Numerical simulation of retentive reservoirs of methane in coal mines

• Autorzy: Berger J. , Dziurzyński W. , Nawrat S.

Warianty tytułu

PL

Symulacja numeryczna retencyjnych magazynów metanu w kopalniach węgla kamiennego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The problem of using sealed coal mine headings for retentive storing of methane obtained in the process of methane drainage in coal mines is important for economic and ecological reasons, because this process enables to obtain a qualitatively and quantitatively stabilized low-methane-content fuel used in power and heat generation installations. Improvement in the degree of the utilization of methane from methane drainage influences directly the limitation of methane emission to the atmosphere. In 2001 year experimental research in the above-mentioned scope was carried out in the "Zofiówka" coal mine on three experimental objects which were headings sealed against explosions, of various lengths, volumes, and structures of the surrounding rocks. The experimental research indicated that the sealed headings were not leak proof to various degrees, however, if they were adapted appropriately, they could be used as underground retentive reservoirs of methane from methane drainage in operating coal mines on condition that their locations and level of leakproofness guaranteed work safety and economic effectiveness. The research also confirmed the operational usability of the applied machines and technological solutions. The development of a mathematical model, and in the next stage--methods of numerical simulation of the studied phenomena based on that model and computer software, creates a possibility to carry out preliminary evaluations of the usability of sealed headings as retentive reservoirs of methane from methane drainage and to consider optional solutions for planned and already operating reservoirs. For the acepted mathematical model a computer software has been developed. Results of simulation of transients during pumping methane in and out of a reservoir (Fig.l) have been presented in diagrams (Fig. 3--6).

PL

Zagadnienie wykorzystania otamowanych podziemnych wyrobisk górniczych dla retencyjnego magazynowania metanu z odmetanowania w kopalniach węgla kamiennego jest bardzo istotne ze względów gospodarczych i ekologicznych. Proces ten pozwala na uzyskanie ustabilizowanego pod względem ilościowym i jakościowym paliwa niskometanowego wykorzystywanego w urządzeniach ciepłowniczo-energetycznych. Poprawa stopnia wykorzystania metanu z odmetanowania wpływa bezpośrednio na ograniczenie emisji metanu do atmosfery. Zbadanie możliwości retencyjnego magazynowania metanu z odmetanowania w podziemnych kopalniach węgla kamiennego wymagało przeprowadzenia w pierwszej kolejności eksperymentów na obiekcie rzeczywistym (Berger 2002) w kopalni oraz badań modelowych z zastosowaniem metody symulacji komputerowej. W ramach badań wykonano cztery eksperymenty w KWK „Zofiówka" na trzech obiektach badawczych, których głównym celem była ocena szczelności otamowanych wyrobisk pod wpływem podawanego do nich metanu z odmetanowania, a następnie dwa eksperymenty dotyczące zasad działania układu technologicznego dla retencyjnego magazynowania metanu z odmetanowania. W poszczególnych eksperymentach wykorzystane zostały w różnym zakresie elementy opracowanej technologii retencji metanu z odmetanowania (Berger 2002; Nawrat 1999) polegającej na: --wykonaniu zbiornika (magazynu) metanu przez przystosowanie otamowanego wyrobiska; --zabudowie instalacji i urządzeń tłoczących metan do zbiornika; zabudowie i wykorzystaniu istniejących instalacji i urządzeń odmetanowania; --cyklicznym napełnianiu zbiornika metanem z odmetanowania; --cyklicznym odprowadzaniu metanu ze zbiornika przez urządzenia sieci odmetanowania; --skierowaniu metanu poprzez powierzchniową stację odmetanowania do urządzeń ciepłowniczo-energetycznych, w których jest on wykorzystany jako paliwo. Uzyskane rezultaty badań potwierdziły złożoność rozważanego problemu wynikającą zarówno z uwarunkowań górniczo-geologicznych jak i z przebiegu zjawisk podawania oraz ujmowania metanu z odmetanowania w wyrobiskach stanowiących zbiornik retencyjny. Potrzeba stworzenia modelu matematycznego dla opisu przebiegu zjawisk związanych z technologią retencyjnego magazynowania metanu z odmetanowania w otamowanych wyrobiskach górniczych, wynikała przede wszystkim z wymogów projektowo-eksploatacyjnych. Opracowanie modelu matematycznego (rozdział 2), a w następnej kolejności programu komputerowego symulacji zjawisk opartych o ten model, stwarza możliwości do prowadzenia wstępnych ocen przydatności otamowanych wyrobisk do pełnienia roli retencyjnego zbiornika metanu z odmetanowania, a także rozpatrywania wariantowych rozwiązań projektowanych i eksploatowanych zbiorników. Opracowany komputerowy programu METAN w oparciu o przedstawiony matematyczny model pracujący w systemie programów VENTGRAPH pozwolił na podjęcie próby odtworzenia przebiegu procesów podawania i ujmowania metanu ze zbiornika zachodzących w trakcie przeprowadzonych eksperymentów. W celu przeprowadzenia stosownych obliczeń przygotowano bazę danych składającą się: --ze zbioru zawierającego parametry charakteryzujące przepływ mieszaniny powietrza i metanu przez elementy zbiornika i wyrobisk przyległych; --ze zbioru danych dotyczących podawania metanu do zbiornika za pomocą stacji przetłaczania gazu; --ze zbioru danych dotyczących wymiarów geometrycznych zbiornika, tam izolacyjnych i ewentualnych połączeń zbiornika z innymi wyrobiskami poprzez szczeliny w górotworze. Wyniki symulacji numerycznej podawania i ujmowania metanu w warunkach odpowiadających dwóm eksperymentom przeprowadzonym w otamowanym chodniku wentylacyjnym poz. 580 m (rys. 2) w KWK „Zofiówka", przedstawione zostały w formie wykresów zmian w czasie stężenia metanu (rys. 3-6) dla stacji pomiarowej zlokalizowanej w wyrobisku. Wyniki badań eksperymentalnych pozwalają na jakościową weryfikację modelu matematycznego. Wyniki obliczeń symulacyjnych przeprowadzonych w oparciu o dane uzyskane z badań eksperymentalnych retencyjnego magazynowania metanu z odmetanowania w otamowanych wyrobiskach górniczych wykazały dobrą zgodność przebiegów czasowych zmian stężenia metanu w zbiorniku w stosunku do eksperymentu dla okresu podawania metanu. Na powyższe wpływ miało prawidłowy dobór objętościowego wydatku przepływu mieszaniny przez zbiornik, oporu tam izolacyjnych i objętości mieszania.

Słowa kluczowe

EN

reservoirs of methane; simulation of ventilation process; methane hazard; mine ventilation

PL

zbiornik metanu; symulacja procesu przewietrzania; zagrożenie metanowe; wentylacja kopalń

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2004
• Tom: Vol. 49, nr 3
• Strony: 339--357
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., wykr.

Twórcy

autor

Berger J.

• Zakład Odmetanowania Kopalń "ZOK" Sp. z o.o., ul. Boczna 24, 44-335 Jastrzębie Zdrój

autor

Dziurzyński W.

• Instytut Mechaniki Górotworu PAN, Kraków

autor

Nawrat S.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

Bibliografia

• [1] Berger J., 2002: Ocena możliwości wykorzystania otamowanych wyrobisk górniczych w kopalni węgla kamiennego dla retencyjnego magazynowania metanu z odmetanowania, in polish. Praca doktorska, AGH, Kraków
• [2] Budryk W., 1961: Wentylacja kopalń cz. I. Przewietrzanie wyrobisk, in polish. Katowice. Wydawnictwo Górniczo-Hutnicze.
• [3] Dziurzyński W.,Tracz J.,Trutwin W., 1987: On a mathematical model of the flow of air and after-breakout gases in a coal mine’s ventialtion network. Archives of Mininig Sciences, Vol. 32, Issue 1.
• [4] Dziurzyński W., 1998: Prognozowanie procesu przewietrzania kopalni głębinowej w warunkach pożaru podziemnego, in polish. Studia, Rozprawy, Monografie Nr 56, rok PL ISSN 0860-74-19, Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN Kraków.
• [5] Dziurzyński W., 2001: Numerical simulation of development of a minę fire in the longwall goaf leading to the cover caving, Archives of Mininig Sciences., Vol. 46, Issue 4.
• [6] Dziurzyński W., Krawczyk J., 2001: Unsteady flow of gases in a minę ventilation network - a numerical simulation, Archives of Mininig Sciences., Vol. 46 Issue 2.
• [7] Dziurzyński W., Krach A., 2001: Mathematical Model of Methane Emission Caused by a Rock Mass Crump, Archives of Mininig Sciences Vol. 46, Issue 4.
• [8] Litwiniszyn J., 1951: A problem of dynamic of flow in conduit networks. Bulletin of Academy Polonaise Science, vol. 1, no. 3. Litwiniszyn J.: 19.
• [9] Nawrat S., 1999: Eksperymentalne i modelowe badania procesu wypełniania metanem otamowanych wyrobisk w kopalniach węgla kamiennego, in polish. EMAG, Centrum Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa, Katowice nr 1 (11).
• [10] Trutwin W., 1968: Modelowanie stanów nieustalonych w sieciach wentylacyjnych przy pomocy urządzeń analogowych, in polish. Zeszyty Naukowe AGH nr 230, Górnictwo, z. 19.
• [11] Trutwin W., 1972: Symulacja cyfrowa stanów nieustalonych procesu przewietrzania i regulacji kopalnianej sieci wentylacyjnej in polish. Zeszyty Problemowe Górnictwa z. 2, t. 10.
• [12] Trutwin W., 1973: Wpływ warunków przewietrzania na stężenie metanu w wyrobiskach kopalnianych, in polish. Górnictwo, t. 11, z. 2.