OCENA STANU ATMOSFERY W REJONIE ŚCIANY I JEJ ZROBACH NA PODSTAWIE BADAŃ MODELOWYCH I DANYCH Z SYSTEMU MONITORINGU W KOPALNI

GÓRNICTWO I GEOLOGIA 2012 Tom 7 Zeszyt 4 Wacław DZIURZYŃSKI, Stanisław WASILEWSKI Instytut Mechaniki Górotworu Polskiej Akademii Nauk, Kraków OCENA STANU ATMOSFERY W REJONIE ŚCIANY I JEJ ZROBACH NA PODSTAWIE BADAŃ MODELOWYCH I DANYCH Z SYSTEMU MONITORINGU W KOPALNI Streszczenie. Zapalenia i wybuchy metanu, które miały miejsce w ostatnich latach w polskich kopalniach węgla kamiennego, wielokrotnie miały swoje źródło w zrobach ścian zawałowych. Powszechnie uznaje się, że przestrzeń zrobów jest w praktyce słabo rozpoznawana pod względem rozkładu koncentracji gazów i zjawisk zachodzących w tych przestrzeniach, a często nawet niekontrolowana. Zjawiska w zrobach i wyrobiskach otamowanych często przebiegają bez wyraźnych oznak oraz zmian składu powietrza obiegowego w wyrobiskach przyległych, co znacznie utrudnia ich rozpoznawanie i kontrolę. W analizach zapaleń i wybuchów metanu, szczególnie w zrobach ścian zawałowych oraz przestrzeniach zamkniętych, coraz częściej pomocne stają się metody symulacji komputerowych, które umożliwiają rozpatrywanie wentylacji rejonów eksploatacji systemem ścianowym z uwzględnieniem przepływu mieszaniny powietrza i gazów w zrobach. Efektywność symulacji i wiarygodność obliczeń są możliwe pod warunkiem weryfikacji i walidacji modeli z wykorzystaniem danych in situ, uzyskanych z systemów gazometrii automatycznej oraz w czasie eksperymentów. W artykule na wybranych przykładach przedstawiono narzędzie badawcze przygotowane do badań w projekcie strategicznym pt. Poprawa bezpieczeństwa pracy w kopalniach, realizowanym w IMG-PAN w Krakowie, które łączy metody numeryczne modelowania stanu atmosfery w rejonie ściany i jej zrobach z danymi rejestrowanymi w systemie gazometrii. ASSESSMENT OF THE STATUS OF AIR IN THE VICINITY OF A LONGWALL AND ITS GOAF AREA ON THE BASIS OF A MODEL RESEARCH AND THE DATA FROM THE MONITORING SYSTEM IN A COAL MINE Summary. Methane ignitions and explosions that have occurred in recent years in Polish hard coal mines often had their source in goaf areas of longwalls mined with cave-in. It is widely recognized that the space of goaf areas is, in practice, poorly recognized in terms of distribution of gases concentrations and the phenomena occurring in these areas, and often this space is even out of control. The phenomena in the goaf areas and sealed off ones are often occurring without obvious symptoms and changes in the composition of the air circulating in the adjacent mine workings, what significantly hinders their detection and control. Computer simulation methods are becoming increasingly useful in the analysis of methane ignitions and explosions, especially in goaf and confined areas that allow the

16 W. Dziurzyński, S. Wasilewski consideration of ventilation of the areas mined by a longwall system with taking the account of flow of air and gases mixture in the gobs. The effectiveness of the simulation and reliability of calculations is possible under the condition of the verification and validation of models using in-situ data obtained from automatic gasometry systems and during the experiments. The paper presents on selected examples the research tools that had been prepared for studies within the strategic project titled "Improvement of work safety in mines", conducted by Strata Mechanics Research Institute of the Polish Academy of Sciences /SMRS- PAS/, which combines numerical methods of the status of mine air modeling in the vicinity of a longwall and its goaf area with the data recorded in the gasometry system. 1. Wprowadzenie Współczesne metody badania procesów przewietrzania wykorzystują nowoczesne narzędzia poznawcze, którymi są rozwinięte systemy kopalnianej gazometrii automatycznej oraz numeryczne modele procesów przewietrzania. Symulacje komputerowe są coraz szerzej stosowanym narzędziem badawczym, które jest wykorzystywane zarówno do badań modelowych, jak i analiz wariantowych procesów przewietrzania w kopalniach, szczególnie w stanach awaryjnych [3], [9]. W Instytucie Mechaniki Górotworu PAN w Krakowie w ostatnim czasie opracowano narzędzia programowe oparte na systemie programów komputerowych Ventgraph moduł VentZroby [1], [2], które umożliwiają badania procesów przewietrzania i analiz wariantowych w stanach normalnych i awaryjnych, w tym także rozpatrywanie przepływu mieszaniny powietrza i gazów w zrobach [3]. Wielokrotnie komisje powoływane przez Prezesa WUG, badające przyczyny i okoliczności katastrof, podejmując próby odtworzenia i opisu zaistniałych zdarzeń sięgają również po obliczenia i symulacje komputerowe opisujące przebieg zjawisk przepływu powietrza i gazów [8]. Prowadzenie eksploatacji węgla kamiennego w górnictwie podziemnym charakteryzuje się wieloma zagrożeniami naturalnymi, spośród których dominuje zagrożenie metanowe. Dla bezpiecznej eksploatacji szczególne znaczenie ma obszar zrobów, gdzie w miarę urabiania węgla w ścianie gromadzi się znaczna ilość metanu o wysokim stężeniu. Zgromadzony w zrobach metan w zależności od warunków przewietrzania (zmiany ciśnienia, krótkie spięcia na tamach, prowadzone odmetanowanie itp.) oraz warunków górniczo-geologicznych (np. uskoki, opad stropu) ulega czasoprzestrzennym zmianom co do wartości stężenia metanu oraz następuje niekontrolowane zbliżanie się do linii ściany mieszaniny o wysokiej zawartości metanu. Stany nieustalone rozkładu ciśnień wokół i wewnątrz zrobów, wywołane zaburzeniami wentylacyjnymi, np. krótkie spięcie lub zmiana ciśnienia barometrycznego [15] mogą powodować niekontrolowane migracje gazów w zrobach [11], [12], [13] oraz prowadzić do sytuacji

Ocena stanu atmosfery w rejonie ściany... 17 niebezpiecznych. Powszechnie wiadomo, że istotnym elementem profilaktyki jest zapewnienie bezpiecznych warunków przewietrzania w rejonach ścian przez zachowanie stabilnych warunków przewietrzania i rozkładów gazów oraz odsunięcie mieszanin wybuchowych od wyrobiska ścianowego i innych wyrobisk, gdzie mogą powstać warunki i inicjały zapalenia czy wybuchów. Stan wentylacji jest kontrolowany przez system czujników gazometrii automatycznej oraz przez pomiary ręczne. Pomiary te dokonywane są w prądzie powietrza obiegowego, a zagrożenie metanowe zlokalizowane jest w zrobach oraz na styku zrobów ze ścianą, szczególnie na wylocie ze ściany. Wobec takiej sytuacji podjęte zostały prace w celu rozbudowy systemów gazometrycznych o możliwość monitorowania obszaru zrobów w zakresie skojarzonego zagrożenia metanowo-pożarowego [14], [16]. Drugim obiecującym kierunkiem działania jest zastosowanie metody komputerowej symulacji procesu przewietrzania zrobów w połączeniu nie tylko z wyrobiskami trzyścianowymi, lecz także z całą siecią wyrobisk kopalni. Dotychczasowe wyniki badań upoważniają autorów do zaproponowania nowego podejścia do badania stanu atmosfery w rejonie ściany i jej zrobach z zastosowaniem profesjonalnego narzędzia badań modelowych i danych z systemu monitoringu w kopalni. Jest rzeczą oczywistą, że takie analizy, wykonywane na podstawie modeli i programów komputerowych, będą o tyle efektywne i skuteczne, o ile zostaną zweryfikowane i zwalidowane [7] na podstawie rzeczywistych danych i rejestracji parametrów powietrza z kopalń. W tym celu wykorzystuje się obserwacje parametrów powietrza w stanie normalnym (tzw. eksperyment bierny) oraz podczas eksperymentów, tj. obserwacji zmian parametrów wywołanych zamierzonym i kontrolowanym zaburzeniem stanu równowagi procesu (tzw. eksperyment czynny). W artykule pokazano dwa przykłady wykorzystania nowego podejścia do badania stanu atmosfery w rejonie ściany i jej zrobach z zastosowaniem badań modelowych i danych z systemu monitoringu w kopalni. Pokazano próbę odtworzenia stanu przewietrzania w ścianie 558, pokład 510, w kopalni Wesoła i przyległych zrobach w procesie walidacji ze zmianą parametrów modelu w celu dopasowania pomiarów in situ do wyników obliczeń, uzyskując rozkład stężenia metanu w zrobach ściany 558 i sąsiednich zrobach oraz na drogach odprowadzających powietrze ze ściany 558 oraz ze ściany zlikwidowanej. Nowe możliwości praktycznego wykorzystania programu komputerowego VentZroby do badań stanów przewietrzania opisano na przykładzie rejonu wentylacyjnego ścian 4 i 5, pokład 409, w 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 ocenę przyczyn zdarzenia, ale również

18 W. Dziurzyński, S. Wasilewski umożliwiają ocenę skali zagrożeń wynikających z przepływu oraz migracji gazów jako produktów rozwijającego się pożaru węgla w zrobach. Brak bezpośredniej i ciągłej kontroli procesów zachodzących w zrobach powoduje, że na bieżąco nie ma pewności, czy zakres zastosowanych działań profilaktycznych dla likwidacji zagrożenia zapłonu w zrobach jest właściwie dobrany, stąd uzasadnione stało się podjęcie prac dla opracowania metod i narzędzi pomiarowych, umożliwiających prowadzenie ciągłej kontroli parametrów atmosfery w zrobach w celu pozyskiwania danych o parametrach powietrza w zrobach jako materiału poznawczego oraz danych wejściowych do badań modelowych. Omówione zagadnienia są podstawą badań podjętych w licznych projektach badawczych, w których uczestniczyli autorzy, w tym w projekcie badawczym strategicznym pt. Poprawa bezpieczeństwa w kopalniach, finansowanym przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, a realizowanym przez konsorcjum jednostek badawczych (AGH i GIG) oraz koncernów węglowych (JSW SA i KW SA), którego liderem jest Instytut Mechaniki Górotworu Polskiej Akademii Nauk z siedzibą w Krakowie. 2. Model numeryczny rejonu ściany nowe podejście Narzędzia programowe oparte na systemie programów komputerowych Ventgraph oraz moduł VentZroby umożliwiają badania procesów przewietrzania i analiz wariantowych w stanach normalnych i awaryjnych, z uwzględnieniem przepływu mieszaniny powietrza i gazów w zrobach. Przyjęta we wcześniejszych wersjach programu VentZroby idea automatycznego tworzenia zrobów nie pozwalała na łączenie ich z istniejąca bazą danych oraz z rysunkiem schematu przestrzennego sieci wentylacyjnej kopalni, utworzonym za pomocą programu Ventgraph. Nowe podejście do automatycznego tworzenia sieci bocznic opisujących zroby umożliwia wykorzystanie struktury i rysunku sieci wentylacyjnej założonej programem Ventgraph. W ten sposób możliwa jest obserwacja zjawisk zachodzących zarówno w rejonach poszczególnych ścian eksploatacyjnych kopalni, jak i w całej sieci oraz śledzenie zmian zachodzących w czasie eksploatacji ścian, związanych z wielkością zrobów, czyli liczbą bocznic zrobowych w modelu. Uzyskano łatwy sposób nanoszenia zmian w istniejącej strukturze modelu sieci, bez konieczności wykonywania żmudnych czynności odwzorowań obszaru zrobów od początku. Obecna wersja programu VentZroby umożliwia obserwację

Ocena stanu atmosfery w rejonie ściany... 19 zjawisk zachodzących zarówno w rejonach poszczególnych ścian eksploatacyjnych kopalni wraz z obszarem zrobów, jak i w całej sieci. Wymagania w zakresie przygotowania danych potrzebnych do badań modelowych Na potrzeby badań modelowych z wykorzystaniem programu komputerowego VentZroby należy wyznaczyć szereg wielkości fizycznych, które stanowią dane wejściowe i wynikają z przyjętego modelu matematycznego oraz z rozważnej sytuacji górniczo-geologicznej, a także w celu prowadzenia badań. Przygotowanie danych dzieli się na dwa etapy, w których dane dzieli się na: te, które można uzyskać na podstawie pomiarów wentylacyjnych i które dotyczą wyrobisk przyścianowych, oraz te, które należy pozyskać na podstawie analizy warunków górniczo-geologicznych i teoretycznych rozważań. Dane dla wyrobisk przyścianowych i obszaru zrobów: 1. System przewietrzania ściany, który determinuje strukturę obszaru obliczeniowego. 2. Struktura wyrobisk, początek i koniec bocznicy. 3. Wyznaczenie rozważanego obszaru zrobów i węzłów połączeń z wyrobiskami przyścianowymi. 4. Długość i pole przekroju poprzecznego wyrobiska. 5. Koty niwelacyjne węzłów wyrobisk przyścianowych i obszaru zrobów. 6. Opory aerodynamiczne wyrobisk rejonu (ściana, chodniki podścianowy i nadścianowy). 7. Wartości gęstości w poszczególnych wyrobiskach. 8. Wartości potencjałów w węzłach poszczególnych wyrobisk. Dane dla obszaru zrobów: 1. Dla wyznaczenia rozkładu przepuszczalności potrzebne są: rodzaj stropu, opór rozwarstwienia, wysokość eksploatowanej ściany, długość i wybieg ściany, odległość od kanału ściany do maksymalnej wysokości zrobów h max, odległość do strefy zawału uszczelnionego. 2. Metanowość rejonu z pokładu eksploatowanego, leżącego nad nim lub poniżej niego. Podczas przygotowania danych celowe jest zapoznanie się z danymi, które zawierają: mapy pokładowe, profile geologiczne,

20 W. Dziurzyński, S. Wasilewski wyniki pomiarów składu gazów zrobowych pobieranych w rejonie dla oceny zagrożenia pożarowo-metanowego. 3. Badania modelowe rozkładu stężenia metanu w zrobach ściany 558 w pokładzie 510 Obiektem badań była ściana 558, pokład 510D Wschód, poziom 665 m, w kopalni Mysłowice-Wesoła. Pokład 510 w rejonie ściany 558 ma miąższość od 8,0 m do 11,1 m i zapada pod kątem 6 0 w kierunku południowo-zachodnim. Eksploatacja była prowadzona ścianą podłużną w przystropowej warstwie pokładu 510 systemem na U z zawałem stropu, z doświeżaniem wylotu ze ściany z zastosowaniem wentylacji odrębnej. Wysokość ściany wynosiła do 3,0 m, przy długości ściany 230 m i wybiegiem ściany 970 m. Ściana 558 była eksploatowana w warunkach IV kategorii zagrożenia metanowego i III grupy samozapalności węgla oraz III stopnia zagrożenia tąpaniami, klasie B zagrożenia wybuchem pyłu węglowego. Obserwacje parametrów powietrza rejonu ściany w systemie gazometrii Rejon pokładu 510D Wschód na poziomie 665 metrów był monitorowany w systemie gazometrii automatycznej. Szczegółowe rozmieszczenie czujników w ścianie 558 w pokładzie 510D Wschód pokazano na rys. 1. Rys. 1. Rozmieszczenie czujników w rejonie badań, rejon ściany 558, pokład 510 Fig. 1. Deployment of sensors in the area of research, the area of longwall 558, seam 510

Ocena stanu atmosfery w rejonie ściany... 21 Badania prowadzone w rejonie ściany 558, pokład 510, w partii D Wschód, poziom 665 m obejmowały ciągłe monitorowanie parametrów powietrza obiegowego w rejonie ściany oraz w zrobach w okresie 4 miesięcy, w tym: stężenia gazów w zrobach (CH 4, O 2, CO, CO 2 ) przy zmiennej odległości od linii zawału w różnych punktach ściany, ciśnienia i stężenia gazów (CH 4, CO) oraz prędkości przepływu powietrza w wyrobisku w otoczeniu zrobów celem badań ich wpływu na rozkład stężeń. W badaniach wykorzystano wyniki ciągłego monitorowania parametrów zrobów przez pomiar i rejestrację: stężeń gazów, w tym CH 4, O 2, CO, CO 2, w chodniku IX Wschód (sonda wlotowa do zrobów) w odległości 8 m od linii zawału ściany w głąb zrobów, stężeń gazów, w tym CH 4, O 2, CO, CO 2, w chodniku VII Wschód (sonda wylotowa ze zrobów) w odległości 8 m od linii zawału ściany w głąb zrobów. W okresie obserwacji czujniki stężeń gazów zintegrowanego czujnika zrobowego, umieszczone w sondzie wylotowej od strony likwidowanego chodnika VIIIa Wschód, znajdowały się 7-10 m w głąb zrobów. Zintegrowany czujnik zrobowy rejestrował w tym czasie parametry powietrza pokazane na rys. 2. Zarejestrowano interesujący przebieg stężenia metanu (MM4731), który szybko przekroczył granicę wybuchowości i osiągnął poziom powyżej 6% CH 4 i z niewielkimi odchyleniami utrzymywał się na tym poziomie w całym okresie obserwacji. 20 CH4, O2, CO2 [%] Rejestracje parametrów w zrobach - sonda wylotowa (24.09-3.10.2009) CO [ppm] 200 18 180 16 160 14 140 12 120 10 100 8 80 6 60 4 40 2 20 0 24.09.2009 04:00:00 25.09.2009 04:00:00 26.09.2009 04:00:00 27.09.2009 04:00:00 28.09.2009 04:00:00 29.09.2009 04:00:00 30.09.2009 04:00:00 01.10.2009 04:00:00 02.10.2009 04:00:00 03.10.2009 04:00:00 sonda wylot metan MM4731 sonda wylot tlen TL4732 sonda wylot CO2 MC4741 sonda wylot CO MCO4742 Rys. 2. Przebiegi stężeń gazów w zrobach (sonda wylotowa), rejestrowane w systemie gazometrii automatycznej Fig. 2. The course of gases concentrations in the gob (outlet probe ) recorded in automatic gasometry system 0 czas

22 W. Dziurzyński, S. Wasilewski Stężenie tlenu (TL4732) w okresie obserwacji szybko spadło i utrzymywało się na poziomie nawet poniżej 16% O 2. Interesujący przebieg rejestrował czujnik tlenku węgla (MCO4742), który przez kilka dni wzrósł do poziomu 140-160 p.p.m. i w tym zakresie utrzymywał się do końca obserwacji. Pomimo oznak samozagrzewania i wysokiego poziomu tlenku w zrobach kopalnia Mysłowice-Wesoła pomyślnie zakończyła eksploatację ściany 558, pokład 510D Wschód. 3.1. Model numeryczny rejonu założenia Przyjęto, że rozpatrywany rejon składa się ze zlikwidowanej ściany 557, sąsiadującej ze ścianą 558, gdzie prowadzona jest eksploatacja, oraz z wyrobisk przyścianowych, doprowadzających i odprowadzających powietrze z rejonu (rys. 1). Przygotowanie danych potrzebnych do opracowania modelu numerycznego dla ściany 558 w pokładzie 510 zostało poprzedzone analizą informacji dotyczących aktualnego stanu wentylacji oraz zagrożeń metanowego i pożarowego w okresie prowadzenia obserwacji. W celu przygotowania danych dla programu VentZroby dokonano analizy wyżej wymienionych informacji, a ponadto ustalono wstępne parametry modelu opisującego rozkład przepuszczalności w zrobach ściany 558 i sąsiedniej ściany 557, otamowanej po zakończeniu eksploatacji. Na rys. 3 pokazano graficzne odwzorowanie opracowanego modelu numerycznego, obejmujące rozważaną strukturę połączeń wyrobisk i zrobów, oraz przyjęty model numeryczny dla stanu eksploatacji w ścianie 558 o długości 230 m i dla 600-metrowego wybiegu. Zagadnieniem wstępnym dla dalszych symulacji jest wyznaczenie stanu początkowego w przepływie mieszaniny powietrza i gazów w obszarze zrobów wywołanych dopływem metanu. Przez stan początkowy dla tzw. fazy wstępnego przewietrzania rejonu ściany 558, pokład 510, należy rozumieć stan atmosfery w wyrobiskach i zrobach, jaki wynika ze zmierzonego dopływu powietrza w ilości 1033 m 3 /min i dopływu metanu do zrobów ściany 558 w ilości 24,5 m 3 /min, a do ściany zlikwidowanej w ilości 3 m 3 /min. Wartości dopływu metanu ustalono na podstawie danych uzyskanych z systemu gazometrycznego kopalni w okresie wykonywania pomiarów w trakcie eksperymentu.

Ocena stanu atmosfery w rejonie ściany... 23 Rys. 3. Schemat przestrzenny rejonu ściany 558, pokład 510, model numeryczny Fig. 3. Spatial diagram of longwall 558 area of 558, seam 510, numerical model 3.2. Odtworzenie stanu przewietrzania w ścianie 558 i przyległych zrobach W wyniku wielu symulacji w procesie walidacji i zmiany parametrów modelu (dopasowania pomiarów in situ do wyników obliczeń) uzyskano zadowalający rezultat, który pokazano na rys. 4, zawierającym rozkład stężenia metanu w zrobach ściany 558 i sąsiednich zrobach oraz na drogach odprowadzających powietrze ze ściany 558 oraz ze ściany zlikwidowanej. Na rys. 5 pokazano kształtowanie się izolinii stężenia metanu w miejscu lokalizacji stacji wylotowej na przedłużeniu chodnika VIIIA Wschód w zrobach ściany 558 i zrobach przyległych, z wyróżnieniem izolinii stężenia metanu 2% CH 4 (linia cienka 9) i 16% CH 4 (linia gruba). pochylnia I wschód T T 200 150 100 50 0 chodnik VIIIA wschód ściana 558 pokład 510Dw wylot ze ściany 200 150 100 50 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 zroby ściany 558 płot węglowy czujnik testowy czujnik metanu anemometr T chodnik IX wschód 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 wybieg ściany 558 Rys. 4. Przestrzenny rozkład stężenia metanu w zrobach ściany 558, pokład 510 Fig. 4. The spatial distribution of methane concentration in the gob of longwall 558, seam 510

24 W. Dziurzyński, S. Wasilewski Rys. 5. Przestrzenny rozkład stężenia metanu w zrobach ściany 558, pokład 510, w miejscu lokalizacji stacji wylotowej Fig. 5. The spatial distribution of methane concentration of methane in the gob of longwall 558, seam 510, at the location of the outlet station T 200 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 pochylnia I wschód T 150 100 50 chodnik VIIIA wschód 200 płot węglowy 0.019 0.017 0.015 0.013 0.011 ściana 558 pokład 510Dw 160 120 80 40 zroby ściany 558 skala [m/s] 3.2E-005 0.022 0.009 0.007 0.005 T chodnik IX wschód 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 0.003 0.001 Legenda [m/s] Rys. 6. Prędkość przepływu mieszaniny powietrza i metanu w zrobach ścian 558 oraz sąsiedniej, pokład 510 Fig. 6. The flow rate of the air methane mixture in the gob s of longwall 558 and the adjacent one, seam 510 Podczas obserwacji przedstawionego rozkładu stężenia metanu uwagę zwracają izolinie pokazane co 2% CH 4, znajdujące się w miejscu lokalizacji stacji wylotowej. Obserwujemy identyczny poziom stężenia metanu, co zmierzyła stacja wylotowa. Można zauważyć, że mimo oddzielenia obu zrobów ścian płotem węglowym metan ze zrobów ściany 558 migruje do zrobów ściany zlikwidowanej. Na rys. 6 pokazano wektory prędkości przepływu mieszaniny powietrza i metanu w rozpatrywanym obszarze zrobów obu ścian. Na podstawie uzyskanych wyników obliczeń symulacyjnych wykonano bilans metanu w wyrobiskach i zrobach rejonu wentylacyjnego, oddające rozkład strumienia metanu transportowanego wyrobiskami. Interesujące jest to, że do zrobów ściany zlikwidowanej, przylegającej do zrobów ściany 558, dopływa 13 m 3 /min metanu.

Ocena stanu atmosfery w rejonie ściany... 25 4. Badania modelowe rozkładu stężenia metanu w rejonie ściany 5 w pokładzie 409 Możliwości praktycznego wykorzystania programu komputerowego VentZroby do badań stanów przewietrzania pokazano również na przykładzie rejonu wentylacyjnego ścian 4 i 5, pokład 409, kopalni Śląsk, w której miało miejsce tragiczne zdarzenie we wrześniu 2009 roku. W tym celu podjęto próbę odtworzenia stanu przewietrzania przed zdarzeniem, z uwzględnieniem zagrożenia metanowego. Przygotowanie danych potrzebnych do opracowania modelu numerycznego rejonu ściany 5 w pokładzie 409 napotkało wiele trudności wynikających z braku aktualnego modelu numerycznego sieci wyrobisk kopalni. W tej sytuacji budowę modelu numerycznego rozpoczęto od analizy dostępnych informacji o wentylacji oraz zagrożeniach metanowym i pożarowym we wrześniu 2009 roku [5], a także danych zawartych w ekspertyzach Komisji Prezesa WUG, powołanej dla zbadania przyczyn i okoliczności zapalenia i wybuchu metanu oraz wypadku zbiorowego w dniu 18 września 2009 roku [10]. Ponadto z działu wentylacji kopalni pozyskano dodatkowe informacje dotyczące rejonu ściany 5. Dla walidacji budowanego modelu numerycznego rozważanego rejonu przydatne były również dane z systemu gazometrii automatycznej, zarejestrowane podczas trwania manewru wentylacji, polegającego na zatrzymaniu wentylatora na szybie III. Analiza przebiegów czasowych wartości parametrów rejestrowanych przez metanomierze i anemometry w rejonie ściany 5 w czasie eksperymentu zatrzymania i ponownego uruchomienia wentylatora wniosła wiele informacji przydatnych dla walidacji procedur programu komputerowego VentZroby. Wykonanie badań porównawczych między wynikami symulacji a zarejestrowanymi przez system gazometrii automatycznej stężeniami metanu, prędkością i różnicą ciśnienia stanowiło bogaty materiał poznawczy dla opracowania wiarygodnego modelu numerycznego. 4.1. Model numeryczny rejonu założenia Przyjęto, że rozpatrywany rejon składa się ze zlikwidowanej ściany 3, pokład 409, przylegającej do niej ściany 5, gdzie prowadzona była eksploatacja, oraz z wyrobisk przyścianowych, doprowadzających i odprowadzających powietrze z rejonu, a także z wyrobisk następnej uruchamianej ściany 4, pokład 409. Na rys. 7 pokazano schemat opracowanego modelu numerycznego, obejmujący rozważaną strukturę połączeń wyrobisk

26 W. Dziurzyński, S. Wasilewski i zrobów, oraz przyjęty model numeryczny dla stanu eksploatacji w ścianie 5 o długości 240 m i dla jej 1200-metrowego wybiegu. Dla wyznaczenia danych charakteryzujących przepływ w zrobach ściany 5 i zlikwidowanej ściany 3 wykorzystano teoretyczny model rozkładu przepuszczalności i kształtowania się wysokości zrobów [4] oraz dane, które wynikają z analizy mapy pokładu 409, profili geologicznych i projektu eksploatacji ściany (geometria wyrobisk, koty niwelacyjne, grubość pokładu eksploatowanego, rodzaj skał stropowych). Korzystając z powyższych danych wyznaczono parametry charakteryzujące obszar zrobów zgodnie z wymogami zastosowanego modelu matematycznego. Dane charakteryzujące przepływ mieszaniny powietrza i metanu dla wyrobisk wyznaczono na podstawie danych pomiarowych, wykonanych w sieci wyrobisk kopalni po zdarzeniu w dniu 18 września 2010 roku. Dane te uzyskane są na podstawie pomiarów wentylacyjnych, które wykonuje się w celu wyznaczenia schematu potencjalnego wyrobisk kopalni. Ponadto na tym etapie badań korygowano wyznaczone opory bocznic oraz rozkład gęstości powietrza na podstawie wcześniejszych pomiarów wykonywanych w kopalni. Dla planowanych obliczeń symulacji wyłączenia wentylatora wykonano wstępny bilans metanowy rejonu ściany 3 (zlikwidowanej) i ściany 5. Wartości zostały ustalone na podstawie analizy dostępnych danych pochodzących z rejestracji systemu gazometrii automatycznej przed zdarzeniem. Przyjęto, że do obszaru zrobów ściany 3 dopływ metanu jest na poziomie 2,5 m 3 /min, a do zrobów ściany 5 dopływ wynosi 24 m 3 /min, natomiast na dolocie do ściany 5 przyjęto dopływ w wysokości 5,1 m 3 /min. Tak wyznaczone dopływy metanu określają metanowość bezwzględną środowiska rejonu ścian 3 i 5, która wynosi 31,6 m 3 /min. Rys. 7. Schemat przestrzenny rejonu ścian 3 i 5, pokład 409, rozkład stężenia metanu Fig. 7. The spatial diagram of the area of longwalls 3 and 5 def. 409, methane concentration distribution

Ocena stanu atmosfery w rejonie ściany... 27 Na rys. 7 pokazano kształtowanie się stężenia metanu w ścianach 3 i 5 oraz na drogach odprowadzających powietrze ze ściany 5 oraz ze zlikwidowanej ściany 3. 4.2. Wyznaczenie rozpływu mieszaniny powietrza i metanu w rejonie ściany 5 Podczas opracowywania modelu numerycznego ważną czynnością jest wyznaczenie początkowego stanu rozpływu mieszaniny powietrza i metanu zarówno w wyrobiskach przyścianowych, jak i w zrobach. Na rys. 7 pokazano obliczoną ilość powietrza przepływającego bocznicą (w prostokątach umieszczonych przy bocznicach). Dla wstępnej weryfikacji wyników obliczeń wykorzystano dane rejestrowane w systemie gazometrii automatycznej zarówno przez czujniki stężenia metanu, jak i anemometry stacjonarne, przy czym skorzystano tu z danych zarejestrowanych w dniu zdarzenia oraz z danych uzyskanych w czasie wyłączenia wentylatora na szybie III. Wyniki obliczeń rozpływu powietrza w rejonie oraz rozkład stężenia metanu w zrobach ścian 3 i 5 pokazano na rys. 8 i 9. Na rys. 8 przedstawiono kształtowanie się izolinii stężenia metanu w ścianach 3 i 5 z zaznaczeniem izolinii stężenia metanu 5% (linia ciągła) i 15% (linia pogrubiona). Rys. 8. Izolinie stężenia metanu w zrobach ścian 3 i 5, pokład 409, stan początkowy Fig. 8. Isolines of methane concentration in the gob of longwalls 3 and 5, def. 409, the initial status Interesujący jest przedstawiony rozkład stężenia metanu, w którym uzyskano dwie izolinie o wartości 5% CH 4 i 15% CH 4, znajdujące się w zmiennej odległości od linii ściany 5. Izolinia 5% sięga 45 m w głąb zrobów od wlotu do ściany, po czym przybliża się do linii ściany, a na wylocie ze ściany znajduje się w odległości 3 m od linii ściany. Mimo oddzielenia zrobów ścian 3 i 5 płotem węglowym pokazano, że część metanu ze ściany 5 migruje do zrobów ściany 3, w której zza tamy izolującej zroby prowadzone jest odmetanowanie.

28 W. Dziurzyński, S. Wasilewski Rys. 9. Izolinie stężenia metanu w zrobach ścian 3 i 5, pokład 409 ujęcie metanu ze zrobów ściany 5 Fig. 9. Isolines of methane concentration in the gob of longwalls 3 and 5 def. 409 methane capture site from abandoned workings of longwall 5 Na rys. 9 pokazano rozkład metanu w tej części zrobów, na którą ma wpływ prowadzone odmetanowanie w rejonie wylotu ze ściany 5. Widać wyraźnie wpływ odmetanowania, prowadzonego inżektorową stacją zlokalizowaną w przecince 3, na zmianę przebiegu izolinii metanu o wartości 10%. Wytworzone podciśnienie powoduje zasysanie metanu do otworów drenażowych prowadzonego odmetanowania. Artykuł opracowano w ramach zadania badawczego nr 3 pt. Opracowanie zasad pomiarów i badań parametrów powietrza kopalnianego dla oceny zagrożenia metanowego i pożarowego w podziemnych zakładach górniczych wydobywających węgiel kamienny projektu strategicznego pt. Poprawa bezpieczeństwa pracy w kopalniach. Numer umowy SP/K/3/143694/1. 5. Podsumowanie W artykule przedstawiono nowe podejście do rozpoznawania i oceny zagrożenia metanowo-pożarowego w zrobach ścian zawałowych, wykorzystując do tego celu monitoring parametrów powietrza w zrobach i przyległych wyrobiskach w kopalnianym systemie gazometrii automatycznej oraz badania symulacyjne z wykorzystaniem programu komputerowego VentZroby. Efektywność symulacji i wiarygodność obliczeń są możliwe pod warunkiem walidacji modeli z wykorzystaniem danych in situ, np. uzyskanych w czasie eksperymentów, a także danych z systemów gazometrii automatycznej. W artykule pokazano dwa przykłady

Ocena stanu atmosfery w rejonie ściany... 29 wykorzystania nowego podejścia do badania stanu atmosfery w rejonie ściany i jej zrobach z zastosowaniem badań modelowych i danych z systemu monitoringu w kopalni. Przeprowadzona walidacja wyników symulacji na podstawie pomiarów rejestrowanych w systemie gazometrii w wyrobiskach oraz w zrobach wybranych ścian, traktowanych jako obiekt badań eksperymentalnych, wraz z obliczonym rozpływem powietrza oraz rozkładem stężenia gazów zrobowych pozwalają stwierdzić, że zastosowany do obliczeń symulacji rozpływu metanu i powietrza program komputerowy VentZroby stanowi dobre narzędzie do takich badań, szczególnie że umożliwia on rozpatrywanie połączonych zrobów, a tym samym uwzględnienie przepływu mieszaniny metanu i powietrza między zrobami. BIBLIOGRAFIA 1. Dziurzyński W., Kruczkowski J.: 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, Issue 3, 2007. 2. Dziurzyński W., Krach A., Pałka T., Wasilewski S.: Walidacja programu VentZroby z wykorzystaniem wyników eksperymentu in situ i z zastosowaniem nowych algorytmów przygotowania danych wejściowych. Prace IMG PAN, tom 10, nr 1-4, 2008. 3. Dziurzyński W., Wasilewski S.: Monitoring of the air parameters and computer simulation to support fighting with fire hazards in longwall cavings. Proceedings of the 9 th International Ventilation Congress, New Dehli, India 2009, pp. 927-940. 4. Dziurzyński W.: Badania modelowania przepływu mieszania powietrza i gazów w rejonie ściany w aspekcie walidacji wyników komputerowej symulacji. Przegląd Górniczy, nr 11-12, 2009, s. 61-71. 5. Dziurzyński W., Krach A., Pałka T., Wasilewski S.: Walidacja procedur programu VentZroby z wykorzystaniem systemu monitoringu stanu atmosfery kopalni. Prace IMG PAN, tom 11, nr 1-4, 2009, s. 79-112. 6. Dziurzyński W., Wasilewski S.: Modelowanie numeryczne obszaru zrobów ściany wydobywczej w aspekcie pomiarów in situ, XXXVI Dni Techniki ROP 2010, XXVII Seminarium Pożary Podziemne Teoria i Praktyka, s. 33-50. 7. Dziurzyński W., Krach A., Pałka T., Wasilewski S.: Digital simulation of the gas dynamic phenomena caused by bounce, experiment and validation. Archives Mining Sciences, Vol. 55, Issue 3, 2010 s. 403-425. 8. Dziurzyński W., Wasilewski S., Krach A., Pałka T.: Prognoza stanu atmosfery w rejonie ściany i jej zrobach na podstawie danych z systemu monitoringu kopalni. Przegląd Górniczy, nr 7-8, 2011, s. 265-271. 9. Krawczyk J., Wasilewski S.: Migration of Methane into Longwall and tailgate crossing. Mine Ventilation, Ninth International Mine Ventilation Congress, India 2009, pp. 483-494. 10. Łukowicz K., Szlązak N., Wasilewski S.: Analiza zagrożenia metanowego i zabezpieczeń gazometrycznych w rejonie ściany 5 /409 na poziomie 1050 m w K.H.W. SA, KWK Wujek, Ruch Śląsk w Rudzie Śląskiej. Prace Komisji dla zbadania przyczyn i okoliczności zapalenia i wybuchu metanu oraz wypadku zbiorowego w dniu 18 września 2009 roku, Wyższy Urząd Górniczy w Katowicach, 2010.

30 W. Dziurzyński, S. Wasilewski 11. Szlązak J.: Przepływ powietrza przez strefę zawału w świetle badań teoretycznych i eksperymentalnych, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 2000. 12. Szlązak N., Szlązak J.: Filtracja powietrza przez zroby ścian zawałowych w kopalniach węgla kamiennego, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 2005. 13. Szlązak J.: Metody obliczania rozpływu powietrza i rozkładu stężenia metanu w zrobach ścian zawałowych. Przykłady wykorzystania. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2010. 14. Wasilewski S.: Stany nieustalone parametrów powietrza wywołane katastrofami oraz zaburzeniami w sieci wentylacyjnej kopalni. Rozprawy i Monografie, Wydawnictwo EMAG, nr 2, 2005, s. 5-258. 15. Wasilewski S.: Badania zmian ciśnienia barometrycznego w kopalniach głębinowych. Bezpieczeństwo pracy i ochrona środowiska w górnictwie, nr 4, 2009. 16. Wasilewski S., Cimr A., Wach M.: Ocena zagrożenia pożarowego w zrobach przestrzeniach otamowanych za pomocą czujników gazometrii automatycznej. XXXVI Dni Techniki ROP 2010, XXVII Seminarium Pożary Podziemne Teoria i Praktyka, 2010, s. 145-161. Abstract Methane ignitions and explosions that have occurred in recent years in Polish hard coal mines often had their source in goaf areas of longwalls mined with cave-in.. It is widely recognized that the space of goaf areas is, in practice, poorly recognized in terms of distribution of gases concentrations and the phenomena occurring in these areas, and often this space is even out of control. The phenomena in the goaf areas and sealed off ones are often occurring without obvious symptoms and changes in the composition of the air circulating in the adjacent mine workings, what significantly hinders their detection and control. Computer simulation methods are becoming increasingly useful in the analysis of methane ignitions and explosions, especially in goaf and confined areas that allow the consideration of ventilation of the areas mined by a longwall system with taking the account of flow of air and gases mixture in the gobs. The effectiveness of the simulation and reliability of calculations is possible under the condition of the verification and validation of models using in-situ data obtained from automatic gasometry systems and during the experiments. The paper presents on selected examples the research tools that had been prepared for studies within the strategic project titled "Improvement of work safety in mines", conducted by Strata Mechanics Research Institute of the Polish Academy of Sciences /SMRS-PAS/, which combines numerical methods of the status of mine air modeling in the vicinity of a longwall and its goaf area with the data recorded in the gasometry system.