plik

dr inż. Zdzisław Ciaś

ZKWK Jastrzębie

mgr inż. Jarosław Malec

ZKWK Jastrzębie

mgr inż. Stanisław Nawrat

ZKWK Jastrzębie

Doświadczenia w zakresie poprawy

efektywności odmetanowania w zależności od

sposobu przewietrzania

Zrzeszenie kopalń węgla kamiennego w Jastrzębiu

- 2 -

Wstęp

Wzrost wydobycia węgla w Polsce uzyskiwany jest z budowanych kopalń

oraz  rozbudowy  kopalń  istniejących.  Nowo  wybudowane  kopalnie  węgla  w
południowo-zachodniej  części  górnośląskiej  niecki  węglowej  są  z  reguły
metanowe.  Obecnie  czynne  kopalnie

niegazowe w miarę schodzenia z

eksploatacją  na  niższe  poziomy  stają  się  metanowymi.  Przewiduje  się,  że  z
rozwojem  eksploatacji  węgla,  ilość  kopalń  metanowych  będzie  wzrastała,  jak
również  będzie  wzrastał  udział  wydobycia  z  pokładów  metanowych.  W
przewidywa

nej sytuacji dominującym problemem będzie dostosowanie

odpowiednich technologii górniczych do naturalnych warunków złoża.

Opanowanie zagrożenia metanowego w warunkach stale rosnącej

metanowości  rozcinanych  i  eksploatowanych  złóż  wymaga  doskonalenia
środków  kontroli  i  zwalczania  tego  zagrożenia.  Przedstawione  w  referacie
zagadnienia  są  przyczynkiem  do  doskonalenia  metod  i  sposobów  zwalczania
zagrożenia metanowego.

2.

Formy występowania w górotworze oraz metody odmetanowania

Eksploatacja węgla z pokładów metanowych prowadzona jest w różnych

warunkach górniczo-gazowych.

Metan w złożu karbońskim występuje w zasadzie w dwóch postaciach:



jako gaz wolny, wypełniający szczeliny i pustki w skałach, powstałe
najczęściej wskutek ruchów tektonicznych wraz z porami, które mogą
stanowić od kilku do kilkunastu procent objętości,



jako gaz związany fizykochemicznie przez węgiel i łupki węglowe posiadające
własności sorpcyjne.

Sorpcyjna chłonność węgla uwarunkowana jest zawartością w nich

mikropor. Makropory i szczeliny są tylko arteriami transportowymi. Pomiędzy
ciśnieniem gazu wolnego i sorbowanego istnieje stan równowagi. Naruszenie
równowagi jednej z faz powoduje odpowiednie zmiany fazy drugiej.

W początkowych okresach budowy i rozbudowy kopalń metanowych na

małych głębokościach, metan występował jako gaz wolny w zwietrzelinie
karbońskiej.

W miarę schodzenia z eksploatacją na niższe poziomy zmieniały się formy

występowania  metanu,  wzrastała  ilość  metanu  sorbowanego    przy  malejącej
przepuszczalności  górotworu.  Metan  wydzielał  się  głównie  z  urobionego
odprężonego  węgla,  w  czasie  drążenia  wyrobisk  korytarzowych  oraz  w
przypadku  ścian  zawałowych    z  nadległych  i  podległych  warstw  odprężonych
eksploatacją.

W polskim przemyśle węglowym stosowane są różne metody

odmetanowania górotworu:



odmetanowanie wyprzedzające robót udostępniających i przygotowawczych –
prowadzone w górotworze nie odprężonym,



odmetanowanie wyrobisk eksploatacyjnych

– prowadzone w górotworze

odprężonym eksploatacją,

Zrzeszenie kopalń węgla kamiennego w Jastrzębiu

- 3 -



odmetanowanie otamowanych przestrzeni

– ujęcie metanu ze zrobów lub z

otamowanych wyrobisk.

We wszystkich zagłębiach węglowych na świecie, najwięcej ujętego metanu

uzyskuje się z odmetanowania wyrobisk eksploatacyjnych oraz z odmetanowania
zrobów.

W polskim górnictwie węglowym, szczególnie w rejonie ROW znaczna ilość

metanu

dotychczas

ujmowana

była

robotach

udostępniających

i przygotowawczych, i w 1982r. stanowiła 54% całkowitego ujęcia.

3.

Zależność odmetanowania od przewietrzania

W kopalniach metanowych ROW uzyskano

szereg doświadczeń

praktycznych wpływających bezpośrednio na efektywność odmetanowania.

Efektywność jest funkcją metanowości złoża, przepuszczalności złoża, ilości

odwierconych otworów, a także sposobu przewietrzania wyrobisk. Z
wymienionych czynników, do tej pory w najmniejszym stopniu analizowany był
wpływ przyjętego sposobu przewietrzania na efektywność odmetanowania.

O ile depresja wentylacyjna nie posiada wpływu na ujęcie metanu z

górotworu nie odprężonego, to wpływ ten jest wielki w czasie eksploatacji ścian z
zawałem stropu. Praktyka wykazała, że dobór odpowiedniego sposobu
eksploatacji i przewietrzania ma decydujący wpływ na skuteczność
odmetanowania.

Analizując zagadnienie wpływu wentylacji na efektywność odmetanowania

należy rozpatrywać je w dwóch aspektach:



gdy eksploatowany jest pierwszy pokład,



gdy eksploatacja prowadzona jest w rejonie odprężonym (eksploatowany jest
drugi lub następny pokład).

W  przypadku  gdy  eksploatowany  jest  pierwszy  pokład,  decydujący  wpływ  na
efektywność  odmetanowania  ma  system  eksploatacji  oraz  odpowiednio  dobra
sposób    przewietrzania  wyrobisk  czynnych.  Dla  szerszego  rozwinięcia  tego
tematu  autorzy  podają  kilka  przykładów  systemów  eksploatacji i  przewietrzania
wpływających korzystnie lub nie na efektywność odmetanowania.

System  eksploatacji  ścian  podłużnych  od  pola  z  likwidacją  chodników
przyścianowych    -    jest  bardzo  niekorzystny  pod  względem  likwidacji
zagrożenia  metanowego.  Metan  pochodzący  z  urobionego  węgla  nie  stanowi
poważniejszego  zagrożenia  w  przypadku  dostarczenia  odpowiedniej  ilości
powietrza.  Natomiast  metan  wydzielający  się  z  odprężonych  warstw
otaczających  koncentruje  się  w  narożniku  ściany  i  chodnika  wentylacyjnego
poważne  zagrożenie  metanowe  nawet  przy  nieznacznej  metanowości.
Szczególne  niebezpieczeństwo stanowi pulsacyjny przepływ metanu  ze  zrobów
pochodzących  z  okresowego

łamania się zasadniczego stropu, albo wywołany

niestabilnością przewietrzania. Zastosowanie odmetanowania w tym systemie
eksploatacji i przewietrzania jest mało skuteczne i nie przekracza 30% ze
względu na ograniczony okres eksploatacji otworów drenażowych.

Efektywność odmetanowania w tym przypadku można zwiększyć przez

utrzymywanie chodnika wentylacyjnego w jego części zrobowej. Ponadto w

Zrzeszenie kopalń węgla kamiennego w Jastrzębiu

- 4 -

przypadku  prowadzenia  ścian  od  pola,  istnieje  możliwość  poprawy
odmetanowania  i  ograniczenia  zagrożenia  metanowego  przez  odpowiednie
skorelowanie systemu przewietrzania i odmetanowania.
Zagadnienie to obrazuje rys. nr 1.

Rys

Rys.1. Sposób regulacji poprawiającej efektywność odmetanowania przy

systemie U przewietrzania

Na rys.1 przedstawiono ścianę podłużną z zawałem stropu przewietrzaną

sposobem  U,  dla  której  zastosowane  odmetanowanie  z  chodnika  1  jest  bardzo
mało efektywne (ok.30%). W warunkach przedstawionych na rys.1 efektywność
odmetanowania można poprawić poprzez wprowadzenie odmetanowania ściany
od  strony  pochylni  1.  W  tym  przypadku  bardzo  ważną  sprawą  jest  szczelne
wykonanie  tam  izolacyjnych  TI-1  i  TI-2  oraz  wyregulowanie  tamami  TW-2  lub
TW-

3 sposobu przewietrzania ściany tak, aby w zrobach istniała tendencja

przepływu gazów i metanu od frontu ściany w stronę tam TI-1 i TI-2 do otworów
odmetanowania z pochylni 1. Niewłaściwa może być regulacja tamami TW-1 lub
TW-

4 powodująca uzyskanie depresji na tamach TI-1 i TI-2.

System ek

sploatacji od pola z zastosowaniem równoległego chodnika

wentylacyjnego

– stosowany jest w warunkach dużego zagrożenia

metanowego.

System ten umożliwia kierowanie wydzielającego się metanu z odprężnych

warstw otaczających w stronę równoległego chodnika wentylacyjnego, oddalając
w ten sposób metan od przestrzeni roboczej w ścianie. Jednocześnie możliwe
jest odmetanowanie przy pomocy otworów drenażowych wierconych z chodnika
równoległego. Układ taki pozwala na długie utrzymywanie otworów pod depresją

TW 1

chodnik 1

chodnik 2

TI 1

TW 2

TI 2

TW 3

TW 4

Pochylnia 1

Pochylnia 2

Zrzeszenie kopalń węgla kamiennego w Jastrzębiu

- 5 -

nawet w

chwili, kiedy otwory znajdują się w strefie otamowanej. Zastosowany

filar pomiędzy chodnikami pozwala na dobre uszczelnienie otworów
drenażowych, gwarantuje wysoką koncentrację metanu w ujmowanym gazie
oraz efektywność odmetanowania dochodzącą do 75%.

Cho

dnik równoległy może być przygotowany wcześniej przed

rozpoczęciem  eksploatacji  lub  wygradzany  z  postępem  ściany.  W  przypadku
wcześniejszego  wykonania  chodnika  równoległego  istnieje  możliwość
odprowadzenia  zużytego  powietrza  jednym  chodnikiem  przy  równoczesnym
doświeżaniu chodnikiem drugim. Przykładem może być ściana F-5 w pokł.560/1
w  kopalni  „Manifest  Lipcowy”,  gdzie  chodnik  równoległy  wykonano  w  ramach
robót przygotowawczych

Rys.2. Schemat przewietrzania i odmetanowania ściany F-5 w pokł. 360/1

Gazowość absolutna ściany wynosiła 37,4m

/min

wentylacyjnie

odprowadzono 9,9m

/min, ujęcie rurociągami odmetanowania wynosiło

27,5m

/min, wskaźnik efektywności odmetanowania 73,5%.

Uzyskane efekty odmetanowania pozwoliły zwiększyć dobowe wydobycie

z 1 200t do 1 700t, a szczytowe osiągnięte wydobycie wyniosło 3 000t.

Przykładem eksploatacji z wygrodzeniowym chodnikiem równoległym

może być ściana H-2 w pokł.403/1 w kopalni „Manifest Lipcowy”. Gazowość
absolutna ściany – 33,2m

/min CH

ujęcie rurociągami odmetanowania wynosiło

28,6m

/min, wentylacyjnie odprowadzone 4,6m

/min, wskaźnik efektywności

odmetanowania szczytowo

– 86%. Średnie dobowe wydobycie wynosiło 1 200t.

System eksploatacji ścian od pola – stosowany jest w warunkach dużej
meta

nowości.

Metan wydzielający się z odprężonych warstw otaczających odprowadzany

jest chodnikiem wentylacyjnym w kierunku przeciwnym do frontu ściany.

Chodnik

Nadścianowy

F-5a

Chodnik nadścianowy F-5

strefa zawału

Chodnik podścianowy
F-5

Zrzeszenie kopalń węgla kamiennego w Jastrzębiu

- 6 -

Prowadzone odmetanowanie w chodniku wentylacyjnym umożliwia

uzyskanie  efektywności  dochodzącej  nawet  do  90%.  Przykładem  może  być
ścianaN-6  w  pokł.  356/1  w  kopalni  „XXX-lecia  PRL”,  gdzie  przy  gazowości
absolutnej  11m

/min CH

, urządzeniami odmetanowania ujmowano 10m

/min

Natomiast w ścianie F-7 w pokł. 359/1 w kopalni „Manifest Lipcowy”

wyeksploatowano

dzięki prowadzeniu w kierunku do pola, w warunkach

metanowości dochodzącej szczytowo do 70m

/min.

W przypadku eksploatacji drugiego pokładu lub następnych, pod zrobami

pokładu wyeksploatowanego, zwłaszcza blisko zalegającego, zagrożenie
metanowe w ścianie może wystąpić wskutek wypływu metanu nadległych zrobów
do przestrzeni roboczej eksploatowanego pokładu.
Ideę właściwej regulacji przewietrzania przedstawiono na rys.3.

Rys.3. Idea filtracji gazów w zrobach

Z rys.3 wynika, że dla zapewnienia prawidłowych warunków należy zapewnić:



dobre uszczelnienie zrobów tamami izolacyjnymi TI-1 i TI-2,



poprzez odpowiednią regulację siecią wentylacyjną kompresję w tamach TI-1
i TI-2,



stan filtracji gazu i powietrza z pokładem, w którym prowadzona jest
eksploatacja

np.359/3 do zrobów pokładu, w którym znajdują się urządzenia

odmetanowania np.359/1 lub stan równowagi,

Ściana F-3

-15m

dopływ metanu

TI-1

TI 2

zroby

pokładu

359/1

strefa spękań

zroby

eksploat.

pokł. 359/3

Zrzeszenie kopalń węgla kamiennego w Jastrzębiu

- 7 -



intensywne odmetanowanie z pokładu, do którego kierowany jest przepływ
metanu np.359/1.

Dla dokładnego zobrazowania tego zagadnienia autorzy podają przykład
eksploatacji pokł. 359/1 i 359/3 w partii F kopalni „Manifest Lipcowy”.

Pokład 359/1 był pierwszym pokładem eksploatowanym w tym rejonie.

Charakteryzował się dużą metanowością wynoszącą 16m

/t cz.s.w. Z czterech

eksploatowanych ścian w tym pokładzie, w trzech ścianach prowadzone było
odmetanowanie. Gazowość absolutna poszczególnych ścian wynosiła od 20 do
100m

min CH

Ściana F-3 była trzecią ścianą eksploatowaną do pola w tym pokładzie, a

pierwszą od wychodni pokładu. Odmetanowaniem, w początkowym etapie,
odprowadzono ok.14m

/min CH

, a po uzyskaniu docelowego wydobycia

ok.28m

/min CH

. Po zakończeniu eksploatacji rejon ściany został otamowany

wraz z urządzeniami odmetanowania. W chwili uruchomienia eksploatacji ściany
F-

3 w pokładzie niższym tj.359/3, ze zrobów pokładu wyższego urządzeniami

odmetanowania wyciągnięto 6,2m

/min CH

. Parcela ściany F-3 pokł.359/3

zalegała  pod  parcelą  ściany  F-3  pokł.359/1.  W  związku  z  tym,  że  eksploatacja
prowadzona  była  w  rejonie  odprężonym  nie  projektowano  odmetanowania  w
ścianie pokładu niższego. Odległość pomiędzy pokładami wynosiła średnio 12m.
Po  uzyskaniu  właściwego  odprężenia  i  połączenia  się  zrobów  ze  zrobami
pokładu  wyższego  (wcześniej  wyeksploatowanego)  ilość  odciąganego  metanu
urządzeniami  odmetanowania    w  pokładzie  wyższym    nie  uległa  zmianie,
natomiast koncentracja metanu w powietrzu wentylacyjnym zaczęła wzrastać.

Zaobserwowano, że metan z nadległych zrobów zaczął migrować do

przestrzeni roboczej eksploatowanej ściany. Ilość powietrza doprowadzana w
tym c

zasie do ściany wynosiła 1 300m

/min. Zdecydowano więc przeregulować

sieć wentylacyjną, zmieniając tendencję przepływu metanu z pokł.359/3 do
pokł.359/1. Posunięcie to spowodowało radykalne obniżenie koncentracji metanu
w powietrzu wentylacyjnym oraz zdecy

dowany przyrost metanu w urządzeniach

odmetanowania pokładu wyższego z 6,2m

/min do 26,7m

/min. Z powyższego

przykładu i innych doświadczeń wynika, że efektywność odmetanowania zależy
od ukształtowania potencjału aerodynamicznego, szczególnie w warunkach
b

liskiego zalegania dwóch pokładów (zrobów).

4. Stwierdzenia i wnioski

4.1.

W rejonach dużej metanowości należy kompleksowo dobierać system
przewietrzania, eksploatacji i odmetanowania dla właściwej likwidacji
zagrożenia metanowego.

4.2.

Skuteczność odmetanowania zależy od właściwego ukierunkowania metanu
wydzielającego się z odprężonych warstw otaczających.

4.3.

W  pokładach  silnie  metanowych,  metan  wydzielający  się  z  odprężonych
warstw  otaczających  należy  kierować  z  pominięciem  przestrzeni  roboczej
ściany  stosując  zasadę  odwrotnego  kierunku  przewietrzania  do  kierunku
wybierania ściany.

4.4.

W zwalczaniu zagrożenia metanowego sposobem wentylacyjnym i przy
pomocy odmetanowania należy analizować i regulować układ pola