The effect of porosity and the strength of coal on the dynamics of coal and methane outburst - the BMP modelling

• Autorzy: Kidybiński A.

Warianty tytułu

PL

Wpływ porowatości oraz wytrzymałości węgla na dynamikę wyrzutu węgla i metanu - modelowanie metodą BPM

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Outburst of coal and gas (usually methane or/and carbon dioxide) is the most dangerous natural phenomenon creating the threat to life and health of miners working in underground hard coal mines. It is attacking human's breathing system by filling the lungs with gas and strangling as well as penetrating mechanically the miners' bodies by small coal particles flowing with very high velocity. This has been demonstrated several times in mining practice (more than 30,000 accidents recorded) in underground coal mines of Poland, France, Germany, China, Australia and many other countries. In order to investigate in detail the mechanics of an outburst - special computer programme has been prepared by the author with bonded particle method (BPM), modelling both solid coal seam disintegration into particles and dynamic flow of coal particles with methane through the opening. Also, pressure of gas desorbed from coal was included as additional coal masses propulsion factor. Then, original porosity of coal was changed in a full scale (from 4 to 17 percent) and by running the programme with continuous recording of kinetic energy as well as (separately) the mean unbalanced force (muf) within the model - effect of coal porosity on dynamics of an outburst was tested. The same method was used by changing the compressive strength of coal from 2 MPa to 40 MPa - to find an effect of this factor on the dynamics of an outburst.It was found finally that high and medium porosity coals generate very high kinetic energy of an outburst, while with low porosity coal this energy is much smaller. The same trend may be observed when mean unbalanced force (muf) of coal masses is continuously recorded within coal masses of the model. The strengh of coal affects significantly the mean unbalanced force (muf) within coal masses but to lower degree - the kinetic energy. Recording results of horizontal movement velocity of those small coal particles from the opening's heading show 260-300 m/sec - which may explain their possible deep penetration of human's body.

PL

Wyrzut węgla i gazu (zwykle metanu i/lub dwutlenku węgla) jest najbardziej groźnym zjawiskiem naturalnym stwarzającym zagrożenie dla życia i zdrowia górników pracujących w głębinowych kopalniach węgla kamiennego. Atakuje on system oddychania człowieka powodując wypełnienie płuc gazem oraz duszenie się, jak również penetrację ciała górników przez drobne cząstki węgla poruszające się z bardzo dużą prędkością. Zostało to wielokrotnie potwierdzone w praktyce górniczej (ponad 30 000 zarejestrowanych w świecie przypadków wyrzutów) w podziemnych kopalniach Polski, Francji, Niemiec, Chin, Australii oraz wielu innych krajów. W celu szczegółowego przebadania mechanizmu wyrzutów autor opracował specjalny program komputerowy metody modelowania spojonych cząstek (BPM), odwzorowujący zarówno rozpad pokładu węglowego na cząstki jak i dynamiczny przepływ tych cząstek z metanem - przez wyrobisko górnicze. Odwzorowano w nim również ciśnienie gazu desorbującego z węgla - jako dodatkowego czynnika napędzającego wyrzut. Następnie, zmieniając wielkość pierwotnej porowatości węgla w pełnej skali (od 4 do 17 procent) oraz uruchamiając program z ciągłą rejestracją energii kinetycznej oraz oddzielnie - średniej siły niezbilansowanej (muf) w modelu - badano wpływ porowatości węgla na dynamikę wyrzutu. Tę samą metodę zastosowano zmieniając wytrzymałość węgla na ściskanie w granicach od 2 MPa do 40 MPa - dla oceny wpływu tego czynnika na dynamikę wyrzutu. W wyniku tych działań stwierdzono, że wysoko i średnio porowate węgle generują bardzo wysoką energię kinetyczną wyrzutu, natomiast w przypadku węgli o małej porowatości pierwotnej - energia ta jest znacząco mniejsza. Tę samą tendencję zaobserwowano podczas ciągłej rejestracji średniej siły niezbilansowanej (muf) mas węglowych w modelu. Pierwotna wytrzymałość węgla wpływa bowiem widocznie na wielkość średniej siły niezbilasowanej (muf ) mas węglowych, natomiast - w mniejszym stopniu - na energię kinetyczną. Wyniki rejestracji prędkości ruchu poziomego małych cząstek węgla pochodzących z przodka wyrobiska wykazały prędkość 260-300 m/s - co może wyjaśniać możliwość głębokiej penetracji ciała ludzkiego przez te cząstki.

Słowa kluczowe

EN

original porosity of coal; dynamic porosity of coal masses; coal and gas outburst; unconfined strength of coal; BPM modelling (Bonded Particle Model); gas desorption; outburst criteria; kinetic energy; mean unbalanced force (muf)

PL

pierwotna porowatość węgla; dynamiczna porowatość mas węglowych; wyrzut węgla i gazu; jednoosiowa wytrzymałość węgla na ściskanie; modelowanie BPM (Spoisty Model Cząstkowy); desorpcja gazu; kryteria wyrzutu; energia kinetyczna; średnia siła niezbilansowana

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 56, no 3
• Strony: 415--426
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., wykr.

Twórcy

autor

Kidybiński A.

• Central Mining Research Institute (GIG), 40-166 Katowice, Pl. Gwarków 1, Poland

Bibliografia

• Ceglarska-Stefańska G.,Stachurski J., Vogt E., 1995. Porosity of the Polish hard coals. Arch. Min. Sci., vol. 40, No 3, p. 303-315.
• Itasca, 2004. PFC2D Particle Flow Code in 2 Dimensions. Theory and Background, Minneapolis, USA.
• Itasca, 2006. PFC3D Particle Flow Code in 3 Dimensions. Theory and Background, Minneapolis, USA.
• Kidybiński A.,1980. Significance of in situ strength measurements for prediction of outburst hazard in coal mines of Lower Silesia. Proc. Symp. "The Occurrence, Prediction and Control of Outbursts in Coal Mines", Edit. The Australian Inst. of Mining and Metallurgy, p. 193-201.
• Kidybiński A.,2007. Numerical model of coal and gas outburst within homogeneous seam, (in Polish), Przegląd Górniczy (Mining Review), vol. 63, No. 9, p. 1-5.
• Lama R.D., 1995. Safe gas content threshold value for safety against outburts in the mining of the Bulli seam. Intern. Symp. on Management and Control of High Gas Emissions and Outbursts in Underground Coal Mines, Edit. R.D. Lama, Wollongong, Australia.
• Litwiniszyn J., 1985. A model for the initiation of Coal-Gas Outbursts. Int. J. Rock Mech. Min. Sci & Geomech. Abstr., 22, p. 39-46.
• Litwiniszyn J., 1995. State of the art on the mechanism of outbursts in coal mines. Intern.Symp. on Management and Control of High Gas Emissions and Outbursts in Underground Coal Mines, Edit. R.D.Lama, Wollongong,Australia.
• LowCarb, 2010. Low Carbon Mine Site Energy Initiatives. RFCS Research Project, (1.VII.2010÷30.VI.2013).
• Xu T., Tang C.A., Yang T.H., Zhu W.C., Liu J.,2006. Numerical investigation of coal and gas outbursts in underground collieries. Intern. Journ. Rock Mech. & Min. Sci. 43, p. 905-919.