Invasive filling of sealed headings and goafs in coal mines with methane - experimental and model research

Nawrat, S.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Invasive filling of sealed headings and goafs in coal mines with methane - experimental and model research

Autorzy

Nawrat S.

Wybrane pełne teksty z tego czasopisma

http://journals.pan.pl/ams

Identyfikatory

Warianty tytułu

Inwazyjne wypełnianie metanem otamowanych wyrobisk i zrobów w kopalniach węgla kamiennego - badania eksperymentalne i modelowe

Języki publikacji

Abstrakty

W kopalniach węgla kamiennego bardzo ważnym problemem jest kontrola i regulacja stanów gazowych w otamowanych wyrobiskach i zrobach, szczególnie w aspekcie zagrożenia pożarami endogenicznymi i zagrożenia wybuchem metanu lub gazów pożarowych. Składy i stężenia gazów w otamowanych wyrobiskach i zrobach mogą być kształtowane pod wpływem czynników: naturalnych - dopływ gazów: metanu lub dwutlenku węgla z górotworu, wewnętrznych - dopływ i odpływ gazów zrobowych oraz dopływ produktów procesu utleniania i palenia węgla w zrobach, zewnętrznych - dopływ powietrza w wyniku przewietrzania kopalni, prowadzenia odmetanowania, zewnętrznych inwazyjnych - doprowadzenie gazów inertnych lub mieszanin metanowo-powietrznych i mieszanin gazów zrobowych za pomocą instalacji. Ze względu na dużą skuteczność w zakresie ograniczenia zagrożenia pożarowego i wybuchem gazów pożarowych metoda wypełniania metanem stosowana była wielokrotnie w kopalniach Jastrzębskiej Spółki Węglowej S.A. w latach 1978-1998. W celu uzyskania pełnego rozeznania przebiegu procesu wypełniania metanem otamowanych wyrobisk i zrobów przeprowadzono badania eksperymentalne w warunkach normalnych, w otamowanych rejonach ścian w kopalniach "Pniówek" i Zofiówka", które charakteryzują się największymi metanowościami absolutnymi w górnictwie polskim. W czasie wypełniania metanem w otamowanych wyrobiskach i zrobach wystąpiły mieszaniny niewybuchowe ze względu na nadmiar metanu, przy czym podawanie metanu w znacznym stopniu przyspieszyło wystąpienie mieszanin niewybuchowych ze względu na nadmiar metanu, co jest niezmiernie ważne w aspekcie bezpieczeństwa pracy. W czasie eksperymentu w odpowiedniej proporcji do wzrostu stężeń metanu następował spadek zawartości tlenu, co wpływało w sposób korzystny na ograniczenie zagrożenia powstania pożaru endogenicznego w zrobach. Dla projektowania procesu wypełniania metanem otamowanych wyrobisk i zrobów, szczególnie dla oceny przebiegu zmian stężeń gazów i bezpieczeństwa, został opracowany model matematyczny, który przy wykorzystaniu obliczeń komputerowych umożliwia przeprowadzenie symulacji wpływu parametrów na efektywność procesu. Symulacja komputerowa pozwala na uzyskanie dodatkowych informacji o zachodzących zmianach w składzie gazów rozważanego obszaru, których nie uzyskano drogą badań eksperymentalnych. Eksperymentalnie wykazano, że zastosowanie metody wypełniania metanem otamowanych wyrobisk i zrobów pozwoliło na: regulowanie w określonym zakresie składu i stężenia gazów zrobowych, szczególnie stężenia metanu i tlenu, zmienianie w sposób kontrolowany składu i stężenia gazów-- mieszaniny metanowo-powietrznej pod kątem ograniczenia jej wybuchowości, obniżenie stężenia tlenu, a tym samym w istotnym stopniu ograniczenie możliwości lub prędkości rozwoju procesu samozagrzewania węgla lub pożaru endogenicznego. Praca jest przyczynkiem do rozwoju naukowych. zasad inwazyjnego wypełniania gazami otamowanych wyrobisk i zrobów w celu odpowiedniego pod kątem zagrożenia wybuchowego i pożarowego regulowania składu i stężenia gazów zrobowych, co w konsekwencji pozwoli poprawić stan bezpieczeństwa pracy w kopalniach węgla kamiennego.

The control and regulation of gaseous states in sealed headings and goafs is a very important problem in coal mines, especially in view of the dangers associated with endogenic fires and explosions of methane or fire gases. The compositions and concentrations of gases in sealed headings and goafs can be influenced by means of the following factors: natural factors -- the inflow of methane and carbon dioxide from the rock mass, internal factors -- the inflow and outflow of goaf gases and the inflow of the products of oxidation and coal burning in goafs, external factors -- the inflow of air caused by ventilation and methane drainage, external invasive factors -- the supply of inert gases or the mixtures of air and methane and the mixtures of goaf gases by means of installations. Because of its considerable effectiveness in limiting the hazards associated with fires and explosions of fire gases, the methane filling method has been used on numerous occasions in the coal mines belonging to the Jastrzębię Coal Mining Holding in the period 1978-1998. In order to acquire a full knowledge on the course of filling sealed headings and goafs with methane, experimental research was conducted in normal conditions in sealed areas of longwalls in the "Pniówek" and "Zofiówka" coal mines, which are characterized as containing the greatest absolute methane-bearing capacities in Poland. In the process of methane filIing, in sealed headings and goafs appeared non-explosive mixtures because of the excess of methane, which is extremely important for work safety. During the experiment the oxygen content was falling proportionately to the increase in methane concentration, which had a favourable influence on reducing the hazard of an endogenic fire in goafs. For designing a methane filling process for sealed headings and goafs. and especially for the evaluation of changes in gas concentrations and safety, a mathematical model has been developed. Such a mathematical model, supported by computer calculations, makes it possible to carry out simulations of the influence of particular parameters on the effectiveness of the process. Computer simulations generate additional information on changes taking place in the composition of gases in a given area that are not obtained by means of experimental research. It was shown experimentally that the application of the method of fiIIing sealed goafs and headings with methane enabled: to regulate within a specific range the composition and concentration of goaf gases, especially the concentration of methane and oxygen, to change under control the composition and concentration of gases - the air-methane mixture with a view to reducing its explosiveness, to lower the concentration of oxygen, and by this, to reduce considerably the possibility or speed of the development of the process of self-heating of coal er an endogenic fire. This paper is a contribution to the development of the scientific principles of the invasive filling of sealed headings and goafs with gases with a view to regulating the composition and concentration of goaf gases with respect to fire and explosion hazards, which consequently should improve work safety in coal mines.

Słowa kluczowe

metan zagrożenie wybuchowe regulowanie składu gazów zrobowych badania eksperymentalne badania modelowe symulacja zapobieganie pożarom zapobieganie wybuchom

methane exploision hazard regulating the composition of goaf gases experimental test model research simulation fire prevention explosion prevention

Wydawca

Instytut Mechaniki Górotworu PAN

Czasopismo

Archives of Mining Sciences

Rocznik

2002

Tom

Vol. 47, nr 4

Strony

447--487

Opis fizyczny

Bibliogr. 51 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Nawrat S.

Katedra Górnictwa Podziemnego, Akademia Górniczo-Hutnicza, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

[1] Babicz W., Broś E., Las a J., Nawrat S., Sachs F., Stobiński J., Śliwka I., 1983: Application of electro-negative markers in identification research on ventilation networks in underground mines. Mining Review no. 6.
[2] Batko S., Ragus E., 1985 : Application of liquid carbon dioxide and nitrogen in fire-fighting operations in the Lenin coal mine. Work Safety in Coal Mining, no. 3.
[3] Buchwald P., Kajdasz Z., 1998: Inertization with application of nitrogen. Mine Rescue Work no. 3.
[4] Bystroń H. et al., 1976: Technology of extinguishing fires in methane fields with industrial verification of applying a gas extinguishing unit. IBG “Barbara”.
[5] Cross H., 1936: Analysis of flow in networks conduits or conductors, engineering experiment station. Biul. no 286. University of Illinois.
[6] Czechowicz J., 1972: Fire-fighting in methane coal mines. “Śląsk” Publishing House, Katowice.
[7] Ćwięk B., 1987: Principles of organizing rescue operations and methods of fire-fighting in underground mining. Training materials of SITG, Katowice.
[8] Dziurzyński W., 1981: Digital simulation of the systems of regulating mine ventilation networks in the presence of methane emission from old goafs. Archives of Mining Scienes vol. 26, is. 3.
[9] Dziurzyński W., 1985: Unsteady conditions in a mine ventilation network caused by exogenic fire. Ph.D. Thesis, Academy of Mining and Metallurgy, Kraków.
[10] Dziurzyński W., 1988: Forecasting the process of deep mine ventilation in the conditions of underground fire, Studies, Theses, Monographies No.56, Institute of Mineral Resources and Energy Management, Polish Academy of Sciences, Kraków.
[11] Dziurzyński W., Nawrat S., 1995: Optimal choice of the parameters for ventilation and methane drainage in a longwall face with caving. Proceedings of the 7th US Mine Ventilation Symposium, USA.
[12] Dziurzyński W., 1996: Underground fire in the conditions of methane inflow - a mathematical model, Archives of Mining Scienes vol. 36, book. 3.
[13] Dziurzyński W., Nawrat S.,1993 : Influence of ventilation on methane drainage in a longwall face with caving, Archives of Mining Scienes vol. 38, book. 2.
[14] Dziurzyński W., Tracz J., Trutwin W., 1988: Simulation of mine fires. Proceedings of Fourth International Mine Congress, Brisbane, Australia.
[15] Dziurzyński W., Tracz J., Trutwin W., 1992: Computer simulation of transients in mine ventilation. Proceedings of the Fifth International Mine Ventilation Congress, Marshalltown, South Africa.
[16] Dziurzyński W., Nawrat S., Roszkowski J., 1992: On the influence of ventilation parameters on the effectiveness of the methane drainage system. Proceedings of the Fifth International Mine Ventilation Congress, Marshalltown, South Africa.
[17] Dziurzyński W., Nawrat S., Roszkowski J., Trutwin W., 1995: Mine ventilation disturbed by outbursts. Intern. Symposium cum Workshop on Management and Control of High Gas Emissions and Outbursts in Underground Coal Mines. Wollongong, NSW, Australia.
[18] Dziurzyński W., Nawrat S., Roszkowski J., Trutwin W., 1996: Computer simulation of mine ventilation disturbed by fires and the use of fire extinguishers. Proceeding of the 6th International. Mine Ventilation Congress, USA.
[19] Frycz A., Kozłowski B., 1979: Ventilation of methane coal mines. “Śląsk” Publishing House, Katowice.
[20] Grębski Z., Kozłowski B., 1982: Methane drainage of rock mass in coal mines. “Śląsk” Publishing House, Katowice.
[21] Konarski A., 1978: Influence of roof control on methane hazard in a longwall heading. Mining News no. 11.
[22] Litwiniszyn J., 1949: Stationary flows in heterogenously unisotropic mediums. Annales de la Société Polonaise de Mathématique vol. XXII.
[23] Litwiniszyn J., 1951: A problem of dynamic of flow in conduit networks. Bulletin of Academy Polonaise Science vol. 1, no. 3.
[24] Litwiniszyn J., 1957: Flow with the exchange of mass, momentum and energy. Applied Mechanics Archives vol. 9, is. 2.
[25] Matuszewski J., 1976: Changeability in methane concentration in goafs behind a longwall face. Scientific Symposium on “Fighting Methane and Coal Dust Explosion Hazards in Coal Mining” Katowice.
[26] Michay1ow M., VlassevaE.,l 995: On void aerodynamics in a porous media of a job area. Proceedings of the 7th US Mine Ventilation Symposium, Lexington, USA.
[27] Myszor H., 1974: Methane emission from longwalls of intensive exploitation. Mining Review no. 5.
[28] Nawrat S., 1989: Influence of ventilation on methane drainage in a caving longwall. Ph.D. Thesis, Academy of Mining and Metallurgy, Kraków.
[29] Nawrat S., Żyła W., 1991: Methane filling of sealed fire fields in coal mines. Mining News no. 4.
[30] Nawrat S., 1999: Experimental and model research on the process of methane filling of sealed headings in coal mines. EMAG Scientific, Research and Implementation Papers. 1(11).
[31] Nguyen Huyen Dien, 1994: A method of forecasting distribution of methane concentration in goafs of caving longwalls. PhD Thesis, Silesian University of Technology, Gliwice.
[32] Pawiński J., Roszkowski J., 1974: Movement of methane in serially connected elements of methane drainage networks of different characteristics. Archives of Mining Scienes no. 4.
[33] Pawiński J., Roszkowski J.,Szlązak N.,at al., 1989: Analysis of explosion hazards in headings and goafs and applied preventive measures. Unpublished paper. Kraków - Rybnik.
[34] Pawiński J., Roszkowski J., Strzemiński J., 1979: Mine ventilation. Silesian Technical Publishing House, Katowice.
[35] Roszczynialski W., Wacławik J., 1983: Mining aerology. National Scientific Publishing House. Warszawa.
[36] Roszczynialski W., Trutwin W., Wacławik J., 1992: Mine Ventilation Measurements. “Śląsk” Publishing House, Katowice.
[37] Roszkowski J., Sz1ązak N., Sz1ązak J., 1997: Methane drainage as a means of fighting explosion hazard and methane utilization in coal mines. Mining News. no. 10.
[38] Roszkowski J., Szlązak N., 1999: Selected problems of methane drainage in coal mines. Academic Publishing House. Kraków.
[39] Staroń T. : Mining of coal seams with roof caving in the vicinity of fire fields. “Śląsk” Publishing House. Katowice.
[40] Strumiński A., 1987: Fighting underground fires in coal mines. Polish Academy of Sciences Publishing House, Wrocław.
[41] Sułkowski J., 1996: Hazard connected with the presence of methane in longwall goafs leading away from a field. Research paper GIG Ser. Konf. no. 14.
[42] Sułkowski J.,Nguyen H.D i e u, 1994: Location of zones with explosive concentration of methane in caving wall goafs with diagonal ventilation. Scientific conference “Methane Hazard in Coal Mining”.
[43] Sz1ązak J., 1980: Influence of sealing wall gangways on air flow through goafs. Ph.D. Thesis, Academy of Mining and Metallurgy, Kraków.
[44] Szlązak J., 2000: Air flow through a longwall caving area in the light of theoretical and experimental research. Academy of Mining and Metallurgy, Academic Publishing House.
[45] Szlązak J., Szlązak N., 1987: Determination of aerodynamic resistance on caving longwall goafs. Archives of Mining Scienes vol. 32, is. 4.
[46] Szlązak J.,SzlązakN.,1987: Air escape through caving longwall goafs ventilated with system C - to boundaries. Archives of Mining Scienes vol. 32, is. 4.
[47] Szlązak N., 1990: Evaluation of fire hazard in caving goafs on the basis of ventilation intensity. Archives of Mining Scienes vol. 35, is. 3.
[48] Szlązak J., Szlązak N., 1990: Effectiveness of sealing longwall gangways and flow through caving longwall goafs. Archives of Mining Scienes vol. 35, is. 4.
[49] Trutwin W., 1972: Digital simulation of nonstationary states of the process of ventilation and regulating a mine ventilation network. Mining Research Papers vol. 10, is. 2.
[50] Trutwin W., 1973: Influence of ventilation conditions on methane concentration in mine headings. Mining Research Papers vol. 11, is. 2.
[51] Wasilewski S., 1997: Systems of monitoring and controlling ventilation hazards. Mining Mechanization and Automation no. 6/7.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-BWA4-0003-0003