Comparison of methane drainage methods used in Polish coal mines

Methane drainage is used in Polish coal mines in order to reduce mine methane emissions as well as to keep methane concentration in mine workings at safe levels. This article describes methods of methane drainage during mining used in Polish coal mines. The first method involves drilling boreholes from tailgate roadway to an unstressed zone in roof or floor layers of a mined seam. It is the main method used in Polish mining, where both the location of drilled boreholes as well as their parameters are dependent on mining and ventilation systems of longwalls. The second method is based on drilling overlying drainage galleries in seams situated under or over the mined seam. This article compares these methods with regard to their effectiveness under mining conditions in Polish mines. High effectiveness of methane drainage of longwalls with different ventilation and methane drainage systems has been proven. The highest effectiveness of methane drainage has been observed for the system with overlying drainage gallery and with the parallel tailgate roadways. In case of classic U ventilation system of longwall panel, boreholes drilled from the tailgate roadway behind the longwall front are lost.

Metan występujący w pokładach węgla kamiennego stanowi poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa w podziemnych zakładach górniczych. W związku z tym, że jest on gazem palnym i wybuchowym konieczne jest ograniczenie jego wypływu do przestrzeni wyrobisk górniczych. Proces ten wymaga stosowania środków profilaktycznych w postaci odmetanowania. W artykule opisane zostały podstawowe metody odmetanowania górotworu stosowane w warunkach polskich kopalń. Warunki geologiczne występowania metanu w złożu węglowym oraz niska przepuszczalność polskich węgli powoduje, że uwolnienie gazu bez naruszenia struktury górotworu robotami górniczymi jest niewielkie. Ilość uwalnianego metanu jest ściśle związana z zakresem prowadzonych robót górniczych, zarówno robót udostępniających, jak i właściwej eksploatacji pokładów węgla (Krause i Łukowicz, 2004). W polskich kopalniach węgla kamiennego najczęściej stosowany jest ścianowy system eksploatacji. Pozwala on na uzyskanie stosunkowo dużej koncentracji wydobycia. Występująca często w rejonie eksploatacji wysoka metanonośność węgla wymaga zastosowania skutecznego odmetanowania. W dotychczas używanej technologii wyróżnia się dwa sposoby odmetanowania w trakcie eksploatacji. Pierwszy z nich związany jest z wierceniem otworów z chodników wentylacyjnych do strefy odprężonej w stropie lub spągu pokładu eksploatowanego. Jest to podstawowy rodzaj odmetanowania w polskim górnictwie. Miejsce wykonywania otworów, jak również ich parametry uzależnione są od systemu eksploatacji i sposobu przewietrzania ściany. Drugi sposób polega na wykonaniu chodników drenażowych w pokładach znajdujących się nad lub pod tym pokładem eksploatowanym. Odmetanowanie górotworu jest najskuteczniejszym środkiem zwalczania zagrożenia metanowego, zapewniającym zmniejszenie wypływów metanu do przestrzeni roboczych. Najskuteczniejszą metodą okazało się drenowanie metanu z górotworu i otamowanych zrobów i odprowadzanie go osobnymi rurociągami na powierzchnię, wykorzystując depresję wytwarzaną w stacji odmetanowania. Metoda ta pomaga w utrzymaniu żądanych parametrów wentylacyjnych, stawia jednak określone wymagania co do sposobów rozcinania metanonośnych pokładów węgla. Odmetanowanie wyprzedzające w kopalniach polskich stosowane jest sporadycznie lub wcale ze względu na niską przepuszczalność węgli powodującą, że skuteczność tej metody jest zbyt niska. W przypadku odmetanowywania pokładów sąsiednich niezbędne jest określenie strefy desorpcji wywołanej eksploatacją ściany. Otwory drenażowe powinny być zlokalizowane tak, aby znajdowały się w strefie odprężonej, natomiast nie przecinały strefy zawału bezpośredniego. W polskich warunkach geologicznych dobre wyniki daje wyznaczanie kątów nachylenia otworów drenażowych zgodne z pracą (Flügge, 1971), a przedstawionych na rysunku 1. Rozmieszczenie otworów drenażowych w rejonie ściany uzależnione jest od stosowanego systemu eksploatacji i przewietrzania. Jednym z najczęściej stosowanych jest system przewietrzania U (rys. 2), a w warunkach ścian o dużej prognozowanej metanowości system Y (rys. 3). W warunkach bardzo dużej prognozowanej metanowości system z równoległego chodnika wentylacyjnego (rys. 4). Rzadziej stosuje się system odmetanowania z nadległego chodnika drenażowego (rys. 5). Celem artykułu jest porównanie systemów odmetanowania trzech ścian eksploatowanych w polskich kopalniach węgla kamiennego, różniących się systemem przewietrzania: – Ściana D-2 w pokładzie 410 – system przewietrzania U, – Ściana 2 w pokładzie 506 – system przewietrzania U z równoległym chodnikiem wentylacyjnym, – Ściana B-11 w pokładzie 348 – system przewietrzania U z chodnikiem drenażowym. Porównanie przeprowadzono na podstawie badań opartych o wyniki pomiarów: stężenia metanu, prędkości powietrza, ciśnienia barometrycznego i ilości ujmowanego przez systemem odmetanowania metanu. Wykorzystano wyniki z systemu rejestracji danych z czujników metanometrycznych i anemometrycznych rozmieszczonych w rejonie wyrobisk ścianowych. Na podstawie uzyskanych danych dokonano bilansu dziennego ilości wydzielającego się metanu w rejonie eksploatacji, a w dalszej kolejności określono przebieg zmienności metanowości wentylacyjnej, bezwzględnej, a także wyznaczono efektywność odmetanowania (rys. 7, 15, 23). W celu przeprowadzenia oceny statystycznej wyników sporządzono wykresy ramkowe wyznaczonych na podstawie pomiarów wielkości na wybiegu eksploatowanych ścian (rys. 8-10, 16-18, 24-26). Dodatkowo dla ściany D-2 i B-11 wykreślono zależność wydobycia od wybiegu (rys. 11, 27). Analiza statystyczna obejmowała również określenie przebiegu zmienności ilości metanu ujętego odmetanowaniem i efektywności odmetanowania od metanowości bezwzględnej i ciśnienia barometrycznego (rys. 12-14, 19-21, 30-32). Dodatkowo dla ściany 2 w pokładzie 506 wykreślono zależność stężenia metanu w rurociągu odmetanowania w funkcji ciśnienia barometrycznego (rys. 22), a dla ściany B-11 w pokładzie 348 zależności ilości metanu ujętego odmetanowaniem i jego efektywności w funkcji wydobycia (rys. 28, 29). Przeprowadzona pozwala stwierdzić, że najwyższą efektywność odmetanowania uzyskuje się przy systemie z chodnikiem drenażowym (rys. 26) oraz z w systemie z równoległym chodnikiem wentylacyjnym (rys. 18). Przy klasycznym systemie przewietrzania U, otwory wiercone z chodnika wentylacyjnego za frontem ściany są tracone. W przypadku podwójnego chodnika wentylacyjnego filar pozostawiany pomiędzy chodnikami pozwala na uzyskanie trwałej szczelności otworów drenażowych, a co za tym idzie uzyskanie mieszaniny gazowej o wyższym stężeniu metanu. W trakcie biegu ściany zmianie ulega ilość ujmowanego metanu oraz efektywność odmetanowania. Na etapie rozruchu ściany zarówno metanowość bezwzględna, jak również ilość ujmowanego przez odmetanowanie metanu uzyskiwały niższe wartości. Po okresie rozruchu ściany parametry te wzrastały i utrzymywały się na względnie stałym poziomie w czasie eksploatacji ściany. Wzrosła również efektywność odmetanowania. W czasie prowadzenia ściany stwierdzono wzrost ujęcia metanu systemem odmetanowania wraz z narastaniem metanowości bezwzględnej w rejonie, natomiast zmiany wydobycia nie wpływały na zmiany ilości ujmowanego metanu. Analiza zmian ilości ujmowanego metanu na tle zmian ciśnienia barometrycznego mierzonego w wyrobiskach wykazała, że zależność pomiędzy tymi parametrami nie zawsze istnieje. W przypadku systemu U analiza nie wykazała zmian ilości metanu ujmowanego przez system odmetanowania podczas zmian ciśnienia barometrycznego. Ilość metanu ujęta systemem odmetanowania przy przewietrzaniu U w całym badanym okresie utrzymywała się na stałym poziomie (rys. 14). Otwory drenażowe nie posiadają bezpośredniego połączenia ze strefą oddziaływania otworów. Przy systemie z równoległym chodnikiem wentylacyjnym oraz chodnikiem drenażowym wraz ze wzrostem ciśnienia barometrycznego w ścianie malała ilość ujmowanego przez system odmetanowania metanu (rys. 21, 32). W tym przypadku widoczne jest połączenie kanału ściany przez zroby z chodnikiem drenażowym lub otworami drenażowymi wykonywanymi za frontem ściany poprzez układ szczelin. Dlatego zmiana ciśnienia barometrycznego odgrywa dużą rolę w ujęciu metanu. Zmiany ciśnienia barometrycznego w znaczący sposób wpływały na stężenie ujmowanej mieszaniny, co potwierdziły wyniki pomiarów stężenia metanu w obu nitkach rurociągów odmetanowania w ścianie 2 (rys. 22). Świadczy to o połączeniu zrobów z strefą oddziaływania otworów drenażowych. Najniższą efektywność odmetanowania w granicach 30-40% uzyskiwano w ścianie przewietrzanej systemem U. Natomiast najwyższą, średnią efektywność odmetanowania, dochodzącą do 80% osiągano w ścianach z chodnikiem drenażowym. W ścianach z podwójnym chodnikiem wentylacyjnym uzyskiwano efektywność odmetanowania w granicach 50-60%.