Pakiet VentGraph

Mine Ventilation Simulation Software
Fot. T. Pałka

Trudne i niebezpieczne warunki eksploatacji górniczej w Polsce i na świecie spowodowały konieczność powstania specjalistycznego oprogramowania, którego zastosowanie w działach wentylacji kopalń byłoby wsparciem pracy i ułatwieniem w podejmowaniu decyzji. W 1988 roku opracowano koncepcję oraz pierwszą wersję profesjonalnego Systemu Programów Komputerowych Inżyniera Wentylacji VentGraph.

System VentGraph jest zintegrowanym pakietem programów komputerowych dostarczającym ekspertom i inżynierom wentylacji kopalń skutecznych narzędzi do rozwiązywania złożonych problemów wentylacyjnych. Oprogramowanie umożliwia cyfrowe odwzorowanie wszystkich wyrobisk kopalni, dzięki czemu powstaje jej wirtualny model, na którym można analizować proces przewietrzania zarówno w warunkach normalnych, jak i w stanie awaryjnym. System VentGraph dysponuje znacznymi możliwościami obliczeniowymi, a przy jego opracowaniu duży nacisk położono na łatwość obsługi i interpretacji wyników. Oprogramowanie buduje bazę danych dotyczącą struktury przestrzennej sieci wentylacyjnej kopalni i parametrów charakteryzujących przepływ mieszaniny gazów. Baza jest podstawą do obliczenia rozpływu powietrza i gazów zarówno w stanie normalnym, jak i awaryjnym. Tym samym wirtualna kopalnia jest gotowa do reagowania na wszelkie sytuacje. System VentGraph wdrożono w latach 1991-2014 w 48 polskich kopalniach (również w zlikwidowanych). Ponadto dzięki współpracy z partnerami zagranicznymi w latach 2003-2014 wdrożono je w: Australii – 12 wdrożeń (partner Gillies Wu Mining Technology Pty Ltd), USA – 6 wdrożeń (2 kopalnie, National Institute for Occupational Safety and Health, University of Kentucky, University of Missouri), Republice Czeskiej (VŠB-Technická Universita Ostrava), Wietnamie (Hanoi Institute of Mining Science and Technology).

Symulacja numeryczna groźnych zjawisk tj. pożar podziemny lub dopływ tysięcy metrów sześciennych metanu, a następnie jego migracja wzdłuż dróg wentylacyjnych kopalni pozwalają skontrolować jakość przewietrzania oraz — co istotniejsze — podjąć środki w celu minimalizacji zagrożenia, zanim zdarzy się wypadek. Przewidzenie zmian stężeń gazów w warunkach awarii lub katastrofy w kopalni stanowi poważny problem ze względu na dynamizm zachodzących zjawisk. Zagadnienie to można jednak rozwiązać przez zastosowanie symulacji numerycznej, opisującej funkcjonowanie całego systemu wentylacji kopalni składającego się z wyrobisk, węzłów i urządzeń wentylacyjnych. Taka symulacja wymaga stworzenia modelu matematycznego, który uwzględnia zjawiska fizyczne związane z przepływem powietrza i gazów rzeczywistej kopalni. Warunki początkowe określają stan, w jakim znajduje się przepływ powietrza i gazów w sieci wentylacyjnej tuż przed zaistnieniem zdarzenia, zaś warunki brzegowe określają wpływ określonych czynników — przemieszczeń górotworu, wybuchu pożaru, dopływu metanu, akcji gaśniczych — na funkcjonowanie systemu wentylacyjnego. Konkretne przypadki wykazały, że oprogramowanie oparte na naukowych podstawach stanowi skuteczne narzędzie do zwalczania zagrożeń istniejących w kopalniach węgla na całym świecie.

System programów VentGraph jest narzędziem wspomagającym pracę inżynierów i ekspertów wentylacji kopalń. Wyróżnia go animowana grafika do obrazowania zmiennych w czasie procesów pożarów podziemnych i propagacji niebezpiecznych gazów. Podstawą dla modelowania są moduły do tworzenia baz danych systemów wentylacyjnych oraz rysowania schematu przestrzennego sieci, będącego podstawą dla graficznej prezentacji wyników. Jakość modelu jest weryfikowana poprzez porównanie obliczeń z danymi z pomiarów na rzeczywistych obiektach. Podstawowym zastosowaniem VentGraph są wielowariantowe analizy stanu przewietrzania istniejących i projektowanych systemów.

VentGraph zawiera unikalny moduł do symulacji scenariuszy rozwoju i zwalczania zagrożeń wywołanych przez pożary i emisję wybuchowych i toksycznych gazów. Oparto go na optymalnie dobranym zestawie modeli matematycznych i numerycznych, uwzględniających zjawiska przepływu gazów, wymiany ciepła z otaczającym górotworem, naturalnej wentylacji, dynamiki ogniska pożaru i działania urządzeń do podawania gazów inertnych. Opcjonalnie VentGraph może współpracować w czasie rzeczywistym z systemami monitoringu atmosfery kopalnianej i wspomagać planowanie ewakuacji załogi. Specjalne wersje programu służą do analizy interakcji między przepływami w wyrobiskach chodnikowych i migracją gazów w zrobach – podziemnych zwałowiskach pozostałych po wydobytych kopalinach.

Kolejne zastosowania to modelowanie sieci odmetanowania kopalń, a także analiza systemów wentylacji tuneli oraz wentylacji grawitacyjnej w budynkach. Jest stosowany również w dydaktyce i szkoleniu służb ratowniczych.

Schemat przestrzenny kopalni można odwzorować w postaci cyfrowej, z bezpośrednim powiązaniem „systemu bocznicy” i parametrów charakteryzujących przepływ w tej bocznicy. Równocześnie można umieścić na nim wyniki obliczeń. Pozwala to na dokonywanie w trakcie obliczeń dowolnych animacji na monitorze komputera. Przyjęty w systemie VentGraph sposób prezentacji informacji o systemie sieci wentylacyjnej wymaga przygotowania dwojakiego rodzaju danych. Dotyczą one struktury sieci, jak i graficznego schematu przestrzennego sieci wentylacyjnej prezentowanej na ekranie komputera.

Pakiet programów VentGraph umożliwia:

• bieżącą kontrolę niestacjonarnego procesu przewietrzania,
• prognozowanie procesu przewietrzania w sieci wyrobisk i zrobów dla różnych wariantów projektowanych rozwiązań,
• odtwarzanie niestacjonarnego procesu przewietrzania (szczególnie przydatne po wystąpieniu katastrof, pożaru, tąpnięcia i wypływu metanu w sieci wyrobisk).

Pakiet VentGraph tworzą specjalistyczne grupy programów, które realizują poniższe funkcje:

Interaktywny interfejs graficzny umożliwia obserwację skutków działań zaradczych, takich jak otwieranie klap oddymiających lub rewersja wentylacji. Dzięki prostemu modelowi matematycznemu w krótkim czasie można przeprowadzić serie wielowariantowych symulacji nawet dla złożonych sieci. Ten sposób modelowania może być wykorzystany do celów edukacyjnych i szkoleniowych i prognozowania, pod warunkiem uwzględnienia ograniczeń w stosowalności programu, wynikających z przyjętych w nim upraszczających założeń.

Moduł VentZroby

Moduł VentZroby pozwala na łączne rozpatrywanie przepływu powietrza i gazów w sieci wyrobisk i zrobach ścian eksploatowanych na zawał stropu. Możliwości Modułu VentZroby są znaczne i umożliwiają rozpatrywanie wielu scenariuszy wentylacji rejonów eksploatacji systemem ścianowym z uwzględnieniem:

• dopływu metanu do zrobów i wyrobisk przyścianowych,
• dopływu metanu wynikającego z pracy kombajnu ścianowego oraz transportu urobku przenośnikami,
• zmiany oporu ściany wynikającego z ruchu kombajnu,
• zmiany w warunkach przewietrzania wyrobisk:
  • zatrzymania wentylatora głównego przewietrzania,
  • pracy rewersyjnej,
  • stawiania i otwierania tam.
• inertyzacji zrobów dwutlenkiem węgla, azotem i metanem,
• podawania zawiesin do uszczelniania zrobów.

Wymienione możliwości programu są weryfikowane z praktyką górniczą poprzez badania „in situ”. Ze względu na obiekt badań, uzyskanie danych przydatnych do walidacji jest niezwykle trudne. Powody tego stanu rzeczy wynikają głównie z trudności, jakie stawiają badaniom warunki górniczo-geologiczne oraz z faktu, że obiekt badań to żywy organizm z natury nieprzyjazny eksperymentom. Od roku 2002 wykonujemy szereg eksperymentów w wyrobiskach kopalni, które pozwoliły na sprawdzenie przydatności zastosowanego w programie modelu matematycznego przepływu mieszaniny powietrza i gazów w wyrobiskach oraz w obszarze zrobów. Wykonane badania pokazały dalsze kierunki, a w szczególności uściśliły warunki prowadzenia badań eksperymentalnych oraz wskazały potrzebę doskonalenia matematycznego opisu zjawisk, szczególnie w zakresie dopływu metanu. Celem tych badań była poprawa wiarygodności metody prognozowania procesu wentylacji. Model numeryczny sieci wentylacyjnej kopalni dla rozpływu powietrza uzyskuje się na podstawie złożonych pomiarów wentylacyjnych wykonywanych przy zastosowaniu przyrządów ręcznych takich jak: barometry np. typu uBAR, anemometrów skrzydełkowych typu uAS4, psychroaspiratora Assmana, które uzupełniają dane geometrii wyrobisk oraz koty niwelacyjne węzłów. Jak pokazuje praktyka, zdarzają się takie przypadki, kiedy trzeba sięgnąć po inne sposoby celem wyznaczenia potrzebnych parametrów. Wtedy wykorzystuje się czujniki systemu gazometrii automatycznej.

Moduł VentZroby jest rozszerzeniem programu do symulacji przepływów nieustalonych o migrację gazów (metan, azot, dwutlenek węgla, gazy pożarowe) w zrobach. W modelu numerycznym programu zroby reprezentowane są przez sieć prostopadłych bocznic, w których przepływ ma charakter filtracyjny. W ten sposób turbulentny przepływ w wyrobiskach korytarzowych i filtracja w zrobach może być rozwiązywana jednocześnie przy użyciu tej samej metody numerycznej. Na potrzeby programu opracowano funkcje aproksymujące dwuwymiarowe rozkłady przepuszczalności, porowatości i wysokości (x,y) w zrobach. Pozwala to na kształtowanie różnych rozkładów przepuszczalności w zrobach, w zależności od sytuacji górniczo-geologicznej. Ten stosunkowo prosty model umożliwia symulację propagacji gazów, interakcje z przepływem prądów obiegowych dla zmiennych warunków przewietrzania, a także wpływ ogniska pożaru w zrobach z uwzględnieniem inertyzacji.

Systematycznie prowadzone prace nad rozwojem oprogramowania umożliwiły połączenie programu komputerowego VentGraph z:

• Programem ESCWIN do wyznaczania dróg ucieczkowych i stref zagrożonych przepływem gazów pożarowych oraz miejsc posterunków i bazy akcji,
• Programem VentZroby pozwalającym na łączne rozpatrywanie przepływu powietrza i gazów w sieci wyrobisk i zrobach ścian eksploatowanych na zawał stropu,
• procedurami połączenia programu z czujnikami systemu monitorowania kopalni pracującego pod kontrolą systemu Zefir.

Na podstawie zmodyfikowanych modeli opracowano nowe algorytmy dla programu VentZroby, opisujące emisję metanu w funkcji czasu dla aktualnej prędkości urabiania węgla kombajnem i pozycji kombajnu w ścianie i dla emisji metanu z calizny. Również emisja metanu z urobku na przenośniku ścianowym oraz na przenośniku w chodniku transportowym uwzględnia okresy postoju kombajnu i przenośników spowodowanych wyłączeniem napięcia zasilania. Drugim istotnym uzupełnieniem programu komputerowego VentGraph jest wprowadzenie do obliczeń układu kalkulującego, który automatycznie prognozuje maksymalną prędkość posuwu kombajnu, uwzględniając wartość mierzonego stężenia metanu i szybkość jego zmiany.

Tym samym zbudowano rozszerzony systemu programów komputerowego, któremu nadano nazwę VentGraph-Plus. Aktualnie program VentGraph-Plus jest z powodzeniem używany w ekspertyzach i projektach badawczych.

INFORMACJA: prof. dr hab. inż. Wacław Dziurzyński