Reducerea impactului produs asupra mediului de gazul metan din minele de cărbuni din Valea Jiului

Gazul metan care însoţeşte zăcămintele de cărbuni s-a format ca produs în stadiile succesive ale procesului de transformare anaerobă a materialului vegetal în cărbune la temperaturi şi presiuni mari, în timpul procesului de încarbonizare, fără aport de oxigen din exterior [32].

Acest proces poate fi descris prin relaţia [76]: Ca Hb Oc Nd Se - C H O N S + (H2O, CO2, CH4 ) (1.1.)

În timpul procesului de metamorfism se modifică conţinutul de C, H, O astfel   a;  - b;  - c;   d;   e, ceea ce înseamnă o creştere a conţinutului în C - carbon, scade conţinutul de H - hidrogen şi O - oxigen, rămânând constant coţinutul în N - azot şi S - sulf. Pe durata procesului de metamorfism se formează apă şi bioxid de carbon, apa formându-se în primele faze de transformare a substanţei carbonifere.

În procesul de oxidare lentă, folosind oxigenul conţinut în plante rezultă produse gazoase, în special gaz metan şi bioxid de carbon datorate fermentaţiei metanice stimulată de microorganisme ca bacili (bacilus carbo) şi bacterii (micrococus carbo).

După cercetările lui K.Patteisky [89], la formarea unui metru cub de cărbune se pot forma până la 350 m3 gaz metan şi până la 200 m3 bioxid de carbon.

Totuşi, conţinutul actual de gaz al stratelor de cărbuni se deosebeşte de cel primar deoarece o parte din bioxidul de carbon s-a dizolvat în apă şi au migrat împreună prin fisurile şi porozităţile rocilor iar metanul de-alungul erelor geologice s-a pierdut datorită difuziunii prin rocile acoperitoare, sau a migrat sub influenţa presiunii proprii către rocile învecinate, migrare ce a fost favorizată de densitatea sa scăzută şi viteza de difuzie în roci care este de 1,6 ori mai mare decât a aerului. Deci, unul dintre factorii importanţi care determină conţinutul de gaz al stratelor de cărbuni este migraţia secundară. Acest proces decurge încet fapt pentru care stratele de cărbuni, cele aflate la adâncimi mari, păstrează un volum mare de gaze de ordinul a 50 - 60 m 3/ t, [99].

Asupra gradului de degazare a stratelor de cărbuni, o influenţă hotărâtoare au avut-o următorii factori: [103].

- Structura geologică a bazinului şi condiţiile de zăcământ ;

- Descopertarea şi durata ciclurilor de eroziune;

- Permeabilitatea la gaz a cărbunilor şi a rocilor înconjurătoare ;

- Tectonica bazinului carbonifer.

Referitor la porozitate, amintim în primul rând că ordinul de mărime al porozităţilor variază între limite largi, fapt ce are o importanţă deosebită asupra capacităţii de filtrare şi înmagazinare a cărbunilor.

Mărimea porilor s-a categorisit în: micropori (cu raza medie sub 50Å) care formează volumul de absorbţie al cărbunilor; pori intermediari (cu raza medie cuprinsă între 50 şi 500 Å) ce formează zonele de filtrare laminară lentă, filtrare laminară intensivă şi filtrare laminară turbulentă, funcţie de creşterea diametrelor porilor.

Metanul în cărbuni şi roci este înmagazinat în două forme şi anume sub formă de gaz liber şi sub formă de gaz legat.

Sub formă de gaz liber, metanul ocupă golurile din masiv - pori, fisuri, crăpături - reţinerea unei cantităţi mari de metan fiind în directă legătură cu suprafaţa interioară a cărbunelui, ce este legată de gradul de încarbonizare oscilând de la 30 - 120 până la 200 m2/g. (fig.1.1).

Fig. 1.1.Dependenţa dintre conţinutul de materii volatile şi suprafaţa interioară a porilor.

S-a convenit să se denumească într-un singur termen şi anume ,, sorbţie a metanului”, totalitatea gazului legat de masiv prin legături fizice.

Volumul de gaz înmagazinat în stare liberă şi volumul de gaz sorbit în masiv, depinde de valoarea absolută a presiunii gazului în masiv, fiind demonstrat faptul că la o presiune a metanului de 60 - 70 bari, circa 80 % - 90 % din gazul înmagazinat în cărbune se găseşte în stare liberă în porii cărbunelui. [37]

Ponderea emisiilor de metan din rocile sterile înconjurătoare este mică [48], lucru ce se explică prin conţinutul scăzut de gaze al acestora şi permeabilitatea extrem de mică al acestora.

1.2. Permeabilitatea la gaze a stratelor de cărbuni

Permeabilitatea se defineşte ca fiind aceea proprietate a mediilor poroase de a permite circulaţia mai uşoară sau mai grea a fluidelor prin golurilor lor [8]. Capacitatea de filtrare a stratului de cărbune depinde de integritatea masivului şi de presiunea gazului în masiv. Mişcarea gazelor în stratul de cărbune în zona nederanjată către zona de influenţă a lucrăriilor miniere, se realizează în exclusivitate prin macro şi micro pori, precum şi prin fisuraţiile primare de origine endogenă.

La baza teoriei filtrării gazelor stă legea lui Darcy care stabileşte legătura ce există între presiunea de frecare (h) şi volumul de gaz care se scurge în linie dreaptă prin porozitatea medie (Q) [98]:

(m3) (1.2)

unde: F - suprafaţa secţiunii stratului prin care circulă volumul de gaz, Q;

L - lungimea pe care se manifestă presiunea de frecare,

c - coeficient de filtrare, ce caracterizează simultan proprietăţile fluidului şi porozitatea medie.

Permeabilitatea este caracterizată deci de proprietăţile de bază ale porozităţii medii a stratelor. În formă generală prin permeabilitatea porozităţii medii a stratelor înţelegem capacitatea medie a acestora de a lăsa să pătrundă prin ea gaze şi fluide. Această proprietate de bază a porozităţii medii, în legătură cu filtraţia, este influenţată foarte mult de însuşiriile porozităţii medii şi de acelea ale gazelor sau fluidelor.

Cunoscând proprietăţiile de filtrare ale gazului şi debitul care se scurge, relaţia lui Darcy poate fi scrisă:

(1.3)

unde:

k - coeficient de permeabilitate la gaze;

γ - greutatea specifică a gazului (fluidului);

μ - coeficient de vâscozitate absolută a gazului (fluidului)

Rezultă deci;

(1.4)

Această relaţie este valabilă numai până la limita legii de filtrare liniară.

În aceste condiţii o importanţă deosebită o prezintă valoarea critică a numărului lui Reynolds (Re), care determină depăşirea legităţii liniare de filtrare.

(1.5)

unde:

u - viteza de filtrare;

m - porozitatea;

λ - vâscozitatea cinematică a gazului.

Numărul Reynolds în acest caz se află cuprins între limitele Re = 4 ÷ 12

Calculele arată că filtrarea gazului în stratele de cărbuni, în zona de influenţă a lucrărilor miniere se supune de regulă legii liniare [13].

Volumul de gaz care se scurge printr-o unitate de suprafaţă a stratului se numeşte viteză de filtrare. (1.6)

Viteza reală de deplasare a gazului în porozitatea medie se determină cu relaţia

sau (1.7)

Ca unitate de măsură a permeabilităţii în porozitatea medie se foloseşte darcy, care are valoarea de 10 - 8/ 0,981 cm2.

Această unitate de măsură exprimă permeabilitatea în porozitatea medie, prin care circulă un fluid cu μ =1centipoisi (0,01g/cm ∙ s), la o presiune p = 1Kg/cm2 pe o lungime de L = 1 cm