Model proudění důlního plynu v oblasti Hrušovského dolu s využitím programu Fluent 5.4

Transkript

1 XXVI. ASR '2001 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 26-27, 2001 Paper 67 Model proudění důlního plynu v oblasti Hrušovského dolu s využitím programu Fluent 5.4 ŠIŠKA, David 1 & HUMMEL, Martin 2 1 Ing., Institut 545, VŠB-TU Ostrava, 17 listopadu 15, Ostrava Poruba, david.siska.hgf@vsb.cz 2 Ing., Institut 542, VŠB-TU Ostrava, 17 listopadu 15, Ostrava Poruba, martin.hummel@vsb.cz Abstrakt: V článku se pojednává o modelováním proudění metanu z podzemí na povrch po ukončení těžby uhlí v lokalitě Hrušovského dolu. V těchto místech je projektována Vesnička soužití, která by měla sloužit pro společný život dvou národností. Úkolem je zjistit, zdali projektovaná drenáž dokáže ochránit stavbu před výstupem metanu na povrch. Jednou z cest je hledat vztahy pro proudění důlních plynů v závislosti na podněty z okolí. V mém případě jsem za podměty z okolí považoval změnu barometrického tlaku na povrchu a pomocí programu Fluent jsem se snažil tuto závislost najít. V tomto článku můžete najít praktickou aplikaci modelování proudění plynů pomocí CFD programů. Protože neznáme dokonale situaci v podzemí a vytvoření reálného modelu je nepraktické, pokusili jsme se namodelovat situaci s pomocí programu Fluent. Klíčová slova: metan, Fluent, modelování, hornictví 1 Úvod Po celospolečenských změnách v České republice v devadesátých letech tohoto století došlo k přehodnocení významu surovinových zdrojů a následkem toho byl započat překotný proces uzavírání dolů v Ostravské části Hornoslezské pánve. To, že se zastavilo umělé větrání a zasypala důlní díla ústící na povrch, má za důsledek, že důlní plyn, uvolňující se ze zbytkové uhelné hmoty, či proudící z níže položených zdrojů, se hromadí ve volných prostorách. Jeho tlak stoupá a uniká starými důlními díly a dále podél tektonických poruch, ale i vlastním masívem k povrchu a do atmosféry. Důlní plyn je hlavně směsí vzduchu a metanu, přičemž v případě, že je koncentrace metanu se vzduchem od 5 do 15 procent, je tato směs výbušná. V samotném prostředí dolu se díky dlouholetým zkušenostem podařilo proti tomuto nebezpečí účinně bojovat, ale v případě, kdy se důlní plyn, tzn. metan o nebezpečné koncentraci, dostane např. do sklepních prostor obytného domu hrozí akutní nebezpečí velmi ničivého výbuchu. Vycházím z toho, že značný vliv na možné výstupy plynu má rozložení tlaku v důlním prostředí a změny barometrického tlaku na povrchu [4]. 2 Řešení proudění tekutin pomocí CFD programů program Fluent CFD (computational fluid dynamics) jsou balíky počítačových programů pomáhající řešit souhrnně dynamiku proudění. S rozvojem výpočetní techniky a zvyšováním výkonnosti počítačů, se dnes používají a zdokonalují již vyvinuté numerické metody, jejichž aplikace byla dříve hodně náročná. Tak jako programy modelující pohyb média pomocí sítí, tvořených uzly a vazbami, mají své uplatnění pro svou poměrnou nenáročnost na výkon počítačů, je možné pomocí CFD - 1 -

2 programů popsat velmi přesně tlak, rychlost, proudící množství apod., za předpokladu, že máme k dispozici informace o geologickém složení oblasti, o atmosférickém tlaku, o množství vystupujícího plynu z vrtů apod.. Zjednodušeně lze uvést, že pro popis proudění tekutin, tedy i plynů se dají použít zákony zachování hmotnosti, hybnosti a energie. Celkově jsou tyto jevy popsány neuzavřenou soustavou parciálních diferenciálních rovnic doplněnou o přídavné rovnice, umožňující řešení. Software si vytvoří soustavu rovnic, která vychází z toho, že hodnota veličiny v daném prvku je závislá na hodnotách v okolních prvcích a na další známé veličině vyvolávající změnu. K řešení výchozích rovnic se dnes téměř výhradně využívají numerické metody. Oblast se rozděluje na menší prvky (např. metoda konečných prvků, konečných objemů), jejichž velikost závisí na geometrii oblasti a na přesnosti, které chceme docílit, přičemž na každém prvku musí být splněny uvedené zákony. K navržení geometrie slouží CAD programy umožňující vytvoření objektů ve 2D i 3D. V některých případech umožňuje samotný Fluent nadefinovat a vytvořit velmi jednoduchou geometrii pro 2D a 3D úlohy. Pro tvarově složitější geometrii využívá program prebfc, GeoMesh, Gambit. Výsledky řešení je možno graficky znázornit. Zadáním souřadnic je možné vytvořit řezné roviny v libovolném místě 3D oblasti a lze tak snadno odečíst rozložení změn tlaků, viskozity, vektory rychlostí, rychlostní profily, proudové funkce a další zkoumané veličiny v celém řezu nebo v řešené oblasti. Systém Fluent je využitelný pro celou škálu technických problémů, jen je třeba ve specielních případech zjistit jakým způsobem ho lze dostatečně efektivně využívat. 3 Model problematiky výstupu plynu v oblasti Vesničky soužití V následující kapitole je řešena konkrétní situace výstupu důlních plynů na povrch v lokalitě Hrušovského dolu, tzn. v místech, kde je situována Vesnička soužití. Obr. 1 Půdorysná situace umístění vesničky soužití s částí výrubů sloje č. 8 a sloje Františka v lokalitě Hrušovský důl - 2 -

3 Půdorysná situace oblasti je znázorněna na Obr. 1 (dle [1]). Z obrázku je zřejmé, že komplex budov je podrubán 8. slojí v celém rozsahu a to v hloubce, která představuje potencionální nebezpečí výstupu metanu. Vyrubaný prostor vytěžené 8. sloje je pravděpodobně dotován plyny přicházejícími z větší hloubky, kde se nachází taktéž výrub sloje Františka. Obr. 2 Zjednodušený geologický řez vedený vrty HD 28 HV 4 pod komplexem budov Vesničky soužití V uvedeném vertikálním řezu Obr. 2 (dle [3]) byly podle výsledků odplyňovacích vrtů a mapové dokumentace zaneseny jednotlivé horninové vrstvy. Tento řez mi posloužil pro stanovení plynopropustnosti horninových vrstev. Volil jsem průměrnou plynopropustnost horninových vrstev 10-8 m 2. Oblast, pro kterou jsem vytvořil následující model, je dvourozměrná, 30 m široká, 50 m hluboká. Pro rozměry základové desky (20 m) a dimenze drenážního potrubí, jsou použity hodnoty shodné s parametry uvedenými v projektové dokumentaci stavby. Potrubí je perforované a jeho úkolem je odvádět důlní plyn, který by se mohl za určitých okolností hromadit pod základovou deskou. Proto, aby bylo možné posoudit rozdíl, mezi situací, ve které je vybudován drenážní systém a mezi situací, kdy vybudován není, vytvořil jsem osm variant označených následovně. varianta 1_nízký_tlak - Základ bez drenáže. Barometrický tlak Pa. varianta 1_vysoký_tlak - Základ bez drenáže. Barometrický tlak Pa. varianta 2_nízký_tlak - Drenáž pod celým základem. Barometrický tlak Pa. varianta 2_vysoký_tlak - Drenáž pod celým základem. Barometrický tlak Pa. varianta 3_nízký_tlak - Základ bez drenáže, v základech trhlina 1cm 2. Barometrický tlak Pa. varianta 3_vysoký_tlak - Základ bez drenáže, v základech trhlina 1cm 2. Barometrický tlak Pa. varianta 4_nízký_tlak - Drenáž pod celým základem, v základech vznikla trhlina 1 cm 2. Barometrický tlak Pa. varianta 4_vysoký_tlak - Drenáž pod celým základem, v základech vznikla trhlina 1 cm 2. Barometrický tlak Pa. Modely byly sestaveny pro dvě hodnoty barometrického tlaku, které byly naměřeny v období jednoho měsíce. Nejvyšší hodnota barometrického tlaku je Pa a nejnižší Pa, - 3 -

4 v přepočtu na geodetickou výšku v místě měření. Pro slojový tlak jsem volil hodnotu Pa v přepočtu na geodetickou výšku a tuto hodnotu jsem také použil pro všechny modely. Hodnoty tlaků byly převzaty z literatury [3]. Z Obr. 3 si můžete udělat představu o situaci pod povrchem a současně zde můžete vidět vektory rychlosti proudění plynu v okolí základu budovy. Na obrázku jsou také znázorněny kontrolní body, ve kterých jsem sledoval rychlost a směr proudění. Obr. 3 Vektory rychlosti pod základy stavby s kontrolními body varianta 1_nízký. Na Obr. 4 si můžete udělat představu jak se mění proudění v případě, že je pod základy budovy položena drenáž

5 Obr. 4 2_nízký pohled na rychlosti proudění s drenážním systémem a s detailem u pravého okraje stavby Nebezpečí metanu se může projevit v případě, že v základech budovy vznikne trhlina. Ta má samozřejmě za následek protékání plynu do budovy. Aby bylo možno dobře znázornit tuto situaci, zachycenou na Obr. 5, jsou na obrázku izolinie rychlosti jen v rozmezí 0 až 0,01 ms -1. Červená barva značí oblast, kde proudí plyn rychleji a modrá barva značí oblast s nízkou rychlostí. Je vidět, že rychlost proudění je vysoká jak na krajích základů, tak i v prostoru trhliny. Obr. 5 Izolinie rychlosti s trhlinou v základech bez drenáže - 5 -

6 Z tohoto důvodu jsem namodeloval poslední variantu, ve které je použita drenáž pod základy. Situace je zobrazena na Obr. 6 a je na ni vidět, že drenáž je účinná a zabraňuje průchodu plynu do budovy trhlinou. Obr. 6 Izolinie rychlosti s trhlinou v základech s drenáží Jak jsem již uvedl, v každém modelu jsem zjišťoval rychlost a směr proudění v kontrolních bodech. Hodnoty jsou uvedeny v Tab. č. 1. V Tab. č. 2 jsou uvedena množství plynu v m 3 s -1 v trhlině a v ústí drenáže. Tab. č. 1 Rychlosti průtoku plynu v kontrolních bodech v ms -1 Vzdálenost od osy modelu [m] 1_nízký_tlak 1_vysoký_tlak 2_nízký_tlak 2_vysoký_tlak Název Bod 5-10,50 0, , , , Bod 6 10,50 0, , , , Bod 7 11,50 0, , , , Bod 8 12,50 0, , , , Bod 9 13,50 0, , , , Bod 10 14,50 0, , , , _nízký_tlak 3_vysoký_tlak 4_nízký_tlak 4_vysoký_tlak Bod 5-10,50 0, , , , Bod 6 10,50 0, , , , Bod 7 11,50 0, , , , Bod 8 12,50 0, , , , Bod 9 13,50 0, , , , Bod 10 14,50 0, , , ,

7 Tab. č. 2 Množství průtoku plynu v ústí drenáže a v trhlině v m 3 s -1 Název Vzdálenost od osy modelu [m] 1_nízký_tlak 1_vysoký_tlak 2_nízký_tlak 2_vysoký_tlak Ústí drenáže 11,0 až 11,1 0, , , , Trhlina -6 až -5, _nízký_tlak 3_vysoký_tlak ] 4_nízký_tlak 4_vysoký_tlak Ústí drenáže 11,0 až 11,1 0, , , , Trhlina -6 až -5,99 0, , , , Pozn. Hodnoty bez znaménka mají smysl proudění z dolu na povrch a hodnoty se záporným znaménkem představují proudění z povrchu do dolu. 4 Závěr Z výsledků jednotlivých variant vyplývá, že pokud je atmosférický tlak větší než tlak slojový, dochází k proudění plynu do podzemí. Z hlediska potencionálního nebezpečí je tato varianta považována za uspokojivou, protože nedochází k výstupu důlních plynů z podzemí do ovzduší. V druhé variantě, pokud je atmosférický tlak menší než slojový, dochází k výstupu plynů na povrch. Z tohoto důvodu může dojít k hromadění metanu v uzavřených prostorách. Z výpočtu vyplývá, že pokud není pod základy budovy položeno drenážní potrubí, proudí okolo základů při nejnižším atmosférickém tlaku 0,07 m 3 s -1, což znamená, že plochou 1 m 2, unikne 252 m 3 h -1 plynu. Pokud by se v základech objevila trhlina o ploše 1 cm 2 a základy budovy by byly bez drenáže, potom by touto trhlinou při nejnižším atmosférickém tlaku mohlo proudit až okolo 0,00053 m 3 s -1 což je 1,9 m 3 h -1. Nebezpečí lze eliminovat pomocí drenážního potrubí, které svede převážnou část toku do drenážního systému. Při použití drenážního systému proudí okolo základů budovy při nejnižším atmosférickém tlaku 0,0006 m 3 s -1, to znamená, že plochou 1 m 2, unikne 2,16 m 3 h -1. Při vzniku trhliny o ploše 1 cm 2 proudí touto trhlinou 0, m 3 s -1, což je 0, m 3 h -1. Z těchto hodnot můžeme usoudit, že položení drenážního systému pod Vesničkou soužití má své opodstatnění. Tyto závěry vedou k přesvědčení, že Fluent lze použít jako expertní systém pro modelování nebezpečných stavů v oblasti výstupů důlních plynů z podzemí. Z tohoto článku však není patrné, že tvorba modelu je poměrně časově náročná a že osoba, která interpretuje získané výsledky si musí být vědoma toho, jaká zjednodušení byla při tvorbě modelu uplatněna. I přes uvedené překážky, jsme získali výsledky, které jsou ověřené praktickými měřeními i nezávislými výpočetními postupy [3]. Literatura [1] OSTREZY, J. Zpracování půdorysné situace a vertikálního geologického řezu v okolí Vesničky soužití v lokalitě Hrušovský důl pomocí programu Geologický model fy KVASoftvare. [2] LÁT, J. Výstupy plynů z dolu na povrch v oblastech s ukončenou hornickou činností, Uhlí rudy geologický průzkum, 7/2000, Praha, 2000, s , ISSN [3] LÁT, J., HUMMEL, M., ŠIŠKA, D., ŠENOVSKÝ, P., aj. Posouzení vlivu drenážního systému pod stavbou Vesničky soužití na svedení plynu z podzemí. [4] STRAKOŠ, V. Teoretické aspekty proudění důlních plynů na povrch, In Sborník referátů 10. mezinárodní konference Hornická Ostrava Moravskoslezská hornická společnost ČSVTS, Ostrava, 2000, s , ISBN