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, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, Ostrava - Poruba, 708 33 pavel.senovsky@vsb.cz, http://homen.vsb.cz/~sen76 Abstract The contribution deals with modelling of gas flow in Hrusov mine with use of ventilation nets. After the end of exhaust test in the area of Hrusov mine, which was realized by DPB in cooperation with VŠB-Technical University of Ostrava in September 2000, it was necessary to adjust and to verify validity our models. One of the programs we use to model the problem is SIT. Program SIT was created for active mine with fully operational ventilation. For this type of computation is program sufficient. In the abandoned mines exist different conditions, which were not expressed reliable by program SIT especially in case of influence of the barometric pressure and inner pressure. These problems leaded to creation of new program Nsit. Remainder of the contribution deals with the verification of both programmes with the data acquired during exhaust tests. 1 Úvod V průběhu řešení grantového úkolu GAČR 105/98/K045 byl v předcházejícím období pro výpočty chování plynu v podzemí utlumovaných lokalit, použit program SIT. Výsledky jsou publikovány v [1, 2]. Program SIT vypočítává ustálené proudění větrů v důlní větrní síti. Program SIT byl navržen pro činný důl s fungujícím větráním. Pro tento typ výpočtu program plně vyhovuje. Jak bylo ověřeno měřením v lokalitách utlumovaných dolů, existují zde jiné podmínky, které stávající program SIT nevyjadřoval spolehlivě. Týká se to zejména vlivu přirozené deprese a slojového tlaku, který vzniká v důsledku emise důlního plynu (metanu) do prostor uzavřeného dolu (místo výrazu slojový tlak, který používáme v publikacích, je vhodnější označení vnitřní přetlak). Vzájemné působení přirozené deprese a slojového tlaku se projevuje podle praktických poznatků tak, že se stoupajícím barometrickým tlakem klesá vliv vnitřního přetlaku. Obdobným způsobem ovlivňuje působení slojového tlaku (vnitřního přetlaku) také teplota a vlhkost na povrchu i v důlním prostředí. Jejich vzájemné působení jsme podle výsledků jednotlivých měření popsali novými vztahy a zavedli do nového výpočetního programu NSit [3]. Další závislostí, kterou jsme museli v novém programu zohlednit jsou vlastnosti proudícího média. Původní program SIT uvažuje jako prudící médium vzduch a tomu odpovídající měrnou hmotností. Při výstupech důlních plynů (metanu) z dolu na povrch je však nutno uvažovat s hodnotami (měrná hmotnost, univerzální plynová konstanta) pro jiné médium. Při stoprocentní koncentraci metanu by to byly vlastnosti tohoto plynu, ale vzhledem k tomu, že důlní plyn vystupuje jako směs metanu se vzduchem, jsou skutečné hodnoty v podstatě kombinací charakteristik obou médií. - 1 -
2 Sestavení výpočetního programu NSit pro výše definované podmínky Úprava hodnot odporu pro potlačená, deformovaná a zavalená díla v uzavřeném dole. Při aplikaci výpočetních programů v podmínkách, ve kterých ještě doposud nebyly uplatněny, jsme museli nalézt nové hodnoty řady veličin. Například pro odpor cest v deformovaných, potlačených a zavalených důlních dílech nejsou velikosti odporu k dispozici a ani se nedají měřit. Nejprve jsme tedy stanovili odpory cest teoreticky. Využili jsme známý vztah (1). LU R = α.. (1) 3 S R odpor předpokládané cesty plynu po zavalených důlních dílech (kg.m -7 ) α součinitel tření na těchto cestách (kg.m -3 ) L délka cesty (m) U obvod profilu důlního potlačeného díla (m) S plocha profilu potlačeného důlního díla (m) Hodnoty odporu podle vztahu (1) jsou v podmínkách utlumovaných dolů velmi vysoké, což v původním programu SIT vedlo k tomu, že dělení touto vysokou hodnotou zaokrouhlil program prakticky na nulu. V programu NSit jsem tuto skutečnost zohlednil a při ověřování podle naměřených výsledků jsem výše uvedený vztah (1) korigoval tak, aby byl použitelný pro zmíněnou situaci. Další postup výpočtu se už zakládal na aplikaci Atkinsonovy rovnice (2). p = R Q 2 (2) kde: R... aerodynamický odpor Q... proudící množství p... tlakový rozdíl mezi dvěma uzly větve Vliv barometrického tlaku, hloubek, teplot a vlhkostí Program NSit upravuje velikost zdrojů plynu v Pa (v SIT se zadává jako ventilátor v Pa). S využitím tohoto aparátu (3). A0 = A0 s + p0 p ( p0 + p 1 n n ) (3) kde: A0 1... nová charakteristika zdroje [Pa] A0 s... původní charakteristika zdroje [Pa] p 0p... referenční barometrický tlak (střední hodnota barometrického tlaku v dané lokalitě v delším časovém období (1 rok)) [Pa] p 0n... nová hodnota barometrického tlaku [Pa] p n... tlakový rozdíl [Pa] - 2 -
p = h ( ρ1 ρ 2 ) (4) kde: p n... tlakový rozdíl h... výškový rozdíl mezi povrchem a výškou uzlu blíže k povrchu ρ 1... hustota plynu při povrchu ρ 2... hustota plynu ve větvi se zdrojem plynu ρ = p0 R T ϕ ε R T (5) kde: ρ... hustota plynu p 0... barometrický tlak R... plynová konstanta (metan: 518,8 [J.kg -1.K -1 ], vzduch: 287 [J.kg -1.K -1 ]) T... absolutní teplota ϕ... vlhkost ε... napětí nasycených vodních par Tabulka 1: Tabulka nasycení vodních par při dané teplotě teplota Teplota napětí [ C] nasycených vodních par 0 5 10 15 20 25 30 609,1 871,7 1227,5 1704,6 2332,7 3165,8 4238,9 [Pa] 3 Ověření vypočítaných hodnot podle programu NSit s výsledky naměřenými v lokalitě Hrušovský důl Pro danou situaci jsme sestavili větrní síť viz příloha 1 a dle ní jsme uskutečnili následující výpočty. Ověření pro případ bez odsávání V červnu 2000 byly na vrtech na lokalitě Hrušovský důl měřeny velikosti tlakových rozdílů mezi dolem a atmosférou a objemové průtoky. Zjištěné hodnoty jsme porovnávali s výsledky výpočtu podle programu NSit. Cílem bylo korigovat vstupní hodnoty programu a to zejména odpory předpokládaných větrních cest, vrtů, dále pak působiště a velikosti slojového tlaku (vnitřního přetlaku). V následující tab. 2 je uveden výsledek měření na vrtu HD 8, kdy byly současně otevřeny vrty HD 2 a HD 13. Pro srovnání jsme provedli výpočet za následujících podmínek: bar.tlak 98984 Pa (102 000 přepočtený na nadmořskou výšku ústí vrtu). Odsávaní nebylo instalováno, vrty HD2 (R7) a HD13 (R81) byly otevřeny, kontrolováno Q na vrtu HD8, větev 29. - 3 -
Tab. 2: Srovnání naměřených hodnot Q a hodnot vypočítaných programem NSit bez degazace, pouze s působením přirozené deprese Vrt č. Datum Hodina Bar.tlak (na hladinu moře) [Pa] p [Pa] Q (naměřené) [m 3 /s] Q (vypočtené) [m 3 /s] HD 8 12.6.2000 10.13 102 000 97,0 0.0124 0,0113 Pozn.: Pokud jsou hodnoty p a Q bez znaménka znamenají smysl proudění z dolu na povrch Obdobný postup jsme použili i u dalších vrtů a vesměs se potvrdila přijatelná shoda. Zejména se prokázalo, že téměř ve všech případech se výpočtem potvrdil smysl proudění na vrtech. To znamená, že vrty, které sály vzduch do dolu ve skutečnosti se chovaly podobně i v modelu. Ověření pro případ s degazací Ve dnech 21. 23. 9. 2000 byly na vrtech v lokalitě Hrušovský důl měřeny velikosti tlakových rozdílů mezi dolem a atmosférou a objemové průtoky za situace, že na vrtech byla nasazena mobilní degazační stanice (MOS). Pro srovnání jsme použili výsledky získané při odsávání na vrtu HD1. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 3. - 4 -
Tab. 3: Srovnání naměřených hodnot Q a hodnot vypočítaných programem NSit s degazací Vrt č. Datum Hodina Bar.tlak (na hladinu moře) [Pa] p [Pa] Q (naměřené) [m 3 /s] Q (vypočtené) [m 3 /s] HD1 23.9.2000 7:00 102 700 2000 0,075 0,069 HD2 23.9.2000 8:15 102 700-142 -0,016-0,038 HD13 23.9.2000 8:47 102 700-444 -0,026-0,004 HD21 23.9.2000 9:32 102 700-447 -0,057-0,0031 Pozn.: Pokud jsou hodnoty p a Q bez znaménka znamenají smysl proudění z dolu na povrch. Pokud je znaménko záporné je smysl proudění z povrchu do dolu. Příklad výpočtu objemového průtoku na vrtu HD1 (větev R2) a HD2 (větev R7) je uveden v příloze 2 tohoto článku. Vzhledem k tomu, že se nepodařilo spolehlivě zjistit, které vrty byly v průběhu měření otevřeny (všechny nebyly ve stejném okamžiku zavřeny), jsou i určité minimální rozdíly v hodnotách naměřených a vypočtených objemových průtoků. Rozdíly jsou velmi malé a jsou v mezích chyb měření. Jednoznačně se však potvrdilo, že všechny vrty během odsávací zkoušky, v přibližně stejném časovém rozsahu dne 23.9.2000 od 7:00 do 9:40 hodin, sály. Naprosto stejný výsledek pokud se týče smyslu prudění prokázal i model. V tabulce 4 jsou uvedeny tlakové rozdíly a objemové průtoky při odsávací zkoušce dne 23.9.2000. Tab. 4: Hodnoty tlakových rozdílů a objemových průtoků na vrtech v lokalitě Hrušovský důl při nasazení MOS na vrtu HD1 Vrt č. hodina p [Pa] Q [m 3 /s] HD 1 7.00 1995 0,075 HD 2 8.15-142 -0,016 HD 6 8.27-608 -0,049 HD 7 8.20-513 -0,018 HD 8 8.41-594 -0,049 HD 9 8.36-195 0,000 HD 12 9.06-462 -0,057 HD 13 8.47-444 -0,026 HD 15 8.47-444 -0,026 HD 16 8.47-443 -0,026 HD 17 8.26-440 0,000 HD 18 9.53-448 -0,046 HD 19 8.56-493 0,000 HD 20 8.43-471 0,000 HD 21 9.32-447 -0,057 HD 22 8.52-483 0,000 HD 23 9.30-303 0,000 HD 24 9.08 0,0 0,000 HD 25 9.25-190 0,000 Výd. jáma R.Ř. 9.40-553 0,000-5 -
R61 45 R67 41 R62 R55 R70 R72 HD17 R52 50 R79 R77 HD20 R82 HD15 R49 55 R46 56 R17 R84 R43 R45 CH4 13 12 R45 R40 R21 R32 R31 15 HD9 16 R35 R28 HD6 HD1 R3 HD7 jáma hl 91m R9 Příloha 1 32 HD11 31 R44 HD12 29 R41 30 28 R29 CH4 R18 25 (237m) 21 (237m) R16 R20 24 HD8 27 14 R34 R15 R36 HD5 R39 18 R37 R38 17 19 5 HD4 10 R1 2 R2 R13 R4 R6 4 11 HD2 9 HD3 8 R11 3 R8 R7 6 R12 R10 R27 R24 7 23 CH4 26 CH4 R19 20 HD21 36 x R48 53 R78 52 34 R80 HD13 R81 54 R83 R22 22 Větrní jáma RŘ hl. 334m 33 R47 R69 46 49 R51 35 R76 48 R71 R74 51 HD16 R75 R50 47 HD18 HD25 R57 39 R59 R65 HD24 57 44 R58 R64 R56 HD23 R63 38 HD22 R60 R54 37 HD19 43 R68 R66 42 R53 R73 Síť hrušovského dolu pro výpočet proudění Legenda vrt HDxx uzel větrní sítě Rxx číslo větve R33 R23 R30 R25 R26 x HD26 x HD27-6 -
Příloha 2 Hrušov 7.3.2001 bar.tlak 99720 Pa v přepočtu na geodetickou výšku vrtu, na vrtu HD1 odsávání, vrt HD2 otevřen, ostatní vrty zavřeny Větev Uzel 1 Uzel 2 Hloubka 1 Hloubka 2 R/1000 t ϕ Q ps [m] [m] [kg/m7] [ C] [%] [m3/s] [Pa] 1 10 2-238 -236 0 25 65-0,067405 98000 2 3 2-176 -236 38 32 80 0,069937 96555,6 3 3 4-176 -194 460 30 70 0 96555,6 4 4 5-194 -234 10000000 30 70 0 96362,2 6 5 11-234 -236 0 25 65 0,000633 96131,4 7 11 6-236 -197 25 32 80 0,038291 96109,6 8 6 3-197 -176 48 32 80 0,060443 96491 9 6 7-197 -205 1200 32 80-0,015823 96491 10 7 8-205 -231 10000000 30 70 0,000316 96677,4 11 8 11-231 -236 0 25 65 0,036709 96164,2 12 7 9-205 -208 480 30 70-0,015823 96677,4 13 9 10-208 -238 10000000 30 70-0,000316 96754,6 15 9 27-208 -208 480 30 70-0,015506 96754,6 16 27 24-208 -208 1200 30 70-0,033861 96858,5 17 24 25-208 -237 192 30 70-0,034177 98120,4 18 25 21-237 -237 0 25 65-0,033544 98011,1 19 24 20-208 -208 192 30 70 0,000633 98120,4 20 20 21-208 -237 192 30 70-0,034177 98120,3 21 21 10-237 -238 0 25 65-0,067089 98011,1 22 22 20 37-208 1280 34 90-0,024684 99140,2 23 22 8 37-231 0 25 65 0,024051 99140,2 24 23 27-208 -208 576 30 70-0,018671 96416 25 8 23-231 -208 0 25 65-0,012025 96164,2 26 23 26-208 -196 0 25 65 0,006329 96416 27 6 26-197 -196 1200 30 70-0,006329 96491 28 3 12-176 -181 1150 30 70-0,00981 96555,6 29 12 13-181 -231 10000000 32 80 0 96601,1 30 13 5-231 -234 0 25 65 0,000949 96164,2 31 12 14-181 -198 576 32 80-0,00981 96601,1 32 14 15-198 -229 10000000 30 70 0 96469,2 33 15 13-229 -231 0 25 65 0,000949 96186,1 34 14 17-198 -198 95 30 70 0 96469,2 35 17 16-198 -230 10000000 30 70 0 96469,2 36 16 15-230 -229 0 25 65 0 96175,1 37 17 19-198 -195 290 30 70 0 96469,2 38 19 18-195 -228 10000000 32 80 0 96501,5 39 18 16-228 -230 0 25 65 0 96197 40 14 28-198 -185 576 32 80-0,009494 96469,2 41 28 29-185 -224 10000000 32 80 0 96654,8 42 29 15-224 -229 0 25 65 0,001266 96240,8 43 28 30-185 -185 480 32 80-0,009494 96654,8 44 30 31-185 -223 10000000 32 80 0 96693,8 45 31 29-223 -224 0 25 65 0,001266 96251,7 46 30 32-185 -185 290 32 80-0,009494 96693,8 47 32 33-185 -185 480 32 80-0,002215 96717,7 48 33 34-185 -224 10000000 30 70 0 96719,5 49 34 31-224 -223 0 25 65 0,000949 96240,8 50 33 35-185 -185 850 30 70-0,002215 96719,5-7 -
Větev Uzel 1 Uzel 2 Hloubka 1 Hloubka 2 R/1000 t ϕ Q*31,6 Q ps [m] [m] [kg/m7] [ C] [%] [m3/s] [m3/s] [Pa] 48 33 34-185 -224 10000000 30 70 0 0 96719,5 49 34 31-224 -223 0 25 65 0,03 0,000949 96240,8 50 33 35-185 -185 850 30 70-0,07-0,002215 96719,5 51 35 36-185 -222 10000000 30 70 0 0 96723 52 36 34-222 -224 0 25 65 0,03 0,000949 96262,7 53 35 37-185 -185 1200 30 70-0,07-0,002215 96723 54 37 38-185 -220 10000000 30 70 0 0 96728,3 55 38 36-220 -222 0 25 70 0,03 0,000949 96284,5 56 37 39-185 -185 1200 30 70-0,07-0,002215 96728,3 57 39 40-185 -219 10000000 30 70 0 0 96734 58 40 38-219 -220 0 25 65 0,03 0,000949 96295,5 59 39 41-185 -181 25 30 70-0,08-0,002532 96734 60 41 45-181 -219 10000000 30 70 0 0 96777,3 61 45 40-219 -219 0 25 65 0,02 0,000633 96295,5 62 41 42-181 -193 290 30 70-0,08-0,002532 96777,3 63 42 44-193 -193 380 30 70 0 0 96649,5 64 44 57-193 -219 10000000 30 70 0 0 96649,5 65 57 45-219 -219 0 25 65 0,02 0,000633 96295,5 66 42 43-193 -220 10000000 30 70 0 0 96649,5 67 43 57-220 -219 0 25 65 0,02 0,000633 96284,5 68 42 46-193 -193 770 30 70-0,08-0,002532 96649,5 69 46 47-193 -223 10000000 30 70 0 0 96654,5 70 47 43-223 -220 0 25 65 0,02 0,000633 96251,7 71 46 48-193 -193 380 30 70-0,09-0,002848 96654,5 72 48 49-193 -222 10000000 30 70 0 0 96657,1 73 49 47-222 -223 0 25 65 0,01 0,000316 96262,7 74 48 50-193 -193 480 30 70-0,09-0,002848 96657,1 75 50 51-193 -224 10000000 30 70 0 0 96660,6 76 51 49-224 -222 0 25 65 0,01 0,000316 96240,8 77 50 52-193 -193 380 30 70-0,09-0,002848 96660,6 78 52 53-193 -225 10000000 30 70 0 0 96663,6 79 53 51-225 -224 0 25 65 0,01 0,000316 96229,8 80 52 54-193 -193 580 30 70-0,1-0,003165 96663,6 81 54 55-193 -225 10000000 30 70 0 0 96668,5 82 55 53-225 -225 0 25 65 0 0 96229,8 83 54 56-193 -193 180 30 70-0,1-0,003165 96668,5 84 56 20-193 -208 16000 30 70-0,33-0,010443 96670,1 85 56 32-193 -185 770 30 70 0,23 0,007278 96670,1 Charakteristiky ventilátoru: Větev A0 [Pa] 2 2500 22 990 24 283 Literatura [1] Truneček, T.; Šenovský, P. Řešení proudění plynů v lokalitě Hrušovský důl v ostravsko karvinském revíru, s využitím teorie sítí. In Dílčí zpráva za rok 2000 Projekt realizace systému ochrany atmosféry před únikem metanu z uzavřených dolů v ostravské aglomeraci. Ostrava: HGF VŠB-TU Ostrava, 2000, s. 2 16. ISBN 80-86-111-55-5. [2] Kol. autorů. Dílčí zpráva za rok 1999 grantového úkolu č. 105/98/KO45, VŠB-TU Ostrava, Ostrava, 1999, 100 s. [3] Šenovský, P. Nsit [disk]. Verze pro Windows 9x. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2001. - 8 -