Three-dimensional distribution of temperature and gas concentration in longwall drifts accompanying the phenomenon of self-combustion of coal deposited in longwall goafs

• Autorzy: Skotniczny P.

Warianty tytułu

PL

Trójwymiarowy rozkład temperatur i stężeń gazów w wyrobiskach ścianowych towarzyszący zjawisku samozagrzewania węgla zdeponowanego w zrobach ścianowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Self-combustion of coal deposit in a goafs area is common phenomenon in underground coal mines. The essence of this phenomenon is slow oxidation of coal leavings caused by air flow, which, in conjunction with insufficient heat transfer produces temperature rise above its ignition value. Main problem concerning self combustion phenomenon is proper estimation of the process scale. The most efficient way dealing this problem would be constant monitoring of mine atmosphere composition in selected region located inside goafs zone, but this kind of activity is impossible to realize mainly because of technical constrains. One of the solution assumes constant monitoring of air composition in upper comer, in this case however content of carbon monoxide could indicate already existing fire in the goafs, not the self heating conditions. Taking into account above observations, it would be good solution to utilize temperature sensors in longwall 's upper corner as an additional source of information concerning temperature changes in longwall, which depends, besides presence of eIectrical equipment also on goafs thermal activity. Of course one ought to calibrate sensors due to additional heat sources (cutter, conveyor etc.), but measured constant rise of temperature in this place could be the signal for early prevent action. Unfortunately this kind of solution meets the same constrains as previous one. Therefore the best solution for approaching this phenomenon is to deal with it numerically. Presented paper discuss results of three - dimensional CFD simulation of temperature and carbon monoxide propagation inside goafs -longwall complex. Because of high Reynolds number, Re > 105, which implies turbulent flow in longwall excavations, the calculation was realized using k-w-SST model (proved to be suitable by Wala). The simulation results are represent in a form of three-dimensional distributions of temperature inside goafs and longwall zone (fig. 9), carbon monoxide concentration (fig. 14) and as a two dimensional charts of temperature and carbon monoxide in selected places of goaf-Iongwall complex (fig. 11 and 16).

PL

Samozagrzewanie węgla zdeponowanego w zrobach ścianowych jest zjawiskiem powszednim w kopalniach węgla kamiennego. Istotą procesu jest powolne utleniania zdeponowanego w zrobach węgla dzięki dostępowi powietrza penetrującego przestrzeń zrobów. Zjawisko to jest naturalne i nieuniknione, jednakże jego niekontrolowany przebieg a w szczególności niedostateczny odbiór energii cieplnej zgromadzonej w obszarze zrobów może prowadzić do powstania ogniska pożaru endogenicznego, co bezpośrednio prowadzi do zagrożenia zdrowia i życia pracujących górników. Głównym problemem w walce z tym zagrożeniem jest właściwe ocenienie skali procesu. Najkorzystniejszym w tym przypadku rozwiązaniem byłby ciągły monitoring temperatury w różnych punktach w głąb zrobów, jednak tego typu działanie jest niemożliwe do realizacji ze względów technicznych oraz logistycznych; należałoby przezbrajać sieć czujników wraz z postępem ściany. Pewnym kompromisem mogłoby być monitoring składu chemicznego powietrza w górnym narożu, w którym obecność tlenku węgla jest wskaźnikiem zachodzącej reakcji prowadzącej do powstania pożaru endogenicznego. W tym przypadku samo badanie powietrza na zawartość CO może się okazać działaniem spóźnionym, ponieważ występowanie tlenku może być spowodowane istniejącym już ogniskiem pożaru. Mając na uwadze to spostrzeżenie interesującym podejściem może być dodatkowo wykorzystanie czujników temperatury badających rozkład temperatur w górnym narożu oraz w wyrobisku nadścianowym. W tym przypadku monotoniczne narastanie wartości temperatury średniej w przekrojach kontrolnych może być wskaźnikiem kumulacji temperatury w przestrzeni zrobowej. Oczywiście zastosowanie tej metody wiązałoby się z przeprowadzeniem kalibracji czujników w której należałoby wziąć pod uwagę chwilowe zmiany wartości temperatury spowodowane pracą urządzeń elektrycznych (kombajn, przenośnik zgrzebłowy itp.) lecz tego typu informacja mogłaby się okazać dobrym wskaźnikiem do rozpoczęcia akcji prewencyjnej mającej na celu doprowadzenie do wychłodzenia części materiału w zrobach a przez co zlikwidowania potencjalnego ogniska pożaru. W artykule omówiono wyniki trójwymiarowych symulacji CFD propagacji temperatury i tlenku węgla przy założeniu skupionego źródła temperatury w zrobach ścianowych oraz wyrobiskach ścianowych. Do wyznaczenie wielkości związanych z wymianą masy i energii zastosowano turbulentny model k-w-SST (równania I i 2) stosowany z powodzeniem w tego typu przypadkach (Wala i in., 2004) Ponadto wykonano obliczenia w przestrzeni zrobów przy założeniu równomiernej porowatości ośrodka, która wprowadza dodatkowy człon źródłowy (równanie II) w równaniach ruchu. Przestrzenne rozkłady stężeń tlenku węgla były modelowane dzięki sformułowaniu dodatkowego równania ruchu (równanie 14). Wyniki symulacji zostały przedstawione w postaci trójwymiarowych rozkładów temperatur w zrobach oraz przestrzeni wyrobisk ścianowych (rysunek 9) , przestrzennych rozkładów stężeń tlenku węgla (rysunek 14) oraz w postaci wykresów opisujących zmiany temperatur i stężeń w szczególnych miejscach kompleksu zroby-wyrobiska ścianowe (rysunki Iloraz 16). Omawiany przykład należy potraktować jako wstęp do dalszej analizy zagadnienia z zastosowaniern metod numerycznej mechaniki płynów do przewidywania zjawiska powstawania pożaru endogenicznego w zrobach ścianowych.

Słowa kluczowe

EN

longwall ventilation; carbon self-combustion; carbon monoxide emission

PL

przewietrzanie ściany; samozapłon węgla; zroby; emisja tlenku węgla

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2008
• Tom: Vol. 53, no 2
• Strony: 235--255
• Opis fizyczny: Bibliogr. 7 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Skotniczny P.

• Strata Mechanics Research Institute, Polish Academy of Sciences, ul. Reymonta 27, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• Elsner J.W., 1985. Turbulencja przepływów, PWN, Warszawa.
• Dziurzyński W., 1998. Prognozowanie procesu przewietrzania kopalni głębinowej w warunkach pożaru podziemnego, IGSMiE, Kraków.
• Cygankiewicz J., 2000. About determination of susceptibility of coals to spontaneous combstion using an adiabatic test method, Archives of Mining Science, 45(2), Kraków.
• Wala M.A., Jacob J.D. et al., 2004. How scrubbers help ventilate the face during deep cut mining with a blowing curtain, Proceedings of the 10th U.S. Mine Ventilation Syposium / North American, Anchorage, AL, May 2004.
• Branny M., Filipek W., 2008. Numerical simulation of ventilation of blind drifts with a force-exhaust overlap system in condition of methane and dust hazards, Archives of Mining Science 53(2), Kraków.
• Fluent Inc. User manual, 2005.
• Szlązak J., Szlązak N., 2004. Badania numeryczne i kopalniane przepływu powietrza przez zroby ścian zawałowych, Górnictwo i Geologia, ver. 3.