ZASTOSOWANIE PROGRAMÓW CFD DO SYMULACJI
ZAGROŻENIA TEMPERATUROWEGO W KOPALNIACH
PODZIEMNYCH
Autorzy: dr hab. inż. Stanisław Nawrat*  prof. AGH
mgr inż. Sebastian Napieraj*
* - Akademia Górniczo  Hutnicza w Krakowie, Katedra Górnictwa Podziemnego
STRESZCZENIE
Coraz większa głębokość eksploatacji węgla kamiennego i miedzi pociąga za sobą wzrost
zagrożenie cieplnego w kopalniach podziemnych. Przyczyną takiego stanu jest wyższa
temperatura pierwotna górotworu, oraz zainstalowane większe moce urządzeń
technologicznych, w związku czym następuje wzrost emisji ciepła do wyrobisk górniczych.
Rozwój technik obliczeniowych zwłaszcza przy wykorzystaniu komputerów, pozwala na
symulacje przepływów płynów w przestrzeni trójwymiarowej i w czasie. Programy z zakresu
Obliczeniowej Mechaniki Płynów (CFD) mogą być zastosowane dla obliczenia i wyznaczenia
parametrów rozpływu i rozkładu temperatur powietrza w wyrobiskach górniczych.
1. Wprowadzenie
Dla naukowców i praktyków bardzo ważna jest znajomość przebiegów w czasoprzestrzeni
procesów zjawisk fizycznych występujących w przyrodzie, technice i technologiach.
Kompleksowe badanie tych przebiegów jest bardzo trudne, a niekiedy nawet niemożliwe.
Modelowanie jest metodą naukową pozwalająca badać parametry danego procesu zjawisk
występujących w przyrodzie poprzez zastąpienie go uproszczonym układem, który
odzwierciedla jedynie wybrane cechy procesu. Zgodność modelu z procesem rzeczywistym
jest uznawana najczęściej za dostateczną, gdy [1]:
�� występujące różnice pomiędzy parametrami modelu i procesu rzeczywistego są
niewielkie,
�� zachowane są kryteria podobieństwa i zasady modelowania w mechanice płynów.
1
 W działalności górniczej występuje wiele procesów, których pełna znajomość
przebiegu i zmian w przestrzeni i w czasie jest bardzo ważna dla zapewnienia bezpieczeństwa
pracy i efektywności produkcji.
W górnictwie przebiegi zjawisk są trudne lub niemożliwe do zbadania w sposób
eksperymentalny zwłaszcza związanych z zagrożeniami naturalnymi, procesami
wentylacyjnymi zarówno dla stanów ustalonych jak i nieustalonych. Zjawiska te mogą być
badane poprzez zastosowanie metod modelowania matematycznego zwłaszcza przy
wykorzystaniu komputerowej techniki obliczeniowej.
Obecnie znanych jest wiele metod pozwalających modelować matematycznie
przebiegi procesów związanych z wentylacją, zagrożeniem metanowym, odmetanowaniem,
zagrożeniem cieplnym i zagrożeniem pożarowym w kopalniach. Metody te różnią się
dokładnością opisu matematycznego modelu i zjawisk fizycznych.
Programy te mogą być zastosowane do modelowania zjawisk związanych z wymianą i
przepływem ciepła umożliwiając miedzy innymi wyznaczyć rozkłady przestrzenne
temperatur powietrza także w wyrobiskach górniczych.
2. Pakiety programów CFD
Computational Fluid Dynamics CFD (Obliczeniowa Mechanika Płynów) to nowa
metoda umożliwiająca przeprowadzanie szczegółowej analizy zagadnień związanych z
przepływem płynów. Programy CFD pozwalają uzyskać niezbędną informację o 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. Istnieje kilka numerycznych metod,
które umożliwiają rozwiązanie tych równań.
Jednym z programów CFD jest Fire Dynamics Simulator (FDS), który pozwala
modelować dla stanów ustalonych i nieustalonych bardzo skomplikowane procesy
wentylacyjne występujące w kopalniach podziemnych. Pozwala także wyznaczać dla
ustalonej struktury sieci wentylacyjnej i każdego wybranego przekroju wyrobisk oraz dla
danych przedziałów czasowych m.in. następujące parametry: temperatury, ciśnienia i gęstości
gazów oraz prędkości i zawartości gazów, a także przepływu ciepła.
2
3. Modelowanie rozkładu temperatury w drążonych wyrobiskach
chodnikowych
Drążony chodnik za pomocą kombajnu przewietrzany jest szczelnym lutniociągiem z
wentylatorem tłoczącym  założenia przedstawia tab.3.1. Schemat przedstawiający drążony
chodnik oraz system wentylacji lutniowej został przedstawiony na rys. 3.1.
Rys. 3.1. Schemat modelu drążenia wyrobisk chodnikowych
Tabela 3.1.
Parametry charakterystyczne modelu wentylacji chodnika lutniociągiem
Lp Prametry Jednostka Wielkość
1 Długość chodnika m 150
4 Przekrój chodnika kwadratowy m2 16
5 Wydatek objętościowy powietrza w m3/s 16,66
lutniociągu w przodku chodnika
6 Straty powietrza w lutniociągu % 0.0
7 Temperatura pierwotna górotworu 40
��C
8 Temperatura maszyny 60
��C
3
Rys. 3.2. Rozkład temperatury w wyrobisku
Podczas drążenia wyrobisk emitowane ciepło pochodzi od górotworu, oraz maszyn i
urządzeń zainstalowanych w chodniku. Dla celów symulacji założono, że temperatura
górotworu wynosi 40 ��C, temperatura kombajnu chodnikowego wynosi 60 ��C, temperatura
powietrza wentylacyjnego tłoczonego szczelnym lutniociągiem wynosi 20 ��C. Z
przedstawionej symulacji wynika, że najwyższe temperatury występują przy wylocie z
wyrobiska.
4. Modelowanie rozkładu temperatury w wyrobiskach
eksploatacyjnych
Ściana jest eksploatowana w kierunku od pola z kierowaniem stropem na zawał i jest
przewietrzana systemem Y  rys..4.1 i tabela 4.1..
Rys. 4.1. Schemat modelu eksploatacji systemem  Y
4
Tabela 4.1
.Parametry charakterystyczne modelu wentylacji systemem na  Y
Lp Prametry Jednostka Wielkość
1 Długość ściany m 200
2 Długość chodnika podścianowego m 300
3 Długość chodnika nadścianowego m 1000
4 Przekrój chodników i ściany kwadratowy m2 16
5 Wydatek objętościowy powietrza w chodniku nadścianowym m3/s 33.33
6 Temperatura powierzchni 300 m2 ociosu przyzrobowego chodnika 35
��C
nadścianowego.
7 Temperatura powietrza wylotowego ze ściany 25
��C
8 Temperatura pierwotna górotworu 30
��C
Rys. 4.2. Rozkład temperatury na odcinku wylotowym z chodnika nadścianowego przy eksploatacji
systemem  Y
Rys. 4.3. Rozkład temperatury na odcinku wylotowym z chodnika nadścianowego przy eksploatacji
systemem  Y
5
W związku z wypływem strumienia ciepła ze zrobów ściany następuje przyrost
temperatury w chodniku nadścianowym osiągając maksymalną wartość 26 ��C.
5. Modelowanie rozkładu temperatury w wyrobiskach
komorowo-filarowych
Modelowanie procesów przewietrzania i mieszania się ciepła wypływającego z
górotworu przedstawiono dla systemu eksploatacji komorowo  filarowego stosowano w
kopalniach Polska Miedż S.A (rys.5.1.). W celu przedstawienia rozkładu temperatury w
przestrzeni roboczej (komorach) przyjęto następujące założenia:
�� temperatura pierwotna górotworu  45 ��C,
�� temperatura powietrza wlotowego  25 ��C,
�� wydatek objętościowy powietrza  1000 m3/min
Rys. 5.1. Schemat modelu systemu eksploatacji komorowo  filarowego stosowanego w LGOM.
6
Rys. 5.2. Rozkład temperatury powietrza w przestrzeni roboczej (komory)
Rozkład temperatury w wyrobiskach eksploatacyjnych został przedstawiony na rys. 5.3.
Z przedstawionej symulacji wynika, że temperatura w komorach może dochodzić do 30 ��C
przy stropie.
6. Stwierdzenia i wnioski
Przedstawiony materiał analityczny pozwala na sformułowanie następujących stwierdzeń
i wniosków:
1. Duży postęp w modelowaniu matematycznym uzyskano przez szerokie zastosowanie
techniki komputerowej.
2. Istnieje wiele programów komputerowych umożliwiających modelowanie matematyczne
różniących się kompleksowością opisu zjawisk i dokładnością rozwiązań.
3. Jedną z metod umożliwiającą modelowanie jest Computational Fluid Dynamics
(Obliczeniowa Mechanika Płynów) zwany powszechnie  CFD .
4. W artykule wykazano, że CFD może być wykorzystany do modelowania zjawisk
związanych z wymianą ciepła i przewietrzaniem wyrobisk górniczych,
5. Szerokie zastosowanie modelowania komputerowego pozwoli badać wiele procesów w
wentylacji kopalń a w szczególności związanych z:
�� zagrożeniami naturalnymi,
7
�� badaniem przepływów powietrza dla stanów nieustalonych i ustalonych,
�� przepływami powietrza i gazów,
�� odmetanowaniem kopalń,
�� zagrożeniem cieplnym i klimatyzacją.
6. Konieczne jest opracowanie kompleksowych metod modelowania komputerowego, które
powinny być stosowane nie tylko w badaniach zjawisk w wentylacji kopalń przez
naukowców ale także praktyków.
7. Literatura:
[1] Zierep J.: Kryteria podobieństwa i zasady modelowania w mechanice płynów, PWN,
Warszawa1978
[2] McGrattan K., NIST Special Publication 1018, Fire Dynamics Simulator (Version 4)
Technical Reference Guide, National Institute of Standards and Technology 2005r
[3] http://www.cyf-kr.edu.pl/uslugi_obliczeniowe/?a=fluent data pobrania 07.2005r.
8