Wacław Dziurzyński



Stanisław Nawrat



Effect of ventilation on methane drainage

system in longwall mined with caving

Wpływ przewietrzania na odmetanowanie w

ścianie eksploatowanej z zawałem stropu



Instytut Mechaniki Górotworu, Polska Akademia Nauk, 30-059 Kraków, ul. Reymonta 27

Archives of Mining Sciences, volume 38 1993, Issue 2

- 2 -

A complex, many years observation confirms that there exists an

interdepedence of parameters determining air and gas flows in the ventilation
network and those of the methane drainage system.

This observation has been used as a base of wide range theoretical and

experimental investigations.

A simple one-dimensional mathematical model (Chapter 3) of a system:

methane drainage network vs. Area of a longwall mined with caving, has bee
formulated.

The elaborated mathematical model combined with adequite boundary and

initial conditions and a numerical algorithm allowed to develop a program of
computer simulation of this interdepedence for various ventilating conditions.

The main purpose of practical experiments carried out in “Zofiówka” Coal

Mine, H-1a longwall was to verify qualitatively the elaborated mathematical
model.

The accorddance of the model with results of ventilation measurements has

been stated and then several numerical simulations were carried out of various
ventilaiting conditions. The results of simulations are presented in diagrams
which allowed to formulate certain conclusions.

Wieloletnia łączna obserwacja parametrów określających ruch powietrza i

gazów w sieci wentylacyjnej oraz parametrów pracy sieci odmetanowania
potwierdza istnienie wzajemnych zależności [5], [12]. Dało to asumpt do
przeprowadzenia

szerokich

badań

zarówno

teoretycznych

jak

i

eksperymentalnych. Sformułowano prosty jednowymiarowy model matematyczny
(rozdz.3) układu sieć odmetanowania – rejon ściany eksploatowanej na zawał
stropu. Opracowany model matematyczny wraz z odpowiednimi warunkami
brzeżno-początkowymi oraz przyjętą metodą numeryczną pozwolił na
opracowanie programu komputerowej symulacji współpracy dla różnych
warunków przewietrzania. Przeprowadzono badania eksperymentalne w rejonie
ściany H-1a KWK „Zofiówka”, które miały na celu jakościową weryfikację
przyjętego modelu matematycznego. Po uzyskaniu zgodności modelu z
pomiarami wentylacyjnymi wykonano szereg obliczeń symulacji komputerowej
dla różnych warunków przewietrzania. Wyniki symulacji przedstawiono na
wykresach i na ich podstawie wyciągnięto wnioski.

Archives of Mining Sciences, volume 38 1993, Issue 2

- 3 -

1. Wprowadzenie

Metan wydzielający się z górotworu do wyrobisk górniczych stwarza

zagrożenie wybuchowe oraz zagrożenie atmosferą beztlenową, wpływając
bezpośrednio na stan bezpieczeństwa pracy górników. Prowadzenie eksploatacji
węgla w warunkach silnego zagrożenia metanowego wymaga stosowania
różnorodnych metod oraz środków technicznych i profilaktycznych, jak:



intensywnej wentylacji,



skutecznego odmetanowania,



metanome

trii kontrolującej zawartość metanu w powietrzu i zabezpieczającej

urządzenia elektryczne,



wzmożonego nadzoru technicznego i wysokiej dyscypliny załogi.

W poszczególnych wyrobiskach kopalń występuje współzależność wielu

czynników mających wpływ na zawartość metanu w powietrzu, a w
szczególności:



metanowości (metanonośności) górotworu,



wydatku przepływu powietrza,



wydatku metanu ujmowanego przez odmetanowanie.

Metanowośc (metanonośność) jest czynnikiem związanym ściśle z

warunkami górniczo-geologicznymi górotworu. Natomiast wydatki przepływu
powietrza i ujmowanego metanu przez odmetanowanie mogą być regulowane w
kopalniach. Z praktyki górniczej i badań [5], [6], [12] wynika, że istnieje wpływ
przewietrzania wyrobisk, zwłaszcza ścian eksploatowanych z zawałem stropu,
na wydatek ujmowanego metanu przez odmetanowanie, a tym samym na
efektywność odmetanowania. Potwierdzeniem tego faktu są wyniki pomiarów
przeprowadzonych w kopalni „Zofiówka” (rys.1).

Rys.1. Wpływ zmiany depresji wentylatora głównego przy szybie IV KWK

„Zofiówka” na odmetanowanie

Archives of Mining Sciences, volume 38 1993, Issue 2

- 4 -

Rysunek przedstawia wpływ zmian depresji wentylatora głównego kopalni

na zmiany wydatku i stężenia metanu ujmowanego na stacji odmetanowania.

W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych

przeprowadzonych w rejonie ściany w kopalni „Zofiówka”. Przedstawiono
również prosty model matematyczny rozpatrywanych zjawisk oraz jego
jakościową, porównawczą weryfikację. Przedstawiono wyniki obliczeń
symulacyjnych wielu wariantów sieci wentylacyjnej z siecią odmetanowania dla
danych uzyskanych z pomiarów w kopalni „Zofiówka”. Przeprowadzone badania
potwierdziły raz jeszcze istnienie wzajemnej zależności systemu przewietrzania i
odmetanowania oraz niewątpliwą przydatność metod symulacji numerycznej do
oceny i analizy systemów wentylacji kopalń.

2. Przewietrzanie i odmetanowanie

W czasie procesów powstawania węgli kamiennych powstał także metan,

który był wydalany do atmosfery lub ulegał sorpcji w węglu i skałach
otaczających,

stanowiących

ośrodek

porowaty.

W

przypadku

nieprzepuszczalnych lub słabo przepuszczalnych skał nakładowych górotworu
stał się kolektorem (zbiornikiem) metanu. Stan nasycenia metanem górotworu
nie jest jednak jednorodny. Świadczą o tym zmienne metanonośności wahające
się od 0,01 do około 18 m

3

/t.cz.s.w., które zależą głównie od struktury

wewnętrznej węgli i skał oraz ich zdolności sorpcyjnej. Można przy tym wyróżnić
metan tzw. wolny, występujący w makroporach i szczelinach, oraz metan, który
uległ adsorpcji na węglu i skałach otaczających.

Cechą charakterystyczną górotworu jako ośrodka porowatego jest

przepuszczalność, określana współczynnikiem przepuszczalności. B. Kozłowski i
Z. Grębski [6] stwierdzili, że:



węgiel odprężony ma bardzo duży współczynnik przepuszczalności
wynoszący od 10

-12

do 10

-10

[m

2

] i zależy od ilości szczelin,



ze wzrostem naprężeń ściskających współczynnik przepuszczalności
wynoszący maleje.

Z powyższego wynika, że w górotworze nienaruszonym przepuszczalność

jest mniejsza niż w górotworze naruszonym eksploatacją, zwłaszcza ma to
miejsce przy eksploatacji z zawałem stropu.

Ruch powietrza w wyrobiskach górniczych jest wywołany depresją

wytworzenia przez wentylatory główne lub depresją naturalną. W kopalniach
polskich stosowane są wentylatory osiowe i promieniowe o parametrach:



wydajność

V = 15 + 500 [m

3

/s],



spiętrzenie

p

c

= 1 200 + 5 500 [N/m

3

].

Do wyrobisk górniczych mogą wydzielić się z górotworu również gazy

złożowe, głównie metan i dwutlenek węgla. Zbiornikiem gazu są także
zlokalizowane wyrobiska

górnicze, zwane zrobami lub starymi zrobami. Ilości

wydzielających się gazów z górotworu i ze zrobów są nieznaczne (od kilku do
kilkudziesięciu m

3

/min), przy czym ich rodzaj i zawartość decydują o stanie

bezpieczeństwa pracy górników i o zagrożeniu wybuchowym w wyrobiskach
górniczych.

Archives of Mining Sciences, volume 38 1993, Issue 2

- 5 -

W związku z tym, że zroby poeksploatacyjne lub zlikwidowane wyrobiska

korytarzowe nie są zaizolowane absolutnie szczelnie, pod wpływem depresji
wentylatorów głównych i naturalnej następuje ich przewietrzanie. Prędkości
powiet

rza w zrobach są wg badań np. autorów pracy [4] małe i wynoszą około

10

-4

m/s, co świadczyłoby, że mamy tu do czynienia z ruchem laminarnym.

W zrobach poeksploatacyjnych przyległych do ścian zawałowych

stanowiących przestrzeń, w której rozkruszeniu, popękaniu i ugięciu uległy skały
stropowe i spągowe w wyniku prowadzonej eksploatacji, zwiększa się
gazoprzepuszczalność górotworu i następuje dopływ metanu. W przestrzeni
zrobowej metan ulega zmieszaniu z powietrzem przepływającym przez część
roboczą i część zrobową ściany. Rozkład metanu w zrobach zależny jest od
systemu

przewietrzania,

metanowości

rejonu

ściany,

intensywności

przewietrzania, sposobu uszczelniania zrobów, a także od sposobu
odmetanowania. W rzeczywistości rozkład metanu w zrobach jest przestrzenny i
zmienny w czasie w związku z postępującą eksploatacją.

Odmetanowanie jest to technologia [7] polegająca na ujęciu metanu z

górotworu do otworów wiertniczych oraz rurociągów i odprowadzeniu metanu do
dróg wentylacyjnych lub na powierzchnię kopalni, gdzie może być
zagospodarowany lub odprowadzony do atmosfery. Ruch metanu w rurociągu
może być wytworzony przez:



nadciśnienie złożowe metanu w górotworze,



podciśnienie dołowej lub powierzchniowej stacji odmetanowania.

Do wytworzenia depresji w rurociągach odmetanowania stosuje się

sprężarki o parametrach:



wydajność

1,0 + 60,0 m

3

/min,



podciśnienie ssania 0,5 + 10

5

Pa.

Podciśnienie ssania (depresja) na otworach może być regulowane i wynosi

zazwyczaj od 0 do 5 x 10

4

Pa, [1] w zależności od żądanej wydajności i

dyspozycyjnego podciśnienia na danym rurociągu. Do otworów ujmowana jest
mieszanina gazów, która zasadniczo składa się z metanu i powietrza, a
zawartość metanu waha się od 30% do 100%. W przypadku odmetanowania w
górotworze nienaruszonym eksploatacją (w wyrobiskach udostępniających i
przygotowawczych), zawartości metanu w otworach są bardzo wysokie.
Natomiast w przypadku odmetanowania górotworu naruszonego eksploatacją
(odmetanowanie ścian zwłaszcza z zawałem stropu) na skutek licznych połączeń
szczelin

ami spada zawartość metanu w mieszance ujmowanej oraz rośnie

zawartość powietrza. Z powyższego wynika również, że nieduża część powietrza
doprowadzonego do kopalni przedostaje się do sieci odmetanowania i jest wraz
z metanem odprowadzana na powierzchnię. Ilości te mogą wynosić od kilku do
kilkuset m

3

/min.

Z przedstawionych rozważań można wnioskować, że w danym punkcie

(miejscu) górotworu oddziaływają na siebie w różnym stopniu trzy źródła depresji
(podciśnienia):



ciśnienie złożowe,



depresja wytworzona prze

z wentylatory główne i depresja naturalna,



depresja wytworzona przez stację odmetanowania.

Archives of Mining Sciences, volume 38 1993, Issue 2

- 6 -

Wpływ na przewietrzanie mogą mieć też zmiany ciśnienia atmosferycznego.

Stopień wzajemnego oddziaływania w/w źródeł depresji uzależniony jest od:



wielkości depresji wytworzonych przez poszczególne źródła,



oporów wyrobisk, szczelin, porów łączących dany punkt w górotworze ze
źródłem depresji,



topologii w/w elementów.

Rysunek 2 przedstawia w poglądowy sposób eksploatację prowadzoną

systemem ścianowym podłużnym z zawałem stropu. Powietrze doprowadzone
jest chodnikiem podścianowym, a odprowadzane chodnikiem nadścianowym, w
którym jest doświeżane. Odmetanowanie prowadzone jest otworami
odwierconymi z wnęk zlokalizowanych w w/w chodniku wentylacyjnym. Metan
pod wpływem nadciśnienia złożowego dopływa do przestrzeni zawałowej ściany,
gdzie ulega mieszaniu z powietrzem przepływającym przez ścianę i zawał.
Część powietrza przedostaje się do otworów drenażowych. Metan dopływający
do zrobów ze spękanego, nieszczelnego górotworu ulega wymieszaniu z
powietrzem przepływającym przez zroby.

Rys.2. Schemat dopływu metanu i powietrza oraz odmetanowania

w wyrobisku ścianowym

W zrobach istnieje przestrzenny rozkład zawartości metanu. Rozkład ten

zależny jest od metanowości rejonu, systemu przewietrzania i jego intensywności
oraz odmetanowania. Otworami odmetanowania gaz jest odzyskany z
przestrzeni kontaktujących się ze zrobami, co powoduje zmianę rozkładu
przestrzennego metanu w zrobach. Z powyższego wynika istota wpływu
przewietrzania na ujęcie metanu, gdyż sposób przewietrzania i jego
intensywność decyduje o rozkładzie przestrzennym metanu w zrobach ściany, z
których to przestrzeni otwory odmetanowania ujmują metan o ściśle określonej
zawartości.

Archives of Mining Sciences, volume 38 1993, Issue 2

- 7 -

3. Model matematycz

ny opisujący współzależność przewietrzania i

odmetanowania

W związku z wykazaniem zależności pomiędzy warunkami przewietrzania

wyrobisk

a

odmetanowaniem,

podjęto

próbę

opracowania

modelu

matematycznego, który będzie stanowił podstawę metody symulacji badanych
zależności [2], [3], [4].

3.1. Założenia

Ze względu na to, że ściany eksploatowane z zawałem stropu w warunkach

silnego zagrożenia metanowego, w których prowadzone jest odmetanowanie,
przewietrzane są głównie systemem „Z” lub systemem „Y” z chodnikiem
równoległym, ograniczono się do przypadku bardziej ogólnego, tj. przewietrzania
ściany systemem „Y” z chodnikiem równoległym.

Założono, że eksploatacja jest prowadzona z zawałem. Górotwór jest

odprężony eksploatacją. Otwory drenażowe odmetanowania zlokalizowane są w
strefie wpływu zawału i znana jest ich ilość, położenie i wielkość depresji
mierzona w otworze lub na stacji pomiarowej. W strefie zawału (w zrobach)
bezpośrednio za przestrzenią roboczą ściany znajduje się rozłożone źródło
metanu. Metan w

ydziela się do ściany głównie z części zawałowej, natomiast

udział metanu wydzielającego się z urabianego węgla jest niewielki. Układ
wyrobisk, sposób przewietrzania i odmetanowania przedstawiono na rys.3.






















Rys.3. Schemat przestrzenn

y przewietrzania rejonu ściany H-1a KWK ”Zofiówka”

Archives of Mining Sciences, volume 38 1993, Issue 2

- 8 -

Do obliczeń przyjęto model geometryczny w sposób przedstawiony na

rys.4., gdzie założono, że układ wyrobisk jest płaski i poziomy, a wydzielanie
metanu następuje do zrobów, które tworzą przestrzeń.

Rys.4. Schemat układu wyrobisk przyjęty do obliczeń symulacyjnych

Opracowany w konsekwencji program symulacyjny pozwolił przeprowadzić

analizę szeregu wariantów przewietrzania pod kątem uzyskania zawartości
metanu w wyrobiskach zgodnyc

h z wymogami przepisów oraz maksymalnych,

możliwych do uzyskania efektów odmetanowania. Przy formułowaniu modelu
matematycznego przyjęto następujące założenia upraszczające:



rozpatruje się obszar, którego wymiary liniowe (długość) są dużo większe od
wysoko

ści, w związku z tym przepływ powietrza i metanu można uznać za

płaski (przekrój poprzeczny wyrobisk górniczych jest wielkością stałą),



przepływ mieszaniny powietrza i metanu charakteryzują takie wielkości, jak:
prędkość, gęstość, ciśnienie i temperatura,



przepływ mieszaniny w bocznicach otaczających zroby traktowany jest jako
jednowymiarowy, a w zrobach jako dwuwymiarowy,



mieszaninę powietrza i gazu traktuje się jako płyn nieściągliwy,



górotwór (zroby) jest ośrodkiem izotropowym, a przepuszczalność i
porow

atość rozważanego obszaru górotworu jest wielkością stałą,



ze względu na wolnozmienne przebiegi wielkości fizycznych charakteryzujące
badane zjawiska założono quasistatystyczny model przepływu powietrza i
metanu.

3.2. Równania przepływu powietrza i metanu w rozważanym modelu

Archives of Mining Sciences, volume 38 1993, Issue 2

- 9 -

3.2.1. Ruch powietrza i gazów w wyrobiskach

przepływ powietrza i metanu w wyrobisku górniczym opisuje układ równań

ruchu, ciągłości i stanu, który przyjmuje postać [2], [9], [10]:

(3.2.1.1)

(3.2.1.2)

(3.2.1.3)

gdzie: s

– oznacza współrzędną przestrzenną mierzoną wzdłuż osi wyrobiska,

t

– czas, v = v(s) – prędkość przepływu mieszaniny, ρ = ρ(C) – gęstość

mieszaniny zależna od stężenia metanu, C = C(s, t) – stężenie metanu w
mieszaninie, ω = ω(s) – strumień masy dopływu gazu (metanu) do
mieszaniny, j = j(s)

– gradient hydrauliczny, przy czym:

(3.2.1.4)

gdzie:

λ – bezwymiarowy współczynnik oporu, g – przyspieszenie ziemskie,
D

– średnica hydrauliczna

Mając na uwadze założenia, gęstość mieszaniny wyraża równanie stanu

(3.2.1.3), w którym C jest masową zawartością metanu w mieszaninie i wyraża
się wzorem [2]:

(3.2.1.5)

gdzie: m

g

– masa metanu, m – całkowita masa mieszaniny, ρ

g

– jest gęstością

metanu.

Zgodnie z zasadą zachowania masy dla gazu (metanu) w mieszaninie

możemy napisać równanie ciągłości:



































)

(

0

C

j

s

p

s

v









gD

v

v

j

2









g

g

m

m

C





Archives of Mining Sciences, volume 38 1993, Issue 2

- 10 -

(3.2.1.6)

Dla przepływającej wyrobiskiem górniczym mieszaniny powietrza i metanu

obowiązuje równanie ciągłości dane w postaci:

(3.2.1.7)

Uwzględniając w równaniu (3.2.1.6) równanie (3.2.1.7) i zależności (3.2.1.5)

otrzymamy:

(3.2.1.8)

Równanie (3.2.1.8) określa zmiany stężenia gazu (metanu) w wyrobisku w

zależności od strumienia dopływu metanu. Równania (3.2.1.1), (3.2.1.2),
(3.2.1.3), (3.2.1.8) tworzą zamknięty układ równań i odnoszą się do przepływu
mieszaniny w wyrobisku górniczym.

3.2.2. Ruch powietrza i gazu w zrobach

Przyjęto, że ruch powietrza i gazu w zrobach ścianowych opisuje liniowe

równanie ruchu, ciągłości i stanu, które dla przyjętych założeń dane jest w
postaci następującego układu:

(3.2.2.1)

(3.2.2.2)

(3.2.2.3)

(3.2.2.4)



















s

v

t

g

g

)

(



















s

v

t

)

(

)

1

(

C

s

C

t











































































)

(

)

(

)

(

)

(

C

v

y

v

x

t

m

y

p

k

v

x

p

k

v

y

x

y

x

















Archives of Mining Sciences, volume 38 1993, Issue 2

- 11 -

w którym: x, y – są osiami prostokątnego układu współrzędnych (rys.4),

v

x

– składowa prędkości przepływu mieszaniny w kierunku osi x,

v

y

– składowa prędkości przepływu mieszaniny w kierunku osi y,

k

–

przepuszczalność

ośrodka

porowatego

(zrobów

przyścianowych), μ – lepkość dynamiczna mieszaniny powietrza i
metanu, ρ = ρ[C(x, y)] – gęstość mieszaniny zależna tylko od
zawartości metanu, C = C(x, y, t) – stężenie metanu w mieszaninie,
m

– porowatość zrobów, ω – strumień masy gazu.

W celu określenia zmian zawartości metanu w ośrodku porowatym (zroby

ścianowe) wykonano identyczne przekształcenia jak dla określenia zmian
zawartości w prądzie obiegowym – rozdział 3.2.1.

Ostatecznie równanie określające zmiany zawartości metanu w zrobach ma

postać:

(3.2.2.5)

Przyjęty do rozwiązania układ równań jest quasistatystyczny. Można w nim

rozdzielić rozwiązania dotyczące rozpływu powietrza i metanu od rozwiązań
dotyczących tylko zawartości metanu. Pierwsze z tych rozwiązań mają charakter
statyczny, co prowadzi do rozwiązania układu równań dla stanu ustalonego przy
uwzględnieniu odpowiednich warunków brzegowych. Przyjęto tu znana metodę
Crossa rozwiązywania tego układu równań algebraicznych.

Rozwiązania dotyczące rozkładu zawartości metanu w zrobach i w prądzie

przepływowym (obiegowym) C(x, y, t) jest równaniem różniczkowym. Zakładając,
że znany jest rozkład C(x, y, t

0

), poszukuje się w kolejnych krokach czasowych

rozwiązania C(x, y, Δt), które spełniałoby równanie (3.2.2.5).

Przedstawiony układ równań wraz z warunkami początkowymi i brzegowymi

tworzą model matematyczny ruchu metanu w zrobach i w wyrobiskach. Model
ten stanowi podstawę programu symulacji zjawisk związanych z ruchem metanu
w zrobach ścianowych i w prądzie obiegowym przy zmiennych warunkach
przewietrzania i odmetanowania.


4. Badania eksperymentalne i ich weryfikacja

W celu zbadania wpływu przewietrzania na ujęcie metanu przez

odmetanowanie przeprowadzono pomiary ruchowe w kopalni „Zofiówka”. Jako
obiekt pomiarowy wybrano ścianę H-1a w pokładzie 403/1, charakteryzującą się
wysoką metanowością, intensywnym przewietrzaniem i odmetanowaniem oraz
brakiem połączeń z innymi zrobami.

Charakterystyka obiektu badań:



miąższość

-

2,28÷3,51 m,



nachylenie

-

5

0

,

)

1

(

C

vgradC

t

C

m















Archives of Mining Sciences, volume 38 1993, Issue 2

- 12 -



kategoria zagrożenia metanowego

-

IV,



klasa zagrożenia wybuchem pyłu węglowego -

B,



metanowość

-

18,10 m

3

/t.cz.s.w.,



zagrożenie wyrzutami metanu i skał

-

duże,



skały otaczające:

strop

-

łupek

ilasty

kruchy,

piaskowiec drobnoziarni-
sty,

spąg

-

łupek ilasty kruchy z

laminami węgla,



długość ściany

-

170÷180 m,



wybieg ściany

-

680 m,



obudowa

-

PIOMA 25/45,



urabianie

-

kombajn KWB-3RDU/2B,



wydobycie średnie

-

100÷1 400 t/d.

Ściana H-1a w pokładzie 403/1 eksploatowana była w warunkach silnego

zagrożenia metanowego (metanowość ściany wynosiła 40÷70 m

3

CH

4

/min).

System przewietrzania przedstawiono na schemacie przestrzennym rys.3. Przez
ścianę przepływało 1 000÷1 200 m

3

/min powietrza. Chodnik podścianowy wzdłuż

zrobów utrzymywany był za pomocą pasa anhydrytowego, a nadścianowy za
pomocą kasztu drewnianego (pustego) uszczelnianego płótnem wentylacyjnym.
Chodniki: nadścianowy i równoległy odcinkami za kolejnymi przecinkami
tamowane były tamami klocowymi lub workowymi. Dla kontroli zagrożenia
metanowego i zabezpieczenia urządzeń elektrycznych w rejonie ściany
stosowana była metanometria automatyczna, CTT-63/40 UP.

Zmiany wydatku przepływu powietrza i ciśnienia w rejonie ściany

wykonywano przy zastosowaniu tamy regulacyjnej w chodniku równoległym H-1a
przy pochylni H-

3. W wyznaczonych miejscach, w określonym czasie

wykonywano: pom

iary wentylacyjne ciśnień powietrza, prędkości powietrza,

zawartości metanu oraz pomiary w rurociągu odmetanowania.

Przeprowadzone badania potwierdziły założoną tezę, że istnieje wpływ

przewietrzania na ujęcie metanu przez odmetanowanie w ścianie eksploatowanej
z zawałem stropu:



zmiany parametrów przewietrzania (spadku naporu) wpływały na zmiany
zawartości metanu w wyrobisku i w rurociągu odmetanowania oraz wielkości
ujmowanego metanu przez odmetanowanie,



w przypadku obniżania spadku naporu i ilości powietrza w ścianie następuje
zwiększenie

zawartości

i

wydatku

metanu

ujmowanego

przez

odmetanowanie.

W celu sprawdzenia poprawności opracowanego modelu matematycznego

przeprowadzono obliczenia symulacyjne dla parametrów wyznaczonych
pomiarami w rejonie ściany H-1a w pokładzie 403/1 KWK „Zofiówka”. Na tej
podstawie można ocenić stopień zgodności modelu z rzeczywistością, a tym
samym przeprowadzić jego weryfikację. Model matematyczny jest znacznym
uproszczeniem stanu rzeczywistego, gdzie występuje bardzo duża zmienność
parametrów w przestrzeni i w czasie. Wielu parametrów nie można było określić
pomiarowo i musiały być przyjmowane z kolejnych obliczeń symulacyjnych.

Archives of Mining Sciences, volume 38 1993, Issue 2

- 13 -

Ostatecznie przyjęto, że przepuszczalność zrobów wynosi 5 x 10

-8

m

2

, a

porowatość 20%. Otwory drenażowe w zrobach przyjęto jako układ 3 otworów
odmetanowania.

Obliczenia wykonano dla zmiennej różnicy ciśnienia Δp pomiędzy wlotem a

wylotem ściany, zakładając Δp równe odpowiednio 10, 100, 150, 200, 300, 400,
500, 600, 700, 800, 900, 1000 Pa. W oparciu o wyniki uzyskane z komputerowej
symulacji sporządzono wykresy:



określające wpływ przewietrzania na ujęcie metanu przez odmetanowanie w
rejonie ściany H-1a w pokł.403/1 KWK „Zofiówka”, (rys.5),



zmian zawartości metanu w zrobach w wyniku zmian w przewietrzaniu w
warunkach ściany H-1a; przedstawiono wykresy dla spadku naporu 100 i
500 Pa (rys.6 i 7).

Analizę zgodności modelu z pomiarami ruchowymi przeprowadzono

porównując:



wyniki pomiarów wykonanych w rejonie ściany H-1a w pokł.403/1 w trzech
dniach i dl

a 6 spadków naporu w rejonie ściany,



wyniki obliczeń komputerowych dla założonego modelu matematycznego dla
12 zmiennych spadków naporu w rejonie ściany.

Rys.5. Wpływ przewietrzania na ujęcie metanu w rejonie ściany H-1a

– stan wyjściowy (wariant I)

Archives of Mining Sciences, volume 38 1993, Issue 2

- 14 -

Rys.6. zmiany zawartości metanu w zrobach ściany H-1a dla Δp = 100 Pa

(wariant II)

Rys.7. Zmiany zawartości metanu w zrobach ściany H-1a dla Δp = 500 Pa

(wariant I)

Zestawienie podstawowych wyników ujmuje tabela 1. Różnice pomiędzy

wynikami pomiarów a wynikami obliczeń modelowych, biorąc pod uwagę warunki
eksperymentu, są stosunkowo małe, co potwierdza poprawność modelu. Tym

Archives of Mining Sciences, volume 38 1993, Issue 2

- 15 -

samym przedstawiona metoda komputerowej symulacji może być przydatna dla
prognozowania wpływu przewietrzania na odmetanowanie w rejonie ścian
eksploatowanych z zawałem stropu.

Tablica 1

Analiza porównawcza wyników pomiarów z wynikami obliczeń modelowych

Data

pomiaru

Spadek

naporu

Wentylacja

Odmetanowanie

Wydatek

powietrza

Zawartość

CH

4

Wydatek

mieszanki

Zawartość

CH

4

Wydatek

CH

4

Model

Pa

m

3

/min

%

m

3

/min

%

m

3

/min

28.06.87

model

bł.bezwzgl.

bł.wzgl. %

550
550

1150
1140

-10

-1,0

1,3
1,7

+0,4

+30,1

18,63
24,00
+5,47
+29,4

52,0
44,0

-8,0

-15,4

9,68

10,56
+0,88

+1,0

28.06.87

model

bł.bezwzgl.

bł.wzgl. %

300
300

600
830

+230

+38,3

1,6
1,8

+0,2

+12,5

18,88
24,10
+5,22
+27,6

58,0
59,0
+1,0
+1,7

10,95
14,20
+3,25
+29,7

08.07.87

model

bł.bezwzgl.

bł.wzgl. %

700
700

1300
1280

-20

-1,5

1,3
1,6

+0,3

+23,0

24,48
23,90

-0,58

-2,4

35,5
38,0
+2,5
+7,0

8,57
9,00

+0,43

+5,0

08.07.87

model

bł.bezwzgl.

bł.wzgl. %

500
500

980

1070

+90

+9,2

1,4

1,75

+0,35
+25,0

27,50
24,00

-3,50
-12,7

43,8
46,0
+2,2
+5,0

12,10
11,20

-0,90

-7,4

09.07.87

model

bł.bezwzgl.

bł.wzgl. %

650
650

1350
1240

-110

-8,1

1,70
1,65

-0,05

-2,9

25,90
23,90

-2,00

-7,7

40,8
40,0

-0,8
-2,0

10,58

9,50

-1,08

10,2

08.07.87

model

bł.bezwzgl.

bł.wzgl. %

450
450

990

1100
+110

+11,1

1,4
1,7

+0,3

+21,4

26,04

24,2

+2,16

+8,3

46,0
48,0
+2,0
+4,3

11,97
11,80

-0,17

-1,4

5. Obliczenia symulacyjne i analiza wyn

ików

Obliczenia symulacyjne pozwoliły na określenie zależności wydatku

powietrza, zawartości metanu w powietrzu, wydatku mieszaniny gazów
ujmowanych przez odmetanowanie, zawartości metanu w rurociągu
odmetanowania, wydatku metanu ujmowanego przez odmetanowanie od spadku
naporu w rejonie ściany H-1a pokł.403/1 i na sporządzenie wykresu, rys.5.
Obliczenia symulacyjne pozwoliły także obliczyć rozkład zawartości metanu w
zrobach i sporządzić izolinie zawartości metanu w zrobach, co przedstawiono na
rys.6 i 7.

Zgodność wyników obliczeń z eksperymentem pozwala sformułować

wnioski o znaczeniu praktycznym:

Archives of Mining Sciences, volume 38 1993, Issue 2

- 16 -

a)

ze wzrostem spadku naporu w rejonie ściany następuje obniżenie zawartości i
wydatku metanu w rurociągu odmetanowania oraz następuje wzrost ilości
powietrza i spadek metanu w powietrzu,

b) wydatek ujmowanej mieszanki gazowej przez odmetanowanie jest w zasadzie

stały i słabo zależny od zmian spadku naporu w ścianie,

c)

zmiany zawartości metanu w powietrzu zależne są od ilości powietrza
przepływającego przez ścianę, przy czym zależność ta nie jest liniowa,

d)

wzrost ilości powietrza przepływającego przez ścianę powoduje spadek
zawartości metanu w zrobach, co prowadzi do obniżenia się zawartości
metanu i wydatku metanu w otworach drenażowych i rurociągu
odmetanowania,

e) w przedz

iale spadku naporu od 0 do 150 Pa w rejonie ściany przy

jednoczesnym wzroście ilości powietrza występuje słaby wzrost zawartości
metanu w rurociągu odmetanowania,

f)

istnieje pewna optymalna wartość naporu w rejonie ściany, dla której można
uzyskać niską zawartość metanu w powietrzu przy jednoczesnej wysokiej
zawartości metanu i wydatku metanu w rurociągu odmetanowania np. przy
spadku naporu w ścianie Δp = 300 Pa, który pozwala przeprowadzić przez
ścianę Q = 830 m

3

/min, można zapewnić zawartość metanu w powietrzu C

w

=

1,7% przy jednocześnie wysokiej zawartości metanu C

0

= 60% i wydatku

ujmowanego metanu przez odmetanowanie Q

0

= 14,2 CH

4

/min, tym samym

można uzyskać wydatek ujmowanego metanu wyższy o 3,7 m

3

CH

4

(tj. o

35%) od stanu rzeczywistego, co może stanowić wymierny efekt
ekonomiczny,

g)

rozkład izolinii zawartości metanu w zrobach (rys.6 i 7) jest zależny od spadku
naporu w ścianie i wydatku przepływającego powietrza przy stałej
metanowości rejonu ściany; przy małym spadku naporu wysokie zawartości
metanu wys

tępują w pobliżu przestrzeni roboczej ściany i przy chodniku

nadścianowym; ze wzrostem spadku naporu następuje zwiększenie wydatku
przepływu powietrza i obniżenie zawartości metanu w rejonie przestrzeni
roboczej i w zrobach, wprowadzenie odmetanowania powoduje zaburzenie
istniejącego stanu rozkładu izolinii metanu.

W oparciu o przedstawiony model matematyczny i wykorzystując program

komputerowy można przeprowadzić obliczenia symulacyjne z uwzględnieniem
zmian szeregu parametrów (np. doświeżanie, uszczelnianie zrobów) i badać
wpływ przewietrzania na ujecie metanu przez odmetanowanie w aspekcie
zapewnienia bezpieczeństwa pracy i uzyskania maksymalnego efektu
ekonomicznego w procesie odmetanowania.

5.1. Obliczenia symulacyjne dla przypadku uszczelniania zrobów wzdłuż

chodnika nadścianowego – wariant II

Przeprowadzono obliczenia symulacyjne dla danych jak w wariancie I

(opisane w pkt.4), przy czym założono dodatkowo, że wykonano uszczelnienie
zrobów wzdłuż chodnika nadścianowego za pomocą np. pasa anhydrytowego; w
obliczeniach symulację tę uzyskano zwiększając opory bocznic. Wyniki
komputerowej symulacji przedstawiono na rys.8.

Archives of Mining Sciences, volume 38 1993, Issue 2

- 17 -

Na podstawie obliczeń można stwierdzić, że w/w uszczelnienie powoduje:



wzrost zawartości metanu w zrobach wskutek słabszego przewietrzania
zrobów przy stałej metanowości rejonu,



korzystny wpływ na zawartość metanu i wydatek metanu w rurociągu
odmetanowania; w stosunku do wariantu I przy spadku naporu Δp = 500 Pa
nastąpił wzrost zawartości metanu w rurociągu odmetanowania z 47% do
75% (tj. o 28%) i ujmowanego metanu o 6,9 m

3

CH

4

/min (tj. o 61,6%),



wzrost zawartości metanu w pobliżu przestrzeni roboczej ściany, co może być
przyczyną wystąpienia zagrożenia wybuchem metanu np. wypchnięcia
wysokich zawartości metanu do przestrzeni roboczej i na urządzenia
elektryczne w czasie zaburzeń wentylacyjnych.

W analizowanym wariancie można uzyskać wysoką efektywność

odmetanowania; natomiast dla zapewnienia bezpieczeństwa pracy rejon ściany
powinien być intensywnie przewietrzany.

Rys.

8. Wpływ przewietrzania na ujęcie metanu w rejonie ściany H-1a

– uszczelnianie zrobów

5.2. Obliczenia symulacyjne dla przypadku otamowania chodnika

podścianowego na odcinku zrobów – wariant III

Przeprowadzono obliczenia symulacyjne dla danych, jak w wariancie I,

przy czym założono dodatkowo, że chodnik podścianowy, którym doprowadzane

Archives of Mining Sciences, volume 38 1993, Issue 2

- 18 -

jest powietrze wzdłuż zrobów ściany H-1a został otamowany. W obliczeniach

symulowano to zwiększając opór bocznicy 1-2 (rys.4). Wyniki obliczeń
komputerowej symulacji przedstawiono na wykresach rys.9.

Rys.9. wpływ przewietrzania na ujęcie metanu w rejonie ściany H-1a –

ograniczenie przepływu powietrza chodnikiem podścianowym

w części zrobowej (wariant III)

Otamowanie chodnika podścianowego H-1a nie miało istotnego wpływu na

wydatek przepływu powietrza w ścianie i na zawartość metanu i wydatku metanu
w rurociągu odmetanowania w stosunku do wariantu I. Spowodowane to było
tym, że w w/w wyrobisku w wariancie I przed otamowaniem płynęło tylko
420 m

3

/min powietrza, o po otamowaniu wydatek powietrza został ograniczony

do 60 m

3

/min. Otamowanie wyrobiska, w którym jest mały wydatek przepływu

powietrza nie wpływa istotnie na stan zagrożenia metanowego w ścianie i na
efektywność odmetanowania.

5.3. Obliczenia symulacyjne dla przypadku doświeżania w chodniku

nadścianowym powietrza odprowadzanego ze ściany – wariant IV

Przeprowadzono obliczenia symulacyjne dla danych, jak w wariancie I, przy

czym założono dodatkowo, że [powietrze wypływające ze ściany o dużej
zawartości metanu będzie doswieżane – ulegnie zmieszaniu z powietrzem o

Archives of Mining Sciences, volume 38 1993, Issue 2

- 19 -

małej zawartości metanu doprowadzanym do chodnika nadścianowego. W
obliczeniach symulowano to poprzez doprowadzenie powietrza bocznicami 3-5 i
5-

4 w ilości Q = 230 m

3

/min (rys.4). Wyniki obliczeń komputerowej symulacji

przedstawiono na wykresie rys.10.

Rys.10. Wpływ przewietrzania na ujecie metanu w rejonie ściany H-1a

– doświeżanie wylotu ze ściany (wariant IV)

Na podstawie obliczeń można stwierdzić, że doprowadzanie powietrza o

małej zawartości metanu i małym wydatku chodnikiem nadścianowym dla
rozrzedzenia metanu w powietrzu i chodniku nadścianowym ściany nie wpływa w
sposób istotny na efektywność odmetanowania w stosunku do wariantu I.

5.4.

Analiza wariantów

Dla porównania poszczególnych wariantów symulacyjnych, wyniki obliczeń

dla spadku naporu Δp = 700 Pa, tj. dla maksymalnego spadku naporu jaki można
było uzyskać w rejonie ściany H-1a w pokł.403/1 w kopalni „Zofiówka”,
zestawiono w tablicy 2.

Z analizy wynika, że optymalnym rozwiązaniem w aspekcie wysokiego

bezpieczeństwa pracy i maksymalnych efektów odmetanowania jest wariant II,

Archives of Mining Sciences, volume 38 1993, Issue 2

- 20 -

polegający na utrzymaniu bardzo intensywnego przewietrzania ściany i
uszczelniania zrobów wzdłuż chodnika nadścianowego.

Tablica 2

Zestawienie efektów przewietrzania i odmetanowania rejonu ściany H-1a w

pokładzie 403/1 KWK „Zofiówka” dla różnych wariantów dla spadku naporu



p=p

2

-p

1

=700 Pa

1) stan obliczeniowy

Lp.

Parametr

Jednostka

Wariant

I

II

III

IV

1.

Wydatek

powietrza

m

3

/min

1290

1260

1280

1440

2.

Zawartość CH

4

w powietrzu

%

1,6

1,1

1,5

1,4

3.

Wydatek

mieszanki

m

3

/min

24,0

24,0

23,9

23,9

4.

Zawartość CH

4

w rurociągu

%

38,0

67,0

37,0

37,0

5.

Wydatek CH

4

w rurociągu

m

3

/min

9,0

16,0

9,0

8,8

2)

różnica bezwzględna i względna do wariantu I

Lp.

Parametr

Jednostka

Wariant

I

II

III

IV

1.

Wydatek

powietrza

m

3

/min

%

-

-3,0
-2,3

-10

-0,7

+150

+11,6

2.

Zawartość CH

4

w powietrzu

%
%

-

-0,5

-31,3

-0,1
-6,3

-0,2

-12,5

3.

Wydatek

mieszanki

m

3

/min

%

-

0,0

-0,0

-0,1
-0,4

-0,1
-0,4

4.

Zawartość CH

4

w rurociągu

%
%

-

+29,0
+76,3

-1,0
-2,6

-1,0
-2,6

5.

Wydatek CH

4

w rurociągu

m

3

/min

%

-

+7,6

+77,8

0,0
0,0

-0,2

2,2

6. Stwierdzenia i wnioski

W oparciu o powyższe badania można sformułować następujące

stwierdzenia i wnioski:
1.

Istnieje wpływ warunków przewietrzania na ujęcie metanu przez
odmetanowanie, szczególnie w ścianach eksploatowanych z zawałem
stropu.

2.

Gdy zroby nie są zaizolowane lub nie można ich izolować ze względów
technologicznych (zroby przyścianowe) to są one w różnym stopniu

Archives of Mining Sciences, volume 38 1993, Issue 2

- 21 -

przewietrzane, a dopływający metan z górotworu ulega zmieszaniu z
powietrzem.

Rozkład zawartości metanu w zrobach jest zmienny w przestrzeni i w

czasie oraz zależy głównie od metanowości górotworu (zrobów), sposobu i
intensyw

ności przewietrzania, a także systemu odmetanowania. Rozkład ten

można kształtować przez sposób i intensywność przewietrzania w aspekcie
zapewnienia:



maksymalnych efektów odmetanowania (odsysanie metanu o wysokim
stężeniu),



bezpieczeństwo pracy załóg górniczych (odsuwanie wysokich zawartości
metanu od przestrzeni roboczej ściany).

3.

Istnieje ścisła współzależność pomiędzy przewietrzaniem i odmetanowaniem,

szczególnie jest ona istotna w ścianach eksploatowanych z zawałem stropu.
Dla przeanalizowania tych zależności opracowano model matematyczny,
który pozwala przeprowadzić komputerową symulację zmian dowolnych
parametrów związanych z przewietrzaniem i odmetanowaniem rejonu ściany.

4.

Uzyskane wyniki symulacji komputerowej pozwoliły stwierdzić, że dla

warunków ściany H-1a w pokł.403/1 kopalni „Zofiówka” (wariant II)
najbardziej racjonalnym sposobem zwalczania zagrożenia metanowego jest
rozwiązanie, polegające na:



przewietrzaniu ściany systemem H z chodnikiem równoległym,



prowadzeniu odmetanowania zrobów ściany z chodnika równoległego,



intensywnym przewietrzaniu ściany,



uszczelnianiu zrobów wzdłuż chodnika nadścianowego np. pasem
anhydrytowym.

Uszczelnienie zrobów wzdłuż ściany chodnika nadścianowego pozwala

w stopniu znaczącym zwiększyć efektywność odmetanowania.

5. Op

racowany

model

matematyczny

zależności

przewietrzania

i

odmetanowania rejonu ściany eksploatowanej z zawałem stropu może być
pod względem jakościowym wykorzystany przy:



projektowaniu przewietrzania i odmetanowania ścian,



prowadzeniu regulacji przewietrzania i odmetanowania,



doborze i ocenie parametrów przewietrzania i odmetanowania pod kątem
uzyskiwania maksymalnego bezpieczeństwa pracy załóg i racjonalnych
efektów odmetanowania, tym samym wykorzystanie analizy symulacji
przewietrzania i odmetanowania ścian przyczyni się do poprawy
warunków bezpieczeństwa pracy przy jednoczesnym zastosowaniu
racjonalnych

i

ekonomicznych

systemów

przewietrzania

i

odmetanowania.

Archives of Mining Sciences, volume 38 1993, Issue 2

- 22 -

Na zakończenie autorzy wyrażają swoje podziękowanie Panu Prof. zw. Dr

hab. inż. Januszowi Roszkowskiemu za inspirację, a Dr inż. Januszowi Traczowi
za okazanie pomocy przy opracowaniu programu komputerowego do wykonania
obliczeń symulacyjnych.



Literatura

1.

Z. Ciaś, Wpływ depresji w otworach drenażowych na ilość ujmowanego
metanu w kopalni gazowej. Praca doktorska

– niepublikowana.

2.

W. Dziurzyński, J. Tracz, W. Trutwin, O modelach matematycznych
przepływu powietrza i gazów powyrzutowych w kopalnianej sieci
wentylacyjnej.

Archiwum Górnictwa 32, 1 (1987).

3.

W. Dziurzyński, J. Tracz, W. Trutwin, Computer Simulation of Transients in
Mine Ventilation. Proc. Of the Fifth Int. Mine Ventilation Congress.
Marshaltown, South Africa, 1992.

4.

W. Dziurzyński, H. Kaletka, Zastosowanie metody symulacji pożaru
podziemnego do analizy sieci wentylacyjnej kopalni „Rymer”. Przegląd
Górniczy 9 (1988).

5.

Z. Grębski, Zmiany gazowości kopalń w poszczególnych fazach ich budowy.
Praca doktorska, 1975.

6.

B. Kozłowski, Z. Grębski, Odmetanowanie górotworu w kopalniach. Wyd.
Śląsk, Katowice 1982.

7.

S. Nawrat, Z. Ciaś, J. Malec, Doświadczenia w zakresie poprawy
efektywności odmetanowania w zależności od sposobu przewietrzania.
Materiały na seminarium. Niektóre problemy zwalczania zagrożenia
metanowego, teoria i praktyka.

8.

S. Nawrat, J. Lasa, I. Śliwka, Problemy zastosowania SF

6

jako znacznika w

pomiarach ruchu mas powietrza w głębinowych kopalniach węgla
kamiennego

, Kraków 1984.

9.

J. Pawiński, Przepływy z wymianą masy i pędu w niektórych zagadnieniach
przewietrzania kopalń. Zeszyty Naukowe AGH, Kraków 1971.

10.

J. Roszkowski, J. Pawiński, Ruch metanu w szeregowo połączonych
elementach sieci odmetanowania o różnych charakterystykach. Archiwum
Górnictwa 17, 4 (1974).

11. W. Trutwin,

Wpływ warunków przewietrzania na stężenie metanu w

wyrobiskach kopalnianych

. Zeszyty prog. Górnictwo 11, 2 (1973).

12. R. Vandeloise,

Anomalie w zawartości metanu w prądzie wylotowym

powietrza z przodków eksploatacyjnych. Institut National des Industrie
Extractives (INIEX), Liege.