18.10.2017Ocena wpływu gradientu geotermicznego na proces sorpcji metanu w węglu kamiennym

labelPrace doktorskie

Temat rozprawy:

Ocena wpływu gradientu geotermicznego na proces sorpcji metanu w węglu kamiennym

Doktorant: mgr inż. Barbara Dutka

Promotor: dr hab. inż. Mirosław Wierzbicki

Recenzenci:

  • dr hab. inż. Marek Borowski, prof. AGH,
  • dr hab. inż. Józef Kabiesz, prof. GIG.

Termin obrony: 18 października 2017r. o godzinie 11-ej w Sali seminaryjnej IMG-PAN w Krakowie, ul Reymonta 27

Streszczenie pracy doktorskiej:

Tematyka pracy doktorskiej dotyczy analizy układu węgiel-metan w aspekcie jakościowego i ilościowego opisu zmienności pojemności sorpcyjnej oraz efektywnego współczynnika dyfuzji wraz z głębokością zalegania pokładów, ze szczególnym uwzględnieniem zmian temperatury złożowej (gradientu geotermicznego). Zagadnienie to ma istotne znaczenie dla górnictwa węgla kamiennego, z uwagi na eksploatowanie tej kopaliny z coraz głębiej zalegających pokładów. Najgłębszy poziom wydobywczy w Polsce sięga obecnie 1290 m (KWK ,,Budryk”). Średnia głębokość eksploatacji w polskich kopalniach węgla kamiennego systematycznie wzrasta w tempie około 8 m/rok. Biorąc pod uwagę wartość gradientu geotermicznego, wynoszącego około 1ºC na 33 m, można oszacować, że temperatura eksploatowanych pokładów zwiększa się średnio o 1ºC na cztery lata.
Prowadzenie wydobycia na większych głębokościach przyczynia się do intensyfikacji naturalnych zagrożeń gazowych w podziemnych zakładach górniczych. Za główną przyczynę nasilania się tych zagrożeń uznaje się wzrost zawartości metanu pochodzenia naturalnego w pokładach głębiej zalegających. Bez wątpienia, rosnąca metanonośność pokładów może wyjaśniać, obserwowany w ostatnich latach, znaczny wzrost metanowości względnej kopalń, pomimo spadku wydobycia.
Badania właściwości układu węgiel-metan należą do najważniejszych działań mających na celu rozpoznanie stanu zagrożenia metanowego oraz zagrożenia wyrzutami metanu i skał. W miarę wzrostu głębokości eksploatacji, parametry sorpcyjne układu węgiel-metan powinny podlegać ciągłej analizie, której kluczowym elementem winna stać się ocena trendów zmian tych parametrów. Analiza światowej oraz krajowej literatury przedmiotu nie dostarcza gruntownej wiedzy na temat wpływu głębokości na zmiany pojemności sorpcyjnej oraz efektywnego współczynnika dyfuzji. Przeprowadzone dotychczas badania laboratoryjne pomijają wpływ dwóch głównych czynników (zmian temperatury złożowej oraz uwęglenia pokładów), które należy analizować łącznie celem oceny zmian właściwości sorpcyjnych węgla z głębokością. W zaprezentowanej pracy uwzględniono zarówno zmiany temperatury złożowej, jak również zmiany stopnia uwęglenia pokładów, co umożliwiło określenie wpływu głębokości na wartość parametrów sorpcyjnych węgla – akumulacyjnych oraz kinetycznych. Prezentowana praca ma jednocześnie na celu wykazanie konsekwencji, wynikających ze zmienności właściwości sorpcyjnych pokładów zalegających na różnej głębokości, w zakresie kształtowania bilansu gazowego oraz rozkładu ciśnienia metanu w złożu.
W pracy opisano zjawisko sorpcji gazów w węglu kamiennym oraz wymieniono modele służące do jego opisu. Omówiono składniki bilansu całkowitej zawartości metanu w pokładzie. Przedstawiono podstawy fizyczne procesu dyfuzji, która stanowi zasadniczy mechanizm przenoszenia substancji sorbujących w próbkach węgla kamiennego. Przedstawiono model teoretyczny dyfuzji uniporowej, stosowany do wyznaczania efektywnego współczynnika dyfuzji metanu w substancji węglowej.
Szczegółowo omówiono parametry układu węgiel-metan stosowane w górnictwie polskim do oceny zagrożenia metanowego oraz wyrzutami metanu i skał. Wskazano na rolę ciśnienia złożowego metanu w ocenie zagrożeń gazowych. Dokonano również charakterystyki parametrów sorpcyjnych, które podlegały analizie w części laboratoryjnej.
Scharakteryzowano obszar górniczy, z którego pochodziły węgle przeznaczone do badań opisanych w niniejszej pracy.
W celu wstępnej oceny właściwości pojemnościowo-kinetycznych pokładów, przeprowadzono badania statystyczne wyników pomiarów metanonośności i wskaźnika intensywności desorpcji, wykonywanych w latach 2007-2014 przez Ruch Zofiówka. Opis statystyczny dotyczył analizy wspomnianych parametrów w kolejnych latach oraz ich rozkładu w obrębie poszczególnych pokładów. Przeanalizowano związek (współzależność) pomiędzy wskaźnikiem intensywności desorpcji i metanonośnością dla różnych pokładów Ruchu Zofiówka. Otrzymane rezultaty pozwoliły sądzić, że właściwości sorpcyjne pokładów, zarówno te związane ze zdolnością do akumulacji metanu, jak również właściwości decydujące o kinetyce sorpcji/desorpcji, zmieniają się z głębokością.
W celu określania zmian właściwości sorpcyjnych węgla z głębokością zalegania pokładów przeprowadzono badania laboratoryjne, obejmujące analizę techniczną węgla, pomiary gęstości i porowatości, badania petrograficzne oraz pomiary sorpcyjne. Badania przeprowadzono na 24 próbkach węgla pobranych z 15 pokładów zlokalizowanych w 7 partiach Ruchu Zofiówka kopalni ,,Borynia-Zofiówka-Jastrzębie”. Miejscom pobrania poszczególnych próbek przyporządkowano średnie głębokości zalegania pokładów, które wynosiły od 678 m do 995 m. Znajomość głębokości oraz wartości gradientu geotermicznego pozwoliła na przyporządkowanie poszczególnym próbkom średniej wartości temperatury złożowej. Zmieniała się ona w zakresie od 306.0 K do 315.1 K.
Pomiary sorpcyjne wykonano na próbkach ziarnowych metodą mikrograwimetryczną w warunkach izotermiczno-izobarycznych. Metoda ta, uznana za jedną z najnowocześniejszych i najdokładniejszych, pozwoliła na wyznaczenie izoterm sorpcji metanu w czterech temperaturach oraz rejestrację, a następnie opis kinetycznych aspektów tego procesu. Otrzymane parametry sorpcyjne korelowano ze stopniem metamorfizmu substancji węglowej, temperaturą oraz głębokością zalegania pokładów. Analiza otrzymanych wyników wykazała zmniejszenie pojemności sorpcyjnej węgla dla metanu oraz wartości efektywnego współczynnika metanu w węglu ze wzrostem głębokości zalegania pokładów Ruchu „Zofiówka”.
Na podstawie przeprowadzonych badań, prześledzono konsekwencje wynikające ze zmienności właściwości sorpcyjnych węgla z głębokością. W ramach dyskusji uzyskanych wyników przeanalizowano wpływ głębokości na zmiany: bilansu metanowego (proporcje pomiędzy zawartością metanu wolnego i metanu sorbowanego), wartości ciśnienia złożowego metanu, udział desorbowalnej zawartości metanu (maksymalna ilość metanu jaka może uwolnić się z pokładu naruszonego działalnością górniczą do wyrobiska), stratę metanu desorbowalnego oraz wartości mierzonych wskaźników intensywności desorpcji.
Obniżenie pojemności sorpcyjnej węgla oraz efektywnego współczynnika dyfuzji, w wyniku rosnącego uwęglenia pokładów i zmieniających się warunków temperaturowych w pokładzie, wpływają niekorzystnie na zagrożenia związane z obecnością metanu w pokładach węgla kamiennego. W pracy pokazano, iż wzrost metanonośności pokładów, powodowany zwiększającą się głębokością ich zalegania, nie jest jedyną przyczyną intensyfikacji naturalnych zagrożeń gazowych w kopalniach węglowych. Do nasilania się tych zagrożeń przyczyniają się również zmiany właściwości sorpcyjnych układu węgiel-metan, związane z rosnącą głębokością zalegania pokładów, co zostało wykazane w niniejszej pracy