W trakcie drążenia tuneli możliwe jest występowanie metanu oraz innych gazów, w tym węglowodorów

- W budownictwie tunelowym przez lata dominowało przekonanie, że zagrożenie metanowe dotyczy głównie kopalń węgla kamiennego - zwraca uwagę dr hab. inż. Stanisław Trenczek.

Drążenie tuneli w reżimie górniczym i to jeszcze w warunkach zagrożenia metanowego?  Jak najbardziej. Sprawę badali eksperci z Głównego Instytutu Górnictwa BIP, dr hab. inż. Stanisław Trenczek, kierownik Zakładu Aerologii Górniczej oraz dr inż. Marcin Karbownik, kierownik Laboratorium Analizy Gazów. Dziennikarzowi portalu netTG udało się z nimi porozmawiać. 

Od września 2023 r. drążenie tuneli w Polsce formalnie podlega przepisom ustawy Prawo geologiczne i górnicze. Czy to rzeczywiście przełom dla branży tunelingowej?

S.T - Zdecydowanie tak. Usunięcie z art. 2 ust. 1 pkt 4 sformułowania „z zastosowaniem techniki górniczej” spowodowało rozszerzenie zakresu interpretacyjnego przepisów, w wyniku czego drążenie tuneli, zarówno drogowych, jak i kolejowych, jest obecnie kwalifikowane jako roboty górnicze. Oznacza to m.in. konieczność sporządzenia Planu Ruchu Zakładu Górniczego oraz objęcie robót nadzorem organów górniczych, czyli przez dyrektora właściwego miejscowo urzędu górniczego. Kolejna, i to chyba przełomowa zmiana, ma miejsce wówczas, gdy tunel drążony jest w warunkach występowania węglowodorów, w tym metanu. Wówczas konieczne jest rozpoznanie zagrożenia metanowego oraz zaliczenie tunelu, na okres jego drążenia, do odpowiedniej kategorii zagrożenia metanowego.

Media szeroko opisywały przypadek wykrycia metanu podczas realizacji odcinka Droga ekspresowa S19 Rzeszów Południe – Babica. Czy zagrożenie gazowe było wcześniej niedoszacowane?

S.T. - W budownictwie tunelowym przez lata dominowało przekonanie, że zagrożenie metanowe dotyczy głównie kopalń węgla kamiennego. Tymczasem warunki geologiczne, szczególnie w rejonach takich jak flisz karpacki, mogą sprzyjać występowaniu metanu lub innych węglowodorów. Przypadek Drogi ekspresowej S19 pokazał, że gaz może ujawnić się na etapie odwodnienia, jeszcze przed drążeniem tunelu maszyną TBM. Najważniejsze, że po wykryciu gazu, doszło do przeprowadzenia dodatkowych badań, mających na celu określenie metanonośności masywu skalnego na długości planowanego drążenia tunelu. Badania te wykonane zostały w wyspecjalizowanym do tego Laboratorium Badań Gazów Zakładu Aerologii Górniczej. Na tej podstawie możliwe było sporządzenie przez GIG-PIB opinii o potencjalnym zagrożeniu metanowym, na podstawie której kierownik ruchu zakładu dokonał zaliczania tunelu do odpowiedniej kategorii zagrożenia metanowego.

Skąd właściwie bierze się metan w takich rejonach?

S.T. - Podczas drążenia tuneli z wykorzystaniem maszyn TBM możliwe jest występowanie metanu oraz innych gazów, w tym węglowodorów, których źródła są ściśle związane z lokalnymi warunkami geologicznymi i tektonicznymi. W przypadku fliszu karpackiego metan może występować, i występuje, również w różnych skałach osadowych, takich jak łupki, iły, margle czy piaskowce. Powstawał on w wyniku przemian materii organicznej lub migrował z głębszych poziomów geologicznych, by na koniec gromadzić się w porach oraz szczelinach skał. Jest to charakterystyczne w rejonie Karpat i zapadliska przedkarpackiego, gdzie występują struktury naftowe i gazowe. Dlatego też w trakcie drążenia możliwe jest napotkanie mieszanin węglowodorów gazowych. Szczególne znaczenie w tym kontekście ma obszar fliszu karpackiego, zbudowanego z naprzemianległych warstw piaskowców, łupków i margli, często intensywnie spękanych tektonicznie. Skały te zawierają materię organiczną, a system spękań i uskoków sprzyja migracji oraz lokalnej akumulacji gazów, w tym metanu. Dodatkowo gazy są też transportowane wraz z wodami podziemnymi w postaci rozpuszczonej, a ich wydzielanie następuje w wyniku obniżenia ciśnienia w trakcie robót tunelowych.

Co w praktyce stanowi największe zagrożenie i dlaczego metan w trakcie drążenia tunelu jest tak groźny?

M.K. Metan należy do gazów palnych o wysokim potencjale wybuchowym. W mieszaninie z powietrzem tworzy atmosferę wybuchową w zakresie stężeń około 5-15 proc. objętościowych, co odpowiada odpowiednio dolnej i górnej granicy wybuchowości. W tym przedziale stężeń nawet niewielkie źródło energii, takie jak iskra elektryczna, gorąca powierzchnia urządzenia czy energia mechaniczna powstająca podczas pracy maszyn, może zainicjować zapłon i gwałtowną reakcję prowadzącą do wybuchu. Szczególnie niebezpieczne jest to w środowisku robót podziemnych, takich jak drążenie tuneli czy wyrobisk górniczych, gdzie występuje ograniczona przestrzeń, złożone warunki wentylacyjne oraz koncentracja urządzeń mechanicznych i elektrycznych, które potencjalnie mogą stanowić źródło zapłonu. W takich warunkach nawet lokalne nagromadzenie metanu może doprowadzić do powstania atmosfery wybuchowej i propagacji fali ciśnienia wzdłuż wyrobiska, co znacząco zwiększa skalę skutków zdarzenia. Należy jednak podkreślić, że zagrożenie gazowe w trakcie robót podziemnych nie ogranicza się wyłącznie do metanu. 

Jakie inne zagrożenia gazowe, poza metanem, są brane pod uwagę podczas projektowania i prowadzenia prac związanych z drążeniem tuneli?

M.K. - W prowadzonych przez GIG badaniach uwzględnia się szerokie spektrum związków gazowych i węglowodorów, obejmujące zarówno lekkie węglowodory gazowe jak i inne gazy towarzyszące, a także związki występujące w fazie ciekłej lub w postaci par, które mogą stwarzać zagrożenie wybuchowe lub toksykologiczne. Do tej grupy należą m.in. lotne węglowodory aromatyczne, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne oraz frakcje węglowodorów ropopochodnych oznaczane poprzez indeks oleju mineralnego lub wskaźniki całkowitej zawartości węglowodorów naftowych. Potencjalne zagrożenie może wynikać zarówno z procesów desorpcji gazów z urobku skalnego, jak i z ich migracji w ośrodku porowym, a także transportu w środowisku wodnym, zwłaszcza z udziałem wód podziemnych lub płuczek wiertniczych stosowanych podczas wykonywania otworów rozpoznawczych i technologicznych.

Czy GIG nadal rozwija ofertę w zakresie tunelingu?

M.K. - Nasze podejście obejmuje cały cykl i opiera się na zasadzie kompleksowej oceny zagrożeń. Prowadzimy analizę od etapu rozpoznania górotworu po jego bezpieczną eksploatację. W prowadzonych działaniach integrujemy prace związane z realizacją badań terenowych i analiz laboratoryjnych, prognozowaniem zagrożeń gazowych oraz oceną warunków gazonośności górotworu. Obejmuje to również opracowywanie opinii rzeczoznawcy ds. ruchu zakładu górniczego z zakresu zagrożenia metanowego (grupa XV). Istotnym elementem naszych prac jest także wsparcie inwestorów i wykonawców w przygotowaniu dokumentacji wymaganej przepisami ustawy Prawo geologiczne i górnicze, w szczególności takich dokumentów jak Plan Ruchu Zakładu Górniczego oraz Plan Ratownictwa Górniczego. Ważnym etapem działań jest również doradztwo w zakresie wymagań bezpieczeństwa przeciwwybuchowego oraz przeprowadzenie procesu oceny zgodności i certyfikacji urządzeń w systemie ATEX, obejmujące w szczególności maszyny typu TBM oraz infrastrukturę towarzyszącą wykorzystywaną w robotach tunelowych.

Co oznacza zakwalifikowanie tunelu do kategorii zagrożenia metanowego?

M.K. - Kwalifikacja górotworu do odpowiedniej kategorii zagrożenia metanowego stanowi kluczową decyzję o charakterze zarówno organizacyjnym, jak i technicznym. Od jej wyniku uzależniony jest sposób projektowania i prowadzenia wentylacji wyrobisk, wymagania stawiane urządzeniom elektrycznym pracującym w strefach zagrożonych wybuchem, a także dobór systemów detekcji i sygnalizacji gazów oraz procedur ratowniczych. Szczególne znaczenie ma ona również z punktu widzenia realizacji inwestycji tunelowych, gdyż determinuje wymagania techniczne dotyczące maszyn drążących typu TBM oraz infrastruktury towarzyszącej. Proces kwalifikacji opiera się na wynikach badań laboratoryjnych właściwości gazonośnych skał oraz na prognozie dopływu gazów do wyrobiska w trakcie prowadzenia robót drążeniowych.

Jak zmieniła się rola dokumentacji formalnej?

S.T. - Drążenie tunelu odbywa się obecnie w oparciu o Plan Ruchu Zakładu Górniczego. Wspieramy wykonawców w opracowaniu wytycznych do Planu Ruchu, określeniu zasad monitoringu atmosfery, ustaleniu parametrów wentylacji oraz projektowania systemu wentylacji, przygotowaniu wytycznych dla Planu Ratownictwa Górniczego oraz analizie scenariuszy awaryjnych. To nie są dokumenty „na półkę”. To operacyjne instrukcje bezpieczeństwa.

Czy zatem polski rynek tunelingu jest gotowy na funkcjonowanie w reżimie Prawa górniczego i geologicznego?

S.T. - Tak, jednak wymaga to zmiany podejścia. Zagadnienie zagrożeń gazowych nie powinno być traktowane jako nieprzewidziany problem pojawiający się w trakcie realizacji inwestycji, lecz jako istotny parametr projektowy, który należy uwzględniać już na etapie koncepcji i projektowania tunelu. Współczesne technologie mechanicznego drążenia tuneli z wykorzystaniem maszyn TBM osiągnęły bardzo wysoki poziom zaawansowania. Realizowane są obiekty o średnicach przekraczających 15 metrów, przy wysokiej wydajności i znacznym stopniu automatyzacji procesów. Jednocześnie systemy bezpieczeństwa, w tym rozwiązania w zakresie ochrony przeciwwybuchowej, muszą rozwijać się równolegle z postępem technologicznym, aby zapewnić odpowiedni poziom bezpieczeństwa w warunkach potencjalnego występowania gazów palnych i innych węglowodorów mogących stwarzać zagrożenie wybuchem czy toksyczne.

Czy po wydrążeniu tunelu sprawa zagrożenia metanowego już nie ma swego ciągu dalszego?

S.T. - Pytaniem tym poruszył Pan niezwykle istotny problem. Otóż, jeszcze na etapie planowania drążenia tunelu Zakład Aerologii Górniczej prognozuje wielkość emisji metanu z masywu skalnego oraz potencjalne możliwości jego migracji do tunelu. W zależności od poziomu zagrożenia rekomendujemy bądź to rezygnację z utworzenia tzw. części podjezdniowej, bądź też proponujemy odpowiednie sposoby wentylacji tej części tunelu wraz z monitoringiem zagrożenia i odpowiednimi zabezpieczeniami. Natomiast wiedzę o rozpoznanym zagrożeniu metanowym, zdobytą w trakcie drążenia tunelu, GIG-PIB wykorzystuje przy opracowywaniu Dokumentu Zabezpieczenia Przed Wybuchem, który każdy tunel musi mieć. Dzięki tej wiedzy możliwe jest wskazanie odpowiednich rozwiązań techniczno-budowlanych, instalacyjnych, organizacyjnych i formalnych dotyczących danego tunelu, co zapewnia jego bezpieczne użytkowanie. Podsumowując można powiedzieć, że Główny Instytut Górnictwa służy swoją wiedzą i doświadczenie nie tylko typowemu, węglowemu górnictwu podziemnemu ale również jego „młodszemu kuzynowi”, czyli tunelingowi.