Antoni JAKUBÓW, Stanisław NAWRAT Proekologiczne rozwiązania t

Transkrypt

WARSZTATY 2000 nt. Zagrożenia naturalne w górnictwie
____________________________________________________________________________
Mat. Symp. Warsztaty 2000
str. 139-153
Antoni JAKUBÓW, Stanisław NAWRAT
Jastrzębska Spółka Węglowa S.A., Jastrzębie Zdrój
Proekologiczne rozwiązania technologiczne przy zagospodarowywaniu
metanu w kopalniach Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A.
Streszczenie
W referacie przedstawiono ogólną charakterystykę zagrożenia metanowego w kopalniach
Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A. oraz działań mających na celu niedopuszczenie do
powstawania w wyrobiskach dołowych niebezpiecznych stężeń metanu przekraczających
wartości dopuszczalne, określone w obowiązujących przepisach. Metan uwalniany w trakcie
prowadzonych robót górniczych jest średniorocznie w około 40% ujmowany pod depresją
centralnych, powierzchniowych stacji odmetanowania do rurociągów i przesyłany na powierzchnię, a w około 60% odprowadzany z wyrobisk górniczych z powietrzem kopalnianym.
Opisano sposoby zagospodarowywania metanu pozyskiwanego systemem odmetanowania oraz
proekologiczne rozwiązania technologiczne stanowiące nowe podejście do zagadnienia
racjonalnego i efektywnego tak pod względem ekonomicznym jak i ochrony środowiska
wykorzystywania zasobów naturalnych.
1. Wprowadzenie
Metan i związane z nim zagrożenie wybuchowe jest nadal jednym z najgroźniejszych
zjawisk towarzyszących wydobyciu węgla kamiennego. Równocześnie jest ono jednym
z najbardziej powszechnych zagrożeń występujących w złożach węgla. Obecność metanu
w górotworze jest wynikiem zwęglenia materiału roślinnego w warunkach wysokiego ciśnienia
i temperatury.
Wydzielanie metanu z urobionego węgla i zrobów, stwarza poważne zagrożenie w zakresie
bezpieczeństwa pracy. Zagrożenie to ujawnia się zarówno w formie zagrożenia wybuchem
metanu (gaz wybuchowy bezbarwny i bezwonny), jak i w formie atmosfery beztlenowej jaka
może powstać, a tym samym zagrożenia uduszeniem. O stopniu zagrożenia świadczą tragedie,
które z tych przyczyn wystąpiły w kopalniach.
Odmetanowanie kopalń stanowi bardzo ważny i skuteczny środek profilaktyki metanowej
i jest prowadzone obecnie w 17 polskich kopalniach. W 1998 r. odmetanowaniem ujęto 203,6
mln m3 metanu, z czego zagospodarowano około 141,52 mln m3 tj. 69,5%. Pomimo spadku
ogólnej ilości metanu wydzielającego się z kopalń z 763 mln m3 w roku 1998 do 747,1 mln m3
w roku 1999 nastąpił wzrost ilości metanu ujętego odmetanowaniem do 216,1 mln m 3. Niestety
zagospodarowanie metanu zmniejszyło się do 130,20 mln m3, co stanowi 60,5% ujętego
metanu. W ten sposób zwiększa się ilość metanu odprowadzana od atmosfery. Wynika z tego
wniosek, że należy podejmować działania mające na celu zwiększenie zagospodarowania
metanu ujmowanego odmetanowaniem. Stan zagospodarowania metanu w kopalniach
_______________________________________________________________
139
A. JAKUBÓW, S. NAWRAT - Proekologiczne rozwiązania technologiczne ...
____________________________________________________________________________
stosujących odmetanowanie kształtował się od 0% w kopalni "Bielszowice" do 99,9%
w kopalni "Silesia". Największe ilości nie zagospodarowanego metanu w 1998 r. były
w kopalniach: "Pniówek" - 20,49 mln m3 i "Staszic" - 4,5 mln m3. W 1999 r. ilość nie
zagospodarowanego metanu w KWK "Pniówek" zmniejszyła się do 18,77 mln m3.
Obniżanie zagrożenia metanowego poprzez odmetanowanie kopalń przyczynia się do
poprawy bezpieczeństwa załóg górniczych oraz ciągłości pracy maszyn zmniejszając liczbę
postojów maszyn w wyniku wyłączeń energii elektrycznej po przekroczeniu wartości
krytycznych stężenia metanu. Efektywne systemy odmetanowania to także możliwość
pozyskiwania metanu jako naturalnego źródła energii, ale również ograniczanie ujemnych
skutków na środowisko naturalne wynikających z odprowadzania metanu do atmosfery.
Jastrzębska Spółka Węglowa S.A. prowadziła w roku 1999 eksploatację węgla kamiennego
w pięciu kopalniach zlokalizowanych w południowo-zachodniej części Górnośląskiego
Zagłębia Węglowego, w najbardziej na południe wysuniętym rejonie obszaru zwanego
umownie Rybnickim Okręgiem Węglowym. Są to kopalnie: „Borynia”, „Jas-Mos”,
„Krupiński”, „Pniówek” i „Zofiówka”. Leżąca na tym terenie kopalnia ”Żory” została
zlikwidowana w 1997 r. po 18-letnim okresie eksploatacji, natomiast kopalnia „Jas-Mos”
powstała w 1995 roku z ponownego połączenia kopalń „Jastrzębie i „Moszczenica” (rys.1.1).
Kopalnia „Morcinek” zakończyła eksploatację z dniem 01.11.1998 r. i obecnie realizowana
jest końcowa faza likwidacji obiektów powierzchniowych zakładu górniczego.
Metan pozyskiwany w procesie odmetanowania pokładów i skał otaczających w kopalniach
nie jest równomiernie zagospodarowywany w czasie, a część niezagospodarowana odprowadzana jest do atmosfery.
Pomimo, że metan ujęty w procesie odmetanowania kopalń stanowi pełnowartościowe
paliwo nawet przy zawartości 30% CH4, to jego utylizacja napotyka na duże trudności. Jest to
spowodowane sprzecznymi wymaganiami producenta gazu, jakim jest kopalnia i jego
odbiorców. Kopalnie uzyskują gaz w procesie odmetanowania jako produkt uboczny przy
produkcji węgla. Ponieważ górnicze warunki ujęcia metanu zmieniają się stale, zmienia się
również skład gazu oraz jego ilość. Dla odbiorcy natomiast warunkiem zapewnienia
właściwego procesu wykorzystania gazu jest wartość opałowa, stały skład chemiczny oraz
utrzymanie wielkości dostaw gazu na ustalonym poziomie.
Metan stwarzający największe zagrożenie w procesie produkcyjnym kopalni, stanowi
równocześnie efektywne źródło energii dla zakładów i obiektów powierzchniowych.
Wykorzystywany jest w przykopalnianych kotłowniach i suszarkach w zakładach przeróbczych oraz w elektrociepłowniach Spółki Energetycznej „Jastrzębie” i Spółce Elektro-EnergoGaz Suszec przy kopalni "Krupiński” do napędu silnika agregatu prądotwórczego typu MWM
Deutz –TBG632 – V16 o mocy 2,7 MW.
Odbiorców powiązanych z ciepłownictwem cechuje nierównomierność odbioru gazu
kopalnianego, co spowodowane jest warunkami klimatycznymi. Zainstalowany w KWK
„Krupiński” pierwszy w kraju agregat prądotwórczy wytwarzający energię elektryczną
i cieplną w oparciu o gaz kopalniany wykorzystał w 1998 roku 6,5 mln m 3 metanu. W 1999 r.
wykorzystanie metanu przez ten silnik wyniosło 5,6 mln m3. Wytwarzanie energii elektrycznej
i cieplnej za pomocą silników gazowych podnosi efektywność i ekonomiczne wykorzystanie
gazu kopalnianego.
Kolejną inwestycją energetyczną przewidzianą do realizacji w przeciągu najbliższych
kilku lat, mającą na celu zwiększenie udziału wykorzystania ujmowanego metanu, jest
_______________________________________________________________
140
____________________________________________________________________________
Mapa granic obszarów górniczych Jastrzębskiej
Spółki Weglowej SA oraz granic administracyjnych
Rys. 1.1 Położenie administracyjne kopalń Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A.
wdrożenie w KWK ”Pniówek” na bazie gazu kopalnianego skojarzonego układu energetycznochłodniczego. Sprawność takiego układu wynosi około 78%, przy czym 40% stanowi energia
chłodnicza, resztę stanowi energia elektryczna. Należy zaznaczyć, że wielkość projektowanych
urządzeń energetycznych musi uwzględniać aktualne i prognozowane w dłuższej perspektywie
czasowej ujęcia metanu oraz specyfikę odbiorców, ponieważ koszty realizacji w/w
przedsięwzięć są wysokie.
Problemem technicznym, który musi być bezwzględnie rozwiązany jest dostosowanie ilości
ujmowanego metanu do możliwości jego zagospodarowania przez odbiorców w ciągu całego
roku. Dystrybucja ujmowanego odmetanowaniem metanu może być bardziej efektywna
poprzez gromadzenie nadwyżek metanu w nieczynnych wyrobiskach dołowych. Dlatego
w dobie reformy górnictwa węgla kamiennego racjonalne i proekologiczne rozwiązanie
technologiczne, ograniczające odprowadzanie metanu do atmosfery, a przede wszystkim
opłacalne ekonomicznie jego odzyskiwanie, magazynowanie nadmiarów i właściwe wykorzystanie w elektroenergetyce musi budzić uznanie. Duża objętość wyrobisk przeznaczonych do
technologicznego gromadzenia metanu w kopalniach "Pniówek" i "Krupiński" zezwala na
przejęcie kilkudniowych nadwyżek gazu metanowego. W związku z tym zagadnienie adaptacji
_______________________________________________________________
141
____________________________________________________________________________
nieczynnych wyrobisk górniczych na inne cele użytkowe, a przede wszystkim na zbiorniki
metanu, wydaje się niezwykle interesujące.
2. Charakterystyka warunków górniczo-geologicznych oraz zagrożenia metanowego
kopalń JSW S.A.
W budowie geologicznej południowej części Rybnickiego Okręgu Węglowego biorą udział
utwory karbonu nakryte trudno przepuszczalnym nadkładem o zmiennej miąższości osadów
czwartorzędu i trzeciorzędu. Jedynie w części południowej obszaru byłej KWK „Morcinek”
czwartorzęd pokrywa utwory fliszowe nasunięcia karpackiego (kreda). Litologicznie utwory
czwartorzędu wykształcone są z piasków i żwirów z przewarstwieniami i wkładkami mułów,
iłów i glin. Utwory trzeciorzędu reprezentowane są przez morskie osady iłów mioceńskich
z wkładkami piasków i pyłów, w spągu tych warstw o charakterze kurzawek.
Karbon produktywny jest potężną węglonośną formacją osadową (serią osadów), złożoną
ze skał przeważnie ilasto-piaszczystych z pokładami węgla.
Obszar ROW położony jest w silnie zdyslokowanej południowo-zachodniej części
Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Tektonika jest wynikiem głównie orogenezy hercyńskiej, w czasie której utworzyło się szereg fałdów i niecek, a także nasunięć oraz liczne uskoki.
Wśród uskoków o charakterze regionalnym, które ograniczają zapadlisko przedkarpackie,
dominuje kierunek W-E. Wielkość zrzutów dochodzi do 300 m. Największe zaangażowanie
tektoniczne wykazuje zachodnia część obszaru ROW oraz rejon byłej KWK „Morcinek”.
W kopalniach JSW S.A., ze względu na zaleganie w nadkładzie słabo przepuszczalnych
ilastych osadów miocenu, bezpośrednio w stropie karbonu występuje 150-200 m strefa
wysokiej metanonośności pokładów, przekraczającej niejednokrotnie 10 m3 CH4/Mgcsw.
Obszary zwiększonej metanonośności pokładów oraz silnego nasycenia metanem wolnym
występują również w pobliżu stref uskokowych, które stanowiły drogi migracji metanu
z głębszych partii złoża kończące się na kontakcie z nieprzepuszczalnym nadkładem.
W kopalniach „Jastrzębie” i „Moszczenica”, budowanych w pierwszej kolejności, już
w trakcie drążenia pierwszych wyrobisk udostępniających w strefie podnadkładowej
następowały intensywne wypływy metanu wolnego, dochodzące do kilkudziesięciu m 3/min.
Uruchomienie eksploatacji spowodowało dalsze zwiększenie wydzielania metanu. Odmienna
dynamika metanowości wystąpiła w kolejno budowanych kopalniach „głębszych”. Dopływy
metanu w fazie robót udostępniających były stosunkowo niewielkie. Dopiero rozpoczęcie
robót eksploatacyjnych spowodowało wzrost wydzielania się metanu (Berger, Nowak 1999).
Kopalnie Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A. należą do najbardziej metanowych w Polsce,
a kopalnia „Pniówek” zajmuje najwyższą pozycję i najwyższe ujęcie metanu odmetanowaniem. Zagrożenie metanowe w kopalniach JSW S.A. jest najpoważniejszym zagrożeniem
naturalnym. Podstawowa profilaktyka dla tego zagrożenia ma na celu niedopuszczenie do
powstawania w wyrobiskach dołowych niebezpiecznych stężeń metanu przekraczających
wartości dopuszczalne, określone w obowiązujących przepisach.
Kopalnie Jastrzębskiej Spółki Węglowej charakteryzują się bardzo dużym zagrożeniem
metanowym, o czym świadczy zarówno zaliczenie pokładów czterech kopalń tj. "Jas-Mos",
"Krupiński", "Pniówek" i "Zofiówka" do IV kategorii zagrożenia metanowego oraz kopalni
"Borynia" do III kategorii, jak również wysoka metanowość absolutna kopalń, określona
ilością czystego metanu wydzielającego się do powietrza i ujmowanego przez odmetanowanie.
W poszczególnych kopalniach JSW S.A. metanowość absolutna zawarta jest w przedziale od
_______________________________________________________________
142
____________________________________________________________________________
minimalnej wartości stwierdzonej na kopalni "Borynia" tj. 25,5 m3 CH4/min do maksymalnej
na kopalni "Pniówek" wynoszącej 232,7 m3 CH4/min. Ujęcie metanu w latach 1993 - 1999 r.
wahało się od 97168300 do 116297400 m3 CH4, z tego wykorzystywano od 61100400 do
92680500 m3 CH4. W tablicy 2.1 przedstawiono metanowość relatywną i absolutną kopalń
według stanu na grudzień 1999 r., zaś na rys. 2.1 strukturę ujęcia i wykorzystania metanu
w kopalniach JSW S.A. w latach 1993-1999.
W sumie z kopalń należących do JSW S.A. ujęto odmetanowaniem prawie 5,0 mld m 3
metanu (Berger, Nowak 1999). Warunki geologiczne występowania metanu w złożu
węglowym oraz słaba desorbcja polskich węgli powoduje, że uwolnienie gazu bez naruszenia
struktury górotworu robotami górniczymi jest niewielkie. Stąd ilość uwalnianego metanu jest
ściśle związana z zakresem prowadzonych robót górniczych tak udostępniających, jak
i właściwej eksploatacji pokładów węgla.
Tabela 2.1
Metanowość relatywna i absolutna kopalń JSW S.A. (stan grudzień 1999 r.)
Metanowość absolutna
Metanowość
relatywna
Kopalnia
Razem
Wentylacja
m 3 /t
Odmetanowanie
Efektywność
odmetanowania
m 3 /min
%
Grudzień
Rok 1999
Grudzień
Rok 1999
Grudzień
Rok 1999
Grudzień
Rok 1999
Grudzień
Rok 1999
Borynia
3,72
3,28
25,62
25,53
19,52
22,74
6,10
2,79
23,81
10,93
Jas-Mos
10,83
11,35
86,06
88,19
65,64
66,79
20,42
21,40
23,72
24,27
Krupiński
10,10
8,58
65,95
59,94
35,85
36,00
30,10
23,94
41,84
39,26
Morcinek
0,00
0,00
0,00
14,86
0,00
6,41
0,00
8,45
0,00
56,86
Pniówek
32,72
33,34
236,78
232,73
133,78
132,43
103,00
100,30
43,50
43,03
Zofiówka
16,38
19,87
91,20
89,83
52,40
52,42
38,80
37,41
42,54
41,67
12,41
13,01
505,61
511,08
307,19
316,79
198,42
194,29
39,24
38,02
JSW SA
Również dotychczasowe negatywne doświadczenia firm zagranicznych w zakresie pozyskania metanu metodą otworów z powierzchni w partiach górotworu nieodprężonego jedynie
potwierdziły tezę o słabym uwalnianiu metanu z takiego górotworu. Eksploatacja górnicza
prowadzona obecnie w 100% systemem na zawał dodatkowo uwalnia metan zawarty w skałach
porowatych zalegających nad pokładami węgla.
W kopalniach stosujących odmetanowanie ujmuje się metan z 3 źródeł, a mianowicie: podczas drążenia wyrobisk korytarzowych udostępniających i przygotowawczych, w obrębie ścian
eksploatacyjnych, spoza tam izolujących zroby.
Metan uwalniany w trakcie prowadzonych robót górniczych jest w około 40% ujmowany
pod depresją centralnych, powierzchniowych stacji odmetanowania do rurociągów i przesyłany
na powierzchnię, a w około 60% odprowadzany z wyrobisk górniczych z powietrzem kopalnianym (rys. 2.2). Ilość powietrza odprowadzanego w okresie jednego roku z kopalń JSW S.A.
wynosi około 146 mld m3, a zawartość metanu w szybach wentylacyjnych wynosi średnio
około 0,18% (Nawrat, Gatnar 1999).
W silnie metanowych kopalniach Rybnickiego Okręgu Węglowego wentylacyjne sposoby
zwalczania zagrożeń metanowych od wielu lat są już niewystarczające, co zmusiło do
stosowania innego sposobu zwalczania zagrożeń metanowych, jakim jest odmetanowanie
_______________________________________________________________
143
____________________________________________________________________________
Ujęcie i wykorzystanie metanu w JSW SA
Ujęcie
Wykorzystanie
120 000
100 000
92 680,5
80 000
[tys. m 3 CH4]
81 953,6
70 982,0
72 155,1
77 107,6
75 910,8
60 000
61 100,4
97 168,3
109 350,9
107 603,2
110 655,6
113 867,2
100 942,9
20 000
116 297,4
40 000
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
0
Rys. 2.1 Ujęcie i wykorzystanie metanu w kopalniach JSW S.A.
250,00
Odmetanowanie
Wentylacja
200,00
m 3 /min
100,30
150,00
100,00
21,40
132,43
50,00
37,41
23,94
2,79
66,79
52,42
36,00
22,74
0,00
Borynia
Jas-Mos
Krupiński
Pniówek
Zofiówka
Rys. 2.2 Ilość metanu odprowadzanego z kopalń JSW S.A. w 1999 r.
_______________________________________________________________
144
____________________________________________________________________________
37,45
JSW SA
41,67
Zofiówka
43,03
Pniówek
Krupiński
39,26
24,27
Jas-Mos
10,93
Borynia
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
45,00
%
Rys. 2.3 Efektywność odmetanowania kopalń JSW S.A. w 1999 r.
wyrobisk udostępniających, przygotowawczych i eksploatacyjnych. Odmetanowanie górotworu jest najskuteczniejszym środkiem zwalczania zagrożenia metanowego, zapewniającym
zmniejszenie wypływów metanu do przestrzeni roboczych oraz zapobieganie lub zmniejszenie
objawów, takich jak np. wydmuchy, nagłe wyrzuty metanu i węgla, itp. W kopalniach
JSW S.A. około 62% ujęcia metanu pochodzi z drenowania górotworu otworami wiertniczymi,
pozostałą ilość stanowi ujęcie z otamowanych zrobów. Metan odprowadzany jest z powyższych źródeł na powierzchnię osobnymi rurociągami z wykorzystaniem depresji pomp stacji
odmetanowania (rys. 2.3).
Odmetanowanie otworami drenażowymi prowadzone jest z wyrobisk korytarzowych
udostępniających złoże i wyrobisk przyścianowych oraz czynnych wyrobisk eksploatacyjnych.
Na głębszych poziomach kopalni odmetanowaniem robotami wiertniczymi objęte są wyłącznie
wyrobiska eksploatacyjne. Odmetanowanie wyprzedzające w kopalniach JSW S.A. stosowane
jest sporadycznie lub wcale się go nie stosuje ze względu na niską przepuszczalność węgli
powodującą, że skuteczność metody odmetanowania jest zbyt niska. Ponadto wzrost koncentracji i intensyfikacji wydobycia oraz skracanie czasu wykonywania wyrobisk przygotowawczych uniemożliwia uzyskanie pozytywnych efektów odmetanowania wyprzedzającego
pokładów, bez wdrożenia zabiegów stymulujących uwalnianie i przepływ metanu (hydrauliczne szczelinowanie pokładów węgla w otworach) (Berger, Nowak 1999).
3. Technologiczne gromadzenie metanu w nieczynnych wyrobiskach dołowych
Jak zwrócono uwagę na wstępie artykułu, z reformą górnictwa węgla kamiennego powinny
wiązać się racjonalne i proekologiczne rozwiązania technologiczne, ograniczające odprowadzanie metanu do atmosfery, a przede wszystkim opłacalne ekonomicznie rozwiązania jego
odzyskiwania, magazynowania nadmiarów i właściwego wykorzystania w elektro-energetyce.
_______________________________________________________________
145
____________________________________________________________________________
W czynnych, a także likwidowanych kopalniach metanowych jest możliwość adaptacji
otamowanych wyrobisk korytarzowych, jak i nieczynnych szybów na zbiorniki metanu.
Próby zbiornikowego magazynowania metanu w kopalniach JSW S.A. prowadzone już
były w pierwszej połowie lat 90-tych. W KWK "Morcinek" metan odzyskiwany ze złoża był
przetwarzany na energię cieplną. Głównymi odbiorcami energii była suszarnia flotokoncentratu i ciepłownia zakładowa. Do 1993 r. odbiorcą nadwyżek gazu była elektrociepłownia kopalni
"Moszczenica" w Jastrzębiu, za pośrednictwem Górnośląskich Zakładów Gazowniczych.
Wyłączenie ze względów technicznych zewnętrznego odcinka sieci przesyłowej spowodowało,
że nadmiar gazu był odprowadzany do atmosfery. Stąd powstała koncepcja akumulowania
nadmiaru gazu w zbiorniku. Do tego celu wykorzystano szyb V (głębokość 650 m, obudowa
betonowo-tubingowa) i 275-metrowy ślepy odcinek wyrobiska poziomego z tego szybu (łączna
kubatura wyrobisk wynosiła 35625 m3). Wyrobiska te nie były połączone z żadnym innym
wyrobiskiem kopalnianym, jak również nie prowadzono w sąsiedztwie żadnych robót
górniczych (Kubla i in. 1998).
W roku 1999 opracowano dla Kopalń "Krupiński" i "Pniówek" projekty technologicznego
gromadzenia metanu w nieczynnych wyrobiskach dołowych. Projekty te zostały pozytywnie
zaopiniowane przez Komisję ds. Zagrożeń Metanowych, Pożarowych, Wybuchem Pyłu
Węglowego oraz Przewietrzania i Klimatyzacji w Podziemnych Zakładach Górniczych. Na
podstawie Uchwały nr 1/2000 z dnia 12.01.2000 r. w/w Komisji w Kopalniach "Krupiński"
i "Pniówek" przeprowadzone zostaną próby ruchowe technologicznego gromadzenia metanu
w nieczynnych wyrobiskach dołowych (Nawrat, Jakubów 2000).
Zastosowanie w kopalniach "Krupiński" i "Pniówek" technologicznego gromadzenia
metanu w nieczynnych wyrobiskach dołowych zabezpieczonych przeciwwybuchowo ma na
celu ograniczenie dysproporcji w zagospodarowaniu metanu pozyskiwanego systemem
odmetanowania, które wynikają przede wszystkim z:
- sezonowych zmian zapotrzebowania metanu dla celów gospodarczych,
- zmiennego wykorzystania metanu w procesach związanych z cyklem produkcyjnym
kopalni w odniesieniu do dni roboczych i wolnych.
W okresie czasu od 01.01 do 31.12.1999 r. przy pomocy odmetanowania ujęto następujące
ilości metanu:
- 12579463 m3 na kopalni „Krupiński”, przy czym wykorzystano średnio 82% ujętego gazu
(minimalny wskaźnik wykorzystania w miesiącu wrześniu wyniósł 66,5%),
- 52730100 m3 na kopalni „Pniówek”, przy wykorzystaniu średnim 64,4% ujętego gazu
(minimalny wskaźnik wykorzystania w miesiącu lipcu wyniósł 35%).
Miejsca aktualnego i perspektywicznego wykorzystania metanu w obydwu kopalniach
przedstawia schemat na rysunku 3.1.
Jak widać na schemacie w przypadku kopalni „Pniówek” z ujętego metanu korzystają także
odbiorcy zewnętrzni (spoza kopalni), do których jest on przesyłany specjalnym rurociągiem.
W związku z tym, że obydwie elektrociepłownie wykazują się znacznymi różnicami
w zapotrzebowaniu metanu w okresie letnim oraz zimowym grzewczym, wykorzystanie
metanu ujętego w kopalni „Pniówek” wykazuje się dość istotnymi wahaniami.
W okresach gdy zapotrzebowanie metanu jest niższe od ilości odprowadzanej z dołu obydwie
kopalnie są zmuszone do wypuszczania jego nadmiaru do atmosfery.
Prognozy popytu i podaży metanu w 2000 roku w kopalniach "Krupiński" i "Pniówek"
przedstawione zostały na rysunkach 3.2 i 3.3.
_______________________________________________________________
146
____________________________________________________________________________
Rys. 3.1 Miejsca wykorzystania metanu w kopalniach "Krupiński" i "Pniówek"
Planowane technologiczne magazynowanie metanu w wydzielonych nieczynnych
wyrobiskach jest zatem nie tylko przedsięwzięciem przynoszącym wymierne efekty
ekonomiczne ale stanowi także działanie proekologiczne, ponieważ przyczynia się do
ograniczenia szkodliwej emisji metanu do atmosfery.
Wybór konkretnych wyrobisk powinien być poprzedzony wnikliwą analizą warunków
geologicznych, górniczych i wentylacyjnych oraz możliwości migracji gazów do wyrobisk
czynnych wentylacyjnie poprzez kompleksy otamowanych wyrobisk i zrobów sąsiadujących
z obszarem przewidzianym do magazynowania metanu.
Kopalnia "Krupiński" - prognoza popytu i podaży metanu w 2000 r.
ilość metanu [tys. m3CH4]
1200
1000
800
600
400
200
0
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
XII
miesiąc
suszarnia
agregat
kocioł
popyt
podaż
Rys. 3.2 Prognoza popytu i podaży metanu w 2000 r. w KWK "Krupiński"
_______________________________________________________________
147
____________________________________________________________________________
Kopalnia "Pniówek" - prognoza popytu i podaży metanu w 2000 r.
ilość metanu [tys. m3CH4]
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
XII
m iesiąc
agregaty 1 i 2
odbiory SEJ
popyt
podaż
Rys. 3.3 Prognoza popytu i podaży metanu w 2000 r. w KWK "Pniówek"
System pracy instalacji przetłaczająco-odpompowujących metan do wyrobisk dołowych
przewiduje okresowe i przemienne zastosowanie dwóch cykli, tj. wypełniania metanem i jego
odpompowania w takim zakresie, ażeby ilość ujmowanego metanu była każdorazowo
dostosowana do możliwości jego zagospodarowania przez odbiorców w przeciągu całego roku,
w tym w dni robocze i wolne. Podstawowym urządzeniem wykorzystywanym w procesie
przetłaczania lub odpompowywania metanu jest przewoźna stacja przetłaczania gazu na
podwoziu kołowym. Jest ona zbudowana na bazie sprężarki gazowej z wirującym pierścieniem
wodnym, zwanej potocznie pompą wodokrężną. Aktualnie taką stacją, bazującą na pompie
wodokrężnej typu PP-7.14.9.4 (zdjęcie stacji - rys. 3.3), dysponuje ratowniczy zastęp
specjalistyczny Zakładu Odmetanowania Kopalń Sp z o.o. w Jastrzębiu.
Magazynowanie metanu w otamowanych wyrobiskach realizowane jest za pomocą w/w
pompy, która zbocznikowana z czynnym rurociągiem odmetanowania, przy odpowiednim
układzie otwartych i zamkniętych zasuw pozwala na przetłaczanie metanu do otamowanych
wyrobisk. Odpompowywanie metanu z tychże wyrobisk odbywa się za pomocą rurociągów
przechodzących przez wylotowe tamy izolacyjne poddanych pod działanie depresji powierzchniowej stacji odmetanowania. Pompa wodokrężna jest wówczas nieczynna a układ zaworów na
rurociągach dopasowany do ujmowania metanu z przestrzeni otamowanej. Przytoczone dwa
cykle będą stosowane przemiennie odpowiednio do sytuacji w zakresie możliwości wykorzystania metanu dla celów gospodarczych.
Przebieg ujęcia (odpompowywania) metanu z wyrobisk, w których zmagazynowano go za
pomocą dołowej stacji przetłaczania gazu, będzie objęty kontrolą o zakresie obowiązującym
powszechnie w procesie odmetanowania.
4. Skojarzony układ energetyczno-chłodniczy dla potrzeb klimatyzacji centralnej
KWK "Pniówek"
Kopalnia "Pniówek" prowadzi eksploatację pokładów grupy 300 zalegających na głębokości 700-1000 m i charakteryzujących się bardzo dużym zagrożeniem metanowym oraz wysoką
temperaturą pierwotną górotworu. Temperatura pierwotna górotworu dla poszczególnych
_______________________________________________________________
148
____________________________________________________________________________
Rys. 3.4 Stacja przetłaczania gazu
poziomów wynosi od 29,5ºC na poz. 705 m do 43,5ºC na poz. 1000 m. Pogarszanie się
warunków klimatycznych w wyrobiskach eksploatacyjnych i przygotowawczych w KWK
"Pniówek" skłoniły kierownictwo Kopalni i Spółki do budowy klimatyzacji centralnej.
Przeprowadzone obliczenia prognostyczne warunków klimatycznych w wyrobiskach górniczych Kopalni w latach 1999-2005 wykazały, że w celu utrzymania temperatury powietrza na
wylocie ze ścian poniżej dopuszczalnej 28ºC, niezbędne jest chłodzenie powietrza wlotowego
do ścian. Moc chłodnic powietrza koniecznych do zainstalowania na wlocie do ścian wynosić
winna około 5000 kW. W wyniku przeprowadzonych analiz układów klimatyzacji centralnej
(Praca zbiorowa 1997, 1999) wybrano do zastosowania układ skojarzony energetycznochłodniczy oparty na silnikach gazowych i generatorach energii elektrycznej oraz chłodziarkach absorpcyjnych i sprężarkowych. Silniki gazowe zasilane będą metanem z odmetanowania
kopalni. Ciepło wytworzone w tym procesie wykorzystane będzie do przemiany w chłodziarkach absorpcyjnych i ochłodzenia medium do temperatury około 7ºC. Następnie poprzez
chłodziarkę sprężarkową woda o temperaturze 2,5ºC będzie sprowadzana izolowanym
rurociągiem o średnicy 300 mm na poziom 830 m, do trójkomorowej śluzy ciśnieniowej.
Natomiast powrotna woda z poziomu 830 m na powierzchnię do agregatu chłodniczego
transportowana będzie nieizolowanym rurociągiem o średnicy 300 mm. Przyrost temperatury
w trójkomorowej śluzie ciśnieniowej Siemag wynosi około 0,5ºC. Na poziomie 830 m zostanie
utworzona sieć niskociśnieniowych izolowanych rurociągów rozprowadzających zimną wodę
do chłodnic powietrza rozmieszczonych w rejonach eksploatacyjnych.
Część wytworzonej przez generator energii elektrycznej służyć będzie do zasilania
sprężarek śrubowych i uzyskania dalszego ochłodzenia medium do temperatury około 3ºC.
_______________________________________________________________
149
____________________________________________________________________________
Pozostała ilość energii elektrycznej i ciepła wykorzystana będzie na potrzeby ruchowe kopalni.
Przyjęty układ centralnej klimatyzacji w warunkach kopalni "Pniówek" o docelowej mocy 5,0
MW będzie realizowany w dwóch etapach. W pierwszym etapie przewidziane jest
uruchomienie systemu klimatyzacji centralnej dla mocy równej 2,5 MW, a dopiero w drugim
etapie osiągnie docelową moc chłodniczą 5,0 MW.
Taki skojarzony układ energetyczno-chłodniczy (rys. 4.1), w porównaniu do układów
opartych na zastosowaniu wyłącznie chłodziarek sprężarkowych, charakteryzuje się koniecznością poniesienia wyższych nakładów w pierwszej fazie realizacji inwestycji, natomiast od
momentu uruchomienia instalacji wpływy za sprzedaną energię elektryczną, ciepło i korzyści
uzyskane z zagospodarowania metanu są wyższe od ponoszonych kosztów eksploatacyjnych
instalacji. Zwrot nakładów inwestycyjnych nastąpi w tym przypadku około roku 2004, tj. po
6 latach realizacji przedsięwzięcia.
Na rysunku 4.1 zostały przedstawione parametry skojarzonego układu energetycznochłodniczego.
5. Eksploatacja metanu ze zlikwidowanych kopalń węgla kamiennego
Likwidacji i zamykaniu podziemnych kopalń węgla kamiennego towarzyszy szereg
problemów technicznych (Jakubów, Nawrat 2000). Jednym z najważniejszych jest problem
zagrożenia metanowego ze strony powstałego w złożu węglowym zamkniętych kopalń
zbiornika poeksploatacyjnego napełnionego gazem.
Zlikwidowanie kopalni metanowej pociąga za sobą problem zapewnienia bezpieczeństwa
na terenach leżących nad wyeksploatowanymi złożami. Znane są z doświadczeń zagranicznych
przypadki przenikania metanu na powierzchnię w ilościach stwarzających zagrożenie zapaleniem lub wybuchem mieszanki metanowo-powietrznej w obiektach przemysłowych i socjalnych. Możliwości przenikania metanu na powierzchnię są bardziej prawdopodobne w przypadku eksploatacji płycej zalegających złóż węglowych, na terenach o bogatej tektonice ułatwiającej migrację metanu na powierzchnię, czy też braku szczelnych, nieprzepuszczalnych warstw
pokrywających złoże węglowe. Szczególne zagrożenie może zaistnieć w przypadku eksploatacji węgla pod miastami i terenami przemysłowymi (Berger 1999).
Z uwagi na wysokie koszty jednostkowe produkcji i związaną z tym trwałą nierentowność
kopalni w styczniu 1998 r. podjęto decyzję o zatrzymaniu ruchu kopalni "Morcinek". Z dniem
01.11.1998 r. zostało zatrzymane wydobycie kopalni. Z chwilą podjęcia decyzji o zatrzymaniu
ruchu kopalni zaczęto rozważać różne koncepcje jej likwidacji, uwzględniając przy tym m.in.
występujące zagrożenie gazowe oraz sposób ujmowania metanu po zlikwidowaniu zakładu
górniczego. W tym celu w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie opracowano „Projekt
likwidacji KWK „Morcinek” i zagospodarowania metanu w zlikwidowanej kopalni”.
Prowadzona eksploatacja górnicza w obszarze górniczym Kopalni Morcinek spowodowała
naruszenie górotworu i wytworzenie stref desorpcji charakteryzujących się spękaniem
i zeszczelinowaniem umożliwiającym wypływ metanu. Pomimo zaniechania eksploatacji nadal
źródłem metanu mogą być stare zroby wyeksploatowanych ścian. W przestrzeniach starych
zrobów metan gromadzi się na skutek naturalnej degazacji pozostałych po eksploatacji resztek
węgla, oraz dopływu z powstałych w górotworze spękań. Zmiany ciśnienia mają istotny wpływ
na intensywność emisji ze zrobów. Ten gromadzący się metan może być odprowadzony
poprzez wytworzenie strefy obniżonego ciśnienia i dalej może być ujmowany szczelnymi
rurociągami i wyprowadzany na powierzchnię. Dlatego też możliwe było określenie wielkości
_______________________________________________________________
150
____________________________________________________________________________
Rys. 4.1 Parametry skojarzonego układu energetyczno-chłodniczego
ujmowanego metanu w zależności od lokalizacji i ilości źródeł depresji. Przeprowadzona
analiza zasobów metanu potwierdzała możliwość bezpiecznego ujmowania metanu po
otamowaniu kopalni. Prognozowano możliwość ujmowania następujących ilości metanu:
- w roku 1999 maksymalnie 11,86 m3/min, tj. średnio ok. 4,7 mln m3,
- w roku 2003 maksymalnie 5,08 m3/min, tj. średnio ok. 2,5 mln m3,
- w roku 2008 maksymalnie 3,73 m3/min, tj. średnio ok. 1,8 mln m3.
Zasoby bilansowe metanu jako kopaliny towarzyszącej na obszarze górniczym KWK
„Morcinek” wynoszą 68,9 mln m3.
Prognozowano że, przez okres około 9-ciu lat możliwe będzie ujęcie systemem
odmetanowania około 25 mln m3 metanu. Możliwe więc byłoby ujecie ok. 36% zasobów
bilansowych metanu na obszarze zlikwidowanego zakładu górniczego KWK „Morcinek”.
Metan ten miał być odprowadzany zarówno z otworów drenażowych wywierconych do
zrobów wybranych przestrzeni jak i w zależności od intensywności źródeł zza tam
izolacyjnych.
W nawiązaniu do powyższych rozważań przyjęto do realizacji koncepcję pozostawienia
odmetanowania związanego z prowadzonymi robotami górniczymi oraz wykonanie nowych
źródeł ujęcia metanu. W tym celu pozostawiono sieć rurociągów odmetanowania
_______________________________________________________________
151
____________________________________________________________________________
i jednocześnie wykonano w kilku rejonach otwory drenażowe do zrobów w pokładach 404/1-2,
406/1 i 406/2 (Nawrat i in. 1999).
Niestety odmetanowanie górotworu wg powyższego projektu realizowane było do września
1999 r. W trakcie likwidacji szybu III wystąpiły trzykrotne ucieczki materiału zasypowego do
wyrobisk poziomych kopalni, co było prawdopodobną przyczyną przerwania sieci rurociągów
odmetanowania. Z uwagi na w/w zasoby metanu planowana jest eksploatacja gazu ze złoża
byłej Kopalni "Morcinek".
6. Podsumowanie
W kopalniach JSW.SA. wydziela się podczas eksploatacji duża ilość metanu z czego
znacząca część (~ 60%) wyprowadzana jest do atmosfery za pomocą systemu wentylacyjnego,
natomiast w ciągu roku ujmowane jest przez system odmetanowania około 100120 milionów
metrów sześciennych. Najwyższą metanowość obserwuje się w kopalni „PNIÓWEK”, gdzie
wydzielanie metanu w 1999 r. stanowiło ponad 45% w skali całej spółki. W kopalni tej ujmuje
się około 53 milionów metrów sześciennych metanu przy efektywności systemu odmetanowania około 43%.
Wzrost efektywności odmetanowania oraz pełne wykorzystanie ujętego gazu może
przynieść bardzo znaczne efekty ekonomiczne. I tak na przykład wzrost efektywności o 1%
daje w skali roku ponad jeden milion metrów sześciennych uzyskanego gazu o wartości około
200 tys. złotych. Poprawa efektywności odmetanowania i zagospodarowania ujętego gazu ma
również istotny wpływ na ochronę środowiska, gdzie metan powoduje efekt cieplarniany oraz
wpływa na stężenie ozonu w górnych warstwach atmosfery. Zjawiska te znacznie wpływają na
globalne zmiany klimatyczne.
Przykładem właściwego kierunku działań w kopalniach JSW S.A. są przedstawione
w niniejszym referacie racjonalne i proekologiczne rozwiązania technologiczne, ograniczające
odprowadzanie metanu do atmosfery, a przede wszystkim opłacalne ekonomicznie rozwiązania
jego odzyskiwania, magazynowania nadmiarów i właściwego wykorzystania w elektroenergetyce.
W czynnych, a także likwidowanych kopalniach metanowych jest możliwość adaptacji
otamowanych wyrobisk korytarzowych, jak i nieczynnych szybów na zbiorniki do technologicznego gromadzenia metanu. Dzięki tym zbiornikom ograniczamy emisję metanu do
atmosfery, umożliwiając jednocześnie wzrost jego zagospodarowania. Również wzrost
temperatury pierwotnej skał, w związku z powiększającą się głębokością eksploatacji
i związana z tym konieczność stosowania klimatyzacji może być sposobem na zwiększenie
zagospodarowania metanu.
W świetle powyższego zagadnienia przedstawione w referacie zagospodarowania metanu
pozyskiwanego systemem odmetanowania w kopalniach JSW S.A. w większym procencie jest
ze wszechmiar uzasadnione.
Literatura
[1] Berger J. 1999: Eksploatacja metanu ze zlikwidowanych kopalń węgla kamiennego. Nowy
Przemysł, nr 12, s. 54-55.
[2] Berger J., Nowak E. 1999: Pozyskiwanie metanu metodami wiertniczymi z wyrobisk podziemnych
i z powierzchni. Wiadomości Górnicze, nr 2.
_______________________________________________________________
152
____________________________________________________________________________
[3] Jakubów A., Nawrat St. 2000: Techniczne problemy likwidacji kopalni węgla kamiennego
„Morcinek”. Mat. Szkoły Eksploatacji Podziemnej 2000, Polska Akademia Nauk Instytut
Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią, Sympozja i Konferencje nr 41, tom 2, Kraków
[4] Nawrat St., Gatnar K. 1999: Ujęcie i gospodarcze wykorzystanie metanu pokładów węgla z obszaru
górniczego Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A. Wiadomości Górnicze, nr 1 s. 37-43.
[5] Nawrat i in. 1999: Prognozowanie zagrożenia metanowego i stosowana prewencja w kopalniach
czynnych i likwidowanych Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A. Materiały Konferencyjne
Międzynarodowej Konferencji na temat: "Najnowsze osiągnięcia w zakresie przewietrzania kopalń
oraz zwalczania zagrożeń pożarowych, gazowych i klimatycznych", Szczyrk, 22 - 24.04.1999 r.
Główny Instytut Górnictwa, Katowice, s. 481-498
[6] Nawrat St., Jakubów A. 2000: Materiały na posiedzenie Komisji ds. Zagrożeń Metanowych,
Pożarowych, Wybuchem Pyłu Węglowego oraz Przewietrzania i Klimatyzacji w Podziemnych
Zakładach Górniczych dla zaopiniowania projektu pt.:"Technologiczne gromadzenie metanu
w nieczynnych wyrobiskach dołowych kopalń "Krupiński" i "Pniówek"", Suszec - KWK
"Krupiński" 12 stycznia 2000.
[7] Kubla J. I in. 1998: Zagospodarowywanie metanu w kopalniach węgla kamiennego na przykładzie
kopalni "Morcinek". Budownictwo Górnicze i Tunelowe, nr 3, s.14-19.
[8] Praca zbiorowa 1997: Badania nad doborem technologii poprawy warunków klimatycznych
w wyrobiskach górniczych w oparciu o klimatyzację centralną. Akademia Górniczo-Hutnicza,
Katedra Górnictwa Podziemnego, Kraków (niepublikowana).
[9] Praca zbiorowa 1999: Opracowanie dokumentacji technicznej skojarzonego układu centralnej
klimatyzacji KWK "Pniówek" na lata 1999-2000. Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Górnictwa
Podziemnego, Kraków (niepublikowana).
Environmentally friendly methane utilization technological solutions in
Jastrzębska Coal Companys’ mines
What have been presented in this article are the general characteristics of the methane risk
in the coal mines of Jastrzębska Spółka Węglowa S.A and the actions aiming at preventing the
creation of the methane concentration exceeding the acceptable doses specified in the
obligatory regulations. 40 percent of (average annual) methane released during mining is
captured under depression of central mineheaded vacuum pump stations to the pipe-lines and
transported to the surface; circa 60 percent of methane is carried out of mine openings together
with mine air. It also describes the methods of drainaged methane management and
environmentally friendly technical solutions, which are new approach to efficient and
economical utilizing of natural reserves.
_______________________________________________________________
153

Antoni JAKUBÓW, Stanisław NAWRAT Proekologiczne rozwiązania t

Transkrypt

Podobne dokumenty

bardzo dobry interes

Recenzja 1

Monitoring mediów