Využití matematického modelování pro ochranu obyvatelstva před únikem metanu z podzemí uzavřených dolů

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Využití matematického modelování pro ochranu obyvatelstva před únikem metanu z podzemí uzavřených dolů"

Oldřich Vaněk
před 5 lety
Počet zobrazení:

1 XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, Využití matematického modelování pro ochranu obyvatelstva před únikem metanu z podzemí uzavřených dolů GOTTFRIED, Jan Ing., VŠB-TU Ostrava, Hornicko-geologická fakulta, 17. listopadu 15, Ostrava Poruba, , jgottfried@iol.cz Abstrakt: The dangerous outlets of gas in the Ostrava region have been still actual, and, that is why, in the framework of grant task we have focused on the area of Jaklovec mine where a whole number of dangerous situations has been registered. Before commencement of mathematical modeling we had not complex mine and geological documentation (maps) for our disposal. That is why, in our preliminary model, we have implemented substantially higher resistance, res. lower permeability in perpendicular direction on the medium dip seams. It followed from these input values that it will be necessary to exhaust on bore holes JD 14 and JD 3 for ensuring the effective influencing of the locality. The subsequent suction test which has been realized thanks to the initiative of VIP s.r.o., has confirmed that for influencing of the locality the exhausting on the bore hole JD 14 is sufficient. The relevant values of the mathematical modeling results and course of verification are given in this contribution. Klíčová slova: Modelování, nebezpečný plyn, predikce. V České republice, v oblasti Ostravsko karvinského revíru má těžba černého uhlí tradici již 300 let. Z počátku byly vydobývány sloje těsně pod povrchem, postupem času tak, jak se vylepšovaly dobývací technologie, dostávala se těžba uhlí hlouběji a hlouběji až k 1000 m pod povrchem. Navíc byla ve druhé polovině 20. století kutat všechny sloje, i ty nerentabilní. V 90. letech 20. století přišel ovšem útlum těžby a v celé Ostravské části Ostravskokarvinského revíru se přestalo těžit uhlí hlavně z ekonomických důvodů. Tehdy začaly výraznější problémy s únikem nebezpečného metanu z podzemí na povrch. Výstup nebezpečného plynu byl důsledkem zastavení centrálního větracího systému v dolech. Vystupující metan se stal pro obyvatelstvo nebezpečným, což dokazuje i několik explozí způsobených právě vystupujícím důlním plynem metanem. Příspěvek ukazuje, jednu z cest, jak lze pomocí matematického modelu předpovídat výstupy metanu z podzemí a navrhovat nápravná opatření, která zajistí bezpečnost obyvatelstva. Popisovaná oblast, která je znázorněna na obrázku 1 je díky tektonické poruše, která se jeví jako plynonepropustný izolátor rozdělena na dvě části: západní a východní. Prezentovaný model si klade za cíl rozebrat tuto problematiku pro východní část.

2 XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, Obrázek 1- Legenda: červené označení je vrt, který je převážně aktivní modré označení je vrt, který je převážně neaktivní Současný stav lokality Vzhledem k havarijním situacím, které na sledovaném území vznikly, bylo rozhodnuto, že se narychlo vyvrtá několik desítek vrtů (každý v hodnotě asi USD). Tyto vrty mají tvořit pasivní odplyňovací systém. Mají tedy sloužit, jako volné kontrolované cesty nebezpečného plynu z podzemí na povrch. Tak mají zabránit nekontrolovanému plošnému prostupu plynu horninou, zejména potom do budov, kde mohou vytvářet v uzavřených prostorách výbušnou směs. Tato metoda ochrany obyvatelstva se ukázala na některých lokalitách jako účinná, jinde jako méně účinná. Nevhodnost této metody spočívá hlavně v bezhlavém utrácení peněz za vrtání velkého množství vrtů s pochybným účinkem. Úskalím této metody se také ukazuje, že ne vždy je pasivní odvětrávací systém zcela účinný, a proto je vhodné nasadit na některé vrty odsávací stanici. To by umožnilo kvalitnější zabezpečení dané lokality. Zde se nabízí metody matematického modelování pro použití hned v několika situacích: 1. Predikce úniku plynu vrty 2. Volba optimálního umístění odsávací stanice 3. Volba optimálního řízení odsávání a otvírání a uzavírání vrtů při odsávání tak, abychom dosáhli co nejrychlejšího zabezpečení oblasti Výsledky měření na vrtech ve východní části a popis postupu při sestavení modelu Pro potřeby tvorby matematického modelu jsme provedli v dané lokalitě dlouhodobá měření, pomocí kterých jsme zjišťovali směr proudění plynů vrty (jestli proudí z podzemí na povrch, nebo opačně), dále tlakový rozdíl mezi povrchem a vrtem, množství proudícího plynu, popřípadě jeho koncentrace. Tato měření probíhala v období přibližně od do Vlastním měřením bylo zjištěno, že ze 38 měřených míst (vrty vrtané DPB a sanované staré jámy) aktivních pouze 19 (tedy přesně polovina). Tato skutečnost dokazuje mimo jiné, že tvorba velkého množství vrtů je zbytečným plýváním peněz, neboť polovina vrtů je vlastně

3 XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, nefunkčních. Aktivním dílem rozumíme dílo, kde ve sledované době byl naměřen alespoň minimální tlakový rozdíl a objemový průtok plynu ať už směrem z podzemí na povrch nebo z povrchu do podzemí. Příklad měřených hodnot na vrtu označeném JD 3 je znázorněn v grafu na obrázku 2. Na ose x je časové období měření, na ose y je vynesen tlakový rozdíl znázorňující Dp mezi atmosférickým tlakem a vnitřním tlakem podzemního systému. Pro uvedené časové období je na obr. 3 nakreslen průběh barometrického tlaku v pascalech, vztažený k hladině moře. JD DP (Pa) Datum Obrázek 2: Výsledky měření DP na vrtu JD3 Obrázek 3: Průběh barometrického tlaku na hladině moře ve vybraném období simulace Pro úkol řešení optimálního umístnění odvětrávacích nebo odsávacích vrtů jsme z důlně geologické situace použili další nezbytné údaje, jako velikost zásobníku (volných důlních prostor této části dolu), hodnotu permeability prostředí, předpokládané působiště vnitřního tlaku, vzdálenost paty vrtů od tohoto působiště, hloubky vrtů. Poloměr odplyňovacích vrtů r w = 0,05m, dynamická viskozita plynu 1, Pa.s. Postup výpočtu Pro ověření správnosti modelu jsme vybrali z celého měřeného období do interval 14ti dnů (přibližně od do ). Tento časový interval jsme zvolili proto, že v něm dochází k výraznému kolísání atmosférického tlaku a to v rozmezí Pa Pa. Jak jsme zjistili předchozími měřeními, atmosférický tlak je jedním z nejvýznamnějších parametrů ovlivňujících výstupy nebezpečného plyn z podzemí na povrch. K největším pohybům plynu (ať už z podzemí na povrch, nebo z povrchu do

4 XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, podzemí) dochází právě vlivem prudkého kolísání atmosférického tlaku, nikoliv jak se mnoho lidí mylně domnívá jeho vysokým, nebo nízkým stavem, ale právě přechody mezi těmito stavy. Vzhledem k tomu, že model je nastaven tak, aby počítal s přesností na sekundy, představuje modelované období časový interval sekund, jak je vidět z grafu na obrázku 4. Obrázek 4: Objemové průtoky (m 3.s -1, na svislé ose) na vrtech JD3, JD7, JD11, JD13, JD14, JD16, JD18 vypočtené modelem. Porovnání naměřených a vypočtených hodnot ve vybraném období simulace V tabulce 1 a 2 jsou uvedeny naměřené hodnoty objemového průtoku na jednotlivých vrtech a současně hodnoty, které vypočítal model. Tabulka 1: Naměřené a vypočtené hodnoty objemového průtoku na vrtech dopoledne (cca 11 hodin) JD3 JD13 JD14 JD16 JD18 Čas měření Doba výpočtu Naměřená hodnota Q (m3/s) 0,054 0,0088 0,047 0,0035 0,0158 Vypočtená hodnota Q (m3/s) 0,0336 0, ,0262 0, ,015 Tabulka 2: Naměřené a vypočtené hodnoty objemového průtoku na vrtech dopoledne (cca 11 hodin) JD3 JD13 JD14 JD16 JD18 Čas měření Doba výpočtu Naměřená hodnota Q (m3/s) 0,084 0,0317 0,075 0,0264 0,03 Vypočtená hodnota Q (m3/s) 0,059 0,0062 0,0625 0, ,0227 Z uvedeného srovnání v tabulce 1 a 2 je zřejmé, že hodnoty vypočtené modelem se převážně (minimálně v řádech), shodují s naměřenými hodnotami, což potvrzuje spolehlivost modelu. Pro úplnost je nutno dodat, že samotné měření není kontinuální (intervaly jsou i několik dní), takže nemohlo podchytit změny barometrického tlaku, které nastaly v krátkém časovém období. Model, ale tyto změny i pro krátký časový úsek vyjadřuje.

5 XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, Na obrázku 5 je vidět, jak ovlivní odsávací stanice umístěná na vrtu JD3 celou sledovanou oblast, jestliže pracuje tato odsávací stanice v režimu s pod tlakem 1000 Pa. Obrázek 5: Objemové průtoky(m 3.s -1, na svislé ose) na vrtech JD3, JD7, JD11, JD13, JD14, JD16, JD18 vypočtené modelem při odsávání na vrtu JD3 s pod tlakem 1000 Pa. Závěry Dynamickým modelem se ověřilo, že optimální místo pro situování odsávacího vrtu je vrt JD3, nebo vrt JD14 protože v modelu jimi proudí největší množství plynu v situaci, kdy působí jen barometrický tlak. Abychom prokázali, že vrt JD3 má skutečně optimální polohu jako vrt odsávací, provedli jsme s modelem větší množství experimentů tak, že jsme umísťovali fiktivní odsávací stanici v modelu na vybrané vrty a sledovali jsme chování celého systému při různých hodnotách podtlaku odsávací stanice. Pro obecný případ, kdy nebudou v lokalitě zřízeny odplyňovací vrty, lze tedy obdobným způsobem (zavedením virtuálních vrtů, provedením odsávací zkoušky) určit optimální polohu odsávacího vrtu. Literatura [1] GOTTFRIED, J. Zpracování hodnot měřených na lokalitě Hrušovský důl. In Dílčí zpráva GÚ č. 105/98/KO45, z , str [2] OSTREZY, J. Verifikace geologického modelu v oblasti Hrušovský důl. Dílčí zpráva GÚ č. 105/98/KO45 z , str [3] LÁT, J. Výstupy plynů z dolu na povrch v oblastech s ukončenou hornickou činností. UHLÍ RUDY GEOLOGICKÝ PRŮZKUM, 7/2000, str [4] ŠENOVSKÝ, P. Výsledky měření v oblasti Hrušovský důl. In Dílčí zpráva GÚ č. 105/98/KO45, z , str [5] STRAKOŠ, V. Modelování a řízení důlních energetických sítí. In Sborník konference ICAMC 1998, Košice, 1998.

Podobné dokumenty

Computing model SIT verification by the measurement results on the Hrušov mine

XXVI. ASR '2001 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 26-27, 2001 Paper 66 Computing model SIT verification by the measurement results on the Hrušov mine ŠENOVSKÝ, Pavel Ing., Institut 545,