Odmetanowanie pokładów węgla w warunkach rosnącej koncentracji wydobycia

Transkrypt

1 dr hab. inż. Eugeniusz Krause, prof. GIG dr inż. Jacek Skiba mgr inż. Bartłomiej Jura mgr inż. Daniel Borsucki Odmetanowanie pokładów węgla w warunkach rosnącej koncentracji wydobycia KATOWICE, styczeń

2 Czynniki kształtujące wzrost zagrożenia metanowego w polskich kopalniach węgla kamiennego Zwiększanie głębokości eksploatacji (średnio o 8 m./rok) Koncentracja wydobycia Eksploatacja podpoziomowa wzrost nasycenia metanem pokładów węgla zmiana własności gazowych pokładów węgla - zwiększone wydzielanie metanu do ścian oraz drążonych wyrobisk korytarzowych, - wzrost zagrożenia zjawskami gazodynamicznymi w pokładach tąpiących oraz wyrzutami metanu i skał zwiększenie długości ścian zwiększenie postępów eksploatacyjnych eksploatacja pokładów o większej miąższości zwiększone wydzielanie metanu do rejonów eksploatacyjnych sprowadzanie powietrza na upad do rejonów eksploatacyjnych obniżenie zdolności wentylacyjnej oraz stabilności prądów powietrza wydłużenie dróg ucieczkowych dla załogi zagrożenie metanem ze strony zrobów poeksploatacyjnych wzrost zagrożenia wentylacyjno-metanowego 2

3 Z czym jest związana zmiana własności gazowych i fizykomechanicznych pokładów węgla z głębokością zalegania: - wzrost głębokości eksploatowanych pokładów (średniorocznie 8 m/rok) przyczyniający się do coraz większego stopnia zmetamorfizowania pokładów, tym samym ich uwęglenia, - wzrost metanonośności pokładów węgla z głębokością przyczyniający się do zwiększenia ilości wydzielającego się metanu - metanowość relatywna (względna) w latach w przeliczeniu na 1 Mg średniorocznego wydobycia wzrosła z 13,23 do 16,54 m 3, tj. o 25%. - zwiększanie się kinetyki wydzielania się metanu z węgla urobionego lub odprężonego na skutek zwiększającej się metanonośności, przy jednocześnie zmniejszającej się pojemności sorpcyjnej, - sukcesywne obniżanie się przepuszczalności gazowej pokładów węgla z głębokością spowodowało ograniczenie stosowania a nawet wykluczenia sposobu odmetanowania wyprzedzającego pokładów nienaruszonych, - obniżenie się zwięzłości węgla w pokładach ograniczającej prowadzenie odmetanowania wyprzedzającego zarówno z powierzchni jak i wyrobisk dołowych (utrata drożności i ciągłości otworów odmetanowania). 3

4 5przepuszczalność, K, metanonośność M o, m /Mgcsw m 2 6 głębokość H, m m 1050 m NADKŁAD maksymalna metanonośność możliwe odmetanowanie wyprzedzające Odmetanowanie wyprzedzające pokładów węgla w kopalniach Górnego Śląska jest efektywne do głębokości 400 m. niemożliwe odmetanowanie wyprzedzające przepuszczalność graniczna m głębokość zalegania H, m Kształtowanie się metanonośności w złożu Górnośląskiego Zagłębia Węglowego Zmiana przepuszczalności pokładów węgla z głębokością zalegania w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym 4

5 Czynniki powodujące wzrost koncentracji wydobycia w eksploatowanych ścianach: - od lat 90-tych sukcesywne zwiększanie długości ścian ( w latach wzrost średniej długości ścian o 40,9%), - średniomiesięczne zwiększanie postępów eksploatacyjnych, - wprowadzanie wysokowydajnych o dużej mocy kombajnów ścianowych umożliwiających uzyskiwanie prędkości roboczej w przedziale 1-10 m/min. p3 p2 hg=168 m p1 hg=1 01 m hg=134 m L = 150 m L = 200 m pokład eksploatowany L = 250 m h d=37,5 m h d=50 m hd= 62,5 m n1 o nachylenie ścian 1 0 5

6 Wielkość wydzielania się metanu do ściany oparta o 2 zasadnicze strumienie: - metan wydzielający się z pokładu eksploatowanego podczas urabiania (średnio około 40%), - metan wydzielający się do ściany oraz jej zrobów (średnio około 60%) w wyniku odprężenia i odgazowania pokładów podebranych i nadebranych POKŁADY PODEBRANE C H 4 C H 4 STREFA WYSOKICH STĘŻEŃ METANU zawał bezpośredni 5 x h wlot powietrza do ściany ZROBY ŚCIANY wylot powietrza ze ściany chodnik wentylacyjny h C H 4 C H 4 POKŁADY NADEBRANE 6

7 1) Ściana o długości 150 m odprężyła jeden pokład p 1 podebrany. 2) Ściana o długości 200 m odprężyła dwa pokłady podebrane p 1 i p 2 i jeden pokład nadebrany n 1. 3) Ściana o długości 250 m odprężyła trzy pokłady podebrane p 1, p 2 i p 3 oraz dwa pokłady nadebrane n 1 i n 2. Zasięg odprężenia i odgazowania pokładów podebranych i nadebranych dla ściany o długości L s = 150, 200, 250 i 300 m 7

8 Pole przekroju pionowego strefy desorpcji dla ściany o nachyleniu 0 o Zasięg odgazowania, m Długość L s, m oraz dla długości L s = 150, 200, 250 i 300 m h g h d Pole przekroju pionowego strefy desorpcji, m Komentarz do tabeli: Zwiększenie długości ściany z 200 do 300 m, tj. o 50%, powoduje zwiększenie przekroju pionowego przez strefę desorpcji ponad 2,3-krotnie. Zwiększenie długości ściany z 150 do 300 m, tj. dwukrotnie powoduje zwiększenie przekroju pionowego przez strefę desorpcji 4-krotnie. Wydzielanie się metanu do środowiska ściany zależy od dwóch projektowanych wielkości, tj. długości ściany i jej średniodobowego postępu. Zdecydowanie większy wpływ na ilość wydzielającego się metanu ma zmiana długości ściany. 8

9 przekrój A-A zasięg odgazowania do stropu (hg) STREFA III (a) granica odgazowania (d) zawał wysoki (f) STREFA I (a) zawał bezpośredni (e) STREFA II (a) ŚCIANA (c) POKŁAD EKSPLOATOWANY (b) Zasięg odgazowania warstw podbieranych i nadbieranych w zależności od długości ściany i kąta jej nachylenia odprężenie spągowe (g) STREFA IV (a) granica odgazowania zasięg odgazowania do spągu (hd) Strefy kształtowania się przepuszczalności gazowej w otoczeniu eksploatacji (d) 9

10 Objętość desorbowalnych zasobów metanu wydzielającego się podczas cyklu urabiania kombajnem oblicza się wzorem: objętość urobionego węgla V CH4 L s m e γ z M gdzie: Ls długość ściany, m; 100t me wysokość eksploatowanej ściany, m; - gęstość węgla, Mg/m 3 ; z głębokość zabioru kombajnem, m; Mo metanonośność pokładu eksploatowanego, m 3 /Mgcsw; - stopień odgazowania pokładu eksploatowanego, %; t czas cyklu urabiania, min; o η s, Zależność stopnia odgazowania s węgla urabianego kombajnem od jego metanonośności s = 8,354 - Mo 0,67 40 s =27,75% % M o, mm, 3 CH m4 3 CH /Mg 4 csw /Mg csw Przy założeniu tej samej metanonośności eksploatowanego pokładu, przy różnej prędkości urabiania czas wykonywania cyklu przyjęto: 80 min, 100 min, 120 min i 140 min. 10

11 Przykład: Wydzielanie się metanu do ściany podczas urabiania dla zmiennej prędkości roboczej kombajnu kształtującej czas wykonywania cyklu urabiania t 1 = 80 min, t 2 = 100 min, t 3 = 120 min i t 4 = 140 min. Dla ściany o parametrach: L s = 250 m, m e = 3m, z = 0,8 m, = 1,3 Mg/m 3, M o = 6 m 3 /Mg csw, s = 27,75%. Ilość wydzielającego się metanu z węgla urobionego kombajnem dla czasów wykonywania cyklu, m 3 /min t 1 = 80 min t 2 = 100 min t 3 = 120 min t 4 = 140 min 21,65 17,32 14,43 12,39 Metan z urobionego węgla odprowadzany w całości ze ściany z powietrzem wentylacyjnym 11

12 W warunkach rosnącej koncentracji wydobycia w otoczeniu silnie metanowego złoża efektywność odmetanowania decyduje o zdolności wydobywczej ściany. Rozmieszczenie otworów drenażowych w rejonie ścian 12

13 Odmetanowanie wyprzedzające pokładów b) z wyrobisk korytarzowych węglowych a) z wyrobisk kamiennych przecinających pokłady c) z wyrobisk zagrożonych wyrzutami gazów i skał 13

14 rurociąg odmetanowania przekrój A przekrój A-A chodnik drenażowy w warstwach stropowych zroby chodnik drenażowy dla warstw stropowych pokład eksploatowany A Qpow Odmetanowanie ściany prowadzonej po rozciągłości pokładu z chodnikiem drenażowym w warstwach stropowych 14

15 Otwory drenażowe kierunkowe nad eksploatowaną ścianą wymagają odpowiedzi na dwa pytania: przekrój A otwory drenazowe w pokladach nadleglych przekrój A-A otwory drenazowe w pokladach nadleglych Czy wykonanie otworów kierunkowych jest możliwe w złożu charakteryzującym się zaburzeniami uskokowymi lub/i wysoką aktywnością sejsmiczną? gobs A poklad eksploatowany Czy podczas eksploatacji w rejonach o wysokiej aktywności sejsmicznej, po wstrząsie, nie nastąpi amputacja otworów, tym samym utrata ich drożności i przepływu metanu ujmowanego do odmetanowania. Odmetanowanie środowiska ściany otworami wykonanymi w pokładach nadległych 15

16 wyrobisko na wyższym poziomie otwory drenażowe kierunkowe zroby Qpow ujęcie metanu m3ch4/min położenie frontu eksploatacyjnego wybieg ściany, m Odmetanowanie rejonów ścian długimi otworami kierunkowymi z czynnych wyżej zalegających wyrobisk korytarzowych 16

17 Podsumowanie: 1) Wzrost koncentracji wydobycia w ścianach usytuowanych w silnie metanowym złożu wymusza stosowanie technologii odmetanowania, które umożliwiają uzyskiwanie zakładanych zdolności wydobywczych. 2) W ścianach o wysokiej koncentracji wydobycia prędkość robocza kombajnu w warunkach eksploatacji pokładów o metanonośności powyżej 4,5 m 3 /Mg csw na etapie projektowania eksploatacji musi być dobierana w oparciu o sposób i parametry przewietrzania ściany oraz przewidywaną efektywność odmetanowania. 3) Strumień objętościowy metanu wydzielającego się środowiska ściany o wysokiej koncentracji wydobycia przy stosowaniu klasycznych sposobów odmetanowania może być większy od wartości metanowości kryterialnej stanowiącej kryterium bezpieczeństwa podczas eksploatacji ściany. 4) Odmetanowanie wyprzedzające pokładów nienaruszonych w GZW prowadzone z powierzchni bądź z wyrobisk dołowych w warunkach małej przepuszczalności pokładów poniżej głębokości 400 m wymusza stosowanie technologii odmetanowania opartych o drenaż nadległy. 5) Strumień objętości metanu odprowadzany ze środowiska ścian usytuowanych w silnie metanowym złożu w warunkach wysokiej koncentracji wydobycia charakteryzuje się dużą stabilnością wartości koncentracji metanu w powietrzu chodnika wentylacyjnego w przedziale 1,0-1,5%. 17

18 Zapraszamy do współpracy 18