SYMULACJA NUMERYCZNA PROCESU PRZEWIETRZANIA ŚCIANY W WARUNKACH AKTYWNEGO ODMETANOWANIA GÓROTWORU

GÓRNICTWO I GEOLOGIA 2013 Tom 8 Zeszyt 3 Przemysław SKOTNICZNY Instytut Mechaniki Górotworu PAN, Kraków SYMULACJA NUMERYCZNA PROCESU PRZEWIETRZANIA ŚCIANY W WARUNKACH AKTYWNEGO ODMETANOWANIA GÓROTWORU Streszczenie. W artykule przedstawiono wyniki trójwymiarowej symulacji numerycznej migracji metanu z obszaru górotworu naruszonego do przestrzeni wyrobisk ścianowych w warunkach aktywnego odmetanowania dla ściany przewietrzanej systemem na U. Przedstawione wyniki stanowią próbę wizualizacji zjawiska transportu metanu w złożonym kompleksie charakteryzującym się zmiennymi w czasie parametrami przepływowymi. Uzyskane wyniki dobrze zgadzają się z ogólną wiedzą górniczą. NUMERICAL SIMULATION OF THE PROCESS OF THE LONGWALL VENTILATION IN TERMS OF ACTIVE METHANE DRAINAGE Summary. Article presents the results of a three-dimensional numerical simulation of methane migration from strata subjected to influence of mining to U type ventilated longwall system in terms of active methane drainage. Discussed results represent an attempt of visualization the methane transport phenomena in a complex system characterized by unsteady flow parameters. The obtained results corresponds with the general mining knowledge. 1. Wstęp Możliwości, które dają nowoczesne programy do numerycznej mechaniki płynów, mogą być wykorzystane do opisu zjawisk przepływowych w układach, w których bezpośredni pomiar interesujących wielkości jest utrudniony bądź niemożliwy. Do takiej klasy zagadnień można zaliczyć zjawisko migracji metanu z górotworu naruszonego eksploatacją do wyrobisk ścianowych. W tym przypadku można zmierzyć efekty występowania omawianego zjawiska w postaci podwyższonych wartości stężeń metanu w ścianie i w jej górnym narożu. Efekty te w aspekcie bezpieczeństwa wydobycia są bardzo niekorzystne. Brak wiedzy o mechanizmie i intensywności procesu migracji metanu spowodowanego zwiększoną desorpcją z pokładów

102 P. Skotniczny pozabilansowych i z całego górotworu naruszonego może skutkować przekroczeniem progów alarmowych dla rejonów istotnych z punktu widzenia bezpieczeństwa i efektywności wydobycia. Z wentylacyjnego punktu widzenia najbardziej kłopotliwym systemem przewietrzania ścian jest system U. Występujące podczas przewietrzania tym systemem gradienty ciśnień oraz lokalne zaburzenia przepływu w obrębie naroży dolnego i górnego sprzyjają intensyfikacji migracji metanu do wyrobisk ścianowych z przestrzeni górotworu naruszonego eksploatacją zarówno nadległego, jak i podległego. Mając to na uwadze, w artykule skoncentrowano się na przedstawieniu wyników symulacji numerycznych wymiany masy pomiędzy górotworem naruszonym eksploatacją a wyrobiskami ściany przewietrzanej systemem na U. Uzyskanie wiarygodnych wyników numerycznych, szczególnie w przypadku skomplikowanych zagadnień przepływowych, w dalszym ciągu jest zagadnieniem otwartym. 2. Model ściany, warunki brzegowe W celu określenia warunków brzegowo-początkowych należy w pierwszej kolejności określić przybliżony mechanizm występowania zjawiska. Rys. 1. Schemat przewietrzania ściany wraz z górotworem naruszonym eksploatacją Fig. 1. Schematic longwall ventilation with the rock mass affected by mining exploitation

Symulacja numeryczna procesu przewietrzania ściany... 103 Rozpatrując przepływ mieszaniny powietrzno-metanowej w przestrzeni wyrobisk ścianowych oraz górotworu naruszonego eksploatacją, należy przeanalizować obiekt składający się z 4 objętości aerodynamicznie powiązanych ze sobą. Na rys. 1 schematycznie zaprezentowano model ściany przewietrzanej na U wraz z górotworem nadległym. Ruch powietrza w prądzie obiegowym przemieszczającym się przez objętości 1, 2 oraz 3 (rys. 1) powoduje występowanie lokalnych ekstremów ciśnień całkowitych w narożach dolnym p 1 (pomiędzy objętościami 1 a 2) oraz górnym p 2 (2 a 3). Jest to spowodowane nagłą zmianą pędu strugi powietrza w omawianych miejscach. Z kolei przepływowi powietrza w kanale ścianowym towarzyszy zjawisko spadku prędkości na długości ściany, którego źródłami są występowanie niezerowych wartości współczynnika strat przepływu oraz ciągła wymiana masy pomiędzy kanałem ściany a objętością górotworu naruszonego 3. Ponadto w przypadku występowania źródła metanu w postaci odprężanego eksploatacją złoża pozabilansowego (nadciśnienie złożowe p 3 0) przedstawiony schemat potencjalny ściany dodatkowo ulega komplikacji. W przypadku wystąpienia złożonych warunków brzegowych oraz początkowych całość zjawisk przepływowych może przybrać trudny do przewidzenia kształt. Dla tego typu zagadnień należy wykonać obliczenia numeryczne, które będą uwzględniały jak najwięcej parametrów brzegowo-początkowych uzyskanych z pomiarów wartości stężeń, prędkości i ciśnień w obrębie wyrobisk ścianowych. W przedstawionym artykule obliczenia numeryczne wymiany masy w układzie wyrobiska ścianowe górotwór naruszony eksploatacją zostały przeprowadzone dla modelu ściany przewietrzanej na U o długości D = 180 m. Przyjęte główne założenia dotyczące omawianej geometrii przedstawiały się następująco: ściana urabia pokład o miąższości m e = 2 m, różnica w wysokości pomiędzy wlotem a wylotem ściany h = 0 m, źródło metanu typu rozłożonego pokład pozabilansowy o miąższości m p = 0,7 m, umieszczony na wysokości 25 m nad spągiem pokładu urabianego, całkowity brak resztek węglowych w zrobach, brak pokładów nadbieranych, w związku z tym wielkości opisujące strefę desorpcji obszarów spągowych zostały pominięte, wyrobiska o przekroju prostokątnym 3x5 m wyrobiska nad- i podścianowe, 3x2 kanał ściany. Przytoczone uproszczenia były konieczne jako kompromis pomiędzy szybkością a dokładnością uzyskanego rozwiązania numerycznego.

104 P. Skotniczny Na podstawie wstępnych założeń geometrycznych zaprojektowano trójwymiarowy model ściany przewietrzanej na U, której geometria wraz ze strefami górotworu odprężonego wyznaczonymi zgodnie z ogólnie przyjętymi wytycznymi (Krause, Łukowicz, 2000) została przedstawiona na rys. 1. Rys. 2. Geometria obszaru obliczeniowego ściany przewietrzanej na U Fig. 2. Computational domain geometry of the U type longwall ventilation system W pierwszej kolejności podzielono górotwór na strefy (A, B, C, D, E i F, rys. 2). Z kolei wyodrębnione strefy zostały dodatkowo podzielone na bloki, opisane na rys. 2 numerami od 1 do 4. Zabieg ten miał na celu wprowadzenie możliwości zróżnicowanych parametrów w poszczególnych strefach. Na wysokości 25 m nad spągiem pokładu urabianego umieszczono złoże pozabilansowe o miąższości m p = 0,7 m, które stanowiło źródło metanu. 3. Warunki brzegowe Korzystając z możliwości wprowadzenia anizotropii w macierzy współczynników przepuszczalności, którą umożliwia Fluent, w modelu źródła będącego pokładem pozabilansowym wprowadzono zmiany umożliwiające łatwiejszą migrację uwolnionego metanu w kierunku osi Z (prostopadłej do płaszczyzny spągu). Wartości parametru przepuszczalności i porowatości dla materiału pokładu pozabilansowego zaprezentowano w ramce poniżej (tabl. 1).

Symulacja numeryczna procesu przewietrzania ściany... 105 Tablica 1 Parametry złoża pozabilansowego Parametry pozostałych warstw wyszczególnionych na rys. 2 zostały przedstawione w tabl. 2. Tablica 2 Warunki brzegowe dla przykładu obliczeniowego ściana krótka Obszar (rys. 2) Współczynnik przepuszczalności k [m 2 ] zloze4 Direction-1 Viscous Resistance (m2) 1e-08 Direction-2 Viscous Resistance (m2) 1e-08 Direction-3 Viscous Resistance (m2) 10000000 Porosity 0.35 zloze3 Direction-1 Viscous Resistance (m2) 1e+08 Direction-2 Viscous Resistance (m2) 1e+08 Direction-3 Viscous Resistance (m2) 10000000 Porosity 0.4 zloze2 Direction-1 Viscous Resistance (m2) 10000000 Direction-2 Viscous Resistance (m2) 10000000 Direction-3 Viscous Resistance (m2) 1000000 Porosity 0.45 zloze1 Direction-1 Viscous Resistance (m2) 1000000 Direction-2 Viscous Resistance (m2) 1000000 Direction-3 Viscous Resistance (m2) 100000 Porosity 0.5 Porowatość Obszar (rysunek 2) Współczynnik przepuszczalności k [m 2 ] Porowatość A1 10-5 0,45 D1 10-8 0,3 A2 10-6 0,4 D2 10-8 0,3 A3 10-7 0,3 D3 10-8 0,3 A4 10-8 0,2 D4 10-8 0,3 B1 10-5 0,45 E1 10-9 0,25 B2 10-6 0,45 E2 10-9 0,25 B3 10-7 0,25 E3 10-9 0,25 B4 10-7 0,25 F1 10-9 0,2 C1 10-8 0,3 F2 10-9 0,2 C2 10-8 0,3 C3 10-8 0,3 C4 10-8 0,3 Zróżnicowanie wartości parametrów przepuszczalności dla poszczególnych stref skomplikowało model obliczeniowy, jednak jego pominięcie byłoby zbyt dużym uproszczeniem, które mogłoby wpływać na wyniki analizy (Krawczyk, 2002). Dodatkowo w omawianym przykładzie przyjęto średni strumień objętości powietrza w prądzie obiegowym Q V = 1900 m 3 /min oraz metanonośność 7,2 m 3 CH 4 /Mg csw. Wartość stężenia metanu w powietrzu zasilającym ścianę (na wlocie do domeny obliczeniowej) ustalono na 0,2% CH 4. Z powodu specyficznego charakteru przepływu powietrza w prądzie obiegowym, spowodowanego geometrią ściany i ogólnie występującymi w sieci kopalnianej zjawiskami (Wacławik, 2011), rozpatrywano niestacjonarny przepływ izotermiczny mieszaniny

106 P. Skotniczny powietrzno-metanowej w temperaturze T = 300 K. Różnica ciśnień całkowitych pomiędzy wlotem a wylotem wynosiła p = 50 Pa, podciśnienie realizowane na wlotach dwunastu otworów odmetanowania (rozmieszczonych na granicy odgazowania) wynosiło p o = 200 Pa na każdy otwór (rys. 3). Rys 3. Rozmieszczenie otworów odmetanowania dla ściany długiej Fig. 3. Placement of the drainage holes for long longwall Rozmieszczenie otworów instalacji odmetanowania zaprezentowano na rys. 3. W procesie odmetanowania wykorzystano 12 otworów, z czego pierwsze 6, od O1 do O6, znajdowało się 2 m poniżej złoża pozabilansowego w strefie zawału bezpośredniego. Pozostałe 6 otworów, O7 O12, zostało umieszczonych 2 m powyżej złoża w strefie zawału wysokiego. Odległość pomiędzy poszczególnymi otworami w rzędzie wynosiła około 0,7 m. Obliczenia z przedstawionymi warunkami brzegowymi zostały przeprowadzone w programie Ansy Fluent v. 14. Do obliczeń, z uwagi na rozległość domeny obliczeniowej, jak również konieczność przeprowadzenia obliczeń dla mieszaniny gazów (powietrze metan) w polu grawitacyjnym (zjawisko wyporności metanu), zdecydowano się na zastosowanie wielościennej siatki obliczeniowej poliherda, której fragment zaprezentowano na rys. 4.

Symulacja numeryczna procesu przewietrzania ściany... 107 Rys. 4. Fragment siatki obliczeniowej typu polihedra Fig. 4. Fragment of the polihedra type computational grid 4. Wyniki analizy numerycznej Poniżej przedstawiono wyniki symulacji przepływu mieszaniny powietrzno-metanowej w omawianej geometrii. Wyniki przedstawione w artykule odnoszą się do całkowitego czasu wentylacji ściany równego 2 godziny. Omawiany przypadek wykazuje dobrą stabilność w aspekcie występowania potencjalnego zagrożenia metanowego, charakteryzującą się stałymi parametrami przepływowymi w obrębie całej domeny obliczeniowej, takimi jak prędkości średnie, ciśnienia i rozkłady stężeń metanu w poszczególnych newralgicznych miejscach. Prowadzenie aktywnego odmetanowania powoduje opanowanie przecieków metanu o wysokich stężeniach zza obudowy i zza korka górnego naroża na stałym, akceptowalnym poziomie nieprzekraczającym 2%. Na rys. 5 zamieszczono rozkład izopowierzchni trzech stężeń metanu 2%. W omawianym przypadku w rejonie dolnego naroża i wlotu do ściany obserwuje się zmianę kształtu izopowierzchni 2% (cofnięcie jej w głąb zrobów), która jest spowodowana intensywnym napowietrzaniem zrobów powietrzem z prądu obiegowego. Wzrost wartości stężenia metanu zarówno w ostatnich sekcjach ściany, jak i w górnym narożu jest spowodowany rozkładem ciśnień w omawianej geometrii. Rozkład stężenia metanu na obudowie ściany został zaprezentowany na rys. 6. Wartości są podane w filtrowanej skali od 0% do 1% CH 4.

108 P. Skotniczny Rys. 5. Izopowierzchnia rozkładu stężeń metanu 2% w obszarze zrobów i wyrobisk ściany Fig. 5. Isosurface of 2% methane concentration inside goaf and longwall excavations Rys. 6. Rozkład stężenia metanu na obudowie. Wariant z odmetanowaniem Fig. 6. Methane distribution on the longwall housing. Case with active methane drainage Przebieg zmienności stężeń wskazuje na powiększający się wypływ metanu zza obudowy, szczególnie na przestrzeni ostatnich 20 m ściany. Jest to wyraźnie widoczne na rys. 7, na którym zamieszczono wykres rozkładu stężenia metanu na obudowie dla dwóch różnych wysokości 0,5 m i 2 m nad spągiem. Pomimo występowania intensywniejszej migracji z przestrzeni zrobów maksymalne wartości stężeń w obszarze wylotu ściany (D = 180 m) nie przekraczają 2%. Intensywna praca otworów odmetanowania jest dobrze widoczna na rys. 8, na którym zamieszczono powiększony fragment obszaru górnego naroża ściany. Cześć otworów rozmieszczona poniżej złoża pozabilansowego swoją pracą powoduje odessanie mieszaniny metanowo-powietrznej, uniemożliwiając jej intensywną migrację w kierunku górnego naroża. Jednakże, jak można zauważyć na rys. 8, 9 i 10, stężenie metanu w otworach O1 i O12 jest nierównomierne.

Symulacja numeryczna procesu przewietrzania ściany... 109 1.4 metan 0.5m metan 2m 1.2 1 CH 4 [%] 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Długość ściany D [m] Rys. 7. Rozkład metanu wzdłuż obudowy na wysokościach 0,5 i 2 m nad spągiem Fig. 7. Methane distribution along longwall housing on the height of 0.5 and 2 m above the floor Rys. 8. Izopowierzchnie rozkładu stężeń metanu w obszarze zrobów i wyrobisk ściany. Powiększenie obszaru górnego naroża Fig. 8. Isosurface of methane concentration inside goaf and longwall excavations. Magnified area of upper corner Wykresy przedstawione na rys. 9, 10 i 11 opisują zmianę stężeń średnich w otworach uznanych za reprezentatywne w czasie trwania symulacji. Przez pojęcie otwór O1 należy rozumieć średnią wartość stężenia metanu w 6 otworach (O1-O6) znajdujących się w warstwach leżących 2 m poniżej pokładu pozabilansowego, natomiast zmiana stężenia metanu dla otworu O12 opisuje średnią wartość stężenia metanu dla kolejnych 6 otworów (O7-O12), leżących 2 m powyżej pokładu pozabilansowego (rys. 3).

110 P. Skotniczny Zabieg ten był konieczny dla zachowania przejrzystości przedstawianych wyników. Krzywe O1-O6 praktycznie się pokrywały, podobnie jak krzywe O7-O12. Przedstawienie ich na wspólnym wykresie utrudniłoby interpretację wyników. 100 80 O1 O12 CH4 [%] 60 40 20 0 0 15 30 45 60 75 90 105 120 czas [min] Rys. 9. Wartości stężenia metanu dla dwóch reprezentatywnych otworów O1 i O12 Fig. 9. Values of methane concentration for two drainage holes O1 and O2 W pierwszej fazie trwania procesu (rys. 10) otwory O1, leżące poniżej złoża pozabilansowego, wykazywały większe stężenia metanu niż otwory O12. Sugerowało to przeciągnięcie pola wysokiego stężenia metanu do warstw znajdujących się poniżej pokładu pozabilansowego. Tego typu sytuacja mogłaby szybko spowodować niekontrolowany wzrost wartości stężeń w rejonie górnego naroża ściany, co uniemożliwiłoby prowadzenie wydobycia (przekroczenie progów alarmowych). Z tego powodu zdecydowano się na przeregulowanie pracy otworów polegające na zmniejszeniu podciśnienia na otworach O1 do poziomu p o = 100 Pa. Sytuację po przeregulowaniu pracy otworów zaprezentowano na rys. 11. Po czasie około 9 minut od początku symulacji zmniejszono wartość ciśnienia w otworach O1 do podanego powyżej poziomu. Spowodowało to natychmiastową reakcję w rozkładzie stężeń w obrębie górotworu odprężonego. Metan, który z powodu sił wypornościowych ma naturalną tendencję do migracji pionowej w górę, został zassany przez otwory O12, powodując gwałtowne zwiększenie ich stężenia w płaszczyźnie wlotowej. Zjawisko to sugeruje, ze maksymalizacja efektu odmetanowania będzie wtedy, gdy otwory od O1 zostaną wyłączone, a pracować będą tylko otwory O12. Stężenie metanu w tych otworach przekracza 90% przy wydajności rzędu 8 m 3 /min. Jednak korzystniej jest połączyć wspólną

Symulacja numeryczna procesu przewietrzania ściany... 111 wiązka otwory O1 z otworami O12. Nastąpi wtedy około dwukrotne zwiększenie objętościowego strumienia mieszanki przy zubożeniu jej do wartości ok. 45-50% CH 4. 40 30 O1 O12 CH4 [%] 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 czas [min] Rys. 10. Wartości stężeń metanu dla otworów O1 i O12. Pierwsze 5 minut przed przeregulowaniem Fig. 10. Values of methane concentration for two drainage holes O1 and O2. The first 5 min before adjustment 100 80 O1 O12 CH4 [%] 60 40 20 0 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 czas [min] Rys. 11. Wartości stężeń metanu dla otworów O1 i O12. Stan po regulacji Fig. 11. Values of methane concentration for two drainage holes O1 and O2. After adjustment Przytoczone dane odnoszą się do omawianych w niniejszym artykule parametrów górotworu. W przypadku zmiany któregoś z parametrów materiału górotworu (przepuszczalność, porowatość) ujętego w modelu matematycznym, opisującym zespół zjawisk przepływowych, wartości wydatku oraz stężenia ulegną zmianie.

112 P. Skotniczny 5. Podsumowanie Przedstawione w artykule wyniki obliczeń numerycznych zjawisk związanych z wymianą masy pomiędzy górotworem naruszonym eksploatacją a wyrobiskami ścianowymi w obecności aktywnego odmetanowania stanowią dobrą podstawę do prowadzenia dalszych analiz o zwiększonym stopniu skomplikowania zarówno domeny obliczeniowej, jak i warunków brzegowo-początkowych. Analizując otrzymane wyniki, można sformułować następujące spostrzeżenia: przyjęte we wstępnym procesie modelowania założenia dotyczące wartości brzegowych, takich jak porowatość, współczynniki przepuszczalności materiału górotworu oraz wartości ciśnień na wylocie domeny obliczeniowej, umożliwiają uzyskanie rozwiązania jakościowo dobrze oddającego mechanizm wymiany masy pomiędzy górotworem naruszonym eksploatacją a wyrobiskami ścianowymi; przedstawiony model obliczeniowy umożliwia analizę wariancyjną wpływu odmetanowania na wartość stężeń metanu w wyrobiskach ścianowych ze szczególnym uwzględnieniem górnego naroża ściany. Analiza ta może polegać na zmianie lokalnych bądź globalnych wartości współczynników przepuszczalności, porowatości; istnieje możliwość wykorzystania przedstawionego trójwymiarowego modelu ściany do zagadnień związanych z analizą działania systemu odmetanowania. Przedstawione wyniki regulacji pracy otworów odmetanowujących sugerują możliwość optymalizacji pracy otworów pojedynczych lub ujętych w wiązki. Równocześnie należy zaznaczyć, że opisywane w niniejszym artykule wyniki obliczeń należy traktować jako poglądowe. Uzyskanie pełnej jakościowo-ilościowej analizy konkretnego przypadku jest możliwe, jednak wymaga znacznie większej liczby rzetelnych danych pochodzących z pomiarów wartości prędkości przepływającego powietrza i stężeń metanu w newralgicznych w aspekcie bezpieczeństwa obszarach wyrobisk ścianowych. Artykuł opracowano w ramach Projektu Strategicznego, zadanie badawcze nr 4, podzadanie 4.3.2 pt. Poprawa efektywności odmetanowania górotworu w warunkach dużej koncentracji wydobycia w podziemnych zakładach górniczych wydobywających węgiel kamienny, finansowanego przez NCBiR.

Symulacja numeryczna procesu przewietrzania ściany... 113 BIBLIOGRAFIA 1. Dziurzyński W.: Symulacja numeryczna procesu przewietrzania programy komputerowe, 1. Szkoła Aerologii Górniczej, Zakopane 1999, s. 303-309. 2. Krause E., Łukowicz K.: Dynamiczna prognoza metanowości bezwzględnej ścian (poradnik techniczny). Instrukcja nr 14, GIG, Katowice 2000. 3. Krawczyk J.: Przykład propagacji fal ciśnienia i prędkości w modelu wyrobiska korytarzowego. Archives of Mining Science, nr 47/4/2002, Kraków 2002. 4. Łukowicz K.: Wyznaczenie parametrów modelu numerycznego rejonu ściany w aspekcie prowadzenia odmetanowania dostosowanych do warunków górniczo-geologicznych. Kraków 2012 (niepublikowane). 5. Wacławik J.: Wentylacja kopalń, tom 1. Wydawnictwa AGH, Kraków 2010. Abstract The results concerning numerical simulation of gas exchange between the rock mass affected by exploitation and mining excavations in the presence of active methane drainage are good base for further analysis, much more complicated in terms of geometry and initial boundary conditions. Taking into account presented results one may formulate the following observations: The data used on early stage of numerical simulation, such as porosity and permeability coefficients of the rock mass and inlet pressure enable to obtain good qualitative solution which describes the mechanism of the phenomenon of gas exchange between the rock mass and mining excavations. Presented computational model of the domain is suitable for variant analysis of influence of drainage on methane concentration in mining excavations (especially relevant in upper corner of the U type ventilated longwall). It is possible to perform effectiveness analysis of the drainage system using presented 3D longwall model. The results describe the pressure adjustment for drainage holes suggest optimization possibilities of the drainage holes (individual or collected in a bundle). Moreover, there should be notice that the presented results should be treated as preliminary. The full quantify-qualitative analysis is possible only when the values of initial boundary conditions are well known. This is possible during in situ measurements of the air velocity, air pressure and methane concentration in sensitive (in terms of exploitation safety) areas of mining excavations.