1

BADANIA MODELOWE ZWALCZANIA ZAGROŻENIA METANOWEGO NA WYLOCIE ŚCIANY
PRZEWIETRZANEJ SYSTEMEM „U”

Autorzy: Stanisław Nawrat* Zbigniew Kuczera* Sebastian Napieraj*

* Katedra Górnictwa Podziemnego AGH

Streszczenie

W podziemnych kopalniach węgla kamiennego w ścianach przewietrzanych systemem „U” eksploatowanych od
pola i prowadzonych z kierowaniem stropu na zawał występuje zazwyczaj poważny problem z opanowaniem
zagrożenia metanowego w rejonie skrzyżowania ściany z chodnikiem nadścianowym w związku, z czym
stosowane są wentylacyjne urządzenia pomocnicze jak dysze, strumienice, wentylatory i przegrody oraz
wszelkiego rodzaju ich kombinacje. Celem tych urządzeń jest poprawienie procesu mieszania metanu
dopływającego z zawału ściany z powietrzem przepływającym przez ścianę. Rodzaj i parametry pomocniczych
urządzeń oraz sposób rozmieszczenia w rejonie skrzyżowania ściany z chodnikiem nadścianowym może być
zaprojektowany z dużą dokładność natomiast efektywność działania zazwyczaj jest oceniana po zainstalowaniu
układu w kopalni i po przeprowadzeniu badań „in situ”.
Kompleksowe badania przebiegów procesów mieszania metanu z powietrzem w kopalniach jest bardzo trudne
metrologicznie, a niekiedy nawet niemożliwe.
W związku z tym jedynymi sposobami określenia rozkładu metanu w powietrzu w wyrobisku górniczym w
czasie procesu mieszania są badania modelowe powiązane z badaniami eksperymentalnymi. W przeszłości
badania modelowe procesu mieszania metanu z powietrzem w kopalniach wykonywane były sporadycznie i
głównie w trakcie prac naukowych.
Obecnie rozwój komputeryzacji i kompleksowych oprogramowań jak pakiet programów Computational Fluid
Dynamics CFD (Obliczeniowa Mechanika Płynów) pozwala na wykorzystywanie ich dla prowadzenia badań
modelowych wielu procesów fizyko – chemicznych w tym także procesów przepływu powietrza i gazów,
mieszania metanu z powietrzem w wyrobiskach górniczych.
Badania modelowe dla rejonu ściany F-27 w pokl.404/2W w KWK „Zofiówka przeprowadzono za pomocą
NIST Fire Dynamics Simulator w skrócie FDS, jednego z programów pakietu CFD, potwierdziły ich
przydatność dla oceny wpływu metanowości i stosowanych pomocniczych urządzeń wentylacyjnych na stan
zagrożenia metanowego w rejonie ściany.

1. Wprowadzenie
W kopalniach węgla kamiennego nieujęty przez odmetanowanie metan z pokładów węgla w procesie wentylacji
ulega mieszaniu z powietrzem tworząc mieszaniny powietrzno – metanowe. Proces mieszania metanu
powietrzem zależy od szeregu parametrów, a w szczególności od wydatku strumienia metanu dopływającego do
wyrobiska i wydatku strumienia powietrza przepływającego przez wyrobisko oraz od współczynnika dyfuzji
turbulentnej. Dla poprawienia skuteczności procesu mieszania w wyrobiskach górniczych stosowane są
pomocnicze urządzenia wentylacyjne, jak: dysze, strumienice, wentylatory z lutniociągami, przesłony, przegrody
i ich kombinacje konfiguracyjne. Podstawowym celem wentylacji i pomocniczych urządzeń jest takie
zapewnienie przebiegu procesu mieszania, aby w wyrobiskach górniczych nie zostały przekroczone
dopuszczalne zawartości metanu w powietrzu określone przepisami górniczy.
W procesach mieszania zawartości metanu powietrzu w wyrobiskach górniczych są zmienne w przestrzeni i w
czasie. Kompleksowe badanie tych przebiegów mieszania metanu z powietrzem jest bardzo trudne, a niekiedy
nawet niemożliwe. W praktyce przebiegi procesów mieszania metanu z powietrzem są trudne do jednoznaczne
określenia i wymagają badań „ in situ”, które są skomplikowane metrologiczne ze względu na duże zmienności
zawartości metanu w powietrzu w przestrzeni i czasie.
W związku z tym jedynymi sposobami określenia rozkładu metanu w powietrzu w wyrobisku górniczym w
czasie procesu mieszania są badania modelowe wsparte badaniami eksperymentalnymi. W przeszłości badania
modelowe procesu mieszania metanu z powietrzem wykonywane były sporadycznie i głównie w trakcie prac
naukowych.
Obecnie rozwój komputeryzacji i kompleksowych oprogramowań jak pakiet programów Computational Fluid
Dynamics CFD (Obliczeniowa Mechanika Płynów) [1,2,3] pozwala na wykorzystywanie ich dla prowadzenia
badań modelowych wielu procesów fizyko – chemicznych w tym także procesów przepływu powietrza i gazów,
mieszania metanu z powietrzem w wyrobiskach górniczych.
2. Modelowanie programem FDS

Computational Fluid Dynamics CFD (Obliczeniowa Mechanika Płynów) to nowa metoda

umożliwiająca przeprowadzanie szczegółowej analizy zagadnień związanych z przepływem płynów,
wykorzystująca komputerową technikę obliczeniową. Programy CFD pozwalają uzyskać niezbędną informację o

2

przepływie masy płynu (rozkład pola prędkości, pole ciśnienia), ruchu ciepła (pole temperatury) i przemianach
fizyko - chemicznych. Osiąga się to poprzez numeryczne rozwiązanie równań opisujących zachowanie i
wymianę masy, pędu i energii.
Jednym z programów jest NIST Fire Dynamics Simulator w skrócie FDS [1], który może być także
wykorzystany do badań modelowych procesów mieszania metanu z powietrzem w wyrobiskach górniczych.
Program zapisuje obliczone wartości w plikach tekstowych, jednakże za pomocą programu Smokeview można
dokonać wizualizacji obliczonych wartości, jak zawartości gazów w powietrzu, temperatury powietrza itp.
3. Badania eksperymentalne i modelowe zwalczania zagrożenia metanowego na wylocie ściany przewietrzanej
na „U”
W KWK Zofiówka ściana F – 27 w pokł. 404/2W była eksploatowana systemem ścianowym podłużnym od pola
z likwidacją chodnika nadścianowego, a kierowanie stropem było na zawał.
W rejonie ściany F-27 pokład 404/2W charakteryzował się następującymi zagrożeniami naturalnymi:
zagrożenie metanowe

IV kategoria,

zagrożenie wybuchem pyłu węglowego

klasa B,

zagrożenie tąpaniami

pokład niezagrożony,

zagrożenie pożarowe

I grupa samozapalności,

zagrożenie wodne

I stopień,

zagrożenie wyrzutami metanu i skał

zaliczony do ZWMS,

zagrożenie temperaturowe występuje.

Ściana F – 27 pokład 404/2W była przewietrzana systemem „U” – rys.1.
Metanowość rejonu ściany wynosiła ok. 22m3CH4/min, a odmetanowanie ujmowało 10 m3 CH4/min. W
związku z wysokim zagrożeniem metanowym, szczególnie w rejonie skrzyżowania ściany z chodnikiem
nadścianowym, gdzie następowało mieszanie metanu wypływającego z zawału z powietrzem przepływającym
przez ścianę, były zastosowane pomocnicze urządzenia wentylacyjne – rys.2.W chodniku nadścianowym była
zabudowana przegroda wentylacyjna, która nakierowywała powietrze do komory mieszania w rejonie zawału
chodnika nadścianowego.

Rys. 1. Schemat wentylacji ściany F – 27 pokład 404/2 w KWK Zofiówka

3

Rys. 2. Schemat rozmieszczenia urządzeń wentylacyjnych w rejonie ściany F – 27 w pokł. 4040/2W w KWK
Zofiówka
4.1. Badania eksperymentalne
W celu zbadania procesu mieszania metanu z powietrzem w ścianie F – 27 i w chodniku nadścianowym F-27 w
pokł. 404/2W zostały przeprowadzone przez pracowników działu wentylacji KWK Zofiówka w dniu
08.06.2006r. pomiary zawartości metanu i prędkości powietrza w przekrojach pomiarowych pokazanych na
rys.2, 3 i 4, których wyniki przedstawione w tabelach 1 i 2.

Rys. 3. Schemat punktów pomiarowych w przekrojach w chodniku F – 27 w pokł. 404/2W w KWK Zofiówka

min. 1,5m

min. 7m

6-10m

nawiewka

nawiewka

Komora

mieszania

ŚCIANA F - 27

pokł. 404/2

Max - 6m

CMM-

0-2%

Ekran z pianki krylaminowej
i płótna polipropylenowego

CMM-

0-2%

ACO-1/R

Chodnik nadścianowy F-27 pokł. 404/2

Przekroje
pomiarowe

B-B

A-A

C-C

D-D

E-E

4

Tabela 1
Zestawienie pomiarów wykonanych w dniu 08.06.2006r. w chodniku nadścianowym F- 27 pokł. 404/2W

Lp.

Miejsce

pomiaru

Pomiar

1

CH

4

% /

Q m/s

Pomiar

2

CH

4

% /

Q m/s

Pomiar

3

CH

4

% /

Q m/s

Pomiar

4

CH

4

% /

Q m/s

Pomiar

5

CH

4

% /

Q m/s

Pomiar

6

CH

4

% /

Q m/s

Pomiar

7

CH

4

% /

Q m/s

Pomiar

8

CH

4

% /

Q m/s

1

C-C

0,7/ 5,5

0,7/ 5,4

0,5/ 0,5

0,5/0,4

0,7/5,3

0,7/5,4

0,4/0,5

0,4/04

2

D-D

0,7/5,3

0,7/5,3

0,5/04

0,4/0,4

0,7/5,3

0,7/5,3

0,4/0,4

0,4/0,4

3

E-E

0,8/5,2

0,8/5,2

0,6/0,6

0,6/0,6

0,8/5,2

0,8/5,2

0,6/0,5

0,5/0,5

Rys. 4. Schemat punktów pomiarowych w przekrojach w ścianie F – 27 w pokł. 404/2W w KWK Zofiówka


Tabela 2
Zestawienie pomiarów wykonanych w dniu 08.06.2006r. w ścianie F- 27 pokł. 404/2W

Miejsce

pomiaru

Pomiar

1

CH

4

% /

Q m/s

Pomiar

2

CH

4

% /

Q m/s

Pomiar

3

CH

4

% /

Q m/s

Pomiar

4

CH

4

% /

Q m/s

Pomiar

5

CH

4

% /

Q m/s

Pomiar

6

CH

4

% /

Q m/s

Pomiar

7

CH

4

% /

Q m/s

Pomiar

8

CH

4

% /

Q m/s

Pomiar

9

CH

4

% /

Q m/s

A-A

0,6/3,1

0,6/3,0

0,6/2,9

0,5/3,2

0,5/2,8

0,6/2,7

0,5/2,2

0,5/2,0

0,5/2,0

B-B

1,2/2,1

1,2/2,0

1,1/2,0

1,0/3,8

1,0/3,1

0,9/2,0

0,9/1,3

0,8/3,0

0,8/2,8

Pomiary wykazały, że najwyższe zawartości metanu występują na linii zawału ściany pod stropem.

4.2. Badania modelowe dla rejonu ściany F – 27 w pokł. 404/2W

Badania modelowe procesu mieszania metanu z powietrzem w ścianie i w chodniku nadścianowym
przeprowadzono wykorzystując program FDS, przyjmując następujące założenia brzegowe i upraszczające:
konfiguracja i przekroje a także rozmieszczenie urządzeń wentylacyjnych było zgodne z rys.2,
badana długość ściany

– 40 m,

badana długość chodnika nadścianowego (wentylacyjnego)

– 60 m,

wydatek metanu dopływający z zawału do chodnika
nadścianowego (został rozłożony równomiernie do powierzchni
od strony ściany komory mieszania)

– 6 m3/min,

wydatek metanu dopływający z zawału do ściany

– 6 m3/min,

wydatek powietrza w ścianie i w chodniku nadścianowym

– 1600 m3/min.

Model wyrobisk i rozmieszczenie pomocniczych urządzeń wentylacyjnych przedstawia rys.5.

5

Rys.5. Model wyrobisk i przegrody wentylacyjnej - rejon ściany F – 27 w pokł.404/2W w KWK Zofiówka

Wyniki obliczeń symulacyjnych rozkładu zawartości metanu w powietrzu w płaszczyźnie równoległej położonej
na wysokości 1.5m od spągu wyrobisk przedstawiono na rys. 6.

6

Rys. 6. Symulacja rozkładu zawartość metanu w rejonie ściany F – 27 w pokł.404/2W

Analizując wyniki symulacji można stwierdzić, że:
rozkład zawartości metanu w wyrobisku jest zmienny w przestrzeni,
najwyższe zawartości metanu (do 3%) występują w komorze mieszania,
zastosowana przegroda spełnia założoną rolę powodując przesunięcie strefy z wyższą zawartością metanu w
stronę naprzeciwległego ociosu w stosunku do ściany,
zastosowana przegroda wpływa na intensywność mieszania metanu wypływającego ze zrobów z powietrzem
przepływającym przez ścianę i powoduje, że w wyrobisku (poza komorą mieszania) nie występują
niedopuszczalne zawartości metanu (powyżej 2%).
Rozkład prędkości powietrza w wyrobiskach został przedstawiony w płaszczyźnie równoległej do spągu
wyrobisk na wysokości 1,5m (rys. 7.).

7

Rys. 7. Symulacja rozkładu prędkości powietrza w wyrobiskach (m/s) w rejonie ściany F – 27 w pokł.404/2W

Analizując rozkład prędkości powietrza w wyrobisku możemy stwierdzić, że jest on zmienny w przestrzeni i
zawiera się w przedziale od 0 do 15 m/s. - najwyższe prędkości występują w rejonie skrzyżowania w pobliżu
końca przegrody.
Wyniki pomiarów zawartości metanu w powietrzu w wyrobiskach rejonu ściany F -27 w pokł 404/2W uzyskane
w czasie badań eksperymentalnych i modelowych przedstawiono w tabelach 3 i 4.


Tabela 3
Zawartości metanu w powietrzu w płaszczyznach przekrojów pomiarowych w chodniku nadścianowym F -27 w
pokł 404/2W w KWK Zofiówka (przekrój poprzeczny – rys.2)

Wyniki pomiarów

Wyniki symulacji

Przekrój C-C

Przekrój D-D

8

Przekrój E-E

Wyniki symulacji zawartości metanu w przekrojach poprzecznych w chodniku F-27 wykazują podobieństwo z
wynikami z pomiarów.

Tabela 4
Zawartości metanu w powietrzu w płaszczyznach przekrojów pomiarowych
w ścianie F -27 w pokł 404/2W w KWK Zofiówka (przekrój poprzeczny – rys.3)

Wyniki pomiarów

Wyniki symulacji

Przekrój A-A

Przekrój B-B

9

Wyniki symulacji zawartości metanu w przekrojach poprzecznych w ścianie wykazują podobieństwo z
wynikami pomiarów.

4.3. Symulacja zawartości metanu w wyrobiskach rejonu ściany F- 27 w pokł. 404/2W dla przypadku wzrostu
metanowości

W celu zbadania wpływu wzrostu metanowości wentylacyjnej (do 16 m3CH4/min) na rozkład zawartości
metanu w rejonie ściany F – 27 w pokł. 404/2W w KWK Zofiówka przyjęto dodatkowe założenia:
wydatek metanu dopływającego z zawału do chodnika
nadścianowego (komora mieszania)

– 10 m3/min,

wydatek metanu dopływającego z zawału do ściany

– 6 m3/min.

Wyniki obliczeń symulacyjnych rozkładu zawartości metanu w powietrzu w płaszczyźnie równoległej położonej
na wysokości 1.5m od spągu wyrobisk przedstawiono na rys. 8.

Rys. 8. Rozkład zawartości metanu w rejonie ściany F -27 w pokł.404/2W dla metanowości wentylacyjnej 16
m3CH4/min

Analizując wyniki symulacji wpływu wzrostu metanowości wentylacyjnej z 12 do 16 m3CH4/min w rejonie
ściany F -27 w pokł.404/2W można stwierdzić, że:
rozkład zawartości metanu w wyrobiskach jest zmienny w przestrzeni,
najwyższe zawartości metanu (do 6%) występują w komorze mieszania,
zastosowana przegroda spełnia założoną rolę powodując przesunięcie strefy z wyższą zawartością metanu w
stronę ociosu naprzeciwległego w stosunku do ściany nie zapewnia jednak obniżenia zawartości metanu w
każdym punkcie przestrzeni do wartości dopuszczalnych,
w chodniku nadścianowym występują przekroczenia dopuszczalnych zawartości metanu (2%),
zastosowany system wentylacyjny nie zapewnia opanowania zagrożenia metanowego rejonie skrzyżowania
ściany z chodnikiem nadścianowym.

4.4. Symulacja zawartości metanu w wyrobiskach rejonu ściany F- 27 w pokł. 404/2W dla przypadku wzrostu
metanowości wentylacyjnej i nie działania przegrody wentylacyjnej

W celu zbadania wpływu wzrostu metanowości (do 16 m3CH4/min) i nie działania przegrody wentylacyjnej na
rozkład zawartości metanu w rejonie ściany F – 27 w pokł. 404/2W w KWK Zofiówka przyjęto dodatkowe
założenie, że:

10

wydatek metanu dopływający z zawału do chodnika
nadścianowego (komora mieszania)

– 10 m3/min,

wydatek metanu dopływający z zawału do ściany

– 6 m3/min,

przegroda wentylacyjna nie działa np.z powodu uszkodzenia.
Wyniki obliczeń symulacyjnych rozkładu zawartości metanu w powietrzu w płaszczyźnie równoległej położonej
na wysokości 1.5m od spągu wyrobisk przedstawiono na rys. 9.

Rys. 9. Rozkład zawartości metanu w rejonie ściany F-27 w pokł. 404/2W dla przypadku wzrostu metanowości
wentylacyjnej i uszkodzenia przegrody wentylacyjnej

Analizując przedstawioną symulację rozkładu zawartości metanu w rejonie ściany F-27 w pokł. 404/2W dla
przypadku wzrostu metanowości wentylacyjnej i uszkodzenia przegrody wentylacyjnej można stwierdzić, że:
rozkład zawartości metanu w wyrobiskach jest zmienny w przestrzeni,
najwyższe zawartości metanu (do 8%) występują w komorze mieszania,
w chodniku nadścianowym występują przekroczenia dopuszczalnych zawartości metanu (2%,
w rejonie skrzyżowania ściany z chodnikiem nadścianowym wystąpi stan zagrożenia wybuchem metanu.

5. Stwierdzenia i wnioski
Przedstawiony materiał pozwala na sformułowanie następujących stwierdzeń i wniosków:
Badania eksperymentalne i modelowanie pozwalają kompleksowo badać w przestrzeni i w czasie
skomplikowane procesy fizyko – chemiczne zachodzące w przyrodzie, w tym także zagadnienia związane z
wentylacją kopalń.
Skomplikowane zjawiska mogą być badane w sposób kompleksowy jedynie za pomocą modelowania
matematycznego, zwłaszcza przy zastosowaniu komputerowych technik obliczeniowych.
Jedną z metod modelowania procesów związanych z mechaniką płynów jest pakiet programów komputerowych
Computational Fluid Dynamics (Obliczeniowa Mechanika Płynów) zwany powszechnie „CFD”.
Jednym z programów CFD jest NIST Fire Dynamics Simulator w skrócie FDS, który może być także
wykorzystany także do badań modelowych procesów mieszania metanu z powietrzem w wyrobiskach
górniczych.
W badaniach modelowych przeprowadzonych przy zastosowaniu programu FDS uzyskano rozkład przestrzenny
metanu i prędkości powietrza dla rejonu ściany F – 27 w pokł.404/2W w KWK Zofiówka zbliżony z uzyskanym
z badań eksperymentalnych w kopalni.
Na podstawie badań modelowych – symulacyjnych wykazano dla ściany F – 27 w pokł.404/2W w KWK
Zofiówka, że:

11

dla występującej metanowości stosowane środki wentylacyjne zapewniają opanowanie zagrożenia metanowego
w rejonie skrzyżowania ściany z chodnikiem nadścianowym,
w przypadku wzrostu metanowości wentylacyjnej lub uszkodzenia przegrody w rejonie skrzyżowania ściany z
chodnikiem wystąpi stan zagrożenia metanowego.
Badania modelowe mogą być wykorzystywane do oceny prawidłowości prac projektowych związanych z
wentylacją i zastosowaniem pomocniczych urządzeń wentylacyjnych w kopalniach.
Technika symulacji niektórych zagadnień związanych z procesami zwalczania zagrożenia metanowego w
ścianach przy wykorzystaniu programów komputerowych powinna być szeroko wykorzystywana w czasie
szkoleń załóg górniczych.


Literatura:

[1]

McGrattan K., NIST Special Publication 1018, Fire Dynamics Simulator (Version 4) Technical

Reference Guide, National Institute of Standards and Technology 2005r
[2]

Zastosowanie programów CFD do symulacji zagrożenia temperaturowego w kopalniach podziemnych –

[Application of CFD programms for temperature treats simulation in underground mines] / Stanisław
NAWRAT, Sebastian NAPIERAJ // W: ROP' 2005 : zwalczanie zagrożenia cieplnego w kopalniach – teoria i
praktyka : XXII seminarium : XXXI Dni Techniki : Rybnik, 20 października 2005 r. / Naczelna Organizacja
Techniczna, Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Górnictwa. — Gliwice : Wydział Górnictwa i Geologii
Politechniki Śląskiej. Instytut Geotechnologii, Geofizyki Górniczej i Ekologii Terenów Przemysłowych, 2005.
— S. 39–45. — Bibliogr. s. 45, Streszcz.
[3]

Możliwości zastosowania modelowania komputerowego dla badania procesów pożaru w tunelu

komunikacyjnym Possibility of using computer modelling for fire testing in communication tunnels / Stanisław
NAWRAT, Sebastian NAPIERAJ // W: Geotechnika i budownictwo specjalne / pod red. Danuty Flisiak i Marka
Cały ; Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki AGH. — Kraków : Wydawnictwo KGBiG AGH,
2005. — (ZSMGiG [Zimowa Szkoła Mechaniki Górotworu i Geoinżynierii ; nr 29]. — S. 413–425. — Bibliogr.
s. 424, Abstr.