Prognozowanie zagrożenia metanowego w wyrobiskach korytarzowych węglowych urabianych kombajnami

REFERAT Z WENTYLACJI I POŻARÓW

III

Temat: Prognozowanie zagrożenia metanowego w

wyrobiskach korytarzowych węglowych urabianych

kombajnami

Politechnika Wrocławska Wrocław

24.07.2006

Wydział Górnictwa, Geoinżynierii,
i Geologii

Wykonał: Prowadzący:

Piotr Sobczak dr inż. Franciszek

Rosiek

119603 mail: soba@o2.pl

Franciszek
Rosiek:

Mail wymyślony

Franciszek
Rosiek:

Mail wymyślony

Spis treści

1. Wstęp
2. Tok postępowania prowadzonych badań
3. Określenie zależności służących do

obliczenia ilości metanu wydzielonego w

czasie urabiania węgla kombajnami oraz

metanu wydzielonego z ociosu węglowego

4. Określenie współczynnika nierówności

wydzielania metanu w czasie urabiania

węgla

5. Przykład
6. Wnioski
7. Literatura

1. Wstęp

Drążenie wyrobisk w pokładach węgla powoduje zmianę

rozkładu ciśnienia w otaczającym górotworze, obniżenie

ciśnienia metanu i zmianę przepuszczalności gazowej. Do

drążonych wyrobisk dopływa metan wolny zawarty w pustkach

górotworu oraz metan zasorbowany w pokładach węgla.

W bezpośrednim sąsiedztwie przodka chodnika przed

rozpoczęciem urabiania kombajnem wielkość strefy

obniżonych naprężeń jest niewielka i wydzielanie się metanu z

przylegającej do wyrobiska calizny węglowej następuje z

niewielkiego obszaru. W momencie rozpoczęcia urabiania

zasięg obniżonych naprężeń przesuwa się w głąb calizny

węglowej z coraz mniejszą prędkością przy równoczesnym

przesuwaniu się strefy odkształcenia pokładu. W strefie

odkształceń plastycznych pokładu węgla porowatość i spękanie

węgla zwiększają się w porównaniu z naturalnym stanem, w

związku z czym zwiększa się gazowa przepuszczalność węgla i

aktywizuje się proces desorbcji metanu [1], [2].

Przepuszczalność gazowa pokładu węgla w

strefie deformującego wpływu wyrobiska
zmniejsza się w głąb calizny od maksymalnej
wartości na powierzchni odsłonięcia pokładu do
naturalnej wartości na granicy wpływu wyrobiska.
Znaczne zwiększenie się szczelinowatości i
przepuszczalności gazowej z przylegającej do
chodnika strefy pokładu węgla występuje dla
większości pokładów Górnośląskiego Zagłębia
Węglowego zwykle do głębokości 15-20 m od
powierzchni odsłonięcia pokładu. Przestrzeń
odgazowania wokół wyrobiska chodnikowego
została przedstawiona na rysunku 1 [1], [2].

Aktualnie w polskim górnictwie węgla kamiennego nie ma

istotnych problemów z uzyskaniem bezpiecznych warunków

metanowych w drążonych kombajnami wyrobiskach

korytarzowych. Zastosowanie lutniociągów o średnicy 1000 ÷

1200 mm jaki i wdrożenie nowej generacji odpylaczy

przodkowych typu UO o wydajności 400 ÷ 800 m

/min (rys.2),

w istotny sposób zwiększyło wydatki powietrza w przodkach

drążonych wyrobisk oraz nastąpiła poprawa w zwalczaniu

pyłów szkodliwych dla zdrowia, a także następuje lepsze

wymieszanie wydzielonego w trakcie urabiania metanu.

Prognozę zagrożenia metanowego dla wyrobisk

korytarzowych węglowych wykonuje się z uwagi na:

- metan wydzielany z urobku w czasie urabiania

- metan wydzielany z ociosu węglowego
W opracowaniu tym podano wyniki odpowiednich

pomiarów wykonanych w wyrobiskach drążonych za pomocą

kombajnów, a następnie określono zależności, które mogą

służyć do prognozy metanowości bezwzględnej [1], [2].

2.Tok postępowania prowadzonych

badań

Celem obliczenia ilości metanu wydzielonego z urobionego

węgla w obrębie przestrzeni przodkowej, obejmującej swoim

zasięgiem przestrzeń wyrobiska między czołem przodka a

wylotem z odpylacza (około 20 m) pomierzono:

- wydatek powietrza w przestrzeni przodkowej,
- stężenie metanu na wlocie do przestrzeni przodkowej i na

wylocie z przestrzeni przodkowej korzystając z

raportów graficznych wykonanych przez metanomierze,

        - postęp dobowy przodka,
        - masę urobionego węgla z 1 m postępu przodka.
         Z działu mierniczo-geologicznego uzyskano metanonośność

pokładu węgla.

W każdym przodku wykonano wymienione pomiary. Wykonano

je wyrobiskach przewietrzanych wentylacją tłoczącą i czynnym

odpylaczem przodkowym. W tablicy 1 zestawiono wykazy

przodków, które objęto badaniami, oraz dane niezbędne do

wykonania obliczeń. każdy przodek poddano 2-tygodniowej

obserwacji [2].

Nad pokładem nie prowadzono eksploatacji.

Ilość metanu wydzielanego w czasie urabiania

węgla w pracy obliczono z zależności [2]:

     gdzie:
         p

- średnie dobowe stężenie metanu na wylocie

z przestrzeni przyprzodkowej, %,

- średnie dobowe stężenie metanu na wlocie

do przestrzeni przyprzodkowej, %,

- wydatek powietrza w przestrzeni

przodkowej, m

/min.

Franciszek
Rosiek:

Wzory
edytorem.
Jednostki nie po
wzorze

Franciszek
Rosiek:

Wzory
edytorem.
Jednostki nie po
wzorze

W celu określenia ilości metanu wydzielonego z

ociosu węglowego w drążonym wyrobisku wykonano

pomiary:

          - średniej grubości pokładu węgla,
          - długości odsłoniętej powierzchni węgla,
          - wydatku powietrza na wylocie z wyrobiska,
          - stężenia metanu na wylocie z wyrobiska,
         Ilość metanu wydzielonego z ociosu węglowego

obliczono z zależności [2]:

gdzie:
p

- średnie

dobowe stężenie metanu na wylocie z

wyrobiska, %

- średnie dobowe stężenie metanu na wylocie z

przestrzeni

przyprzodkowej, %,

Franciszek
Rosieki:

Wzory pisać
edytorem

Franciszek
Rosieki:

Wzory pisać
edytorem

Okre

lenie zale

ci słu

żą

cych do obliczenia ilo

metanu wydzielonego w czasie urabiania w

gla

kombajnami oraz metanu wydzielonego z

ociosu

węglowego [2]

Franciszek
Rosiek:

Pisać edytorem.

Franciszek
Rosiek:

Pisać edytorem.

Rys.1. Wydzielanie się metanu w czasie urabiania

urobku opisany funkcją ln

=f(

) [2]

Na rysunku 1 przedstawiono wpływ czasu urabiania jednego zabioru (1m wyrobiska) opisany liczbą bezwymiarową Fu. na wydzielanie metanu z

urobku opisany liczbą bezwymiarową Ku w okresie dwóch tygodni w czasie drążenia kombajnami wyrobisk, których dane zamieszczono w tablicy 1 [2].

Z przedstawionego rysunku wynika, że wraz ze

wzrostem czasu urabiania jednego zabioru (liczby
bezwymiarowej Fu), wzrasta wartość liczby Ku, co me
jest równoznaczne ze wzrostem ilości wydzielonego
metanu. Na rysunku podano równanie regresji oraz
współczynnik korelacji, który wynosi zaledwie R

=0,31.

Na rysunku 2 widoczne są dwa zbiory danych.

Jeden zbiór danych leżący ponad linią regresji, który
obejmuje wyrobiska drążone w górotworze
nienaruszonym robotami górniczymi oznaczony przez
Kn1, oraz drugi zbiór danych oznaczony przez Kn2,
leżący poniżej linii regresji. obejmujący wyrobiska
prowadzone w górotworze naruszonym robotami
górniczymi, tzn. w odległości do 50 m nad wyrobiskiem
była prowadzona eksploatacja pokładu [2].

Rys.2. Wydzielanie się metanu w czasie urabiana

węgla dla dwóch grup wyrobisk [2]

Z przedstawionego rysunku 2 wynika, że w wyrobiskach drążonych w górotworze nienaruszonym robotami górniczymi wydziela się więcej metanu z urobku w porównaniu do wyrobisk prowadzonych w górotworze naruszonym robotami górniczymi

Na rysunku 2 podano także równania

regresji dla obu grup wyrobisk, a także podano
wartości współczynników korelacji-R

0,75.

Uzyskane współczynniki korelacji są o wiele
większe niż w przypadku, gdy wszystkie
wyrobiska traktowano w jednej grupie danych.

Wtedy R

= 0,3l.

Uwzględniając równania regresji podane na

rysunku 2 oraz zależności opisujące wydzielanie
metanu z urobku można napisać zależności
służące do obliczenia ilaści metanu wydzielonego
z urobionego węgla [2]:

-dla wyrobisk prowadzonych w górotworze

nienaruszonym robotami górniczymi [2]:

-dla wyrobisk prowadzonych w górotworze

naruszonym robotami górniczymi [2]:

Franciszek
Rosieki:

Kłania się
edytor

Franciszek
Rosieki:

Kłania się
edytor

Rys.3. Wydzielanie metanu z ociosu węglowego

wyrobiska korytarzowego jako funkcja ln

=f(

)

[2]

Na rysunku 3 przedstawiono wpływ liczby

bezwymiarowej Fg (czasu przewietrzania wyrobiska)

na liczbę bezwymiarową Ko określającą ilość metanu

wydzielonego z powierzchni pokładu węgla

Ponieważ rozrzut wyników jest duży, a współczynnik

korelacji niezbyt wysoki, podobnie jak w przypadku

wydzielania metanu z urobku, przeanalizowano

wydzielanie metanu z powierzchni wyrobiska z

uwzględnieniem zależności, czy wyrobisko prowadzone

jest w górotworze nienaruszonym lub naruszonym

robotami górniczymi.

Na rysunku 4 przedstawiono te same dane, ale po

uwzględnieniu wpływu prowadzonych robót górniczych w

sąsiedztwie drążonego wyrobiska na wydzielanie metanu

z powierzchni pokładu. Przez Ko2 oznaczono przebieg

wydzielania metanu dla wyrobisk prowadzonych w

górotworze nienaruszonym robotami i przez Ko1 w

górotworze naruszonym robotami górniczymi [2].

W oparciu o równania regresji podane na rysunku 4,

zależność na obliczenie ilości metanu wydzielonego z ociosu

węglowego wyrobiska korytarzowego w czasie drążenia go

kombajnami chodnikowymi przyjmie postać:

-dla wyrobisk prowadzonych w górotworze nienaruszonym
robotami górniczymi [2]:

-dla wyrobisk prowadzonych w górotworze naruszonym
robotami górniczymi [2]:

Franciszek
Rosieki:

Edytor do
wzorów

Franciszek
Rosieki:

Edytor do
wzorów

Całkowita ilość metanu wydzielonego do wyrobiska

korytarzowego drążonego kombajnami zatem wyniesie [2]:

Podobnie jak przy prognozowaniu zagrożenia

metanowego w wyrobiskach ścianowych, gdzie z uwagi na
zmienną metanonośność pokładu wzdłuż wybiegu ściany
wykonuje się kilka prognoz metanowości bezwzględnej,
tak w przypadku wykonywania prognoz metanowych dla
drążonych wyrobisk korytarzowych, gdy znana jest
metanonośność pokładu, a jej zmiany wzdłuż wybiegu
chodnika są większe niż 10 %, należy wykonać dodatkowe
prognozy metanowości bezwzględnej

Franciszek
Rosiek:

Wzór edytorem
i bez jednostek
na końcu

Franciszek
Rosiek:

Wzór edytorem
i bez jednostek
na końcu

4. Określenie współczynnika

nierównomierności wydzielania metanu w

czasie urabiania

W czasie cyklu urabiania węgla stwierdza się

nierównomierne wydzielanie metanu z urobku do przestrzeni

przodkowej. Na rysunku 5 pokazano wpływ metanonośności

pokładu węgla danego wyrobiska na współczynnik

nierównomiemości wydzielania metanu określonego zależnością

[2]:

gdzie:
V

max

- maksymalna w czasie cyklu urabiania ilość wydzielonego

metanu, m

/min,

śr

- średnia w ciągu zabioru ilość wydzielonego metanu,

/min,

max

, p

śr

- maksymalne i średnie stężenie metanu w czasie

trwania zabioru, %,

Franciszek
Rosieki:

Wzory
edytorem

Franciszek
Rosieki:

Wzory
edytorem

Rys.5. Wpływ metanonośności pokładu na

współczynnik nierównomiernoiści wydzielania

metanu w czasie urabiania węgla [2]

Z przedstawionego rysunku wynika, że wraz ze

wzrostem metanonośności pokładu węgla wzrasta
wartość współczynnika nierównomiemości wydzielania
metanu w czasie urabiania węgla. Znaczny rozrzut
poszczególnych punktów pomiarowych wynika z
różnicy postępów dobowych poszczególnych wyrobisk

Uwzględniając wpływ metanonośności na wartość

współczynnika nierównomiemości wydzielania metanu
podczas urabiania węgla, wykonano rysunek 6, na którym
przedstawiono wpływ postępu przodka na wartość
współczynnika kn. Z przedstawionego rysunku wynika, że
wzrost postępu przodka powoduje spadek współczynnika
nierównomiemości wydzielania metanu podczas urabiania
węgla.

Uwzględniając wpływ metanonośności pokładu i

postępu przodka (równania regresji podane na rys. 5 i 6),
uzyskano zależność opisującą współczynnik
nierównomierności wydzielania metanu w czasie urabiania
węgla [2]:

Przy prognozowaniu ilości metanu wydzielonego

podczas urabiania należy uwzględnić współczynnik
nierównomierności wydzielania metanu zgodnie z
zależnością (8) [2].

Rys.6. Wpływ postępu przodka po uwzględnieniu

metanonośności pokładu na wartość współczynnika

nierównomierności wydzielania metanu podczas

urabiania węgla na

Przykład

[2]

Franciszek
Rosiek:

Też edytorem

Franciszek
Rosiek:

Też edytorem

6. Wnioski

Z przeprowadzonych badań w 19 wyrobiskach

chodnikowych drążonych kombajnami oraz w wyniku

przeprowadzonej analizy wynikają następujące wnioski:

1. W wyrobiskach prowadzonych w górotworze

nienaruszonym robotami górniczymi wydziela się znacznie

więcej metanu niż w wyrobiskach prowadzonych w

górotworze naruszonym robotami górniczymi, co należy

uwzględnić przy opracowywaniu profilaktyki metanowej.

2. Podane zależności (3, 4, 5, 6) pozwalają na szybkie i

dokładne obliczenie ilości metanu wydzielonego do

drążonego wyrobiska położonego na głębokości poniżej

700 m.

3. Istotny wpływ na nierównomierności wydzielenia

metanu podczas urabiania węgla ma metanonośność

pokładu i postęp przodka. Wzrost postępu przodka i

spadek metanonośności pokładu powoduje spadek

wartości współczynnika nierównomierności wydzielania

metanu w przodku [2].

7. Literatura

[1] Frączek R.: „Prognozowanie zagrożenia

metanowego w wyrobiskach korytarzowych
węglowych urabianych kombajnami”,
Przegląd Górniczy 1/2004

[2] Borowski M., Szlązak N., Kubaczka C.:

„Wydzielanie metanu z ociosów wyrobisk
chodnikowych drążonych kombajnami w
pokładach węgla”, Materiały Szkoły
Eksploatacji Podziemnej, Szczyrk 2005

Document Outline