Zagrozenie metanowe

Zagrożenie metanowe

• * Na 31 kopalń węgla kamiennego, 23 prowadzi

eksploatacje w warunkach zagrożenia metanowego w

tym 15 w najwyższej IV kategorii zagrożenia

metanowego

• * ze 1200 ścian 32 ściany prowadzą w III i IV kategorii

zagrożenia a 13 w warunkach niemetalowych

• * Udział wydobycia z pokładów metanowych stale

rosnie wynosząc aktualnie około 80%

• * o wielkości zagrożenia metanowego decydować

będzie coraz większe głębokości eksploatacji z która

wzrasta metanośność pokładów węgla

• * wzrostowi zagrożenia metanowego sprzyjać będzie

utrzymanie wysokiej koncentracji wydobycia ze

ściany

Przyczyny wysokiego stopnia zagrożenia metanowego w

polskim górnictwie węglowym:

naturalne
- wzrost metanonośności pokładów węgla wraz z głębokością

ich zalegania

- występowanie na dużych głębokościach niekorzystnego dla

bezpieczeństwa efektu dynamicznego wydzielania

wolnego metanu występującego pod dużym ciśnieniem

skał nadległych

Techniczno – organizacyjne
- prowadzenie eksploatacji na coraz większych głębokościach
- prowadzenie eksploatacji poniżej poziomu udostępnienia
- wysoka koncentracja wydobycia oraz znaczne postępu

dobowe ścian

Informacje podstawowe
-Metan jest gazem , który często występuje w złożach

kopalin użytecznych, gdyż jest produktem uwęglania lub

uwodornienia substancji organicznych

- Metan potocznie nazywany jest gazem kopalnianym lub

gazem błotnym

- metan (CH4 – czterowodorek węgla) jest gazem

bezbarwnym, bezwonnym, lżejszym od powietrza, słabo

rozpuszcza się w wodzie

Nie jest szkodliwy przy oddychaniu, choć przy braku tlenu

działa dusząco na organizm.

W przedziale do 4,5% metan wypala się przy zetknięciu ze

źródłem termicznym ( pali się niebieskim płomieniem)

w przedziale od 4,5% do 14% ( w zależności od

temperatury, ciśnienia i ilości tlenu) gaz ten tworzy z

powietrzem mieszaninę silnie wybuchowa, przy czym w

powietrzu musi być co najmniej 12% tlenu

Ocenę stanu zagrożenia wybuchowego należy przeprowadzać metoda stałego

trójkąta wybuchowości. W tym celu należy sporządzić wykres, w którym os X

stanowi wskaźnik stężenia gazów wybuchowych, a os Y stanowi wskaźnik

stężenia tlenu. Obszar wybuchowości jest zamkniętym trójkątem, którego

wierzchołki maja współrzędne:

D ( 5,00; 19,88) - dolna granica wybuchowości,

G (15,00; 17,79) - górna granica wybuchowości,

S ( 5,18; 9,47) - szczytowa granica wybuchowości.

• Zagrożenie metanowe jest związane

zatem z obecnością metanu w górotworze
i jego uwalnianiem się w wyniku
prowadzonej działalności górniczej.
Zjawisko to stwarza potencjalne
możliwości zaistnienia wybuchu metanu.

• Przez zagrożenie metanowe należy

rozumieć występowanie nadmiernych
koncentracji metanu w wyrobiskach
górniczych skutkujące zaistnieniem stanu
stwarzającego zagrożenie dla załóg
górniczych i kopalni

- Występowanie metanu związane jest głównie

ze złożami surowców energetycznych

powstałych w wyniku rozkładu składników

roślinnych, w szczególności drzew.

Naturalnym procesem rozpadu substancji

roślinnej jest gnicie. Procesem tym objęte

zostają główne składniki drzewa jak : celuloza,

lignina, białka roślinne, żywice, hemiceluloza i

woski.

W procesie uwęglania występują kolejne stadia:
- powstanie torfu
- powstanie węgla brunatnego
- powstanie węgla kamiennego
- powstanie węgli antracytowych
w złożach węglowych w wyniku rozkładu

celulozy, hemicelulozy i ligniny powstają gazy.

Wydzielanie metanu do

wyrobisk

• Po otwarciu złoża robotami górniczymi, czy też wykonaniu otworu

drenażowego występuje gradient ciśnienia, w związku z czym

rozpoczyna się ruch gazu zawartego w górotworze.
Dotychczasowe obserwacje wykazują, że wyróżnić można dwie

zasadnicze formy wydzielania się metanu do wyrobisk górniczych:

• - następuje desorpcja oraz wypływ filtracyjny metanu pod wpływem

gradientu ciśnienia wywołanego eksploatacja górniczą.

• - metan wypływa ze szczelin i spękań w pokładzie powstałych w

warstwie przyociosowej na skutek eksploatacji górniczej.

• * w skałach płonnych towarzyszących pokładom węgla metan

występuje wyłącznie w postaci wolnej, w ilości zależnej od porowatości

skał oraz ciśnień złożowych. Jego obecność jest wynikiem filtracji z

pokładów węglowych. Podobnie jak z calizny węglowej metan ten

wydziela się do wyrobiska poprzez wypływ filtracyjny z ociosu oraz

wypływa ze szczelin. Ponadto przez szczeliny i spękania w otaczającym

wyrobisko górotworze przepływa metan z sąsiednich częściowo

odprężonych pokładów węglowych.

• * w wyrobiskach eksploatacyjnych część wydzielanego metanu

pochodzi z urobku. rozdrabnianie węgla powoduje wydzielanie się nie

tylko metanu wolnego, ale również metanu zaadsorbowanego.

• * źródłem metanu w wyrobiskach mających z nimi bezpośredni kontakt

są stare zroby. W przestrzeniach starych zrobów metan gromadzi się

na skutek naturalnej degazacji pozostałych po eksploatacji resztek

węgla, oraz dopływu z powstałych w górotworze spękań.

Najbardziej prawdopodobnymi miejscami

powstania nagromadzeń metanu są:

• wyrobiska chodnikowe, ślepe z wentylacją

odrębną, drążone bądź za pomocą

kombajnów bądź materiałem wybuchowym,

• strefy zaburzeń geologicznych

• wyrobiska sąsiadujące z metanowymi

pokładami w stropie lub spągu,

• wyrobiska sąsiadujące ze zrobami,

szczególnie chodniki wentylacyjne ścian

zawałowych,

• wyrobiska ślepe otamowane

• wyrobiska z których prowadzi się roboty

wiertnicze, wiercenie otworów geologicznych,

badawczych lub do odmetanowania.

W wyrobiskach eksploatacyjnych metan
może się wydzielać:

• - z calizny węglowej, odsłonięte powierzchne

przodku

• - z urobku, urobiony węgiel (wybuchy przy

transporcie)

• - ze zrobów, przestrzeni wyeksploatowanej
• - z warstw węgla oraz pokładów pod i

nadbieranych.

PARAMETRY STANU ZAGROZENIA METANOWEGO
parametrami charakteryzującymi stan zagrożenia

metanowego są metanowość i metanonośność.

Metanowość, stopień metanowości – ilość metanu

wydzielającego się do wyrobisk.

- metanowość bezwzględna – objętościowa ilość metanu

wydzielająca się do wyrobisk w jednostce czasu [m3/min]

- metanowość względna – objętościowa ilość metanu

wydzielająca się do wyrobisk na 1 Mg wydobytej kopaliny

[m3/Mg]

-metanonośność – objętościowa ilość metanu pochodzenia

naturalnego zawarta w jednostce wagowej w głębi

calizny węglowej.

- metanonośnośc naturalna – ilość metanu w 1m3

nienaruszonego górotworu przypadająca na 1 tonę (Mg)

czystej substancji węglowej [ m3/Mg csw]

csw- bez popiołu i bez wody

KLASYFIKACJA ZAGROZENIA METANOWEGO

* podział kopalń i pokładów pod względem zagrożenia metanowego

oraz kryteria tej klasyfikacji określają przepisy. Według nich kopalnie

dzielą się na metanowe i niemetalowe.

* Do kopalń metanowych zalicza się wszystkie kopalnie , w których w co

najmniej w jednym wyrobisku górniczym stwierdzono koncentracje

metanu powyżej > 0,1 % lub w przypadku stwierdzenia w pokładzie

węgla metanonśnością powyżej 0,1 m3/ Mg w przeliczeniu na czysta

substancję węglową ( bezpopiołową i bezwodna)

* pokłady lub ich części dzielą się na cztery kategorie zagrożenia

metanowego.

* o zaliczeniu do danej kategorii decyduje metanonośność naturalna

czyli stopień nasycenia węgla metanem.

- I kategoria ZM jeżeli stwierdzono występowanie metanu pochodzenia

naturalnego w ilości od 0,1 do 2,5 m3/Mg csw

- II kategoria ZM jeżeli stwierdzono występowanie metanu pochodzenia

naturalnego w ilości od 2,5 do 4,5 m3/ Mg csw

- III kategoria ZM jeżeli stwierdzono występowanie metanu pochodzenia

naturalnego w ilości od 4,5 do 8,0 m3/ Mg csw

- IV kategoria ZM jeżeli stwierdzono występowanie metanu pochodzenia

naturalnego w ilości powyżej 8 m3/ Mg csw, lub nastąpił nagły

wypływ bądź wyrzut metanu i skał.

Prognozowanie zagrożenia metanowego

• Celem prognozy zagrożenia metanowego jest

określenie ilości metanu wydzielonego do

wyrobiska górniczego.

• rozróżnia się metody prognozowania zagrożenia

metanowego w drążonych wyrobiskach

korytarzowych oraz w wyrobiskach

eksploatacyjnych.

• dla wyrobisk korytarzowych drążonych w

pokładach węgla oraz wyrobisk eksploatowanych,

opracowano szereg metod w których przyjęto dwa

modele:

• - liniowe równanie filtracji gazu w ośrodku

porowatym

• - badania półempiryczne prowadzone w kopalniach

Elementy profilaktyki zagrożenia

metanowego:

• kontrola stężenia metanu w atmosferze kopalnianej

i niedopuszczenie do przekroczenia określonej

przepisami jego ilości w wyrobisku:

• - w ścianach 2%

• - w rejonowych prądach powietrza zużytego 1 %

(1,5%)

• - w rejonowych prądach zagrożenia metanowego

• wentylacyjne zwalczanie zagrożenia metanowego

• odmetanowanie

• zwalczanie inicjałów mogących spowodować zapłon

• izolacja górotworu w celu zmniejszenia dopływu

metanu do wyrobisk

• przestrzeganie zasad eksploatacji

Kontrola stężenia metanu

Lampa wskaźnikowa
Pierwszym urządzeniem umożliwiającym oszacowanie stężenia metanu w atmosferze

kopalnianej była benzynowa lampa wskaźnikowa działająca na zasadzie zjawiska

nie przenikania płomienia gazowego przez gęstą siatkę drucianą. Lampa ta przez

ponad 100lat była jedynym przyrządem pomiarowym w górnictwie.

wysokość palącego się płomienia lampy stanowiła o stężeniu metanu w granicach od 0

do 4%

oprócz pomiaru metanu lampa umożliwiła wskazanie tlenu poniżej 17% kiedy to

gaśnie.

Metanomierze
Przyrządy do pomiarów metanu wykorzystujące zasady:
Spalania kataliktycznego (VM, VM-1p, MW-1, MA-1, Signal-2, MM-1, TMS-412, TRIPLE-

PLUS)

Przewodnictwa cieplnego (M-702)
Interferencji świtała (MG1, MG-3, Matax, Szi-3, Ricken-28,R-7)
Absorpcji promieni podczerwonych (ATX-612, MDU-420)

W praktyce znalazły zastosowanie metanomierze do pomiaru:
- niskich stężeń metanu (0-5%)
- wysokich stężeń metanu (0-100%)

W zależności od przeznaczenia przyrządy te dzieli się na:
-metanomierze przenośne indywidualne ( VM, VM-1(p), VM-1z, Ricken, Szi-3)
-przenośne urządzenia alarmujące (Signac-2, SSz-2, MM-1)
-stacjonarne (CMI-667, CM-5, CKA-678, MCH, MIV-3261)

Miejsce pomiaru stężenia metanu:

• pomiar stężenia metanu w miejscu pracy wykonują :

Przodkowu zespołów, strzałowi w trakcie wykonywania

robót strzelniczych, obsługa kombajnów, osoby dozoru

ruchu, pracownicy działu wentylacji ( metaniarze) i

osoby nadzoru górniczego

• pomiar metanu w zasadzie wykonuje się pod stropem

wyrobiska z uwagi na naturalną tendencję gromadzenia

się w górnych warstwach wyrobiska ( jest lżejszy od

powietrza) Ponadto pomiar stężenia metanu w celach

kontrolnych wykonuje się w pobliżu czujników

metanometrii automatycznej oraz w miejscach

możliwego wypływu metanu

• za miejsca możliwego wypływu metanu uważa się tamy

izolujące zroby oraz nieczynne wyrobiska a także

szczeliny powstałe w trakcie eksploatacje ściany

( wyraźne pęknięcie stropu lub spągu wyrobiska, bądź

ociosu w ścianie) do tej grupy pomiarów należy zaliczyć

pomiar stężenia metanu, w pobliżu pomocniczych

urządzeń wentylacyjnych ( wentylatory lutniowe,

strumienice, cyklony, dysze)

Przed rozpoczęciem pracy na każdej zmianie i w czasie pracy co 2 godziny:
a) przodowy ściany
- w ścianie
- na wlocie i wylocie ze ściany
- w innych miejscach wyznaczonych przez osoby kierownictwa lub dozoru ruchu
- w przodkach likwidowanych wyrobisk przyścianowych jeżeli likwidacja chodników nie

jest obłożona na zmianie.

Przodowi brygad likwidowanych chodników przyścianowych- w przodku i na 10

metrów odcinku wyrobiska od przodka

- w innych miejscach wyznaczonych przez osoby kierownictwa lub dozoru ruchu,
b) kombajnista
c) strzałowy w strefie 10m od miejsca wykonywania robót strzałowych
- przed rozpoczęciem pracy oraz w czasie pracy co 2 godziny
- przed przystąpieniem do załadowania materiałów wybuchowych do otworów

strzałowych

- przed każdym podłączeniem zapalników elektrycznych do linii strzałowej
- po każdym odpaleniu otworów strzałowych
- przed podłączeniem zapalarki elektrycznej do linii strzałowej – w strefie 5m od

stanowiska strzałowego

d) metaniarz 1 raz na dobę
- w ścianie
- w prądach powietrza wlotowych i wylotowych
- przy tamach izolacyjnych
- w miejscach wykonywania robót strzałowych
- w innych miejscach wyznaczonych przez głównego Inżyniera wentylacji
e) osoby kierownictwa i dozoru ruchu przy każdorazowej kontroli miejsca pracy,

ponadto osoby dozoru górniczego nadzorujące roboty strzałowe.

PROFILATYKA ZAGROZENIA METANOWEGO PODSUMOWANIE

• Profilaktyka metanowa obejmuje zarówno metody rozpoznawania i kontroli

zagrożenia metanowego, jak i środki oraz sposoby zwalczania wybuchowy

nagromadzeń metanu w wyrobiskach górniczych. W profilaktyce metanowej

kopalń węgla kamiennego dominującą role odgrywają następujące sposoby:

• Właściwa rozcinak pokładu i zgodny z technologią sposób urabiania

maszynami.

• Skuteczna wentylacja zapobiegająca tworzeniu się lontów metanowych lub

lokalnych nagromadzeń metanu

• Odmetanowanie złóż węgla otworami drenażowymi odwiercanymi z wyrobisk

podziemnych lub z powierzchni,

• Kontrola metanometryczna zawartości metanu w powietrzu kopalnianym i

automatyczne wyłączanie napięcia w przypadku przekroczenia dopuszczalnych

stężeń

• Stosowanie pomocniczych urządzeń wentylacyjnych w miejscach o

zmniejszonej intensywności przewietrzania i tworzenia się lokalnych

nagromadzeń metanu.

Kierunkowe działania profilaktyczne w zakresie zagrożenia metanowego winny

obejmować będą:

• Kompleksowe prognozowanie metanowości ścian dla zmiennych parametrów

eksploatacyjnych i wentylacyjnych.

• Rozwój i modernizację monitoringu z wykorzystaniem najnowszych rozwiązań

technicznych systemów metanometrycznych

• Opracowanie metod uintensywnienia oraz poprawy efektywności

odmetanowania

• Istotnym przy zagrożeni metanowym winno być przestrzeganie zasad

eksploatacji, co do porządku czy kierunku wybierania oraz stosowanie

korzystnych systemów przewietrzania.

Do kontroli metanu CH

w powietrzu

kopalnianym

służą metanomierze.

Powszechnie stosowane w górnictwie metanomierze
wykorzystują zasady:

- interferencji światła Riken 28, Riken 18, Szi – 3, R-7, MG – 3
Metex

- spalania katalitycznego VM – 1p, VM – 1z, M – 1c, M – 1cp, VM –
1m,
VM – 1mp, Signal – 2, MM – 1, TMX
– 412,

- przewodnictwa cieplnego M – 702

- absorpcji promieni podczerwonych ATX – 612, MDU – 420,

W praktyce znalazły zastosowanie przyrządy pomiarowe do pomiaru
niskich stężeń metanu ( 0 – 5% ) i wysokich stężeń metanu ( 0 – 100% )

W zależności od przeznaczenia przyrządy pomiarowe dzieli się
na:

- metanomierze przenośne indywidualne ( VM, Riken, Szi-3, )

-metanomierze przenośne alarmujące ( Signal-2, MM-1, )

-stacjonarne ( CMI-677, CM-5, CKA-678, CKA-678p, MCH, MIC-
3261,)

Metanomierze
indywidualne
interferencyjne –
przyrządy do pomiaru
stężeń metanu i
dwutlenku węgla w
powietrzu
kopalnianym:

metanomierz Riken 18

precyzyjny metanomierz

interferencyjny produkcji

japońskiej, używany głównie

przez osoby dozoru służb

wentylacyjnych kopalń,

wyposażony w kompensator

(noniusz) zwiększający

dokładność odczytu do 0,02 %,

zakres pomiarowy do 6,0 %

(CH4 i CO2),

Metanomierze
indywidualne
interferencyjne –
przyrządy do pomiaru
stężeń metanu i
dwutlenku węgla w
powietrzu
kopalnianym:

Metanomierz VM-1

metanomierz działający na

zasadzie katalitycznego

spalania metanu w komorze

pomiarowej,

produkowany przez Zakład

Elektroniki Górniczej w Tychach

na licencji francuskiej,

zakres pomiarowy 0,3-5,0 %

(tylko CH4),

dokładność 10 % wartości

odczytanej, posiadał możliwość

wskazywania wyższych stężeń

metanu.

Przegląd środków technicznych do kontroli zagrożeń metanowo –
pożarowych
i stanu wentylacji stosowanych w polskich kopalniach, pozwala
podzielić systemy automatycznych zabezpieczeń na cztery typy
działania:

Metanometria cykliczna czterominutowa z centralnym systemem
wyłączeń
( centrale CTT 63/40U, CMM – 20, CMC – 1. )

Szybka metanometria zapewniająca wyłączenie urządzeń elektrycznych
w czasie nie dłuższym niż 60 sekund.

Ciągła metanometria , tj. systemy typu SMP oraz VENTURON/ZEFIR,
zapewniające ciągły pomiar w zakresie 0 – 100% CH

i automatyczne

wyłączenie energii elektrycznej bezpośrednio na dole kopalni z
metanomierzy wyłączających stacji dołowych, także z powierzchni,
poprzez matryce wyłączeń.

Zmodernizowane lub nowe systemy metanometrii o działaniu
cyklicznym
z regulowanym czasem odczytu od 5 do 240 sekund i wyłączeniem
energii elektrycznej z powierzchni.

Systemy analogowe typu CTT63/40U czy CMM – 20 mogą być
zmodernizowane przez wprowadzenie:

Komputerowych systemów pomiarowych typu KSP – 1, KSP -2.

Systemu telemetrycznego typu CST – 40,

Systemu kontroli parametrów bezpieczeństwa typu MICON – 2P

Centrale telemetryczne CMC – 3MS z modułem zasilająco –
transmisyjnym
MZT – 8 w systemie SMP.

Każde z tych urządzeń może obsługiwać zabudowane czujniki i
urządzenia dołowe ( w tym również wyłączające ) realizując cykliczne
pomiary
o programowym okresie odczytu poniżej 240 sekund
( w rozwiązaniach CST – 40 i MZT – 8 nawet do 5 sekund ).

System telemetryczny CST zbudowany w
oparciu o centrale typu CST-40 przeznaczony
jest do ciągłej kontroli i rejestracji parametrów
związanych z bezpieczeństwem pracy w
kopalniach w zakresie zagrożeń metanowych i
pożarowych, automatycznej ich sygnalizacji u
dyspozytora oraz wyłączania napięcia
zasilania maszyn i urządzeń elektrycznych w
przypadku przekroczenia dopuszczalnych
parametrów.

System pozwala na zdalną i automatyczną
kontrolę zawartości metanu w powietrzu
wentylacyjnym i rurociągach odmetanowania,
prędkości powietrza, tlenku węgla i innych
parametrów atmosfery w wyrobiskach
górniczych.
Możliwy jest również pomiar innych wielkości
pod warunkiem, że zastosowane czujniki
posiadają parametry dostosowane do pracy w
przyjętej dla centrali konwencji transmisji.

Podstawowe funkcje systemu telemetrycznego CST:

* ciągłej kontroli, rejestracji i wizualizacji parametrów związanych
z bezpieczeństwem kopalń w zakresie zagrożeń metanowych,
pożarowych
oraz wentylacyjnych

* automatycznej sygnalizacji oraz wyłączania napięcia zasilania
maszyn
i urządzeń elektrycznych w przypadku przekroczenia dopuszczalnych
parametrów.

* kontroli i rejestracji pracy wybranych urządzeń mających wpływ
na bezpieczeństwo pracy lub proces produkcyjny.

* wykonywania kompleksowych kontroli pracy podłączonych
czujników
i urządzeń wyłączających energię.

* przekazywania sygnałów o zaistniałych alarmach i
przekroczeniach
do systemu alarmowo-rozgłoszeniowego.

W skład części powierzchniowej systemu wchodzą centrale

telemetryczne

CST-40 oraz system nadrzędny, którym jest

System Wspomagania Dyspozytora Metanometrii SWuP-3.

System nadrzędny (SWuP) umożliwia wykonywanie konfiguracji
czujników, podglądu, raportowania i dodatkowej archiwizacji z
wszystkich podłączonych
do systemu central CST-40.
Zapewnia on wygodę obsługi systemu złożonego z wielu central i co
jest z tym związane dostęp do danych z jednego miejsca bez potrzeby
obsługi każdej centrali z osobna.

Stanowisko nadrzędne może być wyposażone w jeden lub kilka
monitorów
w zależności od wymagań użytkownika.

System SWuP-3 umożliwia jednocześnie przekazanie informacji o
zaistniałych alarmach i przekroczeniach do systemu alarmowo-
rozgłoszeniowego np. STAR.
Ilość central wchodzących w skład systemu zależy od potrzeb
użytkownika
i ograniczona jest ilością skonfigurowanych czujników, która obecnie
wynosi max. 4000.

Document Outline