Index of /rozprawy2/10113

Pełen tekst

(1)Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica Wydział Górnictwa i Geoinżynierii Katedra Górnictwa Podziemnego. Rozprawa doktorska. mgr inż. Grzegorz Sporysz. OCENA STANU ZAGROŻENIA METANOWEGO W POŁUDNIOWOWSCHODNIEJ CZĘŚCI GÓRNOŚLĄSKIEGO ZAGŁĘBIA WĘGLOWEGO. Promotor Prof.dr hab.inż. Nikodem Szlązak. Kraków 2009.

(2) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. Spis treści: Spis tabel:......................................................................................................................................................... 2 Spis rysunków: ................................................................................................................................................. 3 Spis załączników: ............................................................................................................................................. 4 Wprowadzenie do zagadnienia.......................................................................................................................... 5 Definicje: ......................................................................................................................................................... 7 1 Zagadnienia związane z zagrożeniem metanowym ................................................................................. 10 1.1 Powstanie gazów w złożach węglowych ............................................................................................ 10 1.2 Właściwości fizykochemiczne metanu............................................................................................... 12 1.3 Ruch gazów w górotworze ................................................................................................................ 12 1.4 Parametry charakteryzujące stan zagrożenia metanowego. ................................................................. 14 1.4.1 Metanonośność pokładów węgla.......................................................................................... 14 1.4.2 Ciśnienie złożowe metanu ................................................................................................... 16 1.4.3 Intensywność desorpcji........................................................................................................ 17 1.4.4 Metanowość względna i bezwzględna wyrobisk................................................................... 18 2 Charakterystyka geologiczna południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego....... 21 2.1 Budowa geologiczna Górnośląskiego Zagłębia Węglowego............................................................... 21 2.2 Utwory karbonu górnego występujące w południowo- wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego................................................................................................................................................. 23 2.3 Tektonika południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego................................ 29 2.4 Metanonośność złoża węgla kamiennego w południowo-wschodniej części GZW.............................. 32 3 Cel i tezy pracy...................................................................................................................................... 38 4 Badania kopalniane ............................................................................................................................... 40 4.1 Metodyka prowadzonych badań ........................................................................................................ 40 4.2 Wyniki pomiarów ............................................................................................................................. 41 4.3 Wyniki badania zawartości metanu w węglu złoża OG Brzeszcze II................................................... 45 4.4 Wyniki badania metanonośności złoża OG Czechowice II ................................................................. 65 4.5 Podsumowanie wyników pomiarów kopalnianych dla południowo - wschodniej części GZW ........... 79 5 Przebieg zmienności ciśnienia złożowego metanu, wskaźnika intensywności desorpcji i metanonośności na tle budowy geologicznej złoża w południowo-wschodniej części GZW ........................................................... 81 5.1 Przebieg zmienności ciśnienia złożowego metanu, wskaźnika intensywności desorpcji i metanonośności w pobliżu uskoków ..................................................................................................................................... 81 5.2 Przebieg zmienności ciśnienia złożowego metanu, wskaźnika intensywności desorpcji i metanonośności w miejscach zafałdowania warstw ............................................................................................................... 89 5.3 Przebieg zmienności metanonośności pokładów ................................................................................ 94 6 Porównanie wyników metanowości bezwzględnej ścian eksploatacyjnych w pokładach węgla kamiennego w południowo-wschodniej części GZW ........................................................................................................ 103 7 Podsumowanie .................................................................................................................................... 108 Wnioski końcowe ......................................................................................................................................... 111 Bibliografia:................................................................................................................................................. 112. 1.

(3) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. Spis tabel: Tabela 1.1 Ilość wytwarzanych gazów podczas procesu uwęglenia dla warunków GZW .................................. 11 Tabela 4.1 Zestawienie przykładowych wyników pomiarów wykonanych w OG „Czechowice II” ................... 43 Tabela 4.2 Zestawienie przykładowych wyników pomiarów wykonanych w OG „Brzeszcze II” ...................... 44 Tabela 4.3 Wyniki obliczeń statystyk opisowych dla pomiarów zawartości metanu.......................................... 47 Tabela 4.4 Tablice liczności dla pomiarów zawartości metanu......................................................................... 48 Tabela 4.5 Wyniki testu normalności Kołmogorowa-Smirnowa....................................................................... 51 Tabela 4.6 Wyniki obliczeń współczynnika korelacji....................................................................................... 52 Tabela 4.7 Wyniki obliczeń o istotności statystycznej względem metanonośności ............................................ 53 Tabela 4.8 Zestawienie statystyk w poszczególnych pokładach dla metanonośności......................................... 60 Tabela 4.9 Wyniki obliczeń statystyk opisowych dla pomiarów zawartości metanu.......................................... 65 Tabela 4.10 Tablice liczności dla pomiarów zawartości metanu....................................................................... 66 Tabela 4.11 Wyniki testu normalności Kołmogorowa-Smirnowa ..................................................................... 68 Tabela 4.12 Wyniki obliczeń współczynnika korelacji r(x,y) .......................................................................... 68 Tabela 4.13 Wyniki obliczeń o istotności statystycznej względem metanonośności .......................................... 69 Tabela 4.14 Zestawienie statystyk w poszczególnych pokładach dla metanonośności....................................... 75 Tabela 4.15 Wyniki obliczeń współczynnika korelacji r (x,y) o statystycznej istotności względem metanonośności ..................................................................................................................................... 79 Tabela 6.1 Porównanie średniej metanowości bezwzględnej wg danych kopalnianych i wyników prognozy CBIDGP wzdłuż wybiegów eksploatowanych ścian w pokładach OG Brzeszcze II i OG Czechowice II 104 Tabela 6.2 Wyniki obliczeń statystyk opisowych dla średnich metanowości bezwzględnych kopalnianych i prognozowanych. ................................................................................................................................ 105 Tabela 6.3 Wyniki obliczeń porównawczych statystyk testowych dla średnich metanowości bezwzględnych kopalnianych i prognozowanych .......................................................................................................... 105. 2.

(4) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. Spis rysunków: Rysunek 1.1 Ilość wytwarzanych gazów podczas procesu uwęglenia dla warunków GZW ............................... 11 Rysunek 1.2 Ilość wytwarzanych gazów podczas procesu uwęglenia dla warunków GZW ............................... 11 Rysunek 1.3 Przepuszczalność węgla w zależności od wielkości naprężeń według prób................................... 13 Rysunek 2.1 Budowa geologiczna Górnośląskiego Zagłębia Węglowego......................................................... 22 Rysunek 2.2 Mapa terenów górniczych w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego ............................................................................................................................................................. 23 Rysunek 2.3 Podział litostratygraficzny Górnośląskiego Zagłębia Węglowego ................................................ 24 Rysunek 4.1 Zależności metanonośności, ciśnienia złożowego metanu i wskaźnika intensywności desorpcji od głębokości ............................................................................................................................................. 55 Rysunek 4.2 Wykres ramkowy zależności głębokości od metanonośności ....................................................... 56 Rysunek 4.3 Wykres ramkowy zależności głębokości od wskaźnika intensywności desorpcji .......................... 56 Rysunek 4.4 Wykres ramkowy zależności głębokości od ciśnienia złożowego metanu ..................................... 57 Rysunek 4.5 Wykres ramkowy zmienności metanonośności w poszczególnych pokładach............................... 58 Rysunek 4.6 Wykres ramkowy zmian wskaźnika intensywności desorpcji w poszczególnych pokładach.......... 58 Rysunek 4.7 Wykres ramkowy zmian ciśnienia złożowego metanu w poszczególnych pokładach .................... 59 Rysunek 4.8 Wykres ramkowy zmienności głębokości w poszczególnych pokładach....................................... 60 Rysunek 4.9 Zależność pomiędzy zawartością części lotnych a metanonośnością ............................................ 62 Rysunek 4.10 Zależność pomiędzy metanonośnością a ciśnieniem złożowym metanu...................................... 62 Rysunek 4.11 Zależność pomiędzy metanonośnością a wskaźnikiem intensywności desorpcji metanu ............. 63 Rysunek 4.12 Zależność pomiędzy wskaźnikiem intensywności desorpcji a ciśnieniem złożowym metanu ...... 64 Rysunek 4.13 Zależności metanonośności, ciśnienia złożowego metanu i wskaźnika intensywności desorpcji od głębokości ............................................................................................................................................. 70 Rysunek 4.14 Wykres ramkowy zależności głębokości od metanonośności...................................................... 71 Rysunek 4.15 Wykres ramkowy zależności głębokości od wskaźnika intensywności desorpcji metanu............. 72 Rysunek 4.16 Wykres ramkowy zależności głębokości od ciśnienia złożowego ............................................... 72 Rysunek 4.17 Wykres ramkowy zmian metanonośności w poszczególnych pokładach ..................................... 73 Rysunek 4.18 Wykres ramkowy zmian wskaźnika intensywności desorpcji w poszczególnych pokładach ........ 74 Rysunek 4.19 Wykres ramkowy zmian ciśnienia złożowego w poszczególnych pokładach .............................. 74 Rysunek 4.20 Wykres ramkowy zmienności głębokości w poszczególnych pokładach ..................................... 75 Rysunek 4.21 Zależność pomiędzy zawartością części lotnych a metanonośnością........................................... 76 Rysunek 4.22 Zależność pomiędzy metanonośnością a ciśnieniem złożowym metanu...................................... 77 Rysunek 4.23 Zależność pomiędzy metanonośnością a wskaźnikiem intensywności desorpcji metanu ............. 78 Rysunek 4.24 Zależność pomiędzy wskaźnikiem intensywności desorpcji a ciśnieniem złożowym metanu ...... 78 Rysunek 5.1 Przebieg zmienności ciśnienia złożowego metanu, wskaźnika intensywności desorpcji i metanonośności w pobliżu strefy uskoków typu równoleżnikowego ....................................................... 82 Rysunek 5.2 Przebieg zmienności ciśnienia złożowego metanu, wskaźnika intensywności desorpcji i metanonośności w pobliżu strefy uskoku typu równoleżnikowego .......................................................... 82 Rysunek 5.3 Przebieg zmienności ciśnienia złożowego metanu i metanonośności w pobliżu stref uskoków typu południkowego i równoleżnikowego ...................................................................................................... 83 Rysunek 5.4 Przebieg zmienności ciśnienia złożowego metanu i wskaźnika intensywności desorpcji w pobliżu strefy uskoku typu południkowego......................................................................................................... 84 Rysunek 5.5 Przebieg zmienności ciśnienia złożowego metanu i wskaźnika intensywności desorpcji w pobliżu strefy uskoku typu południkowego......................................................................................................... 84 Rysunek 5.6 Przebieg zmienności ciśnienia złożowego metanu i wskaźnika intensywności desorpcji w pobliżu strefy uskoku typu południkowego......................................................................................................... 85 Rysunek 5.7 Przebieg zmienności wskaźnika intensywności desorpcji w pobliżu strefy uskoku typu południkowego...................................................................................................................................... 85 Rysunek 5.8 Wykres warstwicowy ciśnienia złożowego metanu w funkcji dopasowania 2-go stopnia .............. 86 Rysunek 5.9 Wykres warstwicowy wskaźnika intensywności desorpcji metanu w funkcji dopasowania 2-go stopnia................................................................................................................................................... 87 Rysunek 5.10 Wykres warstwicowy ciśnienia złożowego metanu w funkcji liniowej dopasowania................... 87 Rysunek 5.11 Wykres warstwicowy wskaźnika intensywności desorpcji metanu w funkcji dopasowania 2-go stopnia................................................................................................................................................... 88 Rysunek 5.12 Wykres warstwicowy ciśnienia złożowego metanu w funkcji dopasowania 2-go stopnia ............ 88 Rysunek 5.13 Wykres warstwicowy wskaźnika intensywności desorpcji metanu w funkcji dopasowania 2-go stopnia................................................................................................................................................... 89 Rysunek 5.14 Przebieg zmienności ciśnienia złożowego metanu, metanonośności i wskaźnika intensywności desorpcji metanu od głębokości zalegania pokładu ................................................................................. 90. 3.

(5) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. Rysunek 5.15 Przebieg zmienności ciśnienia złożowego metanu, metanonośności i wskaźnika intensywności desorpcji metanu od głębokości zalegania pokładu ................................................................................. 92 Rysunek 5.16 Przebieg zmienności ciśnienia złożowego metanu i wskaźnika intensywności desorpcji metanu od głębokości zalegania pokładu................................................................................................................. 93 Rysunek 5.17 Mapa izolinii metanonośności pokładzie 352 OG Brzeszcze II................................................... 96 Rysunek 5.18 Mapa izolinii metanonośności pokładzie 364 OG Brzeszcze II................................................... 97 Rysunek 5.19 Mapa izolinii metanonośności pokładzie 510 OG Brzeszcze II................................................... 98 Rysunek 5.20 Mapa izolinii metanonośności pokładzie 214/1-2 OG Czechowice II ....................................... 100 Rysunek 5.21 Mapa izolinii metanonośności pokładzie 304 OG Czechowice II.............................................. 101 Rysunek 5.22 Mapa izolinii metanonośności pokładzie 315 OG Czechowice II.............................................. 102 Rysunek 6.1 Wykres ramkowy z porównania średnich metanowości bezwzględnych kopalnianych i prognozowanych ................................................................................................................................. 106 Rysunek 6.2 Wykres ramkowy z porównania średnich metanowości bezwzględnych kopalnianych i prognozowanych ................................................................................................................................. 106. Spis załączników: Zał. 1 – Bezpośrednia metoda oznaczania metanonośności pokładów węgla. Zał. 2 – Pośrednia metoda określania ciśnienia złożowego metanu. Zał. 3 – Metoda pomiaru wskaźnika intensywności desorpcji metanu. Zał. 4 – Metoda CBiDGP prognozowania metanowości bezwzględnej wyrobisk wybierkowych. Zał. 5 – Wyniki badań prowadzonych na obszarze OG „Brzeszcze” II” w latach 1983-2008. Zał. 6 – Wyniki badań prowadzonych na obszarze OG „Czechowice” II” w latach 1984-2006. 4.

(6) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. Wprowadzenie do zagadnienia Zawartość metanu w węglu w podziemnych zakładach górniczych wciąż stanowi ogromny problem bezpieczeństwa, z uwagi na możliwość jego uwalniania z węgla podczas prowadzonych prac górniczych na etapie rozcinki złoża jak, podczas eksploatacji pokładów węgla jak i likwidacji podziemnego zakładu górniczego. Ponieważ metan jest gazem palnym i silnie wybuchowym, zawsze stanowił i stanowi poważne zagrożenie w kopalniach węgla kamiennego. Określenie zawartości metanu w pokładach węgla jest ważnym krokiem do oceny zagrożenia metanowego w nowo rozcinanych partiach złoża [17], [52], [58]. Względy ekonomiczne wymagają stosowania systemów eksploatacji o dużej koncentracji wydobycia. Prowadzenie takiej eksploatacji na coraz to większych głębokościach powoduje wzrost poziomu występujących równocześnie zagrożeń naturalnych (metanowego, pożarowego, tąpaniami, wyrzutowego), których wzajemne oddziaływanie ma charakter kumulatywny. Wzajemne wpływy różnych uwarunkowań górniczo-geologicznych, warunki przewietrzania, a także współwystępowanie innych zagrożeń potęgują wzrost zagrożenia metanowego [54], [55], [61]. W polskim górnictwie węgla kamiennego utrzymuje się wysoki poziom zagrożenia metanowego, pomimo znacznego spadku wydobycia węgla kamiennego, począwszy od lat 90-tych ubiegłego wieku. Wynika to ze zwiększenia metanonośności złóż wraz z głębokością zalegania oraz prowadzenia eksploatacji w coraz to niżej położonych częściach pokładów [41]. W roku 2007 na ogólną liczbę 31 zakładów górniczych w 23 stwierdzono i rejestrowano wydzielenie metanu, z których 15 prowadziło eksploatacje w IV kategorii zagrożenia metanowego. Wydobycie z pokładów metanowych stanowi ok. 80,4 % ogólnego wydobycia, które wyniosło 87,4 mlnMg. Stan zagrożenia metanowego polskiego górnictwa węgla kamiennego wskazuje, że coraz częściej zdarzają się przypadki występowania zagrożenia metanowego w stopniu ekstremalnym, który narzuca podjecie działań na niespotykanym dotychczas poziomie. Przy prowadzeniu coraz częściej eksploatacji podpoziomowej należy liczyć się ze zmniejszeniem zdolności wentylacyjnej w rejonach ścian, tym samym wzrostem koncentracji metanu w wyniku ograniczenia wydatków powietrza w rejonowych prądach powietrza. W warunkach rosnącej metanowości bezwzględnej ścian wymagane są większe wydatki powietrza niezbędnego dla zachowania koncentracji metanu poniżej 2 %. Ponadto przy prowadzeniu eksploatacji podpoziomowej zwiększa się możliwość powstania zaburzenia wentylacyjnego, ograniczenia wydatku powietrza przepływającego przez ściany, tym samym wzrasta możliwość powstania niebezpiecznych nagromadzeń metanu. Ograniczenie wypływu metanu do przestrzeni wyrobisk górniczych, w celu niedopuszczenia do przekroczenia. 5.

(7) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. dopuszczalnych przepisami górniczymi stężeń metanu w powietrzu przepływającym przez wyrobiska, narzuca stosowanie środków zapobiegających powstanie zagrożenia w postaci odmetanowania górotworu otworami drenażowymi. Odmetanowanie umożliwia ograniczenie wypływu metanu do przestrzeni roboczej oraz odsunięcie najwyższych stężeń metanu w głąb przestrzeni zrobowe [39]. Skuteczne odmetanowanie węgla w podziemnych wyrobiskach górniczych nie tylko poprawia bezpieczeństwo, ale również zwiększa wydobycie z wyrobisk eksploatacyjnych [25]. Metan ujęty z odmetanowania odprowadzany jest rurociągami na powierzchnie i wykorzystywany jest do celów gospodarczych przy wytwarzaniu energii elektrycznej lub cieplnej, albo wypuszczany jest do atmosfery. Podstawowym czynnikiem, który w największym stopniu wpływa na stan bezpieczeństwa wobec metanu jest głęboka, ugruntowana znajomość przedmiotu oparta na wynikach badań naukowych oraz doświadczeniach praktycznych. Brak właściwej oceny zawartości metanu w węglu może powodować powstanie bezpośredniego zagrożenia w trakcie prowadzenia podziemnych robót górniczych i stworzeniem niekorzystnej atmosfery w bezpośrednim sąsiedztwie przebywania pracowników. Ponadto, niektóre z kopalń tradycyjnie nie metanowe po przejściu z eksploatacją do głębiej zalegających części pokładów staną się metanowymi, co będzie miało miejsce miedzy innymi w niektórych obszarach górniczych w południowo-wschodniej części GZW. Prawidłowe rozpoznanie stanu zagrożenia metanowego i jego skuteczne zwalczanie ma podstawowe znaczenie w prowadzeniu bezpiecznej eksploatacji [39], [52], [61]. Wczesne oszacowanie wydzielania metanu do wyrobisk górniczych pozwala ograniczyć możliwość powstania wysokiego ryzyka prowadzenia działalności górniczej. Precyzyjne obliczenie prognozowanego wydzielania się metanu z pokładu eksploatowanego oraz górotworu otaczającego do wyrobisk górniczych ma bardzo istotne znaczenie dla ustalenia rygorów bezpiecznego prowadzenia robot górniczych, w tym eksploatacji ścian [38], [56], [59], [63]. Celem niniejszej pracy jest przedstawienie oceny stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. 6.

(8) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. Definicje: Ø Adsorpcja – zagęszczenie cząstek gazu na powierzchni ciała stałego porowatego [35]. Ø Adsorpcja fizyczna – polega na wiązaniu cząstek gazu z powierzchnią adsorbentu, przede wszystkim za pomocą sił van der Wasala, czyli sił przyciągania międzycząsteczkowego [35]. Ø Antyklina, siodło – wypukły ku górze element fałdu, którego jądro jest zbudowane za skał starszych, a skrzydła z utworów młodszych [42]. Ø Ciśnienie złożowe gazu – ciśnienie panujące w złożu [Tyberia]. Ø Zawartość części lotnych w węglu w stanie suchym i bezpopiołowym V daf– jeden z parametrów chemicznych określających stopień uwęglenia kaustobiolitów stałych. Stosowany do oceny stopnia uwęglenia kaustobiolitów bogatych w witrynit(>60%), w których średnia zawartość części lotnych nie jest zakłócona wysoką zawartością inertynitu i liptynitu. Parametr ten obrazuje w formie procentowej zjawisko wymiernej utraty części lotnych przez macerały węgla w trakcie procesu uwęglenia [Wikipedia]. Ø Czysta substancja węglowa (csw) – jest to przelicznik podający ilość czystego atomicznego węgla w skale - węglu kamiennym - bez wody i popiołu [Wikipedia]. Ø Desorpcja gazu – proces odwrotny do sorpcji, polegający na uwalnianiu cząsteczek gazu (metanu), z powierzchni adsorbentu (węgla) i wydzielaniu się ich do strumienia powietrza w wyrobisku [35]. Ø Dyslokacja – zaburzenie pierwotnego ułożenia utworów geologicznych; struktura tektoniczna lub glacitektoniczna powstała wskutek przemieszczenia skał wzdłuż pewnej powierzchni, najczęściej uskokowej [42]. Ø Filtracja (sączenie) – metoda oddzielania substancji stałych od cieczy i gazów, poprzez mechaniczne zatrzymanie jednego ciała stałego w przegrodach porowatych (filtrach) przy użyciu odpowiednich aparatów. Ciecz lub gaz otrzymywane po filtracji nazywa się filtratem. Filtracja jest najczęściej stosowanym sposobem oddzielania ciał stałych od cieczy [Wikipedia]. Ø Izolinia – krzywa na mapie łącząca punkty o jednakowych wartościach liczbowych danej cechy [Wikipedia]. Ø Konsolidacja – geol. zestalanie, stwardnienie skał, np. osadów poprzednio luźnych [42]. Ø Metanowość bezwzględna – objętościowa ilość metanu wydzielająca się do wyrobisk w jednostce czasu. [35] 7.

(9) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. Ø Metanowość całkowita – ilość metanu odprowadzana z kopalni, uwzględniająca także metan odciągany systemem odmetanowania [35]. Ø Metanowość wentylacyjna – ilość metanu wydzielająca się do wyrobisk górniczych [35]. Ø Metanowość względna – ilość wydzielającego się metanu odniesiona do wydobycia kopalni [35]. Ø Metanonośność – objętościową ilość metanu pochodzenia naturalnego, zawartą w jednostce wagowej w głębi calizny węglowej [78]. Ø Metanonośność ociosowa – zawartość metanu w skale na ociosie wyrobiska [35]. Ø Metanonośność złożowa – zawartość metanu w skale w strefie nieodprężonej wpływami eksploatacji [35]. Ø Miocen – starszy oddział (epoka) neogenu, trwający ok. od 24- do 5 mln lat temu [42]. Ø Nadkład – warstwa gleby i skał zalegających nad złożem [42]. Ø Orogeneza, górotwórczość, ruchy orogeniczne (górotwórcze) – geol. procesy zachodzące w skorupie ziemskiej (ruchy skorupy ziemskiej obejmujące znaczne obszary), prowadzące do powstania gór fałdowych; główne orogenezy w historii Ziemi: prekambryjska, kaledońska, hercyńska i alpejska [42]. Ø Osady klastyczne – osady okruchowe, składające się z ziaren powstałych w wyniku rozkruszenia starszych skał osadowych [42]. Ø Porowatość – procentowa objętość zajmowana przez pory odniesiona do całkowitej objętości substancji [35]. Ø Prognoza – (predykcja) jest naukowym sposobem przewidywania, w jaki sposób będą kształtowały się w przyszłości procesy lub zdarzenia. W trakcie procesu prognozowania formułuje się sąd na temat przyszłych stanów zjawisk i zdarzeń nazywany prognozą [Wikipedia]. Ø Przepuszczalność – właściwość skał umożliwiająca przepływ cieczy lub gazu bez przemieszczania się cząstek skały, w wyniku istnienia porów, szczelin lub pustek krasowych [42]. Ø Sedymentacja – proces osadzania się produktów wietrzenia i erozji skał wcześniej istniejących, szczątków organicznych i materiału piroklastycznego, zachodzący w warunkach morskich i lądowych pod wpływem różnych czynników (grawitacyjne opadanie cząstek, ruch wody, lodowców i wiatru, parowanie itd.), prowadzi do powstania osadów i skał osadowych [42].. 8.

(10) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. Ø Sorpcja – pochłanianie jednej substancji – sorbatu, przez inną substancję – sorbent [Wikipedia]. Ø Synklina, łęk – fałd, którego skrzydła są zbudowane z utworów młodszych niż jądro [42]. Ø Tektonika – 1. dział geologii zajmujący się strukturą skorupy ziemskiej, przyczynami i mechanizmem powstawania tej struktury oraz historią jej rozwoju; 2. określenie struktury fragmentu skorupy ziemskiej, np. obszar o tektonice fałdowej; 3. procesy powodujące powstanie struktury określonego fragmentu skorupy ziemskiej, np. tektonika alpejska [42]. Ø Uskok południkowy – uskok o biegu zbliżonym do kierunku N-S [42]. Ø Uskok równoleżnikowy – uskok o biegu zbliżonym do kierunku W-E [42]. Ø Utwory geologiczne – minerały lub skały związane z sobą jakąś wspólną cechą, np. genezą, wyglądem zewnętrznym itp. [42]. Ø Utwory skonsolidowane – skały zwięzłe [42]. Ø Wskaźnik intensywności desorpcji – liczba wyrażająca przyrost ciśnienia gazów wydzielających się z próbki węgla w warunkach wynikających z normy [74] Ø Zagrożenie metanowe – należy rozumieć występowanie nadmiernych koncentracji metanu w wyrobiskach górniczych, pociągające za sobą zaistnienie stanu stwarzającego zagrożenie dla załóg górniczych i kopalni [35]. Ø Zwięzłość węgla kamiennego – odporność pobranego z calizny kawałka węgla. kamiennego lub jego przyrostów na zniszczenie w nim sił spoistości [80].. 9.

(11) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. 1. Zagadnienia związane z zagrożeniem metanowym 1.1 Powstanie gazów w złożach węglowych Proces przeobrażania substancji roślinnej w węgiel kamienny (uwęglanie) jest. przemianą, która prowadzi do wzrostu zawartości węgla (C). Procentowa zawartość tego pierwiastka. jest. najważniejszym. wskaźnikiem. stopnia. przeobrażenia.. Produktami. przeobrażenia, obok węgla kamiennego są również takie substancje jak: woda, dwutlenek węgla, metan, azot, wodór i inne, które w czasie przeobrażenia zostały wydalone na zewnątrz do atmosfery lub do skał otaczających, a tylko część ich została zatrzymana w substancji macierzystej. W procesie przeobrażenia rozróżnia się dwa zasadnicze okresy: Ø stadium diagenezy – obejmujące biochemiczne procesy przeobrażenia substancji roślinnej w torf, a następnie w węgiel brunatny, Ø stadium metamorfizmu, w którym dalsze przeobrażenie węgla brunatnego w węgiel kamienny i antracyt następuje pod wpływem czynników geologicznych, do których zalicza się: temperaturę złoża, ciśnienie i czas trwania procesu. W stadium tym wytworzyła się specyficzna, mikroporowata struktura węgla oraz pojawiły się siły adsorpcyjne, które umożliwiły zatrzymanie w złożu pewnej części wytworzonych gazów, główni: CO2 i CH4. Ponieważ proces ten zachodził na dużych głębokościach, wytworzone gazy nie miały możliwości swobodnej ucieczki do atmosfery. Złożoność procesów przeobrażenia uniemożliwia szczegółową ocenę ilościową i jakościową tworzących się składników gazowych. Przybliżone obliczenia generowania się gazów w stadium metamorfizmu dla polskich warunków wykonał M. Kotarba [22], który założył, że podczas uwęglania humusowej substancji podstawowymi produktami gazowymi są: CH4, CO2, niewielkie ilości N2 i H2S oraz woda. Wyniki tych obliczeń tj. ilości wytworzonych gazów dla warunków GZW przedstawionych w tabeli 1.1 obrazują rysunki 1.1 i 1.2. Obecna ilościowa zawartość tych gazów w złożu zależy nie tylko od stopnia zmetamorfizowania substancji roślinnej, lecz również od aktualnych zdolności akumulacyjnych złoża oraz od jego sytuacji geologicznej, w szczególności od charakteru zjawisk tektonicznych, które ułatwiały pełne, bądź częściowe odgazowanie do atmosfery lub spowodowały transfer tych mas gazu wewnątrz samego złoża. Zawsze jednak zawartość gazu w złożu jest znacznie mniejsza, niż wynika to z wyliczonej ilości gazu wytworzonego.. 10.

(12) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. Tabela 1.1 Ilość wytwarzanych gazów podczas procesu uwęglenia dla warunków GZW ZAKRES UWĘGLENIA VP b do V kb ,%. CH4. CO2. N2. H2 S. 3. 3. 3. dm3/kg 0,07 0,07 0,14 0,21 0,28. dm /kg 6,4 24,4 40,6 56,7 72,2 87,4 102,1 117,5 134,4 151,7 186,1. 40-37 40-34 40-31 40-28 40-25 40-22 40-19 40-16 40-13 40-10 40-5. dm /kg 12,2 27,2 37,2 45,3 51,3 56,5 60,5 63,6 65,7 67,3 68,0. dm /kg 1,0 1,9 2,7 3,6 4,4 5,2 6,2 7,4 8,6 10,2 13,1. Wielkośc emisji gazów [dm3/kg]. Gdzie Vpb –części lotne (początek uwęglenia), Vkb – części lotne (koniec uwęglenia). 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0. CH4 dm3/kg CO2 dm3/kg N2 dm3/kg H2S dm3/kg. 40-37. 40-34. 40-31. 40-28. 40-25. Zakres uwęglenia [%]. Wielkość emisji gazów [dm3/kg]. Rysunek 1.1 Ilość wytwarzanych gazów podczas procesu uwęglenia dla warunków GZW. 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0. CH4 dm3/kg CO2 dm3/kg N2 dm3/kg H2S dm3/kg. 40-22. 40-19. 40-16. 40-13. 40-10. 40-5. Zakres uwęglenia [%]. Rysunek 1.2 Ilość wytwarzanych gazów podczas procesu uwęglenia dla warunków GZW. 11.

(13) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. Aktualny stan nasycenia złoża składnikami gazowymi jest wiec, wypadkową wielu czynników wynikających z pierwotnych warunków tworzenia się złoża i ich zmian w dalszej ewolucji w okresach geologicznych oraz obecnych warunków kolektorskich węgla jak i migracji gazu w złożu.. 1.2 Właściwości fizykochemiczne metanu Metan jest najprostszym węglowodorem nasyconym z grupy parafin. Metan jest gazem bezbarwnym, bezwonnym, palnym, lżejszym od powietrza. Pomimo, że jest gazem obojętnym dla procesów oddychania, jednakże zwiększenie jego zawartości w powietrzu jest niebezpieczne z uwagi na wypieranie tlenu. W złożach węglowych metan powstał w wyniku rozkładu celulozy stanowiącej jeden z głównych składników gnijących drzew. Temperatura zapłonu metanu wynosi od 650 do 750 oC i zależy od zawartości metanu w powietrzu, ciśnienia i temperatury źródła zapłonu. Metan jest gazem wybuchowym w przedziale od 5,3 % do 15 % tworzy z powietrzem mieszaninę wybuchową. Najsilniejszy wybuch następuje przy 9,5 % zawartości metanu w powietrzu. Temperatura wybuchu metanu wynosi 1500 oC. W przedziale do 5,3 % metan wypala się w zetknięciu ze źródłem termicznym. Powyżej 15 % mieszanina jest niewybuchowa. Przedział wybuchowości mieszaniny metanu z powietrzem rozszerza się ze wzrostem jej początkowej temperatury i ciśnienia [46].. 1.3 Ruch gazów w górotworze Przepływ gazów w ośrodku porowatym, jaki stanowi górotwór przez połączone ze sobą przestrzenie i kanaliki lub drobne szczeliny znajdujące się w skale nazywa się procesem filtracji. Cechą filtracji jest to, że ruch gazów odbywa się w kanałach o bardzo małych przekrojach poprzecznych oraz o bardzo skomplikowanych kształtach podłużnych w systemie połączonych ze sobą kanałów. Skały, w których zachodzi filtracja mogą mieć budowę: zwartą, jednolitą, najczęściej jednak zawierają rysy, spękania, szczeliny. W skałach spękanych szczeliny odgrywają w przepuszczalności istotną rolę. Gaz jako medium ściśliwe zajmuje objętość zależną od ciśnienia (dla T = const). W praktyce górniczej ośrodek porowaty stanowi zbiornik nasycony gazem. Wypływ gazu ze zbiornika na skutek eksploatacji (wybrania pokładu) powoduje obniżenie ciśnienia najpierw w sąsiedztwie ociosu i przesuwanie tzw. konturu zasilania w głąb calizny i wzrost długości drogi przepływu. W wyniku przeprowadzonych badań na próbkach węgla pobranych z pokładów i poddanych siłom ściskających, tak by odpowiadało to warunkom naturalnym w złożu (rys. 1.3) okazało się, że: 12.

(14) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. ü węgiel odprężony ma bardzo duży współczynnik przepuszczalności, który zależy od ilości szczelin i wynosi do 10-13 m2, ü przepuszczalność. wzdłuż. uławicenia. jest. zawsze. kilkakrotnie. większa. od. przepuszczalności prostopadłej do uławicenia, ü ze wzrostem naprężeń ściskających wywieranych na próbkę przepuszczalność maleje, ü zmiana przepuszczalności jest zjawiskiem odwracalnym, zmniejszenie naprężeń powoduje wzrost przepuszczalności, często do tych samych granic, świadczy to o tym, że zaciskanie szczelin ma charakter sprężysty.. Rysunek 1.3 Przepuszczalność węgla w zależności od wielkości naprężeń według prób. W rzeczywistości w warunkach dołowych zjawisko filtracji występuje w znacznie bardziej złożonej postaci spowodowanej tym, że pokłady węgla stanowią nie tylko skałę, przez którą filtruje gaz (metan), ale zawiera ona metan w postaci zaadsorbowanej. Zjawiska desorpcji i równoczesnej filtracji są ze sobą ściśle związane zarówno w znaczeniu mechanicznym, jak i energetycznym. Zarówno filtracja, jak i desorpcja jest przemianą w znaczeniu termodynamicznym. W pewnych warunkach o wielkości przepływu gazu decydować może szybkość desorpcji, a w innych warunkach przepuszczalność przez złoże [37]. Nagromadzenia metanu w skałach towarzyszących jest na ogół nieznaczne. Badania porowatości efektywnej piaskowców karbońskich poszczególnych serii stratygraficznych wykazały, że średnie jej wartości wahają się w granicach od 2,5 do 10 %. Z głębokością. 13.

(15) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. zalegania średnia porowatość maleje. Szczelinowatość nie wpływa w sposób istotny na powiększenie porowatości piaskowców, jednak jest ona elementem stanowiącym o drożności górotworu. Mając połączenia z większymi szczelinami uskokowymi przecinającymi pokłady węgla mogą przewodzić większe ilości metanu desorbowanego z pokładów i stwarzać przez to większe zagrożenia [35].. 1.4 Parametry charakteryzujące stan zagrożenia metanowego. Parametrami charakteryzującymi stan zagrożenie metanowego są: Ø. metanonośność ( zawartość metanu w węglu),. Ø. ciśnienie metanu w złożu,. Ø. intensywność desorpcji metanu,. Ø. metanowość względna i bezwzględna wyrobisk.. Zgodnie z przepisami górniczymi zostały ustalone cztery kategorie zagrożenia metanowego w podziemnych zakładach górniczych wydobywających węgiel kamienny. Ich stopień został uzależniony od wielkości zawartości metanu w węglu, czyli metanonośności [78]. Udostępnione pokłady lub ich części zalicza się do: Ø. pierwszej kategorii zagrożenia metanowego, jeżeli stwierdzono występowanie metanu pochodzenia naturalnego w ilości od 0,1 do 2,5 m3/Mgcsw,. Ø. drugiej kategorii zagrożenia metanowego, jeżeli stwierdzono występowanie metanu pochodzenia naturalnego w ilości powyżej 2,5 m3/Mgcsw, lecz nie większej niż 4,5 m3/Mgcsw,. Ø. trzeciej kategorii zagrożenia metanowego, jeżeli stwierdzono występowanie metanu pochodzenia naturalnego w ilości powyżej 4,5 m3/Mgcsw, lecz nie większej niż 8 m3/Mgcsw,. Ø. czwartej kategorii zagrożenia metanowego, jeżeli stwierdzono występowanie metanu pochodzenia naturalnego w ilości powyżej 8,5 m3/Mgcsw, lub wystąpił nagły wypływ metanu albo wyrzut metanu i skał.. Metanonośność węgla oraz intensywności desorpcji i zwięzłość węgla są również istotnymi parametrami przy kategoryzacji zagrożenia wyrzutami metanu i skał [78].. 1.4.1 Metanonośność pokładów węgla Metanonośność węgla jest podstawowym parametrem oceny i prognozowania stanu zagrożeń naturalnych: metanowego oraz wyrzutami metanu i skał. Pozwala zaprojektować: systemy. wentylacji. kopalni. [27],. właściwy. sposób. odmetanowania. wyrobisk. eksploatacyjnych [19], [36], [47], [24]. Pozwala ocenić i ograniczyć możliwość wystąpienia 14.

(16) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. wyrzutów skalno-gazowych [25]. Służy również do szacowania emisji metanu do atmosfery [21]. Badanie metanonośności przeprowadza się już na etapie rozeznania geologicznego, w trakcie. drążenia. otworów. wiertniczo-badawczych,. szybów, przekopów,. chodników. badawczych [79]. Z powodu różnorodności mechanizmu gromadzenia się metanu w węglu opracowano metody, których celem jest pomiar objętości metanu zabsorbowanego w mikroporach złoża węglowego. Najwięcej używanych obecnie metod badawczych dzieli całkowitą zawartość metanu w próbce węglowej na trzy składniki: Ø. metan utracony,. Ø. metan desorbowany,. Ø. metan resztkowy.. Każdy z tych składników jest mierzony lub szacowany poprzez różne procedury badawcze by następnie złożyć je w całkowitą zawartość gazu w próbce [17]. Metan utracony (strata gazu) stanowi część całkowitego metanu zawartego w węglu, który jest uwalniany z próbki podczas poboru. Objętość tego składnika metanu nie może być bezpośrednio zmierzona i dlatego musi być oszacowana. Wszystkie metody szacowania straty metanu skupiają się na zminimalizowaniu czasu poboru w celu późniejszego ekstrapolowania mierzonej desorpcji z próbki. Węgle twarde desorbują gaz z mniejszą szybkością. Natomiast węgle kruche, które mają tendencje do rozpadania się na mniejsze fragmenty uwalniają gaz szybciej. Końcowym czynnikiem wpływającym na wielkość szacowania utraconego metanu jest nasycenie wodą i związany w caliźnie węglowej metan wolny. Najwięcej metod szacunkowych bazuje na ocenie, że metan utracony jest gazem desorbowanym (przebiegającym zgodnie z prawem dyfuzji Fick`a) oraz, że objętości mierzonego gazu używane do ekstrapolacji pochodzą również z gazu desorbowanego. Metan resztkowy to objętość desorbowanego gazu z próbki węgla, która pozostaje w poddanej swobodnej degazacji w chwili zmiany charakteru jej odgazowania z dynamicznego na dyfuzyjny [21]. Według niektórych źródeł gaz resztkowy reprezentuje gaz pozostający w równowadze pod ciśnieniem metanu ok. 0,1 MPa [12], [40]. Możemy wyróżnić następujący podział obecnie stosowanych metod oznaczania metanonośności: Ø. metody bezpośrednie,. Ø. metody pośrednie.. Metody bezpośrednie są powszechnie używane w celu oceny warunków gazowych w eksploatowanych wyrobiskach. Próbki węglowe są zwykle uzyskiwane z podziemnych otworów wiertniczych i poddane albo przyspieszonemu uwolnieniu pozostającego w próbce 15.

(17) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. metanu [16], [72], przy pomocy kruszenia lub mielenia i poddaniu próżniowemu procesowi odgazowania, albo poddane swobodnej desorpcji [46], [8]. Techniki pomiaru oparte na swobodnej desorpcji pozwalają próbce desorbować do punktu, w którym szybkość desorpcji zanika. Alternatywną metodą bezpośrednią jest również metoda „rdzenia ciśnieniowego” (pressure coring), gdzie próbki węgla pozyskuje się w pierwotnym stanie ciśnienia, przy okazji eliminując potrzebę określenia składowej utraconego gazu [44]. Rdzenie ciśnieniowe są generalnie używane jako metody standardowe w stosunku do innych metod określających metanonośność, jednak z uwagi na ich wysoki koszt nie są powszechnie stosowane. W metodach pośrednich zawartość metanu w węglu może być szacowana w oparciu o izotermy sorpcyjne lub empirycznie wyznaczone krzywe gdzie wyniki metanonośności są, w zależności od zmiennych takich jak: ciśnienie metanu, zawartość części lotnych, głębokość lub typ węgla [3], [70], [41]. Laboratoryjnie wykreślone izotermy sorpcji opisują relacje wielkości miedzy adsorbowanym metanem pod różnymi ciśnieniami i stałą temperaturą. Pozwalają na pomiar maksymalnych wartości sorpcyjnych lub objętości magazynowych metanu w próbce węgla. Nie obrazują one jednak wyniku zawartości gazu „in situ”. Ponieważ nie wszystkie złoża węglowe są w pełni nasycone metanem, w szczególności dla tych zalegających na płytkiej głębokości, metody bazujące na izotermach sorpcyjnych mogą przeszacowywać aktualną zawartość gazu. Pośrednie metody mogą służyć jako wstępne narzędzie oceny dla planowania celów potencjalnych obszarów eksploatacji metanu w złożu.. 1.4.2 Ciśnienie złożowe metanu Wg teorii Langmuira adsorbent (węgiel) może być przykryty jednocząsteczkową warstwą adsorbatu (metanu). Równowaga adsorpcyjna ma charakter dynamiczny polegający na tym, że jednocześnie tyle samo cząsteczek zostaje zaadsorbowanych na powierzchni, ile równocześnie opuszcza powierzchnię (odparowuje z powierzchni). Szybkość adsorbowania (kondensacji) jest proporcjonalna do ciśnienia metanu. W stanie naturalnym w węglu kamiennym metan znajduje się w stanie wolnym wypełniając makropory i szczeliny oraz w stanie. zaadsorbowanym. w. mikrosporach.. Pomiędzy. ilością. metanu. wolnego. i. zaadsorbowanego ustalony jest stan równowagi, wynikający z ciśnienia metanu, objętości makrospor oraz powierzchni wewnętrznej węgla. Ciśnienie to określa się jako ciśnienie równowagi sorpcyjnej. Obniżenie ciśnienia gazu wolnego (równowagi sorpcyjnej) powoduje zachwianie stanu równowagi i desorpcję metanu, który wypełnia makropory. Ciśnienie równowagi ustala się wtedy na nowym, niższym poziomie. Ilość zaadsorbowanego metanu przez węgiel kamienny zwiększa się ze wzrostem ciśnienia metanu, maleje ze wzrostem. 16.

(18) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. temperatury, wilgotności i zawartości popiołu w węglu. P. Beroff zaproponował wykorzystanie parametru zawartości gazu V wyznaczanego desorbometrem izobarycznym J. Somniera do wyznaczenia ciśnienia gazu w węglu [11]. W Polsce tą drogą poszedł J. Tarnowski, który zaproponował wprowadzenie wskaźnika V2P jako parametru określającego objętość desorbowanego metanu w czasie 120 – 600 s z próbki węgla pobranej w czasie 0 120 s [65]. Udoskonaloną metodę określania ciśnienia metanu, przy użyciu desorbometru manometrycznego DMC-2 wdrożył J. Borowski [5]. Metoda polegała na pomiarze desorpcji z próbek węgla nasyconych uprzednio metanem do ustalonych ciśnień i odczycie z wykresu ekwiwalentnego ciśnienia metanu w pokładzie, po porównaniu, z wielkością wskaźnika desorpcji pomiaru dołowego. W metodzie uproszczonej wykorzystuje się fakt istnienia zależności między intensywnością desorpcji, a stopniem uwęglenia oraz miedzy intensywnością desorpcji a ciśnieniem. Im większa intensywność desorpcji tym większe ciśnienie pierwotne [7]. Dla pokładów lub grup pokładów charakteryzujących się zbliżonymi właściwościami węgla (zawartością części lotnych i wilgoci) wyznacza się średnią krzywą zależności desorpcji od ciśnienia metanu na podstawie pomiarów desorpcji z dużej liczby próbek węgla nasyconych w laboratorium do ustalonego ciśnienia.. 1.4.3 Intensywność desorpcji Wielkością charakteryzującą wielkość intensywności desorpcji metanu z węgla jest nadciśnienie jakie powstaje w przyrządzie pomiarowym DMC-2 wskutek wydzielania ekwiwalentnej objętości gazów z reprezentatywnej próbki węgla o masie 3g w czasie 120 s w warunkach ciśnienia atmosferycznego i temperatury złożowej węgla z miejsca poboru. Wielkość ta przyjmuje nazwę wskaźnik intensywności desorpcji ΔP2 i wyrażana jest w kPa lub w mm H2O i jest zaliczana do tzw. metod desorbometrycznych. Pomiar intensywności desorpcji stosowany jest w Polsce od 1977 r. Zaletą tej techniki pomiaru jest otrzymanie in situ na dole w wyrobisku w bardzo krótkim czasie (około 4 min od poboru zwiercin z otworu badawczego) na prostym przyrządzie parametru charakteryzującego stan zagrożenia. metanowego.. Wykazana. została. współzależność. tego. wskaźnika. z. metanonośnością. Współczynnik korelacji oceniono na 0,580 – 0,935 [9]. Z uwagi na przedstawione. własności,. prostotę metody oraz. korelacje pomiędzy wskaźnikiem. intensywności desorpcji a metanonośnością wskaźnik ten został umieszczony w przepisach górniczych określających kategoryzację oraz stan zagrożenia wyrzutami metanu i skał [78], [79]. Wskaźnik intensywności desorpcji jest również parametrem kontrolnym, gdzie po. 17.

(19) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. przekroczeniu pewnych wielkości progowych, należy przedsięwziąć kroki w celu monitorowania zagrożenia lub ustalenia warunków bezpiecznego prowadzenia robót górniczych: •. dla desorpcji metanu powyżej 0,8 kPa (co odpowiada metanonośności rzędu 8 m3/Mgcsw) należy pobrać próbkę węgla do analizy na zwięzłość węgla,. •. dla desorpcji metanu powyżej 1,2 kPa wstrzymuje się drążenie wyrobiska korytarzowego, dokonuje się dodatkowych pomiarów ilości zwiercin,. •. dla desorpcji metanu powyżej 2,0 kPa wstrzymuje się urabianie w pokładach zagrożonych wyrzutami metanu i skał.. 1.4.4 Metanowość względna i bezwzględna wyrobisk Metanowość jest parametrem określającym ilość wydzielającego się metanu, w przypadku metanowości względnej, odniesiona do wydobycia węgla lub w przypadku metanowości bezwzględnej odniesiona do jednostki czasu. Parametr ten jest przedstawiany w metodach prognozowania zagrożenia metanowego w wyrobiskach korytarzowych i wybierkowych. Prawidłowa ocena wielkości zagrożenia metanowego mogącego wystąpić w projektowanym polu eksploatacyjnym jest spraw niezwykle ważną i rzutująca na kompleks spraw wentylacyjnych, harmonogram rozcinania i wydobycia [19], [53], [54]. Jego prognozowana wielkość jest podstawą decyzji o podjęciu odmetanowania wyrobisk górniczych. Zastosowanie odmetanowania w rejonach ścian staje się konieczne w tych przypadkach, kiedy możliwości wentylacyjnego opanowania wydzielania metanu w warunkach danej ściany są niewystarczające. Możliwości te są ograniczone przede wszystkim z uwagi na dopuszczalną prędkość powietrza w ścianie oraz dopuszczalne stężenie metanu w prądzie powietrza zużytego ze ściany [57], [60], [62], [ 63]. W warunkach prowadzenia eksploatacji w sąsiedztwie pokładów podebranych lub nadebranych charakteryzujących się wysoka metanonośnością, stopień odgazowania pokładów znajdujących się w strefie odprężenia eksploatacyjnego rzutuje w dużym stopniu na wielkość prognozowanego i faktycznego wydzielania metanu podczas eksploatacji. Zdarza się, że procentowy udział dopływu metanu spoza pokładu, gdzie prowadzona jest eksploatacja jest znacznie większy od ilości metanu wydzielającego z pokładu eksploatowanego. Znajomość metanonośności parceli pokładu, w którym projektuje się eksploatację jest jak dotychczas najczęściej stosowaną wielkością w założeniach do obliczeń prognoz metanowości bezwzględnej wyrobisk eksploatacyjnych i korytarzowych. Podczas drążenia wyrobisk przygotowawczych, co 200 m w płaszczyźnie pokładu prowadzone są badania metanonośności pokładu oraz. 18.

(20) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. pomiary desorbometryczne, jak wskaźnik intensywności desorpcji metanu. Trudniejszym zagadnieniem. jest. najczęściej ustalenie. metanonośności pokładów podebranych. i. nadebranych w rejonie projektowanej eksploatacji. Najczęściej zdarza się, że w pokładach zalegających poniżej projektowanej eksploatacji nie prowadzi się robót przygotowawczych. Rozeznanie zagrożenia metanowego jest najczęściej oparte o wartości metanonośności oraz pomiarów desorbometrycznych w pokładach udostępnionych wyrobiskami znajdującymi się w najbliższym sąsiedztwie projektowanej eksploatacji. Często pojedynczy wynik badań metanonośności pokładu nadebranego i podebranego stanowi daną wejściową do obliczania prognoz metanowości bezwzględnej wyrobisk eksploatacyjnych. W odróżnieniu od wyrobisk eksploatacyjnych, w przypadku prognozowania metanowości bezwzględnej wyrobisk korytarzowych,. praktycznie. nie. dysponuje. się. żadnymi. danymi. wejściowymi,. w postaci wyników metanonośności, czy pomiarów desorbometrycznych. Przy tego typu prognozie wykorzystuje się wyniki metanonośności oraz pomiarów desorbometrycznych w najbliższym możliwie sąsiedztwie projektowanego wyrobiska. Doświadczenia ruchowe kopalń wykazują w wielu przypadkach, że obliczone wartości prognoz metanowości bezwzględnej dla ścian są rozbieżne z faktycznym wydzieleniem metanu podczas prowadzonej eksploatacji [37], [57], [60], [62], [64]. Przy prognozach uwzględnia się również wpływ innych czynników mogących oddziaływać na przebieg zmienności wydzielania metanu do projektowanych wyrobisk. Przede wszystkim uwzględnia się budowę geologiczną górotworu w sąsiedztwie projektowanych wyrobisk, a w szczególności wszelkie zaburzenia geologiczne w rozpatrywanym rejonie. Na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat opracowano wiele metod prognozowania zagrożeń metanowych, miedzy innymi [45]: - metoda Kopalni Doświadczalnej Barbara GIG, - metoda Instytutu Górniczego im. A.A. Skoczyńskiego, - metoda Schulza, - metoda Wintera, - metoda Stuffkena, - metoda Patteisky’ego, - metoda kompilacyjna MG, - metoda CBiDGP. W wyniku przeprowadzonych badań polscy badacze zwrócili uwagę, że metanowość bezwzględna ściany o dużej koncentracji wydobycia zwiększa się nie prostoliniowo w miarę. 19.

(21) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. jego wzrostu, ale proporcjonalnie do pierwiastka kwadratowego z wydobycia. Tym samym, metanowość względna ściany maleje ze wzrostem wydobycia. Do końca ubiegłego wieku w polskim górnictwie posługiwano się w prognozowaniu metanowości wyrobisk eksploatacyjnych kilkoma metodami równocześnie dla tego samego wyrobiska. Zasadnicza prognoza obliczana była dla tzw. wydobycia modułowego (500 Mg/d lub 750 Mg/d) i odpowiednio korygowana do przewidywanego wydobycia. Zgodnie z przyjętym założeniem tzw. kryterium bezpieczeństwa obowiązujące były najwyższe otrzymane wyniki z przedstawionych kilku metod równocześnie. Kolejnym etapem było opracowanie. prognoz. autorskich. umożliwiających. ocenę. zagrożenia. metanowego. projektowanego wyrobiska ścianowego, określonego metanowością bezwzględną w szerokim przedziale wydobycia [36]. Obecnie w polskim górnictwie węgla kamiennego stosuje się przede wszystkim metodę dynamiczną tj. uwzględniającą dynamikę wydzielania metanu z pokładu eksploatacyjnego, pokładów wyżej i niżej zalegających do środowiska ściany wzdłuż jej wybiegu. Najczęściej wykorzystywane są metody prognozowania GIG KD Barbara oraz CBiDGP. Dynamiczna prognoza metanowości ściany opracowana w GIG KD Barbara oparta jest na obliczeniach punktowych prognoz metanowości bezwzględnej. W metodzie tej wykorzystuje się obliczenia średnioważonych punktowych metanonośności pokładu, ze zróżnicowanych odcinków długości ściany z odpowiednim do danej prognozy krokiem w metrach. Na wielkość obliczonej prognozy rzutuje ponadto metanonośność pokładów podebranych i nadebranych, ich miąższość, odległość od pokładu eksploatowanego oraz stopień ich odgazowania. W metodzie prognozowania CBiDGP obok metanonośności pokładów węgla, ważnym parametrem jest ciśnienie złożowe metanu w pokładach węgla (zał. 4). Krzywe odgazowania dla pokładów, niżej i wyżej zalegających od eksploatowanego pokładu zostały przyjęte zgodnie z krzywymi opracowanymi przez A.T. Ajruniego [1] i zaadoptowanymi do warunków polskiego górnictwa przez J. Tarnowskiego. Dodatkowymi czynnikami, które uwzględniane są w prognozie CBiDGP to: wskaźnik intensywności desorpcji metanu, stopień uwęglenia (zawartość części lotnych w węglu), budowa geologiczna złoża w rozpatrywanym rejonie, współczynnik zwięzłości węgla,. Prognozowaną metanowość bezwzględną przedstawia się w postaci graficznych wykresów wzdłuż wybiegu ściany dla różnych wielkości wydobycia oraz różnych ilości powietrza przepływających przez projektowaną ścianę.. 20.

(22) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. 2 Charakterystyka geologiczna południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego 2.1 Budowa geologiczna Górnośląskiego Zagłębia Węglowego Górnośląskie Zagłębie Węglowe (GZW) pokrywa się z obszarem niecki górnośląskiej, która stanowi najmłodszą cześć większej struktury śląsko-morawskiej. Struktura śląskomorawska zbudowana jest ze skał prekambryjskich i paleozoicznych i położona jest między masywem czeskim i blokiem dolnośląskim a Karpatami. Struktura śląsko-morawska dzieli się na: - metamorfik wschodnio-sudecki, utworzony ze skał mezo- i epimetamorficznych, - strefę kulmową zbudowaną ze skał osadowych o charakterze fliszowym, - nieckę górnośląską będącą górnokarbońskim zapadliskiem przedgórskim, a po fałdowaniach fazy kruszcogórskiej śródgórskim [51]. Niecka górnośląska rozciąga się na Wyżynie Śląsko-Krakowskiej, na powierzchni około 6100 km2, z czego 1600 km2 znajduje się po stronie czeskiej nosząc nazwę Zagłębia OstrawskoKarwińskiego. Przedstawia trójkątna nieckę (rys. 2.1), wypełnioną węglonośnymi utworami górnego karbonu. Zasięg niecki na zachodzie, północy i południu wyznaczają wychodnie spągu skał górno-karbońskich bezpośrednio na powierzchni bądź przykryte osadami młodszymi, takimi jak trias, trzeciorzęd i czwartorzęd. Tylko północno-wschodnia granica przebiega wzdłuż uskoków rowu Sławkowa. Znaczna część GZW leży w podłożu zapadliska przedkarpackiego. Jego część południowa spoczywa pod płaszczowinami Karpat fliszowych. Jak wykazały dotychczasowe badania w niecce górnośląskiej pod osadowymi utworami dewonu i karbonu występują skały krystaliczne, które na północy i wschodzie pokrywają się z zasięgiem niecki, a na południu przebiegają w podłożu Karpat, zaś na zachodzie nieznana jest granica krystaliniku bowiem przykrywa go grubsza warstwa osadów kulmu. W południowo wschodniej części GZW najstarszymi utworami stwierdzonymi wierceniami (Puńców, Bielsko, Andrychów, Goczałkowice) są różnego rodzaju łupki biotytowo-muskowitowe, chlorytowe. przynależne. do. prekambru.. Kambr. leży. niezgodnie. na. utworach. skonsolidowanego podłoża zagłębia. W dolnej części zalegają osady klastyczne, różnorodne piaskowce, a górną część stanowią mułowce z trylobitami. Miąższość kambru waha się w granicach do 1100 m. Wyżej zalegają utwory dewonu. Dewon dolny rozwinięty jest pod postacią czerwonych i pstrych piaskowców z wkładkami mułowców i zlepieńców.. 21.

(23) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. Rysunek 2.1 Budowa geologiczna Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Miąższość jego przekracza 500 m. Dewon górny w części N i S zagłębia reprezentowany jest przez ciemnoszare wapienie i margle z krzemieniami. Miąższość waha się od 100 do 300 m. Na dewonie w tej części zagłębia występuje wapień węglanowy tworząc karbon dolny (dinant). Wapień węglanowy rozprzestrzenia się na wschodzie obrzeża zagłębia oraz w południowej części zagłębia [28].. 22.

(24) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. 2.2 Utwory karbonu górnego występujące w południowo- wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego Utwory górnego karbonu w południowo-wschodniej części GZW, ze względu na wartość przemysłową, zostały stosunkowo dobrze rozpoznane litologicznie. (rys. 2.2). Rysunek 2.2 Mapa terenów górniczych w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Natomiast przynależność stratygraficzna poszczególnych ogniw nie jest jednoznacznie określona. Istnieje bowiem wiele podziałów stratygraficznych opartych na różnych ogniwach litostratygraficznych z zastosowaniem rozmaitych nazewnictw i definicji granic. Najbardziej znany i powszechnie stosowany jest podział T. Bocheńskiego i S. DoktorowiczaHrebnickiego (1952) związany z cyfrową i stratygraficzną nomenklaturą pokładów węgla. W wyniku prac związanych z dokumentowaniem nowych wierceń i wyrobisk górniczych S. Bukowy i A. Jachowicz (1984) opracowali nowy podział litostratygraficzny [28]. Utwory górnego karbonu zostały podzielone na następujące serie litostratygraficzne: - serię paraliczną (namur A), - górnośląską serię piaskowcową (namur B i C), - serię mułowcową (westfal A i B), - krakowska serie piaskowcową (westfal C i D) Podział na serie litostratygraficzne korzystne są przy zagadnieniach przemieszczania się gazu w złożu i jego rozkładzie w utworach karbońskich. (rys. 2.3). 23.

(25) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. Rysunek 2.3 Podział litostratygraficzny Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Górnokarbońska seria paraliczna (namur A) lub warstwy brzeżne w południowo – wschodniej części GZW wykształcone są w postaci iłowców i mułowców z warstwami drobnoziarnistych piaskowców o spoiwie ilasto-krzemionkowym. Występują w nich nieliczne cienkie pokłady węgla. W obrębie obszaru górniczego "Czechowice II" rozpoznano tylko stropowy odcinek tych warstw o grubości do 200 m (Silesia 6) i udokumentowano 1 pokład węgla - pokład 610. Na OG „Brzeszcze II” miąższość warstw brzeżnych nie jest dotąd rozpoznana ( w otworze IG-32 -275 m i w szybie Andrzej III -236.9 m). Przypuszczalnie całość tej serii zaliczyć należy do warstw porębskich (600).. 24.

(26) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. Górnośląska serię piaskowcowa (namur B) tworzą warstwy siodłowe i warstwy rudzkie (namur C). Największa grubość, powyżej 700 m seria ta osiąga na zachodzie, w kierunku na wschód cienieje, pokłady łączą się, a następnie przy granicy północno-wschodniej seria ta zanika. Warstwy siodłowe (500) w części południowo wschodniej są silnie zredukowane i charakteryzują się dużą zmiennością grubości od kilku do około 20 m. Na obszarze górniczego "Czechowice II" i „ Brzeszcze II” występują blisko siebie leżące pokłady 501 i 510 z tym, że pokład 501 w większości jest zerodowany i wyklinowany. Strop pokładu 501 lub 510 tworzy gruba ławica piaskowców silnie zwięzłych drobno- i średnioziarnistych o spoiwie ilasto-krzemionkowym, lokalnie zawierają wkładki gruboziarniste i zlepieńcowate, które zaliczone są do warstw dolnorudzkich, a spąg pokładu 510 stanowią iłowce lub mułowce warstw brzeżnych. Warstwy rudzkie (400), również w kierunku południowo wschodnim cienieją do około 120 m -200 m grubości, zbudowane są z piaskowców z ławicami żwirowców. W części stropowej wzrasta udział mułowców i iłowców Dolna część warstw rudzkich odpowiada górnośląskiej serii piaskowcowej namuru górnego (Namur C). Ma ona zdecydowanie piaskowcowy charakter. Spągowy odcinek warstw rudzkich tworzą grube ławice piaskowca. Piaskowce warstw rudzkich są drobnoziarniste i zwięzłe. Część górna (od pokładu 401 do pokładu 407, 408) należy do serii mułowcowej warstw załęskich. Udział piaskowców wynosi tu od 20 do 30 %. W warstwach rudzkich występuje kilka pokładów o znaczeniu przemysłowym. Granice między dolną a górną częścią warstw rudzkich wyznaczono w stropie najwyższego poziomu z fauną słodkowodną nad pokładem 407. Ogólna miąższość warstw rudzkich na OG "Czechowice II" wynosi od 105 m do około 175 m. Obserwuje się wyraźną redukcję miąższości warstw rudzkich od zachodu w kierunku północno - wschodnim. Redukcja dotyczy także miąższości pokładów węgla. W warstwach rudzkich w części północno - wschodniej obszaru górniczego, występują zaledwie dwa pokłady osiągające miąższości powyżej 0,8 m, podczas, gdy w partii zachodniej występuje 8 takich pokładów. Udokumentowano 5 pokładów grupy rudzkiej, których zasoby zaliczono do bilansowych 404/1, 404/3, 405, 409 i 412. Stałym i najgrubszym pokładem warstw rudzkich jest pokład 405 o miąższości do 4,1 m [75]. Warstwy rudzkie na OG „Brzeszcze II” reprezentowane są przez 120 metrowej grubości kompleks iłowcowo-piaskowcowy z przewagą iłowców, zwykle zapiaszczonych. Piaskowce występują głównie w dolnej części profilu tej serii, poniżej pokładu 407, są drobno 25.

(27) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. i średnioziarniste, zwięzłe o spoiwie ilastym lub ilasto-krzemionkowym. W warstwach rudzkich udokumentowano pokłady 401, 404, 405/1, 405/2, 407 i 416 [76]. Serię mułowcową budują warstwy załęskie (westfal A) i warstwy orzeskie (westfal B) wypełniające struktury synklinalne. Zbudowana jest z mułowców i iłowców, przeławiconych piaskowcami. Grubość serii zmienia się od 1950 m w części zachodniej do kilkudziesięciu metrów w części wschodniej. Warstwy załęskie (400-300), zbudowane głównie z mułowców i iłowców, grubości 1240 m w Czerwionce i 1172 m w Żorach, dzielą się na 4 kompleksy: boryński, żorski, świerklański, dębieński. Kompleksy te są rozdzielone stropami przewodnich pokładów: 407, 401, 350 i 328. Wśród osadów ilastych występują poziomy sferosyderytów i skały tufogeniczne. Znaczenie przemysłowe mają wiązki pokładów: 401-404, 353-364, 347-352 i 328-342. Przewodnie są pokł. 405, grubość do 4,4 m i pokłady 353 i 364, grubości do 3,2 m każdy. Górna granica warstw załęskich przebiega w niecce głównej w stropie pokł. 328, a w zachodniej części zagłębia w stropie pokł. 326 w pokładach tych występuje przerost łupku ogniotrwałego. Warstwy orzeskie (300), grubości 910 m koło Orzesza, 750-780 m w części zachodniej, w kierunku wschodnim cieniejące do zaniku, zbudowane są z mułowców i iłowców. Mułowce wykazują różne uziarnienia, tworząc przejścia od iłowców do piaskowców. W iłowcach i mułowcach występują liczne syderyty ilaste w postaci konkrecji, wkładek i soczewek. Warstwy orzeskie charakteryzują się monotonią wykształcenia litofacjalnego i obecnością licznych, ale na ogół cienkich pokładów i wkładek węglowych. Udział piaskowców wzrasta w górnej części profilu. Piaskowce warstw orzeskich są na ogół drobnoziarniste i zwięzłe, z dużym udziałem kwarcu, spoiwo ilaste lub ilasto-krzemionkowe. Pokłady 301 i 324 zawierają przerosty łupku ogniotrwałego. Przewodni pokład 318 ma grubość do 2,5 m. Górna granica warstw przebiega nad pokładem 301 lub 303. Na OG "Czechowice II" w południowej części obszaru stropowy odcinek warstw orzeskich jest zerodowany. Miąższość pełnej serii warstw orzeskich wynosi od 571,8 m do 803,9 m. Obserwuje się wyraźną redukcję miąższości warstw orzeskich od zachodu w kierunku północno-wschodnim. Redukcja miąższości w kierunku wschodnim dotyczy również większości pokładów grupy orzeskiej. Na obszarze złoża w pełnym profilu warstw orzeskich stwierdzono występowanie od 20 do 36 pokładów węgla o miąższości powyżej 0,6 m. Najwyższym pokładem tej grupy jest pokład 301, najniższym pokład 364. Udokumentowano ogółem 29 pokładów warstw orzeskich, których zasoby zaliczono do bilansowych. Są to pokłady: 304, 305, 308, 310, 312, 314/1, 314/2, 315, 318/1, 318/2, 321, 323, 325/1, 325/2, 26.

(28) Ocena stanu zagrożenia metanowego w południowo-wschodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.. 327, 328, 330, 332, 334, 335, 341, 348, 349, 352, 354, 355, 356, 357, 364. Największe miąższości rzędu 3,2 m osiąga pokład 315 w partii wschodniej złoża [76]. Na OG „Brzeszcze II” warstwy orzeskie występują na całym dokumentowanym obszarze. W części południowej warstwy te stanowią najmłodsze ogniwo stratygraficzne i występują bezpośrednio pod utworami trzeciorzędu. Miąższość warstw orzeskich maleje z zachodu na wschód, od 545 m grubości do 375 m. Średnią miąższość, około 500 m warstwy orzeskie osiągają w centralnej części OG (szyb Andrzej V). W warstwach orzeskich udokumentowano 24 pokłady węgla [76]. Krakowską serie piaskowcową tworzą warstwy łaziskie (westfal C) i warstwy libiąskie (westfal D). W części wschodniej zagłębia seria ta została w różnym stopniu zerodowana. Warstwy łaziskie (200) tworzą kompleks skał gruboklastycznych z ławicami mułowców i iłowców oraz z pokładami 201-218. W wielu pokładach występują przerosty łupków ogniotrwałych. Piaskowce warstw łaziskich są drobno-, średnio- i gruboziarniste oraz zlepieńcowate, przeważnie o spoiwie ilastym, rzadziej krzemionkowym. Grubość warstw w części wschodniej wynosi 380 m, wzrasta ku zachodowi do 500 i 900 m. Przynależność całych warstw łaziskich do westfalu C jest dyskusyjna. A. Jachowicz część dolną do pokł. 214 zaliczył do westfalu B, a część od pokł. 208 do pokł. 202 wyodrębnił jako warstwy chełmskie, które w Byczynie osiągają grubość 370 m. warstwy łaziskie w takim ujęciu wraz z warstwami orzeskimi tworzą warstwy mikołowskie. Górną granicę warstw łaziskich wyznacza się w stropie piaskowca poniżej pokł. 119. Na obszarze OG „Czechowice II” strop warstw łaziskich ma charakter erozyjny. Warstwy łaziskie posiadają swoje wychodnie na linii otworów Silesia 11, szyby 1, 2 i 3, Silesia 7. Miąższość rośnie od 0 m do ponad 600 m. W warstwach łaziskich występuje 19 pokładów węgla o miąższości powyżej 0,6 m, od pokładu 206 do pokładu 216 w tym 8 pokładów bilansowych: 209/2, 210/2, 211/1, 212/1, 212/2, 213/1, 214/1 i 214/2. Najgrubszy jest pokład 214/2 osiągający w partii zachodniej miąższość 3,5 m [75]. Warstwy łaziskie na OG „Brzeszcze” występują w północnej części złoża i charakteryzują się zdecydowaną przewagą piaskowców, nikłym udziałem iłowców i niską węglonośnością. Miąższość warstw łaziskich rośnie od wychodni w kierunku północnym, osiągając około 275 do 290 m. Do warstw łaziskich należą udokumentowane pokłady 212, 213, 214, 215 - wszystkie pozabilansowe. Eksploatowany był tylko pokład 215 [76]. Utwory trzeciorzędowe występują na całym obszarze południowo-wschodniej części GZW bezpośrednio na karbonie, wypełniając swoimi osadami erozyjne deniwelacje powierzchni karbonu. Miąższość ich jest zmienna i zależna od ukształtowania stropu karbonu. Trzeciorzęd 27.