Zadanie 4 realizowane przez Akademię Górniczo-Hutniczą w Krakowie, Wydział Górnictwa i Geoinżynierii

Etapy zadania

1. Analiza dotychczas stosowanych rozwiązań dotyczących odmetanowania calizny i zrobów
w podziemnych zakładach górniczych wydobywających węgiel kamienny.
Celem odmetanowania górotworu jest zapewnienie bezpieczeństwa prowadzonych robót górniczych.
Poprawa efektywności odmetanowania górotworu wymaga przeprowadzenia analizy stosowanych rozwiązań
w kopalniach krajowych i zagranicznych.
Wskaźniki efektywności odmetanowania są odmienne dla odmetanowania robót udostępniających
i przygotowawczych, odmetanowania wyprzedzającego, odmetanowania ścian eksploatacyjnych oraz odmetanowania starych zrobów.

Wynikiem analizy rozwiązań odmetanowania w różnych krajach będzie wstępna ocena wskaźników ich efektywności.

1. Ocena wpływu parametrów geometrycznych otworów drenażowych, rodzaju ich uszczelnienia, rodzaju skał w profilu geologicznym, parametrów geologicznych złoża oraz stanu robót górniczych i parametrów sieci wentylacyjnej w rejonie wykonywania otworów odmetanowania na efektywność odmetanowania (poprzez badania teoretyczne i doświadczalne).

2. Wyznaczanie stref desorpcji metanu i prognoza ujmowania metanu dla różnych warunków górniczo - geologicznych. Opis i uzasadnienie: Skuteczność i tym samym efektywność systemu odmetanowania uzależniona jest między innymi od poprawnie wyznaczonej strefy desorpcji dla górotworu nieodprężonego i odprężonego robotami górniczymi. Zasięg strefy jest uzależniony między innymi
od warunków górniczo - geologicznych. Opracowany zostanie sposób obliczania zasięgu strefy odprężenia górotworu wokół wyrobisk eksploatacyjnych i przygotowawczych wraz z określeniem zmian przepuszczalności w tej strefie. Podczas eksploatacji następuje odprężenie górotworu i występuje gradient ciśnienia, w związku
z czym rozpoczyna się ruch masy gazu skierowany do wyrobiska, gdzie ciśnienie jest mniejsze od ciśnienia gazu zawartego w górotworze. Przepuszczalność w strefie odprężenia jest również zmienna w czasie.. Duże znaczenie posiadają również warunki filtracyjne skał w warunkach nieodprężonych i odprężonych.

W zadaniu określony zostanie wpływ tych warunków na skuteczność odmetanowania. Określone zostaną podstawy do opracowania prognozy ujmowanego metanu w zależności od metanowości, właściwości górotworu i systemu odmetanowania.

Etap 3.

Skuteczność odmetanowania zależy między innymi od warunków wentylacyjnych związanych przede wszystkim z systemem przewietrzania wyrobisk eksploatacyjnych oraz rozkładem ciśnień w kopalnianej sieci wentylacyjnej (rozkładem potencjałów aerodynamicznych).
Stosowany systemem wentylacyjnym oraz szczelność górotworu będą decydowały o stężeniu metanu
w ujmowanej mieszaninie.

W zadaniu określony zostanie na podstawie badań teoretycznych i doświadczalnych wpływ tych parametrów na skuteczność ujmowania metanu. Badania prowadzone będą w kopalnianych metanowych realizujących odmetanowanie górotworu.

Etap 4.

Celem etapu jest opracowanie metodyki wspomagającej dobór parametrów odmetanowania na podstawie badań dopływu metanu do otworu drenażowego w funkcji jego długości.
Analizując wypływ metanu na poszczególnych odcinkach otworów drenażowych należy mieć na uwadze,
że zjawisko to związane jest najczęściej z cechami strukturalnymi występujących tam skał oraz z występującym w badanym rejonie układem nieciągłości (szczelinowatości).
Z tego powodu badania zostaną rozszerzone o wizualizację i analizę szczelinowatości górotworu.

Uzyskane wyniki pozwolą na określenie wypływu metanu w określonych pozycjach otworu, co pozwoli na wyznaczenie obszarów górotworu o największej intensywności odgazowania i skorelowanie wydajności
z szczelinowatością.

Etap 5.

Efektywność systemu odmetanowania uzależniona jest również warunkami filtracyjnymi.
Na podstawie badań teoretycznych określone zostaną zależności umożliwiające prognozowanie dopływu metanu do chodników i otworów drenażowych.
Podane zostaną zależności efektywnego rozwiązania modelu przepływu metanu w spękanym górotworze dla określenia efektywnego dopływu metanu do otworu drenażowego.

Wyniki badań zweryfikowane badaniami kopalnianymi posłużą do wyznaczenia optymalnych, w danych warunkach górniczo - geologicznych, parametrów otworów i chodników drenażowych.

Etap 6.

Zasięg stref odprężania jak i stref desorpcji metanu może być wyznaczany w oparciu o mechanikę ośrodków ciągłych.
Poza najprostszymi przypadkami konieczne jest poszukiwanie rozwiązań przybliżonych przy pomocy metod numerycznych. Wykorzystane zostanie dostępne oprogramowanie użytkowe pozwalające na prowadzenie symulacji dla modeli o różnym stopniu złożoności, W oprogramowaniu możliwie jest definiowanie członów źródłowych reprezentujących desorpcję z uwzględnieniem oddziaływania otworów drenażowych.
Opracowany zostanie również własny model numeryczny trójwymiarowej sieci wentylacyjnej z bocznicami reprezentującymi warstwy górotworu, rejon ściany wydobywczej zroby i system odmetanowania.

Przeprowadzenie możliwie dokładnych symulacji dla wybranych zagadnień z uwzględnieniem dostępnych danych eksperymentalnych i porównanie otrzymanych rozwiązań pozwolą na wybór optymalnych metod określania stref odprężania i desorpcji metanu.

Etap 7.

System odmetanowania może wpływać na wzrost zagrożenia pożarami endogenicznymi w zrobach ścian zawałowych. Badania w tym zakresie w polskim górnictwie do tej pory podejmowane były sporadycznie. Jednocześnie wyłączenie systemu odmetanowania sprzyja inertyzacji atmosfery w pewnych określonych warunkach otamowanych rejonów.

W zadaniu określony zostanie wpływ lokalizacji i wielkości depresji otworów drenażowych na kształtowanie się stref podwyższonej zawartości tlenu, które mogą mieć wpływ na powstawanie procesów samozagrzewania się węgla. Położenie tych stref może być uzależnione od parametrów systemu odmetanowania, a jego funkcjonowanie może powodować "dotlenienie zrobów", bądź ich inertyzację.
Właściwa lokalizacja i zakres regulacji ciśnienia w otworach może ograniczać zagrożenie pożarowe w zrobach.

Określone zostaną zasady lokalizacji otworów drenażowych w zależności od występowania stref możliwego samozagrzewania się węgla w zrobach, zasady regulacji systemu odmetanowania, wymagania co do wykonywania pomiarów kontrolnych związanych z wykrywaniem zagrożenia pożarowego, a także określone możliwości i zasady inertyzacji zrobów z zastosowaniem metanu.

Etap 8.

Na podstawie opracowanego modelu przepływu mieszaniny metanowo - powietrznej w wiązkach otworów drenażowych i rurociągach odmetanowania podane zostaną zasady obliczeń sieci odmetanowania pod kątem aplikacyjnym.

Wykorzystane zostaną metody rozwiązań równań opisujących ruch metanu i powietrza w warunkach otworów drenażowych i rurociągów sieci odmetanowania z podciśnieniem. Umożliwi to dobór parametrów ssawy odmetanowania na podstawie jej charakterystyki. Charakterystyka ssawy umożliwia między innymi określenie zakresu możliwej regulacji. Regulacja systemu odmetanowania powinna zapewniać możliwość lokalnego zwiększenia ujęcia metanu w przypadku wzrostu zagrożenia metanowego.
W tym celu niezbędna jest znajomość podstawowych parametrów mieszaniny metanowo -powietrznej
w głównych węzłach systemu odmetanowania.
Dlatego w niniejszym etapie opracowane zostaną sposoby monitoringu parametrów mieszaniny odmetanowania oraz regulacji wydatku i stężenia metanu w rurociągach sieci odmetanowania.
Podane zostaną zasady doboru średnic rurociągów.

Określone zostaną zasady pomiaru parametrów mieszaniny gazowej w rurociągach i sposób obliczania schematu potencjalnego sieci odmetanowania. Schemat potencjalny sieci odmetanowania umożliwi dobór parametrów regulacyjnych w celu zwiększenia skuteczności ujmowania metanu.

Etap 9.

Parametry systemu odmetanowania zależą od wielu czynników zarówno górniczo-geologicznych, wentylacyjnych, jak i zmiennych warunków otoczenia. W celu zapewnienia wysokiej efektywności odmetanowania konieczna jest możliwość regulacji depresji w całej strefie, w której następuje wydzielanie metanu, w zależności od intensywności wypływu i stopnia szczelności górotworu.

Utrzymywanie parametrów gazu na stałym poziomie wymaga regulacji sieci odmetanowania, co jest możliwe pod warunkiem monitorowania parametrów gazu w rurociągach. Idea systemu kontroli oparta będzie na ciągłym i automatycznym pomiarze parametrów medium w wybranych punktach rurociągu odmetanowania.

Określone zostaną zasady monitoringu przepływającej w systemie odmetanowania mieszaniny gazowo-powietrznej oraz parametrów technologicznych pracy urządzeń w systemie.

Etap 10.

Prawidłowe zaprojektowani i eksploatowanie systemu odmetanowania wymaga możliwie dokładnego wyznaczenia strefy odprężenia i obliczenia prognozowanego przepływu i ujęcia metanu w funkcji ciśnienia
w otworach (lub chodnikach) drenażowych, ciśnienia w wyrobiskach i szczelności pomiędzy otworem
a wyrobiskiem czynnym wentylacyjnie. Podstawowym kryterium określającym podciśnienie w otworze (depresję) będzie uzyskanie określonej efektywności ujęcia metanu w otworze (wiązce otworów) przy jak najwyższej koncentracji metanu.

Na podstawie wyznaczonych w zadaniu charakterystyk otworów (chodników) drenażowych można określić żądane wydatki mieszaniny i wymagane podciśnienia (depresje) w systemie odmetanowania.

W niniejszym etapie podane zostaną zasady budowy sieci odmetanowania wraz ze sposobem obliczeń ciśnień w systemie odmetanowania. Przedstawiony zostanie dobór regulatorów przepływu mieszaniny gazowej.

Etapy 11 i 12.

Etapy 11 i 12 zadania badawczego realizowane będą w oparciu o badania przemysłowe.
Na podstawie wyników badań w wcześniejszych etapach opracowany zostanie system odmetanowania dla dwóch ścian eksploatacyjnych w dwóch kopalniach o odmiennych warunkach górniczo - geologicznych. Zbudowane zostaną instalacje do odmetanowania na podstawie rezultatów badań z wcześniejszych etapów. Instalacje te będą testowane przez wyznaczony okres.

Uzyskane wyniki pomiarowe stanowić będą weryfikację wyników badań.