Method of regulating elements of the methane drainage network using computer simulation

• Autorzy: Dziurzyński, W. , Krach, A. , Pałka, T.

Warianty tytułu

PL

Metoda regulacji elementów sieci odmetanowania z wykorzystaniem symulacji komputerowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

It is accepted that the methods of computer simulation of phenomena that are used to solve the issue of the regulation of flow in a network of demethanisation pipelines do contribute as an effective tool for the further development of knowledge and to help reduce the methane hazard in coal mines. Of practical interest and usefulness is the further development of the methods of simulating the demethanisation process, which make it possible to gain a better understanding of the impact on the demethanisation effi ciency of the regulation conducted in the vicinity of drainage openings that are located in the mining area or immediately adjacent to old goafs. Here, one may use existing numerical fl uid mechanics CFD programmes, for example those presented in the work (Nawrat et al., 2008), or continue research that is aimed at developing new software, which is adapted to the requirements of the issue in question as well as to mining conditions. One of the advantages of this solution is the complete knowledge of the adopted assumptions and simplifi cations made along with the possibility of continuously developing simulation methods for the issue in question, depending on the progress achieved in experimental research. In the present article we have presented the mathematical model of the flow of the air and the methane mix in mine headings in goafs, in which the demethanisation pipeline will make it possible to consider those issues concerning regulation in the configuration of goafs - unmined coal - demethanisation pipelines and headings in which drainage openings have been made. The elaboration of such a mathematical model and a calculation programme could make it possible to use the computer simulation method to forecast the take-up of methane from a selected coal mining area with the simultaneous regulation of methane take-up in the elements of the demethanisation pipeline. In the present article, we considered a calculation example of the regulation of a group of drainage openings that are located in the area of the longwall. The results obtained have been presented in figures that contain the distribution of changes in the observed parameters. The equations, formulae and pertinent boundary-initial conditions covered in chapter 3 result in the formulation of a mathematical model that constitutes the basis for the elaborated computer programme RegOdmet. The simulations conducted for the selected area of the wall and its goafs, which are currently mined with demethanisation, make it possible to designate the impact of the regulation performed by using valves at the openings or groups thereof on the changes in the infl ow of methane to the demethanisation network. It should be stressed here that the issue is considered for a multidimensional configuration of the goaf area, while the flow in the wall headings and the demethanisation pipeline is considered for a one-dimensional configuration. The elaborated RegOdmet programme has undergone intensive testing, which makes it possible to perform calculations while simultaneously observing the solution. A short description of the functioning of the computer programme has been provided, and exemplary calculations are performed in order to illustrate that the programme can be used for regulating the demethanisation network. When analysing the example given, we see the usefulness of the developed method of simulating the regulation of the demethanisation process through the directional drainage openings that come into contact with the goafs through the rock mass. The regulatory activities performed show considerable changes in the presented distribution of the flow parameters as a function of the temporal duration of demethanisation. For this reason, one can consider as successful the results of the computer simulation obtained based on a relatively simple mathematical model, while the application of the method of the visualisation of the results of the calculations makes it easier to interpret flow phenomena. It has been determined that at the present stage of development, the RegOdmet software may be used, for example, for training purposes in order to demonstrate different variants of regulation and the impact of such activities on the take-up of methane. The example that was performed underlined the usefulness of software of this type, and it is therefore necessary to continue work on its development, taking into consideration other mobile instances. It is also indispensable to conduct experimental work using "in situ" measurement methods in order to validate the results of the computer numerical simulation.

PL

Przyjmuje się, że metody komputerowej symulacji zjawisk zastosowane do rozwiązania zagadnienia regulacji przepływu w sieci rurociągów odmetanowania wnoszą skuteczne narzędzie do dalszego rozwoju wiedzy i przyczyniają się do obniżenia zagrożenia metanowego w kopalniach węgla. Interesującym i przydatnym dla praktyki jest dalszy rozwój metod symulacji procesu odmetanowania umożliwiających poznanie wpływu na efektywność odmetanowania regulacji prowadzonej w pobliżu otworów drenażowych znajdujących się w rejonie wydobywczym lub w bezpośrednim sąsiedztwie starych zrobów. W tym zakresie można posłużyć się gotowymi programami numerycznej mechaniki płynów CFD jak np. pokazano to w pracy (Nawrat St., Stopa J., Napieraj S., Marks G., 2008) lub rozwijać badania prowadzące do opracowania nowego oprogramowania dostosowanego do wymogów rozważanego zagadnienia oraz warunków górniczych. Zaletą tego rozwiązania jest pełna wiedza o przyjętych założeniach i dokonanych uproszczeniach oraz możliwość stałego rozwoju metod symulacji rozważanego zagadnienia w zależności od postępu w badaniach eksperymentalnych. W artykule przedstawiono model matematyczny przepływu mieszaniny powietrza i metanu w wyrobiskach górniczych w zrobach i rurociągu odmetanowania, który stanowi podstawę na rozważenie zagadnień związanych z regulacją w układzie zroby, calizna węglowa, rurociągi odmetanowani i wyrobisko z którego wykonano otwory drenażowe. Opracowanie takiego modelu matematycznego oraz opracowanie programu obliczeniowego umożliwi przeprowadzenie metodą symulacji komputerowej prognozy ujęcia metanu z wybranego rejonu eksploatacji węgla z równoczesną regulacją ujęcia metanu w elementach rurociągu odmetanowania. W artykule rozważono przykład obliczeniowy regulacji wiązki otworów drenażowych zlokalizowanych w rejonie ściany wydobywczej. Uzyskane rezultaty przedstawiono na rysunkach zawierających rozkłady zmian obserwowanych parametrów. Przedstawiono w rozdziale 3 równania, wzory i odpowiednie warunki brzeżno-początkowe formułują model matematyczny, który stanowi podstawę opracowanego programu komputerowego RegOdmet. Przeprowadzone symulacje dla wybranego rejonu ściany i jej zrobów, aktualnie eksploatowanej z odmetanowaniem, pozwalają na wyznaczenie wpływu prowadzonej regulacji zaworami na otworach lub ich wiązkach na zmianę dopływu metanu do sieci odmetanowania. Należy zaznaczyć, że zagadnienie rozważa się dla układu wielowymiarowego dla obszaru zrobów, a przepływ w wyrobiskach przyścianowych i w rurociągu odmetanowania rozważa się dla układu jednowymiarowego. Opracowany program RegOdmet poddano intensywnemu testowaniu, w wyniku którego możliwe jest prowadzenie obliczeń z równoczesnym śledzeniem rozwiązania. Podano krótki opis funkcjonowania programu komputerowego oraz wykonano przykład obliczeń pokazując możliwości wykorzystania programu dla celów regulacji sieci odmetanowania. Analizując pokazany przykład widać przydatność opracowanej metody symulacji regulacji procesu odmetanowania kierunkowymi otworami drenażowymi mającymi kontakt ze zrobami poprzez otaczający górotwór. Wykonywane czynności regulacyjne pokazują wyraźnie zmiany w przedstawionych rozkładach parametrów przepływu w funkcji czasu prowadzenia odmetanowania. Dlatego należy jako sukces uznać osiągnięte rezultaty symulacji komputerowej w oparciu o stosunkowo prosty model matematyczny, a zastosowanie metod wizualizacji wyników obliczeń ułatwia interpretacje zjawisk przepływowych. Stwierdzono, że na obecnym etapie rozwoju oprogramowania RegOdmet można np. dla celów szkoleniowych pokazać różne warianty regulacji i wpływ tych czynności na ujęcie metanu. Wykonany przykład wykazał przydatność tego typu oprogramowania i konieczne jest kontynuowanie prac nad jego rozwojem uwzględniającym inne ruchowe przypadki. Nieodzowne jest również prowadzenie prac eksperymentalnych metodami pomiarowymi "in situ" w celu walidacji wyników komputerowej symulacji numerycznej.

Słowa kluczowe

PL

regulacja elementów sieci odmetanowania; symulacja komputerowa; odmetanowanie kopalń

EN

regulating elements of the drainage network; computer simulation; methane demethanisation

• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 54, no 2
• Strony: 159-187
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Dziurzyński, W.

autor

Krach, A.

autor

Pałka, T.

• Strata Mechanics Research Institute of The Polish Academy of Sciences, Reymonta 27 Str. 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• Bird R.B., Stewart W.E., Lightfoot E.N., 1960. Transport phenomena, John Wiley & Sons, Inc. USA.
• Dziurzyński W., Krach A., Krawczyk J., Pałka T., 2008. The flow of humid air in the ventilation network of a mine with an underground fire, Archives of Mining Sciences, Monographs Series, no. 4, pages 4-134.
• Dziurzyński W., Kruczkowski J., 2007. Validation of the mathematical model used in the VENTGRAPH programme on the example of the introduction of new headings to the ventilation network of mine, Archives of Mining Sciences, Vol. 52, 3 (2007).
• Dziurzyński W., Krawczyk J., Kruczkowski J., 2008. Assessment of stability of flow a modified mine ventilation network considering a presence of fire hazards, The U.S.12 North American Mine Ventilation Symposium, Reno, Nevada pages 578-582.
• Dziurzyński W., Krach A., Krawczyk J., Palka T., Roszkowski J. ,2006. Opracowanie opisu matematycznego ustalonego przepływu mieszaniny metanu i powietrza w kopalnianej sieci odmetanowania z uwzględnieniem struktury połączeń (Elaboration of a mathematical description of the steady flow of the methane-air mix in a mine methane drainage network taking into consideration the structure of connections). Task 6 Target project No. 6T12 2005C/06536 entitled: “METHODS of selecting a methane drainage pipeline for existing mining and geological conditions”, an unpublished work available at the IMG PAN.
• Dziurzyński W., Krach A., Krawczyk J. Palka T. Roszkowski J.,2007. Researching the distributions of expenditures and concentrations on the basis of an elaborated computer programme for the solution of the methane drainage network - different variants of the structure of the connection network. Task 9 Target project No. 6T12 2005C/06536 entitled: “METHODS of selecting a methane drainage pipeline for existing mining and geological conditions”, an unpublished work available at the IMG PAN.
• Krach A., 2004. Wpływ zmian ciśnienia barometrycznego na stężenie metanu w prądzie powietrza wypływającym z rejonu ściany z przyległymi zrobami – model matematyczny i algorytm obliczeniowy (Impact of barometric pressure on the concentration of methane in the stream of air flowing out of the longwall area with adjacent goaf – mathematical model and calculation algorithm). Archives of Mining Sciences. Issue 49, 1, pages 43-53.
• Nawrat S., 1999. Eksperymentalne i modelowe badania procesu wypełniania metanem otamowanych wyrobisk w kopalniach węgla kamiennego, (Experimental and model research into the process of filling stopped headings with methane in hard coal mines), Scientific, research and implementation works EMAG Katowice, No. 1.
• Nawrat S., Stopa J., Napieraj S., Marks G., 2008. Badania modelowe odmetanowania pokładów węgla (Model research into the methane drainage of coal beds), XXXIV Days of Technology ROW 2008. Seminar, Silesian Technical University, Rybnik.
• Nowak B., Roszkowski J., Szlązak N.,1998a. Wpływ skokowej zmiany ciśnienia w kopalnianych otworach drenażowych na strumień metanu (Impact of an abrupt change in pressure in mine drainage boreholes on the stream of methane), AGH Quarterly “Górnictwo”, booklet 1.
• Nowak B., Roszkowski J., Szlązak N., 1998b. Przybliżona metoda dla określenia zasięgu strefy drenażu metanu otworami wiertniczymi (Approximate method of determining the range of the methane drainage zone through drilled boreholes), Archives of Mining Sciences, vol. 43, Issue 2.
• Nowak B., Roszkowski J., Szlązak N.,1999. Współpraca otworu drenażowego sieci odmetanowania z górotworem (Cooperation of the drainage area of the methane drainage network with the rock mass), Archives of Mining Sciences, vol. 42, Issue 4.
• Pawiński J., Roszkowski J., Strzemiński J., 1995. Przewietrzanie kopalń (The ventilation of mines), Śląskie Wydawnictwa Techniczne, Katowice.
• Pawiński J., 1970. Filtracja gazu w pokładach węglowych jako przepływ z wymianą masy (Filtration of gas in coal beds as flow with the exchange of mass), Archives of Mining Sciences, vol. 15, Issue 3.
• Pawiński J., Roszkowski J., Szlązak N.,1996. Określenie parametrów wpływających na natężenie przepływu metanu w otworach drenażowych (Determining the parameters impacting the intensity of the flow of methane in drainage boreholes), Archives of Mining Sciences, vol. 41, Issue 1.
• Roszkowski J., Szlązak N., Nowak B., 1997. Filtracja metanu do otworów drenażowych po skokowej zmianie na nich depresji (Filtration of methane to drainage boreholes following an abrupt change of the depression thereof), Archives of Mining Sciences, vol. 42, Issue 2.
• Roszkowski J., Szlązak N., 1999. Wybrane problemy odmetanowania kopalń węgla kamiennego (Selected problems relating to the methane drainage of hard coal mines). Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne. Kraków.
• Roszkowski J., Nawrat S., 2004. Współpraca otworów drenażowych w procesie odmetanowania (Co-operation of drainage boreholes in the methane drainage process).AGH Scientific Brochures “Mining and Geoengineering”, booklet 3, 2004.
• Szlązak N., 1983. Wpływ parametrów odmetanowania na natężenie przepływu metanu w otworach drenażowych (Impast of methane drainage parameters on the intensity of the flow of methane in drainage boreholes), Archives of Miting Sciences, vol. 28, Issue 3.