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 (ang. 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 proc. CH4, a lokalnie, zwłaszcza przy załamaniach i zwężeniach chodników, do ok. 2,3 pro. Polskie przepisy uznają stężenia poniżej 0,5 proc. 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 proc.

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. (PAP)

kmp/ agt/