Možnosti využití metanu z uzavřených dolů

Uzavírání dolů a havarijní situace

Překotné uzavírání dolů koncem minulého století a začátkem XXI. století, bylo spojeno s řadou nepříjemných situací, které musely být řešeny i havarijními zásahy HBZS, Ostrava Radvanice. Nebezpečné stavy, spojené s nekontrolovatelným výstupem plynu, se projevily ve všech lokalitách, kde k uzavírání došlo. Zvlášť zarážející je ale situace v oblasti Orlová. Překvapuje, že na pokyn vedení OKD i za souhlasu odborné organizace, v té době DPB Paskov, se přistoupilo k ukončení větrání a degazace na činných dolech, bez náležitého zhodnocení situace. Z geologického profilu v oblasti Orlová, obr. 1, muselo být zřejmé, že karbon vystupuje až na povrch a strmé sloje, spolu s výraznou tektonikou, přivedou metan z podzemí.

K řešení nebezpečných stavů, kdy metan ve výbušné koncentraci zaplnil řadu stavebních objektů, jako kanalizaci, sklepy, ale i místnosti polikliniky a dalších staveb, se pak začaly za státní peníze, zřizovat odplyňovací vrty. Ty měly plyn organizovaně svést. V lokalitě jich je k dnešnímu dni větší počet, přibližně kolem 50. Vrty splnily očekávaný záměr jenom částečně. V určitém omezeném okruhu (ne větším než 20 m), plyn svedly a v některých případech, v průběhu let, klesla koncentrace metanu i objemový průtok. To dokazuje, že zásoba plynu v podzemí se v účinném dosahu vrtu vyčerpala. Podle analýzy provedené v [4], uvádím příklady 2 vrtů s rozličným vývojem.

Na grafech obr. 2 a 3 jsou vyneseny nejvyšší hodnoty koncentrace metanu v příslušném roce a současně je vynesena hodnota rozdílu tlaku mezi podzemím a atmosférickým tlakem (dp). Je známo, že proudění na odplyňovacích vrtech je barometrickým tlakem velmi ovlivňováno. Při určité výši barometrického tlaku, v některých případech při hodnotě barometrického tlaku 101 500 Pa, se směr proudění mění. Pokud tlak stoupne, proudí vzdušiny do podzemí. Pokud tlak klesne, vystupuje metan z podzemí na povrch.

Na vrtu zřízeném na bývalé jámě Jiří II koncentrace metanu, od roku 2002, klesla až k nule.

Vývoj na vrtu MOV 4, který se nachází ve vzdálenosti několik desítek metrů západně od vrtu Jiří II., je ovšem vážnější. Ještě v roce 2011 vykazoval koncentraci CH4 přes 40 % (při poměrně vysokém tlaku na vrtu 300 Pa).

Obdobný vývoj je i na dalších vrtech v oblasti. To dokazuje, že i po dlouhém časovém období, přes 10 let, je v některých místech v podzemí ještě značná zásoba plynu. Poměrně znepokojující je skutečnost, že tak zvané aktivní vrty, které v době nižšího barometrického tlaku produkují metan, ho vypouštějí volně do atmosféry. Teprve v poslední době se začínají v lokalitě zřizovat kogenerační jednotky. Ty plyn využívají k energetickým účelům. Zatím takto ale nelze napojit všechny vrty, a proto nepříznivá okolnost znečišťování atmosféry trvá. Pro představu, jak by bylo možno toto znečištění kvantifikovat, byl v práci [4] využit institut emisních povolenek. Emisní povolenky jsou nástrojem, který by měl producenty, kteří znečišťují atmosféru nutit, aby toto riziko snižovali. Pro emise metanu z odplyňovacích vrtů, zatím žádný finanční postih stanoven není. Avšak s ohledem na přípravu legislativy, jak ji předpokládají mezinárodní organizace a u nás MŽP ČR, lze pro orientační stanovení ceny emisní povolenky využít [5 a 6]. Tam je uvedeno, že pro alokaci povolenek se určuje cena za 1 t ekvivalentního CO₂ ve výši 200,79 Kč.

Podle toho by pak cena emisní povolenky, například pro vrt OV 25 v roce 2006, dosáhla až cca 640 000 Kč.

Pro přepočet efektu skleníkových plynů na ovlivnění atmosféry se využívá kalkulátor [7], kterým se zjistí vztah mezi 1t plynu a 1t CO_2eq. Pro metan přibližně platí:

1t CH₄ = 20t CO_2eq.
Proto tak vysoká cena.

Z uvedeného přehledu vyplývá, že způsob uzavření dolů tak, jak jsme ho uplatnili v oblasti ostravských dolů a Orlové, je velmi problematický.

Uzavření původního dolu Paskov

Uzavření původního dolu Paskov, v roce 1994, už bylo provedeno daleko odborněji. Přerušilo se sice větrání, ale ponechala se v chodu degazační stanice. Jednotlivé řády degazačních potrubí byly vyvedeny za uzavírací hráze, jak je uvedeno na obr. 4. Tak se po dlouho dobu od uzavření až do současnosti (rok 2013), svádí z podzemí do energetické sítě stále významné množství plynu. Označujeme ho jako zbytkovou plynodajnost. Odsávací potrubí je vyvedeno i do hloubky – 490 m.

Společně s dalšími větvemi se tak získává plyn s emisí 0,243 m³CH4^s-1. [10].

Za rok se produkuje 7,6 až 10 mil. m³ metanu ve vysoké koncentraci. A taková produkce už trvá téměř 20 let. Tento příklad dokazuje, že zbytková plynodajnost v podzemí je poměrně značná. Zároveň jsme se přesvědčili, že čím větší je hloubka, do které je směrováno degazační potrubí, tím větší je efekt odsávání.

Uzavření současného dolu Paskov

Pro informaci, je napřed nutno objasnit názvy původní a současný důl Paskov. V jižní části revíru OKD existovaly 2 doly, Paskov a Stařič. Po uzavření původního dolu Paskov, se důl Stařič přejmenoval také na důl Paskov. Jestli dnes připravuje OKD uzavření dolu Paskov, je to vlastně původní důl Stařič. A právě pro jeho případné uzavření by bylo vhodné využít dosavadních zkušeností a neopakovat chyby z ostravské a orlovské části, které si mimo jiné vyžádaly řadu havarijních zásahů.

V osmdesátých letech minulého století jsme na původním dole Paskov vyvinuli metodu, kdy jsme degazovali sloje v předpolí porubu. Do té doby se všeobecně předpokládalo, že ze sloje lze získávat plyn, jen po odrubání, nad závalovým prostorem. Protože tam se vytvořily dostatečné podmínky k zvýšení permeability.

Princip degazace v předpolí porubu se zakládá na konceptu, že z chodeb vyražených pro základní otvírku se vyvrtají degazační a zavlažovací vrty, přibližně podle schématu na obr. 5.

Je také známo, že degazační vrty v předpolí porubu, původně nebyly příliš úspěšné.
V této zóně je permeabilita uhlí a průvodní horniny velmi nízká a nedochází k proudění plynu. Ale my jsme dokázali, že pokud se současně s vrty v hornině, vyvrtají a zavlaží vrty v uhlí, permeabilita se zvýší a nastane proudění metanu.

Degazační vrty na obr. 5 jsou označeny čerchovaně a u každého z nich je připsán úklon, od horizontální roviny, pod jakým jsou vedeny do nadloží sloje.

Zavlažovací vrty ve sloji jsou označeny plnou čarou a u každého je připsán údaj plánovaného a skutečného množství vody. Zavlažením sloje se docílila poměrně slušná produkce plynu. Odvedlo se i 50 % jeho celkové zásoby, před vlastním dobýváním.

K zhotovení vývrtů pro degazaci a zavlažování se používá poměrně jednoduchá technika, která je běžnou součástí provozu.

Pokud dnes už dospěla vrtací technika do takové úrovně, že je možno zhotovit vývrty mnohem větší délky (uvádí se až 3 000m), pak by to byl nepředstavitelný pokrok a objem důlních děl potřebných pro vrty, by významně klesl. To by také znamenalo minimální nároky na životní prostředí. [8].

Pro zavlažování se ve srovnání s odstředivým čerpadlem osvědčil zavlažovací agregát, multiplikátor, obr. 6, který pracuje s tlakem 20 MPa. Střídavý pulsní pohyb pístu umožňuje pozvolné vnikání vody do uhelné hmoty. Uhelné hmotě je poskytnuta možnost, vodu přijmout a rovnoměrně rozdělit. Při použití rotačního čerpadla, docházelo k porušení uhelné hmoty, voda po vzniklých trhlinách unikla a nedocílil se požadovaný efekt.

Velmi důležité je také spolehlivé utěsnění zavlažovacího vrtu, které je díky provedení dle obr. 7, 8, poměrně spolehlivé.

Jak se prokázalo, voda vtlačovaná do uhlí proniká ke kontaktním elementům a tím, mimo jiné snižuje pevnost uhelné hmoty. To má také vliv na průvodní horninu, zejména v nadloží a ve svých důsledcích způsobí uvolnění plynu z uhelné sloje
i jejího okolí. Zejména se přim tom produkuje volný plyn. Protože je současně se zavlažováním již funkční degazační systém, svádí se plyn v předpolí porubu.

Potřebné množství vody pro tento způsob je 8 – 10 litrů na 1 kubický metr uhelné hmoty.

Tento objem je nutno vypočítat před zavlažováním a v jeho průběhu kontrolovat skutečné množství podle vodoměru.

Setkali jsme se ale i se situací, že pouhé zavlažení sloje, nepřineslo požadovaný efekt v produkci plynu. V počáteční fázi zavádění metody, jsme ke zvýšení plynopropustnosti využívali bez výlomové trhací práce (BVTP). Příklad její aplikace v porubu 601403/2 na dole Paskov, je na obr. 9.

V tabulce 1, jsou uvedeny výsledky, jak BVTP zvýšila produkci metanu.

V další etapě zdokonalení způsobu degazace v neovlivněné zóně, jsme od BVTP přešli k ovlivnění nadloží zavlažením. Bylo to zejména z bezpečnostních důvodů, ale mělo to své výhody i po technické stránce. Prokázalo se, že tlakem vody jsme schopni zvýšit propustnost i pevných pískovcových vrstev a docílit stejný efekt jako při aplikaci BVTP. (Podrobnější údaje k BVTP a zavlažování nadloží viz Uhlí rudy geologický průzkum, 3/2013).

Vyslovit prognózu, jaký objem metanu by bylo možno produkovat z dolu, podle navrženého postupu, je velmi obtížné. Z výsledků v tabulce 1 a na obr. 9, ale můžeme zjistit, že produkce metanu na 3 vrtech byla cca 2 000 m³CH₄.^den-1, bez ovlivnění nadloží a cca 4 000 m³CH₄.^den-1 po ovlivnění nadloží. Tak připadá na 1 vrt produkce cca 666 m³CH₄.den-1, respektive 1 333 m³CH₄.den-1 při ovlivnění nadloží.

V předpokládaném způsobu získávání metanu je ale reálná koncepce, že by se z 1 společné chodby vrtaly degazační a zavlažovací vrty dovrchně i úpadně. A délka vrtu by mohla dosáhnout až 200m.

Produkce plynu by tak byla 3x větší než pro vrty délky 70m, které jsou v tabulce 1 a mohla by dosáhnout 2 000, respektive 4 000 m³CH₄.^den-1 4 000 m³CH₄.^den-1 odpovídá 0,046 m³CH₄.^s-1.

Výhřevnost 100 % metanu je 33 806 kJ.m^-3.

Potom možný teoretický výkon získaného plynu by byl 33 806 x 0,046 = 1555 kJ^.s-1 tj. 1 555kW z 1 degazačního vrtu.

Z toho pak vychází, že při 100 současně činných vrtech, bychom mohli produkovat výkon 155 500 kW tj., 155 MW. To je ovšem výkon teoretický. Praktický efekt bude mnohem menší., Podle některých údajů z Austrálie, je praktický výkon 4x nižší oproti teoretickému. Takže pro daný příklad z dolu Paskov by to mohlo být 40 MW. Ale i to je slušný efekt.

Navržený postup při zamýšleném útlumu dolu Paskov, by mohl přispět k určité ekonomické efektivnosti a poskytnout možnost zaměstnání pro řadu pracovníků.

Literatura

[1] http://www.infomine.com/investment/metal-prices/coal/

[2] http://www.tzb-info.cz/prehled-cen-uhli-a-koksu

[3] www.google shale gas obrazky

[4] Dolínková, K.: Ochrana životního prostředí při úniku metanu z oblastí s ukončenou hlubinnou těžbou v České republice. Doktorandská disertace VŠB – TU Ostrava, srpen 2013.

[5]. Google.com., Environmenal problems in Czech Republic

[6] www. google. com. CMM emission in Czech Republic

[7] http://www.epa.gov/cleanenergy/energy-resources/calculator.html#res

[8] http://en.wikipedia.org/wiki/Shale_gas

[9] Lát, J: Využití nových poznatků k řešení problematiky otřesů. Uhlí 10/1988.

[10] Prokop, P., Zapletal, P., Pěgřímek, I.: Prognosis of residual coal gas capacity made by the „Expres method“. International Journal of Minerals, Metalurgy and Materials, Volume 18, Number 2, April 2011, page 127, ISSN 1674-4799, impactovaný časopis.