METAN - węglowodór CH₄, grupa parafin, bezbarwny, bezwonny, bez smaku, mała gęstość ( 0,7814 kg/m³ w warunkach normalnych ), prawie o połowę lżejszy od powietrza zatem gromadzi się pod stropem i w górnych pokładach. Czasem dochodzi do przystropowych wybuchów metanu. Metan powstaje z rozkładu celulozy, zatem jego duże ilości występują głównie w pokładach węgla. Jest gazem palnym t_z=650-750^oC. Z powietrzem tworzy mieszaninę wybuchową, dolna i górna granica wybuchowości 5-15% stężenia metanu ( dot. substancji tworzących mieszaninę wybuchową z metanem). Minimalna ilość tlenu, przy której nastąpi wybuch metanu: 12%. Wydzielanie metanu powoduje spadek stężenia tlenu w składzie powietrza.

PRZEBIEG WYBUCHOWOŚCI METANU W ZALEŻNOŚCI OD STĘŻENIA METONU I TLENU

Rys.1.

1⁰- mieszaniny nie wybuchowe

2⁰- mieszaniny, które stają się wybuchowe po dodaniu powietrza

3⁰-mieszaniny wybuchowe

Metan ma opóźniony czas zapłonu (niskie temp. zapłonu). Ciśnienie gazu wzrasta wraz ze wzrostem temp. gazu w zamkniętej objętości.

ρ=

Zmiany ciśnienia mogą wzrosnąć

6-9 razy podczas wybuchu.

Metan może występować jako:

• gaz wolny

• gaz związany

Zachodzą zjawiska:

• adsorpcja

• absorpcja

• chemisorpcja

Przy ciśnieniu 6-7 MPa(węgle)

10-20% gazu jest w stanie wolnym. Im większe ciśnienie tym udział gazu w stanie wolnym rośnie ( do 60%).

Gaz zawarty w złożu określa WSP. METANONOŚNOŚCI (gazonośności) -ilość metanu w m³ na 1t czystej substancji węglowej.

METANOWOŚĆ stan charakteryzujący oddziaływanie złoża na sieć wentylacyjną.

Metanowość :

• względna (m³/t c.s.w.)

• bezwzględna (m³/min)

Najwyższa : 44 m³/t c.s.w.

Zakłady górnicze:

• nie metanowe CH₄< 0,1 %

• metanowe ( 4 kategorie ):

węgiel:

I - metanowość 2,5 m³CH₄/t

II - 2,5 - 5

III - 5 - 8

IV - > 8

sól:

I - ogólnie stwierdzono metan

> 0,1%

II - wypływ lub wyrzut metanu po którym stwierdzono stężenie metanu > 1%.

DEGAZACJA GÓROTWORU : górotwór oddaje gaz zawarty w porach i szczelinach do wyrobisk górniczych.

W świecie uważa się, że większość CH₄ wydzielającego się do wyrobisk górniczych jest z wyrobisk korytarzowych ( w Polsce jest inaczej )

CO₂ - ρ = 1,89 kg/m³ ma tendencje do wydzielania się przy spągu.

Atmosfera beztlenowa - gdy zawartość tlenu <17%. Ma to miejsce przy przepływie laminarnym powietrza. Zależy także od wydajności źródła CH₄, kształtu wyrobiska.

2-3 cm nagromadzonego CH₄ przy stropie nosi nazwę lontu metanowego, którego zapalenie grozi wybuchem.

LICZBA UWARSTWIENIA - charakteryzuje przepływ:

L=

V - wydajność

D - szerokość stropu wyrobiska

ρ - gęstość CH₄

Δρ - różnica między ρCH₄ - ρO₂

w - prędkość przepływu powietrza

L > 5 - pewność, że nie będzie przystropowych nagromadzeń CH₄

Dla CH₄ w obudowie ŁP:

L=0,555 w

Prędkość przepływu zabezpieczająca przed powstawaniem CH₄ przy stropie:

W =

A - pole przekroju wyrobiska, m³

B - obwód wyrobiska, m.

V_m. - Wydajność źródła metanu, m³/s

SPOSOBY LIKWIDACJI LONTU CH₄

1. Przegrody wykonane z desek lub z siatki ( z desek - zwiększa znacznie opór wyrobiska, z siatki - b. mało zwiększa opór )

rys. 2.

2. Daszek kierujący powietrze pod strop, co zwiększa lokalne przepływy powietrza.

rys. 3.

3. Umieszczenie lutniociągu w kierunku szczeliny z której wydostaje się metan

4. Zastosowanie wentylacji lutniowej z otworami w lutni przez które powietrze będzie kierowane na strop.

5. Lutnia zaślepiona, która wywołuje ślimakowy ruch powietrza.

INTENSYWNE WYDZIELANIE CH₄ W WYROBISKACH GÓRNICZYCH

Prędkość przepływu przy liniowej filtracji:

Re<1 w= -

K₀ - wsp. filtracji

ρ - gęstość gazu

Δp - gradient ciśnienia na Δl

• wektor prędkości skierowany przeciwnie do wzrostu ciśnienia

w=

K - wsp. przepuszczalności

μ - lepkość dynamiczna substancji filtrującej

dp - strata ciśnienia na długości dl

Współczynnik filtracji ma wymiar [m] SI, częściej stosuje się 1D (Darcy)

1D=10^-9*1,02 m² = 1μm²

Skały b. przepuszczalne mają b. duże wsp. filtracji ( kilka Darcy ), mało przepuszczalne skały mają wsp. filtracji równy mili Darcy.

1<Re<12 ( filtracja turbulentna )

m = V*ρ = a*w*ρ= =

p_n - ciśnieie w warunkach normalnych

ρ_n - gęstość w warunkach normalnych ( 1,20 )

P₀ - ciśnienie na ściance przy wyjściu z warstwy porowatej

P_k - ciśnienie panujące w głębi górotworu ( ciśnienie zasilania )

Określenie ilości gazu dopływającego do otworu

rys.4.

m = V * ρ

V =

Zmiany parametrów gazowych w pokładzie eksploatowanym.

rys.5.

1. ciśnienie gazu w pokładzie

2. intensywność wypływu gazu

3. przepuszczalność węgla

ODMETANOWIENIE GÓROTWORU

W Polsce do wyrobisk górniczych (eksploatacyjnych) wydziela się do 70% CH₄. Jego pochodzenie jest głównie z pokładów sąsiednich zwłaszcza przy eksploatacji na zawał. 70-80% CH₄ jest wydzielane podczas wykonywania wyrobisk udostępniających. Wydzielanie metanu określa się jako 1/x², po pewnym czasie ( 6 m-cy ) jest go b. mało. Dąży się do uzyskania mniejszej ilości CH₄ niż wynika to z metanonośności.

• Wykonanie wnęki co 50 m, na przemian ległe, w tych wnękach wierci się otwory ( min. 4 ) odgazowujące. Pierwsze 3 są wykonane pod kątem 5⁰ od osi. 4 otwór jest równoległy do osi wyrobiska. Następnie wierci się otwory w kierunku przeciwnym do postępu robót. Tworzy się tzw. Płaszcz, z którego ściągamy metan. Każdy z otworów ma dł. 100-110m, ∅ 65, 80, 90 mm. Wiercenia stosuje się na sucho ( woda w górotworze zmieniałaby wsp. przepuszczalności). Każdy otwór rozpoczyna się wiercić od tzw. rury dosadowej, która daje możliwość szczelnego połączenia z instalacją odmetanowującą. Minimalne wyprzedzenie otworu od czoła przodka wynosi 20 m.

• Jeżeli górotwór jest naruszony tektonicznie, wykonuje się 8÷12 otworów krótszych od otworów odmetanowujących, o ∅ 65mm i dł. 30÷35m. Wykonuje się je wachlarzowo z jednoczesnym podłączeniem do instalacji odmetanowującej. W instalacji nie można dopuścić do zbyt dużego (niebezpiecznego) stężenia CH₄, należy ją chronić przed dostępem powietrza aby nie dopuścić do powstania mieszaniny wybuchowej. Otwór odgazowujący wykonany jest w rurze obsadowej zacementowanej na końcu z zaworem, poprzez trójnik podłączony do odwadniacza i przez następny trójnik do odmetanomierza.

• Odmetanowienie na etapie eksploatacji.

Metan pojawiający się w wyrobisku może uchodzić z tego pokładu, który eksploatujemy lub z pokładów sąsiednich. Gdy metan pochodzi z pokładu eksploatacyjnego, mamy stały wzrost stężenia metanu w trakcie trwania zmiany. Gdy nie ma prac to rejestrowany jest spadek CH₄. Gdy metan pochodzi z warstw sąsiednich to jego największe stężenie rejestrowane jest na końcu zmiany wydobywczej, gdy trwa przesuwanie obudowy.Podczas eksploatacji do granic, najwięcej CH₄ jest na wylocie ściany.

Odmetanowienie wyrobisk eksploatacyjnych z CH₄ pochodzącego z eksploatowanego pokładu.

1. otwory równoległe do frontu

2. otwory wykonane z jednego miejsca jako tzw. wiązka otworów

rys.6.

Stosowanie odmetanowiania jest ekonomiczne gdy wypływ CH₄ wynosi 15m³CH₄/t c.s.w. Długośc otworów równa ok. długości frontu, ∅60÷80mm. Wiercenie na sucho, otwory wykonywane są z komór odgazowujących.

ZALETY:

• wydajność przy wachlarzowych otworach jest większa niż przy równoległych

• podłaczenie do instalacji jest prostsze i tańsze przy poł. wachlarzowym

• równomierność odmetanowienia przy otworach równoległych

• duża żywotność otworów

Gdy stężenie CH₄ jest mniejsze niż 30%, dany otwór odcina się od instalacji odmetanowującej.

WADY:

• przy wachlarzowych otworach, po przejściu frontu, stanowią one miejscowe źródła dopływu metanu

Gdy większość CH₄ pochodzi z pokładów sąsiednich

Zagrożone jest skrzyżowanie chodnika ścianowego z nadścianowym.CH₄ przepływa zgodnie z prawem fizyki od ciśnienia większego do mniejszego. Do wyrobisk czynnych dopływ CH₄ jest poprzez migrację z wyrobisk nieczynnych. Wyrobiska te otamowuje się i podłącza do instalacji odmetanowującej.

Metoda odmetanowania tzw. chodników nadległych ( metoda Hirschboch ):

Wykonano chodniki w piaskowcach nad złożem i tam wykonywano otwory w celu odmetanowienia. Obecnie metody takiej się nie stosuje.

Gdy słychać wydobywający się gaz należy zebrać źródło i podłączyć do instalacji odmetanowującej. Podczas gdy instalacja nie daje sobie rady, wykonuje się cementowanie a następnie wykonuje się krótkie otwory odgazowujące. Stare zroby otamowuje się. Metan z instalacji gromadzi się w zbiorniku. Podczas gdy depresja w zbiorniku jest mniejsza niż ciśnienie panujące w instalacji, wymusza to ustalony przepływ powietrza. W celu uzyskania depresji stosuje się zasuwy, tamy.

Eksploatowane otwory muszą :

• być szczelne

• umożliwiać pomiar stężenia CH₄

Pomiaru dokonuje się najczęściej metanomierzem interferencyjnym, daje on pomiar 0÷100%.

Ujęty przez rurociąg CH₄ prowadzi się gazociągiem na powierzchnię. Rurociągów nie stosuje się :

• w szybach wdechowych

• w szybach z trakcją prowadzącą

• w wyrobiskach pochyłych z przewozem kołowym

Montaż b. staranny, wykonuje się odpowiednie uszczelnienia, zawory i zasuwy na odcinkach. Koncentracja w każdym odcinku większa od 30% CH₄.

KONTROLA GAZOCIĄGU

• raz na dobę we wszystkich pkt. kontrolnych w rurociągach zbiorczych oraz za tamami

• raz na miesiąc (minimalnie) pomiar ciśnienia gazu, jego ilości we wszystkich odcinkach pomiarowych

• raz na miesiąc kontrola otworów nieczynnych

Na powierzchni działa stacja odmetanowania i maszyny ssąco-tłoczące, urządzenia kontrolno- pomiarowe, mierzące ilość gazu, depresję, stężenie CH₄, temp. oraz gazociąg zbiorczy.

Nawadnianie górotworu pod ciśnieniem zmniejsza wsp przepuszczalności i powoduje zmniejszenie ilości metanu dopływającego do wyrobisk górniczych. Do wody dodaje się pewne kultury bakterii, dla których CH₄ jest pożywieniem.

ZAGROŻENIE TĄPANIAMI

Związane z typem, rodzajem skał budujących złoże. Cecha decydująca - skłonność do gromadzenia energii w górotworze poprzez jego ściskanie. Zdolność do akumulacji energii to skłonność do tąpań.

Skały dzieli się na: skłonne do tąpań, nieskłonne do tąpań.

Tąpnięcia: stropowe (pęknięcie belki stropowej), pokładowe, spągowe.

PRZYCZYNY TĄPNIĘĆ:

• naruszenie ciągłości górotworu poprzez działalność górniczą

• łupność górotworu

• zdolność skał do gromadzenia energii

• grubość eksploatowanego pokładu (<1m nie występuje, najwięcej 4÷8m, takie pokłady powinno się urabiać warstwowo)

• budowa skał otaczających złoże

• tektonika

• głębokość zalegania złoża, im głębiej tym większe zagrożenie

• naprężenia pochodzące z filarów pozostawionych w złożu

45% tąpnięć miało związek z resztkami pozostawionymi podczas eksploatacji. 15% miało miejsce w czasie likwidacji pozostawionych filarów.

Front eksploatacyjny nie powinien zbliżać się do linii kończącej wyrobisko równolegle, ale powinien zbliżać się prostopadle.

Przekroczenie R_c ma miejsce wewnątrz górotworu, na ociosie jest równe 0. Strefę koncentracji naprężeń powinno się przesunąć w głąb górotworu.

Czynnikiem wtórnym tąpnięcia jest system eksploatacji:

• zabierkowy

• ubierkowy (lepszy pod względem tąpań)

Sposoby rozpoznawania zagrożenia tąpaniami:

-wskaźnik energetyczny skłonności skał do tąpań

WET=

φ_sp- energia odkształcenia sprężystego

φ_st- energia stracona na odkształcenie

WET>5 skały silnie skłonne do tąpań

2<WET<5 skały skłone do tąpań

WET<2 skały nieskłonne do tąpań

-metoda badania zwiercin z otworu badawczego (kopalnie węgla). Pozwala ocenić naprężenia. Metoda prosta, typowo górnicza: ∅42mm bada się zwierciny z każdego m otworu. Dąży się by otwory te były jak najdłuższe do 15 m.

-metody sejsmoakustyczne i sejsmiczne

ZWALCZANIE ZAGROŻENIA TĄPANIAMI

-odprężanie pokładu, min 2 pokłady, pokład odprężający musi być wybrany na czysto.

-czyste wybieranie każdego pokładu, filar jest niebezpieczny przy jego powtórnej eksploatacji i przy eksploatacji pokładów sąsiednich. Czasem stosuje się strzelanie rozluzowujące, kamufletowe do likwidacji zagrożenia (strzelanie bezpieczne dla załogi),stosuje się torpedowanie stropu.

-wykonywanie otworów wielkośrednicowych stosowane (b. dobrze) w węglu. Zwiercanie filaradużą średnicą, powoduje to sprowokowanie tąpnięcia lub rozładowanie naprężeń w filarze co daje jego odprężenie (2÷3% kubatury filara)

-nawadnianie górotworu (tylko w węglu)zmniejszające wskażnik WET. Określa się laboratoryjnie w jakim stopniu nawodnienie powoduje spadek WET poniżej 2.

ZAGROŻENIE WYRZUTÓW GAZU I SKAŁ

Obecnie zagrożenie to zmalało po likwidacji kopalń dolnośląskich. Istota: gwałtowne odprężenie górotworu z równoczesnym wyrzutem skał i gazu.

Najbardziej zagrożone złoża wyrzutami:

• pd Francja

• Pecs Węgry

• Dombas Ukraina

• Rosso Belgia

• Dolnośląskie węglowe (CH₄)

• Ostrawa Czechy (wyrzuty metanu i skał)

-kopalnie soli:

• Werra byłe NRD

• Zagłębie Kłodawsko- Inowrocławskie

• Kopalnie w b.ZSRR

Najbardziej zagrożony okręg Nowa Ruda, zwłaszcza w polu Piast, pole Wacław zamknięto w 4 lata po wybuchu, w którym zginęło120 pracujących osób. Pole Słupiec jest prawie nie zagrożone wybuchami gazowo skalnymi.Od lat '70 pojawiły się wyrzuty metanu, do tej pory istniały wyrzuty CO₂.

Współczynniki charakteryzujące wybuchy gazowo skalne:

•szybkość

•gwałtowność

•wskaźnik odgazowania

100%*

Polska: 30÷70 m³/t

•czas od kilku s do kilku min (najdłuższy 15 min)

•intensywność przebiegu wyrzutu

330 t/min do 50 tys m³ gazu

Charakterystyka przebiegu reakcji

Rys.7.

Wyrzuty mogą występować:

• pojedynczo

• grupowo

• cyklicznie (zgrupowane), niesystematyczne postępowanie robót eksploatacyjnych, co jakiś określony krok występuje wybuch

Cechy wybuchu:

• masy skalne b. drobno rozkruszone

• powstanie kawerny powyrzutowej

• usypywanie mas skalnych

Najwięcej wyrzutów w wyrobiska chodnikowe (90%), w wyrobiska ścianowe (10%). Prawie 90% wybuchów na poziomie robót przygotowawczych.

Gazonośność (zawartość gazu w górotworze) jest jednym z najważniejszych czynników wybuchowości, zależy od rozmieszczenia i amplitudy uskoków, przepuszczalności skał. Największe nasilenie wyrzutów w pokładach mocno zuskokowanych.

Kategorie zagrożenia wyrzutowego

Miarą oceny zagrożenia jest nadciśnienie skał.

Kat I - nie są wyrzutowe, obserwuje się nadciśnienie skał 30 kPa dla CO₂, zalicza się pokłady, w których był wypływ metanu

Kat II - pokłady, w których stwierdzono wielkości większe od 30 kPa CO₂ i 80 kPa CH₄ lub wyrzut do 200 t

Kat III - wyrzut pow. 200 t

Kat IV - największe zagrożenie wyrzutowe

Czynniki wpływające na zagrożenie wyrzutowe:

-struktura skał (węgla): wpływa na ilość gazu zawartego w skałach i ilość gazu wydzielanego podczas wyrzutu, wielkość pracy wykonanej przez gaz

-wytrzymałość skał; przygotowanie skał do wyrzutu, im mniejsza tym przygotowanie skał do wyrzutu większe

-kruchość skał (najniebezpieczniejszy czynnik)

-gazonośność

-wsk. desorpcji określa jak dużo gazu może desorpować z pokładu

BADANIE ZAGROŻENIA WYRZUTOWEGO

1. Nadciśnienie w górotworze

Mierzy się aparatem typu „nowa rura”. Rura metalowa ∅ 32 mm wprowadzana do otworu ∅ 42 mm o długości 1600. Płaszcz gumowy z przewodem do którego można było tłoczyć powietrze pod ciśnieniem

Rys.8.

Płaszcz uszczelnia rurę w otworze. Pomiary takie powinny być dokonywane przed rozpoczęciem strzelania, w każdym przodku.

Mierzy się szybkość wzrostu nadciśnienia w górotworze w czasie. Analizuje się zależność p=f(t)

Rys.9.

Przodek, w którym nadciśnienie:

Δp_CO2>0,3 atm

Δp_CH4>0,8 atm

uważa się za zagrożony wybuchami. Należy prowadzić działanie likwidujące nadciśnienie, do czasu aż spadnie ono poniżej tych norm.

2. Pomiar desorpcji gazu

Ilość gazu w cm³ wydzielającego się z próbki 1g. Pomiaru dokonywano przy pomocy desorpcymetru stałego ( przy p=const.)

Z otworu pobierano próbkę zwiercin, przesiewano przez sita 0,5÷0,8 w ilości 5g umieszczano w pojemniku desorpcyjnym. Następnie szczelnie zamykano urządzenie.

Rys.10.

1. rurka kapilarna

2. zawór trójdzielny

Wydzielający się gaz powoduje przesunięcie kropki gliceryny co pokazuje wynik. Próbka jest gotowa do pomiaru przez 35s. Po 35s odczytuje się wynik. Badania przeprowadza się bezpośrednio w przodku. Następnie korzysta ze wzoru:

V =V₁

V₁ - ilość gazu wydzielająca się między 35 a 70s

t₀ - czas 35s (zakładany)

t₂ - czas odpowiadający wydzielaniu się 2V₁

Założenie: czas wydzielania gazu ma wykres hiperboliczny (ustalono doświadczalnie)

Rys.11.

Wyniki były b podobne do metod wymienionych wyżej. V>1,44cm³gazu/g jest to wielkość krytyczna. Powyżej 1,44 przodek jest zagrożony wybuchemgazu. Czasem jednak zdarzały się wybuchy gazu przy V<1,44.

3. badanie stopnia zagrożenia wybuchem skały płonej

Wiercenie rdzeniowe otworu badawczego w skale płonej i sprawdzenie liczbydyskow rdzenia. Ilość dysków na jakie dzieli się rdzeń na długośći 1m. stanowi o zagrożeniu:

10/1m. - małe zagrożenie

10÷20 - średnie

20-30 - duże

>30 - b. Duże

Metoda ta stosowana była tylko przez kilka lat, do czasu zamknięcia kopalni doświadczalnej.

ZWALCZANIE ZAGROŻENIA WYRZUTOWEGO

1. działanie pasywne- minimalizowanie zagrożenia

2. działanie aktywne- sprowokowanie wybuchu podczas nieobecności załogi w przodku

Metody pasywne:

Eksploatacja od pokładu najmniej zagrożonego

Odprężanie górotworu w pionie nad i pod pokładem, zależy to od skał zalegających między pokładami. B. Niebezpieczne są skały mocne (zwięzłe)

Pokłady nachylone:

Rys.12.

β₁= 95-105⁰

β₂= 135-155⁰

1 -β₁ - strefa całkowicie odprężona

2 -między β₁ a β₂ - strefa częściowo odprężona

3 - powyżej β₂ - strefa nie odprężona

Im miąższość pokładu większa, tym zasięg odprężający b. duży

Metoda pasywna stosowana w kopalni Thores - strzelanie centralne pod nieobecność załogi , zastosowanie odgazowania.

Metody aktywne:

Strzelanie wstrząsowe dużą ilością otworów. Stosuje się przewymiarowaną metrykę strzałową i strzela się bez opóźnienia.

Zastosowano kraty zaporowe w celach bezpieczeństwa.

Rys.13.

8m. od czoła przodka, metalowa siatka, zużyte szyny, części obudowy. Kolejne kraty zaporowe 12-20m. Kraty powodowały zmniejszenie wyrzutu ale także zwiększenie ich ilości.

Strzelanie wstrząsowe nie zawsze zdawało egzamin. Czasem stawało się powodem zagrożenia. Ponowne wiercenia powodowały wybuch.

Wykonywano strzelanie dwuzabiorowe, wiercono otwory dwa razy, dłuższe i krutsze, stosowano dwie zwłoki. Odpalano pierwszy zabiór i z minimalną zwłoką, drugi. Miało to spowodować wyrzut.

Inne sposoby:

• strzelanie kamufletowe

• nawadnianie górotworu

---