Politechnika Wrocławska Wrocław

Wydział Geoinżynierii, Górnictwa

i Geologii

REFERAT Z WENTYLACJI I POŻARÓW III

Temat: Prognozowanie zagrożenia metanowego w wyrobiskach korytarzowych węglowych urabianych kombajnami

Wykonał: Prowadzący:

Spis treści:

1. Wstęp 3

2. Tok postępowania prowadzonych badań 4

3. Określenie zależności służących do obliczenia ilości metanu wydzielonego w czasie urabiania węgla kombajnami oraz metanu wydzielonego z ociosu węglowego 5

4. Określenie współczynnika nierówności wydzielania metanu w czasie urabiania

węgla 9

5. Przykład 11

6. Wnioski 11

7. Literatura 12

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 od-kształceń 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.

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].

Rys.1. Strefa odgazowania wokół wyrobiska chodnikowego [1].

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 m³/min, 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].

Rys. 2. Wentylacja kombinowana z odpylaczem przodkowym [1]

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 m³CH₄/min) w czasie urabiania węgla obliczono z zależności [2]:

(1)

gdzie:

p_wp - średnie dobowe stężenie metanu na wylocie z przestrzeni przyprzodkowej, %,

p_wc - średnie dobowe stężenie metanu na wlocie do przestrzeni przyprzodkowej, %,

- wydatek powietrza w przestrzeni przodkowej, m³/min.

Celem 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]:

(2)

gdzie:

V_wp - średnie dobowe stężenie metanu na wylocie z wyrobiska, %.

3. Określenie zależności służących do obliczenia ilości metanu wydzielonego w czasie urabiania węgla kombajnami oraz metanu wydzielonego z ociosu węglowego [2]

Celem określenia zależności służących do obliczenia ilości metanu wydzielonego w czasie urabiania węgla kom­bajnem oraz metanu wydzielonego z ociosu węglowego wyrobiska, wykorzystano teorię podobieństwa zjawisk fizy­cznych, które opisują liczby bezwymiarowe [2].

- liczba bezwymiarowa charakteryzująca wpływ czasu na wydzielanie metanu z urobku,

- liczba bezwymiarowa charakteryzująca wydzielanie metanu z urobku i calizny węg­lowej w przodku,

- liczba bezwymiarowa charakteryzująca wpływ czasu na wydzielanie metanu z ocio­su węglowego,

- liczba bezwymiarowa charakteryzująca wydzielanie metanu z ociosu węglo­wego,

gdzie:

- wydobycie węgla, t/d,

v_m - współczynnik lepkości kinematycznej metanu, m²/s,

- czas trwania jednego zabioru, min/zabiór,

- promień przekroju poprzecznego wyrobiska, m,

- gęstość metanu, kg/m³,

- powierzchnia odsłoniętego pokładu węgla na długości wyrobiska, m²,

- średni czas przewietrzania wyrobiska
- czas, jaki upłynął od

momentu rozpoczęcia przewietrzania,
=1 - czas od momentu zakończenia przewie­trzania), dni.

Na rysunku 1 przedstawiono wpływ czasu urabiania jednego zabioru (1 m 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].

Rys.1. Wydzielanie się metanu w czasie urabiania urobku opisany funkcją lnKu= f (Fu) [2]

Z przedstawionego rysunku wynika, że wraz ze wzrostem czasu urabiania jednego zabioru (liczby bezwymiarowej Fu), wzrasta wartość liczby Ku, co nie jest równoznaczne ze wzrostem ilości wydzielonego metanu. Na rysunku podano równanie regresji oraz współczynnik korelacji, który wynosi zaledwie R²=0,31,

Na rysunku widoczne są dwa zbiory danych. Jeden zbiór danych leżący ponad linią regresji, który obejmu­je wyrobiska drążone w górotworze nienaruszonym ro­botami górniczymi oznaczony przez Kn1 (rys. 2), 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.

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 [2].

Rys.2. Wydzielanie się metanu w czasie urabiania węgla dla dwóch grup wyrobisk [2]

Na rysunku 2 podano także równania regresji dla obu grup wyrobisk, a także podano wartości współczynników korelacji
> 0,75. Uzyskane współ­czynniki korelacji są o wiele większe niż w przypadku, gdy wszystkie wyrobiska traktowano w jednej grupie danych.

Wtedy
= 0,3l.R²

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:

m³/min (3)

- dla wyrobisk prowadzonych w górotworze naruszonym robotami górniczymi

m³/min (4)

Na rysunku 3 przedstawiono wpływ liczby bezwymiaro­wej Fg (czasu przewietrzania wyrobiska) na liczbę bez­wymiarową Ko określającą ilość metanu wydzielonego z po­wierzchni pokładu węgla.

Rys.3. Wydzielanie się metanu z ociosu węglowego wyrobiska korytarzowego jako funkcja

lnKo = f (Fg) [2]

Z przedstawionego rysunku wyni­ka, że wraz z upływem czasu zmniejsza się ilość metanu wydzielonego z powierzchni pokładu do wyrobiska.

Na rysunku podano także równanie regresji i współczynnik korelacji R² = 0,48.

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].

Rys.4. Wydzielanie metanu z ociosu wyrobiska z uwzględnieniem dwóch grup wyrobisk [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]:

m³/min (5)

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

m³/min (6)

Całkowita ilość metanu wydzielonego do wyrobiska korytarzowego drążonego kombajnami zatem wyniesie [2]:

m³/min (7)

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.

4. Określenie współczynnika nierównomiemości 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 metanonośnośći pokładu węgla danego wyrobiska na współczynnik nierównomiemości wydzielania metanu określonego zależ­nością [2]:

(8)

gdzie:

V _max - maksymalna w czasie cyklu urabiania ilość wydzielonego metanu, m³/min,

V _śr - średnia w ciągu zabioru ilość wydzielonego metanu, m³/min,

p _max, p _śr - maksymalne i średnie stężenie metanu w czasie trwania zabioru, %.

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 [2].

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]:

(9)

Przy prognozowaniu ilości metanu wydzielonego pod­czas urabiania należy uwzględnić współczynnik nierówno-mierności 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 kn

5. Przykład [2]

Celem pokazania przydatności wyprowadzonych zależ­ności w profilaktyce metanowej w drążonych kombajnami wyrobiskach korytarzowych wykonano prognozę zagroże­nia dla danych: l=1000 m, m = 2 m, A_w=14 m²,
= 5 m³/Mg_csw,
⁼ 10 i
m/dobę, zabiór 1 m,
,
= 0,7 kg/m³.

Wyrobisko drążone jest w górotworze nienaruszonym robotami górniczymi.

Rozwiązanie. Kolejno obliczamy:

- czas jednego zabioru:

- czas przewietrzania wyrobiska:

- średni czas przewietrzania wyrobiska:

- promień wyrobiska

- masę urobku

-

-

-

-

-

6. Wnioski

Z przeprowadzonych badań w 19 wyrobiskach chod­nikowych drążonych kombajnami oraz w wyniku prze­prowadzonej analizy wynikają następujące wnioski:

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.

Podane zależności (4, 5, 6, 7) pozwalają na szybkie i dokładne obliczenie ilości metanu wydzielonego do drążonego wyrobiska położonego na głębokości poniżej 700 m.

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

---