Digital simulation of the gas-dynamic phenomena caused by bounce, experiment and validation

• Autorzy: Dziurzyński W. , Krach A. , Pałka T. , Wasilewski S.

Warianty tytułu

PL

Symulacja komputerowa wpływu podawanych substancji mineralnych na przepływ powietrza i metanu w zrobach ścian wydobywczych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The transient nature of air parameters in mine headings is a result of natural and technological disturbances in mine ventilation conditions; these disturbances are usually directly caused by changes in heading geometry, the operational status of fans, and gas emissions. The more significant transient states are those caused by disturbances resulting from mine disasters since they are often accompanied by violent events constituting serious health and life hazards for people working underground. When working bouncing beds, tremors and bounces occur that create gas-dynamic phenomena causing transient states . There are some known examples of transient states of air parameters in mine headings, recorded during the occurrence of gas-dynamic phenomena, such as following tremors and bounces in the Zabrze-Bielszowice coal mine in 1996 and 1999 (Wasilewski, 2005). This paper also discusses the tremors and bounces noted in the 814a longwall, 405wg seam in Bielszowice mine in 2009. The mine heading gas monitoring systems commonly used by collieries, apart from their supervision function with signalling emergency and alarm states, constitute an important source of data for mine underground environmental parameters in both normal and emergency states. The archived measurement data thus accumulated is an excellent source of cognitive material that can be used for the extensive analysis of cases and events, and research into transient states, including model investigations using computer simulation methods. The development of ventilation process computer simulation systems - such as VentZroby - has focussed on topics such as fire issues, and the distribution of methane in goaf and - more recently - in longwall areas during the operation of machines including combined cutter loaders. Experience has shown that the credibility of any simulation results depends on the validity of the assumed models, and the adequate matching of the model parameters to real conditions. For this, the fact that methods based on observation and experiment are used to identify and validate models is important. The data collected by gasometric systems provides abundant research material for the verification and validation of models, often complementing data obtained by expensive in-situ experiments. This paper presents the recorded gas monitoring system figures reflecting the transient states of air parameters created by tremor and bounce in the Bielszowice mine 814a longwall, 405wg seam. Because the event occurred during a "EUREKA 3943!" project to observe longwall methane concentration levels, project sensors also picked up valuable data relating to the transient air parameter event. The material thus collected was used to compare the recorded data with the results of the computer simulation of the effects as a sudden change in aerodynamic drag in the heading.

PL

Stany nieustalone parametrów powietrza w wyrobiskach kopalni powstają w wyniku naturalnych i technologicznych zaburzeń warunków przewietrzania, a bezpośrednią ich przyczyną są zwykle zmiany geometrii wyrobisk, stanu pracy wentylatorów czy emisji gazów. Szczególne znaczenie mają stany nieustalone wywołane zaburzeniami w wyniku katastrof, gdyż często towarzyszą im zdarzenia gwałtowne, które niosą zagrożenia dla życia i zdrowia załogi znajdującej się pod ziemią. W warunkach eksploatacji pokładów tąpiących występują również wstrząsy i tąpania, które wywołują zjawiska gazodynamiczne w wyniku których obserwowane są stany nieustalone parametrów powietrza w wyrobiskach kopalni. Znane są przykłady stanów nieustalonych parametrów powietrza w wyrobiskach kopalni rejestrowanych w czasie zjawisk gazodynamicznych np. po wstrząsach i tąpnięciach w kopalni Zabrze-Bielszowice w roku 1996 oraz 1999 (Wasilewski 2005). Do takich zdarzeń należały również omawiane w tym artykule wstrząsy i tąpnięcia w ścianie 814a pokład 405wg w kopalni Bielszowice obserwowane w roku 2009. Systemy monitorowania stanu atmosfery wyrobisk górniczych stosowane powszechnie przez kopalnie oprócz funkcji nadzoru z sygnalizacją stanów awaryjnych i alarmowych, stanowią ważne źródło danych o parametrach środowiska w podziemiach kopalni w warunkach normalnych oraz awaryjnych. Dane pomiarowe zgromadzone w archiwum stanowią znakomity materiał poznawczy dla szerokiej analizy przypadków i zdarzeń oraz prowadzenia badań stanów nieustalonych w tym również badań modelowych metodami symulacji komputerowych. Rozwój systemów symulacji komputerowej procesów wentylacji np. VentZroby, dotyczy min. w zagadnieniach pożarowych, rozkładu metanu w zrobach, a ostatnio rozkładu metanu w rejonie ścian w czasie pracy maszyn w tym urabiania kombajnem. Doświadczenia pokazują, że wiarygodność wyników symulacji zależy w dużej mierze od poprawności przyjętych modeli oraz właściwego dopasowania parametrów tych modeli do rzeczywistych warunków. Temu służą metody identyfikacji i walidacji modeli na podstawie obserwacji i eksperymentów. Dane zarejestrowane w systemach gazometrii dostarczają bogatego materiału badawczego do weryfikacji i walidacji modeli często uzupełniając dane uzyskane w czasie drogich eksperymentów in-situ. W artykule zostaną pokazane stany nieustalone parametrów powietrza powstałe w wyniku wstrząsu i tąpnięcia w ścianie 814a pokład 405wg w kopalni Bielszowice zarejestrowane w systemie gazometrii automatycznej. Ponieważ zdarzenie miało miejsce w okresie obserwacji i badań rozkładu stężenia metanu wzdłuż ściany prowadzonych w projekcie EUREKA 3943! to zostało zarejestrowane również przez czujniki w eksperymentalnym systemie badawczym. Tak obszerny materiał badawczy w tym systemie wykorzystano do porównania zarejestrowanych danych z wynikami symulacji komputerowej skutków w postaci gwałtownej zmiany oporu wyrobiska.

Słowa kluczowe

EN

digital simulation; validation; transient states of air parameters; methane hazard; monitoring system

PL

symulacja numeryczna; walidacja; stany nieustalone parametrów powietrza; zagrożenie metanowe; system monitoringu

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 55, no 3
• Strony: 403--424
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Dziurzyński W.

autor

Krach A.

autor

Pałka T.

autor

Wasilewski S.

• Strata Mechanics Research Institute of the Polish Academy of Sciences, 27, Reymonta Str., 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• Bielszowice mine documentation with regard to geological-mining conditions, natural hazard, ventilation, longwall equipment, and technical data of the methanometric protection system and early detection of fires within automatic gasometric system. March 2009.
• Dziurzyński W., 1998. Prognozowanie procesu przewietrzania kopalni głębinowej w warunkach pożaru podziemnego [Prediction of the ventilation process in underground mines under underground fire conditions – in Polish], Studies, Thesis, Monographs, No.56, year PL ISSN 0860-74-19, Mineral and Energy Economy Research Institute, Polish Academy of Sciences, Kraków.
• Dziurzyński W., 2002. Symulacja numeryczna procesu przewietrzania sieci wentylacyjnej kopalni [Digital simulation of the mine network ventilation process in the mine ventilation network – in Polish]. Studies, IMG PAN. Thesis, monographs 2, Kraków.
• Dziurzyński W. at al., 2009. Przygotowanie merytoryczne i wykonanie eksperymentu badawczego w ścianie wydobywczej o wysokim poziomie zagrożeń naturalnych i technologicznych w aspekcie pozyskania danych dla weryfikacji modelu matematycznego rozkładu stężenia metanu podczas urabiania kombajnem. Etap I. Opracowanie założeń i wytycznych dla przeprowadzenia eksperymentu badawczego w rejonie ściany 841a pokład 405/1 w KWK Bielszowice [Content-related preparation and execution of an research experiment in the exploitation longwall of high natura and technological hazard level aimed to acquire data for the verification of the mathematical model of methane concentration distribution while mining with combined cutter loader. Stage 1. Elaboration of assumption data and guidelines for the research experiment in the 841a longwall area, 405/1 seam, in Bielszowice mine – in Polish]. Report of IMG PAN, Kraków, April 2009.
• Dziurzyński W., Krach A., 2001. Mathematical model of methane emission caused by a collapse of rock mass crump. Archives of Mining Sciences. 46, 4.
• Dziurzyński W., Krach A., Krawczyk J., Pałka T., 2005. Walidacja modelu matematycznego przewietrzania kopalni stosowanego w programie VentMet z wykorzystaniem bazy danych pomiarowych wybranego rejonu wentylacyjnego KWK [Validation of the mine ventilation mathematical model applied in the VentMet programme with the use of the database of measurement data for a selected mine ventilation area – in Polish]. Studies, IMG PAN, vol. 7, No. 1-2.
• Dziurzyński W., Krach A., Krawczyk J., Pałka T., 2007a. Zastosowanie miary odległości szeregów czasowych do walidacji modelu matematycznego przewietrzania kopalni stosowanego w programie VentMet [Application of the distance factor of time series for the validation of the mine ventilation mathematical model applied in the VentMet programme – in Polish]. Przegląd Górniczy nr 1.
• Dziurzyński W., Krach A., Krawczyk J., Pałka T., 2008a. The flow of humid air in the ventilation network of a mine with an underground fire, Arch. Min. Sci., Monographs Series, no. 4, p. 4-134.
• Dziurzyński W., Krach A., Pałka T., 2001. Prognozowanie rozkładu stężenia metanu w sieci wentylacyjnej z uwzględnieniem systemu monitoringu [Prediction of the methane concentration distribution in ventilation network taking monitoring system into consideration – in Polish]. Studies of IMG PAN, vol. 3, no. 1/2.
• Dziurzyński W., Krach A., Pałka T., Wasilewski S., 2007b. Walidacja komputerowego programu symulacji wentylacji VentMet dla rejonu ściany, z uwzględnieniem zmiennych w czasie źródeł metanu, związanych z cykliczna pracą kombajnu [Validation of the ventilation simulation computer VentMet programme for a longwall area taking the time-variant methane sources connected with cyclic combined cutter loader operation into consideration – in Polish]. Prace IMG PAN, vol. 9, nr 1-2.
• Dziurzyński W., Krach A., Pałka T., Wasilewski S., 2008b. Walidacja programu VentZroby z wykorzystaniem wyników eksperymentu „in situ” i z zastosowaniem nowych algorytmów przygotowania danych wejściowych [Validation of the VentZroby programme with the use of the in-situ experiment results and new algorithms of input data preparation – in Polish]. Studies of IMG PAN v. 10 No. 1-4
• Dziurzyński W., Krawczyk J., Kruczkowski J., 2008c. Assessment of stability of flow a modified mine ventilation network considering a presence of fire hazards, The U.S.12 North American Mine Ventilation Symposium, Reno, Nevada, p. 578-582.
• Dziurzyński W., Kruczkowski J., 2007: Validation of the mathematical model used in the VENTGRAPH programme on the example of the introduction of new headings to the ventilation network of mine. Arch. Min. Sci., Vol. 52, No 2, p. 155-169.
• Dziurzyński W., Tobiczyk J., Wasilewski S., 2003. Transient states of air parameters in mine workings caused by a disaster. Proceedings of the 30th International Conference of Safety in Mines Research Institutes, Johannesburg, South Africa, October 2003.
• Nawrat S.,1999. Eksperymentalne i modelowe badania procesu wypełniania metanem otamowanych wyrobisk w kopalniach węgla kamiennego [Experimental and model investigations of the process of filling with methane headings with brattices and stoppings in hard coal mines – in Polish], Scientific, research, and implementation studies, EMAG Katowice, nr. 1 (11)
• Parysiewicz W., 1966. Tąpania w kopalniach [Bounces in mines – in Polish]. Wyd. Śląsk, Katowice.
• Roszkowski J., Trutwin W., Wasilewski S., 1999. Stany nieustalone przepływu powietrza i stężenia metanu wywołane katastrofą na przykładzie zdarzenia w kopalni „Zabrze-Bielszowice” [Transient states of air flow and methane concentration caused by the disaster exemplified by the event in „Zabrze-Bielszowice” mine – in Polish], 1 Szkoła Aerologii Górniczej Zakopane.
• Szlązak J., 1980. Wpływ uszczelniania chodników przyścianowych na przepływ powietrza przez zroby [The impact of the sealing of by-longwall headings on air flow in goaves – in Polish]. Ph.D. dissertation, AGH Kraków.
• Wasilewski S., 2005. Stany nieustalone parametrów powietrza wywołane katastrofami oraz zaburzeniami w sieci wentylacyjnej kopalni [Transient states of air parameters caused by disasters and disturbances in the mine ventilation network – in Polish]. Thesis and monographs No. 2, EMAG Centre, Katowice, p. 258.
• The report by the Commission appointed by the President of the State Mining Authority on 16 Dec. 1996, for the investigation of the causes and circumstances of the bounce, sudden methane out flow, collapse, and group accident In “Zabrze-Bielszowice” coal mine in Zabrze, occurred December 12,.1996. Katowice, January – February 1997.