Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

A fully coupled solid and fluid model for simulating coal and gas outburst with DEM and LBM

Wang Y. C., Xue S., Xie J.

AGH Journal of Mining and Geoengineering

|

2012

|

Vol. 36, no. 3

377-384

EN

In this paper, we present a fully coupled solid-fluid code which is developed to model the whole process of coal and gas outbursts. The Discrete Element Method is used to model the deformation and fracture of solid, while Lattice Boltzmann Method models fluid flow, including free flow and Darcy flow. These two methods are coupled in a two-way process: the solid part provides a moving boundary condition and transfers momentum to the fluid, and the fluid exerts a dragging force to the solid. Gas desorption occurs at solid-fluid boundary, and gas diffusion is implemented in the solid code where particles are assumed as porous material. Some preliminary simulations are carried out to validate the code.

PL

W niniejszej publikacji prezentujemy w pełni zintegrowany kod oddziaływania pomiędzy cieczą a ciałem stałym, opracowany do modelowania całego procesu wyrzutów węgla i gazu. Metoda elementów dyskretnych stosowana jest do modelowania deformacji i pęknięcia ciała stałego, podczas gdy metoda siatkowa Boltzmanna - do modelowania przepływu cieczy, w tym przepływu swobodnego i przepływu zgodnie z prawem Darcy'ego. Te dwie metody połączone są w procesie dwukierunkowym: część stała zapewnia warunki ruchomej granicy rozdziału, przenosząc pęd do cieczy, a ciecz wywiera opór na ciele stałym. Desorpcja gazu występuje na granicy oddziaływania pomiędzy cieczą a ciałem stałym, a do rozproszenia gazu dochodzi w kodzie ciała stałego, gdzie cząsteczki traktowane są jako materiał porowaty. Prowadzone są wstępne symulacje w celu sprawdzenia poprawności kodu.

2

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

Kidybiński A.

Archives of Mining Sciences

|

2011

|

Vol. 56, no 3

415-426

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.

3

Kryteria inicjowania wyrzutów gazu i skał w górnictwie światowym

Patyńska R.

Przegląd Górniczy

|

2010

|

T. 66, nr 6

24-29

PL

Obszerna analiza zaistniałych wyrzutów w polskich kopalniach węgla, wykazuje potrzebę uwzględniania wpływu struktury pokładu i bezpośrednio otaczających skał stropu oraz spągu jako istotnego kryterium zainicjowania tego zjawiska. Wyrzut gazów i skał jest zjawiskiem związanym z obecnością gazu w strukturze porowatego ośrodka. Ilość gazu jaka jest niezbędna do tego, by wyrzut nastąpił, wynika z pojemności wewnętrznej porowatego ośrodka skalnego. Wyniki Badań modelowych dotyczące porowatości struktury calizny węglowej w przodku wyrobiska korytarzowego, wskazują na zróżnicowanie tegoż parametru w zależności od miejsca pomiarowego.

EN

The comprehensive analysis of outburst in Polish mines is recommended to consideration of influence of structure in the coal seam and in the rock in the roof and in the bottom. Outburst of gases and rocks is a phenomena connected with appearance of gases in the structure of porous rocks. The amount of gases indispensable to the start of outburst is a defined as result of internal volume of porosity rocks. The results of modeling investigation of porosity of coal solid in longwall face shows that diversity of this parameter is connected with investigation spots.

4

The influence of temperature changes of the structurally deformed coal-methane system on the total methane content

Wierzbicki M., Dutka B.

Archives of Mining Sciences

|

2010

|

Vol. 55, no 3

547-560

EN

Tectonic deformations in hard coal seams may be related with structurally deformed and altered coal zones (so-called sheared zones). The example of such coal structure is shown in fig. 1 and 2. The physicochemical properties of the above mentioned coal influences the local increase of methane and outburst risk in hard coal mines. One of the most important parameters in the coal-methane system, which determines the methane sorption ability in coal seams, is the sorption capacity of coal. A change in temperature leads to a sorption equilibrium disturbance and to a change of the sorption capacity. This article presents the results of the sorption studies concerning the structurally deformed coal sampled from a methane and outburst prone zone. The sorption measurements were carried out by means of the volumetric equilibrium method. The sorption isotherms of methane were determined (fig. 4) at the temperature range of 298-318K and for pressures up to 1.5 MPa. The studies revealed that a temperature increase reduces the methane sorption ability of structurally deformed coal. To the experimental points, obtained from the sorption measurements, the Langmuir isotherm equations were fitted. Tab. 1 compares the am and b parameters which were determined for each of the five concerned temperatures and also tabulates the values of the so-called Langmuir pressures PL which equal to the reverse of the Langmuir constant b. This paper presents the temperature correlations of the am and the b constants. They are of linear character, as it may be seen in fig. 6 and 7. The functional correlations between the methane sorption capacity, temperature and pressure were examined - the equations (4) and (5). These correlations may become a contribution to the methane balance basing on the knowledge of the methane content of the coal seam and the sorption capacity of coal and recreation of the in situ conditions on the basis of the measurements in laboratory conditions. Additionally, fig. 8 presents the methane sorption capacity as a function of pressure and temperature, what was shown as a surface chart. The equation (6) may be useful to determine the methane equilibrium pressure p which corresponds to the determined sorption capacity of coal a at any T temperature. The amount of free gas in coal may be determined using the equation (7), assuming the coal porosity is known. The percentage volume fraction of the free methane in the total methane content was compared assuming the porosity of coal was typical for undisturbed (structurally unchanged) coal (6%) and the porosity of structurally deformed coal (24.5%). This matter was examined in reference to the temperature influence. The results were shown in fig. 9.

PL

Obecność deformacji tektonicznych w pokładach węglowych może wiązać się z występowaniem stref węgla o strukturze zniszczonej i odmienionej. Przykład struktury wewnętrznej badanego węgla pokazano na rysunkach 1 i 2. Cechy fizykochemiczne tego typu węgli wpływają na lokalny wzrost zagrożenia metanowego i wyrzutowego w kopalniach węgla kamiennego. Jednym z podstawowych parametrów w układzie węgiel-gaz, decydującym o możliwości akumulacji metanu w pokładach węgla kamiennego jest pojemność sorpcyjna węgla. Zmiana temperatury układu pociąga za sobą zaburzenie istniejącej równowagi sorpcyjnej i zmianę pojemności sorpcyjnej. W niniejszej pracy omówiono wyniki badań sorpcyjnych przeprowadzonych na węglu odmienionym strukturalnie, pobranym z rejonu szczególnego zagrożenia wyrzutowego i metanowego. Badania prowadzono metodą objętościową równowagową. Wykonano izotermy sorpcji metanu w zakresie temperatur od 298 do 318K dla ciśnień równowagowych do ok. 1,5 MPa - rysunek 4. Wykazano, iż wzrost temperatury ogranicza zdolności sorpcyjne węgla odmienionego względem metanu. Do punktów doświadczalnych uzyskanych z pomiarów sorpcyjnych dopasowano równania izoterm Langmuira. W tabeli 1 zestawiono parametry am i b wyznaczone dla każdej z rozpatrywanych temperatur oraz wartości tzw. ciśnień Langmuira PL będących odwrotnością stałej Langmuira b. Przedstawiono temperaturowe zależności stałych am oraz b . Mają one charakter liniowy, co widoczne jest na rysunkach 6 i 7. Przeanalizowano zależności funkcyjne pomiędzy pojemnością sorpcyjną, temperaturą i ciśnieniem - równania (4) oraz (5). Podane zależności mogą być przyczynkiem do bilansowania metanu na podstawie znajomości metanonośności i pojemności sorpcyjnej oraz przełożenia wyników pomiarów w temperaturze laboratoryjnej na warunki in situ. Dodatkowo, na rysunku 8, zależność pojemności sorpcyjnej w funkcji ciśnienia i temperatury przedstawiono w postaci wykresu powierzchniowego. Na podstawie równania (6) można wyliczyć ciśnienie równowagowe p metanu, odpowiadające określonej pojemności sorpcyjnej a węgla w znanej temperaturze T, a następnie na podstawie równania (7) zawartość gazu wolnego w węglu (przy znanej jego porowatości). Porównano procentowe udziały objętościowe metanu wolnego w całkowitej jego zawartości w węglu, przyjmując porowatość węgla typową dla węgli nieodmienionych strukturalnie (6%) oraz porowatość węgla o strukturze odmienionej (24,5%). Zagadnienie przeanalizowano pod kątem wpływu temperatury. Wyniki przedstawiono na rysunku 9.