Wydział Górnictwa i Geoinżynierii
Kierunek: Górnictwo i Geologia
Grupa: 3

Wydzielanie metanu do wyrobiska ścianowego w pokładzie 414/1 wg

Zadanie nr 2bb

Młynarczyk Magdalena

1. Wprowadzenie

1.1 Należy określić wydzielanie metanu do wyrobiska ścianowego w pokładzie 414/1wg prowadzonego od granic z zawałem stropu i likwidacją chodnika nadścianowego w zrobach w pokładzie węgla dla danych jak poniżej:

Lp.	Pokład	Miąższość Pokładu	Odległość	Metanonośność pokładu
-	-	M	m	m^3/Mgcsw
1	409/1	1,8	0	5,1
2	409/2	2,2	23	4,4
3	410	2,1	33	3,7
4	411	2	45	5,5
5	412	1,3	57	6,5
6	413/1	1,8	64	3,3
7	413/2	2,2	77	5,2
8	414/1wg	2,3	82	2,1
9	414/1wd	2	88	2,1
10	414/2	1,9	92	3,4
11	415/1	3	102	4,2
12	416	2,6	130	3,7

Oraz określić możliwość prowadzenia wydobycia z tej ściany na poziomie W=4300 Mg/db.

Dla końcowej wartości metanowości ściany należy uwzględnić dopływ metanu z drążonego chodnika dla kolejnej ściany (prognoza metanowości wyrobiska chodnikowego).

1.2. Należy określić wydzielanie metanu do wyrobiska chodnikowego drążonego w świeżym prądzie powietrza dopływającym do ściany.

1.3. Dodatkowe dane:

• Długość ściany, L= 240 m,

• Kąt nachylenia pokładu, α= 3,8°,

• Chodniki przyścianowe wykonane w obudowie ŁP8/V29A

• Intensywność wydzielania z odsłoniętej powierzchni calizny węglowej q_p=0,000164, m³/min m²

• Wybieg ściany, L_w=800m,

• postęp kombajnu chodnikowego, v_p=5,3 m/db,

• Długość drążonego chodnika = długość chodnika podścianowego+długość ściany

• ciężar właściwy węgla, γ=1,33 Mg/m³

1.4.1. Obliczenia metanowości ściany

a) metoda KD "" W_m= 700 Mg/db

q₁ – wydzielanie się metanu z urobionego węgla

$q_{1} = \frac{A \bullet 0,8 \bullet W_{o}}{1440}\text{\ \ \ }{\lbrack m}^{3}/\min\rbrack$

$q_{1} = \frac{700 \bullet 0,8 \bullet 2,1}{1440} = 0,817\ \ {\lbrack m}^{3}/\min\rbrack$

q₂ – wydzielanie się metanu z czoła ściany

q₂ =  m_w • L • q_p [m³/min]

q₂ =  2, 3 • 240 • 0, 000164 = 0, 091 [m³/min]

q₄ – wydzielanie się metanu z pokładów nadebranych i podebranych (tabela 1a)

$$q_{4} = \frac{A \bullet m_{i} \bullet \eta_{i} \bullet W_{\text{oi}}}{m_{w} \bullet \gamma \bullet 1,44 \bullet 10^{5}}\text{\ \ \ }{\lbrack m}^{3}/\min\rbrack$$

gdzie:

A – wydobycie modułowe równe 700[Mg/db]

m_i – miąższość pokładu [m]

η_i- stopień odgazowania pokładu [%]

W_0i – metanonośność pokładu [m³/Mg_csw]

m_w – miąższość eksploatowanego pokładu [m]

L – długość ściany [m]

q_p – intensywność wydzielania z odsłoniętej powierzchni calizny węglowej [m³/min∙m²]

γ - ciężar właściwy węgla [Mg/m³]

Stopień odmetanowania pokładów nadebranych i podebranych określamy z zależności

1. Dla pokładów podebranych

$$\eta = 64,709 \bullet \exp\left( - 0,03957 \bullet \frac{e}{m_{w}} \right)\%$$

1. Dla pokładów nadebranych

$$\eta = 54,1 \bullet \exp\left( - 0,03721 \bullet \frac{e}{m_{w}} \right)\%$$

e- odległość rzeczywista rozpatrywanego pokładu od pokładu eksploatowanego [m]

Tabela 1a. Prognoza wydzielania metanu do ściany w pokładzie 414/1 wg z pokładów nadległych i podległych wg metody KD "" dla wydobycia modułowego W_m= 700 Mg/db

Lp	Pokład	Miąższość pokładu, m	Odległość od pokładu eksploatowanego	Metanonośność, m^3CH4/Mgc.s.w.	Stopień odgazowania pokładu ηi, %	Ilość wydzielanego metanu do eksploatowanej ściany, q, m^3CH4/min
1	409/1	1,8	82	5,1	15,78	0,230
2	409/2	2,2	59	4,4	23,44	0,361
3	410	2,1	49	3,7	27,85	0,344
4	411	2	37	5,5	34,23	0,598
5	412	1,3	25	6,5	42,09	0,565
6	413/1	1,8	18	3,3	47,47	0,448
7	413/2	2,2	5	5,2	59,37	1,079
eks	414/1wg	2,3	0	2,1		0,907
9	414/1wd	2	6	2,1	49,10	0,328
10	414/2	1,9	10	3,4	46,02	0,472
11	415	3	20	4,2	39,14	0,784
12	416	2,6	73	3,7	16,61	0,254
Suma q	6,371
Metanowość chodnika (świeży prąd powietrza)	0,317
Razem qc	6,687

b) metoda „Wytycznych … Ministerstwa Górnictwa”

q = q₁ + q₂

q₁ – wydzielanie się metanu z urobionego węgla [m³/Mg_csw]

$q_{1} = \frac{A \bullet 0,8 \bullet W_{o}}{1440}\text{\ \ \ }{\lbrack m}^{3}/\min\rbrack$

$q_{1} = \frac{500 \bullet 0,8 \bullet 2,1}{1440}\ = 0,583\ {\lbrack m}^{3}/\min\rbrack$

q₂ – wydzielanie się metanu z pokładów nadebranych i podebranych (tabela 1b)

$$q_{2} = \frac{s \bullet A \bullet \sum m_{i} \bullet \eta \bullet (W_{\text{oi}} - 2,5)}{m_{w} \bullet \gamma \bullet 1,44 \bullet 10^{5}}\text{\ \ \ }{\lbrack m}^{3}/\min\rbrack$$

s – współczynnik ściśliwości podsadzki s = 1

Tabela 1b. Prognoza wydzielania metanu do ściany w pokładzie 414/1 wg z pokładów nadległych i podległych wg metody „Wytycznych … Ministerstwa Górnictwa”dla wydobycia modułowego W_m= 500 Mg/db

Lp.	Pokład	Miąższość pokładu, m	Odległość od pokładu eksploatowanego	Metanonośność, m^3CH4/Mgc.s.w.	Stopień odgazowania pokładu ηi, %	Ilość wydzielanego metanu do eksploatowanej ściany, q, m^3CH4/min
1	409/1	1,8	82,0	5,1	12	0,064
2	409/2	2,2	59,0	4,4	29	0,138
3	410	2,1	49,0	3,7	40	0,114
4	411	2	37,0	5,5	62	0,422
5	412	1,3	25,0	6,5	84	0,496
6	413/1	1,8	18,0	3,3	92	0,150
7	413/2	2,2	5,0	5,2	100	0,674
eks	414/1wg	2,3	0,0	2,1	100	0,583
9	414/1wd	2	6,0	2,1	94	-0,085
10	414/2	1,9	10,0	3,4	77	0,149
11	415	3	20,0	4,2	46	0,266
12	416	2,6	48,0	3,7	8	0,028
Suma q	3,000
Metanowość chodnika (świeży prąd powietrza)	0,317
Razem qc	3,317

Wielkość wydzielania się metanu wg wzoru:

[m³/min]

gdzie :

a=0,0277⋅q₅₀₀

b=0,3800⋅q₅₀₀

q₅₀₀ - metanowość dla wydobycia modułowego metody „Wytycznych…” lub q₇₀₀ – dla metody KD „”

W – wydobycie, Mg/db

Dla metody KD ""

Tabela 2a. Prognoza wydzielania metanu do ściany w pokładzie 414/1wg w zależności od wydobycia
wg metody KD ""

Wydobycie Mg/db	Metanowość prognozowana q, m^3CH4/min	Metanowość całkowita qc, m^3CH4/min	Metanowość względna qw, m^3CH4/Mg	Wymagana ilość powietrza m^3/min
700	6,371	6,687	13,757	674,1
1000	8,001	8,318	11,978	838,4
1500	9,255	9,572	9,189	964,9
2000	10,313	10,629	7,653	1071,4
2500	11,244	11,561	6,659	1165,3
3000	12,086	12,403	5,953	1250,2
3500	12,861	13,177	5,422	1328,3
4000	13,582	13,898	5,003	1400,9
4300	13,993	14,309	4,792	1442,4
4500	14,259	14,575	4,664	1469,2
5000	14,899	15,216	4,382	1533,7

Rys.1a. Prognoza wydzielania metanu do ściany w pokładzie 414/1 wg w zależności od wielkości wydobycia wg metody KD ""

Tabela 2b. Prognoza wydzielania metanu do ściany w pokładzie 414/1wg w zależności od wydobycia
wg metody wg metody „Wytycznych ....MG”

Wydobycie Mg/db	Metanowość prognozowana q, m^3CH4/min	Metanowość całkowita qc, m^3CH4/min	Metanowość względna qw, m^3CH4/Mg	Wymagana ilość powietrza m^3/min
500	3,000	3,317	9,553	334,4
1000	3,768	4,085	5,882	411,8
1500	4,359	4,676	4,489	471,3
2000	4,857	5,174	3,725	521,5
2500	5,296	5,612	3,233	565,7
3000	5,692	6,009	2,884	605,7
3500	6,057	6,374	2,622	642,5
4000	6,397	6,713	2,417	676,7
4300	6,590	6,907	2,313	696,2
4500	6,716	7,032	2,250	708,8
5000	7,017	7,334	2,112	739,2

Rys.1b. Prognoza wydzielania metanu do ściany w pokładzie 414/1wg w zależności od wielkości wydobycia wg metody „Wytycznych ....MG”

Wydzielanie metanu wg metod:

metoda KD "" q_c4300=14,309 m³CH₄/min

metoda „Wytycznych ....MG” q_c4300=6,907 m³CH₄/min

1.4.2. Obliczenia metanowości drążonego chodnika q_ch

Metoda KD "Barbara"

q_ch = q₁^′ + q₂^′ + q₃^′

q₁^′− Wydzielanie metanu z urobionego węgla

$$q_{1}^{'} = \frac{v_{p} \bullet b \bullet m_{w} \bullet \gamma \bullet \left( {0,8W}_{0} \right)}{1440}\ \ \lbrack m^{3}/min\rbrack$$

$$q_{1}^{'} = \frac{5,3 \bullet 4,7 \bullet 2,3 \bullet 1,33 \bullet 0,8 \bullet 2,1}{1440} = 0,0889\ \lbrack m^{3}/min\rbrack$$

q₂^′−Wydzielanie metanu z obnażonej powierzchni węgla

q₂^′ = b • m_w • q_p  [m³/min]

q₂^′ = 4, 7 • 2, 3 • 0, 000164 = 0, 0018[m³/min]

q₃^′−Wydzielanie metanu z ociosów wyrobiska

q₃^′ = 2 • m_w • v_p • q_p • T  [m³/min]

T = 30k + n0, 5^t − 1

Czas drążenia wyrobiska:

$$n = \frac{L + L_{w}}{v_{p}} = \frac{240 + 800}{5,3} = 196,13 \rightarrow 196\ \lbrack dn\rbrack$$

t=6,54->7 [miesięcy]

T₁ = 30 • 1, 7811 + 196 • 0, 5^7 − 1 = 56, 4955

q₃^′ = 2 • 2, 3 • 5, 3 • 0, 000164 • 56, 4955 = 0, 2259  [m³/min]

q_ch = 0, 317 [m³/min] 

Metoda filtracyjna

q^′ = q₁^′ + q₂^′

q₁^′− Wydzielanie metanu z urobionego węgla w przodku wyrobiska

$$q_{1}^{'} = \frac{v_{p} \bullet b \bullet m_{w} \bullet \gamma \bullet \left( {0,8W}_{0} \right)}{1440}\ \ \lbrack m^{3}/min\rbrack$$

$$q_{1}^{'} = \frac{5,3 \bullet 4,7 \bullet 2,3 \bullet 1,33 \bullet 0,8 \bullet 2,1}{1440} = 0,0889\ \lbrack m^{3}/min\rbrack$$

q₂^′−Wydzielanie metanu z ociosów wyrobiska

$$q_{2}^{'} = 4 \bullet m_{w} \bullet v_{p} \bullet q_{p} \bullet \sqrt{t}\ \ \lbrack m^{3}/min\rbrack$$

$$q_{2}^{'} = 4 \bullet 2,3 \bullet 4,7 \bullet 0,000164 \bullet \sqrt{196} = 0,11195\ \ \lbrack m^{3}/min\rbrack$$

q^′ = 0, 20085  [m³/min]

Przyjmuję q_ch wyliczone metodą KD ""

q_ch=0,317 [m³CH₄/min]

2. Obliczenie maksymalnego wydzielania metanu

2.1. Obliczenie maksymalnego wydzielania metanu, które można opanować środkami wentylacyjnymi (tzw. metanowość kryterialna):

gdzie :

c_max -dopuszczalna koncentracja metanu w ścianie, 1,5%

s - szerokość pola ściany, przyjąć s= 4,35 [m]

h -wysokość ściany=miąższości, m

v_max - dopuszczalna prędkość powietrza w ścianie, m/min

k - współczynnik uwzględniający stosunek prędkości średniej do maksymalnej, k=0.85

w - współczynnik wykorzystania przekroju pola ściany, w=0.6

n - współczynnik uwzględniający szczytowe wydzielanie metanu do wyrobiska ścianowego, n=1.5

15,3077

2.2 Wydobycie utrzymywane na poziomie 4300 Mg/db może być prowadzone bez odmetanowania, ponieważ maksymalne wydzielanie metanu, które można opanować środkami wentylacyjnymi jest większe od zaprognozowanego wydzielania metanu do ściany.

2.3 Określić współczynnik minimalnej efektywności odmetanowania z zależności :

gdzie:

• q_p - wydzielanie metanu do wyrobiska ścianowego q₄₀₀₀ określone na podstawie prognozy dla wydobycia 4300 Mg/db wg metody KD „”, m³/min

• q_went - wydzielanie metanu do wyrobiska ścianowego możliwe do opanowania środkami wentylacyjnymi, m³/min

3. Podać sposoby zabezpieczenia metanometrycznego ściany o dużej metanowości (wg studiów literaturowych) – rys. 3.

Do wyrobiska ścianowego metan może dopływać z eksploatowanego pokładu w procesie urabiania i odstawy urobku, z pokładów i skał leżących zarówno nad, jak i pod eksploatowanym pokładem, znajdujących się w strefach odprężeń, a także ze zrobów wcześniej wyeksploatowanego złoża. Do sposobów zabezpieczenia metanometrycznego ściany zaliczyć można kontrolę zawartości metanu w powietrzu kopalnianym za pomocą urządzeń metanometrii automatycznej i metanomierzy przenośnych dopuszczonymi do stosowania w zakładach górniczych przy dowolnej zawartości metanu.

Pomiar urządzeniami metanometrii automatycznej
Zgodnie z obowiązującymi przepisami w wyrobiskach znajdujących się w polach metanowych II-IV kategorii stosuje się kontrolę zawartości metanu w powietrzu dodatkowo systemami metanometrii automatycznej, które wyposażone są w metanomierze:

- wyłączające spod napięcia urządzenia elektryczne,

- rejestrujące wyniki pomiarów zawartości,

- wyłączająco-rejestrujące.

Metanomierze wyłączające spod napięcia urządzenia elektryczne
Urządzenia te powinny samoczynnie wyłączać spod napięcia urządzenia elektryczne, gdy zawartość metanu w powietrzu przekroczy dopuszczalną wartość oraz jednocześnie sygnalizować w dyspozytorni metanometrycznej lub w miejscu zabudowy metanomierza zawartość metanu w powietrzu. Zabudowane są w wyrobiskach przewietrzanych lutniociągami przy wentylacji kombinowanej.

Metanomierze rejestrujące
Metanomierze te powinny rejestrować zawartość metanu w wyrobiskach oraz sygnalizować przekroczenie jego zawartości. Zabudowane są na wylocie z rejonów wentylacyjnych, w których prowadzone są roboty wybierkowe, oraz w szybach wentylacyjnych.

Metanomierze wyłączająco-rejestrujące
Wg przepisów metanomierze te powinny być zabudowane w ścianach i w wyrobiskach przewietrzanych za pomocą lutniociągów. Zabezpieczają urządzenia elektryczne zainstalowane w tych wyrobiskach oraz w ich rejonie.W razie przekroczenia zawartości 2% metanu w powietrzu wypływającym ze ściany lub zawartości 1% metanu w powietrzu dopływającym do ściany, metanomierze powinny wyłączać spod napięcia urządzenia elektryczne zabudowane w ścianie oraz w wyrobiskach przyścianowych.

 Czujnik metanomierza kontrolujące zawartość metanu w prądzie powietrza wypływającego ze ściany zabudowuje się pod stropem  w ścianie - w odległości 2 m od wyrobiska przyścianowego, jeżeli na wylocie łączą się prądy powietrza (rys. 2a). Jeżeli na wylocie nie łączą się prądy powietrza (rys. 2b), to czujnik zabudowuje się w wyrobisku przyścianowym w odległości nieprzekraczającej 10 m od wylotu ze ściany.

 

Rys. 2. Usytuowanie czujników metanomierzy w ścianie

a) na wylocie łączą się prądy powietrza b) na wylocie nie łączą się prądy powietrza

Sposobem zabezpieczenia metanometrycznego ściany jest jej odmetanowanie za pomocą otworów drenażowych usytuowanych w chodniku wentylacyjnym, a ich właściwa lokalizacja i kierunki zależą od warunków górniczo-geologicznych wybieranej ściany. Ilość metanu ujmowanego z otworów umieszczonych nad ścianą zależy od odległości danego otworu od czoła ściany (minimalny dopływ metanu do otworu występuje w odległości około 8 m przed czołem ściany podłużnej, największy jest na odcinku od czoła ściany do około 30 m poza nim). Dla skutecznego odmetanowania ścian należy utrzymywać pod depresją otwory drenażowe za czołem ściany. W przypadku wydzielania się metanu z pokładów zalegających pod eksploatowanym pokładem, wierci się także otwory drenażowe do strefy odprężonej pod eksploatowany pokład.

Sposoby przewietrzania ścian:

• Odmetanowanie ściany przewietrzanej systemem U.

Skuteczność odmetanowania 35-40 % JSW.

Zalety: Ograniczona do minimum konieczność utrzymanie wyrobisk przyścianowych. Systemy przewietrzania o minimalnym wpływie na zroby ścianowe, co ma istotne znaczenie w przypadku eksploatacji ścian o dużym zagrożeniu pożarowym. Łatwość regulacji strumienia powietrza.

• Odmetanowanie ściany przewietrzanej systemem Y:

Skuteczność odmetanowania 50-60% JSW

Zalety: Ograniczone zagrożenie metanowe w ścianie. Możliwość dowolnej regulacji strumienia powietrza. Niezależność odmetanowania od innych robót prowadzonych w ścianie. Trzy drogi ucieczkowe ze ściany.

Wady systemu: Uzależnienie efektywności odmetanowania od parametrów wentylacji. Przewietrzanie zrobów ścianowych na bardzo dużej przestrzeni. Konieczność utrzymania chodnika przyścianowego i wykonanie pasa izolacyjno-podporowego wzdłuż zrobów. Dużą pracochłonność wierceń drenażowych w przypadku zmniejszonych gabarytów wyrobiska.

• Odmetanowanie ściany z równoległego chodnika wentylacyjnego:

Skuteczność 60-70 % JSW

Zalety systemu: odsunięcie strefy metanowej w zrobach od przestrzeni roboczej. Doprowadzenie świeżego powietrza do wylotu ściany i rozrzedzenie wypływającego ze zrobów metanu. Możliwość ograniczenia zwiększonego wydzielania metanu do kanału ściany. Zwiększenie szczelności otworów drenażowych obok rury obsadowej.

Wady: wzajemne oddziaływanie chodników na siebie, co jest powodem ich zgniatania i wypiętrzania spągu. Duże straty powietrza na otamowanych przecinkach pomiędzy chodnikami. Możliwość powstania zakłóceń wentylacyjnych. Zwiększone ryzyko powstania pożaru szczelinowego w filarze między chodnikami.

• Odmetanowanie ściany z chodnika wygradzanego:

Skuteczność 60-70 % JSW

Zalety: niewielka ilość robót górniczych. Mała ilość koniecznych do utrzymania wyrobisk. Odsunięcie strefy wysokometanowej w zrobach od przestrzeni roboczej ściany. Możliwość prowadzenia aktywnego odmetanowania przestrzeni zrobowej za linią zawału ściany. Stosowanie pomocniczych urządzeń wentylacyjnych w ograniczonym zakresie.

Wady: zwiększona pracochłonność związana z koniecznością wykonania górnej wnęki kombajnowej. Konieczność pozostawienia filara węglowego w zrobach. Możliwość wzrostu zagrożenia pożarowego w zrobach na skutek pozostawienia filara.

• Odmetanowanie ściany z nadległego chodnika drenażowego:

Skuteczność do 70% JSW

Zalety systemu: bardzo wysoka efektywność odmetanowania. Utrzymanie strefy wysokometanowej w zrobach w dostatecznej odległości od przestrzeni roboczej. Duża elastyczność systemu odmetanowania w odniesieniu do zmian metanowości bezwzględnej. Eliminacja konieczności prowadzenia wierceń drenażowych w czasie eksploatacji. Brak wpływu na stan zagrożenia pożarowego. Wady: duży koszt wynikający z wykonania dodatkowego wyrobiska. Konieczność wykonania wszystkich prac w chodniku drenażowym przed rozpoczęciem eksploatacji ściany.

4. Podsumowanie i wnioski końcowe.

Na podstawie przeprowadzonych obliczeń można stwierdzi, że metodą Kopalni Doświadczalnej Barbara wyniki prognozy wydzielania metanu do ściany dla danego wydobycia są o około 2 razy większe niż w przypadku obliczeń metodą „Wytycznych ....MG”. W przypadku obliczeń prognozy wydzielania metanu do drążonego chodnika metoda Kopalni Doświadczalnej Barbara q_ch jest około 1,6razy większe od q_ch wyliczonego metodą filtracyjną .

Wydobycie utrzymywane na poziomie 4300 Mg/db może być prowadzone bez odmetanowania, ponieważ maksymalne wydzielanie metanu, które można opanować środkami wentylacyjnymi jest większe od zaprognozowanego wydzielania metanu do ściany.

Bezpieczny poziom wydobycia z uwagi na zagrożenie metanowe bez odmetanowania to 4500 Mg/db.

Z uwagi na zagrożenie metanowe przy wydobyciu 4300 należy doprowadzić do ściany 1442,4 m³/min powietrza wg metody „KD Barbara”, natomiast 696,2 m³/min powietrza wg metody „Wytycznych ....MG”.