The problem of carbon dioxide emissions from closed coal mine shafts – the overview and the case study

Greenhouse gas emissions are a common problem noticed in every mining area just after mine closures. However, there could be a significant local gas hazard for people with continuous (but variable) emission of these gases into the atmosphere. In the Upper Silesia area, there are 24 shafts left for water pumping purposes and gases can flow through them hydraulically. One of them – Gliwice II shaft – was selected for inspection. Carbon dioxide emission with no methane was detected here. Changes in emission and concentration of carbon dioxide around the shaft was the aim of research carried out. It was stated that a selected shaft can create two kinds of gas problems. The first relates to CO2 emission into the atmosphere. Possible emission of that gas during one minute was estimated at 5,11 kg CO2/min. The second problem refers to the local hazard at the surface. The emission was detected within a radius of 8m from the emission point at the level 1m above the ground. These kinds of matters should be subject to regular gas monitoring and reporting procedures.

Emisja gazów cieplarnianych jest problemem dotyczącym wszystkich zagłębi górniczych węgla kamiennego na świecie. Problem ten nie kończy się wraz z likwidacją zakładów górniczych. Jako najbardziej prawdopodobne źródła emisji metanu lub/i dwutlenku węgla ze zlikwidowanej kopalni uznawane są uskoki tektoniczne, zlikwidowane lub nieczynne szyby kopalniane, obszary wychodni pokładów węgla, krawędzie dawnej płytkiej eksploatacji itd. (Czaja, 2011; Dziurzyński et al., 2004; Sułkowski & Wrona, 2006). Wypływy gazów cieplarnianych na powierzchnię terenu po pierwsze oddziałują negatywnie na stan atmosfery, a po drugie mogą tworzyć lokalne, tym niemniej przejściowe, zagrożenie dla bezpieczeństwa powszechnego. W pierwszym rozdziale artykułu przedstawiono obecny stan wiedzy na świecie dotyczący poruszanego zjawiska. Stanowiło to przesłankę do podjęcia badań, których rezultaty przedstawiono w kolejnych rozdziałach. Stwierdzono także, że w żadnym kraju nie są prowadzone procedury pomiarów i raportowania emisji gazów cieplarnianych z obiektów tego typu. Następnie przedstawiono wyniki badań dotyczących emisji dwutlenku węgla z wybranego, nieczynnego szybu górniczego oraz imisji tego gazu w otoczeniu szybu. Na obszarze Górnego Śląska pozostawiono 24 szyby kopalniane dla prowadzenia odwadniania. Są to szyby aerodynamicznie drożne. Do badań wybrano jeden z nich, nieczynny szyb „Gliwice II”. Podczas badań wstępnych stwierdzono znaczące ilości wypływającego dwutlenku węgla przy braku obecności metanu w mieszaninie gazów. Jako, że emisja gazów ze zlikwidowanej kopalni ku atmosferze może być porównana z emisją gazów ze zrobów do powietrza płynącego poprzez czynna kopalnię (Krach, 2004; Drzewiecki, 2004), uznane jest, że zależy od wielu czynników (w tym głównie od wahań ciśnienia atmosferycznego, ale także od różnicy gęstości gazów i powietrza atmosferycznego (Grzybek, 2012; Wrona et al., 2014). Harmonogram badań przewidywał okresowe pomiary od lutego do maja 2014r. głównie w trakcie zniżek barycznych. Pomiary emisji prowadzono na trzech zidentyfikowanych otworach wylotowych w płycie zamykającej szyb (Fig. 2-3). W każdym otworze przeprowadzono badania wstępne dotyczące określenia jednorodności koncentracji gazu w całym profilu. Do pomiarów prędkości powietrza zastosowano metodę trawersu ciągłego. Stwierdzono, że największa wartość emisji dwutlenku węgla wyniosła 2,69 m3/min (Tab. 2), co przy uwzględnieniu średniej gęstości tego gazu (1,9 kg/m3) odpowiada 5,11 kg/min. Otrzymany wynik jest wartością chwilową, natomiast daje pogląd na możliwą skalę maksymalnej emisji. Otrzymano także nowe wyniki dotyczące wpływu różnicy pomiędzy temperaturą gazu, a temperaturą atmosfery na wielkość emisji gazu. Dnia 14.03.2014 pomimo zniżki barycznej o tendencji –0,53 hPa/h wielkość emisji dwutlenku węgla dochodziła do 1,66 m3/min (Tab. 2). Natomiast 28.02.2014 pomimo spadku ciśnienia o mniejszej wartości tendencji barycznej, wynoszącej –0,4 hPa/h, wartość emisji była największa. Analizując wyniki przeprowadzonych pomiarów psychrometrycznych powietrza atmosferycznego i gazu stwierdzono, że w pierwszym przypadku różnica temperatur gazu i atmosfery wynosiła –0,1°C, natomiast w drugim przypadku 6,0°C. Pomiary emisji dwutlenku węgla wokół szybu „Gliwice II” prowadzono na poziomie gruntu i na wysokości 1m nad gruntem w oparciu o założoną siatkę pomiarową (Fig. 3). W każdym z punktów pomiarowych pozostawiono detektor gazów MulitRae Plus (z automatycznym zapisem danych) na czas dwóch minut z ustawionym interwałem próbkowania 30 sekund. Otrzymane cztery wyniki dla każdego punktu następnie uśredniono. Mapy izolinii stężenia dwutlenku węgla wokół szybu Gliwice II wykonano w programie Surfer 8. Przykład z 21.05.2014 przedstawiono na Fig. 5. Stwierdzono, że zasięg podwyższonego stężenia dwutlenku węgla może sięgać 8 m od punktowego źródła emisji na wysokości 1 m, a na poziomie gruntu może tę wartość przekraczać.