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 -

1.

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

w

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

3

/min

CH

4

,

wentylacyjnie

odprowadzono 9,9m

3

/min, ujęcie rurociągami odmetanowania wynosiło

27,5m

3

/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

3

/min CH

4,

ujęcie rurociągami odmetanowania wynosiło

28,6m

3

/min, wentylacyjnie odprowadzone 4,6m

3

/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

3

/min CH

4

, urządzeniami odmetanowania ujmowano 10m

3

/min

CH

4

.

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

3

/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

10

-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

3

/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

3

min CH

4

.

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

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

3

/min CH

4

, a po uzyskaniu docelowego wydobycia

ok.28m

3

/min CH

4

. 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

3

/min CH

4

. 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

3

/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

3

/min do 26,7m

3

/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

Zrzeszenie kopalń węgla kamiennego w Jastrzębiu

- 8 -

potencjału aerodynamicznego przedmiotowego rejonu bazując na
op

racowanym schemacie potencjalnym, a także kontrolować migrację gazu

i powietrza w zrobach metodą znacznikową.