Symulacja numeryczna rozwoju ogniska pożaru w zrobach ściany prowadzonej na zawał stropu

 Autor: W. Dziurzyński

Rozważania dotyczące prognozy procesu przewietrzania odbywającego się w sieci wentylacyjnej kopalni głębinowej po wystąpieniu pożaru podziemnego, zlokalizowanego w zrobach ściany prowadzonej na zawał stropu, doprowadziły do opracowania metody wyznaczania parametrów określających trudny do odgadnięcia stan, w jakim może znajdować się kopalniana sieć wentylacyjna.

Metodę prognozowania oparto na symulacji numerycznej procesu przewietrzania sieci wyrobisk kopalni. Model matematyczny badanych zjawisk jest złożonym układem równań różniczkowych cząstkowych nieliniowych, wzajemnie sprzężonych parametrami fizycznymi i warunkami brzeżno-początkowymi.

Model matematyczny opisuje zjawiska podzielone na trzy podstawowe działy:

1. Rozpływ mieszaniny powietrza i gazów oraz wyznaczenie prędkości przepływu mieszaniny w wyrobiskach i zrobach w zależności od zmieniających się warunków przewietrzania.

2. Zmiany stężeń poszczególnych składników mieszaniny z uwzględnieniem zmieniających się w czasie prędkości przepływu oraz źródeł dopływu gazów domieszkowych.

3. Rozkład czasoprzestrzenny temperatury ogniska pożaru i otaczającego go obszaru zrobów.

W artykule przedstawiono model matematyczny ogniska pożaru w zrobach, który uwzględnia proces spalania węgla. Skutkiem procesu spalania następuje ubytek tlenu (2.1), co determinuje strumień wydzielanego ciepła (2.12) oraz strumień wydzielanych gazów pożarowych (2.6). Dla wyznaczenia parametrów w równaniu opisującym proces spalania węgla wykorzystano badania eksperymentalne przeprowadzone w warunkach wyrobiska górniczego (Dziurzński, Tracz 1994).

Przyjęty model matematyczny ogniska pożaru, podany we współrzędnych walcowych (3.8), pozwala na obliczenie temperatury ogniska pożaru w zrobach z uwzględnieniem transportu i przewodnictwa ciepła wydzielonego w procesie spalania węgla. Ponadto w równaniu rozkładu temperatury w ognisku pożaru uwzględniono odbieranie ciepła przez przewodnictwo do otaczającego ognisko pożaru środowiska (3.9).

Dla modelu matematycznego wyznaczono warunki brzeżno-początkowe dla równań modelu (2.8), (3.8), (3.9). Dla uzyskania rozwiązania przyjęto metodę numeryczną opartą na aproksymacji schematem różnicowym niejawnym (5.1) oraz jawnym (5.8), (5.11). Przedstawiono dwa przykłady symulacji rozwoju ogniska pożaru przy zmiennych warunkach przewietrzania.

Wyniki symulacji pokazano w postaci graficznej na wykresach czasowych (rys. 10) i w postaci rozkładów przestrzennych (rys. 2-9). Na podstawie przedstawionego modelu i uzyskanych numerycznie rozwiązań stwierdzono, iż w ognisku pożaru proces palenia w dużej mierze zachodzi na styku jego czoła z napływającym powietrzem. Wskutek niewielkich prędkości przepływu w zrobach (rzędu mm/s), tlen jest szybko zużywany w procesie palenia. Ognisko pożaru przemieszcza się w kierunku napływu świeżego powietrza, powiększając swoje wymiary zarówno wzdłuż, jak i w poprzek linii prądu.

Z przeprowadzonych symulacji wynika, iż istnieje pewna graniczna wartość prędkości przepływu w zrobach, której przekroczenie powoduje gwałtowny rozwój ogniska pożaru. Stan ten charakteryzuje się zwiększeniem promienia bryły, z czym związane jest znaczne zwiększenie wydatku generowanych gazów pożarowych. Uzyskane na podstawie obliczeń rozmiary ogniska pożaru są rzędu kilku metrów, przy czym kształt bryły tworzącej ognisko pożaru przypomina odrywającą się kroplę wody.