosowaniu wyłącznie chłodziarek sprężarkowych, charakteryzuje się koniecznością poniesienia wyższych nakładów w pierwszej fazie realizacji inwestycji, natomiast od momentu uruchomienia instalacji wpływy za sprzedaną energię elektryczną, ciepło i korzyści uzyskane z zagospodarowania metanu są wyższe od ponoszonych kosztów eksploatacyjnych instalacji. Zwrot nakładów inwestycyjnych nastąpi w tym przypadku około roku 2004, tj. po 6 latach realizacji przedsięwzięcia. Na rysunku 4.1 zostały przedstawione parametry skojarzonego układu energetycznochłodniczego. 5. Eksploatacja metanu ze zlikwidowanych kopalń węgla kamiennego Likwidacji i zamykaniu podziemnych kopalń węgla kamiennego towarzyszy szereg problemów technicznych (Jakubów, Nawrat 2000). Jednym z najważniejszych jest problem zagrożenia metanowego ze strony powstałego w złożu węglowym zamkniętych kopalń zbiornika poeksploatacyjnego napełnionego gazem. Zlikwidowanie kopalni metanowej pociąga za sobą problem zapewnienia bezpieczeństwa na terenach leżących nad wyeksploatowanymi złożami. Znane są z doświadczeń zagranicznych przypadki przenikania metanu na powierzchnię w ilościach stwarzających zagrożenie zapaleniem lub wybuchem mieszanki metanowo-powietrznej w obiektach przemysłowych i socjalnych. Możliwości przenikania metanu na powierzchnię są bardziej prawdopodobne w przypadku eksploatacji płycej zalegających złóż węglowych, na terenach o bogatej tektonice ułatwiającej migrację metanu na powierzchnię, czy też braku szczelnych, nieprzepuszczalnych warstw pokrywających złoże węglowe. Szczególne zagrożenie może zaistnieć w przypadku eksploatacji węgla pod miastami i terenami przemysłowymi (Berger 1999). Z uwagi na wysokie koszty jednostkowe produkcji i związaną z tym trwałą nierentowność kopalni w styczniu 1998 r. podjęto decyzję o zatrzymaniu ruchu kopalni "Morcinek". Z dniem r. zostało zatrzymane wydobycie kopalni. Z chwilą podjęcia decyzji o zatrzymaniu ruchu kopalni zaczęto rozważać różne koncepcje jej likwidacji, uwzględniając przy tym m.in. występujące zagrożenie gazowe oraz sposób ujmowania metanu po zlikwidowaniu zakładu górniczego. W tym celu w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie opracowano Projekt likwidacji KWK Morcinek i zagospodarowania metanu w zlikwidowanej kopalni. Prowadzona eksploatacja górnicza w obszarze górniczym Kopalni Morcinek spowodowała naruszenie górotworu i wytworzenie stref desorpcji charakteryzujących się spękaniem i zeszczelinowaniem umożliwiającym wypływ metanu. Pomimo zaniechania eksploatacji nadal źródłem metanu mogą być stare zroby wyeksploatowanych ścian. W przestrzeniach starych zrobów metan gromadzi się na skutek naturalnej degazacji pozostałych po eksploatacji resztek węgla, oraz dopływu z powstałych w górotworze spękań. Zmiany ciśnienia mają istotny wpływ na intensywność emisji ze zrobów. Ten gromadzący się metan może być odprowadzony poprzez wytworzenie strefy obniżonego ciśnienia i dalej może być ujmowany szczelnymi rurociągami i wyprowadzany na powierzchnię. Dlatego też możliwe było określenie wielkości 150

13 Rys. 4.1 Parametry skojarzonego układu energetyczno-chłodniczego ujmowanego metanu w zależności od lokalizacji i ilości źródeł depresji. Przeprowadzona analiza zasobów metanu potwierdzała możliwość bezpiecznego ujmowania metanu po otamowaniu kopalni. Prognozowano możliwość ujmowania następujących ilości metanu: - w roku 1999 maksymalnie 11,86 m 3 /min, tj. średnio ok. 4,7 mln m 3, - w roku 2003 maksymalnie 5,08 m 3 /min, tj. średnio ok. 2,5 mln m 3, - w roku 2008 maksymalnie 3,73 m 3 /min, tj. średnio ok. 1,8 mln m 3. Zasoby bilansowe metanu jako kopaliny towarzyszącej na obszarze górniczym KWK Morcinek wynoszą 68,9 mln m 3. Prognozowano że, przez okres około 9-ciu lat możliwe będzie ujęcie systemem odmetanowania około 25 mln m 3 metanu. Możliwe więc byłoby ujecie ok. 36% zasobów bilansowych metanu na obszarze zlikwidowanego zakładu górniczego KWK Morcinek. Metan ten miał być odprowadzany zarówno z otworów drenażowych wywierconych do zrobów wybranych przestrzeni jak i w zależności od intensywności źródeł zza tam izolacyjnych. W nawiązaniu do powyższych rozważań przyjęto do realizacji koncepcję pozostawienia odmetanowania związanego z prowadzonymi robotami górniczymi oraz wykonanie nowych źródeł ujęcia metanu. W tym celu pozostawiono sieć rurociągów odmetanowania 151

14 A. JAKUBÓW, S. NAWRAT - Proekologiczne rozwiązania technologiczne... i jednocześnie wykonano w kilku rejonach otwory drenażowe do zrobów w pokładach 404/1-2, 406/1 i 406/2 (Nawrat i in. 1999). Niestety odmetanowanie górotworu wg powyższego projektu realizowane było do września 1999 r. W trakcie likwidacji szybu III wystąpiły trzykrotne ucieczki materiału zasypowego do wyrobisk poziomych kopalni, co było prawdopodobną przyczyną przerwania sieci rurociągów odmetanowania. Z uwagi na w/w zasoby metanu planowana jest eksploatacja gazu ze złoża byłej Kopalni "Morcinek". 6. Podsumowanie W kopalniach JSW.SA. wydziela się podczas eksploatacji duża ilość metanu z czego znacząca część (~ 60%) wyprowadzana jest do atmosfery za pomocą systemu wentylacyjnego, natomiast w ciągu roku ujmowane jest przez system odmetanowania około milionów metrów sześciennych. Najwyższą metanowość obserwuje się w kopalni PNIÓWEK, gdzie wydzielanie metanu w 1999 r. stanowiło ponad 45% w skali całej spółki. W kopalni tej ujmuje się około 53 milionów metrów sześciennych metanu przy efektywności systemu odmetanowania około 43%. Wzrost efektywności odmetanowania oraz pełne wykorzystanie ujętego gazu może przynieść bardzo znaczne efekty ekonomiczne. I tak na przykład wzrost efektywności o 1% daje w skali roku ponad jeden milion metrów sześciennych uzyskanego gazu o wartości około 200 tys. złotych. Poprawa efektywności odmetanowania i zagospodarowania ujętego gazu ma również istotny wpływ na ochronę środowiska, gdzie metan powoduje efekt cieplarniany oraz wpływa na stężenie ozonu w górnych warstwach atmosfery. Zjawiska te znacznie wpływają na globalne zmiany klimatyczne. Przykładem właściwego kierunku działań w kopalniach JSW S.A. są przedstawione w niniejszym referacie racjonalne i proekologiczne rozwiązania technologiczne, ograniczające odprowadzanie metanu do atmosfery, a przede wszystkim opłacalne ekonomicznie rozwiązania jego odzyskiwania, magazynowania nadmiarów i właściwego wykorzystania w elektroenergetyce. W czynnych, a także likwidowanych kopalniach metanowych jest możliwość adaptacji otamowanych wyrobisk korytarzowych, jak i nieczynnych szybów na zbiorniki do technologicznego gromadzenia metanu. Dzięki tym zbiornikom ograniczamy emisję metanu do atmosfery, umożliwiając jednocześnie wzrost jego zagospodarowania. Również wzrost temperatury pierwotnej skał, w związku z powiększającą się głębokością eksploatacji i związana z tym konieczność stosowania klimatyzacji może być sposobem na zwiększenie zagospodarowania metanu. W świetle powyższego zagadnienia przedstawione w referacie zagospodarowania metanu pozyskiwanego systemem odmetanowania w kopalniach JSW S.A. w większym procencie jest ze wszechmiar uzasadnione. Literatura [1] Berger J. 1999: Eksploatacja metanu ze zlikwidowanych kopalń węgla kamiennego. Nowy Przemysł, nr 12, s [2] Berger J., Nowak E. 1999: Pozyskiwanie metanu metodami wiertniczymi z wyrobisk podziemnych i z powierzchni. Wiadomości Górnicze, nr

15 [3] Jakubów A., Nawrat St. 2000: Techniczne problemy likwidacji kopalni węgla kamiennego Morcinek. Mat. Szkoły Eksploatacji Podziemnej 2000, Polska Akademia Nauk Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią, Sympozja i Konferencje nr 41, tom 2, Kraków [4] Nawrat St., Gatnar K. 1999: Ujęcie i gospodarcze wykorzystanie metanu pokładów węgla z obszaru górniczego Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A. Wiadomości Górnicze, nr 1 s [5] Nawrat i in. 1999: Prognozowanie zagrożenia metanowego i stosowana prewencja w kopalniach czynnych i likwidowanych Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A. Materiały Konferencyjne Międzynarodowej Konferencji na temat: "Najnowsze osiągnięcia w zakresie przewietrzania kopalń oraz zwalczania zagrożeń pożarowych, gazowych i klimatycznych", Szczyrk, r. Główny Instytut Górnictwa, Katowice, s [6] Nawrat St., Jakubów A. 2000: Materiały na posiedzenie Komisji ds. Zagrożeń Metanowych, Pożarowych, Wybuchem Pyłu Węglowego oraz Przewietrzania i Klimatyzacji w Podziemnych Zakładach Górniczych dla zaopiniowania projektu pt.:"technologiczne gromadzenie metanu w nieczynnych wyrobiskach dołowych kopalń "Krupiński" i "Pniówek"", Suszec - KWK "Krupiński" 12 stycznia [7] Kubla J. I in. 1998: Zagospodarowywanie metanu w kopalniach węgla kamiennego na przykładzie kopalni "Morcinek". Budownictwo Górnicze i Tunelowe, nr 3, s [8] Praca zbiorowa 1997: Badania nad doborem technologii poprawy warunków klimatycznych w wyrobiskach górniczych w oparciu o klimatyzację centralną. Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Górnictwa Podziemnego, Kraków (niepublikowana). [9] Praca zbiorowa 1999: Opracowanie dokumentacji technicznej skojarzonego układu centralnej klimatyzacji KWK "Pniówek" na lata Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Górnictwa Podziemnego, Kraków (niepublikowana). Environmentally friendly methane utilization technological solutions in Jastrzębska Coal Companys mines What have been presented in this article are the general characteristics of the methane risk in the coal mines of Jastrzębska Spółka Węglowa S.A and the actions aiming at preventing the creation of the methane concentration exceeding the acceptable doses specified in the obligatory regulations. 40 percent of (average annual) methane released during mining is captured under depression of central mineheaded vacuum pump stations to the pipe-lines and transported to the surface; circa 60 percent of methane is carried out of mine openings together with mine air. It also describes the methods of drainaged methane management and environmentally friendly technical solutions, which are new approach to efficient and economical utilizing of natural reserves. 153