Wentylacja w kopalni jest konieczna, bo rozcieńcza metan do poziomów bezpieczniejszych dla górników. Ten sam strumień powietrza, po przejściu przez wyrobiska, wynosi metan na powierzchnię i dokłada cegiełkę do emisji gazów cieplarnianych. Autorzy nowej pracy pokazują, że da się prześledzić tę drogę znacznie dokładniej, jeśli połączy się pomiary stężenia gazów z ich podpisem izotopowym i analizą domieszek chemicznych.
Węgiel i metan (CH4) od lat są splecione nie tylko w statystykach energetycznych, ale też w geologii i w codzienności kopalń. Metan uwalnia się podczas urabiania pokładu, z zawału i ze spękanych skał, a potem trafia do atmosfery głównie dwoma drogami – przez odmetanowanie oraz przez powietrze wentylacyjne.
Geolodzy i fizycy z Krakowa, Wrocławia oraz Warszawy we współpracy z kolegami z Francji i Holandii w nowym artykule opublikowanym w czasopiśmie naukowym International Journal of Coal Geology przypominają, że upuszczanie metanu w trakcie podziemnego wydobycia jest istotną częścią globalnego budżetu CH4, a Górnośląskie Zagłębie Węglowe wyraźnie wpływa na regionalne stężenia metanu w powietrzu.
W tej pracy badacze chcą udokumentować i wyjaśnić, jak zmieniają się stężenia oraz izotopowy skład metanu i CO₂ wzdłuż całej ścieżki migracji, od rejonu ściany wydobywczej, przez chodniki i szyby wentylacyjne, aż po smugę (plume) gazu nad wylotem szybu. Dodatkowo analizują jeszcze osobne, często pomijane źródło, czyli emisje podczas transportu świeżo wydobytego węgla taśmociągami.
Zespół prowadził wielokrotne kampanie pomiarowe w czynnej kopalni w polskiej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego, pobierając próbki w wielu punktach wyrobisk, w szybach oraz w smudze emisji, po stronie zawietrznej względem źródła. Równolegle pobierano powietrze tuż nad taśmociągami na całej trasie ok. 3650 m od ściany do podziemnego składowiska, a także próbki znad węgla składowanego na zwałowisku na powierzchni. W celu weryfikacji co dzieje się w wyeksploatowanych i częściowo zalanych rejonach kopalni, przeanalizowano także skład wody kopalnianej pobranej z głębokości około 500 m. Badacze oznaczyli w niej różne izotopy tlenu i wodoru, aby ocenić domieszki wód infiltrujących z powierzchni i warunki sprzyjające wtórnemu powstawaniu metanu.
W wyniku analizy stworzonej mapy gazów badacze zauważyli przede wszystkim bardzo czytelny efekt rozcieńczenia. W wyrobiskach powietrze powrotne zawierało typowo ok. 0,35-1,75% CH4, a lokalnie, zwłaszcza przy załamaniach i zwężeniach chodników, do ok. 2,3%. Polskie przepisy uznają stężenia poniżej 0,5% za niezagrożone wybuchem. Wraz ze wzrostem odległości od ściany ku szybowi i przy większej intensywności wentylacji stężenia spadały. Zawartość CO2 była we wszystkich przypadkach względnie stała, rzędu 0,08-0,14%.
Z drugiej strony skład izotopowy węgla w CH4 i CO2 pokazał, że próbki powietrza nie tworzą jednorodnego strumienia gazu. Tam, gdzie metan się kumulował (np. w miejscach spowolnienia przepływu) bywał czasem wzbogacony w cięższy izotop 13C. Badacze wiążą to z frakcjonowaniem dyfuzyjnym. Oznacza to, że cząsteczki z lżejszym 12C przemieszczają się szybciej w mikroporach węgla i szczelinach, więc w strefie zalegania zostaje więcej frakcji cięższej. Jednocześnie nie widać równie prostego, powtarzalnego wzorca dla izotopów wodoru 2H, co sugeruje, że na w tym przypadku na wskaźniki silniej nakładają się różne procesy i warunki, takie jak migracja, mieszanie, gradienty temperatury, czynniki hydrologiczne.
Kolejny kluczowy wniosek z badań dotyczył pochodzenia metanu. W rejonie czynnego wydobycia dominował metan termogeniczny, czyli powstały geologicznie, w głębi Ziemi, w wyniku przemian materii organicznej. Natomiast w partiach wyeksploatowanych i częściowo zalanych pojawiały się sygnały bardziej mikrobiologiczne, czyli metan wyraźnie uboższy w 13C produkowany wtórnie przez mikroorganizmy. Tę interpretację wzmacniają dane z pomiaru wody. Izotopy 2H i 18O w jej cząsteczkach wskazują domieszkę wód infiltrujących z powierzchni, a wykrywalna aktywność trytu potwierdza obecność wody współczesnej pochodzenia opadowego w układzie.
Naukowcy pokazują także, że mechaniczne przemieszczanie i kruszenie węgla nasila desorpcję gazów (czyli ich uwalnianie z powierzchni i porów węgla). Wzdłuż trasy transportu w wyrobiskach pojawiają się zmiany izotopowe metanu i CO2 sugerujące dopływ gazu z różnych części złoża, a w jednym z punktów systemu widać konsekwentny sygnał metanu o mniejszej zawartości 13C, utrzymujący się dalej na odcinku transportu. Co więcej, próbki znad węgla składowanego na powierzchni miały jeszcze mniejsze zawartości 13C, co autorzy wiążą z możliwością wtórnej produkcji biogenicznego metanu podczas składowania.
Z pracy badawczej wynika także ważny wniosek dla osób odpowiedzialnych za bezpieczeństwo pracy w kopalniach. Poza CH4 i CO2 w powietrzu kopalnianym wykrywano szereg związków śladowych, m.in. związki aromatyczne z azotem (np. pirydynę), związki siarki, węglowodory, związki chlorowane, a także związki tlenowe, jak kwas octowy czy o-krezol. Co istotne, ich ilości silnie zależały od miejsca pobrania próbki. W pobliżu czynnej ściany było ich znacznie więcej niż w szybach, co autorzy interpretują jako wyraźny efekt rozcieńczenia podczas transportu powietrza.
Praca realizowana przez Akademię Górniczo-Hutniczą w Krakowie i Politechnikę Wrocławską we współpracy z innymi ośrodkami z Polski i zagranicy pokazuje, że metan nie jest jednorodnym tłem zawartym w powietrzu wentylacyjnym, lecz zmiennym strumieniem, którego źródła i skład są możliwe do identyfikacji po właściwościach izotopowych i domieszkach chemicznych. Może to przełożyć się na bardziej precyzyjne wskazywanie odcinków wyrobisk i etapów robót, w których rośnie ryzyko kumulacji metanu, a także na lepszą ocenę, ile gazu uwalnia się nie tylko w ścianie, ale też podczas transportu i składowania urobku.
Z perspektywy polityki klimatycznej w Polsce najważniejsze jest wzmocnienie podstaw do rzetelnych inwentaryzacji emisji. Różnice między szybami i w czasie są na tyle duże (od ok. 1,4 do 68,9 kg CH₄ na minutę), że decyzje o ograniczaniu emisji powinny opierać się na pomiarach i śledzeniu źródeł, a nie na wartościach uśrednionych. Innymi słowy, wyniki tej pracy badawczej dostarczają narzędzi do tego, by bezpieczeństwo pracy i cele redukcji metanu opierać na lepszej diagnozie, gdzie, kiedy i skąd metan trafia do powietrza.
źródło: naukawpolsce.pl
📩 Zapisz się na newsletter
Chcesz być na bieżąco z ekologicznymi treściami? Dołącz do newslettera i otrzymuj artykuły, poradniki oraz darmowe materiały do pobrania prosto na swoją skrzynkę. Dzięki nim łatwiej wprowadzisz ekologiczne zmiany w swoim życiu.
☕ Wesprzyj portal
Każdy artykuł to godziny pracy i poszukiwania rzetelnych informacji. Jeśli cenisz to, co robię, możesz postawić mi wirtualną kawę albo zostać Patronem na Patronite. Twoja pomoc daje mi siłę, by rozwijać portal, a dobra, mocna kawa wcale nie jest taka zła.
