Mathematical model of gas out tlow from abandoned coal mine through untight shaft under the influence of atmospheric pressure changes

• Autorzy: Sułkowski J. , Wrona P.

Warianty tytułu

PL

Model matematyczny wypływu gazów ze zlikwidowanej kopalni węgla poprzez nieszczelny szyb pod wpływem zmian ciśnienia atmosferycznego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Process of mine gas out flow from an abandoned coal mine has been observed in every coal basin. It was remarkable cause of hazard for environment and for the people because of high concentration of methane and carbon dioxide in the gases. Mathematical description of this process - occurring through untight, closed down shaft having proper contact area with goafs - has been presented in this article. The model is based on system of two differential non-linear equations with assumption of the absence of heat exchange and with the presence of aerodynamic resistance as lumped resistance 'for considered shaft. "Wyplyw v.l ,0" - software has been created to obtain the solution for the system of the equations. A lot of measurements of volume flow have been performed to take verification of the model. Volume flow of outflowing mine gases was being measured through gaps of concrete plate covering liquidated "]erzy". The shaft is located in the area of abandoned "Zabrze" coal mine. The measurements were being conducted in pseudo-continous way, it means the results were being taken every hour during pressure drops. Proposed model is correct description for this phenomenon.

PL

Problemy oddziaływania podziemnej kopalni węgla kamiennego na środowisko nie kończą się z chwilą jej likwidacji. Na terenach likwidowanych kopalń odnotowane są zjawiska osiadania terenu, podnoszenia zwierciadła wód prowadzące do zalania części terenów, samozagrzewania się składowisk odpadów pogórniczych oraz wypływy gazów kopalnianych na powierzchnię terenu. Wypływy gazów kopalnianych na powierzchnię po likwidacji kopalń zaobserwowano we wszystkich zagłębiach górniczych Europy. Były i wciąż są one przyczyną powstania zagrożenia dla środowiska, w tym dla człowieka, ze względu na stwierdzone duże stężenia m.in. metanu i dwutlenku węgla w wypływających gazach. Istnieje kilka rodzajów przepływu gazów kopalnianych ze zlikwidowanej kopalni w kierunku powierzchni: przepływ dyfuzyjny, filtracyjny, konwekcyjny oraz dyskutowany w niniejszym artykule hydrauliczny (jedno-wymiarowy) zachodzący we wszystkich otworach i szczelinach łączących podziemny zbiornik gazów z atmosferą. Zmiany parametrów fizycznych atmosfery (najistotniejsze są zmiany wartości ciśnienia atmosferycznego) są najważniejszymi przyczynami ruchu gazów i powietrza pomiędzy górotworem a atmosferą. W artykule przedstawiono matematyczny opis wypływu gazów kopalnianych przez nieszczelny, zlikwidowany szyb, mający kontakt z dostateczną objętością zrobów (rys. l ). Wynikiem obliczeń jest końcowa wartość natężenia objętościowego gazów kopalnianych wypływających z podziemnego zbiornika, posiadającego kontakt z atmosferą poprzez zlikwidowany szyb. Model reprezentuje układ dwóch równań różniczkowych, nieliniowych (5), o stałych skupionych przy założeniach braku wymiany ciepła z otoczeniem, przyjęciu objętości i masy akustycznej oraz oporów płyty zamykającej zlikwidowany szyb i oporu szybu. Układ równań (5) jest modyfikacją równań (3) i (4) opisujących przepływ powietrza w wyrobisku pod wpływem włączenia wentylatora. Wartość oporu zlikwidowanego szybu przyjęto na podstawie Polskiej Normy, a pozostałe potrzebne dane zaczerpnięto z dostępnej dokumentacji szybu i literatury dotyczącej oporów wyrobisk, a także na podstawie pomiarów wstępnych. Dla rozwiązania układu równań napisano program "Wypływ v.I,O". Program powstał w języku Delphi i został oparty o przykłady dołączone do książki "Metody numeryczne w Delphi 4". Przy napisaniu programu pomogli dr inż. 1. Krawczyk oraz mgr inż. T. Zbrożek. Do rozwiązania układu równań różniczkowych, nieliniowych zastosowano metodę Rungego-Kutty o zmiennym rzędzie. Program wykorzystuje prosty algorytm (rys. 2) uwzględniający zadane przez użytkownika dane (parametry zlikwidowanego szybu i umownego podziemnego zbiornika gazów) oraz zmiany ciśnienia atmosferycznego dla poszczególnych, godzinnych przedziałów czasowych. Rezultaty końcowe obliczeń dla poprzedniej iteracji są zarazem wartościami początkowymi dla kolejnej. Obliczenia są możliwe jedynie dla przypadku zniżek barycznych trwających maksymalnie dwadzieścia cztery godziny. W programie jest także opcja graficznej interpretacji zmian wydatku objętościowego wypływających gazów w czasie. W celu weryfikacji modelu przeprowadzono pomiary wydatku objętościowego gazów kopalnianych wypływających przez wybrany szyb "Jerzy" znajdujący się na terenie zlikwidowanej kopalni ,,Zabrze". Płyta zamykająca szyb jest mocno spękana i nie zawiera otworu zasypowego ani kominka. Pomiary prowadzone były w sposób quasi-ciągły, tj. w odstępach godzinnych w czasie trwających zniżek barycznych po uszczelnieniu płyty i pozostawieniu jedynie otworu zastępczego nad otworem o stwierdzonej wcześniej największej prędkości wypływających gazów. Uzyskane rezultaty pomiarów to przyrost wydatku objętościowego gazów kopalnianych równy 11,26 m3/min po 10 godzinach obserwowanego wypływu w dniu 13.10.2004 r. oraz przyrost równy 21,80 m3/min po 9 godzinach w dniu 18.01.2005 r. Porównanie rezultatów pomiarów i obliczeń potwierdza, że zaproponowany model opisuje zadowalająco badane zjawisko gdyż różnica rezultatu obliczeń w stosunku do rezultatów pomiarów wynosi +0,62 m3/min dla jednej godziny dla przykładu z 13.10.2004 r. oraz +O,33m3/min dla jednej godziny dla przykładu z 18.01.2005 r. Przeprowadzone pomiary zmian stężeń COz w gazach wypływających przez zlikwidowany szyb "Jerzy" oraz obserwacje rocznych zmian ciśnienia atmosferycznego pozwoliły na oszacowanie możliwej rocznej emisji COz z badanego szybu. Przy założeniu średniego stężenia COz równego 8% dla pojedynczej zniżki w wypływających gazach emisja wynosi 988 Mg/rok, co stanowi około 2,5% rocznej średniej emisji tego gazu określonej dla jednej czynnej kopalni z grupy kilku kopalń badanych przez J. Zgadzaj (EMAG).

Słowa kluczowe

EN

carbon dioxide; mine gas emission; abandoned mine; mathematical model

PL

dwutlenek węgla; emisja gazów kopalnianych; likwidacja kopalń; model matematyczny

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2006
• Tom: Vol. 51, no 1
• Strony: 89--99
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Sułkowski J.

autor

Wrona P.

• Instytut Geotechnologii, Geofizyki Górniczej I Ekologii Terenów Przemysłowych, Wydział Górnictwa I Geologii, Politechnlka Śląska, Ul. Akademicka 2,44-100 Gliwic, Poland

Bibliografia

• Baron, B., Marcol, A., Pawlikowski, S., 1999. Metody numeryczne w Delphi 4, Helion, Gliwice.
• Branny, M., 2003. Symulacja numeryczna przepływu powietrza w wyrobisku ślepym z wentylatorem wolnostrumieniowym, Archiwum Górnictwa, vol. 48, z. 4, s. 425-443.
• Bystroń, H., 1973. Analityczna metoda badania stabilności pracy wentylatorów głównych w kopalnianych sieciach wentylacyjnych traktowanych jako układy o stałych skupionych, Prace GIG, Komunikat nr 576, Katowice, s. 54.
• Bystroń, H., 2000. Główny i wtórny ciągi naturalne w kopalnianej sieci wentylacyjnej, Archiwum Górnictwa, vol. 45, z. 2, s. 171-198.
• Card, G.B., 1995. Protecting development from methane, Raport CIRIA nr 149.
• Drenda, J., 1980. Tama wentylacyjna jako dodatni regulator przepływu powietrza w kopalni, Rozp. dokt. ITEZ, Wydz. Górn. i Geol. Pol. Śl., s. 138.
• Dziennik Ustaw Nr79/98, poz. 513 z 17.06.1998 oraz Nr 4/01, poz. 36 z dnia 02.01.2001.
• Dziurowicz, M., 1979. Określenie szczelności oraz charakterystyk aerodynamicznych tam izolacyjnych, Rozp. dokt. ITEZ, Wydz. Górn. i Geol. Pol. Śl., s. 124.
• Dziurzyński, W., Krach, A., 2001. Pole prędkości przepływu powietrza w kanale kopalnianej stacji wentylacyjnej, Archiwum Górnictwa vol. 46, z. 3, s. 227-236.
• Dziurzyński, W., Krawczyk, J., 2001. Nieustalony przepływ gazów pożarowych w kopalnianej sieci wentylacyjnej symulacja numeryczna", Archiwum Górnictwa vol. 46, z. 2, s.119-137.
• Dziurzyński, W., Trutwin, W., 1978. Numeryczna metoda obliczania nieustalonego przepływu powietrza w kopalnianej sieci wentylacyjnej, Zeszyty Naukowe Akademii Górniczo Hutniczej nr 680, Górnictwo, Rok 2, Z. 1, s. 5-14.
• Eicker, H., 1987. Verlauf und Beherrschung der Ausgasung abgeworfener Grubengebaude, Gluckauf-Forschungshefte 48, nr 6, s. 324-328.
• Kopeć, E., 1974. Model matematyczny przepływu powietrza w bocznicy kopalnianej sieci wentylacyjnej, Prace Instytutu Organizacji i Kierowania, Cybernetyka stosowana i informatyka, Warszawa.
• Kotarba, J., 2002. Gas hazard in the near-surface zone of the Wałbrzych coal mine closure: geological and geochemical controls, Wyd. "Akapit", Kraków.
• Krach, A., 2004. Wpływ zmian ciśnienia barometrycznego na stężenie metanu w prądzie powietrza wypływającego z rejonu ściany z przyległymi zrobami - model matematyczny, algorytm obliczeniowy, Archiwum Górnictwa, vol. 49, z. 1, s. 43-53.
• Kral, V., Medak, J., 1999. Możliwości realizacji budownictwa na terenach zagrożonych emisją gazów kopalnianych na powierzchnię, Mat. Międz. Konf.: Najnowsze osiągnięcia w zakresie zwalczania zagrożeń pożarowych, gazowych i klimatycznych, 22-24.04.1999 Szczyrk, Wyd. GIG Katowice, s. 325-335.
• Krawczyk, J., 1993. Symulacja nieustalonego przepływu powietrza przez wentylator wywołanego załączeniem i wyłączeniem silnika, Zeszyty Nauk. Pol. Śl., 1993, Seria Energetyka, z. 118.
• Kulczycki, Z., Grzybek, I., 1999. Gazy kopalniane jako zagrożenie dla bezpieczeństwa powszechnego, Miesięcznik WUG, nr 1/1999, s. 16-25.
• Prandtl, L., 1956. Dynamika przepływów, PWN, Warszawa.
• Sułkowski, J., Kozłowski, B., Parchański, J., Wrona, P., Golda, G., Klimas, A., 2004. Emisja gazowa z wyrobisk poeksploatacyjnych obserwowana na terenie zlikwidowanej kopalni eksploatującej pokłady na stoku kopuły geologicznej, Mat. 3 Szkoły Aerologii Górniczej, Zakopane 12-15.10.2004.
• Szlązak, N., Obracaj, D., Borowski, M., 2001. Zagrożenie gazowe w strefie przypowierzchniowej w likwidowanych kopalniach, Mat. Szkoły Eksp. Podz., Kraków.
• Tracz, J., 1987. On the Applicability of Mathematical Models of Flow of Air and Gases due to an outburst in the Mine Ventilation Network, Archiwum Górnictwa, vol. 32, z. 1, s. 3-10.
• Trutwin, W., 1968. Modelowanie stanów nieustalonych w sieciach wentylacyjnych za pomocą urządzeń analogowych, Zeszyty Naukowe Akademii Górniczo-Hutniczej, Górnictwo, z. 19, Kraków.
• Wacławik, J., Białas, S., Branny, M., Roszczynialski, W., 1983. Algorytmy i programy wentylacji i klimatyzacji kopalń, Wyd. Śląsk, Katowice.
• Wasilewski, S., 2004. Ciśnienie barometryczne i jego zmiany w kopalniach głębinowych, Mat. 3 Szkoły Aerologii Górniczej, Zakopane 12-15.2004, s. 533-546.
• Zgadzaj, J., 1997. Problemy zanieczyszczenia środowiska gazami emitowanymi przez szyby wydechowe kopalń węgla kamiennego, Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa, nr 4(321), kwiecień, s. 33-39.