Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Walidacja programu komputerowego do prognozowania przewietrzania kopalni z zastosowaniem metod optymalizacji numerycznej – etap II

Dziurzyński W., Krach A., Pałka T., Wasilewski St.

Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN

|

2013

|

Vol. 15, no. 1-2

3--22

PL

Badania są kontynuacją prac nad rozwojem metod optymalizacji numerycznej w celu doboru parametrów modelu numerycznego wirtualnej kopalni. W tym celu wykorzystano dane rejestrowane przez czujniki systemu gazometrii automatycznej sieci wyrobisk kopalni. Wcześniejsze badania (etap I) pozwoliły na dokonanie wyboru i adaptacji metody optymalizacyjnej parametrów modelu matematycznego stosowanego w programie komputerowym VentZroby. Zastosowano miarę odległości wyników obliczeń symulacyjnych i danych z czujników systemu gazometrii automatycznej. Jako funkcję celu minimalizowaną metodą optymalizacji numerycznej przyjęto sumę kwadratów różnic wartości zmierzonych i prognozowanych z wagami. Zastosowana metoda i wykonane przykłady obliczeniowe w I etapie badań pozwoliły na sformułowanie wniosków, które stały się podstawą do rozwoju metody optymalizacji. W omawianym etapie II dla symulacji numerycznej wybranego rejonu ściany ze zrobami, przygotowano wyniki z pomiarów ręcznych oraz dane z anemometrów stacjonarnych i czujników metanu systemu gazometrii dla rozważanego rejonu. Ponadto dla przyjętego modelu numerycznego wybranego rejonu wykonano obliczenia stanu początkowego rozpływu, tj. wartości strumieni objętości powietrza w bocznicach i udziały objętościowe metanu w tych strumieniach. Następnie wykonano obliczenia walidacyjne dla wybranego rejonu, dla minimalizacji funkcji celu, z zastosowaniem zmodyfikowanej metody optymalizacji numerycznej realizowanej w trzech krokach obejmujących: zmiany oporów bocznic sieci (minimalizacja dla strumieni objętości powietrza), zmiany wartości strumieni objętości metanu dopływających do sieci ze źródeł zewnętrznych (minimalizacja dla strumieni objętości metanu) oraz ponownie zmiany oporów bocznic sieci (minimalizacja dla strumieni objętości powietrza). Wykonane obliczenia walidacyjne dla wybranego rejonu z zastosowaniem zmodyfikowanej metodyki optymalizacji pokazały że wprowadzone w algorytmie estymacji zmiany przyniosły pozytywny rezultat, aczkolwiek należy dodać, że pojawiły sie inne problemy wynikające z własności obiektu badań. W podsumowaniu uzyskanych wyników podkreślono, że ważnym zagadnieniem w obliczeniach walidacyjnych jest kontrola poprawności danych rejestrowanych w sieci wyrobisk kopalni przez czujniki prędkości powietrza i stężenia metanu systemu gazometrii automatycznej oraz prawidłowe określenie metodyki obliczania strumieni masy powietrza i metanu z danych rejestrowanych przez czujniki w bocznicach, w których znajdują się wymienione czujniki.

EN

This study summarises the next stage of research efforts aimed at development of numerical optimisation methods to support the selection of parameters of the numerical model of a virtual mine. The data registered by the automatic network of gas detector sensors in a mine are recalled and utilised. In the previous stage (step I) the optimisation method was selected and adapted to incorporate the parameters of the mathematical model used in the programme VentZroby. The measure of distance between simulation data and the data from the automatic network of gas sensors was applied. The objective function was taken as the mean squared difference of measured and predicted values, with appropriate weights attached. The applied procedures and calculations performed during the stage I led us to the conclusions underlying the development of the current optimisation method. A longwall region, including both galleries and goaf has been selected. The stage II uses the results of manual measurements and the data collected from stationary anemometers and methane detector sensors in the area. Furthermore, the initial conditions of gas flows were obtained for the adopted numerical model of the wall region, including the volumetric flow rate of air streams in the branches and volumetric fraction of methane in the air streams. That was followed by a validation procedure applied to investigate the given area, the goal being the minimisation of the objective function using the modified method of numerical optimisation involving three steps: changing the flow resistance in network branches (minimisation of the volumetric airfl ow rates), altering the flow rate of methane entering the network from external sources (minimisation of the methane infl ow rates) and repeated change of the flow resistance in network branches (minimisation of the volumetric airfl ow rates). Calculations for the specified face region by the modified optimisation methods performed for the purpose of validation revealed that the changes implemented in the estimation algorithm produced positive results though some new problems arose associated with the specificity of the investigated object. The conclusion emphasises that the correctness and adequacy of data registered by the anemometers and gas detector sensors within the automatic network have to be rigorously checked prior to the validation procedure. Besides, the proper methodology of calculating the flow rates of air and methane based on the data from sensors located in network branches has to be precisely determined.

2

Walidacja programu komputerowego do prognozowania przewietrzania kopalni z zastosowaniem metod optymalizacji numerycznej

Dziurzyński W., Krach A., Pałka T., Wasilewski St.

Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN

|

2012

|

Vol. 14, no. 1-4

121--137

PL

Dotychczasowe doświadczenia z zakresu walidacji modelu matematycznego zastosowanego w programie komputerowym VentZroby pokazują, że jest to zagadnienie trudne, przede wszystkim z powodu konieczności dysponowania dostatecznie dużą liczbą zarejestrowanych w kopalni przebiegów przejściowych porównywanych wielkości. Przyjęto, że wiarygodność prognozy procesu przewietrzania sieci wyrobisk kopalni opracowanej na podstawie symulacji jest ściśle związana z wiarygodnością poziomu dopasowania zastosowanego w programie symulacjach modelu do rzeczywistej sieci wentylacyjnej kopalni. Walidację modelu matematycznego przeprowadzono poprzez weryfikację wyników otrzymanych na drodze obliczeń numerycznych i porównanie ich z wynikami otrzymanymi z pomiarów za pomocą czujników systemu monitoringu wentylacji wyrobisk kopalni. Wykonane w latach 2000-2011 badania walidacyjne prowadzone były w oparciu o jakościowe kryteria obserwowanych przebiegów czasowych wyników symulacji (Dziurzyński i in., 2001, 2005, 2007a, 2007b, 2008, 2009, 2011). Do walidacji programów symulacyjnych stosowano procedurę wykorzystującą miarę odległości danych z prognozy i danych z monitoringu w postaci sumy kwadratów różnic wartości zmierzonych i prognozowanych z wagami. Obecnie zaproponowano, że miara taka jest funkcją celu minimalizowaną wybraną metodą optymalizacji numerycznej. Miara odległości szeregów czasowych dobrze nadaje się do zastosowania w numerycznych metodach minimalizacji funkcji celu, co pozwoliło na podjęcie próby automatyzacji procesów weryfikacji parametrów modelu matematycznego zastosowanego w programie VentZroby. W pierwszej kolejności opracowano algorytm automatycznej optymalizacji wybranego parametru modelu, którym jest strumień objętości przepływającego powietrza. Funkcję celu stanowi unormowany kwadrat odległości wektorów stanu prognozowanego i rzeczywistego, przy czym składniki tych wektorów to strumień objętości powietrza prognozowany i obliczony na podstawie pomiarów prędkości przez anemometry systemu monitoringu rozmieszczone w wybranych wyrobiskach kopalni. Następnie opracowano algorytmy optymalizacji numerycznej, dla których ułożono nowe procedury programu komputerowego VentZroby. Do testowania procedur przygotowano przykład obliczeniowy, a odpowiedni model numeryczny oraz dane z czujników systemu monitoringu (gazometrii) pozwoliły na sprawdzenie poprawności działania przyjętej metody optymalizacji numerycznej procesu estymacji stanu sieci wentylacyjnej. Uzyskane wyniki przedstawiono na wykresach i zestawieniach tabelarycznych. W podsumowaniu przedstawiono wnioski potwierdzające trudności prowadzenia badań walidacyjnych wynikające zarówno z powodu złożonego modelu matematycznego opisującego przepływ powietrza oraz trudności z uzyskaniem dobrej jakości danych pomiarowych za pomocą czujników systemu monitoringu wyrobisk kopalni.

EN

The experience gathered during the validation of the mathematical model underpinning the computer program VentZroby reveals the complexity of the issue, caused by the large number quantities to be considered as well as their variability patterns. It is assumed that the reliability of the forecast of airing conditions in the mine obtained from simulations is associated with the reliability of the quality of fit between the simulated and real ventilation networks. The mathematical model was validated by verifying the numerical data and comparing them with measurement results obtained from the sensors making up the monitoring system. Validation tests performed between 2000-2011 were based on qualitative criteria of simulated time patterns of particular quantities (Dziurzyński et al. 2001, 2005, 2007a, 2007b, 2008, 2009, 2011). Validation of the simulation programme was fi rst based on a procedure using the measure of distance between the prognosticated results and monitoring data in the form of the sum of squared differences between measured and prognosticated results, with the appropriate weights. Now it is suggested that this measure should be an objective function minimised by the selected method of numerical optimisation. The measure of distance of time series is well applicable to numerical methods of minimisation of the objective function and so attempts can be made to automate the verification of mathematical model parameters used in the program VentZroby. In the fi rst place the algorithm was developed for automatic optimisation of the selected model parameter (volumetric airfl ow rate). The objective function was defined as the normalised squared distance between the prognosticated and real vectors of state, and the vectors components include the volumetric flow rate of air- those prognosticated and calculated from flow velocity measurements by the anemometers located at selected points in the mine and making up the monitoring system. Then the numerical optimisation algorithm was developed, supported by new procedures in the computer program VentZroby. The procedures will be tested on an example and the numerical model and data from the monitoring system will allow us to test the adequacy of the adopted method of numerical optimisation of estimation of the ventilation network condition. Results are shown in the form of graphs and tables. The summing-up section gives conclusions confirming the difficulties involved in validation procedures, mostly due to complexity of the mathematical airflow model and the fact that good-quality measurement data from the monitoring sensors are hard to obtain.

3

Prognoza stanu atmosfery w rejonie ściany i jej zrobach na podstawie danych z systemu monitoringu kopalni

Dziurzyński W., Wasilewski S., Krach A., Pałka T.

Przegląd Górniczy

|

2011

|

T. 67, nr 7-8

265--271

PL

W artykule pokazano nowe możliwości praktycznego wykorzystania programu komputerowego VentZroby do badań stanów przewietrzania na przykładzie rejonu wentylacyjnego ściany 4 i 5 pokład 409 kopalni „Śląsk”, w której miało miejsce tragiczne zdarzenie we wrześniu 2009 roku. Podjęto próbę odtworzenia stanu przewietrzania przed zdarzeniem, z uwzględnieniem zagrożenia metanowego. W celu walidacji rozwiązań modelowych w zakresie wyznaczenia przepływu powietrza i metanu w rejonie ściany wykorzystano dane z kopalnianego systemu monitoringu prędkości powietrza i stężenia metanu w wyrobiskach po zatrzymaniu wentylatora głównego przewietrzania. Brak danych pomiarowych o parametrach przepływu powietrza (prędkości, ciśnienia itp.) dla rejonu ściany przed zdarzeniem utrudniał ustalenie danych początkowych do symulacji. Stąd prowadzono wielokrotne obliczenia programem VentZroby, zmieniając parametry modelu, tak aby uzyskać najlepsze dopasowanie wyników obliczeń do danych zarejestrowanych w kopalnianym systemie gazometrii automatycznej. Wyniki badań pokazały wiele trudności z wykorzystaniem danych uzyskanych z czujników kopalnianego systemu gazometrii automatycznej, do wyznaczania parametrów modelu numerycznego, co m.in. wynika z punktowego sposobu pomiarów oraz losowych zaburzeń sygnałów pomiarowych parametrów powietrza rejestrowanych w tych systemach. Stwierdzono, że dla uzyskania wiarygodnych danych z systemu monitoringu do celów symulacji konieczna jest ich weryfikacja drogą pomiarów porównawczych, w miejscach zainstalowania czujników systemu w wyrobiskach sieci wentylacyjnej kopalni

EN

In the article have been shown new possibilities of practical use of the computer programme VentZroby for investigations of ventilation states on the example of the ventilation area of longwall 4 and 5, seam 409 of the Śląsk mine, in which a tragical event in September 2009 took place. An attempt was undertaken to reconstruct the ventilation state before the event, taking into consideration the methane hazard. In order to validate model solutions with respect to the determination of the air and methane flow in the longwall area, data from the mine monitoring system regarding air velocity and methane concentration in mine workings after the stoppage of the ventilation main fan were used. The lack of measuring data about air flow parameters (velocity, pressure etc.) for the longwall area before the event hindered the settlement of initial data for simulation. Therefore repeated calculations by means of the VentZroby programme were conducted changing the model parameters in order to obtain the best adaptation of calculation results to data registered in the mine automatic gasometry system. The results of investigations have shown many difficulties regarding the use of data obtained from sensors of the mine automatic gasometry system, for the determination of parameters of the numerical model, what among others results from the point measurement method and random disturbances of measuring signals of air parameters registered in these systems. It has been ascertained that in order to obtain reliable data from the monitoring system for simulation purposes, necessary is their verification by means of comparative measurements in places of installation of the system’s sensors in workings of the mine ventilation network.

4

Opracowanie narzędzi programowych dla celów odtworzenia zaistniałych zdarzeń i katastrof oraz ich weryfikacja na podstawie danych „post”

Dziurzyński W., Wasilewski St., Krach A., Pałka T.

Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN

|

2011

|

Vol. 13, no. 1-4

131--152

PL

W ostatnich dwóch latach w ramach działalności statutowej w Instytucie Mechaniki Górotworu podjęta została próba opracowania narzędzi programowych opartych na systemie programów komputerowych Ventgraph oraz VentZroby dla celów odtwarzania procesów zachodzących w czasie zdarzeń i katastrof. Jest rzeczą oczywistą, że takie analizy wykonywane w oparciu o modele i programy komputerowe będą efektywne i skuteczne o ile zostaną zweryfikowane i zwalidowane w oparciu o rzeczywiste dane i rejestracje parametrów powietrza z kopalń nawet uzyskane po zdarzeniu. Taką właśnie metodę weryfikacji i walidacji narzędzi programowych zastosowano w badaniach przedstawionych w artykule. Kontynuując wcześniejsze prace, zaproponowano opracowanie modelu numerycznego z wykorzystaniem pomiarów wentylacyjnych przeprowadzonych w październiku 2010 roku we wszystkich wyrobiskach kopalni w bazie danych systemu programów komputerowych Inżyniera Wentylacji Ventgraph. Korzystając z nowych opcji programu VentZroby, do utworzonego modelu numerycznego kopalni dołączono obszar zrobów eksploatowanej we wrześniu 2009 roku rejonu ściany 5, zlikwidowanej ściany 3 oraz rozpoczynającą eksploatację ścianę 4 w pokładzie 409. W artykule przedstawiono wyniki odtworzenia stanu przewietrzania metodą symulacji numerycznej przed wyłączeniem, w trakcie postoju oraz po załączeniu wentylatora w szybie III kopalni „Śląsk”, z uwzględnieniem dopływu metanu. W badaniach wykorzystano dane zarejestrowane w kopalnianym systemie gazometrii automatycznej tj. prędkości powietrza, stężenia metanu oraz różnicy ciśnień na tamach, a także stężenia metanu w rurociągu odmetanowania ze zrobów. Takie badania pozwalają nie tylko na samą ocenę zjawisk przepływowych ale również na pokazanie zmian stężenia metanu, wywołanych wyłączeniem wentylatora. Ponadto, umożliwiają zbudowanie profesjonalnego narzędzia dla celów odtworzenia zaistniałych zdarzeń i katastrof oraz ich weryfikacji na podstawie danych uzyskanych po zdarzeniu. Potrzebne dane wejściowe do budowy modelu numerycznego sieci wyrobisk uzyskano z: pomiarów wentylacyjnych, z systemu gazometrycznego kopalni oraz z informacji ustnych od służb wentylacyjnych kopalni. Uzyskanie zwalidowanego modelu numerycznego umożliwia wiarygodną wielowariantową symulację zdarzeń, która prowadzi do wyciągnięcia praktycznych wniosków i zrozumienia przyczyn katastroficznych zdarzeń.

EN

For the past two years, at the Strata Mechanics Research Institute, attempts have been made – as part of the Institute’s objects – to develop software tools based on the system of the Ventgraph and VentZroby computer programs. The objective is to recreate processes taking place during mining events and distasters. Obviously, such analyses – carried out with computer models and programs – shall not be effective unless verified and validated on the basis of real data and the recorded parameters of the air in mines (even if the latter are obtained after the event). Such is the method of verification and validation that the research described in the article makes use of. As a continuation of previous work, it has been suggested that a numerical model should be developed, involving ventilation measurements carried out in October 2010 in all the mine excavations entered into the database of the Ventilation Engineering Ventgraph program system. New options included in the VentZroby program made it possible to enrich the developed numerical model of the mine with the area of post-mining excavations of Wall 5, exploited in September 2009, as well as of the already liquidated Wall 3, and Wall 4, whose exploitation has just begun. All the walls are part of Deposit no. 409. The article presents the effects of recreating the state of ventilation by means of the numerical simulation method – before turning off the ventilator in the 3rd pit-shaft of the Śląsk coal mine, during its stoppage, and after turning it on. The infl ow of methane was taken into account. The tests made use of the data recorded by the mine system of automatic gasometry, i.e. the speed of the air, the concentration of methane, and the difference in pressures on dams, as well as the concentration of methane in the pipeline outgassing the post-mining excavations. Not only do such tests make it possible to evaluate the fl ow phenomena, but they also demonstrate changes in the concentration of methane, caused by turning the ventilator off. In addition, the tests enable development of a professional tool for recreating events and disasters, and for their verification on the basis of the data obtained after a given event happened. The entry data needed to develop a numerical model of the excavation network was acquired via the following sources: ventilation measurements, the gasometric system of the mine, and the information provided by the mine ventilation personnel. Developing a validated numerical model makes it possible to perform a multivariant event simulation, which opens the way for drawing practical conclusions and understanding the reasons behind disasters.

5

Rozwój metody prognozowania stanu atmosfery kopalni z wykorzystaniem symulacji numerycznej oraz danych z systemu monitoringu

Dziurzyński W., Wasilewski St., Krach A., Pałka T.

Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN

|

2010

|

Vol. 12, no. 1-4

115--132

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań zmierzające do rozwoju metody prognozowania niestacjonarnego przepływu mieszaniny powietrza i gazów w sieciach wentylacyjnych, zrobach, w procesie przewietrzania kopalń, z uwzględnieniem naturalnych i katastrofi cznych zaburzeń w warunkach przepływu. Przyjęto, że istotne informacje o stanie przewietrzania wnoszą dane z systemu gazometrii automatycznej w kopalni. Wyniki wcześniejszych badań w zakresie walidacji programu komputerowego VentZroby były na tyle interesujące, że dały podstawę do zaproponowania nowego podejścia do zasad budowy modelu numerycznego sieci wentylacyjnej kopalni, obejmującego również zroby. Zaproponowano wykorzystanie modeli numerycznych utworzonych na bazie systemu programów Inżyniera Wentylacji Ventgraph z dołączonym obszarem zrobów eksploatowanych ścian. Opracowany nowy algorytm programu oraz interfejs programu są „przyjazne” w obsłudze dla użytkownika. W drugiej części pokazano nowe możliwości praktycznego wykorzystania programu komputerowego Vent- Zroby do badań stanów przewietrzania na przykładzie rejonu wentylacyjnego ściany 4 i 5 pokład 409 kopalni Śląsk, w której miało miejsce tragiczne zdarzenie we wrześniu 2009 roku. Podjęto próbę odtworzenia stanu przewietrzania przed zdarzeniem, z uwzględnieniem zagrożenia metanowego. Takie badania pozwalają nie tylko na samą ocenę przyczyn zdarzenia, ale również umożliwiają zbudowanie profesjonalnego narzędzia dla oceny skali zagrożeń wynikających z przepływu oraz migracji gazów wybuchowych względnie toksycznych, jako produktów rozwijającego się pożaru węgla w zrobach. W celu walidacji rozwiązań modelowych w zakresie wyznaczenia przepływu powietrza i metanu w rejonie ściany wykorzystano dane z kopalnianego systemu monitoringu prędkości powietrza i stężenia metanu w wyrobiskach po zatrzymaniu wentylatora głównego przewietrzania. Brak danych pomiarowych o parametrach przepływu powietrza (prędkości, ciśnienia itp.) dla rejonu ściany, przed zdarzeniem utrudnił ustalenie danych początkowych do symulacji. Obliczenia programem VentZroby dla zmiennych parametrów modelu prowadzono tak aby uzyskać najlepsze dopasowanie wyników obliczeń do danych zarejestrowanych w kopalnianym systemie gazometrii automatycznej. Wyniki badań pokazały szereg trudności w wyznaczaniu parametrów modelu numerycznego z wykorzystaniem danych uzyskanych z czujników kopalnianego systemu gazometrii automatycznej, co m.in. wynika z punktowego sposobu pomiarów w tych systemach oraz losowych zaburzeń sygnałów pomiarowych parametrów powietrza. Stwierdzono, że istotnym elementem dla wiarygodności danych jest ich potwierdzenie drogą pomiarów porównawczych, w miejscach zainstalowania czujników systemu monitoringu w wyrobiskach sieci wentylacyjnej kopalni. Losowe zaburzenia parametrów powietrza rejestrowane przez czujniki w systemie gazometrii mogą być również eliminowane przez fi ltrację sygnałów pomiarowych przed ich wykorzystaniem do badań modelowych.

EN

The study summarises the research data to be used for development of a method for forecasting the non-stationary flows of air and gas mixtures in ventilation networks, goafs, and formed during the ventilation processes, taking into account the natural and catastrophic flow disturbances. It is assumed that all vital information about the ventilation conditions are available from the automatic gas flow control system in the mine. The results of previous attempts to validate the program VenZroby were sufficiently promising and thus prompted the development of a new approach to creating numerical models of ventilation networks in the mines, incorporating the goafs too. It is suggested that numerical models should be used that are developed on the basis of the Ventilation Engineer’s Ventgraph program, with incorporated goaf areas. The newly designed program’s algorithm and interface seem to be more user-friendly. The second part of study explores the potential applications of the program VentZroby in analysing the air conditions. The case study considered there is that of the face regions 4 and 5 in the colliery “Śląsk” where a catastrophic accident occurred in September 2009. An attempt is made to reconstruct the ventilation conditions before the accident, taking into account the methane hazard. Such analyses are most helpful when studying the causes of the accident and enable us to develop professional tools for evaluating the risks due to flow and migration of explosive or toxic gases- the products of spreading coal fires in goafs. To validate the model solutions (prognosticated flows of air and methane in the face region), the monitoring data were used, available from the air velocity and ,methane concentration control systems after the main fan was switched off. Because of the lack of measurement data about the air flow parameters (velocity, pressure) before the accident, it was difficult to fi nd the initial data for simulations. Calculations supported by the program VentZroby, for variable model parameters, were done such as to achieve the best agreement between the calculation results and data available from the automatic gas flow control systems in the mine. Results revealed a number of difficulties involved in finding the parameters of the numerical model using the data from the gas flow control system, due to with point-to-point measurements implemented in these systems and random disturbances of airflow measurement signals. To prove the reliability of thus obtained results, they have to be confirmed by comparative measurements taken at those points of the ventilation network in the mine where the monitoring sensors are installed. Random disturbances of airflow parameters registered by the sensors, making up the gas flow control system, can be eliminated through filtering of measurement signals before they are used in model tests.