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 temperaturowewystępuje.
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
CMM-
ACO-1/R
0-2%
Komora
6-10m min. 1,5m Chodnik nadścianowy F-27 pokł. 404/2
mieszania
min. 7m
C-C D-D E-E
B-B
Max - 6m
nawiewka
CMM-
Ekran z pianki krylaminowej 0-2%
i płótna polipropylenowego
A-A
ŚCIANA F - 27
nawiewka
pokł. 404/2
Przekroje
pomiarowe
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
 4
Tabela 1
Zestawienie pomiarów wykonanych w dniu 08.06.2006r. w chodniku nadścianowym F- 27 pokł. 404/2W
Pomiar Pomiar Pomiar Pomiar Pomiar Pomiar Pomiar Pomiar
Miejsce 1 2 3 4 5 6 7 8
Lp.
pomiaru CH4 % / CH4 % / CH4 % / CH4 % / CH4 % / CH4 % / CH4 % / CH4 % /
Q m/s Q m/s Q m/s Q m/s Q m/s Q m/s Q m/s 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
Pomiar Pomiar Pomiar Pomiar Pomiar Pomiar Pomiar Pomiar Pomiar
Miejsce 1 2 3 4 5 6 7 8 9
pomiaru CH4% / CH4% / CH4% / CH4% / CH4% / CH4% / CH4% / CH4% / CH4% /
Q m/s Q m/s Q m/s Q m/s Q m/s Q m/s Q m/s Q m/s 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 płaszczyz
nie 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 płaszczyz
nie 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 płaszczyz
nie 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 płaszczyz
nie 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 paz
dziernika 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.